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Mischungsmesser
Gegenstand der Erfindung ist ein selbst- tätiger mechanischer Anzeiger eines Mi- schungsanteiles von durch ein Messrohr strö- menden Medien, z. B. des CO2- oder CO-Ge- haltes von Rauchgasen, der Luftfeuchtigkeit oder des Staubgehaltes von Gasen, bei dem der Längendehnungsunterschied des Mess- rohres gegenüber einem Vergleichsrohr zur mechanischen Anzeige verwendet wird.
Es sind eine Reihe von Verfahren zur mechanischen Mischungsmessung bekannt geworden : In der franz. Patentschrift Nr. 344. 240 ist ein Verfahren beschrieben, bei welchem die Wärmeleitfähigkeit des Gasgemisches einen beheizten Stab oder ein Rohr abkühlt ; der Anteil an Wasserstoff erhöht die Wärmeleitfähigkeit und senkt dadurch die Temperatur des Stabes.
In der USA-Patentschrift Nr. 1, 569. 682 ist ein Verfahren beschrieben, bei welchem in zwei Rohren je ein beheizter Draht gespannt ist ; in einem Rohr befindet sich Luft, im zweiten das zu messende Gemisch aus Luft und CO2. Da die Wärmeleitfähigkeit von CO2 um zirka 40o/o geringer ist als die der Luft, wird der Draht im zweiten Rohr heisser, dehnt sich und betätigt die Anzeige.
In der deutschen Patentschrift Nr. 342114 ist ein Verfahren beschrieben, bei welchem die Temperatur eines elektrisch beheizten Drahtes, der von dem zu messenden Medium umgeben ist, elektrisch gemessen wird. Eine elektrische überwachungseinrichtung sorgt dafür, dass einerseits Rauchgas durch den Apparat gesaugt wird, anderseits die Geschwindigkeit nicht zu hoch wird, da sonst die Messung verfälscht wird.
In der österr. Patentschrift Nr. 185139 ist ein Verfahren beschrieben, bei welchem die Temperatur eines vom Gesgemisch durchströmten, beheizten Rohres durch die Verdampfung der Flüssigkeitströpfchen abgesenkt wird.
Zur Anzeige eines Mischungsanteiles von durch ein Messrohr strömenden Medien wird das folgende Verfahren angewendet : Ein mit einer Heiz- oder Kühleinrichtung versehenes
Messrohr wird von dem zu messenden Medium durchströmt und der Längendehnungsunterschied des Messrohres gegenüber einem Ver- gleichsrohr, welches von einem Medium bekannter Zusammensetzung durchströmt wird und die gleiche Heiz- oder Kühleinrichtung wie das Messrohr aufweist, wird zur mechanischen Anzeige verwendet.
Erfindungsgemäss durchströmt das zu messende Medium das Messrohr und das Vergleichsmedium das Vergleichsrohr zwangsläufig in konstanter Menge mit so hoher Geschwindigkeit, dass der Längendehnungsunterschied des Messrohres im wesentlichen durch Wärmeübergang (turbulente Strömung) und spezifische Wärme des Gases, nicht aber durch die Wärmeleitfähigkeit (laminare Strömung) bedingt ist.
Der Unterschied der neuen Messmethode gegenüber jenen, die die Wärmeleitfähigkeit zur Anzeige verwenden, ist nachstehend her- vorgehoben :,
Bei Wärmeleitung (laminare Strömung) ist der übergang der Wärme nur durch die Wärmeleitzahl in der ersten Potenz bestimmt und unabhängig von der Gasgeschwindigkeit, die Wärmeübergangszahl (turbulente Strömung) aber ist eine Funktion mehrerer Ein- flüsse :
In der Potenz 0, 75 : Geschwindigkeit,
Wichte und spezifische Wärme.
In der Potenz 0, 25 : Wärmeleitzahl.
Vom Einfluss des Rohrdurchmessers wird hiebei abgesehen.
Nachstehende Tabelle zeigt das Verhältnis des überganges der Wärme von CO2-Gas zu jenem von Luft bei Wärmeleitung (laminare Strömung) und Wärmeübergang (turbulente Strömung) : !
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EMI2.1
<tb>
<tb> Temperatur <SEP> Wärmeleitung <SEP> Wärmeübergang
<tb> (laminare <SEP> (turbulente
<tb> Strömung) <SEP> Strömung)
<tb> 00 <SEP> C <SEP> 0, <SEP> 62 <SEP> 1, <SEP> 07 <SEP>
<tb> 1000 <SEP> C <SEP> 0, <SEP> 70 <SEP> 1, <SEP> 20 <SEP>
<tb> 3000 <SEP> C <SEP> 0, <SEP> 80 <SEP> 1, <SEP> 32 <SEP>
<tb> 5000 <SEP> C <SEP> 0, <SEP> 95 <SEP> 1, <SEP> 45 <SEP>
<tb>
Die Tabelle zeigt, dass dieser Wert bei Wärmeleitung (laminare Strömung) beim CO2-
Gas kleiner ist als bei Luft, während er bei Wärmeübergang (turbulente Strömung) grösser ist.
Die Vorteile der bisherigen Messung bei laminarer Strömung sind die Unabhängigkeit des überganges der Wärme von der Geschwindigkeit und die Möglichkeit, mit geringen Gasmengen auszukommen. Die Nachteile sind aber beträchtlich : Laminare Strömung bedingt kleine Gasgeschwindigkeit und damit eine grosse Verzögerung der Anzeige. Dem relativ geringen übergang der Wärme durch die Wärmeleitung wirken die Einflüsse von Strahlung und spezifischer Wärme des Gases entgegen ; die Isolationsverluste stören die Anzeige mit Rücksicht auf die kleinen Gasmengen beträchtlich. Für eine mechanische Anzeige sind höhere Temperaturen notwendig, bei welchen der Anzeigeeffekt z. B. bei CO2 aber fast verschwindet.
Nach der Anmeldung werden grosse konstantgehaltene Gasmengen mit hoher Geschwindigkeit verwendet, wodurch Veränderungen des Mischungsverhältnisses infolge der hohen Wärmeübergangszahl rasch angezeigt werden. Strahlung, Wichte und spezifische Wärme, die bisher der Anzeige entgegenwirkten, verstärken sie. Dadurch wird überhaupt erst eine mechanische Anzeige möglich.
Die Auswirkungen der Kenngrössen werden derart kombiniert, dass ein Maximum an Temperaturänderung des Mediums oder der Rohrwand erreicht wird. So hat z. B. CO2 eine höhere Wärmeüberganszahl und Gasstrahlungszahl als Luft und senkt dadurch die Wandtemperatur eines davon durchströmten beheizten Rohres stärker als Luft. Die hohe spezifische Wärme des CO2 gegenüber Luft verringert ebenfalls die Erwärmung in der Messstrecke und senkt auf diese Weise die Wandtemperatur, die Einflüsse addieren sich also.
Wird die Zwangsströmung durch das Messrohr durch eine konstante Druckdifferenz bewirkt, dann wird das Fördervolumen durch das höhere spezifische Gewicht des CO2-Anteils verringert ; dies bedingt eine Abnahme der Geschwindigkeit und damit der Wärme- übergangszahl. Dieser Einfluss ist daher den beiden erstgenannten Wirkungen dem Sinne der Anzeige entgegengerichtet. Wird jedoch das Gas durch Ventilatoren gefördert, dann bleibt das Fördervolumen auch bei Änderung des spezifischen Gewichtes konstant, wenn die Ventilatoren vor die Messstrecke ge- schaltet werden. Durch Anordnung hinter der Messstrecke wird durch die Abnahme der
Temperatur nach der Messstrecke das För- dergewicht vergrössert und damit die anzeigende Wirkung verstärkt.
Der Einfluss des spezifischen Gewichtes des
Gases bzw. der zu messenden Tröpfchen oder Körner wird durch Drall wesentlich verstärkt und damit die Anzeige verbessert. Auf diese Weise ermöglichen die relativ kleinen Unterschiede überraschenderweise eine sichere mechanische Anzeige und Registrierung des Mischungsverhältnisses.
Die Anzeige erfolgt z. B. dadurch, dass in einem Rohr ein Strom oder Teilstrom der Mischung fliesst und durch die Rohrwand Wärme dem Gemisch zugeführt oder entzogen wird. Der zu messende Mischungsanteil bewirkt infolge der oben genannten Eigenschaften eine dem perzentuellen Gehalt entsprechenden Absenkung oder Erhöhung der Rohrwandtemperatur. Die Rohrwandtemperatur ist daher ein Mass für den Mischungsanteil.
Statt der Rohrwandtemperatur kann auch die Temperatur eines im Rohr befindlichen Heizstabes in gleicher Weise verwendet werden.
In an sich bekannter Weise wird die Längenänderung des von der Mischung durchströmten und beheizten Messrohres gegen- über einem oder zwei unbeheizten Bezugsrohren oder einem beheizten Vergleichsrohr gemessen. Durch das Bezugsrohr strömt entweder das gleiche Medium wie im Messrohr oder Kühlwasser oder Luft od. dgl. Durch das Vergleichsrohr strömt ein Medium mit bekannter Mischung. Messrohr und Bezugsrohr oder Vergleichsrohr sind gut isoliert.
Das Messrohr wird vorteilhaft aus einem Stoff mit hoher Wärmeausdehnung hergestellt.
Die Längenänderung wird auf mechanischem Weg gemessen ; es kann auch eine Fernanzeige z. B. durch Seilzug oder Drehwellen erfolgen. Mittels Banduhrwerk kann mechanisch registriert werden.
Den bisher bekannten Anzeigen gegenüber bietet der erfindungsgemässe Mischungsmesser eine Reihe von wichtigen Vorteilen : so gibt er infolge der grösseren Messmengen, die Möglichkeit, an verschiedenen Stellen des Rauchgasquerschnittes gleichzeitig Rauchgas zu entnehmen und dadurch einen Mittelwert zu messen ; infolge erhöhter Geschwindigkeit ergibt sich eine geringe Trägheit der Anzeige, die Möglichkeit der direkten mechanischen Anzeige und der direkten Entnahme von Impulsen für die Regelung, z. B. der Feuerung.
Im Messrohr erhält das Medium zweckmässig einen Drall. Dadurch wird eine Entmischung der Anteile und eine Vergleich-
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mässigung des Temperaturprofiles im Querschnitt und über dem Umfang erreicht. Ausserdem kann Turbulenz bei kleinerem Mengendurchsatz erreicht werden.
Die Rohrwand kann auch z. B. durch Aufrauhung oder durch Aufbringung dünner Metallschichten eine gewünschte hohe oder niedrige Strahlungszahl erhalten oder, falls die Rohrwand innen und aussen sich im Wärme- austausch mit dem Medium befindet, z. B. einerseits eine hohe, anderseits eine niedrige Strahlungszahl.
Im Nachstehenden werden einzelne Ausführungsformen des Erfindungsgedankens beschrieben.
Bei der CO2-Messung wird ein Teilstrom dem Rauchgas entnommen, durch eine Wascheinrichtung oder Kühl- und Filtereinrichtung und dann durch das Messrohr geführt, welches vorzugsweise elektrisch beheizt wird.
Die vom CO-Gehalt abhängige Rohrtemperatur kann direkt zur Anzeige verwendet werden.
Zur Ausschaltung störender Nebeneinflüsse sind folgende Anordnungen vorteilhaft, die grundsätzlich für alle Ausführungen gelten.
Um den Einfluss des veränderlichen Luftdruckes auszuschalten, wird durch ein VergJeichsrohr Luft geführt und die Differenz der Längenänderung zwischen dem Rauchgasrohr und dem Luftrohr zur Anzeige verwendet.
Schwankender Wasserdampfgehalt der Luft im Vergleichsrohr würde die Messung beeinflussen. Deswegen wird die Luft vor dem Vergleichsrohr mit Wasserdampf gesättigt, z. B. durch Berieselung od. ähnl.
Um den Einfluss des Unterdruckes im Fuchb auszuschalten, werden die Rauchgase durch einen Ventilator aus dem Fuchs angesaugt und über Kühl- und Filtereinrichtungen àuf den gleichen Druck gebracht, den die Luft nach der Berieselungseinrichtung aufweist.
Das kann z. B. dadurch erreicht werden, dass die Rauchgase nach der Filtereinrichtung auf Atmosphärendruck gebracht werden, indem z. B. eine überströmklappe die Mehrförderung des Ventilators ins Freie abführt. Dadurch stehen Messrohr und Vergleichsrohr am Eintritt immer unter gleichem Druck.
Der Einfluss verschiedener Druckdifferenz am Apparat kann auch dadurch ausgeschaltet werden, dass hinter Messrohr und Vergleichsrohr der gleiche Druck hergestellt wird ; dies geschieht z. B. dadurch, dass sowohl Luft- als auch Rauchgase in den Fuchs geführt werden und der konstante Unterdruck gegenüber der Atmosphäre z. B. durch Klappen mit Gewichtsbelastung erzielt wird.
Dadurch, dass Mess- und Vergleichsrohr der gleichen Beheizung ausgesetzt sind, wird der Einfluss verschiedener Heizungsintensität, z. B. infolge Spannungsscllwankungen, weitgehend ausgeschaltet.
Der Einfluss veränderlicher Heizwirkung, z. B. durch Änderung der elektrischen Spannung im Netz, kann in an sich bekannter Weise dadurch ausgeschaltet werden, dass ein Spannungsregler eingeschaltet wird oder eine von der elektrischen Spannung ab- häi1gige Wirkung zur Kompensation verwendet wird. So kann z. B. ein Magnet gegen eine Feder wirken und die veränderliche Federeinsenkung eine gerade Skala verschieben oder eine Kreisskala verdrehen.
Bei elektrischer Beheizung kann eine mechanische Kompensation wie oben erwähnt dadurch erzielt werden, dass zur Messung der BeheizungsintenMtät durch ein zusätzliches Messrohr und Bezugsrohr Luft, Wasser od. dgl. mit konstanter Durchflussmenge strömt.
Flüssigkeiten sind wegen des Fortfalles des Luftdruckeinflusses günstiger ; hiebei kann die konstante Durchflussmenge durch ein vorgeschaltetes Gefäss mit Überlauf und freiem Auslauf aus Mess- und Bezugsrohr erhalten werden.
Der Einfluss verschiedener Temperaturen beim Eintritt in das Mess- und Vergleichsrohr wird in an sich bekannter Weise durch Berieselung bzw. Kühlung mit Wasser gleicher Temperatur ausgeschaltet. In andern Fällen kann die gleiche Temperatur durch Wärmetauscher erreicht werden, wodurch Luft- und Rauchgase auf gleiche Temperatur gebracht werden.
Zur Verstärkung der Wirkung können Luftund Rauchgas mit vom gleichen Motor angetriebenen Ventilatoren durch die Messstrecke und das Vergleichsrohr durchgedrückt oder durchgesaugt werden.
Der Vergleichsluftstrom kann auch als geschlossener Kreislauf mit Kühleinrichtung ausgebildet werden. Die Ausführung mit Vergleichsluftrohr gibt die Möglichkeit, den Nullpunkt der CO2-Skala auf einfache Weise einzustellen und gelegentlich zu überprüfen, indem auch durch das Rauchgasrohr Luft geleitet wird.
Die Wärmezufuhr im Messrohr erfolgt z. B. mittels eines elektrischen Heizdrahtes von aussen oder innen oder indem das Rohr selbst als Niederspannungsheizwiderstand benutzt wird oder durch Induktion oder Hochfrequenzheizung. Es kann auch die Wärmedehnung eines im Rohr angeordneten Heizdrahtes zur Anzeige verwendet werden. Um die durch etwaige Spannungsschwankungen auftretenden Anzeigefehler zu erfassen oder zu vermeiden, wird die Heizspannung gemessen und/oder nachgeregelt, wozu ein Teil der Spannung in Widerständen vernichtet wird.
Die Intensität der Beheizung kann auch dadurch gemessen werden, dass die Längendeh-
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nung des Bezugsrohres einen Schleifwider- stand od. dgl. betätigt, dessen Impuls zur
Kompensation der Anzeige verwendet wird.
Zur Messung des CO- und H2-Gehaltes wird folgende Anordnung gewählt : Von den für die CO-Messung aus dem Fuchs ent- nommenen Rauchgasen wird ein Teilstrom durch ein oder zwei unbeheizte Messrohre ("Bezugsrohre") geführt, während im andern Teilstrom vor Eintritt in das Messrohr in bekannter Weise mittels eines Heizgitters od. dgl. der CO + H2-Gasanteil verbrannt wird.
Das Messrohr zeigt nun die übertemperatur infolge der Verbrennung gegenüber den Be- zugsrohren an und damit den CO-Gehalt, wobei der Nullpunkt durch die Zündwärme- zufuhr gegeben ist. Auch kann statt der Be- zugsrohre ein Luftvergleichsrohr verwendet werden.
Die mechanische CO2- und CO-Anzeige kann vorteilhaft zu einer Anzeige der perzentuellen
Kesselverluste durch die Abgaswärme und die unverbrannten Gase wie folgt kombiniert werden : Die zur CO2-Anzeige abgesaugten
Rauchgase werden zuerst durch einen Tem- peraturanzeiger geführt, der ähnlich den vor- hin beschriebenen Anzeigeapparaten, aber ohne Beheizung, ausgebildet ist. Die Rauch- gase strömen durch das unbeheizte Messrohr durch ; die Bezugsrohre bilden ein oder zwei
Stäbe, wobei vorausgesetzt ist, dass die Luft- temperatur an dieser Stelle gleich ist der
Ansaugtemperatur des Unterwindes. Die Ver- gleichsstäbe können aber auch Rohre sein, durch welche Luft aus der Nähe des Unter- windventilators in den Fuchs strömt.
Die mechanische Anzeige des CO2-Apparates wird mit dieser mechanischen Temperaturanzeige mechanisch so vereinigt, dass der perzentuelle
Abgasverlust, der bei gegebenem Brennstoff linear von der Abgastemperatur und reziprok vom CO2-Gehalt abhängt, angezeigt wird. Hie- bei kann man die Skala für verschiedene
Brennstoffe nach deren maximalem CO2-Ge- halt teilen.
Die Anzeige des CO-Messers kann mecha- nisch ins Verhältnis gesetzt werden zur
Summe der Anzeigen des CO- und CO2-
Messers. Damit wird der perzentuelle Verlust durch unvollständige Verbrennung angezeigt, da dieser Verlust dem Verhältnis der Gas- anteile CO (CO + CO2) proportional ist. Diese Anzeige des perzentuellen Verlustes durch vollständige Verbrennung kann mechanisch der Anzeige des perzentuellen Abgasverlustes hinzugefügt werden.
Zur Regelung der Feuerung kann sowohl die Anzeige des CO2- als auch des COMessers verwendet werden.
Bei einer andern Ausführungsform des Erfindungsgedankens wird das Medium vor Eintritt in das Messrohr auf eine bestimmte regel- bare und konstant zu haltende Temperatur aufgeheizt oder ihm eine bestimmte Wärme- menge zugeführt. Diese Ausführungsform wird vor allem dann angewendet, wenn der zu messende Gemischanteil eine höhere oder niedrigere Strahlungszahl oder bei höherer
Temperatur eine geänderte Wärmeübergangs- zahl gegenüber dem übrigen Gemischanteil aufweist.
Hiebei kann die notwendige hohe Tem- peratur dadurch erreicht werden, dass durch
Wärmetauscher das aus dem Apparat strömende heisse Gas das vom oder zum Apparat strömende kalte Gas weitgehend erhitzt, so dass nur eine geringe elektrische Wärmezufuhr notwendig ist. Das heisse Gas strömt z. B. durch das Messrohr, das kalte Gas aussen durch einen Ringraum. Die ühertem- peratur der Wandung des inneren Rohres gegenüber der des äusseren Rohres hängt nun von der Veränderung der Wärmeübergangs- zahl und/oder Strahlungszahl ab. Statt die Temperatur des Messrohres mit der des äusseren Rohres zu vergleichen, kann aber auch die Temperatur des mit dem zu messenden Gases beaufschlagten Messrohres verglichen werden mit der Temperatur eines mit einem bekannten Medium, z. B.
Luft, beaufschlagten Messrohres, wobei in beiden Fällen das kalte Medium durch den Ringraum strömt.
Ein Mischungsanzeiger zur Anzeige der Luftfeuchtigkeit wird beispielsweise folgendermassen angeordnet :
Die zu messende Luft wird unter den Taupunkt abgekühlt, z. B. durch Kühlwasser, scheidet dabei Feuchtigkeit in Nebel- oder Tröpfchenform aus und durchströmt dann da., 1 elektrisch beheizte Messrohr. Je höher die Feuchtigkeit der Luft ist, desto stärker kühlen die Tröpfchen die Wandung und die Wandtemperatur ist ein Mass für die Luftfeuchtigkeit. Durch die unheheizten Bezugsrohre : 1 strömt ein Parallelstrom ebenfalls unterkühlter Luft.
Die Temperaturen der zu messenden Luft und der unterkühlen Luft werden gemessen.
Die relative Feuchtigkeit kann aus der An- 1 zeige des Apparates und der oben genannten Temperaturen aus Diagrammen abgelesen werden.
Eine Ausführungsform des Mischungmessers für den Staubgehalt der Luft oder 1 den Flugaschen- und Flugkoksgehalt von Rauchgasen ist nachfolgend beschrieben. Das Medium durchströmt mit hohem Drall das Messrohr und gleichzeitig die Bezugssrohre.
Das Messrohr ist elektrisch beheizt. Die Staub- 1 : teile werden durch den Drall an die Rohrwand geschleudert, rollen dort entlang und bewirken eine intensive Zunahme des Wärme- überganges.
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Bei der Messung der Luftfeuchtigkeit und des Staubanteiles ist der Drall besonders wichtig. In Abständen eingebaute Drallkörper erhalten die Drallwirkung über die ganze Messlänge aufrecht. Strömung entgegen der Schwerkraft verstärkt die Anzeige.
Statt die Temperatur der Rohrwand zu messen, kann auch ein Heizstab in das Rohr verlegt werden und die Temperatur des Heizstabes gemessen werden. Das ist insbesondere bei Medien vorteilhaft, deren Gasstrahlungszahl sich von dem übrigen Mischungsbestandteil unterscheidet. In einem solchen Falle wird man die Behälterwand mit wärmestrahlenreflektierender Oberfläche ausführen und auf diese Weise die Messwirkung verstärken. Die Abnahme der Temperatur des Heizstabes entspricht in diesem Falle einer Zunahme des Mischungsanteiles, dessen Gasstrahlungszahl höher liegt.
Mit den angeführten Ausführungsbeispielen sind die Anwendungsmöglichkeiten des Mischungsmessers bei weitem nicht erschöpft.
Es sind vielfältige Kombinationen der angeführten Anordnungen möglich. Insbesondere die Ausschaltung störender Einflüsse, wie elektrische Spannung, Frequenz, Luftdruck, - temperatur, -feuchtigkeit, Druckniveau und Temperatur des Mediums usw. ergeben eine Vielfalt von Kombinationsmöglichkeiten, die aber alle unter den gleichen Grundgedanken fallen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Anzeige der Mischungsanteile von durch ein Messrohr strömenden Medien, wobei ein mit einer Heiz- oder Kühleinrichtung versehenes Messrohr von dem zu messenden Medium durchströmt wird und der Längendehnungsunterschied des Messrohres gegenüber einem Vergleichsrohr, welches von einem Medium bekannter Zusammensetzung durchströmt ist und die gleiche Heiz- oder Kühleinrichtung wie das Messrohr aufweist, zur mechanischen Anzeige verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das zu messende Medium das Messrohr und das Vergleichsmedium das Vergleichsrohr zwangsläufig in konstanter Menge mit so hoher Geschwindigkeit durchströmen, dass der Längendehnungsunterschied des Messrohres im wesentlichen durch Wärmeübergang und spezifische Wärme des Gases, nicht aber durch die Wärmeleitfähigkeit bedingt ist.