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1. WO2020109397 - HEAT METER AND METHOD FOR OPERATING A HEAT METER

Note: Text based on automatic Optical Character Recognition processes. Please use the PDF version for legal matters

[ DE ]
"Wärmemengenzähler und Verfahren zum Betrieb eines

Wärmemengenzählers"

Die Erfindung betrifft einen Wärmemengenzähler und ein Verfahren zum Betrieb eines Wärmemengenzählers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 3.

Aus dem Stand der Technik sind Wärmemengenzähler bekannt, mittels derer Wärmemengen erfasst werden, welche von einem

Medium transportiert werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Wärmemengenzähler und ein Verfahren zum Betrieb eines Wärmemengenzählers vorzuschlagen, durch welchen bzw. welches ein Zusatznutzen oder ein

Alternativnutzen verfügbar wird.

Diese Aufgabe wird ausgehend von den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bzw. 3 durch die kennzeichnenden Merkmale des jeweiligen Anspruchs gelöst. In den jeweiligen Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen angegeben.

Der Wärmemengenzähler für ein Medium umfasst einen

Leitungsabschnitt, eine Prozessoreinheit und einen in einen Innenraum des Leitungsabschnitts reichenden Sensor, wobei mittels des Sensors eine Temperatur des Mediums und eine

Strömungsgeschwindigkeit, mit welcher das Medium den

Leitungsabschnitt durchströmt, messbar ist, wobei der Sensor erfindungsgemäß als CTA-Sensor ausgebildet ist, welcher einen in dem Leitungsabschnitt von dem Medium umströmten Messwiderstand umfasst, und wobei der Wärmemengenzähler eine

Energieversorgungseinrichtung umfasst, an welche der

Messwiderstand derart angeschlossen ist, dass der Messwiderstand in einem Aufheizbetrieb von der Energieversorgungseinrichtung versorgt ist. Hierdurch kann mit dem Wärmemengenzähler auf das in dem Leitungsabschnitt befindliche Medium eingewirkt werden, so dass sich eine weitere bzw. alternative Messmöglichkeit

ergibt und hiermit ein Funktionsumfang des Wärmemengenzählers erweitert wird. Um in dem Messbetrieb einen Volumenstrom

erfassen zu können, ist der Leitungsabschnitt in

Strömungsrichtung über einen vor der dem Sensor beginnenden und nach dem Sensor endenden Längenabschnitt mit einem gleichbleiben, in der Prozessoreinheit hinterlegten Querschnitt ausgebildet.

Es ist weiterhin vorgesehen, dass der Wärmemengenzähler einen weiteren Sensor umfasst, wobei der weitere Sensor als

Temperatursensor ausgebildet ist und wobei der Temperatursensor entfernt von dem CTA-Sensor in einem an den Leitungsabschnitt angeschlossenen Rohrsystem angeordnet ist. Durch den weiteren Sensor ist es nicht nur Möglich eine Wärmemenge, welche den

Wärmemengenzähler durchströmt zu ermitteln, sondern eine

Wärmemenge zu ermitteln, welche von dem Rohrsystem auf einem zwischen dem weiteren Sensor und dem CTA-Sensor ausgebildeten Abschnitt, welcher insbesondere einen oder mehrere Heizkörper umfasst, in einem Heizbetrieb abgegeben bzw. in einem

Kühlbetrieb aufgenommen wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, den Wärmemengenzähler in einem Messbetrieb zur Messung einer Wärmemenge zu betreiben oder in einem Analysebetrieb zur Bestimmung einer

Zusammensetzung des Mediums zu betreiben und insbesondere

abwechselnd im Messbetrieb und im Analysebetrieb zu betrieben. Hierdurch kann mittels des Wärmemengenzählers auch eine

Zusammensetzung des Mediums bestimmt werden, so dass über die Zusammensetzung des Mediums auch die spezifische Wärmekapazität des Mediums bestimmt werden kann und somit eine besonders genaue Berechnung von mittels des Mediums transportierter Wärmemengen möglich ist.

Es ist vorgesehen, in dem Messbetrieb zur Ermittlung einer von dem Medium transportierten Wärmemenge mittels des CTA-Sensors wiederholt sequentiell die Temperatur des Mediums und die

Strömungsgeschwindigkeit des Mediums zu messen, mit welcher das Medium den Leitungsabschnitt durchströmt, und aus den Messwerten die transportierte Wärmemenge zu errechnen. Durch eine derartige sequentielle Messung lässt sich die transportierte Wärmemenge mit minimalem technischen Aufwand bestimmen.

Weiterhin ist es vorgesehen, in dem Analysebetrieb zur

Bestimmung der Zusammensetzung des Mediums die nachfolgend genannten Schritte durchzuführen,

- wobei ein erster Widerstandswert des in dem Medium

befindlichen Messwiderstands bei einer definierten Temperatur des Mediums gemessen wird und dieser Widerstandswert als

Minimalwert definiert wird,

- wobei anschließend an den Messwiderstand eine definierte Heizleistung angelegt wird,

- wobei begleitend bis zu einem Erreichen eines Maximalwerts der Widerstandswert des Messwiderstands gemessen wird und danach die Heizleistung abgeschaltet wird,

- wobei als Einschwingzeit eine Zeitdifferenz zwischen einem ersten Anstieg des Widerstandswerts des Messwiderstands und einem letzten Anstieg des Widerstandswerts des Messwiderstands ermittelt wird,

- wobei aus dieser Einschwingzeit die Zusammensetzung des Mediums ermittelt wird und

- wobei das Verfahren bei ruhendem Medium durchgeführt wird. Durch einen derartigen Ablauf ist es ohne zusätzliche technische Mittel möglich, mit dem Wärmemengenzähler die Zusammensetzung des Mediums zu bestimmen bzw. zu überprüfen. Dies hat insbesondere auch den Vorteil, dass sich der Wärmemengenzähler quasi selbst auf verschiedene Zusammensetzungen von Medien einstellen kann und dass die Wärmemengenzähler die

Zusammensetzung von Medien überwachen bzw. eine Veränderung einer Zusammensetzung eines Mediums detektieren kann.

Es ist auch vorgesehen, dass das Verfahren nach Anspruch 4 wiederholt durchgeführt wird und das Medium auf der Basis eines Mittelwerts der gemessenen Einschwingzeiten ermittelt wird.

Hierdurch wird eine erhöhte Genauigkeit erreicht und werden Fehler bei der Bestimmung der Zusammensetzung eines Mediums vermieden .

Schließlich ist es vorgesehen, in dem Messbetrieb mittels des CTA-Sensors wiederholt sequentiell die Temperatur des Mediums zu messen und die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums zu messen, mit welcher das Medium den Leitungsabschnitt durchströmt, und mittels des weiteren Sensors wiederholt die Temperatur des Mediums zu messen und aus den Messwerten die Wärmemenge zu errechnen, welche von dem zwischen dem ersten Sensor und dem weiteren Sensor angeordneten Rohrsystem abgegebenen oder aufgenommenen wird. Auf der Basis dieser Messwerte lässt sich die abgegebene oder aufgenommene Wärmemenge einfach erfassen. Hierbei ist es insbesondere vorgesehen, dass das zwischen dem ersten Sensor und dem weiteren Sensor ausgebildete Rohrsystem einen Heizkreislauf darstellt, in welchem wenigstens ein

Heizkörper angeordnet ist. Alternativ ist das zwischen dem ersten Sensor und dem weiteren Sensor ausgebildete Rohrsystem durch mehrere Heizkreisläufe und insbesondere alle

Heizkreisläufe einer Wohnung gebildet.

Im Sinne der Erfindung wird unter einem CTA-Sensor ein Durchflusssensor verstanden, welcher nach dem Prinzip der „Constant Temperature Anemometry" betrieben wird und hierzu eine Messsonde umfasst, welche in ein Medium geführt ist. Die

Messsonde wird sequentiell angesteuert, d.h. in einer Sequenz wird die Medientemperatur durch Anlegen einer geringen

Heizleistung am Platin-Messwiderstand bestimmt und in einer weiteren Sequenz wird eine bestimmte Heizleistung am Platin-Messwiderstand angelegt. Die dadurch entstehende Wärme am

Messwiderstand wird von der vorherrschenden Medienströmung abgetragen und gibt somit Aufschluss über die

Strömungsgeschwindigkeit. Die Strömungsgeschwindigkeit wird

- entweder durch Anlegen einer definierten Heizleistung und durch Messung der Widerstandsänderung zwischen

Temperaturbestimmungsphase und Heizphase bestimmt

- oder wird durch Anlegen einer geregelten Übertemperatur am Sensor (z.B. 10 K über Medientemperatur) und durch Messung der Heizleistung, welche erforderlich ist um diese

Übertemperatur zu erreichen, bestimmt.

Aus der Strömungsgeschwindigkeit und der bekannten geometrischen Form des Sensorgehäuses kann dann der Volumenstrom berechnet werden. Der CTA-Sensor bestimmt die Werte Temperatur und

Durchfluss sequentiell. Für eine Permanent-Messung von

Temperatur und Durchfluss kommen zwei CTA-Sensoren in

Reihenschaltung zum Einsatz. Es ist auch vorgesehen, aus den gemessenen Werten den Wärmestrom bzw. Energieverbrauch zu berechnen .

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in der Zeichnung anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben .

Hierbei zeigt:

Figur 1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Wärmemengenzählers und

Figur 2: einen Verlauf eines Widerstandswerts des

Messwiderstandes bei der Durchführung des

erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung bzw.

Kontrolle der Zusammensetzung des Mediums.

In der Figur 1 ist ein erfindungsgemäßer Wärmemengenzähler 1 in schematischer Darstellung gezeigt. Dieser umfasst einen

Leitungsabschnitt 2, eine Prozessoreinheit 3 und einen in einem Innenraum 2a des Leitungsabschnitts 2 reichenden Sensor 4.

Mittels des Sensors 4 ist eine Temperatur eines Mediums M und eine Strömungsgeschwindigkeit, mit welcher das Medium M den

Leitungsabschnitt 2 durchströmt, messbar. Der Sensor 4 ist als CTA-Sensor 5 ausgebildet und umfasst einen in dem

Leitungsabschnitt 2 von dem Medium M umströmten Messwiderstand 6. Weiterhin umfasst der Wärmemengenzähler 1 eine

Energieversorgungseinrichtung 7, an welche der Messwiderstand 6 derart angeschlossen ist, das dem Messwiderstand 6 in einem

Aufheizbetrieb von der Energieversorgungseinrichtung 7 mit

elektrischem Strom versorgt ist und erwärmt wird.

Der Wärmemengenzähler 1 kann wahlweise in einem Messbetrieb zur Messung eines von dem Medium M transportierten Wärmestroms

betrieben werden oder in einem Analysebetrieb zur Bestimmung einer Zusammensetzung des Mediums M betrieben werden. In dem

Messbetrieb ruht das Medium M entweder in dem Innenraum 2a oder das Medium M durchfließt den Innenraum 2a in eine

Strömungsrichtung x. Der Wärmemengenzähler 1 ist an einen nicht dargestellten Heizungs- und/oder Kühlkreislauf angeschlossen.

Alternativ kann der Leitungsabschnitt auch durch den nicht

dargestellten Heizungs- und/oder Kühlkreislauf gebildet sein. In diesem Falle ist der Wärmemengenzähler dann mit seinem Sensor in einen Bohrung eingesteckt, so dass der Sensor in dem Medium ruht.

In dem Messbetrieb zur Messung des von dem Medium M

transportierten Wärmestroms wird von dem CTA-Sensor 5 wiederholt sequentiell die Temperatur des Mediums M gemessen wird und die Strömungsgeschwindigkeit gemessen, mit welcher das Medium M den Leitungsabschnitt 2 durchströmt. Aus den Messwerten wird dann in der Prozessoreinheit 3 oder alternativ in einer nicht

dargestellten Heizungssteuerung der Wärmestrom errechnet.

In der Figur 2 ist ein Verlauf des Widerstandswerts des

Messwiderstandes 6 (siehe Figur 1) bei der Durchführung des

Verfahrens zur Analyse bzw. Bestimmung und/oder Kontrolle der Zusammensetzung des Mediums M grafisch dargestellt.

In dem Analysebetrieb zur Bestimmung der Zusammensetzung des

Mediums M werden die nachfolgend genannten Schritte durchgeführt:

- es wird ein erster Widerstandswert Rl des in dem Medium M

befindlichen Messwiderstands 6 bei einer definierten

Temperatur TEMPI des Mediums M gemessen und dieser

Widerstandswert als Minimalwert Rl definiert, hierbei ist es insbesondere vorgesehen, dass das Medium M für den

Analysebetrieb die vordefinierte Temperatur z.B. 25°C

aufweist und ggf. vor der Messung auf diese Temperatur TEMPI aufgeheizt oder gekühlte wird,

- anschließend wird an den Messwiderstand 6, welcher sich in

dem ruhenden Medium M befindet, zu einem Zeitpunkt Tl eine definierte Heizleistung angelegt,

- dann wird begleitend bis zu einem Erreichen eines

Maximalwertes der Widerstandswert R2 des Messwiderstands 6 bei einer maximalen Temperatur TEMP2 des Mediums M zu einem d

Zeitpunkt T2 gemessen und dann wird nach dem Erreichen bzw. Konstantbleiben dieses Maximalwertes die Heizleistung zu einem Zeitpunkt T3 abgeschaltet,

- als Einschwingzeit wird eine Zeitdifferenz At gemessen,

welche nach dem Einschalten der Heizleistung und vor dem Abschalten der Heizleistung zwischen einem ersten Anstieg der Temperatur des Medium und einem letzten Anstieg der

Temperatur liegt bzw. welche zwischen einem ersten Anstieg des Widerstandswerts und einem letzten Anstieg des

Widerstandswerts liegt,

- abschließend wird aus dieser Einschwingzeit At die

Zusammensetzung des Mediums M ermittelt, wobei dies

insbesondere anhand eines Datensatzes erfolgt, welcher bezogen auf die angelegte Heizleistung und die vordefinierte Temperatur des Mediums M eine Zuordnung von Zusammensetzungen von Medien zu Einschwingzeiten umfasst.

Hierbei wird ein Ruhen des Mediums durch Schließen eines nicht dargestellten, im Heizkreis vorgelagerten oder eines nicht dargestellten, im Heizkreis nachgelagerten Ventils oder

alternativ durch Abschalten einer im Heizkreis angeordneten, nicht dargestellten Pumpe erzeugt. Dieses Schließen oder

Abschalten wird für die Messungen entweder manuell oder

automatisch vorgenommen.

Zur Erhöhung der Genauigkeit der Messungen werden wiederholt, insbesondere periodisch weitere Einschwingzeiten gemessen und ein Mittelwert aus diesen Einschwingzeiten gebildet, anhand dessen dann die Zusammensetzung des Mediums ermittelt wird.

Es ist weiterhin vorgesehen, dass beschriebene Analyseverfahren derart zu ergänzen, dass als Zeitdifferenz diejenige Zeit

bestimmt wird, welche zwischen einem minimalen Widerstandswert und einem maximalen Widerstandswert liegt.

In der Figur 2 sind die Messwerte für eine Zusammensetzung des Mediums angegeben, welche bei 100% Wasser liegt.

In Versuchen wurde für eine Medienzusammensetzung von 100%

Wasser bei einer Heizleistung von 0,2 W eine mittlere

Einschwingzeit von 7,92 Sekunden ermittelt, wobei eine

Medientemperatur von 25°C vorlag.

In Versuchen wurde für eine Medienzusammensetzung von 50% Wasser und 50% Solarflüssigkeit bei einer Heizleistung von 0,2 W eine mittlere Einschwingzeit von 9,7 Sekunden ermittelt, wobei eine Medientemperatur von 25°C vorlag.

In Versuchen wurde für eine Medienzusammensetzung von 100%

Solarflüssigkeit bei einer Heizleistung von 0,2 W eine mittlere Einschwingzeit von 11,75 Sekunden ermittelt, wobei eine

Medientemperatur von 25°C vorlag.

Das Analyseverfahren wird grundsätzlich bei ruhendem Medium durchgeführt. Dies bedeutet, dass die Fließgeschwindigkeit des Mediums bei der Durchführung des Analyseverfahrens 0 m/s beträgt.

Sofern der Wärmemengenzähler in dem Messbetrieb zum Einsatz kommt, ist dieser am Anfang oder am Ende eines Heizkreises

anzuordnen, damit die von dem Heizkreis abgegebene Wärmemenge unter Beachtung einer an jeweils anderen Ende des Heizkreises gemessenen Temperatur berechnet werden kann. Sofern der

Wärmemengenzähler ausschließlich für den Analysebetrieb zum

Einsatz kann dieser an einer beliebigen Stelle im Heizkreis positioniert werden.

Weiterhin ist in der Figur 1 mit gestrichelten Linien eine

Ausführungsvariante des Wärmemengenzählers 1 dargestellt. In der Ausführungsvariante umfasst dieser noch einen weiteren Sensor 8, welcher als Temperatursensor 9 ausgebildet ist. Dieser

Temperatursensor 9 ist entfernt von dem CTA-Sensor 5 in einem schematisch gezeigten Rohrsystem 10 angeordnet, welches an den Leitungsabschnitt 2 angeschlossen ist und diesem das Medium M zuführt. Mittels der durch den weiteren Sensor 8 gemessenen Temperatur kann von der Prozessoreinheit 3 oder auch von einer anderen, nicht dargestellten Prozessoreinheit eine Wärmemenge berechnet werden, welche von dem Rohrsystem 10, welches

wahlweise wenigstens einen Heizkörper oder wenigstens einen Kühlkörper umfasst, abgegeben oder aufgenommen wird. Diese

Wärmemenge kann besonders genau berechnet werden, sofern mit dem Wärmemengenzähler regelmäßig auch eine Zusammensetzung des

Mediums ermittelt und hieraus dessen Wärmekapazität abgeleitet wird.

Bezugszeichenliste :

1 Wärmemengenzähler

2 Leitungsabschnitt

2a Innenraum von 2

3 Prozessoreinheit

4 Sensor

5 CTA-Sensor

6 Messwiderstand

7 Energieversorgungseinrichtung

8 weiterer Sensor

9 Temperatursensor

10 Rohrsystem

M Medium

RI erster Widerstandswert des Messwiderstands, Minimalwert

R2 Maximalwert

TI - T3 Zeitpunkt

TEMPI minimale Temperatur des Mediums

TEMP2 maximale Temperatur des Mediums

At Zeitdifferenz