Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Wichte von Gasen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Wichte von Gasen, vorzugsweise von unter hohem Druck stehenden Gasen.
Bei der Mengenmessung von strömenden Gasen ist die Kenntnis der jeweiligen Wichte von grosser praktischer Bedeutung, da mit den üblichen Mengenmessverfahren ausschliesslich das Volumen des strömenden Gases bestimmt wird, während für die Aufstellung einer Betriebsbilanz jedoch vor allem das von Druck und Temperatur unabhängige Gewicht des Gases von Interesse ist.
Derartige Messungen geschehen im allgemeinen so, dass das durch das Volumenmessgerät strömende Gasvolumen in einer vorgegebenen Zeit entweder graphisch oder mittels eines Zählwerks integriert wird. Danach wird aus den während der gleichen Zeit registrierten Zustandsgrössen Druck und Temperatur und den physikalischen Konstanten des Gases eine mittlere Wichte ermittelt und daraus das Gewicht des während der Messzeit durch das Messgerät geströmten Gases bestimmt.
Dieses Verfahren ist wegen der Vielzahl der notwendigen Arbeitsgänge relativ ungenau; es erfordert einen grossen Aufwand an Messgeräten und Auswertearbeit, vor allem dann, wenn die in die Messung eingehenden Variablen zeitlich stark schwanken.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Messung der Wichte von Gasen zu entwickeln, das die Schwierigkeiten der bisher bekannten Messverfahren vermeidet und es gestattet, die Wichte auch bei hohem Druck und hoher Temperatur direkt messen zu können und so eine zusätzliche Messung des Druckes und der Temperatur unnötig macht.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Messung der Wichte von Gasen ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gas durch eine Mess-Strecke geführt wird, in dem ein schwingendes System angeordnet ist, dessen in Abhängigkeit von der Gaswichte sich ändernde Frequenz fortlaufend gemessen wird.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Messung der Wichte von Gasen ist dadurch gekennzeichnet, dass das schwingende System in einem Rohr aus nicht ferromagnetischem Werkstoff angeordnet ist und dass dessen Schwingungen mittels mehrerer in einer Querschnittsebene des Rohres symmetrisch zueinander angeordneter Rohrwandöffnungen druckdicht ausfüllender, ausserhalb der Rohrwand verlängerter, paarweise mit einem Dauermagneten verbundener und von Spulen umgebener Poischuhe aus ferromagnetischem Werkstoff übertragbar sind.
Das schwingende System weist vorzugsweise eine Stimmgabel auf, die zweckmässig mit einem Fuss versehen und mit diesem mit dem Rohr verschraubt ist.
Zur Verstärkung der Wirkung können die Zinken der Stimmgabel mit Prallplatten versehen sein.
Als Prallplatten werden zweckmässigerweise mehrere in Abständen aufeinander befestigte dünne Bleche angeordnet und jeweils in ihrem Schwerpunkt mit der Gabel verbunden.
Zur Messung der Wichte sind vorzugsweise hinter der Stimmgabel ausserhalb des Rohres ein mit den Spulen verbundener Verstärker und ein diesem nachgeschalteter Frequenzmesser mit einem Anzeigegerät zur Messung der Wichte angeordnet.
Zwischen Verstärker und Frequenzmesser kann eine (gleichzeitig) von einem Quarzoszillator über einen Impulsuntersetzer betriebene Mischstufe angeordnet werden.
Bei der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Wichtemessers für Gase wird demnach eine Stimmgabel geeigneter Konstruktion in einem Rohr zu ungedämpften Schwingungen angeregt. Die Eigenfrequenz dieses schwingenden Systems hängt dann, wie gefunden wurde, nur von der Wichte des die Stimmgabel umgebenden Gases ab, während die Art des Gases bzw. die bei unterschiedlichen Gasen stark schwankenden Werte der Viskosität keinen Einfluss auf das Messergebnis haben. Diese Eigenschaft des Wichtemessers für Gase, die für die praktische Verwendung des Geräts von grosser Bedeutung ist, wurde durch eingehende Versuche mit den verschiedensten Gasarten nachgewiesen. Es ist auf diese Weise möglich; das Gerät mit einer Gasart A in einem gewissen Wichtebereich zu eichen, um es dann für ein anderes Gas B oder ein Gasgemisch C zur Wichtemessung zu benutzen.
Bei Verwendung des erfindungsgemässen Verfahrens bzw. Geräts wird auch die nötige Auswertearbeit erheblich vereinfacht, da die für die Umrechnung notwendige Bestimmung der Wichte nicht erst aus Druck, Temperatur und der Zusammensetzung des Gases errechnet werden muss, sondern von dem Gerät direkt angezeigt und registriert wird. Die Zusammensetzung des Gases braucht dabei nicht bekannt zu sein.
In den Abbildungen ist die erfindflngsgemässe Vorrichtung zur Messung der Wichte von Gasen beispielsweise dargestellt, und zwar zeigen:
Fig. 1 und 2 einen Längsschnitt bzw. Querschnitt durch die Vorrichtung;
Fig. 3 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung mit angeschlossenem Verstärker ;
Fig. 4 die Abhängigkeit der Frequenz f von der Wichte y,
Fig. 5 Grundriss und
Fig. 6 Seitenriss des Stimmgabeleinsatzes mit einem Paar von Prallplatten;
Fig. 7 und 8 Grundriss und Seitenniss, des Stimmgabelkopfes mit einem Prallplattenpaket;
Fig. 9 die Schaltung der gesamten Einrichtung mit den Geräten zur Messung und Registrierung:
Fig. 10 den Verlauf der Anzeige bei gespreiztem Frequenzbereich;
Fig. 11 die Anordnung der Messanlage in einem Seitenstrom, und
Fig. 12 im Hauptstrom des zu messenden Gases.
Die Vorrichtung besteht in ihrem wesentlichen Teil aus einer Stimmgabel 1, die koaxial in einem Hochdruckrohr 2 angeordnet ist. Hierzu ist die Stimmgabel an ihrem eingespannten Ende mit einem Konus 3 versehen, der mittels eines Schraubringes 6 in einen dem Konus 3 entsprechenden Hohlkegel 5 des Hochdruckrohres 2 eingespannt und dadurch in genau bestimmter Lage zum Druckrohr 2 festgelegt ist. Ein Austausch von Stimmgabeln, z. B. unterschiedlicher Eigenfrequenz, ist so leicht möglich.
Die Stimmgabel ist an ihren beiden schwingenden Enden mit Köpfen 7 versehen, denen gegenüber sich jeweils ein Paar von ferromagnetischen Polschuhen 8 befindet. Die Polschuhe 8 sind beiderseits in die Wand des Hochdruckrohres 2 eingeschweisst. Sie sind aus der Wand herausgeführt und enden jeweils in einer Verstärkung 9. Zwischen den beiden Enden eines zusammengehörigen Paares von Polschuhen ist je ein Permanentmagnet 9 angeordnet. Das eine Paar von Polschuhen bildet demnach zusammen mit den über den Polschuhen vorhandenen Spulen einen induktiven Aufnehmer 10, das andere Paar einen Elektromagneten 11.
Die Erregung der Gabel 1 zu ungedämpften Schwingungen geschieht (Fig. 2) durch den am äusseren Umfang des Druckrohrs angeordneten induktiven Aufnehmer 10 sowie den Elektromagneten 11, wobei die Durchführung der Feldänderungen durch das aus einem Stahl geringer Permeabilität bestehende Druckrohr mittels der in dieses eingeschweissten ferromagnetischen Polschuhe 8 erfolgt. Auf diese Weise werden die konstruktiv schwierigen Durchführungen elektrischer Leitungen durch einen Druckmantel vermieden. Induktive Aufnehmer 10 und Elektromagnet 11 sind am Eingang bzw. Ausgang eines Transistor-Wechselspannungsverstärkers 12 angeordnet, so dass bei genügend grosser Verstärkung und richtiger Phasenlage die gesamte, aus Verstärker und Stimmgabel bestehende Anordnung in bekannter Weise zum Schwingen kommt.
Die Frequenz der entstehenden Schwingung wird hierbei durch die Eigenfrequenz der Stimmgabel 1 bestimmt (Fig. 3).
Misst man mit einer solchen Anordnung die Stimmgabelfrequenz ç in Abhängigkeit von der Wichte y des sie umgebenden Gases, so erhält man einen Verlauf, wie er in Fig. 4 in Kurve A schematisch dargestellt ist. Die Frequenz f von beispielsweise etwa 1000 Hz nimmt mit zunehmender Wichte y ab, wobei der Gradient dieses Abfalls mit wachsender Wichte y gleichfalls abnimmt.
Diese Änderungen der Anzeige sind bei Verwendung einer üblichen Stimmgabel aber gering. Sie betragen für eine Gaswichteänderung von z. B. 0,05 g/cm3 etwa 1 O/o der Stimmgabelfrequenz, sind aber sehr genau definiert und reproduzierbar.
Um die Frequenzänderungen zu erhöhen, werden die Zinken der Gabel des Geräts (Fig. 5, 6) mit Prallplatten 13 versehen, die aus einem spezifisch besonders leichten Metall, z. B. aus legiertem Aluminium oder Titan, hergestellt sind. Sie sollen die Oberfläche der Gabel bei möglichst geringer Gewichtserhöhung vergrössern und sie damit in eine bessere Wechselwirkung mit dem sie umgebenden Gas bringen. Diese Wirkung wird weiter verstärkt, wenn die Prallplatten gemäss Fig. 7, 8 aus mehreren, übereinander angeordneten dünnen Blechen 14 bestehen, die bei geringem Gewicht grosse mechanische Steifigkeit und eine grosse Oberfläche besitzen.
Mit einer solchen, mit Prallplatten versehenen Gabel ist es möglich, die Frequenzänderung auf etwa 100/a der Grundfrequenz bei einer Wichteänderung von 0,05 g/cm3 zu erhöhen, sie also etwa um das Zehnfache zu vergrössern, ohne dass Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Messung dadurch beeinträchtigt werden. Die Charakteristik einer solchen Gabel hat einen Verlauf, wie er in Fig. 4 in Kurve B dargestellt ist.
Eine Frequenzkennlinie nach Fig. 4 Kurve B liegt für ein Betriebsmessgerät jedoch noch keineswegs sehr günstig. Würde man nämlich zur Darstellung des Messergebnisses die Frequenz f der Stimmgabel, z. B. mit einem Frequenzmesser, bestimmen, so würde dieser nur im letzten Zehntel seines Messbereichs ausgesteuert werden, während 9/10 davon unterdrückt werden müssten. Dies würde auch bei leinem erheblichen Aufwand zur Stabilisierung der benötigten Gleichspannungen zu Nullpunktschwankungen und damit zu Messfehlern führen. Ferner würde bei einem derartigen Verfahren am Anzeigeinstrument mit zunehmender Wichte y eine Verminderung des Zeigerausschlags eintreten, was eine Erschwerung der Ablesung zur Folge hätte.
Diese Schwierigkeiten werden bei Anwendung eines verbesserten Verfahrens beseitigt, wie es in Fig. 9 schematisch dargestellt ist. Danach wird die von der Stimmgabel in ihrer Frequenz f bestimmte, vom Verstärker 12 abgegebene Wechselspannung mit einer weiteren Wechselspannung, die ihrerseits von einem Quarzoszillator 15 geliefert und z. B. in einem dekadischen Untersetzer 16 geeignet untersetzt wird, zur Schwebung gebracht. Hierbei entsteht in einer Mischstufe 17 eine der Summe bzw.
Differenz beider Wechselspannungen entsprechende Schwebungsfrequenz f. Betrachtet man nun z. B. die Differenz der beiden Frequenzen, die durch einen der Mischstufe nachgeschalteten Tiefpass 18 ausgefiltert wird, und zwar für den Fall, dass die der Mischstufe zugeführte Vergleichsfrequenz gerade der Stimmgabelfre quenz am unteren Messbereichsende entspricht, so ergibt sich für einen derartigen Wichtemesser eine Charakteristik nach Fig. 10. Hier wird die Zweckmässigkeit des zwischen Quarzoszillator 15 und Mischstufe 17 eingeschalteten Impulsuntersetzers 16 besonders deutlich. Dieser erlaubt es, der Mischstufe, z. B. beim Austausch von Stimmgabeln oder bei Messbereichsänderungen, eine Vergleichsfrequenz zuzuführen, die in feiner Abstufung und genau reproduzierbar einstellbar ist.
Die Frequenz am oberen Messbereichsende kann bei den üblichen Ausführungen eines Wichtemessers mit einem Messbereich von z. B. 0,10-0,15 g/cm3 80 oder 100 Hz betragen, ist also mit bekannten Frequenzmesserschaltungen, z. B. nach dem Ratemeterprinzip, in einfacher Weise in eine der jeweiligen Frequenz proportionale Gleichspannung bzw. einen eingeprägten Gleichstrom umzuformen. Dieser wird dann als Mass für die vom Gerät gemessene Wichte, z. B. mittels eines Drehspulinstruments 19, angezeigt bzw. registriert. Die in Fig. 4 angegebene Krümmung der Kennlinie tritt bei der Kurve nach Fig. 10 weit weniger in Erscheinung, da hier nur ein relativ kleines, dem Wichtemessbereich entsprechendes Frequenzintervall dargestellt und über den ganzen Messbereich gespreizt ist.
Bei praktischen Ausführungen eines Wichtemessers nach dem hier beschriebenen Prinzip kann deshalb bei einer maximalen Abweichung von etwa 0,5 O/o ein linearer Zusammenhang zwischen Wichte und Ausgangsspannung erzielt werden.
Die gesamte beschriebene Messanordnung ist gegen Netzspannungsschwankungen und Änderungen der Eigenschaften der verwendeten Verstärkerelemente und elektrische Bauelemente, wie Transistoren, Widerstände und Kondensatoren, in weiten Grenzen unabhängig, da nur die vom Stimmgabelgenerator und Quarzgenerator gelieferten Frequenzen die Grösse der zur Messung dienenden Schwebungsfrequenz f' bestimmen und Amplituden und Kurvenform dieser Spannungen keinen Einfluss auf das Messergebnis haben. Beim Stimmgabeloszillator sind die eventuell durch Temperaturschwankungen auch bei konstanter Wichte y verursachten Frequenzänderungen schon bei der Verwendung von Gabeln aus unlegierten Stählen gegenüber den durch Wichteschwankungen des Gases verursachten Änderungen klein.
Zur weiteren Verminderung dieses Störeinflusses kann die Stimmgabel in bekannter Weise aus einem Stahl mit weitgehend temperaturunabhängigem Elastizitätsmodul hergestellt werden. Der verwendete Quarzoszillator ist, falls sich seine sehr geringe temperaturbedingte Frequenzänderung noch störend bemerkbar macht, durch einen einfachen Thermostaten zu stabilisieren. Lediglich der zur Umformung der Schwebungsfrequenz f in eine Gleichspannung dienende Frequenzmesser 20 bedarf einer konstanten Betriebsspannung.
Der hier beschriebene Wichtemesser für Gase besteht nach Abb. 11 aus dem eigentlichen Messfühler 21, der mit geringer Strömungsgeschwindigkeit von dem zu messenden Gas durchströmt wird und einem Gehäuse 22, in dem die elektronischen Geräteteile untergabracht sind.
Eine etwas abgewandelte Ausführungsform zeigt Fig. 12. Hier ist der Messfühler 21, um einen besonders guten thermischen Kontakt mit dem Messgas zu erzielen, unmittelbar mit der das Gas enthaltenden Rohrleitung 24 verbunden, wobei durch ein kleines, im Innern angeordnetes Staurohr 23 für eine ausreichende Spülung des Messfühlers mit Messgas gesorgt ist. So werden alle durch Druck- und Temperaturänderungen oder durch Änderungen der Art und der Zusammensetzung des Messgases verursachten Wichteschwankungen sehr rasch erfasst und angezeigt.
Der elektrische Geräteteil selbst ist in einem festen Gehäuse 22 untergebracht, das ohne Schwierigkeiten auch in explosionsgeschützter Ausführung hergestellt werden kann.
Der elektrische Geräteteil kann in beliebiger Entfernung vom Messfühler, z. B. in einer Messwarte, untergebracht werden. Das Messergebnis kann dort angezeigt bzw. registriert oder aber an einen beliebigen anderen Ort übertragen werden.