NL1019964C2

NL1019964C2 - Goedkoop meetsysteem voor het bepalen van de gemiddelde temperatuur en warmte-inhoud van bijvoorbeeld warmwaterboilers.

Info

Publication number: NL1019964C2
Application number: NL1019964A
Authority: NL
Inventors: Bernardus Johannes M Leerkotte
Original assignee: Nedap Nv
Priority date: 2002-02-14
Filing date: 2002-02-14
Publication date: 2003-08-15
Also published as: EP1336828A1

Description

-1 -

Goedkoop meetsysteem voor het bepalen van de gemiddelde temperatuur en warmte-inhoud van bijvoorbeeld warmwater boilers.

5 De uitvinding betreft een elektronisch systeem voor de bepaling van de warmte-inhoud met een zeer goedkope integraalsensor waarmee de gemiddelde temperatuur van water in een opslagvat gemeten kan worden.

De meeste hedendaagse systemen voor het bepalen de warmte-inhoud van een elektrische of gasgestook-te boiler maken gebruik van relatief kostbare integraalsensoren die bijvoorbeeld zijn 10 opgebouwd uit een glasfiber van de nodige lengte waaromheen een dunne geëmailleerde koperdraad is gewikkeld of een integraalsensor bestaand uit een dragermateriaal waarop meerdere thermistors met behulp van bedrading met elkaar zijn verbonden.

Bij de genoemde apparaten volgens de huidige stand der techniek zijn de volgende bezwaren aanwezig: 15 1. De genoemde sensoren hebben het nadeel dat ze relatief duur te vervaardigen zijn.

2. De genoemde sensoren hebben meerdere interne solderingen, lassen of klemverbindingen die de levensduur van de betreffende sensoren nadelig beïnvloeden.

De uitvinding geeft een oplossing voor de hiervoor genoemde bezwaren door het toepassen van alge-20 meen verkrijgbaar kabel of snoer met een koperen kern en het toepassen van lage bedrijfsspanning.

Aan de hand van de figuren wordt het principe van meting van de gemiddelde temperatuur met een sensor welke samengesteld is uit algemeen goedkoop verkrijgbaar kabel of snoer toegelicht en worden uitgevonden toepassingen verklaard.

25 Figuur 1 toont een boilervat met de kabelsensor met de aansluitingen SW1 en SW2 en de op deze kabel aangesloten spanningsmeetdraden met de aansluitingen VS 1 en VS2.

Figuur 2 toont de basisschakeling voor het aansturen van de sensorkabel en het meten van de stroom door de sensorkabel en de spanning over het te bemeten deel van de kabelsensor (of snoersensor).

In figuur 1 is het snoer met de aansluitingen SW1 en SW2 gebruikt als zowel sensor voor de bepaling 30 van de gemiddelde temperatuur op het boilervat tussen de punten P en Q als voor de voeding van de kabelsensor tussen de punten P en Q. Het snoer tussen de punten P en Q kan met bijvoorbeeld tape aan het boilervat bevestigd worden.

De diameter van de koperkem van het snoer wordt zo gekozen dat bij de benodigde lengte van het snoer de totale Ohmse weerstand tussen de aansluitpunten SW1 en SW2 bij kamertemperatuur circa 100 a 200 35 mOhm (10'1 Ω) bedraagt 10 1?·!·: i -2-

Op punt Q zijn twee spanningsmeetdraden (met de respectievelijke aansluitklemmen VS 1 en VS2) aangebracht waardoor de later te beschrijven elektronica in staat is om de spanning over dat deel van de kabelsensor dat ligt tussen de punten Pen Q te meten.

5 Evenals bij meetsystemen volgens de huidige stand van de techniek bevat ook dit systeem een temperatuursensor met de aansluitklemmen TS1 en TS2 waarmee de heersende temperatuur boven in de boiler bepaald kan worden.

In figuur 2 is blokschematisch dat deel van de elektronica dat nodig is voor het verklaren van de werking van het meetsysteem getekend.

10 Om een standaardsnoer of -kabel als temperatuursensor te kunnen gebruiken, wordt er bij deze uitvinding gebruik gemaakt van een extra spoel op de trafo (TRI) (figuur 2) met slechts één tot enkele wikkelingen. Deze genoemde extra spoel kan ook uitgevoerd zijn als onderdeel van een spoel voor het opwekken van hogere spanningen, waarbij twee aftakkingen zijn voorzien waartussen de benodigde lage spanning beschikbaar is. De weerstand R1 heeft een waarde in de orde van 100 mOhm (10'1 Ω) en 15 wordt gebruikt om de stroom door de snoersensor door middel van de gemeten spanningsval U2 over R1 te bepalen. Blok 1 bevat de elektronica om de gemeten spanning U2 te versterken of anderszins om te zetten in een signaal dat geschikt is voor verdere verwerking. Het uitgangssignaal U3 is een functie van de te meten stroom Is.

Blok 2 bevat de elektronica om de gemeten spanning Us te versterken of anderszins om te zetten in een 20 signaal dat geschikt is voor verdere verwerking. Het uitgangssignaal U4 is een functie van de te meten sensorspanning Us tussen de klemmen VS1 en VS2.

Blok 3 bevat de elektronica voor het meten van de temperatuur in het bovenste deel van de boiler.

Het uitgangssignaal U5 is een functie van de temperatuur.

25 De spanning U1 van de transformator wordt zo gekozen dat het te leveren vermogen aan de referentieweerstand R1 en de kabelsensor niet meer bedraagt dan 200 tot 300 mW. Dit betekent dat bij kamertemperatuur UI = ( P x R )0,5 = ( 0,2 [W] x 0,2 [Ω] )0,5 = 0,2 [V] waarbij R = R1 + Rswi-sw2-De stroom Is = U1 / R = 0,2 [V] / 0,2 [Ω] bedraagt dan ongeveer 1 [A],

Onder normale omstandigheden zal de lengte van de snoersensor vanaf de klemmen SW1 en SW2 tot 30 punt Q kleiner zijn dan de lengte van punt P tot punt Q. Dit betekent dat in alle gevallen minimaal de helft van de weerstand van de kabelsensor beïnvloed wordt door de temperatuur van het water in de boiler.

In dit voorbeeld is dit dus meer dan 100 mQ / 2 = 50 mQ. Hieruit volgt dat bij kamertemperatuur (20°C) de sensorspanning Us = Is x 50 πιΩ = 50 mVis.

35 Wanneer verondersteld wordt dat de boiler geheel tot 85 °C verwarmd kan worden dan zal de weerstand van 50 ιηΩ tengevolge van een temperatuurstijging ΔΤ van 65 °C toenemen tot 50 . ( 1 + α. ΔΤ) = 50 [ιηΩ].( 1 + 4.ΙΟ'3 [/K]. 65 [Κ]) = 50 [ιηΩ]. 1,26 = 63 [mQ], waarbij α de temperatuurcoëfficiënt van koper is.

r - _> -

Voor de eenvoud ervan uitgaand dat de weerstand van de kabelsensor op het stuk SW1 / SW2 tot punt Q niet gewijzigd is en de impedantie van de transformator relatief laag is, kan berekend worden dat de spanning Us van 1 [A]. 50 [mü] = 50 [mV] stijgt tot: 5 Us = UI . ( Rp.Q / (Rp-q + Rq.swi_sw2 + R1 )) = 200 [mV]. (63 / (63 + 50 +100)) = 59,1 mV.

De stroom Is in de meetlus zakt in dat geval van 1 [A] naar Is = UI / (Rp_q + Rq-swi sw2 + R1 ) = 200 [mV] / (63 + 50 +100) [πιΩ] = 0,9389 [A],

Het rekenvoorbeeld geeft aan dat ondanks het laagohmige circuit en de lage vermogensdissipatie van 200 mW er voldoende signaal is om na versterking nauwkeurig de weerstand van de snoersensor op het 10 stuk P tot Q te bepalen.

Deze weerstandsbepaling wordt gerealiseerd door het uitvoeren van een deling van de gemeten spanning Us door de gemeten stroom welke afgeleid is van U2. (Wet van Ohm),

Daar er evenals bij enkele van de systemen volgens de huidige technologie een lineaire relatie is tussen de gemeten weerstand en de gemiddelde temperatuur is het meetsysteem eenvoudig te kalibreren. Dit kan bijvoorbeeld in een meetsysteem met een microcontroller gedaan worden door het meten van de temperatuur van het vat tijdens de productie en een correctiefactor te bepalen en deze op te slaan in een niet-vluchtig geheugen.

Een verder voordeel van de snoersensor is dat de lengte eenvoudig aangepast kan worden de te bemeten lengte P -Q.

Claims

1. Een elektronisch systeem waarmee de gemiddelde temperatuur van een boilervat gemeten kan worden, met het kenmerk, dat gebruik wordt gemaakt van goedkoop laagohmig snoer of kabel en waarbij de voeding wordt betrokken uit een lage spanning in de orde van 100 tot enkele honderden 5 millivolt, zodat het benodigd vermogen minimaal is.

2. Een elektronisch systeem volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de genoemde lage spanning betrokken kan worden uit een extra transformatorspoel met slechts één tot enkele wikkelingen.

3. Een elektronisch systeem volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de genoemde lage spanning betrokken kan worden uit een DC/DC-convertor of andere methode om een lage voedingsspanning op te wekken. t 0 1 Q ·''' i";: A * U H·