Anordnung zum Messen von Strömungsgeschwindigkeiten, Wärmemengen und Wärmeflüssen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Messen von Strömungsgeschwindigkeiten, Wärmemengen und Wärmeflüssen eines strömenden Mediums, das eine Leitung durchfliesst, und beruht auf der Tatsache, dass die Wärmeübergangszahl zwischen einem strömenden Medium und einem wärmeleitenden Körper mit der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums variiert.
Die Erfindung besteht darin, dass durch die Wand der Leitung wenigstens ein wärmeleitender Körper in diese hineinragt, welcher von der Wand wärmeisoliert ist und in wärme- leitender Verbindung mit einer Masse steht, und dass ain Thermoelement eine zum Tem peraturuntersehied zwischen zwei Punkten in dem wärmeleitenden Körper proportionale elektrische Spannung liefert und ein anderes Thermoelement eine mit zunehmender Strö mungsgeschwindigkeit abnehmende elektrische Spannung liefert, während ein drittes Thermoelement eine zum Temperaturunter- schied zwischen dem Medium in der genannten Leitung und der genannten Masse proportionale elektrische Spannung liefert, wel- che drei Spannungen so in Reihe geschaltet sind,
dass durch Subtraktion der letztgenannten Spannung von der Summe der zwei erstgenannten Spannungen eine elektrische Spannung erhalten wird, die zum Produkt aus der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums und dem Temperaturuntersehied zwischen dem Medium in der genannten Leitung und der genannten Masse proportional ist.
Der Erfindungsgegenstand wird an Hand beigefügter Zeichnungen näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt ein beispielsweise für Wärme- mengenmessung bestimmtes Ausführungsbei- spiel des Erfindungsgegenstandes.
Fig. 2 zeigt in einem Diagramm die Ab hängigkeit der Spannung von Thermoelemen- ten von der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums innerhalb des Wärmemengenmessers nach Fig. l.
Die Fig. 3 und 4 zeigen je eine andere beispielsweise Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes.
In Fig. 1 ist R eine wärmeverbrauchende oder wärmeabgebende Vorrichtung mit einem Einlassrohr 1 und einem Auslassrohr 2 für das Medium. Zwischen den Rohren 1 und 2 sind zwei wärmeleitende Verbindungsröhren 7 und 10 vorhanden, die vom Einlassrohr 1 durch die Packungen 4 und 9 wärmeisoliert, aber am Auslassrohr 2 wärmeleitend angeschlossen, z. B. festgeschweisst, sind. Die Ver bindungsröhren 7 und 10 können aus Metall bestehen. An jeder der Metallrohren 7 und 10 ist eine Scheibe 3 bzw. 8 befestigt. Diese Scheiben stehen parallel zum Rohr 1 und bestehen zweckmässigerweise aus glattem Glas.
Das Einlassrohr 1 bildet bei der Scheibe 8 eine Einschnürung, so dass die Geschwindig- keit des Mediums hier ungefähr viermal l gro- sser ist als bei der Scheibe 3. In den Metall- röhren 7 und 10 sind Lötstellen von Thermoelementen 6, 5 und 11. Ausserdem befinden sich im Einlassrohr 1 und im Auslassrohr 2 je zwei Lotstellen 12 und 15 bzw. 19 und 20 von Thermoelementen.
Diese Lotstellen 12, 15, 19 und 20 werden von Bakelitröhren 13 und 17 getragen, die vom Einlass-bzw. Auslassrohr 1 bzw. 2 durch Packungen 14 und 18 wärmeisoliert sind, und sind von Kupfierzylindern 16 und 24 umschlossen, damit sie genau dieselbe Temperatur wie das Medium im Rohr 1 bzw. 2 a-nnehmen.
Die Lotstellen 5 und 6 bilden ein Thermoelement, das eine elektrische Spannung S gibt, die mit der Strömungsge- schwindigkeit h des Mediums im Einlassrohr 1 gemäss der Kurve A in Fig. 2 variiert, wenn der Temperaturunterschied tv-tk zwischen der Temperatur des Medifu'ms im Einlassrohr 1 und seiner Temperatur im Auslassrohr 2 konstant ist.
Die Lötstellen 11 und 12 bilden ein anderes Thermoelement, das eine elektrische Spannung gibt. Ein Teil dieser Spannung wird mittels eines regelbaren Widerstandes 21 abge griffen, nmd zwar derart, dass die Summe der Spannung des Thermoelementes 5, 6 und der abgegriffenen Spannung na. hezu linear von h abhängt. Dass dies möglich ist, ist experimentell erwiesen worden. Die abgegriffene Spannung variiert gemäss der Kurve B in Fig. 2, wenn der Temperaturuntersehied tv-tk zwischen der Temperatur des Mediums im Rohr 1 und seiner Temperatur im Rohr 2 konstant ist. Die Kurve B hat eine Asymptote s=K2, an welche die Kurve zufolge der grossen Gesehwindigkeit des Mediums bei der Scheibe 8 sich schnell anschlie#t.
Wird A+B-K2 gebildet, so ergibt sich die mit der Kurve A teilweise zusammenfallende gestrichelte Linie durch den Pcunkt Kl.
Die Lötstellen 15 und 20 bilden ein drittes Thermoelement, das eine zum Temperaturuntersehied tvtk zwisehen der Temperatur des Mediums im Rohr 1 und seiner Temperatur im Rohr 2 proportionale elektrische) Spannung gibt. Ein Teil dieser Spannung wird mittels eines regelbaren Widerstandes 22 abgegriffen und so abgepasst, dass sie den Wert s=K1+K2 bekommt.
Wenn die drei oben genannten elektrischen Spannungen zusammengeschaltat werden, so dass die letztgenannte der Somme der zwei erstgenannten entgegenwirkt, wird die gerade Linie X-0 erhalten. Versuehe haben gezeigt, dass die Kurve X bis zu einer gewissen Grenze, z. B. hm, als eine gerade Linie betraehtet werden kann, die der obern Grenze des Messgebie- tes des Wärmemengenmessers entsprieht.
Wenn der Temperaturuntersehied tv-tk zwischen der Temperatur des Mediums im Rohr 1 und seiner Temperatur im Rohr'2 variiert, werden alle oben genannten drei Thermoelemente Temperaturvariationen ausgesetzt, wobei volle Proportionalität zwischen den elektromotorischen Kräften der Thermo elemente und den auf die Thermoelemente wirkenden Temperaturimitersehieden für jeden Wert der Strömungsgeschwindigkeit h des Mediums vorliegt, weshalb die Linie X ihre Steigung linear r ändert, wenn der Tem peraturunterschied tv-tl, sich ändert.
Hierbei wird vorausgesetzt, dass das Rohr 2 die Temperatur tk annimmt, die der Temperatur dles Mediums im Rohr 2 entspricht, und zwar unabhängig von der Temperatur der Umgebung fund der vom Rohr 1 durch die Metallröhren 7 und 10 zugeführten Wärme.
Die elektrische Spanniumg der Thermoelemente wird den Klemmen A und B zugeführt, an die ein Elektrolytzähler angesehlossen ist. Die, in der Vorrichtung R verbrauchte oder dem Medium pro Zeiteinheit übertragene Wärmemenge Q, der Wärmefluss, kann, wenn man annimmt, dass das Medium Wasser ist, durch die Formel ausgedrückt werden :
Q=q.(tv-tk), worin q = die Menge Wasser ist, die pro
Zeiteinheit durch das Rohr 1 strömt, tv = die Temperatur des Wassers im
Rohr 1, tk = die Temperatur des Wassers im
Rohr 2.
Nun ist x=kl. h, worin 71 von h unabhängig ist und x = die resultierende Spannung der
Thermoelemente gemäss der Kurve
X in Fig. 2 und q=k. h, worin k2 = eine Konstante ist, die vom Quer schnitt des Rohres l abhängig ist. h = die Geschwindigkeit des Wassers in der Röhre 1.
Daher wird ka q= k1.x.
Gemäss dem oben Gesagten variiert die Steigung der Linie X linear mit dem Temperaturunterschied (tv-tk), weshalb k1=k3 (tv-tk), worin k3 = eine Konstante.
Hieraus ergibt sich k2 x k2 x
Ds lvtk und Q. x, worin 7* = eine Konstante ist.
Ein an den Klemmen A-B angeschlossener Eleiktrolytzähler kann folglich so geeicht werden, dass die in der Vorrichtung R verbrauchte oder aufgenommene Wärmemenge direkt abgelesen werden kann.
In der Besehreibung ist oben vorausgesetzt worden, dass das Rohr 2 die Temperatur des Mediums, unabhängig von der Temperatur der Umgebung und der vom Rohr 1 übertragenen Wärme, annimmt. Diese Voraussetzung ist nicht immer gültig, doeh kann sie mit für den praktischen Gebrauch genügender Genauigkeit dadureh hergestellt werden, dass man, wie Fig. 1 zeigt, die Lötstellen 19 und 25 vorsieht und diese zu einem Thermoelement zusammenschaltet, dessen Spannung mittels eines Widerstandes 23 so aufgeteilt wird, dass eine für die Kompensierung abgepasste Spannung erhalten wird. Wenn die Temperatur des Rohres 2 mit der Temperatur des Mediums übereinstimmt, ist die kompensierende Spannung Null.
Wenn sie die Temperatur des Mediums über- oder unterschreitet, soll die kompensierende Spannung der zwischen den Klemmen A und B herrschenden Spannung hinzugefügt bzw. von ihr abgezogen werden.
Dies geschieht automatisch dadurch, dass die Spannung des Thermoelementes 19, 25 ihre Grössa und Polarität mit dem Temperaturgefälle zwischen dem Rohr 2 und dem Medium im Rohr 2 ändert und daher in Reihe mit der Spannung zwischen den Klemmen A und B geschaltet werden kann. In diesem Falle mu# der Elektrolytzähler zwischen die Klemmen A und C geschaltet werden.
Eine andere Art und Weise, um die Einwirkung der Temperatur der Umgebung und der dureh die Metallröhren 7 und 10 vom Rolhr 1 zum Rohr 2 geleiteten Wärme zu vermeiden, wird in Fig. 3 gezeigt. Hier sind die Kupferrohren 7 und 10 durch die Packungen 4 und 9 sowohl vom Rohr 1 als auch vom Rohr 2 isoliert. Die Kupferröhren 7 und 10 tragen an ihren Enden je eine Glasseheibe 3 bzw. 8 und 17 bzw. 18. Die Rohre 1 und 2 besitzen gleichen Quersehnitt und sind je mit einer Einsehnürung bei den Scheiben 8 und 18 versehen. In den Metallröhren 7 und 10 befinden sich Lotstellen 5, 6 und 11 von Thermoelementen.
Eine wenig wärmeleitende Röhre 13, die von den Rohren 1 und 2 durch die Packung 14 isoliert ist, trägt zwei Kupferzylinder 16 und 19, welche Lötstellen 12, 15 und 20 von Thermoelementen enthalten. Die obgenannten Lotstellen sind paarweise zu drei Thermoelementen in Übereinstimmung mit der Anordnung in Fig. 1 zusammengieschaltet.
Das Thermoelement 5, 6 gibt eine Spannung, die mit der Geschwindigkeit des Mediums in den Rohren 1 und 2 gemäss der Kurve A in Fig. 2 variiert, das Thermoelement 11, 12 gibt eine Spannung gemäss der Kurve B in Fig. 2 und das Thermoelement 15, 20 gibt eine Spa. n- nung, die gleich Kl +Kn ist. Die resultierende Spannung zwischen den Klemmen A-B variiert gemä# der Kurve X in Fig. 2, wenn die Spannung des letztgenannten Thermoelemen- tes der Summe der Spannung der übrigen zwei Thermoelemente entgegenwirkt.
Wird ein Galvanometer an die Klemmen A E angeschlossen, so wird der Wärmefluss, bei An schlu# eines Elektrolytzählers jedoch die Wärmemenge gemessen.
Selbstverständlich braucht die Anordnung gemäss Fig. 3 nicht ganz symmetrisch ausgebildet zu sein, sondern die Rohre 1 und 2 können versehiedenen Quersehnitt aufweisen und die Seheiben 17 und 18 können aus Metall anstatt aus Glas bestehen.
Wenn der Untersehied zwisehen der Tem peratur des Mediums im Rohr 1 und im Rohr 2 konstant gehalten wird, können die oben beschriebenen Anordnwngen zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten vmd Wegstrek- ken verwendet werden.
Fig. 4 zeigt eine vereinfachte Ausbildung des Wärmemengenmessers gemäss Fig. 3. Eine Metallrohre 7 verbindet zwei Platten 3 und 18, von welehen sich die eine im Einlassrohr 1 und die andfeire im Anslassrohr 2 einer wärmeverbrauchenden oder wärmeabgebenden Vorrichtung R befindet. Die Röhre 7 ist durch die Packung 4 wärmeisoliert und enthält drei Lötstellen von Thermoelementen 5, 6 und 8.
Ferner dringt eine wenig wärmeleitende Röhre 13, die durch die Packung 14 isoliert ist, je mit einem Ende in die Rohre 1 und 2 und trägt an beiden Enden je eine Kapsel 12 bzw.
15 aus Meta. ll., z. B. Kupfer. In der Kapsel 12 befinden sich zwei Lötstellen 9 und 10 und in der Kapsel 15 eine Lötstelle 11 von Thermoelementen. Die Lötstellen 5 und 6 bilden ein Thermoelement, das eine elektrische Spannung gibt, die mit der Strömungsgeschwindig- keit eines durch die Rohre 1 und 2 strömen- den Mediums, z. B. Wasser, in Übereinstim- mung mit der Kurve A in Fig. 2 variiert. Die Lötstellen 8 und 9 bilden ein Thermoelement, dessen Spannung sich auch mit der Gesehwin digkeit des Mediums ändert, und zwar in ITbereinstimmung mit der Kurve B in Fig. 2.
Ein drittes Thermoelement wird von den Lötstellen 10 und 11 gebildet und gibt eine zum Temperaturgefälle der Vorrichtung R proportionale Spannung. Mit Hilfe der Spannungsteiler 16 und 17 werden die obgenann- ten drei elektrischen Spannmmgen so abgegriffen und zusammengeschaltet, dass eine nahezu lineare Kurve X gemä# Fig. 2 für die re sultierende Spannung an den Klemmen A-B in Abhängigkeit vom Wärmeverbrauch oder non der Wärmeabgabe der Vorrichtung R erhalten wird.
Wie gesagt, ist die Anordnung nicht auf Wärmemengenmessung begrenzt. Soll die Anordnung z. B. als Log oder Wegmesser auf einem Schiff verwendet werden, wird zweck mässigerweise eines der Rohre, z. B. Rohr 1 in Fig. 4, ausserhalb des Rumpfes des Schiffes parallel zum Kiel angeordnet. Dieses Rohr wird an seinem hintern Ende so zugesehnürt, dass während der Fahrt des Schiffes eine geeignete Wassergesehwindigkeit im Rohr erhalten wird. Das Rohr 2 wird im Rumpf des Schiffes angeordnet und auf geeigneter Temperatur gehalten, z.
B. dadureh, dass es von warme, Wasser durchflossen oder elektrisch aufgeheizt wird, wobei besondere Anordnungen nötig sind, um den Temperaturunter- schied zwischen dem Wasser im Rohr 1 und der Temperatur des Rohres 2 konstant zu halten.