DE1698214A1 - Hydrometer - Google Patents

Description

Dr. Herbert E. Goldberg
Oonoord, Mass., V,St.A.

Hydrometer

Die Erfindung betrifft die Berichtigung von Fehlern, die beim Messen sich mit der Temperatur ändernder Eigenschaften» wie des spezifischen Gewichts oder der Dichte, auftreten. Temperaturfehler sind Üblicherweise nicht konstant, sondern hängen von der gemessenen Menge selbst in -den verhältnismäßig engen Bereichen ab, in denen Präzisionsin|trumente wirksam sind, j

Obwohl die wirklich mit Hydrometern gemessene Größe die Dichte :.st, sind ihre Skalen oder Eichungen häuf ig in Einheitun unmittelbarer praktischer Werte, wie Prozent Zucker or Gefrierpunkt ausgeftihrH, wobei die Eichung auf Tabelle! beruht, welche die Beziehung zwischen der bei

Λ t.

einer M< rmtemperatur gemessenen JJichte und der an der Skala al !gelesenen Menge anzeigen.? Weil die Beziehung von nomaler -dichte zu der tatsächlichen dichte von der Temperalur abhängt, bei welcher djie Messung vorgenommen wird, sind Skaleneinteilungen nur| in engen Temperaturbereichen gültig. Beispielsweise ergab sich, daß ein Hydrometer, 4as auf eine richtige Ablesung einer 15-prozentigen Zuoterlösung bei 20° O geeicht war, dieselbe lösung

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mit 14,7 # anzeigte, *enn die Temperatur auf 23° G stieg. . Da eine Konzentrationaänderung von nur..— # von wirt-. schaftlicher Bedeutung für die verarbeitenden Industrien • ist und immer andere Fehlerquellen vorhanden sind, muß die fempera-tfua? der Probe zur ^eIt der Messung in Bruchteilen von Öelsius-Grraden bekannt sein und müssen Berichtigungen detf Hydrometerablesungen stets vorgenommen wer- W- den, wenn d$e Temperatur von der normalen um diesen Betrag abweichet« dieses Verfahren ist zeitraubend und führt häufig zu Fehlern.

Es ist das Z;iel vorliegender Erfindung, eine einfache und zuverlässige Einrichtung zu schaffen, welche öle Ablesungen sin Hydrometers im wesentlichen von der Temperatur in allen Temeraturbereichen unabhängig macht, die üblicherweise beim Laboratoriums- oder industriellen Gebrauch angetroffen werden.

Es ist weiter Ziel der Erfindung, Hydrometerbauweisen, zu schaffen, die eine befriedigende Leistung unter schwie- ^ rigen Arbeitsbedingungen und ohne die Notwendigkeit einer Wartung oder Einstellung sichern.

Weitere Ziele der Erfindung, die G-rundzüge der Einrichtungen und mehrere Beispiele dafür sind in der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung erläutert; in der Zeichnung ist

Fig. 1 die schematische Ansicht eines Hydrometers in einer Ausführung der Erfindung,

Fig. 2 die schematische Ansicht eines anderen Hydrometers, gemäß der Erfindung,

Fig. 3 und 4 je eine """nsicht einer Hydrometerröhre ge-

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maß einer anderen Ausführung der Erfindung und Fig. 5 die schematische Ansicht eines Hydrometeisnach einer noch anderen Ausführung der Erfindung.

Ein Areometer zum Untersuchen des Gefrierpunkt s von Äthylenglykollösungen ist in "ig· 1 gezeigt. Die Röhre 17 ist beispielsweise in-Fahrenheit-Grraden geeicht. Bas Volumen des Körpers 1 unterhalb der —40-Marke ist V, die Länge der Skala zwischen den Marken -4ü und +32 ist L, und das Volumen des Röhrenabschnitts zwischen den beiden Marken ist LS sowie die Querschnittaflache der Röhre S. Die Jjsüage 1 hängt von dem Verhältnis des Volumens V zum Querschnitt S ab und bestimmt die Empfindliehkeili des Instruments, vi möge das G-ewicht des Instruments sein*

Angenommen, eine iithylenglykollösung von 53 Volumen-?^ is-fc zumessen, ihr Gefrierpunkt ist -40° F. {-40° G) und D ihre Dichte bei der Messungstemperatur. Die Dichte von Wasser soll bei derselben Temperatur D sein, unter diesen Voraussetzungen sind die Länge der Skala und das Volumen * des Körpers, wie folgt, bestimmt:

V = W/D (D

LS = D _ ! (2)

V D₀

Da D und D sich mit der Temperatur in unterschiedlichem Verhältnis ändern, müssen wenigstens zwei der verfügbaren ,Veränderlichen V, L und S entsprechend den Temperaturänderungen geändert werden, wenn der Fehler sowohl für dip Athylenglykollösung als auch für Wasser berichtigt worden soll, iiine Untersuchung der veröffentlichten Dichjewerte von « tlivlenglykollösungen zeigt beispielsweise»

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daß bei einem Temperaturanstieg von 5.0 auf 200° F. (10° \ bis 93° Ο) sich die vorgenannte 53 #-ige Lösung um 3»3 $> ausdehnt, während sich Wasser nur um 2,3 ^ ausdehnt» Um den Temperaturfehler oder die Ablesung zu berichtigen., müssen die Volumina von Kugel und Röhre, wie folgt, geändert werden:

V₂OOO / V₅₀₀ = 1,033
(V + LS)₂₀₀₀ / (V + LS)₅₀₀ = 1,023

Angenommen, bei einem typischen Areometer beträgt das * Volumen der Kugel 90 % des gesamten Tauchvolumens:

V₅₀₀ = 9LS_5QO

Durch Einsetzen wird gefunden?

LS₂₀₀₀ - 0,93LS₅₀₀ (4)

Die Gleichungen (3) und (4) zeigen, daß im vorliegenden Beispiel das Kugelvolumen um 3,3 $ zunehmen und die Länge L der Skala um 7 $ abnehmen muß, wenn die Temperatur von 50° auf 200° F. (10° O.auf 93° G) steigt. Das ist notwendig, weil der leicht eunt er schied zwischen den beiden Lösungen bei höherer Temperatur geringer ist» :

Oder aber der Querschnitt S der Röhre kann um 7"$ verkleinert werden, wenn die Temperatur zunimmt, -Dfit^iesem Fall vergrößert sich die Empfindlichkeit des Areometers mit der Temperatur und paßt sich dem Ansprechen des Instruments auf die festgelegte Skalenlänge an.

mechanisch. Eine andere und vielleicht/einfachere Art und Weise, den Temperaturfehler auszugleichen, gründet sich auf die folgende Überlegung; Die Skala eines Areometers mö-

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ge iii Einheiten q geeicht sein, welche die normale Dichte, G-efrierpunktgrade> Prozent Saccharose oder eine sonstige interessierende Menge wiedergeben können« ΐ sei der Abstand der Skalenteilung q von der Anfangslinie der Skala. Bei dieser Annahme würde dl/dt die G-röße der 'Verschiebung einer Skalenteilung längs der Röhre des Instruments darstellen, die für &&& Ausgleich der Änderung der Ablesung mit der Temperatur benötigt wird* Der Temperatürfehler kann an zwei Stellen q und qo durch eine einfache, geradlinige "Verstellung der ganzen Skala berichtigt werden» wenn dl/dt an diesen beiden Stellen gleich

ist. ^; .

(dl/dt)q = (dl/dt)qo (5)

Da . dl/dt = dl/dq χ dq/dt ist, r ergibt Sich (dl/dq)q/(dl/dq)qo == (dq/dt)qo/(dq/dt)q (6)

■ (äl/dq)^ ist ein Maß für den Abstand der Skaleneinteilungen an der Stelle q. Das Verhältnis Cdl/dq)q/(dl/dq)qo ist deshalb ein Maß für die Ungeradlinigkeit der Skala i und wirp als"Ausweichung" der Sk^Ia bezeichnet. In ahn- ^:

licher Weise ist das Terhaltnis täq/dt)q/(dq/dt}qo ein ! - - r ■ ■ ".

Maß füri die Ühgeradlinigkeit des!Ablesefehler infolge der Güemperaturänderungeji und wird als Ausweichung des Temperaffcurablesefehlers bezeichnet.

Die GletLchüög (6) zeigt, daß untpr diesen Bedingungen der Tem|seraturablesefehler an allen Stellen der Skala durch einfache ^kalenyerstellungi ausgeglichen werden kann, wpnn das Instrument so ausgestaltet ist, daß die Skaleirafisweichung umgekehrt proportional der Ausweichung des Teffi|>eraturableseabfehlers ist.

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Die vorstehenden Erwägungen können in der Feststellung zusammengefaßt werden, daß Temperaturfehler, die sich ergeben, wenn sich eine zu messende Menge mit der Temperatur t in einem Verhältnis ändert, das sich mit q ändert , berichtigt werden können, indem, man zwei Einstellungen vornimmt: Die Ablesung muß an einer Stelle berichtigt werden durch Anwendung üblicher Mittel, beispielsweise durch Verstellen der Skala gegenüber der Meßvorrichtung, und außerdem muß eine der folgenden drei iünrich—. tungen vorgesehen sein:

1« Der Abstand zwischen den Punkten q und q auf der Instrumentenskala wird verringert, wenn die Temperatur steigt;

2. Die Empfindlichkeit des Instruments, d.h. die Ansprechfähigkeit des Meßinstruments auf Änderungen von q wird vergrößert, wenn die Temperatur steigt.

5. Die Meßeinrichtung des Instruments ist so gestaltet , daß die Ausweichung der ^kala am. Punkt q gegenüber dem Punkt q_o den Temperaturkoeffizienten dq/dt an den Stellen q und q_o umgekehrt proportional ist. Vom Standpunkt der Praxis aus muß die Übereinstimmung der Ausweichungen nicht vollkommen, aber weitgehend genug sein, um übrigbleibende Temperaturfehler in den interessierenden Temperaturbereichen in vertretbaren Grenzen zu halten.

Es sind viele Vorrichtung brauchbar, um die oben.erwähnten Sinstellungen entsprechend den Temperaturänderungen durchzuführen'.

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Die Änderung des KugelvoluKmens V, die für eine Berichtigung nach "leichung (3) erforderlich ist, kann beispielsweise durch Anwendung eines Metallbalges 18 (Fig. 1) erreicht "werden, der mit einer Flüssigkeit geeigneten Dehnungseigenschaften bei Temperaturänderungen gefüllt ist. ■^iese Anordnung ist sehr zuverlässig, aber -spricht nur langsam auf Temperaturänderungen an. Ein schnelleres Ansprechen könnte erzielt werden, wenn der Balg mit einem Gas gefüllt ist oder eine kleine wenge einer Flüssigkeit mit hohem Dampfdruck, wie Äther oder Aceton, enthsält. Das Balgvolumen würde sich je nach dem Gasdruck oder dem Dampfdruck der Flüssigkeit ändern.

Andere» mehr mechanische Betätigungsmittel zum Einstellen des Volumens eines Balges als Funktion der Temperatur umfassen Mimetallstreifen und Bourdoiifedern. Schließlich' zeigt Fig. 2, wie die Skala 2 durch einen umgekehrt geschweißten Bimetallstreifen' 16 gegenüber dem Körper 3 verstellt werden kann, wie durch ffen Pfeil A angedeutet · wird. -..,./

Verfahren zum Andern der Empfindlichkeit eines Areometers gemäß Gleichung (4) sind in Fig. 3 und 4 gezeigt. Ein hohles Bohr 4 kann als ein Zusammenbau aus Bimetall hergestellt werden, wie ^£ ig.. 3 zeigt. Beim Ansieigen der Temperatur verformen sich die umgekehrt verschweißten Wände des Roiires 4, wie beispielsweise durch die-Pfeile angezeigt ist, und die Querschnittsfläche verkleinert sich. Jiie Anordnung nach Fig. 4 ist eine andere, bei d',r der Querschnitt des Rohrs durch Verstellen eines jpitz zulaufenden Teils 5 gegenüber einem Komplementärteil 6 durch eine .iärmebetätigrungseinrichtung 7 geändert wird.

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Die Ausweichung der Areometerskala kann überwacht werden, um der Gleichung (6) durch geeignete formgebung des Querschnitts des Rohres 6, zum Beispiel wie in der Abbildung gezeigt, zu galigen. Bei dem früher benutzten Beispiel der 53i£-igen Äthylenglykollösung sei angenommen, daß der Rohrquerschnitt S₁. ander -40°-Marke und Sg/ an der +32°«Karke (-40 und 0° G) und die Verstellung der Skala gegenüber dem Rohr χ für die früher benutzte Temperaturänderung von 32° bis 200° P. (0° - 93° G) ist. Dann ^ist ' " - " ■ χ S₁ = 0,33 T-

σ S₂ * 0,23 (T+T/9). Es ergibt sich, daß das Verhältnis der Rohrquerschnitte

S₁ZS₂ · 1,27
sein muß.

Eine andere Art und Weise der Überwachung der Skalenausweichung betrifft Areometer, welche mit der Messung des Auftriebes eines untergetauchten. Schwimmers arbeiten. Das ist in Fig. 5 dargestellt. Wenn angenommen wird, daß der Winkel a zwischen einem Schwimmerarm 9 und einem Segengewicht sarm 10 90° beträgt, das Gewidrk Ii. e Schwimmers 14 durch seinen Auf triefe

höchsten zu messenden Temperatur ußcE GÖwtOtvitfirtr des Gegengewichte Wp ist, bo läßt jeder' to<gBK0f&&nt Auf trieb« 2fB infolge einer Zunahme der Dichte den Schwimmer eich im Gegenuhrzeigersinn um einen Drehpunkt 11 drehen· Dtr Drehwinkel bestimmt sich durch· . tg*.

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Wegen der faogens^Beziejhung kann so ziemlich Jede Skalenamsweiehung durch geeignete lahl der Länge der Arme 9 und IO und des (rewieiit^ WU 4'^e"⁹ ^egengewlciilis 12,erhal ten werden,, Jtndere EomMnationen sind möglicn* wenn der •yom Scnwinimerana 9 und dem Q-egengewlelitsaria 10 ainge.--. sclilaasenf Winkel γοη 90 alaweiclien darf..

Pig. 5 zeigt-e/tyenscK, wie die. Skala 13 um den Brehpunkt. 11 durch eine temperaturempfindliche. Eimetallspirale 15 gedrekt wird, Andere Arten des f'emperaturausgleiens können auf der uferst ellung des Gregengewiqiits gegenüber dem Schwimmer entweder durch Ändern des Abstands vom Drehpunkt oder durch Indern des eingeschlossenen Winkels beruhen* ■ ■ : . . , ' -.".....·'■-■..-".

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Claims (1)

1. Pat entansprüehe:

   ^i, Hydrometer, insbe^9n,d.ere Areometer,, zum Messen der Eigenschaften hinsichtlich der Richte wenigstens zweier, flüssiger Substanzen, deren Dichten voneinander verschieden sind und sich mit der Meßtemperatur in "unterschiedlichem .Verhältnis ändern, dadurch gekennzeichnet, daß das Areometer'eine Kugel und ein Rohr (17? 8) hat, welches -beipi Schwimmen des Areometers in den Flüssigkeiten Eintauchtiefen annimmt, die in Beziehung zu. den zu messenden Bigenschaften stehen, und daß das Rohr eine Skala (2) mit einer ersten Marke zum Ablesen der Eintauchtiefe bei der größeren dichte und eine zweite Marke zum Ablesen der Eintauchtiefe bei'der kleinere -dichte trägt, wobei die Kugel'oder Glocke ein sich bis zur ersten Marke er-■ streckendes* Kugelvolumen und das Rohr ein Rohrvolumen zwischen' der ersten und der zweiten Marke besitzt und eine Einrichtung vorgesehen ist, um das Eugelvolumen' zu vergrößern und das Rohrvolumen zu verringern, wenn sieh die Meßtemperatur erhöht, sodäß beide Äblesuhgeri M"wesentlichen unabhängig von der Meßtemperatur sind.

   2» Hydrometer nach Anspruch 1, dadurch, ^ekenrizferöhiiet, daß ' ^?" bei Eintauciitiefeh unterhalb der beiden ISarken V.und Vp das Rohr (17; θ) einen Querschnitt (SL ) nahe der ersten Marke und einen anderen Querschnitt (3^) nahe der zweiteil Marke uiid das Hydrometer tenrerat^irempfindliche Mittel (16| 4f:| 15) hai;, welche die Skal|t gegenüber dem Rohr

   _ ι

   verstellen und damit die Volumina V. · und V

   BAD

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   chend den Temperaturänderungen im Verhältnis dV./dt und dV_/dt ändern, wobei der Querschnitt(S,) größer als der Querschnitt (S„) ist, sodaß dV./dt größer als dV„/dt ist und beide Ablesungen im wesentlichen unabhängig von der . ^f Meßtemperatur werden· ^:^ ;. ..

   5» Hydrometer nach Anspruch 1 und 2 zum Messen auf die Dichten wenigstens zweier flüssiger Substanzen bezogener Mengen q, die sich mit der Meßtemperatur in voneinander verschiedenen Verhältnissen dq/dt ändern, dadurch gekennzeichnet, daß das Hydrometer einen Körper (3) und eine Skala (2), die Karken zum Ablesen der Mengen q und eine Basislinie, deren Abstand von den Marken 1 ist, und Mittel (16) zum Verstellen der ^kala (2) gegenüber dem Körper (5) entsprechend den. Temperaturänderungen hat, wobei das Hydrometer so ausgestaltet ist, daß der Abstand dq/dl der Marken sich vergrößert, wenn die im Zusammenhang mit den Mengen q stehenden Dichten kleiner werden, sodaß die Verstellung der Skala kompensiert wird, die benötigt wird, um beide Ablesungen im wesentlichen von der Temperatur unabhängig zu machen.

   4. Hydrometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet« daß . es so ausgestaltet ist, daß der Abstand dq/dl der Harken ' etwa umgekehrt proportional der Änderungsgröße dq/dt der zu messenden Mengen ist·

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