DE1805592C3 - Anordnung zur elektrischen Messung von Temperaturdifferenzen oder Wärmemengen - Google Patents

Anordnung zur elektrischen Messung von Temperaturdifferenzen oder Wärmemengen

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    • G01K17/16—Indicating product of flow and temperature difference directly or temperature using electrical or magnetic means for both measurements

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung von Temperaturdifferenzen oder Wärmemengen in einem strömenden Medium, die einen Temperaturdifferenzmesser mit zwei Temperaturfühlern enthält, bei der ein asjs zwei gleichen Teilkreisen mit gleich großer Eingangsspannung bestehender Differenzkreis vorhanden ist, wobei jeder der Teilkreise mindestens einen die Temperatur des strömenden Mediums messenden Temperaturfühler zusammen mit dem Linearisicrungswiderstand enthält.
Solche Meßanordnungen sollen die Möglichkeit der Messung der Wärmeverhältnisse in strömenden Medien bieten, z. B. in Wasser, Dampf, Öl. Luft usw.; sie sollen genaue Meßergebnisse liefern, ohne in der Herstellung teuer zu sein. Meßanordnungen, die diese Forderungen mehr oder weniger gut erfüllen, sind bereits bekannt.
In einem bekannten, mechanisch aufgebauten Wärmcmengcnzählcr wird ein herkömmlicher elektrischer Zähler benutzt, der einen Motorzähler enthält, wobei die Systemscheibe des Zählers mit einer Geschwindigkeit rotiert, die der Differenz zwischen mittels zweier elektrischer Teilstromkreisc bestimmter Vor- und Rücklauftempcrattir proportional ist (DE-PS 04 491). Ein Zahlenrollcnwerk ist mit der System-
scheibe durch eine Kupplungseinrichtung verbunden, die von einer Kontakteinrichtung eines Flüssigkeitsmengenmessers periodisch betätigt wird. Die Zahlenrollen vermitteln einen digitalen Anzeigewert für die Wärmemenge, Ein solcher Wärmemengenzähler ist nicht nur teuer und hat nicht nur einen erheblichen Raumbedarf; nachteilig ist insbesondere die Umsetzung der Temperaturdifferenz in die Rotationsgeschwindigkeii einer Scheibe, die sich nur ungenau als Mittelwert über längere Zeiten (10 s) bestimmen läßt Wegen der normalerweise sehr kleinen Drehzahlen der Induktionsscheibe eines Motorzählers können auch moderne Hilfsmittel zum Integrieren von Umdrehungen über eine bestimmte Zeit die Meßgenauigkeit und die Meßdauer nicht wesentlich verbessern, ganz abgesehen davon, daß die bekannte Anordnung sich nicht für eine schnelle Kontrollmessnng der Temperaturdifferenz allein eignet.
In einem anderen Zusammenhang (FR-PS 12 89 621) ist bereits auf die Möglichkeit hingewiesen worden, bei Anordnungen, die zwei Meßgrößen miteinander verknüpfen sollen, die eine Meßgröße zuerst zu digitalisieren. Allerdings ist dieser Vorveröffentlichung kein spezieller Hinweis weder auf die hier vorliegende Messung von Wärmegrößen noch as auf die schnelle Kontrollmessung nur einer der beiden Meßgrößen noch auf die Beseitigung von Spannungsabbängigkeiten zu entnehmen. Bei einem Ausfuhrungsbeispiel (Fig. 2 wird hier ein elektronisches Tor durch Steuerimpulse eines Flüssigkeitsmengenmesser gesteuert und die zu steuernden Impulse kommen aus einem Strom/Frequenzwandler, der Druck- und Temperaturmeßwerte zur Meßwertkorrektur verarbeitet. Das elektronische Tor kann bei einem anderen Ausführungsbeispiel dieser FR-PS 12 89 621 durch eine elektromagnetische Kupplung ersetzt sein (Fig. 3).
Schließlich ist es aus der US-PS 3181364 bekannt, Temperaturtfifferenzen mit Hilfe eines herkömmlichen Differenzverstärkers zu messen, bei dem ein \o galvanometrisches Anzeigeinstrument unmittelbar zwischen die Ausgangselektroden zweier unter sich gleicher Verstärkerstufen geschaltet ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung zu schaffen, die aus elektronischen Einheiten. aufgebaut ist und mit der eine sehr schnelle und sehr genaue Messung von TemperaturdifTerenzen oder Wärmemengen in einem strömenden Medium bei gleichzeitiger Komp?.nsierung von Betriebsspannungsschwankungen möglich ist.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einer Anordnung der eingangs genannten Art durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
Durch diese Maßnahmen ergibt sich eine Me(S-anordnung, deren Linearität innerhalb eines Temperaturbereichs von --4O0 C bis f 180 ' C etwa I "in beträgt und die im Vergleich mit bekannten Meßanordnungen dieser Art eine größere Lebensdauer hat und mit geringcrem Kostenaufwand herstellbar 6e ist.
Die Erfindung wird an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausfiihrungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 das Blockdiagramm einer Ausführungsform einer Anordnung Mach der Erfindung für die Messung einer Wärmemenge in einem strömenden Medium.
Fig,2 einen in der Anordnung gemäß Fig. I vorgesehenen Temperaturdifferenzkreis und
F i g, 3 einen Grenzjeistungsmesser,
Der Wärmemengenmesser gemäß F i g, I enthält einen Temperaturdifferenzmesser, der zwei Temperaturfühler 1 und 2 enthält, die in diesem Falle aus Widerstandsthermometern bestehen, die an die Spannungen -f-t/ und —U angeschlossen sind, sowie einen Differentialkreis, in welchem die Differenz zwischen den Strömen in den Widerstandsthermometern I und 2 gebildet wird. Dieser Differenzstrom, der ein Maß für die Temperaturdifferenz ist, wird einem Analog-Digital-Umsetzer 3 zugeführt, der die Differenzströme in Impulse mit einer Frequenz umwandelt, die proportional zu dem Differenzstrom ist. Diese Impulsfrequenz wird einem elektronischen Impulszähler 5 über einen Torschalter 4 zugeführt, der den Impulszug durchläßt, wenn ein Öffnungsimpuls aus einem impulsgeber 7 vorhanden ist. Der Impulsgeber 7 sendet einen Impuls von Iä ms Länge Jedesmal dann, wenn er durch einen Impuls von einem Impulskontakt in einem Mengenmesser 8 beeinflußt wird, der seinen Impulskontakt jedesmal schließt, wenn eine gewisse Menge den Mengenmesser 8 passiert ha;. Der elektronische Impulszähler S summiert die Impulse und beeinflußt jedesmal einen Zähler 6 (z. B. ein gewöhnlicher Gesprächszähler), wenn die Zahl der Impulse einen gewissen Wert erreicht hat.
In einer praktischen Ausführungsform entspricht eine Temperaturdifferenz von 0,10C zwischen den Widerstandsthermometern 1 und 2 einem Impuls des Analog-Digital-Umsetzers 3. Der Impulskontakt in dem Mengenmesser 8 liefert vier Impulse je Umdrehung. Wenn der Mengenmesser 8 ein gewöhnlicher Wasserzähler ist, kann eine Umdrehung bei verschiedenen Größen 1001, 10001 oder 100001 entsprechen. Der Impulszähler 5 ist derart dimensioniert, daß er an den Zähler 6 einen Impuls abgibt, wenn er 4000 Impulse von dem Torschalter 4 erhalten hat. Das kann z. B. bedeuten, daß der Mengenmesser 8 eine Umdrehung macht, d. h. vier Impulse durch den Impulsgeber 7 an den Torschalter 4 abgibt, wenn der Temperaturunterschied 100° C beträgt (was 1000 Impulsen entspricht). Wird das Gerät als Warmwasserzähler verwendet und setzt man für die spezifische Wärme des Wasser = 1 kcal/kg ° C und für das spezifische Gewicht = I kg/dm3, so wird jede Einheit des Zählers
10 000 kcal bei dem kleineren Wasserzähler,
100 000 kcal bei dem mittelgroßen Wasserzähler.
1 Gcal bei dim größten Wasserzähler,
F1 g. 2 zeigt ein Beispiel einer Ausführungsform eines Temperaturdifferenzmessers mit den beiden Temperaturfühlern 1 und 2 und dem Differentialkreis. Von den Sekundärwicklungen 13, 14 und 15 eines an das Netz angeschlossenen Transformators 12 werden drei gleich große Spannungen U abgenommen. Zwei von diesen Spannungen liegen an je einem TemperatUffühlerkreis, und die dritte liegt an dem nachfolgenden Analog-Digital-Umsetzer 3. Die beiden Temperaturfühlerkreise sind untereinander gleich, weshalb nur der eine, der den Temperaturfühler 1 enthält, beschrieben wird. In Reihe mit der Wicklung 13 liegen der Temperaturfühler 1, ein Widerstand 16 von 400 Ohm sowie die Basis-Emitter-Strecke eines npn-Transistors 17. Als Schutz liegen über dieser Strecke ein Gleichrichter 18 mit der
Durchlaßrichtung gegen die Basis des Transistors und ein Kondensator 19 zum Kurzschließen hochfrequenter Ströme. Parallel zu der Sekundärwicklung 13 liegt eine Reihenschaltung aus einem Gleichrichter 20 und einem Kondensator 21. deren Verbindungspunkt mit Erde verbunden ist. so daß er auch mit dem entsprechenden Punkt in dem Kreis des Temperaturfühlers 2 sowie mit geerdeten Punkten in dem Analog-Digital-Umsetzer 3 verbunden ist. Dor Transistor 22 in dem anderen Temperaturfühlcrkreis is| ein pnp-Transistor. Die Kollektoren der Transistoren sind direkt miteinander sowie mit der Finganusseitc des Analou-Dmital-Unisct/ers 3 verbunden.
Während positiver Halbperiodcn der Spannung Γ aus den Sekundärwicklungen 13 und 14 fließen aus der Emitterelektrode des Transistors 17 tvw. zu dei standsthermometers ein Maß für die Temperatur), kann der Torschaltcr 4 weggelassen werden, wobei man in dem Impulszähler 5 ein Maß für die Temperatur bekommt, das in dem Zähler 10 registriert wild. Dies erfordert aber gewisse Umschaltungcn in dem Impulszähler, die bei einer Anordnung, in der nur die Temperatur gemessen werden soll, Berechtigung haben können. Bei einem Wärmemengenmesser wird die Anordnung mit einem Impulsgeber 9 versehen.
to eier parallel zu dem Impulskontnkt des Mengenmesser!» 8 geschaltet wird. Wenn dieser Impulgeber 9 4000 Impulse über den Impulsgeber 7 an den Torschaller 4 liefert, entspricht jeder von den Impulszähler 5 an den Zähler 10 abgegebene Impuls einei
■ 5 TemperaturdilTcrenz von 0.1 C Dies bedeutet, daß der Inhalt des Zählers 10. wenn der Zähler 6 für die Wärmeeinheilen abgeschaltet ist, eine niimcrischc iiii rnC iiiiTij: ίiCT ιΐίΤΓΓιίιΐνΓίϊ<*'·ΐ ■ v'i«*p*'rii.i!T r . 0!""'J-
bzw. /,:
und
C R1 ' 400
- R., ■ 400
wobei R1 und R, Widerstände in den beiden Temperaturfühlern 1 und 2 sind. Der Strom / in der Leitung zu dem Analog-Digital-Umsetzer 3 wird dann
/ Ci ' ' 1. ,M
R.
400
R, ■ 400
Die Temperaturfühler 1. 2 bestehen aus Widerstandsthermometern mit Nickelwicklunc und mit dem Widerstand 100 Ω bei 0" C.
Für diese Wicklungen gilt mit sehr großer Genauigkeit
R 400
= 0.002
1
A
wobei R der Widerstand in Ω und t die Temperatur in "C ist.
Wird K 455170. erhält man Übereinstimmung mit den Tabellenwerten bis auf 1n ο innerhalb des Temperaturbereiches \ on 40 bis ■ 180 C
Aus den Gleichungen (1) und (2) erhält man:
V it..
wodurch gezeigt wird, daß die Temperaturdifferenz proportional zu ist. Wenn die Impulsfrequenz in
dem Analog-Digital-Umsetzer 3 proportional zu
ist. wird also die Frequenz proportional zu der Temperaturdifferenz.
Der Wärmemengenmesser kann außer für die Wärmemengenmessung auch für die Messung eines Temperaturunterschiedes (oder einer Temperatur) verwendet werden. Er wird dann noch mit einem Zähler 10 ausgerüstet, der mit einer Nullstellungsanordnung verschen ist. Da die aus dem Analog-Digital-Umsetzer 3 kommende Impulsfrequenz ein Maß für die Temperaturdiflerenz ist (d. h. bei bestimmten Größen des Widerstandes des einen Widerj p r
ralurdilferenzen) bis auf eine Genauigkeit von 0.1 C ist. Bei weniger genauen Messungen kann man sieh mit einer /uitlnsung von ! C begnügen, wobei nur 400 Impulse von dem Impulsgeber 9 gescndi'l werden. 1 ine derartige Mess;.ii^ der Temperatur bei einem ■wärmemengenmesser gibt auch Aufschluß darüber, ob er richtig arbeitet.
Die Anordnung i^.iäß der Erfindung kann derart abgeändci'. werden, daß auch die Messung eines über einer gewissen Grenzleistung liegenden Überverbrauches ermöglicht wird, der in einem summicrendcn Zähler 11 !cgistricrt wild. Οιή kann aiii zwei Wegen erreicht werden. Bei dem einen Wci; geht man davon aus. daß eine gewisse Grenzleistung aus der Zeit bestimmt wird, während welcher eint gewisse Anzahl von Impulsen in einem clektronisehen Schalter 23 ermittelt wird. Der elektronische Schalter 23 sendet ermittelte Impulse, die diese Anzahl, bevor die Zeit zu Ende ist. überschreiten, /11 dem summierenden Zähler 11. Dies kann mit an sicli bekannten Mitteln, z. B. mit einer Zeituhr und einer
4· Relaiskette oder mittels Transistorkreisen, ecschehen.
Der andere Weg. den Überverbrauch zu messen. wird unter Bezugnahme auf I 1 g. / beschrieben. Jeder Impuls au- dem Mengenmesser 8 entspricht in dem Impulszähler 5 einer Anzahl von Impulsen, die dem Energieverbrauch seit dem vorhergehenden Impuls aus dem Mengenmesser 8 entsprechen. lsi eine längere Zeit verflossen, können viele Impulse gestattet werden, ohne daß die mittlere Leistung eine gewisse Grenzleistung überschritten hat. wahrend dagegen nur eine kleine Anzahl von Impulsen gestattet weiden kann, wenn die Zeit kurz ist. Wird die Zeit seit dem vorhergehenden Mengenmesserimpuls mit T. die Grenzleistung mit P und die Leistungsabgabe mit E bezeichnet, wird der Überverbrauch
Der untere Teil in F i g. 3 ist in derselben Weise wie in F i g. 1 aufgebaut und mit denselben Bezeichnungen versehen. Die Anordnung, die einen eventuellen Überverbrauch zeigen soll, ist hinter dem Torschalter 4 angeschlossen. Sie besteht aus einem Oszillator 24, dessen Frequenz zu der Grenzleistung proportional ist. Der Oszillator 24 ist an einen Vorwärts- und Rückwärtszähler 25 angeschlossen, dei nach dem vorhergehenden Mengenmesserimpuls mil dem Wert 0 beginnt. Wenn der nächste Impuls
kommt, hut tier Zähler 25 einen Wert erreicht, der zu dem Wert '/"·/' proportional isl.. Die Impulse, die danach den Torsehalter 4 passieren, bewirken, da» der Zähler 25 rückwärts zählt. Wenn der WertO erreicht ist. wird ein Torschaller 26 geöffnet, der
sowohl an den Torschaller 4 als iiuch an den Zähler 25 angeschlossen isl und der über die übrigen Impulse in einen elektrischen Zähler 27 überführt, der den (i'berverlirauchszähler 11 bceinliutU. Der Zähler 25 wird über die Leitung 29 auf Null gelöscht.
Hier/u 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

  1. Patentansprüche;
    L Anordnung zur elektrischen Messung von Temperaturdifferenzen oder Wärmemengen in einem strömenden Medium, die einen Temperaturdifferenzmesser mit zwei Temperaturfühlern enthält und bei der ein aus zwei gleichen Teilkreisen mit gleich großer Eingangsspannung bestehender Differenzkreis vorgesehen ist, wobei Jeder der Teilkreise mindestens einen die Temperatur des strömenden Mediums messenden Temperaturfühler zusammen mit einem Linearisierungswiderstand enthält und wobei der Wert des Linearisierungswiderstandes in Abhängigkeit vom Material des zugehörigen Temperaturf ühlers gewählt ist, dadurch in Merkmalskonzentration gekennzeichnet, daß
    a) die Teilkreise so zusammengeschaltet sind, daß die sie durchfließenden Ströme an den Ausgängen der Teilkreise einen Differenz- ao strom bilden, der einem an sich bekannten Analog-Digital-Umsetzer (3) zugeführt wird;
    b) der Analog-Digital-Umsetzer (3) mit im wesentlichen gleich großer Eingangsspannung wie die Teilkreise betrieben wird und den Differenzstrom in Impulse mit einer dem Differenzstrom proportionalen und der Spannung umgekehrt proportionalen Frequenz umwandelt;
    c) ein Torschalter (4) vorhanden ist, dessen einer Eingang an den Ausgang des Analog-Digital-Umsetzers (2) upcj dessen anderer Eingang an den Ausgang eines Impulsgebers (7) angeschlossen ist, dessen Impulse unabhängig von ihrer Folgefrequenz eine vorbestimmte, konstante Breite haben, und
    d) der Ausgang des Torschalters (4) einem Impulszähler (5) zugeführt wird, der nach einer fest vorgegebenen Zahl von Eingangsimpulsen einen Ausgangsimpuls abgibt.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Teilkreis aus der Reihenschaltung einer Spannungsquelle (13 bzw. 14), eines Temperaturfühlers (1 bzw. 2), eines Linearisierungswiderstandes (16) und der Basis-Emitter-Strecke eines Transistors (17 bzw. 22) besteht, wobei die Transistoren (17,22) komplemcntärc Transistoren sind, deren Kollektoren miteinander und mit dem Eingang des Analog-Digital-Umsetzers (3) verbunden sind.
  3. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kehrwert der vom Analog-Digital-Umsetzer (3) bei der kleinstmöglich meßbaren Temperaturdifferenz abgegebenen Frequenz etwa gleich der Breite der vom Impulsgeber (7) abgegebenen Impulse ist.
  4. 4. Anordnung zur Messung von Wärmemengen nach Anspruch 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang de* Impulsgebers (7) an den Ausgang eines Mengenmessers (8) anschließbar ist, der in «in sich beknnnter Weise jedesmal dann einen Impuls an den Impulsgeber (7) abgibt, wenn eine bestimmte Menge des Mediums den Mengendurchmesser durchströmt hat, und daß der Ausgang des Impulszählers (5) einem in Wärmemengen geeichten Zähler (6) zuführbar ist.
  5. 5. Anordnung zur Messung von Temperaturdifferenzen nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang des Impulsgebers (7) an den Ausgang eines Impulsgebers (9) und der Ausgang des Impulszählers (5) an den Eingang eines rückstellbaren Zählers (10) anschließbar ist, wobei der Impulsgeber (9) pro Messung eine feste Anzahl von Impulsen liefert, die maximal gleich dem reziproken Teilungsverhältnis des Impulszählers (5) ist.
  6. 6. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulszähler (5) an einen summierenden Zähler (11) über eine Anordnung (23) angeschlossen ist, in welcher die Grenzleistung durch die Zeit bestimmt wird, während welcher eine bestimmte Anzahl von Impulsen ermittelt wird, und weiche die ermittelten Impulse, die diese Anzahl überschreiten, bevor die Zeit zu Ende ist. an den summierenden Zähler (11) sendet.
  7. 7. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Impulsoszillator (24) vorhanden ist, dessen Frequenz einer bestimmten Grenzleistung entspricht, daß ein mit drei Eingängen und einem Ausgang versehener elektronischer Vorwärts- und Rückwärtszähler (25) und ein weiterer Torschalter (26) vorhanden sind, der einen Überverbrauch angebende Impulse über einen weiteren Impulszähler (27) an einen summierenden Zähler (11) liefert, und daß der Vorwärts- und Rückwärtszählcr die Summe der Impulse aus dem Torschalter (4) von der Summe der Impulse aus dem Oszillator während der Zeit zwischen zwei Impulsen aus dem Mengenmesser (8) subtrahiert und den Rest zu dem weiteren Torschalter (26) überführt, der. wenn die Summen gleich sind, öffnet.
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