DE2816611C2 - Wärmemengenmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmemengenmesser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Wärmemengenmesser dieser Art ist bekannt (FR-PS 23 04 066). Dabei wird die von der Temperaturdifferenz abhängige Meßspannung einem Impulsgenerator zugeführt, dem auch Impulse von dem Volumenmesser zugeführt werden, und der jedesmal, v.enn einer dieser Impulse auftritt, einen Impuls erzeugt, dessen Länge von der Meßspannung abhängt. Die Impulse von dem impulsgenerator werden einem UND-Glied zugeführt, dessen zweitem Eingang Impulse von einem Oszillator mit fester Frequenz zugeführt werden. Das Ausgangssignal des UND-Glieds wird einem (ersten) Zähler zugeführt, dessen Zählerstand eine Funktion des Produktes aus der Temperaturdifferenz und dem Volumen und d^.Tiit eine Funktion der an den Verbraucher abgegebenen Wärmemenge ist. Um eine exakte Messung zu erreichen, muß die Länge der Impulse von dem Impulsgenerator alleine von der Temperaturdifferenz abhängen und muß die Frequenz der Impulse von dem Oszillator außerordentlich konstant sein. Die dazu erforderlichen Maßnahmen haben einen komplizierten Aufbau zur Folge, insbesondere bei Batteriebetrieb, bei dem damit zu rechnen ist. daß die Speisespannung zeitabhängig nicht unwesentlich abnimmt. Normalerweise erfolgt auch die Messung der Temperaturdifferenz nicht unabhängig von der Speisespannung. Die zur Beseitigt ~rß des Einflusses von Speisespannungsschwankungen üblicherweise verwendbaren Maßnahmen erfordern zusätzlichen Stromverbrauch und sind daher für Batteriebetrieb nicht geeignet.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Wärmemesser der eingangs genannten Art so auszubilden, daß er bei einfachem Aufbau und ohne Steigerung des Stromverbrauchs in großem Maße von Speisespannungsschwankungen unabhängig ist und damit gut für Batteriebetrieb geeignet ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung wird durch die Merkmale der Unteransprüche weiter gebildet.

Aus der US-PS 39 78 471 ist ein Digitalthermometer mit einem Doppelrampenumsetzer der genannten Art bekannt. Dort ist ein Temperaturfühler, der in dem Medium angeordnet ist, dessen Temperatur gemessen werden soll, zusammen mit einem (Ohmschen) Widerstand in dem ersten Zweig einer elektrischen Brückenschaltung, dessen zweiter Zweig 2 (Ohmsche) Widerstände enthält. Der Doppelrampenumsetzer selbst enthält einen Integrator und einen nachgeschalteten Vergleichet, wobei an dem Integratoreingang ein Kondensator angeschaltet ist. der mittels Umschalter entweder an den ersten Zweig der Brückenschaltung oder den zweiten Zweig der Brückenschaltung oder an die Speisespannung der Brückenschaltung anschließbar

ist. Vor dtm Einleiten eijius Umsetzerz^klus wird der Diagonalen-Ansehlußpunkt des ersten Brückenzweiges mil dem Kondensator verbunden und wird gleichzeitig die aus dem Integrator und dem Vergleicher bestehende Schaltung auf Null gestellt. In einem ersten Teil des Umsetzerzyklus wird der Diagonalen-Anschlußpunkt des zweiten Bpickenzweiges mit dem Eingangskondensator verbunden und in einem weitern Teil des Umsetzerzyklus wird die Speisespannung der Brückenspannung direkt an den Kondensator angelegt. Die Dauer des ersten Teils des Umsetzerzyklus wird durch einen Oszillator bestimmt, dessen Signal einem Zähler zugeführt wird. Der Zähler ist beispielsweise ein vierstelliger Dezimalzähler, der zu Beginn des Umsetzerzyklus auf den Zählerstand 9000 eingestellt ist. Sobald der Zähler von 9999 auf 0000 springt, erfolgt der Übergang von dem ersten zu dem zweiten Teil des Umsetzerzyklus. Der zweite Teil des Umsetzerzyklus wird abgeschlossen, wenn der Vergleicher feststellt, daß die Spannung über einen Integrationskondensator im Integrator den Ausgangs- bzw. den Endwert erreicht hat, Der Zählerstand, den der Zähler dam. erreicht hat, ist ein Maß für die Temperatur am Temperaturf "'hler, die mittels einer Anzeigeeinrichtung dargestellt werden kann. Die Umsetzerzyklen können mit konstanten Zeitintervallen, wie beispielsweise durch Unterteilung der Netzfrequenz erreicht werden oder zu willkürlichen Zeitpunkten durch Betätigen eines Schalters eingeleitet werden. Da während des zweiten Teils des Umsetzerzyklus die Speisespannung der Brückenspannung am Eingangskondensator liegt, wird eine weitgehende Kompensation des Fehlers erreicht, der sich sonst als Folge von Speisespannungsschwankungen ergeben würde, jedoch nur unter der Voraussetzung, daß der Eingangskondensator während des Umsetzerzyklus seine Ladung aufrecht erhalten kann. Das bekannte Digitalthermometer ist auch bezüglich Oszillatorfrequenzschwankungen kompensiert und der Voraussetzung, daß die Oszillatorfrequenz während eines Umsetzerzyklus konstant ist.

Das bekannte Digitalthermometer ist einerseits zur Messung der Vorlauftemperatur und ist andererseits zur Messung der Rücklauftemperatur geeignet, wobei in relativ einfacher Weise aus digitalen Meßwerten von 2 Digitalthermometern ein der Temperaturdifferenz entsprechender Digitalwert ableitbar ist. Somit könnte ein Wärmemengenmeser geschaffen w_v rden. bei dem die Temperaturmessung unabhängig von Speisespannungsschwankungen erfolgt, der jedoch offensichtlich komplizierten Aufbau mit höchstwahrscheinlich erhöhtem Stromverbrauch besitzt.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß durch eine geeignete Kombination der bekannten Lehren unter Modifizieren deren Aufbaus die vorstehend genannte Aufgabe gelöst werden kann. Einerseits wird die Meßspannung, die die Differenz zwischen der Vorlauftemperatur und der Rücklauftemperatur wiedergibt, während des ersten Teils des Umsetzerzyklus dem Eingang des Integrators direkt zugeführt, d. h. ohne Verwendung eines derartigen Eingangskondensators, dessen Ladung während des Umsetzerzyklus konstant gehalten werden muß. und andererseits wird als Referenzspannung während des zweiten Teils des Umsct/crzyklus eine zur Speisespannung der Briickcnschaltung proportionale Spannung zugeführt, die beispielsweise mittels eines Spannungsteilers erzeugbar ist. der von der glciclicn Spannungsquelle wie die Brückcnschaltung gespeist ist. Dadurch kann die Messung völlig unabhängig von Speisespannungsschwankungen der Speisespannung an der Meßbrücke sein. Weiter wird die Einleitung des Umsetzerzyklus durch die Impulse von dem Volumenmesser ausgelöst. Dadurch wird auf außerordentlich einfache Weise das erwünschte Produkt aus Temperaturdifferenz und aus Durchlaufvolumen erreicht. Weiter ist bei der Erfindung ein zusätzlicher, zweiter Zähler vorgesehen, während bei dem bekannten Doppelrampenumsetzer nur ein Zähler benutzt wird, der dort eine doppelte Funktion erfüllt, indem er einerseits während des ersten Teils des Umsetzerzyklus bis zu einer vorgegebenen Zahl zählt und dadurch die Dauer dieses Teils bestimmt und danach während des zweiten Teils die das Meßergebnis wiedergebenden Impulse zählt, wobei dieser Zählerstand darstellbar ist. Bei der Einleitung des nächsten Umsetzerzyklus wird bei dem bekannten Doppelrampenumsetzer der Zählerstand gelöscht. Jedoch soll bei einem Wärmemengenmesser eine Summierung der Impulse, die im zweiten Teil des Umsetzerzyklus auftreten, erfolgen, weshalb der Zählerstand des ersten Zählers nicht gelöscht werden darf. Lcähalb ist der zweite Zähler vorgesehen, der bis zu einem vorgegebenen Zählerstand zählen kann und der bei Erreichen des Zählerstands bewirkt, daß danach die Impulse von dem Oszillator dem zweiten, summierenden Zähler zugeführt werden.

Durch diese nicht unwesentlichen Modifikationen des bekannten Analog/ Digital-Doppelrampenumsetzer wird überraschend ein Wärmemengenmesser erreicht, der die erwünschten Vorteile gegenüber dem eingangs beschriebenen bekannten Wärmemengenmesser besitzt.

Durch die Maßnahmen gemäß dem Anspruch 2 wird in außerordentlich einfacher Weise ein Umsetzerzyklus durch die Impulse von dem Volumenmesser eingeleitet.

Die Merkmale des Anspruchs 3 und des Anspruchs 4 verbessern die Brauchbarkeit des erfinduiigsgemäßen Wärmemengenmessers für Batteriebetrieb. Die Maßnahme des Anspruchs 5 kann durch geeignete Dimensionierung zu einer Kompensation bezüglich des temperRturabhängigen Massengehalts und Wärmegehalts des Mediums dienen (vgl. DK-AS 134 085).

Die Erfindung wird an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erlaufen. Es zeigt

Fig. 1 im Prinzipschaltbild den Anschluß eines erfindungsgemäßen Wärmemengenmessers an einen Verbraucher.

Fig. 2 ein ausführliches Schaltbild des erfindungsgemäßen Wärmemengenmessers,

Fig. 3 Signalverläufe zur Erläuterung der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Wärmemengcnmessers.

Fig. 1 zeigt einen Wärmeverbraucher 1, dem über eine Vo, ia-jfleitung 2 ein Wärme transportierendes Medium, z. B. Wasser zugeführt wird, das den Verbraucher 1 dann über eine Rücklaufleitung j wieder verläßt. In der Vorlaufleitung 2 ist ein Temperaturfühler Rv. z. B. ein temperaturempfindlicher Widerstand und in der Rücklaufleitung 3 ist ein zweiter Temperaturfühler Rh vorgesehen. In die Rücklaufleitung 3 ist ferner ein Volumenmesser 4 eingeschaltet, der beispielsweise jedesmal einen Schalter A kurz betätigt, wenn ein gegebenes Volumen des Mediums hindurchgeströmt ist. Sowohl die beiden Temperaturfühler R\-und R nah auch der Volume messer 4 sind an einen Wärmcniengcnme· scr 5 angeschlossen, der aus dem Produkt aus der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des

Mediums in der Vorlaufleitung 2 und der Temperatur des Mediums in der Rüeklaufleitung 3 und dem Volumen des durch den Wärmever rancher I geströmten Mediums die Wärmemenge berechnet, die an ilen Wärmeverbraucher I abgegeben worden ist.

f■'i g. 2 zeigt wieder die beiden TemperatuifühlerA'i und Rk, und zwar zusammen mit zwei Ohmsehen Widcrstärden Wi und R\ als Teile einer Brückensehaltung, die mit einer Speisespannung V'nn versorgt ist. An der anderen Diagonalen der Urückenschaltung wird eine Spannung abgegriffen, die einem Differenzverstärker 6 zugeführt wird, an dessen Ausgang eine Spannung Ll, auftritt, die der Differenz /wischen der Vorlauftemperatur ti ml der Rüeklai'ftcmpcratur proportional ist.

Zum Umsetzen dieses Analogsignals in ein Digitalsignal enthält der Wärmemengenmesser 5 einen Integrator mit einem Verstärker 7. einem Integrationskondensator C" und einem I.adewiderstand Af₄, sowie einen ersten Zähler 8. einen zweiten Zähler 9 und einen

vorgegebenen Zahl. z. B. 2¹- zählen und bewirkt bei Frreichen dieses Zählerstandes das Umsehalten von /wei Schaltern D₁ und />- aus den in F-' i g. 2 dargestellten unteren Stellungen in die jeweils oberen Stellungen.

Der Schalter Λ im Volumenmesser 4 (Fig. I) ist mit einer Steuerschaltung Il so verbunden, daß bei Betätigung des Schalters A ein anderer Schalter B geschlossen wird, wodurch dann die von außen zugelührte Speisespannung Vnn den verschiedenen Teilen des Wärmemengenmessers 5 als Speisespannung V'nn zugeführt wird.

Die Spannung am Kondensator C wird als Spannung il( einem Vergleicner 12 zugeführt, der, wenn die Spannung am Kondensator C ihren Ausgangswert bzw. Endwert, beispielsweise die Spannung Null, erreicht hat. an seinem Ausgang ein Signal abgibt, das einem Eingang der Steuerschaltung 11 zugeführt wird, und erreicht, daß der Schalter ß geöffnet wird, wodurch die Speisespan nung V'hr abgetrennt wird.

Schließlich ist ein Spannungsteiler vorgesehen, an dem die Speisespannung V"_eR liegt, der aus zwei Ohmsehen Widerständen Af₂ und R] besteht und an dessen Abgriff eine Referenzspannung U_r abfällt.

Der Wärmemengenmesser arbeilet folgendermaßen:

Im Ruhezustand, wenn der Volumenmesser 4 keine Messung ausgelöst hat. sind die Schalter .4 und B geöffnet und ist die Speisespannung V'bh auf Null. Dies bewirkt unter anderem, daß der zweite Zähler 9 auf Null steht und daß sich die beiden Schalter D\ und D₂ in ihren dargestellten unteren Stellungen befindet.

Wenn der Volumenmesser 4 erfaßt, daß seit der letzten Schalterbetätigung (Schalter A) ein vorgegebenes Volumen des Mediums hindurchgeströmt ist. wird der Schalter A geschlossen, wodurch auch der Schalter B geschlossen wird, so daß die Speisespannung V'ssden Wert Vpe annimmt. Dies bewirkt, daß der Oszillator 10 anfängt ein Ausgangssignal abzugeben, das aus einer Reihe von Impulsen oder einer anderen Form elektrischer Schwingungssignale wie einem Sinussignal bestehen kann und das dem zweiten Zähler 9 zugeführt wird, der nun beginnt, die Anzahl der vom Oszillator !0 abgegebenen Schwingungen bzw. Impulse zu zählen. Gleichzeitig treten die Spannungen U, und U_r an den Eingängen des Schalters D₁ auf, und wird der Kondensator C (zunächst) mit konstantem Strom aufgeladen, der von der Spannung U, abhängig ist (untere Stellung des Schalters Di).

Wenn der zweite Zähler 9 den vorgegebenen

Zählerstand erreicht hat, werden die SchaUer I), iiihI /A>in ihre oberen Stellungen umgeschaltet, so daß d.is Ausgangssignal des Oszillators 10 nun dem ersten Zähler 8 zugeführt wird und gleichzeitig der Kondensator ("mit konstantem Strom entladen wird, der \on der festen Spannung ί', bestimmt ist.

Wenn die Spannung IU am Kondensator C ihren Atisgangswert bzw. l'.ndwert erreicht hat. gibt der Vcrgleicher 12 ein Ausgangssignal ab. durch das die Steuerschaltung Il den Schalter // offnei. so dall die Speisespannung V'nn zu Null wird. Dadirch wird der Betrieb des Oszillators 10 beendet und Ivirt der erste Zähler 8 auf zu Z-'Men. Der erste Zähler 8 stein dann auf einem Zählerstand, der. wie das erläutert werden wird, von der Spannung II, und damit von der Temperaiiirdifferenz abhängt. Da die Anzahl der Zählungen, die pro Zeiteiniieit vom ersten Zähler 8 durchgeführt werden, von der Anzahl der Betätigungen des Schalters A prc Zeiteinheit und damit von eiern durch den Volumenmesser 4 gt.":!rO!11!en V< >)mmiimi ill·«. I li-i/mpiliums ahhiiniM.

stellt der Gesamt-Zählerstand des ersten Zählers 8 ein Maß für die abgegebene Wärmemenge dar. Der erste Zähler 8 kann mit einem mechanischen Zahler H gekoppelt sein. t^!er unter Verwendung eines geeigneten Unisetzungsvcrhalinisses beispielsweise die abgegebene Wärmemenge in MWh anzeigt.

Mit einer Temperaturdifferenz Jl. die durch die beiden Temperaturfühler R\ und Iiκ gemessen wird, ergibt /;h die Spannung II, zu:

U, = K₁-Jf- V'm, (I)

Entsprechend ergibt sieh die Referenzspannung U_r

U, - K: ■ V₁,

Die maximale Spannung, die während des Aufladens am Kondensator Cerreichbar ist. ergibt sich zu:

C A4 ■/„

(3)

(3a)

wobei η = höchster Zählerstand, bis zu dem der zweite Zähler 9 zählen kann.

/i,„ = Frequenz des vom Oszillator 10 erzeugten Schwingungssignals.

Da η und f„<_c konstant sind ist der Zeitraum, in dem das Aufladen erfolgt, und der in Fig. 3 von dem Zeitpunkt fo bis zu dem Zeitpunkt fi dauert, konstant, während die an dem Kondensator Cerzielte m. ;imale Spannung von der Ladespannung U, und damit von der Temperaturdifferenz Al abhängt.

In der Entladeperiode muß die Spannung am Kondensator C um einen entsprechend gleich großen Wert abfallen d. h. es gilt:

= Ur- Kl

wobei ρ = Anzahl der Schwingungen, die dem ersten Zähler 8 zugeführt werden.

Da die Neigung der Kurve, die in der Entladeperiode von t\ bis h (F i g. 3) die Spannung am Kondensator CaIs Funktion der Zeit wiedergibt, konstant ist, da die Spannung U_r konstant ist, und da die Spannung Uqmat) sich mit der Temperaturdiffenenz ändert, ändert sich auch die Entladezeitdauer von f; bis f2 und damit auch die Anzahl ρ abhängig von der Temperaturdifferenz.

Da ί',(,.,,ι beim Laden und Hntladen gleich groll sein muH. ergibt sieh durch C ilcichsetzen der Gleichungen (i) Ulli (·»):

//, Κι ■ it - II, ■ Κι
Daraus ergibt sich:
_ U₁- η _ Ki ■ Δι ■

K₁ η

U,

κ, ■ ν·_ΛΙ

Al. (6)

in der lie/iehung für μ ist die Speisespannung nicht mehr enthalten, d. h.. Änderungen oder Sch'.ankungen der Speisespannung haben keinen Kinfluß mehr auf das MeHergcbnis. Weiter ist auch der Ausdruck Ki. in dem die Os/illatorfrequen/ enthalten ist. nicht mehr enthalten. Die Os/illatorfrequen/ ist ,ilso nicht kritisch, vorausgesetzt.daß sie während jedes l.adevorgangs und

des anschließenden lintladevorgangs konstant bleibt.

Dadurch ist der erläuterte crfindiingsgemiiße Wärmemesser in besonderem Malle für liattericbetrieb geeignet, bei dem die Speisespannung im Laufe der Zeit häufig abfällt. Diese Kignung wird noch dadurch unterstützt, daß der größte Teil des Wärmemengenmessers, wie sich das aus F i g. 2 ergibt, während eines sehr gr.ißen Teils der Zeit ohne .Spannung ist. so daß der Stromverbrauch minimal ist.

Hin Widerstand /f-„ der in (·' i g. 5 mit .Strichlinien dargestellt ist. kann in dem Wärmemengenmesser vorgesehen sein. Mit diesem Widerstand R--, ist es möglich (UH-C)S 2*3 04 747) das spezifische Gewicht und damit die Dichte sowie die spezifische Wärme des I leizniediums. die sich mit der Temperatur ändern, zu berücksichtigen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Wärmemengenmesser zum Messen der von einem strömenden Medium an einen Wärmeverbraucher abgegebenen Wärmemenge, mit

zwei im Mediumstrom vor bzw. hinter dem Verbraucher angeordneten und in einer elektrischen Brückenschaltung geschalteten Temperaturfühlern, die eine von der Temperaturdifferenz des strömen- ι ο den Mediums vor und hinter dem Wärmeverbraucher abhängige Meßspannung erzeugen,
einem im Mediumstrom angeordneten Volumenmesser, der einen Impuls jedesmal erzeugt, wenn ein vorgegebenes Volumen des strömenden Mediums π hindurchgeströmt ist,

einen Generator einschließlich eines Oszillators, der bei jedem Auftreten eines Impulses vom Volumenmesser eine Impulsfolge erzeugt, die eine von der Meßspannung abhängige Impulsanzahl besitzt, und einem ersten Zähler, der die Impulsanzahlen sämilicher Impulsfolgen summiert, dadurch gekennzeichnet,

daß ein an sich bekannter Analog/Digital-Doppelrampenumsetzer als eine Eingangsspannung die Temperaturmeßspannung (U₁) und als andere Eingangsspannung eine Referenzspannung (Ur) empfängt, wobei die Referenzspannung (Ur) zur Speisespannung der Brückenschaltung porportional ist, daß der Analog/Digital-Doppelrampenumsetzer die Ausgangsir pulse des Volumenmessers (4) empfängt und bei jedem Auftreten nines Impulses einen Umsetzerzyklus auslöst und

daß ein zweiter Zähler \9) in den Zeiträumen, in denen der Analog/Digital-Doppelrampenumsetzer die Temperaturmeßspannung (U₁) empfängt, die Impulse des Oszillators (tO) zählt und nach Zählen einer vorbestimmten Anzahl von Impulsen erreicht, daß der Umsetzer dann die Referenzspannung (Ur) als Eingangsspannung und der erste Zähler (8) dann die Impulse des Oszillators (10) empfängt.

2. Wärmemengenmesser nach Anspruch I, gekennzeichnet durch eine Steuerschaltung (II), die die Impulse des Volumenmesers (AA) empfängt und unabhängig davon dem Oszillator (10) und dem zweiten Zähler (9) Speisespannung zuführt.

3. Wärmemengenmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß der Doppelrampenumsetzer, wie an sich bekannt, einen Integrator (7) und einen nachgeschalteten Vergleicher (12) enthält zum Feststellen, ob die Ausgangsspannung des Integrators (7) ihren Endwert erreicht hat,

daß das Ausgangssignal des Vergleichers (12) der Steuerschaltung (11) zugeführt ist und
daß die Steuerschaltung (11) die Speisespannung für den Oszillator (10) und den 2. Zähler (9) unterbricht, wenn die Ausgangsspannung des Integrators (7) ihren Endwert erreicht hat.

4. Wärmemengenmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet.

daß die Referenzspannung mittels eines Spannungsteilers (R₁. R,) erzeugt ist, an dem die gleiche Spannung wie an der Brückenschaltung liegt, und b^r> daß die Speisespannung für den Spannungsteiler (R2, Rt) und die Brückenschaltung nur dann anliegt, wenn an dem Oszillator (10) und dem 2. Zähler (9) eine

Speisespannung anliegt.

5. Wärmemengenmeser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Abgriff des Spannungsteilers (Ri, R_s) und dem an die Diagonale der Brückenschaltung angeschlossenen Ende des Temperaturfühlers (Rr) im Mediumstrom hinter dem Wärmeverbraucher ein Widerstand (Ri) angeschlossen ist.