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Ultraschall-Wärmezähler: Energie- und ressourcenschonender als die mechanischen Modelle
Automatisierungs- & Elektrotechnik

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Wie funktioniert eigentlich ein Wärmemengenzähler?

Text: Georg Jedelhauser, Acam Messelectronic Foto: Acam Messelectronic
Bei steigenden Energiepreisen ist eine exakte Erfassung des Wärmeverbrauchs wichtiger denn je. Moderne Wärmemengenzähler - etwa Ultraschall-Messgeräte mit Time-to-Digital-Wandlern - machen die Registrierung selbst kleinster Wärmemengen möglich. Wir verraten Ihnen, wie die Technik dahinter funktioniert.

Die Funktionsweise der Wärmezähler zur Ermittlung der Wärmeenergie basiert auf einem einfachen System: Ein Wärmemengenzähler besteht aus einem Rechenwerk, zwei Temperaturfühlern und einem Durchflusssensor. Der erste Fühler misst die Vorlauf-, der zweite die Rücklauftemperatur eines Heizstranges in der Wohnung. Der Wärmezähler berechnet aus der Temperaturdifferenz von Vor- und Rücklauf und dem Volumen des Heizungswassers, das in die Wohnung gelangt ist, die konsumierte Wärmeenergie.

Ultraschall-Wärmezähler bieten gegenüber den mechanischen Wärmezählern Vorteile: Sie messen genau und sind so gut wie verschleißfrei, da sie über keine beweglichen Teile im Messrohr verfügen. Zudem sparen sie Pumpenenergie, weil sie nur einen geringen Druckverlust im Heizungskreislauf erzeugen, und Ressourcen, weil sie aus bis zu zwei Drittel weniger Messing als mechanische Zähler bestehen. Sie werden mit Batteriestrom versorgt, der nur sparsam in Anspruch genommen werden darf, da die Batterie das Gerät zehn Jahre oder länger betreiben soll.

Durch die elektronische Messung können die gewonnenen Daten schnell und einfach kabelgebunden oder kabellos ausgelesen und verwaltet werden.

Stromversorgung

Die Einbaulage ist beliebig wählbar, und je nach Typ und Einbauort kommen Ultraschall-Wärmezähler ohne Ein- und Auslaufstrecken aus. Auch gehören Rohrleitungsreduzierungen aufgrund des großen Messbereiches in der Regel der Vergangenheit an. Dies eliminiert den Druckverlust und vermeidet zusätzliche Dichtfläche und spart damit Zeit und Geld.

Die zeitbasierende Digitalisierung mittels Time-to-Digital-Converter (TDC) ermöglicht eine stromsparende und präzise Analog-zu-Digital-Wandlung, die bei der Temperatur- und Durchflussmessung entscheidend für die Systemperformance der Wärmemengenzähler ist. TDCs erfassen Zeitdifferenzen im Picosekundenbereich. Realisiert in gängigen CMOS-Prozessen lassen sich Zeiten von bis zu wenigen Millisekunden mit einer Auflösung von wenigen Picosekunden erfassen.

Die TDC-Produkte von Acam beispielsweise benötigen dabei lediglich in der aktiven Phase während der Messung Strom. Aufgrund der kurzen Messzeiten lassen sich für batteriebetriebene Systeme extrem stromsparende Lösungen bewerkstelligen (etwa mit einem Arbeitsstrom von 80 nA für eine Temperaturmessung im Rhythmus von 30 Sekunden mit einer 17-Bit-Auflösung).

Präzise messen

System-on-Chips (SoCs) integrieren bei den Ultraschall-Wärmemessern bis auf wenige externe Bausteine - wie einzelne Widerstände, Kapazitäten sowie zwei Oszillatoren - die für die Messung notwendige Schaltung. Ein interner TDC bietet eine hohe Genauigkeit bei Zeitmessungen. In der Einzelmessung sind bis zu 22 Picosekunden möglich mit einer automatisierten Messsignalerkennung und -bewertung durch „First-Hit“-Erkennung und Pulsweitenmessung. Dies erlaubt das Erkennen eines leeren Rohres und das Lokalisieren von Blasen im Wasser, was Fehlmessungen ausschließt. Diese Erkennungsfunktion sowie die hohe Messgenauigkeit werden selbst bei nicht stabiler Versorgungsspannung und über den Temperaturbereich von -40 bis +125 °C gewährleistet.

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