DE2531922A1

DE2531922A1 - Elektronisches rechenwerk fuer waermezaehlanlagen

Info

Publication number: DE2531922A1
Application number: DE19752531922
Authority: DE
Inventors: Peter G Dipl Ing Dr Duell
Original assignee: SETRON ERZEUGUNG ELEKTRONISCHE
Current assignee: SETRON ERZEUGUNG ELEKTRONISCHE
Priority date: 1974-07-31
Filing date: 1975-07-17
Publication date: 1976-02-19
Also published as: AT342336B; SE7508139L; CH600319A5; ATA626474A; FR2281015B1; FR2281015A1

Description

PATENTANWÄLTE «pUn«. BDENHER ^

DipL-Chem.Dr.RUFFIHpl.-lng.J.BEIEH 2531922

7 Stuttgart-1, Neckarstrate St

16. Juli 1975

A 15 643

Anmelderin: "SETRON" Erzeugung elektronischer Bauelemente Gesellschaft mbH.

1030 Wien, Marxergasse 10, Österreich

"Elektronisches Rechenwerk für Wärmezählanlagen"

Einrichtungen, die auf elektronischem Wege den Wärmefluß in Heizungs- oder Kühlanlagen messen und zählen, errechnen die Wärmemenge als Produkt der zwischen Hin- und Riicklaufleitung des wärmeübertragenden Mediums liegenden Temperaturdifferenz und dem Volumen des Wärmeträgers unter Berücksichtigung eines Wärmekoeffizienten k, der von den Medientemperaturen abhängig ist.

In einigen "bekannten Wärmezählanlagen wird das Volumen des Wärmeträgers in mechanisch-elektrischen Einrichtungen in eine proportionale elektrische Impulsfrequenz umgesetzt, werden die Temperaturen in der Hin- und Rückleitung durch temperatur abhängige elektrische Widerstände, z.B. Pt 100 oder Ni 100 Widerstandsthermometer gemessen und der analoge Wert der Temperaturdifferenz in eine elektrische Impulsfrequenz umgewandelt. Das Produkt aus Temperaturdifferenz und Mediiimsmenge wird anschließend durch eine Torschal-

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tung, die bei jedem Mediumsmengenimpuls für eine bestimmte konstante Zeit, z.B. eine Netzfrequenzperiode, die der Temperaturdifferenz proportionale Frequenz in eine aus elektronischen Frequenzteilern und elektronischen oder elektromechanischen Zählern mit Anzeige bestehende Wärme zählstufe durchläßt, gebildet und durch die eingezahlte Impuls zahl dargestellt.

Es sind Einrichtungen bekannt, die den veränderlichen Wannekoeffizienten k durch eine bewußt hervorgerufene Hichtlinearität in der Umwandlung des Analogwertes der Teiaperetiirdifferenz in eine Frequenz nachbilden. Diese Schaltungen ordnen die Viderstandsthenaoaeter in einer Meßbrücke an und steuern mit der Brückenausgangsspannung eiDen frequenzvariablen Oszillator. Da die Produktbildung und Auf summierung inkremental digital erfolgt, liegt der Fehleranteil des Rechenwerkes an der Wärmezählung veitgehend in dem Analog-Freqnoenz—Wandler zur Bildung der teiaperaturdifferenzproportionalen Frequenz.

Den bekannten Einrichtungen haften mehrere Mangel an. Die geforderte hohe Genauigkeit der Zählung ließ sich bisher nur mit hohem elektronischen Aufvand erreichen, insbesondere die Abhängigkeit der Ausgangsfrequenz des Wandlers von der Umgebungstemperatur des Gerätes konnte bisher nur schwer beherrscht werden. Weiters waren in den bekannten Rechenverken größere Schaltungsänderungea nötig, um diese an die großen möglichen Mengen— und Tenpera— turbereiche bzw. an die verschiedenen Gebersysteme anzupassen. Erfolgt die Mediumsmengeniaipulsbildung in großen Zeitabständen und die Produktbi 1 dung nur bei jedem Mengenimpuls, so führte dies bisher bei schnell veränderlichen Mediumstempersturen zu Fehlmessungen.

Die hier beschriebene Erfindung vermeidet die angeführten Hachteile bekannter Rechenwerke durch eine verbesserte Analog-Frequenz-Wandlerschalttmg, durch eine Mediumsmengenimpulsverdopplerschaltung und eine für die Umpro— grammierung geeignete Anordnung der Frequenzteiler.

Figur 1 zeigt das Blockschaltbild des der Erfindung zugrundeliegenden Rechenwerkes. Die Msdiumsmengenimpulse gelangen über eie Eingangsimpuls formerstufe 1 und den Frequenzteiler 2 zur Mediumsmengenanzeigestufe 3« Die Temperatur— differenz wird mittels Widerstandsthermometer U und 5 gemessen und im Analog— Frequenz-Wandler 6 in eine Frequenz umgeformt. Der Torstufe J wird einerseits diese Frequenz, andererseits die durch die Eingangsstufe 1 veränderten Mengen— impulse zugeführt. Die von der Torstufe 7 durchgelassenen Impulse verden über den Frequenzteiler 8 zur Warmamengenanzeige stufe 9 geleitet. Sämtliche Stufen

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werden von der Stromversorgung 10 mit Betriebsspannungen "beliefert.

Der in Figur 1 beschriebene Aufbau eines Rechenwerkes ist bekannt. Der Gegenstand der Erfindung ist die in Figur 2 dargestellte neue Schaltung für den Analog-Frequenz-Wandler 6, die in Figur 3 dargestellte neue Eingangsimpulsformerstufe 1 und die in Figur h angeführten Schaltungskombinationen für die Teiler 2 und 8.

Die erfindungsgemäße Schaltung nach Figur 2 enthält eine aus den Widerständen 11, 12, 13 dem Nullpunkteinstellwiderstand 1U und den Widerstands-Thermometern für die wärmere Leitung U und für die kältere Leitung 5 gebildete Brückenschaltung, deren Ausgangsspannung über die Vorwiderstände 17 und 18 dem Operationsverstärker 21 zugeführt wird. Die Anpassung an den Verlauf des Wärmefaktors k erfolgt durch entsprechende Wahl der Widerstände 11, 12, 13, 15 und 16. Erfindungsgemäß erlaubt die Belastung der Brücke durch einen niederen Wert für den Widerstand 16 die Umschaltung des Rechenwerkes von z.B. Pt 100 auf Ni 100 Widerstandsthermome—ter. Die aus dem Operationsverstärker 21, den Widerständen 23, 2U, 25 und dem Transistor 26 gebildete Verstärkerstufe verändert den Ladestrom des Kondensators 27· Die erfindungsgemäß aus dem programmierbaren Unijunction-Transistor 29, dem Hilfstransistor 30 den Widerständen 28, 31 und 33 und dem Endwerteinstellwiderstand 32 bestehenden Kippstufe entladet den Kondensator 27 wenn dessen Spannung die an 32 eingestellte Steuerspannung des PUT 29 erreicht. Die Frequenz der Kippschwingung ist somit abhängig von der verstärkten Brückenausgangsspannung. Eine aus dem Kondensator 22, dem als Diode geschalteten Transistor 20 und dem Widerstand 19 gebildete Rückführung speist einen der Ausgangsfrequenz proportionalen Strom auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 21 zurück, der den von der Brücke kommenden Strom kompensiert und somit einen linearen Zusammenhang zwischen Brückenausgangsspannung und Frequenz herstellt. Der am Widerstand 28 auf tastende Impuls steuert die aus Thyristor 3^ und Widerstand 35 bestehende Ausgangsstufe an.

Wesentlicher Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung des PUT 29 als Kippelement und das als Diode geschaltete Transistrsystem 20, der Anschluß des Widerstandes 19 an den dem kälteren Widerstandsthermometer zugeordneten Brückenzweig und der Anschluß des Kompensationswiderstandes 15 an den dem wärmeren Widerstandsthermometer zugeordneten Brückenzweig, welcher die Konstanz des Frequenznullpunktes über den ganzen Meßtemperaturbereich sicherstellt. Weiter ist ein Gegenstand der Erfindung die Vereinigung der Halbleitersysteme 20, 29, 30 und 3^ in einer monolrtüsch integrierten Schaltung,

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da nur dadurch ein geringer UmgebungstemEraturgang des Temperaturdifferenz-Frequenzverhältnisses erreicht werden kann. Die verbleibende Temperaturdrift wird durch den erfindungsgemäßen Einsatz eines Kondensators 22 mit positivem Temperaturkoeffizienten und die Wahl eines Widerstandes 31 mit negativen und 33 mit psitiven oder konstantem Temperaturkoeffizienten beseitigt. Durch Variation des Kapazitätswertes von 22 werden die bei verschiedenen Nenntemperaturdifferenzen, verschiedenen Anzeigeeinheiten, z.B. Gcal, MWh oder GJ zugeordneten Umsetzungsfaktoren der Ausgangsfrequenz des Wandlers festgelegt.

Figur 3 zeigt die erfindungsgemäße Schaltung der Eingangsimpulsformerstufe 1, die aus einem aus den Invertern 36 und 37 und den Widerständen 38, 39 und Uo bestehenden Schwellwertschalter und der aus dem Odergatter U5 den Widerständen U3 und UU und den Kondensatoren Ui und U2 bestehenden Impulsverdopplerstufe besteht. Die an dem i-n bekannter Weise arbeitenden Schwellwertschalter an den Ausgängen von 36 und 37 auftretenden Signale liefern abwechselnd beim Anstieg und Abfall des eingangsseitigen Mediumsmengenimpulses eine ansteigende Flanke. Diese mit U1, U3 bzw. U2, UU differenziert liefern oder verknüft am Ausgang vom Gatter U5 eine Impulsreihe mit der doppelten Mengenimpulsfrequenz.

Wird durch eine geeignete Dimensionierung des Kondensators 22 im Analog-Frequenz-Wandler 6 die bei einer bestimmten Mediumsmengeneinheit und Nenntemperaturdifferenz der Wärmemengeneinheit entsprechende Ausgangsfrequenz so zugeordnet, daß ihr Zahlenwert einer Potenz von zwei entspricht, wobei den verschiedenen Nenntemperaturdifferenzen, die ihrerseits im Verhältnis von Potenzen von zwei stehen müssen, immer der gleiche Zahlenwert erisprechen muß, so ist sowohl die Umschaltung des Rechenwerkes auf dekadische oder binäre Wertigkeiten der Mediumsmengenimpulse als auch auf verschiedene Nenntemperaturdifferenzen erfindungsgemäß nur durch Veränderungen des Teilverhältnisses um Potenzen von zwei zu erreichen. Dabei wurde'die Forderung nach genügender Auflösung der Wärmemengenanzeige, möglichst häufige Produktbildung bei niedrigen Impulszahlen pro Mediumsmengeneinheit, aber auch nach oben begrenzter Häufigkeit der Produktbildung mit minimalem Teileraufwand erfüllt.

Figur U zeigt die erfindungsgemaße Einschaltung der Frequenzteiler für einige Kombinationen von Mengenimpulswertigkeiten und Nenntemperaturdifferenzen, wenn bei der Nenntemperaturdifferenz pro Mediumsmengenimpuls z.B. 256 Impulse vom Tor 7 durchgelassen werden. Die angegebenen Teilerkombinationen können

bei anderen Impulszahlen und Wertigkeiten, wenn sie nur Vielfache von Potenzen von zwei sind, sinngemäß abgewandelt werden. Dekadensprünge werden durch Verschiebung des Stellenwertes in den Anzeigestufen 2 und 9 durchgeführt. Soll die Anzeige in GJ erfolgen, so ist erfindungsgemäß das Teilverhältnis von 8 um den Faktor k zu reduzieren. In der Tabelle der Figur k ist als Alternative auch jene Teilerkombination angegeben wenn nur die Wärme gezählt werden soll.

Die Erfindung umfaßt nicht nur Kombinationen der beschriebenen Schaltungen, sondern auch die einzelnen Schaltungen für sich.

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Claims

Patentansprüche-

\) Elektronisches Rechenwerk für Wärmezählanlagen, die eine Mediumsmengeaiorpulsforiaer stufe, zwei Frequenzteiler, eine Mediumsmengen— und eine Wärmemengenazeigestuf e, einen Analog-Frequenz-Wandler und eine Torschaltung umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzteiler (2, 8) als Binär— teiler mit herausgeführten Ein— und Ausgängen (U8 bis 56» "bzw. 59 bis 65) ausgeführt sind und die Mediumsmengenifflpulsformerstufe (1) einen Schwell— wertschalter ait komplementären Ausgängen (k6_t 66) und eine Impulsver— dopplerschaltung (M bis U5) enthält, vobei bei niedrigen Impulszahlen pro Mediumsmengeneinheit die doppelte Mediiimsniengenimpuls frequenz (Vf) zur Produktbildung über den Eingang (5T) der Torschaltung (T )> bei hohen Impuls— zahlen aber die an den Ausgängen (1»9 bis 53) abgegriffene reduzierte Mediuaxoengenisgtulsfrequenz herangezogen vird, wobei die Verbindungen des Einganges (56) mit den Ausgängen (1*9 bis 55) des Teilers (2), bzw. den Ausgängen (It6, ItT) des Mediuntsmftngenifflpulsformer (1) entsprechend dem benotigten Gesamt— teilfaktor zur Mediumsnengenanzeige (3) und die Verbindung des Ausganges

(58) der Torschaltung (T) nit den Eingängen (59 bis 65) des Teilers (8) entsprechend dem benotigten Gesamtteilfaktor zur Warmeinengenanzeige (9) ausgeführt wird und daß durch entsprechende Dimensionierung eines Kondensators (22) im Analog-Frequenz-Wandler (6) verschiedene ffenntemperatur— differenzen, die ihrerseits im Verhältnis von Potenzen von zwei stehen, zu gleichen Zahlenwerten der Ausgangsfrequenz des Analog-Frequenz-Wandlers (6) führen und der Gesamtteilfaktor im Teiler (8) umgekehrt proportional zur Änderung der Henntemperaturdifferenz geschaltet wird.

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2. Rechenwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erreichung der verschiedenen Meßbereiche für Mediumsmengeneinheit und Nenntemperaturdifferenzen die Verbindung der Ein- und Ausgänge der Binärteiler (2, 8)

entsprechend

Anzettje von 0.4 ttcdiummenge und Wärmemenge 43-56 47-57 58- Nennfemperaturdifftrtnz ⁰C 50 25 12.5 O₁B von Towperoku-diffefiKZ. 50-56 47-57 55- Ί00 62 61 60 1 47-57 5&- 63 61 60 59 2 46-48 47-57 58- 62 64 63 62 4 46-48 49-56 47-57 5S- 65 63 62 61 8 4T-56 50-56 47-57 58- 64 Gl 61 60 -| 16 46-56 51-56 49-57 58" 63 61 60 59 *3 32 46-45 52-56 50-57 58" 62 *62 61 £0 5 64 46-48 53-56 51-57 5S- 63 62 61 60 B S 128 46-48 54-56 52-57 5S- 63 62 61 60 °"λ 256 46-43 55-56 53-57 5S- 63 . 62 €1 60 * 3 46-48 63 62 61 60 ,46-48 63 E X. 46- 4&

ausgeführt sind.

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3. Rechenwerk nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Wannemengenanzeige in GJ der Gesaratteilfaktor im Teiler (8) gegenüber der Anzeige in Gcal oder MWh um den Faktor U reduziert wird.

h. Rechenwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Analog-Frequenz-Wandler eine Widerstandsbrücke (11, 12, 13, Ih)₉ in

die die Widerstandsthermometer (U, 5) eingeschaltet sind, eine aus einer Operationsverstärker- (21, 17, 18) und einer Transistorstufe (26, 23, 2U, 25) bestehenden Verstärkerstufe, eine den Kondensator (27) entladende Kippstufe und eine Rückführung enthält, die Mediumsmengenimpülsformerstufe (1) einen Schwellwertschalter mit komplementären Ausgängen (36, 37» 38, 39, Uo) enthalt und die Frequenzteiler (2, 8) als Binärteiler mit herausgeführten Ein- bar. Ausgängen ausgefihrt sind und daß die Kippstufe aus einem programmierbaren Unijunction-Transistor (29) und einem diesem zugeordneten Hilfstransistor (30) zusammen mit dessen Basisableitwiderstand (28) und einem zur Feineinstellung der Frequenz dienenden Spannungsteiler aus den Widerständen (31, 32, 33) gebildet wird und als Ausgangsstufe ein Thyristor (3U) mit Lastwiderstand (35) herangezogen wird und in der Rückführung ein als Diode geschalteter Transistor (20) zusammen mit einem Widerstand (19) und dem Kondensator (22) eingesetzt sind, wobei die Halbleiter sy sterne (20, 29» 30, 3U) in einer monolithischen integrierten Schaltung vereinigt sind und der Widerstand (19) an den dem kälteren Widerstandsthermomter zugeordneten Brückenzweig angeschlossen und ein weiterer Widerstand (15) dem wärmeren Widerstandsthermometer parallel geschaltet ist und in der Mediumsmengenimpulsformersufe (1) eine aus den Differenziergliedern (U1, U3 bzw. U2, UU) und dem Oder-Gatter (U5) gebildete Impulsverdopplersehaltung vorgesehen ist.

5. Rechenwerk nach einem der vorhergehenden. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (22) positiven, der Widerstand (31) negativen und der Widerstand (33) positiven oder konstanten Temperaturkoeffizienten besitzt.

6. Rechenwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gelmnzeichnet, daß durch Einschaltung des Widerstandes (16) mit niedrigem Widerstandswert in die Brückendiagonale die Umschaltung von Pt 100 auf Ni 100 Widerstandsthermometer ermöglicht wird.

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