CN113390536A - 用于运行能量计装置的方法和能量计装置 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种用于运行能量计装置的方法，该能量计装置用于确定温度控制回路中的能耗。在该温度控制回路中，使至少两种流体的混合物进行循环。该能量计装置包括借助于渡越时间测量来确定混合物流速的超声测量装置、确定混合物的供应端和回流端之间的温差的温度测量装置、以及考虑混合物的流速、温差和k因子而确定所述能耗的处理装置。为了确定混合物流速，将渡越时间差值乘以确定因子，该确定因子可以使用针对参考混合物预定义的特征曲线组来确定。超声测量装置还确定混合物的实际声速，所述确定因子是根据所述实际声速确定的，以修正所述混合物与所述参考混合物之间的差异。

Description

用于运行能量计装置的方法和能量计装置
技术领域
本发明涉及一种用于运行能量计装置的方法，该能量计装置用于确定温度控制回路中的能耗，在该温度控制回路中使至少两种流体的混合物进行循环，该混合物特别是水/乙二醇混合物，该能量计装置包括用于借助于渡越时间测量来确定混合物的流速的超声测量装置、用于确定混合物的供应端和回流端之间的温差的温度测量装置以及在考虑该混合物的流速、温差和k因子的情况下用于确定能耗的处理装置，其中，为了确定该混合物的流速，将渡越时间差值乘以确定因子，该确定因子可使用针对参考混合物预定义的特征曲线组来确定，特别是可以确定为在渡越时间测量中的渡越时间(transit-time)差值和混合物的温度的函数。本发明还涉及能量计装置。
背景技术
能量计装置(例如热量表或冷却表)例如基于体积流测量结合供应端和回流端之间的载流体温降(Tin-Tout)来测量能耗W。该能耗根据如下基本等式计算：
W＝∫Δtρ·cp(Tin-Tout)Q dt (1)
其中ρ表示载流体的密度，cp是载流体在恒定压力下的比热容，其中乘积ρ·cp通常称为k因子，Q是流速。在本领域中通常使用不同流体的混合物，特别是不同液体的混合物作为载流体。典型的示例是水/乙二醇的混合物，即水和作为附加液体的乙二醇的混合物。这些混合物最通常具有两种成分。水/乙二醇混合物可以以即用型混合物形式或以乙二醇浓缩物形式市售，后者需要用水稀释以达到所需的混合比。
在实践中出现的问题是载流体中的混合比可能随时间变化。其原因是混合物老化、因蒸发以补偿压力而损失的载流体(通常是水)或随后用水和/或乙二醇补充损失的载流体。这改变了载流体的热特性，进而直接影响测得的能耗。
为了获得针对能量计装置的指定认证，从根本上必须要修正载流体中的这种变化，或者至少有必要考虑这种变化。一种方法可以是每年检查乙二醇浓度，如果测得的浓度与指定浓度相差超过百分之一则进行相应调整。还可以规定，在温度控制回路中压力下降的情况下，将设定混合物以设定混合比添加到载流体中。
密度ρ和比热容cp也都具有温度相关性，因此，k因子也具有温度相关性，必须将其考虑在内。然而，载流体的温度是已知的，因为无论如何都需要测量温差，这通常通过在供应端和回流端中进行温度测量来执行。
为了确定载流体的实际k因子，在现有技术中已经提出进行测量，例如量热测量。使用关系式k＝W/(VΔT)，可以直接基于用已知量的能量W加热后的已知体积V的测试液体的温升ΔT来确定k的值。该过程例如在DE102007015609A1中使用，其中，测量设备在此被设计为考虑至少一个测量参数(该参数由分配给所述测量设备并布置在温度控制电路中的传感器装置给出)来确定混合物的k因子，并考虑此k因子以确定能耗。
然而，在热量计装置中很难实现量热法，因为尽管周围环境的影响和对周围环境散热的影响不可忽略，但这两种影响很难定义。另外，例如在EP1975582B1中也提出将量热测量集成在能量计装置中将导致额外的成本。除了量热法外，还可以使用k因子、导热系数λ和热扩散率a之间的关系k＝λ/a，通过测量λ和a间接确定k因子。但是，这还是需要在能量计装置中使用附加的传感器元件以及需要复杂的测量方法。
EP2746742A1涉及一种用于计量热能的装置，在该装置中，测量载流体中的防冻剂，尤其是乙二醇的浓度，以便确定载流体的其他性能。
WO2012/065276A1涉及一种用于确定传热流体的热流的方法，该传热流体是至少两种不同流体的混合物，其中，通过测量流体中的声速来确定传热流体的密度和比热。然后使用密度和比热来确定热流。特别地，该方法使用温差和声速的测量来确定防冻液(特别是乙二醇)的浓度。
在现有技术中也已经提出了使用超声测量装置来确定体积流速的能量计装置。例如，这些装置可以设计成使用包括两个超声换能器(或者说超声式传感器)的测量装置，其中一个超声换能器指向上游，另一个超声换能器指向下游，并且两个换能器以已知距离彼此面对。可以根据在两个方向沿着路径的超声信号的渡越时间差——特别是在使用特征曲线组的情况下——确定已经流过的载流体的体积，从而确定混合物的流速。在以所述渡越时间差工作的能量计装置的情况下，通常使用特征曲线组，该特征曲线组特定于该能量计装置所针对的参考混合物，并特定于该能量计装置或至少特定于该能量计装置的相关设计。作为输入数据，该特征曲线组使用例如作为渡越时间差测量的渡越时间差值，以及在渡越时间测量位置处的混合物温度，以便获得确定因子作为输出数据。然后可以通过将确定因子乘以渡越时间差值来确定混合物流速。
如上所述，混合物可能随时间变化和/或从一开始就可能已经与参考混合物有差异。这意味着，在超声测量中使用的载流体(即混合物)的流体动态特性可能不一定与特征曲线组所基于的参考混合物的流体动态特性相匹配，因此，对渡越时间测量的分析可能会导致确定混合物流速时出现误差。与涉及k因子的方法相反，在现有技术中仍然没有解决该问题的方案。
发明内容
因此，本发明的目的是定义一种用于基于超声的能量计装置的设施以在所使用的载流体与参考混合物不同的情况下更准确地测量能耗。
为了实现该目的，根据本发明，在引言中提到的类型的方法中，提供了一种超声测量装置，所述超声测量装置还确定混合物的实际声速，其中，根据实际声速对确定因子进行确定，以修正混合物与参考混合物的差异。
作为本发明的一部分，已经发现：流体动态特性方面的相关变化(该变化可能影响超声测量并且在与参考混合物有差异的情况下发生)可以用声速来建模。因此，足以将其另外确定为至少部分修正进而更精确的总体测量的基础。特别地，在某些情况下，仅基于由声速形成的修正因子进行极其简单的修正就足够了，前提是某些基本假设适用于参考混合物或预期的差异，而在其他情况下，尤其是在需要进行更准确的修正时并且/或者当至少一些基本假设不适用时，可以修改对特征曲线组的输入数据，如果适用的话，还可以借助于基于声速确定的动态特征值来进行修改。概括地说，对确定因子的确定是基于声速来修改的。
在此，优点是可以继续使用特定于参考混合物(并且如果适用，还特定于能量计装置或能量计装置的类型、尤其是超声测量装置的设计)的特征曲线组。仅仅需要额外地确定声速，以便直接从所述声速中修改对确定因子的确定，特别是与参考混合物的参考声速成比例，和/或借助于运动学特征值进行特别是附加的修改，该运动学特征值可以在使用由经验获得的确定规则的情况下从声速得出，特别是再次与相应的与已知的参考特征值成比例。
在此，可以在超声装置的正常测量过程中、尤其是也称为以“即时(on the fly)”方式确定实际混合物中的声速，而这不会导致对于能量计装置而言太高的开销。特别地，不需要额外的传感器。在两个超声换能器在流动方向上彼此相对的情况下，可以根据下游测量的渡越时间值和上游测量的渡越时间值的平均值或总和来确定声速，和/或在静止混合物的情况下可以通过其中一项测量确定声速。特别地，在这种情况下，如上所述的测量布置是合适的，在所述测量布置中，两个超声换能器布置在承载载流体的容器中并且在流动方向上以已知的距离彼此相隔面对，从而可以进行下游测量和上游测量。由于发射超声换能器和接收超声换能器之间的距离是已知的，因此可以通过对静止混合物的渡越时间进行单项测量来确定声速，或者如果存在流速，则可以根据上游测量和下游测量的渡越时间值的总和或平均值来确定声速。由此，消除了流动引起的影响。确定用于计量应用的绝对渡越时间和渡越时间差的微控制器在现有技术中是已知的，例如德克萨斯仪器公司的序号为“TIMPS430FR6047”的微控制器。
另外，由于在对确定因子的确定中也可以容易地以电子方式实现上述修改，这提高了混合物流速的准确性，进而提高了能耗的准确性，因此根据本发明的方法在能耗和电子装置的复杂性方面也是有利的。
此外，有利地，在本发明中不需要确定载流体中(即实际混合物)中的混合比，并且载流体的其他特性也可以保持未知。这大大简化了对混合物流速的差异修正确定。
下面将更详细地描述引起本发明的发现，包括基于其可以得到和/或实现简化的假设。仅对声速进行额外测量就足以至少部分修正实际混合物与参考混合物的差异造成的影响，这一发现是基于对大量测量结果(作为测量点或数据点)的评估、概观和结果分析，这实际上是在经验上考虑这些数据点并做出最初令人惊讶的发现，即，至少在混合物/参考混合物的特定成分或其组的方面独特的关联存在于声速和相关流体动态(以及一些静态的由特征值描述的)特性之间。
首先，应定义下面要使用的符号。混合物(载流体)的派生特性/变量用单引号表示，而指数“r”标识校准所基于的参考混合物的已知特性(即特征曲线组)。参考混合物的主要成分通常可以是例如水和特定的乙二醇。通常对于本发明可以说参考混合物具有预定义的参考成分，特别是预定义的主要成分，例如水和特定的乙二醇，并且另外由其参考混合比限定。
还适用于超声能量计装置的有：
-基于渡越时间测量确定混合物流速，在渡越时间测量中，沿着在上游方向和下游方向上的超声路径测量渡越时间差Δt＝tups-tdns
-由于必须测量在供应端和回流端之间的温差ΔT＝Tin-Tout,因此，还要知道在渡越时间测量位置处实际混合物的绝对温度；
-如上所述，可以通过考虑超声信号的已知行进距离的绝对渡越时间/总渡越时间来确定实际混合物的声速cf'。
如上面已经描述的那样，为了确定混合物流速，尤其可以提出将所测量的时间差Δt乘以确定因子，该确定因子可以确定为特征曲线组的输出数据，其中，例如通常将时间差Δt和在渡越时间测量位置处的绝对温度T作为输入数据输入到该特征曲线组，即，该特征曲线组和作为针对参考混合物来自该特征曲线组的输出数据所获取的确定因子可以写为k(Δt，T)。如果混合物流速用Q表示，则对于参考混合物有Q＝kr(Δt，T)·Δt。
如已经说明的那样，实际的混合物并不总是与参考混合物匹配，但是因为可能出现的载流体的变化可能会影响与流体动态有关的动态特性，因此在确定混合物流速时可能会出现误差。混合物的相关特性在此包括例如密度和动力粘度(由此可以确定运动粘度)。
如对测量结果的分析所示，可以推导出经验的关联，通过该关联，可以从声速cf'和温度T推导出实际混合物的密度ρ'、动力粘度μ'和/或运动粘度ν'＝μ'/ρ'。换句话说，可以确定经验确定规则，该经验确定规则允许从声速和温度推导出特征值、特别是运动学上的特征值。
因此，根据本发明可以提出，根据由经验获得的确定规则，将混合物的至少一个特征值、特别是流体动态特征值确定为混合物的声速和温度的函数并且用于获得确定因子，所述特征值特别是密度和/或动力粘度和/或运动粘度和/或与这些变量之一成比例的变量。由经验获得的确定规则——尤其是通过分析测量结果和/或模拟结果获得的确定规则——将温度和声速直接与特征值相关联，因此可以容易地直接确定该特征值。
从测量和/或模拟获得的数据点可以用于获得确定规则，其中优选使用测量结果。可以特别提出，获得查找表和/或数学关联作为确定规则。确定规则可以通过对测量点和/或模拟点(统称为数据点)的拟合来获得，特别是使用最小二乘法来获得。在这种情况下，查找表特别适合，因为其可以很容易地在能量计装置中以电子方式实现。
在构成本发明的一部分的研究中已经发现，当考虑混合物的特定成分(即主要成分的定义的组合)时，即构成载流体的各个流体是已知的时，可以获得用于特征值的特别准确的确定规则。因此，在本发明的上下文中，可以特别有利地提出的是，当确定特征值时，考虑附加流体信息、特别是使用特定于该流体或流体组合的确定规则，其中，所述附加流体信息识别出混合物的至少一种流体、特别是识别出作为附加流体的在水中的乙二醇。特别是，该流体信息因此指定了混合物——在这种情况下是参考混合物——的成分。因此，即使对于在水/乙二醇混合物中所有可能的流体或者甚至对于所有可能的乙二醇而言在声速、温度和特征值之间可能不存在明确的关联，尽管如此也发现了对于属于相同的混合物成分(即，相同的主要组分，特别是水和乙二醇)的每组数据点，可以推断出在声速、温度和特征值之间的明确关联，并且因此可以得出唯一的确定规则，这使得可以非常准确地确定特征值。在这方面已经发现，水/乙二醇混合物中乙二醇比例的增加本身表现为声速的增加和粘度的增加。在这一点上还应该提到的是，在本发明的上下文中，应将混合物成分理解为仅知道主要成分，而不是特定的浓度/混合比。
因此，如果在本发明中已知载流体的主要组分，即混合物的主要组分，特别是与水一起使用的乙二醇的类型，则可以使用相应的确定规则来高度准确地将实际混合物的特征值、尤其是动态特征值确定为测得的声速和温度的函数，而无需精确知道混合比。
在本发明的改进方案中可以提出，在能量计装置投入使用之前或期间，将流体信息和/或特定于该流体信息的确定规则硬编码在处理装置的存储装置中。换句话说，例如，关于所使用的乙二醇的信息可以被硬编码到能量计装置的固件中，即以不能被改变的方式存储于此。这提供了特别高的保护，以防止例如热能消费者的篡改行为。
因此，作为本发明的一部分，可替代地还提出了经由能量计装置的输入装置或能量计装置的通信接口接收流体信息。例如，可以想到在装配或安装能量计装置时和/或在维修期间选择乙二醇的类型或混合物的其他成分的类型。为此，可以使用能量计装置上的合适的通信接口和/或输入装置。然而，在这种情况下，有利的是采用防止终端用户试图篡改流体信息的至少一种安全措施，例如编码、加密和/或使用合适的密码和/或其他认证手段。因此，可以防止终端用户故意选择混合物成分，例如乙二醇(其将导致确定较低的能耗)。
然而，在本发明的替代实施方案中，作为方法的一部分，还可以从针对包括至少两种不同混合物成分、特别是乙二醇/水混合物中的多种不同乙二醇的组的经验结果中获得确定规则。如果假设声速和特征值之间有共同的温度相关性，则可以实现具有通用的、即与混合物无关的特征值确定形式的能量计装置。例如，可以通过使用最小二乘法对所有相关数据点(即与该组有关的数据点)进行拟合来找到关联以及确定规则。因此有效地假设了“平均”曲线。但是，应该指出的是，此处使用的包含混合物不同成分的组不必包括混合物所有可能的成分，而是例如可以将表现出极为相似性能的水/乙二醇混合物归为一组，并且因此，可以为混合物的这些不同成分的组创建能量计装置。在形成这样的组时的确定因子可以是在确定特征值时一定准确度的规定。因此，由此可以选择其数据点或特征曲线一起位于足够窄的范围内的组，以仍然允许为规定目的(例如，关于能量计装置的认证)足够准确地确定特征值。例如，可以基于用于确定特征值的规定精度，例如1％的精度，形成至少一组不同的混合物成分。上面关于流体信息所描述的过程可以应用于指定至少两种不同成分的组的组信息；此外，可以使用流体信息来验证组的组员身份。
总之，因此最初可以确定以下变量：T，Δt，c′f，ρ′，μ'，v'。另外，已知用于参考混合物的特征曲线组kr(Δt，T)，其是针对参考变量cf，ρr，μr，vr确定的，特别是作为校准过程的一部分。为了确定与参考混合物不同的载流体的混合物流速Q'，已进行了以下考虑：
作为通用规则，可以写为Q′＝k′(Δt，T)·Δt。但是，对于实际的混合物，特征曲线组k′(Δt，T)是未知的。尽管如此，为了找到允许至少部分修正与参考混合物的差异的方法，应在特征曲线组中将声速和流动分布(flow profile或者说流动特性)的贡献相互分开。为此目的，采用Δt的通用近似值，如果可以假设混合物的平均速度明显低于声速，则下式成立：
Figure BDA0002966748260000091
其中，
Figure BDA0002966748260000092
表示通过渡越时间测量得到的横截面A的体积中的平均流速，且
Figure BDA0002966748260000093
表示该体积中的平均流速。仅对于塞流或其他非常特殊的情况，
Figure BDA0002966748260000094
其中Q表示真实流速。
因此，在L表示测量路径的长度的情况下，可以将特征曲线组写为：
Figure BDA0002966748260000095
其中，简化的特征曲线组
Figure BDA0002966748260000096
现在包含对流体动态的相关性，可以表示为对雷诺数Re的纯粹相关性，因此可以写成：
Figure BDA0002966748260000097
此关联可用于推导出在实际混合物的未知特征曲线组与参考混合物的已知特征曲线组之间的关联：
Figure BDA0002966748260000098
然而，这里的问题是，仅在以渡越时间差Δt作为输入数据，即作为
Figure BDA0002966748260000099
但不以雷诺数作为输入数据时，才知道简化的特征曲线组
Figure BDA00029667482600000910
因此，必须找到建立关联Δt＝Δt(Re′)≡Δτ的表达式，其可用在参考混合物的特征曲线组中用以确定实际混合物流速：
Figure BDA00029667482600000911
其中Δτ还未知。
在使用密度ρ、液力直径Dh、局部流速vf(vf≈Q/A)和动力粘度μ的情况下开始对雷诺数Re进行通用定义，得到：
Figure BDA0002966748260000101
因此，对于特征曲线组已知的参考混合物适用下式：
Figure BDA0002966748260000102
并且重新整理后得到：
Figure BDA0002966748260000103
因此，可以将用于实际混合物的雷诺数的测量的渡越时间差表示为参考混合物的已知特征曲线组的函数，如下所示：
Figure BDA0002966748260000104
因此，必须确定雷诺数的比率，以便计算混合物流速。该参考混合物的特征曲线组可用于计算实际流速v′f的假设可得出：
Figure BDA0002966748260000105
其可以用来获得
Figure BDA0002966748260000106
该关系式(13)可在等式(11)中使用，以得出对于混合物流速Q'的以下公式，现在该混合物流速仅取决于已知变量，并可以按下式获得：
Figure BDA0002966748260000107
并且因此
Figure BDA0002966748260000108
如上所述，该推导使用近似值，即参考混合物的特征曲线组可用于确定实际当前混合物的流速。换句话说，假设：对于载流体与基准混合物的典型变化，例如对于在该领域是常用的乙二醇浓度的变化，在超声测量的测量体积中的平均流速
Figure BDA0002966748260000111
没变。这意味着，对于某个流速Q和某个温度T的流动分布(或者说流动特性)将不取决于流体的材料特性，例如ρ，μ和/或ν。该假设适用于恒定分布(塞流，不取决于材料特性)。然而，对于所有其他流动分布，粘度和密度的变化导致流动分布(相对较小)的变化。话虽如此，通常测量体积并不包含整个流动分布(跨越在渡越时间测量过程中混合物所流经的容器)。这也反映在该特征曲线组的流动分布相关性(该流动分布相关性可以认为是较低的)上。因此，使用不变的特征曲线组(对于参考混合物)时，流动分布的变化会导致确定流量时出现小的误差。
因此概括地说，关于等式(15)可以说：声速和/或动态特征值可以用于修改渡越时间差值，所述渡越时间差值作为输入数据输入到预定义的特征曲线组，和/或声速可用于修改从该特征曲线组输出的输出值，特别是通过乘法进行修改。如该陈述所表明的，由进一步考虑近似可以发现并非所有这些修改对于至少部分修正与参考混合物的差异都是必需的。
关于可以用作用于由经验得出确定规则的基础或用作市售乙二醇的确定规则的基础的测量结果，可以选择两种方法用于估计变量：在第一种情况下，在混合物的成分上(特别是关于乙二醇)存在不确定性。这第一种情况通常在该领域中不太相关。第二种情况可以基于混合比(即特别是乙二醇浓度)的不确定性。
对于第一种情况，即，在混合物成分方面的预期的不确定性，可以从测量数据中估算出，针对修改因子vr/v′的最大期望值应在20℃时约为1.05。在第一种情况下，声速的影响更大，因为相关联的修改因子
Figure BDA0002966748260000112
应处于最高至1.32的范围内。
因此，在第一种情况下，一个修正选项也会忽略运动粘度变化对流体动态的影响，因此，仅针对声速变化进行修改。换句话说，前述的第一修改因子然后会从等式(15)中退出，vr/v′≈1，并且将仅使用第二修改因子
Figure BDA0002966748260000121
则特别地会有：
Figure BDA0002966748260000122
这会在确定流速时产生较大的误差。这是因为在上述的关于两个修改因子的大小及其用于对特征曲线组的输入数据进行修改的假设下，结果误差取决于特征曲线组的形状，特别是其局部梯度。对于基本上或近似恒定的特征曲线组，由于忽略粘度(即忽略第一修改因子)而引起的误差将线性地传递为流速确定中的误差。但是，对于变化很大且具有较高局部梯度的特征曲线组而言，此误差会显著增加。应当指出的是，在较高温度下，声速和粘性的变化减小，因此最大误差也减小了。因此，有必要从相关的特征曲线组的形状中，特别是相对于特定的能量计装置或特定的设计，来决定所产生的误差是否可以接受；但是，原则上可以想到这种近似。
在稍微简化的变型方案中，对于第一种情况，也可以考虑省略对特征曲线组的输入数据的修改，Δτ＝Δt，而仅将第二个修改因子应用于输出数据。但是，由于所提出的原因，在这里预计会有较差的修正。
对于第二种情况，在误差估计中通过分析测量数据获得了相反的情况。关于运动粘度对混合比的相关性，则例如对已知的乙二醇，乙二醇浓度的5％的变化导致乙二醇“Tyfocor L(一种防冻液商品)”的运动粘度变化约20％(在20℃，从35％的Tyfocor L到40％的Tyfocor L)。关于声速，在相同的初始情况下(Tyfocor L浓度变化5％)，变化大约仅为2％(在20℃时对于35％/40％而言)，因此第二修改因子
Figure BDA0002966748260000123
等于1.02。对于其他乙二醇也可以观察到这一点。
因此，对于第二种情况，可以设想的近似为：假设第二修改因子约为1，尽管实际声速可以通过超声测量容易地确定，因此可以使用完整的关系式即等式(15)来表示最准确、最稳健、最方便的变型方案。
综上所述，本发明的特别优选的实施例提出，基于由经验获得的-特别是针对特定混合物成分的-确定规则，将运动粘度和/或能确定运动粘度的动态特征值确定为声速的函数，其中确定因子通过如下方式确定：
-通过将渡越时间差值乘以参考混合物的参考运动粘度与运动粘度的比率(第一修改因子)并乘以声速的平方与参考混合物的参考声速的平方的比率(第二修改因子)来确定输入数据，并且
-将通过对预定义的特征曲线组使用输入数据获得的输出值乘以声速的平方与参考混合物的参考声速的平方的比率(第二修改因子)。
在此优选地使用确定规则，该确定规则特定于参考混合物的混合物成分，即其主要组分，或者至少使用非常狭窄定义的混合物成分的组，所述组也包括参考混合物的混合物成分。
上面讨论的关于第一种情况的近似(省略了第一修改因子)会导致可以特别地便于用于“平坦”的特征曲线组且精确已知的混合比但是在混合物成分不确定的情况下的实施例，根据该实施例确定规则将是不必要的，取而代之的是，仅提出确定因子由以下方式确定：
-通过将渡越时间差值乘以声速的平方与参考混合物的参考声速的平方的比率(第二修改因子)来确定输入数据，并且
-将使用对预定义的特征曲线组的输入数据获得的输出值乘以声速的平方与参考混合物的参考声速的平方的比率(第二修改因子)。
这种情况在该领域可能不太相关，在该领域中，所使用的主要成分，特别是所使用的乙二醇通常是已知的，并且主要意在要修正浓度的不确定性。
此外，在第一种情况下，即使适用于极为罕见的情形，甚至也可以想到使对特征曲线组的输入数据保持不变，而只是将输出值乘以声速的平方与参考混合物的参考声速的平方的比率(第二修改因子)。
在第二种情况下，即在精确地知道了混合物的成分但混合物比率存在不确定性的情况下，需要近似，则将导致确定因子是通过将渡越时间差值乘以参考混合物的参考运动粘度与运动粘度的比率(第一修改因子)以得到输入数据来确定。这不会有进一步的修改。
如引言中所述，应该指出的是，在确定能耗时，k因子也可能根据与参考混合物的差异而变化。因此，根据本发明的特别有利的改进，处理装置使用由经验获得的分配规则来从混合物的声速和由温度测量装置测量的混合物的温度来直接确定k因子。
这是因为对一系列各种变化的测量和测量结果的研究还表明，声速、温度和k因子之间存在直接关联，这适用于足够准确地确定k因子。例如，如果测量了k因子的温度相关性和声速的温度相关性，则可以假定这些数据组相互关联，结果是，当测量声速时，这也可以用k因子来解释。
换句话说，在该扩展方案中提出，还基于对载流体中的声速的测量来确定k因子。由经验获得的分配规则(特别是通过分析测量结果和/或模拟结果获得的分配规则)将温度和声速直接与k因子相关联，因此可以直接容易地确定该k因子。在该实施例中，也不需要用于确定k因子的附加传感器。此外，因此有利地不必确定载流体中的混合比，并且混合物的密度和比热容也可以保持未知。这大大简化了热流的确定。总而言之，附加地使用了k因子与载流体中的声速之间的经验相关性，此外，可以容易地确定所述声速作为基于超声的流速测量的附带产生的结果。
此外，原则上，与确定规则有关的陈述也适用于分配规则，特别是对特定混合物成分(流体信息)或包含至少两种混合物成分的特定组(组信息)的有利限制。分配规则也可以确定为查找表和/或数学关联。分配规则同样可以通过对测量和/或模拟点(统称为数据点)的拟合来获得，特别是使用最小二乘法来获得。
因此，总而言之，可以在多个相关位置处有利地考虑与参考混合物的差异的影响，而不需要额外的传感器和/或不需要相关联的电子装置的过度复杂性和/或过度的能耗。
除了该方法之外，本发明还涉及一种用于确定温度控制回路中的能耗的能量计装置，在该温度控制回路中使至少两种流体的混合物进行循环，混合物特别是水/乙二醇混合物，其中，能量计装置包括用于借助于渡越时间测量来确定混合物的流速的超声测量装置、用于确定混合物在供应端和回流端之间的温差的温度测量装置以及用于在考虑混合物的流速、温差和k因子的情况下确定能耗的处理装置，该能量计装置的特征在于其被设计为执行根据本发明的方法。与根据本发明的方法有关的所有陈述可以类似地应用于根据本发明的能量计装置，因此，上述优点同样可以通过该装置来实现。
附图说明
在下面描述的示例性实施例参考附图给出了本发明的其他优点和细节，其中：
图1是表示对于不同的水/乙二醇混合物和温度，在声速与运动粘度之间的关联的图；
图2是表示对于不同的混合比和乙二醇，声速对温度的相关性的图；
图3是用于确定混合物流速的方法的第一示例性实施例的流程图；
图4是用于确定混合物流速的方法的第二示例性实施例的流程图；
图5是表示对于不同的水/乙二醇混合物和温度，在声速与k因子之间的关联的图；
图6是根据本发明的方法的示例性实施例的流程图；和
图7示出了根据本发明的能量计装置。
具体实施方式
本发明的示例性实施例在下面针对两种成分混合物、特别是由水和定义的乙二醇组成的载流体进行讨论。然而，这基本上在本发明对其他液体(特别是防冻剂，或通常为流体及其组合)的适用性上没有限制作用。
作为本发明的一部分，已将数据点(测量点)形式的变化最大的测量结果组合在一起，以验证在混合物中的声速(以下用cf表示)以及混合物的动态特征值(在这种情况下为运动粘度ν)之间是否存在(足够)唯一的关联。在根据混合物的声速和实际温度来测量热能的消耗时，可以使用该关联直接确定实际的运动粘度。
图1通过示例示出了对于20℃、30℃和40℃的各种固定温度，声速cf和运动粘度ν之间的相关性。左下角可见的数据点1与纯水有关，而数据点组2与含有作为乙二醇的“Antifrogen N(一种防冻液商品)”的第一水/乙二醇混合物有关，第二数据点组3与含有作为乙二醇的“Tyfocor L”的第二水/乙二醇混合物有关。所示数据点是已针对不同混合比获取的测量点，不过所述混合比在可从所述数据点1、2、3得出的经验确定规则中没有进一步的作用。
从图1可以明显看出，对于与同一类型的乙二醇相关联的每个数据点组2、3，可针对不同的温度推导出声速和运动粘度(作为流体动态特征值)之间的明确的确定规则。尽管仅看图1可能也表明了通用的确定规则，该确定规则不依赖于混合物成分(尤其不依赖于乙二醇)并且具有足够的唯一性，但实际上除图1所示的那些以外还有许多其他的乙二醇。然而图1确实表明至少在某些情况下误差有小幅增加。甚至可以根据对于一组具有相似性能的不同混合物成分、例如图1中的“Antifrogen N”和“Tyfocor L”的数据点2、3获得确定规则。
混合物中乙二醇比例的增加导致声速的增加和运动粘度的增加，因此在图1中，针对数据点1、2、3的乙二醇浓度从左到右增加。
因此，如果混合物的主要成分(在这种情况下是与水一起使用的乙二醇的类型)是已知的，并且在适用时类似地表现为乙二醇以形成一组混合物成分，则可以借助于确定规则根据温度和声速来推断出运动粘度，该确定规则尤其是可通过拟合来推导，并且可以作为查找表和/或数学关联存在。该运动粘度可以直接得出，这意味着不需要知道混合比、密度或动力粘度。
如图1所示，对于不同的温度存在相似的通用曲线，并且如果将温度作为附加输入参数考虑在内，则温度不会损害唯一性。
如上所述，可以获得对于特定的水/乙二醇混合物(即特别是对于特定类型的乙二醇)的确定规则以便高度准确地确定运动粘度。但是也可以设想形成不同混合物成分的组，因此在这种情况下，不同的水/乙二醇混合物的数据点足够靠近，以使确定运动粘度时的误差保持在一定限度内(例如小于1％)。因此，在这种情况下，可以为这样的组定义共用的确定规则。
在能量计装置的制造或安装期间，指示所使用的乙二醇的流体信息可以以不能被改变的方式(即，可以被硬编码hard-code)存储在所述装置中。在这种情况下，特别是可以将根据流体信息或根据形成确定规则的基础的水/乙二醇混合物的相应关联的确定规则硬编码在存储装置中。在其他示例性实施例中，还可在能量计装置的存储装置中提供用于不同混合物成分和/或不同组的混合物成分的确定规则，在这种情况下，流体信息(或组信息)可以经由能量计装置的输入装置和/或通信接口来接收，尽管优选地提供了防止进行被禁止的改动(例如由其热能消耗要被计量的终端用户做出的改动)的安全措施。
图2对于水(实线)和各种水/乙二醇混合物(即带有“Tyfocor L”的水(带点的线)、带有“Antifrogen SOLHT”的水(点划线)和带有“Antifrogen N”的水(虚线)，示出了声速cf对温度T的相关性。其中每种混合物成分的不同线对应于不同的混合比。由此可以得出，例如对于混合比的变化，即与具有定义的混合比的参考混合物的差异，声速发生变化的程度。如上面已经解释的，例如，可以针对特定的混合物成分和预期的变化来估计或推导用于第二修改因子(参考混合物的参考声速与不同实际混合物的声速的比率的平方)的最大期望值。
图3示出了第一示例性实施例中可以如何在根据本发明的方法中修改对用于混合物流速的确定因子的确定，以便考虑实际混合物(载流体)与参考流体的差异的影响，从而允许更准确地确定混合物流速。在此使用能量计装置，该能量计装置使用超声来测量回流端处的混合物流速，这就是为什么其测量设备包括用于基于渡越时间测量来确定混合物流速的超声测量装置的原因。在此使用一对超声换能器，它们在流动方向上彼此隔开相对，并允许测量上游的渡越时间(上游测量)和相反方向下游的渡越时间(下游测量)。还提供了一种温度测量装置，该温度测量装置可以确定温度控制回路的供应端和回流端中混合物的绝对温度，并且因此确定供应端与回流端之间的温差。处理装置被设计用于根据等式(1)——在考虑了混合物的流速、温差和k因子的情况下——确定能耗。
首先，在步骤S1中，以通常已知的方式来确定根据上游测量和下游测量的渡越时间差Δt以及确定在回流端处的温度T。然而，超声测量装置还另外使用渡越时间的总和超声换能器之间的已知距离L来确定流体的声速cf。
在步骤S2中，将声速c′f和回流端处的温度T用作对确定规则4的输入，该确定规则4如上所述由经验获得，以便确定实际混合物的运动粘度ν'。这个运动粘度ν'随后连同参考混合物的已知的参考运动粘度νr以及参考混合物的已知参考声速cf一起在步骤S3中使用以确定所述确定因子，并因此在使用适用于该参考混合物并作为校准的一部分而获得的特征曲线组5的情况下确定混合物流速Q，例如可用等式(15)来修改该特征曲线组。这是通过确定第一修改因子νr/ν′和第二修改因子
Figure BDA0002966748260000181
并通过将第一乘法因子和第二乘法因子乘以渡越时间差Δt而针对特征曲线组5确定修改的输入数据连同温度T特别地实现的。然后将该特征曲线组5的输出数据乘以第二修改因子，以确定上述确定因子，然后根据等式(15)将该确定因子乘以渡越时间差Δt以获得混合物流速Q。
图4示出的示例性实施例是用于确定混合物流速Q的图3实施例的修改版，当混合物成分存在不确定性但混合比相对准确时，该实施例尤其可以用于“平滑的”特征曲线组5、特别是具有不超过阈值的局部梯度的特征曲线组5。该实施例省去了使用确定规则4，并且因此省去了步骤S2，因为已经从针对误差估计的该第一误差情况(上面讨论的)的研究中发现：第一修改因子至少在关于图4所特定的应用中明显小于第二修改因子。因此，至少对于具有微弱局部变化的上述特征曲线组5而言小误差可以忽略不计。
因此，在修改的步骤S3'中，仅确定并使用第二修改因子，以便确定上述确定因子和流速(假设νr/ν′＝1)。
应当指出的是，原则上至少对于在第一误差情况下几乎恒定的特征曲线组5而言，也可以想到的是可以如上所述省去对输入数据的修改的示例性实施例。
对于前述的第二误差情况(混合物成分的不确定性很小或没有不确定性，但是混合比的不确定性更大)，可以想到一示例性实施例，其中仅第二修改因子被假定为近似等于1。但是，由于声速无论如何都容易确定和获得，因此，优选使用完整的关系式，即等式(15)，如图3所示。
在根据本发明的方法的优选实施例中，考虑与参考混合物的差异，还使用确定的声速c′f来确定k因子ρ·cp。下面参考图5和6对此进行更详细的说明。
图5以类似于图1的方式示出了对于20℃、30℃和40℃的各种固定温度，声速cf与k因子ρ·cp之间的相关性。在这种情况下，左上角可见的数据点6再次与纯水有关，数据点组7再次与含有作为乙二醇的“Antifrogen N”的水/乙二醇混合物有关，第二数据点组8再次与含有作为乙二醇的“Tyfocor L”的水/乙二醇混合物有关。再次针对不同的混合比获取了这些测量点。这些混合比在可从所述数据点6、7、8得出的经验分配规则中也不再有进一步的作用。
对于与相同类型的乙二醇相关联的每个数据点组7、8，在这种情况下，再次可推导出在不同的温度下声速和k因子之间的明确的分配规则(assignment rule)。在这种情况下，混合物中乙二醇比例的增加除了使声速增加之外还导致运动粘度的降低，因此在图5中数据点7、8的乙二醇浓度从左向右依次增加。因此，如果已知混合物的主要成分(在这种情况下是与水一起使用的乙二醇的类型)，则可以通过分配规则根据温度和声速推断出k因子。分配规则特别是可通过拟合来推导出，并且分配规则与确定规则4一样可以作为查找表和/或数学关联存在。k因子可以直接得出，这意味着无需知道混合比、密度或比热容。通常，以上关于确定规则4做出的陈述也适用于分配规则，特别是流体信息和/或组信息可以以类似的方式使用，并且也可以进行硬编码或通过输入装置和/或通信接口接收。
如图5所示，对于不同的温度可存在相似的通用曲线。根据所使用的乙二醇和混合比，混合物中声速的变化将导致所有数据点发生偏移，不过总体趋势得以维持。
图6示出了根据本发明的用于运行能量计装置的方法的示例性实施例的流程图，该方法特别是用于在考虑可能变化的载流体(混合物)的情况下确定消耗量W，该方法也结合了确定k因子。
在步骤S4中，确定在供应端和回流端处的温度T(进而确定温差ΔT)和流速Q，其中，步骤S4包含图3的步骤S1到S3或图4的步骤S1和S3’以确定流速Q。因此，在步骤S4结束时也知道了声速c′f。
在步骤S5中，可选地将声速c′f(当然在当前情况下还测量了该声速c′f和流速Q)和回流端处的温度T与流体信息8(或组信息)一起用作对由经验获得的分配规则10的输入变量，以便直接确定k因子ρ·cp。分配规则10例如可以被获得为数学关联，例如通过最小二乘法拟合到关联的数据点6、7、8而获得。类似于确定规则4，分配规则10(如果使用的话)以查找表的形式存在于能量计装置中。
在步骤S6中，如通常所知，然后使用k因子ρ·cp、从温度T获得的温差以及流速Q来确定能耗W(等式(1))。
图7以示意图示出了根据本发明的包括测量设备12的能量计装置11。测量设备12包括超声测量装置13，在所示的示例中，超声测量装置13使用两个超声换能器(超声探头)14来确定通过测量设备12的流管15的流速。测量设备12还包括温度测量装置16，该温度测量装置16用于检测在温度控制回路17中(仅在此指示)流动的混合物18(特别是水/乙二醇混合物)的在供应端和回流端之间的温差。在该温度控制电路17中集成有测量设备12。温度测量装置16包括两个温度传感器19，其中一个温度传感器示例性地布置在供应端20中，另一个温度传感器布置在回流端21中，在这种情况下布置在流管15本身中。至少一个热能或冷能消耗器V(仅在此再次指示)并入温度控制回路17中。相应的热能或冷能发生器E同样在相反侧上指示出。
在当前情况下，超声测量装置13还被设计成例如通过对超声换能器14之间的上游和下游的超声信号的渡越时间求和或取平均来确定声速c′f。超声测量装置可以包括用于此目的的合适的微控制器。
来自超声测量装置13和温度测量装置16的测量数据在测量设备12的处理装置22中被处理。这涉及根据步骤S1至S3或步骤S1和S3'来修改对确定因子(并因此对流速Q)的确定，并根据步骤S5使用分配规则10确定k因子，且根据步骤S6确定热能消耗。
此外，如已经提到的那样，如果没有通过选择特定的确定规则4、分配规则10或以流体信息9/组信息的形式来在能量计装置11的存储装置(未详细示出)中进行硬编码，则能量计装置11还可以包括输入装置(未详细示出)和/或通信接口23以便接收流体信息9。
附图标记列表
1 数据点
2 数据点
3 数据点
4 确定规则
5 特征曲线组
6 声速
7 数据点
8 数据点
9 流体信息
10 分配规则
11 能量计装置
12 测量设备
13 超声测量装置
14 超声换能器
15 等式
16 温度测量设备
17 温度控制回路
18 混合物
19 温度传感器
20 供应端
21 回流端
22 处理装置
23 通信接口
S1-S3 步骤

Claims (10)

1.一种用于运行能量计装置(11)的方法，所述能量计装置(11)用于确定温度控制回路(17)中的能耗，在所述温度控制回路中使至少两种流体的混合物(18)进行循环，所述混合物特别是水/乙二醇混合物，所述能量计装置(11)包括用于借助于渡越时间测量来确定混合物的流速的超声测量装置(13)、用于确定混合物(18)在供应端(20)和回流端(21)之间的温差的温度测量装置(16)以及用于在考虑所述混合物(18)的流速、所述温差和k因子的情况下确定所述能耗的处理装置(22)，其中，为了确定所述混合物的流速，将渡越时间差值乘以确定因子，所述确定因子能在使用针对参考混合物预定义的特征曲线组(5)的情况下被确定，特别是能被确定为在所述渡越时间测量中的所述渡越时间差值和所述混合物的温度的函数，其特征在于，所述超声测量装置(13)还确定所述混合物(18)的实际声速，根据所述实际声速来确定所述确定因子，以用于修正所述混合物(18)与所述参考混合物之间的差异。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据由经验获得的确定规则(4)，将所述混合物(18)的至少一个特征值确定为所述混合物的声速和温度的函数并且用于获得所述确定因子，所述特征值特别是动态特征值，特别是密度和/或动力粘度和/或运动粘度和/或与这些变量中的至少一个变量成比例的变量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在确定所述特征值时，考虑附加流体信息(9)，所述附加流体信息识别所述混合物和/或所述参考混合物中的至少一种流体、特别是识别作为附加流体的在水中的乙二醇，在确定所述特征值时，特别是使用特定于该流体或流体组合的确定规则(4)，。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在能量计装置(11)投入使用之前或期间，将流体信息(9)和/或特定于流体信息(9)的确定规则(4)硬编码在处理装置(22)的存储装置中，或者通过所述能量计装置(11)的输入装置或所述能量计装置(11)的通信接口(23)接收所述流体信息(9)。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，从对包括至少两种不同混合物成分的组的经验结果中获得所述确定规则(4)，所述至少两种不同混合物成分特别是在乙二醇/水混合物中的多种不同乙二醇。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，将声速和/或动态特征值用于修改所述渡越时间差值，所述渡越时间差值作为输入数据输入到所述预定义的特征曲线组(5)，和/或将声速用于修改从所述特征曲线组(5)输出的输出值，特别是通过乘法运算进行修改。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，基于由经验获得的—特别是针对特定混合物成分的—确定规则，将运动粘度和/或能基于其确定运动粘度和/或与运动粘度成比例的动态特征值确定为声速的函数，其中，所述确定因子通过如下方式确定：
-通过将渡越时间差值乘以参考混合物的参考运动粘度与运动粘度的比率并乘以声速的平方与参考混合物的参考声速的平方的比率来确定输入数据，并且
-将通过对预定义的特征组使用输入数据获得的输出值乘以声速的平方与参考混合物的参考声速的平方的比率。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述处理装置(22)使用由经验获得的分配规则(10)以便根据所述混合物(18)的声速和所述混合物的由所述温度测量装置(16)测得的温度来直接确定所述k因子。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，在两个超声换能器(14)在流动方向上彼此面对的情况下，声速(6)根据来自下游测量的渡越时间值和来自上游测量的渡越时间值的平均值或总和来确定，和/或在静止混合物(18)的情况下，声速(6)根据其中一项测量来确定。
10.一种能量计装置(11)，其用于确定在温度控制回路(17)中的能耗，在所述温度控制回路中使至少两种流体的混合物(18)进行循环，所述混合物特别是水/乙二醇混合物，其中，所述能量计装置(11)包括用于借助于渡越时间测量来确定混合物的流速的超声测量装置(13)、用于确定混合物(18)在供应端(20)和回流端(21)之间的温差的温度测量装置(16)以及用于在考虑所述混合物(18)的流速、所述温差和k因子的情况下确定所述能耗的处理装置(22)，其特征在于，所述能量计装置(11)设计为执行根据前述权利要求中任一项的方法。
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