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Anordnung zur Messung oder Regelung unter Ausnützung der unter- schiedlichen Temperatur-Druckabhängigkeit von Dämpfen
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Anordnung zur Messung oder Regelung von Drücken, Temperaturen oder elektrischen Spannungen, sowie von Grössen, welche sich auf die genannten Grössen umformen lassen.
Die Erfindung basiert auf der Tatsache, dass Dämpfe unabhängig von ihrem Volumen eine eindeutige Temperatur-Druck-Abhängigkeit besitzen. Diese Abhängigkeit wird bekanntlich zur Bestimmung eines Druckes aus der Messung einer Temperatur benutzt, indem eine in einen Behälter eingeschlossene und in Druckverbindung mit einem Prüfling stehende Flüssigkeit auf irgend eine Weise erwärmt wird ; aus der etwa mittels Thermoelement gemessenen Temperatur des sich bildenden Flüssigkeitsdampfes kann dann an Hand der bekannten Temperatur - Druck - Abhängigkeit desselben sein und damit des Prüflings Druck ermittelt werden.
Im Gegensatz hiezu bedient sich die vorliegende Erfindung zur Druckgebung grundsätzlich zweier, in verschiedenen Behältern untergebrachter Dämpfe verschiedener Temperatur-Druck-Abhängigkeit, die in direkter oder indirekter Druckverbindung miteinander stehen und in gewisser Abhängigkeit voneinander erwärmt werden, wodurch erreicht wird, dass Druckgleichgewicht nur bei einem ganz bestimmten Temperaturverhältnis eintreten kann.
Dies wird verständlich aus den Fig. 1 und 2 : Fig. 1 zeigt die Temperatur-Druck-Abhängigkeit der Dämpfe zweier verschiedener Flüssigkeiten A (etwa Alkohol) und B (etwa Äthyläther) ; unter der vereinfachenden Voraussetzung direkter Druckkommunikation, also Gleichheit der Dampfdrücke beider Flüssigkeiten im Gleichgewichtsfalle sowie einer Erwärmung der beiden Flüssigkeiten in einem. entnimmt man bei vorgegebenem Verhältnis irgend einem gemeinsamen Dampfdruck p zwei verschiedene zugehörige Dampftempera- turen/A und, 'B. Trägt man in Fig.
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deutigen Zusammenhang, was besagt, dass zufolge der Erwärmung in vorgegebenem Verhältnis im Gleichgewichtsfall ein ganz be-
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selbsttätige Gleichgewichtseinstellung, so liefert die Vorrichtung einen zeitlich unver- änderlichen Druck p.
Die Anwendung dieser Methode soll zunächst gezeigt werden am Falle der Druckregelung. Fig. 3 zeigt schematisch und beispielsweise eine hiezu geeignete Anordnung. In ihr stellt die linke Seite, die die Elemente 1-14 umfasst und die zunächst betrachtet wird, den Druckgeber dar, die rechte Seite, die die Elemente 15-21 umfasst, das die gewünschte Regelung ausführende Organ ; der linke Teil sei automatisch betätigt, was die Regel sein dürfte, der rechte Teil sei von Hand betätigt. 1', 3, 1" ist ein U-Rohr, welches in seinem zu unterst liegenden Mitteil 3 eine Sperr- und Druckübertragungsflüssigkeit 4, etwa Quecksilber, enthält, auf welche die in den beiden Schenkeln l'und 1" befindlichen, beiden, oben mit A bzw.
B bezeichneten, dampfbildenden Flüssigkeiten 2'bzw. 2"einwirken. Zu oberst sind die beiden Schenkel l'und 1" mit Erwärmungsvorrichtungen 5'bzw. 5"versehen, etwa mit elektrisch geheizten Erwärmungswicklungen, die zur Erzielung kleiner Zeitkonstanten zweckmässig durch die oberen Rohrenden selbst gebildet werden, wobei natürlich vorausgesetzt ist, dass letztere aus Metall bestehen. Die Speisung dieser Heizwicklungen erfolgt über die Impedanzen 6', 6" durch welche das gewünschte Temperatur- verhältnis/B/AA und damit der gewünschte Gleichgewichtsdruck p eingestellt wird, von einer gemeinsamen elektrischen Spannungszuleitung 10 über eine Regulierimpedanz 13.
Letztere wird bei Druckungleichheit der beiden Dämpfe in l'und 1" und dadurch verursachter Niveaudifferenz der Sperrflüssigkeit 4 etwa in der aus der Fig., 3 ersichtlichen Weise mit Hilfe der Niveaufühler
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9', 9" des polarisierten Relais 11 und des Servomotors 12 automatisch so verändert, dass die Dampftemperaturen/A und/ B und damit der Gleichgewichtsdruck p unabhängig von Schwankungen der Speisespannung erhalten bleiben.
Unterhalb der Heizwicklungen 5', 5" werden die Schenkel 1', 1" durch das umgebende Medium, eventuell unter Beihilfe von
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Bestimmung des Dampfdruckes p im Gleichgewichtsfall gemäss der bekannten TemperaturDruck-Kurven der verwendeten Dämpfe können in die Rohrschenkel zu oberst eingebaute Thermoelemente 8', 8" oder andere Vorrichtungen in bekannter Weise benutzt werden.
Um den auf diese Weise fixierten Druck p einem Prüfling 16 mitzuteilen, der etwa Gas, Dampf oder Flüssigkeit enthält, führt vom U-Rohr 1', 3, 1" eine im unteren Teil ebenfalls mit der Sperr- und Druckflüssigkeit 4 gefüllte Abzweigung 15 zum einen Ansatz des Prüflings 16, an dessen anderem Ansatz ein zur Regelung des Druckes im Prüfling 16 dienendes Ventil 17 angeordnet sei.
Weicht nun der Druck im Prüfling 16 vom gemeinsamen Dampfdruck p ab, so ist die Richtung dieser Abweichung am Strommesser 19 zu erkennen, der etwa in der aus Fig. 3 ersichtlichen Weise von den zugehörigen Quecksilberspiegeln mittels der Niveaufühler 9", 18 der Spannungsquellen 20', 20"und des Vorschaltwiderstandes 21 betätigt wird ; entsprechend der Anzeige des Strommessers 19 wird in vorliegendem Falle das Ventil 17 von Hand geregelt, wodurch der Druck im Prüfling 16 in übereinstimmung gebracht wird mit dem Dampfdruck p. Es ist klar, dass diese letztere Operation mittels entsprechender Anordnung auch automatisch ausgeführt werden kann.
Die Genauigkeit der beschriebenen Druckregelung ist-wie ersichtlich-sehr hoch, da ja die Abweichung vom Solldruck p nicht grösser ist als der Druck einer Sperrflüssigkeitssäule, deren Höhe vom Gleichgewichtsspiegel bis zum zugehörigen Druckfühler reicht. Bedenkt man weiterhin, dass der Druck eines Dampfes ungefähr der vierten Potenz seiner Temperatur proportional ist, so erkennt man, dass die Genauigkeit der Druckregelung gemäss dem Erfindungsgedanken anderen Druckregelsystemen bedeutend überlegen ist, insbesondere bei höheren Drücken der Genauigkeit der bisher üblichen Druckregelung auf Grund der Messung der Dampftemperatur.
Im Gegensatz zu Druckreglern anderer Art hat die beschriebene Druckregelungsanordnung ausserdem den Vorzug, bei allen Messbereichen, und insbesondere auch bei hohen Drücken, stets dieselbe absolute Genauigkeit von einigen Millimetern Quecksilbersäule zu besitzen, sowie auch Abweichungen dieser oder höherer Grössenordnung herstellen sowie messend verfolgen zu lassen.
Durch Anordnung mehrerer Druckfühler übereinander am selben Rohr in wachsenden Abständen vom Sperrflüssigkeitsspiegel, in Verbindung mit geeigneten Regelungsvorrichtungen der beschriebenen oder ähnlicher Art, kann man einerseits leicht verschiedene Regelungsdrucke p einstellen, anderseits kann man die Regelgeschwindigkeit der Grösse der Abweichung vom Sollwert anpassen. An Stelle der beschriebenen Niveaufühler 9', 9", 18 kann man natürlich auch andere Mittel, z. B. magnetische Niveaufühler verwenden.
Statt eine Sperr- und Druckübertragungsflüssigkeit 4 zu verwenden, kann man eine Membrane anordnen, die bei einer Abweichung der zu ihren beiden Seiten herrschenden Drücke von einem vorgeschriebenen Verhältnis und einer dadurch verursachten entsprechenden Membranausbiegung entweder beiderseits der Membrane vorgesehene Kontakte betätigt oder aber einen mit der Membrane fest verbundenen und zwischen zwei feststehenden Magnetpolen angeordneten Anker verschiebt, wodurch auf bekannte Weise etwa in einer Brückenschaltung ein entsprechender Strom verursacht wird ; solche Vorrichtungen, welche als elektrische Mikroindikatoren bezeichnet werden mögen, können sehr empfindlich gebaut werden, sodass schon Verschiebungen von einigen Mikron angezeigt werden.
Die Verwendung einer Membrane empfiehlt sich insbesondere, wenn mit Lagen- änderungen der Apparatur oder mit plötzlichen Druckstössen zu rechnen ist, sodass im Falle der Verwendung einer Sperrflüssigkeit eine Vermischung etwa der verdampfenden Flüssigkeiten eintreten könnte.
Bei Verwendung der Erfindungsmethode zur Druckmessung kann ebenfalls die Anordnung gemäss Fig. 3 benutzt werden, jedoch ist nun der Druck im Prüfling 16 vorgegeben und die durch den gestrichelten Linienzug angedeutete Regelung gemäss den Anzeigen des Strommessers 19 muss nun statt am Prüfling an einer der Impedanzen 6', 6" oder an beiden vorgenommen werden. Ist der Gleichgewichtszustand erreicht, so wird die Dampftemperatur mittels des Thermoelementes 8'oder 8" bestimmt, worauf aus der zugehörigen Temperatur-Druck-Kurve der gemeinsame Gleichgewichtsdruck p entnommen wird. Auch hier kann natürlich die Handregelung ersetzt werden durch eine Automatik.
Der Vorteil dieses Verfahrens gegenüber der bisher üblichen Art der Druckmessung mit Verwendung nur einer verdampfenden Flüssigkeit liegt hauptsächlich in der durch Schwankungen der Speisespannung ungestörten Druckabgleichung.
Besonders grosse Genauigkeit lässt sich erzielen bei Verwendung des Erfindungsgedan-
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kens zur Spannungsregelung. Dieser Fall kann ebenfalls an Hand der Fig. 3 erläutert wer-
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Organe, entfallen. Die geregelte Spannung, an welche Verbraucher anzuschliessen sind, ist offenbar die Spannung in der Leitung 14, denn bei vorgegebener Einstellung der Impe- danzen 6', 6" und damit vorgegebenem Temperaturbehältnis à sind gemäss Fig. 2 der gemeinsame Gleichgewichtsdruck p sowie gemäss Fig. 1 die Dampftemperaturen i A und /B und mit diesen die gemeinsame Speisespannung fixiert.
Da der Dampfdruck ungefähr der vierten Potenz der Dampftemperatur und letztere der zweiten Potenz der Speisespannung proportional ist, so erkennt man, dass die Genauigkeit dieser Spannungsregelung ausserordentlich hoch ist.
Verbraucher, die grössere elektrische Leistungen beanspruchen, wird man nicht direkt aus der Leitung 14 speisen. In diesen Fällen benutzt man vielmehr einen Generator, dessen Feldwicklung direkt oder indirekt vom Strome durch die Regelimpedanz 13 gespeist wird, während die geregelte Spannung statt vom Hilfsnetz 10 nun von der vom Generator gelieferten Verbraucherspannung abgezweigt wird.
Bei Vorhandensein weiterer Verbrauchersysteme anderer Spannung und Belastung kann man auch dieses gemäss der beschriebenen Methode regeln, wenn man dem eben skizzierten System der Organe 1-14 in Fig. 3 noch weitere Schenkel mit verdampfender Flüssigkeit, Heizwicklung und automatischer Niveaukontrolle anfügt, wodurch man wiederum die vollständige Fig. 3 erhält, in der aber der
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und das Kontrollsystem 19-21 durch entsprechende automatische Anordnungen gemäss 11-13. Die Speisung der Heizwicklung des zuletzt angefügten Rohrschenkels erfolgt von der neu hinzugekommenen Verbraucherspannung. während der zugehörige Magnetisierungsstrom durch den Servomotor 12 geregelt wird. Durch analoge Ergänzungen können auch mehrere Verbrauchersysteme gemäss der Erfindungsmethode geregelt werden.
Auch bei Anwendung des Erfindungsgedankens auf die Temperaturregelung lässt sich grosse Genauigkeit erzielen. Zu diesem Zwecke ist die Anordnung gemäss Fig. 3 folgender- weise abzuändern : Der rechte Teil, der die Organe 15-21 umfasst, entfällt wiederum wie bei der Spannungsregelung ; der eine Rohr-
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seinem oberen Ende in den Raum hineinragt, dessen Temperatur geregelt werden soll ; die Heizung dieses Raumes aber erfolgt durch die gemäss ihrer neuen Aufgabe umgeformten Heit- wicklung 5'. Durch analoge Anwendung auch des Schenkels 1" oder durch Hinzunahme weiterer Schenkel mit verdampfenden Flüssig. keiten, ähnlich wie bei der Spannungsregelung mehrerer Systeme, lassen sich auch hier die Temperaturen in zwei oder mehreren Räumen regulieren.
Die Umgebungstemperatur beteiligt sich selbstverständlich ebenfalls an der Erwärmung der verdampfenden Flüssigkeiten 2'und 2"in Fig. 3 (sowie der gemäss Obigem gegebenenfalls noch hinzukommenden). Hiedurch wird das durch die Impedanzen 6'und 6"vorge- schriebene Temperaturverhältnis etwas gestört und es entstehen bei Änderungen der Umgebungstemperatur-von welchen bisher abgesehen worden ist-gewisse Fehler in den geregelten Grössen. Sollten diese Fehler das zulässige Mass übersteigen, so wird man die der Fig. 3 gemäss Obigem entsprechende, die Organe 1-9 umfassende Anordnung oder wenigstens deren die verdampfenden Flüssigkeiten enthaltenden Schenkel in einen Thermostaten einbauen, zu dessen Temperaturregelung man zweckmässig ebenfalls eine Anordnung gemäss Fig. 3 verwendet.
Eine zur Kompensierung der Umgebungstemperaturschwankungen geeignete Korrekturgrösse kann man dabei erhalten von einem weiteren Temperaturregulator gemäss Fig. 3 (ohne die Organe 15-21), bei dem jedoch der eine Schenkel-statt durch die Heizwicklung 5-aus- schliesslich oder hauptsächlich durch die Umgebungstemperatur erwärmt wird ; der Heizstrom des anderen Schenkels 1" ändert sich dann infolge der verschiedenen TemperaturDruck-Abhängigkeit der Dämpfe der beiden Flüssigkeiten 2'und 2"mit der Umgebungstemperatur und liefert auf diese Weise die erforderliche Korrekturgrösse.
Alle diese Ausführungen behandeln Anwendungsbeispiele des in den nachstehenden Patentansprüchen dargelegten Erfindungsgedankens und beabsichtigen selbstverständlich keinerlei Beschränkung desselben.
Es mag schliesslich noch bemerkt werden, dass unter gewissen Bedingungen auch Gase in die Bezeichnung Dämpfe miteinbegriffen sein dürfen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Anordnung zur Messung oder Regelung von Drücken, Temperaturen oder elektrischen Spannungen unter Ausnützung der Temperatur.
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