DE3700466A1 - Vorrichtung zur messung von temperaturdifferenzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Temperaturdifferenzen mit gegeneinander geschalteten Meßkammern und mit einer Einrichtung, die die von den beiden Kammern gemessenen Temperaturen miteinander vergleicht und auswertet.

Zur Regelung vieler verfahrenstechnischer Prozesse und zur Erfassung der Wärmemenge für industrielle Meßaufgaben und insbesondere zur Erfassung der individuellen Heizkosten für Zentralheizungen in Mehrfamilienhäusern ist eine genaue Erfassung der Temperaturdifferenzen an zwei oder mehreren, örtlich voneinander getrennten Meßstellen notwendig. Dabei wird es bevorzugt, wenn elektrische Ausgangssignale vor­ liegen, da diese für eine weitere Datenverarbeitung Vorteile bieten. Beispielsweise wird die von einem Heizkörper einer Warmwasserheizung abgegebene Wärmemenge durch den Massen- oder Volumendurchfluß von heißem Wasser in Kombination mit der Temperaturdifferenz zwischen Wassereinlauf und Wasser­ rücklauf.

Die Erfassung von Temperaturdifferenzen erfolgt heute durchweg durch zwei getrennte Temperatursensoren, die jeweils in die Flüssigkeitsströme des Wassereinlaufs bzw. des Wasserrücklaufs eintauchen. Beide Temperatursensoren, etwa Thermoelemente oder Temperaturmeßwiderstände, wandeln die aktuelle gemessene Temperatur in elektrische Signale um. Diese elektrischen Signale werden dann über elektrische Leitungen einem Rechenwerk zugeleitet, welches elektronisch eine Differenzbildung vornimmt. Von diesem Stand der Technik geht die Erfindung aus.

Für die Erfassung der Temperatur an einer Meßstelle gibt es auch mechanische Versionen die beispielsweise aus einem Ausdehnungsvolumen bestehen das mit einer Flüssigkeit gefüllt ist und an das eine biegsame Kapillare angeschlossen ist, durch die das sich ausdehnende Flüssigkeitsvolumen mit einem mechanischen Federwerk verbunden wird und dabei auf eine Feder drückt. Durch Temperaturänderungen verursachte Volumenänderungen der Flüssigkeit bewirken eine Bewegung einer Membran, die in eine Bewegung eines mechanischen Zeigers umgewandelt wird, und zwar entweder direkt oder über eine mechanische Übersetzung.

Um die gewünschten elektrischen Ausgangssignale zu erhalten, gibt es neben der mechanischen Zeigeranzeige auch die Umsetzung der Bewegung über ein Potentiometer in der Bewegung proportionale elektrische Signale.

Um die für die Wärmemengenmessung erforderliche Meßgenauig­ keit und Stabilität von wenigen Prozent über eine verhältnismäßig lange Zeitdauer von mehreren Jahren zu gewährleisten - für die Wärmemengenerfassung sind dies mindestens fünf Jahre - werden große Anforderungen an die Genauigkeit und Stabilität der Temperatursensoren sowie an den Gleichlauf der Kennlinien und der nahezu unvermeidlichen Alterungseigenschaften gestellt. Durch hierbei notwendige, aufwendige Meß- und Selektionsprozesse von Temperatursensorpaaren sind dann aber deren Kosten relativ hoch.

Die Erfindung vermeidet diese Nachteile. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung einer Temperaturdifferenz der eingangs genannten Art vorzuschlagen die es gestattet, eine direkte Temperaturdifferenzbildung vorzunehmen. Die Vorrichtung soll sich durch eine hinreichende Meßgenauigkeit und Unabhängigkeit von der Meßtemperatur auszeichnen, sowie durch eine sehr gute Stabilität, auch über eine sehr lange Betriebszeit. Außerdem soll die erfindungsgemäße Vorrichtung kostengünstig herge­ stellt werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein geschlossenes, mit einer Flüssigkeit oder mit einem Gas gefülltes Volumen vorgesehen ist, das durch eine Membran in zwei oder mehrere Teilvolumina unterteilt ist, an der ein Positionsgeber befestigt ist, dessen Lage über einen außerhalb des geschlossenen Volumens und dem Geber benachbart angeordneten Aufnehmer ermittelt wird.

Man läßt somit gewissermaßen die beiden Teilvolumina gegen­ einander auf die gemeinsame Membran einwirken, so daß die durch eine gegebenenfalls vorliegende Temperaturdifferenz bewirkte Auslenkung der Membran über den Positionsgeber und den ihm zugeordneten Aufnehmer gefühlt wird. Am Aufnehmer entstehen vorzugsweise elektrische Ausgangssignale, die ein Maß für die gemessene Temperaturdifferenz sind.

Mit demselben Prinzip können auch mehrere Temperatur­ differenzen gemessen werden. Es ist auch möglich, gleich­ zeitig eine Temperatur absolut zu messen. Diese Ausführungs­ form ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Teilvolumina zusätzlich an eine zweite Membran angeschlossen ist, an der ebenfalls ein Geber befestigt ist, dessen Lage über einen Aufnehmer ermittelt wird.

Leitungen zur Verbindung der beiden Teilvolumina mit der gemeinsamen Membran sind nicht unbedingt notwendig, doch werden gegebenenfalls solche Leitungen bevorzugt, die dann wiederum vorzugsweise flexibel sind, wodurch weitere Ein­ satzgebiete der Erfindung erschlossen werden.

Für die Ausbildung des Gebers und des Aufnehmers gibt es mehrere Möglichkeiten. Eine erste Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß der Geber ein Permanentmagnet ist und der Aufnehmer ein Hallsensor.

Eine andere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß der Geber ein Eisenstück (Ferrit) ist und der Aufnehmer eine elektrische Spule, die über die Membran geschoben ist.

Bei dieser Ausführungsform kann die Spule in zwei oder mehrere Segmente unterteilt sein, wodurch sich dann eine Schaltfunktion oder eine digitale Anzeige der gemessenen Temperaturdifferenz ergibt, je nachdem, welches der Segmente der Spule durch den Geber erregt wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungs­ beispielen näher erläutert, aus denen sich weitere wichtige Merkmale ergeben. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch eine erste Ausführungsform einer Vor­ richtung nach der Erfindung.

Fig. 2 eine demgegenüber abgewandelte Ausführungsform;

Fig. 3 eine abermals abgewandelte Ausführungsform, wobei zusätzlich eine absolute Temperatur an einer dritten Meßstelle gemessen werden kann.

Zunächst sei der grundsätzliche Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand von Fig. 1 erläutert. Diese Figur zeigt eine Vorrichtung, die aus einem ersten Meßvolumen 1 und einem zweiten Meßvolumen 2 besteht. Beide Meßvolumina sind über biegsame Kapillarleitungen 3 bzw. 4 mit einem Gehäuse 5 verbunden, in dem eine Metall-Membran 6 aufgespannt ist, die das gesamte Meßvolumen in ein erstes Teilvolumen (in der Zeichnung links der Membran) und in ein zweites Teilvolumen (in der Zeichnung rechts der Membran) unterteilt.

An der Membran ist ein Geber 7 befestigt und über das Gehäuse 5 ist im Bereich der Membran 6 ein Aufnehmer 8 geschoben, der bei diesem Ausführungsbeispiel aus einer elektrischen Spule besteht, wobei der Geber aus einen Eisenstück besteht.

Es sei angenommen, daß an den beiden Meßvolumina 1, 2 unterschiedliche Temperaturen herrschen. Weil die beiden Teilvolumina geschlossen sind und jeweils mit einem Gas, vorzugsweise mit einer Flüssigkeit, gefüllt sind, wird dadurch eine Durchbiegung der Membran bewirkt, die abhängig von der Temperaturdifferenz an den Meßstellen 1 bzw. 2 ist. Die hierdurch bewirkte Auslenkung der Membran 6 bewirkt eine Verschiebung des Gebers 7 und diese Verschiebung wird über den Aufnehmer 8 nachgewiesen.

Die Gesamtdurchbiegung der Membran resultiert also in einer Differenz der aufgebauten Flüssigkeits-Druckwerte, im wesentlichen nach der Gleichung

wobei p den Druck, V das Volumen und T die Temperatur bedeutet. Entsprechend den Temperaturen an den Meßstellen 1 bzw. 2 baut sich in den Kapillaren ein Druck p 1 und p 2 auf, der in der erwähnten Durchbiegung der flexiblen Membran resultiert.

Diese Durchbiegung wird beispielsweise durch einen im Zentrum auf der Membran angebrachten Eisenferrit angezeigt und mit der über das Gehäuse 5 geschobenen Spule 8 gemessen.

Bei einer abgeänderten Ausführungsform befindet sich ein Permanentmagnet auf der Membran, dessen Lage bzw. Auslenkung durch einen außerhalb angebrachten Hallsensor bestimmt wird.

Je nach Auslegung und Anordnung der Spule oder des Hallsensors relativ zur Membranbiegung können analoge oder digitale elektrische Ausgangssignale erhalten werden.

Bei einer anderen Ausführungsform befindet sich die Abgriffspule 8 so über den Ferriten 7, daß er bei gleichen Temperaturen an den Meßstellen 1, 2 und damit auch bei gleichen Drücken in den beide Teilvolumina gerade am Beginn des Spulenkörpers 8 ein kleines elektrisches Signal erzeugt. Sobald verschiedene Temperaturen an den beiden Meßstellen auftreten, biegt sich die Membran durch und der Ferrit ragt dann weiter in die Spule hinein, wodurch ein mit der Temperaturdifferenz nahezu linearen elektrisches Wechselsignal abgegriffen werden kann.

Diese Ausführungsform bietet sich an, wenn bekanntermaßen eine Meßstelle immer eine etwas niedrigere Temperatur hat als die andere Meßstelle, wie dies beispielsweise bei Wärmemengenmessungen der Fall ist, wo die Vorlauftemperatur immer die Rücklauftemperatur übersteigt.

Bei einer abgeänderten Ausführungsform ragt der Ferrit ebenfalls in den Spulenkörper hinein, doch wird diesmal die Spule in mehrere Segmente unterteilt, wie in Fig. 2 angedeutet. Die Länge jedes Segments soll nur einen Bruchteil der Membranbewegung betragen. Dann kann die Bewegung des Ferriten in der Spule in eine Serie von quasi­ digitalen Signalen übertragen werden, wobei jedes Digit einem Spulensegment entspricht.

Falls nur zwei Spulensegmente vorhanden sind, kann ein elektrisches Signal in dem zweiten Segment abgegriffen werden, sobald die Temperaturdifferenz einen kritischen Wert übersteigt. Es kann eine Schaltfunktion ausgeführt werden.

Bei einer weiterhin abgeänderten Ausführungsform befindet sich ein Magnet auf der Membran und die Membranbewegung wird durch einen darüber angebrachten Hallsensor bestimmt. In diesem Fall kann ein analoges Ausgangssignal proportional zur Temperaturdifferenz erzielt werden. Je nachdem welcher der beiden Meßstellen höheren Temperaturen unterliegt, erhält man positive oder negative Hallspannungswerte.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der sowohl Temperaturdifferenzen wie auch die Absoluttemperatur eines weiteren Teilsensors bestimmt werden können. Zu diesem Zweck werden in einem Ast der Meßanordnung nach Fig. 1 oder 2 zwei der Kapillaren (flexible Leitungen) angebracht, von denen die eine Kapillare 9 zur Temperaturmessung verwendet wird. Die andere Kapillare 3 dient, wie vorher beschrieben, zur Bestimmung der Temperaturdifferenz. Die Kapillare 9 verbindet das Meßvolumen 1 mit einem weiteren Meßvolumen 10, das wiederum von einer Membran 6 mit Geber 7 abgeschlossen ist. Mit dem Geber 7 arbeitet der Aufnehmer 8 zusammen.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Messung von Temperaturdifferenzen mit Temperatursensoren und mit einer Einrichtung, die die von den Sensoren gemessenen Temperaturen miteinander ver­ gleichen und auswerten, dadurch gekennzeichnet, daß ein geschlossenes, mit einer Flüssigkeit oder mit einem Gas gefülltes Volumen vorgesehen ist, das durch eine Membran (6) in mindest zwei Teilvolumina unterteilt ist, an der ein Positionsgeber (7) befestigt ist, dessen Lage über einen außerhalb des geschlossenen Volumens und dem Geber benachbart angeordneten Aufnehmer (8) gefühlt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Teilvolumina zusätzlich an eine zweite Membran (6) angeschlossen ist, an der ebenfalls ein Positionsgeber (7) befestigt ist, dessen Lage über einen Aufnehmer (8) gefühlt wird, wodurch neben der Temperaturdifferenz auch die absolute Temperatur ermittelt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Teilvolumina über Leitungen (3, 4) mit der gemeinsamen Membran (6) in Verbindung stehen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Leitungen (3, 4, 9) biegsam ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsgeber (7) ein Permanent­ magnet und der Aufnehmer ein Hallsensor ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Positionsgeber (7) ein Eisenstück ist und der Aufnehmer (8) eine elektrische Spule, die über die Membran geschoben ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (8) in Segmente unterteilt ist, wodurch Temperaturdifferenz-Schalter (bei 2 Segmenten) hergestellt werden, oder die elektrischen Ausgangs- Signale in quasi-digitaler Form (bei mehreren Segmenten) abgegriffen werden können.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsgeber (7) über dem Aufnehmer (8) so angeordnet ist, daß er bei gleichen Temperaturen an den beiden Teilvolumina (1, 2) ein verschwindendes elektri­ sches Ausgangssignal abgibt, das jedoch linear mit dem Temperaturunterschied der beiden Teilvolumina (1, 2) an­ wächst.