DE2619226A1 - Elektronisch gesteuerter waermemengen- und waermeleistungszaehler - Google Patents

Description

• Elektronisch gesteuerter Wärmemengen-
• und Wärmeleistungszähler Die Erfindung betrifft einen elektronisch gesteuerten Wärmemengen- und Wärmeleistungszähler mit autarker Stromversorgungseinrichtung, die die zum Betreiben der elektronischen Baugruppen erforderliche Energie aus dem zu messenden Medium gewinnt.
• Wärmemengen- und Wärmeleistungszähler dienen der Feststellung einer von einem fließfähigen Medium zu- oder abgeführten Wärmemenge. Diese wird vorzugsweise aus der Temperaturdifferenz im Zu- und Ablauf zweig eines Wärmeverbrauchers und der Burchflußmenge des Mediums bestimmt. Dazu dienen Temperaturfühler und Durchflußmeßeinrichtungen, deren Meßergebnisse in Signale, wie z. B. Spannungen oder Spannungsimpulse, umgesetzt einer elektronischen Auswerteinrichtung zugeführt werden, die ihrerseits Anzeigeeinrichtungen steuert, z. B. Rollenzählwerke oder Flüssigkeitskri stallanzeigen.
• Zum Betreiben der Meß- und Anzeigeeinrichtungen ist z. B. durch die deutsche Offenlegungsschrift 21 42 457 bekannt, handelsübliche Monozellen zu verwenden. Der Nachteil dieser Anordnung besteht in dem, wenn auch in relativ großen Zeitabständen, erforderlichen regelmäßigen Austausch der Monozellen. Es wurde daher in der Patentanmeldung P 26 13 111.3 vorgeschlagen, die Energie für den Betrieb des Zählers aus der Energie des fließenden Mediums selbst zu gewinnen.
• Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, für Wärmemengenzähler mit autarkem Energieerzeugungsverfahren solche elektronischen Einrichtungen zu schaffen, die mit einer geringen elektrischen Energie auch bei großen Spannungsschwankungen einwandfrei betrieben werden können.
• Diese Aufgabe ist durch die Erfindung gelöst, wie sie den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche entnehmbar ist und nachfolgend näher erläutert wird.
• Für die elektronischen Auswerteeinrichtungen eines Wärmemengenzählers bieten sich Metall-Oxid-Halbleiterbausteine, z. B. der CMOS-2echnik oder bipolare, z. B. der I-Quadrat-L-Technik, an.
• Dabei sind speziell Metall-Oxid-Halbleiterbausteine bei den sehr niedrigen Verarbeitungsgeschwindigkeiten der aus den Messungen gewonnenen Signale zum Betreiben auch größerer Digitalschaltungen geeignet. Die aus dem fließenden Medium gewonnene Energie genügt zur Energieversorgung der Bausteine, da diese mit Spannungen im Bereich von beispielsweise 1,1 bis 18 Volt und Strömen der Größenordnung von Nanoampere bis maximal Mikroampère auskommen.
• Da für Wärmemengenzähler als Anzeigeelemente vorzugsweise Rollenzählwerke oder Schrittschaltwerke dienen, ist der größte Energieverbrauch zum Einstellen dieser Zählwerke erforderlich. Da kleine Schrittmotoren mit kurzen Impulsen bei kleinen Spannungen und kleinen Strömen sicher betrieben werden können, ist deren Energiebedarf dennoch gering und durch die autarke Versorgungseinrichtung des Wärmemengenzählers gedeckt. Steht zu einem Zeitpunkt aufgrund z. B. des geringen Wärmeverbrauchs keine genügend große Energie zum Betreiben der Anzeigevorrichtung zur Verfügung, so werden die Zählimpulse elektronisch gespeichert. Sobald ein Wärmeenergieverbraucher eingeschaltet und mehr elektrische Energie im Wärmemengenzähler erzeugt wird, werden die gespeicherten Werte der Anzeigevorrichtung übermittelt. Der eintretende Verzug der Anzeige ist bei beispielsweise ånbrlicher Zählerablesung unerheblich.
• Sofern eine nicht ausreichende Energieversorgung der elektronischen Baugruppen eintritt, ist zur Vermeidung von Meßfehlern vorgesehen, die Messung und/oder die Anzeige zu unterbinden.
• Die Berechnung der verbrauchten Wärmemenge wird mittels eines Analog-Digitalwandlers, der die analog anfallenden Eingangswerte mit einem Referenzwert vergleicht, und einem Mikrocomputer, vorzugsweise einem Einchip-Mikrocomputer, vorgenommen. Als Referenzwert zur Berechnung der verbrauchten Wärmemenge ist zum Beispiel die Spannung einer Zenerdiode oder eine von einem Quarz abgeleitete Frequenz verwendbar. Aus Rechengrößen des Mikrocomputers sind außerdem Steuerimpulse zum Öffnen und Schließen von Ventilen, gegebenenfalls durch Rundsteuereinrichtungen ausgelöst, herleitbar.
• In einer weiteren Ausführung eines Wärmemengenzählers ist zur Berechnung der verbrauchten Wärmemenge die stochastischergodische Signalumsetzung mit folgender Multiplikation und Integration durch UND- oder EXOR-Gatter und Zähleinrichtungen vorgesehen. Dabei wird zur Signalumsetzung ein Rauschgenerator zur Vermeidung von Rechenfehlern verwendet.
• Die elektronischen Auswerteeinrichtungen unterliegen temperatur-und alterungsabhängigen Drifteffekten. Zur exakten Berechnung der verbrauchten Wärmemengen über große Zeiträume ist daher eine Vorrichtung zur selbsttätigen Nullpunkts- und/oder Eichkorrektur vorgesehen, die die Drifteffekte in ausreichenden zeitlichen Abständen ausgleicht und die darüber hinaus mit einer Anzeigevorrichtung zum Signalisieren von Störungen gekoppelt ist.
• Zur Feststellung der Temperaturdifferenz zwischen Zulauf- und Ablaufzweig eines Wärmeverbrauchers werden wie bereits erwahnt Temperaturfühler eingesetzt. Weisen die Temperaturfühler eine nichtlineare Kennlinie auf, so wird bei Verwendung eines Mikrocomputers zur Berechnung der verbrauchten Wärmemenge durch ein entsprechendes Programm diese Nichtlinearität kompensiert bzw.
• durch beispielsweise in einen Nur-Lesespeicher gespeicherte ausreichend große Zahl von Korrekturwerten die Kennlinie linearisiert.
• Werden andere Rechenmethoden angewendet, so ist ein Funktionsgenerator mit zur Nichtlinearität der Kennlinie der Temperaturfühler inverser Kennlinie zur Linearisierung vorgesehen.
• Als Temperaturfühler werden entweder Halbleiterdioden in einer Brückenanordnung verwendet oder es werden die Basis-Emitter-Spannungsdifferenzen zweier mit unterschiedlicher Stromdichte betriebenen Bipolartransistoren ausgewertet. Ein solches Transistorpaar, das zum Beispiel mit der Stromversorgungseinrichtung in integrierter Schaltung vereint ist, wird in einen Wärmekontakt mit dem Medium im Zulaufzweig und ein weiteres Transistorpaar gleicher Art in Wärmekontakt mit dem Medium im Ablauf zweig gebracht. Die temperaturproportionalen Ausgangsspannungen beider Transistorpaare sind dann direkt zur Differenzbildung vorzeichenrichtig in Reihe zu schalten.
• Zur Verringerung des elektrischen Energiebedarfs sind die Temperaturfühler und Teile der oder auch die gesamte elektronische Einrichtung des Wärmemengenzählers gepulst zu betreiben, das heißt, die Temperaturfühler werden nur kurzfristig während festgesetzter Zeiteinheiten eingeschaltet. Die Pulsfrequenz wird dabei vorzugsweise von der Umdrehungszahl des Flügelrades des Durchflußmessers abgeleitet. Sie ist derart gewählt, daß bei der zu erwartenden maximalen Anderungsgeschwindigkeit der Augenblicks energie eine vorgegebene Fehlergrenze nicht überschritten wird (nach dem Sampling-Theorem).

Claims (9)

1. Patentansprüche: Elektronisch gesteuerter Wärmemengen- und Wärmeleistungszähler mit autarker Stromversorgungseinrichtung, die die zum Betreiben der elektronischen Baugruppen erforderliche elektrische Energie aus dem zu messenden Medium gewinnt, dadurch gekennzeichnet, daß als elektronische Baugruppen vorzugsweise Metall-Oxid-Halbleiterschaltkreise (CMOS) oder Schaltkreise der Bipolartechnik (I-Quadrat-L), als Anzeigeelemente Schrittschaltwerke und/oder Rollenzählwerke verwendet werden, die impulsförmig gesteuert sind, daß die dem Wärmeenergieverbrauch proportionalen Zählimpulse bei ungenügender Stromerzeugung durch geringen Wärmeenergieverbrauch elektronisch gespeichert werden, zur Berechnung der verbrauchten Wärmemenge als Referenzwert die Spannung einer Zenerdiode oder eine von einem Quarz abgeleitete Frequenz verwendet wird und daß zur Verringerung des elektrischen Energiebedarfs die Temperaturfühler und die elektronischen Schaltkreise gepulst betrieben werden.
2. 2) Elektronisch gesteuerter Wärmemengen- und Wärmeleistungszähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Feststellung einer nicht ausreichenden elektrischen Energieerzeugung eine Meßeinrichtung für die zur Verfügung stehende Augenblicksenergie in den elektronischen Schaltkreisen integriert ist.
3. 3) Elektronisch gesteuerter Wärmemengen- und Wärmeleistungszähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berechnung der verbrauchten Wärmemenge ein Analog-1)igital-Wandler zur Umsetzung der analogen Eingangswerte in Verbindung mit einem Mikrocomputer vorgesehen ist.
4. 4) Elektronisch gesteuerter Wärmemengen- und Wärmeleistungszahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch stochastisch-ergodische Signalumsetzung mit folgender Multiplikation und Integration die verbrauchte Wärmemenge berechnet wird.
5. 5) Elektronisch gesteuerter Wärmemengen- und Wärmeleistungszähler nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei stochastisch-ergodischer Signalumsetzung ein Rauschgenerator verwendet ist.
6. 6) Elektronisch gesteuerter Wärmemengen- und Wärmeleistungszähler nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Temperaturfühler Halbleiterdiodenstrecken in einer Brückenanordnung vorgesehen sind.
7. 7) Elektronisch gesteuerter Wärmemengen- und Wärmeleistungszähler nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als emperaturfühler die Basis-Emitter-Spannungsdifferenzen zweier Bipolartransistoren, die mit unterschiedlicher Stromdichte betrieben werden, eingesetzt sind.
8. 8) Elektronisch gesteuerter Wärmemengen- und Wärmeleistungszähler nach Anspruch 1, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsfrequenz synchron zur Umdrehungszahl des Flügelrades des Burchflußmessers ist.
9. 9) Elektronisch gesteuerter Wärmemengen- und Wärmeleistungszähler nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Temperaturfühlern mit nichtlinearer Kennlinie die Nichtlinearität durch ein entsprechendes Programm oder durch gespeicherte Korrekturwerte im Mikrocomputer kompensiert ist.