-
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 grober 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 einnittlere
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 war es, ein Verfahren zur Messung der Wichte
von Gasen zu entwickeln, das die Schwierigkeiten der bisher bekannten Meßverfahren
vermeidet una es gestattet, die Wichte auch bei hohem Druck und hoher Temperatur
direkt zu messen 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 einem in einer festgelegten Frequenz schwingendem
System zugeführt und dessen in Abhängigkeit von der Gaswichte geänderte Frequenz
gemessen wird.
-
Die Vorrichtung zur Messung der Wichte von Gasen besteht erfindungsgemäß
aus einem dickwandigen Rohr aus einem Werkstof * it niedriger Permeabilität, in
dem in einer Querschnittsebene und symmetrisch zueinander mehrere, die zugehörigen
Öffnungen in der Rohrwand druckdicht ausfüllende und außerhalb der Rohrwand verlängerte,
paarweise mit einem Dauermagnet
verbundene und von Spulen umgebene
Polscliuhe aus ferromagnetischem Werkstoff angeordnet sind, Das schwingende System
ist als Stimmgabel ausgebildet; die Stimmgabel ist mit einem kurzen Fu13 versehen
und mit diesem mit dem Rohr verschraubt.
-
Zur Verstärkung der Wirkung sind die Zinken der Stimmgabel mit Prallplatten
versehen.
-
Als Prallplatten werden mehrere in Abständen aufeinanderbefestigte
dünne Bleche angeordnet und jeweils in ihrem Schwerpunkt mit der Gabel verbunden.
-
Zur Messung der Wichte sind hinter der Stimmgabel außerhalb des Rohres
in mit den Spulen verbundener Verstärker und ein diesem nachgeschalteter Frequenzmesser
mit einem Anzeigegerät zur Messung der Wichte angeordnet.
-
Zwischen Verstärker und Frequenzmesser wird eine gleichzeitig von
einem Quarzoszillator über einen Impulsuntersetzer betriebene Mischstufe angeordnet.
-
Das erfindungsgemäße Meßprinzip des Wichtemessers für Gase besteht
demnach darin, daß eine Stimmgabel geeigneter Konstruktion in enem Rohr zu ungedämpften
Schwingungen angeregt
wird. 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 Wichtigkeit ist, wurde durch eingehende Versuche
mit den verschiedensten -Gasarten nachgewiesen. Ea 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 Cr Wichtemessungzi benutzen.
-
Be 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 erfindungsgemäße 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
von der Wichte, Fig. 5 Grundriß und
Fig.-6 Seitenriß des Stimmgabeleinsatzes
mit einem Paar von Prallplatten, Fig. 7 und 8 Grundriß und Seitenriß des Stimmt
gabdkopfes 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
wesentllchen Teil aus inner Stimmgabel 1, die koaxial in einem Hochdruckrohr 2 angeordnet
ist. Hierzu ist die Stimmgabel an ihrem einer spannten Ende mit einem Konus 3 vershen,
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. unterschielicher 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 Durch£hrtng 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 Stimgabelfrequenz in Abhängigkeit
von der Wichte des sie umgebenden Gases1 > erhält man einen Verlauf, wie er in
Fig. 4 in Kurve A schematisch dargestellt ist. Die Frequenz von beispielsweise etwa
1000 Hz nimmt mit zunehmender Wichte ab, wobei der Gradient dieses Abfalls mit wachsender
Wichte gleichfalls abnimmt.
-
Die Änderungen der Anzeige sind bei Verwendung einer blichen Stimmgabel
aber gering. Sie betragen-für eine Gaswichteänderung von z.B. 0,05 g/cm3 etwa 1
% 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 leerem Aluminium oder Titan, hergestellt sind. Sie sollen
die Oberfläche der Gabel bei möglichst geringer Gewichteerhöhung vergrößern und
sie damit ia-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 10 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 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 einem erheblichen Aufwand zur Stabilisierung
der
benötigten Gleichspannungen zu Nullpunkt schwankungen und damit zu Meßfehlern führe.
Ferner würde bei einem derartigen Verfahren am Anzeigeinstrument mit zunehmender
Wichte eine Verminderung des Zei-gerausechlags eintreten, was eine Erechwerung der
Ablesung zur Folge hätte.
-
Diese Schwierigkeiten werden bei Anwendung eines verbesserten Verfahrens
beseitigt, wie es in Fig. 9 schematisch dargestellt 4st. Danach wird die von der
Stimmgabel in ihrer Frequenz 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 Frequenz. 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
Vergleichefrequenz gerade der Stimmgabelfrequenz 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 Miechstufe, 2.
B. beim Austausch von Stimmgabeln oder bei Meßbereicheänderungen, 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 bis 0,15 g/cm3 80 oder 100 Hz betragen, ist also
mit bekannten Frequenzmesserschaltungen, z. B. nach dem Ratemeter-Prinzip, in einfacher
Weise in eine der Jeweiligen Frequenz proportionale Gleichepannung bzw. einen eingeprägten
Gleichstrom umzuformen. Dieser wird dann als Maß für die vom Gerät gemessene Wichte,
z.B. mittels eines Drehepulinstruments 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 gassen Meßbereich gespreizt ist. Bei
praktischen Ausführungen eines Wichtemessers nach dem hier beschriebenen Prinzip
kann deshalb bei einer maximalen Abweichung von etwa 0,5 ffi ein linearer Zusammenhang
zwischen Wichte und Ausgangsspannung erzielt werden.
-
Die gesamte beschriebene Meßanordnung ist gegen Netzspannungsschwankungen
und Änderungen der Eigeschaften 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 bestimmen und Amplituden
und Kurvenform dieser Spannungen keinen Einfluß auf das Meßergebnis
haben.
Beim Stimmgabeloszillator sind die eventuell durch Temperaturschwankungen auch bei
konstanter Wichte 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 in eine Gleichspannung
dienende Frequenzmesser 20 bedarf einer konstanten Betriebs spannung.
-
Der hier beschriebene Wichtemesser für Gase besteht nach Abb. i1 aus
dem eigentlichen Meßfühler 21, der mit geringer Strömungsgeschwindigkeit von dem
zu messender Gas durchströmt wird und einem Gehäuse 22, in dem die elektroniscen
Geräteteile untergebracht 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 angordnetes Staurohr 23 für eine ausreichende SpUlung des Meßfühlers
mit Meßgas gesorgt ist. So
werden alle durch Druck- und Temperaturänderungen
oder durch Anderungen der Art und der Zusammensetzung des Meßgases verursachten
Wichteschwankungen sehr rasch erfaßt und angezeigt.
-
Der elektrieche Geräteteil selbst ist in einem festen Gehäuse 22 untergebracht,
das z.B. bezüglich seines Explosionsschutzes der Schutzart"Druckfeste Kapselung"
entpricht.
-
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.