DE102004027330B4 - Mit einem Sensor zur Volumenstrommessung versehene Armatur - Google Patents

Abstract

Mit einem Sensor (3) zur Volumenstrommessung versehene Armatur, die ein Gehäuse (1) mit einem Strömungsraum (2) aufweist, in dem ein fluides Medium führbar ist, wobei der an eine Messeinrichtung angeschlossene Sensor (3) in der Wandung des Gehäuses (1) angeordnet ist und zur Volumenstrommessung in den Strömungsraum (2) ragt, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3) für die Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit des Mediums eine Probenkammer aufweist, mit der eine Probe des Mediums entnehmbar und zur Beruhigung aus dem freien Strömungsraum (2) herausbringbar ist.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine mit einem Sensor zur Volumenstrommessung versehene Armatur gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Derartige Armaturen, die als separate Bauteile, jedoch auch in Kombination mit Ventilen eingesetzt werden, dienen der Einmessung einer Anlage, beispielsweise einer Heizungs-, Kälte- und Brauchwasseranlage, im Sinne eines hydraulischen Abgleichs, wobei durch die Volumenstrommessung die Regelung eines Soll-Durchflusses möglich ist.
• Üblicherweise wird die der Volumenstrommessung zugrunde liegende Messung der Strömungsgeschwindigkeit mittels des kalorimetrischen Prinzips oder magnetisch-induktiv durchgeführt, wobei ein entsprechend ausgebildeter Sensor in den Strömungsraum ragt, in dem er von dem Medium umströmt wird. Eine solche Armatur ist als Strangregulierarmatur aus der EP 0 946 910 A1 bekannt. Auch in der EP 652 420 A1 sowie der DE 199 13 968 A1 sind Sensoren zur Volumenstrommessung gezeigt und beschrieben, die in den Strömungsraum ragen, wobei in der letzt genannten Literatur zusätzlich ein Sensor zur Wärmeleitfähigkeitsmessung vorgesehen ist, der ebenfalls in den Strömungsraum ragt.
• Allerdings ergeben sich bei diesen bekannten Konstruktionen hinsichtlich einer dauerhaften Funktionsfähigkeit Probleme, da die ausdrücklich in den Strömungsraum ragenden Sensoren mit zunehmender Zeitdauer, in der sie von dem Medium umspült werden, durch Ablagerungen verschmutzen, so dass eine zuverlässige Funktion nicht gewährleistet ist.
• Unabhängig davon, dass der Zeitpunkt, wann eine verschmutzungsbedingte Fehlmessung durchgeführt wird, nicht genau ermittelbar ist, ist auch die Beseitigung der Verschmutzungen, die sich häufig als Verkrustungen ablagern, äußerst problematisch. Darüber hinaus verändern sich die Sensoreigenschaften in der Zeit zwischen den mechanischen oder chemischen Reinigungsprozeduren ständig.
• Vielfach ist es sogar erforderlich, dass der komplette Sensor ausgetauscht werden muss. In jedem Fall ist eine Demontage des Sensors erforderlich, was mit einem erheblichen Arbeitsaufwand verbunden ist, der den Betrieb der Armatur ungünstig beeinflusst und zu einem im Grunde nicht akzeptablen Kostenfaktor führt, der die als Serviceleistung einzustufende Messung in ihrer wirtschaftlichen Akzeptanz behindert.
• Da, wie bereits ausgeführt, Volumenstromsensoren, die nach dem kalorimetrischen Prinzip arbeiten, zur vollen Funktionsfähigkeit auf einen gleichbleibenden Wärmeübergang zum Medium angewiesen sind, ändern solche kalorimetrischen Volumenstromsensoren ihre Charakteristiken in Abhängigkeit von der Wärmeleitfähigkeit des Mediums.
• Nicht immer ist die Wärmeleitfähigkeit des in einer Rohrleitung fließenden Mediums bekannt, so dass diese für eine genaue Messung vorab bestimmt werden muss.
• Da das Medium, üblicherweise Wasser und Verunreinigungen aufweist und mit Zusätzen wie Glykol oder dergleichen versetzt ist, die die Wärmeleitfähigkeit gegenüber reinem Wasser verändern, ist die tatsächliche Wärmeleitfähigkeit des Me diums zu bestimmen, was bislang nur mit einem erheblichen apparativen Aufwand möglich ist.
• Hierzu zählt auch die in der genannten DE 199 13 968 A1 beschriebene Anordnung von zwei separaten Sensoren, von denen einer der Volumenstrommessung und der andere der Wärmeleitfähigkeitsbestimmung dient.
• Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Armatur der gattungsgemäßen Art so weiter zu entwickeln, dass ihre Verwendungsfähigkeit verbessert, ihr Betrieb optimiert und ihre Störanfälligkeit vermindert wird.
• Diese Aufgabe wird durch eine Armatur gelöst, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
• Mit einer in diesem Sinne ausgebildeten Armatur ist nun mit einem einzigen Sensor neben der Volumenstrommessung auch die Wärmeleitfähigkeitsbestimmung des den Strömungsraum durchströmenden Fluiden Mediums durchführbar.
• Dabei zeichnet sich die Armatur vor allem dadurch aus, dass sie mit überraschend einfachen baulichen Maßnahmen diese erweiterte Aufgabe zu erfüllen vermag.
• Hierdurch ergeben sich sowohl Handhabungsvorteile gegenüber dem geschilderten Stand der Technik wie auch Herstellungsvorteile, die letztendlich zu einer Verringerung der Betriebskosten insgesamt führen.
• In Nichtgebrauchsstellung verbleibt der Sensor außerhalb des freien Strömungsraumes, so dass die zum Stand der Technik genannten Probleme hinsichtlich einer Verschmutzung durch das Medium nicht eintreten.
• Lediglich zur Volumenstrommessung bzw. zur Probenentnahme für die Wärmeleitfähigkeitsmessung wird der Sensor in den freien Strömungsraum geführt, das heißt in das strömende Medium eingetaucht.
• Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Probenkammer aus einer sich in Strömungsrichtung erstreckenden Querbohrung besteht, die beidseitig offen ist und nach einem Eintauchen in den Strömungsraum zurückgezogen wird unter Mitnahme der Probe bei gleichzeitiger Abschottung der beiden Öffnungen durch ein den Sensor umgebendes Lagergehäuse.
• In dieser Position ist das Medium in der Probenkammer beruhigt, so dass mittels eines beispielsweise Thermoelements, das die Probenkammer teilweise beheizt, eine entsprechende Wärmeleitfähigkeitsmessung durchgeführt werden kann.
• Zur Volumenstrommessung wird der Sensor soweit in den Strömungsraum eingetaucht, dass die besagte Querbohrung von dem geführten Medium durchströmt wird. Durch das Thermoelement wird ein Verluststrom ermittelt, der sich durch die elektrische Aufheizung des Thermoelementes in Verbindung mit der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums ergibt.
• Der Sensor ist vorzugsweise federnd axial verschiebbar in dem Lagergehäuse gehalten, mit dem im übrigen eine Rechnereinheit mit Datenspeicher, Auswerteeinheit und angeschlossener Anzeige direkt oder indirekt verbindbar ist. Zweckmäßigerweise ist die Rechnereinheit an ein Druckstück angeschlossen, mit dem der Sensor axial bewegbar ist.
• Dabei kann der Sensor in eine in den Strömungsraum eingetauchte Funktionsstellung gebracht und dort gegen die Federkraft gehalten werden, wozu das Druckstück durch geeignete Verbindungsmittel im Lagergehäuse gehalten wird.
• Beim Lösen dieser Verbindung und Herausziehen aus dem Lagergehäuse gleitet der Sensor selbsttätig durch den Federdruck in eine Position, in der in der beschriebenen Weise eine Wärmeleitfähigkeitsmessung durchgeführt werden kann.
• Bei Nichtgebrauch ist das Druckstück entnehmbar und an anderer Stelle, das heißt an einer anderen Armatur einsetzbar, so dass für eine Vielzahl von Armaturen lediglich ein Druckstück bereit gestellt werden muss, das vorzugsweise mit einem Datenspeicher in Wirkverbindung bringbar ist, in dem armaturspezifische Daten abgelegt sind.
• Als Armatur sind nicht nur Absperrorgane wie Ventile oder dergleichen zu sehen, sondern durchaus auch Rohrleitungsabschnitte, in deren Gehäusewandung erfindungsgemäße Sensoren eingebaut sind.
• Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
• Es zeigen:
• 1 und 2 jeweils einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Armatur in unterschiedlichen Funktionsstellungen des Sensors
• 3 bis 8 verschiedene Ausführungsbeispiele des Sensors, jeweils in einem Längsschnitt dargestellt
• In den 1 und 2 ist eine Armatur in Form eines Hubventiles dargestellt, die ein Gehäuse 1 aufweist, das einen Strömungsraum 2 umschließt, durch den ein fluides Medium wie Wasser zum Betrieb einer Heizungsanlage führbar ist.
• In der Wandung des Gehäuses 1 ist ein Lagergehäuse 5 befestigt, in dem ein axial verschiebbarer Sensor 3, mit dem eine Volumenstrom- und Wärmeleitfähigkeitsmessung durchführbar ist, gelagert ist. Dabei ist der Sensor 3 gegen die Kraft einer Druckfeder 6 in den Strömungsraum 2 aus dem Lagergehäuse 5 herausdrückbar, wobei dann eine Querbohrung 4 freigelegt ist, die sich quer zur Längsachse des Sensors 3 erstreckt.
• In Nichtsfunktionsstellung, entsprechend der 1, ist der Sensor aus dem Strömungsbereich herausgenommen und die Querbohrung 4, wie in der 1 erkennbar, von dem Lagergehäuse 5 überdeckt.
• Für die Durchführung einer Volumenstrommessung wird der Sensor mittels eines nicht dargestellten, mit dem Lagergehäuse verschraubten Druckstücks in den Strömungsraum 2 gedrückt, wobei gleichzeitig die Querbohrung 4 freigelegt wird, deren Längsachsrichtung sich dann in Strömungsrichtung erstreckt.
• Zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit des Mediums, die vor einer Volumenstrommessung bekannt sein muss, wird der Sensor 3 durch die Druckfeder 6 in das Lagergehäuse 5 geschoben, so dass anhand der dann in der Querbohrung befindlichen beruhigten Probe des Mediums dessen Wärmeleitfähigkeit festgestellt werden kann.
• Hierzu ist partiell ein oberer Bereich 7 der Querbohrung mittels eines Thermoelementes 9 beheizbar. Die ermittelten Werte werden über geeignete Übertragungsmittel an eine Rechnereinheit übermittelt.
• Nach Feststellung der Wärmeleitfähigkeit des Mediums wird in der beschriebenen Art und Weise der Sensor 3 wiederum in den Strömungsraum 2 geschoben, so dass das Medium die dann freiliegende Querbohrung 4 durchströmen kann.
• Mit Hilfe des Thermoelementes 9 kann über einen ermittelten Heizstromabfall, der abhängig ist von der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums, die Volumenstrommessung durchgeführt werden.
• In Nichtgebrauchsstellung wird der Sensor 3 durch die Druckfeder 6 in das Lagergehäuse 5 zurückgedrückt, so dass er davon vollständig ummantelt ist.
• Bei dem in der 3 gezeigten Ausführungsbeispiel liegt das Thermoelement 9 auf einem Auflager 8, das durch die Wandung der Querbohrung 4 gebildet ist, wobei diese Wandung so konfiguriert ist, dass sich ein enger thermischer Kontakt mit dem oberen Bereich der Querbohrung 4 ergibt. Hierbei besteht der Sensor 3 aus einem gut wärmeleitfähigen Material, vorzugsweise Metall.
• Bei dem in der 4 gezeigten Ausführungsbeispiel des Sensors 3 besteht dieser im wesentlichen aus Kunststoff, während ein topfartiger Einsatz 12 aus vorzugsweise Metall gebildet ist, dessen Boden den oberen Bereich der Querbohrung 4 dargestellt, der von dem Medium kontaktiert wird, während die gegenüberliegende, sozusagen innere Seite des Bodens das Auflager 8 für das Thermoelement 9 bildet. Im übrigen ist die Strömungsrichtung des Mediums mit dem Bezugszeichen 11 verdeutlicht.
• Während der Einsatz 12 bei dem in der 4 gezeigten Beispiel als separates Teil nachträglich in den Sensor 3 eingesetzt ist, ist bei der in der 5 gezeigten Ausführung ein aus Metall bestehender Träger 14 und das darauf aufliegende Thermoelement 9 beispielsweise durch Umspritzen des aus Kunststoff bestehenden Sensors 3 im übrigen hergestellt.
• Im Gegensatz zu den in den 3 bis 5 gezeigten Beispielen kommt das Thermoelement 9 bei dem in den 7 und 8 dargestellten Ausführungen unmittelbar mit dem Medium in Berührung.
• Hierzu ist das Thermoelement 9 gemäß 7 in einen beispielsweise aus Kunststoff bestehenden Halter 15 eingegossen und ragt bereichsweise in die Querbohrung 4. Die elektrischen Anschlüsse an Kabel 16 sind dabei von dem Halter 15 dichtend umschlossen. Dieser kann überdies mit dem Sensor 3 im übrigen, der auch aus Kunststoff bestehen kann, verklebt oder durch Umspritzen fest verbunden sein.
• In der 8 ist das Thermoelement 9 mit seinen elektrischen Anschlüssen direkt in den aus Kunststoff bestehenden Sensor 3 im übrigen eingegossen, während der elektrisch und thermisch aktive Bereich des Thermoelementes 9 in die Querbohrung 4 ragt. Dabei sind die das Medium kontaktierenden Bereiche des Thermoelementes 9, ebenso wie bei dem Sensor nach 7 von einer schützenden Isolationsschicht bedeckt.
• Der dem Strömungsraum 2 der Armatur zugewandte Endbereich des Sensors 3 ist mit einer umlaufenden Nut 10 versehen, in die ein Dichtungsring 13 eingesetzt ist, durch den der Sensor 3 bei in das Lagergehäuse 5 eingezogener Stellung gegenüber dem Strömungsraum 2 abgedichtet ist. Dies ist besonders deutlich in der 6 zu erkennen, wobei (A) eine eingefahrene Stellung des Sensors 3 wiedergibt, während (B) eine Stellung zeigt, in der der Sensor 3 in den Strömungsraum 2 des Gehäuses 1 ragt.
• Diese Position (B) wird nur kurzzeitig eingenommen und zwar zum einen, wie bereits erwähnt zur Volumenstrommessung und zum anderen zur Probenentnahme. Diese kurze Verweildauer reicht nicht aus, zur Anlagerung von Verschmutzungen und damit zur Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit. Im „Normalfall" ist der Sensor entsprechend (A) der 6 von dem Lagergehäuse 5 umhüllt.

1

Gehäuse

2

Strömungsraum

3

Sensor

4

Querbohrung

5

Lagergehäuse

6

Druckfeder

7

Oberer Bereich

8

Auflager

9

Thermoelement

10

Nut

11

Strömung

12

Einsatz

13

Dichtring

14

Träger

15

Halter

16

Kabel

Claims (14)

1. Mit einem Sensor (3) zur Volumenstrommessung versehene Armatur, die ein Gehäuse (1) mit einem Strömungsraum (2) aufweist, in dem ein fluides Medium führbar ist, wobei der an eine Messeinrichtung angeschlossene Sensor (3) in der Wandung des Gehäuses (1) angeordnet ist und zur Volumenstrommessung in den Strömungsraum (2) ragt, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3) für die Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit des Mediums eine Probenkammer aufweist, mit der eine Probe des Mediums entnehmbar und zur Beruhigung aus dem freien Strömungsraum (2) herausbringbar ist.
2. Armatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenkammer aus einer im Sensor (3) vorgesehenen Querbohrung (4) besteht, die in Strömungsrichtung des Mediums verläuft.
3. Armatur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Messung der Wärmeleitfähigkeit aus dem Strömungsraum herausgebrachte Querbohrung (4) endseitig von einem Lagergehäuse (5) verschlossen ist, in dem der Sensor (3) axial verschiebbar geführt gelagert ist.
4. Armatur nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Sensor (3) ein Thermoelement (9) zur partiellen Erwärmung der Wandung der Querbohrung (4) vorgesehen ist.
5. Armatur nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3) federbelastet in dem Lagergehäuse (5) gehalten ist.
6. Armatur nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass an das Thermoelement (9) Mittel angeschlossen sind, mit denen vom Sensor (3) aufgenommene messrelevante Daten an eine Rechnereinheit, vorzugsweise mit einem Datenspeicher übertragbar sind.
7. Armatur nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoelement (9) auf einem Auflager (8) aufliegt, das andererseits einen partiellen Bereich (7) der Querbohrung (4) bildet.
8. Armatur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Auflager (8) Bestandteil eines topfartigen Einsatzes (12) ist, der aus einem gut wärmeleitfähigen Material, vorzugsweise einem Metall besteht.
9. Armatur nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Auflager (8) Bestandteil eines Trägers (14) ist, der in den aus Kunststoff bestehenden Sensor (3) im übrigen eingegossen ist.
10. Armatur nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoelement (9) in die Querbohrung (4) ragt.
11. Armatur nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoelement (9) in einem Halter (15) gehalten ist, vorzugsweise durch Eingießen, der in dem Sensor (3) befestigt ist.
12. Armatur nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das in die Querbohrung (4) ragende Thermoelement (9) im Kontaktierungsbereich mit dem Medium mit einer Isolierschicht versehen ist.
13. Armatur nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das in die Querbohrung (4) ragende Thermoelement (9) in den vorzugsweise aus Kunststoff bestehenden Sensor (3) eingegossen ist.
14. Armatur nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3) an seinem dem Strömungsraum zugewandten Endbereich mit einer umlaufenden Nut (10) zur Aufnahme einer Dichtung (13) versehen ist, durch die der Sensor (3) bei in das Lagergehäuse (5) eingeschobener Stellung dem Strömungsraum (2) gegenüber abgedichtet ist.