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Verfahren und Einrichtung zur fortlaufenden Messung des absoluten
spezifischen Gewichts eines Gases mittels Ausströmdüse Die Erfindung betrifft ein
Verfahren und Einrichtungen zur fortlaufenden Messung des absoluten spezifischen
Gewichtes (der Dichte) strömenden Gases. Sie beruht auf dem bekannten Gesetz, wonach
die Geschwindigkeit, mit der ein Gas bei einem gegebenen Überdruck durch eine Düse
strömt, vom spezifischen Gewicht dieses Gases abhängig ist. Bei unveränderlichem
Querschnitt der Düse und konstantem Überdruck ist sonach die Gasmenge, welche in
einer bestimmten Zeit die Düse durchfließt, oder aber die Zeit, welche eine bestimmte
Gasmenge zu ihrem Durchfluß benötigt, ein Maß für die Dichte. Auf dem letztgenannten
Zusammenhange beruht die bekannte Gasdichtebestimmung nach Bunsen durch Messen der
Ausströmzeit einer gegebenen Gasmenge.
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Es sind auch Dlchtemeßgeräte bekannt, bei welchen die in einer bestimmten
Zeit die Düse durchfließende Gasmenge gemessen wird.
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Bei einem derartigen Gerät wird das von der Düse kommende Gas in
bestimmten Zeitabschnitten abwechselnd entweder einem freien-Auslaß oder einem Membrangefäß
zugeführt, wobei letzteres seine Größe nach Maßgabe der Gasmenge ändert, die in
einem solchen Zeitabschnitt in diesem eingeströmt ist. Diese Größenänderung bildet
ein Maß für die gesuchte Gas dichte. Hierbei besteht der Nachteil, daß außer dem
eigentlichen Volummesser (Membrangefäß) noch ein von einem besonderen hrwerli gesteuertes
Umschalteventil benötigt wird, um das Prüfgas wechselweise entweder in das Membrangefäß
oder unmittelbar ins Freie zu leiten.
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Außerdem ist es bei dieser Einrichtung schwierig, das Meßergebnis
selbsttätig auf einen Normalzustand des Gases zu reduzieren.
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Bei einem anderen, die relative Dichte messenden Gerät läßt man das
Prüfgas und ein Vergleichsgas, z. B. Luft, bei gleichem Druck je durch eine Düse
und durch einen Mengenmesser strömen und schließt aus dem während einer bestimmten
Zeit sich ergebenden Unterschied der gemessenen Mengen auf die gesuchte Dichte.
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Ein grundsätzlicher Nachteil dieser bekannten Einrichtungen besteht
darin, daß sie Meßergebnisse immer erst nach Ablauf einer bestimmten Zeitspanne,
also absatzweis liefern, während häufig eine stetige, also
ununterbrochen
erfolgende Messung und Anzeige erwünscht ist.
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Zur Ermöglichung einer stetigen Messung ist e bekannt. einen Gasstrom
von ständig gleichbleibender Raummenge je Zeiteinheit durch eine Düse ausströmen
zu lassen und null entweder, bei unverändert bleibender Düse, die an der letzteren
auftretende Druddifferenz zu messen oder, bei t,leichbleibender Druckdift renz und
veränderlicher Düse, die Größe des Düsendurchfiußquerschnitts zu messen. Jede dieser
Meßgrößen ist unter den angegebenen Umständen ein Maß für das gesuchte spezifische
Gewicht des Gases. Diese Art der Dichtemessung hat aber den Nachteil, daß sie zu
ihrer Durchführung besondere Einrichtungen zur I(onstanthaltung des Gasstromes erfordert.
Außerdem wird im einem Falle noch ein empfindlicher Differenzdruckmesser, im anderen
eine Einrichtung zur Messung des Düsendurchflußquerschnitts, der im allgemeinen
sehr klein ist und dessen Änderungen daher schwierig genau zu messen sind, benötigt.
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Die Erfindung bezweckt die Ermöglichung der fortlaufenden Messung
des spezifischen Gewichts (der Dichte) strömenden Gases mit einfacheren Hilfsmitteln,
als sie bei den bekannen Verfahren erforderlich sind; weiterhin soll die Erfindung
in verhältnismäßig einfacher Weise die selbsttätige Reduktion des Meßergebnisses
auf einen bestimmten Nornialzustand des Prüfgases ermöglichen.
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Bei dem Verfahren und den Einrichtungen gemäß der Erfindung erfolgt
die Bestimmung der Gasdichte grundsätzlich durch die Feststellung des Augenblickswertes
der Geschwindigkeit, mit der das Gas bei einem bestimmten konstanten Uberdrucl;
durch die Düse strömt. Diesem Augenblickswert der Geschwindigkeit ist, da der Düsenquerschnitt
unverändert bleibt, der Augenblickswert der je Zeiteinheit ausströmenden Gasmenge
verhältnisgleich. Zur Feststellung dieses Augenblickswerts der Gasmenge schickt
man erfindungsgemäß das die Düse durchströmende Gas (in der bei der erwähnten Vergleichsmessung
bekannten Weise) durch einen auf dem Verdrängungsvorgang lieruhenden Gasmengenmesser
mit umlaufenler Welle und mißt den Augenblickswert der Drehgeschwindigkeit dieser
Welle, der seinerseits dem Augenblickswert der Gasmenge verhältnisgleich ist. Dieser
Drehgeschwindigkeitsaugenblickswert ist sonach dem ,Xugenblicl;swert der Gasgeschwindigkeit
in der Düse verhältnisgleich und ist demzufolge ein Maß für das gesuchte spezifische
Gewicht des Gases.
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Die Messung des Augenblickswertes der Drehgeschwindigkeit der Welle
eines Gasmengenmessers ist an sich bekannt. und zwar zum Zwecke der Feststellung
der sogenannten Belastung einer Gasversorgungsanlange, d.h. der augenblicklichen
Stärke der Gasentnahme.
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Der Augenblickswert der Drehgeschwindigkeit der Welle des Gasmengenmessers
kann beispielsweise mittels eines der üblichen, ,entweder auf dem Fliehkraftprinzip
oder auf dem Wirbelstromprizip beruhenden Drehgeschwindigkeitsmesser erfolgen, oder
auch mittels eines an sich bekannten Reibradgetriebes mit zwei Reibrädern, von denen
eines auf der Welle, das andere auf einer mit konstanter Geschwindigkeit umlaufenden
Schraubspindel sitzt und durch seine jeweilige Lage den gesuchten Augenblickswert
anzeigt.
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Eine weitere Möglichkeit zur Messung der Drehgeschwindigkeit des
Gasmessers besteht darin. einen dieser Drehgeschwindigkeit verhältnisgleichen Flüssigkeitsstrom
zu erzeugen und dessen Stärke, beispielsweise wiederum mittels einer Ausströmdüse,
zu messen.
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Das erfindungsgemäße Vorgehen zur Be stimmung der Gasdichte bietet
erhebliche Vorteile, Die zur Durchfiihrung der Mes sung erforderliche Einrichtung
ist baulich einfach und in ihrer Wirkungsweise leicht verständlich. Sie arbeitet
fortlaufenden, nicht absatzweis, und befindet sich daher stets im Beharrungszustande,
Absatzweise zu verstellende Glieder. z. B. abwechselnd zu öffnende und zu schließende
Ventile, die erfahrungsgemäß leicht zu Störungen Anlaß geben, sind nicht vorhanden.
Infolge der einfachen Gestaltung und der stetigen, d. h. unterbrechungslosen Arbeitsweise
sind die Störungsmöglichkeiten gering. Infolgedessen gestaltet sich die Messung
sehr zuverlässig, und es ist eine große Meßgenauigkeit erreichbar.
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Wo Prüfgas in reichlicher Menge zur Verfügung steht, kann man auch
die Abmessungen der einzelnen Teile entsprechend groß wählen, so daß Schwierigkeiten,
wie sie bei sehr engen Ausflußöffnungen oder bei sehr Isleineil WIengenmessern (mit
entsprechend geringer Stellkraft) auftreten können, sicher vermieden werden.
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Weiterhin gestattet es das neue Meßprinzip, mittels einer verhältnismäßig
einfachen zusätzlichen Anordnung das Meßergebnis selbsttätig auf einen bestimmten
Normalzustand, z. B. Normaldruck. Normaltemperatur, des Prüfgases zu reduzieren,
indem die am Drehgeschwindigkeitsmeßgerät auftretende Meßgröße, welche das spezifische
Gewicht bzw. die Dichte des Gases bei dem jeweils herrschenden Zustand angibt, mit
dem Reduktionsfaktor (Verhältnis der Dichte eines Gases beim Normalzustand zur Dichte
desselben Gases beim jeweils herrschenden Zustand
) selbsttätig
multipliziert wird. Die Größe des Reduktionsfaktors wird dabei durch die jeweilige
Einstellung einer auf Zustandsänderungen, z. B. Druck und Temperaturänderungen,
des Prüfgases ansprechenden Einrichtung (Reduziergerät) bestimmt.
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Die Zeichnung zeigt verschiedene Beispiele von Einrichtungen zur
Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung.
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Bei allen dargestellten Beispielen strömt das Prüfgas durch eine
Leitung 3 einem auf dem Verdrängungsvorgang beruhenden Gasmengenmesser I mit umlaufender
Welle Im zu. Es verläßt diesen Gasmengenmesser durch eine Leitung 4, durchströmt
einen Druckregler 5, um von dort durch den Kanal 6 zur Ausströmdüse 7 zu gelangen.
Das durch die Düse ausgeströmte Gas wird durch die Leitung 8, z. B. in die Atmosphäre,
abgeleitet. Der Druckregler 5 hält den Überdruck des Prüfgases vor der Ausströmöffnung
7 gegenüber dem Druck hinter dieser Offnung, in der Regel Druck der Atmosphäre,
selbsttätig auf einer bestimmten Höhe. Im Bedarfsfalle kann der Druck des Prüfgases
mitteils eines durch einen Motor 9 angetriebenen Gebläses 10, welches dieses Gas
aus einer Zufuhrleitung 2 entnimmt und in die Leitung 3 fördert, auf die erforderliche
Höhe gebracht werden. In die Leitung 3 kann ferner ein weiterer Druckregler 15 etingeSCialbet
seine Im Beispiel nach Abb. 1 ist zur Messung der Drehgeschwindikeit der Gasmesserwelle
11 ein elektrodynamisches Anzeigegerät vorgesehen. Mit der Gasmessenvelle 11 ist
ein Dauermagnet 12 fest verbunden, zwischen dessen Polen ein Ring 13 aus elektrisch
gut leitendem Werkstoff, der auf einer Achse 14 festsitzt, schwingbar gelagert ist.
Die Achse I4 ist an das eine Ende einer Spiralfeder I6 angeschlossen, deren anderes
Ende festliegt und welche die Richtkraft liefert. Die Achse 14 trägt einen Zeiger
17, der vor einer Skala 18 spielt. Bei dieser Einrichtung wird der Ring I3 samt
Welle 14 und Zeiger I7 bei umlaufender Gasmesserwelle II um einen bestimmten Winkel
verschwenkt, dessen Größe von der Drehgeschwindiglceit der Welle II abhängig ist.
Dieser Winkel ist also ein Maß für das spezifische Gewicht des Prüfgases, das sonach
bei entsprechender Eichung des Gerätes unmittelbar an der Skala r8 abgelesen werden
kann.
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Die Einrichtung nach Abb. 2 unterscheidet sich von derjenigen nach
Abb. I durch Hinzufügung einer Reduziereinrichtung. In einer Erweiterung 35 der
zur Ausströmdüse 7 führenden Leitung 6 ist eine Membrandose34 eingebaut, welche
eine bestimmte Gasmenge einschließt und von dem die Leitung 6 durchströmenden Prüfgas
umspült wird. Bei Druck- und Temperaturänderungen des Prüfgases erfährt die Dose
34 eine Formänderung. im einen oder anderen Sinne, welche durch ein Gestänge 33
nach außen übertragen wird.
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Auf der Welle Im des Gasmengenmessers 1 sitzt eine ebene Reibscheibe
20, gegen welche ein Reibrad 21 angedrückt wird, dessen Achse senkrecht zur Welle
verläuft und das mit dem Gestänge 33 des Reduziergerätes 34 so verbunden ist, daß
es von diesem Gestänge 111 Richtung seiner Drehachse verschoben werden kann. Gegen
das Reibrad 21 wird eine zweite Reibscheibe 30 angedrückt, die auf einer Achse 31
sitzt, welche parallel zur Welle Im des Gasmengenmessers, aber auf der anderen Seite
des Reibrades 2I, liegt.
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Mit der Welle 3I ist das Gerät I2 bis IS zur Messung der Drehgeschwindigkeit
verbunden.
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Die Einrichtung wirkt wie folgt: Hat das Prüfgas den Normalzustand,
so hat das Reibrad 21 eine ganz bestimmte Lage zwischen den Reibscheiben 20 und
30; dadurch ist auch das Übersetzungsverhältnis zwischen den Wellen II und 3I bestimmt
und der vom Drehgeschwindigkeitsmeßgerät angezeigte Meßwert ist, ebenso wie beim
Beispiel nach Abb. I, unmittelbar ein Maß für die Gasdichte. Ändert sich der Zustand
des Prüfgases, so erfährt die Membrandose 24 eine Zusammenziehung oder Ausdehnung.
Demgemäß ändert sich auch die Stellung des Reibrades 21 zwischen den Reibscheiben
20 und 30 und demzufolge auch die Ubersetzung zwischen diesen Reibscheiben. Die
Anordnung ist so zu treffen, daß diese über setzungsänderung diene neue Meßgröße
ergibt, welche der Dichte des Prüfgases beim Normalzustand entspricht.
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Bei der Anordnung nach Abb. 3 ist auf die Welle 11 des Gasmengenmessers
1 eine ebene Reibscheibe 20 fest aufgesetzt. Gegen die Reibscheibe 20 wird der Rand
einer zweiten Reibscheibe2I angedrückt, deren Achse senkrecht Zur Welle 11 verläuft
und die mit einem Muttergewinde auf einer Schraubenspindel 22 sitzt, welche in den
Lagern 24, 25 gelagert ist. Die Schraubenspindel 22 wird ständig von einem Motor
23 (elektrischer Synchronmotor, Uhrwerk o. dgl.) angetrieben, dessen Welle 26 mit
konstanter Drehzahl umläuft.
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Auf den parallel zueinander liegenden Wellen 22 und 26 ist je eine
kegelige Riemenscheibe 27, 28 mit entgegengesetzter Steigung angeordnet; über diese
Scheiben läuft ein Riemen 29, der in einer Riemengabel 32 geführt ist.
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Die Riemenga1bel 32 ist in einer Führung 39 verschiebbar und an das
Gestänge 33 eines in der Erweiterung 35 der Leitung 6 angeordneten Reduziergerätes
34 angeschlossen. Mit einem in eine Eindrehung der Nabe des Reibrades 21 eingreifenden
Halsring 36 ist ein
Zeiger 37 verbunden, der vor einer Skala 38
spielt. Hat das die Leitung 6 durchströmende Prüfgas gerade den Normalzustand, so
nimmt die Riemengabel 32 eine ganz bestimmte Lage ein, dadurch ist auch die Drehgeschlvindiglieit
der Schraubenspindel 22 bestimmt. Das Reibrad 21 nimmt hierbei selbsttätig eine
Lage ein, die von der Drehgeschwindigkeit der Welle 11 des Gasmengenmessers I abhängt
und die somit auch ein Maß für die gesuchte Dichte des Prüfgases ist. Der Zeiger
37 kann deshalb diese Dichte an der Skala 38 unmittelbar anzeigen.
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Andert sich der Zustand des Prüfgases, so erfährt die Membrandose
34 eine Volumänderung, die sich auf die Riemengabel 32 überträgt und eine Verschiebung
des Riemens 29 im einen oder anderen Sinne zur Folge hat.
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Dadurch ändert sich das Übersetzungsverhältnis zwischen den Wellen
26 und 22 und somit auch die Drehgeschwindigkeit der letzteren. Demzufolge muß jetzt
auch das Reibrad 21 eine andere Lage auf der Spindel 22 einnehem. Die Änderung der
Übersettung zwischen den Wellen 26 und 22 im Verhältniszur Verstellung der Riemengabel
32 ist so zu bemessen, daß diese neue Lage des Reibrades 21 unmittelbar die auf
den Normalzustand reduzierte Dichte des Prüfgases wiedergibt.
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Bei der Anordnung nach Abb. 4 und 5 ist mit der Welle II des Gasmengenmessers
eine ebene Reibscheibe 20 fest verbunden. Mit dieser Reibscheibe arbeitet ein Reibrad
41 zusammen, das an das Gestänge 33 einer Reduziereinrichtung 34 so angeschlossen
ist, daß es sich gegenüber diesem Gestänge drehen, aber nicht axial verschieben
kann, daß also eine Verstellbewegung dieses Gestänges 33 eine entsprechende Verschiebung
des Reibrades 41 in Richtung seiner Achse zur Folge hat. Die Nabe 42 dieses Reibrades
41 ist längs verschieblich, aber drehfest mit einer Welle 43 verbunden, die in einem
festehenden Gehäuse 45 drehbar gelagert ist. Mit der Welle 43 ist ein Läufer 44
fest verbunden, der in axialer Richtung verlaufende Durchbrechungen 46 aufweist
und der von dem Gehäuse 45 mit möglichst geringem Spiel allseitig umschlossen wird,
so daß diese Durchbrechungen einzelne gegeneinander abgeschlossene Kammern 46 bilden.
Abb. 5 zeigt Gehäuse und Löufer im Querschnitt nach Linie V-V der Abb. 4. An die
untere Stirnwand 48 des Gehäuse 45 ist auf einer Seite der Welle 43 ein Flüssigkeitszulauf
50, der aus einer Überlaufkammer 54 gespeist wird, und auf der anderen Seite eine
Abflußleitung 51 angeschlossen. An die obere Stirnwand 49 des Gehäuses 45 ist über
der Einmündung der Leitung 50 eine Entlüftungsleitung 52 angeschlossen, die über
den Wasserspiegel der Überlaufkammer 54 hochgeführt ist, während über dem Auslauf
51 eine Belüftungsöffnung 53 vorgesehen ist. Der Auslauf 51 mündet in ein Gefäß
60, das mit einer Ausflußdüse 61 und einer Einrichtung, z. B. Flüssigkeitsstandglas
62 mit Skala 63. zum dessen des Flüssigkeitsstandes in diesem Gefäß versehen ist.
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Die Einrichtung wirkt wie folgt: Has das durch die Leitung 6 zur
Ausströmdüse 7 strömende Prüfgas den Normalzustand, so that das Reibrad 41 eine
bestimmte Lage relativ zur Reibscheibe 20, und ihre Drehgeschwindigkeit ist deshalb
unmittelbar ein Maß für die Dichte des Prüfgases. Beim Umlauf der Reibrolle 41 und
somit auch des Läufers 44 wird jede der Läuferkammern 46, die über die Einmündung
der Leitung 50 in das Gehäuse 45 gelangt, mit Flüssigkeit gefüllt; diese Kammerfüllung
kommt bei der Weiterdrehung über den Auslaß 51 und strömt in das Auslaufgefäß 60.
Die diesem Gefäß 60 in der Zeiteinheit zugeführte Flüssigkeitsmenge ist sonach der
Drehgeschwindigkeit des Reibrades 41 verhältnisgleich; die Anordnung einer Auslaufdüse
61 an diesem Gefäß 60 ermöglicht eine einfache Bestimmung dieser Flüssigkeitsmenge
durch Messung der jeweiligen Spiegelhöhe. Diese Spiegelhöhe, die beispielsweise
am Flüssigkeitsstandrohr 62 mit Hilfe der Skala 63 abgelesen werden kann, ist sonach
wieder ein Maß für die gesuchte Dichte des Prüfgases.
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Bei einer Änderung des Zustandes des Prüfgases wird das Reibrad 41
vom Gestänge 33 nach der einen oder anderen Richtung verschoben, wodurch sich das
Übersetzungsverhältnis des Reibradgetriebes 20, 41 entsprechend ändert. Die Größe
dieser Verschiebung wird so bemessen, daß diese Übersetzungsänderung genau der Änderung
entspricht, welche die Gasdichte infolge der Zustandsänderung erfährt, so daß nunmehr
die Drehgeschwindigkeit der Welle 43 bzw. die je Zeiteinheit geförderte Flüssigkeitsmenge
ein unmittelbares Maß für die auf den Normalzustand des Prüfgases reduzierte Dichte
dieses Gases ist.
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Sowohl die Drehbewegung des Gasmengenmessers als auch die Verstellbewegung
des Reduziergerätes können im Bedarfsfalle über Kraftverstärker (Relais) auf die
zu verstellenden Glider (Anzeige- oder Übersetzungsänderungsglieder) weitergeleitet
werden.
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Hierbei wird auch dann, wenn der Verstellwiderstand dieser letztgenannten
Glieder erheblich ist im Vergleich zu den an den erstgenanllten Geräten wirksamen
Isräften, eine zuverlässige Wirkung der Gesamteinrichtung und eine genaue Anzeige
erreicht.