DE19916005A1 - Einschaltüberwachung für hydraulische Durchlauferheitzer - Google Patents
Einschaltüberwachung für hydraulische DurchlauferheitzerInfo
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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 = PStr.1 + PStr.2 + PStr.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 (1)
- 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.
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