AT203761B

AT203761B - Verfahren und Vorrichtung zum Messen von Wärmemengen

Info

Publication number: AT203761B
Application number: AT778856A
Authority: AT
Inventors: Hellmut Dr Noeldge; Ernst Toedten; Christian Dr Groeber
Original assignee: Hellmut Dr Noeldge; Ernst Toedten; Christian Dr Groeber
Priority date: 1956-01-04
Filing date: 1956-12-28
Publication date: 1959-06-10
Also published as: CH347653A; GB848831A; DE1011168B; DK92763C

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Messen von Wärmemengen
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einem temperaturabhängig geregelten elektrischen Heizwiderstand auf der Vorlauftemperatur gehalten wird, und dass zur Anzeige der abgegebenen elektrischen Wärme im IIeizkrcis ein wat ! metrisches Mess- gerät vorgesehen ist.

Zur temperaturabhängigen Regelung der Beheizung des Kalorimeters jsc vorzugsweise eine Brückenschaltung vorgesehen, bei der in zwei Brückenzweigen ein die Vorlauftemperatur und ein die Kalorimeterflüssigkeitstemperatur wiedergebendes elektrisches Schaltelement und im Nullzweig ein bei Brückenunsymmetrie das Einschalten des Heizwiderstandes bewirkendes Relais angeordnu m. Zur Erhöhung der Ansprechempfindlichkeit kann dem Relais eil Verstärkerglied, insbesondere ein Transistor, vorgeschaltet sein.
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Wechselspannung, wobeilässt sich in besonders günstiger Weise die zugehörige Spannungspule als Ptimarwicklung eines Transformators ausbilden, welcher über einen Trockengleichrichter die Gleichspannung für die Versorgung der Brückenspannung liefert.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
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ten Teilstrom des Strömungsmittels widerspiegelt.

Der erfindungsgemässe Wännemengenzähler arbeitet nach dem Prinz@p der messtechnisch exakt erfassbaren elektrischen Wärme äquivalentes und misst den Wärme verbrauch einer Heizungsanlage unter Zugrundelegung eines genau definierten Teilstromes der Gesamtdurchflussmenge der zu überwachenden Heizungsanlage. Der nachfolgend zu beschreibende Wärmemengenzähler besteht im wesentlichen aus einer Messstrecke, einem Austauschkalorimeter, einem Thermoregler und einem Wechselstromzähler.

Die eigentliche Messstrecke 1 kann bezüglich ihres Querschnittes den Abmessungen des Rücklaufrohres der Heizungsanlage angepasst werden und wird in die Rücklaufleitung der Heizungsanlage eingeschleift. Der im Nebenschluss zur Messstrecke angeordnete Wärmeaustauscher 2 mit dem Einlauf 3 und dem Auslauf 3' ist so angeordnet, dass eine proportionale Menge des Hauptstromes aus dessen Mitte bezogen wird. Hiebei verzweigen sich die Durchflussmengen entsprechend den Strömungswiderständen nach dem Hagen-Poiseuill'schen-Gesetz exakt proportional mit der vierten Potenz ihrer Radien. Dieses somit ge- gebene Teilungsverhältnis gilt für beliebige Durchflussmengen, sofern nur eine laminare Strömung vorhanden ist.

Um Fertigungstoleranzen zu kompensieren, kann zur genauen Festlegung des Teilungsverhältnisses vor der Inbetriebnahme des Messgerätes das Verhältnis durch Justierung bestimmt werden.

Der in die Messstrecke eingeschleifte Wärmeaustauscher 2 besteht vorzugsweise aus einem dünnwan- digen Kupferrohr, welches in Gestalt einer Schraubenspindel bifilar aufgespult ist, um thermisch abhängige Zirkulationsvorgänge zu unterbinden. Dieser Wärmeaustauscher 2 ist in ein Austauschkalorimeter eingesetzt, welches aus einem Isoliergefäss 4 mit einer Flüssigkeitsfüllung 5 besteht und vorzugsweise als Dewarsches Gefäss ausgebildet ist. Das Ölbad 5 wird mit Hilfe eines elektrischen Heizwiderstandes 6 ständig in nachfolgend noch zu erläuternder Weise auf einer Temperatur gehaltes, dite der Vorlauftemperatur des bezüglich seiner Wärmeabgabe zu messenden Strömungsmittels entspricht.

Die Stromversorgung für das gesamte Messgerät erfolgt aus einem üblichen Wechselstromnetz, das an die Klemmen 7 und 8 angeschlossen wird. Der eine Anschluss des Heizwiderstandes 6 ist unmittelbar mit der Klemme 8 und der andere Anschluss über die Relaiskontaktanordnung 9 und die Stromspule 10 eines Wechselstrommotorzäh- lers 11 an die anoere Netzklemme 7 angeschlossen. Die Kontaktanordnung 9 wird von der Relaisspule 12 so betätigt, dass bei erregtem Relais die volle Netzspannung am Heizwiderstand 6 zur Anlage kommt. Da der Heizstrom durch den Widerstand 6 auch die Stromspule 10 durchfliesst, kann der Motorzähler 11 eine genaue wattmetrische Anzeige der elektrischen Arbeit für die dem Kalorimeter und damit der Messstrecke 1, 3 zugeführte elektrische Wärme liefern.

Der Heizwiderstand ist so dimensioniert, dass er den durch den Wärmeausmdier 2 bedingten Energieverlust Im Kalorimeter auch bei grössten Wärmeenergiedifferenzen noch ausgleichen kann. Vorzugsweise ist der Heizwiderstand 6 konzentriert aufgebaut, so dass er nur einen gelingen Raum in dem Ölbad 5 einnimmt und infolge des auftretenden Temperaturstromes zwischen heizdraht und Öl eine gute Wirbelbildung und damit eine schnelle Vergleichmässigung der Temperatur im Kalodmeterbad bewirkt..

Um sicherzustellen, dass die Temperatur innerhalb des Kalorimeters und auch die Temperatur des
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ist ein Thermoregler vorgesehen, welcher in einer Brückenschaltung einerseits die Temperatur am Vorlauf und anderseits die Temperatur innerhalb des Kalorimeterölbades erfasst. Bei der in Fig. 1 dargestellten Regelanordnung wird eine Gleichstrombrücke verwendet, in der zwei temperaturabhängige Widerstände 13 und 14 miteinander verglichen werden. Der Widerstand 13 ist, wie mit gestrichelten Linien angedeutet ist, in einer an de'11 Vorlaufrohr 15 angeordneten Kappe vorgesehen, so dass sein Ohmscher Widerstand eine Funktion der Vorlauftemperatur wird. Der Widerstand 13 wird vorzugsweise in Paraffin gebettet und mit einer Hülle aus Gummi, Perbunan, PVC od. dgl. umgeben.

Der Widerstand kann aber auch mit einer ihn umgebenden Tauchhülse in das Vorlaufrohr eingesetzt werden. Die Paraffin-Füllung, die bei Wärmebe - einflussung flüssig wird, dient hiebei sowohl als Wärmeübertrager als auch gleichzeitig als elektrische Isolation.

In gleicher Weise wie der Widerstand 13 ändert sich auch der Brückenwiderstand 14 temperaturabhängig, u. zw., da er innerhalb des Kalorimeters angebracht ist, in Abhängigkeit von der Temperatur der Ölfüllung 5.

Die bei den Widerstände 13 und 14 sind so dimensioniert, dass bei gleichgrosser Temperatur am Vorlauf und im Kalorimetergefäss Brückengleichgewicht herrscht und im Nullzweig kein Strom fliesst. Tritt dagegen bei verminderter Temperatur im Kalorimetergefäss eine Gleichgewichtsstörung auf, soll durch den durch den Nullzweig der Brücke fliessenden Strom des Relais 12 betätigt und der Heizwiderstand 6 eingeschaltet werden.

Als temperaturabhängige Widerstände 13 und 14 werden vorzugsweise NTC-Glieder gewählt, weil deren Temperaturkoeffizient um eine Zehnerpotenz grösser als der der normalen temperaturabhängigen Widerstände ist und weil bei diesem Messverfahren, das praktisch eine"Ja-Nein"-Steuerung darstellt, keine lineare Abhängigkeit von Temperatur und Widerstand erforderlich ist. Ferner besteht durch die Wahl der NTC-Widerstände mit kleiner Wärmekapazität die Möglichkeit einer trägheitslosen Regelung.

Die vorerwähnte Brücke wird durch zwei Festwiderstände 16, 17 und ein Potentiometer 18 vervollständigt, dessen zu lustierzwecken verschieblicher Abgriff 19 zusammen mit dem Verbindungspunkt zwischen den beiden Widerständen 13 und 14 die Anschlüsse des Brückennullzweiges bilden.

Zur Erzielung grösserer Schaltleistungen ist in den Nullzweig ein Transistor gelegt, der mit seiner Basis an den Verbindungspunkt der beiden Widerstände 13 und 14 und mit seinem Emitter an den Potentiometerabgriff 19 angeschlossen ist. Die Schaltleistung kann, wie dargestellt, über die Leistungen 21 und 22 von der einen Spannungspcke der Brücke und dem Kollektor des Transistors abgegriffen und unmittelbar an die Relaisspule 12 angelegt werden. Beispielsweise kann mit einem Transistor, wie er von der Firma Valvo unter den Typenbezeichnungen OC 72 und OC 76 hergestellt wird, bei einer Brückenspannung von etwa 30 Volt eine hundertfache Leistungsverstärkung erzielt werden.

Bei einer von den Erfindern hergestellten Versuchsschaltung wurde hiebei ein Kollektorstrom von etwa 2 mA gemessen, der sich beim Einschalten des Relais auf etwa 3 mA erhöhte. Der Arbeitspunkt des Transistors lässt sich durch entsprechende Dimensionierung der Brückenwiderstände 16,17 und 18 einstellen, die bei der Versuchsschaltung der Anmelderin 200,300 bzw. 200 Ohm gross gewählt wurden. Bei jedem Ansprechen des Relais 12 wird, wie bereits vorstehend erwähnt, dessen Anker 23 angezogen und der Heizstromkreis des Heizwiderstandes 6 zum Netz vervollständigt. Die Ansprechempfindlichkeit des vorerwähnten Reglers konnte bei ausgiebige Erprobungen mit : 0, 2 C ermittelt werden. Der der Relaisspule 12 parallel geschaltete Kondensator 24 dient dazu, das Relais geringfügig im Abfall zu verzögern.

Die Speisung der Brückenschaltung erfolgt aus dem an die Klemmen 7 und 8 angeschlossenen Wechselstromnetz über einen Transformator, dessen Sekundärwicklung 25 über vier Trockengleichrichter 26 in Graetz-Schaltung die Brücke speist. Ein den Spannungseckl. der Brücke parallel geschalteter Kondensator 27 dient zur weiteren Glättung der Spannung. um einen gesonderten Speisetransformator für die Brücke einzusparen, kann, wie dies in der Fig. 1 dargestellt ist, die Spannungsspule 28 des Wechselstrommotorzählers 11 als Primärwicklung zum Induzieren der Sekundärwicklung 25 verwendet werden.

Da derWärmeentzug im Kalorimeter infolge des Durchflusses eines Teilstromes des in der Heizungsanlage rücklaufenden Strömungsmittels in direkter Beziehung zur elektrisch aufgewendeten und vom Zähler erfassten elektrischen Arbeit steht, kann der Zähler unter Berücksichtigung des durch das elektrische Wärmeäquivalent gegebenen Verhältnisses von 1000 : 865 unmittelbar in k cal justiert werden. Da bei der gewählten Messanordnung der Zähler stets in seinem Nennlastpunkt (z. B. zwischen 0, 1 und 1, 0 A) arbeiten kann, dürfte es besonders vorteilhaft sein, die Zähler vereinfacht auszubilden, da auf besondere Korrekturmöglichkeiten für Kleinlast und Phasenverschiebung verzichtet werden kann. Desgleichen haben auch Anlaufforderungen und Überspannungsbeeinflussungen keine Bedeutung.

In solchen Spezialzählern können dann auch zusätzliche Schaltelemente, wie beispielsweise die gesamte Brückenschaltung ein-

schliesslich deren Spannungsversorgung, eingebaut werden, so dass nur das Kalorimeter mit Messstrecke und Vorlauftemperaturfühler gesondert angeordnet werden muss.

Das in Fig. 2 dargestellte Diagramm erläutert den Temperaturverlauf in dem Kalorimeter 4, 5. Es bedeuten : tif Vorlauftemperatur im Rohr 15 "= auf Vorlauftemperatur gehaltene Temperatur des Ölbades 5 t'= Rücklauftemperatur im Rohr 1 vor dem Wärme- austausch t" = Rücklauftemperatur im Rohr 3 nach dem Wärme- austausch
Aus den vorstehenden Ausführungen ist ersichtlich, dass die Erfindung einen physikalisch einwandfreien und damit auch eichfähigen Weg zur Erfassung und Zählung des Wärmeverbrauches aufzeigt.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Schaffung eines Wärmemengenzählers, der sich wesentlich billiger als alle bisher bekannten Messeinrichtungen dieser Art herstellen lässt und damit auch geeignet ist, neben der Verwendung als Fernwärmemengenzähler für die Erfassung des Wärmeverbrauches in zentralbeheizten Wohnungen angewendet zu werden.

Der an Hand der vorbeschriebenen speziellen A'tsfünrungsform erläuterte Erfindungsgedanke lässt sich noch in weitem Umfange abwalldeln. Beispielsweise kam die gesamte Stromversorgung des Messgerätes aus einem Gleichstromnetz oder einer Batterie erfolgen und es bestehen auch für die Einregelung der Temperatur innerhalb des Kalorimetergefässes eine Vielzahl von Möglichkeiten und schliesslich können beispielsweise Thermoelemente mit entsprechenden Röhrenverstärkern für den gleichen Zweck verwendet werden.

PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum kalorimetrischen Messen der von einem Strömungsmittel abgegebenen Warmemenge durch die Abzweigung eines dem Gesamtstrom proportionalen Teilstromes am Rücklauf und Vergleich der Temperatur des Strömungsmittels am Vorlauf und der Temperatur der Kalorimeterflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass der abgezweigte Rücklaufteilstrom über einen Wärmeaustauscher geführt wird, um seine Wärmeleistung an eine Hilfsflüssigkeit abzugeben, deren Temperaturmittelwert auf die Vorlauftemperatur bezogen wird, um aus der Differenz dieser Werte eine Beheizung der Hilfsflüssigkeit zu steuern, dass der Teilstrom mit Vorlauftemperatur aus dem Kalorimeter austritt, wobei die zur Beheizung der Hilfsflüssigkeit verbrauchte elektrische Arbeit als proportionales Wärmeäquivalent gemessen bzw.

gezählt wird.

Claims

2. Verfahren nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass zur gleichförmigen Beheizung der Hilfsflüssigkeit in der letzteren zum Beispiel durch die Anordnung und Formgebung des elektrischen Heizkörpers eine turbulente Strömung erzeugt wird.

3. Wärmemengenmessgerät zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein von einem Teilstrom des wärmetragenden Strömungsmittels nach dessen Wärmeabgabe durchströmter Wärmeaustauscher (2) in einem Kalorimetergefäss (4) angeordnet, ist, dessen Flüssig- keitsfüllung (5) mit einem temperaturabhängig geregelten elektrischen Heizwiderstand (6) auf der Vorlauftemperatur (tel') gehalten wird, und dass zur Anzeige der abgegebenen elektrischen Wärme im Heizkreis ein wattmetrisches Messgerät (11) vorgesehen ist.

4. Wärmemengenmessgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustauscher als dünnwandige Kupferrohrspirale, vorzugsweise als bifilar gespulte Rohrspirale, ausgebildet ist.

5. Wärmemengenmessgerät nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur temperaturabhängigen Regelung eine Brückenschaltung (13,14, 16,17) vorgesehen ist, bei der in zwei Brückenzweigen ein die Vorlauftemperatur (t*) und ein die Kalorimeterflüssigkeitstemperatur (tut") wiedergebendes elektrisches Schaltelement (13,14) und im Nullzweig ein bei Brückenunsymmetrie das Einschalten des Heizwiderstandes (6) bewirkendes Relaist (12) angeordnet ist.

6. Wärmemengenmessgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die temperaturempfindlichen Schaltelemente der Brücke von temperaturabhängigen Widerständen (13,14), insbesondere von NTC-Gliedem, gebildet werden, die in das Strömungsmittel am Vorlauf (15) bzw. die Kalorimeterflüssigkeit (5) eingetaucht sind.

7. Wärmemengenmessgerät nach denAnsprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Relais (12) über einen Verstärker (20), insbesondere einen Transistor, an die Nullecken der Brücke angeschlossen ist. <Desc/Clms Page number 5>

8. Wärmemengenmessgerät nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltrelais (12) für den Beheizungswiderstand (6) an der einen Spannungsecke der Brücke und an dem Kollektor eines Transistors (20) angeschlossen ist, dessen Basis und Emittor mit den Nullecken der Brücke verbunden sind.

9. Wärmemengenmessgerät nach den Ansprüchen 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das über den Nullzweig der Brücke erregte Schaltrelais (12) abfallverzögert ausgebildet ist.

10. Wärmemengenmessgerät nach den Ansprüchen 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Anschluss (19) des Nullzweiges der Brücke zum Eichen des Messgerätes als Abgriff eines Potentiometers (18) ausgebildet ist, welches zwischen den entsprechenden beiden benachbarten Brückenzweigen (16,17) eingeschaltet ist.

11. Wärmemengenmessgerät nach den Ansprüchen 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Zähler (11) ein wattmetrisches Anzeigeinstrument dient.

12. Wärmemengenmessgerät nach den Ansprüchen 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Beheizungswiderstand (6) mit Wechselspannung gespeist wird und sein Stromverbrauch mit einem Wechselstromzähler (11) gemessen wird, dessen Stromspule (10) im Heizkreis angeordnet ist.

13. Wärmemengenmessgerätnach den Ansprüchen 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Brückenspannung über einen Gleichrichter (26), vorzugsweise über Trockengleichrichter (26) in Graetz-Schaltung, von der Sekundärwicklung (25) eines. Transformators abgegriffen wird, dessen Primärwicklung von der Spannungsspule (28) eines Wechselstrommotorzählers (11) gebildet wird.