DE3024053A1 - Durchflussmesser - Google Patents

Description

(LANDlS & GYR) LGZ LANDIS & GYR ZUG AG CH-6301 ZUG, Schweiz

Durchflussmesser

^PA

Durchflussmesser

Die Erfindung bezieht sich auf einen Durchflussmesser für eine als Heizmedium dienende Flüssigkeit, die über eine Vorlauf leitung zu einem Wärmeverbraucher und von diesem in eine Rücklauf leitung zurückfliesst.

Es ist ein Wärmemengenzähler bekannt (DE-OS 25 28 385), bei dem ein Zweipunktregler je einen Bypass der Vorlauf leitung und der Rücklauf leitung abwechselnd öffnet und schliesst, wobei die beiden Bypässe durch ein gemeinsames Mischgefäss führen. Dem Regler wird als Sollwert eine Mitteltemperatur zwischen Vor- und Rücklauftemperatur eingegeben und mit der Mischtemperatur im Mischgefäss verglichen. Jeweils beim Erreichen einer vorgegebenen positiven bzw. negativen Temperaturabweichung vom Sollwert werden die Bypässe umgeschaltet. Die Anzahl der Umschaltungen während eines bestimmten Zeitintervalls dient als Mass für die abgegebene Wärmemenge. Dieses Messprinzip geht von der Annahme einer linearen Aenderung der Mischtemperatur aus. Da die Aenderung der Mischtemperatur in Wirklichkeit jedoch exponentiell verläuft, ist es einerseits erforderlich, die Schalttemperaturdifferenz des Reglers klein zu wählen, um im annähernd linearen Bereich der exponentiellen Mischtemperaturänderung zu arbeiten, und andererseits drängen sich Korrekturmassnahmen auf. Die geringe Schalttemperaturdifferenz des Reglers äussert sich in einer hohen Häufigkeit der Umschaltungen der Bypässe, weshalb die Wärmeleistung, die vom Vorlauf über das Mischgefäss unmittelbar in den Rücklauf fliesst, verhältnismässig gross ist. Um diese über das Mischgefäss in den Rücklauf abgeführte und dem Wärmeverbraucher entzogene Wärmeleistung in annehmbaren Grenzen zu halten, muss mittels Blenden dafür gesorgt werden, dass der Flüssigkeitsstrom aufgeteilt wird und nur ein Teilstrom durch das Mischgefäss fliesst. Dies bringt die Gefahr mit sich, dass sich die Aufteilung des Flüssigkeitsstromes infolge Verschmutzungen mit der Zeit ändert, wodurch zusätzliehe Messfehler auftreten. Eine gesonderte Erfassung des Durchflusses ist bei diesem Wärmemengenzähler nicht möglich.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Durchflussmesser der eingangs genannten Art zu schaffen, der mittels eines Mischgefässes den gesamten Flüssigkeitsstrom im Wärmeverbraucher erfasst, also keine Stromauftei lung erfordert, bei dem die vom Vorlauf über das Mischgefäss in den Rücklauf zurückgeführte Wärmeleistung trctzdem gering ist und der dem exponentiellen Verlauf der Aenderung der Mischtemperatur im Mischgefäss in mathematisch exakter Weise Rechnung trägt.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale.

Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
15

Es zeigen: Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Durch

fluss- und Wärmeleistungsmessers, Fig. 2 ein Temperatur-Zeit-Diagramm,

Fig. 3 und 4 je ein Schaltbild eines Messkreises, Fig. 5 eine Variante des Durchfluss- und

Wärmeleistungsmessers nach der Fig. und
Fig. 6 ein Diagramm.

in der Fig. 1 bedeutet 1 eine Vorlauf leitung für eine als Heizmedium dienende Flüssigkeit, die zu einem Wärmeverbraucher 2 und von diesem in eine Rücklauf leitung 3 zurückf liesst. In der Vorlaufleitung 1 sind zwei Umschaltventile 4, 5 und in der Rücklauf leitung 3 zwei Umschaltventile 6, 7 angeordnet, die mit einem gemeinsamen

■*" Mischgefäss 8 in Verbindung stehen. Ein Ausgang 9 eines Steuergliedes 10 ist mit Stellantrieben 11, 12 der Umschaltventile 4, 5 und ein gegenüber dem Ausgang 9 invertierter Ausgang 13 mit Stellantrieben 14, 15 der Umschaltventile 6, 7 verbunden.

Ein Temperaturfühler 16 erfasst die Vorlauftemperatur ■& in der Vorlauf leitung 1, ein Temperaturfühler 17 die Rücklauftemperatur ''

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--3T-

in der Rücklauf leitung 3 und ein Temperaturfühler 18 die Mischtemperatur ^ im Mischgefäss 8. Ein Eingang 19 eines Messkreises m

20 ist über einen vom Steuerglied 10 gesteuerten Umschalter 21 alternierend mit dem Temperaturfühler 16 und dem Temperaturfühler 17 und ein Eingang 22 mit dem Temperaturfühler 18 verbunden. Am Eingang 19 des Messkreises 20 steht der jeweilige Messwert der Eingangstemperatur # des Mischgefässes 8 an. Der Messkreis besteht aus einem an den Eingang 19 angeschlossenen Filter 23, einem an den Eingang 22 angeschlossenen Filter 24 und einem Identi- ^O fikationsglied 25, das mit den Filtern 23, 24 und einem Ausgang des Messkreises 20 verbunden ist. Die Filter 23, 24 sind gleiche Tiefpassglieder erster Ordnung.

An den Messkreis 20, welcher die Zeitkonstante T der Aenderung der Mischtemperatur ^ ermittelt, ist ein Rechenglied 27 zur Berechnung des Reziprokwertes der Zeitkonstanten T angeschlossen. Dieser Reziprokwert stellt ein Mass für den Massendurchfluss m dar. Das Rechenglied 27 ist ausserdem mit den Temperaturfühlern 16, 17 verbunden, womit die Möglichkeit geschaffen ist, im Rechenglied 27 den Quotienten (^ - '° )/T zu berechnen, der ein Mass für die Wärmeleistung Q darstellt.

Die beschriebene Anordnung arbeitet wie folgt:

Das Steuerglied 10 steuert die Umschaltventile 4 bis 7 alternierend in eine erste und in eine zweite Stellung. Die erste Stellung wird während des in der Fig. 2 mit T. bezeichneten Zeitintervalls

t = 0 bis t und die zweite Stellung während des mit T₀ bezeicho /

neten Zeitintervalls t bis t eingenommen. In der ersten Stellung

ο ρ

ist das Mischgefäss 8 unmittelbar zwischen die Vorlauf leitung 1 und den Wärmeverbraucher 2 geschaltet, so dass die gesamte Vorlaufflüssigkeit durch das Mischgefäss 8 zum Wärmeverbraucher 2 fliesst. In der zweiten Stellung ist das Mischgefäss 8 unmittelbar zwischen den Wärmeverbraucher 2 und die Rücklauf leitung 3 geschaltet, so dass die gesamte Rücklaufflüssigkeit vom Wärmeverbraucher 2 über das Mischgefäss 8 zur Rücklauf leitung 3 fliesst. Wie aus der

Fig. 2 ersichtlich ist, schwankt die Eingangstemperatur -? des Mischgefässes 8 gemäss einer Sprungfunktion zwischen den Werten

»? und # . Die Mischtemperatur & nähert sich innerhalb des Zeit v r m

Intervalls T. nach einer Exponentialfunktion dem Wert -9 und innerhalb des Zeitintervalls T_n dem Wert & . Der Messkreis 20 er-

2 r

mittelt, wie bereits erwähnt, die Zeitkonstante T der Aenderung der Mischtemperatur * , und das Rechenglied 27 berechnet den Reziprokwert der Zeitkonstante T.

Fliesst die Vorlaufflüssigkeit durch das Mischgefäss 8, so gilt

d*

MC — = mc* - mc* (1 )

dt ν m

wobei M und C Koeffizienten des Mischgefässes 8, m den Massendurchfluss und c die spezifische Wärme der Flüssigkeit bedeuten.

Für den Fall, dass die Rücklaufflüssigkeit durch das Mischgefäss fliesst, gilt

MC OL. _{= mc}a _ _mc»> (2)

dt ^{r m}

Die Gleichungen (1) und (2) entsprechen einem Tiefpassglied erster Ordnung mit dem Eingangssignal »9 bzw. * , dem Ausgangssignal * und der Zeitkonstante T, für die gilt

mc

Daraus ergibt sich der Massendurchfluss

JC_ . JL (4)

rf, .

c T

Der Reziprokwert der Zeitkonstante T ist also ein Mass für den Massendurchfluss m.

4 -

?■

Die Wärmeleistung Q beträgt

Der Quotient (& - & )/T ist also ein Mass für die Wärmelei-

v r

stung Q. Durch Bildung des Zeitintegrals der Wärmeleistung Q kann die Wärmemenge gezählt werden.

Die Wärmeleistung Q kann auch ohne Messung der Vorlauftemperatur ^_w und der Rücklauftemperatur &_r ermittelt werden, denn es gilt

- V/T Q =

Ji^ . 1 - e "A · e "P -'V' /, _(t ,._{# (t} Λ

T, χ / . _x\momp/

, . . "^(tP - ^AI (6)

Aus (6) ergibt sich für t = 2 t

ρ ο

1 ₊ e "^to/T

1 - β

Ist t viel grosser als T, so gilt

Die Vorteile der beschriebenen Messanordnung lassen sich nun leicht erkennen. Da die Zeitkonstante T der Aenderung der Mischtemperatur ?? ermittelt wird, wird dem exponentiellen Verlauf dieser Aen-

derung in mathematisch exakter Weise Rechnung getragen. Die Wärmeleistung Q kann nach Gleichung (5) aus der Zeitkonstante T, der Vorlauftemperatur # und der Rücklauftemperatur # im Rechenglied 27 auf einfache Weise berechnet werden. Gemäss Gleichung (6), (7) oder (8) kann die Wärmeleistung Q sogar aus der Zeitkonstante T und der Mischtemperatur *' ermittelt werden, ohne dass die Vorlauftemperatur ^ und die Rücklauftemperatur «? gemessen werden, so dass man mit einem einzigen Temperaturfühler auskommt, der lediglich die Mischtemperatur ^ erfasst. Dies setzt allerdings voraus, dass auch die Zeitkonstante T ausschliesslich aus der Mischtemperatur ** , d.h. ohne Messung der Eingangstemperatur & _f ermittelt wird, was jedoch, wie weiter unten noch gezeigt wird, leicht möglich ist.

'5 Die Messanordnung transportiert einen Teil Q der Wärmeleistung Q über das Mischgefäss 8 unmittelbar vom Vorlauf in den Rücklauf. Hierbei gilt

-T- = f · T = 1 (9)

Q T₁₊T₂

wobei f die Umschaltfrequenz der Umschaltventile 4 bis 7 bedeutet. Durch die Wahl einer im Vergleich zur Zeitkonstante T tiefen Umschaltfrequenz f kann also dafür gesorgt werden, dass die über 25

das Mischgefäss 8 abgeführte Wärmeleistung vernachlässigbar klein ist.

Anhand der Fig. 3 soll die Arbeitsweise des Messkreises 20 noch

eingehender erläutert werden. Aus den UebertragungsfunKtionen 30

des Mischgefässes 8 und der Filter 23, 24 ergibt sich die Zeitkonstante T

wobei W und V die Ausgangssignale der Filter 23, 24 bedeuten.

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•/10-

Die Ableitung Ό = ist eine filterinterne Grosse und damit

bekannt. Das Identifikationsglied 25 tastet die Ausgangssignale W und V periodisch ab. Für jeden Messzeitpunkt liegt eine Gleichung der Form (10) vor. Für mehrere Messzeitpunkte ergibt sich daher ein überbestimmtes Gleichungssystem, das im Identifikationsglied 25 mit einer Ausgleichsrechnung gelöst wird.

Der in der Fig. 4 dargestellte Messkreis 28 erlaubt die Bestimmung der Zeitkonstante T ohne Messung der Eingangstemperatur ^?' des Mischgefässes 8. Dieser Messkreis 28 besteht aus einem Speicher 29, einem Amplitudenmessglied 30 und einem Identifikationsglied 31. Der Eingang 32 des Speichers 29 ist an den in der Fig. 4 nicht gezeichneten Temperaturfühler 18 angeschlossen, der die Mischtemperatur '' des Mischgefässes 8 misst. Die Messwerte der Mischtemperam

tür $ werden durch einen nicht gezeichneten Schalter des Messen

kreises 28 periodisch abgetastet und in den Speicher 29 eingespeichert. Das mit dem Speicher 29 verbundene Amplitudenmessglied 30 ermittelt aus den Messwerten für " (t = 0) und $ (t =°° )

m m

die Amplitude A^ des Eingangssignals ¹^ des Mischgefässes 8. Oie Messwerte der Mischtemperatur & und der Messwert der Amplitude A^ gelangen zum Identifikationsglied 31. In diesem wird T derart bestimmt, dass die Funktion

- iAT/T

25 Z = i = O

(iAT) - * - Δ* 1 - e

)J

(11)

minimal wird. In der Gleichung (11) bedeutet AT das Intervall zwischen den einzelnen Abtastungen der Messwerte von * , und _q ^m

& bedeutet die Mischtemperatur im Umschaltzeitpunkt der Umschaltventile 4 bis 7. Der Term ? (ΐΔτ)-# stellt die auf den Umschalten ο

Zeitpunkt bezogene Aenderung der Mischtemperatur und der Term A??_e(i~^e ) die Antwort des als Tiefpass wirkenden Mischgefässes 8 auf einen Eingangssprung der Amplitude A$ dar. Die Bestim-3d e

mung von T derart, das Z minimal wird, erfolgt im Identifikationsglied 31 z.B. durch Lösen der Gleichung —— = 0.

^0T /

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Die Ermittlung der Zeitkonstante T kann selbstverständlich auch nach anderen als den hier beschriebenen Methoden erfolgen, wozu auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen wird.

In der Messanordnung nach der Fig. 1 sind zum umschaltbaren Anschliessen des Mischgefässes 8 an den Vorlauf und den Rücklauf gesonderte Ventile 4 bis 7 erforderlich. Anhand der Fig. 5 wird gezeigt, dass es möglich ist, ein Mischgefäss über ein Ventil anzuschliessen, das in der Heizungsanlage ohnehin zur Steuerung oder Regelung der dem Wärmeverbraucher 2 zugeführten Wärmeleistung erforderlich ist.

In der Fig. 5 sind gleiche Teile wie in der Fig. 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Ein erster Eingang eines Ventils 33, das ein Umschaltventil oder ein kontinuierlich verstellbares Mischventil sein kann, ist an die Vorlauf leitung 1 und ein zweiter Eingang über einen Bypass 34 an die Rücklauf leitung 3 angeschlossen. Ein Mischgefäss 35, das einen einzigen Eingang und einen einzigen Ausgang aufweist, ist zwischen den Ausgang des Ventils 33 und den Wärmeverbraucher 2 geschaltet. Eine Umwälzpumpe 36 liegt in Reihe mit dem Mischgefäss 35 und dem Verbraucher 2 zwischen dem Ausgang des Ventils 33 und der Rücklauf leitung 3 bzw. dem Bypass 34. Ein Stellantrieb 37 des Ventils 33 ist an den Ausgang des Steuergliedes 10 angeschlossen. Der Temperaturfühler 18 erfasst die Mischtemperatur # des Mischgefässes 35 und ist, was in der

Fig. 5 nicht dargestellt ist, mit dem Eingang 22 des Messkreises (Fig. 1) bzw. mit dem Eingang 32 des Messkreises 28 (Fig. 4) verbunden.

I_n der einen Endstellung des Ventils 33 fliesst das Heizmedium von der Vorlauf leitung 1 über das Ventil 33, und das Mischgefäss 35 zum Verbraucher 2 und von diesem über die Umwälzpumpe 36 zur Rücklauf leitung 3, wobei der Bypass 34 geschlossen ist. In der anderen Endstellung ist der Bypass 34 geöffnet und die Vorlaufleitung 1 geschlossen, so dass die Rücklaufflüssigkeit vom Verbraucher 2 über den Bypass 34 und das Mischgefäss 35 zum

Verbraucher 2 zurückfliesst. Falls das Ventil 33 ein Mischventil ist, so wird der Vorlaufflüssigkeit ein von der Stellung des Ventils abhängiger Anteil der Rücklaufflüssigkeit beigemischt.

Ist das Ventil 33 ein Umschaltventil, so wird zur Steuerung oder Regelung der Wärmeleistung Q das Tastverhältnis des in diesem Fall rechteckförmigen Ausgangssignals des Steuergliedes 10 und damit in der Fig. 2 das Verhältnis T : T verändert. Die Wärmeleistung Q wird im Rechenglied 27 (Fig. 1) nach Gleichung (6) berechnet. Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist also darin zu sehen, dass das Verhältnis T. : T„ verändert werden darf, so dass die Wärmeleistung Q mit dem gleichen Ventil gesteuert oder geregelt werden kann, das zur Durchflussmessung dient.

Ist das Ventil 33 ein Mischventil, so setzt sich das Ausgangssignal des Steuergliedes 10 aus einem Gleichstromanteil und einem rechteckförmigen Anteil zusammen. Zur Steuerung oder Regelung der Wärmeleistung Q wird der Gleichstromanteil verändert, während der diesem überlagerte rechteckförmige Anteil zur Durchflussmessung dient. Der in der Fig. 6 mit α bezeichnete Hubmittelwert des Ventilhubs α entspricht dem Gleichstromanteil. Der rechteckförmige Anteil steuert das Ventil 33 alternierend in eine erste Stellung mit dem Hub α = α + Δ α und in eine zweite Stellung mit dem Hub α = α - Δ α. In der ersten Stellung fliesst ein gegenüber der zweiten Stellung erhöhter Anteil an Vorlaufflüssigkeit und in der zweiten Stellung ein gegenüber der ersten Stellung erhöhter Anteil an Rücklaufflüssigkeit durch das Mischgefäss 35, so dass sich wiederum die Zeitkonstante T ermitteln lässt. Für die Eingangstemperatur ^ des Mischgefässes 35 gilt

Die Wärmeleistung Q kann im Rechenglied 27 gemäss der Beziehung Q - -f- (*, - *r> «ο Ο³)

oder gemäss der Beziehung

ο/Τ

Ζ, (tj - ^ (2tJ] (14)

2Δα _t , \ ^m ° mo

1 - e ^O/T

ermittelt werden, die im Falle einer linearen Charakteristik des Ventils 33 und t = 2 t gilt. Ist die Charakteristik des Ventils

P ο

33 nicht linear, so kann es erforderlich sein, deren Einfluss

10 auf das Resultat der Wärmeleistungsmessung zu kompensieren.

Vorteilhaft kann als Mischgefäss 35 ein Rohrstück dienen. Als Mischgefäss 8 (Fig. 1) eignet sich auch ein Wärmetauscher.

15 Der Messkreis 20 bzw. 28 und das Rechenglied 27 werden vorteilhaft mittels eines Mikrocomputers realisiert.

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ZUSAMMENFASSUNG

Ein Steuerglied (10) steuert Ventile (4 bis 7) alternierend in eine erste und zweite Stellung. In der ersten Stellung fliesst Vorlaufflüssigkeit und in der zweiten Stellung Rücklaufflüssigkeit durch ein Mischgefäss (8). Ein Temperaturfühler (18) misst die Mischtemperatur (^ ) im Mischgefäss (8), ein Messkreis (20) ermittelt m

die Zeitkonstante der Aenderung der Mischtemperatur (^ ) und

ein Rechenglied (27) berechnet den Reziprokwert der Zeitkonstante. Der Reziprokwert entspricht dem Durchfluss. Der Durchflussmesser dient vorteilhaft zur Verwendung in einem Wärmeleistungsmesser oder Wärmemengenzähler. Als Ventile (4 bis 7) kann ein Umschaltventil oder Mischventil dienen, das in Heizungsanlagen zur Steuerung oder Regelung der Wärmeleistung ohnehin erforderlich ist.

(Fig. 1)

HN/ku 25

. AS-

Leerseite

Claims (8)

PATENTANSPRUECHE

1. j Durchflussmesser für eine als Heizmedium dienende Flüssigst, die über eine Vorlauf leitung zu einem Wärmeverbraucher und von diesem in eine Rücklauf leitung zurückf liesst, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mischgefäss (8; 35), wenigstens ein Ventil (4 bis 7; 33) und ein mit einem Stellantrieb (11; 12; 14; 15; 37) des Ventils (4 bis 7; 33) verbundenes Steuerglied (10) vorgesehen sind, dass das Steuerglied (10) das Ventil (4 bis 7; 33) alternierend in eine erste und in eine zweite Stellung steuert, wobei in der ersten Stellung die Vorlaufflüssigkeit oder ein gegenüber der zweiten Stellung erhöhter Anteil an Vorlaufflüssigkeit und in der zweiten Stellung die Rücklaufflüssigkeit oder ein gegenüber der ersten Stellung erhöhter Anteil an Rücklaufflüssigkeit durch das Mischgefäss (8; 35) fliesst, dass ein Temperaturfühler (18), mit dem die Mischtemperatur (⁷^ ) im Mischgefäss (8; 35) gemessen wird, mit einem Messkreis (20; 28) zur Ermittlung der Zeitkonstante (T) der Aenderung der Mischtemperatur (# ) verbunden ist, und dass an den Messkreis (20;

28) ein Rechenglied (27) zur Berechnung des Reziprokwertes der Zeitkonstante (T) angeschlossen ist.

2. Durchflussmesser nach Anspruch 1, zur Verwendung in einem Wärmeleistungsmesser oder Wärmemengenzähler, dadurch gekennzeichnet, dass das Rechenglied (27) zur Berechnung des Quotienten aus der Differenz (# -^) von Vorlauftemperatur (^ ) und Rück lauf temperatur (^ ) und aus der Zeitkonstante (T) eingerichtet ist.

3. Durchflussmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rechenglied (27) zur Berechnung der Differenz (d - ΰ ) von Vorlauftemperatur (^ ) und Rücklauftemperatur Φ ) aus dem zeitlichen Verlauf der Mischtemperatur (# ) eingerichtet ist.

4. Durchflussmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (33) zur Steuerung oder Regelung der dem Wärmeverbraucher (2) zugeführten Wärmeleistung ausgebildet ist.

5. Durchflussmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (33) ein Umschaltventil ist und dass das Tastverhältnis (T₁ : T„) des Ausgangssignals des Steuergliedes (10) zur Steuerung oder Regelung der Wärmeleistung veränderbar ist.

6. Durchflussmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (33) ein kontinuierlich verstellbares Mischventil ist, dass ein Gleichstromanteil des Ausgangssignals des Steuergliedes (10) zur Steuerung oder Regelung der Wärmeleistung veränderbar ist und dass dem Gleichstromanteil ein rechteckförmiger Anteil überlagert ist.

7. Durchflussmesser nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischgefäss (35) einen einzigen Eingang und einen einzigen Ausgang aufweist und zwischen den Ausgang des Ventils (33) und den Wärmeverbraucher (2) geschaltet ist.

8. Durchflussmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischgefäss (35) ein Rohrstück ist.