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Gerät zur Messung von Strömungsmengen, Drücken, Differenzdrücken und
Niveaus Es ist bekannt, daß die Menge von in Röhren strömenden Flüssigkeiten - durch
die Messung eines DiE:erenzdruckes in Form- -einer quadratischen Funktion - der
.Menge -ermittelt werden- und mittels einer Meßblende, eines Venturirohres oder
sonst eines Stauorgans durchgeführt werden kann.
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- Es ist auch bekannt, daß die über einen Differenzdruck zu messende
Flüssigkeit durch die- Mengenmessung einer Hilfsflüssigkeit möglich ist, deren Differenzdruck
zu dem primären Differenzdruck mittels zwecktnäßiger Regulierung der Hitfsflüssigkeitsmenge
durch einen- Regler in konstantem Verhältnis gehalten wird.
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Die oben an -erster --Stelle erwähnten Geräte, die elfte unmittelbare
Messung ermöglichen, können unter verwendung einer durch eine Füllflüssigkeit teilweise
geffillten Ringwaage mit einer oberen Trennwand arbeiten,- - wobei der vom Differenzdruck-
erzeugte NEveauunterschied der Füllflüssigkeitssäulen eine Winkelablelikulig der
Ringwaage um ihre Drehachse verursacht, welche als Maß für den Differenzdruck oder
den Strömungswert benutzt wird.
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Diese Geräte, welche einst eine Verbesserung in der Meßtechnik bedeuteten,
haben jedoch gewisse Nachteile und besonders eine erhebliche Trägheit, da die Ringkörper
schwer sind und große Winkelweg durchlaufen müssen. Die Meßgenauigkeit wird von
den elastischen Gegenkräften der biegsamen Röhrchen, welche den Druck der zwei Ringkammern
übertragen, bei erheblichen Winkelwegen vermindert.
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Schließlich verursacht das Vorhandensein von mechanischen beweglichen
Gliedern zur Übertragung, Radizierung und Anzeige der gemessenen Werte Reibung und
Spiel.
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Die an zweiter Stelle obenerwähnten Geräte, die eine -mittelbare
Messung ermöglichen, können durch Unempfindlichkeit des Reglers, welcher das Gleichgewicht
zwischen den zwei - Differenzdrücken halten sol, oder durch das Variieren des Versorgungsdruckes
der Hilfsflüssigkeit selbst eine Verminderung der Ansprechempfindlichkeit und der
Meßgenauigkeit erleiden.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist in allen Fällen benutzbar,
wo Differenzdruckwerte zu messen oder zu regeln-sind und auf Grund dieser Rechnungs
verfahren ausgeführt werden sollen, z. B. Radizierungen wie bei Strömungsmessungen,
wo die gemessenen Differenzwerte dem Quadrat der durch das Rohr geströmten Menge
proportional sind. Das Gerät ist ferner für Niveaumessungen und Druck- und Unterdruckmessungen
benutzbar.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung für Differenzdruckmessungen,
bei der das bekannte - Ringwaageprinzip benutzt wird und eine innere obere
Trennwand
und eine Flüssigkeit vorgesehen sind, die teilweise den Ring füllt, und die auf
der Schneide eines Messers im Übergewicht gelagert ist, so daß sie fast reibungslos
in beiden Richtungen sich drehen kann, ist dadurch gekennzeichnet, daß auf der Ringwaage
das vom Differenzdruck her kommende und auf die Ringwaage wirkende Drehmoment mit
einem Reaktionsmoment verglishen wird, das in Wirklichkeit den Drehbewegungen des
Waagekörpers entgegenwirkt und durch sehr kleine Winkeldrehbewegungen des Ringkörpers
mittels einer elektrischen Hilfsenergiequelle erzeugt wird.
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Die obenerwähnte Vorrichtung kann ferner so ausgebildet sein, daß
die beiden Ringkörperkammern, welche mittels zweier biegsamer Röhrchen mit den beiden
Anschlüssen für die Druckentnahme verbunden sind, keiner wesentlichen zusätzlichen
elastischen Biegung unterworfen sind, da der Ringkörper keine wesentliche Winkel
ablenkung während des Meßverfahrens erleidet.
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Die Vorrichtung ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß bei einer
ersten Ausführungsform der Ringkörper mit einer vom elektrischen Strom durchflossenen
Drehspule, die in einem magnetischen Feld zwischen zwei Polen liegt, mechanisch
und starr gekuppelt ist, wobei die Intensität des elektrischen Stromes in der Drehspule
eine Funktion des von den Differenz drücken erzeugten und auf den Ringkörper wirkenden
Drehmoments ist.
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Bei einer anderen Ausführungsform ist ebenfalls der Ringkörper mit
einer vom elektrischen Strom durchflossenen. Drebspule, welche in einem magnetischen
Feld zwischen zwei Polen liegt, mechanisch
und starr gekuppelt,
wobei die Intensität des elek trischen Stromes in der Spule eine Funktion des von
den Differenzdrücken erzeugten und auf den Ringkörper wirkenden Drehmoment ist,
jedoch auch die magnetische Flußstärke zwischen den beiden Polen von einem magnetisierenden
elektrischen Strom bestimmt wird.
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Bei einer besonderen Bauart ist der magnetisierende Strom derselbe
Strom, der die Drehspule durchfließt.
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Die Vorrichtung kann aber auch so eingerichtet sein, daß eine änderung
des magnetischen Flusses, in welchem die Drehspule liegt, durch Änderung der Wicklungszahl
und/oder durch Änderung der Stärke des die Spule durchfließenden Stromes eine Gesetzmäßigkeit
in den abgelesenen Skalenwerten des auf den Ringkörper wirkenden Drehmoments ergibt.
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Das Gerät kann ferner so ausgebildet sein, daß ein Servomotor vorhanden
ist, welcher durch die sehr kleinen Winkelablenkungen des Ringkörpers gesteuert
wird und für die Regelung der Stromintensität in der Drehspule und/oder in den Erregungswicklungen
des magnetischen Feldes bestimmt ist.
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In diesem Falle kann der Servomotor auf eine Wheatstonesche Brücke
wirken, in deren eine ihrer zwei Diagonalen die elektrische Stromquelle geschaltet
ist und deren andere Diagonale die Drehspule und/oder den Erregungskreis des magnetischen
Feldes und/oder die Meßinstrumente der Stromintensität trägt, mit den elektrischen
Widerständen der ent gegengesetzten Brückenzweige auf gleicher Weise veränderlich
mittels eines elektrischen Servomotors, deren Erregung und daraus folgende Drehrichtung
von der Drehneigung des Ringkörpers bestimmt werden.
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Das Gerät weist ferner einstellbare Gewichte auf, welche die Empfindlichkeit
gegenüber der Drehbewegung des Ringkörpers bei zweckmäßiger Verschiebung des Schwerpunktes
in bezug auf den Aufhängepunkt beeinflussen.
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In der Zeichnung sind zwei Beispiele der Erfindung dargestellt. Es
zeigt Fig. 1 die Ringwaage mit einigen anderen Teilen der Vorrichtung, Fig. 2 und
3 Schaltschemata der Vorrichtung mit den dazugehörenden Instrumenten in zwei Anwendungsbeispielen.
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Nach Fig. 1 ist ein hohler Ringkörper 1 mit schwer verdampfbarer
Flüssigkeit 46 teilweise gefüllt, welcher eine obere Trennwand 2 und zwei an den
Trennwandseiten liegende Anschlüsse 3 und 4 für die Übertragung der Druckwerte hat,
deren Differenz gemessen werden soll. Der Ringkörper 1 ist mittels eines Joches
5, einer Schneide 6 und der Gegenschneide des Lagers 7 im Gleichgewicht drehbar
gelagert. Ein Arm 8, der senkrecht an dem Joch 5 angeordnet ist, hat einen beweglichen
Kontakt 9, welcher entweder mit einem oder dem anderen von zwei festen Kontakt tee
10 und 11 und dadurch mit den entsprechenden elektrischen Leitern 12 und 13 in leitende
Verbindung treten kann. -Eine Welle -14 -ist mit dem Joch 5 in der Weise verbunden,
daß ihre Drehachse koaxial mit der Schneide 6 und mit dem Kern 15 der Drehspule
16 mechanisch -starr gekuppelt ist. Der Eisenkern 15 und die Drehspule 16 sind zwischen
den beiden Polen 17 und 18 angeordnet.
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Betrachtet man zunächst Fig. 2, die sich auf die Anwendung des Gerätes
zur Strömungsmessung einer -Flüssigkeit bezieht, -die im Rohr 19 in der Richtung
des Pfeiles 20 strömt, so ergibt -sich folgendes:
Der Einfachheit halber ist die
Welle 14 in Fig. 2 in die Zeichenebene gelegt, aber die Teile 1 bis 18 sind wie
in Fig. 1 angeordnet zu denken.
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Für die Strömungsmessung im Rohr 19 sind in demselben ein Staumeßflansch
21 und beiderseits des Meßflansches zwei Druckentnahmeanschlüsse 22 und 23 vorgesehen.
Diese Entnahmeanschlüsse sind mittels der Röhrchen 24 und 25 mit den Anschlüssen
4 und 3 des Ringkörpers verbunden.
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Die Pole 17 und 18 gehören zum Magnet 26, dessen Arme die Magneterregungswiddungen
27 und 28 tragen. Die Drehspule 16 ist mit den obengenannten Wicklungen in Serie
geschaltet und das Ganze mit dem Galvanometer 29, von dem nur der innere Widerstand
dargestellt ist, an die Spitzen 30 und 31 einer Wheatstoneschen Brücke angeschlossen.
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Die Seiten 31-32 und 30-33 bestehen aus konstanten Widerständen,
die beiden anderen Seiten 30-32 und 31-33 bestehen aus veränderlichen Widerständen,
zwischen denen ein Servomotor 34 angeordnet ist, der im wesentlichen aus einem elektrischen
Motor mit zwei Erregungswicklungen 35 und 36 besteht. Die Wicklung 35 ist mit dem
Stromnetz 37 iiber die Kontakte 11 und 9 und die Wicklung 36 mit dem Stromnetz 37
über die Kontakte 9 und 10 verbunden.
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Auf der Servomotorwelle 38 befinden sich zwei Arme 39 und 40 mit
zwei Schleifern 41 und 42, die auf den Widerständen 43 und 44 der Wheatstoneschen
Brücke aufliegen.
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Es wird angenommen, daß die Widerstände 43 und 44 auf Kreisen liegen,
die von den Armen 39 und 40 durchlaufen werden. Das Ganze ist in der Weise angeordnet,
daß die Umdrehung der Welle 38 und infolgedessen die Verstellung der Schleifer 41
und 42 auf den Widerständen 43 und 44 eine Veränderung der beiden Widerstände 43
und 44 im gleichen Sinne verursachen. Zwischen die Spitzen 32 und - 33 wird eine
elektrische Stromquelle 45 eingeschaltet. Die Arbeitsweise des Gerätes nach Fig.
1 und 2 ist folgende: Solange keine Druckdifferenz an den Anschlüssen 3 und 4 vorhanden
ist, befinden sich beide Flüssigkeitssäulen im Ringkörper auf gleicher Höhe; somit
sind die Kontakte 9, 10 und 9, 11 offen. In dieser Lage ist die Wheatstonesche Brücke
im Gleichgewicht. Die Schleifer 41 und 42 sind so weit verstellt, daß die Widerstände
43und 44 voll eingeschaltet sind. -Es ist bekannt, daß -der Meßflansch 21 im Rohr
19, das von der Flüssigkeit in Pfeilrichtung 20 durchflossen wird, vorn einen höheren
Druckwert und hinten einen geringeren Druckwert verursacht, dessen Differenzwert
nach einem quadratischen Gesetz wie folgt ausgedrückt werden kann: dP = Kl Q2, wobei
d P den Differenzdruck, Q die Flüssigkeitsr menge und Kl eine Konstante bedeuten.
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Die erwähnten verschiedenen Drücke verursachen in den Kammern 47
und 48, welche von- -der - Fiilfflüssigkeit 46 und der oberen Trennwand begrenzt
sind, -einen Niveauunterschied zwischen den Flüssigkeitssäulen im hohlen Ring in
der Weise, daß die Ringwaage -sich in der Richtung des Pfeiles 49 zu drehen bestrebt
ist, womit der Kontakt 9, 10 kurzgeschlossen und die Erregerwicklung mit Strom versorgt
wird. Diese läßt den- Servomotor 39 in einer Drehrichtung laufen, durch die die
Widerstände 41 32. und 4239 -vennindert-. werden.
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Es folgt daraus, daß an den Spitzen 30 und 31 der Wheatstoneschen
Brücke eine Spannung vorhanden
ist, wobei ein elektrischer Strom
die Diagonale 30-31, also die Wicklungen 27 und 28 und die Drehspule 15, durchfließt
und ein magnetisches Feld zwischen den Polen 17 und 18 erzeugt. Die elektromagnetischen
Reaktionskräfte auf der Drehspule wirken auf die Welle 14 mit einem dem Pfeil 49
entgegengesetzten Reaktionsdrehmoment.
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Der Ringkörper dreht sich in die dem Pfeil 49 entgegengesetzte Richtung,
der Kontakt 9, 10 wird geöffn-et und der Erregerstrom in der Wicklung 36 mit der
Drehbewegung des Motors unterbrochen.
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Da das Schließen des Kontaktes 9, 10 eine Drehbewegung des Servomotors
34 in einer solchen Richtung verursacht, daß die Drehspule den Ringkörper 1 um einen
sehr kleinen Winkelhetrag verstellt, welcher dem vom Differenzdruck verursachten
primären Winkelbetrag entgegengesetzt ist, wird eine Gleichgewichtslage für die
Ringwaage erreicht, bei welcher der Strom 7, der durch das Galvanometer 29, die
Drehspule 15 und die Wicklungen 27 und 28 fließt, einen magnetischen Fluß di nach
dem Ausdruck q) = K2 J erzeugt mit K2 als Proportionalitätskonstante.
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Da das Reaktionsmoment M der Spule 15 dem Wert ( des magnetischen
Flusses nach dem Ausdruck iif-K3 0 J proportional ist, mit K3 als Proportionalitätskonstante
folgt M-K, K2 K3 J2.
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Dies bedeutet, daß das Reaktionsmoment M dem Quadrat des am Galvanometer
29 abgelesenen Stromwertes proportional ist. Da das auf die Welle 14 wirkende elektromagnetische
Drehmoment M dem mechanischen Drehmoment der Ringwaage, zu dem die Druckdifferenz
dP proportional ist, entgegengesetzt und gleich ist, ergibt sich d P = K J2, wobei
in der Proportionalitätskonstanten K die Länge des Hebelarmes enthalten ist, mit
dem das Überschußgewicht zwischen den beiden flüssigen Säulen auf der Messerschneide
6 wirkt. Damit erreicht man, daß die Messung der Stromintensität am Galvanometer
29 auch eine Messung der im Rohr 19 fließen den Menge ergibt.
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Man hat ferner den Vorteil, daß die Winkeldrehbewegungen des Ringkörpers
1 sehr gering sind, so daß die Röhrchen 24 und 25 die Messung durch ihre elastische
Verbiegung nicht stören können und die Trägheitskräfte von einem ungeordneten Maß
sind, wodurch das Gerät auch rasche Anderungen der Menge verfolgen kann.
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Das Meßsystem des Gerätes hat ferner keine beweglichen Teile, die
bei der tibertragung der Anzeige immer Spiel und Reibung erleiden, so daß die Anzeige
des Galvanometers 29 genau ist.
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Da im beschriebenen Beispiel das Quadrat der Stromintensität dem
Quadrat der Menge nach einer Proportionalitätskonstanten gleich ist, ist es möglich,
die Flüssigkeitsmengenwerte direkt abzulesen ohne Zwischenschaltung von mechanischen
Gliedern, die arithmetische Operationen zur Folge haben, so daß solche von den Benutzern
des Gerätes nicht vorgenommen werden müssen.
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Es ist selbstverständlich, daß, wenn die Strom mungsrichtung im Rohr
19 plötzlich gegen die Pfeilrichtung 20 umgekehrt würde, der Kontakt 9, 11 kurzgeschlossen
würde und mit einer kleinen Ande-
rung der Wheatstoneschen Brücke die Mengenmessung
der umgekehrten Strömung möglich wäre.
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Im Falle, daß das Galvanometer 29 mit einer Zentralnullskala versehen
ist, könnte man auch die Richtung der Strömung ablesen.
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Fig. 3 bezieht sich auf eine Niveaudifferenzmessung zwischen zwei
Flüssigkeitsbehältern 50 und 51. In Fig. 3 haben die Bezugszeichen dieselbe Bedeutung
wie in Fig. 2. In Fig. 3 fehlen nur die Wicklungen 27 und 28, so daß das Reaktionsdrehmoment,
das vom elektrischen Strom der Welle 14 durch die Drehspule 15 erteilt wird, der
ersten Potenz des Niveauunterschiedes h proportional ist, so daß die am Galvanometer
abgelesenen Stromwerte der Niveaudifferenz h proportional sind.
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In Fig. 1 und 2 sind zwei Anwendungsbeispiele an gegeben, bei denen
das zu messende physikalische Ergebnis der ersten oder der zweiten Potenz der gewiinschten
Meßgröße proportional ist.
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Es ist klar, daß man die elektrische Schaltung des Gerätes in der
Weise ändern kann, daß auch Werte gemessen werden können, die einer elektrischen
Stromintensität nach einem im allgemeinen willkürlichen Exponenten proportional
sind.
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Obwohl aus Gründen der Darstellung die Beschreibung der Erfindung
nur auf die beiden oben angeführten Beispiele und die Zeichnung beschränkt wurde,
sind im Rahmen des Erfindungsgedankens viele Änderungen möglich, z. B. die Anordnung
eines Gewichtes 52 für die senkrechte Verschiebung des Schwerpunktes des Ringes
1 oder die Verwendung von zwei längs des Joches 5 verschiebbaren Gewichten 53 für
die genaue Gleichgewichtseinstellung in dei Ruhelage.
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Ferner kann der Zentralkern 15 fest oder abnehmbar und die Drehspule
16 drehbar sein.
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Der Servomotor kann von irgendeiner anderen Art als elektrisch, z.
B. pneumatisch sein, was die Beseitigung der elektrischen Schaltung des Motors ermöglicht.
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Es ist ferner möglich, die Meßimpulse in den Röhrchen 24 und 25 beispielsweise
durch eine pneumatische, mittelbare Übertragung der vor und hinter dem Meßflansch
21 wirkenden Drücke zu erzeugen.