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Festmengenzählung strömender Stoffe nach dem Wirkdruckprinzip
irl)er
die Mengenmessung strömender Stoffe ist mehrfach ausführlich berichtet worden: I.
Schultes, Großgasmessung, 73. 5. R. Oldenbourg 1939 (in »Handbuch der Gasindustrie«;
2. Herning, Grundlagen und Praxis der Mengenstrommessung. Deutscher Ingenieurverlag
Düsseldorf 1950; 3. Herning, Meß- und Regeltechnik in der Gasversorgung, Gas- und
Wasserfach 1950 S. 239 (Gas).
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Soweit das Wirkdruckprinzip angewandt wird. sind die im folgenden
näher erläuterten drei Kategorien von Einrichtungen erkennbar.
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Die erstc Gruppe von Geräten ist die häufigste, bei der der Differenzdruck
gemessen und von ihm auf den Mengenstrom je Zeiteinheit, also den Durchfluß, geschlossen
wird, der dann in Abhängigkeit von der Zeit aufgezeichnet, integriert bnd verglichen
werden kann.
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Zu der zweiten Gruppe gehört der Strömungsteiler, der im wesentlichen
nur für permanente Gase, z. B. Preßluft, vorgeschlagen wurde, aber prinzipiell auch
für Flüssigkeiten und bei entsprechenden Vorkehrungen auch für kondensierbare Dämpfe
brauchbar zu sein scheint. Bei diesem Gerät wird ein Teilstrom des zu messenden
Stoffes entnommen und im Falle der Messung von PreLS-luftmengen bei normalen Außenbedingungen
in einer volumetrisch arbeitenden Gasuhr gemessen.
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Mit Mitteln der Regelungstechnik wird Proportionalität zwischen Haupt-
und Teilstrom bei allen Belastungen hergestellt, indem der von der Hauptblende erzeugte
Wirkdruck auch an eine Teilstrom blende gelegt wird.
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Ein drittes Prinzip ist ebenfalls bekannt (s. die Patentschriften
401177, 421 746, 336736>
236 563), bei dem der zu messende Strom
durch einen genau proportionalen Strom eines anderen Mediums (Hilfsmedium) nachgebildet
wird, der volumetrisch oder durch Wiegen bestimmbar ist.
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Die Proportionalität wird dadurch erreicht, daß der von der Meßdrossel
erzeugte Wirkdruck in gleicher Größe auf ein Hilfsmedium wirkt und es zum Durchfluß
durch eine Hilfsdrossel veranlaßt. Liegt an dieser Hilfsdrossel der von der Meßdrossel
erzeugte Wirkdruck, dann ist die in einer bestimmten Zeit durch die Hilfsdrossel
geflossene Menge genau proportional der in derselben Zeit durch die Meßdrossel geflossenen
Menge des zu messenden Stromes. Die bisher vorgeschlagenen Verwirklichungen dieses
Prinzips haben noch keinen Eingang in der Praxis gefunden, in den oben angegebenen
Literaturstellen wird es nicht erwähnt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung zu treffen,
welche die vorhandenen Nachteile vermeidet, insbesondere die ungefälschte Anlegung
des Wirkdrucks an die Hilfsdrossel gewährleistet und die Menge des durchgeflossenen
Hilfsmediums in einfacher Weise zu ermitteln ermöglicht.
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Im folgenden wird an Hand einer Zeichnung, die nur ein Ausführungsbeispiel
des Erfindungsgegenstandes wiedergibt, die Erfindung erläutert: Der Dampfmessung
oder Wassermessung entsprechend wird im folgenden nur von Wasser und Quecksilber
gesprochen. Es können jedoch beliebige Medien verschiedenen spezifischen Gewichts,
darunter auch gasförmige, benutzt werden, wobei entweder das leichtere oder das
schwerere das Hilfsmedium sein kann.
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In einem für den Absolutdruck des Mediums bemessenen Behälter 1 ist
eine leichtere Flüssigkeit,Wasser, 2 (Hauptmedium) über einer schwereren Flüssigkeit,
Quecksilber, 3 (Hilfsmedium) geschichtet. Ein hinsichtlich Höhenlage völlig indifferenter,
hinsichtlich senkrechter Einstellungsrichtung jedoch stabiler Hohlschwimmer 4 schwebt
senkrecht in dem Behälter, wobei ein Teil von ihm ins Wasser, ein Teil ins Quecksilber
ragt. Theoretisch kann ein solcher Schwimmer so ausgebildet werden, daß das Wandmaterial
im oberen Teil ebenso schwer ist wie Wasser, im unteren Teil ebenso schwer wie Quecksilber
und der verbindende mittlere Teil von unendlich dünner Wandstärke hergestellt wird.
Im äußeren Behälter herrscht in einem bestimmten Zeitpunkt der Plusdruck von der
Meßdrossel 5, im Schwimmer 4 der Minusdruck hinter der Meßdrossel, der durch die
Leitung 6 und durch den keine senkrechte Stellkraft ausübenden, in mehreren Windungen
im Wasser schwebenden Schlauch 7 (Dichte von Gummi N Dichte von Wasser), wassergefüllten
Schlauch, der nur dem Differenzdruck standzuhalten hat, übertragen wird. Das Quecksilber
im Behälter I und im Schwimmer 4 stehen durch die seitlich am Schwimmer angebrachte
Hilfsdrossel 8 in Verbindung, wodurch das Quecksilber innerhalb und außerhalb des
Schwimmers gleich hoch steht und somit an der Hilfsdrossel exakt der von der Meßdrossel
erzeugte Wirkdruck liegt, da die beiderseits gleich hohen Quecksilbersäulen die
Differenz nicht ändern. Unter dem Einfluß der Differenz strömt Quecksilber proportional
zum Strom des .zu messenden Stoffes in den Schwimmer, der auf die geringste Spiegelerhöhung
durch Einsinken reagiert.
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Der auf diese Weise vom Schwimmer in einer bestimmten Zeit zurückgelegte
Weg ist ein Maß für die in der gleichen Zeit durch die Meßdrossel geflossene Menge
des zu messenden Stoffes. Ist der Schwimmer auf diesem Weg in einer unteren Endstellung
angelangt, so gibt er mittels des mitgehenden Zeiger 9 einen elektrischen Impuls
zur Vertauschung der beiden Meßleitungen, worauf das Spiel in umgekehrter Richtung
bis zur Erreichung einer oberen Endstellung beginnt, in der wieder umgeschaltet
wird. Das Umschalten erfolgt durch elektrische Impulse, die vom Zeiger g beim Schließen
der Kontakte 10 und 1 1 in den Endstellungen ausgehen und durch das Relais mit Batterie
12 über den elektrischen Leiter 13 auf den Umschalter 14 übertragen werden. Mit
dem Umschalter 14 sind ein Sohaltmagnet und ein Zählwerk verbunden.
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Jede Umschaltung schiebt das Zählwerk um eine Einheit weiter. Es werden
also Festmengen gezählt.
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Praktisch kann der Hohlschwimmer nur so gebaut werden, daß er eine
natürliche stabile Höhenein stellung einnimmt und oberhalb derselben schwerer sowie
unterhalb derselben leichter wird, da er nämlich wegen der endlichen Wandstärke
(bei gleichen Spiegelhöhen innen und außen), z. B. beim Abwärtsgang mehr Quecksilber
verdrängt als hineinfließt. Hierdurch entstehen Meßfehler, da der Innenspiegel bei
einer Schwimmerstellung über der natürlichen statischen Lage niedriger, unter ihr
höher als der Außenspiegel steht und damit an der Hilfsdrossel 8 eine andere Druckdifferenz
liegt, als der Wirkdruck der Meßdrossel 5 ausmacht. Diese Fehler wachsen bei zylindrischem
Schwimmer proportional mit der Entfernung von der statischen Lage und sind bei praktisch
zu verwirklichen den Verhältnissen gering. Bei 1 mm Wandstärke und loocm2 innerem
Querschnitt sowie 40 mm Gesamthub (20 mm beiderseits der statischen Lage) beträgt
der Fehler im Moment der Endstellung bei Quecksilber/Wasser 8,8 mm WS oder bei 5000
mm WS Wirkdruck 4,30/0 der Menge, bei Bromoform/Wasser 1,3 mm WS oder entsprechend
1,63% der Menge. Für höhere Ansprüche muß aber der Wandstärkeneinfluß kompensiert
werden, was dadurch geschehen kann, daß der ganae Schwimmers'eg oberhalb oder unterhalb
der natürlichen statischen Lage gelegt wird und eine unter Gewichtsnvirkung stehende,
in Schneiden I6 gelagerte r Kurvenscheibe 15 eine mit der Höhenlage des Schwimmers
proportional zunehmende Zugkraft ausübt. Vorteilhaft wird an dem Schwimmerdeckel
16 zentral ein Draht I7 befestigt, der über eine auf der Schneide 16 gelagerte Fadenrolle
I8 läuft, mit der die Kurvenscheibe I5 mit Gewicht 19 verbunden ist. Die Rolle macht
eine pendelnde Bewegung bei den Schwinimerwegen, wobei das Gewicht 19 das unterschiedliche
Schwimmergewicht in den verschiedenen Höhenstellungen mittels der Kurvenscheibe
ausgleicht.
l:ür die 1: rreichuig llullg lloher Nleßgenauigkeit
ist zu verlangell, dal.' die erwähnte Proportionalität beider Mengen von den kleinsten
bis zu den größte Strömen besteht. Das erfordert für beide Drossein 5 und 8 im gesamten
Bereich konstante Ausfluß- bzw. Iurehfiußzahlen. Wenn die Hauptdrossel 5 entsprechend
den Regeln für die Durchflußmessung mit genormten Düsen und Blenden, Deutscher liigenieurverlag
Düsseldorf 1948, bemessen wird. trifft dies für sie zu. Für die Hilfsdrossel, in
der gänzlich andere Strömungsverhältnisse herrschen (kleinere Reynoldsche Zahlen),
kann diese Bedingung aher ebenfalls erfüllt werden, wie Koenecke in der Zeitschrift
»Forschung auf dem Gebiet des Ingenieurivesens« 1938, Nr. 3, S. 109, ausführt. Die
Hilfsdrossel muß richtungsunempfindlich sein. Die von K o e n e c k e untersuchten
Zylinderdüsen und die von anderer Seite vorgeschlagenen Halbkreisdüsen erfüllen
diese Bedingung.
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Ferner ist zu bedenken, daß sowohl der horizontale Impulsdruekanschluß
(Gummischlauch 7) des Schwimmers als auch der durch die horizontale Hilfsdrossel
8 fließende Strahl Kraftwirkungen in horizontaler Richtung auf den Schwimmer 4 ausüben,
die ihn zum Abtreiben bzw. auch, zumal ein eiserner Schimmer in Quecksilber nicht
stabil schwimmt, zum Kippen bringen wollen. Deshalb wird erfindungsgemäß eine Führung
des Selavimmers in senkrechter Richtung an Stäben 19' od. dgl. vorgeschlagen. Die
dadurch auftretende Reihung hemmt seine Bewegung, ist aber proportional dem Wirkdruck
und fälscht die Mengenmessung nur um Bruchteile eines Prozentes des Augenhlickswertes
im ganzen Bereich.
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Man kaml auch den Impulsdruckanschluß 20 zentral am Schwimmer und
ebenso die Hilfsdrossel 8 zentral anbringen, und zwar in der senkrechten Schwimmerachse.
Die dann von beiden auf den Schwimmer ausgeübten vertikalen Kräfte heben sich bei
geeignetem Querschnittverhältnis von Drossel 8 und Druckanschluß gegenseitig auf.
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Man kann außerdem den Stand des Schwimmers durch ein in der Behälterwandung
eingebautes Schauglas mit Skala 23 im Behälter beobachtbar machen. Dabei ist es
dann ähnlich wie beim Abzählen der Umdrehungen der Scheibe eines Elektrizitätszählers
möglich, auch den Augenblickswert der Strömung einfach zu ermitteln. Der Plusdruck
von der Meßdrossel 5 wirkt über die Leitung 21, den Umschalter 14, den Anschlußnippel
20 gemäß der Zeichnung im Schwimmer 4, während der Minusdruck durch die Leitung
6, Umschalter 14 und Anschlußnippel 22 im Behälter I seine Wirkung ausübt. Durch
den Umschalter 14 werden bei Zurücklegung eines bestimmten Schwimmerweges im Abstand
der Kontakte lo und 1 1 durch Stromimpulse mittels des Zeigers g die Plus- und Minusdrücke
so vertauscht, daß nach der Umschaltung der Plusdruck im Behälter 1 und der Minusdruck
im Schwimmer 4 wirken, so daß der Schwimmer bei der Mengenmessung stets hin und
her gehende Bewegungen macht.
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Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind darin zu sehen,
daß, wie beim Elektrizitätszähler, Festmengen gezählt werden, beliebig hohe Meßgenauigkeiten
bis zu 1 0,'o der Vollastmenge und noch besser meßbar sind, weite Meßdrosseln verwendet
werden können und somit kleine Energieverluste am zu messenden Stoff, dazu im Gegensatz
zum Teilstrommesser keine Mengenverluste am zu messenden Stoff auftreten. Außerdem
besteht eine Eignung auch für pulsierende Strömungen, da der Mengenmesser nach der
Erfindung den Hauptfehler der üblichen Wirkdruckmesser vermeidet, daß diese nämlich
einen mittleren Wirkdruck radizieren, anstatt die Wurzelwerte aller Augenblicksdrücke
zu ermitteln. Ein einfacherAufbau und eine billige Herstellung durch Wegfall aller
radizierenden, schreibenden und integrieren, den Geräte ist möglich. Ein Durchschlagen
der Meßflüssigkeit und Verluste an Meßflüssigkeit können nicht entstehen.
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PATENTANSPROCHE: 1. Einrichtung zur Mengenmessung strömender Stoffe
nach dem Wirkdruckverfahren unter Zuhilfenahme eines Hilfsmediums, dadurch gekennzeichnet,
daß das Hilfsmedium (3) ein anderes spezifisches Gewicht aufweist als das zu messende
Medium (2) oder dessen flüssige Phase und mit ihm nicht mischbar ist, so daß beide
Medien in einem fest stehenden Behälter (1) übereinander nach dem spezifischen Gewicht
geschichtet werden können und die gleiche Höhe der Trennfläche sich auch in einem
entsprechend ausgebildeten, in dem Behälter senkrecht beweglichen Hohlschwimmer
(4) einstellt, der die Drosselstelle (8) für das Hilfsmedium (3) trägt und dessen
Innenraum unter dem Einfluß eines der beiden Druckimpulse der Meßdrossel (5) steht,
während der Behälter ( unter dem anderen Druckirnpuls steht.