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Verfahren und Vorrichtung zum Messen des Standes, der spezifischen
Gewichte und Temperaturen von in Behältern befindlichen Flüssigkeiten
In der chemischen
Industrie, die mit Flüssigkeiten arbeitet, ist es erforderlich, die Dichte und Temperatur
oder beides von in größeren Behältern aufbewahrten Flüssigkeiten kennenzulernen.
Diese physikalischen Größen können sich in Abhängigkeit der Höhenlage ändern. Mitunter
ist es auch nötig, die Trennungsebene von zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten verschiedener
Dichte, beispielsweise von Benzin und Wasser, zu erfahren. Schließlich ist noch
die \ngal>e der Höhe der aufgespeicherten Flüssigkeit über dem Behälterboden
erforderlich.
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I)iese Messungen der Höhe des Flüssigkeitsspiegels des spezifischen
Gewichtes und der Temperatur sind, außer für andere Zwecke, unerläßlich zur Ermittlung
des Volumens, des mittleren spezifischen Gewichtes und infolgedessen des Gewichtes
der aufgespeicherten Flüssigkeit. Zur Zeit werden derartige Messungen mit oft nur
ungenügender Annäherung oder mit komplizierten Methoden gemacht.
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I)ie Erfindung bezweckt, ein einfaches Gerät für die Industrie zu
schaffen, das mit großer Genauigkeit die Höhe der in einem Behälter aufgespeicherten
Flüssigkeit zu messen gestattet oder die Höhe des Flüssigkeitsspiegels einer anderen
Flüssigkeit von verschiedenem spezifischem Gewicht, die mit der ersteren nicht mischbar
ist, ferner Temperatur und spezifisches Gewicht der aufgespeicherten Flüssigkeit,
und zwar in jeder Höhenlage über der Bodenfläche. Hierdurch ist es durch einfache
und übliche Rechnung möglich, das mittlere spezifische Gewicht
zu
erhalten, die mittlere Temperatur. das Volumen nn(l Gewicht der Flüssigkeitsmenge.
und zwar insgesamt oder zwischen beliebigen Höhen.
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I)ies wird bei einem Gerät zum Dessen des Standes. der spezifischen
Gewichte und Temperaturen von in einem Behälter aufbewahrten Flüssigkeiten dadurch
erreicht, daß erfindungsgemäß ein Kolben -orgesehen ist, dessen waagerechte Ausdehnung
seine senkrechte wesentlich übersteigt und dessen Dichte größer als die der zu messenden
Flüssigkeit ist, sowie eine automatische Waage, deren einer Waagebalken durch ein
Seil mit dem Kolben verbunden ist und Mitteln zur Veränderung der Seillänge, ohne
daß diese Längenänderung das Gleichgewicht der Waage beeinflußt. I)ie Waage ist
vorzugsweise über dem Behälter angeordnet und mit einer \'orrichtung versehen, die
in geeigneten Einheiten einerseits das Maß des Einflusses des Kolbens auf ctie Waage
andererseits die Länge des Seils zwischen dem Waagebalken und dem Kolben anzeigt
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, und zwar
zeigt Abb. 1 1 und 2 eine schematische I)arstellun,g des Gerätes von vorn und von
der Seite, Abb. 3 eine Drauftsicht auf den Kolben.
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Bei der in der Zeichnung dargestellten Vorrichtung bezeichnet I das
Dacih eines Behälters, 2 seinen Bonden 3 die Höhe des Flüssigkeitsspiegels von Benzin
und 4 die Höhe des darunterliegenden Wasserspiegels. Mit 5 ist der Vaagebalken einer
automatischen Waage geeigneter Ausbildung bezeichnet. an deren Armen zwei Rollen
6 und 6' angebracht sind, die auf Kugellagern laufen. Das von der Waage angezeigte
Gewicht wird auf dem Zifferblatt 7 abgelesen. Die Art der Verbindung zwischen dem
Waagebalken und dem Zeiger des Zifferblattes 7 ist an sich bekannt und daher in
den Zeichnungen nicht dargestellt.
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Auf jeder der Rollen 6 und 6' läuft im gleichen Sinn ein dünnes Metallseil
8 bzw. 8', dessen eines Ende auf einer der beiden gleichen Trommelwinden 9, 9' befestigt
ist, während das andere Ende für das Seil 8 den Kolben 10 und für das Seil 8' das
Gegengewicht II trägt, und zwar derart, daß diese heiden Gewichte Io und 11 sich
beständig in derselben Höhe über dem Boden des Behälters 2 i)efindeli, wenn man
sie heraufzieht oder abläßt. Zu diesem Zweck sind die beiden Trommeln durch eine
gemeinsame feste Welle 12 verbunden, die durch eine Handkurbel I3 bewegt wirdl.
Diese Welle hat zwei mit Gewinde versehene Teile, die in fes-ten Aluttern 14 bzw.
I4' sich derart bewegen, daß bei i3ewegung der Winde im einen oder anderen Sinne
die beiden Trommeln um das gleiche Maß nach rechts oder nach links vorrücken, so
daß die beiden parallelen Seilstränge, der aufsteigende und der ab. steigende, des
Seiles 8 und 8' in derselben Ebene verharren. Die Welle 12 trägt ferner eine Schneckenverzahnung
I5, die einer Schraube mit der Steigung0 entspricht und deren Verzahnung mit dem
Ritzel I6 zusammen arbeitet, das einen Zeiger trägt. der über Zifferblatt I7 die
Höhe des Kolbens und seines Gegengewichtes über dem Behälterboden anzeigt.
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Die Drehbewegung der Winde kann durch ein geeignetes bekanntes Mittel
nicht umkehrbar ge. macht werden.
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Der Kolben 10 bat einen nennenswert größeren Durchmesser als Dicke.
In Luft ist sein Gewicht durch das Gegengewicht ii ausgeglichen. da es aus einem
Metall von größerem spezifischem Gewicht besteht. Beim Eintauchen in eine Flüssigkeit
unterliegen die beiden Teile dem Auftrieb, und die Waage zeigt eine Gewichtsänderung
an, die dem Unterschied ihrer Volumen multipliziert mit der Änderung des spezifischen
Gewichtes der Flüssigkeit entspricht. Das Zifferblatt 7 hesitzt eine Eichung in
spezifischen Gewichten. Man kann so für jede auf der Skala I7 angegebene Höhe auf
der Skala 7 das spezifische Gewicht eines bestimmten horizontalen Flüssigkeitsabschnitts
ablesen, dessen Höhe der Dicke des Kolbens 10 entspricht. der in diesen Flüssigkeitsabschnitt
gebracht wurde.
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Wie man sieht, können Ungleichförmigkeiten in der Geschwindigkeit
der Gewindedrehung, die bei Handbetrieb unvermeidlich sind, die Waage nicht beeinflussen,
da die von ihnen auf die beiden Arme des Waagebalkens ausgeübten Momente gleich
und entgegengesetzt sind.
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Um Meßfehler infolge von Konvektionsströmungen in der Flüssigkeitsschicht
zu vermeiden, sind der Kolben 10 und das Gegengewicht r I durch senkrechte Metallzylinder
I8 hzw. 20 geschützt, welche, wie bei 19 angedeutet, mitOffnungen versehen sind
und durch diese über ihre ganze Höhe das Röhreninnere mit der oder den Flüssigkeiten
des Behälters in Verbindung bringen.
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Das Gegengewicht 2 kann derart ausgebildet werden, daß es ein thermoelektrisches
Element bildet.
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Wenn die gespeicherte Flüssigkeit homogen ist, ist es gleichfalls
zweckmäßig, ein fest angeordnetes Fernthermometer bekannter Art vorzusehen, und
zwar im unteren Teil des Behälters, wenn er nur die flüchtige Flüssigkeit ent'hält,
und im oberen Teil des Behälters, wenn er mit hydraulischem Ausgleich versehen ist.
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Bringt man den Kolben 10 in die Höhenlage des festen Thermometers,
so bestimmt man das spezifische Gewicht der Flüssigkeit für die von dem Thermometer
angezeigte Temperatur. I)a die wände rung des spezifischen Gewichtes der zu messenden
Flüssigkeit als Funktion der Temperatur bekannt ist, gibt die obengenannte Messung
das mittlere spezifische Gewicht der Flüssigkeit im Behälter wieder, wobei die Waage
in diesem Falle lediglich zum Messen der Höhe der aufgespeicherten Flüssig keit
dient, gegebenenfalls auch derjenigen des darunter befindlichen Wassers. d. 11.
zur Ermittlung des Flüssigkeitsvolumens.
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Der in Abb. 3 dargestellte Kolben besitzt senkrechte Offnungen, durch
die die beiden gegenüber liegenden Oberflächen in Verbindung stehen; sie gestatten
den Durchgang einer gewissen Flüssigkeitsmenge, wenn der Kolben niedergeht, und
vermeiden so seitliche Schwingungen, die der hydro-
dynamische Widerstand
der Flüssigkeit sonst dem Kolben aufdrücken könnte. Es ist darauf hinzuweisen, daß
(ler Kolben so ausgebildet sein muß daß sein Volumen durch den hydrostatischen Druck,
den er aufnehnwn muß, keine nennenswerte Verminderung erfährt; dies kann beispielsweise
durch Ver-1 indniig seiner oberen und unteren Oberfläche durch senkrechte, geeignet
verteilte Verbindungsöffnungen 39 gescheheii der indem man den Kolben aus Holz mit
metallisierter Oberfläche herstellt.
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1) ie durchgeführten Messungen können graphisci festgehalteti werden.
Dies hat den Vorteil, daß das spezifische Gewicht und die Temperatur als Funktion
der Flüssigkeitshöhe über dem Behälterboden largestellt werden können, beispielsweise
indem auf dem für die Registrierung verwendeten Papier in gleidhem .\bstand rechtwinltlig
zur Abszisse verlaufende Geraden aufgetragen werden, sofern die Koordinaten rechtwinklig
sind, oder durch Vektoren, die durch gleiche Winkel getrennt sind, wenn ein Polardiagramm
verwendet wird. In beiden Fällen zieht die Trommel g das Papier proportional zum
Absinken der Teile 10 und 11 weiter, derart, daß die Kurven für Temperatur und spezifisches
Gewicht laufend mit Merkzeichen in bezug auf die Höhe der Flüssigkeitskurve versehen
werden. Die partielle oder totale Integration dieser Kurven gibt die mittlere Temperatur
und das mittlere spezifische Gewicht zwischen den gewählten Grenzwerten: Mit genügender
Aiinäherung kann man in vielen Fällen die fraglichen Mittelwerte erhalten, ohne
zu einer Integrationsvorrichtung seine Zuflucht nehmen zu müssen, indem man aus
dem Kurvenblatt eine passende Anzahl von Einzelwerten entnimmt und deren aritmetisches
Mittel ausrechnet.
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Das Registriergerät kami beliebiger bekannter Art sein und soll an
sich nicht Gegenstand der Ertindung seill; es ist daher weder beschrieben noch in
der Zeichnung dargestellt. Dagegen bildet die graphische Aufzeichnungsmethode einen
wesentlichen Bestandteil der Erfindung im folgenden Falle: Hat der Behälter nicht
an allen Stellen gleiche Höhe und damit einen horizontalen Flüssigkeitsspiegel,
so kann die Meßvorrichtung gemäß der Erfindung ebenfalls angewendet werden; um aber
die erwähnten Mittelwerte zu enthalten, wären langwierige Rechnungen nötig, um die
aus dem Diagramm für jede Höhenlage gewonneiien Teilwerte auf eine gleiche horizontale
Höhenlage umzurechnen.
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Um diese Rechnungen zu vermeiden, besitzt das für das Diagramm bestimmte
Papier die Ordinaten oder Vektoren für Anzeige der Höhenlage aufgedruckt, wie dies
oben schon beschrieben wurde, jedoch in ungleichen Intervallen. Das Gesetz der Änderung
dieser Intervalle ist derart, daß sie gleichen Volumen entsprechen müssen. Handelt
es sich z. B. um einen Kugelbehälter, so müssen die Intervalle gegen die Mitte der
Abszisse, die der horizontalen Äquatorfläche mtspricht, kleiner sein als gegen ihre
Außenteile, die den Polen benachbarten Regionen entsprechen, und zwar derart, daß
die aufeinanderfolgenden und so abgegrenzten Kugelzollen alle das gleiche Volumen
haben. Diese Methode erlaubt für jede Behälterform schnell das richtige N[ittel
aus den gemessenen Teilwerten zu erhalten.
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Die Vorrichtung kann automatisch wirkend eingerichtet werden durch
ein geeignetes Mittel, das den Kolben in freiem Fall niederfallen läßt und seinen
Fall über der Flüssigkeit in geeigneter Weise abbremst, während dann für die weitere
Kolben bewegung die Flüssigkeit selbst die gewünscht-Bremsung bewirkt.