DE10050262B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit, mit der ein Fluid in einer Hauptströmungsrichtung strömt - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der Leistung einer Wärme- und/oder Kälteanlage, wobei ein Fluid in einer Rohrleitung mit bekanntem Querschnitt in einer Hauptströmungsrichtung strömt, wobei
– an einer ersten Temperaturmeßstelle ein charakteristisches Temperaturprofil des in der Hauptströmungsrichtung strömenden Fluids erfaßt und
– die Zeit ermittelt wird, bis das charakteristische Temperaturprofil eine der ersten Temperaturmeßstelle in der Hauptströmungsrichtung in vordefiniertem Abstand nachgeordnete zweite Temperaturmeßstelle passiert,
– aus dieser ermittelten Zeit und dem Abstand der ersten und zweiten Temperaturmeßstelle die Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Volumenstrom und/oder der Massenstrom in der Hauptströmungsrichtung bestimmt wird und wobei
– an einer dritten Temperaturmeßstelle die Temperatur des Fluids erfaßt und zur Bestimmung der Leistung, die zwischen der ersten und/oder zweiten Temperaturmeßstelle und der dritten Temperaturmeßstelle aufgenommen oder abgegeben wurde, mit den an der ersten und/oder zweiten Temperaturmeßstelle erfaßten Temperaturen korreliert wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit, mit der ein Fluid in einer Hauptströmungsrichtung strömt, insbesondere zwecks Durchflußmengenmessung.
• Dabei wird unter dem Begriff "Hauptströmungsrichtung" der z.B. durch eine Rohrleitung vorgegebene Weg verstanden, auf dem sich ein Fluid effektiv fortbewegen kann, im Unterschied zu den durch Turbulenzen in der Strömung entstehenden Strömungsrichtungen. Es interessiert hier also nicht die Bewegung einzelner Fluidteilchen, sondern die Fortbewegung eines Fluidvolumens, insbesondere zur Durchflußmengenmessung.
• Zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit und damit – bei bekanntem Durchflußquerschnitt – der Durchflußmenge eines beispielsweise in einem Kreislauf, wie z.B. einem Heizwasser-, Kühlwasser-, Kälte- oder Dampfkreislauf, oder einem in sich nicht-geschlossenen Leitungssystem z.B. von einem Reservoir zu einem Verbraucher strömenden Fiuids sind unterschiedlichste Verfahren und Systeme bekannt, z.B. in Form von Volumenzählern (z.B. Ringkammerzähler), Durchflußmessern (z.B. Schwebkörper oder Turbinenradzähler), Ultraschallverfahren (Ausnutzung des Dopplereffektes), induktiven Meßverfahren und Massenstrommeßgeräten (z.B. auf Basis der Corioliskraft).
• Bei diesen Verfahren und Systemen wird durch einen entsprechenden Sensor die durchfließende Menge gezählt, ermittelt oder erfaßt. Diese primäre Meßgröße wird dann über ein nachfolgendes mechanisches oder elektronisches Rechenwerk auf Basis der festgestellten Impulse oder Auslenkungen bzw. Zeitverzögerungen in einer physikalische Einheit wie m/s; kg/s oder m³/s angezeigt.
• Diese Verfahren und Systeme sind im allgemeinen eichfähig und stellen im heutigen Meßwesen übliche Anwendungen dar. Eine weit verbreitete und kostengünstige Ausführungsform sind die zur Kaltwasserzählung im Haushaltsbereich eingesetzten Einstrahl- oder Mehrstrahl-Flügelrad-Wasserzähler. Solche Zähler haben sich seit langem bewährt und werden in großen Stückzahlen gebaut. Sie besitzen in der Regel mechanische, meist aus Kunststoff hergestellte Rechenwerke.
• Sollen solche Zähler zur Messung im Warmwasserstrom verwendet werden, so stellt dies aufgrund der Besonderheiten der Wärmeausdehnung höhere Anforderungen an die technische Ausführung. Entsprechende Zähler sind daher meist etwa um den Faktor 10 teurer als vergleichbare Kaltwasserzähler. Noch einmal deutlich teurer sind zur Erfassung der Wärmemenge geeignete Zähler, die die gemessene Fluidmenge mit der Temperaturdifferenz des ein- und austretenden Mediums koppeln. Aus Kostengründen wird die Wärmemenge daher zumindest im Haushaltsbereich meist noch mit den relativ ungenauen und leicht von außen beeinflußbaren Verdunsterröhrchen ermittelt.
• Die genannten Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit weisen aufgrund der üblichen Bautoleranzen und der physikalischen Gegebenheiten der Sensoren üblicherweise Meßfehler zwischen 2 und 5 % auf. Über die Temperaturmessung kommt noch ein weiter Meßfehler hinzu, der den Gesamtfehler vergrößert. Bei den Wärmemengenzählern wird die abgegebene oder (bei Kühlkreisläufen) aufgenommene Wärmemenge nicht kontinuierlich gemessen. Vielmehr wird in mehr oder weniger großen Intervallen die Temperatur erfaßt, so daß die Wärmemenge nicht kontinuierlich gemessen wird. Lediglich die auf Basis der Corioliskraft arbeitenden Massenstrommesser besitzen einen kontinuierlichen Auswertemechanismus, der verzögerungsfrei die augenblickliche Geschwindigkeit in kg/s und damit ebenfalls exakte Wärmemengenmessung ermöglicht. Allerdings sind entsprechende Massenstromzähler verhältnismäßig teuer, so daß sie keine breite Anwendung finden.
• Aus der DE 196 23 323 A1 ist ein thermischer Durchflußsensor bekannt, bei dem mittels eines in den Fluidstrom eingebrachten Heizgitters aus Metalldraht dem vorbeiströmenden Fluid ein rechteckiges der sinusförmiges Temperatursignal aufmoduliert wird, das von dem Fluidstrom transportiert und an einer anderen Stelle mittels eines Temperatursensors empfangen wird. Aus der Laufzeit des Signals werden dann Rückschlüsse auf die Durchflußmenge gezogen. Dieser Sensor hat allerdings aufgrund der thermischen Trägheit eine begrenzte Auflösung. Gemäß den Angaben in der DE 196 23 323 A1 ergibt sich bei einer typischen Modulationsfrequenz von 1 Hz bei einer verhältnismäßig geringen Strömungsgeschwindigkeit von nur 0,2 m/s eine Auflösung von gerade 1 %. Für höhere Strömungsgeschwindigkeiten scheint ein solcher Sensor daher ungeeignet zu sein, und für entzündliche Fluide wie z.B. Erdgas scheidet ein aktiv beheizter Sensor aus Sicherheitsgründen ohnehin aus. Da das Heizgitter zur Gewährleistung einer guten Wärmeübertragung auf das Medium derart in den Fluidstrom eingebracht werden muß, daß es den Fluidstrom notwendigerweise behindert, eignet sich dieser Sensor zur Messung in zähflüssigen oder größere Partikel enthaltenden Fluiden nur bedingt.
• Im "Handbuch der industriellen Meßtechnik" (Hrsg.: Profos, Paul; R. Oldenbourg Verlag, München, Wien: 1992, S. 729 – 732) ist beiläufig die Möglichkeit der Verwendung des strömungseigenen Temperaturprofils für ein Korrelationsmeßverfahren erwähnt, allerdings findet der Fachmann keinerlei Hinweis auf eine mögliche Realisierung des Verfahrens. Insbesondere findet sich kein Hinweis, wie mit einem solchen Verfahren die Leistung einer Wärme- und/oder Kälteanlage erfolgen könnte.
• In den Druckschriften DE 198 58 388 A1 und DE 44 27 554 A1 werden Verfahren beschrieben, um einem strömenden Fluid ein Temperaturprofil aufzuprägen, daß dann für Korrelationsmessungen verwendet werden kann. Das Aufprägen ist jedoch relativ aufwendig und daher für einen Gebrauch z.B. im Haushaltsbereich unpraktikabel und kostspielig.
• Die Wärmeabgabe eines Heizkörpers wird bisher üblicherweise durch relativ ungenaue Meßverfahren, beispielsweise durch die Verwendung von Kondensröhrchen, deren Flüssigkeitsstand auf die abgegebene Heizleistung schließen lassen soll, auf grobe Weise abgeschätzt.
• Eine Bestimmung der Leistung des Kühlkreislaufs bei Kühlanlagen ("Kälteleistung") ist bis heute insbesondere aus Kostengründen meist gar nicht vorgesehen, da die bekannten Verfahren zur Messung der Kälteleistung aufwendige Versuchsaufbauten, bei denen der Kältemittelkreislauf geöffnet werden muß, und umfangreiche Berechnungen nach Messungen von Temperaturen und Drücken, Luftfeuchtigkeiten usw. erfordern. Zur Überwachung des Wirkungsgrades und der Funktion einer Kühlanlage ist eine Messung der Kälteleistung aber wünschenswert, auch vor dem Hintergrund der Gewährleistung einer effizienten Energienutzung.
• Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Leistung einer Wärme- und/oder Kälteanlage, bei der ein Fluid in einer Rohrleitung mit bekanntem Querschnitt in einer Hauptströmungsrichtung strömt, anzugeben, die bei beliebigen, insbesondere auch entzündlichen Fluiden einsetz- bzw. anwendbar sind, die sehr genau und sehr zuverlässig arbeiten, so daß sie auch zur Verbrauchsmessung zwecks Erstellung von Abrechnungen geeignet sind und die mit einfachen Mitteln zu realisieren sind.
• Die Aufgabe wird zum einen gelöst von einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
• Dabei wird unter dem Begriff "Temperaturprofil" die zeitliche und/oder räumliche (insbesondere entlang der Hauptströmungsrichtung) Verteilung der Temperatur im Fluid verstanden. Es sei an dieser Stelle betont, daß dazu an der ersten und zweiten Temperaturmeßstelle jeweils auch einzelne Temperaturwerte erfaßt und unter Zuordnung eines Identifizierungswertes, z.B. der Zeit, zu dem die jeweilige Temperatur erfaßt wurde, zwischengespeichert und/oder einer Auswerteeinrichtung zugeführt werden können, wobei insbesondere vorgesehen sein kann, daß die an der zweiten Temperaturmeßstelle erfaßten Temperaturen erst dann einer näheren Betrachtung unterzogen werden, wenn eine Temperatur auftritt, die zuvor an der ersten Temperaturmeßstelle gemessen wurde. Auf diese Weise gestaltet sich die Auswertung besonders einfach, worauf im nachfolgenden noch eingegangen wird.
• Die Erfindung basiert auf der überraschenden Erkenntnis, daß selbst bei gleichmäßig homogenen Fluiden jeder Fluidstrom geringen, jedoch leicht meßbaren Temperaturschwankungen unterliegt, die ein charakteristisches Temperaturprofil ergeben, das sich praktisch unabhängig von der Art des Fluids und der Art der Strömung (laminar/turbulent) mit der Strömungsgeschwindigkeit in der Haupströmungsrichtung ausbreitet. Jede Temperaturschwankung innerhalb eines definierten Zeitraums ist dabei nach den bisherigen Forschungen der Anmelderin ein Unikat vergleichbar einem Fingerabdruck.
• Ein einmal erfaßtes Temperaturprofil kann insbesondere in einer Rohrleitung problemlos über eine längere Strecke verfolgt werden, selbst wenn turbulente Strömungsverhältnisse in einer Leitung herrschen, denn in den Turbulenzen bilden sich eng umrissene Grenzschichten aus. Da die Fluidteilchen unterschiedlicher Grenzschichten sich praktisch nicht vermischen, werden die Temperaturprofile mit dem Fluid ungestört fortbewegt.
• Die Temperaturschwankungen können je nach Einsatzfall im Bereich von einigen °C bis zu wenigen Zehntel bzw. Hundertstel °C liegen.
• Die Erfindung hat eine ganze Reihe großer Vorteile. So kann zur Durchführung des Verfahrens auf Temperaturfühler üblicher Bauart zurückgegriffen werden, die technisch sehr ausgereift sind, praktisch wartungsfrei arbeiten und trotz relativ geringer Kosten eine hohe Lebensdauer besitzen. Zudem sind die Temperaturfühler kalibrier- und eichbar, so daß ein mit ihrer Hilfe durchgeführtes Verfahren auch zur abrechnungsrelevanten Verbrauchsmessung geeignet ist.
• Zur Messung der Zeit, bis ein bestimmtes Temperaturprofil eine der ersten Temperaturmeßstelle in der Hauptströmungsrichtung in vordefiniertem Abstand nachgeordnete zweite Temperaturmeßstelle passiert, werden an der zweiten Stelle in einer dem jeweiligen Anwendungsfall optimal angepaßten, mit der Art, in der das Temperaturprofil an der ersten Meßstelle erfaßt wurde, nicht-notwendigerweise identischen Weise Temperaturprofile erfaßt und mit dem an der ersten Temperaturmeßstelle bestimmten Temperaturprofil verglichen. Sind die Profile innerhalb vorgebbarer Toleranzen identisch, wird die Laufzeit des Profils von der ersten bis zur zweiten Temperaturmeßstelle bestimmt, so daß sie einer weiteren Auswertung zugeleitet werden kann.
• Bevorzugt wird dann aus der gemessenen Zeit, bis das Temperaturprofil die zweite Temperaturmeßstelle passiert und dem Abstand der Temperaturmeßstellen automatisch die Strömungsgeschwindigkeit in der Hauptströmungsrichtung ermittelt und ausgegeben, wobei der Begriff "Ausgeben" im weitesten Sinne zu verstehen ist und insbesondere das Auslesen des Wertes in eine Speichereinrichtung, das Anzeigen des Wertes auf einer Anzeigeeinrichtung und die Weiterleitung des Wertes an eine Auswerteeinrichtung umfaßt.
• Im Regelfall wird das Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb einer Rohrleitung mit bekanntem Querschnitt angewandt werden, wobei das strömende Fluid den betrachteten Leitungsabschnitt komplett ausfüllt (anders als bei einem Kanalsystem, bei dem über dem Fluid noch ein Freiraum verbleibt). Daher kann aus dem Querschnitt und der Strömungsgeschwindigkeit der Massenstrom und/oder Volumenstrom des Fluids automatisch ermittelt und ausgegeben werden.
• Die Erfassung der Temperaturprofile kann auf unterschiedliche, dem jeweiligen Anwendungsfall optimal angepaßte Weisen erfolgen. So ist es z.B. möglich, an der ersten und/oder an der zweiten Meßstelle mehrere, in der Hauptströmungsrichtung verteilte Temperaturfühler vorzusehen, so daß unter Begriff "Meßstelle" nicht etwa ein infinitesimaler Punkt zu verstehen ist, sondern eine Meßstelle eine größere räumliche Ausdehnung besitzen kann. Die Temperaturfühler einer Temperaturmeßstelle können dann gleichzeitig oder in vordefinierten Zeitabständen Temperaturen erfassen, die zusammen das charakteristische Temperaturprofil bilden, dessen Ausbreitung zur Geschwindigkeitsmessung verfolgt wird.
• Eine besonders kostengünstig durchführbare Alternative zu vorgenannter Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß die Erfassung des Temperaturprofils an der ersten und/oder zweiten Meßstelle, bevorzugterweise an beiden Meßstellen, jeweils durch Erfassen zeitlich aufeinanderfolgender Temperaturen mittels jeweils eines einzigen Temperaturfühlers erfolgt. Damit werden zur Durchführung des Verfahrens nur zwei Temperaturfühler benötigt, und auch die Auswertung kann in besonders einfacher Weise erfolgen, so daß sich dieses Verfahren besonders für den Einsatz zur Verbrauchsmessung im Haushaltsbereich eignet.
• Wie bereits angedeutet, kann das erfindungsgemäße Verfahren auf vielfältige Weisen den jeweiligen Anwendungsfällen optimal angepaßt werden. So können die die Temperaturprofile bildenden Temperaturen kontinuierlich (analog) oder in diskreten, nicht-notwendigerweise gleichen Zeitabständen (analog oder digital) erfaßt werden. Der Fachmann kann vorteilhaft nach Gesichtspunkten wie z.B. Genauigkeit, Kosten einer Auswerteelektronik, Schnelligkeit der Auswertung, Einfachheit der Weiterverarbeitung etc. eine Durchführungsform wählen.
• Strömt das Fluid in einer Rohrleitung, so hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, die Temperaturprofile in oder nahe dem Mittelpunkt des Querschnitts der Rohrleitung zu erfassen, da sich die dort erfaßten Profile ohne größere Störungen auch über längere Strecken in der durch die Rohrleitung vorgegebenen Hauptströmungsrichtung ausbreiten.
• Da an einer dritten Temperaturmeßstelle die Temperatur des Fluids erfaßt wird, kann diese Temperatur mit einer an der ersten oder zweiten Temperaturmeßstelle erfaßten Temperatur korreliert werden, was vorteilhaft eine automatische Bestimmung der Änderung der thermischen Energie des Fluids erlaubt. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich daher hervorragend zur Verbrauchsmessung bei Heizungssystemen und erlaubt eine einfache, kontinuierliche und besonders genaue Bestimmung der tatsächlich abgegebenen Wärmemenge. Dazu werden zwei relativ nahe (der Abstand der beiden Meßstellen wird – je nach Strömungsgeschwindigkeit und Leitungsdurchmesser – typischerweise ein mehrfaches des Leitungsdurchmesser betragen, also z.B. bei Rohrleitungen mit einigen Zentimetern Durchmesser und Strömungsgeschwindigkeiten von 1 bis 2 m/s etwa 10 bis 30 cm) beieinanderliegende Meßstellen zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit, und zwei relativ weit auseinanderliegende Temperaturmeßstellen, von denen eine am Beginn der Strecke, entlang derer die Wärmeabgabe gemessen werden soll, also z.B. am Zulauf zu einem Heizkörper, und eine am Ende dieser Verbrauchsmeßstrecke, also z.B. am Ablauf aus einem Heizkörper, angeordnet ist, benötigt. Wo die Geschwindigkeitsmessung stattfindet, spielt dabei keine Rolle, ebensowenig wie die Frage, ob die von der ersten oder der zweiten Temperaturmeßstelle zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit erfaßten Temperaturen zur Wärmemengenverbrauchsmessung mit den von der dritten Temperaturmeßstelle erfaßten Temperaturen vergleichen werden. Auch ist es möglich, eine gesonderte vierte Temperaturmeßstelle zur Wärmemengenverbrauchsmessung vorzusehen. Die Geschwindigkeitsermittlung kann dann auch z.B. zwischen dem Zulauf und dem Ablauf zu einer Fußbodenheizung erfolgen.
• Die genannte Aufgabe wird zum anderen gelöst von einer nachfolgend auch als "System" bezeichneten Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7.
• Ein solches System zeichnet sich durch große Einfachheit und Zuverlässigkeit der Bauteile, seinen günstigen Herstellungspreis und seine universelle Einsetzbarkeit aus.
• Die Mittel zum Vergleichen der erfaßten Temperaturprofile und die Mittel zum Bestimmen der Laufzeit können als elektronische Bauteile ausgeführt und in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet werden.
• Da das System dritte Temperaturmeßmittel zum Erfassen der Temperatur des strömenden Fluids umfaßt, eignet es sich zur Erfassung der Änderung der thermischen Energie, insbesondere zur Erfassung der von einer fluiddurchströmten Heizung abgegebenen Wärmeenergie. Die von den dritten Temperaturmeßmitteln erfaßten Temperaturen können zwischengespeichert oder an "externe" Auswerteeinrichtungen weitergeleitet werden. Bei einer zweckmäßigen Weiterbildung ist jedoch vorgesehen, daß das System auch eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen von mittels der ersten oder zweiten Temperaturmeßmittel erfaßten Temperaturen mit von den dritten Temperaturmeßmitteln erfaßten Temperaturen und Ermitteln einer Temperaturdifferenz umfaßt, so daß zusammen mit der Strömungsgeschwindigkeit vor Ort der tatsächliche Wärmeverbrauch ermittelt und ggf. angezeigt werden kann.
• Bei einer vorteilhaften Ausführungsform eines solchen zur Wärmeverbrauchsmessung geeigneten Systems ist eine gegen Manipulationen gesicherte Speichereinrichtung zum Speichern von Temperaturdifferenzen und Laufzeiten bzw. aus den Laufzeiten ermittelten Strömungsgeschwindigkeiten vorgesehen, die z.B. per Funk oder "von Hand" ausgelesen werden kann.
• Die Temperaturmeßmittel können in unterschiedlicher Form ausgebildet sein. Als besonders vorteilhaft hat es sich jedoch erwiesen, Temperaturfühler einzusetzen, die sich durch ihre hohe Zuverlässigkeit bei praktischer Wartungsfreiheit und vergleichsweise geringen Herstellungskosten auszeichnen. Solche Temperaturfühler können problemlos derart ausgebildet werden, daß sie die Temperatur eines Fluids im Mittelpunkt des Querschnitts einer Rohrleitung erfassen können. Dies erlaubt es dann über entsprechende Kopplungsmittel auch, ein und dieselben Mittel zum Vergleichen der von den Temperaturfühlern erfaßten Temperaturen und zum Bestimmen der Laufzeit eines sich in Hauptströmungsrichtung fortpflanzenden Temperaturprofils insbesondere in Form einer Auswerteeinheit mit unterschiedlichen Temperaturfühler zu verwenden, so daß nicht für unterschiedliche Temperaturfühler unterschiedliche Auswerteeinheiten gefertigt werden müssen und eine besonders kostengünstige Fertigung entsprechender Auswerteeinheiten in großer Stückzahl möglich wird.
• Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden rein beispielhaften und nicht-beschränkenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung eines zur Erfassung des von einer Heizung abgegebenen Wärmemenge ausgebildeten Systems,
• 2 ein Diagramm, in dem der typische Verlauf der Temperatur über einen Zeitraum von etwa 10 Minuten in einem Kaltwasserkreislauf einer Turbo-Kältemaschine gezeigt ist, wobei die untere Linie die Temperatur des Kühlmittels beim Zulauf und die obere Linie die Temperatur des Kühlmittels beim Ablauf aus dem Kühlraum wiedergibt, und
• 3 den in 2 durch den Kreis A markierten Ausschnitt aus der die Temperatur des Kühlmittels beim Zulauf repräsentierenden Linie in vergrößertem Maßstab.
• In der 1 ist ein erfindungsgemäßes System darstellt, das zur Erfassung der von einem entsprechenden fluiden Medium, z.B. erhitztem Wasser, abgegeben Wärmemenge ausgebildet ist und drei Temperaturfühler 10, 12 und 14 und eine Auswerteeinheit 16 umfaßt. Die Temperaturfühler sind mit der Auswerteeinheit über entsprechende Datenleitungsmittel 18, 20 und 22 gekoppelt. Dabei sei an dieser Stelle betont, daß die Kopplung der Temperaturfühler mit der Auswerteeinheit nicht etwa, wie die Zeichnung implizieren mag, drahtgebunden zu erfolgen hat. Die Kopplung kann vielmehr vorteilhaft in beliebiger, dem jeweiligen Einsatzfall optimal angepaßter Weise erfolgen, also z.B. drahtlos über Infrarot oder Funk, über Lichtleiter oder durch auf eine etwaige Stromversorgungsleitung aufmodulierte Signale. Die Auswerteeinheit 16 ist ferner mit einer Anzeigeeinrichtung 24 gekoppelt, die z.B. in Form eines LCD-Displays ausgebildet sein kann.
• Die Temperaturfühler des Systems sind an unterschiedlichen Stellen entlang eines überwachten Abschnittes 26 einer hier nur abschnittsweise gezeigten Rohrleitung derart angebracht, daß ihre sensitive Zone ungefähr im Mittelpunkt des Querschnitts der Rohrleitung liegt.
• Die Auswerteeinheit 16 hat bei diesem Ausführungsbeispiel mehrere Funktionen: sie vergleicht die von den Temperaturfühlern 10 und 12 erfaßten Temperaturen daraufhin, ob zwei zeitlich versetzt erfaßte Temperaturprofile innerhalb vorgebbarer Grenzen als identisch anzusehen sind, hält dann die Laufzeit des Temperaturprofils vom Temperaturfühler 10 zum Temperaturfühler 12 fest und ermittelt aus der Laufzeit unter Berücksichtigung des bekannten Abstandes der beiden Temperaturfühler 10 und 12 zueinander und dem Querschnitt des Abschnittes 26 der Rohrleitung die Durchflußmenge. Ferner vergleicht sie die von dem Temperaturfühler 10 erfaßte Zulauftemperatur eines in Richtung 28 in der Rohrleitung strömenden Fluids mit der von dem Temperaturfühler 14 erfaßten Auslauftemperatur des in Richtung 30 aus dem betrachteten Abschnitt der Rohrleitung strömenden Fluids und ermittelt so die entlang des Abschnittes 26 von dem Fluid abgegebene Wärmemenge, wobei die Strömungsgeschwindigkeit, der Wärmeverbrauch, die Zulauf- und die Ablauftemperatur und/oder andere relevante Daten auf der Anzeigeeinrichtung 24 dargestellt werden können. Die Auswerteeinheit 16 verfügt ferner über einen nicht weiter gezeigten, vorzugsweise in einem Gehäuse mit der Auswerteeinheit angeordneten manipulationssicheren Speicher zur Speicherung der Verbrauchsdaten, der nur von autorisiertem Personal gelöscht werden kann.
• In der 2 ist der typische Verlauf der Temperatur über einen Zeitraum von etwa 10 Minuten in einem Kaltwasserkreislauf einer Turbo-Kältemaschine bei relativ grober Auflösung gezeigt, wobei die untere Linie die Temperatur des Kühlmittels beim Zulauf und die obere Linie die Temperatur des Kühlmittels beim Ablauf aus dem Kühlraum wiedergibt. Bereits bei dieser groben Auflösung ist zu erkennen, daß die Temperatur über die Zeit geringen Schwankungen unterliegt, die zu einem charakteristischen Temperaturprofil führen. In der 3 ist der in 2 durch den Kreis A markierte Ausschnitt bei größerer Auflösung gezeigt.
• Das charakteristische Temperaturprofil pflanzt sich mit der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids fort. Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf dieser überraschenden Erkenntnis und berechnet über die zeitliche Verschiebung des Profils auf einer definierten Meßstrecke – zum Beispiel 10 cm – die Strömungsgeschwindigkeit. Bei typischen Fluidgeschwindigkeiten in Rohrnetzen von 1 bis 2 m/s beträgt die Zeitdifferenz bis ein Temperaturprofil eine 10 cm lange Strecke von einem ersten Temperaturmeßpunkt zu einem zweiten Temperaturmeßpunkt zurückgelegt hat 50 bis 100 Millisekunden.
• Durch die Verwendung von kontinuierlich registrierenden Temperaturfühlern in den beiden Meßpunkten und einer Zeitkorrelation zwischen den Temperaturprofilen kann über eine Auswerteelektronik mit einfachsten elektronischen Bausteinen die exakte Zeitspanne in Millisekunden ermittelt und aus diesem Wert und der definierten Wegstrecke die Strömungsgeschwindigkeit berechnet werden.
• Bei Verwendung entsprechender Komponenten kann das Verfahren problemlos mit einer Genauigkeit von mehr als 99% arbeiten. Durch Kopplung mit einem dritten Temperaturfühler am Austritt des Verbrauchers kann über einfache mathematische Beziehungen nicht nur die Geschwindigkeiten in der Rohrleitung, sondern auch die exakte Wärmemengen, mit Genauigkeiten von über 99% gemessen werden.
• Das Verfahren ermöglicht es, mit geringstem Materialeinsatz eine hoch genaue Wärme- bzw. Kältemengenmeßeinrichtung zu realisieren. Mit diesem Verfahren wird es erstmals möglich, sowohl großdimensionierte Rohrleitungen als auch kleinste Leitungen im Heizungsbereich mit einem einheitlichen Gerät zu bestücken, bei dem nur die Fühlerlänge des Temperaturfühlers variiert. Die Auswerteelektronik kann für alle Dimensionen gleichbleiben.
• Diese Erfindung führt erstmals dazu, daß prinzipiell jeder einzelne Energieverbraucher exakt erfaßt werden kann. Die üblicherweise eingesetzten Verdunstungsröhrchen zur Ermittlung der abgegebenen Wärmemengen als Basis für die Kostenverteilung können somit durch preiswerte, weil als Massenware produzierbare exakte Meßeinrichtungen ersetzt werden.
• Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind zahlreiche Abwandlungen und Weiterbildungen möglich, die sich zum Beispiel auf die Art der Erfassung der Temperatur und die Auswertung der Temperaturen zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit beziehen. Erfindungswesentlich ist jedenfalls, daß die einem betrachteten Fluidstrom inhärenten Temperaturschwankungen zur Messung ausgenutzt werden, ohne daß der Fluidstrom in irgendeiner Weise moduliert werden müßte.
• Es sei an dieser Stelle betont, daß die Erfindung ein neues Verfahren zum Abrechnen des Wärmeverbrauchs impliziert, nämlich das Erfassen des Wärmeverbrauchs in der beschriebenen Weise und das Erstellen einer entsprechenden Abrechnung, das damit auch den leistungsbezogenen Verkauf von Wärmeenergie ermöglicht.

Claims (11)

1. Verfahren zur Bestimmung der Leistung einer Wärme- und/oder Kälteanlage, wobei ein Fluid in einer Rohrleitung mit bekanntem Querschnitt in einer Hauptströmungsrichtung strömt, wobei – an einer ersten Temperaturmeßstelle ein charakteristisches Temperaturprofil des in der Hauptströmungsrichtung strömenden Fluids erfaßt und – die Zeit ermittelt wird, bis das charakteristische Temperaturprofil eine der ersten Temperaturmeßstelle in der Hauptströmungsrichtung in vordefiniertem Abstand nachgeordnete zweite Temperaturmeßstelle passiert, – aus dieser ermittelten Zeit und dem Abstand der ersten und zweiten Temperaturmeßstelle die Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Volumenstrom und/oder der Massenstrom in der Hauptströmungsrichtung bestimmt wird und wobei – an einer dritten Temperaturmeßstelle die Temperatur des Fluids erfaßt und zur Bestimmung der Leistung, die zwischen der ersten und/oder zweiten Temperaturmeßstelle und der dritten Temperaturmeßstelle aufgenommen oder abgegeben wurde, mit den an der ersten und/oder zweiten Temperaturmeßstelle erfaßten Temperaturen korreliert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung des charakteristischen Temperaturprofils an der ersten und/oder an der zweiten Meßstelle jeweils durch gleichzeitiges Erfassen von Temperaturen mittels mehrerer, in der Hauptströmungsrichtung verteilter Temperaturfühler erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung des charakteristischen Temperaturprofils an der ersten und/oder zweiten Meßstelle jeweils durch Erfassen zeitlich aufeinanderfolgender Temperaturen mittels eines Temperaturfühlers erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturen kontinuierlich (analog) erfaßt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturen in diskreten Zeitabständen (analog oder digital) erfaßt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die charakteristischen Temperaturprofile in oder nahe dem Mittelpunkt des Querschnitts der Rohrleitung erfaßt werden.
7. Vorrichtung zur Bestimmung der Leistung einer Wärme- und/oder Kälteanlage, auf der Grundlage einer Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit, mit der ein Fluid in einer Rohrleitung mit bekanntem Querschnitt in einer Hauptströmungsrichtung strömt, umfassend: – erste und zweite Temperaturmeßmittel zum Erfassen eines charakteristischen Temperaturprofils des strömenden Fluids, – Mittel zum Vergleichen der von den ersten und zweiten Mitteln zum Erfassen von Temperaturprofilen erfaßten charakteristischen Temperaturprofile, – Mittel zum Bestimmen der Laufzeit eines sich in der Hauptströmungsrichtung fortpflanzenden charakteristischen Temperaturprofils von den ersten bis zu den zweiten Temperaturmeßmitteln, – dritte Temperaturmeßmittel zum Erfassen der Temperatur des strömenden Fluids und – eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen von mittels der ersten oder zweiten Temperaturmeßmittel erfaßten Temperaturen mit von den dritten Temperaturmeßmitteln erfaßten Temperaturen und Ermitteln einer Temperaturdifferenz.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Vergleichen der erfaßten charakteristischen Temperaturprofile und die Mittel zum Bestimmen der Laufzeit als elektronische Bauteile ausgeführt und in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine gegen Manipulationen gesicherte Speichereinrichtung zum Speichern von Temperaturdifferenzen und Laufzeiten bzw. aus den Laufzeiten ermittelten Strömungsgeschwindigkeiten vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten, zweiten und dritten Temperaturmeßmittel jeweils einen Temperaturfühler umfassen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturfühler derart ausgebildet sind, daß sie die Temperatur eines Fluids im Mittelpunkt des Querschnitts einer Rohrleitung erfassen können.