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Gas- oder Dampfmengen Die Messung von strömenden Flüssigkeits-, Gas-
oder Dampfmengen wurde bei den bisher bekannt gewordenen Meßverfahren in der Weise
vorgenommen, daß der zu messende Stoff in irgendeiner Form eine Meßvorrichtung gesteuert
hat. Wenn auch bei gleichförmigen Strömungsverhältnissen durch Eichung im Betrieb
brauchbare Meßwerte erzielt wurden, so hat sich doch herausgestellt, daß die Ergebnisse
sich immer mehr verschlechterten, je mehr sich die Strömung in eine ungleichförmige
oder gar stoßweise verwandelte.
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Diese unbrauchbaren Meßergebnisse waren in der Hauptsache darauf zurückzuführen,
daß die Beschleunigung und Verzögerung der Masse der zu bewegenden Teile der Meßvorrichtung
in beliebig kurzen Zeiträumen unmöglich war.
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Vorliegende Erfindung geht nun von dem Grundsatz aus, den zu messenden
Stoff in keiner Weise zur Betätigung von Meßvorrichtungen heranzuziehen.
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Die Grundgleichung für strömende Flüssigkeits-, Gas- oder Dampfmengen
ist die Stetigkeitsgleichung G-F-w# y.
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Hierin bedeutet G das Gewicht des Stoffes in kg/sec, F den Querschnitt
der Rohrleitung in qm, w die Geschwindigkeit des Stoffes in m/sec und y das spezifische
Gewicht in kg/m8. Um das Gewicht des strömenden Stoffes, z. B. Wasser, Luft, Dampf
usw., ermitteln zu können, ist bei bekanntem, gleichbleibendem Querschnitt F (Rohrleitung,
Bewetterungsschacht von Bergwerken u. a.) die Feststellung der veränderlichen Größe
w # y durch eine Meßvorrichtung erforderlich. Wenn der Wert von
w # y sich durch Veränderung einer der beiden Größen im Betrieb schnell
ändert, muß die Meßvorrichtung imstande sein, den neuen Wert in jedem Augenblick
zu ermitteln. Bei der in der Praxis üblichen schnellen Veränderlichkeit der Geschwindigkeit
w muß das Meßverfahren nahezu masselos sein.
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Dies wird erreicht durch das im folgenden beschriebene Meßverfahren,
bei dem die veränderlichen Werte von w und -, mittels Schallwellen festgestellt
werden.
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Es ist bekannt, daß mit Hilfe des überaus empfindlichen menschlichen
Gehörsinnes die Richtung, aus der eine Schallwelle kommt, festgestellt werden kann.
Bei Vernachlässigung von Druck und Temperatur eines Stoffes kann mit Hilfe dieses
feinen Gehörsinnes die Geschwindigkeit eines strömenden Stoffes oder eines bewegten
Körpers annähernd ermittelt werden. Dies wird dadurch erreicht, daß in einem strömenden
Stoff (Luft) oder auf einem bewegten Körper (Schiff) eine Vorrichtung zur Aufstellung
gelangt, die aus einem Schallgeber und zwei Schallempfängern besteht. Die Ankunft
der vom Schallgeber
ausgehenden Schallwellen wird in den beiden
vom Schallgeber gleich weit entfernten Empfängern abgehört. Ist der die Meßvorrichtung
umgebende Stoff in Ruhe oder bewegt sich der Körper, auf dem die Meßvorrichtung
aufgestellt -ist, nicht, so werden die vom Schallgeber ausgehenden Schallwellen
die Empfänger zur gleichen Zeit erreichen. Befindet sich aber der die Meßvorrichtung
umgebende Stoff öder der Körper, auf dem die Meßvorrichtung aufgestellt ist, in
Bewegung, so wird die Geschwindigkeit der vom Schallgeber kommenden Schallwelle
auf dem Streckenteil, der mit der Bewegung des Stoffes öder des Körpers gleichläuft,
um einen Betrag vergrößert, der der jeweils herrschenden Geschwindigkeit des Stoffes
oder des Körpers entspricht. Auf dem Streckenteil, auf dem die Schallwelle der Bewegung
des Stoffes oder des Körpers entgegenläuft, wird eine Verminderung der Schallgeschwindigkeit
um denselben Betrag eintreten. Dies hat zur Folge, daß die Ankunft der Schallwellen
bei den Empfängern zu verschiedenen Zeiten erfolgt. Diese zeitlich verschiedene
Ankunft der Schallwelle bei den Empfängern ruft bei dem Abhörenden den Eindruck
einer seitlichen Verschiebung der Schallquelle hervor. Durch Veränderung der Stellung
des Schallgebers zu den beiden Empfängern kann der Eindruck der seitlichen Verschiebung
der Schallquelle aufgehoben werden. Durch Eichung ergibt diese Vorrichtung ein annäherndes
Maß für die herrschende Geschwindigkeit des Stoffes oder des Körpers.
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Die vorliegende Erfindung benutzt zwar auch die durch die Strömung
eines Stoffes erfolgende Vergrößerung und Verminderung der Schallgeschwindigkeit
zur Ermittlung der Geschwindigkeit des strömenden Stoffes, geht aber wesentlich
weiter.
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Während mit- der beschriebenen Vorrichtung nur - die annähernde Geschwindigkeit
eines Stoffes oder bewegten Körpers festgestellt werden kann, soll durch die vorliegende
Erfindung die Menge des strömenden Stoffes gemessen werden.
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Um die für die .beabsichtigte Mengenmessung notwendige Genauigkeit
der Feststellung der Geschwindigkeit zu eines strömenden Stoffes zu erreichen, muß
berücksichtigt werden, daß die Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Schallwellen in
einem Stoff (Wasser, Luft, Dampf usw.) von Druck und Temperatur; d. h. dein spezifischen
Gewicht y, abhängig ist. Die Feststellung des spezifischen Gewichtes y und der Geschwindigkeit
w einer zu messenden strömenden Flüssigkeits-, Gas-oder Dampfmenge kann mit der
im folgenden beschriebenen Vorrichtung gleichzeitig vorgenommen werden. Wie in der
Zeichnung dargestellt, wird in einem Teil der Rohrleitung, der sogenannten Meßstrecke,
ein Schallgeber A angebracht, der in kurzen Zeiträumen Schallwellen aussendet. In
der Meßstrecke sind ferner zwei Empfänger B und C, die vom Geber gleich weit entfernt
sind, zur Feststellung der Zeitpunkte der Ankunft der Schallwellen angebracht. Bei
einer in der Meßstrecke ruhenden Flüssigkeits-, Gas- oder Dampfmenge würde die vom
spezifischen Gewicht des Stoffes abhängige Schallgeschwindigkeit den Weg zu den
beiden vom Schallgeber gleich weit entfernt sitzenden Empfängern B und C in gleichen
Zeiten zurücklegen. Did" gemessene Zeit, die die Schallwelle vom Geber zu den Empfängern
gebraucht, ist ein Maß für das spezifische Gewicht des Stoffes, weil die Schallgeschwindigkeit
mit dein spezifischen Gewicht eines Stoffes veränderlich ist.
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Beginnt nun der Stoff, in der Meßstrecke von bekanntem Querschnitt
zu strömen, dann wird die Schallgeschwindigkeit eine Änderung dahin erfahren, daß
die Ankunftzeiten der Schallwellen bei den beiden Empfängern B und C verschieden
sind. Auf dem Teil der Meßstrecke entgegen der Strömungsrichtung des Stoffes wird
die Schallwellengeschwindigkeit scheinbar verkleinert werden und dadurch für die
Zurücklegung der Meßstrecke eine längere Zeit benötigen, während auf dem Streckenteil,
in dem die Schallwelle mit der Strömungsrichtung des Stoffes gleichläuft, eine scheinbare
Vergrößerung der Schallwellengeschwindigkeit auftritt, die den Weg vom Geber zum
Empfänger in einer kürzeren Zeit durchläuft.
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Die Feststellung der Differenz der Zeitpunkte der Ankunft des Schalles
bei den beiden Empfängern ist dann ein Maß für die Geschwindigkeit des strömenden
Stoffes. Je nach der Größe der Geschwindigkeit des Stoffes wird die Differenz der
Zeitpunkte der Ankunft des Schalles verschieden groß sein. Die Arbeitsweise einer
Meßvorrichtung könnte beispielsweise so gewählt werden, daß bei Ankunft der Schallwelle
finit vergrößerter Geschwindigkeit der Stromkreis eines elektrischen Zählers geschlossen
wird. Bei -Ankunft der Schallwelle mit verminderter Geschwindigkeit würde dann der
Stromkreis des Meßstromes wieder getrennt werden. Durch Eichung wäre die gemessene
Strommenge ein unmittelbares Maß für die herrschende Geschwindigkeit des Stoffes.
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Zusammenfassend kann gesagt werden, daß durch die Feststellung der
Zeitpunkte der Ankunft des Schalles einesteils das spezifische Gewicht eines Stoffes,
andernteils auch gleichzeitig die vom spezifischen Gewicht abhängige Geschwindigkeit
eines strömenden Stoffes
durch Schallwellen richtig gemessen werden
kann. Diese gleichzeitige Kenntnis der (#eschwindigkeit und des spezifischen Gewichtes
eines Stoffes in einer Rohrleitung gestattet den weiteren Schritt, eine Gewichtsbestimtnung
des strömenden Stoffes vorzunehmen.
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Der Vorteil dieses masselosen Meßverfahrens tritt besonders hervor,
wenn es sich um die Feststellung einer ungleichförmig oder stoßweise strömenden
Stoffmenge handelt.