CN113640378A - 用于确定流体的混合比的方法和相关方法和装置 - Google Patents
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Abstract
用于确定流体的混合比的方法和相关方法和装置。本发明涉及一种用于确定流体的混合比R的方法，其中流体是由至少两种不同的流体构成的混合物并且针对设备或系统中的技术过程而设置。该方法包括如下步骤：沿着测量距离以发送水平辐射超声信号，其中所述测量距离在测量段之内伸展；在所述测量距离的末端处测量所述超声信号的接收水平；尤其从所述超声信号的发送和接收水平确定通过所述流体被衰减的超声信号的超声衰减；测量流经所述测量段的流体的流体温度；从所确定的超声衰减和所测量到的流体温度确定所述混合物的至少两种不同的流体的混合比。此外，本发明涉及分别用于执行根据本发明的方法的用于测量热流的装置以及热流测量装置。
Description
技术领域
本发明涉及流体的混合比的确定，其中该流体是由至少两种不同流体构成的混合物、尤其水/乙二醇混合物。该混合物针对尤其加热、通风、空调和制冷技术的设备中或系统中的技术过程而设置。水/乙二醇混合物典型地被用作传热或传冷介质。本发明尤其涉及流经管道的液体的水/乙二醇混合物的混合比的自动测量技术确定。
在下文中，水/乙二醇混合物的混合比被规定为乙二醇的体积分数与水和乙二醇的体积分数之和的商。该商因此对应于乙二醇的浓度并且位于0%到100%的范围中。
此外，本发明涉及一种用于实施根据本发明的方法的用于测量热流的装置。此外，本发明涉及一种用于热流测量的热流测量装置、尤其热能计数器，以及具有这种用于实施根据本发明的方法的热流测量装置的可调节流量阀。
本发明的焦点因此也在于在智能可调节流量阀中对混合比的自动确定。对在由水和乙二醇构成的混合物中的乙二醇含量的了解能够实现充分处理通过阀的热或冷传递。
背景技术
国际专利申请WO 2012/065276 A1于2011年10月19日申请。该申请于2012年5月24日公开。WO 2012/065276 A1涉及对传热液体中的热流的确定。根据WO 2012/065276 A1，在用于测量热流的设备10中布置有两个超声换能器14、15。超声换能器与调节器19通信。调节器19又与评估单元20连接。附加地，设备10包括布置在两个超声换能器之间的温度传感器17。
在WO 2012/065276 A1中的设备10中现在借助温度传感器10确定流体的绝对温度。同时，借助超声换能器14、15测量流体中的声速。从绝对温度并且从所测量到的声速现在可以推断出水/乙二醇混合物的密度和混合比。
此外，水/乙二醇混合物的密度和比热可以被分配给混合比。最后，于是可以从体积流量、温度差、密度以及从比热容确定热或冷功率。
于2007年3月29日在德国提交了专利申请DE 10 2007 015 609 A1，用于确定温度控制回路中的能量消耗的冷或热计数器装置。相同的专利申请于2008年10月9日公开。DE10 2007 015 609 A1公开了一种具有用于确定流量的超声测量头4的测量设备2。测量设备2还包括两个温度探头9，用于检测在始流端（Vorlaufende）和回流端之间的温度降。温度探头9以及超声测量头4与控制装置12连接。
DE 10 2007 015 609 A1的测量设备2提供微风速器13。微风速器13布置在始流侧和回流侧之间并且同样与控制装置12连接。关于比热的估计k从由微风速器13检测的值得出。微风速器13因此能够实现将k的值包含到热流估计中。可设想的是，从k的值推断出水/乙二醇混合物的组成。
除了DE 10 2007 015 609 A1中和WO 2012/065276 A1中的方案之外，手动输入是可能的。代替自动地确定混合比，手动的、但易错的方案需要由用户进行输入。该方案假定足够了解加热、通风和空调系统的管道中的水/乙二醇混合物的混合比。
发明内容
从WO 2012/065276 A1出发，本发明的任务是说明一种替代的和/或更鲁棒的用于确定流体、尤其水/乙二醇混合物的混合比的测量方法。
为了避免不必要的重复，对于进一步的描述适用：结合根据本发明的用于确定混合物的混合比的方法以及结合根据本发明的用于确定从传热流体发出的热流的方法所描述的特征和细节当然结合并且鉴于被设立用于执行该方法的用于测量热流的装置以及鉴于被设立用于执行该方法的热流测量装置和可调节的导通阀（Durchlassventil）（智能阀（Smart Valve））也适用，并且反之亦然。
本发明的任务通过用于确定由至少两种不同的流体构成的混合物的混合比的方法来解决。该方法至少包括如下步骤：
- 沿着测量距离以发送水平辐射超声信号，其中测量距离在测量段之内伸展，
- 在测量距离的末端处测量超声信号的接收水平，
- 尤其从超声信号的发送水平和接收水平确定通过流体被衰减的超声信号的超声衰减，
- 测量流经测量段的流体的流体温度，以及
- 从所确定的超声衰减并且从所测量到的流体温度确定混合物的至少两种不同的流体的混合比。
本发明基于如下认识：超声波对溶解于水中的分子的羟基、即OH基的作用由于弛豫过程而有损耗。这尤其适用于乙二醇防冻剂（例如Antifrogen® N, Glysantin®），所述乙二醇防冻剂绝大部分地包含（单）乙二醇、尤其乙烷-1,2-二醇[CH2（OH）-CH2（OH）] ，并且以小体积分数包含阻蚀剂。替代地或附加地，乙二醇防冻剂可以包含丙二醇、尤其1,2-丙二醇[CH3-CH（OH）-CH2（OH）]，并且以小体积分数包含阻蚀剂。
在此，超声衰减一方面随着流体温度提高而减小并且另一方面随着尤其水/乙二醇防冻剂的混合比而增大。
在最简单的情况下，以测量技术的方式确定超声衰减的衰减值，其方式是：例如针对乙二醇防冻剂的从0%开始到100%的增大的浓度值并且分别针对-20°C到80°C的范围中的温度值测量衰减值。对于纯水而言，这由于水的冰点在大于0°C的温度值的情况下才是可能的。也可能足够的是，基于更粗略的浓度值和温度值、诸如针对乙二醇防冻剂的浓度以10%的栅格并且针对流体温度以10°C的栅格测量超声衰减的衰减值。
作为混合物，例如设置有仅仅水、例如自来水或去除矿物质的水、或由水和至少一种另外的物质构成的混合物，所述物质预先选自：
- 氯化钙，
- 乙醇，
- 甘油，
- 乙酸钾，
- 甲酸钾，
- 氯化镁，
- 甲醇，和/或
- 氯化钠。
上述列表并不是封闭的。
在最简单的情况下，固定频率的超声信号例如在从250µs到30s、优选地从250µs到1s的范围中的时间间隔中被辐射到测量段中。固定频率的超声信号例如是正弦形的、矩形的、梯形的或三角形的超声信号。所述固定频率的超声信号优选地连续地被辐射到测量段中。尤其，该超声信号以恒定的发送幅度被辐射到测量段中。该超声信号尤其在40 kHz到50MHz的频率范围中、优选地在1 MHz到10 MHz的频率范围中被辐射到测量段中。所接收到的超声信号根据所发送的超声信号的发送频率和/或发送持续时间和/或发送幅度和/或信号形状、即借助相应的相同的接收频率来滤波。所述超声信号尤其越过发送时间间隔被平均。
用沿着测量段之内的测量距离辐射超声信号意指：所发出的超声信号的主传播方向沿着该测量距离伸展。测量段在此典型地是管道或管道段或软管或软管段。所述测量段可以由金属、塑料、橡胶或陶瓷来制造。所述测量段尤其具有圆形的横截面。
与如在现有技术中那样基于流体的声速的测量以计算方式确定混合比相比，基于超声衰减的测量以计算方式确定混合比明显更鲁棒。这样，声速的基于超声传播时间测量的确定在测量评估方面由于因超声信号的散射引起的干扰信号更容易受不均匀性、诸如较大的污物颗粒或气泡影响。
混合比可以替代地基于例如来自针对具有不同的混合比的水/乙二醇混合物、在不同的流体温度的情况下和在针对辐射到测量段中的超声信号分别不同的发送频率的情况下的先前进行的参考测量序列的与频率相关的比较衰减值来确定。可以使用两个、三个或更多彼此不同的发送频率，和在接收侧相应地相同的滤波器频率。
优选地，只有当流经测量段的体积流量的（平均）流动速度低于预给定的下限值时，才确定混合物的至少两种不同的流体的混合比。下限值可以被测定，使得在测量段中存在主要层状的流动。尤其，下限值小于2 m/s，优选地小于0.5 m/s。流动速度例如可以借助已知的超声传播时间差方法或借助微风速器来测量。
根据一个方法变型方案，借助（第一）数据表或（第一）数学函数确定混合比的当前值，所述（第一）数据表或所述（第一）数学函数分别将超声衰减和流体温度映射为混合比R、尤其水/乙二醇混合物的混合比R。作为（第一）数学函数例如可以考虑至少近似地描述先前所提到的函数关系的解析函数或多项式展开。超声衰减描述所接收到的超声信号的信号强度与所发送的超声信号的信号强度之比。即使从超声信号的发送水平和所测量到的接收水平确定超声衰减，超声信号的所接收到的和所发送的信号强度之间的比例也与对数计算无关地作为基础。优选地，根据dB值进行超声衰减的计算。不需要所发送的超声信号的发送水平在辐射到测量段中的位置处的测量。超声信号的信号强度例如可以在型式试验的范围内被测量并且然后用作根据本发明的其他测量装置的参考。
根据另一方法变型方案，在测量距离的开端和末端之间沿着测量距离辐射第一超声信号并且沿着测量距离在相反方向上辐射第二超声信号。从两个超声信号的相应的发送和接收水平确定第一和第二超声衰减。从第一和第二超声衰减的（算术）平均值确定超声衰减。由此提高测量精度。也可以将在正方向上和在相反方向上的超声衰减的多个值在算术上相加并且除以所进行的测量的次数。由此进一步提高测量精度。
本发明的任务进一步通过用于确定从传热流体发出的热流的方法来解决。在此情况下，流体包括由至少两种不同的流体构成的混合物。尤其，流体是由水和乙二醇防冻剂构成的混合物，如开头所描述的那样。流体从入口位置流经以流体填满的测量段至出口位置。流体在入口位置处具有入口温度、尤其始流温度，并且在出口位置处具有由于从流体发出的热流而更低的出口温度、尤其回流温度。
此外，该方法包括如下步骤：
- 检测在入口温度和出口温度之间的温度差ΔT，
- 测量在入口位置和出口位置之间流动的流体的体积流量dV/dt，
- 根据开头所描述的根据本发明的用于借助流经测量段的流体的超声衰减的测量来确定混合比R的方法，确定混合物、优选地水/乙二醇混合物的至少两种不同的流体的混合比R，
- 从所测量到的流体温度T并且从所确定的传热流体的混合比R确定传热流体的密度ρ和比热cP，和
- 从所测量到的体积流量dV/dt、所测量到的温度差ΔT、所确定的密度ρ和所确定的比热或比热容cP的乘积确定从流体发出的热流dQ/dt。
用于所确定的热流的公式因此为：
dQ/dt = dV/dt ·ΔT·ρ(T, R)·cP(T, R)；
括号（T, R）说明：所确定的密度和比热是与优选地水/乙二醇混合物的流体温度T和混合比R相关的物理变量。所确定的热流的物理单元典型地是瓦特（W）或千瓦（kW）。因此，传热流体、尤其水/乙二醇混合物的密度ρ和比热cP的当前值可以借助（第二）数据表或（第二）数学函数来确定，所述（第二）数据表或（第二）数学函数分别将所确定的混合比R和所测量到的流体温度映射为传热流体的要确定的密度ρ和比热cP。
借助根据本发明的方法，以测量技术的方式非常精确地确定从在入口位置与出口位置之间的传热流体发出的热流有利地是可能的。
注意：所计算的热流也可以具有负值。在此情况下，«负的»热流对应于冷流。如果在入口位置与出口位置之间的温度差是负的，则情况如此。换言之，这里涉及从传冷流体发出的冷流。例如在建筑物中的冷却装置的情况下情况如此。
根据一个优选的方法变型方案，借助超声流量测量方法确定体积流量。体积流量的确定以及超声衰减的确定在时间上彼此分开的测量阶段中进行。由此可以有利地借助仅仅一种物理测量原理以测量技术的方式不仅确定体积流量而且确定超声衰减。
按照另一方法变型方案，借助超声传播时间差方法测量流经测量段的预给定的流动横截面A的流体的（平均）流动速度vM。从传热流体的所确定的混合比R和所测量到的流体温度T确定针对所测量到的平均流动速度vM的补偿因数K。最后于是从流动测量横截面A、所测量到的流动速度vM和补偿因数K的乘积确定体积流量dV/dt。
用于所确定的体积流量的公式因此为：
dV/dt = A· K(vM, T, R) · vM；
括号(vM, T, R)说明：补偿因数是与所测量到的平均流动速度vM、流体温度T和所确定的混合比R相关的无量纲因数。替代地，也可以计算针对流动横截面A的另一补偿因数。相应的补偿因数也可以被表示为商。相应的补偿因数也可以是用于补偿所测量到的平均流动速度的补偿速度值或用于补偿预给定的流动横截面的补偿面积值。对于补偿而言重要的是，可以确定尽可能接近实际体积流量的校正的体积流量。
所需要的补偿的原因是与流体温度和混合比相关的动态粘滞度。这导致：在测量段（管道）主要层状的流动的情况下在流动速度较低（典型地<3 m/s）时构成流动剖面，在所述流动剖面中流动速度在管道中心最高并且朝着管壁大大地降低。与此相反，在主要湍流流动时在流动速度更高（典型地>3 m/s）时的差异显著更小。
根据一种方法变型方案，借助（第三）数据表或（第三）数学函数确定针对所测量到的平均流动速度的当前补偿因数，所述（第三）数据表或（第三）数学函数分别将流体温度和混合比R映射为实际平均流动速度与所测量到的平均流动速度的商。
在最简单的情况下，以测量技术的方式确定针对体积流量的补偿值，其方式是：例如针对乙二醇防冻剂的从0%开始到100%的增大的浓度值、分别针对在从-20°C到80°C的范围中的温度值、以及分别针对测量段中的增大的平均流动速度测量当前衰减值。对于纯水而言，这由于水的冰点在大于0°C的温度值的情况下才是可能的。也可能足够的是，基于更粗略的浓度值、温度值和流动速度值、诸如针对乙二醇防冻剂的浓度以10%的栅格（Raster）、针对流体温度以10°C的栅格、针对较小平均流动速度（vM<3m/s）以0.1 m/s的栅格并且针对较大平均流动速度（vM>3m/s）以1 m/s的栅格测量补偿值。
此外，本发明的任务通过用于实施根据本发明的方法的用于测量热流的装置来解决。该装置具有：
- 用于检测在入口温度和出口温度之间、尤其在始流温度和回流温度之间的温度差的第一构件，
- 用于测量流经测量段的流体的体积流量的第二构件，
- 用于确定通过测量段中的流体的超声衰减的第三构件，
- 用于检测流经测量段的流体的流体温度的第四构件，和
- 控制单元，所述控制单元与第一、第二、第三和第四构件连接。
控制单元被设立用于从温度差、从体积流量、从超声衰减并且从流体温度确定并且必要时输出热流。热流的当前瓦特值于是例如可以在装置的显示器上输出或经由有线的或无线的接口输出给外部远程显示单元。
被设立用于执行根据本发明的方法的控制单元尤其是处理器支持的控制单元、优选地微控制器。微控制器MC包括存储器。在该存储器中例如可以存放先前所描述的用于确定混合物的混合比的数据表或数学函数和/或先前所描述的用于确定混合物的体积流量的补偿值。微控制器MC的存储器有利地是非易失性的，诸如闪速存储器。在微控制器的存储器中存放或可以加载具有程序例程的计算机程序，所述程序例程由微控制器的处理器单元构成用于执行根据本发明的方法的方法步骤。此外，微控制器可以具有特定的功能块，所述功能块已经作为硬件功能单元、诸如模/数转换器、信号处理器、数字输入/输出单元以及数据接口集成在微控制器中。
根据另一实施方式，第一构件包括第一温度传感器和第二温度传感器。第一温度传感器被布置用于检测在入口位置处的入口温度。第二温度传感器被布置用于检测在出口位置处的出口温度。温度传感器例如可以是所谓的PT 100或PT 1000。
按照另一实施方式，第四构件通过第一构件的第一温度传感器和/或第二温度传感器形成。控制单元被设立用于从所检测到的入口温度和/或从所检测到的出口温度导出流体温度。换言之，在空间上布置在测量段附近的第一或第二温度传感器可以被认为等同于流体温度传感器。因此并不需要单独的流体温度传感器。
此外，本发明的任务通过用于实施根据本发明的方法的用于热流测量的热流测量装置来解决。该热流测量装置尤其是热能计数器。这种热流测量装置具有：
- 壳体，
- 容纳在壳体中的管路段、尤其测量管道，
- 布置在壳体上的用于管路段的入口和出口，其中流体被设置用于流经管路段中的测量段，
- 第一温度测量输入端，用于连接用于测量第一外部温度、尤其始流温度的第一外部温度传感器，和/或
- 第二温度测量输入端，用于连接用于测量第二外部温度、尤其回流温度的第二外部温度传感器，和/或
- 布置在壳体中在入口与出口之间的区域中的流体温度传感器，用于测量流体温度，
- 用于测量流经测量段的流体的体积流量的第二构件，和
- 用于确定通过测量段中的流体的超声衰减的第三构件。
此外，所考虑的热流测量装置具有控制单元，所述控制单元与第一和/或第二温度测量输入端和/或与流体温度传感器以及与第二和第三构件连接。所述控制单元被设立或编程用于从所检测到的温度差、从体积流量、从超声衰减并且从流体温度确定热流并且在热流测量装置处和/或在热流测量装置的数据接口处输出热流的当前值和/或由此导出的变量、尤其累积的热能的计数器值。
此外，控制单元可以被设立用于可选地确定在所测量到的第一外部温度与所测量到的第二外部温度之间的温度差，或确定在所测量到的流体温度与所测量到的第二温度之间的温度差，或确定在第一外部温度与所测量到的流体温度之间的温度差。例如可以在热流测量装置开始运转时通过用户输入或在存在看似可信的温度值的情况下自动地通过控制单元进行选择。
根据热流测量装置的一种实施方式，第二和第三构件具有至少一个超声测量装置，所述超声测量装置具有第一和第二超声换能器。第一超声换能器被布置和定向用于在测量距离的开端处并且沿着测量距离辐射第一超声信号。第二超声换能器被布置和定向用于在测量距离的末端处接收第一超声信号。第二超声换能器被布置和定向用于在测量距离的末端处并且沿着测量距离在相反方向上辐射第二超声信号。第一超声换能器被布置和定向用于在测量距离的开端处接收第二超声信号。测量距离在测量段之内相对于流体的流动方向或与该流动方向相反地成锐角地伸展。控制单元以信号技术和/或数据技术的方式与第一超声换能器并且与第二超声换能器连接。控制单元被设立或编程用于交替地操控第一和第二超声换能器以辐射和接收相应的超声信号以便在分别在时间上彼此不同的测量阶段中确定流动速度和确定超声衰减。
优点在于，利用同一超声测量装置不仅可以确定流动速度并且基于所述流动速度确定体积流量而且可以确定超声衰减并且基于所述超声衰减确定尤其水/乙二醇混合物的混合比。
锐角尤其位于45°±30°的角度范围中，优选地为45°。超声测量装置可以除了由两个超声换能器或超声收发器构成的装置之外典型地还包括电子驱动器和滤波器模块。
根据前面提到的用于测量热流的装置和前面提到的热流测量装置的一种实施方式，控制单元具有非易失性存储器，控制单元可以以数据技术的方式访问所述非易失性存储器。在所述非易失性存储器中存放有用于确定混合比R的当前值的（第一）数据表或（第一）数学函数，所述（第一）数据表或（第一）数学函数分别将超声衰减和流体温度映射为尤其水/乙二醇混合物FL的混合比R。替代地或附加地，在所述非易失性存储器中存放有用于确定密度和比热的当前值的（第二）数据表或（第二）数学函数，所述（第二）数据表或（第二）数学函数分别将所确定的混合比R和所测量到的流体温度映射为尤其水/乙二醇混合物的要确定的密度和比热。进一步替代地或附加地，在所述非易失性存储器中存放有用于确定针对所测量到的平均流动速度的当前补偿值K的（第三）数据表或（第三）数学函数，所述（第三）数据表或（第三）数学函数分别将所测量到的平均流动速度、流体温度和混合比R映射为实际平均流动速度与所测量到的平均流动速度的商。先前所描述的第一和/或第二和/或第三数据表以及第一和/或第二和/或第三数学函数也可以形成共同的数据表或共同的数学函数。
控制单元优选地又是微控制器，在所述微控制器的存储器中存放有先前所描述的数据表或数学函数。在微控制器的存储器中存放或可以加载具有程序例程的计算机程序，所述程序例程由微控制器的处理器单元构成用于执行根据本发明的方法的方法步骤。
本发明的任务最后通过可调节的流量阀、尤其通过所谓的智能阀来解决。这种可调节的流量阀包括先前所描述的热流测量装置。此外，可调节的流量阀包括借助控制单元可操控的、优选地容纳在壳体中的阀单元，用于设定流经阀单元和流经测量段的相同体积流量。可调节的流量阀典型地被设立用于将热流调节到例如经由可调节的流量阀的总线接口所接收的期望值。在此情况下，如果例如管线中的压力和因此还有测量段中的压力改变，则可能需要在阀单元处的调节运动。
附图说明
以随后的图为例解释本发明以及本发明的有利实施方案。在此：
图1示出用于借助根据本发明的用于确定水/乙二醇混合物的混合比的方法测量热流的示例性装置，
图2示出作为借助根据本发明的用于确定水/乙二醇混合物的混合比的方法的组件的热流测量装置的示例，和
图3示出示例性图表，所述图表示出在以水/乙二醇混合物为例的超声衰减、流体温度与水/乙二醇混合物的混合比之间的关系。
具体实施方式
图1示出用于借助根据本发明的用于确定水/乙二醇混合物FL、H2O、GLY的混合比的方法测量热流VS的示例性装置1。用附图标记2表示例如加热系统的管道或管路段。用2’表示用作测量管道的管路段，测量段MESS处于所述管路段中。在测量段MESS中，布置有具有第一和第二超声换能器31、32的超声测量装置3。测量段MESS因此至少延伸越过两个超声换能器31、32。在管路段2中流动的体积流量VS的用箭头表示的流动方向在此情况下平行于点划线表示的（管道）中心伸展。用附图标记v表示体积流量VS的平均流动速度，并且用A表示管路段2的流动横截面。在作为管路段2的管道的典型情况下，流动横截面是圆形横截面。体积流量VS在此以计算方式从平均流动速度v与流动横截面A的乘积得出。在图1的左边部分中，可以看到用于传热流体F的入口位置EIN并且在图1的右边部分中可以看到出口位置AUS。根据所绘制的流动方向，传热流体F流经测量段M以及进一步在没有流入和流出的情况下流经热交换器4以发出热流WS并且然后进一步流动至装置1的出口位置AUS。
此外，在入口位置EIN处布置有用于检测传热流体FL的入口温度T1的第一温度传感器51。在出口位置AUS处布置有第二温度传感器52，用于检测传热流体FL的出口温度T2。最后，在测量段MESS之内的某一位置处布置有流体温度传感器50，用于检测传热流体FL的流体温度T。温度传感器50、51、52以及两个超声换能器31、32在此以信号或数据技术的方式与未进一步示出的控制单元连接。
两个所示出的也可以被称为超声收发器的超声换能器31、32以相对于流动方向和与流动方向相反地成示例性45°的锐角β布置和定向。这两个超声换能器31、32可以事后作为所谓的夹持式超声换能器安置在管路段2上或在管线段上。对此替代地，这两个超声换能器可以事后被插入到管路段2中或管线段中的孔中。根据图1的根据本发明的装置1因此特别适合于事后安置超声换能器31、32。此外对此替代地，这两个超声换能器31、32可以已经是测量管道2’、诸如根据图2的热流测量装置10的整体组成部分。此外，所考虑的超声换能器31、32可以针对所有替代方案布置或插入在测量段MESS的相同侧上。在此情况下，测量段MESS的相对侧、尤其管道2的内壁用作反射器RLF。这两个超声换能器31、32在此相对于彼此布置和定向，使得由这两个超声换能器31、32之一发出的超声信号US1、US2沿着分别虚线绘制的声路并且进一步在反射器RFL处反射之后正面地射到分别在声学上相对的超声换能器32、31上。优选地，这两个超声换能器31、32的声路相互对准。所述声路的长度在此对应于相应的超声信号US1、US2在两个超声换能器31、32之间的测量距离L。用附图标记32’表示作为替代的超声测量装置3的部分的另一第二超声换能器。在此情况下，两个超声换能器31、32’直接正好彼此相对。分别发出的超声信号US1、US2于是以在声学上最短的路径并且在测量段MESS的内侧处或在管道内壁处没有进一步反射的情况下到达分别相对的超声换能器32、31。
关于图1中所示出的根据本发明的装置1的控制单元被设立或编程用于从所计算的在所检测到的入口温度T1与所检测到的出口温度T2之间的温度差ΔT、从以测量技术的方式所检测到的体积流量VS、从借助超声测量装置3所检测到的超声衰减以及从流体温度T以计算方式确定热流WS。于是可以确定当前热流WS的数值、诸如瓦特值，和/或通过时间积分确定所传输的热能的相关的累积的数值、诸如kWh值，并且必要时在装置1的与控制单元连接的显示器上输出。
在当前示例中，控制单元被设立用于借助超声流量测量方法、尤其借助超声传播时间测量来确定体积流量VS。此外，控制单元被设立用于在时间上彼此分开的测量阶段中执行体积流量VS的确定和超声衰减α的确定。为此，控制单元被设立用于交替地操控这两个超声换能器31、32以发出第一超声信号US1并且以接收通过传热流体FL被衰减的超声信号。然后借助控制单元可以从所测量到的超声衰减值和超声传播时间确定传热流体FL、尤其水/乙二醇混合物的混合比R以及用于计算体积流量VS的平均流动速度。
图2示出作为借助根据本发明的用于确定水/乙二醇混合物的混合比R的方法的组件的热流测量装置10的示例。与先前的根据本发明的空间分布的根据图1的装置1相比，在图2的示例中用于热流测量的所有基本部件EL、AL、2’、30、MC、11、12紧凑地安置在热流测量装置10的壳体G中。所示出的热流测量装置10具有布置在壳体G上的进入口EL以及布置在那里的排出口AL，用于可能连接例如加热系统的管道2或软管。在进入口和排出口EL、AL之间在没有进一步流入和流出的情况下布置有测量管道2’，在所述测量管道中布置或构成有测量段MESS。
传热流体FL在图2的示例中作为例如来自加热系统的所谓的始流从左边流经上面的管路段2穿过热流测量装置10并且进一步流动至两个热交换器41、42。用WS1、WS2表示从两个热交换器41、42发出的子热流，所述子热流总共产生要测量的总热流WS。在图2的下面部分中可看出所谓的回流。被冷却的传热流体FL从右向左又流回至示例性的加热系统。加热回路闭合。
所示出的热流测量装置10具有第一温度测量输入端11，用于连接用于测量第一外部温度T1、这里始流温度的第一外部温度传感器61。此外，所述热流测量装置10具有第二温度测量输入端12，用于连接用于测量第二外部温度T2、这里回流温度的第二外部温度传感器52。这两个外部温度传感器61、62、诸如PT100优选地直接被施加到管道2或管路段的外侧上。一个或两个温度传感器61、62可以利用其相应的馈线已经固定地与相应的温度测量输入端11、12连接或已经利用其馈线紧密地被引导通过热流测量装置10的壳体G。在壳体G中可选地布置有布置在入口EL与出口AL之间的区域中的流体温度传感器50，用于测量流体温度T。
此外，在壳体G中已经布置有超声测量装置30，该超声测量装置被设立用于测量流经测量段MESS的流体FL的体积流量VS以及用于确定通过测量段MESS中的流体FL的超声衰减α。超声测量装置30在其功能上对应于在图1中所描述的用于在时间上彼此分开的测量阶段中确定体积流量VS和超声衰减α的超声测量装置3。在输出侧，超声测量装置30将所测量到的超声衰减α和所测量到的平均流动速度vM提供给热流测量装置10的构成为微控制器的控制单元MC用于测量技术评估。
控制单元MC现在被设立用于从优选地在所测量到的第一和第二外部温度T1、T2（始流温度、回流温度）之间的温差差ΔT、从作为在控制单元MC中存放的流动横截面A与平均流动速度vM的乘积的体积流量VS、从超声衰减α并且从流体温度T确定热流WS并且在热流测量装置10处、例如在显示器上输出热流WS的当前值和/或由此导出的变量、尤其累积的热能的计数器值WZ和/或体积流量VS的当前值。附加地，可以通过控制单元MC以计算方式基于所测量到的超声衰减α并且从流体温度T确定传热流体FL、尤其水/乙二醇混合物H2O、GLY的混合比R，并且例如可以在显示器上以百分比值的形式输出。热流WS、体积流量VS、混合比R以及累积的热能的计数器值WZ的先前所提到的值也可以经由所示出的热流测量装置10的接口BUS输出。
在控制单元MC中或在微控制器中存放的数据表TAB或数学函数用于以计算方式确定混合比R，所述数据表或数学函数分别将超声衰减α和流体温度T映射为尤其水/乙二醇混合物FL的混合比R。
此外，在控制单元MC中存放的数据表TAB或数学函数用于以计算方式确定传热流体FL、尤其水/乙二醇混合物H2O、GLY的密度ρ和比热cP的值，所述数据表TAB或数学函数分别将所确定的混合比R和所测量到的流体温度T映射为传热流体FL、尤其水/乙二醇混合物的要确定的密度ρ和比热cP。
最后，在控制单元MC中的数据表TAB或数学函数用于以计算方式确定所测量到的平均流动速度vM的补偿因数K的当前值，所述数据表TAB或数学函数分别将所测量到的平均流动速度vM、流体温度T和混合比R映射为实际平均流动速度与所测量到的平均流动速度vM的商。
此外，在图2的示例中，可以看到可调节的流量阀20，所述流量阀除了热流测量装置10之外附加地具有优选地容纳在壳体G中的阀单元13。阀单元13在没有流入和流出的情况下与测量段MESS串联地布置，使得相同的体积流量VS流经测量段MESS和阀单元13。替代地，阀单元13可以作为壳体G之外的单独的组件在没有中间的流入和流出的情况下相对于测量段MESS布置在下游或在上游。阀单元13可以借助控制单元MC来操控，至少间接地用于设定体积流量VS的期望值。可调节的流量阀20典型地被设立用于将热流WS调节到例如经由可调节的流量阀20的总线接口BUS所接收的期望值。
图3示出示例性的图表，所述图表示出在以水/乙二醇混合物为例的超声衰减、流体温度与水/乙二醇混合物的混合比之间的关系。可识别出，超声衰减α一方面随着混合比R增大、即随着乙二醇的浓度增大、以0%（纯水）、20%和40%的三个浓度值为例而同样增大。另一方面，可识别出，超声衰减α随着流体温度T提高而减小。注意：所示出的根据图3的特性曲线（这里以（单）乙二醇为例）与作为另一常用的乙二醇防冻剂的丙二醇的特性曲线略微不同。乙二醇防冻剂的选择例如可以手动地在热流测量装置10处或在可调节的流量阀30处输入或从该流量阀经由总线接口BUS读入。
热流测量装置10或可调节的流量阀30的控制单元MC也可以被设立用于除了混合比R之外也确定所使用的乙二醇防冻剂的类型、即（单）乙二醇或丙二醇。在此情况下，基于例如来自针对具有不同的混合比的水/（单）乙二醇混合物和水/丙二醇混合物、在不同的流体温度的情况下和在针对辐射到测量段中的超声信号使用不同的发送频率的情况下的先前进行的参考测量序列的与频率相关的比较衰减值进行确定。超声信号例如可以在两个或更多频率的情况下、诸如在1 MHz、1.5 MHz或2 MHz的情况下被辐射到测量段中。先前所描述的数据表或数学函数于是可以被扩展这些附加的发送频率。通过将与频率相关的比较衰减值与所存放的数据表或数学函数的值进行比较，于是要选择的乙二醇防冻剂的确定是可能的。
附图标记列表
1 用于测量热流的装置
2 管路段、管道段
2’ 测量管道、另一管路段
3 第二构件、超声测量装置
4、41、42 热交换器、加热体
10 热流测量装置
11 第一温度测量输入端
12 第二温度测量输入端
13 阀、可设定的阀
20 可调节的流量阀、智能阀
30 超声测量装置
31 第一超声换能器
32、32’ 第二超声换能器
50 流体温度传感器
51 第一温度传感器
52 第二温度传感器
61 第一外部温度传感器
62 第二外部温度传感器
A 流动横截面
AL 出口、排出口
AUS 出口位置
BUS 总线连接
cP 比热
EIN 入口位置
EL 入口、进入口
FL 流体、混合物
G 壳体
GLY 乙二醇
H2O 水
L 测量距离
MC 微控制器
MESS 测量段
RFL 反射器
T 流体温度
T1 入口温度
T2 出口温度
TAB 数据表、电子数据表
US1 第一超声信号
US2 第二超声信号
v 实际平均流动速度
vM 以测量技术的方式所确定的流动速度
VS 体积流量
WS 热流
WS1、WS2 子热流
WZ 计数器读数、热计数器读数
α 超声衰减
β 测量角度、锐角
ρ 密度
△T 温度差
Claims (16)
1.一种用于确定流体（FL）的混合比R的方法，其中所述流体（FL）是由至少两种不同的流体（H2O，GLY）构成的混合物并且针对设备或系统中的技术过程而设置，所述方法包括如下步骤：
- 沿着测量距离（L）以发送水平辐射超声信号（US1），其中所述测量距离（L）在测量段（MESS）之内伸展，
- 在所述测量距离（L）的末端处测量所述超声信号（US1）的接收水平，
- 尤其从所述超声信号（US1）的发送水平和接收水平确定通过所述流体（FL）被衰减的超声信号的超声衰减（α），
- 测量流经所述测量段（MESS）的流体（FL）的流体温度（T），以及
- 从所确定的超声衰减（α）并且从所测量到的流体温度（T）确定所述混合物（FL）的至少两种不同的流体（H2O，GLY）的混合比R。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述混合物（FL）绝大部分地由水（H2O）以及由防冻剂、尤其由乙二醇（GLY）、优选地由（单）乙二醇和/或丙二醇构成。
3.根据权利要求2所述的方法，其中借助数据表（TAB）或数学函数确定所述混合比R的当前值，所述数据表或所述数学函数分别将所述超声衰减（α）和所述流体温度（T）映射为所述混合比R、尤其水/乙二醇混合物FL的混合比R。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
- 其中在所述测量距离（L）的开端和末端之间沿着所述测量距离（L）辐射第一超声信号（US1）并且沿着所述测量距离（L）在相反方向上辐射第二超声信号（US2），
- 其中从所述两个超声信号（US1，US2）的相应的发送和接收水平确定第一和第二超声衰减，以及
- 其中从所述第一和第二超声衰减的平均值确定所述超声衰减（α）。
5.一种用于确定从传热流体（FL）发出的热流（WS）的方法，其中所述流体（FL）包括由至少两种不同的流体（H2O，GLY）构成的混合物，其中所述流体（FL）从入口位置（EIN）流经以所述流体（FL）填满的测量段（MESS）至出口位置（AUS），其中所述流体（FL）在所述入口位置（EIN）处具有入口温度（T1）、尤其始流温度，并且在所述出口位置（AUS）处具有由于从所述流体（FL）发出的热流（WS）而更低的出口温度（T2）、尤其回流温度，其中所述方法包括如下步骤：
- 检测在所述入口温度和出口位置（T1，T2）之间的温度差（△T），
- 测量在所述入口位置和出口位置（EIN，AUS）之间流动的流体（FL）的体积流量（VS），
- 按照根据上述权利要求中任一项所述的方法确定所述混合物（FL）的至少两种不同的流体（H2O，GLY）的混合比R，
- 从所述传热流体（FL）的所测量到的流体温度（T）和所确定的混合比R确定所述传热流体（FL）的密度（ρ）和比热（cP），和
- 从所测量到的体积流量（VS）、所测量到的温度差△T、所确定的密度（ρ）和所确定的比热（cP）的乘积确定从所述流体（FL）发出的热流（WS）。
6.根据权利要求5所述的方法，其中借助超声流量测量方法来确定所述体积流量（VS）以及其中在时间上彼此分开的测量阶段中进行所述体积流量（VS）的确定以及所述超声衰减（α）的确定。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其中所述传热流体（FL）、尤其水/乙二醇混合的密度（ρ）和比热（cP）的当前值借助数据表（TAB）或数学函数来确定，所述数据表或所述数学函数分别将所确定的混合比R和所测量到的流体温度（T）映射为所述传热流体（FL）的要确定的密度（ρ）和比热（cP）。
8.根据权利要求5、6或7所述的方法，
- 其中借助超声传播时间差方法来测量流经所述测量段（MESS）的预给定的流动横截面（A）的流体（FL）的流动速度（vM），
- 其中从所述传热流体（FL）的所确定的混合比R和所测量到的流体温度（T）确定针对所测量到的平均流动速度（vM）的补偿因数（K），以及
- 其中从流动测量横截面（A）、所测量到的流动速度（vM）和补偿因数（K）的乘积确定所述体积流量（VS）。
9.根据权利要求8所述的方法，其中借助数据表（TAB）或数学函数来确定针对所测量到的平均流动速度（vM）的当前补偿值K，所述数据表或数学函数分别将所测量到的平均流动速度（vM）、流体温度（T）和混合比R映射为实际平均流动速度（v）与所测量到的平均流动速度（vM）的商。
10.一种用于测量热流（WS）的装置，用于实施根据上述权利要求5至9中任一项所述的方法，所述装置具有：
- 用于检测在入口温度（T1）与出口温度（T1，T2）之间、尤其在始流温度与回流温度之间的温度差（△T）的第一构件（51，52），
- 用于测量流经所述测量段（MESS）的流体（FL）的体积流量（VS）的第二构件（31，32），
- 用于确定通过所述测量段（MESS）的所述流体（FL）的超声衰减（α）的第三构件（31，32），
- 用于检测流经所述测量段（MESS）的流体（FL）的流体温度（T）的第四构件（50），和
- 控制单元（MC），所述控制单元与所述第一、第二、第三和第四构件（31，32，51，52，50）连接并且所述控制单元被设立用于从所述温度差（△T）、从所述体积流量（VS）、从所述超声衰减（α）并且从所述流体温度（T）确定并且必要时输出所述热流（WS）。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述第一构件（51，52）包括第一温度传感器（51）和第二温度传感器（52），并且其中所述第一温度传感器（51）被布置用于检测在所述入口位置（EIN）处的入口温度（T1）并且所述第二温度传感器（52）被布置用于检测在所述出口位置（AUS）处的出口温度（T2）。
12.根据权利要求11所述的装置（1），其中所述第四构件（50）通过所述第一构件（51，52）的所述第一温度传感器（51）和/或所述第二温度传感器（52）形成，并且其中所述控制单元（MC）被设立用于从所检测到的入口温度（T1）和/或从所检测到的出口温度（T2）导出所述流体温度（T）。
13.一种用于热流测量的热流测量装置（10），尤其热能计数器，用于实施根据上述权利要求5至9中任一项所述的方法，所述热流测量装置具有：
- 壳体（G），
- 容纳在所述壳体（G）中的管路段（2’）、尤其测量管道，
- 布置在所述壳体（G）上的用于所述管路段（2’）的入口和出口（EL，AL），其中所述流体（FL）被设置用于流经所述管路段（2）之内的测量段（MESS），
- 第一温度测量输入端（11），用于连接用于测量第一外部温度（T1）、尤其始流温度的第一外部温度传感器（61），和/或
- 第二温度测量输入端（12），用于连接用于测量第二外部温度（T2）、尤其回流温度的第二外部温度传感器（52），和/或
- 布置在所述壳体（G）中在所述入口（EL）与所述出口（AL）之间的区域中的流体温度传感器（50），用于测量流体温度（T），
- 用于测量流经所述测量段（MESS）的流体（FL）的体积流量（VS）的第二构件（31，32），
- 用于确定通过所述测量段（MESS）中的所述流体（FL）的超声衰减（α）的第三构件（51，52），和
- 控制单元（MC），所述控制单元与所述第一和/或第二温度测量输入端（11，12）和/或与所述流体温度传感器（50）以及与所述第二和第三构件（31，32，51，52）连接，并且所述控制单元被设立用于从可选地在所述第一和第二外部温度（T1，T2）之间或在所述流体温度（T）与所述第二外部温度（T2）之间或在所述第一外部温度（T1）与所述流体温度（T）之间的温度差（△T）、以及从所述体积流量（VS）、从所述超声衰减（α）并且从所述流体温度（T）确定热流（WS）并且在所述热流测量装置（10）处和/或在所述热流测量装置（10）的数据接口（BUS）处输出所述热流（WS）的当前值和/或由此导出的变量、尤其累积的热能的计数器值。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的设备，
- 其中所述第二和第三构件（31，32）具有至少一个超声测量装置（30），所述超声测量装置具有第一和第二超声换能器（31，32），
- 其中所述第一超声换能器（31）被布置和定向用于在所述测量距离（L）的开端处并且沿着所述测量距离（L）辐射第一超声信号（US1），其中所述第二超声换能器（32）被布置和定向用于在所述测量距离（L）的末端处接收所述第一超声信号（US1），和/或
- 其中所述第二超声换能器（31）被布置和定向用于在所述测量距离（L）的末端处并且沿着所述测量距离（L）在相反方向上辐射第二超声信号（US2），其中所述第一超声换能器（31）被布置和定向用于在所述测量距离（L）的开端处接收所述第二超声信号（US2），
- 其中所述测量距离（L）在所述测量段（MESS）之内相对于所述流体（FL）的流动方向或与所述流动方向相反地成锐角（β）地伸展，
- 其中所述控制单元（MC）以信号技术和/或数据技术的方式与所述第一超声换能器（31）并且与所述第二超声换能器（32）连接，以及
- 其中所述控制单元（MC）被设立用于交替地操控所述第一和第二超声换能器（31，32）以辐射和接收相应的超声信号（US1，US2）以便在分别在时间上彼此不同的测量阶段中确定平均流动速度（vM）以及确定超声衰减（α）。
15.根据上述权利要求10至14中任一项所述的方法，其中所述控制单元（MC）具有非易失性存储器，所述控制单元（MC）能够以数据技术的方式访问所述非易失性存储器，以及
- 其中在所述非易失性存储器中存放有用于确定所述混合比R的当前值的数据表（TAB）或数学函数，所述数据表或数学函数分别将所述超声衰减（α）和所述流体温度（T）映射为尤其水/乙二醇混合物（FL）的混合比R，和/或
- 其中在所述非易失性存储器中存放有用于确定密度（ρ）和比热（cP）的当前值的数据表（TAB）或数学函数，所述数据表或数学函数分别将所确定的混合比R和所测量到的流体温度（T）映射为尤其水/乙二醇混合物（FL）的要确定的密度（ρ）和比热（cP），和/或
- 其中在所述非易失性存储器中存放有用于确定针对所测量到的平均流动速度（vM）的当前补偿值K的数据表或数学函数，所述数据表或数学函数分别将所测量到的平均流动速度（vM）、流体温度（T）和混合比R映射为实际平均流动速度（v）与所测量到的平均流动速度（vM）的商。
16.一种可调节的流量阀（20），尤其智能阀，具有根据上述权利要求13至15中任一项所述的热流测量装置（10），具有借助所述控制单元（MC）可操控的、优选地容纳在所述壳体（G）中的阀单元（13），用于设定流经所述阀单元（13）和流经所述测量段（MESS）的相同的体积流量（VS）。
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