DE3246750C2

DE3246750C2 - Wärmemengenmesser

Info

Publication number: DE3246750C2
Application number: DE19823246750
Authority: DE
Inventors: Walter 5350 Recklinghausen Frölich
Original assignee: Sprave & Co KG Industrie-Electronic 4600 Dortmund De GmbH
Current assignee: Sprave & Co KG Industrie-Electronic 4600 Dortmund De GmbH
Priority date: 1982-12-17
Filing date: 1982-12-17
Publication date: 1986-01-09
Also published as: DE3246750A1

Abstract

Ein Wärmemengenmesser mit einer Widerstandsmeßbrücke, deren Platinmeßwiderstände einerseits die Vorlauftemperatur und andererseits die Rücklauftemperatur erfassen, mit einer durch eine Bezugsspannung spannungsgesteuerten Konstantstromquelle, mit einem Durchflußmesser im Rücklaufzweig, mit einem Spannungsfrequenzwandler für die Diagonalspannung der Widerstandsmeßbrücke, der eine Impulsfolge mit spannungsproportionaler Folgefrequenz erzeugt, und mit einem Zähler für die Impulse der Impulsfolge. Das technische Problem besteht in der Kompensation bzw. im Abgleich des Wärmekoeffizienten durch regeltechnische Maßnahmen. Die Diagonalspannung wird über einen Verstärker (10) mit konstantem Verstärkungsfaktor (p) als Mitkopplungsspannung (Up) zurückgeführt. Eine Additionsstufe (2) summiert die Bezugsspannung (Uref) und die Mitkopplungsspannung (Up) und gibt die Summenspannung (Uref + Up) an den Eingang der Konstantstromquelle (3) weiter.

Description

a) die Meßwiderstände sind an einen gemeinsamen Diagonalpunkt angeschlossen;

b) die verstärkte Diagonalspannung wird als Mitkopplungsspannung mit konstantem Mitkopplungsfaktor auf die Addlt'.onsstufe zurückgeführt;
c) die Spannung des Meßwiderstandes für die Rücklauftemperatur wird als weitere Mltkopplungsspannung mit konstantem Mitkopplungsfaktor auf die Additionsstufe zurückgeführt.

Die Erfindung unterscheidet sich Insofern vom Stand der Technik, als die Diagonalspannung, die ein Maß für die Temperaturdifferenz zwischen Vorlauf und Rücklauf ist. In mitkoppelndem Sinne auf den Eingang zurückgeführt wird. Dieses Ist mit einem passiven Schaltglied möglich. Dadurch wird die Eingangsspannung der Konstantstromquelle In Abhängigkeit von der

W Temperaturdifferenz Dt erhöht, so daß der Brückenschaltung ein höherer Meßstrom aufgeprägt wird. Dadurch erfolgt eine scheinbare Erhöhung der Temperaturdifferenz, die er Erhöhung des Ar-Wertes mit anwachsender Temperaturdifferenz entspricht. Man kann mit dieser Mitkopplung die Erhöhung des Wärmekoeffizienten mit höherer Vorlauftemperatur nahezu vollständig kompensieren. Die. Kompensation erfolgt allein durch regeltechnische Maßnahmen, so daß

der analoge Ausgangswert proportional dem Wärmekoeffizienten oder fr-Wert ist. Die Schaltung arbeitet solange stabil, als die Kreisverstärkung kleiner als 1 ist. Der analoge Ausgangswert der Schaltung ist eine Spannung proportional dem Produkt der Temperaturdifferenz und dem fr-Wert. Erst diese Ausgangsspannung, die proportional der spezifischen Wärmeleistung ist, wird digitalisiert und mit dem Volumen des durchfließenden Mediums multipliziert. Diese Summenwerte werden gezählt und gespeichert. Die digitale Zählung ist in einfacher Welse möglich, ohne daß Digitalschaltungen mit komplizierter Programmstruictur erforderlich wären. Die in der Widerstandsmeßbrücke verwendeten Platinmeßwiderstände haben eine fallende Temperaturkennlinie, so daß hierdurch bereits teilweise eine Kompensation oder sogar eine Überkompensation der Abnahme des Wärmekoeffizlenten mit zunehmender Rücklauftemperatur erfolgt. Eine vollständige Kompensation wird durch eine zusätzliche Mitkopplung in Abhängigkeit von der Rücklauftemperatur erzielt, die auf die gemeinsame Additionsstufe zurückgeführt wird.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird Im algenden unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen erläutert, In denen darstellen:

Fig. 1 das Kennlinienfeld des Wärmekoeffizienten,

Fig. 2 eine Kennlinie des Wärmekoeffizlenten für eine feste Differenz zwischen Vorlauftemperatur und Rücklauftemperatur und

FI g. 3 ein Blockschaltbild eines Wärmemengenmessers nach der Erfindung.

Das Kennllnlenfeld der Fig. 1 stellt die Meßwerte aus der eingangs genannten Arbelt In PTB-Mitteilungen 84-6/74, s. 401 bis 405 dar. Auf der Abszisse 1st die Vorlauftemperatur aufgetragen, auf der Ordinate der jeweilige Wert des Wärmekoeffizlentan fr (kW/h errs ³K"¹). Die Parameter der einzelnen Kurven sind die Werte der jeweiligen Rücklauftemperatur t_R (⁰C). Man erkennt aus der Darstellung, daß der Wärmekoeffizient einerseits mit höherer Rücklauftemperatur kleiner und andererseits mit höherer Vorlauftemperatur größer wird. Die Kurven haben hyperbelartige Gestalt. Man erkennt aus diesem Kennlinienfeld, daß der Wärmekoeffizient oder fr-Wert für Di = U^i_R) = 100 K im Durchschnitt um 0,9% pro 100 K ansteigt.

Fig. 2 zeigt eine Kennlinie des Wärmekoeffizlenten für eine konstante Temperaturdifferenz Dt = ty-t_R = 10 K. Diese Kennlinie Ist aus dem Kennfeld der Fig. 1 abgeleitet. In Abhängigkeit von der Rücklauftemperatur kann man den Wärmekoeffizienten durch eine Gerade annähern, die in Fig. 2 strichpunktiert eingezeichnet Ist. Für diese Gerade errechnet man die Gleichung

k= 1,1675-0,00045 t_R.

Die Fig. 1 und 2 zeigen die physikalischen Gegebenheiten der Abhängigkeit des Wärmekoeffizienten, die Im Rahmen der Erfindung berücksichtigt werden müssen.

F i g. 3 zeigt ein Blockschaltbild des Wärmemengenmessers nach der Erfindung. Eine Bezugsspannung U_rtj liegt über eine Eingangsleitung 1 an einer Addlttonsstufe 2 an. Die Ausgangsspannung der Additionsstufe 2 beaufschlagt einen Spannungsstromwandler, der als Konstanistromquelle 3 mit dem Widerstand R arbeitet. Die Konstantstromqutl'e 3 stellt einen durch die Ausgangsspannung der Additionsstufe 2 spannungsgeregclten Konstantstrom bereit, der durch eine Widerstandsmeßbrücke 5 fließt. Die Widerstandsmeßbrücke 5 enthält einen Platinmeßwiderstand 6 für die Vorlauftemperatur Iy mit dem Widerstandswert R₁₁ . einen Platinmeßwiüerstand 7 für die Rücklauftemperatur t_K mit dem Widerstandswert R,_R, sowie zwei Vergleichswiderstände 8. Die Diagonalspannung liegt an einem Operationsverstärker 9 an. Die Gesamtverstärkung dieses Operationsverstärkers 9 einschließlich der Brükkendämpfung wird mit Vl 2 bezeichnet. Am Ausgang des Operationsverstärkers steht eine Meßspannung U_D, bereit. Die Spannung U_Dl ist proportional der Temperaturdifferenz und dem Wärmekoeffizlenten, so daß gilt

= Ov-t_R)

t_R) constans

Diese Spannung U_D, ist unmittelbar ein Maß für die spezifische Wärmeleistung, so daß die Wärmemenge wie folgt bestimmt werden kann:

Q=V-U₀.- constanr¹

Die Ausgangsspannung U₀, wird über einen Verstärker 10 mit konstanter Verstärkung ρ als Mitkopplungsspannung U_p auf die Additionsstufe 2 zurückgeführt.
Außerdem wird die Spannung des Platinmeßwider-Stands 7 über einen Verstärker 11 mit der Verstärkung pl als Mitkopplungsspannung U_pl auf die Additionsstufe 2 zurückgeführt.

Die Meßspannung U_Dl liegt an einem Spannungsfrequenzwandler 12 an, der eine Impulsfolge mit spannungsproportionaler Folgefrequenz erzeugt. Die Impulse dieser Impulsfolge werden in einem Zähler 13 gezählt sowie In einem Anzeigegerät 14, z. B. einem mechanischen Zählwerk, angezeigt und gespeichert.
Es ist ferner ein Impulsgeber 15 vorgesehen, der die Spannungsversorgung der gesamten Schaltung quasiperiodisch kurzfristig einschaltet. Ein Durchflußmesser 16 mißt den Durchfluß des Mediums im Rücklauf. Hieraus wird das Volumen des durchfließenden Mediums bestimmt. Jeweils für ein Volumen von 101 gibt ein Volumenimpulsgeber 18 auf einer Leitung 19 einen Schalt!.iipuls für den Schalter 16 ab, der den Impulsgeber 15 einschaltet, so daß jeweils für eine Dauer von 0,5 s die Betriebsspannung eingeschaltet wird. Während dieser Zeitdauer arbeitet die Schaltung, so daß die Impulse des Spannungsfrequenzwandlers 12 gezählt und registriert werden. Da die Schaltperlode vom Durchfluß bzw. Volumen abhängig ist, erhält man hier die gewünschte Multiplikation zur Bestimmung der Wärmemenge. Die Einzelergebnisse werden in dem Zähler 13 summiert bzw. integriert. Die digitalen Meßwerte werden also ausschließlich gezählt, während die Umformung der Meßwerte auf der analogen Stufe erfolpt. Pridurch erzielt man mit einer wenig aufwendigen Schaltung eine weltgehend vollständige Kompensation.

Das Verha"?n der beschriebenen Schaltung läßt sich wie folgt darstellen:

Für die Mitkopplungsspannung \J_P gilt U_p =
Man erhält durch Umformen die Beziehung

(R.V-R.R) (V/2)

1-(P/R) (R₁V-R₁R) (V/2)

5 Aus dieser Beziehung erhält man für ρ die Gleichung

In diese Gleichung lassen sich die Schaltungsgrößen jeder Schaltung einsetzen. Für eine Temperaturdifferenz Df=IOOK wird eine Erhöhung der Spannung U_Dl von 0,9%/100 K eingesetzt. Daraus ergibt sich die Größe des Verstärkungsfaktors ρ oder Mitkopplungsfaktors zu /7 = 0,01. Die Größe des Verstärkungsfaktors läßt sich so für jede Schaltung bestimmen.

F.s zeigt sich, daß diese Korrektur sehr genau Ist und auch für andere Temperaturdifferenzen als 100 K gilt.

Die Schaltung arbeltei so lange stabil, als die Kreisverstärkung kleiner als 1 Ist. Die Ausgangsspannung U₀, hat nach der obigen Gleichung einen etwa hyperbolischen Verlauf mit einer PnUteHe. Eine Instabilität !r!!! also Im Bereich dieser Polstelle ein. Durch Einsetzen der angegebenen Werte In die obige Gleichung ergibt M sich, daß eine Instabilität bei einer Temperaturdifferenz von etwa 2900 K eintritt. Es Ist klar, daß dieser Wert Im Betrieb eines Wärmemengenmessers der beschriebenen Art nie erreicht wird, so daß die Schaltung Insgesamt stabil arbeitet.

Die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes eines Platinmeßwiderstandes PT 500 ist wie folgt definiert

R₁ = SOO (1+3,90784· 10"³Oi-5,78408 · 10"⁷ Dt¹)

JO

Die Widerstandsänderung ergibt sich also zu
R₁' = 500 (3.90784 · 10"³ - 2 · 5,78408 · 10"⁷ · Dt)

Man erhält also eine relative Änderung dieser Wider- ^5 Standsänderung in Abhängigkeit von der Temperatur von -5,78408· 10-¹ K"¹. Wenn man diesen Wert mit der oben angegebenen Gleichung für die Temperaturabhängigkeit des /c-Wertes vergleicht, so sieht man, daß die Platinmeßwiderstände eine Überkompensation der *o Änderung des Ar-Wertes in Abhängigkeit von der Vorlauftemperatur bewirken. Diese Überkompensation läßt sich durch eine Mitkopplung über den Verstärker 11 mit dem Verstärkungsfaktor pl= 1,28 · 1fr⁴ beheben.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

50

ft5

Claims

Patentanspruch:

Wärmemengenmesser, bei dem ein Temperaturfühler für die Vorlauftemperatur und ein Temperaturfühler für die Rücklauftemperatur in einer Widerstandsmeßbrücke liegen, an deren Diagonalpunkte eine Verstärkeranordnung angeschlossen ist, bei der ferner Mitkopplungsglieder für die Meßwiderstandsspannungen sowie ein Rückführungszweig zu einer Additionsstufe vorgesehen sind, die einer Eingangsstufe für die Widerstandsmeßbrücke vorgeschaltet ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) die Meßwiderstände (6. 7) sind an einen gemeinsamen Diagonalpunkt angeschlossen;

b) die verstärkte Diagonalspannung wird als Mitkopplangsspannung (U_p) mit konstantem Mitkopplungsfaktor auf die Additionsstufe (2) zurückgeführt;

c) die Spannung des Meßwiderstandes (7) für die Rücklauftemperatur wird als weitere Mitkopplungsspannung it/,,) mit konstantem Mitkopplungsfaktor auf die Additlimsstufe (2) zurückgeführt.

Die Erfindung betrifft e'nen Wirmemengenmesser, bei dem ein Temperaturfühler für die Vorlauftemperatur und ein Temperaturfühler für dir Rücklauftemperatur in einer Widerstandsmeßbrücke liegen, an deren Diagonaipunkic eine Verstarkerariordnung angeschlossen ist. bei der ferner Mitkopplungsglieder für die Meßwiderstandsspannungen sowie ein RückfOhrungszwelg zu einer Additionsstufe vorgesehen sind, die einer Eingangsstufe für die Widerstandsmeßbrücke vorgeschaltet ist.

In PTB-Mltteilungen 84-6/74, S. 401 bis 405 sind »Tabellen des Wärmekoeffizienten k von Wasser für die Prüfung von Wärmezählern« angegeben. Für die Wärmemenge Q gilt folgende Gleichung

Q= V(i_v-i_R)kity, t_R)

Die Größe V ist das Volumen des durchfließenden Mediums, das normalerweise mit einem Durchflußmesser im Rücklauf gemessen wird. t_y und t_R sind die Vorlauf- und die Rücklauftemperatur. Die Größe k wird als Wärmekoeffizient oder fc-Wert bezeichnet. Manche Wärmemengenmesser setzen einen konstanten Wärmekoeffizienten k an, so daß diese Messungen mit einem systematischen Fehler behaftet sind. Bekannt Ist es auch, die nichtlineare Kennlinie von Platlnmeßwlderständen zur Kompensation der nichtlinearen Temperaturabhängigkeit des Wärmekoeffizienten auszunutzen, "!amlt läßt sich zwar die Abhängigkeit des Warmekoef· iizienten von der Vorlauftemperatur oder der Rücklauftemperatur berücksichtigen, jedoch nicht die Abhängigkeit des Wärmekoeffizienten von der Temperaturdifferenz Di = h'-tR-

Die DE-AS 27 11 437 beschreibt einen Wärmemengenmesser mit einem Digitalrechner, In dessen Speicher das Kcnnllnlenfeld des Temperaturkoefflzlenten abgespeichert Ist. Diese Speicherwerte werden aufgrund der gemessenen Werte abgerufen, um hieraus die jeweilige Wärmeleistung bzw. Wärmemenge zu berechnen. Dieser Wärmemengenmesser erfordert infolgedessen einen hohen Rechneraufwand. Insbesondere müssen sämtliche Meßwerte digitalisiert und nach einem j Programm ständig abgefragt und ausgewertet werden.

Die DE-OS 28 43 047 beschreibt einen Wärmemengenmesser der eingangs genannten Art. Dort s^!nd zur Kompensation des Temperaturganges der Meßwiderstände zwei mltgekoppelte Verstärker vorgesehen. Eine

ίο der Verstärkerausgangsspannungen wird auf den Eingang zurückgeführt. Die auftretenden Fehler in der Dichte und der Enthalpie sind bei kleinen Temperaturdifferenzen von etwa 10 K zwischen Vorlauf und Rücklauf nicht genügend klein.

Die DE-PS 12 78 137 beschreibt einen Wärmemengenmesser, bei dem die Meßwiderstände an einen gemeinsamen Diagonalpunkt der Widerstandsmeßbrücke angekoppelt sind. Die Wärmemenge wird durch zeitliche Integration der jeweiligen Wärmeleistung bestimmt. Die Wärmeleistung wird aus der Temperaturdifferenz zwischen Vorlauf und Rücklauf, dem im Rücklauf gemessenen Durchfluß und den genannten Wärmekoeffizienten k bestimmt. In Abhängigkeit von der Rücklauftemperatur wird eine lineare Korrektur vorgeschlagen, mit der die Abhängigkeit des Wärmekoeffizienten von der Rücklauftemperatur weltgehend behoben werden kann. Die Abhängigkeit des Wärmekoeffizienten von anderen Größen, insbesondere von der Temperaturdiffsrenz zwischen Vorlauftemperatur und Rücklauftemperatur läßt sich auf diese Welse nicht berücksichtigen.

Aufgabe der Erfindung ist eine solche Ausbildung eines Wärmemengenmessers, daß durch Schaltglieder mit einem linearen Verhalten eine möglichst weltgehende Kompensation bzw. ein Abgleich des Wärmekoeffizienten möglich ist u.id dadurch die Abnahme des Wärmekoefflzlenten mit der Rücklauftemperatur bei gleicher Temperaturdifferenz ausgeglichen werden kann.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch folgende Merkmale gelöst: