DE3900284C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln des Wasserdurchsatzes durch einen elektrisch beheizten Durchlauferhitzer - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln des Wasserdurchsatzes durch einen elektrisch beheizten Durchlauferhitzer

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ermitteln des Wasserdurchsatzes durch einen elektrisch beheizten Durchlauferhitzer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.
Ein solches Verfahren ist aus der DE 28 56 289 A1 bekannt. Für die Meßzwecke wird ein Heizwiderstand benutzt, dem stromauf und stromab je ein Temperaturfühler im beheizten Kanal zugeordnet ist. Der Durchsatz DR wird dann nach der Formel
ermittelt, wobei PM die Leistung des Heizwiderstandes, c die spezifische Wärme des strömenden Mediums, ϑA dessen Auslauf- und ϑE dessen Einlauftemperatur bedeuten.
Weiterhin ist aus der DE-OS 35 46 214 ein elektrischer Durchlauferhitzer bekanntgeworden, der an seinem Einlaß einen ersten Temperaturfühler aufweist, dem ein Widerstand folgt, dem seinerseits ein zweiter Temperaturfühler nachgeschaltet ist. Im hydraulischen Weg des Durchlauferhitzers folgt dann noch eine Vielzahl weiterer Heizwiderstände. Beide Temperaturfühler und der zwischengeschaltete Widerstand bewirken eine Durchsatzmessung, indem nämlich die Wassereinlauftemperatur und die Temperaturerhöhung an dem zwischen den Temperaturfühlern liegenden Widerstand gemessen wird. Es kann allerdings bei solchen Durchlauferhitzern vorkommen, daß bei geringen Durchsätzen und einer niedrigen eingestellten Soll-Temperatur des auslaufenden Wassers der Widerstand zwischen den Temperaturfühlern bereits eine Heizleistung erzeugt, mit welcher die gewünschte Soll-Temperatur überschritten wird. In diesem Fall soll die Leistung dieses zwischen den Temperaturfühlern liegenden Widerstandes durch Takten auf einen niedrigeren Wert geregelt werden.
Bei dem in der FR 23 84 241 beschriebenen Durchsatzmesser für KFZ-Treibstoff ist ein abschaltbarer Heizwiderstand vorgesehen. Zur feinstufigen Leistungseinstellung sind - beispielsweise aus der DE 29 41 330 C2 - auch teilweise abschaltbare Heizwiderstände bekannt.
Bei dem oben beschriebenen Meßverfahren ändert sich die Auslauftemperatur ϑA in Abhängigkeit vom Durchsatz DR, das heißt, daß bei kleinen Zapfwassermengen die Temperaturerhöhung größer als bei höheren ist:
Nach Gleichung (1) wird der Durchsatz aus der Differenz von ϑA und ϑE errechnet.
Problematisch dabei ist, daß bei hohen Durchsätzen die Temperaturdifferenz bei konstanter Leistung PM absinkt. Die unveränderlichen Meßfehler machen sich dann stärker bemerkbar als bei größeren Temperaturdifferenzen.
Zu den Meßfehlern gehört auch der Quantisierungsfehler von Analog-Digital-Wandlern. Er wird um so kleiner, je kleiner der Meßbereich gewählt werden kann.
Wird nur mit einer Heizleistung PM für den ganzen Bereich des Durchsatzes gearbeitet und will man gleichzeitig eine Mindesttemperatur-Differenz nicht unterschreiten, ergibt sich zwangsläufig ein großer Meßbereich mit größerem Quantisierungsfehler.
Demgemäß liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, ein Verfahren zum Ermitteln des Wasserdurchsatzes durch einen elektrisch beheizten Durchlauferhitzer anzu­ geben, mit dem über den gesamten Durchsatzbereich mit möglichst geringen Quantisierungsfehlern gearbeitet wer­ den kann.
Die Lösung besteht erfindungsgemäß in den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs.
Durch diese erfinderische Gestaltung ist es möglich, die Temperaturspreizung durch Wahl einer kleineren elektri­ schen Leistung für die Durchsatzmessung zu verkleinern, so daß die Differenz ohne weiteres erfaßbar ist und daß somit auf den Durchsatz geschlossen werden kann. Es ver­ steht sich, daß die übrigen zur Erreichung der gewünsch­ ten Auslauftemperatur bei Maximaldurchsatz erforderlichen Heizwiderstände vorhanden sind, aber bei kleinen Durchsätzen für die Durchsatzermittlung nicht benutzt werden.
Weitere Ausgestaltungen und besonders vorteilhafte Wei­ terbildungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, die ein Ausführungsbeispiel der Er­ findung anhand der Figur der Zeichnung näher erläutert.
Die Figur zeigt einen elektrischen Durchlauferhitzer in einem Prinzipschaltbild.
Der Durchlauferhitzer 1 weist einen Durchflußkanal 2 auf, der eine Einlaßseite 3 und eine von einem Zapfventil 4 verschließbare Auslaßseite 5 aufweist. Ein- und Auslaß­ seite sind durch eine oder mehrere beheizte Kanalstrecken 6 miteinander verbunden, die in Serie und/oder parallel liegen können. In einer oder mehreren dieser Strecken sind Heizwiderstände 7 und 8 angeordnet, die in nicht weiter dargestellter Weise an ein elektrisches Drehspan­ nungsnetz angeschlossen sind. Hiervon ist in den Zulei­ tungen 9 und 10 für den Heizwiderstand 7 ein gesonderter elektrischer Schalter 11 vorgesehen.
Der Einlaßseite ist ein Einlaßtemperaturfühler 12 zuge­ ordnet, der mit einer Meßleitung 13 versehen ist, der Auslaßseite ein Auslaßtemperaturfühler 14, dem eine Meß­ leitung 15 zugehörig ist. Bezüglich der Temperaturfühler 12 und 14 ist es nur vonnöten, daß sie stromauf und stromab des aus den Heizwiderständen 7 und 8 bestehenden Meßwiderstandes für den Durchsatz angeordnet sind, unbeschadet dessen, daß weitere Wider­ stände zur Erreichung der Gesamtleistung vorhanden sind, die ihrerseits hydraulisch parallel zu diesem beheizten Zweig liegen können oder auch mit ihm in Serie liegen können.
Die Funktion ist folgende:
Aus der Formel der Durchsatzermittlung
ist erkennbar, daß bei größeren Durchsätzen und konstanter Heizleistung PM die gemes­ senen Temperaturunterschiede immer kleiner werden. Da­ mit wird auch die Meßgenauigkeit kleiner. Bei leistungs­ gesteuerten Elektro-Durchlauferhitzern wird die aktuelle Leistung durch Grob- und Feinleistungsstufen eingestellt. Während die Feinleistungsstufen im allgemeinen mit ver­ änderlichem Tastverhältnis über Triacs oder Thyristoren getastet werden, werden die Grobleistungsstufen dauernd ein- oder ausgeschaltet. Aus diesem Grunde eignen sich Grobleistungsstufen (Heizwiderstände) auch als Meßheiz­ widerstände für die Durchsatzermittlung. Durch geeignete Anordnung kann die Meßheizwendel auf zwei Heizwiderstände aufgeteilt werden. Damit erhöht sich die zur Verfügung stehende elektrische Heizleistung und auch die Tempera­ turdifferenz. Andererseits ist es erforderlich, daß bei sinkenden Durchsätzen die Heizleistung zurückgenommen werden muß, damit die Temperaturspreizung nicht zu groß wird. Aus diesem Grund wird die Temperaturdifferenz gene­ rell über zwei oder mehr Heizwendeln gemessen. So kann gemäß dem Ausführungsbeispiel durch Öffnen des Schalters 11 für Meßzwecke nur noch der Widerstand 8 in der Meß­ strecke für die Temperaturerhöhung verbleiben, mit dem das Wasser zwischen den Temperaturfühlern 12 und 14 auf­ geheizt wird.
Da beim Zu- oder Abschalten einer Heizwendel oder eines Heizwiderstandes sich die Temperatur am stromab liegenden Fühler 14 nicht schlagartig ändert, sondern bedingt durch die Laufzeiten und die Speicherwirkung erst allmählich Veränderungen zeigt, darf während einer bestimmten Zeit nach Abschalten eines stromauf liegenden Widerstandes (7) keine Durchflußberechnung erfolgen. Es ist somit eine Wartezeit erforderlich, in der die Meßergebnisse nicht verwertet werden. Erst nach dem Ablauf der Wartezeit kann der Durchfluß erneut aus den Temperaturmeßwerten ermittelt werden. Die Wartezeit kann einen festen Wert haben oder bei gegebener Kanalgeo­ metrie abhängig von der Leistungsänderung gemacht wer­ den. Die Durchflußberechnung erfolgt dann bei mehreren Heizwiderständen zwischen den Temperaturfühlern 12 und 14 nach Gleichung
wobei PM1 die elektrische Leistung des ersten Heizwider­ standes 8, PM 2 die Leistung des zweiten Widerstandes 7 be­ deuten. K ist eine Konstante und nimmt die Werte eins oder Null an, wobei der Wert K=1 für geschlossenen Schalter 11 gilt und der Wert K=0 für geöffneten Schalter 11. Sind mehr als zwei Heizwiderstände vorhan­ den, haben alle bis auf den ersten Heizwiderstand einen Schalter 11, wobei sich dann die Gleichung 2 wie folgt zu Gleichung 3 ändert:
wobei n die Zahl der Heizwiderstände ist. Es muß dann eine Steuerung der Heizwiderstände vorhanden sein, der die Information entnehmbar ist, welche der Teilheizwen­ deln gerade ein- oder ausgeschaltet sind, damit dies in die Berechnung nach der Formel eingehen kann.
Die Erfindung eignet sich bevorzugt für einen elektrisch beheizten Durchlauferhitzer, der in Dreieckschaltung an einem Drehspannungsnetz liegt und dessen Heizwiderstände als Blankdrahtwendeln unmittelbar im Wasserweg angeordnet sind.

Claims (1)

  1. Verfahren zum Ermitteln des Wasserdurchsatzes während des stationären Betriebes eines elektrisch beheizten Grob- und Feinleistungsstufen aufweisenden Durchlauferhitzers, bei dem stromauf und stromab eines Meßwiderstandes die Wassertemperatur gemessen wird und der Durchsatz D nach der Gleichung ermittelt wird, wobei PM die Leistung des Meßwiderstandes, c die spezifische Wärme des Wasser und Δϑ die Differenz zwischen den gemessenen Temperaturwerten bedeuten, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßwiderstand mehrere Grobleistungsstufen bildende Heizwiderstände (7, 8) verwendet werden und zur Ermittlung kleiner Durchsätze die Heizleistung PM durch Abschalten eines Teils der Heizwiderstände verringert wird.
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