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Meßvorrichtung zum Messen des Gewichtes eines durch sie oder eine
Leitung während einer bestimmten Meßzeit strömenden Gases Die Erfindung bezieht
sich auf eine Meßvorrichtung zum Messen des Gewichtes eines durch sie oder eine
Leitung während einer bestimmten Meßzeit strömenden kompressiblen Mittels, d. h.
eines während dieser Zeitspanne strömenden Gases. Die Erfindung bezweckt, das Gewicht
des Gasvolumens, das während dieser Zeitspannue durch die Vorrichtung strömte, genau
und ohne irgendwelche Umrechnungen zu bestimmen.
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Für solche Meßzwecke sind Staurand- oder Düsendurchflußmesser bekannt;
mit diesen Meßgeräten kann zwar das Volumen einer Gasmenge bestimmt werden, das
während einer bestimmten Meßzeit durch das Meßgerät strömte. Hingegen können bei
diesen bekannten Geräten weder die Dichte noch das Gewicht des Gases ohne umständliche
Rechnungen ermittelt werden. Insbesondere erfordert die Gewichtsbestimmung verwickelte
Berechnungen.
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Derartige Berechnungen sind nicht nur zeitraubend, sondern sie müssen
auch wiederholt gemacht werden, da die Drücke und Temperaturen des Gases in einer
Rohrleitung in weitem Bereich veränderlich sind. In der Erdgasindustrie muß jeder
Lieferant oder Abnehmer viele Personen zur Berechnung und Umrechnung der Gasmengen
einsetzen, die durch die Rohrleitungen strömen, weil die Kosten der Lieferung der
Gasmengen und deren Abrechnung auf dem Gasgewicht, und nicht auf dem Gasvolumen,
beruhen.
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Die Erfindung bezweckt daher in erster Linie, eine Meßvorrichtung
zu schaffen, die das Gewicht, d. h. die Masse des Gases bestimmt und angibt, das
während einer bestimmten Meßzeit (d. h. zwischen zwei Meßzeitpunkten) durch die
Meßvorrichtung oder eine zugehörige Leitung strömte.
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Ferner soll nach der Erfindung eine Meßvorrichtung geschaffen werden,
die vorzugsweise auch jederzeit die Gasdichte und das Gesamtgewicht der Gasmenge
abzulesen erlaubt, die durch das Meßgerät bzw. die Rohrleitung hindurchströmte.
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Die Ziele der Erfindung werden dadurch erreicht, daß ein die Gas
dichte fortlaufend bestimmendes Meßgerät vorgesehen ist und entsprechend den Meßwerten
die Lage eines Steuergliedes verändert, das diese Lageänderungen in eine Integriervorrichtung
über das eine seiner Eingangsstellglieder einsteuert, daß ein Geschwindigkeitsmeßgerät
vorgesehen ist, das fortlaufend die Geschwindigkeit des Gas stromes bestimmt und
diese in Form einer Bewegung dem anderen der Eingangsstellglieder der Integriervorrichtung
in diese einsteuert, und daß am Ausgang der Integriervorrichtung ein Zählwerk zur
Angabe des Gewichtes des Gas-
volumens angeschlossen ist, das während der Meßzeit
durch die Vorrichtung bzw. die Leitung strömte.
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Eine solche Meßvorrichtung liefert am Zählwerk unmittelbar nicht
das Gasvolumen, sondern ohne weiteres das Gasgewicht der Gasmenge, das zwischen
zwei gegebenen Meßzeitpunkten durch die Vorrichtung bzw. die Leitung stiöinte, ohne
daß die Drücke und Temperaturen des Gases in den Leitungen bestimmt zu werden brauchen.
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Je nach der Ausgangszahl des Zählwerkes kann statt des Gewichtes
der Gasmenge, die zwischen den beiden Meßzeitpunkten strömte, auch das Gesamtgewicht
bestimmt oder abgelesen werden, das ausgehend von einem früheren Zeitpunkt bis zur
Beendigung des Meßzeitraumes durch die Vorrichtung strömte.
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Eine praktische Ausführungsform der Erfindung, die außer der vorgenannten
Bestimmung des Gasgewichtes zusätzlich auch noch jederzeit den Augenblickswert der
Gasdichte abzulesen erlaubt, enthält erfindungsgemäß ein Meßgerät zur Bestimmung
der Gasdichte, das aus folgenden Teilen besteht: einem den Druckunterschied vor
und hinter einer Leitungsverengung messenden Ditferenzdruckmeßgerät, das eine elektrische
Spannung erzeugt, die dem Differenzdruck und damit dem Produkt aus dem Quadrat der
Strömungsgeschwindigkeit mal der Gasdichte proportional ist, einem vom Geschwindigkeitsmeßgerät
angetriebenen Verbundgenerator, der eine elektrische Spannung liefert, die dem Quadrat
der Strömungsgeschwindigkeit proportional ist, und einem Quotientenmeßgerät,
in
welches die beiden Spannungen eingesteuert werden und das eine dem Quotienten, d.
h. der Gasdichte proportionale Größe durch die Lage eines Anzeigegliedes und/oder
des Steuergliedes wiedergibt.
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Ein so ausgebildetes erfindungsgemäßes Meßgerät kann die Gasdichte
in ihrem zeitlichen Verlauf auch in Form einer Kurve aufzeichnen und hierdurch bei
entsprechender Eichung der Skala des Quotientenmeßgerätes das Gasgewicht in Kilogramm
pro Zeiteinheit angeben. Das Gesamtgasgewicht für jeden gewählten Meßzeitraum könnte
dann durch Integration der aufgezeichneten Kurve über die Zeit als Flächenintegral
gewonnen werden. In Verbindung mit einer Integriervorrichtung und einem Zählwerk
der vorgenannten Art erübrigt sich jedoch auch noch diese nachträgliche Flächenintegration.
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Eine weitere praktische Ausführungsform benötigt in Verbindung mit
der Integriervorrichtung dem geschilderten Meßgerät und dem Zählwerk das vorgenannte
Quotientenmeßgerät nicht; vielmehr besteht bei dieser Ausführungsform die Meßvorrichtung
aus einem die Gasdichte fortlaufend bestimmenden Meßgerät, das diese Dichte unmittelbar
liefert und vorzugsweise auch ein anzeigendes Gerät ist, das mit dem Ausgang eines
Gebläses oder einer Pumpe verbunden ist, die in einem Gas durchströmten Nebenschlußkreis
der Gasleitung liegt.
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Andere Vorteile der praktischen Ausführung der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie der Zeichnung, und zwar zeigt Fig.
1 ein Schema einer Ausführungsform der Vorrichtung, F i g. 2 ein Schema einer anderen
Ausführungsform der Vorrichtung.
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Die Erfindung beruht darauf, daß es, obwohl keine bekannte Meßvorrichtung
die oben geforderten Ergebnisse selbst liefert, Meßgeräte gibt, die genau verschiedene
Funktionen derjenigen Daten messen, die notwendig sind, um z. B. das Gewicht eines
durch eine Rohrleitung strömenden Gases zu bestimmen.
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Fig. 1 zeigt eine Venturimeßdüsel. Alles durch dieses Meßgerät hindurchströmende
Gas strömt ebenso durch einen Geschwindigkeitsmesser 3. Die Kombination zweier solcher
Meßgeräte liefert alle gewünschten Daten über das Gas. Die Venturimeßdüse 1 dient
beispielsweise als sogenanntes »erstes Meßgerät«, jedoch kann an ihrer Stelle jede
andere Meßdüse oder -blende verwendet werden.
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Das Meßgerät 1 besitzt zwei Meßstellen in Form zweier Rohre 2' und
2", von denen das eine vom Strömungskanal des Gases vor der Venturidüse an das zweite
am engsten Düsenquerschnitt abzweigt.
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Diese beiden Rohre führen zu einer Vorrichtung2, die den Druckunterschied
zwischen den Rohren 2' und 2" mißt. Als Vorrichtung 2 soll z. B. ein Differentialdruck-Umsetzungsgerät
dienen, das eine elektrische Spannung erzeugt, die dem Druckunterschied proportional
ist. Diese Spannung sei mit V1 bezeichnet. Andere ähnliche Vorrichtungen zur Messung
des Druckunterschiedes können an Stelle dieses besonderen Gerätes verwendet werden.
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Bekanntlich kann der Druckunterschied PO als Funktion der Dichte
J ausgedrückt werden: Po = J.k1.v2, wobei k1 eine Gerätekonstante und v die Geschwindigkeit
darstellen.
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Der Durchflußmesser kann so geeicht sein, daß man unmittelbar die
Gasgeschwindigkeit ablesen kann.
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Da zwischen dem Durchfluß- bzw. Düsenquerschnitt des Meßgerätes 1
und dem wirksamen Querschnitt des Meßgerätes 3 ein Unterschied bestehen kann, muß
man eine passende Konstante so einführen, daß infolge entsprechender Eichung des
z. B. als Wirbelrad ausgebildeten Rotors des Meßgerätes 3 durch die Rotorgeschwindigkeit,
z. B. am Umfang, die Geschwindigkeit des durch den Durchfluß- bzw.
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Düsenquerschnitt hin durchgehenden Gases gemessen werden kann. Diese
Umlaufgeschwindigkeit kann in Meter je Zeiteinheit so ausgedrückt sein, daß sie
der Geschwindigkeit v der Strömung in dem Durchfluß-bzw. Düsenquerschnitt entspricht
und diese Geschwindigkeit v in jedem Augenblick durch die Anzeige des Meßgeräts
3 unmittelbar gegeben ist; andererseits ist nun aber, wie für das Meßgerät 1 oben
schon beschrieben wurde. der Druckunterschied eine Funktion der Dichte multipliziert
mit dem Quadrat der Geschwindigkeit v, nämlich Po = k1 - v-.
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Das je Zeiteinheit durch das Meßgerät 1 strömende Gasgewicht W muß
eine Funktion sein, in der der Durchfluß- bzw. Düsenquerschnitt A enthalten ist,
und es muß (bei Weglassung von Konstanten) gleich sein dem Produkt aus Düsenquerschnitt
A (in m2), Geschwindigkeit v (in Meter je Zeiteinheit) und Dichte J (z. B. in kgimj),
d. h.
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W = A-v-J.
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Da AJv2 gleich ist PO multipliziert mit der Konstante A, ist es nur
noch erforderlich, Po mit A zu multiplizieren und durch v zu teilen, um für jeden
Augenblick das Gasgewicht zu erhalten, das je Zeiteinheit durch die Rohrleitung
strömt.
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Das Differentialdruck-Umsetzungsgerät 2 erzeugt unter dem Einfluß
des Druckunterschiedes in seiner Ausgangsleitung, die ihn mit einem in Potentiomterbauart,
z. B. Weston-Bauart, ausgeführten Quotientenmeßgerät 4 verbindet. eine elektrische
Spannung V1. Diese Spannung ist eine eindeutige Funktion von Jv2.
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Wenn nun vom Meßgerät 3 ein Generator 3' angetrieben würde, so würde
dessen zum Quotientenmeßgerät 4 führende Ausgangsleitung diesem Gerät 4 eine zweite
Spannung V zuführen. Eine Skala mit Zeiger 4' des Quotientenmeßgerätes könnte dann
so geeicht sein, daß sie das Gasgewicht in Kilogramm je Zeiteinheit angibt. Außerdem
könnte ein Schreibstift angebracht werden, der zusammen mit dem Zeiger 4' bewegt
würde und auf einem uhrwerkgetriebenen Papierstreifen eine Linie aufzeichnet. Das
Gesamtgewicht für jeden gewählten Zeitabschnitt würde dann als die zwischen der
Grundlinie und der Anzeigelinie liegende Fläche gemessen. Diese Maßnahmen würden
noch die Integration der Kurve als Flächenintegral erfordern, um die gewünschten
Ergebnisse ohne Rechnen zu erhalten.
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An Stelle nur eines Generators 3' der vorgenannten Ausführungsmöglichkeit
ist nun noch, wie Fig. 1 zeigt, ein zweiter Generator 3" derart angeschlossen, daß
er eine Spannung V, liefert, die nun nicht der Geschwindigkeit v, sondern deren
Quadrat v2 proportional ist. Der Zeiger 4' gibt dann nicht eine dem augenblicklichen
Gewicht W, sondern eine dem Augenblickswert der Dichte J proportionale Anzeige.
Vom
Differentialdruck-Umsetzungsgerät 2 erhält man nämlich eine
Spannung Vl, die Jv2 ausdrückt, und vom Generator 3" erhält man eine Spannung V2,
die v2 ausdrückt: Teilt man dann Vl durch V2 oder JV2 durch v2, so erhält man J,
die Dichte bzw. das spezifische Gewicht.
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Das Quotientenmeßgerät 4 betätigt dann über ein Glied 5 eine einen
Schlitten bewegende Stoßstange 6' eines Integrators 6.
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Wie oben zu dem z. B. als Wirbeldurchflußmesser arbeitenden Geschwindigkeitsmeßgerät
3 angegeben wurde, kann die Geschwindigkeit des Rotors dieses Meßgerätes, z. B.
an seinem Umfang als augenblickliche Geschwindigkeit v geeicht sein; statt dessen
kann ebenso gut, da ja der Querschnitt kontant ist, durch entsprechende Eichung
die absolute Anzahl der Rotorumdrehungen als eine von der Zeit unabhängige Volumengröße
wiedergegeben werden (da das Produkt von Anzahl der Umdrehungen und Querschnitt
dem Volumen gleich ist).
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Zu diesem Zweck ist ein Synchron-Drehmomentenwandler oder -verstärker
7 vorgesehen, der von dem nach dem Wirbelprinzip arbeitenden Geschwindigkeitsmeßgerät3
aus über einen Selsyn- oder Drehfeldgeber 8 und einen Selsyn- oder Drehfeldempfänger
8' gespeist wird und die Welle 6" des Integrators 6 im Drehzahlverhältnis 1:1 (oder
einem anderen gewählten Drehzahlverhältnis) antreibt. Der Integrator multipliziert
deshalb die Dichte J, wie sie durch das Glied 5 des Quotientenmeßgeräts 4 in ihm
eingesteuert wird, mit dem durch das Geschwindigkeitsmeßgerät 3 angegebenen und
mittels des Synchron-Drehmomentwandlers weitergeleiteten Volumenbetrag.
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Das Ergebnis wird durch die absolute Anzahl von Umdrehungen der Integratorwelle
9 ausgedrückt, an die ein Zähler 10 für diese Anzahl von Umdrehungen angeschlossen
ist. Dieser Zähler kann so untersetzt sein, daß die auf der Skala angezeigte Zahl
in den gewünschten passenden Einheiten das gesamte Gewicht des Gases angibt, das
durch die Rohrleitung strömte.
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F i g. 2 zeigt eine andere Ausführungsform der Vorrichtung, bei der
ein Dichtemesser 11 an Stelle des Meßgerätes 1 verwendet ist. Dieser Dichtemesser
11 mißt durch den Unterschied zwischen demjenigen Druck, der durch ein Zentrifugalgebläse
oder eine Pumpe 12 erzeugt wird, und dem in der an die Saugseite der Pumpe angeschlossenen
Rohrleitung herrschenden Druck, die Dichte J des Gases mittels einer Differentialeinrichtung
13. Die Skala nebst Zeiger 14 dieser Einrichtung ist, wie beim Zeiger 4' in Fig.
1, in Dichteeinheiten geeicht. Der Dichtemesser 11 bewegt ein Glied 5' in der gleichen
Weise, wie das Glied 5 in F i g. 1 gesteuert wird. Der übrige Teil der Vorrichtung
nach F i g. 2 ist der gleiche wie nach Fig. 1.
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Somit schafft die Erfindung eine einfache und wirksame Meßvorrichtung,
die Rechnungen überflüssig
macht und eine unmittelbare Gewichtsanzeige der Gasmenge
liefert, die durch die Rohrleitung strömte.
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Ferner ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäße Meßvorrichtung mittels
einer Zusatzeinrichtung Meßergebnisse oder Anzeigen liefert, die den Ablauf der
Gasströmung in der Rohrleitung wiedergeben und aufzuzeichnen und festzuhalten erlauben.