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Vorrichtung zur fortlaufenden Ablesung und Registrierung der Taupunktstemperatur
von Gasen unter Verwendung zweier elektrischer, nach dem Psychrometerprinzip arbeitender
thermometrischer Elemente. Für die Anzeige des Gehaltes einer Gasmischung an kondensierbaren
Gasen, beispielsweise des Feuchtigkeitsgehaltes der Luft, werden bisher im allgemeinen
Psycbrometer oder Haarhygrometer benutzt. Es sind auch bereits Vorrichtungen bekannt
geworden, die eine elektrische Registrierung der Feuchtigkeit gestatten, z. B. solche,
die nach dem Psychrometerprinzip arbeiten und das Verhältnis der Temperaturen in
dem Galvanometer einer
Wheatstoneschen Brücke anzeigen. Jedoch besitzen
diese Vorrichtungen sämtlich mehr oder weniger große Mängel. Beispielsweise wird
die gesuchte Taupunktstemperatur nicht unmittelbar angezeigt, cder es ist teilweise
eine Handregelung dabei erforderlich u. dgl. m.
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Erfindungsgemäß werden alle diese Nachteile dadurch vermieden, daß
ein elektrisches Psychrometer an sich bekannter Schaltung mit einer Vorrichtung
versehen wird, die die Temperaturen der beiden thermometrischen Elemente des Psychrometers
derart regelt, daß sich selbsttätig die Taupunktstemperatur einstellt, worauf diese
Temperatur an einem Anzeigegerät in geeigneter Schaltung abgelesen werden kann.
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Die Einzelheiten der Erfindung sollen an Hand des Schaltschemas (Abb.
i) und der in Abb. 2 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispiele der Vorrichtung zur
Temperaturregelung erklärt werden.
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Abb. i zeigt zwei gleiche Meßwiderstände, den trockenen Widerstand
q. und den Widerstand 5, der vermöge des Dochtes 7 mit der Flüssigkeit benetzt wird,
deren Taupunkt bestimmt werden soll. Die Meßwiderstände sind mit den gleich großen,
konstanten Vergleichswiderständen 2 und 3 der konstant gehaltenen Spannungsquelle
i und dem Brückeninstrument 9 als Wheatstonesche Brücke geschaltet. Die beiden Meßwiderstände
sind in ein von dem zu prüfenden Gase durchströmtes gut wärmeisoliertes Gefäß, z.
B. einem Weinhold-Dewar-Gefäß 6, eingebaut.
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Erfindungsgemäß steuert das Instrument 9 im Galvanometerzweig, welches
als Relais ausgebildet ist, die später zu beschreibende Regelvorrichtung derart,
daß das zu prüfende Gas die Taupunktstemperatur annimmt, während das in dem Zweig
eines der Meßwiderstände liegende Instrument io den Strom in einem Zweige abzulesen
gestattet.
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Sobald die Regelung auf die Taupunktstemperatur erfolgt ist, haben
die beiden Meßwiderstände gleiche Temperatur, da keine Verdunstung der bestehenden
Flüssigkeit, auf deren Gehalt das Gas zu prüfen ist, mehr erfolgen kann, und daher
der Meßwiderstand 5 nicht unter die Temperatur des durchströmenden Gases gekühlt
wird. Die in den Meßwiderständen vorhandene Temperatur läßt sich an der Größe ihres
Widerstandes und diese wiederum an der Stärke des Stromes in .4 und 5 erkennen,
wenn die Spannung der Batterie i konstant gehalten wird, was mit den für ähnliche
An- j wendungen der Brücke bei Temperaturmessungen bekannten Mitteln geschehen kann.
Diese Mittel sind in der Abbildung nicht angedeutet. k Der Strom in den Widerständen
q. und 5, der als Maß für die gesuchte Temperatur bei Nullstellung des Galvanometers
dient, kann an einem Stromzeiger io, der in einem der beiden Brückenzweige von q.
oder 5 eingebaut ist, abgelesen werden. Zur KomFensation des Widerstandes des Stromzeigers
io ist bei genauen Messungen in dem Brückenzweige des Widerstandes 5 ein dem Widerstand
des Stromzeigers io gleicher Korrektionswiderstand, der in der Abbildung nicht dargestellt
ist, anzuordnen. Die Skala des Stromzeigers io ist zweckmäßig geeicht in Taupunktstemperatur.
Zur fortlaufenden Registrierung dieser Temperatur kann beispielsweise der Zeiger
als Schreibstift ausgebildet und an Stelle der Skala gleichförmig bewegtes Koordinatenpapier
vorgesehen sein. Nach Bedarf kann auch eine Eichung des Stromzeigers nach Menge
oder Druck des zu prüfenden Gases benutzt werden. Gegebenenfalls läßt sich in den
Brückenzweig des einen Widerstandes q. ein Gerät für unmittelbare Ablesung, in den
des anderen Widerstandes 5 ein solches für fortlaufende Registrierung einschalten.
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Liegt, wie es im allgemeinen der Fall sein wird, die Temperatur des.
Gases über dem Taupunkt, so ist die Temperatur der trockenen Spule q. höher als
die der feuchten Spule 5. Demnach sind auch die Widerstände q und 5 verschieden,
so daß das Instrument 9 einen Ausschlag zeigt. Erfindungsgemäß schließt in einem
solchen Falle das Instrument 9 einen Strom, welcher mit Hilfe geeigneter Vorrichtungen
bewirkt, daß die Abkühlung des Gases durch eine Kühlvorrichtung stärker wird. Andererseits
muß dafür gesorgt werden, daß bei Erreichung des Taupunktes die Temperatur nicht
weiter sinkt. Man kann z. B. dafür sorgen, däß bei Nullstellung des Brückeninstrumentes
eine Erwärmung des Gases eintritt. Es wird dann der Ausschlag 6 zu wachsen beginnen,
bis der Zeiger an die Relaiskontakte anschlägt und die Abkühlung von neuem beginnt.
Bei genügender Empfindlichkeit des Brückenrelais und geringem Abstand der Kontakte
hält sich die Temperaturschwankung des i Gases dann in so engen Grenzen, daß die
Abweichung der Temperatur vom Taupunkt praktisch zu vernachlässigen ist.
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Die Regelung der Temperatur des Prüfgases kann in verschiedener Weise
geschehen i. durch Regelung der Geschwindigkeit, mit der das Gas die Kühlvorrichtung
durchstreicht, also der Zeit, während deren es mit der Kühlvorrichtung in Wärmeaustausch
steht; z. bei konstanter Geschwindigkeit des Gases durch Regelung des Wärmeaustausches
zwischen Gas und Kühlvorrichtung. Diese kann wiederum auf zweierlei' Weise erfolgen
a) einmal kann die Temperatur der Kühlvorrichtung selber verändert werden und b)
kann bei konstanter Temperatur der Kühlvorrichtung der Wärmeaustausch zwischen
Gas
und Kühlvorrichtung geregelt werden durch Änderung der thermischen Leitfähigkeit
des Wärmeüberganges zwischen Kühlvorrichtung und Gas. Dies kann in zweierlei Weise
geschehen, indem entweder zwischen Kühlvorrichtung und Gas ein wärmeisolierender
Stoff derartig beweglich angeordnet wird, daß der Wärmeaustausch in größerem oder
geringerem Umfange beschränkt wird, oder daß zwischen Kühlvorrichtung und Gas ein
guter Wärmeleiter derartig beweglich angeordnet wird, daß je nach der Stellung desselben
der Wärmeaustausch schneller oder langsamer vor sich geht. In allen Fällen wird
die Kühlvorrichtung zweckmäßig derart angeordnet, daß das Prüfgas sie unmittelbar
vor dem Eintritt in das Gefäß 6 durchstreicht.
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Für die Auslösung der Bewegung des regelnden Organs an der Kühlvorrichtung
kann die motorische Kraft sowie die Wärmeentwicklung des elektrischen Stromes benutzt
werden. Ein allgemein anwendbares Verfahren, um durch den Ausschlag des Brückengalvanometers
Bewegungen in verschiedenem Sinn hervorzurufen, besteht beispielsweise darin, daß
man das Galvanometer ,g mit einer Kontaktzunge versieht und dieser an beiden Seiten
je ein Kontaktpaar zuordnet, so daß beim Ausschlagen der Kontaktzunge das eine oder
andere Kontaktpaar und damit einer von zwei Stromkreisen geschlossen wird, die entgegengesetzt
gerichtete Bewegung erzeugen. Abb. 2 zeigt eine derartige Vorrichtung schematisch.
Das Gerät im Brükkenzweige 9 ist als Relais mit der Kontaktzunge ii ausgebildet.
Zu beiden Seiten der Zunge befinden sich die Kontaktpaare 12 und 13. Beim Ausschlag
der Zunge wird entweder der Stromkreis einer Spule 14 oder einer anderen Spule 15
geschlossen, die beide von derselben Batterie i6 gespeist werden. Die beiden Spulen
1q. und 15 können einen gemeinsamen Anker besitzen, der je nachdem, welche Spule
erregt wird, nach der einen oder anderen Seite gezogen wird. Die hierdurch erzeugte
Bewegung kann aber nur von geringer Kraft sein mit Rücksicht auf die Leistung, die
den Kontakten 12 und 13 zugemutet werden kann. Man wird also erforderlichenfalls
durch die Spulen 14 und 15 erst weitere Relaisstromkreise mit Spulen 1q.', 15' schließen,
die nun auf einen gemeinsamen Anker 17 wirken können. Von diesem aus kann durch
mechanische Übertragung zur Ausübung der unter i. angeg,.benen Methode ein Hahn,
der den Durchfluß des Gases durch die Kühlvorrichtung regelt, derartig abwechselnd
mehr oder weniger weit geöffnet werden, bis das Gas auf Taupunktstemperatur abgekühlt
ist. In Wirklichkeit wird bei einer solchen ruckweisen Regelung die Gastemperatur
allerdings um den Taupunkt pendeln. Das Anzeigegerät io (Abb. i) gibt dann aber
trotzdem den Taupunkt genügend genau an, wenn seine Trägheit groß genug gewählt
ist. In gleicher Weise könnte nach der Methode 2 a bei der Bewegung des Ankers 17
in der einen Richtung ein Strom geschlossen werden, der eine innerhalb des Kühlwassers
liegende Heizspirale durchfließt, durch den also die Kühlung vermindert wird. Dieser
Strom würde durch Bewegung des Ankers 17 in entgegegesetzter Richtung wieder abgeschaltet
werden.
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Die Abb. 3, .4 und 5 geben Ausführungsbeispiele für die Übertragung
der Ankerbewegung auf die Kühlung. In Abb. 3 ist 18 ein Rohr, durch welches das
Gas in den Kühler ig eintritt, 2o ein Hahn, durch dessen Stellung die Geschwindigkeit
des Gases und damit die Stärke seiner Abkühlung geregelt wird. Die Spule 15' der
Abb. 2 ist durch eine Feder 15" ersetzt. Steigt die Temperatur des Prüfgases über
den Taupunkt, so schließt sich der Kontakt ii, das Relais 1q.' zieht seinen Anker
17 nach links an, und der Hahn 2o wird durch eine an einer Kurbel 21 angreifende
Schubstange 22 so gedreht, daß die Durchflußöffnung verkleinert wird. Dadurch wird
die Gasgeschwindigkeit vermindert, die Abkühlung also erhöht.
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In Abb. q. bewegt der Anker 17 einen Schalthebel 23. Dieser schließt
bei abnehmender Temperatur in Rechtsstellung einen Heizstrom für die Kühleinrichtung,
dessen Stromkreis aus einer Batterie 2q., einem Regelwiderstand 25 und einer Heizspule
26 in der Kühlflüssigkeit gebildet wird. Infolge der eintretenden Temperatursteigerung,
wird der Schalter 23 nach links bewegt, der Heizstrom wird unterbrochen, und das
Spiel beginnt von neuem.
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Abb.5 zeigt die Anwendung der mechanischen Kraft des Stromes zur Regelung
der Kühlvorrichtung nach Methode 2b. Zur Regelung wird die Verschiebung eines guten
Wärmeleiters benutzt. Als besonders geeigneter Stoff für den verschiebbaren Wärmeleiter
empfiehlt sich z. B. Quecksilber. Dies ist einerseits als Flüssigkeit leicht beweglich,
anderseits hat es vor anderen festen Stoffen den Vorzug, daß es stets innige Berührung
mit den Wandungen von Kühler und Gasleitung hält, so daß keine wärmeisolierenden
Luftschichten dazwischen auftreten können. In der Abb. 5 ist das Kühlgefäß i9 derart
erweitert, daß es die Gasleitung 18 mit einem Zwischenraum 27 umschließt, der teilweise
von Quecksilber 28 gefüllt ist. Die Gasleitung und der Kühler bestehen zweckmäßig
aus gut wärmeleitendem Stoff, der aber von Quecksilber nicht angegriffen wird, also
beispielsweise Eisen. Das Heben und Senken des Quecksilberspiegels im Kühler geschieht
mittels eines kommunizierenden Gefäßes 29, das durch den biegsamen Schlauch
30 mit dem Zwischenraum in Verbindung steht. Das Gefäß 29 hängt mit einem
Gegengewicht 31 an.
einer Rolle 32, deren Achse von einem Motor
33 mittels Schneckentriebes 33' angetrieben wird. Der Motor wird vom Brückenrelais
aus gesteuert. 1:l.' und 15' sind die Relais mit dem gemeinsamen Anker 17, deren
Schaltung in Abb. 2 dargestellt ist. Je nachdem, ob die Temperatur des Gases den
Taupunkt nach unten oder oben überschreitet, wird der Anker 17 in die Spule
Z f.' oder 15' geschoben. Dadurch wird ein doppelpoliger Umschalter 3.1 in
die eine oder andere Arbeitsstellung gebracht und schaltet den Anker des :Motors
mit einem Vorschaltwiderstand 35 je nach Stellung in verschiedenem Sinne an die
Pole der Batterie 36, an denen auch die Feldspule 37 des Motors liegt. Die Schaltung
wird so eingestellt, daß entweder der Anker des Motors durch Vermittlung des Relais
so angeschaltet wird, daß er das Quecksilber hebt und die Abkühlung verstärkt, oder,
das Quecksilber senkt und damit die Abkühlung schwächt.
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Abb.6 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel dar, bei dem die mechanische
Kraft des Stromes zur Regelung des Wärmeaustausches im Kühler benutzt wird. Zur
Hebung und Senkung des Quecksilberstandes im Zwischenraum 27 dient hier die Regelung
des Luftdruckes auf eine Quecksilbermasse 38, in die eine Zuleitung 39 des
Quecksilbers zum Zwischenraum 27 eintaucht: Mit dem Behälter 4.o der Quecksilbermasse
38 ist ein großer Lufttopf 41 verbunden, an den bei 4.2 die Leftung zu einer nicht
mitgezeichneten Wasserstrahlluftpumpe angesetzt wird. Es wird nun vor Beginn 'des
Betriebes der Rauire 27 über dem -Quecksilber 28 dadurch luftleer gemacht, daß das
Quecksilber bis an einen Hahn ¢3 am oberen Ende des Raumes 27 hochgesaugt und dieser
dann geschlossen wird. Dann entspricht weiter die Höhe des Quecksilberstandes im
Kühler dem Luftdruck im Gefäß 41. Zur Regelung dieses Luftdruckes ist ein Ventil
44 an dem Gefäß 41 angebracht, bei dessen Öffnung durch ein Rohr 45 Luft in das
Gefäß eintritt, wodurch das -Quecksilber in 27 steigt. Die Öffnung und Schließung
des Hahnes 21 wird geregelt von den Relais z4.' und x5', deren Anker 17 auf den
Hahn in der entsprechenden Weise arbeitet wie in Abb. 3. Das Luftzutrittsrohr .45
sowie das 0u6cksilberverbindungsrohr 39 werden zur Vermeidung stoßweiser
Änderungen zweckmäßig als Kapillaren ausgebildet.
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Ein Beispiel für eine Betätigung des Regelungsorgans an der Kühlvorrichtung,
die nicht durch den Strom mittels seiner magnetischen Kräfte unmittelbar hervorgerufen
wird, sondern erst als weitere Folge der Wärmewirkung des Stromes, stellt die Abb.
7 dar. In dieser ist 61 eine Heizspirale, die vom Strom durchflossen wird, sobald
das Relais im Brückenzweig Kontakt gibt. Die Spirale befindet sich in einem Gefäß
62, das durch einen mit dem Quecksilber gefüllten Schlauch 63 mit_ einem
weiteren Cefäß 54 verbunden ist. Das Gefäß 64 ist allseitig geschlossen bis auf
die Öffnungen für ein Gaszuleitungsrohr 65 und ein Gasableitungsrohr 66. Das Gaszuleitungsrohr
65 ragt durch die obere Wand in das Innere hinein bis auf eine angemessene Entfernung
von der Oberfläche des den Schlauch 63 und einen Teil der Gefäße 62 und 64 erfüllenden
Quecksilbers. Die Entfernung des Rohres 65@ vom Quecksilber ist maßgebend für die
durch das Gefäß 6,4 hindurchtretende Gasmenge. Ist die Geschwindigkeit des Gases
zu groß, so ist die Abkühlung zu gering, und die Temperatur des Gases bleibt über
Taupunkt. Das Brückenrelais muß so angeschlossen sein, daß es für diesen Fall Kontakt
gibt. Durch den Kontakt wird der Stromkreis der Heizspirale 6z geschlossen, das
im Gefäß 62 befindliche Gas dehnt sich -durch die Erwärmung aus und treibt Ouecksilber
in das Gefäß 6q., so daß der Abstand des Rohres 65 vom Quecksilber verkleinert wird.
Hierdurch wird der Gasstrom vermindert, die Geschwindigkeit des Gases verlangsamt
und seine Abkühlung erhöht, bis beim Überschreiten des Taupunktes der Heizstrom
wieder unterbrochen wird, worauf sich infolge Abkühlung des Gases im Gefäß 62 das
Quecksilber zurückzieht und die Gasgeschwindigkeit in 64 wieder wächst, so däß das
Spiel von neuem beginnt. Bei genügender Empfindlichkeit des Brückenrelais und geringem
Abstand seiner Kontakte hält sich die Temperaturschwankung des Gases dann in so
engen Grenzen, daß die Abweichung der Temperatur vom Taupunkt praktisch zu vernachlässigen
ist.
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Sämtliche beschriebenen Anordnungen beruhen auf einfacher Kontaktgebung
für Überschreiten einer Temperaturgrenze in bestimmtem Sinne oder auf zweifacher
Kontaktgebung bei zwei Temperaturgrenzen, zwischen denen der Taupunkt eingeschlossen
ist. Es ist jedoch eine Verfeinerung des Verfahrens noch in der Richtung möglich,
daß das Brückenrelais mit mehreren Kontakten versehen wird, deren Schließung die
Regelungsvorrichtung verschieden stark beeinflußt, derart, daß bei starker Abweichung
vom Taupunkt die Regelung kräftiger wirkt als- bei schwächer. Abb. 8 zeigt schematisch
eine derartige Anordnung. Es sei 46 der Zeiger des Brückengalvanometers g. Unter
der Bahn des Zeigerendes, das mit einem Kontakt 46' versehen ist, ist eine Reihe
von Gegenkontakten 47 bis 5a angeordnet, von solchen Abmessungen, daß bei Niederdrücken
des Zeigers dessen Kontakt stets einen der Gegenkontakte 4.7 bis 52 trifft. Das
Niederdrücken des Zeigers geschieht durch einen Fallbügel 53, dessen Achse
bei 54 angedeutet ist, dieser wird, um Einstellung des Zeigers zu ermöglichen, durch
ein nicht mitgezeichnetes Uhrwerk in regelmäßigen Zeitabschnitten bewegt.
Dadurch
kann der Stromkreis der Batterie 2.1. für den Heizwiderstand 26 der Kühlvorrichtung
(vgl. Abb.4) je nach dem vom Zeiger getroffenen Kontakt mit einem mehr oder weniger
großen Teil des Regelwiderstandes 25 geschlossen werden, wobei der Gesamtwiderstand
um so kleiner wird, je größer der Ausschlag des Galvanometers ist. Auf diese Weise
wird die Regelung um so kräftiger und schneller, je größer die Abweichung der Temperatur
vom Taupunkt ist. Der gesamte Ausschlag des Zeigers von der Nullstellung, d. h.
der Skalenmitte, aus darf aber dabei keinem größeren Temperaturbereich entsprechen
als dem zulässigen Fehler des zu bestimmenden Taupunkts, denn die Vorrichtung stellt
sich auf einen bestimmten Ausschlag ein, d. h. auf eine Abweichung der Temperatur
vom Taupunkt voraus, während bei der Ablesung angenommen wird, daß der Zeiger auf
Null steht, also die Gastemperatur auf dem Taupunkt. Eine Handregelung des Widerstandes
im Kreis der Spule 26 zur Grobeinstellung ist daher zweckmäßig.
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Die Kontaktvorrichtung kann allgemein dem jeweiligen Bedürfnis in
bekannter Weise noch besser angepaßt werden durch Anordnung verstellbarer Kontakte.