Einrichtung zur exakten Messung und Verrechnung von Wärmemengen
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur exakten Messung und Verrechnung von Wärmemengen, die str¯menden Flüssigkeiten (Wärmeträgern) entzogen sind. Die Einrichtung ist eichfähig und es sollen Wärmemengen erfasst werden, die über die Flüssigkeit als Wärmeträger in ein Heizungssystem eingespeist bzw. einem Kühlsystem entnommen werden.
Mengenzähler für Flüssigkeiten sind an sich bekannt.
Sie besitzen ein Flügel-oder Woltman-Rad, dessen Drehzahl mengenproportional ist. Es ist auch bekannt, Temperaturen über temperaturabhängige Widerstände zu messen.
Bekanntlich ist nun die abgegebene Wärmemenge W definiert als Produkt aus der abgekühlten Flüssigkeits- masse M (t) und der Differenz der gewichtsbezogenen Wärmeinhalte
Mcal i ()- t W=M (iN-i, ;) (1)
Die Masse M ist das Produkt aus ihren Volumen V (m3) und ihrer auf eine bestimmte Temperatur 8 bezogenen Dichte t d(-). m3
M = V-d, wobei d = f (S) (2)
Somit wird die Wärmemenge W=M.i-M.i(3)
W = V (d, -d.ij(4)
Mit dem Gegenstand der Erfindung sollen einmal die zur Wärmeabgabe herangezogenen Volumina und zum anderen die Temperaturen vor und nach der Abkühlung gemessen werden.
Es wird also benutzt, dass die Produkte aus dem Wärmeinhalt und den Dichten den entsprechenden Temperaturen proportional sind, wobei kw und klç die Proportionalitätsfaktoren für warmes und abgekühltes Wasser sind. dw'iw==kw-8w(5) Dk ? ik = kk ? k (6)
Damit wird aus Gl.
(4):
W = V (k. S-kk-S,,)(7)
Die Faktoren k werden als Mittelwerte für abgekühl- tes Wasser klm und warmes Wasser kwm bei der Temperaturmessung berücksichtigt oder gehen als Mittelwert aus kkm und km in die Volumenmessung ein, so dass in jedem Fall eine exakte Wärmemengenmessung entweder nach (7) oder nach (8) vorgenommen wird.
kkm + kwm w = v W=V--------(8-Sk)(8)
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Die Erfindung besteht darin, dass ein im Flüssigkeits- strom drehbares Rad mit einer lichtelektrisch abtastbaren Lochscheibe versehen ist und die abgetasteten Impulse nach Formung und Verstärkung einerseits einer Registriereinrichtung, einer Integrierstufe und einer Analoganzeige für die Flüssigkeitsmenge und andererseits einer Multiplizierstufe in Form einer Brückenschaltung zugeführt werden, die aus zwei Festwiderständen und zwei temperaturabhängigen Widerständen besteht und deren dem Produkt aus Flüssigkeitsmenge und Temperaturdifferenz proportionalen Diagonalspannung nach Verstärkung sowohl einer Integrierstufe als auch einer Analoganzeige, einem Maximumzusatz und einem Registriergerät zugeführt werden.
Die Volumenbestimmung geschieht vorzugsweise mit einem herkömmlichen Mengenzähler für Flüssigkeiten mit Flügel-oder Woltman-oder sonstigen Rad mit Lochscheibe, deren Drehzahl mengenproportional ist und die lichtelektrisch oder kapazitiv abgetastet wird. Die Abtastvorrichtung liefert elektrische Impulse, deren Anzahl der durchgesetzten Flüssigkeitsmenge und deren Frequenz der in der Zeiteinheit durchgesetzten Flüssigkeitsmenge proportional ist. Die Länge der gewonnenen Impulse ist drehzahlabhängig. Sie werden deshalb zweckmässigerweise in einer monostabilen Kippstufe auf konstante Länge gebracht.
Die Temperaturen im Flüssigkeits-Vor-und Rücklauf werden über temperaturabhängige Widerstände gemessen. Zur Wärmeleistungsbestimmung werden die aus dem Impulsformer kommenden Impulse in einer aktiven Brückenschaltung mit der Temperaturdifferenz multipliziert. Am Ausgang der aktiven Brücke liegt eine der Wärmeleistung proportional elektrische Grosse (Strom oder Spannung).
Die Integration der Wärmeleistung über der Zeit geschieht beispielsweise, indem die der Wärmeleistung proportionale elektrische Grosse entweder in einen herkömmlichen Messmotor bzw. Volt-oder Amperestundenzähler eingespeist wird oder über einen Analogdigital Umsetzer in Impulse zurückverwandelt wird, deren Anzahl der durchgesetzten Wärmemenge proportional ist und die mit einem elektromagnetischen Impulszähler summiert werden.
Die Wärmeleistung kann angezeigt werden, indem der Ausgang der Brücke neben der Verbindung zur Integrierschaltung eine solche zu einem anzeigenden elektrischen Messgerät erhält. Dieses elektrische Messgerät kann auch mit einem Schleppzeiger zur Anzeige des maximalen Momentanwertes ausgerüstet sein. Ferner ist der Anschluss eines Gerätes möglich, das zur Anzeige v. Mengen geeignet ist, die in Zeitintervallen von einigen Minuten bis zu einer Stunde oder mehr in diesen Intervallen maximal entnommen werden, also ein Gerät für Maximum Tarife.
Spezielle elektrische Ausgänge der Gerätekombination können das Registrieren von Wärmeträgermenge, Tempe raturdifferenz und Wärmeleistung ermöglichen.
In der Zeichnung ist die erfindungsgemässe Einrichtung in einem Ausführungsbeispiel dargestellt.
Es zeigen :
Fig. 1 ein Blockschaltbild und
Fig. 2 ein Wirkschaltbild.
Ein in einem Flüssigkeitsstrom drehbares Flügelrad 10 ist auf seiner Achse 11 mit einer Lochscheibe 12 versehen. Mit Hilfe einer Lichtquelle Ll und dem photoelektrischen Bauelement FD1 werden Impulse abgetastet, die einer Impulsformerstufe 13, einer monostabilen Kippstufe 14 und einem Verstärker 15 zugeführt werden. Die auf konstante Länge gebrachten Rechteckimpulse können an eine Registriereinrichtung 16, eine Integrierstufe 17 und eine Analoganzeige 18 für die Flüssigkeitsmenge weitergegeben werden.
Gleichzeitig werden die auf konstante Länge gebrachten Rechteckimpulse in einer aktiven Brückenschaltung 19 mit der gemessenen Temperaturdifferenz multipliziert.
Am Ausgang 20 der aktiven Brücke liegt dann eine der Wärmeleistung proportionale elektrische Grosse (Strom oder Spannung).
Die Integration der Wärmeleistung über der Zeit erfolgt über einen Verstärker 21 in einer Integrierstufe 22.
Es kann auch ein Analogdigital-Umsetzer die der Wär- meleistung proportionale Grosse in Impulse zurückver- wandeln.
Die Anzeige der Wärmeleistung kann auch in einem Messgerät 23 erreicht werden, das über den Verstärker 21 mit dem Brückenausgang 20 verbunden ist. Zur Anzeige des maximalen Momentanwertes kann das elektrische Messgerät 23 mit einem Schleppzeiger versehen sein.
Ein weiteres Gerät 24 für Maximumtarife und das Registrieren von Wärmemengen in einem Messgerät 25 kann vorgesehen sein.
In der Fig. 2 ist die Wirkungsweise der Einrichtung im einzelnen erläutert. Die lichtelektrische Abtastvorrichtung arbeitet in der Form, dass durch die von der Loch-oder Zahnscheibe 12 verursachten Beleuchtungsänderungen an der Fotodiode FD1 diese in leitenden oder nichtleitenden Zustand versetzen. Bei leitendem Zustand der Fotodiode FD1 liegt der Punkt P1 auf negativem Potential. Bei nichtleitendem Zustand der Fotodiode FD1 liegt der Punkt PI auf dem Potential Null. Der Widerstand R1 und der Kondensator Cl dienen zur Anpassung der Fotodiode FD1 an die Impulsformerstufe 13.
Die Impulsformerstufe 13 ist in der Impulstechnik auch als Schmitt-Trigger bekannt. Sie wird notwendig, weil die Flankensteilheit der Impulse aus der Fotodiode FD1 drehzahlabhängig ist und sich somit nicht zum Ansteuern der monostabilen Kippstufe 14 eignet. Sie arbeitet wie folgt :
Beim Überschreiten einer bestimmten, hier durch die beschriebene Abtastvorrichtung am Punkt P1 bereitgestellten negativen Spannung, liefert der Impulsformer 13 an seinem Ausgang einen'Spannungssprung bzw. Impuls so grosser Flankensteilheit, wie er zum Ansteuern der anschliessenden monostabilen Kippstufe 14, auch als Monoflip bekannt, benötigt wird.
Das angewendete Messprinzip erfordert eine der durchgesetzten Flüssigkeitsmenge proportionale Anzahl gleichlanger und gleichhoher Impulse. Gleiche Impulsdauer wird durch die monostabile Kippstufe 14 und die gleiche Impulshöhe durch ein für alle Speisespannungen gegen Netzspannungsschwankungen stabilisiertes Netzge rät gewährleistet.
Die monostabile Kippstufe 14 antwortet auf einen positiven Spannungssprung, der sich bei Erscheinen der steilen Flanke eines Impulses aus der Impulsformerstufe 13 am Eingang der monostabilen Kippstufe 14 bzw. am Koppelkondensator C3 vom Impulsformer 13 zur Kippstufe 14 einstellt, mit einem Impuls definierter Länge am Ausgang. Die Impulsdauer lässt sich durch Wechseln des Kondensators C5 oder Verstellen des Widerstandes R8 verändern. Da der Gesamtbrückenwiderstand der Temperaturmessbrücke 19 einmal zu niedrig ist, um direkt von der monostabilen Kippstufe 14 angesteuert zu werden, wird die Verstärkerstufe 15 notwendig.
Die ebenfalls in der Verstärkerstufe 15 enthaltene Umkehrstufe dient zum anderen zur Phasenumkehr der aus der monostabilen Kippstufe 14 kommenden Impulse definierter Länge, die wiederum notwendig wird, weil der Ausgang der monostabilen'Kippstufe 14 aus schaltungstechnischen Gründen phasenverkehrt ist.
Die aus dem Leistungsverstärker 15 kommenden und nunmehr phasenrichtigen und verstärkten in ihrer Anzahl der durchgesetzten Flüssigkeitsmenge proportionalen Impulse definierter Länge und Höhe werden zum ersten einer Multiplizierstufe 19 in Form einer Brückenschal- tung und zum anderen dem Messbuchsen MBI zum eventuellen Anschluss folgender bekannter Geräte zugeführt : Registrierung der Wärmeträgermenge 16, Integration der Wärmeträgermenge 17 und Analoganzeige der Wärme- trägermenge 18.
In der Brückenschaltung, bestehend aus den Festwiderständen R18 und R21, aus den Stellwiderständen R19 und R22 zum Leitungsabgleich und den temperaturabhängigen Widerständen R20 und R23, wird in bekannter Weise das Produkt aus Temperaturdifferenz und Wärmeträgermenge gebildet und in Form einer Diagonalspannung zwischen den Punkten P2 und P3 abgegriffen und dann vom Transistor T7 der Verstärkerstufe 21 verstärkt.
Am Ausgang der Verstärkerstufe 21, also an dem Widerstand R24 und dem Glättungskondensator C7, erscheint eine Gleichspannung, deren Höhe der durchgesetzten Wärmemenge proportional ist. Diese wird einer Integrierschaltung und gegebenenfalls folgenden bekannten Geräten zugeführt : Analoganzeige Wärmemenge (eventuell mit Schleppzeiger zur Anzeige des maximalen Momentanwertes) 23, Maximumzusatz (geeignet zur Anzeige von Mengen, die in Zeitintervallen von einigen Minuten bis zu einer Stunde oder mehr in diesen Intervallen maximal entnommen werden, also ein Gerät für Ma ximumtarife) 24 und Registrierung der Wärmemenge 25.
Die Integration der Wärmeleistung über der Zeit geschieht, indem die der Wärmeleistung proportionale elektrische Grosse entweder in einen herkömmlichen Messmotor bzw. Volt-oder Ampèrestundenzähler eingespeist wird oder über einen Analogdigital-Umsetzer in Impulse zurückverwandelt wird, deren Anzahl der durchgesetzten Wärmemenge proportional ist und die mit einem elektromagnetischen Impulszähler summiert werden.
Der stabilisierte Netzteil ist mit 26 bezeichnet.