DE2312858C2

DE2312858C2 - Verfahren zur Wärmemengenmessung

Info

Publication number: DE2312858C2
Application number: DE19732312858
Authority: DE
Inventors: Richard Dr.-Ing. Friedl; Peter 3300 Braunschweig Seyfried
Original assignee: Individual
Current assignee: Friedl Richard Dr-Ing Seyfried Peter 3300 Br
Priority date: 1973-03-15
Filing date: 1973-03-15
Publication date: 1985-04-25
Also published as: DE2312858A1

Description

gekennzeichnet durchdie Kombination folgender Merkmale:

e) die zwei miteinander zu vergehenden Widerstände (4, 5) mit je von einem untereinander gleichen Referenzwiderstand (6, 7) werden jeweils in einer Reihenschaltung, mit dem einen Ende auf Schaltungsnull bzw. Erdpotential, mit dem Meßstrom beschickt;

f) die Spannungen beider Endpunkte sämtlicher in Reihe liegender Widerstände (4,6,7,5) werden über Pufferverstärker (8,9) und Summierwiderstände (10,11) auf den einen Eingang eines Integrators (12,13) geleitet, dessen zweiter Eingang auf Schaltungsnull bzw. Erdpotential gelegt ist;

g) am Ausgang des Integrators (12, 13) ist ein Komparator (14) angeschlossen, der bei Spannungsgleichheit ein Signal an eine Steuerlogik (15) abgibt, die über Steuerkreise (19) mittels Schalter (2,3) die Polarität der Spannung an den Enden der in Reihe liegenden Widerstände (4,6, 7,5) vertauscht;

h) bei Gleichheit dieser Spannung wird vom Komparator (14) über die Steuerlogik (15), die Steuerkreise (19) und die Schalter (2, 3) erneut ein Polaritätswechsel ausgelöst, wobei die Frequenz der Auf- und Abladungen des Integrators (12,13) und damit der Ausgangsimpulse an der Logik (15) der Differenz der beiden Widerstände (4,5) und der Differenz der Temperaturen an diesen Widerständen proportional ist;

i) für die Wärmemengenmessung erfolgt sodann die Durchschaltung der Temperaturdifferenz-Impulse auf ein Zählwerk (18) jeweils von einem Impuls (17) eines Volumenzählers über ein Zeitglied (16). das die Dauer der Durchschaltzeit bestimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Temperatur abhängigen Werte für Dichte und spezifische Wärme des Wärmeträgers als Wärmefaktor durch geeignete Wahl der Integrationskapazität des Integrators oder in den Referenzschwellen des Integrators berücksichtigt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bekannte Nichtlinearitäten der Temperatur-Widerstandskennlinie der Temperaturfühler bei der Temperatur oder Wärmemengenmessung durch geeignete nichtlineare Widerstandsnetzwerke, die beispielsweise parallel zu den Widerständen der Temperaturfühler und deren Reihenwiderständen liegen, ausgeglichen werden.

4. Verfahren nach Anspruch I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Wärmemengenmessung die Durchschaltzeit der vom Analog-Frequenzwandler an ein Zählwerk abgegebenen Impulse den der Wärmemengenverreichung zugrundeliegenden Tarif und ggf. auch den Wärmefaktor berücksichtigt

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsimpulse des Temperatur-Frequenzwandlers in elektronischen Untersetzungsstufen so geteilt werden, daß die geteilte Impulszahl der Anzeigeeinheit der eaäsprechenden Zählwerke (beispielsweise "C oder Gigacalorien) angepaßt ist oder daß bei der Wärmemengenmessung für die Zählung von Verrechnungseinheiten (Wärmemenge }ü Gebühreneinheit) der Tarif berücksichtigt ist, wobei der tarifabhängige Teilungsfaktor auch durch Fernsteuerung umgeschaltet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Wärmemengenzählern zur Feststellung eines Überverbrauchs diejenige vom Temperatur-Frequenzwandler gelieferte oder davon abgeleitete (untersetzte) Impulszahl gesondert gezählt wird, die jeweils während eines vorgegebenen konstanten Zeitabschnittes t«ie vorgegebene Zahl (Registriergrenze) überschreitet.

Die Erfindung gibt ein Verfahren zur Wärmemengenmessung an, wie es der Oberbegriff des Anspruchs 1 umreißt

Die Vorteile elektronischer Wärmemengenmcßgeräte gegenüber den mechanischen oder kombinierten elektrisch-mechanischen Geräten sowie die Anwendung der Geräte zur Messung der von einem Kühlaggregat abgegebenen Kälteenergie sind bekannt (vergl. auch Offenlegungsschriften 18 05 592 und 18 13 002).
Ein wesentlicher Nachteil der bekannten elektronisehen Geräte für die Erfassung der Wärmemengenmessung ist die notwendige Verwendung relativ hochwertiger und daher teurer Bauelemente, urn den Einfluß von Driften auf das Meßergebnis über einen größeren Temperaturdifferenzbereich klein zu halten.

Es ist Aufgabe der Erfindung, den Einfluß von Fehlerspannungen und Driftströmen in den Verstärkerschaltungen auf das Meßergebnis zu eliminieren. Zur Lösung der Aufgabe werden die im Anspruch 1 unter e) bis i) gekennzeichneten Maßnahmen vorgeschlagen.

Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung wird bei der Betrachtung eines Differenztemperatur-Frequenzwandlers ohne Polaritätswechsel mit dem in der erfindungsgemäßen Anordnung angegebe-

3 4

iien Differcnz-Temperaturwandler ersichtlich. Betrach- · - itt +// WJ? - ^* ~ ^* /

tel man beispielsweise einen normalen Stromfrequenz- ' ~ ^ "<·⁺ "«*'' ^{J :} ^ '·
wandler mit dem der der Temperaturdifferenz proportionalen Eingangsstrom i, der von einem Offsetstrom i

am Eingang des Wandlers überlagert ist, so wird der 5 Mit diesem Strom wird der FConsensator 13 der Kapa-

durch den Offsetstrom verursachte Wandlerfehler F zität Cgeladen. Am Ausgang von 12 ergibt sich eine von

durch die Beziehung der Ladezeit t abhängige Spannung

beschrieben. D. h, sofern das maximale Nutzsignal i_m

beispielsweise 10Ofach so groß ist wie das Störsignal /_e Erreicht (J₃ die von 7 abgeleitete Referenzspannung ist, beträgt der Fehler ±1%; bei einem Nutzsignal 0,1 LW= -1-R_n so wird von einem Komparator 14 ein irrax beträgt der Fehler bereits ±10%. Bei der erfin- 15 Signal an eine Steuerlogik 15 abgegeben, worauf die dungsgemäßen Anordnung jedoch lautet die Fehlerbe- Schalter 2 und 3 über die Steuerkreise 19 umgeschaltet ziehung werden und die Richtung von / umgekehrt wird. Dem-/ - \2 -.-...-. -- entsprechend kehren sich alle Spannungen an den Wi-

F=-(-i^-\, derständen und auch die Richtung des Ladestromes /

\ / / ' 20 am Integrator um.

Die Spannung U₁ läuft nunmehr zekrtch in Richtung

d. h. bei einem Nutzsignal, das 10Ofach größer als das auf die ebenfalls gegenüber der ersten Lauephase um-

Störsignal ist, beträgt der Fehler gekehrte Referenzspannung, bis diese erreicht wird,

wiederum ein Signal an 15 abgegeben wird und die ur-

f = 1 = — 0,01% 2^s sprüngliche Laderichtung wieder hergestellt wird. Für

10⁴ ' die Frequenz der Auf- und Abladungen gilt die Beziehung

und bei einem Zehntel Betrag des Nutzsignals erst

— 1 %. Das negative Vorzeichen gibt dabei an, daß es R_w — R_k ~~

positive Fehler, und damit Leerlauf bei einem mit der 30 Λ ^Ä r". r . c '

erfindungsgemäßen Anordnung ausgerüsteten Wärme- ' '
mengenzähler bei der Temperaturdifferenz null nicht

geben kann. Die treibende Spannung oder ein treibender Strom Weitere Vorteile sind die Unabhängigkeit der Meß- gehen also nicht in die Frequenz ein. Dies bedeutet, daß genauigkeit von der Speisespannung U und von der 35 L/oder /weder bekannt noch konstant sein müssen.
Länge der Zuleitungen zu den (temperaturabhängigen) Die Frequenz f_t der Umladungen von C wird auf ein Widerständen 4 und 5, deren Differenz bestimmt wer- Zählwerk 18 durchgeschaltet, wobei die Durchschaltzeit den soll. von einer Zeitbasis 16 bestimmt wird. Die Zahl der im Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Meßan- Zählwerk während einer definierten Durchschaltzeit Ordnung wird am Auführungsbeispiel gemäß Fig. 1 er- 40 einlaufenden Impulse ist dann ein Maß für die Differenz sichtlich. Eine Spannungsquelle 1 speist über die als Pol- der Widerstände 4 und 5. Sind die Widerstände tempewechsler ausgebildeten Schalter 2, 3 eine Serienschal- raturabhängig (z. B. Widerstandsthermometer), so ist tung der Widerstände 4,5,6 und 7.4 und 5 sind dabei die diese Zahl auch ein Maß der Temperatiirdiffe-renz. Sind Widerstände, deren Differenz bestimmt werden soll, 6 die Widerstände als Temperaturfühler in einem Wärme- und 7 zwei gleiche Widerstände. Die Verbindung zwi- 45 träger angebracht und wird /, jeweils behn Auftreten .sehen 6 und 7 dient als Bezugspunkt für die an den eines von der den Austauschort passierenden definier-Widerständen abfallenden Spannungen. Die Span- ter> Menge des Wärmeträgers abhängigen Signals 17 nungsquelle 1 sowie die Schalter 2 und 3 (zweckmäßi- (z. B. von einem Wasserzähler) für eine definierte Zeit gerweise elektronische Schalter, wie bipolare Transisto- auf das Zählwerk durchgeschaltet, so ist die Zahl der ren oder Feldeffekt-Transistoren) einschließlich der 50 aufsummierten Impulse ein Maß für die am Austauschnotwendigen Steuerkreise 19 sind potentialfrei aufge- ort abgegebene oder aufgenommene Wärmemenge,
baut, so daC zum vorgenannten Bezugspunkt kein Im einzelnen zeichnet sich die erfindungsgemäße Strom abfließt Durch die Widerstände 4 bis 7 fließt Meßanordnung durch folgende Eigenschaften aus, die dann praktisch der gleiche Strom /. Die Spannungsab- einen technischen Fortschritt darstellen:
fälle an den Widerständen verhalten sich damit zueinan- 55 Sie besteht in ihre;p. Analogteil gemäß F i j. I aus feder wie die entsprechenden Widerstände. Die Spannung lativ wenigen gut überschaubaren Bauteil?n, wobei bei am Eingang des Pufferverstärkers 8 mit hochohmigen geeigneter Dimensionierung auch auf die Pufferverstär-Eingang ist ker 8 und 9 verzichtet werden kann, wodurch die Ausfallrate der nach dieser Anordnung gebauten Geräte

U_cw = I(R_W + Rr), 60 relativ klein gehalten werden kann.

Die Beziehung für die Ausgangsfrequenz im offsetdie am Pufferversiärker 9 ist freien (idealen) Fall beträgt

Uck" -1(Rk+ Rr)

65 Ia=L =

Die Ausgangsspannungen von 8 und 9 liefern über die
gleichen Summierwiderstaside 10 und 11 mit dem Wert

R_s am Eingang eines Integrators 12 einen Strom (R_w und R_k bedeuten die Widerstände deren Differenz

bestimmt werden soll incl. der Zuleitungswiderstände), d. h, daß weder die Versorgungsspannung U noch die Länge der Zuleitungen zu den beiden Temperaturfühlern eingehen, da deren Widerstände, die bei gleicher Leitungslänge gleich groß sind, sich aufheben.

Ist /_o die Ausgangsfrequenz der Temperaturmeßanordnung ohne Offsetspannungen, so wird beim Vorhandensein einer Offsetspannung U_on beispielsweise am Integrator 12 die Ausgangsfrequenz beschrieben durch die Beziehung

d. h., daß durch Offsetspannungen bedingte Fehler allein vom Quadrat des Verhältnisses t/_ofl/L/(» ΙΟ-³) abhängen und somit praktisch vernachlässigbar klein sind.

Gleiches gut für den Einfluß von Tnermospannungen. Beim Vorhandensein einer Thermospannung U_th beispielsweise in der Zuleitung zum Widerstand R_w ergibt sich die Ausgangsfrequenz

to ne mittlere maximale Wärmeleistung überschreiten, kann ein in diesem Zeitabschnitt vorhandener Überverbrauch besonders angezeigt werden. Dieses läßt sich beispielsweise dadurch erreichen, daß die während einer Periode 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 Übervcrbrauchszählwerk 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.

15

20

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

fa ^e fa Π -

25

sofern

< 1.

30

D. h„ daß durch den quadratischen Einfluß von Un/U Thermospannungen ebenfalls praktisch ohne Einfluß auf das Meßergebnis sind.

Für die Korrektur bekannter Nichtlinearitäten der ternpsraturabhängigen Widerstände können beispielsweise in der Anordnung nach F i g. 1 entweder parallel zu den Widerständen R_v + R_r und Rt + R_r geeignete nichtlineare Widerstandsnetzwerke geschaltet werden oder die Widerstände R, 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 Annahme eines konstanten Wärmefaktors in einfacher Weise durch Wahl der Widerstände R_r und Rs als auch durch Berücksichtigung in Frequenzteilerstufen für /, möglich.

Gibt man f, des Ti emperatur-Frequenzwandlers über einen zusätzlichen steuerbaren Frequenzteiler auf ein besonderes Zählwerk, so läßt sich durch Einstellung des Teilungsfaktors jeder beliebige Tarif in der Weise berücksichtigen, daß die am Zählwerk angezeigten Einheiten jeweils einer festen Verrechnungseinheit (Wärmemenge je Gebühreneinheit) entsprechen, wobei die dafür gelieferte Wärmemenge jedoch gemäß dem geschalteten (ferngesteuerten) Tarif verschieden sein kann.

Trotz des 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 eiiminiert werden. Zur besonderen Verrechnung von Wärmemengen, die während eines bestimmt vereinbarten Zeitabschnittes eine vereinbarte Wärmemenge, d. h. ei-

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Wärmemengenmessung

a) durch Umwandlung der Differenz von zwei elektrischen Widerständen, von denen mindestens einer temperaturabhängig ist, in eine dieser Differenz proportionale Impulsfrequenz einer elektrischen Größe zum Zweck der Feststellung der Temperaturdifferenz dieser Widerstände,

b) zur Messung der von einem fließenden Wärmeträger ausgetauschten Wärmemenge, bei dem die den Austauschort durchfließende Menge des Wärmeträgers mittels eines Durchflußmessers erfaßt und eine mengenabhängige elektrische Größe gebildet, und

c) die Differenz aus der Flüssigkeitstemperatur vor undtwiter dem Austauschort mit temperaturabhängigen elektrischen Widerständen (Temperaturfühlern) erfaßt wird und

d) die von der Temperaturdifferenz abgeleitete Impulsfrequenz mit der mengenabhängigen elektrischen Größe multipliziert wird und das Produkt aus Temperaturdiiferenz und Durchflußmenge über den zu erfassenden Zeitbereich integriert ein Maß für die in diesem Zeitbereich ausgetauschte Wärmemenge bildet,