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Vorrichtung zum Messen von pulsierend strömenden Gas-, Dampf-oder
Flüssigkeitsmengen
Bekanntlich stößt die bei ruhiger Strömung so gut wie fehlerfrei
durchführbare dynamische Bestimmung strömender Gas-, Dampf- oder Flüssigkeitsmengen
mittels Messung eines der Quadratwurzel aus dem an einer Drosselvorrichtung, z.
B.
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Düse, Blende, oder an einer Stauvorrichtung, z. B.
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Stauscheibe oder Pitotrohr, erzeugten Wirkdruck verhältnisgleichen
Ausschlages an einem der üblichen einfachen oder radizierend ausgebildeten Differenzdruckmesser
bei pulsierender Strömung, wie sie vor oder hinter Kolbenmaschinen besonders stark
auftritt, auf erhebliche Schwierigkeiten.
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Neben meist unübersichtlichen anderen, z. B. von den Einflüssen der
Weite und Länge der Zuleitung zur Drossel- oder Stauvorrichtung abhängigen, vorwiegend
auf Resonanzerscheinungen zurückzuführenden Fehlern, die positiv oder negativ auftreten,
ergeben sich aus der Notwendigkeit, den Wirkdruckmesser oder -schreiber zwecks Erzielung
ausgeglichener, gut ablesbarer Anzeigen oder planimetrierbarer Diagramme stark zu
dämpfen, auch noch die bekannten erheblichen, im Mittel stets positiven Fehler.
Die letzteren sind meist mathematisch berechenbar und daraus zu erklären, daß die
durch Dämpfung des Wirkdruckmessers oder -schreibers vor der rechnerisch oder mechanisch
durchgeführten Radizierung der pulsierendenWirkdrucke vorgenommene Mittelbildung
zu hohe Mittelwerte für deren Quadratwurzeln, also für die zu messenden Mengenströme,
ergibt, während bei einer Mittelbildung nach der Radizierung, d. h. durch Dämpfung
der für jeden einzelnen der noch nicht gedämpften pulsierenden Wirkdrucke gebildeten
Quadratwurzelwerte selbst, vollkommen richtige Nlittelwerte für diese nach der Radizierung
gedämpften und auf diese Weise gemittelten Wirkdruckwurzekverte, also auch für die
ihnen verhältnisgleichen Mengenströme, erzielt werden.
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Neben den vorherrschenden positivenWirkdrucken treten, verursacht
durch intermittierend (besonders bei Gasförderung durch eine einzige Kolbenmaschine)
vorkommende Rückströmungen in der Drossel- oder Stauvorrichtung, auch negative Wirkdrucke
auf. Diese bedeuten eine weitere, bisher nicht zu behebende Fehlerquelle. Die Fehlersumme
aus den positiven und negativen Pulsationen kann dabei bis zu 50 O/o und mehr der
gemittelten richtigen Mengenstromwerte ansteigen. Hieraus ergibt sich neben tunlichster
Vermeidung aller mit den Pulsationen resonanzfähigen toten Räume in allen Teilen
der Meßeinrichtung einschließlich der Zuleitungen zur Drossel- oder Stauvorrichtung
als Grundbedingung für eine fehlerfreie Messung die möglichst ungedämpfte Übertragung
der einzelnen, auch der durch die Rückströmungen erzeugten negativen Wirkdrucke
auf eine Anzeige- oder Registriervorrichtung, welche alle Wirkdrucke ohne Verwendung
träger Massen in eine zunächst ungedämpft radizierte elektrische Meßgröße umwandelt
und diese Meßgröße hinterher ausreichend dämpft.
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Alle bisher bekanntgewordenen, mittels mechanischer Radizierung verwirklichten
Meßvorrichtungen konnten diese an sich bekannte Grundbedingung nicht erfüllen, weil
schon in der mit trägen Massen behafteten mechanischen Radiziervorrichtung selbst
stets zu starke Dämpfung aller Wirkdruckausschläge und überdies meist noch vollkommene
Unterdrückung der durch die Rückströmungen erzeugten negativen Wirkdruckausschläge
auftrat oder frühzeitiger mechanischer Verschleiß der beweglichen Teile der Radiziervorrichtung
und ihrer Lager unvermeidlich war. Dies gilt besonders bei Gas- oder Dampfförderung
durch eine einzige Kolbenmaschine, wobei Höchstwerte bis zum Vierfachen und mehr
des Mittels aus den richtigen Momentanwerten des Wirkdrucks beobachtet worden sind.
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In der Technik, besonders in den große Gas-, Dampf- oder Flüssigkeitsmengen
mittels Kolbenmaschinen fördernden Betrieben, liegt daher ein dringendes Bedürfnis
vor, die Vorteile der für pulsationsfreie Strömung in ausgedehnten Druckbereichen
allgemein bewährten dynamischen Meßmethode mittels der bekannten, schon genormten
Drosselvorrichtungen (Düse, Blende) oder mittels der ebenfalls bekannten Stauvorrichtungen
(Stauscheibe, Pitotrohr) auch für die Messung pulsierend strömender Medien zugänglich
zu machen.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht dies nun ganz allgemein für
beliebige Drucke und die meisten technisch in Frage kommenden Temperaturen. Die
obenerwähnten Fehler, die sich an den üblichen, stark pulsierend auftretende Wirkdrucke
vor der Radizierung dämpfenden Meßgeräten, wie Flüssigkeits-U-Rohr, Druckwaage,Glockendifferenzdruckmesser
u. a., einstellen, werden erfindungsgemäß dadurch vermieden oder auf ein tragbares
Mindestmaß herabgesetzt, daß sowohl die in der Förderrichtung des zu messenden Mediums
erzeugten positiven als auch die entgegengesetzt dazu infolge intermittierender
schwächerer Rückströmungen auftretenden negativen Wirkdrucke auf eine die positiven
und negativen Wirkdrucke je für sich getrennt, mittels Steuerung eines elektrischen
Stromes, ohne Benutzung träger, mit Dämpfung und mechanischem Verschleiß behafteter
beweglicher Teile, auf optischem Wege ungedämpft radizierende elektrische Relaisvorrichtung
(im folgenden kurz mit Radizierrelais bezeichnet) naturgetreu übertragen werden.
Die in diesem Radizierrelais als elektrische Ströme gebildeten Quadratwurzeln aus
den positiven und negativen Wirkdrucken werden algebraisch addiert, und an einem
mit Dämpfungsvorrichtung versehenen Meßgerät werden elektrisch die pulsationsfreien
Mittelwerte aus diesen Quadratwurzeln und damit aus den zu messenden pulsierenden
Mengenströmen gebildet und als solche angezeigt oder aufgezeichnet.
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Um auch die von den intermittierend durch die Drossel- oder Stauvorrichtung
rückströmenden Mengen erzeugten negativen Wirkdrucke quantitativ richtig auf das
Radizierrelais übertragen zu können, werden nur solche Drossel- oder Stauvorrichtungen
verwendet, die in bezug auf die für die Erzeugung des Wirkdruckes maßgebende, zur
Strömungsrichtung senkrechte Ebene symmetrisch gebaut sind, d. h. als Drosseln solche,
die zu ihrem engsten lichten Querschnitt spiegelbildlich gleichen Ein- und Auslaufquerschnitt
haben, z. B. abgeänderte Normdüsen, bei denen der Auslauf gleich dem Einlauf gestaltet
ist, und als Stauvorrichtungen Stauscheiben oder Doppelpitotrohre. Zur möglichst
naturgetreuen, d. h. ungedämpften Übertragung der in einer solchen symmetrischen
Drossel- oder Stauvorrichtung erzeugten pulsierenden Wirkdruckausschläge dient (s.
Fig. I) eine druckdicht möglichst unmittelbar an das Drossel- oder Stauorgan angebaute
Doppelkammer DK, deren beide je mit einer der beiden Wirkdruckentnahmestellen zweckmäßig
über zwei Absperrorgane und ein Druckausgleich ventil für die Prüfung der Nulleinstellung
während des Betriebes verbundene Hohlräume durch eine möglichst ungedämpft bewegliche
elastische Membran Mt oder durch einen beweglichen, möglichst leichten, gefederten
Differenzkolben voneinander getrennt sind und aus der die pulsierenden Bewegungen
der Membran oder des Kolbens entweder unmittelbar über einen daran befestigten,
durch eine druckdicht verpackte Öffnung herausgeführten Stift S oder (Fig. 3) mittelbar
elektromagnetisch mittels eines an Stelle des Stiftes an der Membran oder dem Kolben
befestigten, in einer Wechselstromdoppelspule DSt bewegten Eisenkernes EKt nach
außen auf das Radizierrelais übertragen werden.
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Die ungedämpfte Radizierung der auf den Stift in erster Annäherung
linear übertragenen Wirkdrucke, die algebraische Summierung und Mittelbildung der
ihren noch voll pulsierenden Quadratwurzelwerten verhältnisgleichen elektrischen
Ströme wird durch das weiter unten näher zu beschreibende Radizierrelais folgendermaßen
durchgeführt (s.
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Fig. 1).
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Von dem Stift S werden zwei auf seiner Ver-
längerung
nach außen angebrachte oder bei elektromagnetischer Herausführung seiner pulsierenden
Bewegungen an einem elektromagnetisch durch eine Doppelspule DS2 synchron gesteuerten
Eisenkern EK2 befestigte, im folgenden als Pulsierblenden bezeichnete Blenden PBt
und PB, mit rechteckiger, zweckmäßig quadratischer Öffnung von einer den größten
pulsierenden Ausschlägen entsprechenden Weite quer zu zwei auf je einen Strahlungsempfänger
El und E2 gesammelten Licht-oder Wärmestrahlenbündeln B1 und B2 hin und her bewegt.
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Mit Hilfe zweier gleicher fester, kurz mit Radizierblenden bezeichneter
Blenden RBt und RB2 mit besonders dafür berechnetem Querschnitt (s. Fig. 2) wird
von der einen Pulsierblende PBt der von ihr durch die positiven Wirkdrucke für den
einen Empfänger E1 freigegebene Bündelquerschnitt, von der anderen, PB2, der von
ihr durch die negativen Wirkdrucke für den anderen Empfänger E2 freigegebene Bündelquerschnitt
so gesteuert, daß die jeweils in dem betreffenden Empfänger erzeugten Ströme den
Quadratwurzeln aus den positiven und negativen Wirkdrucken verhältnisgleich sind.
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Durch Gegeneinanderschalten der an den beiden Empfängern erzeugten
Spannungen werden diese (noch vollpulsierend) algebraisch addiert und an einem mit
einer dafür passend eingestellten Dämpfung versehenen Meßgerät MG die nun pulsationsfreien
Mittelwerte aus ihrer den Quadratwurzeln aus den Wirkdrucken und damit den zu messenden
pulsierend strömenden Mediummengen verhältni sgleichen Summe angezeigt oder aufgezeichnet
und gewünschtenfalls gezählt.
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Als Empfänger können Photoelemente, Photozellen oder Flächenbolometer
verwendet werden.
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Zur Erzeugung der beiden Strahlenbündel können je nach Art der gewählten
Strahlung handelsübliche Glühlampen mit kleinflächig eng nebeneinander angeordneten
Drahtwendeln, z. B. Projektionslampen (für Lichtstrahlenbündel), oder offene, schwächer
geheizte Bleche oder eng angeordnete Drahtwendel (für Wärmestrahlenbündel) benutzt
werden (s. St und &2 in Fig. I). Die beiden Strahlenbündel können auch von einer
gemeinsamen Strahlungsquelle erzeugt werden.
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Die strahlende Fläche oder, zwecks Ausgleichs von ihr anhaftenden
Unterschieden ihrer Leuchtdichte, eine von ihr beleuchtete Blende mit Mattscheibe
wird mittels Linse oder Hohlspiegels je auf eine der beiden Pulsierblenden abgebildet,
die in der Ruhestellung der Membran oder des Kolbens die beiden Bündel gegen die
beiden Empfänger vollständig abblenden. Bei vollem positivem oder negativem Ausschlag
geben beide Pulsierblenden beide Bündel für die volle Ausleuchtung der Radizierblenden
RBt bzw. RB2 und damit der Empfänger E1 bzw. E2 frei, die dann in Gegenschaltung
in dem angeschlossenen gedämpften Meßgerät M die Mittelwerte aus den Quadratwurzeln
der höchsten Wirkdrucke als pulsationsfreie Ausschläge anzeigen oder aufzeichnen.
In Fig. I ist bei o die Nullstellung, bei + der bei voller Ausleuchtung des Empfängers
E1 wirksame positive Ausschlag, bei - der bei voller Ausleuchtung des Empfängers
E2 wirksame negative Ausschlag der Radizierblenden RBt bzw.
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RB.2 dargestellt.
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Da die höchsten Ausschläge auf das Vierfache und mehr der höchsten
Mittelwerte anwachsen können, sind die Membran oder die Federung des Kolbens, ferner
die Meßbereiche aller weiteren Anordnungen bis zum elektrischen Meßgerät dementsprechend
höher als für ruhige Mengelaströmung zu bemessen.
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Die zweckmäßig unter Annahme linearer Ausschläge der Pulsierblenden
aus der Quadratwurzelbeziehung zwischen Ausschlag und freigegebenem Bündelquerschnitt
berechnete Randkurve der Radizierblenden (s. Fig. 4) ist zwecks Berücksichtigung
der wirklichen Verhältnisse, nämlich der nicht ganz linearen Ausschläge der Pulsierblenden
und der nicht linearen Charakteristik der Empfänger, empirisch so nachgearl)eitet,
daß sich am elektrischen Meßgerät den Mengenströmen möglichst genau gleiche Ausschläge
einstellen. Die Berechnung ergibt eine für die Nullstellung der Membran oder des
Kolbens ins Unendliche verlaufende Randkurve, wie sie in Fig. 2 für drei verschiedene
Endordinaten Yl Ys und Y6 = I, 3 und 6 mm skizziert ist. Sie ist natürlich praktisch
nicht so ausführbar.
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Erfindungsgemäß lassen sich nun doch praktisch hinreichend genaue
Radizierblenden einfach herstellen. indem das ins Unendliche verlaufende Stück der
berechneten Randkurve so weit durch eine kurze Parallele zur Bewegungsrichtung der
Pulsierblenden abgeschnitten wird, daß die Länge des noch übrigbleibenden Stückes
etwa gleich der Gesamtlänge der Blendenöffnung wird (s. Fig. 4, 2 und 5).
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Die dabei entstehenden Fehler sind, bezogen auf einen praktischen,
z. B. über eine Arbeitsschicht oder über einen Tag zu nehmenden Mittelwert, an sich
geringfügig und werden durch die in dem davon am stärksten betroffenen Gebiet der
kleinsten Wirkdrucke bei den Rückströmungen mit entgegengesetztem Vorzeichen auftretenden
gleichen Fehler teilweise kompensiert. Die noch verbleibenden, über den ganzen Meßbereich
verteilten kleinen Fehler, die mit wachsendem Ausschlag abnehmen, kann man durch
eine kleine Verstellung des Zeigers gegenüber dem elektrischen Nullpunkt des Meßgerätes
bis auf einen ganz kleinen Bereich in der Nähe des Nullpunktes vollkommen beseitigen.
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Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, zur Vermeidung der zeichnerisch
und feinmechanisch schwer genau herzustellenden scharfen Steilheit nahe der Nullstellung
(s. Fig. 4) jede Radizierblende als eine aus einem oder noch besser aus zwei oder
drei symmetrisch begrenzten Teilen bestehende Blende auszuführen, weil dadurch die
Ordinaten entsprechend kleiner, die Steilheiten geringer und die Blenden genauer
herstellbar werden. Fig. 2 und 5 zeigen eine einfach-, Fig. 6 eine dreifachsymmetrische
Blende.
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Eine noch höhere Genauigkeit der Herstellung läßt sich dadurch erreichen,
daß man die Radizierblenden größer als die strahlungsempfindlichen
Flächen
der Empfänger ausführt, z. B. linear zweibis dreimal so groß, in passender Entfernung
von den letzteren in das dafür ausreichend breit angelegte Strahlenbündel einbaut
und auf den Empfängern passend verkleinert abbildet.
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Das Radizierrelais ist bis auf eine Offnung für den Pulsierblendenanschluß
an den pulsierenden Membran- oder Kolbenstift geschlossen in einem Schutzgehäuse
unmittelbar an die eine Hälftc der Doppelkammer Kangebaut. Bei elektromagnetischer
Übertragung der Pulsationen mittels eines innerhalb der Doppelkammer beweglichen
Eisenkerns EK1 (s. Fig. 3) ist es vollkommen geschlossen in beliebiger Entfernung
in einem der Überwachung besser zugänglichen Raum, z. B. in einer Meßwarte, aufgestellt.
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Die elektromagnetische, in an sich bekannter Weise durchgeführte
Übertragung (s. Fig. 3) der pulsierenden Bewegungen des Eisenkerns EK mittels eines
diesem koaxialen festen Wechselstromdoppelspulensystems DS1 als Geber erfolgt mit
Hilfe von drei Leitungsdrähten über ein zweites, gleichartiges, in dem Radizierrelais
befestigtes Spulensystem DS2 auf einen mit diesem System koaxialen, die beiden Pulsierblenden
bewegenden Eisenkern EK2 als Empfänger. Der letztere wird durch die von dem Geber
kommenden Spannungsänderungen in dem Empfängerspulensystem DS2 gegen eine ihn in
der Ruhelage haltende Feder hin und her bewegt. Als die die Richtkraft gebende Feder
kann z. B., wie in Fig. 3 dargestellt, eine elastische Membran M2 dienen. Mittels
einer solchen elektromagnetischen Übertragung ist es möglich, die Pulsationen der
Pulsierblenden gegenüber denen der Membran oder des Kolbens auf das Mehrfache zu
vergrößern, wodurch günstigere Abbildungsverhältnisse auf die Empfänger erzielt
werden können.
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PATENTANSPROCHE: I. Vorrichtung zum Messen von pulsierend durch eine
Rohrleitung strömenden Gas-, Dampf-oder Flüssigkeitsmengen mittels gedämpfter Anzeige
oder Aufzeichnung der Quadratwurzel aus den pulsierenden Wirkdruckausschlägen, die
an einer zwischen den Wirkdruckabnahmestellen einer in die Rohrleitung eingebauten
Drossel- oder Stauvorrichtung angebrachten elastischen Membran oder an einem leichten,
gefederten Differenzkolben erzeugt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel-
oder Stauvorrichtung in bezug auf die für die Erzeugung des Wirkdruckes maßgebende,
zur Strömungsrichtung senkrechte Ebene symmetrisch ist, von der Membran oder dem
gefederten Differenzkolben zwei als Licht- oder Strahlungstore in einem optischen
radizierenden Relais (Radizierrelais) wirksame Blenden (Pulsierblenden) bewegt werden,
die in diesem Relais die Querschnitte je eines auf je einen Licht- oder Strahlungsempfän
ger (z. B. Photoelement) konzentrierten Licht-oder Strahlenbündels so steuern, daß
das eine Bündel eine der Quadratwurzel aus den positiven, das andere eine der aus
den negativen Wirkdruckausschlägen verhältnisgleiche Spannung je an einem der beiden
Strahlungsempfänger erzeugt, durch elektrische Gegeneinanderschaltung dieser Spannungen
deren algebraische Summe gebildet und daß diese in einem gedämpften elektrischen
Meßgerät als der gesuchten, pulsierend strömenden Mediummenge verhältnisgleiche
Größe pulsationsfrei angezeigt oder aufgezeichnet wird.