DE19916005A1

DE19916005A1 - Einschaltüberwachung für hydraulische Durchlauferheitzer

Info

Publication number: DE19916005A1
Application number: DE19916005A
Authority: DE
Inventors: Rigo Grueneklee
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-04-09
Filing date: 1999-04-09
Publication date: 2000-10-12

Abstract

Problembeschreibung DOLLAR A Bei einem hydraulisch gesteuerten Durchlauferhitzer wird mit Hilfe eines Differenzdruckschalters die Leistung und somit die Erwärmung des Brauchwassers gesteuert. Wird Brauchwasser benötigt, stellt sich ein Differenzdruck am Druckschalter ein. Je nach der entnommenen Wassermenge schaltet der Druckschalter die erste und zweite Heizspirale vom Durchlauferhitzer ein. DOLLAR A Welche Schaltstufe eingeschaltet ist, kann an der Wasserentnahmestelle nicht kontrolliert werden. DOLLAR A Lösung DOLLAR A Bei einem eingeschalteten Durchlauferhitzer fließen hohe elektrische Ströme. Je nach eingeschalteter Leistungsstufe wird ein Magnetfeld aufgebaut. Damit das Magnetfeld erkannt werden kann, wird eine Spule benötigt. In der Spule wird eine Wechselspannung induziert. DOLLAR A Mit Hilfe einer elektrischen Schaltung wird die Wechselspannung gleichgerichtet, verstärkt und mit Leuchtdioden zur Anzeige gebracht. DOLLAR A Sobald die erste Schaltstufe den Durchlauferhitzer aktiviert (50% Leistung), wird ein Magnetfeld erzeugt und die erste Leuchtdiode kommt mit einer Funksteuerung zur Anzeige. Bei einer 100%-Leistung werden beide Leuchtdioden aktiviert.

Description

Der im Patentanspruch angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, daß bei hydraulisch gesteuerten Durchlauferhitzern zwei Schaltstufen, abhängig von der Durchflußmenge, gesteuert werden. Das Warm- und Kaltwasser wird mit Misch batterien entnommen. Bei der Warmwasserentnahme kann nur über die Wassertemperatur kontrolliert werden, ob die erste oder die zweite Schaltstufe eingeschaltet ist. Um warmes Wasser zu bekommen, wird die Wasserarmatur ganz aufgedreht. Somit schaltet sofort die erste und zweite Schaltstufe ein, obwohl auch evtl. die erste Schaltstufe reichen würde. Die Energieeinsparung beträgt somit 50%, wenn anstatt der zweiten Schaltstufe die erste Schaltstufe geschaltet hätte.

Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch aufgeführten Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erreichten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß kein Eingriff in den vorhandenen Durchlauferhitzer nötig ist.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist, daß die elektronischen Bauteile (Empfänger) mit einer Batteriespannung versorgt werden. Da die Steuerimpulse für den Empfänger per Funksignal übertragen werden, kann bei jeder Warmwasser- Entnahmestelle ein Überwachungsgerät installiert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus bekannten elektronischen Schaltungen eine möglichst preiswerte, durch den Laien justierbare Überwachungsschaltung zu entwerfen. Damit die gültigen Normen der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) erfüllt werden, kommen fertig aufgebaute Module für das Empfangs- und Sendemodul mit einer allgemeinen Zulassung (CE-Kennzeichen) zum Einsatz.

Derartige Sende- und Empfangsanlagen werden in der Fachzeitschrift ELV, Ausgabe 5/98, Seite 58 beschrieben.

Die elektronischen Bauteile des Senders Fig. 1 bestehen aus:

1. Einer Spule für die Aufnahme der Induktionsspannung
2. Vorverstärker
3. Verstärker
4. Einweggleichrichter
5. Komparatoren
6. Opto-Koppler
7. Encoder
8. Sendemodul

Der Empfänger Fig. 2 ist aus folgenden Bauteilen aufgebaut:

1. Empfangsmodul
2. Decoder
3. Astabiler Multivibrator
4. Schalttransistoren
5. Leuchtdioden

Es folgt die Erläuterung der Erfindung anhand der Fig. 1 nach dem Aufbau und der Wirkungsweise.

Schaltet man einen Ohmschen Verbraucher an eine Wechselspannung, so ist die Wirkung ebenso groß, wie bei einer Gleichspannung. Somit kann die Formel I = P/U eingesetzt werden. Nehmen wir an, daß ein Durchlauferhitzer mit einer Nennspannung von 400 V und einer Nennleistung von 21 kW betrieben wird, so fließt ein Strom von 52.5 Amp. Die Heizspiralen bei einem Durchlauferhitzer werden in der Regel im Dreieck verkettet. Nach der Formel: P = P_Str.1 + P_Str.2 + P_Str.3 fließt ein Strom von 17,5 kW/Heizspirale.

Es ist bekannt, daß hohe Wechselströme auch hohe magnetische Wechselfelder zur Folge haben. Praktische Messungen bei einem Durchlauferhitzer mit einer Leistung von 21 kW haben gezeigt, daß die magnetischen Wechselfelder noch in einem Abstand von 50 cm mit einer Intensität von ca. 0,90 mü Tesla meßbar sind.

Da die Spule 1 in einem Gehäuse direkt auf den Durchlauferhitzer plaziert wird, reicht der geringe Abstand von der Ausbreitung der Magnetfelder bis zur Spule 1 aus, um in der Spule eine Spannung zu induzieren.

Die in der Spule 1 induzierte Wechselspannung wird in dem Differenzverstärker 2 und den beiden Widerständen 3 und 4 mit dem Verstärkungsfaktor V = R4/R3 verstärkt.

Über den Widerstand 5 gelangt die Wechselspannung auf den Operationsverstärker 7.

Der Rückführungswiderstand 6 und der Eingangswiderstand 5 bestimmen den Verstärkungsfaktor V = R6/R5. Das nun nochmals verstärkte Wechselspannungssignal gelangt über den Koppelkondensator 8 und dem Widerstand 9 auf den Einweggleichrichter.

Da es sich bei den Abbildungen 1-15 um Bauteile handelt, welche ein sinusförmiges Wechselspannungssignal verarbeiten und sich daher immer um den Nullpunkt bewegen, ist es unabdingbar, daß die Spannungsversorgung für diese Bauteile symmetrisch ausgelegt wird. Mit Hilfe der beiden Widerstände 20 und 21 wird die asymmetrische Betriebsspannung im Verhältnis 1 : 1 aufgeteilt. Am Knotenpunkt der beiden Widerstände 20 und 21 entsteht somit eine symmetrische Spannung. Der Operationsverstärker 22 ist als Impedanzwandler nachgeschaltet. Am Ausgang vom Operationsverstärker 22 entsteht ein künstlicher Massepunkt, worauf sich die Operationsverstärker 2, 7, 10 und der Kondensator 15 beziehen.

Der Einweggleichrichter ist aus den Dioden 11-12, dem Eingangswiderstand 9, dem Rückführungswiderstand 13 und dem Operationsverstärker 10 aufgebaut. Der Operationsverstärker 10 arbeitet als invertierender Verstärker.

Nehmen wir an, daß das Eingangssignal negativ ist, so steht am Ausgang des Verstärkers ein positives Ausgangssignal an. Da die Diode 11 in Durchlaßrichtung geschaltet ist, steht ebenfalls ein positives Ausgangssignal am Ausgang der Diode 11 zur Verfügung. Gelangt ein positives Signal auf den Eingang des Verstärkers, so steht am Ausgang des Verstärkers ein negatives Signal an. Da die Anode von der Diode 12 gegenüber der Kathode positiv ist, wird sie in Durchlaßrichtung betrieben. Die Diodenspannung gelangt auf den Ausgang vom Verstärker 10 und stellt sich mit ca. 600 mV ein. Mit dem Eingangswiderstand 9 und dem Rückführungswiderstand 13 wird der Verstärkungsfaktor V = R13/R9 festgesetzt. (Bedingung ist, daß die Diode 11 leitet). Der Einweggleichrichter verarbeitet somit nur die negativen Halbwellen zu einer pulsierenden Gleichspannung, welche für die nachgeschalteten Komparatoren nicht verwendet werden können. Erst der Widerstand 14 und der Kondensator 15, die zusammen einen Tiefpaß bilden, formen aus der pulsierenden Gleichspannung einen arithmetischen Mittelwert.

Die am Knotenpunkt von dem Widerstand 14 und dem Kondensator 15 gewonnene Gleichspannung wird den beiden Komparatoren 18 und 19 zugeführt. Mit den beiden Potentiometern 16 und 17 kann die Ansprechempfindlichkeit für die jeweilige Schaltstufe I und II des Durchlauferhitzers eingestellt werden. Da an den Ausgängen beider Komparatoren nur logisch 0 oder 1 anstehen kann, entsteht ein digitales Signal. Ist die an den invertierenden Eingang anstehende Spannung höher als an den nichtinvertierenden Eingang, so kippt der Ausgang der Komparatoren auf logisch 1 (nach Einstellung).

Bevor die Ausgangssignale der beiden Komparatoren dem Sendemodul zugeführt werden können, werden sie in einem Encoder mit einem Sicherheitsschlüssel versehen. Somit ist es gewährleistet, daß die zu übertragenden digitalen Signale störungsfrei übertragen werden. Weiterhin besitzt der Encoder eine bestimmte Anzahl von Schaltkanälen, welche entsprechend belegt werden können. Der Sicherheitscode und die Schaltkanäle werden je nach Einstellung gegen Masse geschaltet.

Zu diesem Zweck, werden die digitalen Ausgangssignale, welche von den beiden Komparatoren 18 und 19 kommen, mit den beiden Opto-Kopplern 27 und 28 verbunden. Die Opto-Koppler verhindern, daß keine positive Spannung auf die Schalteingänge des Encoders 23 gelangt.

Damit ist es gewährleistet, daß die beiden Schalteingänge vom Encoder unabhängig voneinander gegen Masse schalten. Durch die beiden Dioden 25 und 26, welche als ODER-Funktion geschaltet sind, wird erreicht, daß der Encoder einen Startpunkt bekommt.

In einem Beispiel nehmen wir an, daß beide Schaltstufen I und II vom Durchlauferhitzer aktiviert sind. Somit nehmen die Komparatoren 18 oder 19 am Ausgang logisch 1 an. Die Anoden von den Opto-Kopplern 27 und 28 werden angesteuert. Die Kollektor-Ermitterstrecke schaltet gegen Masse. Da auch gleichzeitig über den Dioden 25 und 26 der Starteingang gegen Masse liegt, wird das Ausgangssignal von Encoder dem Sendemodul 24 zugeführt und die Daten der Schaltkanäle I und II werden gesendet.

Es folgt die Beschreibung des Empfängers Fig. 2.

Gehen wir weiterhin von der Annahme aus, daß bei dem Durchlauferhitzer beide Schaltstufen eingeschaltet sind, die Entfernung vom Sender zum Empfänger nicht weiter als ca. 10-20 m ist, so steht an dem Empfangsmodul 29 ein digitales Ausgangs signal zur Verfügung, welches zu dem Decoder 30 geleitet wird. In dem Decoder wird das zuvor encodierte Signal (Sicherheitsschlüssel und Schaltsignal) zurück gewonnen.

Damit die zu übertragenden Schaltsignale übertragen werden können, ist es unabdingbar, daß am Decoder der gleiche Sicherheitscode eingestellt ist wie am Encoder. An den beiden Schaltausgängen stehen dann logisch 0 Signale zur Verfügung, welche zu den beiden Transistoren 35 und 36 geleitet werden.

Da die Empfangsschaltung für Akku- bzw. Batteriebetrieb ausgelegt ist, muß die Schaltung so ausgelegt werden, daß möglichst viel Energie eingespart wird.

Erreicht wird die Sparmaßnahme durch Verwendung von Low-Current-Leuchtdioden 37 und 38, welche nur 2-3 mA Strom aufnehmen. Um den Strombedarf der beiden Leuchtdioden weiterhin zu entlasten, wird die Anzeige nicht konstant angesteuert, sondern getaktet. Realisiert wird dieser Effekt mit einer astabilen Kippschaltung 32, wobei die Einschaltzeit kürzer bemessen ist als die Ausschaltzeit. Da die astabile Kippschaltung zu den Grundschaltungen der Elektronik gehört, wird die Arbeitsweise nicht weiter erläutert.

Um die Batteriekapazität weiterhin zu entlasten, wird ein weiteres Schaltsignal am Ausgang des Decoders 30 genutzt, welches immer dann logisch 1 Spannung einnimmt, wenn der Decoder aktiviert wird. Das Schaltsignal gelangt auf den Basisanschluß vom dritten Transistor 31.

Der Transistor ist in Emitterschaltung geschaltet und versorgt die astabile Kipp schaltung mit Spannung (Betriebsspannung vermindert um ca. 0,6 Volt durch die Kollektor-Emitterstrecke).

Die astabile Kippschaltuug erzeugt nun mit einer Frequenz von ca. 1 Hz eine pulsierende Spannung, die auf den beiden Widerständen 33 und 34 geleitet wird. Da die beiden Schaltausgänge des Decoders logisch 0 Signal angenommen haben, befinden sich die beiden Transistoren 35 und 36 im Sperrzustand.

Beide Leuchtdioden, die an den Kollektoren der beiden Transistoren angeschlossen sind blinken im Takt der astabilen Kippschaltung.

Steht kein Sendesignal mehr zur Verfügung, fällt das positive Steuersignal auf Null Volt ab. Somit bekommt die Basis vom Transistor 31 keine positive Vorspannung und an der Kollektor-Emitterstrecke kann kein Strom mehr fließen. In diesem Fall werden nur noch der Empfänger 29 und der Decoder 30 mit Energie versorgt.

Claims

Einschaltüberwachung für hydraulische Durchlauferhitzer mit folgenden Merkmalen:
- 1. Bei einem eingeschalteten Durchlauferhitzer können die aktivierten Schaltstufen mit einer Leuchtdiode sichtbar gemacht werden.
- 2. Die Restwärme in den Rohrleitungen kann ausgenutzt werden.
- 3. Der Einschaltpunkt vom Durchlauferhitzer kann kontrolliert werden.
- 4. Unbeabsichtigtes Einschalten vom Durchlauferhitzer kann vermieden werden.
- 5. Es können mehrere Warmwasser-Entnahmestellen (Küche, Bad, WC) kontrolliert werden.
- 6. Der Energieverbrauch kann reduziert werden.