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Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung
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des Massenflusses Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Bestimmung des Massenflusses bei einem Förderungssystem für Fluide und ist insbesondere
zur Bestimmung des Heizöl-oder Kraftstoffverbrauchs bei Heizanlagen oder Verbrennungsmotoren
geeignet.
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Zur Zeit wird der Verbrauch von Heizöl oder Etraftstoffen integral
über längere Zeiträume bei der Tankfüllung bestimmt.
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Um aber Heizanlagen oder Kraftfahrzeugmotoren jederzeit aur energiesparende
Betriebsweise überprüfen zu können, muß der
momentane Verbrauch,
d.h. die Durchflußmenge oder der Massenfluß bekannt sein.
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Zur Durchflußmengenmessung werden derzeit aus Kostengründen lediglich
mechanische Verfahren eingesetzt. Zur Verwendung kommen dabei z.B. Flügelradzähler,
die meist nach einer bestimmten Betriebszeit infolge Verschmutzung ausfallen und
bei kleinen Durchflußmengen keine genaue Bestimmung erlauben.
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An,sere Vorrichtungen, z.B. Federscheiben-, Schwebekörper-, Staudruck-,
Ultraschall- oder induktive Durchflußmengenmesser sind zum Teil aus technischen
Gründen nicht einsetzbar und meist zu kostspielig.
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Die Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen 1 bis 12 gekennzeichnet
ist, löst die Aufgabe, unter Vermeidung der oben genannten Nachteile bekannter Methoden
den kurzzeitigen, d.h.
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momeritanen, sowie den integralen Massenfluß oder die Durchflußmenge
in einfacher, zuverlässiger und kostengünstiger Weise zu ermitteln.
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Erfindungsgemäß wird zur Bestimmung des Massenflusses erstens zwischen
Zulauf und Rücklauf eine geringe, nicht näher zu definierende Temperaturänderung
von weniger als 100C, vorzugsweise weniger als 5 0C und insbesondere ca. 3°C, erzeugt
und zweitens über eine Wärmeleitstrecke eine definierte Wärme-
menge
pro Zeiteinheit vom Zulauf zum Rücklauf oder umgekehrt transportiert.
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Die erforderliche Temperaturänderung kann durch Kühlung oder geringfügige
Heizung des Fluids erzielt werden. Bei Förderungssystemen mit abgezweigter Verbrauchsleitung
ist es vorteilhaft, die Kühl- bzw. Heizeinrichtung nach der Abzweigung der Verbrauchs
leitung anzubringen, damit lediglich die rückfliessende Menge erwärmt bzw. gekühlt
zu werden braucht. Dies jedoch entfällt bei Systemen, z.B. bei Kraftfahrzeugen,
bei denen moderne Vergaser bzw. Einspritzpumpen systembedingt die erforderliche
und nicht näher zu definierende Temperaturänderung erzeugen.
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Als Wärmeleitstrecke zwischen Zulaufleitung und RUcklaufleitung käfl'n
z.B. ein spezieller Gegenstrom-Wärmeaustauscher verwendet werden. Dabei muß ein
möglichst geringer Wärmedurchgang (fest) bei möglichst großem Wärmeübergang (flüssig/fest
und fest/flüssig) gewährleistet sein. Dies kann z.B. realisiert werden, wenn man
die Zulaufleitung und Rücklaufleitung vereinigt und für den Wärmeübergang eine Trennwand
mit stark vergrößerter Oberfläche vorsieht. Ferner können im WErmetauscher Engpässe
geschaffen werden, z.B. durch bestimmte Hohlteile, oder im Transportmedium kann
die Oberfläche erhdht werden, z.B. durch Einbringen von Heiz- oder Kühlrippen. linse
gute
Durchmischung der Flüssigkeit kann z.B. durch Vorsehen von Filllkörpern, z.B. Glaskugeln,
erzielt werden. Die Wärmeleitstrecke muß inclusive der Temperaturmeßstellen nach
außen hin gut isoliert bzw. wärmegedämmt sein. Das ganze System kann ferner kUnstlich
gealtert werden, um eine zeitliche StabilitAt zu erreichen.
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Die für den optimalen Wärmeübergang vom Fluid zur Festkörper-Wärmeleitstrecke
notwendige große Oberfläche kann auch durch den Einsatz eines Verbund-Werkstoffs
erhalten werden. Benutzt man nämlich Materialien wie Emaille oder Kunststoffe, z.B.
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Teflon, - die allerdings dann auf ein Trägermaterial aufgebracht werden
müssen - als Festkörper-Wärmeleitstrecke, so ist deren Wärme leitung so gering,
daß eine genügend große Oberfläche gewährleistet ist. Bei einer konzentrischen Ausführungsform
der Durchflußleitungen, in der die kältere Flüssigkeit außen und die wärmere innen
im Gegenstrom geführt werden, kann man den gewünschten Effekt erhalten, wenn ein
Stahlrohr von ca. 2 mm Dicke einseitig oder beidseitig mit Emaille mit Schichtdicken
von ca. 1 mm oder mit Kunststoffen mit Schichtdicken von ca. 0,1 mm beschichtet
wird.
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I)ie rllemperaturen bzw. Temperaturdifferenzen werden am oder nahe
der Enden der beiden Wärme übergangs zonen im Zulauf und Rücklauf gemessen, d.h.bezogen
auf die Durchflußrichtung
a) am Anfang und Ende der Wärmeleitstrecke
an der Zulaurleitung (T1 - T2) b) am Anfang und Ende der Wärmeleitstrecke an der
Rücklaufleitung (T4 - T3) c) am Anfang der Wärmeleitstrecke an der Zulaufleitung
und Rücklaufleitung (T1 - T4) d) am Ende der Wärmeleitstrecke an der Zulaufleitung
und Rücklaufleitung (T2 - T3).
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Die erforderlichen Temperatur- bzw. Temperaturdifferenzmessungen werden
vorzugsweise durch Thermoelemente, NTC-Wideistände oder Transistoren an geeigneten
Stellen der Leitungsaußenwand der Zulaufleitung und Rücklaufleitung bzw. im Fluid
vorgenommen.
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Aus den Temperaturdifferenzen läßt sich der Massenfluß best inmen.
Bei Börderungssystemen nach dem Umlaufprinzip, bei denen die Verbrauchsleitung abgezweigt
ist, wird die Verbrauchsmenge aus der Differenz der Massenflüsse des Zulaufs und
des Rücklaufs ermittelt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Bestimmung des Massenflusses
ohne Verwendung mechanischer Bauteile. Es werde ausschließlich Temperaturen bzw.
Temperaturdifferenzen gemessen. Die erhaltenen Informationen werden direkt als elektri-
sehe
Signale zur Verfügung gestellt und elektronisch weiter verarbeitet.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen in schematischer Vereinfachung Figur 1 ein Förderungssystem für Fluide
nach dem Umlaufprinzip mit Temperaturdifferenzerzeugung durch Kühlung oder Heizung
mit einer Wärmeleitstrecke zwischen Zulaufleitung und Rücklaufleitung und Figur
2 den Temperaturverlauf in der Zulaufleitung und Rücklaufleitung.
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Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren am Beispiel einer
Kraftstoffzuführung erläutert. Demzufolge ist in Figur 1 zwischen den Punkten 1
und 2 ein Stück der Zulaufleitung gezeichnet, in dem der Kraftstoff von 1 nach 2
fließt.
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Zwischen den Punkten 3 und 4 liegt die Rücklaufleitung, in del eine
geringere Menge Kraftstoff von 3 nach 4 fließt, weil über die Verbrauchsleitung
5 Kraftstoff abgezweigt wird. Zwisehen Zulaufleitung und Rücklaufleitung befindet
sich eine W'irmeleitstrecke 7, die als schraffierte Fläche gezeichnet ist.
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oie ist hier der Einfachheit halber als geometrisch-symmetrisch
zur
Symmetrieachse S angenommen. Weiterhin wird vorausgeset:t, daß das aus Zulaufleitung,
Rücklaufleitung und Wärmeleitstrecke bestehende Stück gegenüber der Umgebungstemperatur
ausreichend wärmeisoliert ist. Die Temperaturen des Kraftstoffs in der Zulaufleitung
und Rücklaufleitung sind unterschiedlich, und zwar entweder infolge Kühlung durch
Fahrtwind bzw. Propeller oder infolge Erwärmung durch Einspritzpumpe oder Vergaser.
In Systemem, in denen eine Temperaturänderung nicht ohne weiteres erzeugbar ist,
wird hinter der Verbrauchs leitung 5 eine Heiz- oder Kühleinrichtung O Vorgesehen.
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Beim Betrieb des in Figur 1 gezeichneten Systems durchflieB1 der Kraftstoff
mit der Temperatur T1 den Punkt 1 und bleibt bis zu Beginn der Wärmeleitung auf
dem Temperaturniveau T Durch die Wärmeleitstrecke wird ab diesem Punkt eine Wärmemenge
von der Rücklaufleitung abgeführt, wenn eine Kühlung vorgesehen wird, so daß in
der Zulaufleitung hinter der Wärmeleitstrecke der Kraftstoff eine niedrigere Temperatur
T2 besitzt, mit der er den Punkt 2 durchfließt. Nach Abzweigen der Verbrauchsmenge
über die Verbrauchs leitung 5 und nach Durchlauf durch den Kühler 6 gelangt der
Restkraftstoff zum Punkt 3 mit der Temperatur T3. Durch die Wärmeleitstrecke wird
von der Zulaufleitung eine bestimmte Wärmemenge zugeführt, so daß er die Wärmeleitstrecke
mit der höheren
Temperatur T4 verläßt, mit der er auch den Punkt
4 durchläuft.
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Danach wird der Restkraftstoff zum Tank zurückgeführt.
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Wenn die spezifiscne Wärme des warmen Kraftstoffs nahezu genauso groß
ist wie die des kälteren Kraftstoffs ( dies ist bei nur 5°C Temperaturunterschied
im Rahmen der erforderlichen Meßgenauigkeit gegeben) gelten die folgenden Beziehungen:
A 1T = T1 - T2 #2T = T2 - T3 #3T = T4 - T3 1T = T1 -Unterstellt man, daß die Wärmeleitung
ausschließlich senkrecht zur Symmetrieachse S erfolgt, was man z.B. mit hinreichender
Genaui.gkeit durch einen sehr geringen Abstand zwichen Zulaufleitung und Rücklaufleitung
an der Wärmeleitstrecke erreichen kann, so ergibt sich der in Figur 2 dargellte
Temperaturverlauf. Da die Temperaturdifferenze zwischen zwei Punkten an der Zulaufleitung
und Rücklaufleitllng, die :;ymrnetrisch zur Symmetrieachse S liegen, je nach Ort
verschieden sind, wird insgesamt über die Wärmeleitstrecke eine Wärmemenge Q1 transportiert:
Q1=α.#Tm (I)
Dabei ist #Tm die mittlere treibende Temperaturdifferenz,
die sich wie folgt ergibt:
α ist eine "Wärmedurchgangszahl" und die Zusammenfassung aus Wärmeübergangs-
und Wärmeleitzahlen. Sie hängt lediglich von Geometrie und Werkstoff der Wärmeleitstrecke
ab und karin zur Erzielung der Proportionalität zwischen mittlerer Temperaturdifferenz
Tm und zu- und abgeführter Wärmemenge, wie ober läutert, durch konstruktive Maßnahmen
entsprechend beeinflußt werden.
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I)ie über die Wärmeleitstrecke abgegebene Wärmemenge QJ reduziert
die Temperatur in der Zulaufleitung von T1 auf T2 bzw.
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erhöht die Temperatur in der Rücklaufleitung von T auf T4.E, gilt
also auch =#Zulauf .CK-#1T=#Rücklauf.CK.#3T (III) ist die spezifische Wärme des
Kraftstoffs.
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Bei Berücksichtigung der gleichung (I) erhält man #Tm Zulauf.CK=α##
(IV) #1T
ATm Rücklauf CK =α (V) #3T Die Verbrauchsmenge bzw.
Massenfluß # ergibt sich als Differenz zwischen Zulauf und Rücklauf: #.CK=#Zulauf.CK
- #Rücklauf.CK=α-#Tm.(### ###) #1T #3T Diese Gleichung enthält außer den Temperaturdifferenzen
#1T, #2T, #3T und #4T(#Tm ergibt sich aus #2T und #4T) noch ctie oben erklärte Konstante
α und die spezifische Wärme des Kraftstoffs CK. K Wenn die Durchflußmengen
in der Zulaufleitung und Rücklaufleitung gleich sind, weil keine Verbrauchs leitung
abgezweigt wird, werden zur Ermittlung des Massenflusses die Beziehungen (IV) und
(V) entsprechend angewendet.
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Die Temperaturdifferenzen #1T und #3T sollten möglichst gering sein,
nicht nur um die Wärmeleitstrecke möglichst klein dimensionieren zu können, sondern
auch um unnötig hohe Temperaturdifferenzen #2T bzw. #4T zu vermeiden. In den Regel
irld dafür Temperaturdifferenzen von ca. 2 bis 30C ausreichend. Bei entsprechender
Dimensionierung der Wärmeleitstrecke ergeben sich daraus Temperaturdifferenzen #1T
und #3T von 0,5 bis 10C. Diese Überlegungen gelten sinngemäß mit anderen Vorzeichen,
wenn anstelle der Kühlung eine Heizung vorgesehen wird.
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Erfindungsgemäß wird zur Realisierung der Wärmeleitstrecke die Zulaufleitung
und Rücklaufleitung zusammengelegt und für den Wärmeübergang eine Trennwand mit
stark vergrößerter Oberfläche vorgesehen. Die Temperaturen können an Anschlußstücken
der Wärmeleitstrecke, z.B. auf der Rohraußenwand gemessen werden und zwar die Temperaturen
T1 und T3 relativ nahe an der Wärmeleitstrecke, die Temperaturen T2 und T4 rel-itiv
weit weg voii der Wärmeleitstrecke. Sollte es aus besonderen Gründen erforderlich
sein, die Anschlußstutzen sehr kurz auszuführen, so ist jeweils in Flußrichtung
vor der Temperatulmeßstelle durch besondere Maßnahmen, z.B. durch Vermischungieinrichtungen
an geeigneten Stellen eine gute Tempelatuldurchmischung zu gewährleisten. Nach außen
ist das GEsamtsystem bis zu den Anschlußstücken wärmeisoliert.
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Als Temperaturmeßgeber sind NTC-Widerstände oder Thermoeleniente vorteilhaft.
Diese Meßgeber werden entsprechend geschaltet und cyclisch abgefragt. Das Ergebnis
der Abfragen wird in binärer Form über eine Signalleitung an einen Recht r weitergegeben.
Der Rechner prüft dann die Identität der Gleichung @1T + @2T = @3T + @4T und meldet
einen Fehler, wenn diese Beziehung nicht innerhalb der vorgegebenen Toleranzen erfüllt
ist. Weitertt?iri berechnet er den Kraftstoffverbrauch gemäß der Gleichung (VI).
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Addiert wird dieser Wert zunächst auf einen Speicher, der den Kraftstoffverbrauch
@ summiert. Weiter wird er zur Aktualisierung eines mittleren Kraftstoffverbrauchs
innerhalb einer bestimmten Zeitspanne @m verwendet, der in einem zweitn Speicher
gespeichert wird, nach der folgenden Gleichung @m t+@t) = 1/16@(t+@t) + 15/16@m(t)
(VII) so daß der Wert @m(t+@t) einem "exponentiellen Smoothing" entspricht. Dieser
Wert wird angezeigt.
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Die genannten Werte können zusammen mit anderen notwendigen Daten
auf einem Display im cyclischen Turnus zur Anzeige gebracht werden. Das "exponentielle
Smoothing" wurde hier deshalb gewählt, weil den Benutzer eine integrale Aussage
über den Kraftstoffverbrauch, z.B. innerhalb der letzten 30 Sekunicrl, mehr intetessiert
als eine Aussage über den augenblicklichen Kraftstoffverbrauch-
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