DE3010921A1

DE3010921A1 - Durchflussmengenzaehler, insbesondere fuer die waermemengenmessung

Info

Publication number: DE3010921A1
Application number: DE19803010921
Authority: DE
Inventors: Ewald Dipl Ing Dr Techn Benes
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-05-15
Filing date: 1980-03-21
Publication date: 1980-11-20
Also published as: AT360777B; GB2050660A; ATA360479A

Description

Durchflußmengenzähler, insbesondere für die Wärmemengenmessung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Durchflußmengenzähler, insbesondere für die Wärmemengenmessung, bei dem die Messung der Durchflußmenge pro Zeiteinheit mittels eines Turbinenrad-Durchflußgebers erfolgt, der ein Impulsgebersystem besitzt, dessen pro Zeiteinheit abgegebene Impulszahl proportional der Durchflußmenge pro Zeiteinheit ist.

Unter Turbinenrad- Durchflußgeber werden dabei alle Durchflußgeber umschrieben, bei denen das strömende Medium ein Turbinenrad beliebiger Ausführungform antreibt, gleichgültig ob es sich um ein Einstrahl- oder Mehrstrahl-Flügelrad, einen Woltmann-Durchflußmesser oder ähnliches handelt.

Unter den handelsüblichen Durchflußgebern unterscheidet man vollmechanische und solche, die ein Impulsgebersystem

verwenden. Bei den vollmechanischen Durchflußgebern werden die Umdrehungen des Turbinenrades direkt auf ein mechanisches Rollenzählwerk übertragen, das wegen der mechanischen Übertragung unmittelbar beim Turbinenrad angeordnet sein muß. Diese Art der Durchflußgeber eignet sich daher nicht für die Fernübertragung des Durchflußmengen-Meßwertes. Die Durchflußmesser mit einem Impulsgebersystem erlauben dagegen eine Übertragung des auf die Anzahl der Impulse im betrachteten Zeitraum abgebildeten Meßwertes über eine im Prinzip beliebige Entfernung. Die Impulse werden übliclierweise mittels eines elektromechanischen Rollenzählwerkes gezählt. Das Impulsgebersystem kann vollelektronisch arbeiten, indem z.B. das Turbinenrad periodisch durch Induktion oder durch Unterbrechung eines auf eine Photozelle auftreffenden Lichtstrahles Impulse erzeugt. Häufig finden jedoch auch Impulsgebersysteme Verwendung, bei denen das Turbinenrad magnetisch einen Reed-Kontakt betätigt oder direkt mechanisch bzw. über eine Magnetkupplung ein sog. Kontaktwerk antreibt. Das periodische Öffnen und Schließen des Kontaktes kann einfach in eine elektrische Impulsfolge umgewandelt werden.

Die beschriebenen handelsüblichen Durchflußgeber messen genaugenommen primär den Volumendurchfluß. Durch den direkten

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Zusammenhang

M= ς . V

des Massendurchflusses M mit dem Volumendurchfluß V über die Dichte ^ des durchfließenden Mediums kann jedoch jeder Turbinenraddurchflußgeber auch zur Messung des Massehdurchflusses verwendet werden. Die sog. Impulswertigkeit gibt an, wieviele Impulse z.B. einem Liter bzw. einem kg durchfließenden Mediums entsprechen.

Die genannten Durchflußgeber werden auch für die Wärmemengenmessung nach der folgenden physikalischen Beziehung verwendet:

(*2

= L c . * . v(t) . at .

Jt₁ ρ ^

Q = |₊Q(t)dt =|₊ C_p . ^ . V(t) . 4T . dt

Wobei Q die im Zeitintervall At = tp - t-i durch den Wärmeträger transportierte Wärmemenge, φ (t) die vom Wärmeträger zum Zeitpunkt t abgegebene Wärmeleistung, C die spezifische Wärmekapazität und ο die Massendichte des Wärmeträgers, V(t) die Wärjaeträger-Volumsdurchflußmenge pro Zeiteinheit zum Zeitpunkt t und Δ T die Temperaturdifferenz zwischen Wärmeträgervorlauf und -nachlauf bedeuten.

Das Produkt aus C . ς wird üblicherweise als Wärmekoeffizient k zusammengefaßt. Die Multiplikationen mit den konstanten Faktoren werden in der Praxis meist nicht explizit ausgeführt, sondern durch entsprechende Skalierung der Meßwertgebergrößen berücksichtigt. Beim Wärmeträger V/asser, der in der Praxis am häufigsten verwendet wird, hat die Massendichte .und die spezifische Wärmekapazität den Einheitswert, hier kann daher - zahlenmäßig betrachtet - die entsprechende Multiplikation überhaupt entfallen. Wenn hier zur Charakterisierung des Meßverfahrens von Multiplikationen die Rede ist, so bezieht sieh dies auf zumindest aus Dimensionsgründen in Übereinstimmung mit der dem Meßverfahren zugrundeliegenden

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Größengleichung notwendige. Multiplikationen.

Pig. 1 zeigt das Schema einer Wärmemengenmessung nach der genannten physikalischen Beziehung. Im Zuflußrohr 1 zum Wärmeverbraucher 5 (z.B. ein Radiator) befindet sich ein Temperaturfühler 2 (z.B. ein Thermoelement) der die Vorlauftemperatur Ty des Wärmeträgers erfaßt. Im Rückflußrohr 4 befindet sich ein Temperaturfühler 5» der die Nachlauftemperatur T^ des Wärmeträgers erfaßt, sowie ein Turbinen?- rad-Durchflußgeber 6, dessen Impulsgebersystem IG- am Ausgang 25 eine der Durchflußmenge pro Zeiteinheit V proportionale Impulsfrequenz liefert. Die Temperaturfühler und der Durchflußgeber sind an eine elektronische Schaltung 7 angeschlossen, die als Rechenwerk fungiert, welches die Multiplikation zwischen der Durchflußmenge pro Zeiteinheit und der Temperaturdifferenz Δ T zwischen Vorlauftemperatur T_v und Nachlauftemperatur T„ ausführt. Der Ausgang 33 dieser Verknüpfungsschaltung liefert eine der pro Zeiteinheit transportierten Wärmemenge Q proportionale Impulsfrequenz. Diese Impulse werden meist von einem elektromechanischen Rollenzählwerk gezählt. Die Anzeige des Zählerstandes gibt - nach Multiplikation mit einem entsprechenden Skalierungsfaktor - die im betrachteten Zeitraum zwischen den Temperaturmeßstellen T-y und Tjt abgegebene oder zugeführte Wärmemenge.

Der Nachteil der Wärmemengenmessung nach Pig. 1 ist die notwendige Eichung bzw. Justierung der elektronischen Schaltung 7 und die als Folge der Analogschaltkreise relativ geringe Genauigkeit insbesondere bei kleinen Temperaturdifferenzen Δ Τ.

Aus der ständig zunehmenden Bedeutung der automatischen Datenerfassung in der Prozeßmeßtechnik und bei mikroprozessorgesteuerten Meßwerterfassungssystemen (sog. Data Loggers) ergibt sich ein steigender Bedarf für computerangepaßte Durchflußgeber, insbesondere für die Wärmemengenmessung. Die meßtechnische Analyse multivalenter, speziell solarer, Wärmeversorgungsanlagen ist durch'das gehobene Energiebe-

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wußtsein in den Mittelpunkt.des Interesses gerückt. Die Erstellung von Wärmebilanzen kann wegen der Komplexität dieser Anlagen und der großen Zahl an Meßstellen nur mittels mikroprozessorgesteuerter Meßwerterfassungssysteme ökonomisch gelöst werden.

Im Prinzip ist es möglich, auch für mikroprozessorgesteuerte Meßwerterfassungssysteme eine Meßanordnung entsprechend Pig. 1 zu verwenden, und die von der elektronischen Verknüpfungsschaltung 7 am Ausgang 33 gelieferten Impulse über einen Zähler in den Mikroprozessor einzulesen. Eine wesentlich genauere Messung erhält man jedoch, wenn man die Durchflußmenge pro Zeiteinheit ? und die Temperaturdifferenz Δ T zwischen Vor- und Nachlauftemperatur getrennt erfaßt und die für die Wärmemengenermittlung erforderliche Multiplikation von V mit Λ T durch den Mikroprozessor ausführen läßt.

TJm die vom Impulsgebersystem gelieferte Durchflußmengen-Information in den Mikroprozessor zur Weiterverarbeitung einlesen zu können, wurden bisher im wesentlichen zwei Verfahren angewandt.

Beim ersten bekannten Verfahren werden entsprechend Fig. 2 die vom Impulsgebersystem des Turbinenrad-Durchflußgebers 6 abgegebenen Impulse über einen Prequenz/Spannungswandler (P/U-Konverter) 9 in eine analoge, der Durchflußmenge pro Zeiteinheit proportionale, Spannung umgewandelt, die über einen Multiplexer 11 nach Umwandlung mittels eines Analog-Digital-Konverters 12 in eine vom Mikroprozessor 16 über die Digital-Eingabekanäle (Input Ports) 13, H, 15 und den Mikroprozessor-Datenbus 17 direkt einlesbare Form gebracht wird. Die von den Temperaturfühlern 2 und 5 für die Vor- und Nachlauftemperatur abgegebene Spannung wird ebenfalls über den Multiplexer an den Eingang 19 des Analog-Digital-Konverters gelegt. An die freien Multiplexereingänge 21 bzw. 20 können weitere Durchflußgeber mit P/U-Konvertern bzw. Vor- und Nachlauftemperaturfühlern angeschlossen werden. Der Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, daß für jeden

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Durchflußgeber ein eigener F/U-Konverter und ein zusätzlicher MxLtiplßxer-Eingang benötigt wird. Die Meßgenauigkeit wird durch den F/ü-Konverter insbesondere bei kleinen Durchflußraten bzw. bei häufig auftretender kurzzeitiger Durchflußdauer stark beeinträchtigt.

Das zweite für mikroprozessorgesteuerte Meßwerterfassungssysteme bekannte/Verfahren nach Fig. 3 unterscheidet sich vom ersten nach Fig. 2 nur in der Methode der Erfassung des Volumendurchflusaes. Nach Fig. 3 werden die vom Durch-•flußgeber 6 am Ausgang 25 des Impulsgebersystems I& gelieferten Impulse mittels eines elektronischen Zählers 26 gezählt. Der am Ausgang 27 des Zählers in Form eines digitalen Wortes vorliegende Zählerinhalt wird über die Digital-Eingabekanäle IP (Input Ports) 22, 23» 24 und den Datenbus 17 in den Mikroprozessor 16 zur Weiterverarbeitung eingelesen. Bei diesem Verfahren wird der durch die Genauigkeit des Durchflußgebers selbst gegebene Fehler durch die nachfolgende Meßkette praktisch nicht mehr vergrößert. Als Nachteil gegenüber dem Verfahren nach Fig. 2 ist jedoch der sehr hohe Hardware-Aufwand zu nennen. Es wird für jede Durchflußmenge, die z.B. mit acht Digitalstellen erfaßt werden soll ein elektronischer Zähler benötigt. Dieser hat im Falle eines BCD-Zählers 8x4=32 Bit für die acht 4-Bit Eingabekanäle benötigt werden. Eine nach diesem Verfahren realisierte Mehrfachwärmemengenmessung wird also sehr leitungsintensiv.

Aufgabe der Erfindung ist, einen Durchflußmengenzähler für mikroprozessorgesteuerte Meßwerterfassungssysteme zu schaffen, der mit möglichst geringem Aufwand an Hardware eine nur durch den Durchflußgeber selbst begrenzte Genauigkeit erreicht. Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die impulsführende Ausgangsleitung des Impulsgebersystems direkt oder nach Zwischenschaltung eines Impulshöhen-Anpassungsverstärkers mit mindestens einem Eingang eines Digital-Eingabekanals eines Mikroprozessors oder eines einen Mikroprozessor enthaltenden LSI Interface-Bausteins verbunden ist, der Zustand dieser Ausgangsleitung über den Digital-

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Eingabekanal vom Mirkoprozessor mit einer Frequenz eingelesen und abgefragt wird, die mindestens doppelt so hoch wie die höchste auftretende Durchflußgeber-Impulsfrequenz ist,und die Anzahl der Zustandsänderungen durch einen software-mäßig realisierten Zähler bestimmt wird,dessen Zählerinhalt unter Berücksichtigung der Impulswertigkeit die Durchflußmenge angibt.

Der große Vorteil des erfindungsgemäßen Durchflußmengenzählers ist die extrem einfache Hardware bzw. die nur durch den Durchflußgeber selbst begrenzte Genauigkeit. Pur die Realisierung von acht Durchflußmengenzählern mit je acht Dezimalstellen werden z.B. nach Fig.3 64 4-Bit Input-Ports, nach Fig.4 hingegen nur zwei benötigt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Durchflußmengenzähler zur Wärmemengenmessung durch Multiplikation der Volumendurchflußmenge pro Zeiteinheit des Wärmeträgers mit der Differenz zwischen Wärmeträger-Vorlauftemperatur und -Nachlauftemperatur, sowie mit der Massendichte und der spezifischen Wärmekapazität des Wärmeträgers verwendet werden, wobei mindestens eine dieser Multiplikationen durch den genannten Mikroprozessor ausgeführt wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand des in den Fig. 4 und 5 schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles beschrieben. Fig. 4 zeigt die Anordnung der Elemente des erfindungsgemäßen Durchflußzählers und Fig. 5 die zugehörigen Spannungs-Zeit Diagramme.

In Fig. 4 ist die impulsführende Ausgangsleitung 25 eines Turbinenrad-Durchflußgebers 6 mit Impulsgebersystem IG direkt oder nach Zwischenschaltung eines Impulshöhen-Anpassungsverstärkers V mit einem Eingang 31 eines Digital-Eingabekanals IP (z.B. ein Intel 8255 Input Port) 28 eines Mikroprozessors 16 verbunden. Der Impulshöhen-Anpassungsverstärker V kann je nach den Erfordernissen auch ein passiver Abschwächer (Spannungsteiler) sein. Es ist auch denkbar, mehrere Eingänge des Digital-Eingabekanals IP zu verbinden. Es kann auch ein LSI-Interface-Baustein verwendet werden, in dem der Digital-Eingabekanal IP und der Mikroprozessor MP integriert sind (z.B. von

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■ der Fa. Intel, wie unter der Handelsbezeichnung ÜPI-41A bekannt) . Der Zustand dieser Ausgangsleitung 25 wird über den Digital-Eingabekanal IP mit einer von der Strobe-Leitung 29 gegebenen Frequenz eingelesen, die mindestens doppelt so hoch wie die höchste auftretende Durchflußgeber-Impulsfrequenz ist. Die Anzahl der Zustandsänderungen wird durch einen softwaremäßig realisierten Zähler bestimmt, dessen Zählerinhalt unter Berücksichtigung der Impulswertigkeit die Durchflußmenge angibt.

Zur Veranschaulichung ist in Fig. 5 der zeitliche Verlauf der verschiedenen Impulse abgebildet, U 1 zeigt den Spannungsverlauf am Ausgang 25 des Impulsgebersystems IG·,des Durchflußgebers 6. Bei der hier zugrundegelegten positiven Logik entspricht dem oberen Spannungspegel die logische 1, dem unteren die logische 0. U 2 zeigt die Impulse der Strobe-Leitung 29j die die Einlesefrequenz des Digital-Eingabekanals IP vom Mikroprozessor MP her bestimmt. Jeder Wechsel des Spannungszustandes der Durchflußgeber-Ausgangsleitung 25 kann vom Mikroprozess'or MP durch entsprechende Programmierung erkannt werden und zur Inkrementierung eines software-mäßig realisierten Zählers verwendet werden. Die Erkennung des Zustandswechsels kann z.B. durch eine EXCLUSIV-ODER Bildung zwischen dem Ergebnis"· der momentanen und der unmittelbar vorhergehenden, durch die Frequenz in der Strobe-Leitung 29 getakteten Zustandsabfrage entsprechend U 3a erfolgen. Das Erkennen des Zustandswechsels erfolgt gegenüber der Zustandeabfrage um die entsprechende Rechenzeit t, im Mikroprozessor MP verzögert. Es ist auch denkbar, den Mikroprozessor so zu programmieren, daß es nur Jede Zustandsänderung von 0 auf 1 entsprechend U 3b oder nur jede Zustandsänderung von 1 auf 0 entsprechend U 3c zur Weiterschaltung des Zählers verwendet. In den letzteren beiden Fällen ist die Anzahl der Zustandswechsel-Erkennung pro Sekunde gleich der Impulsfrequenz von II 1, im Falle U 3a ist die Anzahl der Zustandswechsel-Erkennungen doppelt so groß wie die Impulsfrequenz von U 1. Dies ist bei der Ermittlung der Impulswertigkeit für den Software Zähler entsprechend zu berücksichtigen.

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. 9.

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Claims

Patentansprüche :

ϊ 1. jpurchflußmengenzähler, insbesondere für die Wärmemengen- ^-^messung, bei dem die Messung der Durchflußmenge pro Zeiteinheit mittels eines Turbinenrad-Durchflußgebers erfolgt, der ein Impulsgebersystem besitzt, dessen pro Zeiteinheit abgegebene Impulszahl proportional der Durchflußmenge pro Zeiteinheit ist, dadurch gekennzeichnet, daß die impulsführende Ausgangsleitung (25) des Impulsgebersystems (IG) direkt oder nach Zwischenschaltung eines Impulshöhen-Anpassungsverstärkers (V) mit mindestens einem Eingang (31) eines Digital-Eingabekanales (IP) eines Mikroprozessors (MP) oder eines einen Mikroprozessor (MP) enthaltenden LSI Interface-Bausteins verbunden ist, der Zustand dieser Ausgangsleitung (25) über den Digital-Eingabekanal (IP) vom Mikroprozessor (MP) mit einer Frequenz eingelesen und abgefragt wird, die mindestens doppelt so hoch wie die höchste auftretende Durchflußgeber-Impulsfrequenz ist, und die Anzahl der Zustandsänderungen "durch einen software-mäßig realisierten Zähler bestimmt wird, dessen Zählerinhalt unter Berücksichtigung der Impulswertigkeit die Durchflußmenge angibt.
2. Durchflußmengenzähler nach Anspruch 1, zur Wärmemengenmessung durch Multiplikation der Volumendurchflußmenge pro Zeiteinheit des Wärmeträgers mit der Differenz zwischen Wärmeträger-Vorlauftemperatur und -Nachlauftemperatur, sowie mit der Massendichte und der spezifischen Wärmekapazität des Wärmeträgers, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der zur Berücksichtigung der Impulswertigkeit durchgeführten Multiplikationen durch den genannten Mikroprozessor (MP) ausgoführt wird.

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