DE637469C - Dichtemesser fuer Fluessigkeiten und Gase - Google Patents

Dichtemesser fuer Fluessigkeiten und Gase

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DE637469C DEH130946D DEH0130946D DE637469C DE 637469 C DE637469 C DE 637469C DE H130946 D DEH130946 D DE H130946D DE H0130946 D DEH0130946 D DE H0130946D DE 637469 C DE637469 C DE 637469C
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  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Description

  • Dichtemesser für Flüssigkeiten und Gase Die Dichte, also das Gewicht der Raumeinheit eines Stoffes, ist vom Zustand abhängig, bei Flüssigkeiten insbesondere von der Temperatur, bei Gasen auch noch vom Druck. Die Angabe der Dichte ist nur eindeutig, wenn sie auf einen bestimmten, den Normalzustand bezogen ist.
  • Bei den bekannten Dichtemessern, beispielsweise nach Abb. i der Zeichnung, die sich einer Neigungswaage als Anzeige- oder Schreibgerät bedienen, übt eine von der Dichte des zu prüfenden Stoffes abhängige Kraft am waagerechten Hebelarm m ein Moment aus, durch das das am entgegengesetzten Hebel g hängende Gegengewicht G und ein Meßgewicht P am senkrechten Hebel p so lange ausgeschwenkt werden, bis die Momente von G und P dem zu messenden das Gleichgewicht halten. Wenn man voraussetzt, daß das Gestell der Waage selbst nebst leeren Gefäßen usw. so ausgewuchtet ist, daß keine Richtkraft übrigbleibt, dann ist bei Neigungswaagen beliebiger Gestalt der Winkelausschlag ein Maß für das Verhältnis des zu messenden Moments zum resultierenden bekannten Moment der Gegen- und Meßgewichte, also auch ein Maß für die Größe der zu messenden Kraft, aber nur, solange Gegen- und Meßgewichte unveränderlich bleiben. Ändern sie sich, so ändert sich auch der Bewertungsmaßstab für die zu messende Kraft im gleichen Verhältnis. Diesen Umstand kann man zur Zustandsberichtigung bei der Dichtemessung ausnutzen.
  • Abgesehen von Einrichtungen, die die Anzeige eines Dichtemessers mit Hilfe besonderer Thermometer oder Druckmesser mechanisch so beeinflussen, daß eine zustandsberichtigteAnzeige herauskommt, hat man Versucht, das Gegengewicht einer Neigungswaage in eine Vergleichsflüssigkeit einzutauchen, die gleiche Temperatur und gleichen Ausdehnungsbeiwert hat wie die zu prüfende Flüssigkeit. Man hat aber übersehen, daß diese Maßnahme nur einen Teil der notwendigen Berichtigung ergibt und daß es zur vollständigen Berichtigung nötig ist, auch das Meßge-,vicht durch den Zustand zu beeinflussen. Eine einfache Überlegung ergibt, daß die Beeinflussung des Gegengewichts allein nur dann eine vollkommene Berichtigung ergibt, wenn die Waage keinen nennenswerten Ausschlag macht. Das aber ist nur bei Dichtereglern, also in einem hier nicht zu betrachtenden Sonderfall gegeben. Wenn es sich um eine Messung handelt, muß die Waage natürlich einen möglichst deutlichen Ausschlag machen. Ausführungen von Neigungsdichtewaagen, bei denen nicht die Gesamtheit der Gegen- und Meßgewichte im gleichen Verhältnis geändert wird wie die zustandsbedingte Kraft, die von der Dichte des zu prüfenden Stoffes ausgeht, sind also auch nur teilweise berichtigt.
  • Wenn dieser Stand der Technik bei geringeren Anforderungen-an die Meßgenauigkeit vielfach noch genügte, so zeigt sich, daß für höhere Genauigkeit und dann, wenn der zu messende Bereich der Dichteschwankungeiklein ist im Vergleich zum Absolutwert der mittleren Dichte, eine vollkommene Berichii gung unerläßlich ist. Auf dieser Erkenntnis beruht die Erfindung, die im wesentlichen dadurch gekennzeichnet ist, daß alle an der Neigungswaage angreifenden Kräfte im richtigen Verhältnis zueinander zustandsabhängig gemacht werden, daß also keine zustandsunabhängigen Momente übrigbleiben dürfen. Faßt man die wesentlichen Bestandteile jeweils in zu messende Kraft, Gegengewicht an waagerechtem Hebelarm und Meßgewicht an einem dazu senkrechten Hebelarm zusammen, so müssen diese drei sich verhältnisgleich ändern. Jeder dieser drei Teile kann sich natürlich aus mehreren Gliedern zusammensetzen, insbesondere aus beständigen und veränderlichen Gliedern, die aber gemeinsam die geforderte Veränderlichkeit haben. Zwecks Vereinfachung können Gegengewicht und Meßgewicht in einem Punkte an einem Hebelarm vereinigt werden, der mit dem Hebelarm der zu messenden Kraft einen bestimmten Winkel p bildet, so daß sie gemeinsam vom Zustand beeinflußt werden können.
  • Als von der Dichte abhängige Kraft eignen sich z. B. das Gewicht der in einem begrenzten Gefäßraum enthaltenen Stoffmenge, der Auftrieb eines Verdrängers, der in den Stoff eintaucht, der hydrostatische Druck von Stoffsäulen bestimmter Höhe, ' der mittels Glocken ö. dgl. auf die Neigungswaage wirkt, kurz jede Kraft, die eine Funktion der Dichte ist und unmittelbar oder mittelbar ein Moment auf die Neigungswaage ausübt. Je eine solche Kraft muß einerseits vom zu prüfenden Stoff, andererseits vom Vergleichsstoff ausgehen, letztere muß Gegengewicht und Meßgewicht bilden oder im richtigen Maße beeinflussen. Wie die Kräfte und Hebelarme zu bemessen und anzuordnen sind,-ergibt sich rechnerisch streng aus der Aufstellung der Gleichgewichtsbedingungen für verschiedene Zustände. Wenn das Gestell der Neigungswaage an und für sich richtkraftfrei ist und nur Kräfte der eben gekennzeichneten Art unter jeweils gleichen Zustandsbedingungen der beiden Stoffe wirken, ergibt sich stets eine vollkommen berichtigte Dichteanzeige, die auf einen bestimmten Normalzustand bezogen und von Zustandsschwankungen unabhängig ist.
  • Die Zustandsgleichheit zwischen dem zu prüfenden und dem Vergleichsstoff kann in beliebiger bekannter Weise durch Wärmeaustauscher und Druckausgleich herbeigeführt werden.
  • Wenn Gegen- und Meßgewicht nicht unmittelbar, beispielsweise als in den Vergleichsstoff eintauchende Verdränger die nötige Zu-,standsabhängigkeit haben, können sie durch @@in: oder Ableitung beispielsweise von geeigieeen Flüssigkeitsmengen nach Maßgabe der Ausdehnung oder Schrumpfung einer passend ggwählten Vergleichsstoffmenge beschwert oder entleert werden. Man kann beispielsweise ein mit Flüssigkeit gefülltes Gefäß an die Waage hängen, das nur durch eine biegsame Verbindung, einen Heber o. dgl.; mit einem feststehenden Aufnehmergefäß verbunden ist. Bei Erwärmung tritt dann ein Teil dieser Vergleichsflüssigkeit aus und erleichtert das an der Waage hängende Gefäß. Es können auch beide Gefäße an der Waage, aber an entgegengesetzten oder verschieden langen Hebelarmen hängen, so daß eine Verlagerung der Gewichte immer mit der gleichen Wirkung entsteht. Es kann auch das Gefäß mit der Vergleichsflüssigkeit feststehen und das Aufnehmergefäß an der Waage hängen. Die Ausdehnung kann auch mit Hilfe eines Schwimmers o. dgl. auf die Waage wirken, oder es können Hilfsflüssigkeiten zwischengeschaltet sein. Solange die gekennzeichnete Regel erfüllt wird, ist jede Anordnung verwendbar.
  • Nachstehend werden an Hand-der Abbildungen einige Anwendungsbeispiele beschrieben. Abb. z stellt eine übliche nicht kompensierte Dichtewaage dar, an deren Beispiel die eingangs geschilderten Zusammenhänge rechnerisch nachgewiesen. seien.
  • Das Meßgefäß am Hebelarm von in cm Länge enthält M cms Flüssigkeit von der Normaldichte y g/cms bei der Normaltemperatur von beispielsweise 2o° C, und sein Inhalt wiegt My g. Ändert sich die' Normaldichte um s g/cm' auf y -1- s und die Temperatur um t° C auf 2o - t, so wiegt der Inhalt M (y + s) (r + at), wenn a der Ausdehnungsbeiwert ist. Der Hebel m liegt in der Mittellage bei 2o° C, und y g/cms waagerecht, jenseits des Drehpunktes an einem waagerechten Arm von g cm Länge hängt ein Gegengewicht G und senkrecht unterhalb des Drehpunktes in p cm Entfernung ein Meßgewicht P.
  • Die Bestimmungsgleichungen lauten: für den Zustand y, 2o° C in Mittellage: luym= Gg (I) und für den Zustand y + s, 2o -t° beim Ausschlag M (y -I- s) (#z -[- at) m cos ß (2) - G g cosß -E- Pp sin ß , woraus folgt: ß ist also nicht nur von s, sondern auch von den Veränderlichen a und t abhängig. Gleichung (2) läßt aber klar erkennen, daß Unabhängigkeit vom Temperaturzustand erreicht wird, sobald auch die beiden Glieder der rechten Seite jedes den Faktor (r -f- (x t) enthalten. Denkt man sich G und P durch Gefäße mit unveränderlichem Rauminhalt ersetzt, die beide mit Flüssigkeiten vom Ausdehnungsbeiwert a erfüllt sind und ebenso wie die zu messende Flüssigkeit der Temperaturänderung t ausgesetzt sind, dann bleibt Gleichung (r) bestehen, Gleichung (2) lautet M (y -E- s) (i + a t) m cos p = G (i + a t) g cos ß + P (i -E- a t) p sin ß , (2 a) und es ergibt sich wie erwünscht, denn M, m, P und p sind unveränderliche Festwerte.
  • In Abb. 2 ist eine Dichtewaage dargestellt, bei der das Gegengewicht durch den Auftrieb eines ganz untergetauchten Verdrängers von h cmg unveränderlichen Inhalts gebildet wird, der am gleichen Hebelarm wie M in v cm Entfernung angreift und dem Gewicht von M offenbar mit dem gleichen Erfolg entgegenwirkt wie eine am entgegengesetzten Hebelarm angreifende Flüssigkeitsmenge gleicher Größe. Die Normaldichte der verdrängten Flüssigkeit sei y1, ihr Ausdehnungsbeiwert a1. Als Meßgewicht dient ein Gefäß von N cms Inhalt mit der 1'%Tormaldichte y2 und dem Ausdehnungsbeiwert a2. Uni den Verdränger U im Gefäß B ist eine Heizschlange S gelegt und um das Gefäß N ein Heizmantel H; durch beide, S und H, strömt die zu prüfende Flüssigkeit in der Pfeilrichtung zum Meßgefäß 11l und gegebenenfalls im Gegenstrom auf dem gleichen Wege wieder zurück, um durch möglichst vollkommenen Wärmeaustausch V und N auf gleiche Temperatur mit M zu bringen. Das Gefäß N taucht mit einem abwärts gerichteten Hals in die Flüssigkeit eines feststehenden Gefäßes A, so daß bei Erwärmung eine entsprechende Flüssigkeitsmenge austreten und bei Abkühlung nach N einströmen kann, ohne daß das wirksame Volumen von N geändert oder die Bewegung der Neigungswaage behindert wird. Der gleiche Zweck, Unveränderlichkeit des Raumes N, kann auch auf andere geeignete Weise erreicht werden. Man kann ihn durch einen Heber, einen Schlauch, eine biegsame Rohrleitung o. dgl. mit einem feststehenden Aufnehmer A verbinden oder wie bei dem Gefäß R in Abb. 3 und q. den Aufnehmer A zwecks Vermeidung einer biegsamen Verbindung an der Neigungswaage selbst befestigen. In Abb. 3, die einen axialen Schnitt darstellt und in der L Prismenschneide und Pfanne der Lagerung ist, ist R das Gefäß mit starrer Wand, dessen Rauminhalt unveränderlich gehalten werden soll, und A der Aufnehmer in Gestalt eines engen, mit der Drehachse gleichlaufenden Rohres, in dem sich die Flüssigkeit in den angedeuteten Grenzen verschieben kann, ohne das Gleichgewicht der Neigungswaage oder ihre Bewegung zu stören.
  • Sollte der erforderliche Aufnehmerraum eine zu große axiale Länge dieses Rohres bedingen, so könnte A auch als geschlossener Hohlkörper A1 mit dehnbarer Wand, beispielsweise als Gummiblase, Metallbalgen o. dgl., ausgeführt und so angeordnet werden, daß der Weg seines Schwerpunktes stets in der Drehachse oder parallel dazu verbleibt. In Abb. ,¢ besteht der Aufnehmer A aus einem Gefäß mit verhältnismäßig großer Oberfläche.
  • In Abb. 2 sind noch ein Obergewicht O und ein Gegengewicht G am Hebel g dargestellt. Das Obergewicht dient in bekannter Weise dazu, die Momente der starren Konstruktionsteile des Systems (mit Ausnahme der flüssigen M, V, N) und zusätzlicher Stellkräfte, wie Federspannung der Zuleitungsrohre u. dgl., die bei der Neigung entstehen, auszugleichen, das System also indifferent zu machen für den Fall, daß man sich die Flüssigkeiten hinwegdenkt. Es ergeben sich unter dieser Voraussetzung folgende Bestimmungsgleichungen: für den Zustand y, y1, y2 bei 2o° C in der gezeichneten Mittellage: My-in- hylv = Gg, (5) für den Zustand y + s, y1, y2 bei 2o -t° C und beim Winkelausschlag ß: M (y + s) (i + a t) m cos ß - V y1 (i -j- a1 t) v cos ß = G g cos ß. + N y, (i + a, t) n sin ß . (6) Hieraus ergibt sich Setzt man Mmya = Tlvylal und cc = a2, so erhält man Diese Bedingung ergibt also eine temperaturunabhängige Anzeige und ist erfüllbar, wenn neben den gegebenen Abmessungen und Normaldichten die Ausdehnungsbeiwerte bekannt bzw. im bedingten Verhältnis wählbar sind. Ihre Anwendung bietet Vorteile, wenn beispielsweise eine flüchtige Flüssigkeit geprüft werden soll, die nicht an die freie Luft kommen darf. Man kann dann ein Meßgewicht N von der geschlossenen Form R nach Abb. 3 oder 4 wählen und es mit der zu prüfenden Flüssigkeit füllen, wodurch a = a2 ohne weiteres gegeben ist. Dagegen kann man für das offene Gefäß B eine nicht flüchtige andere geeignete Füllung wählen, die einen beliebigen anderen Ausdehnungsbeiwert hat, sofern nur für den in Frage stehenden Temperaturbereich die Bedingung a : a1 = konst. erfüllt ist. Ist dies nicht möglich, so muß a = a1 gewählt werden, wobei G = O wird, also ein Gegengewicht entfällt. In diesem letzteren Falle, besonders wenn B und N mit der zu prüfenden Flüssigkeit gefüllt werden (also y = y1 = y2 und x = «l = a2), braucht der Ausdehnungsbeiwert gar nicht bekannt zu sein, und sein Wert kann sich beliebig mit der Temperatur ändern, wie dies beispielsweise bei wässerigen Lösungen der Fall ist. .
  • In Abb. 4 ist eine Dichtewaage dargestellt, bei der Gegengewicht und Meßgewicht in einer Resultante R mit den Eigenschaften y3, a3 vereinigt sind, deren Hebelarm y einen bestimmten Winkel (p mit dem Lastarm bildet, der das Meßgefäß M trägt. Für diesen Fall ergibt sich der Ansatz analog den vorhergehenden wie folgt: Mym ._-_ Ry,r cosg), (io) M (y -I- s) (i -[- a t) m cos ß - Rya(i -I- a3 t) y cos «p-ß) . (ii) Aus diesen Bestimmungsgleichungen ergibt sich Macht man a = a3, so folgt Die Anordnung ist also temperaturunempfindlich, wenn die Aüsdehnungsbei_werte von 1111 und R gleich 'sind. ,Die von der Temperatur beeinflußten Wandungsstoffe der Gefäße sind nach den gleichen Gesichtspunkten' auswählbar. In den vorstehenden Formeln ist der Einfachheit halber vorausgesetzt, daß die Ausdehnungsbeiwerte a bis a3 die Beiwerte der Wandstoffe anteilmäßig berücksichtigen.
  • Gemäß der Abb.4 dienen biegsame federnde Rohre E, F zur Zu- und Ableitung der zu prüfenden Flüssigkeit zwischen dem beweglichen System und den festen Endpunkten. Diese Rohre werden als symmetrisches Schleifenpaar so angeordnet, daß ihre Wärmedehnungen gleich und entgegengesetzt wirken, sich also in bezug auf das bewegliche System gegenseitig aufheben.
  • Alle im beschriebenen System vorhandenen Flüssigkeitsräume unveränderlicher Größe können mit der gleichen Wirkung wechselseitig durch Verdränger ersetzt werden, die vollständig untergetaucht sind.
  • In Abb. 5 ist ein vollständiger Apparat dargestellt. Bei E strömt die zu prüfende Flüssigkeit ein, durchläuft das ringförmige Zuführungsrohr und bitt bei i in den Heizmantel H des nach dem Schema Abb. 4 angeordneten Glasgefäßes R. Sie strömt durch ein kurzes isoliertes Verbindungsrohr z, 3 in das Meßgefäß M, steigt in demselben hoch und verläßt es bei 4, um durch das hintenliegende ringförmige Ableitungsrohr zum Auslaß F zu gelangen. Das Gefäß R steht durch ein nicht isoliertes Rohr 5, 6 mit dem Aufnehmer A in Verbindung. Die Glasgefäße R, M und A sind an Traggestellen 7, 8 befestigt, die ihrerseits justierbar an dem auf einer Schneide ruhenden Waagebalken 9 sitzen. Der Waagebalken trägt ein Schreibzeug io, das seinen Ausschlag in üblicher Weise registriert. Eine schwache Feder i i, an einem waagerechten Arm des Waagebalkens mittels Schneide aufgehängt, dient zum Einstellen des Schreibzeuges, und ein an einem zweiten Arm des Waagebalkens ebenso aufgehängter Dämpfer 1z (Ölkatarakt) verhindert das Pendeln des Systems. Der Arm mit dem Hauptlager der Waage, Anfang und Ende der Ringrohre, untere Stellfederbefestigung, Dämpferbehälter und Uhrwerk sind an einem gemeinsamen starren Kreuzgestell befestigt, das nur an den drei Punkten 13, 14, 15 mit dem den ganzen Apparat einschließenden Schutzgehäuse verbunden ist, so daß äußere Beanspruchungen bzw. Verspannungen dieses Gehäuses sich nicht in einer Änderung der gegenseitigen Lage der genannten Teile auswirken können.
  • Alles im vorstehenden über Flüssigkeiten Gesagte, gilt sinngemäß auch für Gase. Bei diesen tritt zu den Einwirkungen der Temperatur auf die Dichte auch noch diejenige des Druckes. Bezeichnet man mit t" die absolute Normaltemperatur; mit t die Temperaturänderun, mit b" den absoluten Normaldruck und mit"' b die Druckänderung, so wäre der Faktor (i -E- a t) in den Formeln (2), (2a), (3), (6), (7), (g), (11), (i2) für Gase zu ersetzen durch den Faktor um zu den gleichen Schlußfolgerungen in bezug auf die Ausschaltung von Temperatur-und Druckänderungen auch bei Gasen zu gelangen.
  • Auch bei Gasen können die Gefäße bzw. Verdränger M, Tl, N, R in der gleichen Anordnung benutzt werden.
  • Mit Rücksicht auf die sich hierbei ergebenden großen Abmessungen ist es bei Gasdichtewaagen, in Sonderfällen auch bei Flüssigkeitsdichtewaagen, zweckmäßig, an Stelle dieser Teile Glocken, Membranen oder sonstige reibungslos verschiebbare Wände bekannter Art zu verwenden. Nach bekannten Gesetzen der Hydrostatik übt eine Flüssigkeits- oder Gassäule von der Höhe la cm und beliebigem OOuerschnitt auf eine solche Glocke mit der wirksamen Fläche f cm2 den gleichen Druck aus wie das Gewicht einer Stoffmenge der gleichen Art vom Rauminhalt hf cm3. Man kann also in den vorstehenden Formeln die Raumgrößen 11, Tl, N, R stets ersetzen durch Glocken vom entsprechenden Querschnitt f, auf die in bekannter Weise Gassäulen von der Höhe h wirken, deren hydrostatischer Druck durch feste Rohre zugeführt werden kann, wodurch die Beweglichkeit der Neigungswaage gewinnt. Die Aufnehmergefäße A können ebenfalls durch reibungslos verschiebbare Glocken, Membranen o. dgl. ersetzt werden, die die Volumenänderungen der Gassäule praktisch ohne Druckänderung gestatten und mit dem Höhenunterschied h den Abschluß gegen die Umgebung herstellen.

Claims (3)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Dichtemesser für Flüssigkeiten und Gase mit selbsttätiger Zustandsberichtigung, bei dem ein Vergleichsstoff dem gleichen Zustand ausgesetzt ist wie der auf eine Neigungswaage wirkende zu prüfende Stoff, dadurch gekennzeichnet, daß Gegengewicht und Meßgewicht der Neigungswaage bzw. die Gesamtheit der messenden Momente den zustandsbedingten Änderungen der zu messenden Dichte verhältnisgleich geändert werden durch vom Zustand des Vergleichsstoffes abhängige Kraftwirkungen, die in bekannter Weise durch Gewichtsbelastung, Druckglocken, Schwimmer o. dgl. auf die Neigungswaage wirken, und daß außer den zustandsabhängigen, vorn zu prüfenden und vom Vergleichsstoff herrührenden Kräften keine unausgeglichenen Richtkräfte an der Neigungswaage vorhanden sind.
  2. 2. Dichtemesser nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß Gegengewicht und Meßgewicht bzw. die gesamten messenden Kräfte in einem einzigen Punkte an einem Hebel wirken, der mit dem Hebel der zu messenden Dichtekraft einen Winkel bildet, dessen Größe sich aus den Gleichgewichtsbedingungen rechnerisch ergibt.
  3. 3. Dichtemesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichsstoff in einem feststehenden Gefäß untergebracht und mit einem auf die Neigungswaage wirkenden Gefäß durch biegsame Rohre, Heber o. dgl. verbunden ist.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE930482C (de) * 1953-07-28 1955-07-18 Richard Neubauer Apparat zum Messen bzw. Registrieren der Dichte von Fluessigkeiten
DE977058C (de) * 1952-02-26 1964-12-23 Continental Elektro Ind Ag Elektrisches Tauchspulmesswerk

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DE977058C (de) * 1952-02-26 1964-12-23 Continental Elektro Ind Ag Elektrisches Tauchspulmesswerk
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