DE906023C - Einrichtung zur Messung des Feuchtigkeitsgehalts von Gasen - Google Patents

Description

• 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.
• 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.
• 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.
• Allgemein lassen sich die bekannten Methoden und Instrumente nur für Messungen zwischen etwa o und I00° C anwenden.
• 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.
• 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.
• Es mißt die erfindungsgemäße Vorrichtung eindeutige physikalische Größen an Stelle von technologischen Eigenschaften, aus denen erst durch Rechnung die Feuchtigkeit ermittelt werden muß.
• 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.
• Nach Laplace ist die Schallgeschwindigkeit eine Funktion des Druckes P, der Dichte e und des Verhältnisses k = c,!c, der spezifischen Wärmen.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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 = # .
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• Der Einfluß der barometrischen Druckschwankung kann durch zusätzliche Trimmerkondensatoren im Schwingungskreis des Generators 4 ausgeglichen werden.
• 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.
• 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.

Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE: I. Einrichtung zur Messung des Feuchtigkeitsgehaltes von Gasen oberhalb der Verdampfungstemperatur durch Messung der Schallgeschwindigkeit im Gasgemisch mittels stehender Wellen, dadurch gekennzeichnet, 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.
2. 2. Einrichtung zur Messung des Feuchtigkeitsgehaltes von Gasen nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß von mehreren Frequenzänderungsmitteln die Verstellung eines von diesen ein Maß für die Temperatur ist bzw mit der Temperatureinstellung verbunden ist.
3. Angezogene Druckschriften: L.
4. Bergmann, »Der Ultraschall«,
5. 5. Aufl.; Kinoshita und Ishii, »The effect of humidity on supersonic velocity in air«; Ishii, »Supersonic velocity in gases, especially in dry and humid air«.