CH347653A - Verfahren und Vorrichtung zum Messen von Wärmemengen - Google Patents

Description

  
 



  Verfahren und Vorrichtung zum Messen von Wärmemengen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der von einem Strömungsmittel abgegebenen Wärmemenge.



   Die bisher bekannten ind'ustriell hergestellten Wärmemengenmessgeräte und die Messverfahren, die diesen Messgeräten zugrunde liegen, sind in den meisten Fällen entweder wegen ihrer Messfehler oder aber bei höherer Messgenauigkeit wegen ihrer unverhältnismässig hohen Gestehungskosten unbefriedigend. Die den meisten bekannten Geräten anhaftende Messungenauigkeit beruht vor allem darauf, dass in diesen Geräten im allgemeinen nur die auftretende Temperaturdifferenz mit der Durchflussmenge multipliziert und gar keine genaue kalorimetrische Messung vorgenommen wird.



   Somit bezweckt die vorliegende Erfindung die Schaffung eines preiswerten, genau messenden und vor allem eichfähigen Wärmemengenzählers, der wegen seines einfachen Aufbaues geeignet ist, den grossen Bedarf zu decken, der vor allem zur Verrechnung des Wärmeverbrauches in Wohnhäusern vorhanden ist.



   Erfindungsgemäss wird zum Messen der von einem Strömungsmittel abgegebenen Wärmemenge vorgeschlagen, vom wärmetragenden Strömungsmittel, nachdem dieses die zu messende Wärmemenge abgegeben hat, einen dem Gesamtstrom proportionalen Teilstrom abzuzweigen und ständig auf die am Vorlauf herrschende Temperatur zu erwärmen, wobei dann die dem Teilstrom zur Rückbeheizung wieder zugeführte Wärmemenge kalorimetrisch als proportionale Grösse der insgesamt abgegebenen Wärmemenge gemessen wird. Vorzugsweise erfolgt die Rückbeheizung des abgezweigten Teilstromes über einen Wärmeaustauscher, der in ein Kalorimeter eingesetzt ist, dessen Flüssigkeitsfüllung durch messbare Beheizung auf die Vorlauftemperatur eingeregelt wird. Bei Verwendung einer elektrischen Beheizung kann die notwendige elektrische Arbeit mit einem üblichen Motorzähler erfasst werden.



   Bei dem erfindungsgemässen Wärmemengenmessgerät ist ein von einem Teilstrom des wärmetragenden Strömungsmittels nach dessen Wärmeabgabe durchströmter Wärmeaustauscher in einem Kalorimetergefäss angeordnet, dessen Flüssigkeitsfüllung, insbesondere Öl mit guten Wärmeübertragungseigenschaften, mit einem temperaturabhängig geregelten elektrischen Heizwiderstand auf der Vorlauftemperatur gehalten wird, wobei zur Anzeige der abgegebenen elektrischen Wärme im Heizkreis ein wattmetrisches Anzeigeinstrument vorgesehen ist.

   Zur temperaturabhängigen Regelung der Beheizung des Kalorimeters ist vorzugsweise eine Brückenschaltung vorgesehen, bei der in zwei Brückenzweigen ein die Vorlauftemperatur und ein die Kalorimeterflüssigkeitstemperatur wiedergebender temperaturempfindlicher Widerstand und im Nullzweig ein bei Brückenunsymmetrie das Einschalten des Heizwiderstandes bewirkendes Relais angeordnet ist. Zur Erhöhung der Ansprechempfindlichkeit kann dem Relais ein Verstärkerglied, insbesondere ein Transistor, vorgeschaltet sein.



   Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform arbeitet das Messgerät mit Wechselspannung, wobei die zu messenden Wärmemengen mit einem Wechselstrommotorzähler angezeigt werden können. Bei dieser Ausführungsform, bei der die Stromspule des Zählers mit dem Beheizungswiderstand in Reihe geschaltet ist, lässt sich in besonders günstiger Weise die zugehörige Spannungsspule als Primärwicklung eines Transformators ausbilden, welcher über einen Trockengleichrichter die Gleichspannung für die Versorgung der Brückenspannung liefert.  



   Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung, in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist. Es zeigen:
Fig. 1 ein elektrisches Prinzipschaltbild des   Wärmemengenmessgerätes    und
Fig. 2 ein erläuterndes Diagramm, welches den Temperaturverlauf in dem rückbeheizten Teilstrom des Strömungsmittels widerspiegelt.



   Der Wärmemengenzähler arbeitet nach dem Prinzip des messtechnisch exakt erfassbaren elektrischen Wärmeäquivalentes und misst den Wärmeverbrauch 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. Hierbei verzweigen sich die Durchflussmengen entsprechend den Strömungswiderständen nach dem Hagen-Poiseuillschen Gesetz exakt proportional mit der vierten Potenz ihrer Radien. Dieses somit gegebene 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 Eichung bestimmt werden.



   Der in die Messstrecke eingeschleifte Wärmeaustauscher 2 besteht vorzugsweise aus dünnwandigem Kupferrohr, welches in Gestalt einer Schraubenwendel 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 Ö1bad 5 wird mit Hilfe eines elektrischen Heizwiderstandes 6 ständig in nachfolgend noch zu erläuternder Weise auf einer Temperatur gehalten, die 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 Wechselstrommotorzählers 11 an die andere 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 Wärmeaustauscher 2 bedingten Energieverlust im Kalorimeter auch bei grössten Wärmeenergiedifferenzen noch ausgleichen kann.



  Vorzugsweise ist der Heizwiderstand 6 konzentriert aufgebaut, so dass er nur einen geringen 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 Kalorimeterbad bewirkt.



   Um sicherzustellen, dass die Temperatur innerhalb des Kalorimeters und auch die Temperatur des über die Leitung 3' abfliessenden Strömungsmittels genau auf die Vorlauftemperatur eingestellt bleibt, 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, in einer an dem 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 oder dergleichen umgeben. Der Wi  derstand    kann aber auch mit Tauchhülse in das Vorlaufrohr eingesetzt werden. Die Paraffin-Füllung, die bei Wärmebeeinflussung flüssig wird, dient hierbei sowohl als Wärmeübertrager als auch gleichzeitig als elektrische Isolation.



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



   Die beiden 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   Kabrimetergefäss    eine Gleichgewichtsstörung auf, soll durch den durch den Nullzweig der Brücke fliessenden Strom das Relais 12 betätigt und der Heizwiderstand 6 eingeschaltet werden.



   Für die temperaturabhängigen Widerstände 13 und 14 werden vorzugsweise Widerstände mit besonders grossen negativen Temperaturkoeffizienten verwendet. Derartige Widerstände haben zwar keine  lineare Abhängigkeit von Temperatur und Widerstand, jedoch kommt es hierauf nicht an, weil das Messverfahren praktisch eine Schwarz-Weiss-Steuerung darstellt. Diese Widerstände besitzen ausser ihrer hohen Ansprechempfindlichkeit auch den Vorzug, dass sie eine kleine Wärmekapazität besitzen und damit eine trägheitsarme Regelung ermöglichen.



   Die vorerwähnte Brücke wird durch zwei Festwiderstände 16, 17 und ein Potentiometer 18 vervollständigt, dessen zu   Eich- und    Justierzwecken 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 Emittor an den Potentiometerabgriff 19 angeschlossen ist. Die Schaltleistung kann, wie dargestellt, über die Leistungen 21 und 22 von der einen Spannungsecke 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 hierbei 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 ausgiebigen Erprobungen mit   t      0, 21) 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 Spannungsecken der Brücke parallel geschalteter Kondensator 27 dient zur weiteren Glättung der Spannung. Um einen gesonderten Speisetransformator für die Brücke einzusparen, kann, wie in der Fig. 1 dargestellt, die Spannungsspule 28 des Wechselstrommotorzählers 11 als Primärwicklung zum Induzieren der Sekundärwicklung 25 verwendet werden.



   Da der Wärmeentzug im Kalorimeter infolge des Durchflusses eines Teilstromes des in der Heizungsanlage rücklaufenden Strömungsmittels physikalisch betrachtet 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 kcal geeicht 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   Oberspannungsbeeinflussungen    keine Bedeutung.

   In solchen Spezialzählern können dann auch zusätzliche Schaltelemente, wie beispielsweise die gesamte Brückenschaltung einschliesslich 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:   tal' =    Vorlauftemperatur im Rohr 15   t,"=    auf Vorlauftemperatur gehaltene Temperatur des Ölbades 5   t2'=    Rücklauftemperatur im Rohr 1 vor dem
Wärmeaustausch   t2tt=    Rücklauftemperatur im Rohr 3 nach dem
Wärmeaustausch.



   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 anhand der vorbeschriebenen speziellen Ausführungsform erläuterte Erfindungsgedanke lässt sich noch in weitem Umfange abwandeln. Beispielsweise kann die gesamte Stromversorgung des Messgerätes aus einem Gleichstromnetz oder einer Batterie erfolgen, und es bestehen auch für die Einrege   lung der Temperatur innerhalb des I Kalonmeter-    gefässes eine Vielzahl von Möglichkeiten, und es lassen sich beispielsweise Thermoelemente mit entsprechenden Röhrenverstärkern für den gleichen Zweck verwenden.   

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH 1 Verfahren zum Messen der von einem Strömungsmittel abgegebenen Wärmemenge, dadurch gekennzeichnet, dass vom wärmetragenden Strömungsmittel, nachdem dieses die zu messende Wärme menge abgegeben hat, ein dem Gesamtstrom proportionaler Teilstrom abgezweigt und ständig auf die am Vorlauf herrschende Temperatur erwärmt wird, wobei die dem Teilstrom zugefügte Wärmemenge kalorimetrisch als proportionale Grösse der insgesamt abgegebenen Wärmemenge gemessen wird.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückbeheizung des abgezweigten Teilstromes über einen Wärmeaustauscher erfolgt, der in ein Kalorimeter eingesetzt ist, dessen Flüssigkeitsfüllung durch messbare Beheizung auf die Vorlauftemperatur eingeregelt wird.

   2. Verfahren nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückbeheizung mit einem elektrischen Heizwiderstand erfolgt, dessen Verbrauch an elektrischer Arbeit gemessen wird.

   3. Verfahren nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromzufuhr zum elektrischen Heizwiderstand in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Temperatur des abgezweigten Teilstromes und der Vorlauftemperatur gesteuert wird.

   PATENTANSPRUCH II Wärmemengenmessgerät zur Durchführung des Verfahrens gemäss Patentanspruch I und Unteransprüchen 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 Flüssigkeits füllung (5) mit einem temperaturabhängig geregelten elektrischen Heizwiderstand (6) auf der Vorlauftemperatur (tl') gehalten wird, wobei zur Anzeige der abgegebenen elektrischen Wärme im Heizkreis ein wattmetrisches Anzeigeinstrument (11) vorgesehen ist.

   UNTERANSPRÜCHE 4. Wärmemengenmessgerät nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustauscher als dünnwandige Kupferrohrwendel ausgebildet ist.

   5. Wärmemengenmessgerät nach Unteranspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustauscher als bifilar gespulte Rohrwendel ausgebildet ist.

   6. Wärmemengenmessgerät nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass zur temperaturabhängigen Regelung eine Brückenschaltung (13, 14, 16, 17) vorgesehen ist, bei der in zwei Brückenzweigen ein die Vorlauftemperatur (t1,) und ein die Kaiorimeterflüssigkeitstemperatur (tal") wiedergebendes elektrisches Schaltelement (13, 14) und im Nullzweig ein bei Brückenunsymmetrie das Einschalten des Heizwiderstandes (6) bewirkendes Relais (12) angeordnet ist.

   7. Wärmemengenmessgerät nach Unteranspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die temperaturempfindlichen Schaltelemente der Brücke von tempe raturabhängigen Widerständen (13, 14) gebildet sind, die in das Strömungsmittel am Vorlauf (15) bzw. in die Kalorimeterflüssigkeit (5) eingetaucht sind.

   8. Wärmemengenmessgerät nach Unteranspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Relais (12) über ein Verstärkerglied (20), insbesondere einen Transistor, an die Nullecken der Brücke angeschlossen ist.

   9. Wärmemengenmessgerät nach Unteranspruch 8, 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 Emitter mit den Nullecken der Brücke verbunden sind.

   10. Wärmemengenmessgerät nach Unteranspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das über den Nullzweig der Brücke erregte Schaltrelais (12) abfallverzögert ausgebildet ist.

   11. Wärmemengenmessgerät nach Unteranspruch 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.

   12. Wärmemengenmessgerät nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass als wattmetrisches Anzeigeinstrument ein Motorzähler (11) dient.

   13. Wärmemengenmessgerät nach Unteranspruch 6, 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.

   14. Wärmemengenmessgerät nach Unteranspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Brückenspannung über einen Gleichrichter (26) von der Sekundärwicklung (25) eines Transformators abgegriffen wird, dessen Primärwicklung von der Spannungsspule (28) des Wechselstrommotorzählers (11) gebildet ist.

   15. Wärmemengenmessgerät nach Unteranspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gleichrichtung der Brückenspannung Trockengleichrichter (26) in Graetz-Schaltung dienen.

   16. Wärmemengenmessgerät nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (6) des Kalorimeters (4, 5) auf relativ kleinen Raum konzentriert ist, um eine Turbulenz und gute Wärme übertragung in der Kalorimeterflüssigkeit zu erzielen.