DE3239478C2

DE3239478C2 - Verfahren zur Bildung eines dem Produkt zweier elektrischer Signale proportionalen Digitalwertes und Wärmeleistungsmeßgerät für eine Heizungsanlage unter Anwendung des Verfahrens

Info

Publication number: DE3239478C2
Application number: DE3239478A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dipl.-Ing. 8500 Nürnberg Stark
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1982-10-25
Filing date: 1982-10-25
Publication date: 1985-09-05
Also published as: DE3239478A1

Abstract

Das zur Digitalisierung eines Analogsignals bekannte Dual Slope-Verfahren wird zur Produktbildung dahingehend modifiziert, daß die an sich konstante erste Zeitspanne (T0), während der das eine elektrische Signal (u1) aufintegriert wird, eine zur Größe des zweiten Signals (no) proportionale Dauer aufweist. Der am Ende der ersten Zeitspanne (T0) erreichte Integrationsendwert (ua1) ist damit proportional zum Produkt der beiden Signale (u1, no). Anschließend erfolgt eine gegenläufige Integration eines konstanten Referenzsignals (ur), bis die ursprüngliche Ausgangsspannung (uo) wieder erreicht ist. Dadurch wird eine zweite Zeitspanne (T1) definiert, während der ein Impulszug konstanter Frequenz (fT) in einen Impulszähler eingezählt wird, an dessen Ausgängen am Ende der zweiten Zeitspanne (T1) der gewünschte Digitalwert zur Verfügung steht. Das beschriebene Verfahren wird für ein Wärmeleistungsmeßgerät angewendet, bei dem das eine Signal der Vorlauf-Rücklauf-Temperaturdifferenz (Δθ) und das andere Signal der Strömungsgeschwindigkeit des Wärmeträgers proportional ist, wobei für die Strömungsgeschwindigkeit eine Ultraschallmessung nach dem Lambda-Locked-Loop-Verfahren eingesetzt ist.

Description

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.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Anwendung des Verfahrens bei einem WärmclcislungsmcUgcräl für eine Heizungsanlage, bei der ein aufgeheiztes Fluid mit relativ hoher Vorlauftemperatur in mindestens einen Wärmetauscher einströmt und mit niedrigerer Rücklauftemperatur wieder zurückströmt.

Zur Bildung des Produktes zweier Analogsignale ist beispielsweise aus dem Buch »Halbleiter-Schaltungstechnik« von U. Tietze und Ch. Schenk, 3. Auflage. Springer-Verlag, Berli/i · Heidelberg · New York 1974, Seiten 275 bis 277 das Time-Divisions-Verfahren und eine zugehörige Anordnung zur Durchführung des Verfahrens bekannt. Dieses Verfahren bedingt einen nicht unerheblichen Aufwand und liefert lediglich ein analoges Ausgangssignal.

Zur Umwandlung eines Analogsignals, beispielsweise des bei einer Multiplikation erhaltenen, dem Produkt von zwei Analogsignalen proportionalen Gleichspannungsmittelwertes, in einen Digitalwert ist u. a. das Doppelintegrationsverfahrcn oder Dual Slopc-Verfahren ebenfalls aus dem vorerwähnten Buch aus den Seilen fai2 bis bl4 vorbekannl. Hei einem nach diesem Verfahren arbeitenden Analog-Digital-Wandler wird das für die Dauer des Umwandlungsverfahren als annähernd konstant zu betrachtende Analogsignal in einem ersten Verfahrensschritt für eine konstante ersie Zeitspanne — von einer Anfangsspannung beginnend — aufintegriert, wobei ein Spcinnungsendwerl erreicht wird. In einem anschließendes zweiten Verfahrens-

schritt 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 Digital wert zur Verfügung. In der angegebenen Literaturstelle ist auch der Aufbau eines Analog-Digital-Wandlers ais Anordnung zur Durchführung des Dual Siope-Verfahrens angegeben.

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 Digitalwe^rt erhalten wird, und dieses Verfahren für ein Wärmeieistungsmeßgerät nutzbar zu machen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kombination folgender Verfahrensschritte gelöst:

a) in einem ersten Verfahrensschritt wird aas erste Signal — beginnend von einer Anfangsspaimung — mit einem Integrator integriert während einer ersten Zeitspanne, deren Dauer proportional zu dem /.weiten Signal ist, wobei diese Dauer durch die Impulse eines Taktgenerators ermittelt wird und wobei ein Spannungsendwert erreicht wird,

b) in einem zweiten Verfahrensschritt wird ein kon- jo stantes Referenzsignal zu einer gegenläufigen Integration mit demselben Integrator genutzt, bis — ausgehend vom Spannungsendwert — nach einer zweiten Zeitspanne die Anfangsspannung wieder erreicht ist, wobei während der Dauer der zweiten Zeitspanne ein Impulszähler zur Bildung des Digitaiwertes mit einem impuiszug konstanter Frequenz desselben Taktgenerators gespeist wird.

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 erfordcrlichen 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 Mcßergcbnis eingehen, sind damit auch auf das Mulliplika- ->o tionsvcrfahren erstreckt.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Anfangsspannung den Wert 0 auf.

In einer Ausführungsform für ein Wärmeleistungsmeßgcrät ist das ein·:: Signal der Vorlauf-Rücklauf-Tempcraturdifferenz und das andere Signal der Strömungs geschwindigkeit des Fluids proportional.

Eine bevorzugte Anwendung des Verfahrens besteht darin, daß zur Gewinnung des strömungsgeschwindigkeitsproportionalen Signais eint.· 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 Ultraschallfrcquenz betrieben werden mit ds^r Maßgabe, daß sich am Empfangswandler jeder Ultraschallineßstrecke 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 MuI-tiplikations- 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 korrosionssriällige Elemente vor sich geht, sind beste Voraussetzungen für eine lange Lebet- iauer eines nach diesem Verfahren arbeitenden Wärmeleiriungsmeßgerätes gegeben.

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-Vcrfahren durchgeführt wird, wobei eine einzige Ultraschallmeßstrecke, bestehend aus einem Sende- und einem Empfangswandlur, vorgesehen ist, bei der die Wandler alternierend jeweils als Scndewandler 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 Empfangssignais einstelii, 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.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der vorstehenden Anwendung des Verfahrens besteht darin, daß die Wandler alternierend für jeweils eine übereinstimmen de konstante Meßzeitspar.ne betrieben werden, daß die ein; U'.ärdschallfrequenz für die Dauer einer Meßzeitspanne dem Vorwärts-Eingang eines Vorwärts-Rückwärts-Zählers und anschließend die andere Uhraschallfrequenz ebenfalls für die übereinstimmende Dauer der Meßzeitspanne dem Rückwärts-Eingang des Vorwärts-Rückwärts-Zählerj zugeführt ist und daß schließlich der Inhalt des Vorwärts-Rückwärts-Zählers zur Festlegung der ersten Zeitspanne des ersten Verfahrensschrittes durch subtraktives Einzählen eines Impulszuges konstanter Frequenz auf den Wert O verringert wird. Damit steht in sehr einfacher Weise nach Ablauf von zwei aufeinanderfolgender gleichlangen Meßzeitspannen im Vorwärts-Rückwärts-Zähler ein der Frequenzdifferenz der Ultraschallfrequenz 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 Anfangsspannung 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 hochpräziscr die Wärmeleistung wiedergebender Digitalwert geliefert wird.

Eingangssignals u V eine zweite Zeitspanne TV, deren Dauer proportional zu den Spannungsendwerten u., ι bzw. U₃ j oder auch zur Größe der Eingangssignale u 1 bzw. υ Γ ist. Das Erreichen der Anfangsspannung i/o kann über einen dem integrator / nachgeschaiteten Grenzwertmelder erfaßt werden, der in F i g. I nicht dargestellt ist. Wird nun während der Dauer der zweiten Zeitspanne 71 bzw. TV ein Impulszähler mit einem Impulszug konstanter Frequenz, insbesondere der Taktfrequenz /V gespeist, dann steht am Ende des zweiten Verfahrensschrittes Il an den Ausgängen des Impulszählers ein der analogen Eingangsspannung u 1 proportionaler Digitalwcrt zur Verfugung. Wird sowohl zur Bestimmung der ersten Zeitspanne TO als auch zum Einzählen in den Impulszähler ein Impulszug der Taktfrequenz Λ verwendet, so muß diese Frequenz für ein einwandfreies Mcßcrgcbnis nur während der kurzen Zeit Td + T\ konstant sein. Wird die Anzahlt der Takt-

I'll. I.I IMIUUIIf Willi III! I U I IUl-11 illlllllltU Ud

bis 3 näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild für die Durchführung des konventionellen Dual Slope-Verfahrens,

F i g. 2 den zeitlichen Verlauf der integrierten Spannung für die beiden Verfahrensschritte des konventionellen Dua! SlopeVerfahrens und

Fig. 3 eine Schaltungsanordnung in Form eines Blockschaltbildes zur Anwendung des Verfahrens bei einem Wärmeleistungsmeßgerät.

F i g. 4 bis 12 Zeitdiagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltungsanordnung nach F i g. 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 54 geschlossen. Damit fließt über den ohmschcn Widerstand R ein dem analogen Eingangssignal i/1. das beispielsweise der Vorlauf-Rücklauf-Temperaliirdifierenz zli9 nmnnrlinnal ist. proportionaler Ladestrom in den aus einem Operationsverstärker V und einem Integrationskondensator Cbestehenden Integrator /. Die Dauer der ersten Zeitspanne TO wird üblicherweise von einer Taktfrequenz /V abgeleitet. Am Ende der konstanten Zeitspanne TO ist die Ausgangsspannung Uj des Integrators auf den Spannungsendwert Uj ι angestiegen, die proportional zur Amplitude des Signals u 1 ist. Dies ist in F i g. 2 dargestellt und entspricht dem ersten Verfahrensschritt I. Zusätzlich ist in F i g. 2 der Integrationsverlauf für ein kleineres Signal υ V eingezeichnet, wobei in diesem Fall am Ende der ersten Zeitspanne TO dann eben ein entsprechend niedrigerer Spannungsendwert u.,2 erreicht wird, der aber seinerseits wieder proportional zur Größe des Signals u V ist. Am Ende des ersten Verfahrensschrittes I mit der Dauer TO wird der Schalter 54 geöffnet.

Im anschließenden zweiten Verfahrensschritt II wird der Schalter 55 geschlossen. Damit treibt die konstante Referenzspannung u_r als Referenzsignal über den Widerstand R einen Strom über den Widerstand R in den Integrator /. der für eine gegenläufige Integration, also eine Abwärtsintegration, genutzt wird. Dieser Abwärtsintegraüonsvorgang läuft solange, bis — ausgehend beispielsweise vom ersten Spannungsendwert Uj ι — wiederum die Anfangsspannung u& die vorzugsweise den Wert 0 aufweist, erreicht ist. Diese Abwärtsintegration oder Entladung des Integrationskondensators C definiert für den Fall des Eingangssignals a 1. das bei einem Wärmelcistungsmeßgerät beispielsweise proportional /ur Vorlauf-Rücklauf-Temperaturdifferenz Jff sein kann, eine zweite Zeitspanne Tl und für den Fall des Hilf/u οι. wa

zeichnet und die Anzahl der Taktimpuls? während der Dauer der zweiten Zeitspanne mit n\. so gilt:

A:-ul (Ad) ■ n_u ■ -i- = u, ■ n_t ■ -i- (I) Jr Jr

wobei k eine Konstante darstellt. Daraus ergibt sich:

_ vl (Ad) /I₀ ₍₂₎

Daraus ergibt sich, daß die Anzal·! n\ der Impulse im Impulszähler proportional zur Größe des Eingangssignals u 1 ist, während wegen der Konstanz der Zeitspanne TO der Wert no konstant ist. Das Referenzsignal

J5 Ur ist ebenfalls konstant.

Wird nun abweichend vom bislang beschriebenen konventionellen Dual Slope-Verfahren die erste Zeitspanne TO, während der das Eingangssignal u I aufintegriert wird, nicht mehr konstant gehalten, sondern proportional zur Größe eines zweiten Signals i/2 geführt, dann entspricht der am Ende der zweiten Zeitspanne im Impulszähler befindliche Inhalt n_x dem Produkt der beiden Signale u 1 und υ 2, da in diesem Fall in Formel 2 der Wert /)o durch den Wert u2 zu ersetzen ist. Damit gilt dann für diesen Fall:

Ul(Ad)- u2

so Dieses Verfahren läßt sich bei einem Warmemengenleistungsmeßgerät für eine Heizungsanlage anwenuun. 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-Rücklauf-Temperaturdifferenz Δ& und aktueller Strömungsgeschwindigkeit v.

bo F i g. 3 zeigt eine Anordnung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem Wärmclcistungszähler. wobei zur Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit ν des als Wärmeträger dienenden Fluids eine nach dem Lambda-Lockcd-Loop-Verfahren arbei-

f>5 tcnde Ultraschallmeßeinrichtung UM verwendet ist. In dem das Fluid führenden Strömungsrohr R sind hierbei zwei in axialer Richtung versetzte Ultrascha'.lwandler Wi und W2 angeordnet Diese beiden Ultraschall-

wandler bilden die Ultrasehallmeßstrcckc und werden alternierend jeweils als Sendewandlcr bzw. Einpfangsvvaniller zur Messung in und gegen die Strömungsrichiung betrieben. Da, heißt, daß zur Messung in Ströimingsrichlung der Wandler W 1 als Sendewandlcr und der Wandler W2 als F.inpfangswandler genutzt wird, wohingegen bei der Messung gegen Strömungsrichtung der Wi¹'.Her W2 als .Sendewandler und der Wandler W 1 als L-xipfangswandlcr dient.

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 Sendewandlcr die genau gleiche Anzahl von Ultrav;h:illwp!lrn7Mgen nassen. Da aber die effektive Ausbreiiungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellenzüge wegen der Strömungsgeschwindigeit vdes Fluids unterschiedlich ist, kann diese Forderung nur dann erfüllt werden, wenn für die Messung in Strömungsrichtung und für die Messung gegen Strömungsrichtung unterschiedliche Ultraschallfrcquenzen /", und fx verwendet werden. Wenn die Ultraschallwellenlängc bei der Messung in und gegen Slrömungsrichtung nicht exakt gleich ist, äußert sich dies darin, daß die Phasenlage des Ultraschallsignals am Empfangsort bezogen auf das jeweilige Sendcsignal auf beiden Meßstrecken unterschiedlich ist. Bei Lii-ibda-Locked-Loop-Verfahren wird nun durch Änderung der jeweiligen Sendefrequenz f, und ir dafür gesorgt, daß sich jeweils am Empfangswandler eine auf das betreffende Sendesignal bezogene Phasenlage des Empfangssignals einstellt, indem die beiden Ultraschallfrequenzen f, und [r 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.

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 Λ zustande kommt. |cde Messung, also sowohl die Messung in Strömungsrichtung als auch die sich anschließende Messung gegen die Slrömungsrichtung, erfolgt für die Dauer einer festen Meßzeitspanne Tm- Die am Ausgang A 1 der Durchflußmcßcinrichtung D zur Verfügung stehende Ultraschallfrequenz /V 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 A 2 der Durchflußmeßeinrichtung D anstehende Ultraschallfrequenz /r für die Messung gegen die Strömungsrichtung ist über den Schalter 52 ebenfalls jeweils für die Dauer einer Meßzeitspanne Tm dem Rückwärtszähleingang R des Vorwärts-Rückwärts-Zählers Z angeschlossen. Die zeitgerechte Schalterbetätigung der Schalter 51 und 52 wird durch ein taktgesteuertes Zeitwerk TZ über Signale an den Ausgängen c 2 und c 21 gesteuert, das seinerseits zur Ermittlung der benötigten Zeitinformationen durch einen Taktgeber TG mit der Frequenz /rgespeist ist Das Ausgangssignal des Taktgebers TG ist darüber hinaus über einen dritten Schalter 53 ebenfalls an den Rückwärtszähleingang R des Vorwärts-Rückwärts-Zählers Z anschaltbar. Der Vorwärls-Rüekwäris-Züliler / ist über seinen Rücksci/eingang RS durch ein Rückscizsignal am Ausgang c I des uiklgcstcucrtcn /eiiuerkes T/. auf den Wert O zurückstcllbar. Danger hinaus weist der Vorwärts-Rückwarts-Zähler '/. einen Ausgang Q₁, auf. dessen Signal dann auf den logischen Wert Null füllt, wenn der Zählerinliall den Wert O aufweist. Auch der Schalter 53 wird durch ein am Ausgang ei des lukigcsteuerten Zeitwerkes TZa Liftretendes Signal gesteuert.

ίο Darüber hinaus ist ein Integrator /, bestehend aus einem Operationsverstärker Kund einem Integrationskondensator C vorgesehen, an dessen Eingang über einen ohmschen Widerstand R durch einen Schalter 54 das der Vorlauf-Rücklauf-Temperaturdifferenz proportionale Signal u 1 und über einen Schalter 55 das Referenzsignal Ur anschaltbar ist. Das Referenzsignal u_r weist gegenüber der Eingangsspannung u 1 umgekehrte Polarität auf. Die Schalter 5:1 und 54 weiden durch das taktgesteuerte Zeitwerk TZ durch Signale an dessen Ausgang c3 gleichphasig gesteuert. Auch der Schalter 55 wird durch das laktgesteuerte Zeitwerk TZ über dessen Ausgang c4 gesteuert. Dem Integrator / ist ein Grenzwertmelder GM nachgeschaltet. dessen Ausgangssignal Uf dann aktiv ist, wenn die Ausgangsspannung ι/., des Integrators /die Anfangsspannung i/₀ = P erreicht. Das Ausgangssignal U₁. des Grenzwertmelder GM ist ebenfalls dem taktgestcuerten Zeitwerk TZ zugeführt und wird dort verarbeitet.

Anhand der in den F i g. 4 bis 12 dargestellten Zcitdia-

jo gramme wird das Arbeitsverfahren des in Y i g. 3 dargestellten Wärmeleistungsmeßgeräles näher erläutert.

Zu Beginn einer Wärmeleistungsmessung wird durch einen am Ausgang c 1 des taktgestcuerten Zeitwerkes auftretenden Rücksetzimpuls Ir, der auf den Rücksctzeingang RSdes Vorwärts-Rückwärts-Zählers Zgeführt ist, dieser auf den Wert /ι = 0 zurückgestellt, wie aus den F i g. 4 und 10 ersichtlich ist. Das am Ausgang Q₀ des Vorwärts-Rückwärts-Zählers anstehende Signal faiit damit — wie in F i g. 5 gezeigt ist — vom logischen Wert 1 auf den logischen Wert 0. Der Zeitpunkt des Auftretens des Rückstellimpulses Ir ist mit to bezeichnet. Im Zeitpunkt t\ beginnt eine erste konstante Meßzeitspanne ΤΆ», während der für eine Strömungsgeschwindigkeitsmessung in Strömungsrichtung der Wandler Wl als Sendcwandler und der Wandler W2 als Empfangswandler betätigt wird. Für die gleiche Meßzeilspanne Tm wird der Schalter 5 1 durch das taktgesteuerte Zeitwerk TZ geschlossen, das sich diesbezüglich mit der Durchlfußmcßcinrichtung D im Synchronismus befinden muß. Natürlich ist es auch möglich, den Schalter 5 1 wie auch den Schalter 52 nur für einen festen Teil der Meßzeitspanne Tm zu schließen, in der der Ultraschallwandler W1 als Sendewandler aktiv ist. Mit dem Schließen des Schalters 51 wird die am Ausgang A 1 der Durchflußmeßeinrichtung D anstehende Ultraschallfrequenz fv über den Vorwärts-Zähleingang V des Vorwärts-Rückwärts-Zählers Z in diesen eingezahlt Im Zeitpunkt ti ist die erste Meßzeitspanne Tm beendet. Das den Schalter 51, der wie auch die anderen Schalter 52 bis 55 als steuerbarer elektronischer Schalter ausgeführt ist, betätigende Si|»nal am Ausgang c2 des taktgesteuerten Zeitwerks ist in F i g. 6 dargestellt.

Im Zeitpunkt f₃ beginnt eine weitere Meßzeitspanne Tm für die Strömungsgeschwindigkeitsmessung gegen Strömungsrichtung, in der der Wandler W 2 als Sendewandler und der Wandler W\ ais Empfangswandier geschaltet ist Während dieser Zeitspanne Tm ist die am Ausgang A 2 der Durchflußmeßeinrichtung £>ansiehen-

dc Uliraschallfrequcnz fu, die kleiner ist als die Ultraschallfrequenz fv für die Strömungsgeschwindigkeitsmessung in Strömungsrichtung, über den für die Dauer T\t nunmehr geschlossenen Schalter 52 auf den Rückwärtszähleingang R des Vorwärts-Rückwärts-Zählers Z geführt. Im Zeitpunkt f4 ist die zweite Meßzeitspanne Tm beendet und der Schalter 52 wird wiederum geöffnet.

Aus dem in Fig. 10 dargestellten zeitlichen Verlauf des Inhalts η des Vorwärts-Rückwärts-Zählers Z ist ersichtlich, daß dieser während der ersten Meßzeitspanne Tm zwischen d und /2 vom Wert 0 beginnend auf den Wert Πι, hochgelaufen ist. In der zweiten Meßzeitspanne gleicher Dauer Tm zwischen den Zeiten /j und U wird durch die in Rückwiirtsrichtung eingezählte Ultraschallfrequenz in der Zählcrinhalt vom Wert /7* auf den Wert /in zurückgezahlt. Dieser Wert n₀ ist ein Maß für die l'rcqucnzdiffcrcn/. der beiden Ultraschallfrequenzen A- und fu und damit proportional zur Strömungsgeschwindigkeit vdes Fluids.

Im Zeitpunkt / 5 wird durch das am Ausgang c^-3 des taktgcsteuerien Zeitwerks TZ anstehende Ausgangssignal sowohl der Schalter 53 als auch der Schalter 54 geschlossen. Über den Schalter 53 wird die Taktfrequenz /V des Taktgebers TG auf den Rückwärtszähleingang R des Vorwärts-Rückwärts-Zählers Zgeführt, wodurch dessen Inhalt weiter verringert wird. Gleichzeitig beginnt über den geschlossenen Schalter 54 im Integrator /die Integration des der Vorlauf-Rücklauf-Temperaturdifferenz Δ& entsprechende Signals u 1. Diese in F i g. 11 dargestellte Aufwärtsintegration hält bis zum Zeitpunkt tt, an, in dem der Inhalt π des Vorwärts-Rückwärts-Zähler Zden 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 F i g. 8 dargestellt ist — die bislang geschlossenen Schalter 53 und 54 durch das am Ausgang c3 des taktgcsicuerten Zeitwcrkes TZ auftretende Ausgangssignal geöffnet werden. Die Zeitspanne zwischen den Zeiten /■·, und /_b. während der das Vorlauf-Rücklauf-Temperaturdiffcrenz Δfl· proportionale Eingangsigiv>! 1/1 aufintegriert wird, ist damit im Gegensat/, zum herkömmlichen Dual Slopc-Verfahren keine Konstante mehr, sondern proportional zur Strömungsgeschwindigkeit v. Diese Zeitspanne ist mit 7o bezeichnet (F i g. 8).

Im Zeitpunkt ie wird gleichzeitig durch das am Ausgang c 4 des taktgesteuerten Zeitwerkes TZ nunmehr erzeugte Ausgangssignal der Schalter 55 geschlossen, so daß mit dem numehr am Integrator / anstehenden konstanten Referenzsignal u_r vom Spannungsendwert U₁ 1 (F i g. 11) beginnend die Abwärtsintegration erfolgt Diese Abwärtsintegration endet dann, wenn das Ausgangssigna! Ua des Integrators /die Anfangsspannung i/o vor Beginn der Aufwärtsintegration, also im Ausführungsbeispiel die Spannung Uq = 0 erreicht. Das Erreichen der Anfangsspannung i/o = 0 wird über den dem Integrator / nachgeschalteten Grenzwertmelder CM erfaßt und als Signal u_e — wie in Fig. 12 dargestellt — dem taktgesteucrtcn Zeitwerk TZ zugeführt und löst w) über dieses am Ausgang t*4 das öffnen des Schalters 55 aus. Der Signalverlauf am Ausgang c4 und der entsprechende Zustand des Schalters 55 ist in Fig.9 dargestellt.

Die zwischen den Zeiten fc und /7 liegende Zeitspanne bs 7"! der Abwärtsintegration (Fig. 11) definiert also die Schlicßzeit des Schalters 55, wie in Fig.9 dargestellt ist. Diese Schließzeit Π ist damit proportional zu dem Produkt aus Strömungsgeschwindigkeit ν und Vorlauf-Rücklauf-Tempera, jrdifferenz z/Ä Während dieser Schließzeit 7Ί wird das Ausgangssignal des Taktgebers TG mit der Frequenz /7- in einen Impulszähler IZ eingezahlt, der im taktgesteuerten Zählwerk TZenthalten ist.

Am Ende der Zeitspanne Π. also im Zeitpunkt Π, endet dieser Einzählvorgang in den Impulszähler IZ. An den Ausgängen G des Impulszählers /Z steht damit im Zeitpunkt /7 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.

Im Vorangehenden wurde eine Messung der Strömungsgeschwindigkeit ν mittels des Lambda-Locked-Loop-Vcrfahrens mit alternierender Messung in und gegen die Strömungsrichtung herangezogen. Alternativ ist es auch möglich, das l.ambd:i-Loeked-l.oop-Verfahren derart einzusetzen, daß zwei Ultraschallmcßstrcckcn mit je einem Sende- und einem limpfangswandlcr verwendet sind, wobei eine Mcßstrcckc in 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 /► 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—fn der beiden Ultraschallfrequenzen ist direkt proportional zur Strömungsgeschwindigkeit ν des Fluids. Zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für einen Wärmclcislungsmcsser ist es in diesem Fall erforderlich, daß die erste Zeitspanne TO, während der die Aufinicgration des der Vorlauf-Rücklauf-Tcmperalurdiffercn/. Ai'hentsprechenden Signals u I erfolgt, proportional zur Frcqucnzdiffcrcn/. /", —/«der beiden Uliruschulirrcqucnzcn geführt ist. Für die Erfassung der Frequen/.diffcrcn/ bzw. eines frequenzdiffercnzproporiionalcn Signals wird auf die bereits mehrfach erwähnte DIi-AS 28 28 937 verwiesen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bildung eines dem Produkt zweier elektrischer Signale proportionalen Digitalerertes, gekennzeichnet durch die Konfiguration folgender Verfahrensschritte:

a) in einem ersten Verfahrensschritt (I) wird das erste Signal (u 1) — beginnend von einer Anfangsspannung (uo) — mit einem Integrator (I) integriert während einer ersten Zeitspanne (TO), deren Dauer proportional zu dem zweiten Signal (u 2; no) ist, wobei diese Dauer durch die Impulse eines Taktgenerators (TG) ermittelt wird und wobei ein Spannungsendwert (O₃1) erreicht wird,

b) in einem zweiten Verfahrensschritt (II) wird ein konstantes Referenzsignal (u_r) zu einer gegenläufiger: 'nicgration mit demselben Integrator (I) gcnuizä. bis — ausgehend vom Spannungsendwert (u_n 1) — nach einer zweiten Zeitspanne (T\) die Anfangsspannung ^u₀) wieder.erreicht ist, wobei während der Dauer der zweiten Zeitspanne (Tl) ein Impulszähler (IZ) zur Bildung des Digitalwertes mit einem Impulszug konstanter Frequenz (f_T) desselben Taktgenerators (TG) gespeist wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anfangsspannung (uq) den Wert 0 aufweist.

3. WärmeleistungsmeEgerät f^r eine Heizungsanlage unter Anwendung dis Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, bei der ein aufg heiztes Fluid mit relativ hoher Vorlauftemperatur in mindestens einen Wärmetauscher einströmt und mit niedrigerer Rücklauftemperatur wieder zurückströmt, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Signal (u 1) der Vorkiuf-Rücklauf-Temperaturdiffcrenz (Äff) und das andcrc Signal (no) der Strömungsgeschwindigkeit (v) des Fluids proportional ist.

4. Wärmclcistungsmeßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung des strömungsgeschwindigkeitsproportionalen 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 Ultraschallmeßstrekke angeordnet ist und beide Ultraschallmeßstrecken mit unterschiedlicher Ultraschallfrequenz (fv, //^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 (TO) des ersten Verfahrensschrittes (I) proportional zur Frequenzdifferenz (fv— fx)der beiden Ultraschallfrequenzen (fv. /«^gehalten ist. w)

^r). WiirmeleislUMgsmeßgcfäl nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung des ströimingsgcschwindigkeitsproportionalen Signals f/Jo) eine Ultraschallmcssung in und gegen die Strömungsrichtung nach dem Lambda-Lockcd-Loop- b5 Verfahren durchgeführt wird, wobei eine einzige Ulinischall-McUstrcckc (Wi. W2). bestehend aus einem Sende· (W I; W2) und einem Empfangswandler (W2; W1), vorgesehen ist, bei der die Wandler (W 1, W2) alternierend jeweils als Sendewandler bzw. als Empfangswandler zur Messung in und gegen die Strömungsrichtung mit unterschiedlicher Ultraschallfrequenz (fv, fit) betrieben werden mit der Maßgabe, daß sich am jeweiligen Empfangswandler (Wi; W2) eine auf das zugehörige Ultraschallsendesignal bezogene konstante Phasenlage des Empfangssignals einstellt, und daß die erste Zeits^nne (TO) des ersten Verfahrensschrittes (1) proportional zur Frequenzdifferenz (fv—fit) der Ultraschallfrequenzen (fv, /«) gehalten ist.

6. Wärmeleistungsmeßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler (Wi, W2) alternierend jeweils für eine übereinstimmende konstante Meßzeitspanne (Tm) betrieben werden, daß die eine Ultraschallfrequenz (fv) für die Dauer einer Meßzeitspannc (Tm) dem einen Eingang (V) eines Vorwärts-Rückwärts-Zählcrs (Z) und anschließend die andere Ultraschallfrcquenz (in) ebenfalls für die übereinstimmende Dauer einer Meßzeitspannc (TaA dem anderen Eingang (R) des Vorwärts-Rückwärts-Zählers (Z) zugeführt ist und daß schließlich der Inhalt (no) des Vorwärts-Rückwärts-Zählers (Z) zur Festlegung der ersten Zeitspanne (TO) des ersten Verfahrensschrittes (I) durch subtraktives Einzählen eines Impulszuges .konstanter Frequenz (fr) auf den Wert 0 verringert wird.