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Einrichtung zur druck- und temperaturkorrigierten Messung des Durchflusses
eines durch eine Rohrleitung strömenden Gases Die Erfindung betrifft eine Einrichtung
zur Messung des Durchflusses eines durch eine Rohrleitung strömenden idealen oder
näherungsweise idealen Gases nach einem Wirkdruckverfahren, bei der der Einfluß
des Gasdruckes und der Gastemperatur auf den Meßwert berücksichtigt wird. Bekanntlich
ist bei idealen Gasen der Zusammenhang zwischen der Durchflußmenge pro Zeiteinheit
Q, dem Wirkdruck h, dem Gasdruck P und der absoluten Temperatur des Gases T gegeben
durch die Gleichung
in der c einen Proportionalitätsfaktor bedeutet.
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Es sind Einrichtungen bekannt, die den Wirkdruck in einen elektrischen
Strom umformen und bei denen durch geeignete Schaltungen von druck- bzw. temperaturgesteuerten
Widerständen der Einfluß von Gasdruck und -temperatur Berücksichtigung findet. Die
Wirkungsweise solcher Schaltungen entspricht jedoch nicht dem durch die obige Gleichung
gegebenen Zusammenhang, so daß Näherungswerte erhalten werden, die nur in einem
begrenzten Meßbereich genügend genau sind. Andere bekannte Einrichtungen benötigen
eine Konstantspannungsquelle und eignen sich überdies nicht zur Leistungsentnahme
- etwa für Steuer-oder Stellzwecke in einer Regelanlage -, weil bei ihnen das Meßresultat
als Spannungswert vorliegt und durch eine Spannungsteilerschaltung erhalten wird.
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Eine Stromentnahme stört die Spannungsteilung und verfälscht den Meßwert.
Ferner sind Durchflußmengenmesser bekanntgeworden, die den Wirkdruck direkt am Waagebalken
einer durch einen aus einem Tauchspulsystem bestehenden elektrodynamischen Kraftgeber
kompensierten Stromwaage angreifen lassen. Bei ihnen muß in dem Tauchspulsystem
eine zusätzliche Spule vorgesehen werden. Die Druck-und Temperaturmeßgeräte beeinflussen
eine Wheatstonesche Brücke, deren Brückenstrom die zusätzliche Spule durchfließt.
Dabei muß die Brückenschaltung so dimensioniert werden, daß das Verhältnis zweier
hintereinandergeschalteter Widerstände extrem groß wird. Ein solches Verhältnis
bedingt aber eine ungenaue Arbeitsweise der Brücke, und dies um so mehr, als in
die Schaltung der Brücke Ubergangswiderstände der Kontakte störend eingehen. Es
ist auch der Vorschlag gemacht worden, in Erweiterung der zuerst genannten Verfahren
einen elektrischen Wirkdruck transmitter und druck- und temperaturgesteuerte Widerstände
in Verbindung mit einer kraftkompensierten elektrischen Stromwaage zu benutzen und
den Einfluß von Druck und Temperatur an der Eingangsseite der Waage zu berücksichtigen.
Dabei lassen sich jedoch störende Wechselwirkungen zwischen der
Druck- und der Temperaturkorrektion
nicht ganz vermeiden. Außerdem lassen sich die Widerstände nicht so wählen, daß
jeder beliebig große Meßbereich ausgenutzt werden kann, und es können sich auch
hier Übergangswiderstände an den Kontakten störend bemerkbar machen.
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Durch die Erfindung wird eine Einrichtung angegeben, die eine exakte
Druck- und Temperaturkorrektion gewährleistet und bei der Wechselwirkungen zwischen
beiden Korrektionen vermieden werden.
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Sie benötigt keine Konstantstromquelle und läßt sich in einfacher
Weise an unterschiedliche Meßbereiche anpassen. ftergangswiderstände an Kontakten
bleiben ohne Einfluß, und der Meßwert kann direkt einer Regelanlage aufgeschaltet
werden.
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Dies geschieht durch die Verwendung eines elektrischen Wirkdrucktransmitters,
der den Wirkdruck in einen diesem proportionalen Strom umformt, in Verbindung mit
einem elektrodynamischen Kraftkompensator in Gestalt einer selbstkompensierten elektrischen
Kraftwaage. Dabei ist sowohl an der Eingangsseite der Waage in dem Stromkreis, der
den das Drehmoment erzeugenden Kraftgeber speist, als auch auf der Ausgangsseite
in dem Kompensationsstrnmkreis, der den Kompensationskraftgeber zur Erzeugung des
Gegendrehmomentes versorgt, je ein Potentiometer als Korrekturwiderstand vorgesehen,
das als Stromteiler geschaltet ist, wobei das an der Eingangsseite der Waage befindliche
Potentiometer vom Gasdruck, das an der Ausgangsseite befindliche Potentiometer von
der Gastemperatur gesteuert wird,
und zwar durch die Verstellung
der Schleifkontakte.
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Der vom Wirkdrucktransmitter erzeugte Strom wird von dem druckgesteuerten
Potentiometer so geteilt, daß ein druckproportionaler Teilstrom durch die Spule
des Kraftgebers fließt, der ein Drehmoment auf die Waage ausübt. Das Gegendrehmoment
an der Waage wird von einem Kompensationskraftgeber erzeugt, der von einem durch
den Waagebalkenausschlag gesteuerten Kompensationsstrom gespeist wird. Der Kompensationsstrom
fließt durch die eine Spule des Kompensationskraftgebers und wird dann durch das
von der Temperatur gesteuerte Potentiometer so geteilt, daß ein der Gastemperatur
proportionaler Teilstrom die andere Spule des Kompensationskraftgebers durchfließt.
Wie im folgenden nachgewiesen werden wird, ist der Kompensationsstrom ein genaues
Maß für die Durchflußmenge.
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Um die Einrichtung verschiedenen Druck- und Temperaturmeßbereichen
anzupassen, können mit den Potentiometern noch zusätzliche, zweckmäßigerweise variable
Widerstände parallel oder in Reihe geschaltet sein. Es ist außerdem vorteilhaft,
als Wirkdrucktransmitter in bekannter Weise eine weitere Stromwaage zu benutzen
und den Wirkdruck auf ihren Waagebalken eine mechanische Kraft ausüben zu lassen.
Der vom Waagebalken ausgesteuerte und einen geeigneten Kompensationskraftgeber durchfließende
Kompensationsstrom ist dann dem Wirkdruck proportional und wird der oben beschriebenen
Stromteilerschaltung zugeführt.
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Aufbau und Wirkungsweise der Erfindung seien an Hand der Zeichnungen
erläutert: In Fig. 1 kennzeichnet 1 ein von einem idealen Gas durchströmtes Rohr,
in dem eine Meßblende 2 angeordnet ist. Der Wirkdruck wird über Leitungen 3 und
3' abgenommen und dem Wirkdrucktransmitter 4 zugeführt, der den Wirkdruck in den
proportionalen Strom I' umsetzt. Der Strom I' wird über den Schleifkontakt 5 und
den festen Kontakt 6 dem Potentiometer 8 zugeführt, an dessen festen Kontakten 6
und 7 die Spule 11 des Kraftgebers 9 angeschlossen ist. Der aus Spule 11 und Permanentmagnet
10 bestehende Kraftgeber 9 erzeugt ein Drehmoment am Waagebalken 12, der bei 13
gelagert ist. Mit dem Waagebalken 12 bewegt sich die Schwenkspule 17, die sich im
Feld der festen Spulen 18 befindet. Dadurch entsteht in der Spule 17 ein Induktionsstrom,
der dem Verstärker 23 zugeführt wird.
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Der Verstärker 23 gibt den Kompensationsstrom I ab, der ein Anzeigegerät
24, ein Registriergerät 25 und gegebenenfalls eine Regelanlage 26 durchfließt, und
der in seiner Stärke durch den Waagebalken 12 so gesteuert ist, daß der Kompensationskraftgeber
14 dem Kraftgeber 9 das Gleichgewicht hält. Dabei wird der Strom I durch das Potentiometer
19 geteilt, welches mit seinem Schleifkontakt 22 und seinem festen Kontakt 21 in
Reihe liegt mit der Spule 16 des Kompensationskraftgebers 14. An den beiden Festkontakten
20 und 21 ist die andere Spule 15 des Kom pensationskraftgebers 14 parallel angeschlossen.
Im Rohr 1 liegt in Strömungsrichtung vor der Meßblende ein Druckmeßgerät 27 und
ein Temperaturmeßgerät 29. Das Druckmeßgerät beaufschlagt das Stellglied 28, das
den Schleifkontakt 5 des Potentiometers 8 linear mit dem Gasdruck verstellt. In
gleicher Weise wird durch das Temperaturmeßgerät 29 das Stellglied 30 beaufschlagt,
welches den Schleifkontakt 22 des Potentiometers 19 linear mit der Gastemperatur
verstellt.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Der vom Wirkdrucktransmitter erzeugte
Strom I' ist dem Wirk-
druck h proportional und wird durch das Potentiometer 8 so
geteilt, daß der eine, nicht bezeichnete Teilstrom über den Kontakt 6 direkt, der
andere Teilstrom 1" über die Spule 11 zum Transmitter zurückfließt. Der Schleifkontakt
teilt das Potentiometer im Verhältnis a: (1 -a), wobei der Stellweg a voraussetzungsgemäß
dem Gasdruck P proportional ist.
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Durch elementare Rechnung folgt a " 1" al ~1 oder, da a zur P ist,
P 1' ~ 1" (2) Ganz analog folgt für den Kompensationsstrom 1 flJNP" Dabei bedeutet
fl den Stellweg am Potentiometer 19, der voraussetzungsgemäß proportional der Gastemperatur
T sein soll. Daher gilt auch T 1 ~ 1"' (3) Nun ist offenbar das vom Kraftgeber 9
erzeugte Drehmoment proportional 1" und das vom Kompensationskraftgeber 14 erzeugte
Gegendrehmoment proportional dem Produkt I I.Im. Unter Berücksichtigung der Formeln
(2) und (3) ergibt sich daher als Gleichgewichtsbedingung an der Waage T12 I PI'
oder
weil I' dem Wirkdruck h proportional ist. Xach der eingangs angegebenen Formel (l)
ist daher tatsächlich der Kompensationsstrom I der Durchflußmenge pro Zeiteinheit
Q genau proportional.
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In Fig. 2 ist eine Schaltung aufgezeichnet, bei der parallel zum
Widerstand 8 das durch Schleifkontakt 34 und Festkontakt 33 begrenzte Teilstück
eines weiteren Potentiometers 31 liegt. Dabei ist das andere durch 34 und 32 gekennzeichnete
Teilstück in Reihe zum Potentiometer 8 geschaltet. Die Stromteilung wird durch das
Potentiometer 8 bewirkt. Durch die Veränderung des Schleifkontaktes 34 kann der
Druckmeßbereich der Vorrichtung verändert und den jeweiligen Verhältnissen angepaßt
werden. Es ist aber auch denkbar, Widerstände in anderer Weise dem Potentiometer
8 zuzuschalten, beispielsweise durch zwei variable Widerstände, von denen der eine
in Reihe und der andere parallel zum Potentiometer 8 liegt.
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Wenn die Druck- und Temperaturmeßgeräte zur Fernübertragung geeignete
Meßgrößen erzeugen, besteht die Möglichkeit, den elektrischen Kraftkompensator von
der am Rohr befindlichen Meßstelle entfernt aufzustellen. - Die Stromteiler gewährleisten,
daß sich Kontaktwiderstände nicht störend bei der Messung auswirken können. Die
Anordnung ist leicht aus bekannten und bereits in Gebrauch befindlichen Elementen
aufzubauen. Bei den Stromwaagen werden besondere Wicklungen nicht erforderlich.