Ultraschallsensorik Wärmemengen flexibel und effizient erfassen

Autor / Redakteur: Georg Jedelhauser* / Jan Vollmuth

Wärmemengenzähler helfen, den Wärmeverbrauch etwa eines Haushalts exakt zu erfassen. Ultraschall-Messgeräte mit Time-to-Digital-Wandler (TDC) machen die Registrierung selbst kleinster Wärmemengen möglich und verfügen über eine extrem lange Lebensdauer.

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(Bild: Acam-Messelectronic)

Die Funktionsweise der Wärmezähler zur Ermittlung der Wärmeenergie basiert auf einem sehr einfachen System: Ein Wärmemengenzähler besteht aus einem Rechenwerk, zwei Temperaturfühlern und einem Durchflusssensor. Der erste Fühler misst die Vorlauf-, der zweite die Rücklauftemperatur des 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 viele Vorteile: sie messen sehr genau und verfügen über keine beweglichen Teile im Messrohr, was sie so gut wie verschleißfrei macht. Zudem erzeugen sie nur einen geringen Druckverlust im Heizungskreislauf, was wiederum Pumpenenergie spart.

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Zehn Jahre Laufzeit mit nur einer Batterie

Ein Ultraschall-Wärmemengenzähler wird aus bis zu zwei Drittel weniger Messing hergestellt als ein mechanischer Zähler, das spart Geld und Ressourcen. Wärmemengenzähler werden lediglich 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.

Auch in Sachen Einbau sind Ultraschall-Wärmezähler ihrem mechanischen Pendant um einiges überlegen. So ist die Einbaulage 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.

Bei der Temperatur- und Durchflussmessung ist eine Strom sparende und präzise Analog-zu-Digital-Wandlung entscheidend für die Systemperformance der Wärmemengenzähler. Die zeitbasierende Digitalisierung mittels Time-to-Digital-Converter (TDC) erweist sich dabei als ein äußerst effektiver Lösungsansatz.

TDCs erfassen Zeitdifferenzen im Picosekunden-Bereich. Realisiert in gängigen CMOS-Prozessen, lassen sich Zeiten von bis zu wenigen Millisekunden mit einer Auflösung im unteren Picosekundenbereich messen. Acam‘s TDC-Produktfamilie benötigt lediglich Strom in der aktiven Phase während der Messung. Wegen der kurzen Messzeiten lassen sich für batteriebetriebene Systeme extrem stromsparende Lösungen bewerkstelligen (z.B. mit einem Arbeitsstrom von 80 nA für eine Temperaturmessung im Rhythmus von 30 s mit einer 17-Bit-Auflösung).

Präzise und gerechte Abrechnung des Verbrauchs

Gerade während der letzten 5 Jahre haben viele Firmen aus der Zählerbranche (darunter auch einige Weltmarktführer) diese Vorteile erkannt und setzen die auf genaue und Strom sparende Messung spezialisierten ICs der Acam-Messelectronic aus Stutensee in ihre Wasserzähler und Wärmemengenzähler ein.

Diese System-on-Chips (SoCs) integrieren bis auf wenige externe Bausteine - wie einzelne Widerstände, Kapazitäten sowie zwei Oszillatoren - die für die Messung notwendige Schaltung. So arbeitet beispielsweise der TDC-GP22 mit einem internen TDC und bietet dadurch eine hohe Genauigkeit bei Zeitmessungen - bis zu 22 ps (Picosekunden) in der Einzelmessung mit einer automatisierten Messsignalerkennung bzw. -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 °C bis 125 °C gewährleistet.

„Es gibt weltweit ein massives und schnell wachsendes Interesse verschiedener Regierungen, ihre Bürger zu motivieren, weniger Wasser und Wärme zu verbrauchen“, so Georg Jedelhauser, Vice-Präsident Sales bei acam messelectronic. „Die präzise und gerechte Abrechnung des Verbrauchs fördert den bewussteren Umgang mit den Ressourcen.“ (jv)

* Georg Jedelhauser ist Vice President Sales bei Acam-Messelectronic

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