DE2704048A1

DE2704048A1 - Vorrichtung zur regelung und mengenmessung eines in einer leitung stroemenden gases

Info

Publication number: DE2704048A1
Application number: DE19772704048
Authority: DE
Inventors: Jean Philille Cornil
Original assignee: Gaz de France SA
Current assignee: Engie SA
Priority date: 1976-02-13
Filing date: 1977-02-01
Publication date: 1977-08-18
Also published as: FR2341131A1; FR2341131B1; DE2704048C2; NL183546B; IT1073400B; NL183546C; BE850953A; NL7701548A; GB1573570A

Description

mein Zeichen: O516 Pt. 270A048

GAZ DE FRAIiCE

231 rue Philibert Delorme

75o17 Paris/Frankreich

Vorrichtung zur Regelung und Mengenmessung eines in der Leitung strömenden Gases

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Regelung und Mengenmessung eines in einer Leitung strömenden Gases.

Gasmengenmessungen können mit Hilfe einer konvergierenden und divergierenden Düse durchgeführt werden, wobei im engsten Querschnitt dieser Düse mit Schallgeschwindigkeit gearbeitet wird. D. h„ mit anderen Worten, daß die Düse in der Weise verwendet wird, daß das diese Düse durchsetzende Gas, dessen Menge man messen will, eine Geschwindigkeit erreioht, welche der Schallgeschwindigkeit im engsten Querschnitt dieser Düse, also an der Einzugsstelle entspricht. Sobald diejenigen Parameter bekannt sind, welche sich auf den thermodynamlsohen Zustand des Fluides stromauf der Düse beziehen, erlaubt die vorstehend näher definierte Düse «ine Messung der Gasmengen mit

großer Genauigkeit. Da Jedoch der Querschnitt der engsten Stelle einer derartigen Düse stets gleich groß ist, können mit einer derartigen Düse keineswegs veränderbare Gasmengen gemessen werden.

Die französische Patentschrift 73 o56o4 vom 16. Februar 1973 zeigt eine Vorrichtung zur Regelung und Mengenmessung eines in einer Leitung strömenden Gases, wobei ebenfalls eine konvergierende und divergierende Düse verwendet wird, welche bei Schallgeschwindigkeit im engsten Querschnitt arbeitet. Dieser engste Querschnitt der Düse hat einen ringförmigen, veränderbaren Querschnitt. Eines der Elemente, welches den engsten Querschnitt dieser Düse begrenzt, weist einen verformbaren Teil aus elastischem weichem Stoff (das Ventil) auf, wodurch die Genauigkeit der Messungen des Querschnittes dieser engsten Stelle begrenzt wird. Nach einer ähnlichen Ausführungsform gemäß der französischen Patentschrift 73 o56o4 vollzieht sich die Veränderung des Querschnittes der engsten Stelle der Düse durch relative Verschiebung eines einen Ventilsitz bildenden Rohres gegenüber einem granatenförmigen Ventil, welches in das Iunere dieses Rohres teilweise hineinragt. Eine derartige bekannte Vorrichtung macht aber eine Leitung erforderlich, welche in der Höhe des Ventiles bombiert ist. Darüber hinaus bleiben die Winkel des konvergierenden und divergierenden Teiles während der Verschiebung des Rohres nicht konstant, wobei zu bemerken ist, daß auch in diesem Falle die Genauigkeit der Messungen begrenzt ist.

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der fraglichen Art zu schaffen, welche gleichzeitig eine Regulierung eines Druckes und eine außerordentlich genaue Messung der Gasmenge ermöglicht, welche durch diese Vorrichtung hindurchgeleitet wird_e

Erfindungsgemäß werden diese beiden unterschiedlichen Funktionen, nämlich die Funktion der Regulierung einerseits und

die Funktion der Mengenmessung andererseits von ein und demselben Gerät durchgeführt, wodurch eine erhebliche Herabsetzung der Herstellungs- und Betriebskosten sichergestellt ist.

Die Erfindung bezieht sich also auf eine Vorrichtung zur Regelung und Mengenmessung eines in einer Leitung strömenden

ases, mit einer konvergenten und divergenten Hauptdüse, welche in der Leitung angeordnet und im Schallbereich betrieben wird, wobei diese Düse mit axialer Strömungsrichtung durch einen Ring-Iraum gebildet wird, der von einem ersten, einen Ventilsitz bildenden hohlen Element und einem zweiten, ein Ventil bildenden Element eingeschlossen ist, und diese Elemente koaxial und um die Achse der Düse drehsymmetrisch sind, wobei zumindest eines dieser Elemente einen Querschnitt aufweist, der längs der einen der Erzeugenden veränderbar ist derart, daß diese Elemente einen konvergierenden Raum begrenzen, wobei ferner ein Kragen und ein divergierender Raum vorgesehen sind, deren Querschnitte ringförmig ausgebildet sind, und die beiden Elemente in Längsrichtung zueinander unter der Einwirkung eines Steuerorganes bewegbar sind, welches auf einen stromauf gemessenen Druck und auf einen Steuerdruck anspricht, welcher von einem Steuerventil in Abhängigkeit von dem stromab gemessenen Druck geliefert wird derart, daß mit dem Ventil der Ringquerschnitt des Kragens verändert werden kann, um auf diese Weise den Druck in Abhängigkeit von dem Gasbedarf in der stromab von der Düse liegenden Leitung geregelt wird, wobei ferner ein Anzeigegerät vorgesehen ist, welches auf die Querschnittsveränderungen des Kragens dieser Düse anspricht. Die Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß das erste, hohle, drehsymmetrische und den Ventilsitz bildende Element eine Trennwand aufweist, welche in Strömungsrichtung des Gases einen ersten kegelstumpfförmigen und konvergierenden sowie einen zweiten, kegelstumpfförmigen und divergierenden Teil aufweist, daß das zweite, drehsymmetrische und das Ventil bildende Element aus einem spitzbogigen Teil gebildet wird, und daß die ,einander gegenüberliegenden Flächen des Ventilee und des Ventilsitzes unverformbar sind derart, daß die Winkel der konvergie-

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renden und divergierenden Räume während der Bewegung des Venti- | les konstant bleiben.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung weist das spitzbögige Ventil eine geringe Konizität auf, welche kleiner als 10° ist„

Zweckmäßig liegt der Winkel des kegelstumpfförmigen und konvergierenden Teiles des Sitze3 des Ventiles der Haupt-I düse zwischen 30 und 45°.

Vorteilhaft liegt der Winkel des kegelstumpfförmigen und divergierenden Teiles des Sitzes des Ventiles der Hauptdüse zwischen 3 und 7°β

Aufgrund der Tatsache, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung eine konvergierende und eine divergierende DUse aufweist, so daß während der Verschiebung der beweglichen Gesamtj anordnung die Winkel des konvergierenden Teiles und des divergierenden Teiles sich nicht verändert, und daß die engste Stelle dieser DUse von unverformbaren Teilen, im allgemeinen metallischen Teilen, andauernd begrenzt wird, ist es möglich, mit hoher Genauigkeit den Durchgangsquerschnitt des Gases und demzufolge die Gasmenge zu ermitteln.

Dies würde bei einem klassischen Druckmindererventil und Reglerventil oder aber ganz allgemein mit einem elastischen Material nicht möglich sein, welches geeignet und bestimmt ist, bei mangelndem Gasverbrauch die innere Dichtigkeit sicherzustel len, und welches in der Höhe der engsten Stelle der DUse auf dem Ventil angeordnet wird. Erfindungsgemäß wird die Dichtigkeit von einem Dichtungsglied erhalten, welches stromauf der Einzugsstelle der DUse auf dem Ventil angeordnet wird.

Darüber hinaus erlaubt die Tatsache, daß die Veränderung des Durchtrittsquerschnittes des Gases durch Verschiebung

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in Längsrichtung eines spitzbögigen Organes mit geringer Konizität, daß bei einer geringen Veränderung der Gasmenge und damit einer geringen Veränderung des Durchtrittsquerschnittes, einer vergleichsweise großen Verschiebung dieses spitzbögigen Elementes entspricht, was einen Genauigkeitsfaktor für die Messung dieser Verschiebung bedeutet. Bei einem Winkel der Konvergierung zwischen 30 und h5° und bei einem Winkel der Divergierung zwischen 3 und 7° ist der Hub der beweglichen Gesamtanordnung der Vorrichtung gemäß der Erfindung etwa dreißig-mal größer als der Hub des Ventiles eines klassischen Reglers, und zwar für ein und dieselbe Veränderung der Durchsatzmenge.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung weist die Anzeigevorrichtung eine Vorrichtung zur Korrektur des Mengenwertes in Abhängigkeit von dem Gasdruck stromauf der Hauptdüse auf.

Zweckmäßig weist die Anzeigevorrichtung eine Vorrichtung zur Korrektur des Mengenwertes in Abhängigkeit von der Gastemperatur stromauf der Hauptdüse auf.

Die Korrekturen des Wertes der Gasmenge in Abhängigkeit von den Parametern des Gaszustandes stromauf der Hauptdüse erlauben insgesamt den Erhalt von Mengenwerten, welche auf die Bezugsbedingungen zurückgeführt werden.

Zweckmäßig weist die Anzeigevorrichtung, welche den Wert der korrigierten Gasmenge in Abhängigkeit von dem stromauf gemessenen Druck anzeigt, eine erste, kleine, konvergierende und divergierende Anbaudüse auf, deren Kragenabschnitt in seinem Querschnitt veränderbar ist, wobei in dieser Anbaudüse der gleiche Druck wie derjenige stromauf der HauptdUse herrscht und wobei ein mit dem Ventil der HauptdUse verbundenes Versohlußglied vorgesehen ist und die Form der Anbaudüse derjenigen der HauptdUse entspricht derart, daß die Ringquerschnitte der Kragen der HauptdUse und der ersten kleinen AnbaudUae in einem konstanten

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Verhältnis bleiben, daß die erste kleine Aribaudüse über ihren stromab liegenden Teil mit einer zweiten, kleinen, konvergierenden und divergierenden Anbaudüse verbunden ist, die ihrerseits den divergierenden Teil an den stromab liegenden Teil der Hauptdüse angeschlossen hat, und daß zwischen der ersten kleinen AnbaudUse und der zweiten kleinen Anbaudüse ein Druckanzeigegerät angeordnet ist.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung weist das j Anzeigegerät, welches den Wert der korrigierten Gasmenge in Abhängigkeit von der stromauf gemessenen Temperatur liefert, eine kleine konvergierende und divergierende Düse mit veränderbarem Kragenquerschnitt auf und der Durchtrittsquerschnitt dieser Düse ist demjenigen Wert der Temperatur angepaßt und unterworfen, welche stromauf der Hauptdüse herrscht.

Zweckmäßig weist die zweite, kleine, konvergierende und divergierende Düse einen Kragen mit veränderbare« Querschnitt auf, und der Durchtrittsquerschnitt ist dem Wert derjenigen Temperatur unterworfen und angepaßt, welche stromauf der Htuptdüse herrscht.

Nach einer weiteren Ausführungβform der Erfindung werden diejenigen Vorrichtungen, welche es erlauben, die Korrekturen des Druckes, der Temperatur und der Kompressibilität Z und der Dichtigkeit stromauf zu erhalten, durch elektrische Vorrichtungen gebildet. So weist die Anzeigevorrichtung, welche mit einem beweglichen und mit dem Ventil der HauptdUse verbundenen Organ ausgerüstet ist, ein erstes Element auf, dessen elektrische Impedanz in Abhängigkeit von der Stellung des Ventiles der Hauptdüse sich linear verändert, daß die Vorrichtung zur Korrektur des Wertes der Gasmenge in Abhäng-lgkeit von dem stromauf herrschenden Druck eine Drucksonde aufweist, welche das erste Element mit veränderbarer Impedanz mit Hilfe einer elektrischen Spannung versorgt, welche proportional zu dem stromauf gemessenen Druck ist, und daß die Anzeigevorrichtung eine Vorrichtung

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zur Messung der elektrischen Größen aufweist«,

Zweckmäßig ist ein zweites Element mit veränderbarer Impedanz, z, B. eine Thermistanz angeordnet, welche den Veränderungen der Temperatur Rechnung trägt und mit dem ersten Element mit veränderbarer Impedanz in Reihe geschaltet ist und die Drucksonde die ersten und zweiten Elemente mit veränderbarer Impedanz gleichzeitig mit einer Spannung versorgt.

Zweckmäßig sind die veränderbaren Widerstände, welche für die Parameter des Gaszustandes stromauf der Hauptdüse, z. B. für die Kompressibilität und die Dichte des Gases kennzeichnend sind, mit dem ersten Element mit veränderbarer Impedanz in einem Kreis in Reihe geschaltet, welcher an die Klemmen der Drucksonde angeschlossen ist.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung weist die Anzeigevorrichtung einen ersten Hebel auf, dessen Abstutzpunkt mit dem Ventil der Hauptdtise eine körperliche Einheit bildet, und die Vorrichtung zur Korrektur der Gasmenge in Abhängigkeit von dem stromauf gemessenen Druokwert weist ein Bourdon-Rohr auf, welche eine Verschiebung proportional zu dem stromauf ge-

! messenen Druck liefert, daß diese Verschiebung auf das äußere Ende dieses Hebele einwirkt und anschließend daran über einen Reaktionspunkt auf das äußere Ende eines zweiten Hebele Übertragen wird, weloher mit der Anzeigevorrichtung verbunden ist derart, daß der angezeigte Wert proportional der korrigierten Gasmenge in Abhängigkeit von dem Wert des stromauf gemessenen Druckes ist.

Naoh einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine Summierungsvorrichtung vorgesehen, welche pneumatisch oder elektronisch arbeiten kann, und welohe einer der vorstehend beschriebenen AusfUhrungsformen zugeordnet ist, um parallel zu der Anzeige oder Messung der Gasmengen die Gasvolumina zu addieren.

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Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung im einzelnen näher veranschaulicht. In dieser zeigen in rein schematischer Weise:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Regelung und Messung von Gasmengen,

Fig. 2 einen Axialschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche mit einer Vorrichtung zur Korrektur der Gasmenge in Abhängigkeit von dem Wert des stromauf gemessenen Druckes ausgerüstet ist,

Fig. 3 einen Axialschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung, welohe mit einer pneumatisch arbeitenden Vorrichtung zur Korrektur des Wertes der Gasmenge und gleichzeitig in Abhängigkeit von dem stromauf gemessenen Druckwert und von dem stromauf gemessenen Wert der Temperatur ausgerüstet ist,

Fig. 4 einen Axialschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung, welohe mit elektrischen Vorrichtungen zur Korrektur des Wertes der Gasmenge in Abhängigkeit von den Parametern des Gaszustandes stromauf der Vorrichtung zur Messung der Gasmenge ausgerüstet ist,

Fig. 5 einen Axialschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung, welche mit einer mechanischen Vorrichtung zur Korrektur des Wertes der Gasmenge in Abhängigkeit von dem stromauf gemessenen Druck ausgerüstet ist,

Fig. 6 eine schematische Darstellung des konvergierenden und divergierenden Raumes einer Düse, welche im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet wird,

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Gesamtanordnung gemäß der Erfindung, bei welcher eine kleine Düse mit veränderbarem engsten Querschnitt und eine kleine Düse mit fester Geometrie parallel zu der Hauptdüse mit veränderbarem engsten Querschnitt geschaltet sind.

Wie aus Fig. 1 der Zeichnung ersichtlich, ist mit der Bezugsziffer 1 eine Hauptleitung angedeutet, in welcher eine metallische Hauptdüse 2 konvergierenden und divergierenden Querschnittes vorgesehen ist. Die Verbindung dieser HauptdUse 2 mit der Leitung 1 erfolgt über Kupplungsflansche 3. Das Gas strömt in Richtung der Pfeile 4 stromauf und bewegt sich in Richtung stromab, wobei die Gasströmung in dieser Düse 2 im wesentlichen ihre axiale Richtung beibehält» Die HauptdUse 2 besitzt eine hohle Steuerstange 5, in deren Innenraum das Gas strömt, welches von dem stromauf liegenden Teil der Leitung 1 kommt. Diese Stange 5 ist mit dem klassischen Steuersystem für Regler und Druckmindererventile verbunden, und weist beispielsweise einen Kolben 6 mit der Membran 7, eine Rückholfeder 8 und einen Kreuzzapfen 9 für die Führung auf. Der vordere Teil der hohlen Stange 5 ist in dem Rohr 1o in axialer Richtung verschiebbar gelagert, während der Mittelteil der Stange 5 den Zylinder 11 in dichtender Weise durchsetzt, in welchem der Kolben 6 und die Feder 8 angeordnet sind. Das Innere der Stange 5 steht mit dem Rohr 1o über mehrere, am Umfang liegende Öffnungen 12 oder Bohrungen in Verbindung. Die Stange 5 endet stromab dieser Bohrungen 12 in einem kegelstumpfförmigen Teil 13, welcher konzentrisch zu der Achse der Stange 5 liegt und dessen unterer Teil stromab der Basis des Durohmessers liegt, der identisch mit dem Durchmesser der Stange 5 ist. Der kegelstumpfförmige Teil 13 wird von einem

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Element 14 umgeben, welches die Rolle eines Sitzes eines Reglers spielt. Auf der kleinen Grundfläche des kegelstumpfförmigen Teiles 13 der Stange 5 let mittels eines Verbindungselementes 16 ein spitzbogenförmiger und in axialer Richtung länglichex Teil 15 befestigt, dessen hinterer Teil aus einem Kegelstumpf geringer Konizität gebildet wird, und dessen vorderer Teil als Halbkugel ausgebildet ist, welche sich in kontinuierlicher Welse an den kegelstumpfförmigen Teil anschließt· Der kegelstumpfförmige Teil 13, an welchen der spitzbogenförmige Teil 15 befestigt ist, bildet das Ventil der Düse 2, die als Regler arbeitet. Es 1st noch zu bemerken, daß die große Basisfläche des spitzbogenförmigen Teiles 15» welcher sich an die kleine Grundfläche des Ventiles 13 anschließt, ungleich kleiner 1st als die vorerwähnte Grundfläche dieses Ventiles 13· Mit der Bezugsziffer 17 ist ein Dichtungsglled bezeichnet, welches im Falle eines Mangels des Gasbedarfes in der stromab liegenden Leitung die erforderliche Dichtigkeit sicherstellen soll und auf dem Ventil stromauf der verengten Stelle der Düse angeordnet 1st. Der Sitz 14, weloher das Ventil 13, 15 umgibt, ist in dichter Weise auf dem Rohr 1o gelagert und wird von einem hohlen Gehäuse gebildet, dessen äußere, zyllnderförmige ümrifllinie an die Form des Rohres 1o angepaßt ist, und dessen Bohrung koaxial zu der Stange 5 und dem Ventil 13» 15 angeordnet let· Die Konizität der Bohrung des Sitzes 14 ist in dem stromauf liegenden Teil ein wenig größer als in dem kegelstumpfförmigen Teil 13 der Stange 5» um mit dem kegelstumpfförmigen Teil 13 und anschließend daran mit dem stromauf liegenden Teil des spitzbogenförmigen Teiles 15 einen konvergierenden Ringraum zu bilden; in dem stromab liegenden Teil ist die Konizität gegenüber derjenigen des spitzbogenförmigen Teiles 15 umgekehrt, um einen divergierenden Ringraum zu bilden, wobei die engste Stelle ringförmigen Querschnittes - welohe die konvergierenden und divergierenden Räume begrenzt - in unmittelbarer Nähe desjenigen Teiles liegt, welcher stromauf des spitzbogenförmigen Teiles 15 angeordnet ist. Der konvergierende Kegelwinkel des Sitzes 14 liegt vorzugsweise zwischen 30 und 45°, während der Winkel des divergierender

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Konus vorzugsweise zwischen 3 und 7° liegt.

Die konvergierende und divergierende DUse 2 kann die Gasmenge wie ein klassischer Regler regeln. Die Führungsstange 5 bildet dabei mit der Membran 7 eine körperliche Einheit, welche auf der auf der Seite des Sitzes 14 liegenden Fläche dem stromauf herrschenden Druck und auf der gegenüberliegenden Fläche einem Steuerdruck ausgesetzt ist, der von einem Steuerventil 18 geliefert wird, das in einer Sekundärleitung angeordnet ist. Diese Sekundärleitung verbindet den stromab der Hauptleitung 1 liegenden Teil mit einer Öffnung 19 oder Düse, welche in den Zylinder 11 eingearbeitet ist. Mit der Bezugsziffer 2o ist eine kalibrierte Bohrung oder öffnung bezeichnet, welche d>enfalls in einer Leitung vorgesehen ist, die den stromauf liegenden Teil der Leitung 1 mit der Bohrung oder DUse 19 verbindet. Der Steuerdruck hängt von der Anzeige des stromab gemessenen Druckes ab, der in das Steuerventil 18 eingesteuert wird. Aufgabe dieses Steuerventiles 18 ist es daher, den Ringquerschnitt zwischen den Teilen 14 und 15 durch Längsverschiebung der beweglichen Gesamtanordnung zu verändern, welch letztere von der Stange gebildet wird, die das Ventil 13, 15 und den Kolben 6 derart prägt, daß die stromab des Reglers in der Leitung zuge- : führte Gasmenge den Veränderungen des Gasmengenbedarfes in der stromab liegenden Leitung 1 folgt. Die Folge davon ist, daß der stromab gemessene Druck auf einen konstanten Wert oder Bezugswert eingeregelt bleibt.

Die Hauptdüse 2 1st so ausgebildet, daß sie nicht nur eine Regelung der Gasmenge - wie vorstehend beschrieben sicherstellt, sondern darüber hinaus auch die Möglichkeit eröffnet, die Gasmenge zu ermitteln, welchen Wert diese Menge auch immer einnehmen möge. In der Tat zeigt eine Anzeigevorrichtung 21 für die Jeweilige Stellung in einem Jeden Augenblick den Wert des Durohgangsquersohnittes für das Gas an. Diese Anzeigevorrichtung 21 bildet mit der beweglichen Gesamtanordnung eine körperliche Einheit, welch letztere aus den

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Teilen 5, 6 und 15 gebildet wird. Infolgedessen ist es möglich, die Gasmenge zu bestimmen, sofern man die Brameter des Gaszustandes am Eingang der HauptdUse 2 kennt, nämlich den stromauf herrschenden Druck, die Temperatur und die Dichtigkeit.

In der Tat ist es bekannt, daß die Menge eines Gases, welches durch eine konvergierende und divergierende Düse hindurchströmt, und bei welcher mit Schallgeschwindigkeit sowie mit einem minimalen Querschnitt Sp gearbeitet wird, wie folgt ermittelt werden kann:

¹V

Massenmenge in kg/s

S « Querschnitt in qm

P. » Druck stromauf der Düse (in Pa) <i. =» Volumenmasse des Gases stromauf (in kg/nr) f {ji)« Funktion des isotropischen Koeffizienten des Gases derart, daß sich unter Berücksichtigung der Zustandsgleichung des Gases P « Zr H T nachfolgende Gleichung ergibt, wobei P, Z, T,S die Parameter des Gaszustandes, des Druckes, der Koeffizient der Kompressibilität, die absolute Temperatur und die Volumenmasse sind, während der Buchstabe r das Verhältnis ^ ist, und R die Konstante der idealen Gase und M die Molmasse des Gases sind:

^A (2)

A A

wobei K ein numerischer Koeffizient ist, welcher von den Einhei· ten und der Natur des verwendeten Gases abhängig ist,

, Z. β Koeffizient der Kompressibilität des Gases stromauf der

_{ Düse

T. β Temperatur des Gases stromauf der Düse (in ⁰K)

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Indem man den Faktor der Kompressibilität Z- vernachlässigt, und indem man eine konstante Temperatur voraussetzt, erhält man folgende Gleichung:

Q_m-KS_cf(/)P_A (3)

Für eine konvergierende und divergierende Düse veränderlichen Querschnittes, wie sie vorstehend beschrieben und in Fig. 6 der Zeichnung dargestellt ist, ergibt sich der Querschnit in der engsten Stelle der Düse wie folgt:

S₀ -T β (D- β) (4)

e ■ Dicke der Krone des Durchtrittsquerschnittes D « Basisdurchmesser (Durchmesser, wenn der spitzbogenförmige Teil vollkommen gelöst ist)

Dabei ist JL der öffnungswinkel des spitzbogenförmigen Teiles lind L der Hub desselben in Richtung der Achse A-A'

Wenn tg 4 » γ-

S₀ = I L tg I (D - L tg Tjr),
dann ist S_Q =^L D tg ^ (1 - jj tg

Für einen Hub L, der kleiner ist als der Wert L_max» also

tg J

erhält man S » LD tg ^f, wobei der Querschnitt proportional dem Hub ist.

Die Menge des Gases drückt sich also durch folgende Gleichung aus, sofern Κ* gleich ist K D tg j :

Q_1n . K· L. P_A (5)

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Die Gasmenge 1st also proportional dem Hub des spitzbogenförmigen Teiles und dem stromauf gemessenen Druck, Der Faktor K* kann in vollkommener Weise bestimmt werden, wenn man die Natur des Gases und die geometrischen Kennwerte der Vorrichtung kennt.

Beispielt Naturgas mit einer Dichte von O,611; f (/) « O₉67

D - 32 mm X erhält man Q_n ■ 2,9 L

D - 32 mm Λ, « 5⁰ T_A - 288°Κ

wobei L der Hub in mm, P. der Druck in bar und Q_n in kg/h ausgedruckt wird.

Daraus geht hervor, daß bei einer Verschiebung der beweglichen Gesamtanordnung 5, 6, 15 die Winkel des konvergierenden Teiles und des divergierenden Teiles sich nicht verändern), und daß die engste Stelle der Düse von den metallischen, unverformbaren Teilen andauerndbegrenzt ist. Die Folge davon ist, daß der Durchtrittsquerschnitt entsprechend den vorerwähnten Berechnungsformeln genau ermittelt werden kann.

Wenn der Öffnungswinkel X des spitzbogenförmigen Teiles hinreichend klein gewählt wird, so entspricht eine geringe Veränderung der Gasmenge und damit eine geringe Veränderung des Querschnittes einer außerordentlich großen Verschiebung dieses spitzbogenförmigen Teiles, was einen Genauigkeitsfaktor für die Messung der Verschiebung bedeutet«

Die Fig. 2 der Zeichnung zeigt eine Vorrichtung, welche derjenigen nach Fig. 1 entspricht, in welche aber eine pneumatische Vorrichtung eingeschlossen ist, die es erlaubt, die korrigierte Größe des stromauf gemessenen Druckwertes andauernd, also laufend zu erhalten.

Die Grundelemente der Vorrichtung, insbesondere die HauptdUse 2, welche bereits im Zusammenhang mit der Fig. 1 er-

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läutert wurden, sind auf allen Figuren mit den gleichen Bezugsziffern bezeiohnet und werden im folgenden auch nicht erneut im Detail erörtert werden. Andererseits sind diejenigen Elemente, welche zur Regulierung der Menge dienen, z. B. das Steuerventil 18, bereits in allen Verwirklichungsformen der Erfindung vorhanden und werden daher in den Figuren 2 bis 5 nicht näher dargestellt.

Die Vorrichtung gemäß Figur 2 besitzt eine Mikrodüse 22 mit veränderbarem engsten Querschnitt, wobei diese Mikrodüse 22 eine der Hauptdüse 2 analoge Form aufweist., Der bewegliche Verschlußkörper 23 bzw. Einbaukörper dieser Mikrodüse 22 steht mit der beweglichen Gesamtanordnung 5, 6, 15 der Hauptdüse 2 in Verbindung. Die Düsen 2 und 22 erhalten sämtlich den gleichen Druck, der insbesondere aufgrund der Bohrungen bzw. Öffnungen 12 und 24 stromauf herrscht.

Der stromab liegende Teil der Mikrodüse 22 mit veränderbarem engsten Querschnitt ist mit dem stromauf liegenden Teil einer zweiten kleinen Düse 25 verbunden, deren divergierender Teil selbst an den stromab liegenden Teil der Hauptdüse 2 angeschlossen ist. Die zweite kleine Düse 25 kann eine feste Geometrie besitzen, d. h. also so geformt sein, daß sie kein bewegliches Verschlußglied bzw. keinen beweglichen Einbaukörper und darüber hinaus einen engsten Querschnitt aufweist, der in seiner Größe unveränderbar ist.

Die Arbeitsweise der in Fig. 2 der Zeichnung dargestellten Vorrichtung ist die folgende:

Das bewegliche Verschlußglied 23 bzw. der bewegliche Einsatzkörper der Düse 22 ist mit demjenigen der Hauptdüse fest verbunden. In einem jeden Augenblick haben diejenigen Durchgangsquerschnitte, welche durch diese beiden Düsen 2 und 22 ge-,bildet werden, ein konstantes Verhältnis. Die Folge davon ist, daß die beiden Düsen 2 und 22 mit dem stromauf herrschenden

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Druck und mit der Schallgeschwindigkeit in der engsten Stelle einer jeden Düse beaufschlagt werden, wobei die Gasmengen der diese Düsen durchsetzenden Gase in einem jeden Augenblick in einem konstanten Verhältnis zueinander stehen. Das gleiche gilt für die Durchtrittsquerschnitte, und zwar in einem Maße, in welchem die tatsächlichen Mengen Q_1n, a^, welche eine jede Düse 2, 22 durchsetzen, eine Funktion der Verschiebung des Verschlußgliefdes bzw. Einbaukörpers 15, 23 sind (siehe Gleichung 5). Man erhält also

wobei k eine Konstante ist«

Um die Hauptmenge zu erhalten, ist es erforderlich, diejenige Menge zu kennen, welche durch die Hilfsdüse 22 hindurchströmt. Wenn die Düse 25 mit einem unveränderbaren, also festen engsten Querschnitt größer ist als der maximale Querschnitt der Düse 22, so ist die Menge o^ in der Düse 25 gleich der Menge α in der Düse 22.

Darüber hinaus ergibt sich entsprechend der Gleichung (3) die Menge q^ in der Düse 25 aus folgender Gleichung:

K S

f (.?) P. (8) A

wobei P. derjenige Druck ist, welcher in dem zwischen der Düse

^Ai

22 mit veränderbarem Querschnitt und der zweiten Düse 25 liegenden Teil herrscht (Fig. 7).

Da, stromauf der Düse 25, dessen Querschnitt der engsten Stelle und damit die physikalische Menge konstant ist, die Menge α sich wie der Druck P. verändert, genügt die Messung

mit einer Druckme ßvo rri chtung 26, um diejenige Menge Q_1n von Ort zu Ort abzuleiten, welche die Hauptdüse 2 durchsetzt, da bei Betrachtung der Gleichungen (7 und 8), sich folgender Zu-

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sammenhang ergibt:

Q_1n = KS_Ci f Ü) kP_Ai (9)

Ein pneumatisches Summiergerät 27 erlaubt parallel zur Anzeige oder zur Registrierung der Mengen der Vorrichtung 26 die Addition der Volumina. Die Summiervorrichtung 27 kann beispielsweise ein kleiner Gaszähler sein.

Es ist darauf hinzuweisen, daß die in Fig. 2 der Zeichnung dargestellte Vorrichtung eine Korrektur der Werte der Gasmengen in Abhängigkeit von dem stromauf gemessenen Druck erlaubt, jedoch keineswegs dem Koeffizienten der Kompressibilität des Gases Z und auch nicht der Temperatur des Gases am Eintritt in die Hauptdüse Rechnung trägt.

Der Koeffizient Z kann auch vernachlässigt werden, wenn die Drücke den Wert von 2o bar nicht überschreiten.

Demgegenüber kann sich eine Korrektur der Temperatur als notwendig erweisen. Die Fig. 3 der Zeichnung zeigt eine etwas abgewandelte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, mit welcher es möglich ist, eine korrigierte Menge und gleichzeitig auch den Wert des stromauf herrschenden Druckes sowie der entsprechenden Temperatur zu erhalten.

Die Korrektur der Temperatur geschieht durch Einführung einer zusätzlichen Düse 28 mit veränderbarem engsten Querschnitt, wobei der Durchtrittsquerschnitt dem Wert derjenigen Temperatur angepaßt i3t, welche stromauf der Hauptdüse 2 herrscht» Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figo 2 ersetzt die Düse 28 mit veränderbarem engsten Querschnitt die Düse 25 mit ^;festem engsten Querschnitt, welche bei der Ausführungsform nach Fig„ 2 dargestellt ist.

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Ein in der Leitung 1 stromauf der Hauptdüse 2 angeordnetes Temperaturmeßgerät 29 ist mit der Düse 28 verbunden. Das Temperaturmeßgerät 29 , welches beispielsweise aus einer, eine ausdehnbare Flüssigkeit enthaltende Kugel bestehen kann» muß so konzipiert sein, daß ein Temperaturanstieg eine Vergrößerung des Querschnittes der engsten Stelle der Düse 28 und da mit eine Verkleinerung des Wertes P zwischen den Düsen 22 und 28 nach sich zieht, wobei der Wert P von dem Gerät 26 gemessen wird.

Es ist darauf hinzuweisen, daß die im Zusammenhang mit den Figuren 2 und 3 erläuterten Vorrichtungen, welche die konvergierenden und divergierenden Düsen in Betrieb setzen, welch letztere bei Schallgeschwindigkeit arbeiten, in der Herstellung außerordentlich einfach sind, da die verschiedenen Elemente und Bauteile statisch sind.

Darüber hinaus erlaubt die Möglichkeit der Ermittlung der Gasmenge über den Druck die Verwendung einer großen Anzahl von bestehenden Anzeigegeräten oder Mengenmeßgeräten. Darüber : hinaus kann die Zählgenauigkeit größer als + 1 % sein, und \ zwar für eine Menge, die zwischen 5 und 1oo % der Menge der Vorrichtung liegt.

In einem Falle, in welchem die Gasmengen mit großer Genauigkeit ermittelt werden müssen, z. B. mit einer Genauigkeit von £ o,5 %, kann es interessant sein, die Korrekturen der Werte der Mengen in Abhängigkeit von den Parametern des Gaszustandes mittels elektrischer Vorrichtungen zu verwirkli-

^! chen. Eine derartige Ausführungsform ist in Fig. 4 der Zeichnung dargestellt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist die Hilfsdüee ι 22 der Figuren 2 und 3 durch ein Potentiometer oder aber duroh einen linearen Rheostat 3o ersetzt, welcher an den Kolben des beweglichen Teiles der Hauptdüse 2 angekoppelt ist. Ein Gerät

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31 zur Ermittlung des Druckes, welches über eine Stromquelle versorgt wird, liefert eine elektrische Spannung, welche proportional dem stromauf der Düse 2 gemessenen Druck ist. Diese elektrische Spannung wird an das Potentiometer 3o angelegt. Der Strom, welcher durch das Potentiometer 3o hindurchgeführt wird, ist auf diese Weise proportional der Menge in der Düse 2, korrigiert um den stromauf gemessenen Druckwert. Die Ermittlung der Menge des Gases erfolgt durch Messung der Spannung an den Klemmen eines Widerstandes 33, welcher in Reihe zu dem Potentiometer 3o geschaltet ist. Bei dem Meßergebnis wird ein Proportionalitäts-Koeffizient berücksichtigt. Um den Veränderungen der Temperatur eines Gases Rechnung zu tragen, ist ein auf die Veränderung der Temperaturen ansprechender Widerstand 35 in der Leitung 1 angeordnet, und zwar stromauf der Düse 2. Dieser Widerstand 35 ist mit dem Potentiometer und mit dem Meßwiderstand 33 in Reihe geschaltet. Das Spannungsmeßgerät 34 wird also an die Klemmer^iesoenigen Teiles eines Stromkreises angeschlossen, welcher den Meßwiderstand 33 und den Widerstand 35 enthält. Man kann auch dem Faktor der Kompressibilität des Gases und der Dichte dieses Gases durch Einführung zusätzlicher verstellbarer Widerstände Rechnung tragen, welche in der Zeichnung nicht weiter dargestellt sind und in demjenigen Teil des Stromkreises mit dem Meßwiderstand 33 und dem Widerstand 35 in Reihe geschaltet sind, zu welchem die Meßvorrichtung 34 parallel geschaltet ist« Es ist klar, daß der Wert des Widerstandes des Potentiometers 3o größer sein muß als der Wert der Summe der Widerstände des Meßwiderstandes 33, des Widerstandes 35 und der verschiedenen verstellbaren und vorstehend angedeuteten Widerstände. Diese verstellbaren, zusätzlichen Widerstände können auch unmittelbar an diejenigen Sonden angeschlossen werden, welche die entsprechenden physikalischen Größen, z. B. die Volumenmasse u. dgl. ermitteln. Darüber hinaus können die verschiedenen Druckmeßvorrichtungen 31, die Temperaturmeßvorrichtung 35 und die Meßvorrichtung für die Volumenmasse und dergleichen sehr unterschiedlich ausgebildet sein.

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Falls keine allzugroße Genauigkeit erwünscht ist, kann die Messung der Mengen, welche entsprechend den stromauf gemessenen Druckveränderungen korrigiert sind, mit HLfe einer Hauptdüse 2 durchgeführt werden, welche im Zusammenhang mit der Fig„ 1 der Zeichnung erläutert wurde, wobei man dieser Hauptdüse eine mechanische Vorrichtung gemäß Fig. 5 der Zeichnung zuordnet.

Bei der Verwirklichungsform nach Fig. 5 der Zeichnung bildet ein Hebel einen Abstützpunkt 38, welcher sich zusammen mit der beweglichen Gesamtanordnung 6, 5, 15 der Hauptdüse 2 bewegt, wobei dieser Hebel auch einen Anlagepunkt 39 zeigt, welcher Verschiebungen unterworfen ist, die proportional zu dem stromauf herrschenden Druck in der Leitung 1 sind. Diese Verschiebungen werden von einem Bourdon-Rohr 4o erzeugt. Die auf den Anlegepunkt 39 des Hebels 37 einwirkende Verschiebung wird auf einen zweiten Hebel 41 mit einem Festpunkt 42 über einen Reaktionspunkt 43 übertragen. Der Hebel 41, welcher an eine Zahnstange 44 angekoppelt ist, verstärkt in proportionaler V/eise die vorstehend erläuterte Verschiebung derart, daß diese Verschiebung durch unmittelbares Ablesen einer Anzeigenadel 45 oder einer Registriernadel möglich ist.

Die Ausführungsform nach Fig. 5 der Zeichnung zeigt eine Lösung, deren Genauigkeit in bestimmten Fällen, z. B. zur Messung von Gasmengen in unterschiedlichen Einführungspunkten eines Netzes mit Knotenpunkten, ausreichend sein kann.

Die Erfindung ist auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen keineswegs beschränkt. Es sind vielmehr noch weitere Verwirklichungsformen möglich und denkbar, ohne daß hierdurch der Rahmen der Grundkonzeption gesprengt wird.

- Patentansprüche 709833/0*05

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Claims

PATENTANSPRÜCHE 2704Q48

Vorrichtung zur Regelung und Mengenmessung eines in einer Leitung strömenden Gases, mit einer konvergenten und divergenten HauptdUse, welche in der Leitung angeordnet und im Schallbereich betrieben wird, wobei diese DUse mit axialer Strömungsrichtung durch einen Ringraum gebildet wird, der von einem ersten, einen Ventilsitz bildenden hohlen Element und einem zweiten, ein Ventil bildenden Element eingeschlossen ist, und diese Elemente koaxial und um die Achse der DUse drehsymmetrisch sind, wobei zumindest eines dieser Elemente einen Querschnitt aufweist, der längs der einen der Erzeugenden veränderbar ist derart, daß diese Elemente einen konvergierenden Raum begrenzen, wobei ferner ein Kragen und ein divergierender Raum vorgesehen sind, deren Querschnitte ringförmig ausgebildet sind, und die beiden Elemente in Längsrichtung zueinander unter der Einwirkung eines Steuerorganes bewegbar sind, welches auf einen stromauf gemessenen Druck und auf einen Steuerdruck anspricht, welcher von einem Steuerventil in Abhängigkeit von dem stromab gemessenen Druck geliefert wird derart, daß mit dem Ventil der Ringquerschnitt des Kragens verändert werden kann, um auf diese Weise den Druck in Abhängigkeit von dem Gasbedarf in der stromab von der DUse liegenden Leitung geregelt wird, wobei ferner ein Anzeigegerät vorgesehen 1st, welches auf die Querschnittsveränderungen des Kragens dieser DUse anspricht, dadurch gekennzeichnet, daß das erste, hohle, drehsymmetrisohe und den Ventilsitz bildende Element eine Trennwand aufweist, welche in Strömungsrichtung des Gases einen ersten kegelstumpfförmlgen und konvergierenden sowie einen zweiten, kegelstumpfförmlgen und divergierenden Teil aufweist, daß das zweite, drehsymmetrische und das Ventil bildende Element aus einem spitzbogigen Teil gebildet wird, und daß die einander gegenüberliegenden Flächen des Ventiles und des Ventilsitzes unverformbar sind derart, daß die Winkel der konvergierenden und divergierenden Räume während der Bewegung des Ventiles konstant bleiben.

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ORIGINAL INSPECTED

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur inneren Abdichtung bei mangelndem Gasbedarf in dem Ventil stromauf des Kragens ein Dichtungsglied angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß das spitzbögige Ventil eine geringe Konizität aufweist, welche kleiner als 10° 1st·
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Winkel des kegelstumpfförmigen und konvergierenden Teiles des Sitzes des Ventiles der Hauptdtise zwischen 30 und 45° liegt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Winkel des kegelstumpfförmigen und divergierenden Teiles des Sitzes des Ventiles der Hauptdtise zwischen 3 und 7° liegt.
6. Vorrichtung nach ehern der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Anzeigevorrichtung eine Vorrichtung zur Korrektur des Mengenwertes in Abhängigkeit von dem Gasdruck stromauf der Hauptdüse aufweist.
ο Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Anzeigevorrichtung eine Vorrichtung zur Korrektur des Mengenwertes in Abhängigkeit von der Gastemperatur stromauf der Hauptdüse aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Anzeigevorrichtung, welche den Wert der korrigierten Gasmenge in Abhängigkeit von dem stromauf gemessenen Druck anzeigt, eine erste, kleine, konvergierende und divergierende Anbaudüse aufweist, deren Kragenabschnitt in seinem Querschnitt veränderbar ist, wobei in dieser Anbaudüse der gleiche Druck wie derjenige stromauf der

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HauptdUse herrecht und wobei ein mit dem Ventil der HauptdUse verbundenes Verschlußglied vorgesehen ist und die Form der Anbaudtise derjenigen der Hauptdtise entspricht derart, daß die Ringquerschnitte der Kragen der HauptdUse und der ersten kleinen Anbaudtise in einem konstanten Verhältnis bleiben, daß die erste kleine Anbaudtise über ihren stromab liegenden Teil mit einer zweiten, kleinen, konvergierenden und divergierenden Anbaudtise verbunden ist, die ihrerseits den divergierenden Teil an den stromab liegenden Teil der HauptdUse angeschlossen hat, und daß zwischen der ersten kleinen AnbaudUse und der zweiten kleinen AnbaudUse ein Druokanzeigegerät angeordnet ist·
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite kleine AnbaudUse eine feste Geometrie aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Anzeigegerät, welches den Wert der korrigierten Gasmenge in Abhängigkeit von der stromauf gemessenen Temperatur liefert, eine kleine konvergierende und divergierende Düse mit veränderbarem Kragenquerschnitt aufweist, und daß der Durchtrittsquerschnitt dieser Düse demjenigen Wert der Temperatur angepaßt und unterworfen ist, welche stromauf der HauptdUse herrscht.
11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite, kleine, konvergierende und divergierende Düse einen Kragen mit veränderbarem Querschnitt aufweist, und daß der Durchtrittsquerschnitt dem Wert derjenigen Temperatur unterworfen und angepaßt ist, welche stromauf der HauptdUse herrscht.
12. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Anzeigevorrichtung, welche mit einem beweglichen und mit dem Ventil der HauptdUse verbun-

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denen Organ ausgerüstet ist, ein erstes Element aufweist, dessen elektrische Impedanz in Abhängigkeit von der Stellung des Ventiles der Hauptdüse sich linear verändert, daß die Vorrichtung zur Korrektur des Wertes der Gasmenge in Abhängigkeit von dem stromauf herrschenden Druck eine Drucksonde aufweist, welche das erste Element mit veränderbarer Impedanz mit Hilfe einer elektrischen Spannung versorgt, welche proportional zu dem stromauf gemessenen Druck ist, und daß die Anzeigevorrichtung eine Vorrichtung zur Messung der elektrischen Größen aufweist,,
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß in der stromauf der Hauptdüse liegenden Leitung ein zweites Element mit veränderbarer Impedanz, ζ. B. eine Thermistanz angeordnet ist, welche den Veränderungen der Temperatur Rechnung trägt und mit dem ersten Element mit veränderbarer Impedanz in Reihe geschaltet ist, und daß die Drucksonde die ersten und zweiten Elemente mit veränderbarer Impedanz gleichzeitig mit einer Spannung versorgt.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 und 13, dadurc gekennzeichnet , daß die veränderbaren Widerstände, welche für die Parameter des Gaszustandes stromauf der Hauptdüse, z„ B. für die Kompressibilität und die Dichte des Gases kennzeichnend sind, mit dem ersten Element mit veränderbarer Impedanz in einem Kreis in Reihe geschaltet sind, welcher an die Klemmen der Drucksonde angeschlossen ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigevorrichtung einen ersten Hebel aufweist, dessen Abstützpunkt mit dem Ventil der Hauptdüse eine körperliche Einheit bildet, und daß die Vorrichtung zur Korrektur der Gasmenge in Abhängigkeit von dem stromauf gemessenen Druokwert ein Bourdon-Rohr aufweist,

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welche eine Verschiebung proportional zu dem stromauf gemessenen Druck liefert, und daß diese Verschiebung auf das äußere Ende dieses Hebels einwirkt und anschließend daran Über einen Reaktionspunkt auf das äußere Ende eines zweiten Hebels übertragen wird, welcher mit der Anzeigevorrichtung verbunden ist derart, daß der angezeigte Wert proportional der korrigierten Gasmenge in Abhängigkeit von dem Wert des stromauf gemessenen Druckes ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung darüber hinaus eine Summierungsvorrichtung aufweist, um parallel zur Anzeige oder aber zur Messung der Gasmengen die Gasvolumina zu addieren«
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Summierungsvorrichtung eine pneumatische Summierungsvorrichtung ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14 und 16, da durch gekennzeichnet, daß die Summierungsvorrichtung eine elektronische Summierungsvorrichtung ist.