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Selbstanzeigende Waage mit beweglicher Skala für die Gewichtsangabe
von Gasflaschen und mit einer Einrichtung zum selbsttätigen Anzeigen oder Registrieren
der Geschwindigkeit der durch Gasentnahme bedingten Gewichts änderungen bzw. des
Gasstromes
Bei der praktischen Durchführung chemischer Reaktionen ist es fast immer
notwendig, bestimmte Mengen der Reaktionsteilnehmer miteinander zur Reaktion zu
bringen, und ferner besteht sehr häufig auch die Notwendigkeit, die Zugabe eines
Reaktionsteilnehmers zur Reaktionsmischung mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit
vorzunehmen.
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Während es im allgemeinen keine Schwierigkeiten bietet, bei Verwendung
flüssiger oder fester Reaktionsteilnehmer sowohl die Gesamtmenge eines zuzufügenden
Reaktionsteilnehmers als auch die Geschwindigkeit der Zugabe zu kontrollieren, treten
manchmal bei solchen Reaktionen Schwierigkeiten auf, bei welchen ein Gas in eine
Reaktionsmischung eingeleitet werden soll. Auch bei Gasen, die z. B. aus Druckgefäßen
entnommen werden, ist es im allgemeinen leicht möglich, durch Wägung des Druckgefäßes
festzustellen, welche Gasmenge be-
.reits in die Reaktionsmischung
eingeleitet worden ist. Die - Bestimmung der momentanen Geschwindigkeit der Gaseinleitung
stößt jedoch oft auf Schwierigkeiten. Es sind zwar Meßinstrumente bekannt, die die
Geschwindigkeit eines Gasstromes mit genügender Genauigkeit anzeigen. Solche Meßinstrumente
beruhen jedoch auf einer OVolumenmessung. In allen denjenigen- Fällen, wo es nicht
gelingt, den Druck und die Temperatur des Gases mit genügender Genauigkeit konstant
zu halten, kann jedoch aus den Volumenmessungen kein Schluß auf die gewichtsmäßig
berechnete Gasgeschwindigkeit gezogen werden.
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Die Erfindung sieht nun eine Einrichtung vor, die ohne weiteres mit
Waagen bekannter Bauart kombiniert werden kann und die eine Bestimmung der Geschwindigkeit
der Gewichtsänderung bzw. des Gasstromes erlaubt. Da aus den angegebenen Gründen
eine Waage im allgemeinen erforderlich ist, damit die Gesamtmenge des zur Reaktion
gebrachten Gases genau bestimmt werden kann, besitzt die Erfindung den wesentlichen
Vorteil, daß mit Hilfe der ohnehin benötigten Waage und mit Hilfe eines relativ
einfachen Zusatzgerätes nun auch eine Bestimmung der Geschwindigkeit des Gas stromes
möglich wird.
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Die Einrichtung ist bestimmt für Waagen mit. beweglicher Skala und
besteht darin, daß einer an sich bekannten, aus einer bewegten Skala mit lichtdurchlässigen
Stellen od. dgl. und aus einer oder mehreren Photozellen bestehenden, bei untereinander
gleichen Last-Zu- oder -Abnahmen je einen elektrischen Impuls erzeugenden Einrichtung
ein in Abhängigkeit von den zwischen den einzelnen Impulsen liegenden Zeiten betätigtes
Anzeige- oder Registriergerät, z. B. ein durch eine in den Impulsintervallen erfolgende
zeitabhängige Aufladung von Koffdensatoren bei konstanter Spannung gesteuertes elektrisches
Anzeigegerät oder eine gleichmäßig durch ein Zeitwerk angetriebene Registriervorrichtung
mit durch die Impulse bewirkter zeigt abhängiger Verstellung des Schreibstiftes
auf andere Registrierzonen, zugeordnet ist, das unmittelbar die Geschwindigkeiten
der Gewichtsänderungen bzw. des Gasstromes anzeigt bzw. registriert.
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Als Waagen mit beweglicher Skala kommen z. B. solche in Betracht,
bei denen eine bewegliche Skala unter einem Ablesefenster mit Marke vorbeigleitet,
oder insbesondere solche, bei denen eine bewegliche Skala, die in diesem Fall sehr
klein gehalten werden kann, durch ein optisches System auf einen passenden Schirm
oder in anderer Weise abgebildet wird. In manchen Fällen kann es zweckmäßig sein,
neben der mit normaler Beschriftung versehenen Skala noch eine weitere Skala anzubringen,
die für die Geschwindigkeitsanzeige gemäß vorliegender Erfindung verwendet wird.
Diese weitere Skala braucht keine Beschriftung zu enthalten und kann gewünschtenfalls
auch an Stelle der üblichen Schwarz-auf-weiß-Markierung eine WeiB-auf-schwarz-Markìerung
enthalten, oder es können auch die Zwischenräume zwischen den einzelnen Markierungsstrichen
kleiner bzw. ungefähr gleich der Dicke der Striche gewählt werden.
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Das von der Skala reflektierte oder gegebenenfalls durch eine durchscheinende
oder durchsichtige Skala durchfallende Licht wird in der vorliegenden Einrichtung
zweckmäßig so gelenkt, daß es auf eine Photozelle beliebiger Bauart fällt. Die optische
Einrichtung ist natürlich so zu wählen, daß beim Vorbeigleiten, der Skala Lichtimpulse
von genügendem Kontrast auf der Photozelle entstehen.
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Die Photozelle liefert unter dem Einfluß der Lichtimpulse elektrische
Impulse, und diese werden so auf ein passendes Meßgerät übertragen, daß das letztere
die Geschwindigkeit der Gewichtsveränderung anzeigt.
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Diese Anzeige der Gewichtsveränderung je Zeiteinheit kann in sehr
verschiedener Weise erfolgen.
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Im einfachsten Fall kann es möglich sein, die Impulse als einfache
Markierungsstriche auf einem mit gleichmäßiger Geschwindigkeit vorbeigeführten Papierband
oder auf einer sich mit gleichmäßiger Geschwindigkeit drehenden Scheibe aufzuzeichnen.
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Der Abstand zweier aufeinanderfolgender Markierungen ist dann umgekehrt
proportional der in diesem Zeitintervall herrschenden Geschwindigkeit.
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Ferner ist es auch möglich, die aufeinanderfolgenden Impulse zur
Steuerung eines Relais oder Umschalters zu verwenden, das einen genügend großen
Kondensafor über einen entsprechenden Widerstand von einer konstant gehaltenen Spannungsquelle
aus aufladet. Beim folgenden Impuls wird durch das Relais die Aufladung unterbrochen,
und die durch die Aufladung erfolgte Spannung des Kondensators kann hierauf in bekannter
Weise gemessen werden. Diese Ausführungsform des Meßgerätes arbeitet zweckmäßig
mit drei Kondensatoren, die nacheinander aufgeladen werden, derart, daß, während
sich der eine Kondensator in Aufladung befindet, der in der vorhergehenden Periode
aufgeladene Kondensator bezüglich seiner Spannung gemessen wird.
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Falls eine besonders genaue Messung der Geschwindigkeit erforderlich
ist, können die Impulse auch in folgender Weise zur Bestimmung der Geschwindigkeit
der Gewichtsveränderung herangezogen werden.
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Der erste einer Reihe von Impulsen wird dazu verwendet, die konstante
Bewegung einer Skalenscheibe auszulösen. Der zweite Impuls bewirkt die Verschiebung
eines Schreibstiftes in radialer Richtung, z. B. von innen nach außen, um -einen
bestimmten Betrag. Der dfitte, vierte, fünfte Impuls bewirkt eine neuerliche Verschiebung
des feststehenden Schreibstiftes in der gleichen Richtung um denselben Betrag. Wenn
nach einigen Stufen der Schreibstift die Peripherie des rotierenden Kreises erreicht
hat, wird die Einrichtung selbsttätig in die Ausgangslage zurückgebracht. Die Wirkungsweise
dieses Gerätes ist die folgende: Auf der rotierenden Kreisscheibe sind verschiedene
Skalen angebracht, die bestimmten Stufen des radial verschiebbaren Schreibstiftes
entsprechen.
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Jede dieser Skalen ist jedoch anders eingeteilt, so
daß
auf der Skala, die der Schreibstift beim zweiten Impuls erreicht, eine Ablesung
ermöglicht wird, die der Geschwindigkeit der Gewichtsabnahme in der Zeit zwischen
dem ersten und dem zweiten Impuls entspricht. Die zweite Skala ist so gezeichnet,
daß darin die Geschwindigkeit der Gewichtsabnahme abgelesen werden kann, die der
doppelten Gewichtsabnahme in der Zeit zwischen dem ersten und dem dritten Impuls
entspricht usw. Diese mehrfache Skala besitzt den Vorteil, daß schon nach einem
Impuls eine vergleichsweise ungenaue Geschwindigkeitsablesung möglich ist. Die Genauigkeit
der Geschwindigkeitsablesung steigert sich von Skala zu Skala, bis sie bei der letzten
Skala das Maximum des Möglichen erreicht.
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Schließlich ist noch eine Ausführungsform zu erwähnen, bei der durch
den ersten Impuls der Zeiger einer Uhr vom Typ einer Stoppuhr in Bewegung gesetzt
wird; der Zeiger bewegt sich gleichmäßig auf einer reziproken Skala. Der zweite
Impuls hält den Zeiger in der erreichten Stelle an und ermöglicht die Ablesung der
Geschwindigkeit.
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Der dritte Impuls läßt den Zeiger zurückspringen und seinen Weg von
vorn beginnen. Auch in diesem Fall kann durch Anbringen von mindestens zwei Zeigern
erreicht werden, daß stets ein ruhender Zeiger die Geschwindigkeitsablesung ermöglicht.
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Aus dem Obigen ergibt sich, daß das gemäß vorliegender Erfindung
zu verwendende Meßgerät in einer Einrichtung verwendet wird, die zeitlich variable
Impulse liefert, die einer konstanten Änderung einer Meßgröße entsprechen, und daß
dieses Meßgerät die zwischen den Impulsen liegenden Zeitspannen in eine Anzeige
der Geschwindigkeit der Änderung dieser Meßgröße übersetzt.
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Diese Geschwindigkeit ist stets proportional dem -reziproken Wert
der zwischen den Impulsen liegenden Zeitspanne.
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Selbstverständlich kann es wünschbar oder notwendig sein, den auf
photoelektrischem Wege primär erzeugten Impuls in an sich bekannter Weise zu verstärken,
z. B. mit Hilfe einer Elektronenröhrenschaltung oder einer Transistorschaltung,
bevor dieser dem Steuermechanismus zugeführt werden kann.
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Ferner ist zu beachten, daß die gemäß vorliegender Erfindung erhaItenen
Impulse im Regelfall eine sehr langsame Folge aufweisen. Wenn man bedenkt, daß auf
einer beweglichen Skala einer Waage nur Skalenteile in einer Größenordnung von etwa
I000 - bis 5000 leicht untergebracht werden können und daß ferner chemische Reaktionen
in vielen Fällen Stunden erfordern, so ist leicht einzusehen, daß im allgemeinen
mit weniger als einem Impuls je Sekunde gerechnet werden kann. Eine Messung der
Geschwindigkeit durch Abzählen der Impulse je Zeiteinheit kommt in diesem Fall nicht
in Betracht, weil die Zeiteinheit viel zu groß, beispielsweise'5 Minuten oder mehr,
gewählt werden müßte, um eine einigermaßen genaue Messung z-u ermöglichen. Die vorliegende
Erfindung erlaubt dagegen eine genügend genaue Ablesung der Geschwindigkeit schon
nach Eintreffen des zweiten Impulses oder gegebenenfalls einiger weniger Impulse.
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In Fällen, wo die Geschwindigkeit eines sehr langsamen Gasstromes
noch genau gemessen werden soll, kann eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
gewählt werden, die an Stelle eines einzigen Impulses beim Vorbeigleiten eines Skalenstriches
eine Mehrzahl von Impulsen liefert. Hier wird die Skala mit entsprechender Vergrößerung
auf eine Blende projiziert, die eine Mehrzahl von Ausschnitten aufweist, die alle
gleich breit und mit gleichem Abstand voneinander angeordnet sind.
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Hinter dieser Blende liegt entweder eine entsprechende Zahl von einzelnen
Photozellen oder eine einzige passend geformte Photozelle. Die Blende ist so auf
die Projektion der gleitenden Skala abgestimmt, daß beim Übergang auf den nächsten
Skalenstrich die Impulsfolge keine Störung erleidet. Bei Verwendung einer einzigen
Photozelle ist es nötig und bei Verwendung mehrerer Photozellen zweckmäßig, eine
Weiß-aufschwarz-Markierung der Skala zu verwenden.
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Ferner besteht noch die Möglichkeit, mit Hilfe der gemäß vorliegender
Einrichtung erhaltenen Impulsfolgen eine automatische Regelung des Gasstronies zu
bewirken. Zu diesem Zweck wird ein Motor mit variabler Drehzahl benötigt. Die variable
Drehzahl kann z. B. mit Hilfe eines Potentiometers reguliert werden. Dieser Motor
treibt eine Gewindestange an, deren Mutter im gleichen Sinn durch die Impulse gedreht
wird. Ist die Gasmenge zu klein, so dreht der Motor schneller und so verschiebt
sich die Mutter in Richtung auf den Motor und öffnet das Regulierventil des Gasungsvorganges.
Ist die Gasmenge zu groB, so dreht sich die Mutter schneller als die Gewindestange.
Die Mutter entfernt sich vom Motor und schließt somit das Regulierventil. Das Einstellen
des Potentiometers kann entweder nach einer im voraus geeichten Skala oder auf Grund
der auf der Skala des Meßgerätes abgelesenen Durchflußmenge vorgenommen werden.
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Schließlich können die Impulse auch zusätzlich einem Zählwerk zugeleitet
werden, das beim Erreichen einer vorausgewählten Zahl ein Ventil schließt und damit
die weitere Zufuhr von Gas unterbricht.
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Die Zeichnungen zeigen einige Ausführungsformen der Erfindung.
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Fig. I ist eine schematische Darstellung einer Waage mit beweglicher
Skala; Fig. 2 ist eine schematische Darstellung des Lichtweges bei der Projektion
der beweglichen Skala; Fig. 3 stellt ein Schaltschema für ein auf elektrischer Spannungsmessung
beruhendes Meßgerät dar; Fig. 4 zeigt eine Meßeinrichtung mit einer mehrere Skalen
tragenden, selbstlöschenden Skalenscheibe; Fig. 5 und 6 zeigen zwei Ausführungsformen
der Einteilung der Skalenscheibe für die Einrichtung gemäß Fig. 4;
Fig.
7' zeigt schematisch eine Einrichtung, die mit Hilfe einer Mehrzahl von Photozellen
eine entsprechende Zahl von Impulsen beim Vorbeigleiten eines Skalenstriches liefert;
Fig. 8 zeigt eine analoge Einr,icht.ung wie Fig. 7 mit Hilfe einer einzigen Photozelle;
Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht einer automatischen Regelvorrichtung, teilweise
im Schnitt.
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In Fig. I- stellen I und 2 die beiden Pendel der Waage dar. Ihr Ausschlag
entspricht dem jeweiligen Gewicht der Last. Am Pendel I ist die Skala 3 befestigt.
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In Fig. 2 stellt 3 die bewegliche Skala dar. Die Skala ist doppelt.
Die eine Hälfte der Skala wird mit Hilfe der Lichtquelle 5 über dem Strahlengang
4 auf die Mattscheibe 6 zwecks normaler Ablesung projiziert, und die andere -(nicht
bezifferte) Hälfte der Skala wird auf die Photozelle 7 projiziert. Die Photozelle
ist zweckmäßig mit einer solchen Blende versehen,'daß beim Vorbeigleiten eines Skalenstriches
ein scharfer Impuls entsteht.
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In Fig. 3 ist die Photozelle mit 7, ein Verstärker mit 8 bezeichnet,
und 9 bedeutet einen Elektromagnet. Dieser dreht das Klinkenrad 40 bei jedem Impuls
um 1/6 Umdrehung weiter. Damit wird der dreifache Schrittschalter ii bei jedem Impuls
in die folgende Stellung geschaltet und bewirkt, daß abwechselnd jeder der drei
Kondensatoren 12 durch die Batterie 14 und über den Vorschalterwiderstand 15 aufgeladen,
zur Spannungsmessung an das Voltmeter 13 geschaltet und schließlich wieder entladen
wird.
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In der Einrichtung gemäß Fig. 4 wirkt die Photozelle 7 über den Verstärker
8 auf zwei Elektromagnete I6 und I7. In der Ausgangslage ist die Registrierscheibe
20 durch die Sperrklinke I8 und die Einkerbung 21 festgehalten. In dieser Stellung
wird'ferner der Schreibstift 24 durch das Schließen des Schleifkontaktes 22 mit
Hilfe des Elektromagneten 23 in die Ausgängslage zurückgezogen. Der Magnet I6 hebt
beim ersten Impuls die Sperrklinke I8 von der Registrierscheibe 20 ab.
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Dadurch kann die Scheibe frei drehen. Die Feder 19 drückt, wenn'der
Impuls vorbei ist, die Klinke I8 wieder gegen die Scheibe, damit letztere am Ende
der Umdrehung wieder in der Ursprungslage arretiert wird. Der Ursprung der Skala
entspricht der Einkerbung 21. Wenn die Scheibe sich in der Ursprungslage befindet,
bewirkt der erste Impuls das Abheben der Sperrklinke 18. Die Scheibe wird nun gleichmäßig
durch den mehrpoligen Asynchronmotor 25 über die Rutschkupplung 26 angetrieben.
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Beim nächsten Impuls hebt der Magnet I7 die Klinke 27 ab.
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Die Zahnstange 28 mit dem Schreibstift 24 wird durch die Druckfeder
29 um eine Teilung herausgestoßen. Somit erfolgt eine Aufzeichnung auf dem entsprechenden
Skalenkreis. Wenn der Schreibstift 24 bereits eine Aufzeichnung auf den äußersten
(letzten) Skalenkreis angebracht hat, bewirkt der nächste Impuls das Schließen des
Kontaktes 30, welcher nun den Motor 25 über das Schütz 3I auf Schnell- und Rückwärtsgang
umschaltet. DieWalze 32 löscht die Aufzeichnungen auf der Scheibe und trägt eine
neue, frische Farbschicht auf.
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Fig. 5 zeigt eine Einteilung einer in der Einrichtung gemäß Fig.
4 verwendbaren Skala mit einer Aufzeichnung, die durch eine konstante Gewichtsabnahme
von 600 mg je Minute hervorgebracht wird. Die Scheibe dreht sich in I60 Sekunden
einmal, und die Waage gibt nach je 200 mg Gewichtsabnahme einen Impuls. Demgemäß
trifft 20 Sekunden nach Beginn der Drehung der Scheibe der erste Impuls ein, und
in dieser Zeit hat die Scheibe l/s Umdrehung zurückgelegt. Nach weiteren 20 Sekunden
trifft der zweite Impuls ein, nachd,em die Scheibe nun t/4 Umdrehung gemacht hat.
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Jeder Impuls ermöglicht auf der entsprechenden Skala die Ablesung
600 mit steigender Genauigkeit.
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Fig. 6 zeigt eine Einteilung einer Skala, die beim Ubergang von einer
Kreisteilung zur nächsten nicht ein lineares, sondern ein geometrisches Anwachsen
zeigt. Demgemäß ist das Schreibgerät so eingerichtet, daß zum Erreichen der zweiten
Kreisteilung insgesamt drei, zum Erreichen der dritten Kreisteilung insgesamt neun
und zum Erreichen der letzten Kreisteilung insgesamt siebenundzwanzig Impulse erforderlich
sind. Zu diesem Zweck kann in der Einrichtung gemäß Fig. 4 entweder die Zahnung
der Zahnstange 28 entsprechend geändert werden, oder es können durch eine von der
Stellung der Zahnstange 28 abhängige Schaltvorrichtung in die Verbindungsleitung
zwischen dem Verstärker und dem Magnet I7 Zwischenrelais eingeschaltet werden, die
die nicht gewünschten Impulse nicht weitergeben. Dadurch wird der nutzbare Meßbereich
der Einrichtung außerordentlich erweitert.
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In Fig. 7 bedeutet 6 die vorteigleitende projizierte Skala mit den
einzelnen Strichen 33. Die Blende 35 enthält eine der Zahl der Photozellen 7 entsprechende
Anzahl von Ausschnitten. Beim Vorbeigleiten liefert jeder Strich 33 in jeder Photozelle
einen Impuls. Durch Abschalten aller Photozellen bis auf eine kann der Meßbereich
der Anordnung geändert werdeil.
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In Fig. 8 bedeutet wiederum 6 die vorbeigleitende Skala, hier weiß
auf schwarz, mit den einzelnen Strichen 34. Die Blende 36 vor der einzigen Photozelle
7 bewirkt, daß eine sehr große Zahl von Impulsen auf gedrängtem Raum beim Vorbeigleiten
eines einzigen Skalenstriches erhalten werden kann.
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In Fig. g bedeutet 37 das Potentiometer, das die Drehzahl des Motors
38 nach Wunsch einzustellen erlaubt. 38 ist eine Gewindestange, die durch den Motor
38, gewünschtenfalls über ein Reduktionsgetriebe, angetrieben wird. Mit 40 ist eine
auf der Gewindestange 39 laufende Mutter bezeichnet. Die seitliche Bewegung der
Mutter wird über die Hebelstange 43 auf das Venti144 zur Steuerung des Gaseinlasses
A und des Auslasses B (im Schnitt gezeichnet) übertragen. Die Mutter 40 trägt Zacken
42, die durch den Elektromagnet 41 schrittweise weitergedreht werden.
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Wenn beim Betrieb die durch die einzelnen Impulse bewirkte Drehung
der Mutter mit der Drehzahl der Gewindestange übereinstimmt, bleibt die Ventileinstellung
praktisch konstant. Eine zu geringe Anzahl an Impulsen (zu schwacher Gasstrom) führt
zu einer Bewegung der Mutter nach links und damit zu einem Offnen des Ventils, und
umgekehrt.