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Vorrichtung zum Messen der Gesamtmenge eines durch eine Leitung fließenden
Gases Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen der Gesamtmenge
eines durch eine Leitung fließenden Gases, bei der in der Leitung eine Drosselstelle
angeordnet ist. Wenn die Menge des durch die Leitung strömenden Gases sehr erheblichen
Schwankungen unterworfen ist, so ändert sich auch das an der Drosselstelle auftretende
Druckgefälle in weiten Grenzen. Um sich dem großen Regelbereich anpassen zu können,
hat man den wirksamen Querschnitt der Drosselstelle veränderlich gemacht, derart,
daß man die wirksame Öffnung groß macht, wenn die durchfließende Menge groß ist,
ihr dagegen einen kleinen Querschnitt gibt, wenn nur wenig Gas durch die Leitung
strömt. Dadurch erhält man stets ein zur Steuerung der Meßvorrichtung ausreichendes
Druckgefälle an der Drosselstelle, ohne daß die durch die Drosselung bedingten Verluste
übermäßig groß werden.
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Die Verwendung einer im wirlesamen Querschnitt veränderlichen Drosselöffnung
führt zu Schwierigkeiten, wenn man durch Integration der Ouadratwurzel aus dem Druckgefälle
die Gesamtmenge des durch-die Leitung fließenden Gases bestimmen will. Denn durch
die Änderung der wirksamen Öffnung ändert sich zugleich die Konstante, mit der die
zu integrierende Funktion zu multiplizieren ist,- um unmittelbar die Menge zu erhalten,
und gleichzeitig ändert.sich auch die Abhängigkeit zwischen Druckgefälle und Menge.
Die diese Abhängigkeit bestimmende Kurve nimmt also, genauer gesagt, eine andere
Form an.
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Gemäß der Erfindung erhält der Integrator, der von dem an die Drosselstelle
angeschlossenen Differentialmanometer gesteuert wird, eine der Anzahl der an der
Drosselstelle einstellbaren Öffnungen entsprechende Zahl von Teilen, die die zu
integrierende Funktion des Druckgefälles darstellen. Jeweils einer dieser Teile
wird - entsprechend der eingestellten Öffnung eingeschaltet, während die übrigen
unwirksam bleiben. Dadurch gewinnt man die Möglichkeit, sich der Veränderlichkeit
der Abhängigkeit der Menge vom Druckgefälle in einfacher Weise anzupassen, und man
känn ferner am Zählwerk des Integrators unmittelbar die Gesamtmenge des Gases ablesen.
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Verwendet man als Integrator eine mit gleichförmiger Geschwindigkeit
umlaufende, mit leitenden Auflagen versehene Trommel, auf der ein nach Maßgabe des
Druckgefälles an der Drosselstelle bewegter Kontakt schleift, der mit den leitenden
Auflagen Stromkreise schließt und öffnet, durch die eine zwischen der Trommel 'und
einem Zählwerk befindliche Kupplung abwechselnd ein- und ausgerückt wird, so kann
man auf der Trommel mehrere leitende Auflagen anordnen, deren Anzahl der Zahl der
einstellbaren
Drosselöffnungen entspricht und von denen jede entsprechend der.zugehörigen Drosselöffnung
bzw. der dieser Offnung entsprechenden Abhängigkeit zwischen Druckgefälle und Menge
geformt ist. je nach der Einstellung der Drosselöffnung wird der zugehörige Teil
in den Stromkreis eingeschaltet.
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Ändert sich in der das Gas führenden Leitung nicht nur der Differentialdruck
an der Drosselstelle, sondern auch der Druck des Gases in der Leitung, so kann man
dies durch Einschaltung einer zweiten Trommel zwischen die erstgenannte Trommel
und das Zählwerk berücksichtigen. Der auf der zweiten Trommel schleifende Kontakt
wird dann mit einem Manometer, also nach Maßgabe des Druckes in der Leitung, gesteuert.
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Die Zeichnungen veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,
und zwar zeigt Fig. i in schematischer Darstellung die Gesamtanordnung, Fig. 2 eine
Stirnansicht der einen Trommel des Integrators, Fig. 3 die Trommel in Seitenansicht,
Fig. 4 die einstellbare Drosselöffnung im Längsschnitt, Fig. 5 einen Schnitt nach
Linie V-V in Fig. 4; Fig. 6 bis 8 zeigen andere Ausführungsformen der Drosselöffnung.
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Die Meßvorrichtung ist im wesentlichen in einem Gehäuse i untergebracht,
in dem ein langer Hebel z gelagert ist, der, wie Fig. _ schematisch andeutet, mit
einem Differentialmanometer zwangsläufig gekuppelt ist. Die vom Differentialmanometer
kommenden Leitungen sind beiderseits einer Drosselstelle 24 an die Gasleitung angeschlossen.
An seinem freien Ende besitzt der Hebel :2 einen Schlitz, in dem ein Gleitstück
3 verschiebbar ist, das sich in einer feststehenden Führung 4 bewegt, die senkrecht
zum Hebel - angeordnet ist. Da der Hebelarm verhältnismäßig lang ist und so gesteuert
wird, daß in den üblichen Grenzen der Drehwinkel verhältnismäßig klein ist, so ist
der Weg, den das Gleitstück 3 in seiner Führung zurücklegt, stets angenähert proportional
der Änderung des Druckgefälles. An sich könnte mithin die Abweichung der geradlinigen
Bewegung des Gleitstückes vom Drehwinkel des Hebels vernachlässigt werden. Die Einrichtung
ist jedoch so getroffen, daß auch dieser unbedeutende Fehler verschwindet.
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Am Gleitstück 3 sitzt ein Schleifkontakt 7, der auf einer Trommel
5 schleift, deren Achse parallel der Führung 4 angeordnet ist und die in geeigneter
Weise, beispielsweise vön einem Motor 6, mit gleichbleibender Drehzahl angetrieben
wird. Die Oberfläche der Trommel besteht aus Isolierstoff, auf dem metallische Streifen
oder Auflagen 8 und 9 befestigt sind. Die Auflage 8 erstreckt sich über die ganze
Länge der Trommel und liegt parallel zu deren Achse, während die Auflage 9 so angeordnet
ist, daß die Abstände zwischen den Auflagen 8 und 9, gemessen am Umfang der Trommel,
proportional der Ouadratwurzel aus dem Druckgefälle an der Drosselstelle ist. Bei
der in der Zeichnung dargestellten Einrichtung würden die Auflagen 8 und 9 verlängert
einander in der Nähe der oberen Trommelkante . treffen. Wenn das Druckgefälle an
der Drosselstelle gleich Null ist, so ist auch der durch die Leitung fließende Gasstrom
Null. In diesem Falle hat sich der Hebel z2 so weit nach links herumgedreht, daß
die Bürste 7 gerade nicht mehr mit den Auflagen 8 und 9 in Berührung steht und sich
gerade an einem Punkt befindet, an dem die beiden Auflagen einander treffen oder
sich am nächsten kommen. Sowie das Druckgefälle von Null auf einen in den üblichen
Grenzen liegenden Wert ansteigt, dreht sich der Hebel 2 rechtsherum und nimmt das
Gleitstück 3 vom Nullpunkt aus nach unten entlang der Führung 4 mit.
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Gleichachsig mit der Trommel 5 ist eine Welle io angeordnet, auf der
fest die Hälfte einer Kupplung sitzt, die als gezahnte Scheibe ii ausgebildet ist.
Die Trommel 5 trägt einen oder mehrere Kupplungsglieder bildende schwenkbare gezahnte
Arme iz, die über die Trommel hinausragen und der Scheibe ii gegenüberstehen. Die
Arme können so gedreht werden, daß sie in die Scheibe eingreifen und den Kupplungsschluß
herbeiführen. Zweckmäßig werden zwei Arme 12 einander gegenüber angeordnet, die
im allgemeinen durch Federn 13 in der in Fig. i gezeichneten Stellung außer Eingriff
mit der Scheibe gehalten werden. Aus dieser Stellung werden sie entgegen der Federkraft
durch Elektromagnete 14 nach innen bewegt, die auf der Trommel 5 angeordnet sind.
Die Arme 12 können entweder aus magnetisch leitendem Stoff hergestellt oder mit
Auflagen aus magnetisch leitendem Stoff versehen sein.
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Wenn sich die Arme 12 nach innen in die Stellung des Kupplungsschlusses
bewegt haben, legen sich von Federn 16 belastete, auf der Trommel 5 angeordnete
Sperrhaken 15 hinter sie, um sie in ihrer Stellung festzuhalten.
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Auf der Trommel befindet sich ein zweites Paar von Elektromagneten,
die bei Stromdurchgang die Rückbewegung der Sperrhaken 15 gegen die Kraft der Federn
16 bewirken, so daß die Arme 12 durch die Federn 13 in die Stellung der Kupplungsöffnung
zurückbewegt werden.
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Die Welle io wird sich demnach gemeinsam mit der durch den Motor angetriebenen
Trommel 5 so lange drehen, wie die Kupplung geschlossen ist. Wenn die Kupplung offen
ist, ist auch die Welle io in Ruhe.
Im Stromkreis ,ist i8 eine Stromquelle,
ig ein Relais; - 2o und 2i Schleifringe, die isoliert auf der Welle der Trommel
5 sitzen. Der Schleifring 2o besteht aus einem Stück, der Schleifring 21 ist aus
zwei halbkreisförmigen voneinander isolierten Teilen zusammengesetzt. Das eine Segment
des Schleifringes 21 ist an die Spulen der Magnete 14, das andere an die Spulen
der Magnete 17 angeschlossen.
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Wenn bei der Drehung der Trommel die an dem Gleitstück 3 sitzende
Bürste 7 mit der Auflage 8 in Berührung kommt, so schaltet sich zunächst das Relais
ig ein, so daß ein starker Strom durch die Magnete 14 fließt und diese erregt. Dadurch
wird die Kupplung hergestellt. Die Sperrhaken 15 schließen sich hierauf hinter den
Armen i2. Sodann werden die Elektromagnete durch das Abgleiten der Bürste 7 von
den Auflagen 8 ausgeschaltet. Die Kupplung bleibt jedoch geschlossen, da sie durch
die Sperrhaken 15 gehalten wird. Die Welle io, die bis zu dem Augenblick, in dem
der Kontakt gegeben wurde, in Ruhe war, dreht sich jetzt gemeinsam mit der Trommel.
Bei der weiteren Drehung kommt die am Gleitstück 3 befestigte Bürste mit der Auflage
g in Berührung, so daß wieder ein Stromkreis geschlossen wird, diesmal jedoch nicht
durch die Elektromagnete 14, sondern, da sich der Ring 21 herumgedreht hat, durch
die Elektromagnete 17. Durch diese werden die Sperrhaken 15 aus der Sperrstellung
zurückbewegt, und die Arme 12 gehen nach außen. Die Kupplung ist geöffnet, und dieWelle
io bleibt stehen.
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Das Relais ig soll Funkenbildung beim Ein-und Ausschalten an der Bürste
7 und den Auflagen 8 und g verhindern.
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Die Welle io dreht sich mithin bei jeder vollen Umdrehung der Trommel
5 um einen Bruchteil einer Umdrehung, der größer oder kleiner ist, je nach dem Abstand
der Auflagen 8 und g, gemessen am Umfang der Trommel, an der Stelle, an der sich
das Gleitstück 3 gerade befindet. Dieser Abstand ist, wie erläutert, proportional
der Quadratwurzel aus dem Druckgefälle an der Drosselstelle. Der Drehwinkel, den
die Welle io während einer vollen Umdrehung der Trommel 5 zurücklegt, ist mithin
ein Maß für die Gasmenge, die während dieser Zeit durch die Drosselstelle hindurch-.gegangen
ist. Verbindet man mit der Welle io ein Zählwerk, so könnte bei geeigneter Wahl
der Übersetzungen unmittelbar die Gasmenge abgelesen werden.
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Um Änderungen der anderen Zustandsgrößen zu berücksichtigen, kann
man von der durch die Trommel gesteuerten Welle eine zweite Trommel antreiben lassen.
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Dem gegenüber ist in Fig. i mit dem beschriebenen Gerät ein zweites
verbunden, welches dem ersten im wesentlichen gleicht. Die Trommel 55 des zweiten
Gerätes sitzt fest auf der von der ersten Trommel angetriebenen Welle io. Der Hebel
22 bewegt sich entsprechend der Änderung des absoluten Druckes in der Gasleitung.
Die Anordnung der Auflagen 88 und 89 auf der zweiten Trommel ist so gewählt,
daß bei jedem Umlauf der Trommel 55 die Welle ioo sich um einen Winkel dreht, der
der Quadratwurzel aus dem absoluten Druck proportional ist. Werden die beiden Geräte
in dieser Weise miteinander verbunden, so wird die Welle aoo sich insgesamt um einen
Winkel drehen, welcher der Gasmenge proportional ist. Dabei ist sowohl die Änderung
des Druckgefälles wie die des absoluten Druckes berücksichtigt. Verbindet man die
Welle ioo mit einem Zählwerk 23, so kann der so berichtigte Wert unmittelbar abgelesen
werden.
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In Fig. 4 und 5 ist die Drosselvorrichtung 24 für sich dargestellt.
Sie besteht aus einer Scheibe 25 mit einem kreisrunden Loch und einer halbkreisförmig
ausgeschnittenen Scheibe 26, die in der Senkrechten verstellbar ist, so daß die
wirksame Drosselöffnung in Umfang und Querschnitt von einem vollen Kreis bis zu
einem kleinen Doppelsegment verändert werden kann.
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Die Scheibe 26 ist in einer durch Flansche gebildeten Führung gelagert.
Sie wird durch eine Spindel bewegt, welche durch eine Stopfbüchse nach außen hindurchgeführt
ist (Fig. 4).
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Fig. 6, 7 und 8 zeigen eine andere Ausführung der Drosselvorrichtung,
bei der beide Platten beweglich und mit kreisrunden Öffnungen versehen sind. Dabei
ist die Spindel so ausgeführt, daß die Platten sich gleichzeitig nach entgegengesetzten
Richtungen verschieben. Dadurch wird unabhängig vom Querschnitt die Drosselöffnung
sich stets in der Mitte der Leitung befinden.
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Wenn die durchtretende Gasmenge kleiner wird, so wird der wirksame
Querschnitt verkleinert. Für jeden Querschnitt wird dann die Auflage g auf der Trommel
5 gegenüber der . Auflage 8 verschieden angeordnet, damit ein genaues Meßergebnis
erzielt wird. Für die meisten praktischen Bedürfnisse reichen vier einzelne Stellungen
der Platte 26 aus. Die eine dieser Stellungen ist in der Zeichnung durch volle Linien,
die anderen drei Stellungen sind durch gestrichelte Linien dargestellt. Die Auflage
g auf der Trommel 5 möge so angeordnet sein, daß ein richtiges Ergebnis erzielt
wird, wenn die Platte 26 sich in der mit vollen Linien gezeichneten Stellung der
Fig.5 befindet. Hierbei ist der volle Kreis der Platte 25 wirksam. Die Auflagen
gi, g2 und 93 mögen so angeordnet sein, daß richtige Ergebnisse erzielt werden,
wenn die Platte 26 in die mit gestrichelten Linien dargestellten
Lägen
gebracht wird. Ein verstellbarer Kontakt, beispielsweise ein Schleifdraht 9q., ist
so angeordnet, daß_ er je- nach Belieben "eine der Auflagen 9, gi, 92 oder 93 in
den Stromkreis der Elektromagnete einschaltet. Wenn die Drosselöffnung völlig offen
ist, so schließt der Schleifdraht in der in Fig. i gezeichneten Stellung den Stromkreis
über die Auflage g. Wenn die Platte 26 in eine der übrigen drei Stellungen verschoben
wird, so wird der Schleifdraht so eingestellt, daß er den Stromkreis durch die Auflagen
gi, 92 bzw. 93 schließt. In jedem Fälle wird durch die besondere Form der
Auflägen ein genaues Ergebnis erzielt. Die Kupplung wird nur dann hergestellt, wenn
die Bürste 7 mit derjenigen Auflage in Berührung kommt, an die gerade der Schleifdraht
94 angeschlossen ist. Die Gestalt der Auflagen g, gi, 92, und 93 auf der
Trommel 5 wird nach folgenden Gesichtspunkten ermittelt: Die Menge des durch eine
Drosselöffnung fließenden Gases .ergibt sich aus: "
Hierin ist C eine Konstante, deren Wert von der Form und Größe der Drosselöffnung
und von der Dimension der übrigen Werte abhängt, " H der Druckunterschied in Millimeter
Wassersäule zwischen der Hochdruck- und der Niederdruckseite der Drosselplatte,
welche sich mit der Geschwindigkeit des Gases ändert, P der Druck "(in at
abs.) des durch die Drosselöffnung hindurchgehenden Gases, eine zeitlich veränderliche
Größe, Q die in einer Stunde hindurchgehende Gasmenge in Kubikmeter.
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E ist eine Zahl, die von der Größe der Drosselung abhängig ist. E
wird vielfach als konstant angenommen, tatsächlich ändert sich diese Zahl aber nicht
nur mit der durch dis Drosselstelle hindurchgehenden Menge, also mit dem Druckgefälle
an der Drosselstelle, sondern auch mit dem Gasdruck P. Mithin muß man an Stelle.
der obengenannten Beziehung setzen:
wo die Zahl E durch das Produkt f (H) . F (P)
ersetzt ist. Dabei ist f (H)
eine bestimmte Funktion des Druckgefälles und F (P) eine bestimmte andere Funktion
des Gasdruckes. Die Werte der beiden Funktionen lassen sich für jede Drosselöffnung
und jeden Gasdruck durch Versuch bestimmen. Dadurch kann man die zur Erzielung richtiger
Ergebnisse erforderliche Gestalt der Auflagen auf der Trommel 5 ermitteln. Hierbei
ist auch berücksichtigt, daß die Drosselöffnung nicht nur in ihrem Querschnitt,
sondern auch in ihrer Form sich ändert.
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Wenn der Gasdruck in der Leitung sehr starken Änderungen unterworfen
ist, so sind weitere Korrektionen erforderlich. Man muß dann mehrere auswechselbare
Trommeln 5 vorsehen, die je mit einem Satz von Auflagen g, gi, 92 und 93 ausgerüstet
sind, die nach den erwähnten Gesichtspunkten geformt und für einen bestimmten Druckbereich
richtig sind. Ferner muß man mehrere auswechselbare Trommeln 55 vorsehen, deren
Auflagen 9g je nach den Verhältnissen des zugehörigen Meßbereiches gestaltet sind.
Es genügt, wenn man hierbei den gesamten Druckbereich in Abschnitte von beispielsweise
a5 bis 5o at, 5o bis ioo at und ioo bis i5o at einteilt.