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Gerät zuin Messen der Mengendurchflussgeschwindigkeit von Gasen Die
Erfindung betrifft ein Gerät zum Messen der Mengendurchflussgeschwindigkeit von
Gasen.
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Es ist bekannt, dass der Mengendurchfluss eines Gases mit hilfe von
drei Faktoren, nämlich 1.) dein volumetrischen Durchfluss, 2.) dem Druck und J.)
dcr Temperatur berechnet werden kann. Es war bisher so, dass das Gerät beim Feststellen
mindestens eines der Merkmale nichtgeradlinig reagierte, so dass für die Berechnung
der Mengendurchflussgeschwindigkeit eine relativ komplizierte Rechenanlage notwendig
war.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, Verbesserungen zu schaffen, die
das Messen der Mengendurchflussgeschwindigkeit von Gasen mit relativ einfachen Geräten
ermöglichen.
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Die Mengendurchflussgeschwindigkeit eines Gases ist proportional
zu V. P, worin: T V 5 die volumetrische Durchflussgeschwlndigkcit, der absolute
Druck und 19 = die absolute Temperatur ist.
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Das erfindungsgemässe Gerät zum Messen der Mengendurchflussgeschwindigkeit
eines Gases ist gekennzeichnet durch Mittel zum Herleiten erster, zweiter und dritter
elektrischer Signale, die jeweils in linearer Beziehung zu dem volumetrischen Durchfluss,
dem jeweiligen absoluten Druck und dem reziproken Wert der jeweiligen absoluten
Gastemperatur stehen, Mittel zum Herstellen einer Rechteckimpulswelle, bei der die
Frequenz, die Amplitude und die Dauer der Impulse jeweils dem entsprechenden ersten,
zweiten und dritten elektrischen Signal linear proportional ist, und zwar in jeder
beliebigen Reihenfolge, Mittel zum Integrieren der Impulswelle sowie Mittel zum
Anzeigen des Integrationswertes in Einheiten der Mengendurchfluss geschwindigkeit.
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Es ist zweckmässig, die Frequenz der Rechteckimpulswelle in eine
lineare Beziehung zu dem ersten Signal zu bringen und in einem bevorzugten Ausiührungsbeispiel
wird bewirkt, dass das erste Signal eine Frequenz aufweist, die zu dem volumetrischen
Gasdurchfluss in linearer Beziehung steht. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist das Mittel zum Herleiten des ersten Signals mit einer Turbine versehen, die
gasgeschmierte Lager aufweist, sowie ein Mittel zum ERze@gen eines elektrischen
Strome vorgegehen, dessen Frequenz in linearer Beziehung zu der Drehzahl der Turbine
steht. Ein solcher Strom kann von der Turbine hergeleitet werden indem eine magnetische
oder kapazitive Sonde den Turbinenschaufeln benachbart angeordnet wird.
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Durch die geringe Reibung der Gaslager, auf denen die Turbine läuft1
bleibt die Turbinendrehzahl in linearer Beziehung zu dem Durchfluss und ermöglicht
es, dass der Durchfluss über einen sehr grossen Bereich gemessen werden kann, Die
Amplitude der Rechteckimpulswelle kann zu dem zweiten Signal in lineare Beziehung
gebracht werden und in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel steht die Amplitude
des zweiten Signals in linearer Beziehung zu dem jeweiligen absoluten Gasdruck.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Mittel zum Herleiten des zweiten
Signals einen Membran-Druckwandler auf, dessen Membran während der Messung der Mengendurchfluss
geschwindigkeit dem Gasdruck ausgesetzt wird. : Die Erzeugung einer elektrischen
Aus gangs grösse kann durch Verfahren, wie beispielsweise durch die Verwendung von
Widerstandselementen, die die Beanspruchung wahrnehmen und an der Membran befestigt
sind, oder einer Spule, deren Induktivität durch die Bewegung eines Eisenkerns verändert
wird, oder einer anderen benachbarten Spule, die an der Membran befestigt ist, erreicht
werden Druckwandler, deren Ausgangsleistung linear proportional zu dem Druck ist,
sind im Handel erhältlich.
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Die Impulsdauer kann zu dem dritten Signal in lineare Beziehung gebracht
werden und in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat das dritte Signal eine Amplitude,
die in linearer Beziehung zu dem
Kehrwert der jeweiligen absoluten
Temperatur steht. In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Mittel zum
Herleiten des ES dritten Signals ein Kupferwiderstandsthermometer auf, das von dem
Gas beim Messen der Mengendurchflussgeschwindigkeit umströmt wird und beispielsweise
die Form einer Spirale hat, die um den Gasströmungsweg herum angeordnet ist, Bei
extremen Temperaturen mögen Widerstandsthermometer, bei denen andere Materialien
verwendet werden, vorteilhafter sein, Für einige Anwendungszwecke des Geräts könnten
Thermoelemente ebenfalls mit Erfolg verwendet werden.
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Es ist ferner möglich, einen solchen Mengenmesser so auseubilden,
dass er den Durchfluss eines beliebigen Gases in Einheiten eines Normalvolumens,
beispielsweise in Kubikfuss je Minute anzeigt.
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Der Durchfluss in Standardvolumeneinheiten ergibt sich aus V. P,
Ts PT s worin V = volumetrischer Durchfluss, P = effektiver Druck, Ps = Normaldruck
und T5 Normaltemperatur ist.
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Daraus ergibt sich dann ein Mengenmesser, der für alle Gssarten verwendbar
ist. Für jedes Gas mit einer bekannten Gaskonstante kann der Mengenmesser so ausgebildet
sein, dass er die Mengendurchflussgeschwindigkeit nach VP RT worin lt die Gaskonstante
ist, anzeigt, Ein solcher Mengenmesser kann so ausgebildet sein> dass er die
Mengendurchflussgeschwindigkeit von verschiedenen Gasarten anzeigt, indem als Rechenanlage
zweckmässige elektronische Schaltungen vorgesehen werden, die es ermöglichen, die
Alternativwerte der Gaskonstante auszuwählen.
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Da alle drei Wandlerelemente, d. h. für die volumetrische Strömung,
den Druck und die Temperatur, Ausgangsgrössen aufweisen, die sich linear mit der
gemessenen Menge ändern, können sehr einfache Schaltungen verwendet werden, wobei
im Vergleich mit den bekannten Vorrichtungen, bei denen keine solche Linearität
vorhanden ist und ein Druck-und Temperaturausgleich vorgenommen werden muss, eine
gute Gesamtgenauigkeit und ein breiter Strömungsbereich erzielt werden.
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In den Zeichnungen, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen,
ist Fig, 1 ein Schaubild zur Erläuterung des Grundprinzips für die umrechnung der
Mengendurchflussgeschwindigkeit;
Fig, 2 ein Blockschaltbild der
Rechenanlage; Fig. 3 ein Schaltbild der Rechenanlage und Fig. 4 ein mittlerer Vertikalschnitt
durch eine Wandleranordnung mit einer Turbine als Wandler für den volumetrischen
Durchfluss, mit einem Membran-Druckwandler und einem Kupfer wider standsthermometer
als Te mperaturwandler.
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Fig. 1 zeigt eine Reihe von Rechteckimpulsen. Die Impulsfrequenz
entspricht geradlinig der festgestellten volumetrischen Durchflussgeschwindigkeit.
Die Amplitude der Impulse entspricht geradlinig dem festgestellten absoluten Druck.
Die Impulsdauer entspricht geradlinig dem reziproken Wert der festgestellten absoluten
Temperatur.
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Fig. 2 ist ein Blockschaltbild, das zeigt, wie die drei Faktoren
kombiniert werden, um ein Signal zu bilden, das einem Drehspulmesser zugeführt wird,
der die durch eine Gaskonstante K modifizierte Mengendurchflussgeschwindigkeit anzeigt.
Das direkt von der Turbine hergeleitete Signal gelangt zu einem Impulsformungskreis,
der Rechteckimpulse erzeugt. Die Impulse werden durch den Impulsformer eingeleitet
und durch ein von dem Temperaturwandler hergeleitetes Signal beendet, wobei die
Dauer des Impulses dem reziproken Wert der Temperatur proportional ist. Die sich
ergebenden "in der Dauer modifizierten" Impulse werden einer Vorrichtung scuge£ührt,
die die Amplitude des Impulses entsprechend einem von dem Druckwandler kommenden
Signal
ändert. Die " in der Dauer modifizierten und amplutidenmodulierten" Impulse werden
dann einem Drehspulenmesser zugeführt, dessen Anzeigewert der Integration der Impulse
proportional ist.
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Fig. 3 ist ein Schaltbild, das dem Blockschaltbild der Fig. 2 entspricht.
Diese Schaltung hat den Vorteil, dass sie einfach, gedrungen und relativ billig
ist.
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Sie erreicht eine Gesamtgenauigkeit von @ 2 % bei Temperaturveränderungen
bis zu t 50 ° 0, bei Druckveränderungen in einem Bereich von 3:1 und bei volumetrischen
Durchflussschwankungen in einem Bereich von 15:1.
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Diese Schaltung basiert auf den Annäherungen: 1 # 1 # 1 # T° 1 +
T T° T0 ergibt # T # 1 T° Fehler belaufen sich auf + 2% für # T t # 50°C. wenn TO
30000 ist, In der Schaltung der Fig. 3 sind die Bestandteile und Werte die folgenden:
Kondensatoren C1 0,03 µ F C2 120 pF C3 120 pF c4 0,1@ F C5 500 pF C6 0,25µ F C7
150 pF C8 0,5µ F C9 0.1µ F C10 0.5µ F
Widerstände R1 3.3 K# R2 100
K# R3 1 K# R4 63 K# R5 56 K # R6 1 K# R' 22 K# R8 27 K # R 27 K # R10 22 K# ~11
1 K A R12 68 K # R13 25 K # R14 10 K # R@@ 100 K R16 10 K# R17 4.7 K# R18 25 K#
R19 25 K # R20 25 K# R21 100 K # R22 100 K A R23 330 K# R24 10 K # @R25 33 K # R26
1 K# R27 (entsprechend dem Widerstadn des Temperaturwandlers) R28 (entsprechend
dem Widerstand des Druckwandlers)
Transistoren TR - 1 2N706A (Standard
Telephones & Cables, Ltd.) TR -2 " " TR - 3 3 n TR - 4 TR - 5 11 " TR - 6 TR
- 7 " II Dioden D - 1 OA81 (Mullard Ltd.) D - 2 OA81 (Mullard Ltd.) D - 3 OA81 (Brush
Cleeve Ltd.) D - 4 F34 (Brush Cleeve Ltd.) D - 5 F34 (Mullard Ltd.) S Schalter einpoliger
Dreiweg- Bereichsschalter Transformatoren T - 1 Verhaltnis 1 : 2 Verstärkereinheiten
A - 1 Temperaturwandler. Vorverstärker A - 2 Druckwandler-Vorverstärker
Für
den Fachmann auf dem Gebiet der Schaltungen für Rechenanlagen ist es selbstverständlich,
dass kompliziertere Schaltungen nach bekannten Verfahren konstruiert werden können,
um grössere Genauigkeit zu erzielen oder um mit grösseren Temperatur- und Druckschwankungen
arbeiten zu können.
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Fig. 4 zeigt den Wandlersatz. Eine mit Schaufeln versehene Turbine
1 weist eine äussere Lagerbuchse 2 auf, in der mit Spiel eine feste innere Lagerbuchse
3 angeordnet ist. In der inneren Buchse 3 sind radiale Öffnungen 4 vorgesehen, durch
die durch einen axialen Kanal 6 einer Gondel 7, die axial in dem durch eine Rohrleitung
9 strömenden Gasstrom 8 liegt, zugeführte Druckluft in einen Spalt 5 zwischen der
inneren und äusseren Lagerbuchse einströmen kann, Die Luft verlässt das Radiallager
an beiden Enden, um bei 5a und 5b Axialdrucklager zu bilden. Die Menge der aus den
Lagerzwischenräumen 5a und 5b entweichenden Abluft ist geringfügig im Vergleich
mit dem zu messenden Durchfluss und braucht nicht beachtet zu werden. Da ein derartiges
"Luftkissenlager" der Drehung nur einen äusserst geringen Widerstand entgegensetzt,
kann die Turbine 1 mit einer Drehzahl rotieren, die dem volumetrischen Durchfluss
des Gases durch die Rohrleitung 9 linear proportional ist, Die Schaufeln der Turbine
1 sind so angeordnet, dass sie, entweder kapazitiv als Platte eines Kondensators
oder magnetisch, mit einer magnetischen Sonde 10 zusammenarbeiten, die in der Wand
der Rohrleitung v an*geordnt. ist.
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In Strömungsrichtung hinter der Turbine ist in der Wand der Rohrleitung
9 eine ringförmige Ausnehmung 12 vorgesehen, die ein Widerstandsthermometer 13 mit
Kupferdrahtwicklung aufnimmt, das demnach den Durchfluss weder behindert noch Wirbelbildung
verursacht.
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Der Turbine axial gegenüber ist eine Öffnung 14 in der Wand der Rohrleitung
9 vorgesehen, die zu einem Membran-Druckwandler 15 führt.