DE3500539A1

DE3500539A1 - Waermemengenmesser

Info

Publication number: DE3500539A1
Application number: DE19853500539
Authority: DE
Inventors: Fritz von Dipl.-Ing. Dr. Ballmoos; Matthias Horgen Haas
Original assignee: DR VON BALLMOOS AG
Current assignee: DR VON BALLMOOS AG
Priority date: 1984-01-26
Filing date: 1985-01-10
Publication date: 1985-08-01
Also published as: FR2558954B1; ATA17985A; FR2558954A1; AT393031B; CH662884A5

Description

DR. GERHARD RATZEL

PATENTANWALT

Akte 6575

3- 6800 Mannheim 1.9. Januar 1985 Seckenhelmer Straße 36 a · 'S" (0621) 406315

Postscheck: Frankfurt/M. Nr. 8293-603 Bank: Deutsche Bank Mannheim (BLZ 67070010) Nr. 7200066 Telegr.-Code: Gerpat Telex 463570 Para D

Dr. von Ballmoos AG

Tödistrasse 44

881ο Horgen (Schweiz)

Wärmemengenmesser

Wä rmemen genme s s e r

Die vorliegende Erfindung betrifft ei««Wärmemengenmesser mit einem Durchflussmengenmessgerät in der Vor- oder der Rücklaufleitung und mit einem Temperaturfühler in der Vor- und der Rücklaufleitung sowie mit einer elektronischen Schaltung, deren Eingänge mit dem Durchflussmengenmessgerät und den beiden Temperaturfühlern verbunden sind und die die zwischen der Vor- und der Rücklaufleitung von einem Wärmeträger abgebene oder aufgenommene Wärmemenge errechnet, sowie mit einer Anzeigeeinrichtung, die mindestens die errechnete Wärmemenge anzeigt.

Wärmemengenmesser dieser Art arbeiten entsprechend der bekannten Formel Q = V. o.c.4T.t. Dabei werden das Volumen V des in der Zeiteinheit durch die Leitung strömenden Wärmeträgers mit dem Durchflussmengenmessgerät und die Temperaturdifferenz A T aus den Messwerten der beiden Wärmefühler bestimmt. Die temperaturabhängige Dichte O des Wärmeträgers und dessen ebenfalls temeraturabhängige Wärmekapazität.c sind in einem Teil der elektronischen Schaltung gespeichert, die aus den gemessenen und den gespeicherten Werten die abgebene oder aufgenommene Wärmemenge errechnet. Als Durchflussmengenmessgerät werden einfacherweise handelsübliche Flügelradmesser mit einem elektrischen Messwertgeber verwendet und als Temperaturfühler haben sich Pt-Widerstandsthermometer bewährt. Eine elektronische Schaltung zum Berechnen der Wärmemenge ist beispielsweise in der CH-Patentschrift 607 649 angegeben, mit welcher Schaltung eine Impulsfolge erzeugt und integriert wird, deren Impulse eine der Durchflussmenge pro Zeiteinheit entsprechende Folgefrequenz und eine der Temperaturdifferenz entsprechende Breite aufweist. Eine andere in der CH-Patentschrift

618 511 beschriebene elektronische Schaltung enthält eine Konstantstromquelle zum Speisen der Widerstandsthermometer, sowie Eichwiderstände, die anstelle dieser Thermometer mit dem Eingang der Schaltung verbunden werden können, um deren Funktion zu prüfen.

Ausgehend davon, dass die durch die elektronische Verarbeitung der gemessenen Werte möglichen Fehler klein sind gegenüber den Messfehlern des Durchflussmengenmessgeräts und der aus den beiden Temperaturmessungen bestimmten TemperaturdifferenZyliegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wärmemengenmesser zu schaffen, mit dem insbesondere kleine Durchflussmengen und sowohl die absolute Temperatur als auch kleine Temperaturdifferenzen mit wesentlich grösserer Genauigkeit als bisher gemessen und darum die Wärmemenge mit entsprechend verbesserter Genauigkeit errechnet werden kann.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mit einem Wärmemengenmesser der eingangs genannten Art gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, dass in der Rück- bzw. der Vorlaufleitung ein zweites Durchflussmengenmessgerät vorgesehen ist und die Temperaturfühler in einem Leitungsstück angeordnet sind, das eine praktisch laminare Strömung des Wärmeträgers erzeugt.

Der erfindungsgemässe Wärmemengenmesser ermöglich^ den Absolutwert der Temperatur des Wärmeträgers in Vor- und im Rücklauf und auch die Temperaturdifferenz mit einer bisher nicht erreichbaren Genauigkeit zu bestimmen. Weiter ermöglicht die Verwendung von zwei Durchflussmengenmessgeräten einen Messgerätefehler zu ermitteln und damit ebenfalls zu verkleinern, sowie Störungen eines Messgerätes, bei-

spielsweise durch Ablagerung auf dem Flügelrad oder im Radlager oder Leckstellen in der Leitung zwischen den Messgeräten oder im Wärmetauscher, zu erkennen.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Wärmemengenmessers ist dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungsstück einen ersten, dem Anschluss an die Zuflussleitung benachbarten Teil aufweist, der stufenförmig erweitert ist, um einen Bereich erhöhter Turbulenz und Durchmischung für den Wärmeträger zu bilden^ sowie einen zweiten, dem Anschluss an die Abflussleitung benachbarten Teil^ der düsenförmig verengt ist, um eine praktisch laminare Strömung des Wärmeträgers zu erzeugen^und dadurch, dass der aktive Teil des Temperaturfühlers im Ausflussbereich der Düse angeordnet ist.

Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Wärmemengenmessers mit Hilfe der Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Wärmemengenmessgeräts,

Fig. 2 den schematischen Längsschnitt durch ein Leitungsstück mit einem Temperaturfühler und

Fig. 3 die schematische Seitenansicht auf den Ausflussbereich des Leitungsstücks gemäss der Fig. 2.

Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform des erfindungsgemässen Wärmemengenmessers ist in eine Vorlauf- und eine RücklaufZweigleitung 11 bzw. 12, die den nicht gezeigten Primärkreislauf eines Wärmeträgers mit einem Wärmetauscher 13 verbinden, eingesetzt. An den Wärmetauscher ist ein Verbraucher 14 angeschlossen, beispielsweise ein Heizkörper oder ein Warmwasserspeicher oder ein sonstiger Verbraucher

von Wärmeenergie. Die in der Vorlauf-und in der Rücklaufleitung eingesetzten Teile des Wärmemengenmessers sind, in der Strömungsrichtung des Wärmeträgers gesehen, je ein Leitungsstück 16 bzw. 17 und ein Durchflussmengenmessgerät 18 bzw. 19. Jedes Leitungsstück enthält einen Temperaturfühler, wie nachfolgend noch beschrieben werden wird. An jedes Durchflussmengenmessgerät ist ein elektronischer Signalgeber 21 bzw. 22 angekoppelt, der für eine einstellbare Durchflussmenge einen Impuls erzeugt. Weiter gehört zu dem Wärmemengenmesser eine elektronische Schaltung 23. Diese Schaltung enthält zwei Impulszähler 24, 25, deren Eingänge mit den Signalgebern 21 bzw. 22 verbunden sindj sowie einen Temperaturmesskreis 27, dessen Eingänge mit jedem der Temperaturfühler in den Leitungsstücken 16 bzw. 17 verbunden sind, einen dem Temperaturmesskreis nachgeschalteten Analog/ Digital-Wandler 28 sowie ein Rechenwerk 29 für das Errechnen der Wärmemenge und die numerische Optimierung und Berichtigung der Messwerte. Die Ausgänge des Rechenwerks 29 sind mit einer Anzeige- und Signalgebereinrichtung 31 verbunden .

Der Temperaturmesskreis 27 enthält eine Konstantstromquelle, die den Messstrom für die als Pt-Widerstandsthermometer ausgebildeten Temperaturfühler liefert, einen vom Rechenwerk gesteuerten elektronischen Schalter, der die Widerstandsthermometer mit der Stromquelle verbindet; und einen Ausgangsverstärker, der ein dem Messstrom durch jedes der Widerstandsthermometer bzw. der Differenz der Messströme proportionales analoges Ausgangssignal erzeugt. Der elektronische Schalter ermöglicht, zum Bestimmen des Absolutwerts der Temperatur des Wärmeträgers im Vor- und im Rücklauf, die Widerstandsthermometer einzeln und nacheinander mit der Stromquelle zu verbinden und diese Verbindungen umzupolen. Weiter ermöglicht der elektronische Schalter zum direkten Bestimmen der Differenz

der Temperaturen des Wärmeträgers im Vor- und im Rücklauf die Widerstandsthermometer gleichzeitig mit der Stromquelle zu verbinden und auch diese Verbindung umzupolen. Durch das Umpolen können allfällige Offsetspannungen und/oder eine Temperaturdrift von Kennwerten kompensiert und dadurch die Genauigkeit der Temperaturmessung wesentlich erhöht werden.

Das in Fig. 2 gezeigte Leitungsstück enthält ein Mittelrohr 41, das an seinem einen Ende über ein stufenförmiges Zwischenstück 42 mit einem Einströmrohr 43 verbunden ist, das in einem ersten Flansch 44 endet. Das andere Ende des Mittelrohrs ist über ein düsenförmig verjüngtes Zwischenstück 46 (im folgenden auch als Düse bezeichnet) mit einem Ausströmrohr 47 verbunden, das in einem zweiten Flansch 48 endet. In dem Leitungsstück ist ein dünnes Rohr 51 angeordnet, dessen längerer Teil 52 praktisch in der Achse des Mittelrohrs 41 und der daran anschliessenden Düse 46 liegt und dessen kürzerer Teil 53 in radialer Richtung des Leitungsstücks abgebogen und am freien Ende 49 mit einem entsprechenden Loch im Mittelrohr verschweisst ist. Am freien Ende des längeren Teils 52 des dünnen Rohrs 51 sind eine Mehrzahl radial abstehender Leitflächen 54 befestigt* deren äussere Kanten an der Innenfläche des Ausströmrohrs 47 anliegen. Die äusseren Kanten der Leitflächen sind vorzugsweise im Querschnitt keilförmig verjüngt, damit die Anlagefläche am Ausströmrohr möglichst klein ist, oder sie weisen eine Zwischenschicht aus einem die Wärme schlecht leitenden Material auf, das den Wärmeübergang von den Leitflächen an das Ausströmrohr behindert. In das dünne Rohr 51 ist ein Widerstandstermometer 56 eingesetzt, dessen Messspitze 57 in den Bereich zwischen den Wärmeleitflächen 54 hineinragt.

350Q539

Die in Fig. 3 gezeigte Seitenansicht des Leitungsstücks zeigt insbesondere die sternförmige Anordnung der Leitflächen 54 an dem dünnen Rohr 51 und die Lage der Messspitze 57 des Widerstandsthermometers im "Sternpunkt" der Leitfläche.

Beim Betrieb des beschriebenen Wärmemengenmessers strömt ein Wärmeträger und vorzugsweise Wasser mit einer Temperatur von beispielsweise 120° C aus der VorlaufZweigleitung 11 des Primärkreises durch das Leitungsstück 16 und das Durchflussmengenmessgerät 18 zum Wärmetauscher 13, und nach der Abgabe von Wärme mit einer Temperatur von beispielsweise 90° C zurück durch das Leitungsstück 17 und das Durchflussmengenmessgerät 19 in die

RücklaufZweigleitung 12 des Primärkreises. Die Strömungsgeschwindigkeit des in das Leitungsstück 16 einströmenden Wassers wird in dem stufenförmig erweiterten Zwischenstück 42 verlangsamt, wobei starke Wirbel entstehen. Diese Wirbel haben eine Durchmischung des Wassers im Mittelrohr zur Folge, wobei mögliche Temperaturunterschiede zwischen dem in der Vorlaufleitung im Bereich der Rohrwand und im Bereich der Rohrmitte fliessenden Wassers praktisch vollständig ausgeglichen werden. Das weiterströmende Wasser wird dann in dem düsenförmig verengten Zwischenstück 46 wieder beschleunigt, wobei am Ende der Düse eine praktisch laminare Strömung in den Ausströmbereich 47 eintritt, deren Temperatur über den gesaraten Rohrquerschnitt weitgehend gleich ist. Mögliche geringe Temperaturunterschiede werden von den gut wärmeleitenden Temperaturleitplatten 54 ausgeglichen, sodass die Temperatur des dünnen Rohrs 51 mindestens im Bereich der Messspitze 57 des als erster Temperaturfühler 56 verwendeten Pt-Widerstandsthermometers sehr gut mit der mittleren Temperatur des vorlaufenden Wassers übereinstimmt und der messbare Widerstand ein sehr genaues Mass für die Temperatur des vorlaufenden Wassers bildet. Das aus dem Leitungsstück. 16 ausströmende Wasser durchströmt dann den Flügelradmesser 18, dessen elektronischer Signalgeber 21 für jede durchströmte Volumeneinheit einen elektrischen Impuls erzeugt. Das Wasser strömt dann aus dem Flügelradmesser durch den Wärmetauscher 13 und von dort durch das Leitungsstück 17 mit dem zweiten Temperaturfühler und durch den Flügelradmesser 19 zur RücklaufZweigleitung 12 des Primärkreises. Dabei ist der Strömungsverlauf im Leitungsstück 17 des Rücklaufs praktisch gleich dem für das Leitungsstück 16 des Vorlaufs beschriebenem Strömungsverlaufs, weshalb der Widerstand des im Leitungsstück 17 angeordneten Widerstandsthermometers ebenfalls ein sehr genaues Mass für die Temperatur des rücklaufenden Wassers bildet.

Der elektronische Signalgeber 22 am Flügelradmesser 19 im Rücklauf erzeugt wie der Signalgeber 21 am Flügelradmesser 18 im Vorauf für jede durchgeströmte Volumeneinheit· einen elektrischen Impuls.

Der im Temperaturmesskreis 27 angeordnete Schalter ist über eine Leitung 30 mit einem Taktgeber im Rechenwerkt 29 verbunden, dessen Takte die Aufeinanderfolge der Widerstandsmessungen sowie das Umpolen des Messstroms und die Bestimmung der Widerstandsdifferenz steuern. Die Spannung über dem jeweils mit der Konstantstromquelle verbundenen Widerstandsthermometer und die durch eine geeignete Verknüpfung der Widerstandsthermometer bestimmte Differenzspannung werden verstärkt und als analoge Spannungs- bzw. Spannungsdifferenzsignale an den A/D-Wandler 28 geleitet, wo sie in entsprechende digitale Signale gewandelt werden.

Die von den Impulsgebern 19 und 21 erzeugten Impulse werden von den Zählern 25 bzw. 24 gezählt.

Der Inhalt jedes der Zähler 24, 25 und die den Widerstandswerten der Widerstandsthermometer im Vor- und im Rücklauf sowie deren Differenz entsprechenden digitalen Signale werden dann an das Rechenwerk 29 geleitet. Im Rechenwerk werden die Zählerinhalte verglichen und, sofern der Unterschied in einem vorgegebenen Toleranzbereich liegt, ein Mittelwert gebildet, der für die weitere Verarbeitung als Durchflussvolumen verwendet wird.

Dem Rechenwerk 29 sind Speicher zugeordnet, in denen Kennwerte der beiden Widerstandsthermometer eingespeichert sind. Diese Kennwerte werden für jedes Widerstandsthermometer vor dem Einbau bei zwei Referenztemperaturen experimentell bestimmt und ermöglichen,eine Parallelverschiebung und/oder unterschiedliche Neigungen der beiden Widerstandskennlinien zu berechnen. Dabei genügen die gegenseitigen Unterschiede

der Kennwerte der beiden Widerstandsthermometer, weil die für die Wärmemengenmessung wichtige Grosse die Temperaturdifferenz und nicht die absolute Temperatur ist. Im Rechenwerk wird dann aus den» von der Konstantstromquelle gelieferten Strom und der Spannung über jedem der Widerstandsthermometer der Momentanwert des Widerstands berechnet und daraus mit Hilfe der gespeicherten Kennwerte die Temperatur im Vorlauf, im Rücklauf und die Temperaturdifferenz. Die errechneten Werte werden im Rechenwerk auch numerisch aufbereitet, um deren Genauigkeit, beispielsweise durch das Bestimmen gewichteter Mittelwerte, zu erhöhen. Schliesslich bestimmt das Rechenwerk aus dem gemessenen Durchflussvolumen und der gemessenen Differenz der Temperatur des Wärmeträgers im Vor- und im Rücklauf sowie mittels der eingespeicherten Kennwerte in Uebereinstimmung mit der eingangs genannten Formel die abgegebene Wärmemenge.

Bei der Verwendung des Wärmemengenmessers mit Wasser als Wärmeträger werden für die Berechnung der Wärmemenge vorzugsweise nicht die Einzelwerte der temperaturabhängigen Dichte und Kapazität gespeichert, sonderen deren Produkt, das für Wasser und in dem beispielsweise für Fernheizungen interessierenden Temperaturbereich annähern linear ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Wärmemengenmessers sind in den Mittelstücken der Vorlauf- und der Rücklaufleitung je zwei Widerstandsthermometer angeordnet. Diese Bauweise ermöglicht, die Temperatur des Wärmeträgers aus dem Mittelwert der beiden gemessenen Widerstandswerte zu bestimmen und damit die Genauigkeit der Temperaturmessung weiter zu erhöhen. Diese Bauweise erlaubt auch die gegenseitige Ueberwachung der beiden im gleichen Mittelstück angeordneten Widerstandsthermometer und damit das rasche Erkennen einer

Aenderung der temperaturabhängigen Widerstandskennlinie oder eines mechanischen Defekts.

Die dem Rechenwerk nachgeschaltete Anzeigeeinrichtung zeigt die dem Wasser des Primärkreislaufs im Wärmetauscher entzogene Wärmemenge an sowie den Momentanwert der abgegebenen oder aufgenommenen Wärmeleistung, die Temperatur des Wassers im Vor- und im Rücklauf, die Temperaturdifferenz und die im Vor- und im Rücklauf gemessenen Durchflussmengen. Es ist auch möglich_;die Fehlerzeit anzuzeigen, während der das Gerät fehlerhafte Signale erhält und verarbeitet, beispielsweise wegen eines defekten Widerstandsthermometers oder eines Ausfalls der Konstantstromquelle oder wegen einer unzulässigen Differenz der gemessenen Durchflussmengen. Weiter ist es möglich, die Netzausfallzeit anzuzeigen, während der das Gerät einen oder mehrere Netzausfälle festgestellt hat. Vorzugsweise ist die Anzeigeeinrichtung mit optischen und/ oder akustischen Signalgebern versehen. Diese werden erregt, sobald der Unterschied zwischen der im Vor- und im Rücklauf gemessenen Durchflussmenge einen vorgegebenen Toleranzwert übersteigt, weil dann entweder eines der Durchflussmengenmessgeräte falsch misst oder die Leitung des Wassers zum, im oder vom Wärmeaustauscher defekt ist. Die Signalgeber werden auch erregt, wenn der Widerstand eines der Widerstandsthermometer aus dem bei normalen Betriebsbedingungen zu erwartenden Bereich auswandert oder beim Bruch eines Widerstandsthermometers unendlich gross wird. Es ist auch möglichjder Anzeigeeinrichtung ein Relais zuzuordnen, dessen Kontakte beim Auftreten einer Fehlersituation abfallen und die beispielsweise mit einer Einrichtung verbunden sind, die beim Abfallen der Kontakte die Wärmezufuhr zum Wärmemengenmesser bzw. Wärmetauscher unterbricht.

Die gesamte elektronsiche Schaltung und die Anzeigeeinrichtung können mit handelsüblichen Bauelementen aufgebaut

werden, deren Auswahl und Verknüpfung für den beschriebenen Zweck jedem Fachmann geläufig ist, weshalb auf eine detaillierte Beschreibung dieser Bauelemente und deren Verknüpfung hier ausdrücklich verzichtet wird.

Es versteht sich auch, dass die Auswahl der bestgeeigneten Durchflussmengenmessgeräte sowie die Dimensionxerung der Zwischenstücke und insbesondere deren Form im Bereich des fachmännischen Könnens liegen und in Abhängigkeit vom verwendeten Wärmeträger und von der abzugebenden oder aufzunehmenden Wärmemenge bestimmt werden.

Claims

Patentansprüche

/ λ JWärmemengenmesser mit einem Durchflussmengenmessgerät in der Vor- oder der Rücklaufleitung und mit einem Temperaturfühler in der Vor- und der Rücklaufleitung sowie mit einer elektronischen Schaltung, deren Eingänge mit dem Durchflussmengenmessgerät und den beiden Temperaturfühlern verbunden sind und die die zwischen der Vor- und der Rücklaufleitung von einem Wärmeträger abgegebene oder aufgenommene Wärmemenge errechnet, sowie mit einer Anzeigeeinrichtung, die mindestens die errechnete Wärmemenge anzeigt, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rück- bzw. der Vorlaufleitung ein zweites Durchflussmengenmessgerät (19, 18) vorgesehen ist, und die Temperaturfühler in einem Leitungsstück (16, 17) angeordnet sind, das eine praktisch laminare Strömung des Wärmeträgers erzeugt.
2. Wärmemengenmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungsstück (16, 17) einen ersten, dem Anschluss (44) an die Zuflussleitung benachbarten Teil (42) aufweist, der stufenförmig erweitert ist, um einen Bereich erhöhter Turbulenz und Durchmischung für den Wärmeträger zu bilden, sowie einen zweiten, dem Anschluss (48) an die Abflussleitung benachbarten Teil (46) , der düsenförmig verengt ist, um eine praktisch laminare Strömung des Wärmeträgers zu erzeugen, und dadurch, dass der aktive Teil (57) des Temperaturfühlers (56) im Ausflussbereich (47) der Düse (46) angeordnet ist.
3. Wärmemengenmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Ausflussbereich (47) der Düse (46) mehrere parallel zur Strömungsrichtung und im Querschnitt sternförmig ange-

ordnete Temperatürleitplatten (54) vorgesehen sind, deren axialer Sternpunkt rohrförmig ausgebildet ist^und dadurch, dass der aktive Teil (57) des Temperaturfühlers (56) in diesem Rohr angeordnet ist.
4. Wärmemengenmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Durchflussmengenmessgerät (18, 19) mit einem Impulsgeber (21 bzw. 22) zusammenwirkt und die elektronische Schaltung (23) zwei Zähler (24, 25) für die von den Impulsgebern erzeugten Impulse enthält sowie einen Temperaturmesskreis (27), dessen Eingänge mit den Temperaturfühlern und dessen Ausgang mit einem A/D-Wandler (28) verbunden sind bzw. ist_yund ein Rechenwerk (29), dessen Eingänge an die Ausgänge der Zähler und des A/D-Wandlers angeschlossen und dessen Ausgänge an die Anzeigeeinrichtung (31) geführt sind.
5. Wärmemengenmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, ^ dass der Temperaturmesskreis (27) mit einer Konstantstrom-

quelle zusammenwirkt, die den Messstrom durch die als Wider

standsthermometer (56) ausgebildeten Temperaturfühler liefert und einen von dem Rechner (29) gesteuerten elektronischen Schalter enthält, der die Widerstandsthermometer zum Messen der Absolutwerte der Temperatur einzeln mit der Stromquelle verbindet und zum Messen der Temperaturdifferenz miteinander verknüpft und diese Verbindung bzw. Verknüpfung periodisch umpolt, um Offsetspannungen und Temperaturdrift der Kennwerte von Bauelementen durch Umkehrung des Messstroms zu kompensieren.
6. Wärmemengenmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vor- und in der Rücklaufleitung je zwei Temperaturfühler angeordnet sind.