DE2312858A1 - Analog-frequenzwandler zur messung von widerstandsdifferenzen, insbesondere fuer die messung von temperaturen und waermemengen - Google Patents

Description

• Analog-Frequenzwandler zur Messung von Widerstandsdifferenzen.
• insbesondere für die Messung von Temperaturen und Wärmemengen.
• I)ie Erfindung gibt ein Verfahren an, mit dem Widerstandsdifferenzen in einem weiten Bereich mit hoher Genauigkeit in eine der Widerstandsdifferenz proportionale Frequenz umgewandelt werden. 3ie ist daher fiir die Messung von Temperaturdifferenzen in einem großen Temperaturbereich mittels temperaturabhängiger Widerstände, wie sie insbesondere bei der Messung von Wärmemengen benötigt wird, von besonderer Bedeutung. Die Vorteile elektronischer Wär'smengenmeßgeräte gegenüber den mechanischen oder kombinierten elektronisch-mechanischen Geräten sowie die Anwendung der Geräte zur Messung der von einem RUhlaggregat abgegebenen Kälteenergie sind bek'nnt (vgl. auch Offerlegungsschriften 1805 592 und 1 813002).
• Der wesentliche Nachteil der bekannten elektronischen Geräte fttr die Erfassung der Wärmemengenzählung ist in den hohen Herstellungskosten zu sehen, weswegen deren Masseneinsatz trotz eine außerordentlich hohen Bedarfs an solchen Geräten bisher ausgerlieben ist.
• Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrene wird dieser Nachteil beseitigt. Das Verfahren dient der Umwandlung der Differenz von mindestens zwei elektrischen Widerständen in eine dieser Differenz proportionale Frequenz, insbesondere zum Zweck der Feststellung der Temperaturen der Widerstände, von denen mindestens ein Widerstand temperaturabhängig ist, und zur Messung der von einem fließenden Wärmeträger ausgetauschten (aufgenommenen oder abgegebenen) Wärmemenge, bei dem die den Austauschort durch fließende Menge des Wärmeträgers mittels eines Meßgerätes (z.B.
• Flüssigkeitszähler) erfaßt und eine mengenabhängige elektronische Größe gebildet wird und die Differenz der Flüssigkeitstemperatur vor und hinter dem Austeusohort mit dem oder den tomperaturabhängigen elektrischen Widerständen (Temperaturfühlehrn) und die von der Temperaturdliterens ueber die davon abgeleitete Impulsfrequenz in der Weise mit der mengenabhängigen elektronischen Größe nultipliziert wird, daß das Produkt Über den zu erfassenden Zeitbereich integriert ein Maß für die in diesem Zeitbereich ausgetauschte Wärmemenge ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände, deren Differenz bestimmt werden soll, als Schaltelemente eines Analog-Frequenzwandlers vom vorzugsweise gleichen Strom durchflossen werden, und die Differenz der an diesen Widerständen entstehenden Spannungsabfälle der Aufladung eines Integrators dient und sobald dessen Ausgangsgröße (Strom oder Spannung) eine Referenz schwelle (Strom oder Spannung) erreicht, eine Richtungsumkehr der die Widerstände durchfließenden Ströme bewirkt wird, wodurch auch die Laderichtung des Integrators umgekehrt wird bis beim Erreichen einer zweiten Referenzschwelle die Ströme erneut umgekehrt werden, so daß die ursprüngliche Laderichtung wieder vorhanden ist und sich dieser Vorgang beliebig wiederholt, und die Frequenz der Auf- und Abladungen des Integrators der Differenz der Widerstände und damit der Differenz der Temperaturen an diesen Widerständen proportional ist, und die Dauer der Durchschaltung der Impulse auf ein Zählwerk konstant gewählt ist, so daß die Zahl der in diese Durchschaltzeit fallenden Impulse ein Naß für die Widerstandsdifferenz und ggf. für die Temperaturdifferenz dieser Widerstände ist und im Pall der Wärmemengenmessung die Auslösung der gewählten Durchschaltzeit Jeweils nach Durchlauf eines definierten Volumens des Wärmeträgers am Austausch ort ausgelöst wird und die Je Auslössignal in einen Impulszähler einlaufenden Signale aufsummiert werden.
• Ein Auaführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung zeigt Fig. 1. Eine Spannungsquelle 1 speist über die als T)olwechsler ausgebildeten Schalter 2 und 3 eine Serienschsltung der Widerstände 4, 5, 6 und 7. 4 und 5 sind dabei die Xiderstande, deren Differenz bestimmt werden soll, 6 und 7 zwei gleiche Widerstände.
• Die Verbindung zwischen 6 und 7 dient als Bezugspunkt für die an den Widerständen abfallenden Spannungen. Die Spannungsquelle 1 sowie die Schalter 2 und 3 (zweckmäßigerweise elektrische Schalter, wie bipolare Transistoren oder Feldeffekt-Transistoren) einschließlich der notwendigen Steuerkreise 19 sind potentialfrei aufgebaut, so daß zum vorgenannten Bezugspunkt kein Strom abfließt. Durch die Widerstände 4 bis 7 iließt dann praktisch der gleiche Strom. Die Spannungsabfälle an den Widerständen verhalten sich damit zueinander wie die entsprechenden Widerstände. Die Spannung am Eingang des Pufferverstärkers 8 mit hochohmigen Eing&ng ist Uew = I (Rw + Rr), die am Pufferverstärker 9 iet Uek -I (Rk + Rr) . Die Ausgangsspannungen von 8 und 9 liefern Uber die gleichen Summierwiderstände 10 und 11 mit dem Wert Rs am Eingang eine Integrators 12 einen Strom Rw - Rk i = (Uew + Uek)/Rs = I Rs Mit diesem Strom wird der Kondensator 13 der Kapazität C geladen.
• Am Ausgang von 12 ergibt sich eine von der Ladezeit t abhängige Spannung Ua = 1/C# dt Rw - Rk = - 1/C # I dt. Erreicht Ua die von 7 abgeleitete Referenz-Rs spannung Uref = - I . Rr, so wird von einem Komparator 14 ein Signal an eine Steuerlogik 15 abgegeben, worauf die Schalter 2 und 3 aber die Steuerkreise 19 umgeschaltet werden und die Richtung von I umgekehrt wird. Dementsprechend kehren sich auch alle Spannungen an den Widerständen um und dadurch ändert auch der Ladestrom des Integrators seine Richtung. Die Spannung Ua läuft nunmehr zeitlich in Richtung auf die ebenfalls gegenüber der ersten Landephase umgekehrte Referenzspannung, bis diese erreicht wird, wiederum ein Signal an 15 abgegeben wird und die ursprüngliche Laderichtung wieder hergestellt wird. Für die Frequenz der Auf- und Abladungen gilt die Beziehung R" - Rk w a Rr.Rs.C Die treibende Spannung oder ein treibender Strom gehen also nicht in die Frequenz ein. Dies bedeutet, daß U oder I weder bekannt noch konstant sein müssen. Prinzipiell können es daher auch Wechselgrößen sein. Dieses gilt jedoch nur dann praktisch exakt, wenn fa wesentlich größer als die Frequenz von U bzw, I ist.
• Die Prequenz f der Umladungen von C wird auf ein Zählwerk 18 durchgeschaltet, wobei die Durchschaltzeit von einer Zeitbasis 16 bestimmt wird. Die Zahl der im Zählwerk während einer definierten T)urchschaitzeit einlaufenden Impulse ist dann ein Maß für (lie Widerstandsdifferenz. Sind die Widerstände temperaturabhängig (z.B. Widerstandsthermometer), no dient diese Zahl auch ein Maß der Temperaturdifferenz. Sind die Widerstände als Temperaturfühler in einem Wärmeträger angebracht und wird fa jeweils beim Auftreten eines von der den Austauschort passierenden Menge des Wärmeträgere abhängigen Signals 17 (z.B von einem Wasserzähler) für eine definierte Zeit auf das Zählwerk durchgeschaltet, so ist die Zahl der aufsummierten Impulse ein Maß für am Austauschort abgegebene oder aufgenommene Blärmemenge.
• Für die Korrektur bekannter Nichtlinearitäten der temperaturabhängigen Widerstände können beispielsweise in der Anordnung nach Pig. 1 entweder parallel zu den Widerständen Rw + R r und RK + Ar geeignete nichtlineare Widerstandsnetzwerke geschaltet werden oder die Widerstände RS als nichtlineare Netzwerke ausgeführt sein.
• Die erfindungsgemäße Anordnung bietet verschiedene Möglichkeiten, die von der Temperatur abhängigen Werte für Dichte und spezifische Wärme des Wärmeträgers als sog. Wärmefaktor zu berücksichtigen, Dieses ist beispielsweise unter der Annehme eines konstanten Wärmefaktors in einfacher Weise durch Ylahl der Wi derstände Rr und RS als such durch Berücksichtigung in Frequenzteilerstufen für fa möglich.
• Gibt man fa des Temperatur-Frequenzwandlers über einen zusatzlichen steuerbaren Frequenzteiler auf ein besonderes Zühlwerk, so läßt sich durch Einstellung des Teilungsfaktors jeder beliebige Tarif in der Weise berücksichtigen, daß die am Zählwerk anzeigten einheiten jeweils einer festen Verrechnungseinheit (Wärmemenge je Gebühreneinheit) entsprechen, wobei die dafür gelieferte Wärmemenge jedoch gemäß dem geschalteten (ferngesteuerten) Tarif verschieden sein kann.
• Trotz es einfachen Aufbaues der Anordnung auch mit relativ sehr billigen Bauelementen wird eine hohe Stabilität und eine hohe Linearität auch über einen großen Meßbereich erreicht, da durch den ständigen Polaritätswechsel, Fehlerspannungen oder Fehlströme in den Verstärkerschaltungen in erster Näherung eliminiert werden.
• Zur besonderen Verrechnung von Wärmemengen, die wiihrend eines bestimmt vereinbarten Zeitabschnittes eine vereinbarte Wärmemenge, d.h. eine mittlere maximale Wärmeleistung überschreiten, knnn ein in diesem Zeitabschnitt vorhandener Überverbrauch besonders angezeigt werden. Dieses läßt sich beispielsweise dadurch erreichen, daß die wahrend einer Priode von 10, 15 30, 45 oder 60 Minuten abgegebenen Impulse auf einen Vor-Rückwärtszähler gegeben werden, der lediglich die positive Differenz aus Istimpulsen und der für eine bestimmte Registriergrenze vorgegebenen Sollimpulszahl zur Summierung an ein Überverbrauchszählwerk freigibt. Für die Lösung dieser Aufgabe gibt es verschiedene Beispiele, die auf dem Gebiet der Messung elektrischer Energie bei sog. Überverbrauchs- oder Maximumzählern üblich und daher an sich bekannt sind.
• In Betracht gezogen: ()ffenlegungsachrift 1 805 592 1 1 813 002

Claims (7)

1. Patentansprüche Verfahren z;ur Umwandlung der Differenz von mindestens zwei elektrischen Widerständen in eine dieser Differenz proportionale Frequenz, insbesondere zum Zweck der Feststellung der Temperaturen der Widerstände, von denen mindestens ein Widerstand temperaturabhängig ist, und zur Messung der von einem fließenden Warmeträger ausgetauschten (aufgaaommenen oder abgegebenen) Wärmemenge, bei dem die den justauschort durchfließende Menge des Wäraeträgers mittels eines meßgerätes (z.B. Flüssigkeitszähler) erfaßt und eine mengenabhängige elektrische Größe gebildet wird und die Differenz der Flüssigkeitstemperatur vor und hinter dem Austauschort mit dem oder den temperaturabhängigen elektrischen Widerständen (Temperaturfühlern) und die von der Temperaturdifferenz über die davon abgeleitete Impulsfrequenz in der Weise mit der mengenabhängigen elektrischen Größe multipliziert wird, daß das Produkt über den zu erfassenden Zeitbereich integriert ein Maß für die in diesem Zeitbereich ausgetauschte Wårmemenge ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände, deren Differenz bestimmt werden soll, als Schaltelemente eines Analog-Frequenzwandlers vom vorzugsweise gleichen Strom durchflossen werden, und die Differenz der an diesen Widerständen entstehenden Spannungsabfälle der Aufladung eines Integrators dient und sobald dessen Ausgangsgröße (Strom oder Spannung) eine Referenz schwelle (Strom oder Spannung) erreicht, eine Richtungsumkehr der die Widerstände durchfließenden Ströme bewirkt wird, wodurch auch die Iaderichtnng des Integrators umgekehrt wird bis beim Erreichen einer zweiten Referenz schwelle die Ströme erneut umgekehrt werden, so daß die ursprungliche Laderichtung wieder vorhanden ist und sich dieser Vorgang beliebig wiederholt, und die Frequenz der Auf- und Abladungen des Integrators der Differenz der Widerstände und damit der Differenz der Temperaturen an diesen Widerständen proportional ist, und die Dauer der Durchschaltung der Impulse auf ein Zählwerk konstant gewählt ist, so daß die Zahl der in diese Durchschaltzeit fallenden Impulse ein Maß für die Widerstandsditterenz und ggf. für die Temperaturdifferenz dieser Widerstände' ist und im Fall der Wärmemengenmessung die Auslösung der gewählten Durchschaltzeit Jeweils nach Durchlauf eines definierten Volumens des Wärmeträgers am Austauschort ausgelöst wird und-die Je kuslösesignal in einen Ilpnlsziihler einlaufenden Signale aufsummiert werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung der Notwendigkeit eingeprägter und konstanter Ströme durch die Widerstände deren Differenz bestimmt werden soll, mindestens eine der beiden benötigten Referenzschwellen Ströme oder Spannungen sind, deren Beträge von dem diese Widerstände durchfließenden Strom oder Strömen abgeleitet sind.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 irnd 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Temperatur abhängigen Werte für Dichte und spezifische Wärme des Wärmeträgers als Wärmefaktor durch geeignete Wahl der Integrationakapazität des Integrators oder in den Referenzsclnrellen des Integrators berücksichtigt werden.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bekannte Nichtlinearitäten der Temperatur-Widerstandskennlinie der Temperaturfühler bei der Temperatur oder Wärmemengenmessung durch geeignete nichtlineare Widerstandanet zwerke, die beispielsweise parallel zu den Widerständen der Temperaturfühler und deren Reihenwiderständen liegen, ausgeglichen werden.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Wärmemengenmessung die Durchschaltzeit der vom Analog-Frequenzwandler an ein Zählwerk abgegebenen Impulse den der Wärmemengenverrecbnung zu Grunde liegenden Tarif und ggf.

   auch den Wärmefaktor berücksichtigt.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangs impulse des Temperatur-Frequenzwandlers in elektronischen Untersetzungsstufen so geteilt werden, daß die geteilte Impulszahl der Anzeigeeinheit der entsprechenden Zählwerke (beispielsweise OC oder Gigacalorien) angepaßt ist oder daß bei der Wärmemengenmessung für die Zählung von Verrechnungseinheiten (Wärmemenge je Gebühreneinheit) der Tarif berücksichtigt ist, wobei der tarifabhängige eilungsfaktor auch von einer Zentralstelle durch Fernsteuerung umgeschaltet wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Wärmemengenzählern zur Feststellung eines Vberverbrauchs diejenige vom Temperatur-Frequenzwandler gelieferte oder davon abgeleitete (untersetzte) Impulszahl gesondert gezählt wird, die Jeweils während eines vorgegebenen konstanten Zeitabschnittes eine vorgegebene Zahl (Registriergrenze) überschreitet.