DE102009047664B4

DE102009047664B4 - Messeinrichtung zur Bestimmung einer Wärmemenge

Info

Publication number: DE102009047664B4
Application number: DE102009047664.4A
Authority: DE
Inventors: Stefan Wöhrle
Original assignee: Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
Priority date: 2009-12-08
Filing date: 2009-12-08
Publication date: 2017-03-02
Anticipated expiration: 2029-12-09
Also published as: US20120245884A1; WO2011069767A1; US9316548B2; DE102009047664A1; EP2510324A1

Abstract

Messeinrichtung umfassend einen Wärmemengenzähler mit einem Durchflusssensor (D), einem ersten und einem zweiten Temperaturfühler (F1, F2) und einem Rechenwerk (R), wobei der Durchflusssensor (D) dazu dient, ein Volumen oder eine Masse einer im Vorlauf oder im Rücklauf eines Wärmetauschers (W) fließenden Wärmeträgermediums zu erfassen, wobei der erste Temperaturfühler (F1) dazu dient, eine Temperatur im Vorlauf des Wärmetauschers (W) zu erfassen, und der zweite Temperaturfühler (F2) dazu dient, eine Temperatur im Rücklauf des Wärmetauschers (W) zu erfassen, wobei das Rechenwerk (R) dazu dient, mittels von dem Durchflusssensor (D) und von dem ersten und dem zweiten Temperaturfühler (F1, F2) ausgegebener Messsignale die ausgetauschte Wärmemenge zu berechnen, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Rechenwerk (R) eine erste Übertragungsfunktion hinterlegt ist, die dazu dient, anhand eines Messsignals des ersten Temperaturfühlers (F1) die Temperatur im Vorlauf zu bestimmen, dass in dem Rechenwerk (R) eine zweite Übertragungsfunktion hinterlegt ist, wobei sich die erste Übertragungsfunktion von der zweiten Übertragungsfunktion unterscheidet, dass die zweite Übertragungsfunktion dazu dient, anhand eines Messsignals des zweiten Temperaturfühlers (F2) die Temperatur im Rücklauf zu bestimmen, dass in dem Rechenwerk (R) Parameter hinterlegt sind, die dazu dienen, die erste und/oder zweite Übertragungsfunktion zu bestimmen, dass die Parameter in Abhängigkeit des verwendeten Temperaturfühlers (F1, F2) vorab ermittelbar und einstellbar sind, und dass es sich bei der ersten und/oder zweiten Übertragungsfunktion um die der Callendar-van-Dusen-Gleichung handelt, wobei es sich bei den Parametern um die Koeffizienten der Callendar-can-Dusen-Gleichung handelt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Messeinrichtung umfassend einen Wärmemengenzähler mit einem Durchflusssensor, mit einem ersten und einem zweiten Temperaturfühler und einem Rechenwerk, wobei der Durchflusssensor dazu dient, ein Volumen oder eine Masse einer im Vorlauf oder im Rücklauf eines Wärmetauschers fließenden Wärmeträgermediums zu erfassen, wobei der erste Temperaturfühler dazu dient, eine Temperatur im Vorlauf des Wärmetauschers zu erfassen, und der zweite Temperaturfühler dazu dient, eine Temperatur im Rücklauf des Wärmetauschers zu erfassen, wobei das Rechenwerk dazu dient, mittels von dem Durchflusssensor und von dem ersten und dem zweiten Temperaturfühler ausgegebener Messsignale die ausgetauschte Wärmemenge zu berechnen.
Aus dem Stand der Technik sind, z. B. aus der DE 10 2004 054 118 B4 , Wärmemengenzähler bekannt geworden, die die Temperatur im Vorlauf und im Rücklauf eines Wärmetauschers messen und rechnerisch die Temperaturdifferenz zwischen dem Vorlauf und dem Rücklauf bestimmen. Darüber hinaus wird die Menge eines Wärmeträgermediums, meistens eine Flüssigkeit, bestimmt, die durch den Wärmezähler hindurch geströmt ist. Aus der Temperaturdifferenz sowie der gemessenen Menge an Flüssigkeit wird die verbrauchte Energie rechnerisch bestimmt. Diese verbrauchte Energie kann dann unter Verwendung eines bestimmten Tarifs einem Verbraucher in Rechnung gestellt werden.
Zur Erfassung der Temperatur im Vorlauf sowie im Rücklauf werden heutzutage oftmals Temperaturfühler eingesetzt, die als Messaufnehmer über einen temperaturabhängigen Widerstand, sog. RTD's, verfügen.
Dabei ist vorgesehen, dass die Temperaturfühler gepaart sind, d. h. dass die charakteristischen Widerstand-Temperatur-Kennlinien annähernd gleich verlaufen. Dafür werden die Kennlinien verschiedener Temperaturfühler miteinander verglichen. Stimmen dabei die Kennlinien zweier Temperaturfühler annähernd überein, so können die beiden Fühler in einem Wärmezähler verwendet werden. Durch auf diese Art und Weise gepaarte Temperaturfühler kann eine hohe Messgenauigkeit gewährleistet werden.
Ein Wärmemengenzähler kann als Kompaktgerät, d. h. dass das Rechenwerk fest mit einem vom Wärmeträgermedium durchflossenen Gehäuse verbunden ist, oder als kombiniertes Gerät mit einem separaten Rechenwerk, das durch elektrische Kabel mit dem Durchflusssensor und den Temperaturfühlern verbunden ist, vorliegen.
Ein Wärmezähler der beschriebenen Art kann auch als Kältezähler für eine Anwendung in einem Kühlsystem verwendet werden. Für einen Kältezähler bedeutet dies, dass im Vorlauf tiefe und im Rücklauf im Vergleich dazu höhere Temperaturen des Wärmeträgermediums vorherrschen.
Wie bereits erwähnt, sind die in einem Wärmemengenzähler verwendeten Temperaturfühler entsprechend den Anforderungen der DIN EN 1434 gepaart. Dies hat aber den Nachteil, dass die Temperaturfühler im Falle eines Defekts oder eines anderweitig begründeten Austauschs nicht einzeln sondern nur paarweise ausgetauscht werden können.
Die Anforderungen an eichfähige Wärmezähler sind im Standard MID 004 und EN 1434 beschrieben. Darin ist der Einsatz flüssiger Wärmeträgermedien vorgeschrieben. Allerdings können Wärmezähler auch zur Energiemessung von Dampf oder gasförmigen Medien in nicht eichfähigen Anwendungen verwendet werden.
Zudem ist zur Bestimmung der jeweiligen Temperatur in dem Rechenwerk nur eine Übertragungsfunktion hinterlegt, die für beide Temperaturfühler verwendet wird. Allgemein gibt die Übertragungsfunktion den Zusammenhang zwischen einer Eingangsgröße und einer Ausgangsgröße wieder. Im Fall eines Temperaturfühlers eines Wärmemengenzählers wird ein Messsignal von dem Temperaturfühler an das Rechenwerk übertragen. Das Messsignal dient dabei als Eingangsgröße aus dem mittels der Übertragungsfunktion die Ausgangsgröße, d. h. die zu dem Messsignal zugehörige Temperatur, bestimmt wird. Da sich aber trotz gepaarter Temperaturfühler die jeweiligen Temperatur-Widerstands-Kennlinien voneinander unterscheiden, kommt es unweigerlich zu Fehlern bei der Bestimmung der Wärmemenge. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt geworden einen Satz von Standard-Parametern, wie er bspw. in der EN 1434-3 vorgegeben wird, der die Übertragungsfunktion beschreibt, zu verwenden.
Aus der DE 19831557 A1 ist ein Verfahren zur Messung der Temperatur in einem Heizkreis beschrieben, bei welchem mit Hilfe einer rationellen Eichung eine Wärmemengenmessung mit zufriedenstellender Genauigkeit realisiert werden kann. Hierfür werden die verwendeten Temperaturgeber vor ihrem getrennten Einsatz in einer gemeinsamen Messstelle des Heizkreisvorlaufes zum gleichzeitigen Erfassen der Vorlauftemperaturen eingesetzt, wobei die Kennlinien der jeweiligen Temperaturgeber über einen ausreichend großen Temperaturbereich aufgezeichnet, einander zugeordnet und abgespeichert werden.
Auch die DE 3500539 A1 beschäftigt sich damit, einen möglichst genauen Wärmemengenmesser bereitzustellen. Für den beschriebenen Wärmemengenmesser werden Widerstandsthermometer verwendet, deren Kennwerte jeweils bei zwei Referenztemperaturen experimentell bestimmt werden. Auf diese Weise können eine Parallelverschiebung und/oder unterschiedliche Neigungen der verschiedenen Widerstandskennlinien berechnet werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wärmemengenzähler vorzuschlagen, bei dem auch der Austausch einzelner Temperaturfühler möglich ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in dem Rechenwerk eine erste Übertragungsfunktion hinterlegt ist, die dazu dient, anhand eines Messsignals des ersten Temperaturfühlers die Temperatur im Vorlauf zu bestimmen, dass in dem Rechenwerk eine zweite Übertragungsfunktion hinterlegt ist, wobei sich die erste Übertragungsfunktion von der zweiten Übertragungsfunktion unterscheidet, und dass die zweite Übertragungsfunktion dazu dient, anhand eines Messsignals des zweiten Temperaturfühlers die Temperatur im Rücklauf zu bestimmen.
In dem Rechenwerk sind Parameter hinterlegt, die dazu dienen, die erste und/oder zweite Übertragungsfunktion zu bestimmen. Die Parameter können dazu dienen, die Übertragungsfunktion zu bestimmen. So kann es sich dabei bspw. um Koeffizienten einer (Übertragungs-)Funktion handeln.
Die Parameter sind in Abhängigkeit des verwendeten Temperaturfühlers vorab ermittelbar und einstellbar. Ein Benutzer kann bspw. die einem verwendeten und/oder neu angeschlossenen Temperaturfühlers entsprechende Übertragungsfunktion bspw. über eine Eingabefunktion der Rechnereinheit einstellen.
Erfindungsgemäß handelt es sich bei der ersten bzw. zweiten Übertragungsfunktion um die der Callendar-van Dusen-Gleichung, und bei den Parametern handelt es sich um die Koeffizienten der Callendar-van Dusen-Gleichung.
Es ist eine Grundidee der vorliegenden Erfindung, die Übertragungsfunktion, von Temperaturfühlern im Wärmezähler, d. h. im Rechenwerk, zu definieren bzw. zu hinterlegen, so dass hohe Messgenauigkeiten auch ohne Verwendung gepaarter Temperaturfühler erreicht werden können.
In einer Ausgestaltung dient das Rechenwerk ferner dazu, die Differenz zwischen der Temperatur im Vorlauf und der Temperatur im Rücklauf zu bestimmen. Anhand der Messsignale des Temperaturfühlers im Vorlauf und/oder im Rücklauf, kann anhand der jeweiligen Übertragungsfunktion die Temperatur im Vorlauf und/oder im Nachlauf bestimmt werden. Anschliessend kann die Differenz der ermittelten Temperaturen ermittelt werden, so dass daraus die Wärmemenge berechnet werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung nutzen der erste und der zweite Temperaturfühler jeweils eine Temperaturabhängigkeit eines elektrischen Widerstands zur Bestimmung der Temperatur im Vorlauf bzw. im Nachlauf aus.
In einer weiteren Ausgestaltung handelt es sich bei dem ersten und dem zweiten Temperaturfühler um ungepaarte Temperaturfühler. Insbesondere für ungepaarte Temperaturfühler, deren Kennlinie weniger miteinander übereinstimmt als gepaarte Temperaturfühler ergeben sich Vorteile.
In einer weiteren Ausgestaltung geben die Parameter annähernd einen, insbesondere gemessenen und/oder interpolierten, Verlauf der charakteristischen Temperatur/Widerstands-Kennlinien des ersten und/oder des zweiten Temperaturfühlers an. Die Temperaturfühler können demnach vorab kalibriert und die entsprechenden Parameter ermittelt werden, die für die Bestimmung der Übertragungsfunktion erforderlich sind.
In einer weiteren Ausgestaltung ist ein eichtechnisches Logbuch vorgesehen, in dem die Parameter zur Bestimmung der Übertragungsfunktion des ersten bzw. zweiten Temperaturfühlers erfasst sind und in welchem eichtechnischen Logbuch ggf. ein Austausch, insbesondere das Datum des Austauschs, eines der Temperaturfühler erfasst wird.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1: eine schematische Darstellung eines kombinierten Wärmemengenzählers.
1 zeigt einen kombinierten Wärmemengenzähler.
In 1 sind ein erster Temperaturfühler F1 und ein zweiter Temperaturfühler F2 gezeigt. Der erste Temperaturfühler ist dabei im Vorlauf und der zweite Temperaturfühler im Rücklauf eines Wärmetausches W angeordnet. Die Temperaturfühler können bspw. in Vier- oder Zwei-Leiter-Technik betrieben werden. Ebenfalls im Vorlauf des Wärmetauschers ist ein Durchflusssensor angeordnet. Als Durchflusssensor kann bspw. ein Ultraschall oder magnetisch-induktiver Durchflusssensor verwendet werden. Der erste und der zweite Temperaturfühler sowie der Durchflusssensor sind über Verbindungsleitungen mit einem Rechenwerk verbunden. Das Rechenwerk verfügt dabei über eine Anzeige-/Bedieneinheit zur Wiedergabe bspw. der Temperatur im Vorlauf bzw. im Rücklauf, der Durchflussmenge, der Wärmemenge oder anderer prozessrelevanter Information. Insbesondere kann ein Benutzer Einstellungen bspw. über die Anzeige-/Bedieneinheit an dem Rechenwerk vornehmen. Dies ermöglicht es dem Benutzer auch die Übertragungsfunktion und/oder die entsprechenden Parameter für den ersten oder zweiten Temperaturfühler festzulegen. Diese Einstellungen können bspw. in einer Speichereinheit des Rechenwerks abgelegt werden/sein. Bei der Speichereinheit kann es sich zudem um ein eichtechnisches Logbuch handeln, aus dem eingegebene und/oder erfasste Daten nicht gelöscht werden können. Dies dient bspw. dem Schutz vor Manipulationen.
Ein Widerstandstemperaturfühler ist ein Gerät zur Messung der Temperatur. Es besteht aus einer dünnen Schicht aus Metall, die auf einem Kunststoffträger aufgebracht ist. Sein Widerstand ändert sich mit der Temperatur. Der Widerstand kann über den Spannungsabfall bestimmt werden, der auftritt, wenn der Fühler von einem bekannten Strom durchflossen wird. Durch Messung dieser Spannung wird der Widerstand und somit die der Spannung entsprechende Temperatur bestimmt.
Die Beziehung zwischen Widerstand und Temperatur wird durch Kennlinien beschrieben. Im Standard IEC 751 ist die Art dieser Kennlinien in Form der Callendar-van-Dusen-Gleichung Funktionsgleichung mit den zugehörigen Koeffizienten beschrieben.
Mit Hilfe einer Sensorkalibrierung können die Koeffizienten der Callendar-van-Dusen-Gleichung für jeden Temperatursensor individuell ermittelt und anstelle der allgemeinen Koeffizienten verwendet werden. Auf diese Weise erhält man eine sensorspezifische Temperaturkennlinie, welche eine genauere Temperaturmessung ermöglicht. Durch diesen Abgleich der Temperaturfühler, erübrigt sich die Verwendung von gepaarten Temperaturfühlern (mit ähnlichen Kennlinien) zur Messung der Temperaturdifferenz, da die realen Kennlinien der Temperaturfühler bekannt sind.
Die allgemeine Callendar-van-Dusen-Funktionsgleichung für Platin RTD's lautet: für T < 0°: R_T = R₁(1 + A·T + B·T² + (T – 100)·C·T³) und für T ≥ 0°: R_T = R₀(1 + A·T + B·T²), dabei ist T die Temperatur, R_T der gemessene ohmsche Widerstand, R0 der ohmsche Widerstand bei 0°C. Laut EN 1434 sind für die Koeffizienten A, B die Normwerte A = 3,908 × 10^–3/°C und B = –5,775 × 10^–7/°C² zu verwenden. Erfindungsgemäß können die Koeffizienten A, B, C jedoch entsprechend den verwendeten Temperaturfühlern angepasst werden.
Der Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt dann, dass anstatt selektierter gepaarter Temperaturfühler beliebige Temperaturfühler für Wärmedifferenzmessungen verwendet werden können. Ferner sind einzelne Temperaturfühler austauschbar. Ebenso ist der Austausch der Temperaturfühler geeichter Wärmemengenzähler möglich, ohne den Eichstatus zu verlieren. Dies erfolgt bspw. durch Verwendung eines eichtechnischen Logbuchs, welches sowohl das Datum des Austauschs als auch die Temperaturkennliniendaten erfasst.
Ein eichtechnisches Logbuch wird bspw. in Gas-Mengenumwertern verwendet und ist für Wärmezähler laut MID und EN 1434 nicht vorgeschrieben, aber gemäß PTB-A 50.7 erlaubt.

A: Anzeige-/Bedieneinheit
D: Durchflusssensor
F1: Temperaturfühler im Vorlauf
F2: Temperaturfühler im Rücklauf
R: Rechenwerk
W: Wärmetauscher
WK: Wärmetauscherkreislauf mit kombiniertem Wärmemengenzähler

Claims

Messeinrichtung umfassend einen Wärmemengenzähler mit einem Durchflusssensor (D), einem ersten und einem zweiten Temperaturfühler (F1, F2) und einem Rechenwerk (R), wobei der Durchflusssensor (D) dazu dient, ein Volumen oder eine Masse einer im Vorlauf oder im Rücklauf eines Wärmetauschers (W) fließenden Wärmeträgermediums zu erfassen, wobei der erste Temperaturfühler (F1) dazu dient, eine Temperatur im Vorlauf des Wärmetauschers (W) zu erfassen, und der zweite Temperaturfühler (F2) dazu dient, eine Temperatur im Rücklauf des Wärmetauschers (W) zu erfassen, wobei das Rechenwerk (R) dazu dient, mittels von dem Durchflusssensor (D) und von dem ersten und dem zweiten Temperaturfühler (F1, F2) ausgegebener Messsignale die ausgetauschte Wärmemenge zu berechnen, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Rechenwerk (R) eine erste Übertragungsfunktion hinterlegt ist, die dazu dient, anhand eines Messsignals des ersten Temperaturfühlers (F1) die Temperatur im Vorlauf zu bestimmen, dass in dem Rechenwerk (R) eine zweite Übertragungsfunktion hinterlegt ist, wobei sich die erste Übertragungsfunktion von der zweiten Übertragungsfunktion unterscheidet, dass die zweite Übertragungsfunktion dazu dient, anhand eines Messsignals des zweiten Temperaturfühlers (F2) die Temperatur im Rücklauf zu bestimmen, dass in dem Rechenwerk (R) Parameter hinterlegt sind, die dazu dienen, die erste und/oder zweite Übertragungsfunktion zu bestimmen, dass die Parameter in Abhängigkeit des verwendeten Temperaturfühlers (F1, F2) vorab ermittelbar und einstellbar sind, und dass es sich bei der ersten und/oder zweiten Übertragungsfunktion um die der Callendar-van-Dusen-Gleichung handelt, wobei es sich bei den Parametern um die Koeffizienten der Callendar-can-Dusen-Gleichung handelt.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rechenwerk (R) ferner dazu dient, die Differenz zwischen der Temperatur im Vorlauf und der Temperatur im Rücklauf zu bestimmen.
Messeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Temperaturfühler (F1, F2) jeweils eine Temperaturabhängigkeit eines elektrischen Widerstands zur Bestimmung der Temperatur im Vorlauf und/oder im Nachlauf ausnützen,
Messeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem ersten und dem zweiten Temperaturfühler (F1, F2) um ungepaarte Temperaturfühler (F1, F2) handelt.
Messeinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter einen Verlauf der charakteristischen Temperatur/Widerstands-Kennlinien des ersten und/oder des zweiten Temperaturfühlers (F1, F2) annähernd angeben.
Messeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein eichtechnisches Logbuch vorgesehen ist, in dem die Parameter zur Bestimmung der Übertragungsfunktion des ersten und/oder zweiten Temperaturfühlers (F1, F2) erfasst sind und in welchem eichtechnischen Logbuch ein Austausch eines der Temperaturfühler (F1, F2) erfassbar ist.