DE3340793C1 - Verfahren zum Messen der Wärmeaufnahme oder -abgabe eines Mediums über ein Objekt, insbesondere zur Wärmemessung bei Heizsystemen - Google Patents

Description

• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Messen eines Wärme- oder Kühlsll olns und/oder der Wärmeaufnahme oder -abgabe eines Mcdiums über ein Objekt zu schaffen, bei dem nur die für die Messung der Temperatur des Mediums im Vorlauf und im Rücklauf vorhandenen Temperaturfühler notwendig sind, ohne daß Einbußen in der Meßgenauigkeit gegenüber Verfahren und Vorrichtungen eintreten, bei dcnen die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums mit getrennten Meßeinrichtungen gemessen wird. Gemäß der Irfindung wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß periodisch nach Messung der Vorlauftemperatur (T@) und der Rücklauftemperatur (TR) einer der beiden Temperaturfühler auf eine Temperatur (T@) erwärmt wird, die um eine einstellbare, für das Objekt konstante Solltemperaturdifferenz (zlTM) über der Temperatur (TM) des Mediums um den Temperaturfüher liegt, und das Produkt aus einer Größe, die neben für das Objekt Konstanten die für die Erwärmung des Temperaturfühlers benötigte Leistung (P) enthält, und der ursprünglichen Temperaturdifferenz (Tv- TR) zwischen Vor- und Rücklauftempcratur gebildet wird.
• Bei der Erfindung werden nur noch die beiden Temperaturfühler benötigt, die ohnehin für die Messung der Vorlauf- und der Rücklauftemperatur notwendig sind.
• liner der beiden Temperaturfühler wird nach Feststel-Iting der Temperaturdifferenz (Tv- TR) zwischen Vor-und Rücklauf erwärmt, bis die Differenz der Temperatu@ dieses Temperaturfühlers (Te) zu der Temperatur des Mediums (TM), also (T@-TM), wobei TM=Tv oder TM= T}1 ist, je nachdem ob der Fühler im Vorlauf oder 110 Rücklauf erwärmt wird, einen vorausbestimmten, für das Objekt charakteristischen Wert hat. Die für die Erwärmung des Temperaturfühlers notwendige Leistung ist proportional zu der Temperaturerhöhung. Sie wird als Faktor zusammen mit der Differenz aus Vorlauf- und Rücklauftemperatur einem Rechner zugeführt Das Produkt ist proportional dem Wärmestrom. Nach Integration über die Zcit ergibt sich die Wärmemenge. Die Proportionalität zu der notwendigen Energie folgt aus folgenden Überlegungen: Der Wärmestrom Q in einem Objekt genügt der Gleichung # = = K v (Tv - T?) (1) @ = material- und maßabhängige Konstante v = mittlere Geschwindigkeit des Mediums T@ = Vorlauftemperatur TR = Rücklauftemperatur Andererseits gilt für einen Temperaturfühler im sta-Ande@@@se@s g@@ @@@ eine@ @e@pe@@@@@@@@@@ @@ @@@-tionären Zustand P = G(T@ - TM) (2) 1> = zugeführte elektrische Leistung = Wärmeleitwert T11 = Temperatur des beheizten Fühlers 7u = Temperatur der Fühler-Umgebung l:üi. den Wärmeleitwert G gibt es in der Literatur eine Anzahl empirischer Formeln (vgl. Emsmann u. a. in Fortschritt-Berichte der VDI-Zeitschriften«, Reihe 8, Nr. 18, Januar 1975, S.8 ff.), deren allgemeine Form lautet: G= a + b # v@ (3) Illil a.b b und cals Konstanten. Gleichung(3) in Gleichung (2) eingesetzt ergibt P = a(T@-TM) + b # V@. (TH - TM) (4) Aus den Gleichungen (l) und (4) ergibt sich aufgelöst nach l-fül den Wärmestrom:

  Q=K # ## # ######### @/@ # (TV-TR) (5)

  Gleichung (5) enthält vier Temperaturwerte. Bei der Erfindung werden nun mit zwei Fühlern drei Temperaturen, nämlich Tv und TR sowie zeitversetzt TH gemessen. Sodann wird einer der beiden Meßfühler. die für die Messung von Tv oder TR bestimmt sind, durch Zufuhr der elektrischen Leistung Pso weit erwärmt, daß immer TH - TM = #THM = konst (6) ist. Dabei bleibt die Temperatur des Mediums TH entweder gleich Tv oder TR, je nachdem, ob der Fühler im Vorlauf oder im Rücklauf erwärmt wird, variabel. Die Leistungszufuhr P ist jedoch so geregelt, daß die Bedingung (6) gilt. Unter der Voraussetzung nach Gleichung (6) wird dann aus (5) Q = K # (P - D)@@@ # (TV - TR) (7) K und D sind für ein Heizsystem einstellbare, konstante Werte.
• Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist so ausgerichtet, daß die einzelnen Elemente der Gleichung (7) genügen: Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß der zu erwärmende Temperaturfühler über einen Speicher und der andere Temperaturfühler direkt mit einem Summator verbunden sind, in dem die Temperaturdifferenz (Tv- TR) gebildet ist, der zu erwärmende Temperaturfühler und der Speicher mit einem zweiten Summator verbunden sind, dem auch als ein Sollwert die einstellbare für das Objekt konstante Solltemperaturdifferenz (#THM)zudgeführt ist und in dem die Differenz (- TH + TM + #THM) gebildet ist. der zweite Summator mit einem Leistungsregler verbunden ist, der einerseits mit dem zu erwärmenden Temperaturregler, andererseits mit einer Schaltung verbunden ist, in der ein Signal gebildet ist, das der zur Erwärmung des Temperaturfühlers notwendigen Leistung proportional ist und das ebenso wie das Ausgangssignal an dem ersten Summator einem Multiplizierer zugeführt ist, dem ein Integrator nachgeordnet ist. In Ausgestaltung der Erfindung besteht die Schaltung aus einem Summator, in dem die Differenz (P-D)zwischen der abgegebenen Leistung (P) und einer von dem Objekt bestimmten Konstanten (D) gebildet ist und der mit einem Rechner verbunden ist, in dem die c-te Wurzel aus der Differenz (P-D)gebildet und das Ergebnis mit einem Faktor (k) multipliziert ist, wobei cund kvon dem Objekt abhängige Konstanten sind. Dabei ist K = K1 # K2 # K3 mit kl als dem Umrechnungsfaktor der aus Summator und Rechner bestehenden Recheneinheit, k2 und k3 Umrechnungsfaktoren des Multiplizierers.
• Der Leistungsregelungsvorgang und die Messung der Temperaturdifferenz (Tv- TR) erfolgen periodisch. Dafür sorgen Steuerungssignale (S1, S2, S3, S4, S5) aus einem Oszillator, der für die zeitliche Steuerung der Meßschaltung vorgesehen ist.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Die einzige Figur zeigt das Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Wärmemessung bei Heizsystemen.
• Mit einem Temperaturfühler 1 wird die Vorlauftemperatur Tv eines Heizmediums gemessen, das einem nicht dargestellten Heizkörper zugeführt ist. Mit einem Temperaturfühler 2 wird die Rücklauftemperatur TR des aus dem Heizkörper austretenden Heizmediums gemessen. Die Vorlauftemperatur Tv ist in einem Speicher 3 gespeichert. Die Rücklauftemperatur TR ist einem Summator 4 zugeführt. Aus dem Speicher 3 wird auch die Vorlauftemperatur Tv dem Summator 4 zugeführt. Der Summator 4 bildet die Differenz (Tv- TR) aus der Vorlauf- und der Rücklauftemperatur. Das Differenzsignal wird einem Multiplizierer 5 zugeführt.
• Aus dem Speicher 3 wird die Vorlauftemperatur Tv auch einem zweiten Summator 6 zugeführt. Dem Summator 6 zugeführt ist weiterhin die Temperatur TH des Temperatuffühlers 1. Diese Temperatur ist zunächst gleich der Vorlauftemperatur Tv. Die Vorlauftemperatur Tv ist zugleich die Temperatur TM des strömenden Mediums um den Temperaturfühler 1 herum. Dem zweiten Summator 6 ist auch eine vorwählbare, konstante Temperaturdifferenz ATHM zugeführt. Aus der Vorlauftemperatur Tv und der vorwählbaren Temperatur dTHM wird in dem Summator 6 die Heiztemperatur gebildet. Die Abweichung der tatsächlichen von der Sollheiztemperatur steuert einen Leistungsregler 7. Hat die Aufheizung dazu geführt, daß die Temperatur TH des Temperaturfühlers den Sollwert erreicht hat, so ist die durch den Leistungsregler 7 abgegebene/gesteuerte Leistung P als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt. Anders ausgedrückt: So lange die Bedingung TH - TM = dTHM noch nicht erfüllt ist, steuert das im Summator 6 gebildete Ausgangssignal den Leistungsregler 7. Der Leistungsregler 7 führt dem Temperaturfühler 1 so lange Energie zu, bis die Temperatur TH des Temperaturfühlers 1 einen Wert erreicht, der gleich der Summe der Temperaturen TM+dTHM ist. Ist dieser Zustand erreicht, unterbleibt eine weitere Aufheizung des Temperaturfühlers 1.
• Der Temperaturfühler 1 dient also zum Zeitpunkt x zur Temperaturmessung und Zeitpunkt (x+dt) zur Geschwindigkeitsmessung. Der Temperaturfühler weist demnach im Zeitpunkt x die Temperatur seiner Umgebung, also des Mediums, auf. Er wird dann als Widerstand aufgeheizt und erreicht im Zeitpunkt (x+dt) eine neue Temperatur TH. Ein solcher Aufheiz- und Meßvorgang dauert in der Regel einige Sekunden; für sehr große Meßfühler kann er auch einige Minuten dauern.
• In einem weiteren Summator 8 wird die Differenz aus der Leistung P und einer für das Heizsystem einstellbaren Konstanten D gebildet. In einem Rechner 9 werden die Werte Wurzel aus der Differenz (P-D) gezogen und mit einem Faktor k multipliziert, wobei k= kl k2 k3 ist mit k, als dem Umrechnungsfaktor für die aus drittem Summator 8 und Rechner 9 bestehende Recheneinheit, k2 als Umrechnungsfaktor des Multiplizierers 5 für das aus dem Rechner 9 kommende Signal und k3 als Umrechnungsfaktor des Multiplizierers 5 für das aus dem Summator 4 kommende Signal. Auch k und c sind für ein Heizsystem konstante Werte. Das Ausgangssignal aus dem Rechner 9 wird dem Multiplizierer 5 zugeführt, in dem das Produkt aus der Temperaturdifferenz (Tv- TR) und dem Produkt k (P- D) 't; d.ts proportional der Strömung des Mediums ist, gebildet. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 5 ist der Wärmestrom Q. In dem Integrator 10 wird daraus die Wärmemenge Q. Die Wärmemenge kann direkt dem Integrator cntnommen werden.
• Für die zeitliche Steuerung der Meßschaltung ist ein Oszillator 11 vorgesehen. Der Oszillator gibt Signale S mit i= 1... 5 ab, wobei das Signal S dem Speicher 3, das Signal S2 dem Leistungsregler 7, das Signal Sj dem Rechner 9, das Signal S4 dem Multiplizierer 5 und das Signal Ss dem Integrator 10 zugeführt ist.
• Es ist möglich, die Temperaturfühler 1 und 2 zu vertauschen, also den Temperaturfühler, der die Rücklauftemperatur TR mißt, zu erwärmen. Dies kann aus konstruktiven Gründen in Betracht kommen. Wännetechnisch ist die beschriebene Lösung vorzuziehen. da nach Beendigung des Erwärmens des Temperaturfühlers 1 die zugeführte Wärme dem Objekt zugeführt wird.
• Mit der Erfindung kann nicht nur ein Heizmedium, sondern auch ein Kühlstrom gemessen werden. Bricht man hinter dem Multiplizierer 5 die Messung ab, wird der Wärmestrom gemessen. Auch beliebige andere Ströme können auf die beschriebene Art gemessen wcrden.

Claims (3)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zum Messen der Wärmeaufnahme oder -abgabe eines Mediums über ein Objekt, insbesondere zur Wärmemessung bei Heizsystemen, bei dem über zwei Temperaturfühler die Temperatur des Mediums vor und hinter dem Objekt gemessen sowie die Temperaturdifferenz zwischen Vorlauf-und Rücklauftemperatur gebildet wird, die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums über Temperaturmessungen erfaßt, das Produkt aus der Temperaturdifferenz und der der Strömungsgeschwindigkeit proportionalen Größe sowie das Integral des Produkts gebildet werden, da d u reh g e k e n n -z ei c h n e t, daß periodisch nach Messung der Vorlauftemperatur (Tv) und der Rücklauftemperatur (TR) einer der beiden Temperaturfühler (1 oder 2) auf eine Temperatur (TH) erwärmt wird, die um eine einstellbare, für das Objekt konstante Solltemperaturdifferenz (z/THM) über der Temperatur (TM) des Mediums um den Temperaturfühler (1 oder 2) liegt, und das Produkt aus einer Größe, die neben für das Objekt Konstanten die für die Erwärmung des Temperaturfühlers benötigte Leistung (P) enthält, und der ursprünglichen Temperaturdifferenz (Tv- TR) zwischen Vor- und Rücklauftemperatur gebildet wird.
2. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zu erwärmende Temperaturfühler (1) über einen Speicher (3) und der andere Temperaturfühler (2) direkt mit einem Summator (4) verbunden sind, in dem die Temperaturdifferenz (Tv- TR) gebildet ist, der zu erwärmende Temperaturfühler (1) und der Speicher (3) mit einem zweiten Summator (6) verbunden sind, dem auch als ein Sollwert die einstellbare für das Objekt konstante Solltemperaturdifferenz (STHM)zugeführt ist und in dem die Differenz (- TH + TH + dTHM) gebildet ist, der zweite Summator (6) mit einem Leistungsregler (7) verbunden ist, der einerseits mit dem zu erwärmenden Temperaturregler (1), andererseits mit einer Schaltung (8, 9) verbunden ist, in der ein Signal gebildet ist, das der zur Erwärmung des Temperaturfühlers (1) notwendigen Leistung proportional ist und das ebenso wie das Ausgangssignal an dem ersten Summator (4) einem Multiplizierer (5) zugeführt ist, dem ein Integrator (10) nachgeordnet ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsregler (7) mit einem dritten Summator (8) verbunden ist, in dem die Differenz (P-D) zwischen der abgegebenen Leistung (P) und einer von dem Objekt bestimmten Konstanten (D) gebildet ist, der dritte Summator (8) mit einem Rechner (9) verbunden ist, in dem die c-te Wurzel aus der Differenz (P-D) gebildet und das Ergebnis mit einem Faktor (k) multipliziert ist, wobei c und k von dem Objekt abhängige Konstanten sind.

   Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Wärmeaufnahme oder -abgabe eines Mediums über ein Objekt, insbesondere zur Wärmemessung bei Hcizsystemen, bei dem über zwei Temperaturfühler die Temperatur des Mediums vor und hinter dem Objekt gemessen sowie die Temperaturdifferenz zwischen Vorlauf-und Rücklauftemperatur gebildet wird, die Ströll1ungsgeschwindigkeit des Mediums über Temperaturmessungen erfaßt, das Produkt aus der Temperaturdifferenz und der der Strömungsgeschwindigkeit proportionalen Größe sowie das Integral des Produkts gebildet werden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Vcrfahrens.

   Der Wärmeverbrauch von Heizungsanlagen wird in der Regel durch Integration des Produkts aus der Durchflußmenge und der Differenz zwischen der Vorlauftemperatur und der Rücklauftemperatur ermittelt.

   Zur Messung der Temperaturdifferenz sind zwei Temperaturfühler, z. B. Thermoelemente oder temperaturabhängige Widerstände, vorgesehen, die in die vorlaufseitige und rücklaufseitige Anschlußleitung eingebaut oder wärmeleitend mit ihnen verbunden sind. Für die Messung der Durchflußmenge sind mehrere Maßnahmen bekannt. Es kann der Druckabfall an einer Meßblende gemessen, ein Zähler mit Flügelrad verwendet oder der Durchfluß induktiv festgestellt werden. Den größten Aufwand bei den zumindest drei Meßstellen erfordernden Messungen der vorgenannten Art bringt die Messung der Durchflußmenge mit sich. Man hat daher versucht, an die Stelle der Messung der Durch flußmenge die Messung einer von der Durchflußmenge abhängigen Größe treten zu lassen.

   Aus der DE-OS 26 23 972 ist es bekannt, die Durchflußmenge oder davon abhängige Größen durch Temperaturdifferenzen zu messen. Verwendet sind eine Wärmebrücke, die die vor- und rücklaufseitige Anschlußleitung wärmeleitend miteinander verbindet; ein erstes Paar von Meßstellen, die der einen Anschlußleitung zugeordnet sind und von denen die eine vor und die andere hinter der Wärmebrücke liegt; ein zweites Paar von Meßstellen, von denen die eine der vorlaurseitigen und die andere der rücklaufseitigen Anschlußleitung zugeordnet ist; und eine Auswerteschaltung zur Bildung eines Quotienten, dessen Zähler eine Funktion der Temperaturdifferenz der Meßstellen des zweiten Paares und dessen Nenner gleich der Temperaturdifferenz der Meßstellen des ersten Paares ist. Selbst wenn die hinter der Wärmebrücke in der einen Anschlußleitung liegende Meßstelle des ersten Paares identisch ist mit der vorlaufseitigen Meßstelle des anderen Paares, bleiben neben der Wärmebrücke drei Meßstellen für die Vorrichtung. Aus der DE-OS 29 01 270 ist es bekannt, zwischen zwei Temperaturmeßwertgebern, von denen der eine im Vorlauf, der andere im Rücklauf eines Wärmeübertragers angebracht ist, zwei Durchflußwiderstände anzuordnen, die derart auf den Wärmeübertrager abgestimmt sind, daß eine Pumpe bei allen Stellungen eines dem Wärmeübertrager zugeordneten Ventils pro Zeiteinheit eine bestimmte gleichbleibende Durchflußmenge des Heizmediums durch den Wärmeübertrager pumpt. An die Stelle der Messung der Durchflußmenge eine Vorrichtung treten zu lassen, die die Durchflul3-menge konstant hält, erfordert mindestens den gleichen Aufwand wie die Messung.