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Procédé et dispositif pour compter des quantités de chaleur.
Il est connu de déterminer le débit de chaleur d'ins- tallations de chauffage central par le fait qu'on dispose sur le radiateur un récipient contenant un liquide qui s'évapore dans la mesure d'une différence de température se produisant par le chauffage. La mesure se produit alors par le fait que le liquide vaporisé est de nouveau condensé et qu'on détermine la quantité du condensat. On mesure aussi éventuellement directement la diminution de volume de la matière se volatilisant.
Le procédé esquissé ci-dessus pour compter les quantités de chaleur présente des inconvénients tellement graves qu'un
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comptage irréprochable des quantités de chaleur émises par un radiateur de cette manière ne semble pas possible. Les incon- vénients doivent être recherchés dans le processus même de l'opération de mesure et sont conditionnés finalement par le fait qu'entre les différentes températures et les pressions de vapeur s'établissant il n'y a pas de relation proportionnel- le.
Le processus de vaporisation dont il est ici question est basé au contraire sur une loi physique ( équation de Clausius- Clapeyron) qui conduit en première approximation à une rela- tion logarithmique entre la température et la pression de vaè peut, de sorte qu'une dépendance du résultat de comptage par rapport à la température à laquelle le comptage se produit est ainsi impliquée. De cette circonstance il n'est tenu aucgn compte dans tous les dispositifs connus et également dans tous les procédés usités pour le comptage de quantité de chaleur.
En fait les différences de pression de vapeur de l'eau sont par suite des corrélations indiquées ci-dessus , à 20 C et à 80 C, par rapport à celles à 20 C et à 30 C, dans le rapport de 24 : 1 et non dans le rapport de 6 : comme on devrait l'obtenir en cas d'existence d'une relation rectiligne entre la pression de vapeur et la température. Suivant le théorème des états concordants, tous les liquides se comportent à pression normale d'une manière analogue à l'eau.
A côté de cet état de la question, une autre circonstance d'ailleurs moins importante au point de vue du compte, doit être prise en considération. Les quantités de matière trans- portées par suite de la chute de température sont influencées non seulement par les variables de mesure indépendantes déter- minant le résultat du comptage, les pressions de vapeur et le temps, mais encore par une constante dite de diffusion. Or cette grandeur n'est pas du tout constante pour les gammes de température à envisager mais dépend fortement de la température.
Cette circonstance entraîne à côté de la première corrélation déjà traitée une influence nuisible agissant dans le même sens
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sur le comptage de quantités de chaleur reposant sur une transmission de matière, influence nuisible qui n'a pas été encore éliminée jusqu'à présent.
Pour porter remède aux inconvénients mentionnés, il a été proposé d'effectuer en utilisant une chute de température un transport de matière passant par une variation d'état thermodynamique tandis qu'au transport de matière est opposée une résistance croissant avec l'augmentation de température. On emploie alors comme matière à transporter des gaz ou des. liquides qui sont transportés de préférence contre un moyen de bloquage liquide. Le procédé repose donc sur la solubilité différente de gaz ou de liquides et sur le courant de diffusion qui en résulte. un peut obtenir de cette manière des vitesses de comptage qui, indépendamment de l'élévation de la température, sont proportionnelles à la différence de température aux deux branches du tube-compteur.
On évite ainsi les défauts essentiels des compteurs de choeur qui reposent sur la vitesse de vaporisation,s'élevant exponentiellement avec la température ppur un liquide. On a toutefois observé que par suite de la forte dépendance, inconnue dans une forte mesure, des constan- tes de diffusion par rapport à'la température, la mesure comporte encore des erreurs. Il se produit habituellement lors de l'em- ploi d'un liquide uniforme comme résistance de diffusion une certaine dépendance de la température et le choix des paires de substances exemptes de défauts est extrêmement difficile ou le nombre de celles-ci est très limité.
Suivant la présente invention le défaut restant est éliminé par le fait qu'on emploie comme résistance de diffusion un mélange de deux liquides ou la solution d'une substance solide dans un liquide. Un a ainsi la possibilité de faire disparaître complètement, par la nature et la quantité de la substance ajoutée, la dépendance de température dans le processus de comptage.
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on a trouvé particulièrement avantageux comme agents de comptage, des gaz qui diffusent à travers des liquides. Si on emploie par exemple comme matière diffusante de l'éthane et comme liquide de bloquage de l'eau, on constate que la vi- tesse de comptage augmente avec la température croissante. Par une minime addition d'alcool éthylique à l'eau, on peut amortir cette augmentation et par une plus grande addition la renver- ser en inverse.
En cas de rapport de mélange correct de l'eau et d'alcool éthylique, la résistance de diffusion est par conséquent indépendante de la température. On peut obtenir le même effet par la dissolution dans l'eau d'halogénures de potassium, en particulier d'iodure de potassium. Il est possible également suivant la présente invention d'obtenir la dépendance de charge correcte du compteur par le fait qu'on emploie comme matière diffusant un mélange de deux liquides ou de deux gaz. On doit dans ce-cas considérer seulement qu'un démélange de ce mélange se produit par suite des solubilités différentes dans l'agent de bloquage de sorte que la caractéris- tique d'échelles, varie également en concordance.
L'emploi d'eau ou de mélanges d'alcool et d'eau comme liquide de bloquage entraîne encore un autre avantage. Les gaz ont en général aux températures élevées une solubilité beaucoup plus petite qu'aux basses températures de sorte qu'on obtient habituellement une sensibilité du compteur qui diminue avec l'accroissement de température. Si on emploie des liquides qui présentent une pression de vapeur notable, celle-ci produit dans la branche de basse température une compression du gaz servant à la diffusion par rapport à l'autre branche, car la pression totale dans les deux branches est égale à part la différence des colonnes de liquide, tandis que la pression de vapeur du dissolvant est différente à une température différente. pour cette raison les pressions partielles du gaz dans les daux branches doivent différer également.
Il se produit de ce
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fait une diffusion supplémentaire qui augmente en concordance avec la courbe de pression de vapeur du dissolvant lorsque la température augmente. La somme de deux facteurs individuels déterminant la vitesse de comptage peut donner de cette manière, beaucoup plus indépendamment de la température, une sensibilité de comptage constante qu'en cas d'emploi d'un liquide sans pression de vapeur. On obtient ainsi en particulier pour le système éthane dans l'eau avec adjonction d'alcool éthylique, une indépendance complète de la vitesse de comptage par rapport à la température.
Le procédé va être expliqué à l'aide des dessins en même temps qu'un dispositif employable par exemple. Le tube de mesure en forme d'U ( fig. I et 2), possède une branche 1 de section transversale minime qui est maintenue à basse tempéra- ture et dont la position du ménisque 2 indique la quantité de chaleur consommée. L'espace 3 au-dessus du liquide de bloquage est rempli d'éthane qui, en concordance avec sa pression partielle, se dissout dans le liquide et diffuse vers l'autre branche dès qu'il existe une différence de température. Dans la chambre 4 qui est maintenue à plus haute température par la partie 5 du compteur fixée directement au radiateur, le gaz se sépare et parvient dans le récipient de compensation 6.
Pour provoquer dans chaque cas une séparation du gaz dans la chambre 4 et éviter toute sursaturation, on a prévu à la partie supérieure de cette chambre une petite chambre à gaz 7, par exemple de telle manière que le tube de liaison 8 allant vers le récipient de compensation 6 s'avance quelque peu dans la chambre 4. Il se produit ainsi une sorte de débordement qui en combinaison avec le volume, petit en lui-même, de la chambre de gaz 7, fait en sorte que la variation de volume se produisant par la tension de vapeur du liquide lors d'une varia- tion de température reste aussi minime que possible.
Pour la même raison, savoir pour rendre l'état du liquide dans le tube 1
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fortement indépendant de la température régnant à chaque ins- tant, le volume total de lmquide est maintenu aussi petit que possible, et également le volume de la branche 1 dont la position du ménisque sert d'indication de comptage. Inversement le volume du récipient de compensation 6 est rendu grand en proportion, par exemple un peu plus grand que le volume du liquide présent, pour que celui-ci en cas de dilatation entre essentiellement dans la chambre 6 et influence aussi peuque possible le volume dans le tube-compteur 1. Le récipient de compensation et le tube de mesure 1 sont logés dans une douille métallique 9 de manière que les deux organes se trouvent autant que possible à la même température.
Une rediffusion du gaz contenu dans 6 est évitée toutefois par le fait que le tube de liaison 8 présente vers la partie la plus chaude une section transversale tellement minime qu'elle offre une résistance de diffusion comparativement grande .
La partie fixe 10 du logement du compteur porte, de façon qu'elle puisse tourner autour de l'axe 11, la partie antérieure 9 qui forme une enveloppe commune pour le tube de mesure. La liaison du logement avec le radiateur est établie par la partie 5 qui est appliquée directement contre le radiateur.
Entre la partie 5 et le logement 10, on a prévu des corps 12 isolants au point de vue thermique, de sorte que le contact thermique qui est établi entre ces deux pièces par des vis 13 peut être modifié au moyen de la profondeur de vissage de celles ci. On obtient ainsi l'avantage que le compteur est réglable avec précision pour ce qui concerne la sensibilité du tube de mesure, ce qui doit être effectué d'un cas à l'autre lorsque les tubes de mesure ne sont pas tout à fait uniformes lors de la fabrication pour ce qui concerne leur sensibilité de comptage.
Par cette disposition du logement du tube de mesure, on obtient contrairement aux compteurs actuels, une mesure de
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passage de chaleur et par conséquent l'indication de la consommation effective vu que le logement du compteur, avec la partie plus froide du tube de mesure, possède une température un peu plus basse seulement que la face du radiateur, tandis que le corps métallique 5, bon conducteur de la chaleur, qui entoure à la manière d'une enveloppe la partie 4 du tube de mesure, et par conséquent aussi cette partie plus chaude du tube de mesure atteignent la température du radiateur. Pour éviter les pertes de chaleur de cette dernière partie, elle est recouverte aussi complètement que possible par la partie fixe 10 un peu plus froide et elle est séparée de celle-ci par une couche d'isolation ou d'air.
La partie antérieure bascu- lante est établie de telle façon qu'elle s'applique avec des surfaces aussi grandes que possible 17 (fig. 2) contre la partie fixe 10. Pour établir un bon contact thermique entre ces surfaces, la partie basculante est en forme de coin et en une matière bonne conductrice de la chaleur et lors de la fermeture du compteur, elle est pressée solidement contre la paroi du logement qui est également bonne conductrice de la chaleur. La plaque de verre 14 se trouvant à la partie anté- rieure du compteur donnerait lieu, comme elle se trouve à proximité immédiate du tube de lecture, à des mesures erronées parce qu'elle est mauvaise conductrice de la chaleur. Pour cette raison le tube de lecture est entouré d'une douille métallique 15 de telle manière qu'il reste seulement une petite . fente ouverte pour reconnaître le ménisque.
La douille métalli- que peut avantageusement servir de support pour l'échelle graduée. Elle est mise 'en contact thermique convenable avec la partie basculante 9 à son extrémité supérieure, par vissage ou refoulement.
La fonction des pièces de construction décrites pré- cédemment est de veiller à ce qu'à l'intérieur du logement émettant la chaleur vers l'extérieur, le tube de comptage pré- .sente partout les mêmes températures, à l'exception de la
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surface du liquide mise fortement à l'abri de l'émission de chaleur au point de débordement tourné vers e radiateur.
Par toutes ces mesures on obtient que le tube de comptage est exposé à une différence de température qui est égale à celle qui règne à l'intérieur de la liaison conduc- trice de la chaleur des deux parties du logement présentant des températures différentes. La différence de température se présentant dans les deux parties du logement, multipliée par une constante de dimension et par la conductibilité de la matière de la vis, indique le flux de chaleur à travers le compteur. Elleest naturellement égale à la quantité de chaleur émise vers l'extérieur par le logement, indépendamment du passage de chaleur régnant au radiateur et elle est par consé- quent une mesure du passage de chaleur.
Le rétablissement du point nul après que le comptage a été effectué est obtenu par basculement de la partie anté- rieure du logement autour de l'axe 11 jusque dans la position horizontale, en suite de quoi le liquide de bloquage s'écoule du tube de mesure 1 dans le réservoir de compensation 6, en obéissant à la pesanteur.
Pour faciliter le remplissage à nouveau du tube de mesure au moyen de gaz, les deux branches du tube ne sont pas disposées tout à fait parallèlement, mais leurs axes se coupent sous un angle très aigu en-dessous de l'appareil. Le tube de mesure possède par conséquent, à l'état basculé, encore une inclinaison par rapport au tube de liaison lorsque l'autre branche est horizontale de sorte que l'écoulement du liquide se fait mieux. Comme le tube de liaison 8 présente seulement une minime section transversale, ce transfert présenterait des difficultés par suite de la tension superficielle et l'on a prévu par conséquent dans le tube de liaison un filament de verre 16 qui établit d'une manière connue une section transver- sale non uniforme du tube.
En outre la partie de liaison des deux branches du tube de mesure est disposée sous un angle par
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rapport à la direction de la branche et cela de telle manière qu'elle forme avec le tube de lecture un angle aigu. On produit ainsi à l'état basculé une sorte de débordement et le même point le zéro s'établit toujours dans le coude du tube.
L'excès de gaz s'élevant dans l'autre branche est retenu dans le dispositif de débordement 7, remplissant ce dernier et s'élève dans le récipient de compensation 6, en suite de quoi le compteur est de nouveau apte au fonctionnement.
Revendication s..
I/ Procédé pour compter des quantités de chaleur, dans lequel moyennant une utilisation d'une chute de température il se produit un transport de matière à l'intérieur d'un récipient fermé, une relation au moins approximativement proportionnelle entre la quantité de chaleur provoquant le transport de matière et la quantité de matière transportée étant créée par le fait que des résistances croissant avec l'augmentation de température sont opposées au transport de matière, caractéri- sé en ce que pour le moyen de bloquage liquide servant de résistance, il est fait sage d'une solution.
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Method and device for counting quantities of heat.
It is known to determine the heat flow rate of central heating installations by the fact that a receptacle containing a liquid which evaporates in the measurement of a temperature difference produced by the heating is placed on the radiator. . The measurement then takes place by the fact that the vaporized liquid is condensed again and the quantity of the condensate is determined. The decrease in volume of the material volatilizing is also optionally directly measured.
The method outlined above for counting the quantities of heat has such serious drawbacks that a
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flawless counting of the amounts of heat emitted by a radiator in this way does not seem possible. The disadvantages must be looked for in the very process of the measuring operation and are ultimately conditioned by the fact that between the different temperatures and the vapor pressures being established there is no proportional relation.
The vaporization process in question here is based on the contrary on a physical law (Clausius-Clapeyron equation) which leads as a first approximation to a logarithmic relation between the temperature and the pressure of vaè can, so that a dependence of the counting result on the temperature at which the counting occurs is thus implied. This circumstance is not taken into account in all the known devices and also in all the methods used for counting the quantity of heat.
In fact the differences in the vapor pressure of water are as a result of the correlations indicated above, at 20 C and at 80 C, with respect to those at 20 C and at 30 C, in the ratio of 24: 1 and not in the ratio of 6: as one should obtain if there is a rectilinear relation between the vapor pressure and the temperature. According to the concordant states theorem, all liquids behave at normal pressure in a manner analogous to water.
Beside this state of the matter, another circumstance which is moreover less important from the point of view of the account, must be taken into consideration. The quantities of material transported as a result of the drop in temperature are influenced not only by the independent measuring variables determining the counting result, the vapor pressures and the time, but also by a so-called diffusion constant. However, this magnitude is not at all constant for the temperature ranges to be considered but strongly depends on the temperature.
This circumstance entails, beside the first correlation already treated, a harmful influence acting in the same direction.
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on the counting of quantities of heat based on material transfer, a deleterious influence which has not yet been eliminated.
To remedy the drawbacks mentioned, it has been proposed to carry out, using a temperature drop, a transport of material passing through a variation of thermodynamic state, while the transport of material is opposed by an increasing resistance with the increase in temperature . Gases or gases are then used as transport material. liquids which are preferably transported against a liquid blocking means. The process therefore relies on the different solubility of gases or liquids and the resulting diffusion stream. One can thus obtain counting speeds which, independently of the rise in temperature, are proportional to the temperature difference at the two branches of the counter tube.
This avoids the essential defects of chorus meters which rely on the vaporization rate, rising exponentially with the temperature for a liquid. It has, however, been observed that due to the strong dependence, largely unknown, of the diffusion constants on temperature, the measurement still contains errors. Usually, when using a uniform liquid as the diffusion resistance, a certain temperature dependence occurs, and the selection of the pairs of the defect-free substances is extremely difficult or the number of them is very limited.
According to the present invention the remaining defect is eliminated by the fact that one employs as diffusion resistance a mixture of two liquids or the solution of a solid substance in a liquid. One thus has the possibility of eliminating completely, by the nature and the quantity of the added substance, the temperature dependence in the counting process.
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Gases which diffuse through liquids have been found particularly advantageous as counting agents. If, for example, ethane is used as a diffusing material and as a water blocking liquid, it is found that the counting rate increases with increasing temperature. By adding a small amount of ethyl alcohol to the water, this increase can be dampened, and by adding a larger amount it can be reversed.
With the correct mixing ratio of water and ethyl alcohol, the diffusion resistance is therefore independent of temperature. The same effect can be obtained by dissolving potassium halides, in particular potassium iodide, in water. It is also possible according to the present invention to obtain the correct load dependence of the meter by the fact that the diffusing material is a mixture of two liquids or two gases. In this case it should only be considered that a demixing of this mixture occurs as a result of the different solubilities in the blocking agent so that the scale characteristic also varies accordingly.
The use of water or mixtures of alcohol and water as the blocking liquid has yet another advantage. Gases generally have a much lower solubility at high temperatures than at low temperatures so that a meter sensitivity is usually achieved which decreases with increasing temperature. If liquids are used which present a notable vapor pressure, this one produces in the low temperature branch a compression of the gas used for the diffusion with respect to the other branch, because the total pressure in the two branches is equal to share the difference of the liquid columns, while the vapor pressure of the solvent is different at different temperature. for this reason the partial pressures of the gas in the daux branches must also differ.
It occurs from this
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makes a further diffusion which increases in accordance with the vapor pressure curve of the solvent as the temperature increases. The sum of two individual factors determining the counting speed can give in this way, much more independent of the temperature, a constant counting sensitivity than when using a liquid without vapor pressure. In this way, in particular, for the ethane system in water with the addition of ethyl alcohol, complete independence of the counting speed with respect to the temperature is obtained.
The method will be explained with the aid of the drawings together with an employable device for example. The U-shaped measuring tube (fig. I and 2) has a branch 1 of minimal cross section which is kept at low temperature and the position of the meniscus 2 of which indicates the quantity of heat consumed. The space 3 above the blocking liquid is filled with ethane which, in accordance with its partial pressure, dissolves in the liquid and diffuses to the other branch as soon as there is a temperature difference. In chamber 4, which is maintained at a higher temperature by part 5 of the meter attached directly to the radiator, the gas separates and reaches the compensation vessel 6.
In order to cause in each case a separation of the gas in the chamber 4 and to avoid any supersaturation, a small gas chamber 7 is provided in the upper part of this chamber, for example in such a way that the connecting tube 8 going towards the container compensation 6 advances somewhat into chamber 4. A sort of overflow thus occurs which, in combination with the volume, small in itself, of gas chamber 7, causes the variation in volume to occur. produced by the vapor pressure of the liquid during a change in temperature remains as minimal as possible.
For the same reason, know to make the state of the liquid in tube 1
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strongly independent of the temperature prevailing at each instant, the total volume of liquid is kept as small as possible, and also the volume of branch 1, the position of the meniscus of which serves as a counting indication. Conversely, the volume of the compensation container 6 is made large in proportion, for example a little larger than the volume of the liquid present, so that the latter, in the event of expansion, enters essentially into the chamber 6 and influences as little as possible the volume in the counter tube 1. The compensating vessel and the measuring tube 1 are housed in a metal sleeve 9 so that the two components are as much as possible at the same temperature.
Re-diffusion of the gas contained in 6 is, however, avoided by the fact that the connecting tube 8 has such a small cross-section towards the hottest part that it offers a comparatively large diffusion resistance.
The fixed part 10 of the meter housing carries, so that it can rotate about the axis 11, the front part 9 which forms a common envelope for the measuring tube. The connection of the housing with the radiator is established by part 5 which is applied directly against the radiator.
Between part 5 and housing 10, thermally insulating bodies 12 have been provided, so that the thermal contact which is established between these two parts by screws 13 can be modified by means of the screwing depth of these. This gives the advantage that the meter is precisely adjustable with regard to the sensitivity of the measuring tube, which must be done from case to case when the measuring tubes are not completely uniform during of manufacturing with regard to their counting sensitivity.
By this arrangement of the housing of the measuring tube, unlike current meters, a measurement of
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passage of heat and therefore the indication of the actual consumption since the housing of the meter, with the colder part of the measuring tube, has a temperature a little lower than the face of the radiator, while the metal body 5 , good conductor of heat, which wraps around part 4 of the measuring tube like a casing, and therefore also this hotter part of the measuring tube, reach the temperature of the radiator. In order to avoid heat loss from this latter part, it is covered as completely as possible by the fixed part 10 which is a little cooler and it is separated therefrom by an insulation or air layer.
The tilting anterior part is established in such a way that it rests with as large a surface as possible 17 (fig. 2) against the fixed part 10. To establish a good thermal contact between these surfaces, the tilting part is wedge-shaped and made of a good heat conductor material and when closing the meter it is pressed firmly against the wall of the housing which is also a good heat conductor. The glass plate 14 located at the front of the meter would give rise, as it is in the immediate vicinity of the reading tube, to erroneous measurements because it is a poor conductor of heat. For this reason the reading tube is surrounded by a metal sleeve 15 so that only a small one remains. slit open to recognize the meniscus.
The metal sleeve can advantageously serve as a support for the graduated scale. It is placed in suitable thermal contact with the tilting part 9 at its upper end, by screwing or upsetting.
The function of the construction parts described above is to ensure that inside the housing emitting heat to the outside, the metering tube has the same temperatures everywhere, except for the
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liquid surface greatly shielded from heat emission at the overflow point facing the radiator.
By all these measures, it is obtained that the counting tube is exposed to a temperature difference which is equal to that which prevails inside the heat-conducting connection of the two parts of the housing having different temperatures. The temperature difference in the two parts of the housing, multiplied by a dimension constant and the conductivity of the screw material, indicates the heat flow through the meter. It is naturally equal to the quantity of heat emitted to the outside by the housing, regardless of the heat passing through the radiator, and it is therefore a measure of the heat passing through.
The reestablishment of the zero point after the counting has been carried out is obtained by tilting the front part of the housing around the axis 11 to the horizontal position, after which the blocking liquid flows from the tube. measure 1 in compensation tank 6, obeying gravity.
To facilitate the refilling of the measuring tube with gas, the two branches of the tube are not arranged completely parallel, but their axes intersect at a very acute angle below the apparatus. The measuring tube therefore has, in the tilted state, still an inclination relative to the connecting tube when the other branch is horizontal so that the liquid flow is better. As the connecting tube 8 has only a minimal cross-section, this transfer would present difficulties due to the surface tension and therefore a glass filament 16 has been provided in the connecting tube which establishes in a known manner a Non-uniform cross section of the tube.
In addition, the connecting part of the two branches of the measuring tube is arranged at an angle by
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in relation to the direction of the branch and in such a way that it forms an acute angle with the reading tube. A sort of overflow is thus produced in the tilted state and the same zero point is always established in the bend of the tube.
The excess gas rising in the other branch is retained in the overflow device 7, filling the latter and rises in the compensating vessel 6, as a result of which the meter is again operational.
Claim s ..
I / A method for counting quantities of heat, in which by using a drop in temperature there is a transport of material inside a closed container, a relationship at least approximately proportional between the quantity of heat causing the transport of material and the quantity of material transported being created by the fact that resistances increasing with the increase in temperature are opposed to the transport of material, characterized in that for the liquid blocking means serving as resistance, it is made wise of a solution.