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Einrichtung zur exakten Messung eines eine Rohrleitung durchströmenden
Gases Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur exakten Durchflußmengenmessung
eines eine Rohrleitung durchströmenden Gases. Im allgemeinen wird eine Bestimmung
des Durchflusses dadurch ausgeführt, daß der an einer Rohrquerschnittsverengung
abgenommene Wirkdruck durch geeignete Vorrichtungen radiziert wird. Dabei ist der
radizierte Wert nur dann ein exaktes Maß für den Durchfluß, wenn der Gasdruck und
die absolute Temperatur des Gases nicht von den zugrunde gelegten Werten abweichen.
Andernfalls muß die Abweichung dieser beiden Größen berücksichtigt werden. Für ideale
oder als näherungsweise ideal anzusehende Gase gilt der Zusammenhang
wobei Q die Durchflußmenge pro Zeiteinheit, iI p den an der Rohrquerschnittsverengung
fühlbaren Wirkdruck, p den Gasdruck und T die absolute Temperatur des Gases bezeichnet.
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Es sind Einrichtungen bekannt, die eine genaue Durchflußmengenmessung
gemäß dieser Formel ermöglichen und die mit elektrodynamischen Kompensationssystemen
nach Art der bekannten Stromwaagen arbeiten. Bei einer dieser Einrichtungen ist
eine Stromwaage mit einer Wheatstoneschen Brücke zusammengeschaltet, deren Widerstände
von dem Gasdruck und der Gastemperatur gesteuert sind. Dabei wirkt sich nachteilig
die Tatsache aus, daß das Verhältnis der Brückenwiderstände extrem groß ist und
ß'hergangswiderstände störend in die Schaltung eingehen. Es ist auch der Vorschlag
gemacht worden, die in Ströme umgeformten Meßgrößen für Wirkdruck, Gasdruck und
Gastemperatur auf eine als Rechenwaage arbeitende Stromwaage zu gehen, die die Größen
gemäß der Formel (1) multipliziert bzw. dividiert und das Ergebnis radiziert. Diese
Einrichtung soll durch die Erfindung verbessert werden. Es hat sich gezeigt, daß
es günstiger ist, an Stelle eines dem Wirkdruck proportionalen Stromes bereits den
radizierten, also der Wurzel aus dem Wirkdruck proportionalen Strom auf die Rechenwaage
zu geben, weil der radizierte Strom stärker und daher von Störungen weniger beeinflußbar
ist. Das möge ein Zahlenbeispiel verdeutlichen: Dem zu erwartenden maximalen Durchfluß
entspricht ein maximaler Wirkdruck, der auf 1 normiert sei. Sinkt der Wirkdruck
auf ein Hundertstel seines maximalen Wertes, so sinkt die Wurzel aus dem Wirkdruck
nur auf ein Zehntel ihres Wertes. Der der Wurzel aus dem Wirkdruck proportionale
Strom ist also um den Faktor 10 größer als der dem Wirkdruck direkt proportionale.
Störungen, die auf den größeren Strom wirken, gehen daher in die Rechenwaage in
sehr viel geringerem Maße ein.
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Erfindungsgemäß soll daher die Einrichtung so getroffen werden, daß
zunächst die den Durchfluß bestimmenden Größen durch als Radizierwaagen arbeitende
Stromwaagen radiziert werden. Die von diesen erzeugten Ströme werden erst danach
einer als Rechenwaage arbeitenden Stromwaage zugeführt, die die Multiplikation bewirkt.
Ist lediglich die Berücksichtigung des Druckwertes neben dem Wirkdruck notwendig,
so wird man eine radizierende Stromwaage für den Wirkdruck und eine weitere für
den Gasdruck benutzen. Entsprechendes gilt, wenn neben dem Wirkdruck nur die absolute
Temperatur des Gases Berücksichtigung finden soll. Sollen indessen alle Größen berücksichtigt
werden, so müssen die radizierenden Stromwaagen für den Gasdruck und für die absolute
Temperatur des Gases so zusammenwirken, daß sie einen dem Ausdruck
proportionalen Strom erzeugen. Dabei ist es möglich, statt mit zwei radizierenden
Stromwaagen mit einer einzigen auszukommen. Eine solche spezielle Ausbildung sei
an Hand der Zeichnung erklärt.
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In der Abbildung ist mit 1 eine Rohrleitung bezeichnet, die von einem
idealen oder annähernd idealen Gas durchströmt ist und die eine Meßblende 2 enthält,
an der der Wirkdruck über die beiden Leitungen 3 und 3' entnommen und einer Differenzdruckmembran
4 zugeführt wird. In Strömungsrichtung vor der Meßblende wird bei 5 die Gastemperatur
und bei 5' der Gasdruck gemessen. Mit I bis III sind die Stromwaagen bezeichnet,
von denen I den der Wurzel
aus dem Wirkdruck proportionalen Strom
Il und II einen der Wurzel aus dem Quotienten von Gasdruck und absoluter Temperatur
des Gases proportionalen Strom 12 erzeugt, während beide Ströme der Stromwaage III
zugeführt werden, von der der Strom I entnommen und nacheinander durch ein Anzeigegerät
6, ein Registriergerät 7 und - sofern die Durchflußmenge als Meßgröße in eine Regelanlage
eingehen soll in in einen Regler 8 geleitet wird. In diesem Stromkreis kann auch
noch ein nicht dargestelltes, summierendes Zählwerk angeordnet sein. Konstruktion
und Arbeitsweise ist bei allen Stromwaagen ähnlich. Jede besitzt einen Waagebalken
9, der um 10 drehbar gelagert ist und bei seiner Drehung die Schwenkspule 11 mitnimmt,
die sich im Feld der Spulen 12 bewegt und in der dadurch bei Auslenkung des Waagebalkens
durch ein auf diesen wirkendes Drehmoment eine Spannung induziert wird. Diese steuert
über Verstärker 13 den jeweiligen Kompensationsstrom Il, I2 oder I, der auf verschiedene
Weise verschiedenartigen Kompensationskraftgebern zugeführt wird. Die Kompensationskraftgeber
halten dabei den auf die Waagebalken wirkenden Kräften die Waage.
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An der Stromwaage I wird durch die Differenzdruckmembran 4 ein Drehmoment
am Waagebalken erzeugt, welches durch den aus den beiden elektromagnetischen Spulen
14 und 15, die in Reihe geschaltet sind und nacheinander von dem Kompensationsstrom
Il durchflossen werden, bestehenden Kompensationskraftgeber 16 kompensiert wird.
Kraft- oder Kompensationskraftgeber dieser Art sind so ausgebildet, daß eine elektromagnetische
Spule fest und die andere mit dem Waagebalken beweglich angeordnet ist.
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Die Stromwaage II erzeugt einen Strom, der der Wurzel aus dem Quotienten
von Gasdruck und absoluter Temperatur des Gases, d. h. also dem Ausdruck
proportional ist. Der in dem Rohr 1 bei 5' erfühlte Gasdruck wird über die Leitung
17 einer Membrandruckdose 18 bekannter Bauart zugeleitet, die am Waagebalken 9 der
Stromwaage II ein dem Druck proportionales Drehmoment erzeugt. Der aus den Spulen
20 und 21 bestehende Kompensationskraftgeber 19 erzeugt ein Gegendrehmoment. Der
vom Verstärker 13 abgegebene Kompensationsstrom 12 wird hierbei durch einen Korrekturwiderstand
in Gestalt eines Potentiometers 22 geteilt, dessen Schleifkontakt 23 durch die Gastemperatur
verstellbar ist. Dabei wird der Schleifkontakt von einem irgendwie gearteten Stellglied
27 betätigt, dem der bei 5 gemessene Temperaturwert über die Leitung 26 zugeführt
wird.
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Die Spule 21 des Kompensationskraftgebers 19 liegt parallel am Potentiometer
22 und ist an dessen festen Kontakten 24 und 25 angeschlossen. Mit seinem Schleifkontakt
23 und seinem festen Kontakt 24 liegt das Potentiometer in Reihe mit der anderen
Spule 20 des Kompensationskraftgebers 19, die von dem Kompensationsstrom I2 durchflossen
ist.
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An der Stromwaage III ist ein Kraftgeber 28 vorgesehen, der aus der
von dem Kompensationsstrom Il der Stromwaage I durchflossenen Spule 29 und der von
dem Kompensationsstrom I2 der Stromwaage II durchflossenen Spule 30 besteht. Das
Gegendrehmoment wird erzeugt von dem aus Permanentmagnet 32 und Spule 33 bestehenden
Kompensationskraftgeber 31. Die Spule 33'liegt in Reihe mit dem Anzeige
gerät 6,
dem Registriergerät 7 und dem Reglereingang 8 und wird von dem Kompensationsstrom
I durchflossen.
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Die Wirkungsweise ist die folgende: An der Stromwaage I ist das durch
den Kompensationskraftgeber erzeugte Gegendrehmoment proportional dem Quadrat des
Kompensationsstromes Il und hält dem vom Wirkdruck p erzeugten Drehmoment die Waage.
Daher ist
Das Potentiometer 22 der Stromwaage II teilt den Kompensationsstrom I2 in zwei Teilströme
18 und I4 auf, von denen der eine, 14, über den festen Kontakt 24 und die Spule
20 zum Verstärker 13 zurückfließt, während der Teilstrom I3 über den festen Kontakt
25 durch die beiden Spulen 21 und 20 zum Verstärker 13 zurückfließt. Die Spule 20
ist daher vom ungeteilten Kompensationsstrom I2 und die Spule 21 vom Teilstrom I3
durchflossen. Wird das Potentiometer 22 durch den Schleifkontakt 23 im Verhältnis
a: (1 - a) geteilt, so folgt aus den Gesetzen der Stromverzweigung I, u a 2 oder
- unter der erfindungsgemäßen Voraussetzung, daß a proportional der absoluten Temperatur
T ist-Is TI2 Das vom Kompensationskraftgeber 19 erzeugte Gegendrehmoment ist daher
proportional I, I, =TI und hält dem von dem Gasdruck p mittels der Membrandruckdose
18 erzeugten Drehmoment die Waage.
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Daher gilt p ~ T I:' oder
Der auf den Waagebalken 9 der Stromwaage III wirkende Kraftgeber 28 erzeugt ein
Drehmoment, welches proportional dem Produkt
[s. Formeln (3) und (4)] ist und von dem Gegendrehmoment des Kompensationskraftgebers
31, welches proportional dem Kompensationsstrom I ist, aufgewogen wird. Es ist daher
I Ii 12 und damit
Nach der eingangs erwähnten Formel (1) bedeutet das, daß der zur Anzeige gebrachte
Kompensationsstrom I genau proportional der Durchflußmenge pro Zeiteinheit Q ist.
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Soll lediglich der Gasdruck bei der Messung berücksichtigt werden,
so kann die Stromwaage II vereinfacht werden. Das Potentiometer 22 und das Stellglied
27 kommen dann in Fortfall, und die Schaltung des Kompensationskraftgebers 19 ist
dann genau die gleiche wie bei der Stromwaage I. Soll neben dem Wirkdruck nur die
absolute Temperatur T Berücksichtigung finden, so könnte man beispielsweise als
Kraftgeber an der Stromwaage II statt der Membrandruckdose 18 eine Feder verwenden,
die eine konstante
Kraft abgibt. Oder man läßt statt der Membrandruckdose
18 die Differenzdruckmembran 4 als Kraftgeber an der Stromwaage II arbeiten und
spart dadurch die Stromwaage 1. - Der Druck und der Wirkdruck brauchen im übrigen
nicht vermittels mechanischer Systeme auf die Waagebalken zu wirken, sondern können
beispielsweise als elektrische Größen vorliegen und durch elektrodynamische Systeme
Kräfte an den Waagebalken erzeugen. Ferner können parallel oder in Reihe zum Potentiometer
22 weitere, vorzugsweise variable Widerstände geschaltet sein, mit deren Hilfe der
Korrekturbereich für die Berücksichtigung der Temperatur eingestellt werden kann.
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PATENTANSPROCHE: 1. Einrichtung zur exakten Messung eines eine Rohrleitung
durchströmenden Gases nach einem Wirkdruckverfahren mit Berücksichtigung des Einflusses
des Gasdrucks und/oder der Gastemperatur unter Verwendung von elektrodynamischen
Kompensationssystemen mit einem vorzugsweise waagebalkenartigen Meßkörper, an dem
zu messende elektrische Ströme mittels elektrodynamisch wirkender Kraftgeber oder
zu messende mechanische Kräfte Drehmomente erzeugen, die durch das Gegendrehmoment
eines von einem Kompensationsstrom durchflossenen elektrodynamischen Kompensationskraftgebers
ausgewogen werden, wobei der Kompensationsstrom nach Maßgabe der Stellung des waagebalkenartigen
Meßkörpers gesteuert wird, gekennzeichnet durch die Kombination mehrerer elektrodynamischer
Kompensationssysteme in der Weise, daß von einem System (I) in an sich bekannter
Weise ein der Wurzel aus dem Wirkdruck proportionaler Strom und von anderen Systemen
ein der Wurzel des Gasdruckes oder der reziproken Wurzel aus der absoluten Temperatur
des Gases oder dem Produkt dieser beiden Größen proportionaler Strom erzeugt wird,
die beide einem weiteren elektrodynamischen Kompensationssystem (III) zugeführt
sind, dessen Kompensationsstrom dem Produkt dieser beiden Ströme proportional ist.