CN113390537A - 用于操作能量表设备的方法及能量表设备 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于操作能量表设备的方法及能量表设备。一种用于操作用于确定温度控制回路(17)中的能量消耗(10)的能量表设备(11)的方法，在温度控制回路(17)中循环至少两种流体的混合物(18)，特别是水/乙二醇混合物，其中能量表设备(11)包括：超声测量设备(13)，用于借助于渡越时间测量来确定混合物流速(5)；温度测量设备(16)，用于确定混合物(18)的供应(20)和回流(21)之间的温度差；以及处理设备(22)，用于考虑混合物(18)的流速(5)、温度差和k‑因子(9)确定能量消耗(10)，该超声测量设备(13)还确定混合物(18)的声音速度(6)，其中处理设备(22)基于经验上获得的确定规则(8)直接从声音速度(6)和由温度测量设备在超声测量设备(13)的位置处测得的混合物温度(4)来确定k‑因子(9)。

Description

用于操作能量表设备的方法及能量表设备

技术领域

本发明涉及一种用于操作能量表设备的方法，该能量表设备用于确定温度控制回路中的能量消耗，在该温度控制回路中，循环至少两种流体的混合物，特别是水/乙二醇混合物，其中该能量表设备包括：超声测量设备，用于借助于渡越时间(transit-time)测量来确定混合物流速；温度测量设备，用于确定混合物的供应和回流之间的温度差；以及处理设备，用于考虑混合物的流速、温度差和k-因子确定能量消耗。本发明还涉及能量表设备。

背景技术

能量表设备(例如热量表或冷却表)例如基于体积流量测量结合在供应和回流之间载液的温度下降(T_in-T_out)来测量能量消耗W。

该能量消耗是基于以下基本方程式计算的：

其中ρ表示载液的密度，c_p表示载液在恒定压力下的比热容，其中乘积ρ·c_p通常被称为k-因子，并且

描述了载液的体积流速。在本领域中惯例使用不同流体(特别是不同液体)的混合物作为载液。典型的示例是水/乙二醇混合，即作为附加液体的乙二醇和水的混合物。这些混合物最通常具有两种成分。水/乙二醇混合可以作为即用混合物或作为乙二醇浓缩物形式可商购，它们需要用水稀释来达到期望的混合比。

在实践中出现的问题是载液中的混合比可能随时间而变化。其原因是混合物的老化、通过蒸发以补偿压力的载液(通常是水)的损失或随后用水和/或乙二醇补充损失的载液。这改变了载液的热特性，其进而直接影响测得的能量消耗。在能量表设备所经受的不同过程中，也可以想到对载液的热特性的其它影响。

为了获得针对能量表设备的某些认证，从根本上讲，必须能够改正载液中的此类变化，或者至少必须考虑此类变化。一种方法可能是每年检查乙二醇浓度，并且如果测得的浓度与指定浓度相差超过百分之一则对其进行相应的调整。还可以规定的是，在温度控制回路中压力下降的情况下，将以指定的混合比的指定的混合物添加到载液。

密度ρ和比热容c_p也各自具有温度依赖性，并且因此k-因子也具有温度依赖性，必须将其考虑在内。但是，载液的温度是已知的，因为无论如何都需要测量温度差，通常通过在供应和回流中进行温度测量来执行。

为了确定载液的实际k-因子，在现有技术中已经提出进行测量，例如量热(calorimetric)测量。使用关系式k＝W/(VΔT)，可以直接根据已知体积V的测试液体在加热已知量的能量W之后的温度升高ΔT来确定k的值。例如，这种过程在DE 10 2007 015 609A1中是可能的，其中，这里的测量装置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装置并布置在温度控制回路中的传感器部件给出，以确定混合物的k-因子并考虑这个k-因子以便确定能量消耗。

但是，在能量表设备中难以实现量热法，因为虽然周围环境的影响和散热对周围环境的影响不可忽略，但这两种影响难以限定。另外，例如，如在EP 1 975 582 B1中也提出的，将量热测量集成在能量表设备中将导致额外的成本。除了量热法外，还可以使用k-因子、导热率λ和热扩散率a之间的关系k＝λ/a，通过测量λ和a来间接确定k-因子。但是，这也需要在能量表设备中的附加的传感器元件以及复杂的测量方法。

EP 2 746 742 A1涉及一种用于计量热能的设备，在该设备中，测量载液中的防冻剂(特别是乙二醇)的浓度，以便确定载液的其它特性。

WO 2012/065 276 A1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声音的速度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。具体而言，该方法使用温度差和声音速度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设备来确定体积流速的能量表设备。这些可以被设计为使用例如包括两个超声换能器的测量布置，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，并且换能器分开已知的距离彼此面对。可以根据在两个方向上沿着路径的超声信号的渡越时间差，特别是使用一组特征曲线来确定已经流过的载液的体积，从而确定混合物流速。

一般而言，对于计量设备，因此也对于能量表设备，目的是使电子器件以及因此能量消耗尽可能简单明了。因此，在现有技术中已知的用于确定实际k-因子的过程是不利的，因为它们需要附加的传感器或至少许多附加的处理步骤。

发明内容

因此，本发明的目的是限定一种设施，该设施用于在使用基于超声的测量原理的能量表设备中以简单实现的方式准确地确定热量消耗。

为了实现该目的，根据本发明提出了一种用于介绍中提到的类型的方法，即超声测量设备还确定混合物的声音速度，其中基于经验获得的确定规则，处理设备直接从声音速度和由温度测量设备在超声测量设备的位置处测得的混合物温度来确定k-因子。

根据本发明，对变化最大的一系列测量和测量结果的研究已经确定，存在适合于足够准确地确定k-因子的声音速度、温度和k-因子之间的直接关联。例如，如果测量了k-因子的温度依赖性和声音速度的温度依赖性，那么可以假定这些数据集彼此链接，结果是，当声音速度测得时，这也可以在k-因子方面得到解释。

换句话说，提出了基于对载液中的声音速度的测量来确定k-因子。在能量表设备中无论如何已知载液及其主要成分(至少两种流体(例如水和预定义类型的乙二醇(或其它防冻剂))的温度，因为当然要确定供应与回流之间的温度差。现在可以使用超声测量设备来确定声音速度。根据经验获得的确定规则(特别是通过分析测量结果和/或模拟结果获得的确定规则)将混合物在超声测量位置处的温度和声音速度直接与k-因子关联，因此k-因子可以容易地直接确定。

因此，在本发明中不需要用于确定k-因子的附加传感器。在两个超声换能器在流动方向上彼此相对的情况下，可以从来自下游测量的渡越时间值与来自上游测量的渡越时间值的平均值或总和确定声音速度，和/或在静止的混合物的情况下可以从一次测量确定声音速度。特别地，在这种上下文中，如上文已描述的测量布置是合适的，其中两个超声换能器被布置在承载载液的容器中并且在流动方向上分开已知的距离彼此面对，从而下游测量和上游测量是可能的。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的单次测量来确定声音速度，要不然，如果存在流动，那么可以从上游和下游测量的渡越时间的总和或平均值或者从上游和下游测量的倒数(reciprocal)渡越时间的总和来确定声音速度。由此消除了流动引起的影响。例如，如果L是发射和接收超声换能器之间的距离，c_f是声音速度并且t₁和t₂是来自上游和下游测量的绝对渡越时间，并且还有如果u表示流体的流动速度并且

表示超声传播方向与载液流动方向之间的角度，那么以下成立：

以及

消除

得出c_f与测得的渡越时间t₁和t₂之间的确切关联：

使用近似u<<c_f和1/(1+x)≈1-x的级数展开(对于小的x)得到：

确定计量应用的绝对渡越时间和渡越时间差两者的微控制器在现有技术中是已知的，例如来自Texas instruments的序列号“TI MPS430FR6047”下。

而且，有利的是，在本发明中不必确定载液中的混合比，并且载液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，使用了k-因子和载液中的声音速度之间的经验相关性，其中声音速度可以容易地确定为基于超声的流速测量的副产品。在此应该提及的是，本发明可以应用于热特性的各种类型的变化，并且不限于下面主要讨论的混合物特性。

在构成本发明的一部分的研究中已经发现，当考虑特定混合物时，可以获得k-因子特征值的特别准确的确定规则，即形成载液的各个流体是已知的。因此，在本发明的上下文中，可以特别有利地提供的是，当确定k-因子时，附加地，考虑识别混合物的流体的至少一种(特别是识别水中作为附加流体的的乙二醇)的流体信息，特别是使用了特定于流体或流体组合的确定规则。因此，特别地，流体信息指定了混合物的组成，即混合物的主要成分。因此，即使对于所有可设想的流体，或甚至对于水/乙二醇混合物中的所有可设想的乙二醇，在声音速度和k-因子之间可能不存在明确的关联，但仍然已经发现，对于属于相同混合物组成(即属于相同主要成分，特别是水和乙二醇)的每组数据点，可以推断出声音速度和k-因子之间的明确关联，并且因此推断出明确的确定规则，从而允许极其准确地确定k-因子。在这一点上，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音速度的增加和k-因子的减少。

因此，在本发明中，如果已知载液的主要成分，即混合物的主要成分，特别是与水一起使用的乙二醇的类型，那么可以使用对应的确定规则以高准确度根据测得的声音速度和温度确定混合物的k-因子，而无需精确地知道混合比。也不需要知道密度或比热容来确定当前合适的k-因子，这大大地简化了推导。

在本发明的改进中可以提供的是，在能量表设备调试之前或期间，在处理设备的存储部件中硬编码流体信息和/或特定于流体信息的确定规则。换句话说，例如，关于所使用的乙二醇的信息可以硬编码到能量表设备的固件中，即以不能被改变的方式存储在那里。这提供了特别高的保护来防止例如热能消耗者的篡改行为。另一方面，能量表设备然后仅应用于该特定的载液或特定的流体混合，特别是应用于硬编码的乙二醇或具有相当的k-因子的混合物组成。

因此，作为本发明的一部分，还可替代地提供的是经由能量表设备的输入部件或能量表设备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表设备时和/或在服务期间选择乙二醇或混合物的其它成分的类型。为此，可以使用能量表设备上的合适的通信接口和/或输入部件。但是，在这种情况下有利的是如果采用至少一种安全措施来防止终端用户试图篡改流体信息，例如编码、加密和/或使用合适的密码和/或其它认证手段。由此可以防止终端用户故意选择具有较小k-因子的混合物组成，例如乙二醇，因为这将导致确定较低的能量消耗。

但是，在本发明的替代实施例中，作为方法的一部分，还可能的是从经验结果(特别是从数据点)获得针对混合物的至少两种不同组成(特别是乙二醇/水混合物中的多种不同乙二醇)的确定规则。如果假设声音速度和k-因子之间的公共的温度相关的关联，那么可以实现具有通用的k-因子确定形式(即与混合物无关)的能量表设备。例如，可以通过使用最小二乘法对所有相关数据点进行拟合来找到该关联以及因此找到确定规则。因此有效地假设了“平均”曲线。但是，应该指出的是，这里使用的包含混合物的不同组成的组不一定包括混合物的所有可设想的组成，而是例如可以将表现出极为相似行为的水/乙二醇混合物分组到一起，并且因此，能量表设备可以用于混合物的不同组成的这些组。形成这些组的决定因素可以是确定k-因子时一定的准确度的规定。因此，由此可以选择这样的组，即，组的数据点或特征曲线一起位于足够窄的范围内以仍然允许出于规定目的(例如就能量表设备的认证而言)足够准确地确定k-因子。例如，可以基于用于确定k-因子的规定的准确度(例如1％的准确度)形成混合物的不同组成的至少一个组。上述与流体信息相关的过程可以应用于指定至少两种不同组成的组的组信息；此外，流体信息可以用于核实组的成员身份。

已从测量和/或模拟获得的数据点可以用于获得确定规则，其中优选地使用测量结果。可以具体设置的是，查询表和/或数学关联被获得作为确定规则。确定规则可以通过对测量和/或模拟点(统称为数据点)的拟合(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，因为它可以容易地在能量表设备中以电子方式实现。

在根据本发明的方法的有利的改进中，可以设置的是，除了能量消耗之外，还经由通信链路传递在读出处理和/或能量消耗传递处理期间传递至少一个当前确定的k-因子。提供能量的供应者由此接收关于能量表设备的状态的信息，特别是混合物(即载液)的热特性中已经发生的任何变化。具体而言，可以设置的是，由提供能量的供应者(特别是自动地)评估k-因子随时间的变化。例如，可以检查是否存在相对于原始值和/或最近传递的值的超过阈值的变化，或者进行类似的检查。

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量消耗的能量表设备，在该能量控制回路中，循环至少两种流体的混合物，特别是水/乙二醇混合物，其中该能量表设备包括：超声测量设备，用于借助于渡越时间测量来确定混合物流速；温度测量设备，用于确定混合物的供应和回流之间的温度差；以及处理设备，用于考虑混合物的流速、温度差和k-因子确定能量消耗，该设备的特征在于，其被设计为执行根据本发明的方法。与根据本发明的方法相关的所有陈述可以类似地应用于根据本发明的能量表设备，并且因此，上述优点同样可以通过所述设备来实现。

附图说明

在下面描述的示例性实施例中并参考附图给出了本发明的进一步的优点和细节，其中：

图1是示出针对不同水/乙二醇混合物和温度的声音速度与k-因子之间的关联的图；

图2是根据本发明的方法的示例性实施例的流程图；以及

图3示出了根据本发明的能量表设备。

具体实施方式

下面针对两组分混合物讨论本发明的示例性实施例，两组分混合物具体而言是由水和所限定的乙二醇构成的载液。但是，这基本上对于本发明对其它液体(特别是防冻剂)或通常为流体及其组合的适用性没有限制作用。

作为本发明的一部分，已经将以数据点形式的变化最大的测量结果进行组合，以核实在混合物中的声音速度(下面用c_f表示)和k-因子之间是否存在(足够地)唯一的关联，该关联可以用于从声音速度和混合物的实际温度直接确定热能消耗测量中的实际k-因子。例如，Sebastian Baack的上述介绍包含了所述潜在测量结果的示例。

图1通过示例示出了对于20℃、30℃和40℃的各种静止温度，声音速度c_f和k-因子k之间的相关性。左上角可见的数据点1与纯水相关，而数据点组2与含有“Antifrogen N”作为乙二醇的第一水/乙二醇混合物相关，并且第二数据点组3与含有“Tyfocor L”作为乙二醇的第二水/乙二醇混合物相关。所示的数据点是已针对不同混合比获取的测量点，但是所述混合比在可从所述数据点1、2、3导出的经验确定规则中没有进一步的作用。

从图1中清楚的是，对于与相同类型的乙二醇相关联的数据点的每一组2、3，可以针对不同的温度推导声音速度和k-因子之间的明确确定规则。混合中乙二醇比例的增加导致声音速度的增加和k-因子的降低，并且因此在图1中，对于数据点，乙二醇浓度从左到右增加。因此，如果已知混合物的主要成分(在这种情况下为与水一起使用的乙二醇的类型)，那么可以借助于(特别是通过拟合推导的)确定规则来从温度和声音速度推断k-因子，并且该确定规则可以作为查找表和/或数学关联存在。该k-因子可以直接导出，这意味着无需知道混合比、密度或比热容。

如图1所示，对于不同的温度可能存在相似的一般曲线。取决于所使用的乙二醇和混合比，混合物中声音速度的变化将导致所有数据点发生偏移，但是总体趋势得以维持。

这里可以获得用于特定的水/乙二醇混合物(即特别是用于特定类型的乙二醇)的确定规则，以便以高准确度确定k-因子。但是也可设想形成混合物的不同组成的组，因此在这种情况下，可设想形成不同的水/乙二醇混合物，其数据点足够靠近在一起，以使确定k-因子的误差保持在一定范围内，例如小于1％。因此，在这种情况下，可以为此类组限定公共的确定规则。

在能量表设备的制造或安装期间，指示所使用的乙二醇的流体信息可以以不能被改变(即可以被硬编码)的方式存储在所述设备中，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一组水/乙二醇混合物的对应相关联的确定规则硬编码在存储部件中。在其它示例性实施例中，还可以在能量表设备的存储部件中设置用于混合物的不同组成和/或混合物组成的不同组的(一个或多个)确定规则，在这种情况下，流体信息(或组信息)可以经由能量表设备的输入部件和/或通信接口接收，但是其中优选地提供防止(例如由打算计量其热能消耗的终端用户的)禁止的更改的安全措施。

图2示出了根据本发明的用于操作能量表设备的方法的示例性实施例的流程图，该方法具体而言用于在考虑潜在地改变的载液(混合物)的情况下确定消耗。该能量表设备使用超声来测量在回流的混合物流速，这就是其测量装置包括用于借助于渡越时间测量来确定混合物流速的超声测量设备的原因。还提供了一种温度测量设备，其可以确定温度控制回路的供应中和回流中混合物的绝对温度，并因此确定供应与回流之间的温度差。处理设备被设计为在考虑混合物的流速、温度差和k-因子的情况下基于方程式(1)确定能量消耗。

在根据本发明的方法中，在步骤S1中，不仅确定温度4(并且因此确定温度差)和流速5，而且现在还确定实际声音速度6。可以在测量时混合物没有移动的情况下，要不然通过在上游测量和下游测量的渡越时间之间形成平均值，或者根据倒数渡越时间的总和测量声音速度6，如上面参考公式(2)和(3)所解释的。用于超声测量设备的合适的微控制器已经是已知的。

在步骤S2中，可选地将回流处(在该位置处，在当前情况下还测量声音速度或流速)的声音速度6和温度与流体信息7(或组信息)一起使用，作为经验获得的确定规则8的输入变量，以便直接确定k-因子9。可以例如通过最小二乘法通过对相关联数据点1、2、3的拟合来获得确定规则8，例如作为数学关联。优选地，确定规则8以查找表的形式存在于能量表设备中。

在步骤S3中，如通常所知，然后使用k-因子9、从温度4获得的温度差和流速5来确定能量消耗10。

在所示的示例性实施例中还可设想，除了能量消耗之外，经由通信链路传递在读出处理和/或能量消耗传递处理期间还传递至少一个当前确定的k-因子9。因此，例如，如果建立了到读出设备的通信链路或使用了现有的通信链路来传递能量消耗信息，那么最新的k-因子9例如作为能量表设备的状态的指示符也与该信息一起被传递。提供能量的供应者由此接收关于混合物(即，载液)的热特性中潜在发生的任何变化的信息。供应者可以相应地评估k-因子9和/或其随时间的变化。

图3以示意图示出了根据本发明的能量表设备11，其包括测量装置12。测量装置12包括超声测量设备13，在所示示例中，该超声测量设备13使用两个超声换能器(超声探头)14来确定通过测量装置12的流管15的流速。测量装置12还包括温度测量设备16，该温度测量设备16用于检测在温度控制回路17(仅在这里指示)中流动的混合物18(特别是水/乙二醇混合物)的供应与回流之间的温度差。测量装置12集成在该温度控制回路17中。温度测量设备16包括两个温度传感器19，其中一个温度传感器例如布置在供应20中，另一个温度传感器布置在回流21中(在这种情况下在流管15本身中)。在这种情况下，超声测量设备13布置在回流21中，但是在其它示例性实施例中，它也可以设在供应20中，在这种情况下，必须选择供应温度而不是回流温度作为超声测量设备13的位置处的混合物温度。在温度控制回路17中结合至少一个热能或冷却能量消耗器V(也仅在这里指示)。同样指示了对应的热能或冷却能量生成器E。

在当前情况下，超声测量设备13还被设计为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或倒数渡越时间求和或求平均来确定声音速度6。

来自超声测量设备13和来自温度测量设备16的测量数据在测量装置12的处理设备22中处理。这涉及根据步骤S2借助于确定规则8来确定k-因子9，以及根据步骤S3来确定热能消耗10。

此外，如已经提到的那样，如果尚未通过选择特定的确定规则8或以流体信息7的形式在能量表设备11的存储部件(未以任何细节示出)中进行硬编码，那么能量表设备11还可以包括输入部件(未以任何细节示出)和/或通信接口23，以便接收流体信息7。

参考符号列表

1 数据点

2 数据点组

3 数据点组

4 温度

5 流速

6 声音速度

7 流体信息

8 确定规则

9 k-因子

10 能量消耗

11 能量表设备

12 测量装置

13 超声测量设备

14 超声换能器

15 流管

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

21 回流

22 处理设备

23 通信接口

S1-S3 步骤

Claims (10)

1.一种用于操作用于确定温度控制回路(17)中的能量消耗(10)的能量表设备(11)的方法，在所述温度控制回路(17)中循环至少两种流体的混合物(18)，特别是水/乙二醇混合物，其中，能量表设备(11)包括：超声测量设备(13)，用于借助于渡越时间测量来确定混合物流速(5)；温度测量设备(16)，用于确定混合物(18)的供应(20)和回流(21)之间的温度差；以及处理设备(22)，用于考虑混合物(18)的流速(5)、温度差和k-因子(9)确定能量消耗(10)，其特征在于，超声测量设备(13)还确定混合物(18)的声音速度(6)，其中，处理设备(22)基于经验上获得的确定规则(8)直接从声音速度(6)和由温度测量设备在超声测量设备(13)的位置处测得的混合物温度(4)来确定k-因子(9)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在确定k-因子(9)时，附加地考虑流体信息(7)，所述流体信息(7)识别混合物(18)的流体中的至少一种，特别是识别水中作为附加流体的乙二醇，特别是使用特定于流体或流体组合的确定规则(8)。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在能量表设备(11)的调试之前或期间，将流体信息(7)和/或特定于流体信息(7)的确定规则(8)硬编码在处理设备(22)的存储部件中。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，经由能量表设备(11)的输入部件或能量表设备(11)的通信接口(23)接收流体信息(7)。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定规则(8)是从针对混合物(18)的至少两种不同组成的经验结果获得的，特别是从针对乙二醇/水混合物中的多种不同乙二醇的经验结果获得的。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，获得查找表和/或数学关联作为确定规则(8)，和/或通过对测量和/或模拟点的拟合获得确定规则(8)，特别是通过使用最小二乘法对测量和/或模拟点的拟合获得确定规则(8)。

7.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)在流动方向中彼此相对的情况下，声音速度(6)是根据来自下游测量的渡越时间值与来自上游测量的渡越时间值的平均值或总和或者倒数渡越时间值的总和来确定的，和/或在静止混合物(18)的情况下，声音速度(6)是根据一次测量来确定的。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，除了能量消耗(10)之外，还经由通信链路在读出处理和/或能量消耗传递处理期间传递至少一个当前确定的k-因子(9)。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，由提供能量的供应者评估k-因子(9)随时间的变化。

10.一种用于确定温度控制回路(17)中的能量消耗(10)的能量表设备(11)，在所述温度控制回路(17)中循环至少两种流体的混合物(18)，特别是水/乙二醇混合物，其中能量表设备(11)包括：超声测量设备(13)，用于借助于渡越时间测量来确定混合物流速(5)；温度测量设备(16)，用于确定混合物(18)的供应(20)和回流(21)之间的温度差；以及处理设备(22)，用于考虑混合物(18)的流速(5)、温度差和k-因子(9)确定能量消耗(10)，其特征在于，能量表设备(11)被设计为执行根据前述权利要求1至8中的任一项所述的方法。

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