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Einrichtung zum stetigen Messen und zur fortlaufenden Registrierung
der Dichte von Gasen Zur fortlaufenden Messung und Registrierung der Dichte von
industriell erzeugtem Gas oder Gasgemischen oder deren Dichteänderungen nach Durchlaufen
chemischer Reaktionen sind die bisherigen Verfahren, welche die Dichte über den
aerostatischen Druck von Gassäulen auf Membranen oder Tauchglocken messen, noch
mit Mängeln behaftet, welche eine allgemeine Einführung verhindert haben.
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Vor allem werden sehr hohe Gassäulen von mindestens 4,5 m Höhe benötigt,
um die aerostatische Druckdifferenz so groß zu erhalten, daß sie ausreicht, um die
bisher dafür verwendbaren nachgeschalteten Differenzdruckmeßwerke mit einer ausreichenden
Anzeigegenauigkeit zu betätigen.
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Es ist einleuchtend, daß bei Verwendung von Membranen die einspann-
und temperaturabhängige Eigenkraft der Membran eine nicht konstant bleibende Zusatzkraft
darstellt, welche das Meßergebnis verfälscht.
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Wird eine Tauchglocke verwendet, so spielt der mit der Temperatur
veränderliche Auftrieb der eintauchenden Ringteile ebenfalls die Rolle einer nicht
konstant Meibenden Zusatzkraft. Hier kommen außerdem noch die Reibungskräfte der
Gelenkstellen des Gestänges hinzu. Um den Einfluß aller Störkräfte möglichst klein
zu halten, müssen die Gassäulen die erwähnte große Höhe haben, was außer dem großen
Platzbedarf auch eine erhebliche Anzeigeverzögerung infolge des großen zu verdrängenden
Volumens zur Folge hat.
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Der größte Nachteil dieser Anordnungen aber ist, daß Temperatur-
und Druckänderungen z. B. der umgebenden Atmosphäre, welche sich notgedrungen auf
die zu vergleichenden Gase übertragen, nicht auskompensiert werden. Die angezeigte
Wichtedifferenz ändert sich hier sowohl mit dem Barometerstand als auch mit der
absoluten Temperatur. Ganz unbrauchbar wird das Meßverfahren, wenn z. B. die absolute
Wichte von leichten Gasen (wie z. B. Wasserstoff) durch Wichtedifferenzmessung mit
Luft erfolgen soll.
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Hier würde die Wichte von Wasserstoff nur durch Anderungen des Barometerstandes
unter Umständen um 60 Prozent verkehrt angezeigt werden.
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Andererseits gibt es aber zur Zeit auch mit andersartigen, nach der
Auftriebsmethode arbeitenden Einrichtungen noch keine befriedigende Lösung für die
schnelle Erfassung von Wichteänderungen im industriellen Betrieb, vor allem in der
Art, daß damit auch schnell reagierende Regelanlagen betrieben werden könnten. Die
Regelung verlangt ja ein äußerst schnelles Ansprechen des Gerätes auf Änderungen
der Meßgröße, hier also der Wichte. Gerade in dieser Hinsicht weisen aber die bisher
bekannten Dichtemesser noch große Nachteile auf. So beträgt beispiels-
weise der
Zeitaufwand der bekannten, dem Auftrieb einer Glaskugel in einem vom Meßgas durchströmten
Gehäuse messenden Dichteregistriergeräte beim Übergang von einem zum anderen Meßwert
etwa 15 Minuten. Hierbei ist es gleichgültig, ob der veränderliche Auftrieb wie
bei der bekannten Polluxwaage über einem ihm proportionalen Ausschlag gemessen wird
oder nach der Kompensationsmethode über die pneumatisch oder elektrisch bewirkte
Absolutdruckänderung wie bei der französischen Soregkonstruktion (französische Patentschrift
1 059 474) erfolgt.
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Letzteres Verfahren hat außerdem den Nachteil, daß es für große Meßbereiche
außergewöhnlich große Drucksteigerungen des zu messenden Gases erfordert.
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So ist z. B. zur meßtechnischen Erfassung des Wichtebereiches zwischen
Luft- und Wasserstoff eine Drucksteigerung von etwa 13,5 Atmosphären notwendig,
welche besondere Gaskompressoren erfordert, wenn nach diesem Verfahren gemessen
werden soll.
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Weitere Nachteile ergeben sich noch, wenn der Meßbereich verändert
oder verlagert werden soll, was Stillegung oder Ausbau notwendig macht und nur mit
großem Zeitaufwand in Spezialwerkstätten durchführbar ist, wobei mehr oder weniger
umständliche Änderungen an der Reduziereinrichtung, Nacheichungen mit Vergleichsgeräten
oder Eichgasen durchgeführt werden müssen. Ferner eignen sich die Geräte wegen der
im Gasstrom befindlichen Metallteile nicht oder nur kurzzeitig für Betrieb mit stark
aggresiven Gasen wie feuchtes Chlor, Schwefeldioxyd oder Ammonik u. a.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum stetigen
Messen und zur fortlaufenden Registrierung der Dichte von Gasen bei wechselnden
Drücken
und Temperaturen durch Vergleich des aerostatischen Druckes zweier Gassäulen, bei
denen Temperatur und Druckänderungen keinen Einfluß auf das Meßergebnis haben, zu
schaffen.
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Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß durch Druck- oder
Temperaturänderungen hervorgerufene Dehnungen oder Längenänderungen der Gassäulen
oder im Meßgerät befindlicher Gasräume zur Längenänderung eines der oder beider
die Gassäulen umschließenden Stehrohre, und damit der aerostatischen Druckhöhe,
herangezogen werden; ferner dadurch, daß die Gassäulen mit den Räumen unter-oder
oberhalb einer in einem abgeschlossenen Gehäuse befindlichen Tauchglocke, wie an
sich bekannt, in Verbindung stehen, wobei die Kraft, die dem auf die Tauchglocke
ausgeübten Druck entspricht, mittels eines in einer dünnen Membran eingespannten
und um eine durch deren Ebene gehende Schwenkachse drehbaren Hebels auf das eine
Ende eines an seinem anderen Ende mit einem Justiergewicht versehenen zweiarmigen
Waagebalkens übertragen wird und die Bewegung des einen Endes des Waagebalkens dadurch
meßbar gemacht wird, daß dieses Balkenende mit einem Hohlzylinder in Verbindung
steht, dessen sich selbsttätig immer waagerecht einstellende ebene Auflagefläche
eine Kugel trägt, deren Abstand von einer über ihr fest angebrachten, kreisförmigen
Luftausströmöffnung in an sich bekannter Weise durch den an dem Ringspalt zwischen
Kugel und Luftausströmöffnung auftretenden Staudruck meßbar gemacht wird.
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Bei der vorliegenden Erfindung geht der Gaswechsel so schnell vor
sich, daß bereits nach 20 Sekunden der neue Meßwert erreicht werden kann. Alle gasführenden
Rohrteile können infolge ihrer einfachen zylindrischen Form aus Glas ausgeführt
werden, so daß auch hochaggressive Gase ohne weiteres gemessen werden können. Verlagerungen
oder Veränderungen des Meßbereiches können in wenigen Minuten ohne Unterbrechung
des Betriebes durchgeführt werden. Desgleichen ist eine Nachkontrolle ohne Eichgas
oder Vergleichsgerät möglich, weil ein nach den Erfindungsgedanken gebautes Gerät
ein Meßgerät 1. Ordnung ist und mit aus den geometrischen Abmessungen sich ergebenden
Werten arbeitet.
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Im einzelnen ist zu erwähnen, daß sich die Erfindung des Gedankens
der Tauchglockenaufhängung an einen Waagebalken mit Gegengewicht in Verbindung mit
einer besonderen, auch für statische Drucküberlagerungen geeigneten Art der Durchführung
und einer neuartigen Art der pneumatischen Druckverstärkung bedient.
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Hiernach wird die Aufundabbewegung der Tauchglocke auf ein fast vernachlässigbares
Maß von wenigen hundertstel Millimetern beschränkt und der durch aerostatische Säulen
auf sie lastende Differenzdruck genau proportional pneumatisch verstärkt. Die mehr
als tausendfache Verstärkung des Differenzdruckes fast ohne Hub oder Schwenkbewegungen
wird über die unten beschriebene Druchführung mittels der Aufhängung an einen spitzen-
oder spannbandgelagerten Waagebalken und der sich auf einer selbsttätig immer waagerecht
einstellenden Ebene liegenden Kugel, deren Druck gegen eine Luftausströmöffnung
den verstärkten Luftdruck bestimmt, erreicht. Die Verstärkung erfolgt praktisch
ohne Reibung. Hierdurch können - wie praktische Versuche bestätigen - mit Differenzdruckänderungen
von 0,075 mm WS und
darunter Zeigerausschläge des Registriergerätes von 120 mm und
darüber ohne weiteres erreicht werden. wobei die Ansprechschwelle bei 1 Prozent
dieses Wertes, also bei 0,00075 mm WS und darunter liegt.
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Infolge dieser sehr weitgehenden Herabsetzung des fehlerfrei registrierbaren
Differenzdruckes können nun bei der aerostatischen Druckwägung die Gassäulen -wie
schon erwähnt - erheblich niedriger, etwa 0,4 m, gehalten werden. Die zu vergleichenden
Gase werden nach Durchströmung von zwei Stehrohren, welche in Höhe der Tauchglocke
mit den Räumen unterhalb bzw. oberhalb der Tauchglocke durch Leitungen verbunden
sind, in einer bestimmten Höhe wieder zusammengeführt. Diese Zusammenführungsstelle
ist erfindungsgemäß so ausgeführt, daß ihre Höhe sich automatisch mit Druck- und
Temperaturschwankungen so verändert, daß der Einfluß der nur von diesen Schwankungen
abhängigen Wichtedifferenzänderung durch entsprechende Anderung der aerostatischen
Druckhöhe wieder rückgängig gemacht wird.
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Das Vermeiden vonRückdiffundieren wird dadurch erreicht, daß das
gasführende innere Stehrohr, welches in das Luft (oder Vergleichsgas) führende äußere
Stehrohr einmündet, mit einer durchbohrten Scheibe abgedeckt ist. Hierbei sind sowohl
die Bohrung in der Scheibe als auch der Ringspalt zwischen Scheibe und äußerem Stehrohr
so bemessen, daß die Strömungsgeschwindigkeiten in Spalt und Bohrung in jedem Fall
über den Diffusionsgeschwindigkeiten liegen.
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Da die Tauchglocke keinen nenenswerten Hub auszuführen braucht, kann
sie sehr niedrig bemessen sein. Der Ringteil braucht nur wenige Millimeter einzutauchen.
Da er außerdem als höchstens 0,1 mm dicke, an dem Glockenoberteil aufgelötete oder
geklebte Folie ausgeführt wird, wird der Einfluß eines veränderlichen Auftrieb es
vernachlässigbar klein.
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Der Waagebalken, von dem ein Ende dem Gewicht der Tauchglocke nebst
Durchführungsgestänge und Kugel und dem Luftdruck auf die Kugel ausgesetzt ist,
trägt auf der anderen Seite ein einstellbares Gegengewicht zum Ausgleich dieser
Kräfte. Der Vorteil dieser Anordnung ist nun, daß mittels einer einfachen mechanischen
Vorrichtung ein weiteres Gewicht angehängt werden kann, welches einem ganz bestimmten
Differenzdruck und damit einer ganz bestimmten Wichtedifferenz entspricht. Hierdurch
kann mit Unterdrückung eines beliebigen Bereiches der Meßbereich verlagert werden.
Es können damit weitere Meßbereiche erfaßt werden, ohne daß irgendeine Demontage,
sonstige Veränderung oder Außerbetriebsetzung des Gerätes zu erfolgen braucht. Rückwärts
kann damit - und indem durch beide Stehrohre das gleiche Gas geschickt wird - immer
schnell die Wichtedifferenz Null eingestellt und damit ein konstanter Ausgangswert
als Kontrollwert nachgeprüft und gegebenenfalls leicht mittels des verschiebbaren
Gegengewichtes korrigiert werden. Insbesondere können aber durch Anhängen bzw. Abheben
ganz bestimmt bemessener Gewichte dementsprechende Differenzdruck- bzw. Wichteänderungen
nachgeahmt werden, womit die Meß- oder Regelanlage schnell und exakt nachgeprüft
werden kann.
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Die Zeichnung erläutert die Gedanken der Erfindung in einem Ausführungsbeispiel.
Es zeigt Abb. 1 eine schematische Darstellung eines gesamten Meß- und Registriergerätes
im Schema, Abb. 2 eine Ansicht von oben auf die Lagerung des in der Membran sitzenden
Schwenkhebels.
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Die Luft als Vergleichsgas durchströmt sehr lang sam und gleichmäßig
und demzufolge mit gleichbleibendem, sehr geringem Strömungsdruck das Stehrohr 1,
welches vorteilhaft auch konzentrisch um das andere gasführende Stehrohr 2 ausgeführt
werden kann. Die beiden Rohre sind unten durch die Kanäle 3 und 4 mit den Räumen
5 oberhalb und 6 unterhalb einer Tauchglocke verbunden. In die zur Gassäule führende
Verbindungsleitung4 kann ein sehr schwacher Luftstrom eingeleitet werden (33), welcher
einesteils so gering dosiert werden kann, daß er die Gaseigenschaft nur unwesentlich
verändert, zum anderen aber dafür sorgt, daß das Gas selbst nicht in das Tauchglockenmeßwerk
gelangt. Das Gas vereinigt sich am oberen, besonders ausgebildeten Ende 7 des Stehrohres
2 mit der außen emporströmenden Luft.
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Dieses obere Ende7, kurz die Vereinigungsstelle genannt, ist als
flache, auf dem Rohr sitzende Scheibe ausgebildet, welche mit dem Rohr 8 einen Ringspalt
9 bildet. Sowohl dieser Ringspalt 9 als auch die Bohrung 10 sind so bemessen, daß
die Geschwindigkeiten. mit welcher sie von der Luft bzw. dem Gas durchströmt werden.
über der Diffusionsgeschwindigkeit liegen. Hierdurch bildet die Ebene der Scheibe
sehr genau die obere Begrenzung der aerostatischen Druckhöhe 11, welche unten durch
die Bohrung zu 4 begrenzt ist.
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Diese aerostatische Druckhöhe wird nun durch Änderungen des Absolutdruckes
oder der Temperatur automatisch verändert. Im gezeichneten Beispielsfall wird dieses
dadurch erreicht, daß die obere Verlängerung zum Rohr 2 auf einer Ringtauchglocke
12 sitzt, deren Innenraum 13 durch die Sperrflüssigkeit 14 von den umgebenden Räumen
abgeschlossen ist.
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Dieser Raum 13 ist noch über ein Rohr 15 mit einem Luftbehälter 16
verbunden. Beide enthalten zusam men ein abgeschlossenes Luftvolumen, welches genau
abgestimmt ist und durch Dehnung oder Zusammenziehung infolge Temperatur- oder Druckänderungen
die Ringtauchglocke hebt oder senkt. Durch diese Hebung oder Senkung wird also auch
die Vergrößerung oder Verkleinerung der aerostatischen Druckhöhe 11 bewirkt, wodurch
wiederum die Einwirkung von Temperatur- oder Druckänderungen auf die Wichte kompensiert
werden. Beispielsweise wird infolge Temperaturanstiegs oder Druckabfalls infolge
Dehnung des eingeschlossenen Volumens die Ringtauchglocke angehoben und die aerostatische
Druckhöhe vergrößert. Die Vergrößerung der Druckhöhe gleicht nun genau aus, was
sonst die Verminderung der Wichte infolge der Temperaturerhöhung oder des Druckabfalls
an Verminderung des Differenzdruckes auf die Tauchglocke bewirken würde.
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Da zu jedem Absolutdruck (Barometerstand) und zu jeder Temperatur
eine ganz bestimmte Höhe 11 gehört, kann an Hand einer Tabelle auch jederzeit eine
Nachmessung dieser Höhe erfolgen, was in Verbindung mit der später beschriebenen
Differenzdrucknachahmung mittels Zusatzgewicht das Gerät zu einem »selbsteichenden«
Meßgerät 1. Ordnung macht.
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Bei wirklichen Wichteänderungen verändert sich die Druckwirkung auf
die Tauchglocke 17. Um dabei den Auftrieb durch den eintauchenden Rand der Glocke
so klein wie nur möglich zu halten, ist dieser Rand als dünne Folie ausgebildet.
Jegliche Druckänderung auf die Glocke 17 wird auf den Schwenkhebel 18 übertragen,
der durch die ihn dicht um-
schließende dünne und sehr elastische Membran 19 hindurchgeführt
ist. Die außerhalb des Gasraumes befindliche Spitzenlagerung (Abb. 2) liegt erfindungsgemäß
genau in der Membranebene, und die dünne und sehr elastische Membranl9 übt infolgedessen
auch bei innerem Überdruck (500 mm WS und darüber) kein Moment auf den Schwenkhebel
aus, so daß das Gerät auch für statische Drucküberlagerungen verwendbar ist.
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Mittels des dünnen Drahtes 20 wird die Kraftänderung weiter auf den
Lastarm des Waagebalkens übertragen. Im gezeichneten Beispielsfall ist das Ende
des Waagebalkens 23 mit einer Spitze 22 versehen, auf welcher ein Hohlzylinder 24
pendelnd hängt. Die ebene Decke dieses Hohlzylinders ist dabei nach oben gerichtet,
und auf ihr befindet sich eine Kugel 25, die von einem Luftstrom beaufschlagt wird,
der durch die Leitung 26 ankommt. Alle auf dem Lastarm wirkenden Kräfte sind durch
ein Laufgewicht 27, welches sich auf dem Gewichtsarm des Waagebalkens befindet,
ausgeglichen. Durch ein weiteres Zusatzgewicht 28, welches an dem Gewichtsarm des
Waagebalkens zugeschaltet werden kann (29), kann ein beliebiger Nullpunkt oder auch
sonstiger Meßausgangspunkt geschaffen werden.
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Die pneumatische Verstärkung und Druckgebung auf einen Druckschreiber
30 ist dadurch gekennzeichnet, daß einer Druckluftquelle 31 mit Druckregelung (z.
B. Abblaseventil) in an sich bekannter Art Luft mit gleichbleibendem Vordruck zunächst
eine Drosselstelle durchströmt und dann über 26 zur eigentlichen Ausströmöffnung
gelangt, welche durch die Kugel 25 mehr oder weniger versperrt ist. Der Druck in
den Leitungen 26 und 32 ist bei dieser Anordnung nur vom Druck der Kugel gegen die
Ausströmöffnung bestimmt, wobei die Kugel infolge ihrer Auflage auf die sich immer
selbsttätig genau waagerecht einstellende ebene Decke von 24 durch die Strömung
immer so in der Mitte gehalten wird, daß auch bei kleinstem Ringspalt keine Berührung
des Randes der Ausströmöffnung erfolgt und damit Reibung vermieden wird.
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Zweckmäßigerweise wird mit Hilfe des Laufgewichtes 27 schon ein bestimmter
Ausgangsdruck der Kugel nach oben und damit ein bestimmter Druck in der Leitung
26 und 32 eingestellt, welcher als Kontrollwert am Druckschreiber30 registriert
wird. Diesem Ausgangsdruck wird nun der eigentliche Meßdruck zuaddiert (oder abgezogen),
welcher sich als Verstärkung des Differenzdruckes auf die Tauchglocke 17 ergibt,
wobei die Verstärkung etwa dem Flächenverhältnis Tauchglockenquerschnitt zu Austrittsöffnung
26 entspricht und dem Prinzip zufolge auch immer genau proportional zum Differenzdruck
bleibt. Da außerdem jedem Differenzdruck ein ganz bestimmtes Zusatzgewicht 28 entspricht,
kann hiermit auch leicht eine Nachprüfung ohne aerostatische Druckdifferenz vorgenommen
werden.
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Die Anordnung ermöglicht einen sehr geringen Luftverbrauch von nur
etwa 30 1 pro Stunde und darunter und die Verwendung sehr kleiner Druckluftquellen,
z. B. Elektromembranpumpen, welche direkt am Gerät angebracht und auch direkt die
als Vergleichsgas erforderliche Luft liefern können.