WO2012113882A2 - Flusssensor und verfahren zum erfassen eines flusses - Google Patents

Flusssensor und verfahren zum erfassen eines flusses Download PDF

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WO2012113882A2
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sensor
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field sensor
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Philipp Becker
Dirk Spreemann
Alexander Willmann
Bernd Folkmer
Lothar Wittig
Rainer Nackenhorst
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LASLO GmbH
Hann Schickard Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Original Assignee
LASLO GmbH
Hann Schickard Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/05—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects
    • G01F1/20—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by detection of dynamic effects of the flow
    • G01F1/28—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by detection of dynamic effects of the flow by drag-force, e.g. vane type or impact flowmeter

Definitions

  • the present invention is in the field of flow sensors and methods for detecting a flow, in particular those sensors and methods capable of measuring a low energy flow rate, to provide flow through conduits, for example in water-system systems,
  • a flow in particular those sensors and methods capable of measuring a low energy flow rate
  • various possibilities are known.
  • One method is the differential pressure method in which the differential pressure increases quadratically with the flow, which is why the pressure sensor used must cover a very large measuring range.
  • Another possibility is a volumetric meter, with turbine or measuring mills being used having a relatively large slip, so that the measurement of low flow rates can not be realized.
  • the installation position In the case of a float flow measurement, the installation position must be ensured, since a resistance body flows vertically from bottom to top.
  • a conductive liquid flows through a time-varying magnetic field, the generation of such a magnetic field requires too much energy, so that the system can not be realized energy self-sufficient.
  • An ultrasonic flow measurement measures the superposition of the speed of sound with the flow velocity, whereby the generation of ultrasound requires a great deal of energy.
  • the thermal heaters require a very high energy requirement, so that such flow meters also require too much energy, so that corresponding systems can not be realized in an energy-autonomous manner.
  • Optical systems used in an optical flow measurement must be permanently supplied with energy, so that they are not suitable for energy self-sufficient systems.
  • a fluidic device in which a Fluidikele- ment is movably arranged in a fluid line.
  • the fluidic element may have a throughflow opening in which a check valve is arranged.
  • the fluidic element may at least partially consist of a magnetizable material, wherein a magnetic field sensor may be provided to conclude from a change in a measured magnetic field to a location and / or a movement of the fluidic element.
  • the object of the present invention is to provide a flow sensor and a method for detecting a flow, which make it possible to detect a flow through a fluid path with a low energy input. This object is achieved by a flow sensor according to claim 1 and a method for detecting a flow according to claim 15.
  • Embodiments of the invention provide a flow sensor having the following features; a check valve disposed in a fluid conduit having a valve seat and a closure member; and a magnetic field sensor, wherein the closure member has a magnetic encoder or is mechanically coupled to a magnetic encoder so that movement of the closure member relative to the valve seat results in movement of the magnetic encoder relative to the magnetic field sensor and wherein the magnetic field sensor is arranged to move of the magnetic field sensor relative to the magnetic field sensor to detect, so that an output signal of the magnetic field sensor is a measure of the opening degree of the check valve.
  • Embodiments of the invention provide a method for detecting a flow, comprising the following steps:
  • the relative position of a closure member of a check valve to the valve seat of the check valve is magnetically detected by a magnetic field sensor, wherein the check valve is arranged in a fluid line, so that a leakage flow past the check valve can not take place.
  • the present invention enables both the detection of flow rates over a large measurement ranges.
  • a flow measurement is advantageously possible while simultaneously preventing a flow in a direction opposite to the flow direction of the flow to be measured.
  • AMR anisotropic magnetoresistive
  • GMR tunnel magnetoresistive effect
  • FMR tunnel magnetoresistive effect
  • CMR co-lossal magnetoresistive
  • GME giant magnetic inductance
  • the flow sensor includes a microcontroller coupled to the magnetic field sensor and configured to receive the output of the magnetic field sensor and determine a flow rate based thereon.
  • the microcontroller may be further configured to output, for example, display a flow rate indicative signal or to transmit wirelessly or by wire to a receiver.
  • the microcontroller may be configured in embodiments of the invention to switch the magnetic seed sensor between a measurement phase and a quiescent phase with a predetermined duty cycle, and energy consumption can be further reduced by appropriately adjusting the duty cycle.
  • a magnetic field switch is further provided whose task is to wake the system comprising the MikrocontroUer and the magnetic field sensor. Thus, the system is only active when needed, so that the energy consumption can be further reduced.
  • the magnetic field switch may be implemented, for example, as a GMR magnetic field switch.
  • the magnetic field switch itself can take over the function of a magnetic field sensor which can detect a fixed threshold so that the flow sensor acts as a threshold switch.
  • Embodiments of the present invention thus make it possible to detect a flow in a fluid conduit, for example a water flow in a water conduit, with a very low energy requirement, whereby both small dripping quantities and large flow rates can be detected and measured.
  • it is not necessary to use different types of sensors in order to measure both small dripping volumes and high flow rates of several liters per minute, as is the case with current systems. In current systems, this is necessary because the individual sensor types usually cover only a small measuring range with the required accuracy.
  • conventional flow sensors typically use physical principles to measure a flow, such as a flow of water, associated with a high energy demand.
  • the present invention provides flow sensors and methods for detecting flow that have lower energy consumption, less slippage, and a wider range of measurement.
  • embodiments of the present invention are suitable for applications for which known systems are excluded due to the mentioned disadvantages.
  • embodiments of the invention are suitable for sensors that are capable of detecting and measuring the water flow in water lines with extremely low energy consumption, so that the use of battery-operated measuring and control systems becomes possible.
  • the use of energy harvesting to supply power to monitoring systems (such as condition monitoring systems) is also made possible for the first time by the use of such systems.
  • Fig. 2a) to 2c) are schematic representations showing an embodiment of a flow sensor according to the invention in various states;
  • Fig. 3 is a schematic representation of an alternative embodiment of a flow sensor according to the invention.
  • FIG. 1 shows an embodiment of the invention, in which a check valve 10 is installed in a fluid line 12, for example, a water pipe.
  • the check valve has a valve seat 14 in the form of a sealing ring.
  • the sealing ring is attached to suitable attachment means in 16 in the fluid conduit 12.
  • the check valve 10 also has a closing cone 1 8, which is resiliently mounted against the valve seat 14, as indicated in Fig. 1 by a spring 20.
  • the closing cone 18 has a magnetic field transmitter 22, as shown schematically in FIG.
  • the closing cone 1 8 either consist of a magnetic material or a magnet may be attached to the closing cone.
  • the magnetic encoder 22 generates a magnetic field 24, as shown by corresponding field lines in FIG.
  • the check valve 10 is configured to allow fluid flow only in a direction shown by an arrow 26 in FIG. 1.
  • a fluid flow in the direction of the arrow 26 generates a force acting on the closing cone 1 8 force, so that the closing cone 1 8 lifted from the valve seat 14 and the valve is opened.
  • the degree of opening of the valve depends on the flow rate, ie on the flow rate.
  • a magnetic field sensor 28 is arranged in a suitable position relative to the check valve 10 and thus to the magnetic encoder 22 in a suitable position relative to the check valve 10 and thus to the magnetic encoder 22, a magnetic field sensor 28 is arranged.
  • the magnetic field sensor 28 is arranged at such a position relative to the check valve 10 that its output signal depends on the position of the closing cone 18, which in turn depends on the flow rate of the fluid flowing through the fluid line. This dependence is indicated in a diagram 30 in FIG. 1, which represents the output voltage U of the magnetic field sensor 28 over time t.
  • the magnetic field sensor is formed by a GMR sensor.
  • the magnetic field sensor is thus arranged relative to the closing cone 18 and thus the magnetic field transmitter 22, that a movement of the closing cone 18 and thus the magnetic encoder 22 leads to a change of the output signal of the magnetic field sensor, so that the output signal of the magnetic field sensor is a measure of the degree of opening of Check valve is.
  • Figures 2a) -2c) show the output signal of the Magnetfeidsensors 28 for different degrees of opening of the check valve. According to Fig. 2a) no flow takes place, so that the check valve 10 is closed.
  • the magnetic field sensor 28 is thus exposed to only a small part of the magnetic field generated by the magnetic encoder 22, so that the output signal of the magnetic field sensor 28 is at a low level, as indicated by the low output voltage in the diagram 30a in Fig. 2a).
  • a first low flow through the conduit 12 takes place, so that the check valve 10 is slightly open.
  • the magnetic field transmitter 22 is moved by the deflection of the check valve 1 8 to the magnetic field sensor 28, so that the output signal thereof has a higher level, see diagram 30b.
  • Fig. 2c) finally, a second high flow takes place, so that the magnetic encoder was moved by the deflection of the check valve 1 8 even closer to the magnetic field sensor 28, so that it is the generated magnetic field 24 more exposed.
  • the output of the magnetic field sensor 28 has a correspondingly higher level, as shown in diagram 30c.
  • a corresponding flow sensor can be operated with a very low energy requirement.
  • the power requirements of conventional GMR sensors can be around 9 mW.
  • corresponding embodiments of the invention enable flow detection with a low energy requirement.
  • FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of an alternative embodiment of the invention designed to enhance the measurement effect.
  • 3 shows a flow sensor arrangement with a first connecting piece 32, a second connecting piece 34 and a fluid channel connecting the connecting pieces.
  • the fluid channel is indicated in Fig. 3 by a line 36.
  • a check valve 40 is arranged, which has a valve seat 42 and a closure element in the form of a ball 44.
  • the ball 44 may be biased against the valve seat 42 by gravitational force.
  • the ball 44 is attached to a lever arm 46 to which a magnetic encoder 48, for example in the form of a magnet, is also attached.
  • the lever arm 46 is clamped at the end to which the ball 44 is mounted while the magnetic encoder 48 is mounted at the other end thereof.
  • the ball 44 is moved upward in the direction of the arrow 50. This movement is translated by the lever arm 46 into a larger movement of the magnet 48, as shown by an arrow 52 in FIG.
  • the deflection of the magnetic encoder 48 according to the law of leverage corresponds to a multiple of the movement of the ball. This increased according to the length of the lever deflection can be detected by a magnetic field sensor 54 which is opposite to the magnetic encoder 48.
  • embodiments of the invention can thus be effected by providing a lever, an enlarged deflection of parts of a flow element, said increased deflection can be detected by a magnetic field sensor, so that the measurement accuracy can be increased.
  • a microcontroller configured to return to flow through the fluid conduit based on the output of the magnetic field sensor.
  • the microcontroller may be programmed to access, based on the output signal of the magnetic field sensor, a look-up table in which flow rates associated with different output signals are stored, the data of the lookup table being obtainable by calibration of the system.
  • the microcontroller may be configured to operate the magnetic field sensor with a duty cycle that describes the ratio between the active phase of the magnetic field sensor and the idle phase thereof. In the active phase, the magnetic field sensor is powered and provides output signals, while it is not powered in the resting phase and thus consumes no energy.
  • the duty cycle may be suitably chosen to provide a trade-off between the behavior of the flow sensor and its power consumption.
  • the output of the magnetic field sensor is evaluated by means of a microcontroller, which may be configured to access a look-up table based on the output of the magnetic field sensor based on calibration data.
  • the look-up table can also take into account further parameters which may have an influence on the measured flow, for example the temperature present during the measurement. For detecting these further parameters, additional sensors, for example a temperature sensor, may be provided.
  • the lookup nozzles may be calibrated for a particular fluid whose flow is to be measured, for example, water. Alternatively, the look-up table may contain data for multiple fluids, with a possibility to select between the fluids.
  • an additional magnetic field switch may be provided by which the system only then aroused when a flow through the fluid line takes place.
  • the magnetic field switch may be implemented by a GMR switch, for example, where the power requirements of typical GMR switches may be 400 nW.
  • the magnetic field switch, as well as the magnetic field sensor, mounted on a position where he can observe the movement of the check valve, ie, where he can observe the relative movement between the closure element and the valve seat.
  • FIGS. 4a and 4b An exemplary embodiment of a flow sensor according to the invention, in which a sensor unit 100 has a magnetic field switch 102, a magnetic field sensor 104 and a microcontactor 106, is shown in FIGS. 4a and 4b.
  • the microcontroller is electrically coupled to the magnetic field switch 102 and the magnetic field sensor 104, as indicated by arrows 108 in FIG. 4a.
  • Fig. 4a the check valve 1 0 is shown in a closed state, in this state, the magnetic field sensor 1 04 and the microcontroller 1 06 are in a sleep mode.
  • a sleep mode of a magnetic field sensor is to be understood as meaning a mode in which the magnetic field sensor is not supplied with energy and thus does not consume any energy.
  • Sleep mode of the microcontroller is a mode in which the power consumption of the microcontroller is reduced compared to an active mode by turning off components of the microcontroller, ie. H. not be energized. For example, during sleep mode of the microcontroller, only one timer may be active.
  • Such sleep modes of microcontrollers are known, wherein microcontroller can be woken up, for example by a Signaiii ske at an interrupt input from the sleep mode.
  • an interrupt input of the microcontroller 106 can thus be connected to an output of the magnetic field switch 102, so that the microcontroller can be awakened from the sleep mode into the active mode by a signal edge in the output signal of the magnetic field switch 102.
  • the microcontroller is configured to activate the magnetic field sensor after placing it in the active mode to measure the flow through the line 1 2.
  • the microcontroller 1 06 and the magnetic field sensor 1 04 are in the closed state of the .Rücktschventils 1 10 shown in Fig. 4a in sleep mode in which the magnetic field sensor can be completely disabled.
  • the magnetic switch 102 is active and monitors the position of the valve. As the valve moves, this movement is detected by the magnetic switch 102. More specifically, the magnetic field switch 102 detects a change in the magnetic field caused by a movement of the magnetic field sensor 22 and switches when the magnetic field caused by the magnetic encoder 22 netfeld assumes or exceeds a predetermined value. As a result, a signal edge is generated in the output signal of the magnetic switch 22, which starts the microcontroller 1 06 via an interrupt.
  • the microcontroller 1 06 is put into an active mode and in turn activates the magnetic field sensor 1 04.
  • the magnetic field sensor carries out measurements in order to determine the exact position of the valve, in particular of the closure element 18.
  • the functionality of the magnetic field sensor corresponds to the functionality described above with reference to FIGS. 1 and 2.
  • the magnetic field switch can be placed in a sleep mode in which it is not energized when the microcontroller and the magnetic field sensor are in the active mode. In such embodiments, the magnetic field switch is again put in an active mode when the microcontroller and the magnetic field sensor are put into sleep mode.
  • the microcontroller can also be put into sleep mode by a further edge in the output signal of the magnetic switch 102 from the active mode, wherein such a signal edge can be generated in the output signal of the magnetic switch 102, if caused by the magnetic encoder Magnetic field again assumes the predetermined value or crosses.
  • a further magnetic field switch may be provided which is configured to generate in an output thereof a digital signal handler when the magnetic field caused by the magnetic transmitter assumes a second predetermined value.
  • the second predetermined value may for example be associated with a specific opening position of the valve, for example an opening end position of the valve.
  • the further magnetic field switch can be coupled to the microcontroller 1, in such a way that the microcontroller is put into sleep mode when the signal edge occurs in the output signal of the second magnetic field switch.
  • the switching threshold of the magnetic switch can be set so that, while the check valve is closed, the threshold is not exceeded.
  • the check valve moves and the digital output of the magnetic switch changes from one binary value to another, for example from 0 to 1 or vice versa.
  • This edge change is used to wake up and activate the microcontroller and thus also the magnetic field sensor with the aid of an interrupt.
  • the magnetic field sensor begins to accurately measure the position of the valve and once the measurement is completed, the magnetic field sensor and the microcontroller are put back into sleep mode.
  • the magnetic field sensor only needs energy when a fluid flow really takes place. In the time when no flow takes place, the magnetic field sensor is completely inactive.
  • the switching threshold can be set so that the system is activated only when a threshold, which represents the lower limit of a certain measuring range is reached.
  • a magnetic field switch itself act as a magnetic field sensor, wherein the magnetic field switch takes over the task of detecting a predetermined threshold.
  • threshold levelers can be realized, which switch from a previously set amount of flow.
  • An additional magnetic field sensor which makes an accurate qualitative measurement of the magnetic field is not provided in such embodiments.
  • FIG. 1 A functional block diagram of a magnetic field switch as may be used in embodiments of the present invention is shown in FIG.
  • the magnetic field switch comprises an oscillator and timer 1 10, a sensor element 1 12, a Kornparator 1 14, a latch 1 16 and a switch 1 18, for example in the form of a field effect transistor.
  • the output of the oscillator and timer 110 is coupled to the sensor element 12 and the comparator 14 to apply a suitable measurement cycle, as indicated by pulses 120 in FIG.
  • a supply voltage V DD is shown in FIG.
  • the sensor element 1 12 may be formed, for example, as a Wheatstone bridge, wherein the output signal of the comparator 26 depending on the magnetic field detected by the sensor element 1 12 has a high or low level.
  • the output of the comparator 1 14 is coupled to an input of the latch 1 1 6, whose output is in turn coupled to a control terminal of the switch 1 1 8.
  • the switch 18 leaves an output 122 of the magnetic switch 102 at a high logic level or pulls it to a low logic level. At the output 122 thus a digital output signal is output, which can assume a logic high or logic low level.
  • the magnetic field switch can be designed as a GMR magnetic field switch by the sensor element 1 12 is designed as a GMR sensor element.
  • the sensor element 1 12 is designed as a GMR sensor element.
  • no offset correction is necessary because the magnetoresistive material used in the GMR sensor element does not magnetize irreversibly. Examples of such a sensor draw in the operating mode on average only a current of about 0, 1 2 ⁇ .
  • Embodiments of the present invention have been described above with reference to a check valve in which a closing cone or ball releases or closes a valve opening formed by a valve seat.
  • Alternative embodiments of the invention may use other check valves, for example
  • Flap valves or the like as long as the movable closure member is mechanically coupled to a magnetic encoder that a movement of the VerMedicclements is converted into a movement of the magnetic encoder, so that a position of the closure member relative to the valve seat can be detected by a corresponding magnetic field sensor.
  • the magnetic encoder can be formed by a permanent magnet.
  • the magnetic field encoder can consist of a magnetizable material, so that an external, for example, by an external permanent magnet, generated magnetic field can be changed by the magnetic encoder, this change is in turn detected by the magnetic field sensor.
  • Embodiments of the invention thus relate to a flow sensor in which a passage valve is arranged in a fluid line such that no flow can take place past the check valve.
  • Embodiments of the present invention further relate to corresponding methods for detecting flow through a fluid conduit that are executable by corresponding flow sensors.
  • Embodiments of the present invention thus enable the realization of a sensor for flow detection, which were not possible with previous technologies, in particular the implementation of self-powered or battery-powered systems.
  • embodiments of the invention may be used to implement
  • Embodiment embodiments of the invention make it possible to detect both very small flow quantities in the drop zone and very large flows of several liters per minute. Possible uses for embodiments of the invention include measurement and control of the flow and / or detection of leakage in lines of water consumers, such as e.g. Irrigation systems, washing machines, dishwashers, vending machines, water dispensers, coffee machines and the like.

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Abstract

Ein Flusssensor umfasst ein in einer Fluidleitung angeordnetes Rückschlagventil mit einem Ventilsitz und einem Verschlusselement, sowie einen Magnetfeldsensor. Das Verschlusselement weist einen Magnetfeldgeber auf oder ist mit einem Magnetfeldgeber mechanisch gekoppelt, so dass eine Bewegung des Verschlusselements relativ zu dem Ventilsitz eine Bewegung des Magnetfeldgebers relativ zu dem Magnetfeldsensor zur Folge hat. Der Magnetfeldsensor ist angeordnet, um eine Bewegung des Magnetfeldgebers relativ zu dem Magnetfeldsensor zu erfassen, so dass ein Ausgangssignal des Magnetfeldsensors ein Maß für den Öffnungsgrad des Rückschlagventils ist.

Description

Flusssensor and Verfahren zum Erfassen eines Flusses
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet von Flusssensoren und Verfahren zum Erfassen eines Flusses, insbesondere solche Sensoren und Verfahren, die in der Lage sind, einen Durchfluss mit geringem Energiebedarf zu messen, Um einen Durch fluss durch Leitungen, beispielsweise in Wassernetz-gebundenen Systemen, zu messen, sind verschiedene Möglichkeiten bekannt. Ein Verfahren ist das Differenzdruckverfahren, bei dem der Wirkdruck quadratisch mit dem Durchfluss ansteigt, weshalb der verwendete Drucksensor einen sehr großen Messbereich abdecken muss. Eine weitere Möglichkeit ist ein Volumenzähler, wobei dabei verwendete Turbinen- oder Mess- Hügel zähl er einen relativ großen Schlupf besitzen, so dass die Messung geringer Durchflüsse nicht realisiert werden kann. Bei einer Schwebekörperdurchflussmessung muss die Einbauposition gewährleistet werden, da ein Widerstandskörper senkrecht von unten nach oben umströmt wird. Bei einer magnetisch-induktiven Durchflussmessung fließt eine leitende Flüssigkeit durch ein zeitlich veränderliches Magnetfeld, wobei die Erzeugung eines solchen Magnetfelds zuviel Energie benötigt, so dass das System nicht energieautark realisiert werden kann. Bei einer Ultraschalldurchflussmessung misst man die Überlagerung der Schallgeschwindigkeit mit der Flussgeschwindigkeit, wobei die Ultraschallerzeugung sehr viel Energie benötigt. Bei einer thermischen Durchflussmessung benötigen die thermischen Heizer einen sehr hohen Energiebedarf, so dass auch solche Durchfliissmesser zuviel Energie benötigen, so dass entsprechende Systeme nicht energieautark realisiert werden können. Bei einer optischen Durchflussmessung verwendete optische Systeme müssen permanent mit Energie versorgt werden, so dass auch sie für energieautarke Systeme nicht geeignet sind. Aus der WO 2009/083179 AI ist eine Fluidikvorrichtung bekannt, bei der ein Fluidikele- ment beweglich in einer Fluidleitung angeordnet ist. Das Fluidikelement kann eine Durch- strömungsöffnung aufweisen, in der ein Rückschlagventil angeordnet ist. Das Fluidikelement kann zumindest teilweise aus einem magnetisierbaren Material bestehen, wobei ein Magnetfeldsensor vorgesehen sein kann, um aus einer Veränderung eines gemessenen Magnetfelds auf einen Ort und/oder eine Bewegung des Fluidikelements zu schließen. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Flusssensor und ein Verfahren zum Erfassen eines Flusses zu schaffen, die es ermöglichen, einen Fluss durch einen Fluidweg mit einem geringen Energieaufwand zu delektieren. Diese Aufgabe wird durch einen Flusssensor nach Ansprach 1 und ein Verfahren zum Erfassen eines Flusses nach Anspruch 15 gelöst.
Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen einen Flusssensor mit folgenden Merkmalen; einem in einer Fluidleitung angeordneten Rückschlagventil mit einem Ventilsitz und einem Verschlusselement; und einem Magnetfeldsensor, wobei das Verschlusselement einen Magnetfeldgeber aufweist oder mit einem Magnetfeldgeber mechanisch gekoppelt ist, so dass eine Bewegung des Verschlusselements relativ zu dem Ventilsitz eine Bewegung des Magnetfeldgebers relativ zu dem Magnetfeldsensor zur Folge hat, und wobei der Magnetfeldsensor angeordnet ist, um eine Bewegung des Magnetfeld gebers relativ zu dem Magnetfeldsensor zu erfassen, so dass ein Ausgangssignal des Magnetfeldsensors ein Maß für den Öffnungsgrad des Rückschlagventils ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen ein Verfahren zum Erfassen eines Flusses, mit folgenden Schritten:
Erfassen eines Ausgangssignals eines Magnetfeldsensors, der angeordnet ist, um eine Bewegung eines Magnetfeldgebers relativ zu dem Magnetfeldsensor zu erfassen, wobei ein Verschlusselement eines in einer Fluidleitung angeordneten Rückschlagventils den Mag- netfeldgeber aufweist oder mit dem Magnetfeldgeber mechanisch gekoppelt ist, so dass eine Bewegung des Verschlusselements relativ zu einem Ventilsitz des Rückschlagventils eine Bewegung des Magnetfeldgebers relativ zu dem Magnetfeldsensor zur Folge hat, so dass das Ausgangssignal des Magnetfeldsensors ein Maß für den Öffnungsgrad des Rückschlagventils ist; und
Ermitteln eines Flusses durch die Fluidleitung basierend auf dem erfassten Ausgangssignal des Magnetfeidsensors. Gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung wird die relative Position eines Verschlusselements eines Rückschlagventils zu dem Ventilsitz des Rückschlagventils mittels eines Magnetfeldsensors magnetisch erfasst, wobei das Rückschlagventil in einer Fluidleitung angeordnet ist, so dass ein Leckagefluss an dem Rückschlagventil vorbei nicht stattfinden kann. Somit ermöglicht die vorliegende Erfindung sowohl die Erfassung von Durchfluss- mengen über einen großen Messbereiche. Ferner ist auf vorteilhafte Weise eine Durchflussmessung möglich, während gleichzeitig ein Fluss in eine Richtung entgegengesetzt zur Flussrichtung des zu messenden Flusses verhindert wird. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der Magnetfeldsensor als ein xMR-Sensor insbesondere ein GMR-Sensor (GMR = giant magnetoresistive) ausgebildet sein. Wie bekannt ist, stellt der Ausdruck xMR dabei einen Sammelbegriff für magnetoresistive Effekte dar, wie beispielsweise den AMR-Effekt (AMR = anisotrop magnettoresistiv), den GMR- Effekt, den TMR-Effekt (TMR = tunnel magnetoresistive), den CMR-Effekt (CMR = co- lossal magnetoresistive) und den GME-Effekt (GME = giant magnetic inductance). Entsprechende Magnetfeldsensoren, die einen sehr geringen Leistungsbedarf aufweisen, können erfindungsgemäß eingesetzt werden.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung weist der Flusssensor einen MikrocontroUer auf, der mit dem Magnetfeldsensor gekoppelt ist und konfiguriert ist, um das Ausgangssignal des Magnetfeldsensors zu empfangen und basierend darauf eine Durchflussmenge zu ermitteln. Der MikrocontroUer kann ferner ausgeführt sein, um ein die Durchflussmenge anzeigendes Signal auszugeben, beispielsweise anzuzeigen, oder drahtlos oder drahtgebunden zu einem Empfänger zu übertragen. Der MikrocontroUer kann bei Ausführungsbei- spielen der Erfindung ausgelegt sein, um den Magnet Seidsensor zwischen einer Messphase und einer Ruhephase mit einem vorbestimmten Lastzyklus umzuschalten, wobei durch ein entsprechendes Einstellen des Lastzyklus der Energieverbrauch weiter reduziert werden kann. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist ferner ein Magnetfeldschalter vorgesehen, dessen Aufgabe darin besteht, das System, das den MikrocontroUer und den Magnetfeldsensor aufweist, zu wecken. Somit ist das System nur bei Bedarf aktiv, so dass der Energieverbrauch weiter reduziert werden kann. Der Magnetfeldschalter kann beispielsweise als ein GMR-Magnetfeldschalter implementiert sein.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der Magnetfeldschalter selbst die Funktion eines Magnetfeldsensors übernehmen, der eine festgelegte Schwelle delektieren kann, so dass der Flusssensor als ein Schwellschalter wirkt. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen somit die Erfassung eines Flusses in einer Fluid!eitung, beispielsweise eines Wasserflusses in einer Wasserleitung, mit einem sehr geringen Energiebedarf, wobei sowohl geringe Tropfmengen als auch gro- ße Durchflussmengen detektiert und gemessen werden können. Erfmdungsgemäß müssen keine verschiedenen Typen von Sensoren eingesetzt werden, um sowohl geringe Tropfmengen als auch große Durchflüsse von mehreren Litern pro Minute zu messen, wie dies bei aktuellen Systemen der Fall ist. Bei aktuellen Systemen ist dies notwendig, da die einzelnen Sensortypen meist nur einen geringen Messbereich mit der geforderten Genauigkeit abdecken. Darüber hinaus nutzen herkömmliche Flusssensoren typischerweise physikalische Prinzipien zur Messung eines Flusses, beispielsweise eines Wasserflusses, die mit einem hohen Energiebedarf einhergehen. Die vorliegende Erfindung ermöglicht Flusssensoren und Verfahren zum Erfassen eines Flusses, die einen geringeren Energieverbrauch, einen geringeren Schlupf und einen größeren Messbereich aufweisen. Somit eignen sich Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung für Anwendungen, für die bekannte Systeme aufgrund der genannten Nachteile ausgeschlossen sind. So eignen sich Ausführungsbeispiele der Erfindung für Sensoren, die in der Lage sind, den Wasserfluss in Wasserleitungen mit äußerst geringem Energieaufwand zu delektieren und zu messen, so dass der Einsatz von batteriebetriebenen Mess- und Regelsystemen möglich wird. Auch der Einsatz von Energy Harvesting zur Energieversorgung von Überwachungssystemen (wie z.B. Condition Monitoring Systemen) wird durch den Einsatz solcher Systeme erstmalig ermöglicht.
Alisführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines er- fmdungsgemäßen Flusssensors;
Fig. 2a) bis 2c) schematische Darstellungen, die ein Ausführ ngsbeispiel eines erfindungsgemäßen Flusssensors in verschiedenen Zuständen zeigen;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Flusssensors;
Fig. 4a, 4b schematische Darstellungen zur Erläuterung eines weiteren Ausfüh- rungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Flusssensors; und Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Magnetfeldschalters. Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein Rückschlagventil 10 in eine Fluidleitung 12, beispielsweise eine Wasserleitung, eingebaut ist. Das Rückschlagventil weist einen Ventilsitz 14 in Form eines Dichtrings auf. Der Dichtring ist an geeigneten Befestigungsmittein 16 in der Fluidleitung 12 angebracht. Das Rückschlagventil 10 weist ferner einen Schließkegel 1 8 auf, der federnd gegen den Ventilsitz 14 gelagert ist, wie in Fig. 1 durch eine Feder 20 angedeutet ist. Der Schließkegel 1 8 weist einen Magnetfeldgeber 22 auf, wie in Fig. 1 schematisch gezeigt ist. Zu diesem Zweck kann der Schließkegel 1 8 entweder aus einem magnetischen Material bestehen oder ein Magnet kann an dem Schließkegel befestigt sein. Der Magnetfeldgeber 22 erzeugt ein Magnetfeld 24, wie durch entsprechende Feldlinien in Fig. 1 gezeigt ist.
Das Rückschlagventil 10 ist ausgebildet, um einen Fluidfluss nur in eine Richtung, die durch einen Pfeil 26 in Fig. 1 gezeigt ist, zuzulassen. Ein Fluidfluss in Richtung des Pfeils 26 erzeugt eine auf den Schließkegel 1 8 wirkende Kraft, so dass der Schließkegel 1 8 von dem Ventilsitz 14 abgehoben und das Ventil geöffnet wird. Der Öffnungsgrad des Ventils hängt vom Durchfluss, also von der Flussmenge, ab.
In einer geeigneten Position relativ zu dem Rückschlagventil 10 und somit zu dem Magnetfeldgeber 22, ist ein Magnetfeldsensor 28 angeordnet. Der Magnetfeldsensor 28 ist an einer solchen Position relativ zu dem Rückschlagventil 1 0 angeordnet, dass sein Ausgangs- signal von der Position des Schließkegels 1 8 abhängt, die wiederum von der Flussmenge des durch die Fluidleitung strömenden Fluids abhängt. Diese Abhängigkeit ist in einem Diagramm 30 in Fig. 1 angedeutet, das die Ausgangsspannung U des Magnetfeldsensors 28 über der Zeit t darstellt. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist der Magnetfeldsensor durch einen GMR-Sensor gebildet.
Der Magnetfeldsensor ist somit derart relativ zu dem Schließkegel 1 8 und somit dem Magnetfeldgeber 22 angeordnet, dass eine Bewegung des Schließkegels 18 und somit des Magnetfeldgebers 22 zu einer Änderung des Ausgangssignals des Magnetfeldsensors führt, so dass das Ausgangssignal des Magnetfeldsensor ein Maß für den Öffnungsgrad des Rückschlagventils ist. Durch eine Kalibrierung des Systems kann somit mit Hilfe des Ausgangssignals des Magnetfeldsensors 28 direkt auf die Durchflussmenge durch das Rückschlagventil rückgeschlossen werden. Die Figuren 2a) -2c) zeigen das Ausgangssignal des Magnetfeidsensors 28 für unterschiedliche Öffnungsgrade des Rückschlagventils. Gemäß Fig. 2a) findet kein Fluss statt, so dass das Rückschlagventil 10 geschlossen ist. Der Magnetfeldsensor 28 ist somit nur einem geringen Teil des von dem Magnetgeber 22 erzeugten Magnetfelds ausgesetzt, so dass das Ausgangssignal des Magnetfeldsensors 28 auf einem tiefen Pegel ist, wie durch die geringe Ausgangsspannung im Diagramm 30a in Fig. 2a) angezeigt ist. Gemäß Fig. 2b) findet ein erster geringer Fluss durch die Leitung 12 statt, so dass das Rückschlagventil 10 leicht geöffnet ist. Der Magnetfeldgeber 22 ist durch die Auslenkung des Rückschlagventils 1 8 zu dem Magnetfeldsensor 28 hin bewegt, so dass das Ausgangssignal desselben einen höheren Pegel aufweist, siehe Diagramm 30b. Gemäß Fig. 2c) schließlich findet ein zweiter hoher Fluss statt, so dass der Magnetfeldgeber durch die Auslenkung des Rückschlagventils 1 8 noch näher zu dem Magnetfeldsensor 28 hin bewegt wurde, so dass dieser dem erzeugten Magnetfeld 24 stärker ausgesetzt ist. Das Ausgangssignal des Magnetfeldsensors 28 weist einen entsprechend höheren Pegel auf, wie in Diagramm 30c gezeigt ist.
Nachdem der Leistlingsbedarf eines Magnetfeldsensors, und insbesondere eines xMR- Sensors, beispielsweise eines GMR-Sensors, sehr gering ist, kann ein entsprechender Flusssensor mit einem sehr geringen Energiebedarf betrieben werden. Beispielsweise kann der Leistungsbedarf herkömmlicher GMR-Sensoren bei ca. 9 mW liegen. Somit ermögli- chen entsprechende Ausführungsbeispiele der Erfindung eine Flusserfassung bei einem geringen Energiebedarf.
Fig. 3 zeigt eine schematische Querschnittansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels der Erfindung, das für eine Verstärkung des Messeffekts ausgelegt ist. Fig. 3 zeigt eine Durchflusssensoranordnung mit einem ersten Anschlussstück 32, einem zweiten Anschlussstück 34 und einem Fluidkanal, der die Anschlussstücke verbindet. Der Fluidkanal ist in Fig. 3 durch eine Linie 36 angedeutet. In dem Fluidkanal ist ein Rückschlagventil 40 angeordnet, das einen Ventilsitz 42 und ein Verschlusselement in Form einer Kugel 44 aufweist. Die Kugel 44 kann durch Gravitationskraft gegen den Ventilsitz 42 vorgespannt sein. Die Kugel 44 ist an einem Hebelarm 46 angebracht, an dem ferner ein Magnetfeldgeber 48, beispielsweise in Form eines Magneten, angebracht ist. Der Hebelarm 46 ist an dem Ende, an dem die Kugel 44 angebracht ist, eingespannt, während der Magnetfeldgeber 48 an dem anderen Ende desselben angebracht ist. Findet nun ein Fluidfluss durch die Flu- idleitung 36 statt, so wird die Kugel 44 in Richtung des Pfeils 50 nach oben bewegt. Diese Bewegung wird durch den Hebelarm 46 in eine größere Bewegung des Magneten 48 umgesetzt, wie durch einen Pfeil 52 in Fig. 3 gezeigt ist. Somit entspricht die Auslenkung des Magnetfeldgebers 48 gemäß dem Hebelgesetz einem Vielfachen der Bewegung der Kugel. Diese entsprechend der Länge des Hebels vergrößerte Auslenkung kann durch einen Magnetfeldsensor 54, der gegenüber dem Magnetfeldgeber 48 angeordnet ist, erfasst werden.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann somit durch Vorsehen eines Hebels eine vergrößerte Auslenkung von Teilen eines Flusselements bewirkt werden, wobei diese vergrößerte Auslenkung durch einen Magnetfeldsensor erfasst werden kann, so dass die Messgenauigkeit erhöht werden kann.
Wie oben ausgeführt wurde, weisen Magnetfeldsensoren und insbesondere GMR-Sensorcn einen sehr geringen Energiebedarf auf. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist ein Mikrocontroller vorgesehen, der ausgelegt ist, um auf der Grundlage des Ausgangssignals des Magnetfeldsensors auf einen Fluss durch die Fluidleitung rückzuschließen. Der Mikrocontroller kann dabei programmiert sein, um auf der Grundlage des Ausgangssignals des Magnetfeldsensors auf eine Nachschlagtabelle zuzugreifen, in der verschiedenen Aus- gangssignalen zugeordnete Durchflussmengen abgelegt sind, wobei die Daten der Nachschlagtabelle durch eine Kalibrierung des Systems erhalten werden können. Der MikroController kann ausgelegt sein, um den Magnetfeldsensor mit einem Duty-Cycle (Lastverhältnis) zu betreiben, der das Verhältnis zwischen aktiver Phase des Magnetfeldsensors und Ruhephase desselben beschreibt. In der aktiven Phase wird der Magnetfeldsensor mit Leistung versorgt und liefert Ausgangssignale, während er in der Ruhephase nicht mit Leistung versorgt wird und somit keine Energie verbraucht. Das Lastverhältnis kann geeignet gewählt werden, um einen Kompromiss zwischen Verhalten des Flusssensors und Energieverbrauch desselben zu liefern. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung wird das Ausgangssignal des Magnetfeldsensors mittels eines Mikrocontrollers ausgewertet, der ausgelegt sein kann, um basierend auf dem Ausgangssignal des Magnetfeldsensors auf eine Nachschlagtabelle zuzugreifen, die auf Kalibrierungsdaten basiert. Die Nachschlagtabelle kann dabei auch weitere Parameter berücksichtigen, die einen Einfluss auf den gemessenen Durchfluss haben können, beispiels- weise die bei der Messung vorliegende Temperatur. Zur Erfassung dieser weiteren Parameter können zusätzliche Sensoren, beispielsweise ein Temperatursensor, vorgesehen sein. Die Nachschlagtabeile kann für ein spezielles Fluid, dessen Durchfluss zu messen ist, kalibriert sein, beispielsweise Wasser. Alternativ kann die Nachschlagtabelle Daten für mehrere Fluide enthalten, wobei eine Möglichkeit vorgesehen sein kann, um zwischen den Flu- iden auszuwählen.
Um den Energieverbrauch weiter zu reduzieren, kann bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ein zusätzlicher Magnetfeldschalter vorgesehen sein, durch den das System nur dann geweckt wird, wenn ein Fluss durch die Fluidleitung stattfindet. Der Magnetfeldschalter kann beispielsweise durch einen GMR-Schalter implementiert sein, wobei der Leistungsbedarf typischer GMR-Schalter bei 400 nW liegen kann. Der Magnetfeldschalter ist, wie auch der Magnetfeldsensor, an einer Position angebracht, an der er die Bewegung des Rückschlagventils beobachten kann, d. h. an der er die Relativbewegung zwischen Verschlusselement und Ventilsitz beobachten kann.
Ein .Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Flusssensors, bei dem eine Sensoreinheit 100 einen Magnetfeldschalter 102, einen Magnetfeldsensor 1 04 und einen Mikrocont- roiler 106 aufweist, ist in den Figuren 4a und 4b gezeigt. Der Mikrocontroller ist elektrisch mit dem Magnetfeldschalter 102 und dem Magnetfeldsensor 104 gekoppelt, wie durch Pfeile 108 in Fig. 4a angedeutet ist.
In Fig. 4a ist das Rückschlagventil 1 0 in einem geschlossenen Zustand gezeigt, in diesem Zustand befinden sich der Magnetfeldsensor 1 04 und der Mikrocontroller 1 06 in einem Schlafmodus. Unter Schlafmodus eines Magnetfeldsensors ist dabei ein solcher Modus zu verstehen, bei dem der Magnetfeldsensor nicht mit Energie versorgt wird und somit keine Energie verbraucht. Unter Schlafmodus des Mikrocontrollers ist dabei ein Modus zu verstehen, bei dem der Energieverbrauch des Mikrocontrollers gegenüber einem aktiven Mo- dus reduziert ist, indem Komponenten des Microcontrollers ausgeschaltet sind, d. h. nicht mit Energie versorgt werden. Beispielsweise kann während des Schlafmodus des Microcontrollers lediglich ein Zeitgeber aktiv sein. Derartige Schlafmodi von MikroControllern sind bekannt, wobei Mikrocontroller beispielsweise durch eine Signaiii nke an einem Interrupt-Eingang aus dem Schlafmodus geweckt werden können. Bei Ausführungsbeispie- len der Erfindung kann somit ein Interrupt-Eingang des Mikrocontrollers 106 mit einem Ausgang des Magnetfeldschalters 102 verbunden sein, so dass der Mikrocontroller durch eine Signalflanke im Ausgangssignal des Magnetfeldschalters 102 aus dem Schlafmodus in den aktiven Modus geweckt werden kann. Der Mikrocontroller ist ausgelegt, um nach dem Versetzen desselben in den aktiven Modus den Magnetfeldsensor zu aktivieren, um den Fluss durch die Leitung 1 2 zu messen.
Somit befinden sich der Mikrocontroller 1 06 und der Magnetfeldsensor 1 04 bei dem in Fig. 4a gezeigten geschlossenen Zustand des .Rückschlagventils 1 10 im Schlafmodus, in dem der Magnetfeldsensor komplett deaktiviert sein kann. Der Magnetfeldschalter 102 ist aktiv und überwacht die Position des Ventils, Sobald sich das Ventil bewegt, wird diese Bewegung von dem Magnetfeldschalter 102 erkannt. Genauer gesagt erfasst der Magnetfeldschalter 102 eine Änderung des durch eine Bewegung des Magnetfeldgebers 22 bewirkten Magnetfeldes und schaltet, wenn das durch den Magnetgeber 22 verursachte Mag- netfeld einen vorbestimmten Wert annimmt oder überquert. Dadurch wird in dem Ausgangssignal des Magnetfeldschalters 22 eine Signal flanke erzeugt, die über einen Interrupt den Mikrocontroller 1 06 startet. Dadurch wird der Mikrocontroller 1 06 in einen aktiven Modus versetzt und aktiviert seinerseits den Magnetfeldsensor 1 04. Dadurch ergibt sich das in Fig. 4b gezeigte Szenario, bei dem der Mikrocontroller 1 06 und der Magnetfeldsensor 104 aktiv sind. In diesem Zustand führt der Magnetfeldsensor Messungen durch, um die genaue Position des Ventils, insbesondere des Verschlusselements 1 8, zu bestimmen. Insofern entspricht die Funktionalität des Magnetfeldsensors der oben Bezug nehmend auf die Figuren 1 und 2 beschriebenen Funktionalität, Mit Hilfe der Informationen über die Position des Verschlusselements und damit des Öffnungsgrades des Ventils kann die Durchflussmenge bestimmt werden, beispielsweise durch Berechnung oder durch Zugriff auf eine Nachschlagtabelle.
Wenn sich das Ventil wieder schließt, kann dies auf der Grundlage des Ausgangssignals des Magnetfeldsensors 104 erkannt werden. Daraufhin können der Mikrocontroller 1 06 und der Magnetfeldsensor 104 wieder in den Schlafmodus versetzt werden. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der Magnetfeldschalter in einen Schlaf modus, in dem er nicht mit Energie versorgt wird, versetzt werden, wenn der Mikrocontroller und der Magnetfeldsensor in dem aktiven Modus sind. Bei solchen Ausführungsbeispielen wird der Magnetfeldschalter dann wieder in einen aktiven Modus versetzt, wenn der Mikrocontroller und der Magnetfeldsensor in den Schlafmodus versetzt werden.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der Mikrocontroller auch durch eine weitere Flanke in dem Ausgangssignal des Magnetfeldschalters 102 aus dem aktiven Modus wieder in den Schlafmodus versetzt werden, wobei eine solche Signal flanke in dem Ausgangssignal des Magnetfeldschalters 102 erzeugt werden kann, wenn das durch den Magnetgeber verursachte Magnetfeld wieder den vorbestimmten Wert annimmt oder überquert.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann ein weiterer Magnetfeldschalter vorgese- hen sein, der konfiguriert ist, um in einem Ausgangssignal desselben eine digitale Signal- Hanke zu erzeugen, wenn das durch den Magnetgeber verursachte Magnetfeld einen zweiten vorbestimmten Wert annimmt. Der zweite vorbestimmte Wert kann beispielsweise einer bestimmten Öffnungsposition des Ventils, beispielsweise einer Öffnungsendposition des Ventils, zugeordnet sein. Der weitere Magnetfeldschalter kann mit dem Mikrocontrol- 1er gekoppelt sein, derart, dass der Mikrocontroller bei Auftreten der Signalflanke im Ausgangssignal des zweiten Magnetfeldschalters in den Schlafmodus versetzt wird. Somit ermöglichen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung das Einstellen eines definierten Messbereichs. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die Schaltschwelle des Magnetfeldschalters so eingestellt sein, dass, während das Rückschlagventil geschlossen ist, die Schwelle gerade nicht überschritten wird. Sobald ein Fluidfluss, beispielsweise ein Wasserfluss, einsetzt, bewegt sich das Rückschlagventil und das digitale Ausgangssignal des Magnetfeldschalters wechselt von einem binären Wert auf einen anderen, beispielsweise von 0 auf 1 oder umgekehrt. Dieser Flankenwechsel wird genutzt, um den MikroController und somit auch den Magnetfeldsensor mit Hilfe eines Interrupts zu wecken und zu aktivieren. Der Magnetfeldsensor beginnt die Stellung des Ventils genau zu messen und sobald die Messung be- endet ist, werden der Magnetfeldsensor und der MikroController wieder in den Schlafmodus versetzt. Der Magnetfeldsensor benötigt also nur dann Energie, wenn wirklich ein Fluidfluss stattfindet. In der Zeit, in der kein Fluss stattfindet, ist der Magnetfeldsensor komplett inaktiv. Bei Ausführungsbeispielen kann die Schaltschwelle so eingestellt werden, dass das System erst dann aktiviert wird, wenn eine Schwelle, die die untere Grenze eines bestimmten Messbereichs darstellt, erreicht ist. Wie oben ausgeführt wurde, kann, um den Messbereich nach oben zu beschränken, ein weiterer Magnetfeldsensor genutzt werden. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann ein Magnetfeldschalter selbst als Magnetfeldsensor wirken, wobei der Magnetfeldschalter die Aufgabe der Detektion einer vorher festgelegten Schwelle übernimmt. Mit einem solchen Aufbau können Schwellsehalter realisiert werden, die ab einer vorher eingestellten Flussmenge schalten. Ein zusätzlicher Magnetfeldsensor, der eine genaue qualitative Messung des Magnetfelds vornimmt, ist bei solchen Ausführungsbeispielen nicht vorgesehen.
Ein funktionelles Blockdiagramm eines Magnetfeldschalters, wie er bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen kann, ist in Fig. 5 gezeigt. Der Magnetfeldschalter umfasst einen Oszillator und Zeitgeber 1 10, ein Sensorelement 1 12, einen Kornparator 1 14, ein Latch 1 16 und einen Schalter 1 18, beispielsweise in Form eines Feldeffekttransistors. Der Ausgang des Oszillators und Zeitgebers 1 10 ist mit dem Sensorelement 1 12 und dem Ko nparator 1 14 gekoppelt, um einen geeigneten Messzyklus anzuwenden, wie durch Pulse 120 in Fig. 5 angedeutet ist. Ferner ist in Fig. 5 eine Versorgungsspannung VDD gezeigt. Das Sensorelement 1 12 kann beispielsweise als Wheatstone- Brücke ausgebildet sein, wobei das Ausgangssignal des Komparators 26 abhängig von dem durch das Sensorelement 1 12 erfassten Magnetfeld einen hohen oder tiefen Pegel aufweist. Der Ausgang des Komparators 1 14 ist mit einem Eingang des Latch 1 1 6 gekoppelt, dessen Ausgang wiederum mit einem Steueranschluss des Schalters 1 1 8 gekoppelt ist. Abhängig vom Ausgangssignal des Latch 1 16 lässt der Schalter 1 18 einen Ausgang 122 des Magnetfeldschalters 102 auf einem hohen logischen Pegel oder zieht ihn auf einen tiefen logischen Pegel. Am Ausgang 122 wird somit ein digitales Ausgangssignal ausgegeben, das einen logisch hohen oder logisch tiefen Pegel annehmen kann.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der Magnetfeldschalter als GMR- Magnetfeldschalter ausgebildet sein, indem das Sensorelement 1 12 als GMR- Sensorelement ausgebildet ist. Bei derartigen Magnetfeldschaltern ist keine Offset- Korrektur notwendig, da sich das magnetoresistive Material, das in dem GMR- Sensorelement verwendet ist, nicht irreversibel au magnetisiert. Beispiele eines derartigen Sensors ziehen im Betriebsmodus durchschnittlich lediglich einen Strom von ca. 0, 1 2 μΑ.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung wurden oben Bezug nehmend auf ein Rückschlagventil beschrieben, bei dem ein Schließkegel oder eine Kugel eine Ventilöff- nung, die durch einen Ventilsitz gebildet ist, freigibt oder verschließt. Alternative Ausführungsbeispiele der Erfindung können andere Rückschlagventile verwenden, beispielsweise
Klappenventile oder dergleichen, solange das bewegliche Verschlusselement derart mit einem Magnetfeldgeber mechanisch gekoppelt ist, dass eine Bewegung des Verschlussclements in eine Bewegung des Magnetfeldgebers umgesetzt wird, so dass durch einen entsprechenden Magnetfeldsensor eine Stellung des Verschlusselements relativ zum Ventilsitz erfasst werden kann.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der Magnetfeldgeber durch einen Permanentmagneten gebildet sein. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann der Magnetfeld- geber aus einem magnetisierbaren Material bestehen, so dass durch den Magnetfeldgeber ein extern, beispielsweise durch einen externen Permanentmagneten, erzeugtes Magnetfeld geändert werden kann, wobei diese Änderung wiederum durch den Magnetfeldsensor erfassbar ist. Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich somit auf einen Flusssensor, bei dem ein Durchlassventil derart in einer Fluidleitung angeordnet ist, dass kein Fluss an dem Rückschlagventil vorbei stattfinden kann. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich ferner auf entsprechende Verfahren zum Erfassen eines Flusses durch eine Fluidleitung, die durch entsprechende Flusssensoren ausführbar sind.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen somit die Realisierung einer Sensorik zur Flusserfassung, die mit bisherigen Technologien nicht möglich waren, insbesondere die Implementierung von energieautarken oder batteriebetriebenen Systemen. Beispielsweise können Ausführungsbeispiele der Erfindung zur Implementierung von
Wasserwächtern eingesetzt werden, bei denen Energie mit Hiife eines Turbinengenerators selbst erzeugt wird, so dass das System mit äußerst wenig Energie funktionieren muss, so dass keine handelsübliche Sensorik zur Flussdetektion eingesetzt werden kann. Ausfüh- rungsbei spiele der Erfindung ermöglichen die Erfassung sowohl sehr geringer Flussmengen im Tropfenbereich als auch sehr großer Durchflüsse von mehreren Litern pro Minute. Mögliche Einsatzgebiete für Ausführungsbeispiele der Erfindung umfassen eine Messung und Regelung des Durchflusses und/oder die Erfassung von Leckage in Leitungen von Wasserverbrauchern, wie z.B. Bewässerungssystemen, Waschmaschinen, Spülmaschinen, Getränkeautomaten, Wasserspendem, Kaffeemaschinen und dergleichen.

Claims

Patentansprüche
Flusssensor mit folgenden Merkmalen: einem in einer Fluidlcitung ( 12) angeordneten Rückschlagventil ( 10) mit einem Ventilsitz (14; 42) und einem Verschlusselemertt (18; 44) und einem Magnetfeldsensor (28; 54; 104), wobei das Verschlusselement (18; 44) einen Magnetfeldgeber (22) aufweist oder mit einem Magnetfeldgeber (48) mechanisch gekoppelt ist, so dass eine Bewegung des Verschlusselements ( 18; 44) relativ zu dem Ventilsitz ( 14, 42) eine Bewegung des Magnetfeldgebers (22; 48) relativ zu dem Magnetfeldsensor (28; 54; 104) zur Folge hat, und wobei der Magnetfeldsensor (28; 54; 104) angeordnet ist, um eine Bewegung des Magnetfeldgebers (22; 48) relativ zu dem Magnetfeldsensor (28; 54; 104) zu erfassen, so dass ein Ausgangssignal des Magnetfeldsensors (28; 54; 104) ein Maß für den Öffnungsgrad des Rückschlagventils ist,
Flusssensor nach Ansprach 1 , bei dem der Ventilsitz (14; 42) stationär an der Fluidlcitung befestigt ist.
Flusssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Magnetfeldsensor (28; 54; 104) ein xMR-Sensor, insbesondere ein GMR-Sensor, ist,
Flusssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, der ferner einen Mikrocontroller
(106) aufweist, der mit dem Magnetfeldsensor (28; 54; 104) gekoppelt ist und konfiguriert ist, um das Ausgangssigna! des Magnetfeldsensors (28; 54; 104) zu empfangen und basierend darauf eine Durchflussmenge zu ermitteln.
Flusssensor nach Anspruch 4, bei dem der Mikrocontroller ( 1 06) ausgelegt ist, um die Durchflussmenge basierend auf in einer Nachschlagtabelle abgelegten Kalibrierungsdaten zu ermitteln.
Flusssensor nach Anspruch 5, der ferner einen Magnetfeldschalter ( 102) aufweist, der relativ zu dem Magnetfeldgeber (22; 48) angeordnet ist und konfiguriert ist, um in einem Ausgangssignal desselben eine digitale Signalflanke zu erzeugen, wenn das durch den Magnetgeber (22; 48) verursachte Magnetfeld einen vorbestimmten
Wert annimmt oder überquert, wobei der Mikrocontrol ler ( 106) mit dem Magnetfeldschalter ( 102) gekoppelt ist und konfiguriert ist, um ansprechend auf die digitale Signalflanke aus einem Schlafmodus geweckt und in einen aktiven Modus versetzt zu werden.
7. Flusssensor nach Anspruch 6, bei dem der Mikrocontroller ( 106) konfiguriert ist, um den Magnetfeldsensor (104) zu aktivieren, wenn er in den aktiven Modus versetzt wird.
8. Flusssensor nach Anspruch 6 oder 7, bei dem der Mikrocontroller (106) konfiguriert ist, um nach einer Ermittlung der Durchflussmenge auf den Empfang des Ausgangssignals des Magnetfeldsensors ( 104) hin oder nach einer vorbestimmten Zeitdauer wieder in den Schlafmodus versetzt zu werden.
9. Flusssensor nach Ansprach 6 oder 7, bei dem der Mikrocontroller konfiguriert ist, um in den Schlafmodus versetzt zu werden, wenn das Ausgangssignal des Magnetfeldsensors ( 1 04) anzeigt, dass das Magnetfeld, das durch den Magnetfeldgeber erzeugt wird, einen vorbestimmten Wert annimmt oder überquert.
10. Flusssensor nach Anspruch 8 oder 9, bei dem der Mikrocontroller ( 106) konfiguriert ist, um den Magnetfeldsensor (104) zu deaktivieren, wenn er in den Schlafmodus versetzt wird.
1 1 . Flusssensor nach einem der Ansprüche 6 bis 1 0, der einen weiteren Magnetfeldschalter aufweist, der relativ zu dem Magnetfeldgeber (22; 48) angeordnet ist und konfiguriert ist, um in einem Ausgangssignal desselben eine digitale Signalflanke zu erzeugen, wenn das durch den Magnetfeldgeber (22; 48) verursachte Magnetfeld einen zweiten vorbestimmten Wert annimmt oder überquert, wobei der Mikrocontroller ( 1 06) mit dem weiteren Magnetfeldschalter gekoppelt und konfiguriert ist, um ansprechend auf die digitale Signalflanke in dem Ausgangssignal des weiteren Magnetfeldschalters in den Schlafmodus versetzt zu werden, so dass der vorbestimmte Wert und der zweite vorbestimmte Wert einen Messbereich festlegen.
1 2. Flusssensor nach Anspruch 4, bei dem der Mikrocontroller konfiguriert ist, um den Magnetfeldsensor (28; 54) zwischen einer Messphase und einer Ruhephase mit einem vorbestimmten Lastzyklus umzuschalten. , Flusssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Magnetfeldsensor einen Magnetfeldschalter, insbesondere einen GMR-Schalter, aufweist, der ausgelegt ist, um zu schalten und eine digitale Signalflanke auszugeben, wenn das Verschlusselement eine vorbestimmte Position annimmt oder überquert. , Flusssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Verschlusselement einen Hebel (46) aufweist, der zwischen einem Verschlussabschnitt (44) des Verschlusselements und dem Magnetfeldgeber (48) angeordnet ist, wobei der Hebel (46) ausgelegt ist, um eine Bewegung des Verschlussabschnitts (44) in eine Bewegung des Magnetfeldgebers (48) umzusetzen, die größer als die Bewegung des Verschlussabschnitts (44) ist, , Verfahren zum Erfassen eines Flusses, mit folgenden Schritten:
Erfassen eines Ausgangssignals eines Magnetfeldsensors (28; 54; 1 04), der angeordnet ist, um eine Bewegung eines Magnetfeldgebers (22; 48) relativ zu dem Magnetfeldsensor zu erfassen, wobei ein Verschlusselement (18; 44) eines in einer Fluidleitung ( 1 2) angeordneten Rückschlagventils ( 1 0; 40) den Magnetfeldgeber (22) aufweist oder mit dem Magnetfeldgeber (48) mechanisch gekoppelt ist, so dass eine Bewegung des Verschlusselements (1 8; 44) relativ zu einem Ventilsitz (14; 42) des Rückschlagventils (10, 40) eine Bewegung des Magnetfeldgebers (22; 48) relativ zu dem Magnetfeldsensor (28; 54; 1 04) zur Folge hat, so dass das Ausgangssignal des Magnetfeldsensors ein Maß für den Öffnungsgrad des Rückschlagventils ( 10; 40) ist; und
Ermitteln eines Flusses durch die Fluidleitung ( 12) basierend auf dem erfassten Ausgangssignal des Magnetfeldsensors.
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