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Verfahren zur Bildung eines dem Produkt zweier elektri-
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scher Signale proportionalen Digitalwertes und Anwendung des Verfahrens
bei einem Wärmeleistungsmeßgerät Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung
eines dem Produkt zweier elektrischer Signale proportionalen Digitalwertes. Als
solche Signale kommen vorzugsweise Analogsignale, Jedoch auch impulsförmige Signale
infrage, bei denen die Information entweder in der Impulshöhe oder der Impulsdauer
oder der Impulsfrequenz liegt.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Anwendung des Verfahrens
bei einem Wärmeleistungsmeßgerät für eine Heizungsanlage, bei der ein aufgeheiztes
Fluid mit relativ hoher Vorlauftemperatur in mindestens einen Wärmetauscher einströmt
und mit niedrigerer RUcklauftemperatur wieder zurückströmt.
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Zur Bildung des Produktes zweier Analogsignale ist beispielsweise
aus dem Buch Halbleiter-Schaltungstechnik" von U. Tietze und Ch. Schenk, 3. Auflage,
Springer-Verlag, Berlin Heidelberg . New York 1974, Seiten 275 bis 277 das Time-Division-Verfahren
und eine zugehörige Anordnung zur Durchführung des Verfahrens bekannt.
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Dieses Verfahren bedingt einen nicht unerheblichen Aufwand und liefert
lediglich ein analoges Ausgangssignal.
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Zur Umwandlung eines Analogsignals, beispielsweise des bei einer Multiplikation
erhaltenen, dem Produkt von zwei Analogsignalen proportionalen Gleichspannungsmittelwertes,
in einen Digitalwert ist u.a. das Doppelintegrationsverfahren oder Dual Slope-Verfahren
ebenfalls aus dem vorerwähnten Buch aus den Seiten 612 bis 614 vorbekannt.
Bei
einem nach diesem Verfahren arbeitenden Analog-Digital-Wandler wird das für die
Dauer des Umwandlungsverfahrens als annähernd konstant zu betrachtende Analogsignal
in einem ersten Verfahrensschritt für eine konstante erste Zeitspanne - von einer
Anfangsspannung beginnend - aufintegriert, wobei ein Spannungsendwert erreicht wird.
In einem anschließenden zweiten Verfahrensschritt wird ein konstantes Referenzsignal
für eine gegenläufige Integration - ausgehend vom erwähnten Spannungsendwert - bis
zum erneuten Erreichen der Anfangsspannung benutzt, wobei während der Dauer dieser
gegenläufigen Integration ein Digitalzähler mit einem Impulszug konstanter Frequenz
gespeist wird. Damit steht am Ende der gegenläufigen Integration an den Ausgängen
des Digitalzählers ein dem Eingangssignal proportionaler Digitalwert zur Verfügung.
In der angegebenen Literaturstelle ist auch der Aufbau eines Analog-Digital-Wandlers
als Anordnung zur Durchführung des Dual Slope-Verfahrens angegeben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art anzugeben, bei dem durch Modifikation des Dual Slope-Verfahrens ohne
vorherige Nutzung eines eigenen Multiplizierverfahrens ein dem Produkt zweier Signale
proportionaler Digitalwert erhalten wird.
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Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der
eingangs genannten Art für ein Wärmeleistungsmeßgerät nutzbar zu machen.
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Die erste Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgende Verfahrensschritte
gelöst: a) In einem ersten Verfahrensschritt wird das erste Signal - beginnend von
einer Anfangsspannung - integriert während einer ersten Ze.itrspan1ne, deren Diier
proportional zu dem zweiten Signal ist, wobei ein
Spannungsendwert
erreicht wird, b) in einem zweiten Verfahrensschritt wird ein konstantes Referenzsignal
zu einer gegenläufigen Integration genutzt, bis - ausgehend vom Spannungsendwert
- nach einer zweiten Zeitspanne die Anfangs spannung wieder erreicht ist, wobei
während der Dauer der zweiten Zeitspanne ein Impulszähler zur Bildung des Digitalwertes
mit einem Impulszug konstanter Frequenz gespeist wird.
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Damit entfällt die Notwendigkeit zur Bildung eines eigenen, dem Produkt
der beiden elektrischen Signale proportionalen Gleichspannungswertes eines der bekannten
Multiplikationsverfahren "vorzuschalten". Vielmehr ist die Produktbildung nunmehr
durch Modifikation des zur Bildung des Digitalwertes ohnehin erforderlichen Dual
Slope-Verfahrens in dieses selbst integriert. Die Vorteile des Dual Slope-Verfahrens,
die darin bestehen, daß weder die Zeitkonstante der Integration noch die Taktfrequenz
des Impulszuges in das Meßergebnis eingehen, sind damit auch auf das Multiplikationsverfahren
erstreckt.
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In einer bevorzugten Aus führungs form weist die Anfangsspannung den
Wert 0 auf.
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Die weitere Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das eine
Signal der Vorlauf-RUcklauf-Temperaturdifferenz und daß das andere Signal der Strömungsgeschwindigkeit
des Fluids proportional ist. Damit wird das erfindungsgemäße integrierte Multiplikations-
und Digitalisierungsverfahren für ein Wärmeleistungsmeßgerät nutzbar gemacht.
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Eine bevorzugte Anwendung des Verfahrens besteht darin, daß zur Gewinnung
des strömungsgeschwindigkeitsproportio nalen Signals eine Ultraschallmessung in
und gegen die
Strömungsrichtung nach dem Lambda-Locked-Loop-Verfahren
durchgeführt wird, wobei in und gegen die Strömungsrichtung Je eine aus einem Sende-
und einem Empfangswandler bestehende Ultraschallmeßstrecke angeordnet ist und beide
Ultraschallmeßstrecken mit unterschiedlicher Ultraschallfrequenz betrieben werden
mit der Maßgabe, daß sich am Empfangswandler Jeder Ultraschallmeßstrecke eine auf
das zugehörige Ultraschallsendesignal bezogene konstante Phasenlage des Empfangssignals
einstellt, und daß die erste Zeitspanne des ersten Verfahrensschrittes proportional
zur Frequenzdifferenz der beiden Ultraschallfrequenzen gehalten ist. Das Lambda-Locked-Loop-Verfahren
als Verfahren zum Messen von Strömungsgeschwindigkeiten mit Hilfe von Ultraschallschwingungen
ist an sich aus der DE-OS 28 28 937 bekannt. Seine Vorteile liegen in der Unabhängigkeit
des Meßergebnisses von der Schallgeschwindigkeit und in der relativ einfachen und
komplikationslosen Realisierbarkeit. Seine Nutzung und Einbindung in das erfindungsgemäße
Multiplikations- und Digitalisierungsverfahren gestattet eine hochpräzise Wärmeleistungsmessung
mit einem Digitalwert als das Meßergebnis beinhaltende Endgröße, die durch digitale
Anzeigemittel sichtbar gemacht oder durch weitere Digitalsignale verarbeitende Funktionselemente
weiterverarbeitet werden kann. Da die Messung der Strömungsgeschwindigkeit ohne
bewegte und korrosionsanfällige Elemente vor sich geht, sind beste Voraussetzungen
für eine lange Lebensdauer eines nach diesem Verfahren arbeitenden Wärmeleistungsmeßgerätes
gegeben.
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Eine alternative Anwendung des Verfahrens besteht darin, daß zur Gewinnung
des strömungsgeschwindigkeitsproportionalen Signals eine Ultraschallmessung in und
gegen die Strömungsrichtung nach dem Lambda-Locked-Loop-Verfahren durchgeführt wird,
wobei eine einzige Ultraschallmeßstrecke, bestehend aus einem Sende- und einem Empfangswandler,
vorgesehen ist, bei der die Wandler alternierend
Jeweils als Sendewandler
bzw. Empfangswandler zur Messung in und gegen die Strömungsrichtung mit unterschiedlicher
Ultraschallfrequenz betrieben werden mit der Maßgabe, daß sich am Jeweiligen Empfangswandler
eine auf das zugehörige Ultraschallsendesignal bezogene konstante Phasenlage des
Empfangssignals einstellt, und daß die erste Zeitspanne des ersten Verfahrensschrittes
proportional zur Frequenzdifferenz der Ultraschallfrequenz gehalten ist. Diese alternative
Anwendung des Verfahrens weist neben allen im Vorstehenden beschriebenen Vorteilen
zusätzlich den Vorteil auf, daß nur noch eine Ultraschallmeßstrecke - gegenüber
zwei Ultraschallmeßstrecken bei der vorstehenden Anwendung des Verfahrens -erforderlich
ist. Damit ist auch automatisch eine übereinstimmende Länge der Meßstrecke für die
Messung in und gegen Strömungsrichtung gewährleistet, die für das Lambda-Locked-Loop-Verfahren
erforderlich ist.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der vorstehenden Anwendung des Verfahrens
besteht darin, daß die Wandler alternierend für jeweils eine übereinstimmende konstante
Meßzeitspanne betrieben werden, daß die eine Ultraschallfrequenz für die Dauer einer
Meßzeitspanne dem Vorwärts-Eingang eines Vorwärts-Rückwärts-Zählers und anschließend
die andere Ultraschallfrequenz ebenfalls für die übereinstimmende Dauer der Meßzeitspanne
dem Rückwärts-Eingang des Vorwärts-Rückwärts-Zählers zugeführt ist und daß schließlich
der Inhalt des Vorwärts-Rückwärts-Zählers zur Festlegung er ersten Zeitspanne des
ersten Verfahrensschrittes durch subtraktives Einzählen eines Impulszuges konstanter
Frequenz auf den Wert 0 verringert wird.
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Damit steht in sehr einfacher Weise nach Ablauf von zwei aufeinanderfolgenden
gleichlangen Meßzeitspannen im Vorwärts-Rückwärts-Zähler ein der Frequenzdifferenz
der Ultraschallfrequenzen und damit der Strömungsgeschwindigkeit proportionaler
Wert zur Verfügung. Durch "Herunterzählen" dieses Wertes durch einen Impulszug konstanter
Frequenz
bis schließlich der Endwert 0 erreicht ist, entsteht die für den ersten Verfahrensschritt
des erfindungsgemäßen Verfahrens benötigte erste Zeitspanne, die damit ebenfalls
proportional zur Strömungsgeschwindigkeit ist. Da bei der Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens bei einem Wärmeleistungsmeßgerät während der ersten Zeitspanne das der
Vorlauf-Rücklauf-Temperaturdifferenz proportionale Signal aufintegriert wird, entsteht
damit am Ende der ersten Zeitspanne ein Spannungsendwert, dessen Höhe in Relation
zur Anfangs spannung proportional zu dem Produkt aus Vorlauf-Rücklauf-Temperaturdifferenz
und Strömungsgeschwindigkeit ist. Im zweiten Verfahrensschritt wird dieser Spannungsendwert
digitalisiert, so daß durch das beschriebene Verfahren ein hochpräziser die Wärmeleistung
wiedergebender Digitalwert geliefert wird.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren 1 bis 3 näher erläutert.
Dabei zeigen: Fig. 1 ein Prinzipschaltbild für die Durchführung des konventionellen
Dual Slope-Verfahrens, Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der integrierten Spannung für
die beiden Verfahrensschritte des konventionellen Dual Slope-Verfahrens und Fig.
3 eine Schaltungsanordnung in Form eines Blockschaltbildes zur Anwendung des Verfahrens
bei einem Wärmeleistungsmeßgerät.
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Fig. 4 bis 12 Zeitdiagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltungsanordnung
nach Fig. 3, Anhand der Fig. 1 soll zunächst einmal das konventionelle Dual Slope-Verfahren
beschrieben werden. Hierbei wird für eine konstante erste Zeitspanne TO der Schalter
S4 geschlossen. Damit fließt über den ohmschen Widerstand R ein dem analogen Eingangssignal
ul, das beispielsweise der Vorlauf-Rücklauf- Temperaturdifferenz u proportional
ist, proportionaler Ladestrom in den aus
einem Operationsverstärker
V und einem Integrationskondensator C bestehenden Integrator I. Die Dauer der ersten
Zeitspanne TO wird üblicherweise von einer Taktfrequenz fT abgeleitet. Am Ende der
konstanten Zeitspanne TO ist die Ausgangsspannung ua des Integrators auf den Spannungsendwert
ua1 angestiegen, die proportional zur Amplitude des Signals u1 ist. Dies ist in
Fig. 2 dargestellt und entspricht dem ersten Verfahrensschritt I. Zusätzlich ist
in Fig. 2 der Integrationsverlauf für ein kleineres Signal u1' eingezeichnet, wobei
in diesem Fall am Ende der ersten Zeitspanne TO dann eben ein entsprechend niedrigerer
Spannungsendwert ua2 erreicht wird, der aber seinerseits wieder proportional zur
Größe des Signals u1' ist. Am Ende des ersten Verfahrensschrittes I mit der Dauer
TO wird der Schalter S4 geöffnet.
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Im anschließenden zweiten Verfahrensschritt II wird der Schalter S5
geschlossen. Damit treibt die konstante Referenzspannung ur als Referenzsignal über
den Widerstand R einen Strom über den Widerstand R in den Integrator I, der für
eine gegenläufige Integration, also eine Abwärts integration, genutzt wird. Dieser
Abwärtsintegrationsvorgang läuft solange, bis - ausgehend beispielsweise vom ersten
Spannungsendwert Ua1 - wiederum die Anfangsspannung uO, die vorzugsweise den Wert
O aufweist, erreicht ist. Diese Abwärts integration oder Entladung des Integrationskondensators
C definiert für den Fall des Eingangssignals u1, das bei einem Wärmeleistungsmeßgerät
beispielsweise proportional zur Vorlauf-Rücklauf-Temperaturdifferenz ol4sein kann,
eine zweite Zeitspanne T1 und für den Fall des Eingangssignals ul' eine zweite Zeitspanne
T1', deren Dauer proportional zu den Spannungsendwerten ual bzw Ua2 oder auch zur
Größe der Eingangssignale u1 bzw. u7' ist.
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Das Erreichen der Anfangsspannung uO kann über einen dem Integrator
I nachgeschalteten Grenzwertmelder erfaßt
werden, der in Fig. 1
nicht dargestellt ist. Wird nun während der Dauer der zweiten Zeitspanne T1 bzw.
T1' ein Impulszähler mit einem Impulszug konstanter Frequenz, insbesondere der Taktfrequenz
fT gespeist, dann steht am Ende des zweiten Verfahrensschrittes II an den Ausgängen
des Impulszählers ein der analogen Eingangsspannung u1 proportionaler Digitalwert
zur Verfügung. Wird sowohl zur Bestimmung der ersten Zeitspanne TO als auch zum
Einzählen in den Impulszähler ein Impulszug der Taktfrequenz fT verwendet, so muß
diese Frequenz für ein einwandfreies Meßergebnis nur während der kurzen Zeit T0
+ T1 konstant sein. Wird die Anzahl der Taktimpulse während der ersten Zeitspanne
TO mit nO bezeichnet und die Anzahl der Taktimpulse während der Dauer der zweiten
Zeitspanne mit n1, so gilt: k . ul () . n0 . = ur 1 1 (1) T wobei k eine Konstante
darstellt. Daraus ergibt sich: n1~u1 (##) . no (2) ur Daraus ergibt sich, daß die
Anzahl n1 der Impulse im Impulszähler proportional zur Größe des Eingangssignals
u1 ist, während wegen der Konstanz der Zeitspanne TO der Wert n0 konstant ist. Das
Referenzsignal ur ist ebenfalls konstant.
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Wird nun abweichend vom bislang beschriebenen konventionellen Dual
Slope-Verfahren die erste Zeitspanne TO, während der das Eingangssignal u1 aufintegriert
wird, nicht mehr konstant gehalten, sondern proportional zur
Größe
eines zweiten Signals u2 geführt, dann entspricht der am Ende der zweiten Zeitspanne
im Impulszähler befindliche Inhalt n1 dem Produkt der beiden Signale u1 und u2,
da in diesem Fall in Formel 2 der Wert n0 durch den Wert u2 zu ersetzen ist. Damit
gilt dann für diesen Fall: ul (a) u2 n1 ~ - u (3) ur Dieses Verfahren läßt sich
bei einem Wärmemengenleistungsmeßgerät für eine Heizungsanlage anwenden, bei der
ein aufgeheiztes Fluid, vorzugsweise Wasser, mit einer relativ hohen Vorlauftemperatur
in einen Wärmetauscher eingeleitet und nach Abkühlung mit der Rücklauftemperatur
zum Heizkessel zurückgeführt wird, wo es erneut erwärmt wird. Die Wärmeleistung
ergibt sich hierbei als Produkt aus Vorlauf-RUcklauf-Temperaturdifferenz a a und
aktueller Strömungsgeschwindigkeit v.
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Fig. 3 zeigt eine Anordnung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
bei einem Wärmeleistungszähler, wobei zur Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit
v des als Wärmeträger dienenden Fluids eine nach dem Lambda-Locked-Loop-Verfahren
arbeitende Ultraschallmeßeinrichtung UM verwendet ist. In dem das Fluid führende
Strömungsrohr R sind hierbei zwei in axialer Richtung versetzte Ultraschallwandler
W1 und W2 angeordnet. Diese beiden Ultraschallwandler bilden die Ultraschallmeßstrekke
und werden alternierend jeweils als Sendewandler bzw.
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Empfangswandler zur Messung in und gegen die Strömungsrichtung betrieben.
D.h., daß zur Messung in Strömungsrichtung der Wandler W1 als Sendewandler und der
Wandler W2 als Empfangswandler genutzt wird, wohingegen bei der Messung gegen Strömungsrichtung
der Wandler W2 als Sendewandler und der Wandler W1 als Empfangswandler dient.
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Die zeitliche Steuerung für den alternierenden Betrieb ist in der
Durchflußmeßeinrichtung D enthalten. Darüber hinaus beinhaltet die Durchflußmeßeinrichtung
D die zur Durchführung des Lambda-Locked-Loop-Verfahrens benötigte Sende- und Empfangselektronik.
Bei diesem Verfahren müssen sowohl für die Messung in Strömungsrichtung als auch
gegen die Strömungsrichtung Jeweils zwischen Empfangswandler und Sendewandler die
genau gleiche Anzahl von Ultraschallwellenzügen passen. Daeber die effektive Ausbreitungsgeschwindigkeit
der Ultraschallwellenzüge wegen der Strömungsgeschwindigkeit v des Fluids unterschiedlich
ist, kann diese Forderung nur dann erfüllt werden, wenn für die Messung in Strömungsrichtung
und für die Messung gegen Strömungsrichtung unterschiedliche Ultraschallfrequenzen
fv und zur verwendet werden. Wenn die Ultraschallwellenlänge bei der Messung in
und gegen Strömungsrichtung nicht exakt gleich ist, äußert sich dies darin, daß
die Phasenlage des Ultraschallsignals am Empfangs ort bezogen auf das Jeweilige
Sendesignal auf beiden Meßstrecken unterschiedlich ist. Bei Lambda-Locked-Loop-Verfahren
wird nun durch Änderung der Jeweiligen Sendefrequenz fv und zur dafür gesorgt, daß
sich Jeweils am Empfangswandler eine auf das betreffende Sendesignal bezogene konstante
Phasenlage des Empfangssignals einstellt, indem die beiden Ultraschallfrequenzen
fv und fR jeweils mittels einer einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) enthaltenden
Phasenregelschleife (PLL) entsprechend geregelt werden. Dies ist in der bereits
eingangs erwähnten DE-OS 28 28 937 dargestellt, auf die hiermit ausdrücklich Bezug
genommen wird.
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Das Lambda-Locked-Loop-Verfahren liefert bei der Messung gegen die
Strömungsrichtung eine niedrigere Ultraschallfrequenz fR als bei der Messung in
Strömungsrichtung, bei der die höhere Ultraschallfrequenz fV zustande kommt.
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Jede Messung, also sowohl die Messung in Strömungsrichtung als auch
die sich anschließende Messung gegen die
Strömungsrichtung,erfolgt
für die Dauer einer festen Meßzeitspanne TM. Die am Ausgang Al der Durchflußmeßeinrichtung
D zur Verfügung stehende Ultraschallfrequenz für die Messung in Strömungsrichtung
wird über den Schalter S1 für die Dauer einer Meßzeitspanne TM dem Vorwärts-Zähleingang
V eines Vorwärts-Rückwärts-Zählers Z zugeführt. Die am Ausgang A2 der Durchflußmeßeinrichtung
D anstehende Ultraschallfrequenz fR für die Messung gegen die Strömungsrichtung
ist über den Schalter S2 ebenfalls Jeweils für die Dauer einer Meßzeitspanne TM
dem Rückwärtszähleingang R des Vorwärts-RUckwärts-Zählers Z angeschlossen. Die zeitgerechte
Schalterbetätigung der Schalter S1 und S2 wird durch ein taktgesteuertes Zeitwerk
TZ über Signale an den Ausgängen c2 und c21 gesteuert, das seinerseits zur Ermittlung
der benötigten Zeitinformationen durch einen Taktgeber TG mit der Frequenz fT gespeist
ist. Das Ausgangssignal des Taktgebers TG ist darüber hinaus über einen dritten
Schalter S3 ebenfalls an den Rückwärtszähleingang R des Vorwärts-Rückwärts-Zählers
Z anschaltbar. Der Vorwärts-Rückwärts-Zähler Z ist über seinen Rücksetzeingang RS
durch ein Rücksetzsignal am Ausgang cl des taktgesteuerten Zeitwerkes TZ auf den
Wert 0 zurückstellbar.
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Darüber hinaus weist der Vorwärts-Rückwärts-Zähler Z einen Ausgang
QO auf, dessen Signal dann auf den logischen Wert Null fällt, wenn der Zählerinhalt
den Wert 0 aufweist. Auch der Schalter S3 wird durch ein am Ausgang c3 des taktgesteuerten
Zeitwerkes TZ auftretendes Signal gesteuert.
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Darüber hinaus ist ein Integrator I, bestehend aus einem Operationsverstärker
V und einem Integrationskondensator C vorgesehen, an dessen Eingang über einen ohmschen
Widerstand R durch einen Schalter S4 das der Vorlauf-Rücklauf-Temperaturdifferenz
proportionale Signal u1 und über einen Schalter S5 das Referenzsignal ur anschaltbar
ist. Das Referenzsignal ur weist gegenüber
der Eingangsspannung
ul umgekehrte Polarität auf. Die Schalter S3 und S4 werden durch das taktgesteuerte
Zeitwerk TZ durch Signale an dessen Ausgang c3 gleichphasig gesteuert Auch der Schalter
S5 wird durch das taktgesteuerte Zeitwerk TZ über dessen Ausgang c4 gesteuert.
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Dem Integrator I ist ein Grenzwertmelder GM nachgeschaltet, dessen
Ausgangssignal ug dann aktiv ist, wenn die Ausgangsspannung ua des Integrators I
die Anfangsspannung u0 = 0 erreicht. Das Ausgangssignal ug des Grenzwertmelders
GM ist ebenfalls dem taktgesteuerten Zeitwerk TZ zugeführt und wird dort verarbeitet.
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Anhand der in den Fig. 4 bis 12 dargestellten Zeitdiagramme wird das
Arbeitsverfahren des in Fig. 3 dargestellten Wärmeleistungsmeßgerätes näher erläutert.
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Zu Beginn einer Wärmeleistungsmessung wird durch einen am Ausgang
cl des taktgesteuerten Zeitwerkes auftreten den Rücksetzimpuls IR, der auf den Rücksetzeingang
RS des Vorwärts-Rückwärts-Zählers Z geführt ist, dieser auf den Wert n = 0 zurückgestellt,
wie aus den Fig.
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4 und 10 ersichtlich ist. Das am Ausgang codes Vorwärts-Rückwärts-Zählers
anstehende Signal fällt damit - wie in Fig. 5 gezeigt ist - vom logischen Wert 1
auf den logischen Wert 0. Der Zeitpunkt des Auftretens des Rückstellimpulses IR
ist mit t0 bezeichnet. Im Zeitpunkt t1 beginnt eine erste konstante Meßzeitspanne
TM, während der für eine Strömungsgeschwindigkeitsmessung in Strömungsrichtung der
Wandler W1 als Sendewandler und der Wandler W2 als Empfangswandler betätigt wird.
Für die gleiche Meßzeitspanne TN wird der Schalter S1 durch das taktgesteuerte Zeitwerk
TZ geschlossen, das sich diesbezüglich mit der Durchflußmeßeinrichtung D im Synchronismus
befinden muß. Natürlich ist es auch möglich, den Schalter 51 wie auch den Schalter
S2 nur für einen festen Teil der Meßzeitspanne TM zu schließen, in der der Ultraschallwandler
Wl als Sendewandler aktiv ist. Mit
dem Schließen des Schalters
S1 wird die am Ausgang Al der Durchflußmeßeinrichtung D anstehende Ultraschallfrequenz
V über den Vorwärts-Zähleingang V des Vorwärts-Rückwärts-Zählers Z in diesen eingezählt.
Im Zeitpunkt t2 ist die erste Meßzeitspanne TM beendet.
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Das den Schalter S1, der wie auch die anderen Schalter S2 bis S5 als
steuerbarer elektronischer Schalter ausgeführt ist, betätigende Signal am Ausgang
c2 des taktgesteuerten Zeitwerks ist in Fig. 6 dargestellt.
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Im Zeitpunkt t3 beginnt eine weitere Meßzeitspanne TM für die Strömungsgeschwindigkeitsmessung
gegen Strömungsrichtung, in der der Wandler W2 als Sendewandler und der Wandler
W1 als Empfangswandler geschaltet ist. Während dieser Zeitspanne TM ist die am Ausgang
A2 der Durchflußmeßeinrichtung D anstehende Ultraschallfrequenz fR, die kleiner
ist als die Ultraschallfrequenz fy für die Strömungsgeschwindigkeitsmessung in Strömungsrichtung,
über den für die Dauer TM nunmehr geschlossenen Schalter S2 auf den Rückwärtszähleingang
R des Vorwärts-Rückwärts-Zählers Z geführt. Im Zeitpunkt t4 ist die zweite Meßzeitspanne
TM beendet und der Schalter S2 wird wiederum geöffnet.
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Aus dem in Fig. 10 dargestellten zeitlichen Verlauf des Inhalts n
des Vorwärts-Rückwärts-Zählers Z ist ersichtlich, daß diesgwährend der ersten Meßzeitspanne
TM zwischen t1 und t2 vom Wert 0 beginnend auf den Wert nk hochgelaufen ist. In
der zweiten Meßzeitspanne gleicher Dauer TM zwischen den Zeiten t3 und t4 wird durch
die in Rückwärtsrichtung eingezählte Ultraschallfrequenz der Zählerinhalt vom Wert
nk auf den Wert n0 zurückgezählt. Dieser Wert n0 ist ein Maß für die Frequenzdifferenz
der beiden Ultraschallfrequenzen V und und damit proportional zur Strömungsgeschwindigkeit
v des Fluids.
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Im Zeitpunkt t5 wird durch das am Ausgang c3 des taktgesteuerten Zeitwerks
TZ anstehende Ausgangssignal sowohl der Schalter S3 als auch der Schalter S4 geschlossen.
Über den Schalter S3 wird die Taktfrequenz fT des Taktgebers TG auf den Rückwärtszähleingang
R des Vorwärts-Rückwärts-Zählers Z geführt, wodurch dessen Inhalt weiter verringert
wird. Gleichzeitig beginnt über den geschlossenen Schalter S4 im Integrator I die
Integration des der Vorlauf-Rücklauf-Temperaturdifferenz ## entsprechende Signals
ul. Diese in Fig. 11 dargestellte Aufwärts integration hält bis zum Zeitpunkt t6
an, in dem der Inhalt n des Vorwärts-Rückwärts-Zähler Z den Wert 0 erreicht. In
diesem Moment nämlich fällt das Ausgangssignal am Ausgang QO des Vorwärts-Rückwärts-Zählers
Z vom logischen Wert 1 auf den logischen Wert 0, wobei - wie in Fig. 8 dargestellt
ist - die bislang geschlossenen Schalter S3 und S4 durch das am Ausgang c3 des taktgesteuerten
Zeitwerkes TZ auftretende Ausgangssignal geöffnet werden. Die Zeitspanne zwischen
den Zeiten t5 und t6, während der das Vorlauf-Rücklauf-Temperaturdifferenz ## proportionale
Eingangsignal ul aufintegriert wird, ist damit im Gegensatz zum herkömmlichen Dual
Slope-Verfahren keine Konstante mehr, sondern proportional zur Strömungsgeschwindigkeit
v.
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Diese Zeitspanne ist mit T0 bezeichnet (Fig. 8).
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Im Zeitpunkt t6 wird gleichzeitig durch das am Ausgang c4 des taktgesteuerten
Zeitwerkes TZ nunmehr erzeugte Ausgangssignal der Schalter S5 geschlossen, so daß
mit dem nunmehr am Integrator I anstehenden konstanten Referenzsignal ur vom Spannungsendwert
ua1 (Fig. 11) beginnend die Abwärtsintegration erfolgt. Diese Abwärtsintegration
endet dann, wenn das Ausgangssignal ua des Integrators I die Anfangs spannung u0
vor Beginn der Aufwärtsintegration, also im Ausführungsbeispiel die Spannung uO
= 0 erreicht. Das Erreichen der Anfangsspannung uo - O wird über den dem Integrator
1 nachgeschalteten
Grenzwertmelder GM erfaßt und als Signal ug
- wie in Fig. 12 dargestellt - dem taktgesteuerten Zeitwerk tz zugeführt und löst
über dieses am Ausgang c4 das Öffnen des Schalters S5 aus. Der Signalverlauf am
Ausgang c4 und der entsprechende Zustand des Schalters S5 ist in Fig. 9 dargestellt.
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Die zwischen den Zeiten t6 und t7 liegende Zeitspanne T1 der Abwärtsintegration
(Fig. 11) definiert also die Schließzeit des Schalters S5, wie in Fig. 9 dargestellt
ist. Diese Schließzeit T1 ist damit proportional zu dem Produkt aus Strömungsgeschwindigkeit
v und Vorlauf-Rücklauf-Temperaturdifferenz a A @. Während dieser Schließzeit
T1 wird das Ausgangssignal des Taktgebers TG mit der Frequenz fT in einen Impulszähler
IZ eingezählt, der im taktgesteuerten Zählwerk TZ enthalten ist.
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Am Ende der Zeitspanne T1, also im Zeitpunkt t7, endet dieser Einzählvorgang
in den Impulszähler IZ. An den Ausgängen G des Impulszählers IZ steht damit im Zeitpunkt
t7 ein Digitalwert an, der die in diesem Meßzyklus erfaßte Wärmeleistung repräsentiert.
Weitere derartige Meßzyklen können sich anschließen, wobei die Summierung der einzelnen
Wärmeleistungsmeßwerte als Ergebnis die verbrauchte Wärmemenge liefert.
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Im Vorangehenden wurde eine Messung der Strömungsgeschwindigkeit v
mittels des Lambda-Locked-Loop-Verfahrens mit alternierender Messung in und gegen
die Strömungsrichtung herangezogen. Alternativ ist es auch möglich, das Lambda-Locked-Loop-Verfahren
derart einzusetzen, daß zwei Ultraschallmeßstrecken mit Je einem Sende- und einem
Empfangswandler verwendet sind, wobei eine Meßstreckedin Strömungsrichtung und eine
zweite Meßstrecke gegen Strömungsrichtung angeordnet ist. In diesem Fall können
die beiden Ultraschallmeßstrecken simultan betrieben werden. Auch hierbei ergeben
sich
zwei unterschiedliche Ultraschallfrequenzen f und für die
Strömungsgeschwindigkeitsmessung in Strömungsrichtung und für die Strömungsgeschwindigkeitsmessung
gegen Strömungsrichtung, da bei dem Lambda-Locked-Loop-Verfahren darauf angestellt
ist, daß sich am Empfangswandler Jeder Ultraschallmeßstrecke eine auf das zugehörige
Ultraschall-Sendesignal bezogene konstante Phasenlage des Empfangssignals einstellt.
Die Differenzfrequenz fv ~ fR der beiden Ultraschallfrequenzen ist direkt proportional
zur Strömungsgeschwindigkeit v des Fluids.
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Zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für einen Wärmeleistungsmesser
ist es in diesem Fall erforderlich, daß die erste Zeitspanne TO, während der die
Aufintegration des der Vorlauf-RUcklauf-Temperaturdifferenza entsprechenden Signals
ul erfolgt, proportional zur Frequenzdifferenz fv ~ fR der beiden Ultraschallfrequenzen
geführt ist. Für die Erfassung der Frequenzdifferenz bwz. eines frequenzdifferenzproportionalen
Signals wird auf die bereits mehrfach erwähnte DE-AS 28 28 937 verwiesen.
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6 Patentansprüche 12 Figuren