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Einrichtung zur exakten Messung und Verrechnung von Wärmemengen Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zur exakten Messung und Verrechnung von Wärmemengen,
die strömenden Plüssikeiten (Wärmeträgern) entzogen sind0 Die Einrichtung ist eichfähig
und es sollen Wärmemengen erfasst werden, die über die Flüssigkeit als Wärmeträger
in ein Heizungssystem eingespeist bzw. einem Kühlsystem entnommen werden0 Mengenzähler
für Flüssigkeiten sind an sich bekannt, Sie besitzen ein Flügel- oder Woltman-Rad,
dessen Drehzahl mengenproportional ist. Es ist auch bekannt, Temperaturen über temperaturabhängige
Widerstände zu messen0 Bekanntlich ist nun die abgegebene Wärmemenge W definiert
als Produkt aus der abgekühlten Flüssigkeitsmasse M (tons) und der Differenz der
gewichtsbezogenen Wärmeinhalte i (Mcal/tons) # w = M(@ - @ ) Die Nasse M ist das
Produkt aus ihren Volumen V(m3) und ihrer auf eine bestimmte Temperatur # bezogenen
Dichte
d(tons) m³ M = V # d, wobei d = f (#) (2) Somit wird die
Wärmemenge W = M # iW - M # ik (3) W = V(d w ° 1w - dk 4 ik) (4) Mit dem Gegenstand
der Erfindung sollen einmal die zur Wärmeabgabe herangezogenen Volumina und zum
anderen die Temperaturen vor und nach der Abkühlung gemessen werden0 Es wird also
benutzt, dass die Produkte aus dem Wärmeinhalt und den Dichten den entsprechenden
Temperaturen proportional sind, wobei kw und kk die Proportionalitätsfaktoren für
warmes und abgekühltes Wasser sind0 dW # iW = kw # #w (5) dk Oik = kk #k (6) Damit
wird aus G1. (4): W = V(kw . #w - kk . #k) (7) Die Faktoren k werden als Mittelwerte
für abgekühltes Wasser kkm und warmes Wasser kwm bei der Temperaturmessung berücksichtigt
oder gehen als Mittelwert aus kkm und kwm in die Volumenmessung ein, so dass in
jedem Fall eine exakte-Wärmemengenmessung entweder nach' (7) oder nach (8) vorgenommen
wird0 kkm + kwm W = V # 2 (#m - #k) # (8) Die Erfindung besteht darin, dass ein
im Flüssigkeitsstrom drehbares Rad mit einer lichtelektrisch abtastbaren Lochscheibe
versehen ist und die abgetssteten Impulse nach
Pormung und Verstärkung
einerseits einer Registriereinrichtung, einer Integrierstufe und einer Analoganzeige
für die Flüssigkeitsmenge und andererseits einer Multiplizierstufe in Form einer
Brückenschaltung zugeführt werden, die aus zwei Festwiderständen und zwei temperaturabhängigen
Widerständen besteht und deren dem Produkt aus Flüssigkeitsmenge und Temperaturdifferenz
proportionalen Diagonal spannung nach Verstärkung sowohl einer Integrierstufe als
auch einer Analoganzeige, einem Maximumzusatz und einem Registriergerät zugeführt
werden.
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Die Volumenbestimmung geschieht mit einem herkömmlichen Nengenzähler
für Flüssigkeiten mit Flügel- oder Woltman- oder sonstigem Rad mit Tochscheibe,
deren Drehzahl mengenproportional ist und die lichtelektrisch oder kapazitiv abgetastet
wird. Die Abtastvorrichtung liefert elektrische Impulse, deren Anzahl der durchgesetzten
Flüssigkeitsmenge und deren Frequenz der in der Zeiteinheit durchgesetzten FlüssiGkeitsmenge
proportional ist. Die Länge der gewonnenen Impulse ist drehzahlabhängisO Sie werden
deshalb in einer
auf konstante Länge gebracht.
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Die Temperaturen im Flüssigkeits-Vor- und Rücklauf werden über temperaturabhängige
Widerstände gemessen. Zur Wärmeleistun.-sbestimmung werden die aus dem Impulsformer
kommenden Impulse in einer aktiven Brückenschaltung mit der Temperaturdifferenz
multipliziert Am Ausgang der aktiven Brücke liegt eine der Wärmeleistung proportionale
elektrische Grösse (Strom oder Spannung)0
Die Integration der Wärmeleistung
über der Zeit geschieht, indem die der Wärmeleistung proportionale elektrische Grösse
entweder in einen herkömmlichen Messmotor bzw. Volt- oder Amperestundenzähler eingespeist
wird oder über einen Analogdigital-Umsetzer in Impulse zurückverwandelt wird, deren
Anzahl der durchgesetzten Wärmemenge proportional ist und die mit einem elektromagnetischen
Impulezähler summiert werden.
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Die Wärmeleistung kann angezeigt werden, indem der Ausgang der Brücke
neben der Verbindung zur Integrierschaltung eine solche zu einem anzeigenden elektrischen
Messgerät erhält.
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Dieses elektrische Messgerät kann auch mit einem Schleppzeiger zur
Anzeige des maximalen Momentanwertes ausgerüstet sein. Ferner ist der Anschluss
eines Gerätes möglich, das zur Anzeige von Mengen geeignet ist, die in Zeitintervallen
von einigen Minuten bis zu einer Stunde oder mehr in diesen Intervallen maximal
entnommen werden, also ein Gerät für Maximum-Tarife.
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Spezielle elektrische Ausgänge der Gerätekombination können das Registrieren
von Wärmeträgermenge, Temperaturdifferenz und Wärmeleistung ermöglichen.
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In der Zeichnung ist die erfindungsgemässe Einrichtung in einem Ausführungsbeispiel
dargestellt.
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Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild und Fig. 2 ein Wirkschaltbild.
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Ein in einem Flüssigkeitsstrom drehbares Flügelrad 10 ist auf seiner
Achse 11 mit einer Lochscheibe 12 versehen. Mit Hilfe einer Lichtquelle Ll und dem
photoelektrischen Bauelement FD1 werden Impulse abgetastet, die einer Impulsformerstufe
13, einer monostabilen Kippstufe 14 und einem Verstärker 15 zugeführt werden. Die
auf konstante Länge gebrachten Rechteckimpulse können an eine Registriereinrichtung
16, eine Integrierstufe 17 und eine Analoganzeige 18 für die Flüssigkeitsmenge weitergegeben
werden0 Gleichzeitig werden die auf konstante Länge gebrachten Rechteckimpulse in
einer aktiven Brückenschaltung 19 mit der gemessenen Temperaturdifferenz multipliziert.
Am Ausgang 20 der aktiven Brücke liegt dann eine der Wärmeleistung proportionale
elektrische Grösse (Strom oder Spannung)0 Die Integration der Wärmeleistung über
der Zeit erfolgt über einen Verstärker 21 in einer Integrierstufe 22e Es kann auch
ein Analogdigital-Umsetzer die der Wärmeleistung proportionale Grösse in Impulse
zurückverwandeln.
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Die Anzeige der Wärmeleistung kann auch in einem Messgerät 23 erreicht
werden, das über den Verstärker 21 mit dem Brückenausgang 20 verbunden ist. Zur
Anzeige des maximalen Momentanwertes kann das elektrische Messgerät 23 mit einem
Schleppzeiger versehen sein,
Ein weiteres Gerät 24 für Maximumtarife
und das Registrieren von Wärmemengen in einem Messgerät 25 kann vorgesehen sein.
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In der Fig. 2 ist die Wirkungsweise der Einrichtung im einzel. nen
erläutert, Die lichtelektrische Abtastvorrichtung arbeitet in der Form, dass durch
die von der Loch- oder Zahnscheibe 12 verursachten Beleuchtungsänderungen an der
Sotodiode PD 1 diese in leitenden oder nichtleitenden Zustand versetzen. Bei leitendem
Zustand der Photodiode FD 1 liegt der Punkt P 1 auf negativem Potential, Bei nichtleitendem
Zustand der Photodiode FD 1 liegt der Punkt P 1 auf dem Potential Null, Der Widerstand
R 1 und der Kondensator a 1 dienen zur Anpassung der Photodiode PD 1 an die Impulsformerstufe
13.
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Die Impulsformerstufe 13 ist in der Impulstechnik auch als Schmitt-Trigger
bekannt. Sie wird notwendig, weil die Plankensteilheit der Impulse aus der Photodiode
FD 1 drehzahlabhängig ist und sich somit nicht zum Ansteuern der monostabilen Kippstufe
14 eignet. Sie arbeitet wie folgt Beim Überschreiten einer bestimmten, hier durch
die beschriebene Abtastvorrichtung am Punkt P 1 bereitgestellten negativen Spannung,
liefert der Impulsformer 13 an seinem Ausgang einen Spannungssprung bzw. Impuls
so grosser Plankensteilheit, wie er zum Ansteuern der anschliessenden monostabilen
Kippstufe 14, auch als Monoflip bekannt, benötigt wird0
Das angewendete
Nessprinzip erfordert eine der durchgesetzten Flüssigkeitsmenge proportionale Anzahl
gleichlanger und gleichhoher Impulse. Gleiche Impulsdauer wird durch die monostabile
Kippstufe 14 und die gleiche Impulshöhe durch ein für alle Speise spannungen gegen
Netzspannungsschwankungen stabilisiertes Netzgerät gewährleistet.
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Die inonostabile Kippstufe 14 antwortet auf einen positiven Spannungssprung,
der sich bei Erscheinen der steilen Flanke eines Impulses aus der Impulsformerstufe
13 am Eingang der monostabilen Kippstufe 14 bzw. am Koppelkondensator C3 vom Impulsformer
13 zur Kippstufe 14 einstellt, mit einem Impuls definierter Länge am Ausgang. Die
Impulsdauer lässt sich durch Wechseln des Kondensators C5 oder Verstellen des Widerstandes
R8 verändern. Da der Gesamtbrückenwiderstand der Temperaturmessbrücke 19 einmal
zu niedrig ist, um direkt von der monostabilen Kippstufe 14 angesteuert zu werden,
wird die Verstärkerstufe 15 notwendig. Die ebenfalls in der Verstärkerstufe 15 enthaltene
Umkehrstufe dient zum anderen zur Phasenumkehr der aus der monostabilen Kippstufe
14 kommenden Impulse definierter Länge, die wiederum notwendig wird, weil der Ausgang
der-monostabilen Kippstufe 14 aus schaltungstechnischen Gründen phasenverkehrt ist.
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Die aus dem Leistungsverstärker 15 kommenden und nunmehr phasenrichtigen
und verstärkten in ihrer Anzahl der durchgesetzten Flüssigkeitsmenge proportionalen
Impulse defivierter
Länge und Höhe werden zum ersten einer Multiplizierstufe
19 in Form einer Brückenschaltung und zum anderen dem Messbuchsen MB 1 zum eventuellen
Anschluss folgender bekannter Geräte zugeführt: Registrierung der Wärmeträgermenge
16, Integration, der Wärmeträgermenge 17 und Analoganzeige der Wärmeträgermenge
I80 In der Brückenschaltung, bestehend aus den Festwiderständen R 18 und R 21, aus
den Stellwiderständen R 19 und R 22 zum Leitungsabgleich und den temperaturabhängigen
Widerständen R 20 und R 23, wird in bekannter Weise das Produkt aus Temperaturdifferenz
und Wärmeträgermenge gebildet und in Form einer Diagonal spannung zwischen den Punkten
P 2 und P 3 abgegriffen und dann vom Transistor 7 der Verstärkerstufe 21 verstärkt.
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Am Ausgang der Verstärkerstufe 21, also an dem Widerstand R 24 und
dem Glättungskondensator C 7, erscheint eine Gleichspannung, deren Höhe der durchgesetzten
Wärmemenge proportional ist0 Diese wird einer Integrierschaltung- und gegebenenfalls
folgenden bekannten Geräten zugeführt: Analoganzeige Wärmemenge (eventuell mit Schleppzeiger
zur Anzeige des maximalen Momentanwertes) 23, Maximumzusatz (geeignet zur Anzeige
von Mengen, die in Zeitintervallen von einigen Minuten bis zu einer Stunde oder
rnehr in dieser Intervallen maximal entnommen werden, also ein Gerät für Maximumtarife)
24 und Registrierung der Wärmemenge 25o
Die Integration der Wärmeleistung
über der Zeit geschieht, indem die der Wärmeleistung proportionale elektrische Grösse
entweder in einen herkömmlichen Messmotor bzwo Volt- oder Amperestundenzähler eingespeist
wird oder über einen Analogdigital-Umsetzer in Impulse zurückverwandet wird, deren
Anzahl der durchgesetzten Wärmemenge proportional ist und die mit einem elektromagnetischen
Impulszähler summiert werden0 Der stabilisierte Netzteil ist mit 26 bezeichnet0