DE2659671A1

DE2659671A1 - Leckmessvorrichtung fuer gasbehaelter

Info

Publication number: DE2659671A1
Application number: DE19762659671
Authority: DE
Inventors: Takeshi Miyazaki; Takayuki Shiwaku
Original assignee: Mitutoyo Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1975-09-22
Filing date: 1976-12-30
Publication date: 1978-07-06
Also published as: DE2659671B2; US4033175A; DE2659671C3

Description

PAT ~ N TA N W Ä LT E

A. GRÜNECKER H. KINKELDHY

w.

K. SCHUMANN Dft PER NAT. - OIPL-FHlrS

P. H. JAKOB CHPL-INGL

G.BEZOLD

137

8 MÜNCHEN 22

MAXIMIUANSTRASSB 43

30* Dezember- 1976

MITUTOYO MEG.,CO. ,LTD.

33-7,' Shiba 5-chome,
Minato-ku, Tokyo , Japan

Leckmeßvorriclituiig für Gasbehälter

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen des Gasaustritts aus einem Behälter und betrifft insbesondere eine mit einem Waagebalken arbeitende Leckmeßvorrichtung für Gasbehälter. ' .

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TELEFON (083) 23 3362

ORIGINALINSPECTED

Es kommt häufig vor, daß Druckgasbehälter auf ihre Dichtigkeit hin untersucht werden müssen. Unter den zahlreichen bekannten Vorrichtungen für derartige Zwecke ist eine mit einem Waagebalken arbeitende Vorrichtung, bei welcher die Messung über die zwischen der Innenseite und der Außenseite einer mit dem Waagebalken zusammenwirkenden Schwimmglocke erfolgt, für genaue Messungen am besten geeignet. Nach Anschließen eines auf seine Dichtigkeit zu untersuchenden •Behälters an der Vorrichtung wird in die Schwimmglocke ein Bezugsdruck und um die Glocke herum sowie in den zu untersuchenden Behälter ein Meßdruck eingeführt und der Waagebalken ausbalanciert. Bei einer Undichtigkeit des Behälters verringert sich der Druck an der Außenseite der Glocke, so daß die an ihrer Innenseite wirksame Kraft zunimmt und die Glocke aufschwimmt. Zur Bestimmung der Undichtigkeit des Behälters kann der Hub der Schwimmglocke gemessen werden. Da das Ausströmen des Gases aus einem Behälter ein kontinuierlicher Vorgang ist, wird die Messung in bekannten Verfahren auf folgende Weise periodisch wiederholt: Nach der ersten Messung läßt man das unter dem Bezugsdruck stehende Gas aus dem ^Inneren der Schwimmglocke entweichen, um den Waagebalken in die Gleichgewichtslage zurückzustellen, worauf die Messung wie vorstehend beschrieben wiederholt wird. Die Größe des Gasverlusts läßt sich dann anhand der Wiederholungsfrequenz der Messungen näherungsweise bestimmen.

Die Bestimmung der Größe des Gasverlusts anhand der Wiederholungsfrequenz der Messungen führt jedoch zu einem ziemlich ungenauen Ergebnis. Außerdem stellt die durch das Ungleichgewicht des Waagebalkens hervorgerufene Druckdifferenz zwischen der Innenseite und der Außenseite der Schwimmglocke eine Fehlerquelle bei quantitativen Messungen dar.

Ein wichtiges Ziel der Erfindung ist deshalb die Schaffung einer hochempfindlichen Vorrichtung zum Messen von Gasverlusten, welche eine sehr genaue quantitative Bestimmung

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von Gasverlusten ermöglicht.

Gemäß der Erfindung hat eine Vorrichtung der genannten Art ein hohles Gehäuse mit einem über ein Absperrorgan mit einer Bezugs-Druckgasquelle verbundenen Einlaß und einem mit einem zu untersuchenden Behälter verbundenen Auslaß, einem im Gehäuse angeordneten !Flüssigkeitsbehälter, einer im Gehäuse angeordneten Waage, welche durch eine an der Unterseite eines Waagebalkens angebrachte und in eine im Flüssigkeitsbehälter enthaltene Flüssigkeit eintauchende Schwimmglocke im Gleichgewicht gehalten wird, eine Leitung für die Zufuhr eines Gases unter einem Bezugsdruck in das Innere der Schwimmglocke, einen auf die Neigung der Waage ansprechenden und ein dieser entsprechendes Signal erzeugenden Meßwertgeber, eine mit dem Signal des Meßwertgebers gespeiste Meßeinrichtung zum Messen der Lageveränderung der Schwimmglocke und eine Rückstelleinrichtung zum Zurückstellen des Waagebalkens in seine Gleichgewichtslage. Zum quantitativen Bestimmen des Gasverlusts aus einem zu untersuchenden Behälter wird ein Bezugsgas von unten her in die Schwimmglocke sowie in den Innenraum des Gehäuses eingeführt und die Waage ausbalanciert. Der durch Austritt des Gases aus dem untersuchten Behälter verursachte Hub der Schwimmglocke· wird von dem Meßwertgeber in ein Signal umgewandelt und mittels der Meßeinrichtung gemessen. Anschließend wird die Waage mittels der Rückstelleinrichtung in ihre Gleichgewichtslage zurückgestellt und die Messung dann wiederholt.

Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert, in welcher gleiche Teile durchgehend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind und

Fig. 1 eine schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Leckgas-Meßvorrichtung, 8 0 9 8 2"V 0 A 2 9

S¹Ig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht eines Hauptteils der Anordnung nach Fig. 1 und

Fig. 3 eine grafische Darstellung eines Meßvorgangs zeigen.

Eine in Fig. 1 und 2 dargestellte erfindungsgemäße Leckgas-Meßvorrichtung 10 hat ein hohles Gehäuse 20, in welchem ein Flüssigkeitsbehälter 30 und eine Waage 40 angeordnet sind, eine am Gehäuse 20 angeschlossene Leitung 50 für die Zufuhr eines Gases unter einem Bezugsdruck, einen Meßwertgeber 60, eine Meßeinrichtung 70 und eine Rückstelleinrichtung 80.

Das Gehäuse 20 ist aus dünnem Blech und hat im unteren Teil einen Einlaß 21 für das Bezugsgas und im oberen Teil einen Auslaß 22. Der Einlaß 21 ist über eine Leitung 23 mit einem Magnetschieber 24 und einem handbetätigten Ventil 24A mit einer Bezugsdruckgasquelle 25 verbunden. Am Auslaß 22 ist ein zu untersuchender Behälter 28 über eine Leitung 26 mit einem mechanischen Absperrorgan 27 angeschlossen.

Der im Gehäuse 20 angeordnete Flüssigkeitsbehälter 30 hat ein mittleres Teil 31 ? welches die gleiche Höhe hat wie der obere Rand der Umfangswand. An der Oberseite des mittleren Teils 31 des Flüssigkeitsbehälters mündet ein Einlaß 32 für das Bezugsgas. Etwas unterhalb des oberen Randes des mittleren Teils mündet an dessen Umfang ein Flüssigkeitsüberlauf 33· Nahe dem Boden des Flüssigkeitsbehälters 30 mündet ein Flüssigkeitseinlaß 34-· Das Gaseinlaß 32 ist über eine Leitung 50 und das Ventil 24A mit der Bezugsgasquelle 25 verbunden. Der Flüssigkeitseinlaß 3^- ist über eine Leitung 35 und ein Absperrorgan 37 mit einem außerhalb des Gehäuses 20 angeordneten Vorratsbehälter 38 verbunden. Dieser ist höher angeordnet als das Gehäuse 20, so daß darin enthaltene Flüssigkeit bei geöffnetem Absperrorgan 37 in clen Flüssigkeitsbehälter 30 fließt. Eine am Überlauf 33 angeschlossene

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Leitung 36 führt über ein Absperrorgan 37A zu einem ebenfalls außerhalb des Gehäuses 20 angeordneten Überlaufbehälter 39-Bei geöffnetem Absperrorgan 37A kann über den Überlauf 33 hinaus im Flüssigkeitsbehälter 30 stehende Flüssigkeit bis zur Höhe des Überlaufs abfließen. Die Leitung 35 is* über ein Ablaßventil 37B mit einer zum Überlaufbehälter 39 führenden Leitung 35A verbunden.

Die Waage 40 hat einen Waagebalken 4-3, welcher mit Schneidenlagern 42 auf einem Bock 41 gelagert ist. Der Lagerbock 41 ist etwa in der Mitte des Gehäuses 20.angeordnet, und der Waagebalken 43 ist an beiden Enden durch Schrauben 44 verlängert, auf welche jeweils ein Tariergewicht 45 aufgeschraubt ist. An der Unterseite des Waagebalkens 43 ist eine Schwimmglocke 46 angebracht. Die Öffnung der Schwimmglocke 46 ist so bemessen, daß ihr Rand in den Zwischenraum zwischen der Umfangswand und dem mittleren Teil 31 des Flüssigkeitsbehälters 30 hineinragen kann. Ferner hat die Glocke 46 eine solche Höhe, daß ihr unterer Rand in die im Behälter 30 vorhandene Flüssigkeit eintaucht, auch wenn der Waagebalken gekippt ist und die Glocke 46 sich in ihrer höchsten Stellung befindet. Da die Schwimmglocke 46 also immer in die im Behälter 30 vorhandene Flüssigkeit eintaucht, unterteilt sie den Innenraum des Gehäuses 20 in eine Bezugskammer 47 innerhalb der Glocke 46 und eine Gehäusekammer 48. Die Waage 40 ist so ausgebildet, daß sie sich mit daran angebrachter Schwimmglocke 46 ausbalancieren läßt.

Der Meßwertgeber 60 ist ein Differentialwandler, welcher schwenkbar im Gehäuse 20 aufgehängt ist. Ein verschieblich im Meßwertgeber 60 geführter Anker 61 ist an einem Ende des Waagebalkens 43 angelenkt. Bei einer Kippbewegung des Waagebalkens 43 bzw. beim Aufschwimmen der Schwimmglocke 46 erzeugt der Meßwertgeber 60 ein Signal in Form einer Spannungsänderung, welche einem Steuerteil 62 zugeführt wird. Das Steuerteil. 62 ist elektrisch mit einer Meßeinrichtung

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70 verbunden, welche die Kippbewegung des Waagebalkens 43 in Abhängigkeit von der Zeit mißt.

Die Rückstelleinrichtung 80 für die Waage 40 umfaßt einen Sockel 81 mit einem daran angebrachten Elektromagnet 82 und einen an der Unterseite des Waagebalkens 43 angebrachten Dauermagnet 83· In einer vorbestimmten Kippstellung des Waagebalkens 43 erzeugt das·Steuerteil 62 ein Signal, welches den Elektromagnet 82 erregt, so daß der Waagebalken durch die Abstoßungskräfte zwischen dem Elektromagnet 82 und dem Dauermagnet 83 in die waagerechte Lage zurückgestellt wird. In der waagerechten Lage kornmt der Waagebalken 43 in Anlage an einem am Lagerbock 41 hervorstehenden Anschlag 49 und ist dann durch diesen an einer weiteren Kippbewegung im Gegenzeigersinn gehindert. Das Steuerteil 62 ist ferner elektrisch mit dem Magnet schieb er 24 verbunden, um diesen zu steuern. Die dazu im Steuerteil 62 vorhandenen Schalteinrichtungen sind allgemein bekannt und brauchen deshalb nicht im einzelnen erläutert zu werden.

Im Gebrauch der Vorrichtung wird zunächst die Waage 40 mittels der Tariergewichte 45 ausbalanciert, wobei die Absperrorgane 24, 24A, 2?, 37, 37A und 37B geschlossen bleiben. Darauf werden die Absperrorgane 37 und 37A geöffnet, um die Flüssigkeit in den Flüssigkeitsbehälter 30 einzulassen. Die Standhöhe der Flüssigkeit im Behälter 30 ist dabei durch den seitlich am mittleren Teil 31 desselben mündenden Überlauf 33 begrenzt. Nach Erreichen dieser Standhöhe werden die Absperrorgane 37 und 37A wieder geschlossen. Für die Füllung des Behälters 30 eignet sich vorzugsweise eine Dichtungsflüssigkeit mit niedriger Viskosität und geringer Verdunstung.

Anschließend werden die Absperrorgane 24A und 27 geöffnet. Der Magnetschieber 24 wird durch ein Signal des Steuerteils 62 offen gehalten, so daß sich zwischen der Kammer 47 innerhalb der Glocke 46, der Gehäusekammer 48, dem zu untersu-

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eilenden Behälter 28 und der Druckgas quelle 25 ein. Druckausgleich einstellt. Darauf wird der Elektromagnet 82 durch ein Signal des Steuerteils 62 erregt, so daß der Dauermagnet 83 abgestoßen und der Waagebalken 43 dadurch in seine waagerechte Stellung gebracht wird. Nach Schließung des Absperrorgans 24 wird die Erregung des Elektromagnets 62 durch das Steuerteil 62 beendet, worauf dann die Kippbewegung bzw. die Stellung des Waagebalkens 43 mittels der Heßeinrichtung 70 bestimmt wird. Mit dem Beginn■der Messung wird vorzugsweise so lange gewartet, bis sich der Flüssigkeitsspiegel im Behälter 30 stabilisiert hat bzw. bis der Waagebalken vollständig zur Euhe gekommen ist.

Bei Vorhandensein einer Undichtigkeit des untersuchten Behälters 28 verringert sich der Gasdruck in der Gehäusekammer im laufe der Zeit, während der Druck in der Kammer 47 der Schwimmglocke gleich bleibt. Dadurch wird der Druck in der Kammer 47 des Glocke relativ höher als in der Gehäusekammer 48, so daß die Schwimmglocke 46 aufschwimmt und sich der damit verbundene Waagebalken 43 neigt. Die Neigung des Waagebalkens setzt sich fort, bis sich zwischen der Kammer der Glocke und der Gehäusekammer 48 ein Druckausgleich einstellt. Dabei ist der Druck in der Gehäusekammer 48 gleich dem im zu untersuchenden Behälter 28 herrschenden. Die Neigung des Waagebalkens 43 wird vom Meßwertgeber 60 in eine Spannungänderung umgewandelt und als Punktion der Zeit von der Meßeinrichtung 70 gemessen.

■Überschreitet die Neigung des Waagebalkens 43 dann eine vorbestimmte Grenze, so erzeugt das Steuerteil 62 ein Signal zum Öffnen des Magnetschiebers 24, wodurch der Druckausgleich zwischen dem untersuchten Behälter 28, der Gehäusekammer 48, der Kammer 47 in der Schwimraglocke und der Bezugsgasquelle 25 wieder hergestellt wird. Gleichzeitig erregt das Steuerteil 62 für kurze Zeit den Elektromagnet 82, um den Waagebalken 43 in seine waagerechte Lage zurück-

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ίο

zustellen, worauf die Messung erneut aufgenommen werden kann.

Tritt an dem untersuchten Behälter 28 ein kontinuierlicher Gasverlust auf, so wiederholen sich die vorstehend beschriebenen Vorgänge periodisch, wobei sie mittels der Meßeinrichtung 70 gemessen und aufgezeichnet werden. Fach Beendigung der Untersuchung wird das Absperrorgan 37B geöffnet, um die im Behälter 30 vorhandene Flüssigkeit in den Überlaufbehälter 39 abzulassen.

i"ig. 3 zeigt eine grafische Darstellung eines Uhtersuehungsergebnisses, in welcher die von der Meßeinrichtung 70 gemessene Neigung des Waagebalkens 43 als Funktion der Zeit aufgezeichnet ist. Darin bezeichnet der Punkt A den Zustand, in welchem zwischen dem untersuchten Behälter 28, der Kammer 4-7 der Schwimmglocke und der Gehäusekammer 4-8 ein Druckausgleich besteht und sich der Waagebalken 4-3 in waagerechter Lage befindet. Die vom Punkt A über B zum Punkt C führende Linie zeigt die zunehmende ETeigung des Waagebalkens bzw. den Hub der Schwimmglocke 46. Die Größe des Gasverlusts wird vorzugsweise erst vom Punkt B an gemessen, bis zu welchem sich die Aufwärtsbewegung der Schwimmglocke zunächst stabilisieren kann. Der Punkt C in Fig. 3 entspricht dem Zeitpunkt, zu welchem der Waagebalken 43 mittels der Rückstelleinrichtung 80 in die xcaagerechte Stellung zurückgestellt wird, worauf sich die Schwimmglocke am Punkt A¹ wieder aufwärts zu bewegen beginnt.

Uach Messung des Hubs der Schwimmglocke in der zwischen den Punkten B und C in Fig. 3 liegenden Zeitspanne läßt sich der Gasverlust des untersuchten Behälters 28, bezogen auf die Zeiteinheit, nach folgender Beziehung berechnen:

Δ L =Ttr²h (I₊If)

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Darin ist /^ L der Gasverlust, bezogen auf die Zeiteinheit, r der Radius der Schwimmglocke

h der Hub der Schwimmglocke V1 das Volumen der Gehäusekammer und V2 das Volumen des untersuchten Behälters.

Während die Rückstelleinrichtung 80 in der beschriebenen Ausführungsform bei einer vorbestimmten Neigung des Waagebalkens . 43 betätigt wird, ist es auch möglich, sie jeweils nach einer bestimmten Meßzeit über einen Zeitgeber zu betätigen. Ferner braucht die Rückstelleinrichtung 80 nicht auf der Basis elektromagnetischer Abstoßung zu arbeiten, sondern kann bei entsprechender Anordnung auch mit magnetischer Anziehung arbeiten oder als eine mechanische Einrichtung zum Zurückstellen des Waagebalkens ausgebildet sein. Der Meßwertgeber 60 kann anstelle eines Differentialwandlers etwa ein Potentiometer, ein Stellwiderstand oder irgendeine andere auf die Neigung des Waagebalkens ansprechende Einrichtung sein. Die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nicht auf die Leckmessung an Gasbehältern beschränkt, die Vorrichtung kann vielmehr auch für Dichtigkeitsuntersuchungen· etwa an geschlossenen Drucksystemen, Rohrleitungen und dergl. verwendet werden.

Somit schafft die Erfindung eine Leckgas-Meßvorrichtung mit einem Gehäuse, welches mit einer Bezugsgasquelle und einem zu untersuchenden Behälter od. dergl. verbindbar ist. Das Gehäuse enthält einen Flüssigkeitsbehälter und eine Waage, an deren Unterseite eine in die Flüssigkeit im Flüssigkeitsbehälter eintauchende Schwimmglocke angebracht ist. Ein unter einem Bezugsdruck stehendes Gas wird über eine Leitung in die Schwimmglocke eingeführt und die Aufwärtsbewegung der Schwimmglocke wird über einen Meßwertgeber ermittelt und von einer Meßeinrichtung gemessen, worauf der geneigte Waagebalken mittels einer Rückstelleinrichtung in seine Gleichgewichtslage zurückgestellt wird.

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Damit verringert oder beseitigt die Erfindung den breiten Toleranzbereich der Messung, welcher sich bei bekannten Vorrichtungen und Verfahren aus dem unzureichenden Gewichtsausgleich das Waagebalkens ergibt, und ermöglicht somit eine äußerst empfindliche und genaue quantitative Messung von durch Undichtigkeiten hervorgerufenen Gasverlusten.

Sämtliche aus der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen hervorgehenden Merkmale und Vorteile der Erfindung, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrens schritten, können sowohl für sich als auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

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Leerse ι f e

Claims

Patentansprüche:

Λ.) Vorrichtung zum Messen von Leckgasverlusten aus einem Hohlraum, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (20) mit einem Gaseinlaß (21) und einem mit dem zu untersuchenden Hohlraum (28) verbundenen Gasauslaß (22), durch einen im Gehäuse angeordneten Flüssigkeitsbehälter (30), durch eine im Gehäuse angeordnete Waage (40) mii: einem normalerweise in einer Gleichgewichtslage befindlichen Waagebalken (4-3), durch eine mit einem Ende des Waagebalkens verbundene und in einer in dem Flüssigkeitsbehälter enthaltenen Flüssigkeit schwimmende Schwimmglocke (46), deren. Innenfläche zusammen mit dem Spiegel der Flüssigkeit einen geschlossenen Raum begrenzt, durch eine über eine ein Absperrorgan (24) aufweisende Leitung (23? 50) mit clem Gaseinlaß und mit dem geschlossenen Raum innerhalb der Schwimmglocke verbundene Bezugs-Druckgasquelle (25)» durch einen auf Abweichungen des Waagebalkens aus seiner Gleichgewichtslage ansprechenden Meßwertgeber (60) zum Erzeugen eines der Abweichung entsprechenden Signals, durch eine Einrichtung (70) zum Messen der Abweichung in Abhängigkeit von dem Signal des Meßwertgebers und durch eine in Abhängigkeit vom Signal des Meßwertgebers betätigbare Einrichtung (80) zum Zurückstellen des Waagebalkens in die Gleichgewichtslage .
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ' gekennzeichnet, daß der Meßwertgeber (6.0) einen Differentialwandler aufweist.
3- Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennz eichnet, daß die Rückstelleinrichtung (80) einen im Gehäuse (20) angeordneten Elektromagnet (82) und einen diesem gegenüber mit dem Waagebalken (43) verbundenen Dauermagnet (83) aufweist.

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4. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3₅ dadurch gekennz eichnet, daß das Absperrorgan ein durch das Signal des Meßwertgebers (60) betätigbarer Magnetschieber (24-) ist.

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