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Volumenreduktor Die fortlaufende Messung von Gasmengen erfordert,
sofern sie auf volumetrischem Wege erfolgt und das Gasgewicht festgestellt -werden
soll, die ergänzende Messung des spezifischen Gewichtes oder an deren Stelle die
Messung von Druck und Temperatur. Diese den Zustand des Gases kennzeichnenden Größenergeben
eine Kennziffer, mit der die Volumenmessung fortlaufend multipliziert werden muß,
um die entsprechenden Gewichtsmengen zu ermitteln und zu registrieren.
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Apparate zur fortlaufenden Feststellung des Druckes mit einem Genauigkeitsgrad,
der für Mengenmessung erforderlich ist, sind, soweit es sich um große Meßbereiche,
z. B. vom Barometerstand bis zu mehreren Atmosphären Überdruck, handelt, schwierig
herzustellen. Die Messung der Temperatur mit einem Instrument, welches für die selbsttätige
Bildung der Kennziffer als zuverlässiger Geber dienen könnte, ist ebenfalls schwierig.
Die selbsttätige mechanische -Ausrechnung der Kennziffer aus Druck und Temperatur
endlich verursacht ihrerseits Ungenauigkeiten. Alle drei Fehlerquellen summieren
sich. Infolgedessen ist es vorzuziehen, die Kennziffer direkt mittels eines einzigen
Gebers, nämlich durch Vergleichsmessungen des spezifischen Gasvolumens gegenüber
dem des Normalzustandes, zu bestimmen. Dies geschieht am einfachsten, indem in an
sich bekannter Weise ein Gas in einen nachgiebigen Hohlkörper eingeschlossen wird,
der dem Einfluß des zu messenden Gases ausgesetzt wird und dessen Inhalt den gleichen
Zustand wie das zu messende Gas annimmt. Durch die Zustandsänderung -des im Hohlkörper
eineschlossenen Gases ändert sich dessen Form. Diese Änderung wird als Meßgröße
für den Gaszustand benutzt und aus dem reziproken Wert dieser Meßgröße auf mechanischem
Wege laufend die Kennziffer gebildet, die dann dem relativen spezifischen Gewicht
entspricht. Durch Registrierung dieser Kennziffer bzw. mechanische Eingliederung
derselben in die Gasmesseranzeige wird jegliche Druck- und Temperaturmessung sowie
die Heranziehung des Barometerstandes für die Mengenzählung überflüssig.
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Um eine Anzeige durch Formänderung zustande zu bringen, muß, wenn
man keine Tauchglocken verwenden will, der gasgefüllte Hohlkörper mit einer Membran
versehen wdrden, die der Haltbarkeit wegen aus Metallblech oder .einem undurchlässigen,
elastischen Wandungsmaterial gewählt wird. Die Messung des eingeschlossenen Volumens
leicht komprimabler Stoffe, wie Gas, durch metallene oder ähnlich geartete Membrandosen
begegnet jedoch Schwierigkeiten. Einerseits besteht nämlich die Bedingung, daß zur
Erreichung gleichen Gaszustandes in und außerhalb der Dose die Membran auf das Gas
keine Kräfte ausüben. darf, d. h. überaus nachgiebig und dünnwandig sein muß. Andererseits
müssen bei derartigen- Apparaten zum Antrieb des zugehörigen Planimetrierwerkes
gewisse Verstellkräfte aufgebracht werden, und der Gegendruck dieser Kräfte darf
keinerlei verformende Rückwirkung auf das schwache Meinbranprofil
und
damit auf die Hublage des Membrantellers ausüben, die eine genaue Messung unmöglich
machen würde. Z. B. würden bei Benutzung einer gewöhnlichen Flachmembran nach Fig.
z die aufzubringende Verstellkraft P" und damit deren GegenkraftP' groß sein müssen,
da der Hub einer solchen MetaIlmembran nur gering sein kann und gleichwohl die notwendige
Verstellbarkeit zu leisten ist. Die Membran darf aber wegen der Bedingung möglichster
Druckgleichheit in und außerhalb der Dose nur sehr schwachwandig sein. Infolgedessen
wird ihr nachgiebiges Profil durch die Widerstandskraft des Anzeigewerkes an deren
Angriffsfläche eingebeult, während dafür andere Membranflächenteile von dem eingeschlossenen
Volumen mehr herausgedrängt werden. Aus Fig. r ist z. B. zu ersehen, wie sich das
Membranprofil gestaltet, wenn die Richtung der Gegenkraft P' bei schwankendem Gaszustand
wechselt. Der Membranteller ändert dabei seine Lage, ohne da,ß das in der Dose befindliche
Volumen sich entsprechend mitändert. Dieser Vorgang, dessen Maß vollkommen von der
jeweiligen Größe und Richtung der Gegenkräfte abhängt, die je nach der Ausschlagrichtung
und Reibung des Instrumentes wechseln, ist die Ursache dafür, daß eine eindeutige
Beziehung zwischen der eingeschlossenen Volumengröße und der Lage des Membrantellers
ohne besondere Maßnahmen nicht zu erreichen ist und daß das betreffende Instrument
ungenau und träge anzeigt.
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Die idealste Umhüllung für das Gas,. dessen Volumen zum Vergleich
herangezogen werden soll, wäre -ein zylindrisches Gefäß, in welchem ein Kolben reibungslos
gleitet. Der Kolben würde seine Stellung genau dem jeweiligen Volumen des Gases
anpassen und dadurch exakte Vergleiche gestatten. Eine derartige Anordnung läßt
sich aber technisch nicht verwirklichen. Erfindungsgemäß wird daher ein zylindrischer
Wellrohrkörper als Geber benutzt. Die Verwendung von solchen Wellrohrkörpern für
barometrische und manometrische Zwecke ist bekannt. Für diese Zwecke hat man aber
Wellrohrkörper ganz besonderer Ausbildung verwendet. Die Wellrohrkörper, welche
beispielsweise als Aneroidkörper Verwendung finden, zeigen den Druck dadurch an,
daß sie ihre Länge verändern. Dabei wird der auf dem Wellrohrkörper lastende Außendruck
durch die Eigenfederung des Körpers bzw. die Spannung, welche dem Wellrohrkörper
erteilt wird, schließlich aufgehoben und im Gleichgewicht gehalten. Die Wellrohrkörper,
welche man für solche Messungen verwendet, müssen daher eine hohe Eigenfederung
haben, auch dann, wenn man die Barometerdosen nicht ganz vollständig auspumpt, um
ihnen noch eitle gewisse Temperaturempfindlichkeit zu erteilen.
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Ganz anders aber liegt es, wenn man in einen Wellrohrkörper ein Gas
unter atmosphärischem Druck einschließt und den Zustand des Gases durch Messung
seines Volumens ermitteln will. Würde man sich dabei eines Wellrohrkörpers mit Federung
bedienen, so kämen die Volumenveränderungen, deren Messung den Vergleich und die
Voluj menreduktion ermöglicht, nur sehr beschränkt zur Geltung, weil die Eigenfederung
des Wellrohrkör_pers überwunden werden muß, bevor der Ausschlag wirksam wird. Dies
ist deutlich zu erkennen, wenn man sich an den obenerwähnten, gewichtslos gedachten
Kolben erinnert, auf welchen außer dem äußeren Luftdruck und dem inneren Gasdruck
keinerlei Kräfte wirken sollen; denn das eingeschlossene Gas muß in der Lage sein,
den Kolben ohne Überwindung von Gegenkräften, welche in der Einrichtung ihren Sitz
haben, zu bewegen und sein Volumen zu ändern.
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Erfindungsgemäß wird daher eile Wellrohrkörper angewendet, welcher
im Vergleich zu seinen Abmessungen besonders dünnwandig ausgeführt ist, damit er
in der Achsrichtung im Vergleich zu den Verstellkräften, welche für die Messung
maßgeblich sind, praktischfederungsfrei nachgibt. Ein derartiger Körper hat aber
noch der Forderung zu genügen, daß trotz der Dünnwandigkeit keinerlei örtliche Ausbiegungen
der Wellenwand entstehen können, wenn infolge von Gegenkräften der gesteuerten.
Teile o. dgl. ein jeweils wechselnder Druck auf die Gasfüllung ausgeübt wird. Erfindungsgemäß
wird diese Bedingung dadurch erfüllt, daß die Wellentiefe des zu verwendenden Wellrohrkörpers
nur einen so geringen Bruchteil seines Außendurchmessers betragen soll, daß trotz
der Dünnwandigkeit alle Ausbiegungen, welche eine Abweichung seines Rauminhalts
vom Sollwert mit sich bringen würden, vermieden werden. Dünnwandigkeit und Wellenhöhe
sind also gegenseitig bedingt, d. h. je dünnwandiger man den Wellrohrkörper wählt,
um so mehr muß für die Standfestigkeit seiner ; Wellen Sorge getragen werden, indem
man die Wellenhöhe um so kleiner wählt.
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Eiei Wellrohrkörper solcher Art ist in Fig. 2 im senkrechten Schnitt
dargestellt. Bei genügender Wellenzahl und ausreichender Dünnwandigkeit gelingt
es ohne weiteres, diesen Körper überaus nachgiebig in seiner Achsrichtung zu gestalten.
Bei genügend geringer Tiefe seiner Wellung h bei einem Außendurchmesser D, können
dann trotzdem die zwischen den äußeren und inneren Wellenköpfen r und 2 liegenden
Ringflächen 3 der Wandung
innerhalb dieser kurzen Profilstrecke
nicht leicht ausgebaucht werden. Da nun in radialer Richtung die Wandung ohnehin
nicht nachgibt, ist im Gegensatz zu anderen Membranformen bei unveränderlich gegebenem,
eingeschlossenem Volumen die Hublage, d. h. die Länge des Wellrohrkörpers, durch
Angriff äußerer Kräfte ohne eine .gleichzeitige Kompression oder Dehnung des Inhalts
nicht veränderbar. Von dieser Eindeutigkeit der Beziehung zwischen Volumen und W
ellrohrkörperlänge kann man sich leicht durch die Tatsache überzeugen, daß auch
eine axiale Verschiebung der mittleren Wellen, z. B. von Hand aus, keine Änderung
der Gesamtlänge bedingt, wenn die Eigenfederung hinreichend gering ist.
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Die Anwendung einer solchen Membran für den vorliegenden Zweck wird
für größere Meßbereiche dadurch gefördert, daß man einen Teil ihres Inhalts in bei
Meßdosen bekannter Weise mit festen oder flüssigen Stoffen ausfüllt. Dadurch wird
der Hub auf einen Betrag beschränkt, bei dem die Federung noch nicht überbeansprucht
wird. Auch mit dieser Ausfüllung beträgt der Hub noch ein Vielfaches von dem anderer
Membranen, und die Verstellkrä.fte, die selbst bei geringstem Druckwechsel gewonnen
werden, sind sehr :erheblich, wenn der Durchmesser genügend groß gewählt wird. Beträgt
der Außendurchmesser des Wellrohrkörpers beispielsweise i i cm, so bewirkt eine
Druckänderung von ioo mm WS bereits eine Verstellkraft von etwa i kg. Soweit ein
solcher Wellrohrkörper nicht über eine restliche Eigenfederung in der Achsrichtung
verfügt, ist er bei Verwendung für den vorliegenden Zweck keinem Druckgefälle ausgesetzt,
da der Zustand des in ihm enthaltenen Gases dem des umgebenden Gases jederzeit entspricht.
Infolgedessen wird das Material trotz der großen Verstellkräfte nur sehr wenig beansprucht,
und schädliche Deformationen sind nicht zu befürchten. Es besteht die Möglichkeit,
durch besondere Maßnahmen, z. B. eine an sich bekannte Kippfeder o. dgl., die geringe
Eigenfederung des Wellrohres gänzlich zu kompensieren. Einfacher jedoch wird sie
durch Eichung und entsprechende Ausbildung der Übertragungsorgane berücksichtigt.
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Die Zusammendrückung des Wellrohrkörpers erfolgt nach einem Diagramm
entsprechend Fig.3, bei der der Übersicht halber die Temperatur konstant gedacht
und auf die Ausfüllung mit festen Stoffen verzichtet ist. Bei einem Druck von n
Atmosphären absolut hat die Dose eine Länge von 11n ihres Volumens beim Normalzustand.
Infolgedessen werden die bestimmten Druckänderungen entsprechenden Hübe im Niederdruckgebiet
groß, bei hohen Drücken dagegen klein. Einer Änderung des Druckes von io % beim
Normalzustand, d. h. dem Übergang von etwa i auf i, i Atm. absolut, entspricht ein
Hub von etwa g mm, wenn die Dose eine Länge von etwa i oo mm hat. Findet die i o
% ig e Änderung dagegen beim Übergang von i o auf i i Atm. absolut statt, so entspricht
ihr nur noch ein Hub von einem einzigen Millimeter der auf 111o Länge zusammengedrückten
Dose. Durch die in letzterem Falle überaus großen Verstellkräfte wird der nachteilige
Einfluß des geringen Dosenhubes auf die Genauigkeit der Kennzifferanzeige wieder
ausgeglichen.
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Die Längenänderung des Wellrohres wird nun auf das Übersetzungsgetriebe
zwischen dem Meßwerk des Gasmessers und seinem Zählwerk zur Einwirkung gebracht.
Für die hierzu dienenden Übertragungsglieder, die ihre Lage nach Maßgabe der Kennziffer
ändern, ist es dabei vorteilhaft, wenn gleichen Ausschlägen der Glieder prozentual
gleiche Kennzifferänderungen entsprechen, da dann im ganzen Meßbereich eine prozentual
gleiche Genauigkeit erzielt wird. Vorzugsweise wird daher erfindungsgemäß zwischen
die Gebermembran (Wellrohrkörper) und die übertragungsglieder ein Kurvenschub geschaltet,
der die Membranausschläge in logarithmisches Maß überträgt bzw. sich diesem Maßstabe
möglichst angleicht. -In Fig. q. ist z. B. ein Reibradgetriebe dargestellt, das
die genannte Aufgabe der laufenden Kennzifferübertragung auf die Gasm6ngenanzeige
erfüllt. Als Lauffläche des Reibrades ist ein Rotationskörper 15 mit kreisförmigen
Meridianen gewählt, deren Krümmungsmittelpunkte einen Kreis bilden, den die Achse
16 des Schwenkarmes 14 des Reibrades 17 berührt. Wie man ',aus der auf dem Meridian
eingetragenen Einteilung ersieht, richtet sich die Schwenklage. des Reibrades ziemlich
annähernd nach logarithmischem Maß der Kennziffer, d. h. prozentual gleichen Kennzifferunterschieden
entsprechen ungefähr gleiche Schwenkwinkel. Ein Kurvenschub 13
dient zum Antrieb
des Schwenkhebels 14 durch den Wellrohrkörper. Dieser -Kurvenschub wird am besten
von Fall zu Fall eüigeeicht, da die Wellrohrkörper sich zwar hinsichtlich Maß und
Federung sehr konstant, aber meist untereinander nicht ganz gleich verhalten. Der
Kurvenschub erfüllt somit doppelten Zweck.
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Schaltet man zwischen den Kurvenschub 13 und den Schwenkhebel 1 4.
ein ebenfalls als Kurvenschub ausgeführtes Zwischenglied, das seine Ausschläge durch
passende Ausführung beider Schübe nicht nur ungefähr, sondern genau nach logarithmischem
Maß der Kennziffergröße richtet, so besteht die Möglichkeit,
durch
Zwischenschaltung weiterer, von anderen Gebern ebenfalls logarithmisch gesteuerter
Kurvenschübe weitere Korrekturgrößen, z. B. den Feuchtigkeitsgehalt, in die Messung
multiplikatorisch miteinzubeziehen.
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Es besteht ferner die Möglichkeit, eine Kombination mehrerer Wellrohrdosen
anzuwenden, um bereits die Membranhübe selbst zwecks Annäherung an die logarithmische
Skala der Hebelausschläge im Hochdruckgebiet zu vergrößern. Ein Beispiel zeigt Fig.
5. Dort besteht die Anordnung aus vier Wellrohrkörpern 6 bis 9, deren jeder einen
Inhalt gleich dem der Summe der kleineren Wellrohrkörper hat. Die Wellrohrkörper
mögen in der Weise auf ein Anzeigeinstrument einwirken, daß sie durch die gemeinsame
Kupplung mit dem Antriebshebel des Instrumentes zwangsläufig so untereinander verbunden
sind, daß sie ihren Hub während Durchschreitens des Meßbereiches nacheinander ausführen.
Die Wellrohrkörper werden. auch hier zweckmäßig bis zu einer gewissen Höhe mit einer
Flüssigkeit niedriger Dampftension gefüllt, oder aber es werden feste Einlagekörper
zur Verdrängung eines Teiles .des Wellrohrkörperinhaltes eingebracht, um den Hub
des Wellrohrkörpers auf einen geringeren Bruchteil ihrer Länge zu beschränken. Die
Inhalte der Wellrohrkörper stehen durch Leitungen miteinander in Verbindung. Zunächst
führt Wellrohrkörper 6 seinen Hub aus. Da der Inhalt der übrigen Wellrohrkörper,
die durch das Hebelwerk des Apparates noch in ihrer Lage festgehalten werden, gleich
dem anfänglichen Inhalt des Wellrohrkörper 6 ist, entspricht der Zustand des Gases
nach Beendigung des Hubes des Wehrohrk6rp.ers 6 2 Atrn. absolut (gleichbleibende
Temperatur vorausgesetzt). Anschließend erfolgt der Hub des Wellrohrkörpers 7, nach
dessen Beendigung der Zustand einer Kompression bei q. Atm. absolut entspricht.
Der nächste WeUrohrkörper arbeitet bis 8 Atm. absolut usw.
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Die mechanische Kupplung der Wellrohrkörperhübe der Anordnung nach
Fig. 5 würde jedoch einen etwas komplizierten Apparat erfordern. Auch würdenbesondere
Maßnahmen zur Bemessung der einzelnen Hübe der Well rohrkörper im Sinne der logarithmischen
Skala nach Fig.3 erforderlich sein. Es gelingt jedoch, bereits mit zwei Wellrohrkörpein
verschiedenen Inhaltes eine genügende Angleichung an die logarithmische Skala auf
folgende Weise herbeizuführen: Die betreffende Anordnung- ist in Fig.6 dargestellt.
Zwei Wellrohrkörper von verschiedenem Hubianhalt, z. B. im Verhältnis von 1: 5,
bewegen durch ihren Hub eine gemeinsame Welle 12 mit einer Phasenverschiebung. Es
können also entweder die Wellrohrkörper senkrecht zueinander gestellt sein und auf
eine Kurbel wirken, oder man ordnet die Wellrohrkörper parallel und benutzt zwei
zueinander etwa senkrechte Kurbeln 18 und i g. Beim Durchschreiten des Meßbereiches,
ausgehend vom Normalzustand, arbeitet zunächst der große Wellrohrkörper i o, während
der kleinere unter dem Einfiuß der Kurbelstellung nur sehr geringe Hübe ausführt.
Am Ende des Meßbereichess ist der Vorgang der umgekehrte, da dann der Boden des
großen Wellrohrkörpers io fast völlig festgehalten wird und der des kleinen Wellrohrkörpers
i i große Hübe ausführt. Dadurch, daß im Bereich hoher Kompression die Verstelltätigkeit
fast restlos dem kleinen Wellrohrkörper i i überlassen bleibt, findet eine Auseinand
erzerrung der Skala der Kennziffer in dem oberen Druckbereich statt, und :es ist
zugleich der Vorteil erreicht, daß der Angriff des Verbindungshebels zwischen einem
der Wellrohrkörper und seiner Kurbel über den ganzen Meßbereich stets in einer günstigen
Stellung der 'Kurbel erfolgt.
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Wenn der Meßbereich es gestattet, besteht die Möglichkeit, an die
Dose bzw. den nachgiebigen Hohlkörper .einen zusätzlichen hohlen Festkörper z. B.
durch eine Rohrleitung anzuschließen. Dieser kann der Gastemperatur ausgesetzt werden,
während auf die Dose der Gasdruck wirkt. Falls an der Dose dann andere Temperaturen
herrschen, kann in dieser Zone ihr Inhalt durch :eine eingebrachte Flüssigkeit niedriger
Dampftension ausgefüllt werden. .