DE2949346A1

DE2949346A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur waermeflussmessung

Info

Publication number: DE2949346A1
Application number: DE19792949346
Authority: DE
Inventors: Gerhard 8200 Rosenheim Krause
Original assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Current assignee: KRAUSE, GERHARD, 8200 ROSENHEIM, DE
Priority date: 1979-12-07
Filing date: 1979-12-07
Publication date: 1981-06-11
Also published as: DE2949346C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanord-
nung zur Wärmeflußmessung von in Rohrleitungen strömenden Fluiden, insbesondere erwärmtem Wasser.
Die'Erfindung ist insbesondere für die Verwirklichung einer einfachen Wärmeflußmessung bei Heizungsanlagen in Privathaushalten bestimmt, um die verbrauchte Wärme erfassen zu können. Bisher werden für diesen Zweck lediglich sehr unzuverlässige und ungenaue Meßverfahren angewendet, die nur indirekt den Wärmefluß bestimmen. Da der Wärmefluß nur indirekt ermittelt wird, ist eine Manipulation durch Kühlung der Heizung z.B. mittels eines Ventilators oder der Meßstelle leicht möglich. Hierdurch wird in vielen Fällen die Einführung von Fernheizungen behindert.
Das Ziel der Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, mit denen einerseits eine sehr genaue Erfassung des Wärmeflusses möglich ist, welche aber andererseits gegen einfache betrügerische Eingriffe von außen weitgehend sicher sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß die Schallgeschwindigkeit und die Strömungsgeschwindigkeit gemessen werden, daß aus dem funktionellen Zusammenhang zwischen der Schallgeschwindigkeit und der Temperatur für das betreffende Fluid die Temperatur ermittelt wird und daß die zur Geschwindigkeit proportionale Größe mit der zur Temperatur proportionalen Größe multipliziert wird. Bevorzugt wird das Verfahren so ausgestaltet, daß die Laufzeiten einer Schallwelle entlang einer in Richtung der Strömungsgeschwindigkeit verlaufenden bestimmten Meßstrecke und in der entgegengesetzten Richtung gemessen wird.
Nach einer ersten Ausführungsform ist dabei vorgesehen, daß die reziproken Werte der Laufzeiten gebildet und voneinander subtrahiert werden, daß das Ergebnis mit einem der reziproken Werte so linear kombiniert wird, daß man die Schallgeschwindigkeit erhält, und daß die aus der Schallgeschwindigkeit erhaltene Temperatur mit der Strömungsgeschwindigkeit multipliziert wird.
Eine weitere Ausführungsform kann so ausgebildet sein, daß die reziproken Werte der Laufzeiten gebildet und einmal zueinander addiert und einmal voneinander subtrahiert werden, so daß ein der Schallgeschwindigkeit bzw. der Strömungsgeschwindigkeit proportionales Signal gebildet wird, daß aus der Schallgeschwindigkeit ein Temperatursignal gebildet wird, und daß die aus der Schallgeschwindigkeit erhaltene Temperatur mit der Strömungsgeschwindigkeit multipliziert wird.
Eine erste bevorzugte Schaltungsanordnung zur Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß zwei Laufzeitmeßgeräte an eine Reziprokwert-Differenzbildungsstufe und eines der Laufzeitmeßgeräte an eine Reziprokwert-Bildungsstufe angeschlossen sind, daß der Ausgang der Reziprokwert-Differenzbildungsstufe und die Reziprokwert-Bildungsstufe an eine Differenzbildungsstufe angelegt sind, welche über eine am Ausgang ein Temperatursignal in Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit abgebende Funktionsstufe an einem Multiplikator anliegt, und daß dem anderen Eingang des Multiplikators der Ausgang der Reziprokwert-Differenzbildungsstufe zugeführt ist. Eine weitere Ausführungsform ist so ausgebildet, daß zwei Laufzeitrneßgeräte an eine Reziprokwert-Differenz- bzw. -Summenbildungsstufe angeschlossen sind, daß der Ausgang der Reziprokwert-Differenzbildungsstufe gegebenenfalls über ein Konstantfaktorglied an den einen Eingang eines Multiplikators angeschlossen ist und daß der Ausgang der Reziprokwert-Summenbildungsstufe über eine am Ausgang ein Temperatursignal in Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit abgebende Funktionsstufe an den anderen Eingang des Multiplikators angeschlossen ist.
Bevorzugt wird für die Zwecke der Erfindung ein Strömungsgeschwindigkeitsmeßgerät verwendet, wie es in der DE-OS 29 43 810 beschrieben ist. Weitere Laufzeitmeßgeräte, die für die Zwecke der Erfindung geeignet sind, sind in den folgenden Schriften beschrieben: DE-PS 1 244 451, DE-AS 2 153 432, DE-OS 22 01 702, DE-PS 23 51 290, DE-OS 24 31 346 und DE-OS 26 54 763.
Die auf diese Weise vorgenommene Messung der Temperatur mit Hilfe der Schallgeschwindigkeit hat den Vorteil, daß keine zusätzliche Messung erforderlich ist, sondern aus den für die Geschwindigkeitsmessung ohnehin erforderlichen Informationen alle zur Bestimmung des Wärmeflusses erforderlichen Größen abgeleitet werden können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß im Rohr selbst für die Messung kein Hindernis angeordnet werden muß und daß nicht nur die Rohrwandtemperatur gemessen wird, sondern die mittlere Temperatur der Flüssigkeit (oder des Gases) über den Rohrdurchmesser erfaßt wird.
Gegebenenfalls kann außer der Eingangstemperatur auch noch die Auslaßtemperatur nach der erfindungsgemäßen oder einer anderen Methode gemessen und von der Eingangstemperatur abgezogen werden. Hierdurch kann unmittelbar der Wärmeverbrauch bestimmt werden. Einfacher ist es jedoch, wenn die Auslaßtemperatur für ein ganzes Haus oder Gebäude zentral gemessen und dieser Wert abgezogen wird.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt: Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Wärmeflußmessung und Fig. 2 ein'schematisches Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform.
In der Figur 1 ist schematisch ein U-förmig gekrümmtes Heizungsrohr 18 gezeigt, welches in Richtung des Pfeiles v von warmem Wasser durchflossen wird. An den Stirnseiten des Steges des U-förmigen Rohres 18 sind Ultraschallschwinger 19, 20 eingebaut, welche abwechselnd als Sende- und Empfangsschwinger dienen. Sie senden zeitlich nacheinander Schallstrahlen zum jeweils gegenüberliegenden Wandler, was durch Doppelpfeile angedeutet ist. Die ausgesandten Schallstrahlen sind in der angedeuteten Weise rechteckimpulsförmig.
Über synchron geschaltete vorzugsweise elektrische Schalter 21,22 werden die Wandler 19,20 abwechselnd an Laufzeitmeßgeräte 11,12 angelegt. Beim AnlEgen der Wandler 19,20 am Laufzeitmeßgerät 11 dient der Wandler 19 als Sendewandler und der Wandler 20 als Empfangswandler. Beim Anliegen am Laufzeitmeßgerät 12 ist der Wandler 20 der Sendewandler und der Wandler 19 der Empfangswandler.
Demgemäß bestimmt das Laufzeitmeßgerät 11 die Laufzeit th der Impulse in Richtung der Strömungsgeschwindigkeit v zwischen den Wandlern 19,20. Das Laufzeitmeßgerät 12 gibt ein Ausgangssignal tr ab, welches der Zeit entspricht, die die Impulse vom Wandler 20 entgegen der Strömungsgeschwindigkeit v bis zum Wandler 19 benötigen.
Diese Art der Laufzeitmessung ist z.B. in der DE-OS 29 43 810 beschrieben.
Die Ausgänge der Lauf zeitmeßgeräte 11,12 sind an eine Reziprokwert-Differenzbildungsstufe 13 angeschlossen, in der ein Signal gemäß folgender Beziehung gebildet wird: Das Ausgangssignal der Stufe 13 ist also der Strömungsgeschwindigkeit v proportional.
Der Ausgang des Laufzeitmeßgerätes 11 ist außerdem an eine Reziprokwert-Bildungsstufe 14 angelegt, in der das Eingangssignal nach der Funktion 1 verarbeitet wird. Dieses Signal ist der Summe der Ströth mungsgeschwindigkeit und der Schallgeschwindigkeit proportional.
Die Ausgangssignale der Stufen 13,14 werden gegebenenfalls über je ein Konstantfaktorglied 23,23' an eine Di9Erenzbildungsstufe 15 angelegt, deren Ausgang einer Funktionsstufe 16 zugeführt ist, welche als Speicher mit Tabellenwerten ausgeführt sein kann oder die eingegebene Gleichung T = f(c) löst. Der funktionelle Zusammenhang zwischen der Temperatur und der Schallgeschwindigkeit in dem strömenden Medium muß also bekannt sein und in die Funktionsstufe 16 eingegeben werden. So entsteht am Ausgang der Stufe 16 ein elektrisches Signal, das der Temperatur T des strömenden Fluids entspricht. Dieses Signal wird an einen Multiplikator 17 angelegt, dessen anderem Eingang das Strömungsgeschwindigkeitssignal v zugeführt wird. Am Ausgang des Multiplikators 17 kann dann gegebenenfalls ein weiteres Konstantfaktorglied 24 eingeschaltet sein. An dessen Ausgang liegt dann ein Signal v.T vor, welches gleich dem Wärmefluß Q/t (Wärmemenge pro Zeiteinheit) entspricht.
Besonders einfach gestaltet sich die Messung bei Gasen, weil hier der Zusammenhang zwischen Schallgeschwindigkeit und absoluter Temperatur linear ist.
Statt der Reziprokwerte lit können auch Frequenzen gemessen und in dem vorstehenden Sinne zur Messung der verschiedenen Geschwindigkeiten herangezogen werden.
Für den Fall, daß hinter den Konstantfaktorgliedern 23, 23' Signale vorliegen sollen, die proportional zu v bzw. (v + c) sind, muß das Glied 23 den Ubertragungsfaktor L und das Glied 23' proportional zu 0,5 L sein. Dabei ist L die Länge der akustischen Meßstrecke.
Der Ubersichtlichkeit halber ist in den Figuren eine Multiplikation mit den richtigen Faktoren angenommen. Bei praktischen Geräten können die Signale auch Vielfache dieser Werte haben, wenn das bei der Funktion T = f (c) berücksichtigt wird.
Nach Fig. 2 können an die Laufzeitmeßgeräte 11, 12 sowohl eine Reziprokwert-Differenzbildungsstufe 13 als auch eine Reziprokwert-Summenbildungsstufe 13' mit dem Übertragungsfaktor angeschlossen sein. Die Ausgänge 2v/L und 2c/L dieser Stufen 13,13' werden über ein Konstantfaktorglied 23' zur Multiplikation mit einem Faktor L/2 bzw. eine Funktions-L stufe 16' zur Bildung der Funktion T = 2 . f(c) an die beiden Eingänge des Multiplikators 17 angelegt. Das Ergebnis ist das gleiche wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1.
Der in Fig. 2 im einzelnen nicht dargestellte Anschluß der Laufzeitmeßgeräte 11, 12 an die Wandler 19,20 erfolgt in der gleichen Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1.

Claims

Verfahren und Schaltungsanordnung zur Wärmeflußmessung Patentansprüche: 1. Verfahren zur Wärmeflußmessung von in Rohrleitungen strömenden Fluiden, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schallgeschwindigkeit (c) und die Strömungsgeschwindigkeit (v) gemessen werden, daß aus dem funktionellen Zusammenhang zwischen der Schallgeschwindigkeit und der Temperatur für das betreffende Fluid die Temperatur (T) ermittelt wird und daß die zur Geschwindigkeit (v) proportionale Größe mit der zur Temperatur (T) proportionalen Größe multipliziert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Laufzeiten ( th, tr) einer Schallwelle entlang einer in Richtung der Strömungsgeschwindigkeit (v) verlaufenden, bestimmten Meßstrecke (A) in entgegengesetzten Richtungen gemessen werden.
3. Verfahren nach Anspruch' 2, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die reziproken Werte der Laufzeiten gebildet und voneinander subtrahiert werden, daß das Ergebnis mit einem der reziproken Werte so linear kombiniert wird, daß man die Schallgeschwindigkeit (c) erhält, und daß die aus der Schallgeschwindigkeit (c) erhaltene Temperatur (T) mit der Strömungsgeschwindigkeit (v) multipliziert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die reziproken Werte der Laufzeiten gebildet und einmal zueinander addiert und einmal voneinander subtrahiert werden, so daß ein der Schallgeschwindigkeit (c) bzw. der Strömungsgeschwindigkeit (v) proportionales Signal gebildet wird, daß aus der Schallgeschwindigkeit ein Temperatursignal T) gebildet wird, und daß die aus der Schallgcschwindigkeit (c) erhaltene Temperatur (T) mit der Strömungsgeschwindigkeit (v) multipliziert wird.
5. Schaltungsanordnung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß zwei Laufzeitmeßgeräte (11,12) an eine Reziprokwert-Differenzbildungsstufe (13) und eines der Laufzeitmeßgeräte (11) an eine Reziprokwert-Bildungsstufe (14) angeschlossen sind, daß der Ausgang der Reziprokwert-Differenzbildungsstufe (13) und die Reziprokwert-Bildungsstufe (14) an eine Differenzbildungsstufe (15) angelegt sind, welche über eine am Ausgang ein Temperatursignal in Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit (c) abgebende Funktionsstufe (16) an einem Multiplikator (17) anliegt, und daß dem anderen Eingang des Multiplikators (17) der Ausgang der Reziprokwert-Differenzbildungsstufe (13) zugeführt ist.
6. Schaltungsanordnung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß zwei Laufzeitmeßgeräte (11,12) an eine Reziprokwert- Differenz- bzw. -Summenbildungsstufe (13,13') angeschlossen sind, daß der Ausgang der Reziprokwert-Differenzbildungsstufe (13) gegebenenfalls über ein Konstantfaktorglied (23') an den einen Eingang eines Multiplikators (17) angeschlossen ist und daß der Ausgang der Reziprokwert-Summenbildungsstufe (13') über eine am Ausgang ein Temperatursignal in Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit (c) abgebende Funktionsstufe (16) an den anderen Eingang des Multiplikators (17) angeschlossen ist.