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Das Messen von kleinen Gasmengen (z. B. weniger als 1 imin) bereitet
gewisse Schwierigkeiten, wenn zeitlich aufwendige integrierende Verfahren, z. B.
mittels Gasometer, vermieden werden sollen. Bekannt sind Strömungsmesser, bei denen
ein sogenannter Schwebekörper innerhalb eines konisch ausgeschliffenen, vertikal
angeordneten Rohres von dem von unten eintretenden Gasstrom in der Schwebe gehalten
wird. Die Schwebehöhe ist dabei der pro Zeiteinheit durchtretenden Gasmenge proportional.
Bei diesem Prinzip liegt die untere Meßgrenze bei etwa 0,2 21ph, und der Druckverlust
beträgt etwa 50 mm Wassersäule.
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Andere Strömungsmesser arbeiten nach dem Stauplattenprinzip, bei
dem die mechanische Auslenkung einer angeströmten Platte bzw. eines Kegels der pro
Zeiteinheit durchströmenden = Gasmenge proportional ist. Die erreichbare Empfindlichkeit
ist dabei weit geringer als bei dem erstgenannten Prinzip.
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Bekannt sind auch die sogenannten »thermischen Strömungsmesser«,
bei denen der elektrische Widerstand eines vom Gasstrom temperierten Fühlelementes
ein Maß für die pro Zeiteinheit durchströmende Gasmenge darstellt. Diese Geräte
sind nur bedingt eichfähig, da die verwendeten Fühlelemente, meist auf Halbleiterbasis,
Alterungserscheinungen unterliegen.
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Bekannt sind weiterhin sogenannte Quarzfaden-Elektrometer, wie sie
in Taschendosimetern zur Messung einer der Strahlendosis proportionalen Spannung
Verwendung finden. Bei ihnen ermöglichen die nahezu idealen elastischen Eigenschaften
der Quarzfäden eine hohe Isangzeitkonstanz und Reproduzierbarkeit der Anzeige.
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Bekannt sind weiterhin Quarzfadenmanometer.
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Aus dem zeitlichen Amplitudenverlauf schwingender Quarzfäden lassen
sich Gasdrücke bis herab zu etwa 1 10-4 Torr messen.
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Bekannt sind weiterhin verschiedene Methoden zum Überziehen von Glas-
oder Quarzfäden mit einer elektrisch leitenden Schicht. Das Aufbringen von metallischen
Überzügen durch Aufdampfen im Hochvakuum bzw. durch Kathodenzerstäubung in definierter
Gasatmosphäre ist bereits lange bekannt. Nach einem vorgeschlagenen Verfahren kann
ein halbleitender Zinnoxyd-Oberzug in einem temperierten Gasstrom unter normalem
Atmosphärendruck auf feine Fäden (z. B. 3 llm Durchmesser) kontinuierlich aufgetragen
werden.
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Bekannt sind weiterhin sogenannte Nachlaufregler, bei denen der Istwert
fotoelektrisch ermittelt wird.
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Im Zusammenhang mit den Entwicklungsarbeiten für das obengenannte
Verfahren zum Überziehen von Glas- oder Quarzfäden mit einer halbleitenden Schicht
ergab sich das Problem, sehr kleine Gasmengen von der Größenordnung cm3/min bei
einem sehr kleinen Druckverlust zu messen.
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Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als bewegliches
Element ein dünner Quarz- oder Glasfaden verwendet wird, der durch die Gasströmung
eine elastische Verformung erfährt. Für die Ablesung des Meßeffektes ist es zweckmäßig,
den Glas- oder Quarzfaden zu einer U-förmigen Schlinge zu biegen und an den Schlingenfußpunkten
zu befestigen. Eine senkrecht zur Schlingenebene verlaufende Strömung verbiegt die
Fadenschlinge, und die Auslenkung des Schlingenscheitels kann als Meßeffekt beobachtet
werden. Zur Erhöhung der Emp-
findlichkeit ist es vorteilhaft, die Fadenschlinge
nur im Bereich ihrer größten Empfindlichkeit, d. h. in der Scheitelgegend vom Gasstrom
treffen zu lassen.
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Eine weitere Empfindlichkeitssteigerung wird erreicht, wenn die Scheitelpartie
der Fadenschlinge sich vor einer Düsenöffnung befindet, deren Querschnitt dem Fadenverlauf
angepaßt ist. Das ist in erster Näherung bei einer schlitzförmigen Düse der Fall,
deren Längsachse parallel zum Schlingenscheitel verläuft. Eine noch bessere Ausnutzung
des Gasstromes wird erreicht, wenn der Düsenquerschnitt der Schlingenkrümmung angepaßt
wird (s. das Ausführungsbeispiel).
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Glas und Quarz sind elektrisch gut isolierende Materialien. Dadurch
besteht die Gefahr, daß sich vom Gasstrom mitgeführte Staubteilchen bei einer elektrostatischen
Aufladung der Fadenschlinge bevorzugt auf dieser absetzen und dadurch den Strömungswiderstand
des Fadens verändern. Es ist daher vorteilhaft, die Fadenschlinge mit einer elektrisch
leitenden dünnen Schicht, z. B. Zinnoxyd, zu überziehen, die eine statissche Aufladung
vermeidet.
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Bringt män - den beweglichen Faden oder die Fadenschlinge in einem
Meßgehäuse so zwischen zwei gegenüberliegenden Glasfenstern an, daß die durch die
Strömung verursachte, Auslenkung im wesentlichen parallel zu den Fensterflächen
verläuft, dann kann- - durch Projektion des Fadens bzw. des:Schlingenscheitels auf
eine geeignete'Skala eine bEqueme Beobachtung des Meßwertes ermöglicht werden. Bei
geringen Ansprüchen''an die Bequemlichkeit kann die Beobachtung durch die Fenster
auch mit Hilfe eines Mikroskops mit eingebauter Okularskjala erfolgen.
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Bei einem Einsatz des Strömungsmessers in der Verfahrenstechnik genügt
es meist nicht, den Meßwert (Scheitelauslenkung) visuell zu erfassen Es ist vielmehr
erforderlich, ein dem Meßwert proportionales elektrisches Signal zu bilden. Für
den einfachen Fall einer Eine und Aus-Regelung kann es bereits vorteilhaft sein,
in der Bildebene der Projektionseinrichtung eine Photodfode - oder ein anderes photo
elektrisches Bauelement - anzubringen, die beim Oberfahrenwerden vom Fadenbild ein
elektrisches Signal abgibt. Ist mit einer schnellen Veränderung des Meßwertes zu
rechnen, dann sind zwei Photodioden zur Richtungskontrolle erforderlich.
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Werden höhere Ansprüche an die Regelung gestellt, oder ist eine Fernübertragung
des Meßwertes erforderlich, dann kommen vorteilhafterweise drei Photodioden zur
Anwendung, die gemeinsam auf einem sogenannten Schlitten montiert sind und von einer
Nachlaufregelung so in der Bildebene senkrecht zum Fadenbild bewegt werden, daß
das Fadenbild stets die mittlere Diode bedeckt.
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Einem mit dem Stellmotor gekuppelten Potentiometer kann z. B. eine
dem Meßwert proportionale Spannung entnommen werden. Wird an einer geeigneten Stelle
der Strahlengang der Projektionseinrichtung periodisch unterbrochen, dann arbeitet
eine solche Regelung unabhängig von eventuellem Fremdlicht, und eine wechselstrommäßige
Verarbeitung der elektrischen Signale ist möglich.
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Soll außer der pro Zeiteinheit durchströmenden Gasmenge auch noch
die Gesamtmenge erfaßt werden, dann kann die Nachlaufregelung dafür eingesetzt werden.
Es ist dann nur noch notwendig, an die Regelung ein Stellgied anzuschließen, das
eine
dem Meßwert proportionale Geschwindigkeit (Drehzahl) abgibt,
mit der ein Zählwerk betrieben wird.
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Ab b. 1 und 2 zeigen eine mögliche Ausführungsform des Meßsystems
in zwei zueinander senkrechten Schnitten.
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Das zylindrische Meßgehäuse 1 ist mit den Fenstern 2 und 3 versehen.
Die beiden exzentrisch ineinander gepaßten Teile 4 und 5 bilden gemeinsam den sogenannten
Düseneinsatz mit der Düsenöffnung 6.
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Am Teil 5 ist ein Blechteil 7 befestigt, das die Drahtstücke 8 trägt.
An diesen Drahtstücken ist mit ihren Fußpunkten die Fadenschlinge 9 befestigt. Die
Fadenschlinge ist so justiert, daß sich ihr Scheitel vor der Düsenöffnung 6 befindet.
Ein durch die Bohrung im Verschlußstopfen 10 eintretender Gasstrom nimmt seinen
Weg durch die in den Teilen 4 und 5 vorhandenen Bohrungen 11 und 12 trifft aus der
Düsenöffnung austretend die Fadenschlinge, die z. B. in die gestrichelt eingezeichnete
Position ausgelenkt wird. Der Gasstrom verläßt durch die Öffnung 13 das Meßgehäuse.
Mit dieser Ausführungsform wurde eine untere Meßgrenze von 0,05 l/h bei einem Druckverbrauch
von nur etwa 1 mm Ws erreicht.
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A b b. 3 zeigt eine schematische Zusammenstellung der für eine selbsttätige
Nachlaufregelung mit Meßwertübertragung und Zählwerk erforderlichen Elemente. Der
in das Meßgehäuse 14 eintretende Gasstrom verursacht eine Auslenkung der Fadenschlinge
15. Das Bild 16 der Fadenschlinge wird mittels Lampe 17, Kondensator 18 und Optik
19 auf die Skala 20 projiziert. Die Skala ist mit einem Längsschlitz 21 versehen,
hinter dem die zu einer Einheit zusammengebauten Photodioden 22 in Schlitzrichtung
verschiebbar angeordnet sind. Die von den Photodioden ausgehenden elektrischen Signale
werden dem Nachlaufregler 23 zugeleitet. Dieser veranlaßt über den Stellmotor 24
eine Verschiebung der Diodeneinheit, so daß innerhalb des Meßbereiches stets das
Fadenbild die mittlere Diode abdeckt. Zur Fernübertragung des Meßwertes kann beispielsweise
ein mit dem Stellmotor gekuppeltes Potentiometer 25 dienen. Das an die Regelung
ebenfalls angeschlossene Zählwerk 26 zählt mit einer dem Meßwert proportionalen
Geschwindigkeit die insgesamt durchströmende Gasmenge.
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Zur Erweiterung des Meßbereiches dient das Ventil 27, das im geöffneten
Zustand die Umwegleitung 28 freigibt, so daß nur ein definierter Teilstrom das Meßgehäuse
durchströmt. Falls erforderlich, kann die Meßbereichsumschaltung, d. h. die Ventilbetätigung
durch den Regler erfolgen.
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Für die Verarbeitung der von den Photodioden ausgehenden elektrischen
Signale durch den Regler ist es vorteilhaft, den Lichtstrahl an einer geeigneten
Stelle periodisch zu unterbrechen. Das geschieht mit der von dem Synchronmotor 29
angetriebenen Lochscheibe 30.