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Einrichtung zur Messung des Feuditigkeitsgehalts von Gasen
Die Erfindung
betrifft eine Einrichtung zur Messung des Feuchtigkeitsgehaltes von Gasen oberhalb
der Verdampfungstemperatur durch Messung der Schallgeschwindigkeit im Gasgemisch
mittels stehender Wellen.
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Das bekannte Kondensations- oder Taupunkthygrometer gestattet die
Bestimmung der Luftfeuchtigkeit durch Abkühlung auf den Taupunkt aus der Messung
dieser Taupunkttemperatur; hieraus lassen sich nämlich Dampfdruck und relative Feuchtigkeit
errechnen. Zwar sind dabei genaue Messungen möglich; jedoch ist die Anwendung auf
Einzelmessungen beschränkt, d. h. eine fortlaufende betriebsmässige Messung und
Anzeige ist auf diesem Wege nicht erreichbar.
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Allerdings sind auch Meßmethoden bekannt, die eine fortlaufende Messung
oder Anzeige gestatten, wie beispielsweise bei Verwendung von Hygrometern und Psychrometern.
Hygroskopische Instrumente zeigen indessen Ermüdungserscheinungen, weil die verwendeten
hygroskopischen Stoffe ihre Charakteristik im Laufe der Zeit verändern. Außerdem
entwickeln sie nur sehr kleine Stellkräfte für Anzeige- und gegebenenfalls Steuergeräte,
und vor allen Dingen ist ihre Anwendbarkeit auf bestimmte enge und niedrige Temperaturbereiche
beschränkt. Bei Psychrometern, welche die Verdunstungskälte messen, ist die Anzeigegenauigkeit
stark von der Anblasgeschwindigkeit des Prüfgases abhängig; ferner bedingt die dauernde
Feuchthaltung des zweiten Thermometers eine laufende Überwachung des Instrumentes
selbst, und schließlich lassen Psychrometer die Feuchtigkeit nur indirekt ermitteln,
und eine Stellkraft steht nicht zur Verfügung.
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Allgemein lassen sich die bekannten Methoden und Instrumente nur
für Messungen zwischen etwa o und I00° C anwenden.
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Im Gegensatz zu diesen bekannten Einrichtungen besteht die Erfindung
darin, daß sich ein akustischer Sender und Empfänger im Meßraum gegenüberstehen
und die dem Sender zugeführte elektrische Erregerspannung und die vom Empfänger
gelieferte elektrische Spannung durch Änderung der Frequenz des Senders zum Zwecke
der Resonanz auf Phasengleichheit eingestellt werden, wobei die Verstellung der
Frequenzänderungsmittel, z. B. des Schwingkreiskondensators, ein Maß für die Feuchtigkeit
ist.
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Die Einrichtung beruht auf dem an sich bekannten Vorschlag, die Abhängigkeit
der Schallgeschwindigkeit von dem Feuchtigkeitsgehalt von Gasen zur Messung auszunutzen.
Weiterhin ist es bekannt, daß man mit Interferometern das Mischungsverhältnis von
Gasen messen kann.
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Es mißt die erfindungsgemäße Vorrichtung eindeutige physikalische
Größen an Stelle von technologischen Eigenschaften, aus denen erst durch Rechnung
die Feuchtigkeit ermittelt werden muß.
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Außerdem ist die hier beschriebene Vorrichtung bei beliebigen Strömungsgeschwindigkeiten
und Drücken anwendbar, läßt Stellkräfte in jeder gewünschten Größe herbeiführen
und läßt Einzelmessungen ebenso zu wie auch einen kontinuierlichen Betrieb. Dadurch
ist auch allgemein eine automatische Überwachung und Steuerung von Anlagen möglich,
die mit strömenden Gasen arbeiten und bei denen die Überwachung des Wasserdampfgehaltes
wichtig ist.
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Nach Laplace ist die Schallgeschwindigkeit
eine Funktion des Druckes P, der Dichte e und des Verhältnisses k = c,!c, der spezifischen
Wärmen.
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Der Druck P kann nach den Gasgesetzen ausgedrückt werden durch p
848' T'Ä S R 848 M 1w' wo R Gaskonstante, T absolute Temperatur und M Molekulargewicht
des Gasgemisches ist. Daraus ergibt sich für die Schallgeschwindigkeit
Als veränderliche Größen verbleiben also die Temperatur T und das Molekulargewicht
M, während k seinerseits von Druck und Temperatur abhängig ist.
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Für verschiedene Drücke, Temperaturen und Gasmischungen, beispidsweise
Luft-Wasserdampf-Gemische, lassen sich hieraus eindeutige Werte für die Schallgeschwindigkeit
ermitteln. Da Luft an sich bereits ein Gasgemisch ist, allerdings mit feststehender
Zusammensetzung, ist die Änderung des Molekulargewichtes allein von dem Gehalt an
Feuchtigkeit bzw.
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Wasserdampf abhängig. Wenn also auf elektroakustischem Wege die Schallgeschwindigkeit
zusammen mit der Temperatur gemessen wird, läßt sich daraus der Anteil des variablen
Gemischbestandteils, im Beispiel des Wasserdampfes, mit Hilfe der übrigen bekannten
Werte einwandfrei bestimmen.
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Voraussetzung ist dabei lediglich, daß sich die beiden Bestandteile,
nämlich Gas oder Gasgemisch einerseits und Wasserdampf andererseits, nicht ineinander
lösen oder sich absorbieren, wie dies etwa zwischen Ammoniakgas und Wasserdampf
der Fall ist, da in diesem Falle keine einfache Beziehung zwischen der Änderung
des Molekulargewichtes und der Zusammensetzung mehr besteht.
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Die Messung ist um so genauer, je mehr sich das Molekulargewicht
des variablen Anteils von dem übrigen Gas unterscheidet. Die Erfindung eignet sich
daher in besonderem Maße für die Feuchtigkeitsmessung oberhalb ioo0 C. Aber auch
verhältnismäßig grobe Messungen, z. B. Meßfehler bei der Schallgeschwindiglieitsbestimmung
bzw. der Temperaturmessung in der Größenordnung von I ion,, ergeben noch eine Meßgenauigkeit
der endgültigen Feuchtigkeitsbestimmung von etwa 4 bis 7010 bzw. 0,5 bis 10(0.
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Die Erfindung wird an Hand der Fig. I und 2 beschrieben, und zwar
unter Verwendung von Schallfrequenzen mit Wellenlängen bis zu 10 cm herunter; grundsätzlich
steht der Verwendung von Ultraschall mit Frequenzen von etwa 15 bis 20 kHz nichts
im VVege.
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In Fig. I ist eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes schaubildlich
dargestellt. In dem Meßraum 1, in dem sich das zu untersuchende feuchte Gas befindet
bzw. der von diesem Gas durchströmt wird, stehen sich ein Schallgeber 2 und ein
Schallempfänger 3 gegenüber. Der Schallgeber 2 wird von einem Niederfrequenzgenerator
4 gespeist, der mittels veränderlicher Kapazität 5 und veränderlicher Selbstinduktivität
6 auf verschiedene Frequenzen einstellbar ist, wobei die erzielbare Frequenz nach
der Thomsonschen Beziehung
ist. Andererseits besteht zwischen der Wellenlänge A, der Fortpflanzungsgeschwindigkeit
des Schalls v und der Frequenz f die Beziehung für den Meßraum I V -f.
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Die dem Schallgeber 2 zugeführte niederfrequente Energie erzeugt im
Meßraum I eine Schallschwingung gleicher Frequenz, die jedoch um go" gegenüber dem
Strom phasenverschoben ist. Diese Schallschwingung wird vom Schallempfänger 3 aufgenommen
und einem Verstärker 7 zugeführt. Das Schallschwingungsgebilde Geber 2 - Gas - Empfänger
3 wird also von dem elektrischen Schwingungsgenerator 4 angeregt, wirkt jedoch nicht
seinerseits auf das Schwingungssystem des Senders zurück. Der Abstand von Geber
2 und Empfänger 3 ist so gewählt, daß sich stehende Wellen ausbilden können; danach
hat dieses Gebilde eine konstante Wellenlänge A, und aus der oben
angegebenen
Beziehung ergibt sich im Falle der Resonanz der akustischen Schwingung die erforderliche
Frequenz V f = # .
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Mit anderen Worten, die Frequenz f des Generators 4 muß so eingestellt
werden, bis diese der Schallgeschwindigkeit v entsprechende Resonanz im akustischen
Schwingungskreis 2 - Gas - 3 erreicht ist; in diesem Falle führt der Schallempfänger
3 dem Verstärker 7 die größte Wechselspannung zu. In dem Verstärker 7 wird durch
bekannte elektrische Mittel eine künstliche Phasendrehung um weitere go" durchgeführt
und die verstärkte Wechselspannung einem Meßgleichrichter 8 zugeführt. Gleichzeitig
wird diesem Gleichrichter 8 vom Generator 4 eine gleiche Wechselspannung zugeführt,
die gegenüber der ersteren um I80" phasenversetzt ist. Die gleichgerichteten Spannungen
werden dem Anzeigeinstrument g zugeführt und heben sich im Falle einer Resonanz
des akustischen Kreises auf, so daß das Instrument auf eine Nullmarke einspielt.
Ist nun, wie im Ausführungsbeispiel, der Kondensator 5 nach Feuchtigkeitsgraden
geeicht und die Verstelleinrichtung 10 der Selbstinduktion 6 in Temperaturgraden,
so ergibt sich die Handhabung der Einrichtung von selbst. Nach Einstellung der Temperatur
am Handknopf 10 wird der andere (linke) Einstellknopf II so lange verstellt, bis
das Instrument g auf die Nullmarke einspielt, worauf an der Knopfskala 11 unmittelbar
die Feuchtigkeit abgelesen werden kann.
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Offenbar gestattet diese Einrichtung auch eine vollselbsttätige Messung,
indem die Temperatureingabe durch selbsttätige Messung erfolgt,' wie auch die Einstellung
des Feuchtigkeitsknopfes vom Gleichrichter aus elektrisch gesteuert werden kann,
so daß sich die Resonanz laufend selbsttätig einstellt und die Feuchtigkeit nur
abgelesen zu werden braucht.
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Durch passende Wahl der Kapazität 5 und der Induktivität 6 des Generators
4 lassen sich eine Reihe von Frequenzen erzeugen, bei denen sich Kapazität 5 und
Induktivität 6 ebenso verhalten, wie es der Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit
v vomWasserdampfgehalt und der Temperatur des Gases entspricht. Diese Abhängigkeit
ist in dem Diagramm in Fig. 2 dargestellt.
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Wird, wie im Ausführungsbeispiel, ein Instrument g mit mittlerer
Nullstellung verwendet, so kann der Fall eintreten, daß bei übermäßiger Verstimmung
des Generators gegenüber dem akustischen Schwingungskreis der Verstärker 7 dem Gleichrichter
8 überhaupt keine Spannung mehr zuführt. Um in diesem Falle Fehlablesungen zu verhindern,
wird zweckmäßig eine vom Verstärker 7 betätigte Relaiseinrichtung vorgesehen, die
bei Absinken der verstärkten Spannung ein Signal betätigt oder das Instrument durch
eine Klappe abdeckt.
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Der Einfluß der barometrischen Druckschwankung kann durch zusätzliche
Trimmerkondensatoren im Schwingungskreis des Generators 4 ausgeglichen werden.
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Es ist auch möglich, in dem Generator 4 nur einen Einstellkondensator
5 zu verwenden, der sowohl von der Feuchtigkeitseinstellung als auch von der Temperatureinstellung
über bekannte Potentiometerrechen einrichtungen oder ein entsprechendes mechanisches
Getriebe eingestellt wird, wie beispielsweise Kurven, Seilabwicklung od. dgl.
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An Stelle der kontinuierlichen Messung kann auch eine intermittierende
Arbeitsweise des Generators 4 bzw. des Schallgebers 2 verwendet werden, wobei nur
im Falle der richtigen Frequenz für die jeweilige Gaszusammensetzung eine Auslösung
der Anzeige durch den Gleichrichter erfolgt, wie es auch möglich ist, an Stelle
eines Nullpunktinstrumentes eine andere elektromechanische oder elektrooptische
Anzeigevorrichtung zu verwenden.