DE3032091A1

DE3032091A1 - Verfahren und vorrichtung zur elektrischen waermemengenmessung

Info

Publication number: DE3032091A1
Application number: DE19803032091
Authority: DE
Inventors: Eugen El.-Ing. Hoch (grad.), 6700 Ludwigshafen
Original assignee: Elster Ag Mess und Regeltechnik 6700 Ludwigshafen; Elster AG Mess und Regeltechnik
Current assignee: Spanner Pollux GmbH
Priority date: 1980-08-26
Filing date: 1980-08-26
Publication date: 1982-04-29
Also published as: CH664016A5; AT388456B; SE450663B; DK158165C; NL8103970A; SE8104874L; DK158165B; FR2489509A1; ATA369681A; GB2082780A; DK372481A; NL191295C; GB2082780B; FR2489509B1; BE890067A; DE3032091C2

Description

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DIPL.-ING. W. GOLLWITZER · DrPL.-INQ. F. W. MOLL

6740 LANDAU/PFALZ · LAJJQ8TEAB8E S

POSTFACH »OKO ■ TELEFON OA341/87OOO, «038 ■ TELEX 04 S3 SSS POSTBCBEOR LtJIiWIOSHAFKS ZI 8β2-βΤβ ■ DEUTSCHE BANK LANDAU O2 IS400 (BLZ 64B 7OO BS)

- 4 - Fr

Elster AG, Meß- und Regeltechnik, Ludwigshafen

Verfahren und Vorrichtung zur elektrischen Wärmemengenmesser]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur elektrischen Wärmemengenmessung. Bekannte Vorrichtungen messen die von einem strömenden Medium, in aller Regel Wasser, an einen Wärmeverbraucher, zum Beispiel Warmwasserhoizkörper, abgegebenen Wärmemengen. Hierzu sind sowohl vor als auch hinter dem Wärmeverbraucher je ein Temperaturfühler in der Zu- und Ableitung vorgesehen, die bekanntermaßen als temperaturempfindliche elektrische Meßwiderstände ausgebildet sein können. Außerdem muß ein Volumen- bzw. ein Massenmesser vorgesehen sein. Die beiden Meßwiderstände nehmen den Tempera türen entsprechende Werte an, der Volumen- bzw. Massenmesser liefert nach vorgewählten jeweils durchgeflossenen Volumenbzw. Masseeinheiten Impulse. Jeder Impuls löst eine Analog-Digital-Umsetzung aus, deren Ergebnis als Wärmemenge zur Anzeige gebracht wird.

Eine solche Vorrichtung, die zunächst mit zwei in einer Brückenschäitung angeordneten Meßwiderständen und einem

Mengenmeßgerät arbeitet, wobei die am Eingang eines an sich bekannten Analog-Digital-Umsetzers anliegende Differenzspannung in digitale Meßwerte zur weiteren Verwertung umgewandelt wird, ist zum Beispiel aus der Offenlegungsschrift 28 16 611 bekannt. Dort sind in der Meßbrückenschaltung außer den beiden Meßwiderständen als Temperaturfühler im Vor- und im Rücklauf des Verbrauchers wenigstens zwei weitere Ohm'sehe Widerstände als Teile der Meßbrückenschaltung vorgesehen. Zur Erzeugung der Referenzspannung ist ein weiterer Spannungsteiler vorgesehen. Ferner sind in dem Differenzverstärker mindestens vier Widerstände erforderlich. Die Fehler und Driften aller dieser Widerstände, sowie die Offsets der Differenzverstärker,des Integrators und des Komparators gehen direkt als Nullpunkts- und/oder Steilheitsfehler in das Meßergebnis ein. Insbesondere durch die Langzeitdrift können die Fehler ganz erhebliche Größen annehmen.

Nun wird einerseits durch die Umsetzung der Analoggrößen in Digitalgrößen unter anderem die Möglichkeit einer sehr genauen Messung gegeben, andererseits wird die Meßgenauigkeit in erster Linie durch die Schaltglieder auf der Analogseite beeinträchtigt, insbesondere durch die Anordnung einer Mehrzahl von Widerständen wie in der vorstehend beschriebenen Schaltung.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wärmemengenmessung so auszubilden, daß die Meßgenau'igkeit und insbesondere die Meßbeständigkeit durch Minimalisierung der Fehlerquellen optimiert wird.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch ein Verfahren zur elektrischen Wärmemengenmessung unter Einsatz

wenigstens eines TemerpatürmeßwiderStandes und wenigstens eines Referenzwiderstandes, bei dem die Ermittlung der Temperatur oder Temperaturdifferenz aus dem Widerstandsverhältnis, abgebildet als Spannungsverhältnis zwischen dem Spannungsabfall an dem (den) Meßwiderständen und dem Spannungsabfall an dem Referenzwiderstand, bei Fließen eines Stromes an sich beliebiger aber gleicher Stärke durch sämtliche Widerstände und mittels einer Analog-Digital-Umsetzung erfolgt.

Die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zur Wärmemengenmessung ist mit je einem sowohl vor als auch hinter dem Wärmeverbraucher in der Zu- und Ableitung des Wärinemediums vorgesehenen Temperaturfühler in Gestalt eines temperaturempfindlichen, elektrischen Meßwiderstandes ausgestattet, wobei nach der Erfindung.außer den Meßwiderständen lediglich ein einziger Referenzwiderstand im Analogteil vorgesehen ist, der während eines Meßvorganges mit wenigstens einem der Meßwiderstände in Reihe geschaltet ist.

Damit ist auf der Analogseite das überhaupt denkbare Optimum erreicht. Wenigstens eine Referenzgröße ist ja notwendig.

In einer variierten Form der Vorrichtung können zur Bildung einer der Temperaturdifferenz proportionalen Spannung den Meßwiderständen Kondensatoren zugeordnet sein, die in einer ersten Phase zu diesen Meßwiderständen parallel geschaltet sind und in einer zweiten Phase, von den Meßwiderständen getrennt, hintereinander geschaltet und einseitig an ein Bezugspotential gelegt sind.

Auch dem Referenzwiderstand kann ein Kondensator zugeordnet sein.

Dem Integrationswiderstand im Analog-Digital-Umsetzer kann ein zuschaltbarer Parallelwiderstand zugeordnet sein.

Die Gesamtschaltung kann darüber hinaus so ausgebildet sein/ daß vor jedem Meßvorgang das jeweilige Bezugspotential hergestellt wird. Die jeweilige Bildung des Bezugspotentials geschieht über die jeweils gleichen Schaltelemente, so daß sich Offsets, Driften usw. aufheben. Diese Größen müssen nur während des kurzen jeweiligen Meßzugriffes hinreichend konstant bleiben.

Die gleichen Vorteile bringt die Erfindung selbstverständlich auch dann, wenn anstelle zweier Meßwiderstände in einer speziellen Wärmemengenmeß-Vorrichtung nur ein Meßwiderstand in exner Temperaturmeß-Vorrichtung vorgesehen ist. Schließlich können anstelle der speziellen Meßwiderstände zur Ermittlung von Temperaturen auch Meßwiderstände zur Ermittlung beliebiger anderer Parameter vorgesehen sein und so dem Verfahren und der Vorrichtung auch andere Anwendungsgebiete eröffenen.

In Weiterbildung der Erfindung kann eine Korrektur des Meßergebnisses in Abhängigkeit von Dichte und Enthalpie des Meßmediums sowie von der Kennlinie der bzw. des Meßwiderstandes erfolgen. Dies geschieht z.B. dadurch, daß eine Rückführung vom Ausgang des Integrators der Umsetzerschaltung auf deren Eingang über ein vom Digitalteil gesteuertes Kompensationsglied vorgesehen ist. Anstelle des Null-Verstärkers kann ein Schwellenspannungsschalter vorgesehen sein. Damit kann die Schwingneigung des in der Grundschaltung vorgesehenen Verstärkerverbandes vermieden werden- ohne daß hierzu ein Kondensator mit einer verhältnismäßig großen Aufladezeit notwendig wäre.

Schließlich kann in weiterer Verbesserung der erfindungsgemäßen Schaltung im Meßeingang ein zusätzlicher Differenzverstärker mit gesteuerten Widerständen vorgesehen sein, um die Integrationsrichtung umkehren und damit die Meßzeiten wesentlich verkürzen zu können.

Weitere Merkmale der Erfindung und Einzelheiten der durch dieselbe erzielten Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Schaltungsbeispielen. In

Fig. 1 ist zunächst als einfachere Vorrichtung das Schalt bild einer Temperaturmeß-Vorrichtung wiedergegeben

Fig. 2 zeigt den Spannungsverlauf über die Zeit am Integratorausgang,

Fig. 3 gibt das Schaltbild einer Wärmemengenmeß-Vorrichtung wieder,

Fig. 4 zeigt wiederum den Spannungsverlauf über die Zeit am Integratorausgang,

Fig. 5 ist ein weiteres Schaltungsbeispiel einer Wärmemengenmeß-Vorrichtung und .

Fig. 6 das zugehörige Spannungs-Zeit-Diagramm, Fig. 7 zeigt ein weiteres Schaltungsbeispiel,

Fig. 8 zeigt nochmals ein weiteres Schaltungsbeispiel, bei dem sich die Offsets aufheben,

Fig. 9a und 9b zeigen die zugehörigen Spannungs-Zeit-Diagramme,

Fig. 10 zeigt schließlich eine weitere Schaltung unter Einsatz von Speicherkondensatoren.

* Λ *· * Λ f ♦

In der Schaltung der Temperaturmeß-Vorrichtung nach Fig. 1 ist eine Spannung U an einen durch den Meßwiderstand 1 und den Referenzwiderstand 3 gebildeten Spannunsteiler gelegt. Das Potential an dem Verbindungspunkt 61 der beiden Widerstände 1 und 3 wird nach der Erfindung als Bezugspotential (Nullpotential) für den nachfolgenden Analogteil benutzt. An den Bezugspotentialpunkt. 61 ist nach der Erfindung der als Spannungsfolger geschaltete Verstärker 5 angeschlossen. Am Ausgang des Verstärkers 5 an der Potentialschiene 62 herrscht das Potential Null¹. Bei einem von Offsets freien Verstärker 5 ist das Potential bei 61 =Null'. Das Potential +U₀ ist gleich dem

in der üblichen Betrachtungsweise einer Dualslopeanordnung mit "Referenzspannung" bezeichneten Potential. Das Potential -U₁,

.D

ist dann gleich dem in der üblichen Betrachungsweise mit "Meßspannung" bezeichneten Potential. Die weiteren in Fig. 1 dargestellten analogen Bauteile entsprechen der Dualslopestandardschaltung.

Auf den Integrator 7 folgen ein Nullverstärker 8, Widerstände 4 7 und 48 und ein Komparator 9 in an sich bekannter Weise. Diesem Komparator 9 schließen sich weitere bekannte Digitalschaltmittel bis zur Anzeige an, wie in den weiteren Schaltbildern dargestellt.

An die Zuleitungen 63 und 64 für die Betriebsspannung sind die beiden Schalter 10.1 und 103 angeschlossen, die dem Integrationswiderstand 41 die Meßspannung -U_. bzw. die Referenz-

Ϊ5

spannung +U_ zuführen. Zwischen dem Bezugspotentialpunkt 61 und der Zuführungsleitung 65 zum Integrationswiderstand 41 und Integrationskondensator 27 ist ein Schalter 113 vorgesehen. An den Integrator 7 ist über den Widerstand 4 6 der Null-Verstärker angeschlossen, der über die Widerstände 48 und 42 und den Schal-

ter 114 mit dem Eingang des Integrators 7 verbunden ist. Zwischen dem Widerstand 42 und der Potentialschiene 62 liegt ein Kondensator 49. Der Komparator 9 ist an den Ausgang des Verstärkers 8 angeschlossen.

Der Umkehrverstärker 10 liegt mit seinem Eingang über den Widerstand 43 am Ausgang des Integrators 7 und ist über den Schalter 110 und den Widerstand 45 auf den Eingang des Integrators 7 zurückgeführt.

Bei Einleitung der Messung (Fig. 2) sind die Schalter 113 und 114 geschlossen, um die Ausgangsspannung für den Beginn der Messung auf Null zu korrigieren. Ist dies erfolgt, wird der Schalter 101 geschlossen. Es erfolgt eine Aufwärtsintegration mit der Meßspannung über eine Zeitspanne von der Dauer t.. = N.T , wobei N eine Zahl von Zähltakten mit der Taktzeit X darstellt, die durch die vorgegebenen Verhältnisse im Taktgenerator 12 (Fig. 3) und im Meßdauerzähler bestimmt ist. Nach Ablauf dieser N Zähitakte T gibt der Meßdauerzähler 13 ein Steuersignal an die Steuerlogik 11, wodurch der Schalter 101 wieder geöffnet und der Schalter 103 geschlossen wird. Es erfolgt eine Abwärtsintegration der Referenzspannung. Wenn nach einer Zeit t„, während der n_ Zähltakte vom Taktgenerator 12 abgegeben worden sind, die Integrationsspannung durch Null geht, schaltet der Komparator 9 über die Steuerlog^k 11 den Zähltakt ab. Da der Referenzwiderstand 3 so ausgelegt ist, daß er immer kleiner als der Meßwiderstand 1 ist, muß n₂ immer größer N sein.' Wird bei der Abwärts integration N durchlaufen, gibt der Meßdauerzähler 13 einen Impuls an die Steuerlogik 11, die von diesem Zeitpunkt ab die Zähltakte T auf den Ergebniszähler 16 schaltet. Wäre die Beziehung -^= des Meßwiderstandes 1 linear, so wäre das Ergebnis proportional der Temperatur. Da jedoch die Beziehung -r= in der Praxis nicht

·" *- o J j δ- J d - 11 -

linear, sondern zum Beispiel bei Platinfühlern degressiv ist, wird zum Zeitpunkt des Durchgangs von n_ durch N der Schalter geschlossen, der über den Widerstand 45 einen Strom in den Summationspunkt 66 des Integrators 7 treibt. Dieser Strom ist dem Strom über dem Integrationswiderstand 41 entgegengesetzt. Bei richtiger Bemessung der Verhältnisse der Widerstände 41, 43, 4A₁ 45 erhält man eine weitgehend lineare Beziehung zwischen Temperatur und Zählergebnis. Die Linearisierung kann bei höheren Ansprüchen durch Zuschaltung weiterer Widerstände anstelle des Widerstandes 4 5 mittels entsprechender Schalter in " Abhängigkeit vom n_Ä verbessert werden.

ΆΧ1Ζ

Soll anstelle einer einfachen Temperaturmessung eine Wärmemengenmessung vorgenommen werden, dann sind zwei Meßwiderstände, 1 im Rücklauf und 2 im Vorlauf vorgesehen (Fig.3). Es ist wiederum, auch bei zwei Meßwiderständen 1 und 2, nur ein Referenzwiderstand 3 erforderlich. Anstelle des Schalters 101 tritt eine Schaltergruppe 101, 102, 111, 112. Außerdem ist ein Mengenzählerkontakt 52 vorgesehen, der über einen Widerstand Spannung an die Steuerlogik 11 legt. Auf die Steuerlogik folgen ein Taktgenerator 12, ein Meßdauerzähler 13, ein Speicher 14, ein Vergleicher 15, ein Ergebniszähler 16 und schließlich eine Anzeige 17. Zwischen diesen Schaltungsteilen sind Verknüpfungsgatter 53, 54 und 55 vorgesehen.

Nach einer Null-Korrektur folgt nun, wie in Fig. 4 zu seher. und schon anhand der Fig. 2 beschrieben, eine Aufwärtsintegration der Meßspannung an dem Meßwiderstand 1 im Vorlauf über N und eine Abwärtsintegration der Referenzspannung bis Null, die z.B. n.. Taktimpulse ergibt, die in dem Speicher' 14 gespeichert werden. Nach Umschaltung auf dan Meßwiderstand 2 im Rücklauf und einer erneuten Null-Korrektur erfolgt wiederum eine Aufwärtsintegration über N und eine Abwärtsintegration bis Null, die zum Beispiel n_ Taktimpulse ergibt. Wail die Vorlauf-

»(β 4

■ * β

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temperatur stets größer ist als die Rücklauftemperatür, ist n₂ stehts größer als n... Beim Durchgang dieser Abwärtsintegration durch den gespeicherten Wert n. wirken Meßdauerzähler 13, Speicher 14 und Vergleicher 15 auf die Steuerlogik 11 derart, daß die weiteren Taktimpulse in den Ergebniszähler 16 eingezählt werden. Beim Überlauf des Ergebniszählers 16 wird jeweils in die Anzeige 17 eingezählt. Wegen der Nichtlinearitäten der Meßwiderstände und der Enthalpie und Dichte des Wärmeträgers über die Temperatur kann eine Korrektur dieses Ergebnisses n_ - n. erfolgen. Hierzu wird bei Durchgang von n_ durch n.. der Schalter 110 geschlossen, der auch in diesem Falle einen Strom über den Widerstand 45 in den Summationspunkt 66 des Integrators 7 treibt, uch hier erhält man eine nahezu vollständige lineare Beziehung zwischen der tatsächlichen Wärmemenge und dem Zählergebnis.

Die Null-Korrektur kann bei der Schaltung nach Fig. 3 wegen der Schwingneigung des Verstärkerverbandes 7 und 8 bzw. wegen der bei Unterdrückung der Schwingneigung benötigten relativ großen Aufladezeit des Kondensators 49 gewisse Schwierigkeiten machen. In Weiterführung der Erfindung sind diese Schwierigkeiten mit der nachstehend beschriebenen und in Fig. 5 gezeigten Schaltung vermeidbar. Diese Schaltung hat den weiteren Vorteil, daß die Steuerlogik 11 nach Fig. 5 einfacher und sicherer gestaltet werden kann als nach Fig. 3. Bei dieser Schaltung entfällt der Kondensator 49 und mit diesem die Widerstände 46, 4 7· und 4 8 sowie die Schalter 113 und 114. An deren Stelle treten hinzu Widerstände 29, 30,31, 32, 33 sowie ein Schalter 107.

Vor Beginn der Messung ist der Schalter 107 über dem Integrator 7 bzw. dem Integrationskondensator 27 geschlossen, um Fehlschaltungen zu vermeiden. _N

Bei Beginn einer Messung, der durch das Eintreffen eines Impulses über den Mengenzählerkontakt 52 und den Widerstand 51

an der Steuerlogik 11 ausgelöst wird, wird der Meßwiderstand 1 im Rücklauf über den Schalter 101 an die die Betriebsspannung -U_ führende Zuleitung 64 gelegt. Der Schalter 107 wird geöffnet und der Schalter 111 geschlossen. Es findet eine Aufwärtsintegration der aus der Rücklauftemperatur resultierenden Meßspannung statt. Wenn die Ausgangsspannung am Ausgang 67 des Integrators 7 nach der Zeit t (MR = Meßspannung im Rücklauf)

MR

die Spannung, die am Summationspunkt 66 liegt, erreicht (Fig. 6), die durch die Größe der Widerstände 29, 30, 31 am Schwellenspannungsschalter 4 und die Spannung an der Potentialschiene 62 und der Zuleitung 6 3 gegeben ist, kippt die Spannung am Ausgang des Schwellenspannungsschalters 4 vom an der Zuleitung 64 liegenden Potential auf das an der Zuleitung 63 liegende Potential und liefert einen Impuls an die Steuerlogik 11. Dadurch wird der Schalter 101 geöffnet und Schalter 103 geschlossen. Die über dem Referenzwiderstand 3 bestehende Referenzspannung wird an den Integrator 7 gelegt, der nunmehr abwärts integriert. Nach der Zeit t„ _f geht die Spannung im Summationspunkt 66 durch Null, die Spannung am Ausgang des Komparators 9 kippt vom Potential an der Zuleitung 64 auf· das Potential an der Zuleitung 63 und liefert wiederum einen Impuls an die Steuerlogik 11. Nun wird wieder der Schalter 103 geöffnet und der Schalter 101 geschlossen und die reguläre Aufwärtsintegration der aus der Rücklauftemperatur resultierenden Meßspannung über N Taktimpulse vorgenommen. Nach dem dabei von dem Meßdauerzähler 13 an die Steuerlogik 11 abgegebenen Impuls wird der Schalter 101 geöffnet und der Schalter 103 geschlossen. Damit erfolgt die Abwärtsintegration der zur Rücklaufmessung gehörigen Referenzspannung, die zum Beispiel bis zum erneuten Kippen des Komparators 9 n.. Taktimpulse ergibt. Diese n.. Impulse werden wieder in dem Speicher gespeichert. Gleichzeitig werden die Schalter 101 und 103 geöffnet und die Schalter 112 und 102 geschlossen. Jetzt wird also die aus der Vorlauftemperatur resultierende Spannung aufwärts integriert. Wenn die Spannung am Summationspunkt 66 wieder

die Spannung am Ausgang 67 des Integrators 7 erreicht, kippt der Schwellenspannungsschalter 4 und an dessen Ausgang entsteht ein Impuls vom Potential der Zuleitung 64 auf das Potential der Zuleitung 63, der auf die Steuerlogik 11 wirkt und diese zum Umschalten der Kontakte 102 auf "Aus" und 103 auf "Ein" veranlaßt. Hierdurch erfolgt wieder die Abwärtsintegration der Spannung am Summationspunkt 66 des Integrators 7, die beim Nulldurchgang (Potentialschiene 62) wieder das Kippen des Komparators 9 sowie die Beeinflussung der Steuerlogik 11 und das Ausschalten des Schalters 103 und Einschalten des Schalters bewirkt. Jetzt wird die der Vorlauftemperatur proportionale Meßspannung über N Taktimpulse aufwärts integriert. Dabei wird von dem Meßdauerzähler 13 ein Impuls an die Steuerlogik 11 abgegeben, der Schalter 102 geöffnet und der Schalter 103 geschlossen. Es wird ir.it der zur Vorlauf messung gehörigen Referenzspannung abwärts integriert.' Da der Meßwiderstand 2 im Vorlauf größer ist als der Meßwiderstand 1 im Rücklauf ist die Zahl der Taktimpulse n_ für diese Abwärtsintegration größer als n... B-= im Durchgang der Abwärtsintegration durch den im Speicher 14 gespeicherten Viert n₁ spricht der Vergleicher 15 an und beeinflußt die Steuerlogik 11 derart, daß die Taktimpulse n_ - n. in den Ergebniszähler 16 eingezählt werden. Beim Überlauf von 16 wird in die Anzeige 17 weitergezählt.

Bei den beschriebenen Anordnungen nach Fig. 3 und Fig. sind bei aller Präzision die Integrationszeiten 2 χ N · T + η Τ + n_T noch verhältnismäßig lang. Es wäre jedoch wünschenswert, insbesondere bei Batteriebetrieb, bei dem an sich nur der Ergebniszähler 16 und der vom MengenZählerkontakt 52 gesteuerte Empfangsteil in der Steuerlogik 11 dauernd eingeschaltet sein müssen, während der Analogteil und der restliche Digitalteil 11-12-13-14-15 über einen von der St'euerlogik 11 gesteuerten Schalter 115 anstelle der Leitungsverbindung 116 nach dem Schließen des Mengenzählerkontaktes 52 nur für die Meßzeit

BAD ORIGINAL

eingeschaltet zu sein brauchen, die Integrationszeiten so kurz wie möglich zu machen.

Dies wird mit einer in Fig. 7 gezeigten Weiterbildung der Erfindung ermöglicht. Die Aufwärtsintegrationen N für Rücklauf- und Vor lauf wider stand 1 und 2 haben die in Fig. 4 und Fig. gezeigte Dauer deshalb, weil sozusagen über den gesamten Widerstand 1 bzw. 2 aufwärts integriert wird. Um zum Beispiel eine Differenz von 12 Ohm zwischen angenommenen 120 Ohm und 132 Ohm als n„ - n₁ zu bilden, muß - wie schon bei der Beschreibung der Fig. 3/4 und Fig. 5/6 erläutert - die "tote", n.. proportionale Zeit η · ¹C, die dem Widerstand 120 Ohm entspricht, zweimal durchlaufen werden.

Wenn es gelingt, die Differenz nicht von Null bis zu den Meßwerten, sondern umgekehrt vom höchsten zu erwartenden Wert bis zu den Meßwerten zu messen, kann n. · T sehr viel kürzer sein.

Nach der Erfindung wird dieser Gedanke wie folgt und in Fig. 7 dargestellt verwirklicht. Die Meßwiderstände 1. und 2 werden mit dem jeweils zugehörigen, durch einen Differenzverstärker 6 gesteuerten Widerstand 23 oder 24, zum Beispiel in Gestalt von Feldeffekttransistoren, nacheinander über die Schalter 102 oder 105 mit dem Referenzwiderstand 3 in Reihe geschaltet. Diese Meßkette liegt an der Speisespannung der Zuleitungen 63, 64. Der Meßkette ist der Spannungsteiler 21, 22 parallel geschaltet und ebenfalls an die Speisespannung gelegt. Der Bezugspotentialpunkt 61 liefert die Bezugsspannung Null, die über den als Spannungsfolger geschalteten Verstärker 5 auf die Potentialschiene übertragen wird. Der Differenzverstärker 6 liegt mit seinem nicht invertierenden Eingang direkt an der Potentialschiene 62 und mit seinem invertierenden Eingang an dem Potentialpunkt 68 am Verbindungspunkt zwischen dem Referenzwiderstand 3 und den gesteuer-

• "β W ff V

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ten Widerständen 23, 24, von denen bei einem Meßzugriff jeweils einer geschaltet ist. Da der Differenzverstärker 6 eine hohe Verstärkung hat, zum Beispiel 2 · 10 , und da die erforderliche Steuerspannung an seinem Ausgang 69 für die gesteuerten Widerstände 23, 24 nur um einige 100 mV differieren wird, liegt der Fehler zwischen den Spannungen an der Potentialschiene 62 und am Potentialpunkt 68 am invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 6 nur in der Größenordnung von Bruchteilen von μν bis einigen μν. Bei den den Temperaturen proportionalen Spannungen über den Meßwiderständen 1 oder 2 bzw. über den gesteuerten Widerständen 23, 24 von mehreren mV pro ⁰C ergibt das nur Fehler in Bruchteilen von 10 ⁰C.

Der Anlauf eines Meßzyklus ist ähnlich dem, wie er anhand der Fig. 5 und 6 beschrieben ist.

Soll mit Temperaturen zwischen 20⁰C und 100⁰C gearbeitet werden, und wird zum Beispiel das Verhältnis der Widerstände 21, 22 so ausgelegt, daß noch 15O⁰C (Bei 2 = 160 Ohm; 24 = 0 Ohm) gemessen werden könnten, so erhält man bei dem oben genannten Beispiel nur Widerstandsdifferenzen von 160 120 = 40 Ohm bzw. 160 - 132 = 28 Ohm (gegenüber 120 bzw. 132 Ohm), so daß jetzt die Zeit n.. · T nur etwa 1/4 der Zeit n. -X bei der Anordnung nach Fig. 5/6 beträgt. Der Spannungsteiler 21, ist nicht kritisch und verursacht keine Meßfehler. Es muß nur gefordert werden, daß das Verhältnis Ε»../!*»,, während einem Meßzugriff stabil bleibt.

Fig. 8 zeigt ein stark abgekürztes Verfahren, bei dem sämtliche Offsetgrößen herausfallen. Der Analog/Digital-Ümsetzer ist hier ein Sägezahnumsetzer. Der Ablauf einer Messung wird anhand Fig. 8 und Fig. 9a erläutert.

Ein Mengenimpuls vom Schalter 52 schaltet über den Widerstand 51 die Steuerlogik 11 ein. Diese enthält hler die Empfangseinrichtung fUr die Schaltbefehle aus dem Komparator 9, die Ansteuermittel für die Schalter 3o1 bis 3o7 und 315 sowie einen Taktgenerator zur A/D-Wandlung. Schalter 315 legt den Analogteil an die Spannung + ü_..

JD

Über die Widerstände 22 und 23 erfolgt eine Spannungsteilung. Die Teilspannung 61 wird dem als Konstantstromquelle geschalteten Verstärker 5" zugeführt. Aus dem Ausgang fließt der Strom über den Schalter 3o1, den Meßwiderstand und den Referenzwiderstand 3 nach - U_D.

Am Ausgang des Verstärkers 5 stellt sich die Spannung ein, die als Bezugsspannung für den Referenzintegrator dient. Die betreffenden Potentiallinien sind in Fig. 9a dargestellt.

Es erfolgt die Integration der Referenzspannung über den Widerstand 41 und den Kondensator 27. Die Ausgangsspannung des Integrators 7 erreicht die Größe der Spannung 69 (die über Schalter 3o2 mit dem Komparator verbunden ist), und der Komparator 9 kippt von - U_ nach + U_n. Dieses Signal wird der Steuerlogik 11 zugeführt, worauf Schalter 3o1 und 3o2 öffnen und Schalter 3o5 und 3o6 schließen. Die Spannung über dem Referenzwiderstand 3 ändert sich dabei nicht, weil der Strom konstant bleibt, über Schalter 3o6 wird jetzt die Spannung 7o dem Komparator zugeführt. Gleichzeitig wird der Taktgenerator in 11 eingeschaltet und mit dem Ergebniszähler 16 verbunden. Ferner wird über Schalter 3o7 und Widerstand 45 die mittels der Widerstände 4 3 und 44 sowie des Verstärkers 1o gebildete Korrekturspannung zu dem Integrationssummationspunkt 66 geführt. Es erfolgt eine weitere Aufwärtsintegration, bis die Spannung 67 ebenso groß wird wie die Spannung 7o. Komparator 9 kippt mit seinem Ausgang wieder von - ü_ß nach + U_ß, und die Steuerlogik 11 schaltet alles ab.

Die Anzahl η von Takten τ , die dem Ergebniszähler zugeführt worden ist, ist proportional der Differenz der Widerstände 1 und 2 dividiert durch den Referenzwiderstand

In einer Abwandlung des beschriebenen Ablaufs können in der ersten Phase die Schalter 3o3 und 3o4 von der Steuerlogik 11 geschlossen und damit der Widerstand 53 dem Widerstand 41 parallel und Widerstand 54 mit dem Meßwiderstand 1 in Reihe geschaltet werden. 54 verringert die Spannung 69 auf die Spannung 69 - Δ

Der Komparator kippt, wenn die Spannung 67 am Ausgang des Integrators ebenfalls den Wert 69 - Δ erreicht. Das geschieht in der Zeit t , die nur einen Bruchteil von t ausmacht, weil die Integrationszeit bei geschlossenem Schalter 3o3 durch den Widerstand 53 verkürzt wird.

Bei dem erstmaligen Kippen des Komparators öffnet die Steuerlogik 11 wieder die Schalter 3o3 und 3o4. Alles weitere geschieht wie schon vorstehend beschrieben und in Fig. 9b dargestellt.

Die Schaltung nach Fig. 10 arbeitet folgendermaßen: Jeder Mengenimpuls aus dem Schalter 52 wird gesiebt, getriggert und geformt und als Start-Impuls der Steuerlogik 11 zugeführt. Diese steuert den Schalter 115, der den Pluspol (+ ü_) einer Batterie mit den Operationsverstärkern 5, 5', 7 und 9 im Analogteil verbindet.

In dem Operationsverstärker 5, dessen Eingang an der

durch die Widerstände 21,22 geteilten Betriebsspannung liegt, j wird eine stabile Bezugsspannung an der Potentialschiene 62 für den Analogteil erzeugt.

Die Steuerlogik 11 steuert eine Reihe von Analogschaltern 201 bis 215. Sie enthält einen Taktgenerator und einen Meßdauerzähler.

Ein Meßzyklus erfolgt in drei Phasen. Phase 1: Die Schalter 201 bis 207 und 214 und 216 werden geschlossen. Schalter 201 und 202 bewirken den automatischen Nullabgleich. Schalter 214 verkürzt die Zeitkonstante des Integrators 7 fUr die Dauer des Null-Abgleichs. Über die Schalter 203 bis 207 werden die Einzelspannungen über den Widerständen 1, 2, 3 an die Kondensatoren 221, 222 und 223 gelegt.

Phase 2: In dieser Phase wird die der Temperaturdifferenz proportionale Spannung und das zugehörige Integrationsprodukt gebildet. Die Schalter 201 bis 207 sowie 214 und 216 werden geöffnet und jetzt die Schalter 208 bis 210 sowie 215 geschlossen. Über 208 wird der negative Pol der Spannung U des Kondensators 222.an Null gelegt. Der positive Pol von U wird über den Schalter 209 mit dem positiven Pol von U des Kondensators verbunden. Der negative Pol von tL·. bzw. 221 ist über den Schalter 210 mit dem Eingang des Verstärkers 5' verbunden. Das Potential am Eingang von 5' .ist die negative Differenz der Spannungen über den Widerständen 1 und 2 und damit der Differenz der beiden Widerstände proportional.

Der Verstärker 5" bildet diese Differenzspannung an seinem Ausgang 1;1 ab und über den Integrationswiderstand 41 wird sie in den Integrationskondensator 227 integriert. Diese Integrationsspannung am Ende der Phase 2 ist somit der Widerstands-

differenz zwischen 1 und 2 proportional.

Die Schalter 215 und 216 dienen der Verhinderung verfälschender Auswirkungen von eventuellen Kriechströmen auf die im Kondensator 225 gespeicherte Offset-Spannung.

Phase 3: In dieserPhase erfolgt die Integration der Referenzspannung. Gleichzeitig wird eine Korrektur des Integrationsstromes mit einem von der Widerstandsdifferenz der Widerstände 1 und 2 abhängigen-Strom vorgenommen. Der Schalter 210 wird geöffnet und die Schalter 211, 212, 213 geschlossen. (Schalter 208, 209 und 215 bleiben geschlossen. Die Spannung -(U - U) am Fußpunkt des Kondensators 221 bzw. am Schalter 212 bleibt erhalten.) Ferner wird der Ergebniszähler 16 nit dem Taktgenerator in der Steuerlogik 11 zusammengeschaltet. Die Spannung U_p _ über dem Kondensator 223 wird über den Schalter 211 dem Eingang des Verstärkers 5' zugeführt und bewirkt im Kondensator 227 die Abwärtsintegration.

Dem positiven Strom, der aus dem Widerstand 41 in den Integrationskondensator 227 getrieben wird, wird zusätzlich ein negativer (Korrektur-) Strom über die Schalter 212 und 213 sowie die Widerstände 245 und 246 überlagert. Dadurch wird der Gesamtintegrationsstrom umso kleiner, je größer die Widerstandsdifferenz zwischen 1 und 2 bzw. je größer"die Temperaturdifferenz wird.

Wenn bei der Integration der Referenz- und Korrekturströme die Spannung über dem Integrationskondensator 227 bzw. am Ausgang des Integrators 7 Null wird, kippt der Komparator 9 und gibt ein Stop-Signal in die Steuerlogik 11. Schalter 115 trennt die Spannung +U_. wieder vom Analogteil ab und der Taktgenerator wird ausgeschaltet. In den Ergebniszähler 16 ist somit die Zahl der Takte in Phase 3 eingegeben.

BAD ORIGINAL

Bei jedem überlaufen des Ergebniszählers 16 schaltet die Steuerlogik 11 die Anzeige 17 um einen Schritt weiter.

Zur Messung der Temperatur bzw. Temperaturdifferenz können auch Halbleiterdioden benutzt werden. Diese ersetzen die Meßwiderstände 1 und 2.

Claims

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6740 LANDAU/PFALZ · LA.NOBTBAB8E 5

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Fr

Elster AG, Meß- und Regeltechnik, Ludwigshafen

"Verfahren und Vorrichtung zur elektrischen Wärmemengenmessung"

Patentansprüche

1Λ Verfahren zur elektrischen Wärmemengenmessung unter Einsatz wenigstens eines Temperaturmeßwiderstandes und wenigstens eines■ReferenzwiderStandes, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der Temperatur oder Temperaturdifferenz aus dem Widerstandsverhältnis/ abgebildet als Spannungsverhältnis zwischen dem Spannungsabfall an dem (den) Meßwiderständen und dem Spannungsabfall an dem Referenzwiderstand, bei Fließen' eines Stromes an sich beliebiger aber gleicher Stärke durch sämtliche Widerstände und mittels einer Analog-Digital-Umsetzung erfolgt.
2.) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Wärmemengenmessung nach Anspruch 1 mit je einem sowohl vor als auch hinter dem Wärmeverbraucher in der

ORlGIMAL INSPECTED

Zu- und Ableitung des Wärmemediums vorgesehenen Temperaturfühler in Gestalt eines temperaturempfihdlichen, elektrischen Meßwiderstandes, dadurch gekennzeichnet, daß außer den Meßwiderständen lediglich ein einziger Referenzwiderstand im Analogteil vorgesehen ist, der während eines Meßvorganges mit wenigstens einem der Meßwiderstände in Reihe geschaltet ist.
3.) Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung einer der Temperaturdxfferenz proportionalen Spannung den Meßwiderständen Kondensatoren zugeordnet sind, die in einer ersten Phase zu diesen Meßwiderständen parallel geschaltet sind und in einer zweiten Phase, von den Meßwiderständen getrennt, hintereinander geschaltet und einseitig an ein Bezu^spotential gelegt sind.
4.) Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auch dem Referenzwiderstand ein Kondensator zugeord-"* net ist.
5.) Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Integrationswiderstand im Analog-Digital-Umsetzer ein zuschaltbarer Parallelwiderstand zugeordnet ist.
6.) Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltmittel zur Herstellung des jeweils gleichen Bezugspotentials zwischen Meßwiderstand und Referenzwiderstand vorgesehen sind.
7.) Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Korrektur des Meßergebnisses in Abhängigkeit von Dichte und Enthalpie des Wärmemediums sowie der Kennlinie des bzw. der Meßwiderstände ein der Temperatur bzw. Temperaturdifferenz proportionaler Strom gebildet und während der Referenzintegration zu dem Referenzstrom addiert wird.

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8.) Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung der Schwingneigung des Verstärkerverbandes ein Schwellenspannungsschalter als Schaltungsbestandteil vorgesehen ist.
9.) Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Umkehr der Integrationsrichtung ein Differenzverstärker mit gesteuerten Widerständen im Meßeingang der Schaltung vorgesehen ist.
10.) Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Offsetabgleichzweig der als Analog/Digitalumsetzer verwendeten Dual-Slope-Schaltung hinter dem den Offsetabgleichstrom führenden Schalter ein weiterer Schalter angeordnet ist, der während des Meßvorgangs den Abgleichzweig an Null legt und noch ein weiterer, der die Verbindung zum Offset-Speicherkondensator zusätzlich auftrennt.