DE202021002183U1

DE202021002183U1 - Ausführung eines smarten Gerätes zur Wassereinsparung und Wasserverbrauchsüberwachung

Info

Publication number: DE202021002183U1
Application number: DE202021002183.3U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-06-19
Filing date: 2021-06-25
Publication date: 2022-01-13
Anticipated expiration: 2031-06-26

Abstract

Ein Gerät bestehend aus mindestens einem Flüssigkeitseingang, mindestens einem Flüssigkeitsausgang, mindestens einem Ventil, Druckminderer oder Stellklappe, mindestens einem Steuergerät und mindestens einer Logik welche aktiv die Durchflussmenge, Druckschläge oder Temperatur der Flüssigkeit am Ausgang steuert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ausführung des Gerätes aus dem Gebrauchsmuster 20 2021 002 116.7. Dieses Gerät überwacht, steuert, zeichnet den Wasserverbrauch auf und informiert über den Wasserverbrauch, mit dem Ziel beim Anwender ein besseres Bewusstsein über den aktuellen Konsum zu erzeugen.
Der aktuelle Stand der Technik kennt verschiedene Geräte und Messgeräte, die den Wasserverbrauch messen, auswerten und anzeigen können.
Der aktuelle Stand der Technik kennt auch Anwendungen bzw. grafische Benutzerinterfaces, um den Wasserverbrauch darzustellen.
Diese Systeme sind ebenso in der Lage den Wasserbrauch in einen Geldbetrag umzurechnen und anzuzeigen.
Der aktuelle Stand der Technik kennt Geräte, welche Leitungsschäden, und oder andere Leckagen am Wasserleitungssystem detektieren und die Wasserzufuhr verriegeln.
Im aktuellen Stand der Technik sind auch bezahlte Duschanlagen bekannt, die das Entnahmeende 30 Sekunden vorab durch kurzzeitige Unterbrechung der Wasserversorgung anzeigen.
Die vollständige Unterbrechung birgt im universellen Einsatz, neben einer Komfortminderung, das Problem, dass eventuell angeschlossene Geräte wie z.B. Waschmaschine, Kaffeemaschine, etc. eine Unterversorgung detektieren und sich abschalten, oder ggf. beschädigt werden.
Im aktuellen Stand der Technik können Smart Meter und Leckerkennungssystem den Nutzer bei Überschreiten von Limits und Schäden warnen.
Die Warnung des Nutzers geschieht über alle gängigen Kontaktmethoden: Anruf, SMS, Messaging-System, Pushnachricht, um einige Methoden aufzulisten.
Diese Kontaktmöglichkeiten der Systeme haben den Nachteil, dass Verzögerungen bis zur Zustellung auftreten können.
Wenn ein eingestelltes Limit bzw. Budget bei der Wasserentnahme überschritten wird, erfährt es der Nutzer im Regelfall zeitverzögert, oder er ist mit der Wasserentnahme beschäftigt.
Im Regelfall überwachen die Kunden nur zyklisch den Wasserverbrauch und bei Überschreiten von Budgets versuchen Sie, den Wasserverbrauch zu reduzieren.
Wassersysteme verfügen im Normalfall ebenso über verschiedene Entnahmestellen, so dass Anzeigedisplays, akustische oder optische Signale zur Informierung in räumlicher Nähe jeder Wasserentnahmestelle vorhanden sein müssten.
Die Nutzung von optischen Anzeigen oder Softwareapplikationen wird bei Wassersparmaßnahmen nur in der ersten Zeit aktiv genutzt. Meist sind auch nicht alle Nutzer des Wassersystems mit dem System zur Wassereinsparung vertraut, oder verfügen nicht über die notwendige Software oder Hardware um bei Überschreitung von eingestellten Budgets oder Limiten informiert zu werden.
Einige Personengruppen, wie z.B. Kinder, sind auch nicht in der Lage die Systeme des aktuellen Stands der Technik zu verstehen, zu bedienen oder auszulesen.
Das erfindungsgemäße Gerät soll diese Nachteile abmildern und den Kostenaufwand für Systeme zum Wassersparen, zur Wasserverbrauchsdarstellung vereinfachen und günstiger machen.
Das erfindungsgemäße Gerät informiert den Nutzer bei der Wasserentnahme über die aktuelle Verbrauchsentnahme, in dem es den Wasserstrahl an der Entnahmestelle in Menge, Druck und Temperatur alternierend moduliert.
Die Ausführung des erfindungsgemäßen Gerätes besteht aus mehreren Komponenten.
Sie ist ausgestaltet zum Einbau in fertig aufgebaute Wasserinstallationen. Sie wird hinter hinter der Wasserquelle, z.B. Stadtwasseranschluss / Zisterne o.ä., aber vor der ersten Wasserentnahmestelle in das Rohrleitungssystem eingebaut.
Zur gezielten Kontrolle, Überwachung, Steuerung von einzelnen Teilen der Wasserinstallation lässt sich das Gerät aber auch gezielt vor Wasserentnahmestellen z.B. vor einer Dusche oder Räumen z.B. Bad installieren.
Insbesondere wurde das Gerät so entworfen, dass es statt einem handelsüblichen Wasserzähler im Wasserzählerplatz verbaut werden kann.
Die Erfindung ist in der Lage den Wasserzähler in Funktion zu ersetzen. Bei Systemen ohne gewünschten Wasserzähler sind auch Durchflussschalter alternativ denkbar.
Das Gerät besteht aus einem Steuergerät mit Stromversorgung und dem Installationsteil, der in die Wasserleitung eingebaut wird.
Der Installationsteil besteht aus einem Wasserzähler mit Signalausgang, einem Ventil, einem Temperatursensor und einem im Ventilkörper verbautem Drucksensor.
Bei Warm- / Kaltwasserversorgung kann der Installationsteil mehrfach verbaut werden und alle Wasserstränge werden von nur einem Steuergerät gesteuert.
Die Erfindung ist hierbei in der Lage die Wärmemenge anhand beider Temperatursensoren und Wassermenge des Warmwassers zu berechnen.
Die Position des Wasserzählers und Magnetventils spielt in der Funktion eine untergeordnete Rolle und könnte untereinander getauscht werden.
Der Wasserzähler kann ein handelsüblicher Wasserzähler mit Signalausgang sein. Die Ausführungsart ob Hallsensor, oder mechanisches Flügelrad, oder andere Ausführungen spielt eine untergeordnete Rolle. Eine hohe Signalhäufigkeit ist für erfindungsgemäße Gerät im Hinblick der Steuerung von Vorteil.
Das System verfügt über ein Ventil, welches den Wasserfluss im System steuern kann. Optimal für die Erfindung ist ein direkt gesteuertes Magnetventil. Dieses hat den Vorteil von kürzeren Stellzeiten im Vergleich zu anderen Ventilarten.
Andere Ventilarten (gesteuerte Kugelventile, indirekt gesteuerte Magnetventile etc.) sind mit Nachteilen im Anwendungszweck ebenso verwendbar.
Hinter dem Magnetventil ist direkt im Ventilkörper ein Drucksensor verbaut. Der Drucksensor erfasst den Wasserdruck im Leitungsnetz hinter dem Ventil. Eine Anordnung nah hinter dem Ventilmembran bzw. Schließkörper ist vorteilhaft, weil hier das Signal am wenigsten durch Fremdeinflüsse, Interferenzen und Dämpfung beeinträchtigt wird.
Eine Integration des Wasserzählers in das Ventilgehäuse selbst ist in einer Weiterentwicklung geplant und lässt das System kompakter und kostengünstiger werden.
Der wichtigste Bestandteil der Erfindung ist das Steuergerät, welches mit die benötigten Signale aus Wasserzähler, Temperatursensor und Drucksensor ausliest und die Steuerung des Ventils übernimmt.
In der ersten Version der Erfindung, befindet sich das Gerät in einem separaten Gehäuse und ist ausgestaltet zur Montage am Wasserrohr / oder Wand.
Eine Kombination des Steuergerätes und Installationsteil in einem Gehäuse ist eine geplante Weiterentwicklung, hierdurch können Kosten reduziert und die Montage vereinfacht werden.
Die Sensorik und das Ventil kann wahlweise per per Kabel, Funk oder Lichtschnittstellen angebunden werden. Die Ansteuerung des Ventils übernimmt das Steuergerät mittels Halbleiterelementen, z.B: Mosfet, Transistor, Triac, Solid-State-Relais, Thyristor oder artähnlichen Bauelementen. Diese lassen eine wesentlich genauere Ansteuerung als z.B. Relais zu. Eine Umsetzung der Erfindung mittels Relais wäre möglich, allerdings wäre die Steuergenauigkeit eingeschränkt.
Im Normalfall kennt ein elektromagnetisches Ventil nur zwei Schaltzustände, offen oder geschlossen.
Das Steuergerät des erfindungsgemäßen Gerätes kann die Ansteuerungszeit, Spannung, Stromstärke und Modulation (PWM) des Magnetventils jedoch gezielt verändern. Hierdurch können verschiedenartige Modulationen des Wasserstrahls erreicht werden. Durch den Einbezug des Drucksensors lassen sich kritische Ansteuerungen, welche z.B. stärkere Wasserschläge oder Resonanzen verursachen, zum Schutz des Rohrsystems verhindern und der optimale Ansteuerzeitpunkt anhand der Druckverlaufskurve ermitteln.
Bei mehrsträngigen Anlagen bzw. Kalt- / Warmwassersystemen ermöglicht das erfindungsgemäße ebenso eine Modulation der Wassertemperatur und es ist in der Lage neben dem Wasserverbrauch auch die Wärmeenergie aufzuzeichnen, zu analysieren und für eine Benutzeroberfläche aufzubereiten. Dies ist besonders vorteilhaft, da zusätzliche Wärmemengenmesser, die bauartbedingt kostenintensiv sind, entfallen können.
Die Kombination des Drucksensors und Wasserzählers ermöglicht es Störfälle frühzeitig erkennen und die Wasserzufuhr vollständig zu verriegeln.
Ebenso wird hierdurch eine umgekehrte Kommunikation vom Wasserentnehmer zum Steuergerät ermöglicht, in dem bewusst kurze Druckänderungen z.B. durch Öffnen eines Wasserhahnes verursacht werden.
Eine Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Gerätes kann das Turbinenrad des Wasserzählers als Energiequelle (Generatorprinzip) nutzen und einen Energiespeicher z.B. Kondensator aufladen und damit das Gerät mit Energie versorgen.
Es zeigen:

1, Ansicht des Installationsteils in Vogelperspektive
2, Ansicht des Installationsteils von schräg unten
3, Ansicht des modifizierten Ventilkörpers
4, Schnittzeichnung Ventilkörper

1 zeigt den Installationsteil, bestehend aus

1A: Wasserzähler,
1B: Ventilkörper,
1C: Drucksensor mit Kabelanschluss,
1D: Bohrung für Temperatursensor in Hülse,
1E: Schnittstelle Wasserzähler mit Kabel,
1F: Elektromagnet von Magnetventil,
1G: Verschraubung Wassereingang
1H: Verschraubung Wasserausgang
11: Kabelausgang Elektromagnet

Wobei der Wasserzähler 1A und Ventilkörper 1B über ein Gewinde wasserdicht miteinander verbunden sind. Das Wasser tritt am Wassereingang 1G ein und die Wassermenge wird über den Wasserzähler 1A erfasst. Über den Impulsausgang 1E teilt der Wasserzähler dem Steuergerät (nicht abgebildet) den Wasserverbrauch mit. Das Steuergerät erhält über einen Temperatursensor in der Passbohrung 1D und den Drucksensor 1C die aktuellen Messwerte zu Wasserdruck und Wassertemperatur. Das Steuergerät kann über eine Endstufe den Elektromagneten 1F steuern. Durch Modifizierung von Ansteuerzeit, Stromstärke, Spannung und Modulation (PWM) regelt es den Wasserdruck, Wasserdurchflussmenge und Temperatur. Durch die Werte aus dem Sensor 1C kann das Steuergerät seine Ansteuerung prüfen und anpassen.
2 zeigt das selbe Bauteil aus einer anderen Perspektive. In dieser Ansicht ist die Passbohrung 2D längs des Ventilkörpers für den Temperatursensor besser sichtbar.
In 3 ist ein Teil des modifizierten Elektromagnetventil Gehäuse abgebildet, es wird gezeigt:

3A: Wassereinlass
3B: Wasserauslass
3C: Verschraubung für Drucksensor
3D: Dichtfläche für Ventilmembran
3E: Bohrung für Temperatursensor
3F: Ausgangskanal hinter Dichtmembran
3G: Ventilraum für eintretendes Wasser

Das über den Einlass 3A eintretende Wasser gelangt in den Ventilraum 3G und kann ungehindert bei geöffnetem Ventil in den Ausgangskanal 3F fließen. Mithilfe des Elektromagnetes kann eine Membran gegen die Dichtfläche 3D gepresst und der Ausgangskanal 3F verschlossen werden. Zentral im Ventilgehäuse verläuft zwischen 3F und 3B ein Kanal mit einer 90° Biegung. Durch Veränderung der Ansteuerung (Spannung, Ansteuerzeit, Modulation, Stromstärke) des Elektromagneten kann der Wasserfluss durch das Ventil moduliert werden. Über den Drucksensor in dem Gewinde 3C wird die Modulation überwacht. Der Drucksensor ist mit dem Kanal zwischen 3F und 3B hinter der 90° Biegung verbunden. Der Wasserstrom gelangt über den Wasserauslass 3B in das angeschlossene Leitungssystem. Die Temperatur des Wassers wird über einen Temperatursensor in der Bohrung 3E überwacht.
In der 4 ist ein Schnittzeichnung des Gehäuses aus 3 dargestellt, es zeigt:

4A: PT Gewindebohrung für Drucksensor
4B: Dichtfläche des zentral angeordneten Ausgangskanals
4C: Bohrungskanal für Temperatursensor
4D: Wasserausgang
4E: Wassereingang

4A kennzeichnet die seitliche Bohrung im Ventilgehäuse mit angrenzender Dichtfläche, welche in Ausgangskanal zwischen 3F und 3B austritt. Die Bohrung ist zur Aufnahme eines Drucksensors ausgestaltet, welcher im Gewinde versenkt den Wasserdruck misst.
Die Erfindung ist nicht auf die vorliegenden Ausführungsform beschränkt. So können offensichtlich weitere andere Ausführungen der Erfindung entwickelt bzw. eingesetzt werden, die vom gleichen Grundgedanken der Erfindung ausgehen und von den anliegenden Ansprüchen umfasst werden.

Claims

Ein Gerät bestehend aus mindestens einem Flüssigkeitseingang, mindestens einem Flüssigkeitsausgang, mindestens einem Ventil, Druckminderer oder Stellklappe, mindestens einem Steuergerät und mindestens einer Logik welche aktiv die Durchflussmenge, Druckschläge oder Temperatur der Flüssigkeit am Ausgang steuert.
Ein Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es die Ansteuerung des Ventils über Änderung von Stromstärke, Spannung, Ansteuerungszeit oder Modulation (PWM) modifiziert, um den Flüssigkeitsstrom am Ausgang zu beeinflussen.
Ein Gerät nach Anspruch 1 eine Konfigurationsmöglichkeit besitzt um absolute, relative, fiskalische, volumenbasierte oder zeitbasierte Budgets bzw. Schwellwerte einzustellen, welche bei Überschreitung bzw. Unterschreitung die Logik beeinflussen und die Ansteuerung des Ventils bewirken.
Ein Gerät bestehend aus mindestens einem Flüssigkeitseingang mindestens einem Flüssigkeitsausgang, mindestens einem Steuergerät und mindestens einer Logik, welche schnelle Öffnungen und Schließungen von Flüssigkeitsentnahmestellen über einen Drucksensor detektiert und in Steuerungsbefehle umwandelt. Und dass es über die Druckänderungen, Flüssigkeitsschläge, Durchflussmenge mit dem Nutzer oder Flüssigkeitsverbraucher kommuniziert.
Ein Gerät oder System nach Anspruch 1 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es über mindestens einen Sensor / Zähler oder Schnittstelle zu einem Zähler / Sensor verfügt zur Bestimmung von Zeitmessung, Flüssigkeitsmenge, Flüssigkeitsgeschwindigkeit, Flüssigkeitstemperatur, Flüssigkeitsqualität, Flüssigkeitsverbrauch, Flüssigkeitsdurchflussmenge, Flüssigkeitsverlust, Systemundichtigkeit, Umgebungssensor, Umgebungsgas-Flüssigkeitssättigungs, Flüssigkeitsleitfähigkeit oder Flüssigkeitsdruck und dieser Wert von der Logik zur Steuerung oder Erkennung berücksichtigt wird.
Ein Gerät oder System nach Anspruch 1 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es alle Systemzustände-, Fehler, kritische Situation und Verbräuche auswertet, speichert, aufbereitet, umrechnet und dem Nutzer über eine Schnittstelle, Display, Applikation, Message-System, optischem oder akustischem Signal zur Verfügung stellt. Und es über eine einstellbare Logik verfügt, um automatisch Flüssigkeit Zeit-, Volumen-, und / oder Sensor basiert zur Verfügung zu stellen.
Ein Gerät oder System nach Anspruch 1 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es ausgerüstet ist mit einem Flüssigkeitsschlagdämpfer, Flüssigkeitsdurchflussberuhigung, Flüssigkeitsenthärtungssystem, Entkalkungssystem, Druckspeicher oder Filtersystem.
Ein Gerät oder System nach Anspruch 1 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es ausgeführt ist zum Einbau in Standard Wasserzählerplätze oder zum Einbau in bestehende Rohr- / Leitungssysteme.
Ein Gerät oder System nach Anspruch 1 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Integration in größere Automatisierungssysteme / Liefersysteme ausgestaltet ist, über geeignete Schnittstellen verfügt und das Steuergerät / Logik mit einem Berechtigungssystem ausgestattet ist.
Ein Gerät oder System nach Anspruch 1 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät des erfindungsgemäßen Gerätes mehrere Wasserzähler, Sensoren und Steuerventile, zusammen bezeichnet als Installationskomponente, bedienen kann und über die eingebauten Temperatursensoren die Wärmemenge zusammen mit dem Wasserverbrauch berechnen und zur Verfügung stellen kann.