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Psychrometer mit direkter Anzeige der relativen Luft- (Gas-) Feuchtigkeit
in Prozenten
Die bisherigen Methoden der Messung der relativen Luft- (Gas-) Feuchtigkeit
beruhen entweder auf der rechnerischen oder nomographischen Auswertung der psychrometrischen
Differenz, d. h. der Differenz der Anzeigen z. B. zweier genauer Flüssigkeitsthermometer,
von denen das eine mit einem um das Thermometerflüssigkeitsgefäß gelegten feuchtgehaltenen
Mullstrumpf versehen ist, Psychrometer, ferner auch auf der auf einen über eine
in Prozenten relative Feuchtigkeit geteilte Skala spielenden Zeiger übertragenen,
unter dem Einfluß der Luft- (Gas-) Feuchtigkeit erfolgenden Längenänderung feuchtigkeitsempfindlicher
Stoffe, wie Haare, Seidenfasern, Darmsaiten usw., Hygrometer. Eine Fernübertragung,
z. B. elektrisch, erfolgt entsprechend z. B. durch die in einer zweckentsprechenden
Schaltung auf ein geeignetes Meßinstrument wirkende Widerstandsänderung (Widerstandsdifferenz)
zweier elektrischer Widerstandsthermometer, deren eines in einem feuchtgehaltenen
Mullstrumpf od. dgl. steckt, oder auch durch Übertragung der Zeigerstellung eines
Hygrometers mittelsWiderstandsgebers in zweckentsprechender Schaltung auf ein geeignetes
Meßinstrument.
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Innerhalb gewisser begrenzter Temperaturschwankungen und bei Zulassung
von Anzeigefehlern von einigen Prozenten relativer Feuchtigkeit ist es möglich,
die psychrometrische Differenz bei Verwendung von Widerstandsthermometern zur direkten
Anzeige der Prozente relativer Feuchtigkeit zu benutzen (10. . 1000!o; 30. . Io0°/o;
50. . 100°/o; bei Temperaturschwankungen von 1...20° oder 10...40° oder 30...90°
C). An Stelle von Widerstandsthermo-
metern werden als Geber für
Fernanzeige der Prozente relativer Feuchtigkeit auch kleine Thermobatterien velw
wndet, bei denen die eine Reihe der Löt- (Schweiß-) Stellen mit feuchtgehaltenen
Mullüberzügen versehen ist. Hier liegen die Grenzen der Verwendbarkeit als direkt
anzeigendes Psychrometer noch enger als bei den Widerstandsthermometern; z. B. 30...
1000/0 relative Feuchtigkeit und i 2° C größte zulässige Temperaturschwankung. Die
bis heute bekanntgewordenen Hygrometer sind nur mit folgenden Einschränkungen verwendbar:
Anzeigetoleranz bestenfalls i 30/0; Notwendigkeit zeitweiser Regenerierung des Meßorgans
in einer feuchtigkeitsgesättigten Atmosphäre; zerstörender Einfluß von Lufttemperaturen
über + 700 C und aggressiver Gase (z. B. SO2).
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Mit der Erfindung Psychrometer mit direkter Anzeige der relativen
Luftfeuchtigkeit in Prozenten wird bezweckt und erreicht, daß die relative Feuchtigkeit
von Luft und anderen Gasen zwischen 0 und 100% über jeden beliebigen Temperaturbereich
bis nahe an + I00° C mit beliebiger Genauigkeit angezeigt wird, ohne daß das Gerät
die Nachteile der bisher gebräuchlichen Hygrometer aufweist und eine andere Wartung
erforderlich wäre als ein zeitweises Nachfüllen von destilliertem oder abgekochtem
Wasser in einen Vorratsbehälter des Meßgerätes.
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Dzr Grundgedanke des Erfindungsgegenstandes ist, die psychrometrische
Differenz, welche in bekannter Weise bei Feuchthaltung des einen der paarweise angeordneten
folgenden Meßglieder durch die in Abhängigkeit von den Schwankungen der Temperatur
(Lufttemperatur und Taupunkt) erfolgende Längenänderung von Metallstäben, Formänderungen
von Bimetallstreifen oder -spiralen oder deformierende Druckwirkungen von Quecksilber-,
Flüssigkeits- oder Gassäulen auf Bourdonrohre, Plattenfedern u. dgl. erfaßt werden
kann, unter der Voraussetzung ausreichender Stellkräfte über ein an sich bekanntes
Differentialglied (mit oder ohne Korrekturglied für die in den unteren Temperatur-
und Feuchtigkeitsbereichen stark gekrümmten Psychrometerkurven) auf einen Zeiger
oder/und Schreibhebel so zu übertragen, daß Prozente relativer Feuchtigkeit direkt
angezeigt bzw. registriert werden.
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An Hand der Zeichnungen werden einige Ausführungsbeispiele beschrieben.
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Zunächst geht aus der Psychrometerkurvenschar der Abb. I hervor,
daß man in den Bereichen + 30 ... + 80° C (evtl. + go° C) und o . . . Io0°/o oder
+ 10 ... + 80° C (evtl. + 90° C) und 20 ... I00 0/0 wegen der hier praktisch vernachlässigbaren
Kurvenkrümmung für Betriebsmeßgeräte mit einem einfachen Differentialglied, bei
linearer Änderung des Übertragungsmaßes Differentialzeiger, wie es in Abb. 2 dargestellt
ist, auskommen wird.
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Diese grundsätzliche Anordnung wird nachstehend zunächst beschrieben.
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Die mit f (feucht) und tr (trocken) bezeichneten Stäbe werden durch
die Temperaturmeßglieder direkt oder über ein Vorgelege in Richtung der nebengezeichneten
Doppelpfeile verschoben. Stab tr trägt einen festen Arm I, der am freien Ende den
Winkelhebel 2, in einem Schlitz von I um IZ drehbar, mitnimmt. An dem waagerechten
Arm des Winkelhebels 2 ist durch Stift 3t ein Schlitzkopf 3 angelenkt, der mit dem
Stab f fest verbunden ist. An dem anderen aufrechten Arm des Winkelhebels 2 sitzt
ein Stift 4, welcher in die Gabel 5 mit geringstem Spiel eingreift.
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Die Gabel 5 ist über die Achse 7 starr mit dem Zeiger 6 verbunden.
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Der Meßvorgang ist folgender: Solange die Temperaturen der beiden
mit den Stäben f und tr verbundenen Meßorgane untereinander gleich sind, also eine
Luftfeuchtigkeit von relativ 100 0/o besteht, steht der Stift 4 stets so, daß der
Zeiger auf 100 0/, zeigt. Das ist die eingezeichnete Stellung des Übertragungsgliedes.
Sinkt die relative Luftfeuchtigkeit, so liegt die zu Stab f gehörende Temperatur
niedriger als die zu Stab tr gehörende. Die Längsbewegung der Stäbe f und tr sind
dementsprechend verschieden, und dadurch dreht sich der Winkelhebel 2 um einen proportionalen
Betrag nach links, so daß durch den Stift 4 die Gabel 5 und damit der Zeiger 6 mitgenommen
werden. Die jeweilige Auslenkung des Zeigers ist, bei entsprechender Skalenteilung,
ein Maß für die relative Luft- (Gas-) Feuchtigkeit unter den für Betriebsmeßgeräte
oben gemachten Einschränkungen.
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Für eine Feuchtigkeitsänderung d ç muß der Zeigerausschlag aber um
so größer werden, je tiefer die Lufttemperatur liegt, weil die psychrometrischen
Differenzen für d tp um so kleiner sind, je niedriger die Lufttemperatur ist. Dies
wird in der beschriebenen Anordnung innerhalb der Grenzen für Betriebsmeßgeräte
für Luftfeuchtigkeit dadurch berücksichtigt, daß mit sinkender Lufttemperatur, also
mit Abwärtsbewegung der Stäbe f und tr, der Stift 4 immer näher an den Drehpunkt
7 der Gabel 5 rückt, wodurch das Übertragungsmaß Differentialzeiger entsprechend
vergrößert wird. Da diese lineare Änderung des Übertragungsmaßes nur in gewissen
Bereichen der Psychrometertafel (+30... + 8o bis go"C; o... Io0°/o, oder + 10 ...
+ 80 bis go ° C; 20 ... 1000/o) richtige Anzeigen liefert, muß für eine unbeschränkt
richtige Anzeige ein Korrekturglied hinzugefügt werden, welches zusätzlich die starke
Krümmung der Psychrometerkurven (vgl. Abb. I) in ihrem Einfluß auf die Anzeige aufhebt.
Ein solches Korrekturglied ist in das Schema des Differentialgliedes der Abb. 3
und 4 eingezeichnet und wird nachstehend beschrieben.
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Die Anordnung und die Funktion der Teile f, tr, I, IZ, 2, 3, 3Z,
4, 5, 6, 7 sind die gleichen wie in Abb. 2, doch ist der Arm I nach hinten verlängert,
der nach oben gerichtete Arm des Winkelhebels 2 geschlitzt und der Stift 4 längs
dieses Schlitzes verschiebbar. Der Stift 4 sitzt- hier an einem Hebelarm 8, welcher
über das Gelenk g mit dem um Stift IOZ drehbaren Winkelhebel 10 verbunden ist. An
dem nach oben gerichteten Arm dieses Winkelhebels 10 sitzt ein Stift II, welcher,
etwa unter dem Druck einer Feder 12 stehend, an einer feststehenden kurvenförmigen
Kulisse 13 anliegt und über die Glieder I0, 9 und 8 den Abstand des Stiftes 4 vom
Drehpunkt It ändert, wenn Hebel 1 durch Stab tr verschoben wird. Dadurch wird das
Übeitragungsmaß Differentialzeiger (Gabel 5) eine nichtlineare Funktion der die
Bewegung von Stab tr bewirkenden Luft- (Gas-) Temperatur. Die Kulisse I3
wird
so profiliert. daß die Nichtlinearität des Übertragungsmaßes die Zeigerausschläge
innerhalb des ganzen Meßbereiches eines normalen Psychrometers in Übereinstimmung
mit den aus der Psychrometertafel nach Abb. I jeweils zu entnehmenden Feuchtewerten
bringt.
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Bimetallspiralen und die Hohlspiralfedern der Quecksilbermetallthermometer
setzen Temperaturänderungen in Drehbewegungen um. Es ist am einfachsten, diese Drehbewegung
nicht in eine Schubbewegung umzuwandeln, um tSbertragungsmechanismen nach Abb. 2,
3 und 4 betätigen zu können, sondern die Drehbewegung als solche direkt oder über
ein Vorgelege durch ein Differentialgetriebe mit zweckentsprechendem Korrekturglied,
wie in Abb. 5 und 6 in prinzipieller Darstellung zu sehen, die Anzeige bzw. Registrierung
der relativen Feuchtigkeit in Prozent bewirken zu lassen.
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Die Wirkungsweise von Differentialgetrieben (Differenz- und Summenbildner)
kann als bekannt vorausgesetzt werden. Die Gesamtanordnung, wie sie in Abb. 5 und
6 schematisch dargestellt ist, zeigt ein solches Getriebe und wird nachstehend beschrieben.
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Die Welle a des Differentialgetriebes a-e wird durch das trockene,
die Hohlwelle b durch das feuchtgehaltene Meßorgan direkt oder über Zwischenglieder
proportional der Temperaturänderung verdreht. Die resultierende Abrollbewegung des
Kegelrades e auf und koaxial zu den Zahnkränzen der Kegelräder c und d wird durch
den nach unten gebogenen und geschlitzten Hebel g über den Stift n auf die Gabel
o und damit über die Achse p auf den Zeiger q übertragen. Ein Korrekturglied muß
auch hier die Anpassung des Übertragungsmaßes an die Psychrometerkurven nach Abb.
I vornehmen. Dieses Korrekturglied kann, der Anordnung nach Abb. 3 und 4 entsprechend,
aus einem zweckentsprechend profilierten, mit Kegelrad d fest verbundenen Kurvensegment
h (Kulisse, begrenzt durch eine aus den Psychrometerkurven abgeleiteten Kurve in
Polarkoordinatendarstellung) bestehen, an welchem der in den um Stift kz drehbaren
Hebel k eingepreßte Zapfen i unter der Wirkung etwa einer Feder I ständig anliegt.
Der Zapfen i ist der Drehpunkt des Armes m, auf dem der Stift n sitzt, so daß die
Bewegungen (Verschiebungen) des Zapfens i vom Stift n zwangsläufig mitgemacht werden.
Dadurch kann das Übertragungsmaß Differentialzeiger (Gabel) so variiert werden,
daß die psychrometrische Differenz wie in der Anordnung nach Abb. 3 und 4 stets
zu einer richtigen Anzeige der Prozente relative Luftfeuchtigkeit auf der angemessen
eingeteilten Zeigerskala führt.
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Die Bewegungen des Stabes tr bzw. die Drehung der entsprechenden
Welle a des Differentialgetriebes (Abb. 5 und 6) können, unabhängig von der Konstruktion
des Differentialgliedes und dem Übertragungsmaß für die Luftfeuchteanzeige, noch
in an sich bekannter Weise zur zusätzlichen Luft- (Gas-) Temperaturanzeige bzw.
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-registrierung benutzt werden, wie in Abb. 2 und 6 gestrichelt angedeutet,
so daß aus dieser und der Feuchteangabe noch der absolute Wassergehalt der Luft
(des Gases) bestimmt werden kann.
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Zur Festlegung der kurvenförmigen Begrenzungslinie der Kulissen I3
in Abb. 4 bzw. h in Abb. 5 und 6 kann z. B. von der Sprungschen Formel PD = Ps -
A (#tr-#f) ausgegangen werden. In dieser Formel bedeutet: PD in Torr der Dampfdruck
in der Luft von der Temperatur #tr des trockenen Thermometers; Ps in Torr der Sättigungsdruck
des Wasserdampfes bei der Temperatur tif des feuchten Thermometers; A die Psychrometerkonstante;
#tr - #f = ## die psychrometrische Differenz. Aus dieser Formel ergibt sich als
relative Luftfeuchte PD = I - A ## = #.
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PS PS Wird die Darstellung PS = f (#f) gewählt, so erhält man nach
dem Differenzenverfahren aus der Tafel bzw. der Kurve des Sättigungsdruckes in Luft
-Wasserdampf- Gemischen Ps = 4,6 + 4,9#10-1 #f + 3,5#10-3 #f@ + 5,75# mit hinreichender
Genauigkeit (Fehler bei Ey = 10: 0,80, bei y = 50: 0.070, bei zur = 80: 0,00D).
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Wird ferner die Darstellung ## = f (#f) gewählt, so erhält man nach
dem Differenzenverfahren als Funktionswerte bei 0% relativer Feuchte ## = 8,6 +
4#10-1 #f + 7#10-2 #f@-12#10-4#f3, bei 500/0 relativer Feuchte ## = 3,5 + 1,7#10-1
#f + 5#10-4 #f2, bei 1000 @ relativer Feuchte 9 sq = o.
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In gleicher Weise lassen sich auch die Funktionswerte für andere
Prozente relativer Feuchte darstellen.
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Setzt man die so erhaltenen Werte für Ps und ## in die obige Gleichung
für # ein, so kann die erforderliche Variierung des Übertragungsmaßes des Erfindungsgegenstandes
berechnet werden, wobei zweckmäßig die Skala entsprechend den senkrechtenKurvenabständen
nach Abb. I geteilt wird.
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Einfacher ist es, die Kulissenkurve auf graphischem Wege zu ermitteln,
indem das gewählte Differentialglied des Übertragungsmechanismus aufgezeichnet und
der Hodograph des Punktes II (Abb. 3 und 4) bzw. i (Abb. 5 und 6) für verschiedene
Prozente relativer Feuchte in bekannter Weise konstruiert wird.
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Die Kurvenabstände längs der verschiedenen Ordinaten (vgl. Abb. I)
bilden keine streng übereinstimmenden Proportionalreihen. Die Abweichungen ließen
sich als Funktion der Luft- (Gas-) Temperatur 6 darstellen und dementsprechend durch
weitere konstruktive Maßnahmen am Übertragungsglied ausgleichen.
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Dieser Aufwand dürfte sich aber kaum lohnen. Wenn Präzisionsmessungen
beabsichtigt sind, genügt z. B. eine visuelle Korrektur dergestalt, daß auf der
zusätzlichen Temperaturskala 6 und der Skala für Prozente relativer Feuchte korrespondierende
farbige Teilungsstriche angebracht werden. Der Temperaturzeiger gibt dann den auf
der Feuchteskala jeweils gültigen (farbigen) Teilstrich an.
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Damit erfüllt die getrennte Anzeige der Lufttemperatur 9 noch einen
weiteren Zweck, nämlich den
einer Feinkorrektur der Anzeige Prozente
relative Feuchte.
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Wird der Hodograph auf die Fixierung der Anzeige 40% relative Feuchtigkeit
hin konstruiert, bei einer Skalenteilung proportional der durch die Psychrometerkurvenschar
erzeugten Teilung der Ordinate über 800 C, so ergeben sich zwischen 10 und 1000/o
relative Feuchtigkeit und 10 und 800 C bemerkenswert geringe Anzeigetoleranzen,
und zwar bei 10% relative Feuchtigkeit + 0%, bei 20% etwa # 1%, bei 30% etwa # 1,5%,
bei 40% etwa # 0%, bei 50% etwa # 1%, bei 60% etwa # 1%, bei 70% etwa i 0,5 0/o,
bei 8001, etwa i 1,5 0/o bei 90% etwa # 1%, bei 100% # 0%. Wird die Anzeige noch
weiter ausgedehnt, bis 0% relative Feuchtigkeit, so ergibt sich bei 0% ein größter
Anzeigefehler von etwa + 4 0/o. Für die meisten praktischen Erfordernisse ist eine
Anzeigetoleranz bis i I,5 0/0 ohne weiteres zulässig. Für Präzisionsmessungen und
für den Bereich zwischen o und 10% kann die Feinkorrektur der angezeigten Werte
in der bereits beschriebenen Weise erfolgen.
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.Abb. 7 zeigt in schematischer Darstellung den Gesamtaufbau des Erfindungsgegenstandes
bei beispielsweiser Anwendung eingeschlossener Quecksilbervolumina mit Metallkapillaren
als Übertragungsglieder und Bourdonkapillarfedern als Stellkraftglieder. Diese Ausführungsform
des Erfindungsgegenstandes wird nachstehend an Hand der Abb. 7 beschrieben. Das
Differentialglied besteht aus der mit dem Feuchtthermometer verbundenen Stange 2,
f nebst Zahnstange 2a, dem Zahnrädchen 10, welches in dem Arm I, der mit der vom
Trockenthermometer bewegten Stange tr fest verbunden ist, um Zapfen 1@ drehbar gelagert
ist, und der Gabel I b. Die Bedeutung und die Funktion der Teile 4,5, 6, 7, 8, 9,
I0, 10z, II, 12 und 13 sind die gleichen wie in den Abb. 3 und 4.
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Die Stangen f und tr sind mit den Bourdonkapillarfedern 14 und 15
kraftschlüssig verbunden. Die Bourdonfedern 14 und 15 sind mit Quecksilber gefüllt
und stehen über die Metallkapillaren I6 und I7 mit der Quecksilberfüllung der Gefäße
I8 und 19 in Verbindung, von denen das Gefäß I8 mit einem Mullstrumpf 20 umkleidet
ist. Dieser Mullstrumpf wird mit dem in dem Vorratsgefäß 2I befindlichen Wasser
über das Röhrchen 22 ständig feucht gehalten. Die Wirkungsweise dieser letzteren
Anordnung darf als bekannt vorausgesetzt werden.