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Verfahren zur Messung einer mittels eines fliessfähigen Mediums zu-
oder weggeführten Wärmemenge Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung einer
mittels eines fliessfähigen Mediums einem Verbraucher zu- oder von einem Erzeuger
weggefUhrten Wärmemenge mit einem Wärmezähler, bestehend aus einem elektronischen
Wärmeintegrierwerk, einer Volumenmesseinrichtung und Je einem vor und nach dem Verbraucher
bzw. Erzeuger angeordneten Widerstandsthermometer.
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Dei den bekannten Verfahren zur Messung der von
einem
fliessfähigen Medium zu- oder weggefWhrten Wärme menge wird der Wärmeinhalt des
Mediums durch Messung.der Temperatur und des Volumens ermittelt, welche Grössen
miteinander multipliziert werden. Das Resultat wird Eblicherweise um einen weitern
Multiplikationsfaktor korrigiert, der die jeweilige spezifische Wärmekapazität und
das spezifische Volumen des verwendeten Wärmeträgers berücksichtigt. In einem geschlossenen
Heiz- oder Kühlkreislauf wird die Differenz gebildet aus zu- und weggeführter Wärmemenge.
Dabei bleibt das Volumen des wärmetragenden Mediums stets dasselbe und nur die Temperatur
verändert sich. Es genügt also in diesen Fällen das Volumen nur einmal zu messen
und nur die Differenz der Temperaturen an zwei bestimmten Stellen eines Kreislaufs
zu bilden.
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Die Messung des Volumens kann mittels einer beliebigen, bekannten
Einrichtung erfolgen, wie z.B. FlUgelradzähler, WoltmannzEhler, Messblende usw.,
welche nach Durchfluss eines festgelegten Volumens einen elektrischen Impuls auslst,
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die an bestimmten Stellen des Mediumspfades
mittels Widerstandsthermometern zu erfassenden Temperaturen des wärmetragenden Mediums
als mbglichst proportionale Impulsfolge darzustellen, wobei die einzelnen Impulse
einer bestimmten kleinen Wärmemenge entsprechcn, unter nerUe'xs-chtibung der Wertzuordnung
an einen Volumenimpuls, des spezifischen Volumens
und der spezifischen
Wärmekapazität des wärmetragendenMediuns. Diese Impulsfolgen sollen durch Verknüpfung
mit Volumenmessimpulsen so verarbeitet werden, dass die resultierenden Signale nach
geeigneter Untersetzung in ein elektromagnetisches Schrittzählwerk eingezählt werden
können.
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Da zum Teil sehr kleine Temperaturdifferenzen erfasst werden müssen,
ist ein hohes Auflösungsvermögen zu wählen und jede Verzerrung der Messsignale zu
vermeiden5-wie jene die bei bekannten Verfahren in passiven Messbrükken und Analog-Digital-Wandlern
auftreten.
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Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass
die in der Form von zwei Widerstandswerten erfassten beiden Temperaturwerte in zwei
proportionale Spannungspegel umgewandelt werden, die über zwei Vergleichsverstärker
eine Torschaltung in ihren leitenden bzw.
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sperrenden Zustand steuern, wenn die, bei Vorliegen eines Volumenimpulses,
von einem Sägezahn-Generator erzeugte Spannung den ersten bzw. zweiten Spannungspegel
erreicht, und dass von einem Frequenz-Oszillator erzeugte Impulse während einer
temperaturabhängigen Zeit über eine Untersetzungs- und eine Verstärkereinheit auf
ein Schrittzählwerk zur Darstellung der Wärmemenge gegeben werden.
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Der Erfindungsgegenstand qird nachstehend anhang der Zeichnung beispielsweise
erläutert. Darin zeigt
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer einzelnen
Mes sbrüc ke zur Erläuterung des Ternperaturffles svorganges5 Fig. 2 zwei zu einer
Schaltung für Temperaturdifferenzmessung kombinierte Messbrücken nach Fig. 1 zur
Verwendung in einem Wärmemengenzähler, und Fig. 3 als Blockschema den Aufbau eines
Wärmeintegrierwerks für getrennte Anzeigen bei positiver oder negativer Temperaturdifferenz.
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Fig. 1 zeigt den Aufbau einer aktiven Messbrücke.
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Der Messwiderstand ist mit Rx bezeichnet. Er ist in Serie mit einem
Widerstand R1 an den Ausgang eines Verstärkers A1 geschaltet und mit dessen Eingang
gegengekoppelt. Die Spannung im Punkt a, d.h. bei der Verbindung zwischen R1 und
RXJ wird im Verstärker A1 mit einer konstanten Spannung Uref verglichen. Der im
Ausgang des Verstärkers A1 fliessende Strom I1 bringt dabei die Spannung im Punkt
a auf den gleichen Wert wie Uref , und zwar unabhängig vom Wert von Rx. Da R1 als
konstant vorausgesetzt wird, bleibt auch der Strom 11 durch den Messwiderstand Rx
konstant.
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Ein Strom I2 durchfliesst einen Widerstand der zwischen dem Ausgang
des Verstärkers A1 und dem Widerstand R2 liegt, der seinerseits zwischen R3 und
den Ausgang des Verstärkers A2 geschaltet ist. Am Eingang eines Vergleichsverstärkers
A2 wird die Spannung im Punkte b mit Uref verglichen. I2 ist cier im Eingang des
Vergleichsverstärkers
A2 fliessende Strom, der die Spannung im
Punkte b auf denselben ert bringt wie Uref . Der Strom I2 ist somit direkt abhängig
vom Messwiderstand Rx r das heisst, dass die Spannung an den Klemmen des Widerstandes
R2 in einem frei wählbaren Verhältnis proportionai zum Wert von Rx ist. Die bezügliche
Beziehung lautet:
Die Referenzspannung Uref sowie das Verhältnis der Widerstände R1> R2 und R3
unter sich bestimmten einerseits den im Widerstand Rx fliessenden Strom, und andererseits
das Auflösungsvermögen des Messergebnisses und dessen Präzision.
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Das erfindungsgemässe Verfahren schliesst die Umwandlung der Messspannung
Ux in eine zählbare, spannungsproportionale Impulsfolge ein. Dies kann dadurch erreicht
werden, indem mittels eines "Miller"- oder 'Bootstrap"-Integrations-Verstärkers
(Pos. 15 der Fig. 3) eine sägezahnförmige Schwingung, kurz Sägezahnsignal genannt,
gebildet wird, dessen Flankenspannung sich linear mit der Zeit verändert. Mit Hilfe
zweier Vergleichs verstärker A3 und A4 und einer Umkehrstufe B ist es möglich die
Zeit festzustellen, die versf,reicht, während welcher die Spannung des Sägezahnsignals
vom Niveau der Messspannung Ux auf dasjenige der Referenzspannung Uref ansteigt.
Die Vergleichsverstärker
sind im vorliegenden Fall Operationsverstärker
mit sehr kleiner Offset-Spannung und sehr grossem Verstärkungs-Fak tor, um eine
hohe Auflösung zu gewährleisten. Die.Länge tl (Fig. 1) des von diesen Verstärkern
gebildeten Impulses ist also-proportional Rx. Dieser Impuls wird dazu verwendet,
während der Impulsdauer tl ein Tor T für Impulse zu öffnen, die von einem stabilen
Oszillator F (Pos. 16 der Fig. 3) erzeugt werden. Die während der Zeit tl das Tor
passierende Anzahl Impulse ist wiederum proportional zum momentanen Wert des Messwiderstandes
Rx bzw. der gemessenen Temperatur. Die Oszillator-Frequenz wird zweckmässig so gewählt,
dass eine gute Auflösung der Messwerte gewährleistet ist.
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Bei einem Wärmezähler ist die Differenz zweier Temperaturen zu messen.
Gemäss vorstehendem ist somit die Zeit festzustellen, die verstreicht, während welcher
die Spannung des Sägezahnsignals vom Niveau der einen Messspannung Ux zu dem der
anderen Messspannung U'x steigt. U' übernimmt dabei die Funktion von Uref gemäss
Fig. 1.
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Die Auslösung des Sägezahnsignals erfolgt durch den Impuls einer
Volumenmesseinrichtung, durch welche das zeitliche Auftreten der Impulsfolgen aus
der Temperaturmessung gesteuert wird und somit ein Mass für die den Mediumspfad
passierende Wärmemenge liefert.
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Fig. 2 zeigt die verwendung der Schaltung nach Fig 1 für die Messung
einer Temperaturdifferenz z;B. im Falle
eines Wärmemengenzählers.
Die Verstärker A2 und A'2 arbeiten in dieser Schaltung auch als Vergleichsverstärker
und übernehmen damit die Funktion vQn A3 bzw. A4.
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Das Nessprinzip ist dasselbe wie oben beschrieben: Uref ist eine Referenz
spannung, die je am Eingang der vier Verstarker A1(+), A'1(+), A2(4) und A'2(-)
liegt. Die Verstärker A1 und A' liefern einen konstanten Strom an die beiden Messwiderstände
Rx und R' R'x, deren Widerstandsdiffercnz gcmcscn werden muss. Die Verbindung zwischen
d Festwiderständen R2 und R3 ist mit dem Minus-Eingang des Verstärkers A2 verbunden,
während die Verbindung zwischen den Festwiderständen R'2 und R'3 mit dem Plus-Eingang
des Verstärkers A'2 verbunden ist. Die andern Enden von R2 und B'2 sind zusammen
an den Ausgang eines Sägezahn-Generators G angeschlossen.
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Die Arbeitsweise der Vergleichsverstärker A2 und A'2 hängt davon
ab, ob der Widerstandswert Rx grösser oder kleiner ist als R'x, wobei je nach der
vorliegenden Bedingung ein positiv oder negativ polarisiertes Szgezahnsignal ausgelöst
wird. Wählt man ein zeitlich linear ansteigendes negatives Sägezahnsignal und setzt
ferner voraus, dass grösser als R' ist, erhält man am Ausgang der beiden Vergleichsverstärker
A2 und A12zwei verschiedene Signalpegel.
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Am Ausgang des Verstärkers A2 tritt eine negative Signalspannung V
und am Ausgang des Verstärkers A12 eine positive Spannung V+ auf. Diese beiden Signale
bilden den Impuls zur Oeffnung des Tores T.
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Wenn in Abhängigkeit von der Polarität des Sägezahnsignals der Plus-Eingang
des Verstärkers A'2 negativ gegenüber dem Minus-Eingang ist, erhält man eine Signalspannung
V am Ausgang dieses Verstärkers. Gleicherweise wird, wenn beim Verstärker A2 der
Minus-Eingang negativ gegenüber dem Plus-Eingang ist, am Ausgang ein positives Signal
vorliegen.
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Damit mit dem gleichen Wärmezähler abwechslungsweise an ein Objekt
zu- oder von diesem weggeführte Warme gemessen werden kann, können zur entsprechenden
Polarisierung der genannten Ausgangssignale zwei unabhängige Tore vorgesehen werden,
von welchen eines, je nachdem ob Rx oder R'x grösser ist, leitet oder sperrt. Diese
beiden Tore sind in Fig. 2 im Block T zusammengefasst.
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Fig. 3 zeigt als Blockschema den Aufbau eines Wärmeintegrierwerks
mit einem strichpunktiert gezeichneten Abschnitt zur getrennten Auswertung der Signale
aus positiver und negativer Temperaturdifferenz. Das-allgemein mit 4 bezeichnete
Integrierwerk enthält die beiden Verstärkerschaltungen 11 und 12 für die Messung
der Widerstandswerte an den Temperaturfühlern 2 (Rx) und 3 (R'x) und eine Steuerschaltung
14 zur Auslösung des Sägezahnsignals. Die Steuerschaltung 14 ist mit einem Impulsgeber
1 in der(nicht gezei gt en) Volunienmes. ririchtung verbunden, welcher von der Mediumsdurchflussmenge
abhängige Steuersignale an die Steuerschaltung
14 liefert. Vorhanden
ist ferner ein Sägezahngenerator mit Vergleichsw-erst-arkern 15> dessen Spannung
während der durch die Steuerschaltung 14 festgelegten Messdauer m linear ansteigt,
ein Konstantfrequenzoszillator 16 zur Erzeugung von Zählimpulsen, ein Tor 17 zum
Freigeben oder Sperren der vom Frequenzoszillator i6 gelieferten Impulse an einen
Impuls-Untersetzer 18 und einen Verstärker 19> der seinerseits ein beispielsweise
elektromagnetisches Schrittzählwerk 20 ansteuert, welches die Impulse in einer für
die gemessene Wärmemenge geeigneten Einheit anzeigt.
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Der oben beschriebene Signal- bzw. Impulspfad wird für den Fall gewählt,
dass der Temperaturfühler 2 (Rx) als Vorlauf-Fühler in-einem heissern Mediumsabschnitt
liegt als der TemperaturfUhler 3 (Rtx), welcher beispielsweise als Rücklauf-Fühler
in einem kältern Mediumsabschnitt angeordnet ist. Wenn jedoch die Temperatur am
Rücklauf-Fühler 3 höher sein kann als am Vorlauf-Fühler 2, so wird am Sägezahngenerator
15 ein zweites Vergleichsverstärkerpaar 25 angeschlossen5 dessen Eingangspolarität
vertauscht ist.
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Dieses Verstärkerpaar macht nun im Falle der höheren Temperatur am
Fühler 3 das Tor 27 leitend, so dass die Impulse vom Frequenz-Oszillator 16 Uber
dieses (statt über das Tor 17) zum Impulsuntersetzer 28 zum Verstärker 29 und zum
Zahlwerk 30 gelangen, um dort eine entsprechende Zählung zu veranlassen.