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Vorrichtung zur Messung des Höhenstandes einer bei erhöhter Temperatur
in einem Gefäß gehaltenen Flüssigkeit, die bei Abkühlung erstarrt oder zähflüssig
wird
Bei der Behandlung oder Verarbeitung solcher Stoffe, die bei erhöhter Betriebstemperatur
flüssig sind, bei Abkühlung aber erstarren oder zähflüssig werden, tritt häufig
die Aufgabe auf, für eine solche bei der erhöhten Temperatur in einen Gefäß gehaltene
Flüssigkeit den im Betrieb schwankenden Höhenstand zu messen oder zu beobachten.
Beispiele für solche Anwendungsfälle bieten etwa Peche verschiedener Art, Asphalte,
Bitumengemische, Naphthalin, Paraffine und andere zumeist organische, bei gewöhnlicher
Temperatur feste oder doch zähflüssige Stoffe, die bei stark erhöhter Temperatur
in einem Gefäß flüssig gehalten werden, um in diesem Zustand weiteren Verarbeitungen
oder auch dem Verbrauch, z. B. für die Verbrennung in Feuerungen für flüssige Brennstoffe,
für Brikettierung u. a., zugeführt zu werden. Die üblichen und bekannten vorrichtungsmäßigen
Mittel zur Bewältigung dieser Aufgabe, die für die meisten, in allen praktischen
Temperaturgebieten rein flüssigen Stoffe genügen, versagen oder werden mindestens
unzuverlässig bei den für die vorliegende Erfindung in Betracht kommenden Stoffen,
die nur in höheren Temperaturen flüssig sind, bei Abkühlung dagegen, manchmal sogar
schon in höheren Temperaturlagen, zum Erstarren oder zum Zäh- und Dickwerden neigen.
Selbst die einfachste für Flüssigkeitsbehälter oder -gefäße weitgehend gebräuchliche
Vorrichtung, ein in die Flüssigkeit tauchender
Schwimmer, dessen
Höhenbewegungen durch an ihm befestigte Teile, Stangen, Hebel od. dgl., aus der
Flüssigkeit nach außen hin übertragen werden, ist als Meßvorrichtung unbrauchbar,
weil die aus der Flüssigkeit herausragenden Teile der Schwimmervorrichtung mit Ansätzen
von erstarrenden Teilen der Flüssigkeitsmasse bedeckt werden, die das Gewicht der
ganzen Schwimmervorrichtung in unbestimmtem Maße vergrößern und dadurch die ganze
Meßgrundlage verändern. Andersartige Höhenstandsanzeigevorrichtungen, bei denen
Teile der Betriebsflüssigkeit aus dem Gefäß nach außen geführt werden, kommen wegen
der außerhalb des Gefäßes eintretenden Abkühlung überhaupt nicht in Betracht. Mit
Schwierigkeiten und Unzulänglichkeiten ähnlicher Art, die allesamt durch das Erstarren
oder Zähflüssigwerden der Gefäßflüssigkeit bei Temperaturerniedrigungen bedingt
werden, sind alle sonstigen bekannten Messungs- und Anzeigemittel unvermeidlich
behaftet.
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Mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung werden die geschilderten
Schwierigkeiten und Nachteile bekannter Mittel auf einfachstem Wege restlos beseitigt
und bedeutende Vorteile für die Lösung der Aufgabe gesichert. Die Vorrichtung gemäß
der Erfindung zur Messung des Höhenstandes einer bei erhöhter Temperatur in einem
Gefäß gehaltenen Flüssigkeit der beschriebenen Art besteht aus einem mit leichtschmelzendem
und schwerfiüchtigem Metall gefüllten Röhrenmanometer, dessen einer oben offener
Schenkel ständig in der zu messenden Flüssigkeit untergetaucht bleibt, während dessen
anderer Schenkel ständig aus ihr oben herausragt und mit einem Höhenstandsanzeiger
oder einer Druckmeßvorrichtung für das Manometermetall versehen ist. Die Vorrichtung
zur Höhenstandsanzeige des im herausragenden Röhrenschenkel stehenden geschmolzenen
Metalls kann nach weiteren Merkmalen der Erfindung in verschiedener Art ausgebildet
sein. Ein sehr einfacher Höhenstandsanzeiger ist hiernach ein in dem herausragenden
Röhrenschenkel-untergebrachter elektrischer Leiter, der in das Manometermetall eintaucht
und dessen für einen durchfließenden elektrischen Strom wirksame Länge durch die
Höhenschwankungen des Metalls verändert wird. Wenn z. B. der Leiter aus einem Paar
von offen liegenden, gegeneinander isolierten Leitungsdrähten besteht, die durch
das flüssige Metall selbst kurzgeschlossen werden, so kommt die Veränderung der
stromdurchflossenen Leiterlänge auf eine Veränderung des Leitungswiderstandes hinaus,
der in sehr einfacher Weise, z. B. etwa bei Einschaltung einer Stromquelle von konstanter
Klemmenspannung, durch eine Veränderung der sich einstellenden Stromstärke gemessen
werden kann. Ein anderer erfindungsgemäßer Höhenstandsanzeiger ist ein in dem herausragenden
Röhrenschenkel geführter Schwimmkörper, der in die Oberfläche des geschmolzenen
Manometermetalls eintaucht und dessen Schwimmstandhöhe nach außen in geeigneter
Weise sichtbar gemacht wird. Bei beiden vorgenannten Vorrichtungen zur Höhenstandsanzeige
ist es vorteilhaft, wenn das Manometermetall in dem herausragenden Röhrenschenkel
von einer Flüssigkeit, die bei der Betriebstemperatur nicht nennenswert verdampft
oder verändert wird, überschichtet wird. Geeignete Flüssigkeiten hierfür sind hochsiedende
Öle, hochschmelzendes Paraffin od. dgl. Eine solche übergeschichtete Flüssigkeit
sperrt das Manometermetall von der äußeren Atmosphäre ab und schützt es dadurch
sicher gegen etwaige chemische Beeinflussungen oder Veränderungen durch Luftbestandteile.
Eine andere Vorrichtung zur Höhenstandsanzeige besteht erfindungsgemäß darin, daß
eine Flüssigkeit der letztgenannten Art, die zweckmäßig spezifisch möglichst leicht
ist, zum Überschichten des Manometermetalls in dem herausragenden Röhrenschenkel
in einer solchen Säulenhöhe angewendet wird, daß die Höhenschwankungen des Manometermetalls
am oberen Ende der Flüssigkeitssäule sichtbar gemacht werden können, etwa dadurch,
daß der oberste Teil des herausragenden Manometerrohrs durchsichtig ausgeführt wird,
so daß man das Höhenspiel der übergeschichteten Flüssigkeit von außen beobachten
kann. Diese letzterwähnte Anzeigevorrichtung kann nach einem weiteren Erfindungsmerkmal
dahin ausgestaltet werden, daß man nicht das Höhenspiel des Manometermetalls, sondern
den auf dieses Metall ausgeübten hydrostatischen Druck mißt. Hierzu wird der herausragende
Röhrenschenkel mit einer ihn abschließenden Druckmeßvorrichtung versehen und mit
der das Manometermetall überschichtenden Flüssigkeit der vorerwähnten Art ganz angefüllt,
so daß diese lediglich als Druckübertrager dient und dabei das Manometermetall ohne
ein erhebliches Höhenspiel wesentlich in Ruhe gehalten wird.
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Das als Manometerfüllung zu benutzende Metall muß einen niedrigen
Schmelzpunkt, der jedenfalls tiefer als die Betriebstemperatur der im Gefäß gehaltenen
Flüssigkeit liegt, bei einem verhältnismäßig hoch liegenden Siedepunkt haben, d.
h. schwer flüchtig sein, und zweckmäßig ein möglichst hohes spezifisches Gewicht
aufweisen. Geeignete Metalle sind namentlich Legierungen, die vorwiegend Blei und
Zinn enthalten, für sehr niedrige Schmelztemperaturen auch die bekannten Speziallegierungen
mit Gehalten an Blei, Zinn, Wismut und Kadmium (vgl.
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Ullmanns »Enzyklopädie der technischen Chemie«, I. Aufl., Bd. 7, S.
55x mit Abb. 257 und S. 556 u. 557>.
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Nach dieser Quelle hat z. B. eine Blei-Zinn-Legierung von 64 0/o Zinn
und 36 0/o Blei einen Schmelzpunkt von I8I" C, sogenanntes Woodsches Metall einen
Schmelzpunkt von nur 700 C. Die spezifischen Gewichte für solche Legierungen liegen
in den Grenzen von etwa 7 bis IO,6 im Schmelzzustand, bezogen auf Wasser = 1. Quecksilber
käme höchstens als mengenmäßig zurücktretender Legierungsbestandteil, keinesfalls
in reinem Zustand, in Betracht, wegen seiner verhältnismäßig leichten Verdampfbarkeit
wie auch seiner Giftigkeit.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegen wesentlich
darin begründet, daß die als Manometerfiüssigkeiten in Betracht kommenden schmelzflüssigen
Metalle ein spezifisches Gewicht besitzen, das im Vergleich zu den spezifischen
Gewichten aller für die Aufgabe der Erfindung in Betracht kommen-
den
Flüssigkeiten, deren Höhenstand zu messen ist, um ein Vielfaches größer ist, und
daß diese Manometermetalle gegenüber diesen Betriebsflüssigkeiten durchweg chemisch
indifferent und selbstverständlich mit ihnen unmischbar sind. Das verhältnismäßig
hohe spezifische Gewicht der Manometermetalle verringert ihre Höhenschwankung in
dem Manometer auf einen kleinen Bruchteil der gesamten innerhalb des Gefäßes zu
messenden Höhenstandsschwankung der Betriebsflüssigkeit. Näheres hierüber ergeben
die unten gebrachten Rechnungsbeispiele. Demzufolge läßt sich zunächst mühelos die
erfindungsgemäße Anordnung, daß der eine oben offene Manometerschenkel ständig in
der zu messenden Flüssigkeit untergetaucht bleibt, praktisch verwirklichen. Andererseits
liegt in dieser wesentlichen Verringerung der Höhenschwankung des Manometermetalls,
die für die Anzeigevorrichtung in Wirksamkeit tritt, eine sehr große Erleichterung
der Betriebsführung. Es kommen vielfach Höhenunterschiede der Betriebsflüssigkeiten
in dem Gefäß von mehreren Metern vor, deren unmittelbare Messung und Beobachtung
erhebliche Umständlichkeiten verursachen würde; nach der Erfindung werden dieselben
auf eine Höhenstandsanzeige im Umfang von nur etwa ebenso vielen Dezimetern verringert,
also auf ein sehr handliches Maß zurückgebracht. Durch das Untertauchen des Manometers
unter die Betriebsflüssigkeit wird es in einem dauernd betriebsfähigen und betriebssicheren
Zustand gehalten. Unmittelbare Einwirkungen der Betriebsflüssigkeit nach außen hin,
namentlich auf die Meß- und Anzeigevorrichtungen, sind ausgeschlossen, und damit
fallen alle eingangs geschilderten, aus dieser Ouelle entspringenden Schwierigkeiten
und Nachteile weg. Durch die bequeme und zuverlässige Höhenstandsmessung der in
dem Gefäß enthaltenen Betriebsflüssigkeit werden alle ihr zugewiesenen Behandlungen
und Verwendungen im Betrieb weitestgehend erleichtert.
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In der Zeichnung sind mit den Abb. I bis 4 als Beispiele vier verschiedene
Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung jeweils im senkrechten Schnitt
bei einer stehenden, mit geschmolzenem Hartpech gefüllten Blase dargestellt, die
als Zwischenbehälter zum absatzweisen Füllen einer Batterie von Pechverkokungsöfen
dient.
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In Abb. I bedeutet I eine stehende eiserne Blase von beispielsweise
etwa 4,5 m Lichthöhe, die in einen (nicht mitgezeichneten) gemauerten Heizofen eingebaut
zu denken ist. Die Blase besitzt am Deckel ein absperrbares Zufuhrrohr 2 zum Einfüllen
von flüssigem Pech und am Fuß einen mit dem Ventil 3 abzusperrenden Auslaß 4 für
das Pech, das der weiteren Verarbeitung, etwa in Pechverkokungsöfen, zuzuführen
ist. Der tiefste Stand der Pechfüllung ist mit 5, der höchste Stand mit 6 bezeichnet.
Am Deckel der Blase befindet sich noch das absperrbare Entlüftungsrohr 7, das entweder
in die äußere Atmosphäre ausmündet oder noch besser mit einem unter wesentlich atmosphärischem
Druck gehaltenen Speicherbehälter für Inertgas in Verbindung steht. Durch dieses
Entlüftungsrohr werden die beim Füllen und Entleeren auftretenden Volumenschwankungen
des Dampfraumes der Blase ausgeglichen. Im Innern der Blase befindet sich, durch
ihren Deckel gehalten, das erfindungsgemäße Röhrenmanometer, das aus einem kürzeren,
als weites tassenartiges Gefäß ausgebildeten Röhrenschenkel 8 und dem längeren,
als verhältnismäßig enges Rohr ausgebildeten Röhrenschenkel 9 besteht. Der niedrige,
oben offene, gefäßartige Schenkel 8 befindet sich ständig in dem flüssigen Pech
untergetaucht, also stets unterhalb seines tiefsten Standes 5. Der andere Röhrenschenkel
g ragt ständig über die Pechfüllung, also über ihren höchsten Stand 6 hinaus und
wird mit dem oberen Ende 10 durch den Blasendeckel, den es durchsetzt getragen.
In den beiden Manometerschenkeln befindet sich das z. B. aus einer Blei-Zinn-Legierung
bestehende, bei der Betriebstemperatur schmelzflüssige Metall I2, dessen Oberfläche
im Schenkel 8 mit II und in dem Schenkel g mit 14 bezeichnet ist.
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Die Metalloberfläche 14 steht um das Höhenmaß A höher als die Metalloberfläche
II, und diese wiederum befindet sich um das Höhenmaß k tiefer als der gezeichnete
tiefste Stand 5 der Pechflüssigkeit. Das unterhalb der Metalloberfläche II eingezeichnete
Höhenmaß b der Vorrichtung wird als deren Bauhöhe B betrachtet. Bei höherer Anfüllung
der Blase mit Pech senkt sich der Metallspiegel 11 und hebt sich der Metallspiegel
14 bis zu dem eingezeichneten größten Höhenmaß li,,,,. Im Innern des hochragenden
Röhrenschenkels g befindet sich ein Paar von elektrischen Leitungsdrähten I5, I5,
die durch einen Porzellan'stab I3 gehalten und voneinander isoliert werden. Dieses
Leiterpaar 15 ragt mit dem unteren Ende in das Manometermetall unter seine Oberfläche
14 hinein und wird dadurch kurzgeschlossen. Am oberen Ende steht das Leiterpaar
15 mit einer Meßvorrichtung 16 und mit einer (nicht gezeichneten) Stromquelle von
konstanter Klemmenspannung, etwa einem Akkumulator, in Verbindung. Durch die Höhenschw-ankung
des Metallspiegels 14 in den Rohrstücken 9 wird die für den Stromdurchfluß durch
das Leiterpaar 15 wirksame Leiterlänge und damit der Stromwiderstand verändert;
diese Veränderung kann unmittelbar an der Meßvorrichtung 16 abgelesen und als Maß
für die Höhenschwankung des Metallspiegels 14 betrachtet werden.
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Die Vorrichtung nach Abb. 2 unterscheidet sich von der beschriebenen
Vorrichtung nach Abb. 1 lediglich durch eine andere Gestaltung des Höhenstandsanzeigers.
Hierzu dient ein Schwimmkörper 17, der in die Oberfläche 14 des Manometermetalls
eintaucht und an einer Stange I8 in dem hochragenden Röhrenschenkel g geführt wird.
Das obere Ende der Stange I8 überträgt die Höhenschwankung des Schwimmers I7 und
damit des Metallspiegels 14 auf eine mechanische Meßvorrichtung 19 die an dem über
den Blasendeckel herausragenden Rohrende 10 befestigt ist. Diese Vorrichtung besitzt
einen um die waagerechte Mittellage schwingenden Anzeigehebel, dessen einer Arm
20 einen Wreissegmentbogen 21 trägt, an dem das bandförmige Ende 22 der Schwimmerstange
18 befestigt ist, und dessen anderer Arm 23 mit der Zeigerspitze 24 an einer feststellenden
Skala 25 entlang schwingt. Ein an
dem Hebelarm 23 verschiebbares
Laufgewicht 26 dient zum Ausgleich des hauptsächlichen Teils des am Ende 22 abwärts
ziehenden Eigengewichts des Schwimmers I7 und seiner Stange I8 bzw. zum Justieren
der Skalenanzeige. Mit dieser Anzeigevorrichtung läßt sich die Höhenschwankung des
Metallspiegels 14 unmittelbar an der Skala 25 ablesen.
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Bei beiden Ausführungsformen nach Abb. I und 2 ist es vorteilhaft,
wenn nach einem weiteren Erflndungsmerkmal in dem Röhrenschenkel g auf die Oberfläche
14 des Manometermetalls eine geeignete Flüssigkeit übergeschichtet wird, welche
bei der Betriebstemperatur nicht nennenswert verdampft oder verändert wird, z. B.
ein hochsiedendes Öl, wie Schmieröl od. dgl. Es genügt eine Schichthöhe von beispielsweise
etwa 100 mm, die nur eine sehr geringfügige, konstante Verschiebung der Manometermetallhöhe
herbeiführt. Die Darstellung der Schicht ist in Abb. I und 2 zur Vermeidung von
Unübersichtlichkeit weggelassen. Diese übergeschichtete Flüssigkeitssäule, welche
ständig in dem Röhrenschenkel g verbleibt, bewirkt eine absolut gasdichte Absperrung
des Manometermetalls von der in das Rohr g eindringenden atmosphärischen Luft.
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Rechnungsbeispiel für Abb. I und 2 Für dieses und die folgenden Rechnungsbeispiele
wird überall dieselbe Betriebstemperatur der Blase von 300° C, dasselbe Füllgut
und dasselbe Manometermet all angenommen.
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Das Füllgut sei ein Hartpech von einem Erweichungspunkt über 1500
C mit einem spezifischen Gewicht im Schmelzzustand von I,I, also einem Raumgewicht
s = 1100 kg/m³.
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Das Manometermetall sei eine Legierung aus zwei Gewichtsteilen Blei
und einem Gewichtsteil Zinn mit einem spezifischen Gewicht im Schmelzzustand von
9,4, also einem Raumgewicht s1 = 9400 kg/m³. Der Schmelzpunkt dieser Legierung umfaßt
nach Ullmann a. a. O., S 55I, Abb. 257, den Temperaturbereich zwischen 250 und I8I°
C, liegt also wesentlich tiefer als die oben angenommene Betriebstemperatur, die
damit den Schmelzzustand sichert.
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Die Höhen h und h, gelten gemäß den Eintragungen bei Abb. 1 und 2.
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Es sei für die zahlenmäßige Berechnung hmin = 0,1m und h»,s = 3,1
m, d. h. die Höhenschwankung beträgt 3,0 m zwischen dem tiefsten und höchsten Stand
des Füllguts.
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Gesucht werden h, als Funktion von h und die Bauhöhe B.
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Für die Höhenlage O - O des Metallspiegels II gilt das hydrostatische
Gleichgewicht h s = h1 s1 oder (I) h1 = h . . s1 Bei Einsetzung der obigen Zahlen
wird 1100 h1 h1 = h . = 0,117 h1 = . (2) 9400 8,55 Daraus ergibt sich für,s = hmin
= o,Im; h1 = himin = o,OI2 m = 12 mm für h = hmax= = 3,Im; h, = h1max= 0,363 m =
363 mm Also h1max-h1min = 35I mm Die Bauhöhe B ist gleich dem Konstruktionsmaß b,
das etwa zu 100 mm angenommen werden kann.
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Ergebnisse und Folgerungen: Die zu messende Höhe h, des Metallspiegels
I4 verändert sich mit der sie bestimmenden Höhe h der Pechfüllung nur im reziproken
Verhältnis ihrer Raumgewichte si und s, nach obigen Zahlen im Verhältnis 8,55 oder
der größten Höhenschwankung der Pechfüllung von 3,0 m entspricht eine zu messende
Höhenschwankung des Metalls von nur 35I mm. Dabei ist allerdings für die Anzeige
der Meßvorrichtung zu beachten, daß die als Bezugsebene genommene Höhenlage 0-0
des Metallspiegels II relativ zu der Blase I und damit zu der Anzeigevorrichtung
nicht feststeht, sondern sich beim Hochsteigen des Metallspiegels 14 etwas absenkt.
Wenn z. B. in Abb. I das Rohr g einen inneren Durchmesser von 40 mm und der Porzellanstab
I3 einen äußeren Durchmesser von I8 mm besitzt, so ist der Lichtquerschnitt im Rohr
g gleich 1002 mm2, und wenn der andere tassenartig erweiterte Rohrschenkel 8 in
Höhe des Metallspiegels II einen Durchmesser von 250 mm, also einen Querschnitt
von 49087 mm2 hat, so ist für die gesamte Steighöhe h1max des Metallspiegels 14
die Absenkung des Metallspiegels 11 gleich 351 8°°2 = 7,2 mm. Die 49087 Anzeigevorrichtung
würde also statt 351 mm nur 351 - 7 = 344 mm festzustellen haben. Der Unterschied
ist also verhältnismäßig sehr gering; er liegt praktisch innerhalb der Unsicherheiten
und Ungenauigkeiten einer Vorausberechnung, die ohnehin bei Ausführungen der Praxis
durch eine empirische Eichung der eingebauten Meßvorrichtung überwunden werden müssen.
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Zugleich ersieht man hieraus den Vorteil der beträchtlichen Querschnittsvergrößerung
des untergetauchten Rohrschenkels 8 gegenüber dem herausragenden Rohr 9. Einerseits
wird dadurch die durch die feststehende Anzeigevorrichtung zu messende Höhenveränderung
des Metallspiegels 14 fast vollständig für die Messung ausgenutzt. Andererseits
aber wird vor allem die Bauhöhe B der Vorrichtung niedrig gehalten, so daß also
der tiefste Stand der Pechfüllung eine in der Blase ständig verbleibende Pechfüllungsmasse
von nur beschränkter Höhe nötig macht.
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Bei den vorstehenden Berechnungen ist der auf beiden Manometerseiten
lastende Druck der äußeren Atmosphäre bzw. der Dampfatmosphäre in der Blase, weil
beide praktisch gleich große Beiträge liefern, die sich also gegenseitig aufheben,
zugunsten der Übersichtlichkeit und Rechnungsvereinfachung außer acht gelassen worden.
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In Abb 3 wird das erfindungsgemäße Röhrenmanometer wieder aus einem
kürzeren Röhrenschenkel 30, der sich ständig in der flüssigen Pechmasse untergetaucht
befindet, und aus dem längeren,
ständig aus der Pechfüllung oben
herausragenden Röhrenschenkel 3I gebildet. Der Schenkel 30 besitzt am oberen Teil
die tassenartige Querschnittserweiterung 32, innerhalb welcher sich der Metallspiegel
11 befindet. Der oberste, über den Blasendeckel hinausragende Teil des Rohres 3I
ist als ein Glasrohr 33 mit einer Anzeigeskala 34 ausgebildet. Der andere Metallspiegel
14 in dem Rohr 3I, der sich für den tiefsten Stand 5 der Pechfüllung einstellt,
liegt nahe dem Fußpunkt des Rohrs 3I. Über diesem Metallspiegel 14 wird nun erfindungsgemäß
in dem Rohr 3I eine das Metall überschichtende Säule 35 einer besonderen Flüssigkeit
gehalten, die bis zu dem Spiegel 36 am unteren Anfangspunkt der Skala 34 reicht.
Diese Flüssigkeit wird aus einem spezifisch möglichst leichten Stoff gebildet, der
bei der Betriebstemperatur nicht nennenswert verdampft oder verändert wird, z. B.
aus einem hochsiedenden Schmieröl, das man leicht mit einem Siedepunkt oberhalb
400° C haben kann. Bei einer Erhöhung der Pechfüllung in der Blase I über den gezeichneten
tiefsten Stand 5 hinaus erhöht sich der Druck, der auf der Metalloberfläche II lastet,
so daß diese sich absenkt und der Metallspiegel 14 in dem anderen Rohrschenkel 3I
gehoben wird. Wenn das ganze Rohr 3I und 33 durchweg zylindrisch und gleich weit
ist, so ist die Gesamthöhe der besonderen Flüssigkeit 35 zwischen den Spiegeln 14
und 36 konstant, und dann kann also die zu messende Höhenschwankung des Metallspiegels
14 als eine genau gleich große Höhenschwankung des Flüssigkeitsspiegels 36 außerhalb
der Blase an der Skala 34 des Glasrohrs 33 abgelesen werden.
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In die Flüssigkeitssäule 35 wird zweckmäßig eine Verengung 37, etwa
an der Ansatzstelle zwischen dem Metallrohr 3I und dem Glasrohr 33, oder eine Mehrzahl
solcher Verengungen an beliebigen Stellen, gegebenenfalls auch in den mit dem flüssigen
Manometermetall angefüllten Rohrstücken eingebaut, um die Höhenbewegungen der Manometerflüssigkei
ten zu dämpfen. Dadurch werden bei plötzlichen oder örtlichen hydrostatischen Druckänderungen
der Füllgutmasse in der Blase I, die z. B.. bei stoßweisem Nachfüllen auftreten
können, Störungen des Manometergangs verhütet.
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Rechnungsbeispiel für Abb. 3 Die Höhen h, hl, h0 und H0 gelten wiederum
gemäß den Eintragungen bei Abb. 3.
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Für die besondere Flüssigkeit 35 sei das Raumgewicht sO = goo kg/m3.
Die übrigen Zahlenwerte seien dieselben wie im obigen Rechnungsbeispiel für Abb.
I und 2.
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Gesucht werden h0 und h1 als Funktionen von h und die Bauhöhe B.
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Für die Höhenlage N-N des Metallspiegels 14 gilt das hydrostatische
Gleichgewicht h s + h1 s1 = H0 s0. (3) Darin ist h1=H0-h0, (4) also auch h1 s1 =
H0 s1 - h0 s1. (4a) (4a) in (3) eingesetzt gibt h s + H0 s1 - h0 s1 = H0 s0 oder
h0s1hs+H0(s1--s0). (5) Also ist
Wenn man h0 gemäß (6) in (4) einsetzt, so wird auch h1 = H0 - h s/s1 - H0 + H0 S0/S1
oder s0 s h1 = H0 - h . (7) s1 s1 In den Gleichungen (6) und (7) ist H0 frei wählbar
und eine Betriebskonstante. Demnach haben diese beiden Gleichungen für h0 und hl,
d. h. die gesuchten Funktionen, die Form h0 = h + Konst. (6a) sl h1 = Konst. - h
. (7a) s1 Wenn man jetzt die vorstehende Gleichung (6a) für h0 der Abb. 3 mit der
obigen Gleichung (I) für h1 der Abb. I und 2 vergleicht, so findet man, daß für
diese zwei verschieden benannten Größen, welche beide Male übereinstimmend die zu
messende Höhenveränderung des Manometermetallspiegels 14 darstellen, eine gleichartige
funktionale Abhängigkeit von der Pechfüllungshöhe h, nämlich durch den Ausdruck
h s gegeben ist; der Unterschied beider Funktionsgleichungen ist lediglich eine
additive Konstante. Das vorliegende Beispiel für Abb. 3 ergibt daher dieselben Zahlenwerte
für die Messungsanzeige wie das obige erste Beispiel, was die nachstehenden Zahlen
bestätigen werden.
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Für die zahlenmäßige Ausrechnung wird wieder wie oben gesetzt hmin
= 0,1 m, hmax = 3,1 m und H0 = 5,0 m.
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Mit den übrigen obigen Zahlenwerten lauten dann die Gleichungen (6)
und (7):
900 1100 h1 = 5,0. - h 9400 9400 = o,479-o,117h. (7b) Gleichung
(6b) ergibt für h = h,mn = 0,1m; h0min = 4,533 m = 4533 mm für h = hmax = 3,1 m;
h0max = 4,884 m = 4884 mm Also h0max-h0min = 351 mm Dies ist in der Tat derselbeGrößenwert
für dieHöhenmessungsanzeige, wie oben für Abb. I und 2 aus Gleichung (2) gefunden
worden ist.
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Die Größe hl, und zwar der aus Abb. 3 erkennbare Größtwert, interessiert
nur für die Ermittlung der Bauhöhe B. Nach obiger Gleichung (7b) ist h1=h1max=0,479
- 0,117 . 0,1 = 0,467 m = 467 mm.
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Die Bauhöhe B ist nach Abb. 3 gleich h1 + b. Wenn man für b wieder
dasselbe Konstruktionsmaß 100 mm wie oben bei Abb. I und 2 einsetzt, so wird die
Bauhöhe B = 467 + 100 = 567 mm. Die für das Metallmanometer notwendige Bauhöhe ist
also bei Abb. 3 bedeutend größer als bei Abb. I und 2. Der Grund hierfür liegt in
der starken Erniedrigung des Metallspiegels 14 zufolge der darüber lastenden Flüssigkeitssäule
35 gegenüber dem anderen Metallspiegel II für den Fall des tiefsten Standes 5 der
Pechfüllung.
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In Abb. 4 wird das erfindungsgemäße Röhrenmanometer wieder aus einem
kürzeren Röhrenschenkel 40, der sich ständig in der flüssigen Pechmasse untergetaucht
befindet, und aus dem längeren, ständig aus der Pechfüllung oben herausragenden
Röhrenschenkel 41 gebildet, die jedoch beide aus einem verhältnismäßig engen Rohr
von zweckmäßig durchweg gleicher Lichtweite bestehen. Das Rohr 41 wird von dem Deckel
der Blase I gehalten. Auf das obere, aus dem Blasendeckel herausragende Ende des
Rohrs 41 ist die es abschließende Druckmeßvorrichtung 42 aufgebaut. Sie ist ein
Plattenmanometer mit der federnden Membran 43, die zwischen einem oberen und unteren
Gehäuseteil eingespannt ist und ihre elastische Bewegung durch die Spindel 44 auf
das Zeigerwerk 45 überträgt. Das flüssige Manometermetall 12 bildet in dem kürzeren,
untergetauchten Röhrenschenkel 40 den Metallspiegel II und in dem längeren, herausragenden
Röhrenschenkel 41 den tiefer liegenden Metalispiegel 14.
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Der Raum zwischen diesem Metallspiegel 14 und der Federmembranplatte
43 wird erfindungsgemäß mit einer das Manometermetall überschichtenden, spezifisch
möglichst leichten Flüssigkeit 46, die bei der Betriebstemperatur nicht nennenswert
verdampft oder verändert wird, ganz angefüllt. Diese Flüssigkeit kann von derselben
Stoffart wie die entsprechende Flüssigkeit 35 in Abb. 2, also etwa einhochsiedendes
Schmieröl sein. Damit die vollständige Anfüllung des Röhrenschenkels 41 mit Flüssigkeit
bis oben hin gesichert bleibt, wird der an das Rohr 41 oben anschließende Gehäuseteil
der Druckmeßvorrichtung 42 mit dem Entlüftungshähnchen 47 versehen. Der auf dem
Metallspiegel II lastende Flüssigkeitsdruck der Pechfüllung überträgt sich von dem
Manometermetall 12 auf die Flüssigkeitssäule 46 und hierdurch auf die Federmembran
43 der Druckmeßvorrichtung 42. Die Flüssigkeitssäule 46 wirkt demnach als Druckübertrager.
Es ist hiernach erkennbar, daß die Standhöhe der Pechfüllungsmasse in der Blase
I an der Meßanzeige der Druckmeßvorrichtung 42 unmittelbar abgelesen werden kann;
hierbei tritt ein nennenswertes Höhenspiel des Manometermetalls 12 nicht ein, dieses
bleibt also wesentlich in Ruhe. Das ganze Röhrenmanometer 40, 4I mit der Druckmeßvorrichtung
42 ist daher wegen seiner vollständigen Anfüllung mit zwei Manometerflüssigkeiten
I2 und 46 eine einheitliche Vorrichtung, die unmittelbar durch die auf den Metallspiegel
II einwirkende Auflast der Pechfüllungsmasse beeinflußt wird.
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Rechnungsbeispiel für Abb. 4 Die Höhen h, hl, h0 und H0 gelten wiederum
gemäß den Eintragungen bei Abb. 4.
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Für die druckübertragende Flüssigkeit 46 sei das Raumgewicht s0 =
900 kg/m³ wie bei Abb. 3 für die Flüssigkeit 35. Die übrigen Zahlenwerte für die
Stoffkonstanten seien dieselben wie in den bisherigen Rechnungsbeispielen.
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Gesucht werden der Druck p als Funktion von h und die Bauhöhe B.
Unter dem Druck p wird hierbei der lediglich durch die Flüssigkeitssäulen des Manometers
und der Pechfüllung bedingte Druck unter Nichtberücksichtigung des äußeren Atmosphärendrucks
verstanden, der auf beiden Manometerseiten praktisch gleich stark wirkt und sich
somit ausgleicht.
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Für die Höhenlage N-N des Metallspiegels 14 gilt das hydrostatische
Gleichgewicht h s + h1 s1 = p + (h0 + h1) s0, also p = h s + h1 i - h0 s0 - h1 s0
oder p = h s + h1 (s1 - s0) - h0 s0. (8) Es besteht nun aber die Bedingung, daß
der Druck p nicht negativ werden darf, weil sich dann die Flüssigkeitssäule 46 unter
Bildung eines Gas- oder Dampfpolsters von der. Federmembran 43 ablösen und dadurch
das richtige Funktionieren der Druckmeßvorrichtung 42 unsicher gemacht werden könnte.
Es muß also p # 0 sein, und dies ergibt aus Gleichung (8) die Bedingungsgleichung
h s + h1 (s1 - s0) - h0 s0 # 0. (9) Daraus folgt die Bedingung h0 s0 - h s h1 #
(10) oder h0 s0 - h s, (11) h1 = + h2, s1 - s0 worin hz eine als Sicherheit wirkende
Zuschlaghöhe bedeutet, die willkürlich wählbar ist, aber praktisch verhältnismäßig
klein sein kann. In (I0) und (11) muß natürlich für h, da dessen Beitrag negativ
ist, der Mindestwert hmin für den tiefsten Stand 5 der Pechfüllung eingesetzt werden,
damit der ungünstigste Fall erfaßt wird.
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Für zahlenmäßige Ausrechnungen ist h0 eine frei wählbare, rein bauliche
Konstante und werde hier mit h0 = 4,4 m angesetzt. Das ergibt zunächst nach (11)
für h1 = hmin = Q,I m bei Einsetzung der Zahlenwerte 4,4 . 900 - 0,1 . 1100 h1 =
+ h2, 9400 - 900 = 3960 - 110/8500 + hz, = o,453 m + hz, = 453 mm + h2. (I2) Die
willkürliche Zuschlaghöhe hz möge zu 25 mm angesetzt werden. Dann ist nach (12)
h1 = 453 + 25 = 478 mm = 0,478 m.
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Dies in (8) eingesetzt, ergibt für h = hmin = 0,I m; p = 0,1.1100
+ 0,478 (9400-900) - 4,4.900 = 110 + 4060 - 3960, also Pmin = 210 kg/m2 oder 210
mm WS und für h = hma>D = 3,I m; p = 3,1.1100 + 0,478 (9400-900) - 4,4.900 =
34I0 + 4060 - 3960, also pmax = 3510 kg/m² oder 3510 mm WS, also ist pmax. - P>nin
= 35I02I0 = 3300 mm WS.
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Dieser letzte Größenwert ist aber identisch mit dem Druckhöhenunterschied
der Pechfüllung, deren Höhenschwankung 3,1 - 0,1 = 3,0 m beträgt, denn es ist 3,0
1100 = 3300 kg/m2 oder mm WS wie oben.
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Die Vorrichtung nach Abb. 4 mißt und zeigt daher in der Tat unmittelbar
die veränderliche Pechfüllungshöhe h als die dieser zukommenden Druckhöhenunterschiede
an, wie schon oben gesagt war.
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Die Druckmessung der Vorrichtung 42, 45 reicht vom Anfangswert 210
mm WS bis zum Endwert 3510mmWS. Der positive Anfangswert von 210 mm WS entspricht
dem durch die Sicherheitszuschlaghöhe hz in das System eingeführten ständigen Überdruck.
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Die Bauhöhe B ist nach Abb. 4 gleich h1 + b. Das Konstruktionsmaß
b kann hier etwas kleiner als bisher angenommen werden, da praktisch keine Höhenschwankungen
der Metallsäule auftreten und in der Zuschlaghöhe h2 ohnehin schon ein Sicherheitsmaß
zugegeben ist. Wenn man etwa b = 70 mm setzt, so wird die Bauhöhe B = 478 + 70 =
548 mm. Sie ist also nahezu ebenso groß wie bei Abb. 3.
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Folgerungen aus den Rechnungsbeispielen Bei den Ausführungen nach
Abb. 1, 2 und 3 erfährt übereinstimmend das Mariometermetall in dem herausragenden
Röhrenschenkel ein der Höhenstandsmessung zugrunde gelegtes Höhenspiel, dessen Größenmaß
gegenüber der Höhenschwankung der Pechfüllungsmasse im umgekehrten Verhältnis der
Raumgewichte 1 beider nach den Zahlenbeispielen im Verhältnis 8,55 verkleinert ist.
Bei der Ausführung nach Abb. 4 tritt an die Stelle der Messung des Höhenspiels des
Manometermetalls eine Messung des dementsprechenden Manometerdrndmnterschiedes.
Die Ausführungen nach Abb. I und 2 ergeben die geringste metallgefüllte Bauhöhe
des Manometers, jedoch erfolgt die Messung des Höhenspiels des Manometermetalls
unmittelbar in Höhe des schwankenden Metallspiegels, der tief und versteckt liegt,
wenn auch die Meßanzeige selbst nach außen hin geführt und sichtbar gemacht wird.
Bei den Ausführungen nach Abb. 3 und 4 sind die metallgefüllten Bauhöhen des Manometers
beträchtlich größer, jedoch reichen die Manometerfüllungen bis in einen außerhalb
des Pechgefäßes über demselben im Freien liegenden Raum, wodurch die hier abzunehmende
Meßanzeige sicherer gemacht wird. Die Ausführung nach Abb. 4 hat außerdem den Vorzug,
daß wegen des Wegfalls einer Erweiterung des kürzeren Manometerröhrenschenkels 40
die waagerechten Erstreckungen des Manometers kleiner werden, was sein Einbringen
und Einbauen in das Gefäß erleichtert.
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Bei allen Ausführungen kann der kürzere Röhrenschenkel des Manometers
als eine oben offene Tasse ausgebildet werden, in welche der längere, enger gehaltene
Röhrenschenkel von oben her bis in das Manometermetall hineintaucht.