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Dichtewaage zur Bestimmung der Dichte von Flüssigkeiten Die Erfindung
bezieht sich auf eine Dichtewaage zur Bestimmung der Dichte von Flüssigkeiten, die
in einem Autoklav unter hohem Druck stehen, bestehend aus einem Druckgefäß mit darin
untergebrachtem, als Dichtewaage wirkendem zweiarmigem Hebel, der an seinen Enden
zwei Auftriebskörper unterschiedlichen Volumens besitzt, und mit einer über ein
Getriebe von Hand mit Betätigungsgestängen verstellbaren Torsionsfeder zur Ausübung
einer Gegenkraft auf den zweiarmigen Hebel, ferner mit einer Einrichtung zur Betätigung
der Torsionsfeder und zur Ermittlung der Stellung der Torsionsfeder und des zweiarmigen
Hebels von außerhalb des Druckraumes her.
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Die Erfindung besteht dabei darin, daß die Einrichtung zur Betätigung
aus einer durch einen Autoklavverschluß druckdicht hindurchgeführten Hohlwelle,
einem im Autoklavraum befindlichen, mit einem Ende der Torsionsfeder verbundenen
und über die Hohlwelle zu bewegenden Getriebe und einem außerhalb des Autoklavs
befindlichen, mit der Hohlwelle kraftschlüssig verbundenen, über einer Skala spielenden
Einstellkopf zum Einstellen und Ablesen der Winkellage der Welle und einer Signaleinrichtung
für die Anzeige der Nullstellung des zweiarmigen Hebels besteht.
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Eine weitere erfindungsgemäße Bauform sieht vor, daß das Druckgefäß
durch einen Verschlußteil abgeschlossen ist, in dem die hindurchgeführte Hohlwelle
mit Hilfe einer Dichtung abgedichtet ist, die über Längskugellager einerseits durch
eine Mutter, andererseits durch den Flüssigkeitsdruck an die Dichtungsflächen gepreßt
ist, und ferner nahe einem Ende des Hebels Anschläge zur Abgabe von Schaltimpulsen
vorgesehen sind, die als elektrische Kontakte ausgebildet und in isolierende Stege
eingesetzt sind, von denen eine elektrische Leitung durch die Hohlwelle zu einer
Signaleinrichtung führt.
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Erfindungsgemäß kann man auch so vorgehen, daß als elektrische Leitung
durch die Hohlwelle zu der Signaleinrichtung ein isolierter Leitungsstift vorgesehen
ist, der in einem drehbaren Einstellkopf, der am Ende der Hohlwelle sitzt, endet
und dort mittels einer Dichtung mit Mutter gedichtet ist.
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Man kann nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung den Verschlußteil
mit allen von ihm getragenen Teilen zu einer Baueinheit zusammenfassen, die in passend
gestaltete Druckgefäße einsetzbar ist.
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Schließlich kann man gemäß der Erfindung die Dichtewaage auch so
ausbilden, daß der Verschlußteil mit Hilfe eines Schraubkopfes od. dgl. unter Zwischenschaltung
einer Dichtung in der Behälter-
öffnung gehaltert ist und daß die Abdichtung zwischen
Hohlwelle und Verschlußteil durch ein Längskugellager mit dahintersitzendem Gleitring
und Dichtung bzw. einer Mutter mit dahintersitzenden Längskugellagern und weiterer
Mutter erfolgt.
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Es sind Dichtewaagen bekannt, bei denen der Zeigerausschlag der Waage
beobachtet werden muß.
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Bei Messungen im Gebiet hohen Drucks ist eine Übertragung des auftretenden
sehr kleinen Drehmoments durch die sehr starken Stahlwandungen der Hochdruckautoklaven
mittels magnetischer Kupplungen nicht möglich. Überall dort, wo man normale Drücke
vorliegen hat, ist an den Stellen, wo die magnetische Kupplung vorgesehen ist, obendrein
das Gehäuse auch noch geschwächt. Dazu kommt aber ferner, daß eine magnetische Kupplung
für Meßzwecke deswegen nicht geeignet ist, weil eine Kraftübertragung ohne Schlupf
nicht erreichbar ist und durch das Auftreten des Schlupfes eine erhebliche Meßunsicherheit
hervorgerufen wird.
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Es sind ferner seit langem Torsionswaagen unter Verwendung einer
Spiralfeder bekannt, und es ist ferner bekannt, Skalen mit Dichtegraden, Gewichtsprozenten,
Volumprozenten u. dgl. mehr zu eichen.
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Es darf jedoch nicht übersehen werden, daß im vorliegenden Fall solche
Skalen infolge der Ausdehnung bei erhöhten Temperaturen nicht die gebrauchte Genauigkeit
ergeben und daß auch derartige Einrichtungen bei Messungen unter hohen und höchsten
Drücken unverwendbar sind. Es ist ferner zu beachten, daß äußerst kleine Kraftänderungen
gemessen werden und daß die zu messenden Kräfte, auch für relativ große Auftriebskörper,
bei nur einigen Milligramm liegen und daß der Meßeffekt weniger als ein Tausendstel
des Eigengewichts des Meßkörpers ausmacht, bei Federdehnungen unter einem Tausendstel
aber keine Möglichkeit der Wiedergabe vorliegt, so daß eine direkte Kraftmessung
ausfällt. Es muß also
das den Meßeffekt um den Faktor 1000 übersteigende
Eigengewicht des Meßkörpers kompensiert werden, um die kleinen Auftriebsänderungen
mit dem Druck meßbar zu machen. Im drucklosen Zustand läßt sich eine Waage leicht
austarieren, während bei Messungen unter hohem Druck dies nicht ohne weiteres möglich
ist, da bei den sehr kleinen Kräften die gesamte Messung innerhalb des Hochdruckrohres
stattfinden muß und sich daher das Gegengewicht ebenfalls in der Untersuchungssubstanz
befindet. Es müssen also die Unterschiede in den spezifischen Gewichten der festen
Substanzen, aus denen Meßkörper und Kompensationskörper hergestellt sind, ausgenutzt
werden, um die Volumendifferenz zum Erzeugen des Meßeffektes zu verwenden. Eine
obere tragung der kleinen Drehmomente über Achsen und Zahnräder auf ein außen befindliches
Zeigersystem. wie dies bei bekannten Einrichtungen der Fall ist, ist selbst bei
relativ großen Dichteunterschieden zwischen einzelnen zu messenden Flüssigkeiten
kaum möglich, denn es ist zu beachten, daß bei der um mehr als eine Zehnerpotenz
kleineren Dichteänderung ein und derselben Substanz mit dem Druck wegen der Reibungskräfte
in jedem Getriebe hier von vornherein eine Unmöglichkeit liegt.
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Mit der erfindungsgemäßen Dichtewaage ist es hingegen möglich, die
Dichten z. B. von Mineralölen und synthetischen Ölen zu messen, wobei zu beachten
ist, daß diese Dichten bei Atmosphärendruck zwischen 0,8 und über 1,0 glcmS variieren.
Die zu messenden Dichteänderungen der Öle liegen bei etwa 0,004 g/cmj. Der zur Messung
zur Verfügung stehende Auftrieb liegt in der Größenordnung von wenigen Milligramm.
Die durch den Druck verursachte Dichteänderung ist in der Größe also nicht zu vergleichen
mit derjenigen, die beim Übergang von einer Substanz zur anderen auftritt. Hier
liegt nun der große Vorteil der erfindungsgemäßen Dichtewage, da bei ihr derartige
Messungen genau vorgenommen werden können, denn die an sich sehr kleinen Kräfte
und Drehmomente können nicht direkt von außen hereingebracht oder nach außen übertragen
werden.
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Schließlich ist zu beachten, daß im Gegensatz zu den bei normalem
Druck arbeitenden Waagen der mögliche Ausschlag im Hochdruckrohr aus Gründen der
Ausbildung des Apparates sehr beschränkt ist. Aus diesem Grunde wird auch nach dem
erfindungsgemäßen Vorschlag das Drehmoment nicht direkt gemessen, sondern durch
ein Gegendrehmoment kompensiert und die Waage selbst als Nullinstrument verwendet.
Damit ist die bei den gegebenen Druckbedingungen nicht verwendbare magnetische Kupplung
vermieden, und man erreicht gleichzeitig gegenüber der Ausschlagsmessung den Vorteil,
daß die Waage durch kleine Änderungen des erzeugten Gegendrehmoments zu Schwingungen
angeregt werden kann, wodurch gerade bei der Messung kleiner Dichteänderungen der
störende Einfluß der Lagerreibung herabgedrückt wird.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen und den Ansprüchen.
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Es zeigen, in schematischen Skizzen, F i g. 1 eine Gesamtansicht der
erfindungsgemäßen Dichtewaage, geschnitten, sowie einen Querschnitt nach der Linie
A-A, F i g. 2 eine vergrößerte Darstellung des Hauptteils der Dichtewaage gemäß
F i g. 1 und
F i g. 3 eine vergrößerte Darstellung des Endes der Dichtewaage mit
dem Einstellkopf.
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Die zu untersuchende Flüssigkeit befindet sich in einem Gefäß 1,
z. B. einem geschlossenen Autoklav, in den der Verschlußteil 2 mit der daran befindlichen
Meßvorrichtung vor der Füllung des Autoklavs einmontiert wird. In dem vollkommen
mit Flüssigkeit gefüllten Autoklav befindet sich ein in Aufsicht dargestellter zweiarmiger
Hebel 3, der an seinem einen Arm einen Auftriebskörper 4 von geringem und vorzugsweise
an seinem anderen Arm einen Auftriebskörper 5 von großem spezifischem Gewicht trägt.
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Der Hebel 3 ist mit seiner Achse 6 (s. Fig. 2) leicht drehbar in
Steinen 7 gelagert, die ihrerseits im Gestell 8 mit einer Fassung befestigt sind.
Das Gestell 8 ist als U-förmiger starrer Bügel ausgebildet, so daß der Hebel 3 und
die Auftriebskörper 4 und 5 von der gegebenenfalls ständig neu zugeführten Flüssigkeit
völlig umgeben sind.
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Das eine Ende des Hebels 3 kann zwischen Anschlägen 9, 10 (F i g.
2) schwingen. Die Anschläge 9, 10 sind vorzugsweise als elektrische Kontakte ausgebildet.
Sie sind in die isolierenden Stege 11, 12 eingesetzt, die ihrerseits mit dem Gestell
8 verschraubt sind.
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Auf den Hebel 3 wird vorzugsweise durch eine Spiralfeder 13 (Fig.
2), deren eines Ende mit dem Hebel 3 und deren anderes Ende mit einem Schneckenrad
14 verbunden ist, ein einstellbares und außerhalb des Autoklavs ablesbares Drehmoment
ausgeübt. Das Schneckenrad 14 ist in einem Ansatz 15 des Gestells 8 gelagert und
steht mit einer - in den Fig. 1 und 2 vor der Zeichenebene liegenden und daher nicht
dargestellten - Schnecke im Eingriff, die auf einer Achse 16 befestigt ist.
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Die Achse 16 wird über das Zahnradgetriebe 17 (Übersetzungsverhältnis
1:2 bis 1: 3) und die druckdicht nach außen durchgeführte Hohlwelle 18 (Fig. 3)
gedreht und somit das auf den Hebel 3 ausgeübte Drehmoment geändert. Die Hohlwelle
18 ist in neuartiger Weise automatisch dichtend ausgeführt, derart, daß der verstärkte
Kopf 19 der Welle 18 (F i g. 3) durch den Innendruck gegen ein Längskugellager 20
gedrückt wird. Dieses zieht über einen mit Gleitsitz eingepaßten Stahlring 21 die
dahinterliegenden Dichtungen 22 automatisch an.
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Ebenfalls automatisch, aber in bereits bekannter Weise wird auch
der die Meßeinrichtung tragende Verschlußteil 2 gedichtet; er wird durch den Innendruck
gegen die Dichtungen 23 gepreßt, die damit automatisch abgedichtet werden. Um auch
bei dem Innendruck Null eine absolut sichere Abdichtung zu erreichen, kann durch
Anziehen der Mutter 24 ein Vordruck auf die Dichtungen 23 des Verschlußteiles 2
und durch Anziehen der Mutter 25 unter Zwischenlegen eines weiteren Längskugellagers
26 ein Vordruck auf die Dichtung 21 der Hohlwelle 18 ausgeübt werden.
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Die Hohlwelle 18 enthält einen gegen die Hohlwelle isolierten Leitungsstift
27 (F i g. 3), der durch die Dichtung 28 unter Einwirkung des Innendruckes und der
von der Mutter 29 erzeugten Vorspannung abgedichtet wird. Der Leitungsstift 27 dient
als Stromzuführung zu den Kontakten 9, 10. Liegt der Hebel 3 an einem der Anschläge
9 oder 10 an, so wird die Spannung eines Akkumulators oder die Niederspannung eines
Transformators über das Gehäuse (Masse), die Spiralfeder 13, den Hebel 3, einen
der
Kontakte 9 oder 10 und den Leitungsstift an den Mittelkontakt der im Einstellkopf
30 befindlichen Signallampe 31 gelegt. Der Strom verläuft weiter über den Außenkontakt
der Signallampe 31 und ihre isoliert eingesetzte Fassung zum Schleifkontakt 32 und
über den gegen Gehäuse und Einstellkopf isolierten Kontaktring 33 zurück zu der
Niederspannungsquelle.
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Zwischen einer Kontaktgabe über den Kontakt 9 und derjenigen über
Kontakt 10 wird in der Anzeige dadurch unterschieden, daß z. B. zwischen dem Leitungsstift
27 und einem der Kontakte 9, 10 im Inneren des Autoklavs ein Widerstand von z. B.
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10 Ohm geschaltet ist, so daß bei dieser Kontaktgabe die Signallampe
dunkler brennt als bei Kontaktgabe über den anderen Kontakt.
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Vor Inbetriebnahme der Vorrichtung wird der gewünschte Meßbereich
(Nullstellung) durch Verschieben des Auftriebskörpers 5 (Fig. 2) längs einer Skala
auf dem Hebel 3 eingestellt. Die durch höhere Drücke oder Temperaturen verursachte
Dichteänderung der Flüssigkeit wird durch Drehen des Einstellkopfes 30 (Fig. 3)
bis zum Verlöschen der Signallampe 31 und Ablesen des Dichtewertes an der Skala
34 bestimmt.