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Kalorischer Massenstrommesser Die Erfindung betrifft einen kalorischen
Massenstrommesser zur Gasmessung mit je zur Führung eines Massenstromes dienenden
Rohrteilen und an den Enden dieser Rohrteile angeordneten Mitteln, wie Joche oder
Mäntel, zum Erzeugen gleicher Temperaturunterschiede über diese Rohrteile und in
guter thermischer Berührung mit diesen Rohrteilen angebrachten elektrischen Widerständen,
die in einer elektrischen Vergleichsschaltung, z. B. einer Wheatstone-Bnicke, geschaltet
sind.
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Bei einem bekannten Massenstrommesser, der für das Messen kleiner
Massenströme sehr korrosiver Gase, wie , HF und UF; sehr geeignet ist, sind zwei
Rohrteile koaxial in Reihe geschaltet, so daß sie Teile eines einzigen geraden Rohres
bilden, das in der Mitte geheizt und an den Enden auf Zimmertemperatur gehalten
wird. Das Gleichhalten der Temperatur der verhältnismäßig weit voneinander entfernten
Enden dieses Rohres erfordert lange schwere Joche oder einen langen schweren Mantel
aus die Wärme gut leitendem Material für die gegenseitige thermische Verbindung
der Rohrenden, wodurch die Abmessungen und das Gewicht des Massenstrommessers verhältnismäßig
groß werden.
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Außerdem eignet sich dieser Massenstrommesser nur zum Messen der Stärke
eines einzigen Massenstromes (Artikel von A.F.lBrown und H. Kronberger im »Journal
of Scientific Instruments«, S. 151 bis 155, Vol. 24, Juni 1947).
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Des weiteren ist ein Massenstrommesser bekannt, bei dem das zu messende
Gas ein etwa U-förmig gebogenes Konstantanrohr durchströmt, dessen Steg durch einen
elektrischen Heizdraht erwärmt wird.
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Die beiden Schenkel des Konstantanrohres sind durch eine Thermosäule
miteinander verbunden.
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Durch zwei Kupferdrähte, von denen einer mit dem beheizten Steg des
Konstantanrohres und der andere mit einem unbeheizten Schenkel des Konstantanrohres
verbunden ist, wird ein weiteres Thermoelement gebildet. Vom Sockel des Geräts gehen
sechs Kontakte aus, die paarweise zu dem Heizdraht, der Thermosäule oder dem Thermoelement
führen und wahlweise mit einem Meßgerät verbunden werden können. Auch mit diesem
Massenstrommesser kann nur die Stärke eines einzigen Massenstromes gemessen werden
(USA.-Patentschrift 2594618).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese bekannten Massenstrommesser
dahingehend zu verbessern, daß es möglich wird, sowohl die thermische Verbindung
zwischen den einen Enden als auch diejenige zwischen den anderen Enden der Rohrteile
auf ein Mindestmaß herabzusetzen, mehrere parallel arbeitende Massenstrommesser
zu einem Gerät verhältnismäßig kleiner Abmessungen zusammenzubauen und nicht nur
die Größe eines Massenstromes, sondern auch das Verhältnis zwischen verschiedenen
Massenströmen zu messen.
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Die Erfindung besteht darin, daß die Rohrteile sich alle parallel
zueinander und dicht nebeneinander zwischen zwei je auf verschiedene Temperaturen
gebrachten Blöcken großen Wärmeinhaltes aus gut wärmeleitendem Material erstrecken
und mit ihren Endteilen derart in den Blöcken gefaßt sind, daß die durch jeden Rohrteil
hindurchströmende Masse in gutem thermischem Kontakt mit den zwei Blöcken auch durch
letztere hindurchgeleitet wird.
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Zum Messen der Größe eines Massenstromes können die Rohrteile in
an sich bekannter Weise (USA.-Patentschrift 2 954 618) die Schenkel eines U-förmig
gebogenen Rohres bilden, und zum Messen des Verhältnisses zwischen mehreren verschiedenen
Massenströmen können sie in gesonderten Leitungskreisen geschaltet sein. Sowohl
die einen Enden als auch die anderen Enden der Rohrteile können verhältnismäßig
dicht nebeneinander in einem gemeinsamen Block aus die Wärme gut leitendem Material
gefaßt sein. Ein solcher Block hat geringe Abmessungen, und er kann leicht in allen
Teilen auf dieselbe Temperatur gebracht und gehalten werden.
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Bei kalorischen Massenstrommessern dieser Art sind die elektrischen
Widerstandsänderungen der temperaturempfindlichen Widerstände nicht nur propor-
tional
zu den durch die Rohrteile fließenden Massenströmen, sondern auch umgekehrt proportional
zu den Flächen der Querschnitte derWände dieser Rohrteile oder, wenn die Wandstärken
in bezug auf die Durchmesser der Rohrteile klein sind, umgekehrt proportional zu
diesen Wandstärken. Macht man nun unter übrigens gleichen Umständen das Verhältnis
dieser Querflächen der Rohrwände dem erwünschten Verhältnis der durch die Rohrteile
fließenden Massenströme gleich, so werden relativ gleiche Änderungen dieser Massenströme
die Brückenschaltung in derselben Weise beeinflussen. Man kann dann verschiedene
Massenströme sowohl messen als auch miteinander vergleichen. Außerdem kann man die
Meßrohre für viele verschiedene Massenströme gesondert oder gruppenweise nacheinander
mit ihren temperaturempfindlichen elektrischen Widerständen in eine Vergleichsbrücke
mit immer demselben festen Vergleichswiderstand (Vergleichswiderstände) und demselben
Meßgerät schalten, so daß man eine große Anzahl von Systemen nacheinander mit demselben
Gerät überwachen, registrieren und/oder steuern kann.
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Ein solches für die Abtastung vieler Svsteme nacheinander geeignetes
Gerät kann mit Vorteil zur Überwachung, Registrierung und/oder Steuerung der Gasströme
verwendet werden, die vielen gleichzeitig arbeitenden Gaszentrifugen, z.B. Ultrazentrifugen
zum Scheiden gasförmiger Isotopengemische, zugeführt und daraus abgeführt werden.
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Mit Vorteil kann der kalorische Massenstrommesser derart ausgeführt
sein, daß zwischen den Mitteln zur Erzeugung gleicher Temperaturunterschiede über
die Rohrteile mindestens ein zusätzlicher Wärmeleiter in der Gestalt eines Stabes
oder eines Rohres ohne Massenstrom angeordnet ist, welcher Stab bzw. welches Rohr
ebenfalls mit einem in der Vergleichsbrücke geschalteten temperaturempfindlichen
elektrischen Widerstand versehen ist. Dieser Widerstand oder jeder dieser Widerstände
wirkt dann als fester Vergleichswiderstand in der Brückenschaltung und macht diese
Schaltung vom über die Rohrteile herrschenden Temperaturunterschied unabhängig.
Auch diese Ausführung macht die Abtastung einer großen Anzahl von Massenströmen
oder Gruppen von Massenströmen durch ein und dasselbe Gerät in einfacher Weise möglich.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert; darin zeigt
F i g. 1 einen Querschnitt des bekannten Massenstrommessers, Fig.2 einen Querschnitt
eines Massenstrommessers nach der Erfindung zur Messung der Größe eines Massenstromes,
F i g. 3 einen Querschnitt eines Massenstrommessers nach der Erfindung zur Messung
des Verhältnisses zwischen zwei Massenströmen und Fig. 4 einen Querschnitt eines
Teiles eines für mehrere Gruppen von Meßrohren gemeinsamen Massenstrommessers.
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Der bekannte Massenstrommesser nach Fig. 1 besteht aus einem Rohr
1 aus z. B. Nickel mit z. B. einem Durchmesser von 2 mm und einer Wandstärke von
0,1 mm. Das Rohr 1 ist in einem Gehäuse oder Mantel 2 aus die Wärme gut leitendem
Material, z. B. Kupfer, mit einer verhältnismäßig sehr großen Wandstärke angeordnet.
Die Endwände 3 dieses Gehäuses umfassen die Enden des Rohres 1 und sind
damit in
guter thermischer Berührung. Durch das Gehäuse 2, 3 werden die Enden des Rohres
auf gleichen Temperaturen, z. B. Zimmertemperatur, gehalten. Um die Mitte des Rohres
1 ist eine elektrische Heizspirale 4 angeordnet, durch die die Mitte-des Rohres
1 auf eine bestimmte höhere Temperatur, z. B. eine Temperatur, die 1000 C höher
als diejenige der Enden des Rohres ist, gebracht wird. Weiter sind in guter thermischer
Berührung mit den Rohrteilen la und lb temperaturempfindliche Widerstandsspiralen
5, 6, z. B. Spiralen aus Platin, angeordnet, die in einer Wheatstone-Brücke geschaltet
sein können.
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Im Gehäuse 2, 3 wird ein hohes Vakuum aufrechterhalten.
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Die Wirkung dieses bekannten Massenstrommessers beruht auf der Widerstandsänderung
der Spiralen infolge des Unterschiedes der Wärmeförderung in den Rohrteilen la und
lb, welcher Unterschied auftritt, wenn Gas oder Flüssigkeit durch das Rohrl hindurchströmt.
Ist der Gasstrom gleich an Null, so werden von der Mitte nach jedem der Enden des
Rohres 1 gleiche Wärmemengen abgeführt werden. Die Widerstandsänderungen der Widerstandsspiralen
5, 6 infolge der Temperaturerhöhung werden dann gleich groß sein, und das -Meß-?
gerät der Wheatstone-Brücke wird dann keinen Ausschlag zeigen. Strömt aber Gas durch
das Rohr 1, so wird gleichzeitig eine Wärmeförderung in der Richtung des Gasstromes
erfolgen, wodurch die Widerstandsänderungen der Spiralen 5, 6 verschieden sein werden,
so daß das Meßgerät der Wheatstone-Brücke einen Ausschlag zeigen wird. Bei richtiger
Bemessung der Teile des Massenstrommessers ist dieser Ausschlag dem Gasstrom proportional.
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Beim Massenstrommesser nach der Erfindung (s. Fig.2 und 3) erstrecken
sich die Rohrteilela und lb nebeneinander, und sie sind mit ihren Enden in Blöcken
7, 8 aus die Wärme gut leitendem Ma-Material, z. B. Kupfer, gefaßt. Der Block 7
wird durch eine Wärmequelle 9 auf eine bestimmte höhere Temperatur gebracht und
gehalten, und der Block 8 wird auf Zimmertemperatur gebracht oder gekühlt. Die Rohrteile
la und lb sind in der Weise nach F i g. 1 mit wärmeempfindlichen Widerstandsspiralen
5, 6 versehen, die in einer Widerstandsbrücke geschaltet sind.
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In F i g. 2 bilden die Rohrteile 1 a, 1 b die Schenkel eines U-förmig
gebogenen durchgehenden Rohres, das mit dem Block 7 und der Wärmequelle 9 in einem
Gehäuse 10 mit einer wärmeisolierenden Verkleidung 11 angeordnet ist. Im Raum 12
des Gehäuses 10 wird ein hohes Vakuum aufrechterhalten.
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In Fig.3 bilden die Rohrteile la und lb die Teile separater Leitungskreise.
Der Raum 12 zwischen den Blöcken 7 und 8 ist mit einem isolierenden Mantel 13, 14
umgeben, und darin wird ein hohes Vakuum aufrechterhalten. Mit Hilfe dieses Meßgeräts
kann das Verhältnis zwischen zwei gesonderten Massenströmen bestimmt werden. Auch
mehr als zwei Massenströme können in dieser Weise miteinander verglichen werden.
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Der kombinierte Massen strommesser nach F i g. 4 besteht aus mehreren
Gruppen A, B, C usw. von drei Rohrteilen 15, 16, 17, die sich alle zwischen einem
warmen Blockl8 und einem kühlen Blockl9 aus die Wärme gut leitendem Metall erstrecken.
Außerdem ist zwischen den Blöcken 18 und 19 ein zusätzliches
Rohr
20 angeordnet, das, wenn erwünscht, durch einen Stab ersetzt werden kann, da das
Rohr 20 nicht zum Leiten eines Massenstromes dient. Die Rohrteile 15, 16, 17 und
20 sind alle mit temperaturempfindlichen Widerstandsspiralen 21, 22, 23, 24 versehen.
Mittels eines dreipoligen Umschalters 25 können die Widerstandsspiralen 15, 16,
17 einer willkürlichen Gruppe A, B oder C zusammen mit der Widerstandsspirale24
zu einer Wheatstone-Brücke geschaltet werden, in der ein Meß-, Uberwachungs-, Registrier-
oder Steuergerät 26 angeordnet ist. Diese Brücke wird bei 27 gespeist.
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Das Verhältnis zwischen den Flächen der Querschnitte der Rohrteile
15, 16, 17 oder annähernd das Verhältnis zwischen den Wandstärken dieser Rohrteile
ist dem erwünschten Verhältnis der im Betrieb durch diese Rohrteile hindurchfließenden
Massenströme gleich. Bei der Verwendung des Massenstrommessers mit Ultrazentrifugen
wird das zugeführte Gasgemisch durch den Rohrteil 15 mit der größeren Wandstärke
und die Scheidungsbestandteile werden durch die Rohrteile 16 und 17 mit den kleineren
Wandstärken hindurchgeführt. Das Verhältnis zwischen diesen Wandstärken ist annähernd
dem Verhältnis zwischen den Gasströmen gleich, so daß, wenn z. B. die aus der betrachteten
Ultrazentrifuge abgeführten Gasströme einander gleich sind, die Wandstärke des Rohrteiles
15 etwa zweimal so groß wie diejenige der Rohrteile 16 und 17 sein wird, weil der
der Zentrifuge zugeführte Gasstrom der Summe der aus der Zentrifuge abgeführten
Gasströme gleich ist.
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Ist nicht nur das Verhältnis zwischen den Wandstärken der Rohrteile
jeder gesonderten Gruppe, sondern sind auch die Verhältnisse zwischen den verschiedenen
Gruppen richtig, d. h. entsprechend den erwünschten Verhältnissen zwischen allen
Gasströme men gewählt, so braucht der Widerstand 24 nur einmal eingestellt zu werden,
um als Vergleichswiderstand für alle Gruppen A, B, C usw. benutzt werden zu können.
Die verschiedenen Gruppen von Meßrohren können dann mit großer Geschwindigkeit nacheinander
durch das Gerät 26 abgetastet werden.
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Enthält jede Gruppe nur zwei Meßrohre, so können zwei Vergleichswiderstände
in der Weise des Widerstandes 24 für die Bildung der Brücke verwendet werden.
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Dadurch, daß der Widerstandswert der Widerstandsspirale 24 in derselben
Weise wie derjenige der Widerstandsspiralen 15, 16, 17 vom Temperaturunterschied
zwischen den Blöcken 18 und 19 abhängig ist, ist der Ausschlag des Gerätes 26 von
diesem Temperaturunterschied unabhängig.