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Elektrisches Durchflußmengen-Meßgerät
Es ist für die Zwecke der Bestimmung
der eine Gasleitung durchfließenden Gasmenge bekannt, eine Kaskadenschaltung von
Potentiometern zu verwenden, die so aufgebaut ist, daß sich ein Potentiometer entsprechend
dem Druckunterschied einstellt, der sich beiderseits einer den Druck in der Leitung
stauenden Blendenöffnung ausbiMet, während ein zweites Potentiometer sich entsprechend
dem Betriebsdruck in der Leitung und ein drittes Potentiometer sich entsprechend
der Temperatur in der Leitung einstellt. Die letztgenannten beiden Potentiometer
führen Korrekturgrößen in die Meßschaltung ein, welche die Druckabhängigkeit und
die Temperaturabhängigkeit der als Druckunterschiedsgröße gemessenen Durchflußmenge
beseitigen. Derartige Schaltungen sind sowohl als wechselstromgespeiste Meßschaltungen
als auch als gleichstromgespeiste Meßschaltungen ausgebildet worden, In jedem Fall
ist es nötig, daß die Stromversorgung der Meßschaltung mit konstanter Spannung erfolgt.
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Eine andere bekannte Schaltungsweise für die Bestimmung der Durchflußmenge
eines Gases besteht aus einer Brückenschaltung, bei der die Korrekturgrößen, welche
der Temperatur und dem Betriebsdruck des Gases Rechnung tragen, in dem Stromkreis
eingeschaltet sind, welcher den Betriebsstrom der Brückenschaltung zuführt; dabei
liegt in der Brücke selber ein sich entsprechend der Durchflußmenge einstellender
Potentiometerwiderstand.
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Brückenschaltungen sind im Aufbau komplizierter und gestatten meist
nicht, innerhalb weiterer Grenzen an einem Meßinstrument die Größe der zu bestimmenden
Meßgröße anzuzeigen.
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Die Erfindung beschreibt eine auf dem erstgenannten Prinzip der Kaskadenschaltung
von Potentiometern beruhende Durchflußmengen-Meßschaltung, bei der jedoch im Gegensatz
zu den bekannten Schaltungen nicht für die Einfügung jeder der zur Ausnutzung gelangenden
Meßgrößen ein selbständiger, aus Druck bzw. Temperatur abhängigem Vorwiderstand
und festem Nachwiderstand gebildeter Potentiometerkreis Anwendung findet.
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Bei einem elektrischen Durchflußmengen-Meßgerät, bei welchem die
Anwendung einer von einer Normalspannung gespeisten Kaskadenschaltung von Potentiometern
vorgesehen ist, die nach Maßgabe der gemessenen Durchflußmengengröße und zwecks
Korrektur nach Maßgabe von Druck- oder Temperaturschwankungen veränderlich ausgebildet
sind, wird erfindungsgemäß der unkorrigierte Durchflußmengen-Meßwert als Abgriffverschiebung
an dem einen der festen Potentiometer-Teilwiderstände eingeführt.
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Gegenüber der vorerwähnten bekannten, eine Potentiometer - Kaskadenschaltung
verwendenden Meßschaltung besitzt die Erfindung den Vorteil, daß die Zahl der in
der Schaltung vorgesehenen Widerstände und Verzweigungspunkte geringer ist und ferner
die Durchflußmenge Null zwangläufig zu der Ausrgangs-Meßspannung Null führt, wenn
der Potentiometerabgriff, der sich auf den Durchflußmengen-Meßwert einstellt, sich
an das Anfangsende des Potentiometerwiderstandes verschiebt.
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Die Erfindung ist in der nachfolgenden Beschrei bung und den Zeichnungen
in Form verschiedener Ausführungsbeispiele erläutert. Von den Figuren sind die Fig.
I und 2 schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform, die Fig. 3 bis
5 ebenfalls schematische Darstellungen einer anderen Ausführungsform; die Fig. 6
bezieht sich auf eine weitere Ausführungsform.
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In Fig. I (Fall zweier Veränderlicher) ist die Spannung E die Energiequelle
und ist in solchem Fall konstant. Der Laufkontaktpa stellt den beweglichen Kontakt
dar, der durch die scheinbare Durchfluß menge beeinflußt wird und der (Fig. I) einen
Bruchteil der Spannung E von der Impedanz r+cp abzweigt, wobei c, eine variable
Impedanz ist, die z. B. durch den Druck des Fluidums beeinflußt wird. Dieser Spannungsbruchteil
speist die Impedanz r2tct, wobei Ct eine variable Impedanz ist, die durch die Temperatur
des Fluidums beeinflußt wird. Von dieser Impedanz r2+ct wird mittels zweier fester
Abgriffe ein Teil V der an deren Enden bestehenden Spannung abgezweigt, um das Instrument
zu speisen, welches die wirkliche Durchflußmenge, d. h. die gebührlich korrigierte
scheinbare Durchflußmenge, anzeigt. Natürlich kann die Anordnung der Kompensatoren
auch umgekehrt werden, indem der Temperaturausgleicher an Stelle des Druckausgleichers
gesetzt wird, und umgekehrt.
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In Fig. 2 (Fall einer einzigen Veränderlichen) ist E wiederum eine
Quelle elektrischer Energie konstanter Spannung, pa ein beweglicher Kontakt, der
unter dem Einfluß der scheinbaren Durchflußmenge des Fluidums steht und der einen
Teil der Spannung E vom Widerstand (oder von der Impedanz) r+c abzweigt, wobei c
(Kompensator) ein Widerstand (bzw. eine Impedanz) ist, der bzw. die durch diejenige
Veränderliche beeinflußt wird, von der das spezifische Volumen abhängt; dieser Teil
der Spannung E speist das Instrument, welches die wirkliche Durchflußmenge anzeigt.
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Falls es sich darum handelt, die Meßfehler der scheinbaren Durchflußmenge
zu korrigieren, die auf Änderungen der Temperatur des Fluidums in bezug auf den
Eichwert des Venturimessers, des Meßflansches usw. beruhen, so kann die variable
Impedanz C der Fig. 2 statisch ausgeführt sein mittels eines Widerstandes bestimmten
Querschnittes und fester Länge, der einen geeigneten Temperaturkoeffizienten besitzt
und der Temperatur des Fluidums ausgesetzt ist.
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Fig. 3 bezieht sich auf eine vereinfachte Ausführungsform der Vorrichtung,
worin das Meßinstrument mit seiner Impedanz eine von denen des letzten Stadiums
ersetzt.
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In besagter Figur bezeichnet E die von außen speisende, als konstant
angenommene Spannung, r1+r2 bezeichnet die feste Impedanz, während C, und Ct die
variablen Impedanzen bezeichnen, die durch Druck bzw. Temperatur des Fluidums beeinflußt
werden, während pa der durch die scheinbare Durchfluß menge beeinflußte Laufkontakt
ist.
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Die feste Impedanz des zweiten Teilers ist, wie oben erwähnt, durch
das Anzeige gerät S selbst gegeben.
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Die Ausführungsform gemäß Fig. 4 zielt hingegen darauf ab, die Proportionalität
zwischen der vom beweglichen Kontakt des ersten Teilers abgezweigten Spannung und
der Durchflußmenge herzustellen, um auf dem Anzeige- bzw. Schreibgerät eine gleichförmige
Skala und ein integrierbares Schaubild zu erhalten.
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Zu diesem Zweck sind daher erfindungsgemäß die Impedanzen ri und
r2 der Fig. I durch zwei Spiralen s1 und s2 aus Widerstandsdraht gegeben, die einander
gleich sind und zweckmäßig veränderliche Steigung aufweisen und die innerhalb von
zwei Manometergefäßen vl und v2 angeordnet sind, welche mit dem Venturimesser verbunden
und so angeordnet sind, daß, wenn die eine vollständig vom Quecksilber kurzgeschlossen
ist, die andere vollständig frei ist (s. Fig. 4).
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Die das Anzeigegerät S speisende Spannung ist von der Quecksilbermasse
in A und vom Ende der Impedanz in B abgezweigt. Die Steigungen der Spiralwindungen
sind so berechnet, daß sich die Impedanz des Drahtes, der aus dem Quecksilber hervorragt
bzw. desjenigen, Ider in das Quecksilber hineinragt, proportional der Ouadratwurzel
der Niveauschwankungen des Quecksilbers verändert.
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Statt aus auf zylindrische Stützen aufgewickelten Spiralen zu bestehen,
können die Impedanzen auch anders ausgeführt sein; wichtig ist, daß deren Summe
praktisch konstant ist, welche Lage auch immer das Quecksilberniveau einnehmen möge.
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Um die Anzeigen des Gerätes von den allfälligen Schwankungen der
Spannung E unabhängig zu machen (s. wiederum Fig. 4), ist in Reihe mit der Eigenimpedanz
des Gerätes S und der Impedanz Cp ein Widerstand r4, mit hohem Temperaturkoeffizienten
geschaltet, der durch den von der Spannung E gespeisten Widerstand r6 gewärmt wird.
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Wenn nun E steigt oder fällt, so ändert sich demnach entsprechend
auch r4 derart, daß der durch S fließende Strom konstant bleibt, solange auch die
Durchfluß menge konstant ist.
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Damit ferner die Temperatur von r6 konstant bleibt gegenüber den
Schwankungen der Raumtemperatur, ist in Reihe mit r ein Widerstand r6, vorgesehen,
welcher der Raumtemperatur ausgesetzt ist und dessen Wert zweckmäßig gewählt wird.
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Wenn z. B. die Raumtemperatur ansteigen sollte, so wird der durch
r6 fließende Strom um so viel verringert, als nötig ist, um die Temperatur von re
konstant zu halten.
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Durch zweckmäßige Abänderung des Temperaturausgleichers und des Druckausgleichers
läßt es sich erreichen, daß die Ausschläge des Anzeigegerätes bei konstanter Durchflußgewichtsmenge
einer Größe proportional ausfallen, die von der Durchflußmenge abhängt und allenfalls
von anderen Faktoren; z. B. von den Enthalpieänderungen des gemessenen Fluidums.
So ist es möglich, den Apparat in Kalorien zu eichen.
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Fig. 5 zeigt die Vorrichtung für den Fall (Wechselstrom), daß die
Spannungsteiler aus Transformatoren bestehen. Das veränderliche Verhältnis kann
erreicht werden, sei es durch Änderung der Anzahl Ider aktiven Windungen der Primärwicklung
allein, sei es derjenigen der Sekundärwicklung allein oder aber auch durch Änderung
der Windungen beider Wicklungen.
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Wenn also n2 n2 nl nl' ' nl(n) die Übersetzungen der Transformatoren
in Kaskadenschaltung sind, so wird die Spannung V gegeben sein durch n2 n2' n2(n)
V = E . . ... lz, 1, 1(n) Sind gdie besagten Übersetzungen in geeigneter Weise abhängig
bzw. beeinflußt von der Durchflußmenge, dem Druck, der Temperatur und allfälligen
anderen Veränderlichen, so erhält man mit dieser Vorrichtung dasjenige, was mit
der vorstehend erläuterten Spannungsteilereinrichtung erhalten wurde.
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Hinzu kommt aber der Vorteil, daß die Anzahl der Stadien nötigenfalls
auch sehr groß sein darf, während bei der Spannungsteilereinrichtung Sorge zu tragen
ist, daß der Widerstand eines jeden Stadiums sehr groß sei im Vergleich zu jenem
des vorausgehenden Stadiums, was praktisch die Anzahl der Stadien beschränkt.
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Endlich wurde gefunden, daß eine Kontinuität der erhältlichen Werte,
praktisch genommen zu Vergleichen der Kontinuität,ldie mit einem unmittelbar auf
den Windungen schleifenden Kontakt erhalten werden könnte, mit Kontaktorganen erreicht
werden kann, die mit Kontaktbänken zusammenwirken, indem die Elemente letzterer
mit experimentell auf den Impedanzen gewählten Punkten verbunden werden. Dies ermöglicht
Eichung des Instrumentes derart, daß die Folgen ider in den verschiedenen Teilen
vorhandenen Unvollkommenheiten ausgeschaltet werden.
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In Fig. 3 bezeichnet, wie erwähnt, E die äußere Speisespannung, die
konstanttangenommen wird; r,+r2 die feste Impedanz; cp und Ct veränderliche Impedanzen,
unter dem Einfluß des Druckes bzw. der Temperatur des Fluidums stehend, oder umgekehrt;
pa den unter dem Einfluß der scheinbaren Durchfluß menge stehenden Gleitkontakt.
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Die Kontaktbänke werden hergestellt, indem man auf einen Träger M
aus Isoliermaterial einen Leiter N spiralförmig aufwickelt, wie in Fig. 6 gezeigt,
und ihn dann in beliebiger, an sich bekannter Weise verankert.
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Darauf schneidet man den so hergestellten Körper längs der in Fig.
6 mit strichpunktierter Linie bezeichneten Strecke und erhält so die Kontaktbank,
in der die einzelnen Elemente untereinander isolierte Spiralwindungen sind. Das
eine Ende einer jeden Windung wird elektrisch mit einem Punkt der Impedanz verbunden,
während das andere untätig bleibt. Mit einem solchen System erhält man eine wenig
Raum beanspruchende Kontaktbank mit sehr zahlreichen Elementen, da die Spirale in
sehr eng aneinander anliegenden Windungen aufgewickelt werden kann.
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Diese Lösung ist nur zum Zweck der Erläuterung angegeben, da beispielsweise
statt einer eigentlichen Wicklung ein auf einem Träger in Zickzacklinie versetzt
angeordneter Leiter verwendet werden kann.