-
Vorrichtung zum Messen von Gasen
Zur Messung von Gasmengen wurden bisher
hauptsächlich zwei Wege bevorzugt. Einmal die direkte Messung einzelner Gasvolumina
und deren Addition, wie bei der sog. Gasuhr, den Volumenmessern mit hin und her
gehendem oder rotierendem Kolben, solchen mit ovalen Zahnrädern u. dgl., ein andermal
die indirekte Messung von durch verengte Querschnitte (Düsen) strömenden Gasmengen
mittels der Druckdifferenz; die Auswertung der l)ruck(lifterenz erfolgt vielfach
durch eine Ringwaage in Verbindung mit einer möglichst alle Faktoren berücksichtigenden
Registriereinrichtung.
-
ßei der Messung kleiner Gasmengen, die z. B. auch bei Arbeiten mit
hohen Drücken vorkommen, versagen bisher alle bekannten Systeme obengenannter Art,
die Gasuhr wegen ihrer baulichen Verhältnisse bei höheren Drucken, die Volumenmesser
wegen ungenügender Abdichtung und Reihung und die Str»mungsmesser wegen Fehlwerten
und Verstopfungen der zu klein werdenden Düsen.
-
Die Schwimmermesser nach Art der Rotamesser zeigen nur die momentan
durchfließende Gasmenge an und ergeben nicht die in einem größeren Zeitraum verbrauchte
Gasmenge. Man hat auch versucht, ganz geringe Gasmengen, unterteilt durch Quecksilbertropfen,
in einem Rohr fließen zu lassen und durch Kontaktgaben zu zählen, jedoch ergaben
solche Instrumente Meßfehler bis IOO/o, was für eine exakte Messung untragbar ist
(vgl. Zeitschrift Chemie-Ingenieur-Technik, Jahrgang 1949, S. 473 und 474).
-
Zur Lösung der Aufgabe mußten daher andere Mittel gefunden werden.
-
Die der Erfindung zugrunde liegende neue Vorrichtung kennzeichnet
sich dadurch, daß bei an sich freiem Gasdurchfluß unter Vermeidung'beweglicher Teile
kleinste stets gleichbleibende Gasvolumina durch eine pendelnde Flüssigkeitssäule
abgemessen
und gezählt werden. Das Zählen der einzelnen Hübe, welche die auf und ab pendelnde
Flüssigkeitssäule ausführt, kann auf verschiedene Weise erfolgen, z. B. durch Schließen
oder Unterbrechen eines elektrischen Stromes zwischen Kontaktstiften zu Beginn oder
am Ende eines Hubes der Flüssigkeitssäule, je nachdem die Flüssigkeit elektrisch
leitend oder nichtleitend ist. Wegen der bekannten nachteiligen elektrochemischen
Nebenwirkungen derartiger Kontakteinrichtungen werden jedoch bei der vorliegenden
Erfindung optische bzw. lichtelektrische Einrichtungen zur Durchführung des Zählvorganges
bevorzugt.
-
Im folgenden wird die neue Vorrichtung und ihre Wirkungsweise an
Hand eines in den Abb. I bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiels beschrieben.
-
I)ie Abb. 1 zeigt ein betriebsbereites Meßinstrument im Ruhezustand,
wobei entweder kein Gas verbraucht wird oder das von einem nicht dargestellten Vorratsbehälter
kommende Gas durch das Anschlußrohr I, das offene Ventil 2 und das Abführungsrohr
3 ungemessen zu einer nicht dargestellten Verbrauchsstelle strömt. Das U-Rohr 4
ist mit irgendeiner Flüssigkeit (Wasser, Ö1, Benzin, Schwefelsäure, Trikresylphosphat
usw.), die auch gefärbt sein kann, so weit angefüllt, daß das V-förmige oder auch
U-förmige Verbindungsrohr 5, welches zwischen den beiden Schenkeln des U-Rohres
4 eine Verbindung herstellt, ebenfalls bis zur Höhe seines kürzeren Schenkels mit
Flüssigkeit gefüllt ist.
-
Die Abb. 2 zeigt ein Meßinstrument im Betriebszustand, während bei
geschlossenem Ventil 2 das durch Anschlußrohr I einströmende Gas die Flüssigkeit
im linken Schenkel des U-Rohres 4 so weit herabgedrückt hat, daß auch die Sperrflüssigkeit
im linken Schenkel des Verbindungsrohres 5 bis zur tiefsten Stelle eines Flüssigkeitssackes
6 herabgedrückt wurde. Infolgedessen tritt Gas durch die Offnung 7 des verstellbaren
Schiebers 8 von unten her in den rechten Schenkel des Verbindungsrohres 5 und schiebt
die darin befindliche Flüssigkeitssäule vor sich her nach oben. Dementsprechend
muß das Verbindungsrohr 5 eng gehalten werden, andernfalls sich Gasblasen an der
Flüssigkeitssäule vorbeidrängen. Die Sperrflüssigkeit ergießt sich dann in den rechten
Schenkel des U-Rohres 4, und das Gas entweicht durch das Abführungsrohr 3 zur Verbrauchsstelle.
In diesem Augenblick des Druckausgleichs kehrt die ungleich hohe Flüssigkeitssäule
im U-Rohr 4 schnellstens in ihre Ruhelage zurück und schiebt dabei, vergleichsweise
wie ein Pumpenkolben, das Gasvolumen aus dem Meßraum 9 durch das Verbindungsrohr
5 in den rechten Schenkel des U-Rohres 4, von wo es zum Abführungsrohr 3 gelangt.
Diese Gasverdrängung dauert so lange, bis die rückpendelnde Flüssigkeitssäule die
Einmündungsstelle des linken Schenkels vom Verbindungsrohr 5 in dem linken Schenkel
des U-l?ohres 4 erreicht, etwas überschritten und das Verbindungsrohr 5 wieder mit
Flüssigkeit bis zur gleichen Höhe angefüllt hat, wonach der Flüssigkeitsspiegel
an der Einmündungsstelle zur Ruhe kommt und dem Gas jeder Ausweg versperrt ist.
-
Damit ist die obere Grenze des Meßraumes g festgelegt, das Gas drückt
die Flüssigkeit wieder abwärts, das Arbeitsspiel beginnt von neuem, und der Flüssigkeitsspiegel
erreicht die untere Grenze des Meßraumes 9, zu dem auch der linke Schenkel des Verbindungsrohres
5 gehört. während die Entleerung des Meßraumes durch die in Abhängigkeit von der
Schwere zurückpendelnde Flüssigkeitssäule sehr rasch erfolgt, richtet sich die Füllgeschwindigkeit
nach dem mehr oder weniger großen Gasverhrauch. Bei schnellerem Arbeiten eines solchen
Instrumentes ist der'die untere Grenze des Meßraumes 9 bildende Flüssigkeitsspiegel
bestrebt, sich im verhältnis zur tiefsten Stelle des Verbindungsrohres 5 zunehmend
tiefer einzustellen. Dem wird dadurch entgegengewirkt, daß im Wassersack 6. der
Schieber 8 mit der öffnung 7 entsprechend höher eingestellt wird, während die untere
Grenze des Meßraumes durch ein Schauglas 10 festgelegt ist und überwacht wird.
-
Durch die Verlagerung der Öffnung 7 wird der zum Meßraum gehörige
Inhalt des linken Schenkels von Verbindungsrohr 5 geringfügig verändert, dies kann
durch Ausbildung des Schielers 8 z. B. als Differentialkolbenschiel) er oder durch
entsprechende Einregulierung des Stellkolbens 11, der zur Feineinstellung der Meßraumgröße
auf volle Kubikzentimeter dient, ausgeglichen werden. Ein Schauglas 12 gestattet
die Festleguiig uiid Überwachung der oberen Meßraumgrenze, Der Druck im Meßraum
9 ist um den hydrostatischen Höhenunterschied der beiden Flüssigeiutsspiege im U-Rohr
4 größer und ist bei niedrigen ruckeln später hinsichtlich Angabe der gemessellen
Gasmenge in bezug auf den atmosphärischen Druck zu berücksichtigen; bei höheren
1ruckeu. z. B. bei 100 atü,. ist dies kaum erforderlich, um so mehr aber bei Anwendung
dieser Meßvorrichtung im Vakuumbereich.
-
Der Meßraum ist somit eine genaue gleichbleibende Größe, die auf
eine leicht zählbare Zahl, z. B. 2, 5, 10 cm3 usw. oder auf Liter gebracht wird,
so daß die ihn stäiidig auffüllenden Volumina fortlaufend gezählt und addiert werden
können. Dies ist in folgender weise vorgesehen.
-
Durch zwei gegenüberliegende Fenster 13 und 14 an der unteren Greiize
des Meßraumes 9 9 fallen die Lichtstrahlen einer Lichtquelle 15 auf eine dadurch
elektrisch leitend werdende Selenzelle I6 oder auf eine sog. Photozelle, sobald
durch das Nbsinken der gegebenenfalls dunkel gefirl) ten Flüssigkeitssäule der Lichtdurchtritt
freigegeben wird. Die Fenster I3 und 14 können aller auch iii jeder beliebigen Höhe
des Meßraumes 9 bis zu seiner oberen Grenze angeordnet sein. Sobald infolge der
lichtelektrischen \Virkung ein Solenoid oder ein Magnet 17 von einer Stromquelle
18 erregt wird, tritt ein Kern oder Ander 19 in Tätigkeit.
-
An Stelle der direkten Stromschaltung können mittels der lichtelektrischen
wirkung auch Relais, gegebenenfalls mit verzögerter ausschaltung.
betätigt
werden. die die weiteren Schaltungsarbeiten übernehmen. Der Kern 19 wird gegen die
Kraft einer l)ruckfe(ler 20 gezogen und schlägt bei Stromausschaltung wieder gegen
einen Niischlag 21 zurück. Damit wird eine Zahnstange 22, die am Kern 19 befestigt
ist, betätigt und dreht mittels eines Zalinrades 23 und eines Sperrades 24 ein Reibrad
25 eines Reibradgetriebes ständig in gleichem Drehsinn, wobei eine Klinke 26 als
Mitnehmer für das Reibrad 25 und eine Klinke 27 als Gegensperre dieneii. Es sei
festgelegt, daß das Reibrad 25 für 10 cm3 jeweils eine Umdrehung ausführe. Beträgt
nun die Größe des Meßraumes 9 2 cm3. dann muß das Zahnrad 23 und der Hub der Zahnstange
22 so bemesssen sein, daß das Reibrad 25 bei fünfmaliger Betätigung der Zahnstange
22 eine umdrehung ausführt, und faßt der Meßraum z. B. 5 cm3, dann ist eine zweimalige
betätigung für eiiie Umdrehung des Reibrades 25 nötig; für 10 cm3 Meßraum ist also
eine einmalige Betatigung für eine Umdrehung des Reibrades 25 erforderlich. In ähnlicher
Weise wird bei größeren Meßräumen vorgegangen, so daß für eine Potenz von Zehn stets
eine Umdrehung des Haupttriebrades gewählt wird. Das Reibrad 25 versetzt ein ebenso
großes Reibrad 28 auf der Achse eines Zählwerkes 29 in Umdrehung, so daß von letzterem
10 cm3 bei einer Umdrehung angezeigt werden.
-
Dies trifft aber nur für 1 ata zu. Daher ist die Deckplatte des Zählwerkes,
welche ein Komma trägt, oder entsprechend z. B. farbig markiert ist, verschiebbar
angeordnet und wird für die Druckliereiche entsprechend jeder Potenz von Zehn um
eine Srtelle nach rechts verstellt. Das getriebene Reibrad 28 wird gemäß dem Gasdruck
entweder durch eine Stellschraube 30 oder selbsttätig durch ein Manometerwerk 31
derart eingestellt, daß die Untersetzung im Reibradgetriebe z. B. zwischen 1 und
10, 10 uiid 100 ata usw. liegenden Betriebsdruck stufenlos angepaßt ist. Die Achse
des Zählwerkes und Reibrades 28 ist nur der deutlichen Darstellung wegen oberhalb
der Achse des Reibrades 25 gezeigt. l)as in £\l>l). 2 dargestellte Zählwerk zeigt
beispielsweise die einstellung der Deckplatte für Betriebsdrücke bis 10 ata und
die stellung der Ziffernrolleii, nachdem ein Meßraum von 10 cm3 bei 7 ata eiiinial
gezählt ist. Würde der Druck 70 ata betragen haben, dann wäre die Deckplatte wegen
der zweiten Potenz von Zehn um eine stelle weiter nach rechts eingestellt, denn
70 liegt zwischen 10 und 100, und es wurden 700 cm3 richtig angezeigt. Für den Meßbereich
von 10 bis 100 ata ist wie überall bei Druckanzeigern auch hier ein entsprechendes
Manometerwerk zu verwenden, das Reibradgetriebe aber kann bestehenbleiben, denn
der Bereich des Untersetzungsverhältnisses bleibt immer zwischen 1 und 1/10, indem
das Reibrad 28 vom äußeren Umfang des gleich großen Reibrades 25 nach dem Mittelpunkt
hin verstellt wird. Bei selbsttätiger Verstellung durch ein Manometerwerk werden
auch Druckschwankungen und veränderte Dauerdrucke selbsttätig und richtig berechnet,
und das Meßergebnis entspricht der Wirklichkeit. Statt einer Untersetzung ins Langsame
kann man z. B. für die Werte bis zum Fünffachen auch eine Übersetzung ins Schnelle
wählen, etwa für Drucke bis 5, 50 oder 500 atü, das Reibrad 28 erhält dann l/5 des
Durchmessers vom Reibrad 25, und ersteres treibt die Einerziffernrolle mit gleicher
Drehzahl, während es durch das Manometerwerk stufenlos gemäß dem Druck eingestellt
wird. Ein Verstellen der Deckplatte am Zählwerk erfolgt dabei nicht im Druckbereich
bis Io ata, erst im Druckbereich von 10 bis 100 ata wird die Deckplatte um eine
Stelle nach rechts geschoben.
-
Zur Richtigstellung der Meßergebnisse bezüglich einer bestimmten
Bezugstemperatur und hinsichtlich der Abweichung der verschiedenen Gase vom Boyle-Äfarioette'schen
Gesetz, besonders bei höheren »rücken, hat noch eine Multiplikation mit entsprechenden
Tabellen- und Kurvenwerten zu erfolgen, was erfindungsgemäß ein zusätzliches Getriebe
und/oder ein mechanischer Einstellfaktor am Manometerwerk bewerkstelligt.
-
Außer dem Zählwerk für die Gasmenge ist zweckmäßig ein Hubzählwerk
mit der Zahnstange 22 verbunden, was der Eichung und Nachkontrolle dient.
-
In Abhängigkeit vom lichtelektrischen Stromkreis und/oder in Verbindung
mit dem Zählwerksmechanismus kann erfindungsgemäß eine Anzeigevorrichtung für Ablesen
der augenblicklich durchströmenden Gasmenge und eine schreibende Registriervorrichtung
dafür und für die in größeren Zeitabschnitten gemessenen Gasmengen betrieben werden.
-
In Abb. 3 isteine Ausbildung des Meßraumes 9 als besondere Meßkammer
gezeigt, wobei der Meßraum nach unten und oben durch die Fenster I3 und' 14 begrenzt
wird. Bei dem ständigen Füllen und Entleeren der Meßkammer werden die von einer
Lichtquelle 15 auf eine Selen- oder Photozelle I6 treffenden Lichtstrahlen periodisch
schwächer oder stärker. Diese Impulse werden dann fortlaufend in bekannter Weise
durch ein Registrierinstrument aufgeschricben und ergeben ungefähr eine Linie in
Form der Kurve 32, wobei die kurze I>eriode des Gasausschubes infolge der rasch
rückpendelnden Flüssigkeitssäule, durch die fast senkrecht verlaufenden Kurvenstücke
dargestellt wird. An Stelle eines U-Rohres kann auch eine andere Bauweise treten,
z. B. eine Kammer mit darin angeordnetem Tauchrohr.