DE287825C - Verfahren und Apparat zur messung durch Rohre str¦mender Gas-, Dampf- oder Flüssigkeitsmengen - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Ein bekanntes Verfahren, durch Rohre strömende Gas- oder Dampfmengen zu messen, beruht darauf, daß an einer Stelle des Rohres eine Drosselung hervorgerufen wird, z. B. durch einen Schwimmer, eine Düse, eine Drosselscheibe o. dgl. Eine andere Methode benutzt die Druckdifferenz, die zwischen dem statischen und dynamischen Druck· des strömenden Gases oder Dampfes vorhanden ist.

ίο In beiden Fällen ist die Durchflußmenge proportional der Wurzel aus dieser Druckdifferenz und, wenn die Dichte veränderlich ist, außerdem noch proportional der Wurzel aus dem spezifischen Volumen.

Gegenstand der Erfindung ist ein neues Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung, mittels dieser Druckdifferenz auf elektrischem Wege die Durchflußmenge bei konstanter und veränderlicher Dichte anzuzeigen, zu zählen oder fortlaufend zu registrieren. Es sind bereits andere elektrische Meßverfahren, die dem gleichen Zwecke dienen, bekannt. Ihnen gegenüber soll der Gegenstand der Erfindung den Vorzug größerer Einfachheit haben.

Die Messung der Durchflußmenge bei konstantem spezifischen Volumen wird derart ausgeführt, daß mittels beliebiger, geeigneter Apparate, die unter dem Einfluß der Druckdifferenz stehen, in einem Stromkreis ein elektrischer Widerstand so verändert wird, daß die Stromstärke in einem zweiten, zu demselben Stromkreise gehörigen konstanten Widerstände bzw. die an den Enden des letzteren vorhandene Potentialdifferenz stets der Wurzel aus der Druckdifferenz proportional ist. Hierfür kann eine beliebige geeignete Schaltung Verwendung finden. In Fig. 1 ist z. B. die an sich bekannte und für denselben Zweck bereits verwandte Brückenschaltung gewählt. Der durch die Druckdifferenz zu beeinflussende Widerstand W₁ ist mit drei konstanten Widerständen w', w" und w'" zu einer Wheatstoneschen Brücke vereinigt und wird selbsttätig durch die Druckdifferenz so verändert, daß der Galvanometerstrom proportional der Wurzel aus der Druckdifferenz ist.

Eine neuartige einfache Schaltung gemäß der Erfindung, die ebenfalls nur der Berücksichtigung der Druckdifferenz, d. h. dem ersten Teile des Verfahrens dient, ist in Fig. 2 dargestellt. Ein Regulier widerstand w₀ ist mit zwei parallelen Widerständen W₁ und W₂ hintereinander geschaltet. w₂ ist konstant, während W₁ durch die Druckdifferenz so verändert wird, daß der in dem Widerstände w₂ fließende Strom i₂ proportional der Wurzel aus der Druckdifferenz ist. Werden im folgenden mit ft₂ — P₁ die Druckdifferenz, mit E die Spannung der Stromquelle und mit a_lt a₂, a_s usf. konstante Größen bezeichnet, so wird

— p_v

Für die Änderung von W₁ ergibt sich aus der Schaltung folgendes Gesetz:

w, =■

W₂.· W

HVPi-Pi

Der Widerstand w_n wird durch die Änderung der Druckdifferenz nicht beeinflußt,

ίο sondern wird nur nachreguliert, um etwa eintretende Spannungsänderungen der Stromquelle auszugleichen. Außerdem dient er dazu, ein für die praktische Ausführung günstiges Gesetz für die Änderung des Widerstandes W₁ zu schaffen. Würde w_n fehlen, so könnte der Widerstand w₂ nicht mehr konstant ausgeführt werden, sondern müßte gleichfalls mit der Druckdifferenz sich ändern. Denn bei der Druckdifferenz 0, die einer Durchflußmenge 0 entspricht, müßte sonst W₂ unendlich groß sein, damit der der Durchflußmenge entsprechende Strom i₂ = 0 wird. Dies ist aber für die praktische Ausführung unbequem.

Um Änderungen der Dichte zu berücksichtigen, wird gemäß der Erfindung der Widerstand w_% der Schaltungen Fig. 1 oder 2 bzw. anderer äquivalenter Schaltungen durch zwei hintereinander geschaltete Widerstände ersetzt.

In Fig. 3 ist z. B. die auf diese Weise vervollständigte Schaltung der Fig. 2 dargestellt. Die Widerstände W₃ und w_it die w₂ ersetzen, werden nun durch das spezifische Volumen υ so beeinflußt, daß der eine Teilwiderstand,

z. B. w₃, sich stets proportional |/jT ändert und gleichzeitig durch den anderen Widerstand zu der konstanten Summe w₃ + w_t = W₂ ergänzt wird. Die Veränderung von W₁ erfolgt in der gleichen Weise wie in der Schaltung Fig. 2. Infolgedessen ist der in dem Widerstände W₃ fließende Strom i₃ gleichbedeutend mit dem Strom u (Fig. 2), d. h. es ist ebenfalls:

H - ^αι ΫΡ2 — Pi>
das Produkt i_s · W₃ ist dann aber proportional

Mithin ist die an den Enden des Widerstandes w₃ vorhandene Potentialdifferenz, die in einem Voltmeter V gemessen wird, ein Maß für die Durchflußmenge, auch bei schwankender spezifischer Dichte.

Eine andere Erweiterung der Schaltung Fig. 2 ist in Fig. 4 dargestellt. Der Widerstand W₂ ist in einen Teilwiderstand w₃ und zwei mit diesem hintereinander geschaltete, parallele Widerstände W₁ und w_B zerlegt.

In letzterem ist ein Amperemeter A eingeschaltet. Der Widerstand w_% (Fig. 2) ist dann ersetzt durch w₃ und den Verzweigungswiderstand

W₅

+ W₅

Es ist also W₃ + W₁ = w₂. Der Widerstand w_b bleibt konstant. Dagegen werden W₃ und w₄ durch die Dichteänderungen so beeinflußt, daß die Summe w₃ + w- konstant bleibt und gleichzeitig der Teilstrom i₅ sich proportional Y V ändert. Die Summe W₃ + w- kann durch den konstanten Widerstand w-₀ und eine Konstante ausgedrückt werden. Es ist w₃ + w- = a₃ · w₆. Der Widerstand W₁ wird wie in der Schaltung Fig. 2 durch die Änderungen der Druckdifferenz so beeinflußt, daß

H = a_x Yp₂ — P₁

wird.. Der Strom i₃ wird wegen der unveränderlichen Größe der Summe w₃ + w, durch die Schwankungen in dem spezifischen Volumen nicht berührt. Da nun i₅ auch proportional i₃ ist, so wird i₅ stets proportional

sein. Die Änderung der drei Widerstände W₁, W₃ und w₄ muß, wie aus der Schaltung Fig. 4 abzuleiten ist, nach den folgenden Gesetzen erfolgen:

j ₌ H · W₅ · W₀

«1 V Ps — Pi

■ «, · W, — W_n

II. W₃ = «3

III. W₁-

a₂Y υ

Eine dritte Lösung, das schwankende spezifische Volumen zu berücksichtigen, zeigt die Schaltung Fig. 5, die wiederum eine Erweiterung der Schaltung Fig. 2 darstellt. Der konstante Widerstand w₂ (Fig. 2) ist durch zwei parallele Widerstände ersetzt, von denen der eine aus zwei hintereinander geschalteten Teilwiderständen besteht. W₁. wird, wie in der Schaltung Fig. 5, durch die Druckdifferenz verändert, und zwar so, daß die Summe der Teilströme i₃ + i_i proportional

V>a - Pi

ist. W₅ ist konstant, während w₃ und w_t durch das spezifische Volumen beeinflußt werden. Diese Änderung erfolgt derartig, daß der von W₃ + w₅ und Iu₄. gebildete Verzweigungswiderstand

w- =

W₃ + W₅

+ W₃ + w₅

stets konstant bleibt und gleichzeitig der in dem konstanten Widerstand ze>_s fließende

wird. Da i_h außerStrom ί₅ proportional

dem der Summe der Verzweigungsströme i₃ + i_i proportional ist, so ist:

= «ι Vh — Ρχ'^αι· V^v-Da der Verzweigungswiderstand w, konstant ist, so kann er auch durch w₆ wie folgt ausgedrückt werden:

Für die Gesetze, nach denen W₁, w.₃ und W₁ durch die ίο Druckdifferenz bzw. das spezifische Volumen verändert werden müssen, ergeben sich aus der Schaltung die folgenden Formeln:

IV.

W_n

^ai Vh — h

--U₃-W₅-W₀

VI. w.=

__ — _w

Die bisher beschriebenen Schaltungen gestatteten nur die Berücksichtigung zweier Faktoren: Druckdifferenz, d.i. Durchflußmenge, und spezifisches Volumen. Das Verfahren läßt sich jedoch durch einfache Wiederholung auch verwenden, um mehr wie zwei Faktoren bei der Messung zu berücksichtigen, z. B: kann bei der Dampfmessung außer dem Druck auch die Temperatur Berücksichtigung finden. Dieses ist beispielsweise in Fig. 10 an der Schaltung Fig. 4 gezeigt. Der konstante Widerstand W₅ (Fig. 4) wird ersetzt durch die veränderlichen Widerstände w_e und W₁ und den konstanten Widerstand w_s. w_e und W₁ werden durch die Dampftemperatur so beeinflußt, daß der Gesamtwiderstand

7ÖJ. · Iß) _

W₆ +

W₁ + Wg

und damit auch der Strom i_e, der bereits sowohl proportional der Wurzel aus der Druckdifferenz als auch proportional der Wurzel aus dem Dampfdruck ist, unverändert bleibt und gleichzeitig der Teilstrom i_s, der stets proportional «₆ ist, eine der veränderlichen

5" Dampf temperatur entsprechende Korrektur erfährt. Dann ist i_s ein Maß für die Dampfmenge auch bei veränderlichem Druck und veränderlicher Temperatur.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß in derselben Weise, wie es im vorstehenden an der Schaltung Fig. 2 gezeigt worden ist, auch die Schaltung Fig. 1 durch entsprechende Ausbildung von w₂ oder eine andere geeignete Schaltung zu dem Zweck erweitert werden kann, Änderungen in der Dichte der Durchflußmenge zu berücksichtigen.

In den vorstehend entwickelten Formeln ?ind , die Widerstände der Zuleitungsdrähte vernachlässigt, sie könnten jedoch unter entsprechender Änderung der Formeln ah konstante Zusatzwiderstände berücksichtigt werden. Ebenso könnte man noch andere konstante Widerstände zu den veränderlichen der einzelnen Zweige hinzufügen, ohne an dem Prinzip der Schaltungen etwas zu ändern.

Das Verfahren läßt sich zur Messung von Gas-, Dampf- oder Flüssigkeitsmengen verwenden. Es kann auch als Ergänzung bereits bekannter Meßmethoden oder Meßvorrichtungen dienen, sei es, um eine Fernanzeige oder eine fortlaufende Zählung zu ermöglichen, sei es, um die Messungen entsprechend dem schwankenden spezifischen Volumen zu berichtigen.

Es können natürlich mit dem Verfahren auch andere Gesetze als die genannten berücksichtigt werden; dies käme z. B. in Betracht, wenn das Verfahren in Verbindung mit Meßgeräten Verwendung findet, bei denen durch Veränderung des Drosselungsquerschnittes die Druckdifferenz konstant gehalten wird. An Stelle der Wurzel der Druckdifferenz würde dann in den entwickelten Formeln eine Funktion des veränderlichen Querschnittes treten.

Im folgenden ist eine nach dem Verfahren ausgebildete Vorrichtung beschrieben, die vorzugsweise für die Dampfmessung bestimmt ist. Es wird hierbei das an und für sich bekannte Quecksilber - Differentialmanometer verwendet, wobei die Ausschläge der Quecksilbersäulen in neuartiger Weise auf elektrischem Wege zur Wirkung gebracht werden.

Da die Messung von Dampf im allgemeinen nach Gewicht erfolgt, so muß bei schwankendem Zustände des Dampfes die Berichtigung entsprechend dem spezifischen Gewicht erfolgen. Da nun zwischen Druck und spezifischem Gewicht — abgesehen von Überhitzung -— nahezu Proportionalität besteht, so wird für die Berichtigung nach schwankendem Druck ein Manometer verwendet. Dieses kann beliebiger Art sein; es kann z. B. ein Röhren- oder Kolbenmanometer benutzt werden, das mit geeigneten Vorrichtungen ver- no sehen ist, um die Widerstände ze>₃ und w_i (Fig. 3 bis 5) in der erforderlichen Weise zu verändern.

Bei der nachstehend beschriebenen Vorrichtung ist beispielsweise ein Quecksilber-Gasmanometer gewählt, das für den vorliegenden Zweck neuartig ausgestaltet ist.

Der vollständige Meßapparat ist in Fig. 6 dargestellt, und zwar ist demselben die Schaltung Fig. 4 zugrunde gelegt. Statt dieser könnten in gleicher Weise auch die Schaltungen Fig. i, 3 und 5 Verwendung finden.

Die beiden Schenkel des Quecksilber-Differentialmanometers D stehen unter den Drükken P₁ und p₂ der in dem Dampfstrom durch eine der bekannten Methoden, z. B. durch eine Drosselscheibe, hervorgerufenen Druckdifferenz. Bezeichnen A₁ und A₂ die Ausschläge der Quecksilbersäulen in den beiden Schenkeln von . der Nullage aus, so ist A₁ + A₂ proportional, />₂ — P₁, und die Dampfmenge Q ist ohne ίο Rücksicht auf veränderlichen Druck proportional

1/A₂ + A₁, d. h. Q = a_i ■ J/A₂ + A₁.

Zur Berichtigung der Meßangaben nach schwankendem Drucke dient das Manometer M. Dieses besteht aus zwei kommunizierenden Rohren, einem offenen und einem geschlossenen, die bis zu einer bestimmten Marke mit Quecksilber gefüllt sind. Der geschlossene Schenkel enthält über der Quecksilbersäule ein bestimmtes Luft- oder Gasquantum. Der offene Schenkel steht in Verbindung mit dem Dampfdruck. Je nachdem dieser steigt oder fällt, verschieben sich die beiden Quecksilbersäulen in den Schenkeln, und die eingeschlossene Luftmenge wird mehr oder weniger komprimiert.

In den einen Schenkel des Differentialmanometers D ist der Widerstand W₁ eingebaut; die Widerstände w₃ und w₄ sind in den Schenkeln des Manometers M untergebracht.

Von einer beliebigen Stromquelle E fließt der Hauptstrom / durch den Vorschaltwiderstand W₀ und teilt sich bei A entsprechend den Widerständen W₁ und w₃ in die Zweigströme I₁ und i₃. Der Teilstrom i₃ verzweigt sich bei B nochmals in die den parallelen Widerständen w₄ und w_& entsprechenden Ströme i₄ und i_s. Bei C vereinigen sich die drei Teilströme i_v i_i und i₅ und fließen zur Stromquelle zurück.

Der Widerstand W₁ muß durch die steigende und fallende Quecksilbersäule so verändert werden, daß i_s proportional

Vp-z — Pi bzw. }/It₁ + Ji₂

wird. Zu diesem Zwecke können mit der Höhe die Länge und gleichzeitig der Querschnitt des eingebauten Widerstandes entsprechend veränderlich gemacht werden oder bei konstantem Querschnitt die Länge allein.

Eine Ausführungsform des letzteren Falles ist in der Fig. 6 und im größeren Maßstabe in Fig. 7 dargestellt. Ein drahtförmiger Widerstand von konstantem Querschnitt ist in einer zylindrischen Schraubenlinie mit veränderlicher Steigung gewunden. Die Größe des Widerstandes W₁ ist dann proportional seiner freigegebenen Länge I, d. h. es' ist: W₁ = a₅ · I. Die Änderung des Steigungswinkels muß so gewählt sein, daß die einem beliebigen Ausschlage A₁ des Differentialmanometers entsprechende Länge I des Widerstandes einen solchen Wert hat, daß die Stromstärke i₃ in dem Widerstände w₃ proportional

ist. Das Gesetz, nach welchem sich die Steigung der Schraubenlinie mit ihrer Höhe andern muß, ergibt sich aus der Formel I, indem für p₂ — P₁ und W₁ die entsprechenden Werte A₁ + A₂ und I eingesetzt werden.

Bei einer anderen Ausführungsform (Fig. 8) wird W₁ drahtförmig in einer Schraubenlinie von konstanter Steigung gewunden, indem der Windungsradius entsprechend veränderlich gemacht ist.

Bei einer dritten Ausführungsform (Fig. 9) wird ein gerader Draht verwendet und der Querschnitt eines oder beider Schenkel des Differentialmanometers entsprechend veränderlich ausgeführt.

Schließlich sind noch Kombinationen zwischen diesen Ausführungsformen möglich.

Die in den Schenkeln des Manometers M untergebrachten Widerstände w₃ und W₄ werden durch die steigenden und fallenden Quecksilbersäulen beeinflußt. Solange sich der Dampfdruck nicht ändert, bleibt auch der Stand der Quecksilbersäulen und damit die Größe der Widerstände w₃ und w₄ konstant. Der Strom i₅ ändert sich dann nur proportional dem Gesamtstrom J₃, d. h. proportional

Q C

VPi — Px ^oder V^hi + K

Bei einer Spannungsänderung steigt in dem einen Schenkel die Quecksilbersäule, während sie in dem anderen fällt. Hierdurch wird der eine Widerstand verkleinert, wenn der andere vergrößert wird. Die Form der Widerstände muß so gewählt werden, daß entsprechend der Schaltung Fig. 4 die Summe w₃ + wkonstant bleibt und die Stromstärke i_& proportional

wird. Dies kann in der gleichen Weise wie bei dem in das Differentialmanometer eingebauten Widerstand erreicht werden.

Die Gesetze, nach denen die Widerstände bzw. die Schenkel des Manometers geformt werden müssen, lassen sich aus den Formeln II und III entwickeln, indem für das spezifische Volumen υ der Druck p gesetzt wird.

Der Apparat ist in erster Linie für die

Dampfmessung gedacht, doch kann er auch ohne weiteres für die Messung von Gas- oder Luftmengen höherer Spannung dienen. Bei

j der Messung von Durchflußmengen, die unter

j geringem Über- oder Unterdruck stehen,

könnte er unter entsprechender Umgestaltung

gleichfalls Verwendung finden. Es würde z, B. zur Berücksichtigung des spezifischen Volumens an Stelle des beschriebenen Manometers eine Gaswage in geeigneter Konstruktion benutzt werden.

Claims (6)

Patent-Ansprüche:

1. Verfahren zur Messung durch Rohre ίο strömender Gas-, Dampf- oder Flüssigkeitsmengen auf elektrischem Wege, bei dem in einem elektrischen Stromkreis ein Widerstand durch eine der Strömungsgeschwindigkeit entsprechende Druckdifferenz selbsttätig geändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtstrom (i₃ oder. i₃ und i₄) in einer zu demselben Stromkreis gehörigen Kombination von Widerständen (w₃, W₄ oder W₃, W₄, w₆) proportional der Wurzel aus der Druckdifferenz verändert wird und zwei Teilwiderstände der Kombination (w_B, w₄) durch das spezifische Volumen so beeinflußt werden, daß der Gesamtwiderstand der Kombination unverändert bleibt und gleichzeitig der in einem der Teilwiderstände (w_s) fließende Strom bzw. die an seinen Enden vorhandene Potentialdifferenz (bei W₃, Fig. 3) proportional sowohl der Wurzel aus der Druckdifferenz als auch der Wurzel aus dem spezifischen Volumen ist, zu dem Zweck, in dieser Stromstärke bzw.. der Potentialdifferenz ein Maß der Durchflußmenge bei konstantem und veränderlichem spezifischen Volumen zu erhalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der unter dem Einflüsse der Druckdifferenz stehende Wider-

4o_a stand (^₁) mit der Kombination der Widerstände (w₃₎ w₄ bzw. w₃, W₄, W₅) parallel und gemeinsam mit dieser mit einem Regulierwiderstand (w₀) hintereinander geschaltet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombination aus zwei hintereinander geschalteten Widerständen (w₃, w_it Fig. 3) besteht, die durch die Dichte der Durchflußmenge selbsttätig so verändert werden, daß ihre Summe konstant bleibt und gleichzeitig der eine der Widerstände sich proportional der Wurzel aus dem spezifischen Volumen ändert.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombination der Widerstände aus einem konstanten (w_s, Fig. 4) und zwei veränderlichen Widerständen (w₃, w₄, Fig. 4) besteht und der konstante Widerstand (ze>₅) mit dem einen (w_t) der veränderlichen Widerstände parallel und beide mit dem dritten (^₃) hintereinander geschaltet und die veränderlichen Widerstände selbsttätig durch das spezifische Volumen so beeinflußt werden, daß der Strom in dem konstanten Widerstand, der bereits der Druckdifferenz entspricht, auch noch proportional der Wurzel aus dem spezifischen Volumen verändert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombination aus einem konstanten und zwei veränderlichen Widerständen besteht und der konstante Widerstand (w₅, Fig. 5) mit einem der veränderlichen (w₃) hintereinander und beide mit dem dritten (w₄) parallel geschaltet und die beiden veränderlichen Widerstände durch das spezifische Volumen so beeinflußt werden, daß der Strom in dem konstanten Widerstände, der bereits der Druckdifferenz entspricht, auch noch proportional der Wurzel aus dem spezifischen Volumen, verändert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Messen der Druckdifferenz allein nur zwei Widerstände (W₁ und W₂) hinter den Widerstand (w₀) gelegt werden, von denen der Widerstand (W₁) so verändert wird, daß der den Widerstand (w₂) durchfließende Strom proportional der Wurzel aus der Druckdifferenz wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.