DE4409185A1

DE4409185A1 - Elektrischer Wärmemesser und Anlage zur Messung von Wärmeenergieverbrauch mit solchen Wärmemessern

Info

Publication number: DE4409185A1
Application number: DE4409185A
Authority: DE
Inventors: Diameter Rgaard Jens N
Original assignee: BRUNATA AS
Current assignee: BRUNATA AS
Priority date: 1994-03-17
Filing date: 1994-03-17
Publication date: 1995-09-21

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Wärmemesser zur Messung der von einem Heizkörper abgegebenen Wärme energie, bei dem die Temperaturerfassung durch ein Thermoelement geschieht, dessen warme und kalte Lötstellen so angebracht sind, daß sie die Mitteltemperatur des Heizkörpers bzw. die Raumtempera tur messen.

Es ist bekannt, daß die Wärmeabgabe eines Heizkörpers eine Funktion der Mitteltemperatur des Heizkörpers minus der Temperatur des Raumes, in dem der Heizkörper angebracht ist, ist, gemäß folgendem Ausdruck:

= F · Δt^k

wobei F eine Konstante ist, die von der Heizkörpergröße abhängig ist, k eine Konstante und Δt der Temperaturunterschied zwischen Heizkörper und Raum ist. Zur Bestimmung von Δt ist die Methode bekannt, ein Thermoelement mit einer warmen und einer kalten Löt stelle zu verwenden, die abhängig vom gegenseitigen Temperaturunter schied eine elektromotorische Kraft oder Thermospannung EMK hervor bringen, die aus folgender Formel hervorgeht:

EMK_term = a · (t_Heiz ^b - t_Raum ^b)

wobei a eine Konstante = 0,0321268 mV und b eine Konstante = 1,05824 ist.

Aus dieser Formel geht hervor, daß ein beinahe linearer Zusammen hang zwischen dem Temperaturunterschied und der abgegebenen Thermo spannung besteht. Da die Konstante k im obigen Ausdruck für die Wärmeabgabe jedoch bedeutend größer als 1 ist und somit für Säulenheizkörper 1,33 ausmacht, kann die abgegebene Thermospannung bei größeren Temperaturunterschieden zwischen dem Heizkörper und der Umgebung, also zwischen der warmen und der kalten Lötstelle, kein korrektes Maß für die Wärmeabgabe sein, und es ist der Zweck dieser Erfindung, diesem Nachteil abzuhelfen.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß ein tempera turabhängiger Widerstand mit negativer Temperaturcharakteristik, ein sogenannter NTC-Widerstand, in den Thermoelementkreis eingeschaltet und so angebracht ist, daß er der Mitteltemperatur des Heizkörpers folgt. Die über einem Widerstand im Thermoelementkreis liegende Spannung kann hierdurch mit einer passenden Charakteristik des NTC-Widerstandes dazu gebracht werden, dem Verlauf von Δt^k genau zu folgen und ist deshalb also ein besserer Ausdruck für die Wärme abgabe des Heizkörpers als die vom Thermoelement hervorgebrachte Thermospannung selbst. Auf diese Weise wird es mit einfachen Mitteln möglich gemacht, ein genaues Maß der Wärmeenergieabgabe des Heiz körpers auch bei großen Temperaturunterschieden zwischen dem Heizkörper und der Umgebung zu erhalten.

Eine besonders vorteilhafte Konstruktion wird dadurch erreicht, daß der NTC-Widerstand und die warme Lötstelle eine integrierte Einheit ausmachen, bei der die Anschlußleitungen des Widerstandes aus zwei verschiedenen thermoelementbildenden Materialen bestehen. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn z. B. ein klötzchenförmiger NTC-Wider stand mit ganz kleinen Ausmaßen verwendet wird, der leicht an jeder gewünschten Stelle am oder im Heizkörper angebracht werden kann.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Anlage zur Messung von Wärme energieverbrauch bei einer Anzahl von Heizkörpern, die mit Wärme messern der erwähnten Art versehen sind, mit einer Meß- und Berech nungseinheit, an die die Thermoelementkreise der Wärmemesser ange schlossen sind, und das für die erfindungsgemäße Anlage eigenartige ist, daß ein in jeden Thermoelementkreis eingehender erster Wider stand in einem an die Meßeinheit angeschlossenen Meßkreislauf in Serie eingeschaltet ist, und daß der NTC-Widerstand über einen Kalibrierungswiderstand mit dem ersten Widerstand parallelverbunden ist. Die im Meßkreislauf durch die einzelnen Thermoelemente hervor gebrachten Thermospannungen können daraufhin summiert und gemessen werden, und bei passender Gewichtung der einzelnen Thermospannungen mit Hilfe der Kalibrierungswiderstände im Verhältnis zu den Heizkör pergrößen kann man somit auf äußerst einfache Weise ein korrektes Maß für die gesamte abgegebene Wärmeenergie der angeschlossenen Heizkörper erhalten.

Bei einer Weiterentwicklung der Anlage gemäß der Erfindung ist an die Meß- und Berechnungseinheit mindestens ein Wasserzähler durch einen im Meßkreislauf eingehenden Serienwiderstand angeschlossen, der durch einen vom Zählwerk des Wasserzählers betätigten Unterbre cherkontakt kurzschließbar ist. Hierdurch wird erreicht, daß dieselbe Meß- und Berechnungseinheit beim Wechsel zwischen der Messung von Thermospannung und der Messung von Widerstand auch Informationen über die Durchflußmenge (Flow) in einem Wasserzähler registrieren kann.

Bei noch einer Weiterentwicklung der Anlage gemäß der Erfindung sind die in den gesamten Kreislauf eingehenden Widerstände so aneinander angepaßt worden, daß eine Unterbrechung des Kreislaufes eine wesentliche Änderung des gemessenen inneren Widerstandes im Meßkreislauf bewirkt, so daß die Meß- und Berechnungseinheit außerdem noch eine eventuelle Unterbrechung der Heizkörpermeß kreise registrieren kann. Man erhält somit durch die Erfindung eine komplette Meßanlage, die, außer den Wärme- und Wasserverbrauch zu messen, auch die Sicherheit vermittelt, daß die Anlage intakt ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher er klärt:

Fig. 1 zeigt ein Diagramm über einen bekannten Wärmemesser mit Thermoelement,

Fig. 2 zeigt ein Diagramm über einen Wärmemesser gemäß der Erfin dung,

Fig. 3 zeigt Kurven über den Verlauf der Thermospannung und der Wärmeabgabe im Verhältnis zu dem gemessenen Temperaturunter schied und

Fig. 4 zeigt ein elektrisches Diagramm über eine Meßanlage gemäß der Erfindung.

Auf der Zeichnung wird in Fig. 1 ein bekannter Wärmemesserkreislauf mit einem Thermoelement gezeigt, der eine warme Lötstelle 1, eine kalte Lötstelle 2 und Widerstände 3 und 4 hat, über die die vom Thermoelement hervorgebrachte Thermospannung über die Anschlußleitungen 5 und 6 abgenommen werden kann. Die Leitungen 7 und 8 zu der warmen bzw. kalten Lötstelle können typisch aus Kupfer bestehen und die Leitung 9 zwischen den Lötstellen aus Kupfer-Nickel, beispielsweise Konstantan. Andere Leitungsmaterialien sind natürlich möglich.

Auf Fig. 2 wird ein ähnlicher Thermoelementkreis gezeigt, bei dem außerdem ein temperaturabhängiger Widerstand 10 mit negativer Charakteristik (NTC-Widerstand) in den einen Zweig 7 eingeschaltet ist. Der Widerstand 10 wird so angebracht, daß er genau wie die warme Lötstelle 1 der Mitteltemperatur des Heizkörpers folgt.

Im Gegensatz zu dem, was bei Fig. 1 der Fall ist, liegt jetzt auf den Anschlußleitungen 5 und 6 aufgrund der Spannungsteilung zwi schen dem NTC-Widerstand 10 und der Summe der Widerstände 3 und 4 eine Spannung

wobei EMK_term die vom Thermoelement hervorgebrachte Spannung ist und R₃,R₄ und R₁₀ die Resistanz der Widerstände 3,4 und 10 sind und wo

In diesem Ausdruck für R₁₀ ist R(T₀) die Resistanz des NTC-Wider standes bei Raumtemperatur, T ist die absolute Temperatur des Heizkörpers und B ist eine Konstante.

In Fig. 3 wird eine Kurve 11 über die von einem Thermoelement 1,2 hervorgebrachte Thermospannung abhängig vom Temperaturunterschied Δt gezeigt. Es ist ersichtlich, daß die Kurve 11 eine annähernd gerade Linie ist. Fig. 3 zeigt außerdem eine Kurve 12, die die Wärmeabgabe eines Heizkörpers im Verhältnis zum Temperaturunterschied Δt zeigt und die Kurve 13 in Fig. 3 gibt den Verlauf einer mit Hilfe eines NTC-Widerstandes korrigierten EMK. Die Kurve 12 gibt somit den Verlauf von Δt^1,33 dividiert mit 88,5 an und die Kurve 13 gibt die korrigierte EMK multipliziert mit 1,22 an, indem diese Skalierung der Wärmeabgabe und der Spannung vorgenommen wurde, um die Kurven grafisch vergleichen zu können, die hierdurch zwei gemeinsame Punkte haben. In der Praxis geschieht dies durch Einstellen von Verstärkung und Nullpunkt des zur Bestimmung angewendeten Meßverstärkers.

Das in Fig. 3 illustrierte Beispiel wurde auf der Basis folgender Konstanten, die in die obenerwähnten Formeln eingesetzt wurden, errechnet:

R(T₀) = 1000 Ohm
B = 3486
T₀ = 298
T = t_rad + 273
R₃ + R₄ = 900 Ohm

Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß bei praktisch dem gesamten Verlauf der Kurven mit Δt zwischen 0 und ca. 56°C ein genauer Zusammenfall zwischen der NTC-kompensierten Thermospannung und Δt^1,33 besteht, wo Δt^1,33 proportional zur Wärmeabgabe eines Heizkörpers ist. Es ist somit mit Hilfe der NTC-Kompensation eine Thermospannung entstanden, die ein beinahe präziser Ausdruck für die Wärmeabgabe des Heizkör pers ist.

Die in Fig. 4 gezeigte Meßanlage umfaßt eine Meß- und Berech nungseinheit 15 mit einem angeschlossenen Meßkreislauf 16, mit dem wiederum eine Anzahl Thermoelementkreise gemäß Fig. 2 sowie ein Wasserzähler 17 verbunden sind.

Fig. 4 zeigt Heizkörper 18 und 19 mit darauf montierten warmen Lötstellen 1 und NTC-Widerständen 10. Die kalten Lötstellen 2 sind wie gezeigt in einem Abstand außerhalb der Heizkörper angebracht und der eine Widerstand 4 im Thermoelementkreislauf ist in Serie in den Meßkreislauf 16 eingekoppelt. Der andere Widerstand 3 dient hier als Kalibrierungswiderstand, über den das Thermoelement 1, 2 an den Meßkreislauf angeschlossen ist, um das von dem entsprechenden Thermoelement abgegebene EMK nach Größe der entsprechenden Heiz körper 18, 19 anzupassen, so daß der größte Heizkörper den klein sten Widerstand 3 hat.

Der Meßkreislauf 16 empfängt hierdurch von jedem einzelnen Thermo element 1, 2 eine gewichtete EMK, die der respektiven Heizkörpergröße entspricht und bei der gezeigten Serienverbindung der eingeschalteten EMK′s wird eine Summierung aller Spannungsbeiträge oder Augenblickseffekte der Heizkörper und damit ein Maß für die gesamte Energie erreicht, die von den angeschlossenen Heizkörpern abgegeben wird.

Der Wasserzähler 17 ist mit Hilfe eines Serienwiderstandes 20 an den Meßkreislauf 16 angeschlossen, der durch einen im Wasserzähler befindlichen Kontakt 21 in den Kreislauf ein- und ausgeschaltet werden kann, indem der Kontakt 21 unterbrochen und geschlossen wird. Der Kontakt 21 kann zweckmäßig ein Reed-Kontakt sein, der durch ein Zählwerk im Wasserzähler, das den Kontakt beeinflußt, jedes Mal, wenn eine bestimmte Wassermenge durch den Wasserzähler geflossen ist, z. B. nach jeweils fünf oder zehn Litern, betätigt werden kann.

Die Meß- und Berechnungseinheit 15 ist eine elektronische Einheit, die u. a. einen hier nicht gezeigten Microprocessor und andere notwendige elektronische Komponenten enthält. Die Einheit 15 nimmt abwechselnd Messungen der zugeführten Thermospannung im Kreislauf 16 und dessen inneren Widerstand vor. Der innere Widerstand wird vorzugsweise die meiste Zeit gemessen, um dadurch den Zustand des Kreislaufes und eventuelle Impulse vom Wasserzähler zu überwachen.

Der Widerstand 20 hat eine im Verhältnis zu den Serien-Parallelver bindungen der Widerstände 3, 10 und 4 für jeden Heizkörper große Größe, z. B. 3 kOhm, so daß der gesamte Widerstand im Kreislauf 16 sich wesentlich ändert, wenn der Widerstand 20 vom Kontakt 21 kurzgeschlossen wird, unter der Voraussetzung von Werten der Wider stände 3, 4 und 10 wie sie im Beispiel oben angeführt sind. Die genannte Widerstandsänderung wird in der Meßeinheit 15 als Wasser mengenimpuls, der zur Summierung des Wasserverbrauches in einem Register angewandt wird, evaluiert.

Bei der Messung des inneren Widerstandes im Meßkreislauf 16 kann man außer den genannten Schließungen und Unterbrechungen des Wasserzählerkontaktes 21 auch feststellen, ob die Heizkörperfühler intakt sind, indem die Unterbrechung einer Leitung zu einem Thermo element darin resultieren würde, daß der Grundwiderstand des Thermoelementkreises sich bei dem entsprechenden Heizkörper markant ändert, da nur der Serienwiderstand 4i diesem Fall in den Kreis eingeht. Bei passender Dimensionierung der Widerstände 3, 4, 10, und 20, z. B. wie angegeben, kann eine solche Widerstandsänderung unmit telbar in die Meßeinheit 15 als eine Unterbrechung eines Heizkör permeßkreises evaluiert werden. Wird der Serienkreis 16 beschädigt oder unterbrochen, wird dies natürlich auch sofort als solches evaluiert.

In einer sehr vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind der NTC-Widerstand und die warme Lötstelle vollständig integriert, z. B. als verkupfertes NTC-Blöckchen mit so kleinen Dimensionen wie 1,5 × 1,5 × 1,5 mm, das mit Anschlußleitungen aus Kupfer bzw. Konstantan versehen ist. Eine solche Kombination des NTC-Widerstandes und der warmen Lötstelle nimmt also nur ganz wenig Platz ein und kann mit Leichtigkeit an der gewünschten Stelle auf dem Heizkörper angebracht werden. Die kalte Lötstelle kann z. B. als sehr einfache Lösung aus dem Anschluß des Konstantandrahtes an einen Kupferterminal in einer an einer Stelle mit Raumtemperatur angebrachten Klemmleiste beste hen.

Claims

1. Elektrischer Wärmemesser zur Messung der von einem Heizkörper (18, 19) abgegebenen Wärmeenergie, bei dem die Temperaturerfassung durch ein Thermoelement geschieht, dessen warme (1) und kalte Lötstellen (2) so angebracht sind, daß sie die Mitteltemperatur des Heizkörpers bzw. die Raumtemperatur messen, dadurch gekennzeichnet, daß ein temperaturabhängiger Widerstand (10) mit negativer Tempera turcharakteristik, ein sogenannter NTC-Widerstand, in den Thermoele mentkreis (7, 8, 9) eingeschaltet und so angebracht ist, daß er der Mitteltemperatur dem Heizkörpers folgt.

2. Elektrischer Wärmemesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der NTC-Widerstand (10) und die warme Lötstelle (1) eine integrierte Einheit ausmachen, bei der die Anschlußleitungen (7, 9) des Widerstandes aus zwei verschiedenen thermoelementbildenden Mate rialien bestehen.

3. Elektrischer Wärmemesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß in den Thermoelementkreis ein Kalibrierungswiderstand (3) zur Einstellung des in den Kreislauf fließenden Stroms in Abhängig keit von der Heizkörpergröße eingeschaltet ist.

4. Anlage zur Messung des Wärmeenergieverbrauches bei einer Anzahl von Heizkörpern (18, 19), die mit Wärmemessern nach einem der Ansprüche 1-3 versehen ist und mit einer Meß- und Berechnungseinheit (15), an die die Thermoelementkreise der Wärmemesser angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein in jeden Thermoelementkreis eingehender erster Widerstand (4) in einem an die Meßeinheit angeschlossenen Meßkreislauf (16) in Serie eingeschaltet ist und daß der NTC-Wi derstand (10) über einen Kalibrierungswiderstand mit dem ersten Widerstand (4) parallel verbunden ist.

5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an die Meß- und Berechnungseinheit (15) mindestens ein Wasserzähler (17) durch einen im Meßkreislauf (16) eingehenden Serienwiderstand (20) angeschlossen ist, der durch einen vom Zählwerk des Wasserzählers betätigten Unterbrecherkontakt (21) kurzschließbar ist.

6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zum Wasserzähler (17) gehörende Serienwiderstand (20) wesentlich größer als die effektiven Widerstände der einzelnen Thermoelementkreise im Meßkreislauf (16) ist.

7. Anlage nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- und Berechnungseinheit (15) dazu eingerichtet ist, abwechselnd den inneren Widerstand des Meßkreislaufs (16) und die gesamte, von den angeschlossenen Thermoelementen hervorgebrachte Thermospannung zu messen.

8. Anlage nach Anspruch 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die in den gesamten Kreislauf eingehenden Widerstände (3, 4, 10, 20) so aneinander angepaßt sind, daß eine Unterbrechung des Kreislaufes eine wesentliche Änderung des gemessenen inneren Wider standes des Meßkreislaufs (16) bewirkt.

9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- und Berechnungseinheit (15) dazu eingerichtet ist, auf der Basis des gemessenen inneren Widerstandes des Meßkreislaufs (16) die Ursache für eine wesentliche Widerstandsänderung zu evaluieren.