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Als Mengenmesser wirkender Feindruckmesser für kleinste Differenzdrücke am zugehörigen Staugerät Feiodruckmesser sowie Mengenmesser für kleine Differenzdrücke am zugehörigen Staugerät sind in Form von Ringwaagen, Tauchglocken od. dgi., insbesondere für Gasmessungen bekannt.
Ein Nachteil dieser Messer ist der praktisch beschränkte Messbereich nach unten, wenn kleinste Drücke gemessen werden sollen. Besonders bei gewissen Mengenmessungen sollte man sehr tief mit dem Differenzdruck gehen können, weil sich die Menge prcportional der Quadratwurzel aus diesem Druck ändert. Bei beispielsweise 0-36 mm WS maximalem Differenzdruck erstreckt sich der Mengen-Messbereich bei Ringwaagen etwa zwischen 20 bis 100% der Messgrösse. Je tiefer man davon ausgehend mit dem maximalen Differenzdruck geht, um so kleiner wird der Messbereich.
Geht man beispielsweise auf 0-16 mm WS als maximal Differenzdruck zurück, so-nuss man sich bei Ringwaagen mit einem Mengen- Messbereich von etwa 30 bis 100% begnügen. Das kommt daher, weil zum Anfahren aus der Nullstellung eine gewisse minimale WS für ein gegebenes Messsystem benötigt wird. In den beiden obigen Beispielen wären diese 36, 4' 100= - 16, 9/100== 1, 44 mm WS.
Bei Tauchglocken können maximaler Differenz- druck und Anlauf-WS gegenüber Ringwaagen günstiger gestaltet werden, ohne indessen einen günstigeren Mengen-Messbereich zu erzielen.
Es ist bekannt, dass bei leichter werdenden
Messsystemen die Reibungskräfte mehr als proportional mit dem Gewicht derselben ab- nehmen. Es ist auch bekannt, dass zur Verstell- kraft des Messsystems nebst alIfäUigerStopfbüchs-,
Führungs-, Lager-und Flüssigkeitsreibung sowie der Reibung der flexiblen Zuleitungen, ins- besondere die Radizierung mit Rsdizierkurve oder
Radizierkörper bei Mengenmessem beiträgt bzw. die notwendige Verstellkraft in die Höhe treibt.
Besonders ungünstig wirkt die Radizierung beim
Anfahren aus der Nullstellung heraus, weil be- zogen auf die Menge einem sehr kleinen nicht linearen Weg des Ringes oder der Tauchglocke ein grösserer linearer Weg an der Messvorrichtung entspricht, an der Radizierscheibe bzw.
am Radi- zierkörper also stark übersetzt werden muss. Diese
Umstände erklären den praktisch ungünstigen
Messbereich dieser Messer für besondere Zwecke.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Vermeidung dieser Nachteile, bzw. die Erfassung kleinster Drücke bzw. Differenzdrücke, beispielsweise 0-5 mm WS, bei grösstem Messbereich, beispielsweise 5-100 o bei Mengenmessung. Eine zu messende Menge von 5% würde hier also 5.0, 25/100 = 0, 0125 mm WS entsprechen, gegenüber 1, 44 mm wie oben, eine ganz erhebliche Verbesserung, die für Druck-, Zug-und für gewisse Mengen-und Zustandsmessungen von Bedeutung ist. Gedacht ist hiebei an Kesselzugmessungen, spezifische Gewichts-, Wärmemengen-, Gas-sowie Mischungs-und Konzentrationsmessungen.
Das Ziel der Erfindung wird dadurch erreicht, dass bei der Messung dem Verstellvorgang ausser der unumgänglichen Flüssigkeitsreibung zunächst keinerlei Kräfte in Form von anderer Reibung entzogen werden. Um dies zu erreichen, wird vorzugsweise eine Tauchglocke als Messelement verwendet, welche beispielsweise federnd aufgehängt wird. Die Fuhrung der Glocke übernehmen beispielsweise zwei Federn. Den Abschluss der Druckkammer über der Glocke nach aussen kann bei geringem statische Druck, ohne Stopf- büchse, ein hydraulischer Gasabschluss, eventuell ein Fettabschluss bei hoherem statischem Druck versehen.
Die beiden Federn können so gespannt sein, dass die Glocke in der Nullage in der Sperr- flüssigkeit gerade noch schwebt, d. h. das Gewicht der Glocke wird durch die obere Feder kompen- siert, wobei noch su bemerken ist, Ja3 die Glocke vorteilhafterweise praktisch volumenlos sein soll.
Derart wirkt als Reibungskraft von der Hysterese der beiden Federn abgesehen, nur ncch eine minimale Reibung der 3perrflüssigkeit an der
Glocke. Da die Glocke aus Glas hergestellt oder emailliert sein kann und schliesslich auch noch
Schraubenflügel am Umfang aufweisen kann, die ein Heben und Senken durch automatische
Drehung der Glocke m der Sperrflüssigkeit er- leichter, kann auch die Flüssigkeitsreibung auf ein Minimum reduziert werden. Die Verstell- kraft wird so ein Bruchteil derjenigen für die best bekannten Ausführungsformen, von Ring- waagen-oder Tauchglockenmessem mit Stopf- büchs-, Führung-, Lagerreibung und Reibung flexibler Verbindungen.
Nun ist aber noch
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kein genügender Verstellweg vorhanden, wenn bei Gasmessungen und kleinster Dimensionierung des Messen die Messleitungen vom Staugerät direkt unter-und oberhalb der Glocke angeschlossen werden würden, wie bei den bekannten Messern. Flüssigkeitsmessungen mit einer Glocke ohne Zwischenschaltung eines gasförmigen Mediums sind überhaupt nicht durchzuführen. Um bei Gasmessungen den gewünschten Weg zu erreichen, müsste die Glocke grösser gemacht werden. Dies ist nun nicht nötig, wenn die Querschnittsvergrösserung ausserhalb der Glocke verlegt wird, was zudem noch erlaubt, auch Flüssigkeitsmessungen mit genau dem gleichen Messer durchzuführen.
Diese Querschnittsvergrösserung kann mit zwei separaten Hilfsgefsssen bzw. einem Doppelgefäss mit einer Sperrflüssigkeit bei Gasmessungen erzielt werden.
Bei Gasmessungen können die Messleitungen oben in die Gefässe bzw. Kammern eingeführt und die Druckübertragung auf den Messer kann über die Sperrflüssigkeit erfolgen. Bei Flüssigkeitsmessungen können die primärenMessleitungen unten in die Gefässe einmünden und die Druck- übertragung auf den Messer ohne besondere Sperrflüssigkeit über die oben komprimierte Luft erfolgen.
Die Wirkung des Hilfsbehälters ergibt sich aus folgenden hydrostatischen und volumetrischen Überlegungen für eine Tauchglocke.
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Gleichung.
# p = Wirkdruck am Staugerät, hl Niveau- differenz im Hilfsbehälter, h2 Niveaudifferenz an der Glocke, 11 spez. Gewicht des durch- strömenden Mediums bzw. der Sperrflüssig- keit,- spez. Gewicht der Sperrflüssigkeit in der Glocke.
(2) h2r2 = k.s f. 2. Hydrostatische Gleichung. k = Federkonstante der Richtkraftfeder, s =
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Gleichung.
F = Niveaufläche jeder Kammer im Hilfs- behälter, f' = Niveaufläche ausserhalb der
Glocke im Messer.
Aus den drei Gleichungen ergibt sich für den
Glockenhub allgemein, allerdings zunächst inkom- ) pressibles Gas bzw. Luft oder eine inkompressible
Flüssigkeit als Zwischenmedium vorausgesetzt :
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Macht man l'"-'0, d. h. eine Glocke mit wenig Spiel, so wird :
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Aus diesem Ansatz ersieht man, dass eine Richtkraft auch vorhanden ist, wenn entgegen Fig, 1, k = o, also die untere Feder, die Richtkraftfeder, weggelassen und durch ein Gewicht ersetzt wird, wobei noch vorausgesetzt werden muss, dass die obere Feder keine Richtkraft erzeugt.
Es ist dann :
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Die Glocke übt in diesem Falle die Rolle eines frei spielenden Kolbens aus. Einer Änderung von Ap entspricht ein kurzzeitiges Entstehen von pro an der Tauchglocke. p'wird aber immer wieder auf o zurückgeführt, d. h. die Glacke verschiebt sich jeweils so lange, bis 6 p'= 0 ist, wobei nur die Glockenreibung zu überwinden ist. Aus diesem Umstande resultieren die Vorteile einer Nullmethode.
Gleichung (5) gilt auch für eine Tauchglocke für Gasmessung ohne Hilfsgefäss, wenn gesetzt wird 11 = o. Diese Gleichung geht damit über in
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Hier kann nur eine äussere Kraft, die Feder, die Richtkraft ergeben.
Bei Luft als kompressibles Zwischenmedium, ergibt sich gegenüber den vorstehend gemachten Überlegungen mit Richtkraftfeder nur ein quantitativer Unterschied, der am Grundsätzlichen nichts ändert. Wird aber die Richtkraftfeder weggelassen, so gilt Gleichung (6) nut grosser Annäherung qualitativ und quantitativ auch für kompressibles Gas oder Luft.
Die Gleichung (6) charakterisiert den Hilfsbehälter als einen mechanischen Transformator.
Durch Vergrösserung oder Verkleinerung von F, bzw. des Hilfsbehälters, kann man bei gegebenemf, der aktiven Glockenfläche, den Glockenhub beeinflussen, bzw. beliebig gross machen. Bei kleinstem Wirkdruck p kann man durch die Wahl eines grcssen F, und eines kleinen f, einen merk-und messbaren Hub der Glocke trotz kleinsten Abmessungen erzielen was an folgendem Beispiel dargelegt werden soll :
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Wir erhalten also bei nur A == 5 mm WS = = 100% einen Glockenhub von sogar 100 mm, also eine Übersetzung von 20 und bei #p = = 5/100 MM WS = 1% entsprechend 10% Menge immer noch einen messbaren Glockenhub von 1 mm. Dies macht deutlich, warum die Einrichtung insbesondere für Gasmessungen und für Wärmezähler in Schwerkraftheizungen, wo nur sehr kleine Wirkdrücke für Durchflussmessungen ausgenützt werden können, von Interesse ist. Selbstverständlich kann man die
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Einrichtung auch mit veriinderliem/und F ausführen. Für das Anfahren kann man insbe- sonderez veiner und F grösser machen.
Damit erhält man beim Anfahren die grösste Übersetzung und somit die grösste Empfindlichkeit. Die Glocke wird hiefür oben und das Hilfsgefiss unten verjüngt. Praktisch ist ersteres leichter auszuführen und letzteres mehr theoretischer Natur.
Die umrissen Anordnung eignet sich in einfachster Form zunächst nur für anzeigende Momentan-Messungen. Für zählende, eventuell registrierende Messungen wird die Anordnung durch eine Abtastvorrichtung ergänzt, die die Glocke aber nicht, oder nur minimal belastet und die noch beschrieben wird.
Die Erfindung ist in den Fig. l bis 3 beispielsweise und schematisch dargestellt. Es bedeuten :
1 eine Flüssigkeits-bzw. Gasleitung, 2 eine strömende Flüssigkeit oder das Gas, 3 ein Staugerät, 4 eine hydraulische bzw. pneumatische Messleitung, 5 einen Hi1fsbehälter, 6 eine Trennwand, 2 a ein Betriebsmedium, 7 eine pneumaische bzw. hydraulische Messleitung, 8 Ab-
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oder Draht, 14 eine Sperrflüssigkeit, 15 eine Zugfeder, 16 eine Skala, 17 einen Zeiger, 18 eine Verlängerung des Gehäuses, 19 komprimierte Luft, 20 Einfüll- und Überlauf-Stutzen, 21 eine Regulier- schraube, 22 Flügel, 23 ein Kapillarrohr, 24 Fett.
In Fig. 1 erzeugt die in Richtung des Pfeiles strömende Flüssigkeit vermittelst des Staugerätes 3 einen Differenzdruck, der über die Mess itung 4 auf die Kammern des Hilfsbehälters 5 und auf die oben eingeschlossene Luft übertragen wird.
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Behälter 5 in die Höhe, ohne oben auszutreten, was natürlich einreguliert werdcn muss. Die Luft unter-und oberhalb der Glocke wird entsprechend komprimiert, d. h. auf die Glocke wirkt ein Teil des Differenzdruckes am Staugerät. Zum Ausgleich des statischen Druckes steigt die Sperrflüssigkeit in 12 entsprechend in die Höhe. Die beispielsweise Ausführung nach Fig. l ist zunächst nur für kleinere statische Drücke gedacht, die ein nicht zu langes Rohr 12 erfordern. Die Luft über der Glocke ist durch die Sperrflüssigkeit gegen aussen abgeschlossen.
Die Bewegungs- übertragung nach aussen geschieht durch den
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keit 14 den Gasabschluss besorgt. Die Glocke wird bei Nullstellung d. h. Differenzdruck = o mittels der unteren Feder 15 so in der unteren Stellung gehalten, dass das Glockengewicht durch die obere Feder 15 aufgenommen wird und die Glocke in der Sperrflüssigkeit gerade nochschwebt.
Die Nullstellung kann so geprüft werden, dass der Hahn 8 geschlossen und der Hahn 9 geöffnet wird. In diesem Falle herrscht über und unter der Glocke gleicher Druck bzw. der Differenzdruck ist Null und die Glocke muss in die Nullstellung gehen. Die Glocke muss sich beim kleinsten
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wegen, und es müssen die Federn 15 so eingestellt sein, dass die Glocke beim Verschwinden des Differenzdruckes auch wieder in die Nullage zurückgeht. Praktisch ist es, die Nullstellung nicht mit der theoretischen Nullstellung in Übereinstimmung zu bringen, sondern die Nullstellung bei zirka O25-1'O% des max. Differenzdruckes zu begrenzen, um ein sicheres Aus-und Einfahren in die Nullstellung zu erzielen.
Durch die obere Feder 15 ist die Stange bzw. der Draht ständig gespannt und die Glocke ist durch ihren Auftrieb und die untere Feder 15 vertikal gehalten und geführt, ohne besondere Führungseinrichtungen. Es ist natürlich auch denkbar, die obere Feder wegzulassen und dafür die Glocke zur Entlastung mit Schwimmer auszurüsten, wobei dann die Übertragung auf das Messsystem nach untsa geschehen muss. Auf der Skala 16 wird der Druck bzw. Differenzdruck bei aussen angeordneter Radizierscheibe linear angezeigt. Der Zeiger ist am obersten Punkt der Stange 13 befestigt. Bei Mengenmessung wird entweder in die Tauchglocke ein Radizierkörper eingebaut oder die Radizierkurve befindet sich gemäss Beispiel an der Tastvorrichtung wie nachfolgend beschrieben.
Soll die beschriebene Anordnung für Druck-bzw.Mengen-Registrier und Zähl- zwecke verwendet werden, so wird sie gemäss
Fig. 1 ergänzt. Es bedeuten :
29 ein Sperrelement, 30 ein Tastelement in
Form eines Bleches, 31 eine Radizierkurve,
32 eine Schreibfeder, 33 ein Registrierpapier,
34 eine Druckfeder, 35 eine Zahnstange, 36 einen
Schwenkarm, 37 einen Hilfsmotor, 38 ein Exzenter,
39 ein Zahnrad, 40 ein Zählwerk, 41 und 42
Klinkenräder, 43 und 44 Klinkenarme, 45 und 46
Klinken, 47 eine Tastrolle, 48 eine Steuerscheibe,
49 Metallbälge, 50 Kapillare, 51 Fühler, 52 Zahn- räder, 53 Zahlrollen.
Der Motor 37, der einen Exzenter 38 mit passender Drehzahl dreht, bringt über einen
Schwinghebel 36 eine Zahnstange 35 mit ver- bundenem Tastelement 30 in hin-und hergehende
Bewegung, d. h. das Tastelement wird jeweils vom Motor bis zu einer Endlage nach rechts zurückgezogen, worauf es dann von der Feder 34 nach links zurückgenommen wird. Die Endlage ist jeweils durch die Zeigerstellung, bzw. durch die
Höhenlage des Sperrelementes 29 bedingt.
Die so getätigten Hübe können auf einem Papier- streifen 33 mittels der am Tastelement 30 an- gebrachten Schreibfeder 32 als Striche registriert werden. Die Kurve 31 ist so ausgebildet, dass sie jeweils die Menge als Wurzel aus dem Differenz- druck bzw. linear anschreibt. Macht der Motor beispielsweise vier Umläufe je Minute, so wird alle 15 Sekunden ein Strich gezogen, was mit genügender Genauigkeit ein Bild des Mengen- verlaufes ergibt. Wie ersichtlich wird die Tauch- glocke durch die Regibtriereinrichttmg in keiner
Weise belastet.
Die Zählung der Menge geht über das Zahn- rad 391 den Klinkenarm 43, die Klinke 45, auf
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das Klinkenrad 41 und von dort direkt auf die Zahnräder 52 und die Zahlrollen , wenn es sich um Zähler ohne Multiplikation handelt.
Handelt es sich aber um eine Zählung mit Multiplikation, z. B. Wärmezählung oder Zustand- berichtigung bei Gas, so wird noch der Arm 44 mit der Klinke 46, das Klinkenrad 42, die Tastrolle 47 und die Steuerscheibe 48 eingefugt.
51 sind entweder zwei Temperaturfühler mit Kapillare 50 und Bälge 49 bei Warmezahlung, oder ein Temperatur-und ein Druckfuhler mit Kapillare und Druckleitung mit Bälgen für Temperatur und Druck bei beispielsweise Gasberichtigung. Je nach der Stellung der Steuerscheiben 48 ergibt sich eine bestimmte Lücke in die die Tastrolle 47 einfällt und einen Vorschub der Zahlenrollen bewirkt, bis die Tastrolle bzw. die Klinke wieder herausgedrückt wird.
Wie ersichtlich, wird mindestens bei aussen liegender Radiziervorrichtung auch durch die Mengenzählung die Tauchglocke nicht belastet. Die Arbeit für Registrierung und Zählung wird einzig durch einen Hilfsmotor übernommen. Ist dies ein elektrischer Motor, so muss er für grösstmögliche Genauigkeit an ein synchronisiertes Netz angeschlossen sein.
Bei niederen statischen Drücken bis beispielsweise 100-250 mm WS kann die Sperrflüssigkeit 14 aus baulichen Gründen aus Wasser oder Öl bestehen. Bis zu 12. 56 mal höhere statische Drücke lassen sich mit Quecksilber als Sperrflüssigkeit 14 die gleichen Dimensionen des Messers verwenden. Bei mittleren und höheren statischen Drücken muss zu einer magr. 1.. tischen oder elektromagnetischen Übertragung gegriffen werden, wobei das Rohr 12 oben geschlossen werden muss. Die obere Zugfeder 15 muss in diesem verlängertem Rohr untergebracht werden und die Stellung direkt magnetisch oder induktiv nach aussen übertragen werden. Verfahren hiezu sind bekannt. Es kann aber auch eine Fett- dichtung nach Fig. 2 angewendet werden, welche die elektrische Übertragung nicht nötig macht ;
23 ist hicbei ein Kapillarrohr und24 das Dichtungs- fett.
Bei Gasmessungen wird in den HilfsbehälterF eine besondere Sperrflüssigkeit gebracht, die Mess- leitung vom Staugerät oben in den Hilfsbehälter und die abgehenden Zwischenmessleitungen in die Sperrflüssigkeit geführt. Diese steigt dann entsprechend dem statischen und Differenzdruck in den Zwischenmessleitungen in die Höhe, ohne in den Messer zu gelangen. Die Glocke wird wieder von komprimierter Luft bewegt.
Die erfindungsgemässe Messeinrichtung lässt sich mit kleinen Dimensionen, kleinem Gewicht und einfachster Konstruktion ausführen. Die
Kosten sind gering, der Differenzdruck und der
Mengen-Messbereich nach unten sind gross,
Genauigkeit sowohl als Betriebssicherheit sind ebenfalls gross. Das Hilfsgefäss 5 kann in der Nähe des Staugerätes aufgestellt oder mit demselben oder mit dem Messorgan zusammengebaut werden.
Das Messorgan selbst kann auch an anderer passender Stelle aufgestellt werden. Die Mess- einrichtung eignet sich beispielsweise als primäres Element für Wärmezahler in Zentralheizungen, insbesondere Etagenheizungen, wobei nur dem jeweilig auftretenden statischen Druck in den Wasserleitungen Rechnung getragen werden muss, was durch die örtliche Aufstellung der Messeinrichtung geschehen kann. Nicht zu übersehen ist die Eignung für Schwerkraftheizungen. Bei Gasmessungen dürfte sie mit volumetrischen Gasmessern erfolgreich in Konkurrenz treten, weil sie wie diese einen kleinen Differenzdruck und einen grossen Mengen-Messbereich bei grosser Genauigkeit aufweist, daneben aber noch momentan anzeigen sowie registrieren kann, was volumetrische Gasmesser nicht tun.
Bei Zentralheizungen ist mit einem statischen Druck von zirka 2 bis 3 atü zu rechnen. Stellt man die Wärmezähler ungefähr in Höhe des Expansionsgefässes auf, so spielt der statische Druck keine Rolle. Werden dieselben auf die einzelnen Stockwerke verteilt oder im Keller aufgestellt, so kann der statische Druck derart berücksichtigt werden, dass dasGasabschlussrohrF wie gesagt mit Fett gefüllt wird. Der Draht wird diesfalls mit möglichst wenig Spiel durch das Fett gezogen, so dass das Fett gegen Austreten, trotz dem darauf lastenden statischen Druck gehindert ist. Der Widerstand, der das Fett dem Hindurchziehen des Drahtes entgegensetzt, bewegt sich in der Grössenordnung von zirka
1% der Glockenreibung in der Sperrflüssigkeit.
Da insbesondere bei Schwerkraftheizung sehr kleine Umtriebskräfte wirksam sind, die nur sehr kleine Differenzdrücke an Staugeräten zulassen, erfüllt die erfindungsgemässe Messeinrichtung ein schon lange bestehendes Bedürfnis hinsichtlich Wärmemessung. Beträgt die maximale Umtriebskraft einer Etagenheizung beispielsweise
25 mm WS, so liesse sich eine Messeinrichtung als Wärmezähler für etwa 5 mm WS maximalen
Differenzdruck am Staugerät noch einbauen und könnte damit bei unveränderlicher Temperatur- differenz 10-100% Messbereich bei 10. 000 kca/i h maximal noch etwa 1000 kcal (h gemessen werden, allein durch Variation der Wassermenge.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Als Mengenmesser wirkender Feindrück- messer für kleinste Differenzdrücke am zu- gehörigen Staugerät, unter Verwendung von
Tauchglocke, Ringwaage od. dgl., dadurch ge- kennzeichnet, dass demselben ein zweikammeriges, mit dem Staugerät und dem Feindruckmesser verbundenes Hilfsgefäss entsprechender Grösse vorgeschaltet ist, wobei die Niveaudifferenz in den beiden Kammern indirekt auf hydropneu- matischem Wege mindestens einen Teil der Richt- kraft eines Gebersystems bildet, derart, dass an der Gebervorrichtung mit kleinsten Abmessungen auch bei kleinstem Wirkdruck eine grosse über- setzende Wirkung erzielt wird.