Verfahren zur Regelung oder Messung unter Ausnützung der unterschiedlichen Siedekurven verschiedener Flüssigkeiten
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Regelung oder Messung unter Ausnützung der unterschiedlichen Siedekurven verschiedener Flüssigkeiten, das sich zur Regelung und Messung beispielsweise von Drucken, elektrischen Spannungen, Temperaturen sowie von Grössen, die sich auf die genannten Grössen umformen lassen, eignet. Das erfindungsgemässe Verfahren basiert auf der Tatsache, dass Flüssigkeiten eine eindeutige Siedekurve besitzen.
Diese Abhängigkeit wird bekanntlich zur Bestimmung eines Druckes aus der Messung einer Temperatur benützt, indem eine in einen Behälter eingeschlossene und in Druckverbindung mit einem Prüfling stehende Flüssigkeit auf irgendeine Weise erwärmt wird; aus der etwa mittels Thermoelement gemessenen Temperatur des sich bildenden Flüssigkeitsdampfes kann dann anhand der bekannten Siedekurve desselben sein und damit des Prüflings Druck ermittelt werden.
Im Gegensatz hierzu ist das erfindungsgemässe Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass man zwei Flüssigkeiten mit verschiedenen Siedekurven in zwei getrennten Behältern durch mit einer gemeinsamen Spannungsquelle gespeiste Erwärmungsvorrichtungen auf verschiedene Temperaturen erwärmt und dass man eine Differenzdruckvorrichtung vorsieht, die den genannten Druck der einen Flüssigkeit mit dem Druck der andern vergleicht und diese Drücke durch Einwirkung auf die gemeinsame Spannungsquelle der beiden Dämpfe auf ihre Sollwerte regelt.
Anhand der Fig. 1 und 5 soll dieses Verfahren beispielsweise näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt die Siedekurven (Temperatur-Druck Abhängigkeit) zweier verschiedener Flüssigkeiten A (etwa Alkohol) und B (etwa Äthyläther). Unter der vereinfachenden Voraussetzung von Gleichheit der Dampfdrucke beider Flüssigkeiten im Sollzustand sowie einer Erwärmung der beiden Flüssigkeiten in einem vorgegebenen Verhältnis entnimmt man dem Diagramm bei irgendeinem gemeinsamen Dampfdruck p zwei verschiedene zugehörige Dampftemperaturen ssA und aB. Trägt man in Fig.
2 diesen gemeinsamen Gleichgewichts druck p in Abhängigkeit vom zugehörigen Temperaturverhältnis ssB/A auf, so erhält man einen eindeutigen Zusammenhang, was besagt, dass zufolge der Erwärmung in vorgegebenem Verhältnis im Gleichgewichtsfall ein ganz bestimmter Dampfdruck p und damit auch ganz bestimmte Dampftemperaturen 0A und B vorhanden sind. Sorgt man daher noch für eine selbsttätige Gleichgewichtseinstellung, so liefert die Vorrichtung einen zeitlich unveränderten Druck p.
Die Anwendung dieser Methode soll zunächst am Falle der Druckregelung in einem Gas, Dampf oder Flüssigkeit enthaltenden Prüfling gezeigt werden.
Fig. 3 stellt schematisch und beispielsweise eine hierzu geeignete Anordnung dar. In ihr stellt die linke Seite, die die Elemente 1 bis 14 umfasst und die zunächst betrachtet werden soll, derf Druckgeber dar, die rechte Seite, die die Elemente 15 bis 21 umfasst, den Prüfling sowie die die gewünschte Regelung ausführenden Organe. Der linke Teil werde automatisch betätigt, was die Regel sein dürfte, der rechte Teil werde von Hand betätigt. 1', 3, 1" ist ein U-Rohr, das in seinem zuunterst liegenden Mittelteil 3 eine Sperr- und Druckübertragungsflüssigkeit 4, etwa Quecksilber, enthält, über der in den beiden Schen keln 1' und 1" die beiden oben mit A bzw. B bezeichneten, dampfbildenden Flüssigkeiten 2' bzw. 2" eingefüllt sind.
Zuoberst sind die beiden Schenkel 1' und 1" mit Erwärmungsvorrichtungen 5' bzw. 5" ver sehen, etwa mit elektrisch erwärmten Heizwicklungen, die zur Erzielung kleiner Zeitkonstanten zweckmässig durch die obern Rohrenden selbst gebildet werden, wobei natürlich vorausgesetzt ist, dass letztere aus Metall bestehen. Die Speisung dieser Heizwicklungen erfolgt über die Impedanzen 6', 6", durch die das gewünschte Temperaturverhältnis aB IWA und damit der gewünschte Gleichgewichts druck p eingestellt wird, und zwar erfolgt die Speisung von einer gemeinsamen elektrischen Spannungsquelle 10 über eine Regulierimpedanz 13.
Letztere wird bei Druckungleichheit der beiden Dämpfe in 1' und 1" und dadurch verursachter Niveaudifferenz der Sperrflüssigkeit 4 etwa in der aus Fig. 3 ersichtlichen Weise mit Hilfe der Niveaufühler 9', 9" des polarisierten Relais 11 und des Servomotors 12 automatisch so verändert, dass die Dampftemperaturen WA/und Wr, und damit der Gleichgewichts druck p unabhängig von Schwankungen der Speisespannung 10 erhalten bleiben. Soll nämlich Druckgleichgewicht herrschen bei einem ganz bestimmten Druck p, so sind damit gemäss Fig. 1 ganz bestimmte Temperaturen AA SOwie OB und damit gemäss Fig. 2 auch-ein ganz bestimmtes Temperaturverhältnis 6I;16A vorgeschrieben.
Speist man daher die Erwärmungsanordnung derart, dass dieses Temperaturverhältnis 6,/66 unabhängig von der Speisespannung konstant bleibt, so kann sich infolge der Wirkung der Niveaufühler 9' und 9" des Relais 11 sowie des Servomotors 12 dennoch nur diejenige Speisespannung einstellen, bei der die Temperaturen 0Ä und r, die obigen, dem Druckgleichgewicht entsprechenden Werte besitzen.
Unterhalb der Heizwicklungen 5', 5" werden die Schenkel 1', 1" durch das umgebende Medium, eventuell unter Beihilfe von Kühlrippen 7', 7" gekühlt. Zur Kontrolle der Dampftemperatur A oder < }B und damit zur Bestimmung des Dampfdruckes p im Gleichgewichtsfall gemäss den bekannten Siedekurven der verwendeten Dämpfe können in die Rohrschenkel eingebaute Thermoelemente 8', 8" oder andere Vorrichtungen in bekannter Weise benützt werden.
Um den auf diese Weise fixierten Druck p einem Prüfling 16 mitzuteilen, der Gas, Dampf oder Flüssigkeit enthält, führt vom U-Rohr 1', 3, 1" eine im untern Teil ebenfalls mit der Sperr- und Druckflüssigkeit 4 gefüllte Abzweigung 15 zum einen Ansatz des Prüflings 16, an dessen anderem Ansatz ein zur Regelung des Druckes im Prüfling 16 dienendes Ventil 17 angeordnet ist. Weicht nun der Druck im Prüfling 16 vom Dampfdruck p ab, so ist die Richtung dieser Abweichung am Strommesser 19 zu erkennen, der etwa in der aus Fig. 3 ersichtlichen Weise von den zugehörigen Quecksilberspiegeln mittels der Niveaufühler 9", 18, der Spannungsquellen 20', 20" und des Vorschaltwiderstandes 21 betätigt wird.
Entsprechend der Anzeige des Strommessers 19 wird in vorliegendem Falle das Ventil 17 von Hand geregelt, wodurch der Druck im Prüfling 16 in tXber- einstimmung mit dem Dampfdruck p gebracht wird.
Es ist klar, dass diese Operation bei entsprechender Anordnung auch automatisch ausgeführt werden kann.
Die Genauigkeit der beschriebenen Druckregelung ist offensichtlich sehr hoch, da ja die Abweichung vom Solldruck p nicht grösser ist als der Druck einer Sperrflüssigkeitssäule, deren Höhe vom Gleich- gewichtsspiegel bis zum zugehörigen Druckfühler reicht. Bedenkt man ferner, dass der Druck eines Dampfes ungefähr der vierten Potenz seiner Temperatur proportional ist, so erkennt man, dass die Genauigkeit der Druckregelung hier bedeutend höher ist, insbesondere bei höheren Drucken, als bei der bisher üblichen Druckregelung auf Grund der Messung der Dampftemperatur.
Unter Druckregelung ist hier die genaue Konstanthaltung eines vorgegebenen Druckes p zu verstehen, dessen Grösse selbst, wie erwähnt, mit Hilfe von Thermoelementen oder andern bekannten Vorrichtungen mit in praktisch allen Fällen genügender Genauigkeit bestimmt werden kann: beispielsweise ist der Druck p in einem Dampfkessel vorgegeben durch die Ansprechgrenze des Sicherheitsventils, wobei aber verlangt werden muss, dass dieser Druck p seinen Wert mit guter Genauigkeit beibehalte und nicht etwa im Laufe der Zeit abwandere. Der bei Übertragung des Druckes p vom Regler zum Prüfling 16 entstehende Fehler ist, wie aus Fig. 3 ersehen werden kann, nicht grösser als die eingangs dieses Abschnittes erwähnte Abweichung.
Im Gegensatz zu Druckreglern anderer Art hat die beschriebene Druckregelungsanordnung ausserdem den Vorzug, dass sie bei allen Messbereichen, und insbesondere auch bei hohen Drucken, stets dieselbe absolute Genauigkeit von einigen Millimetern Quecksilbersäule besitzt, vorausgesetzt, dass die Drucke im System 1-14 genau bestimmt sind.
Durch Anordnung mehrerer Druckfühler übereinander im gleichen Rohr in wachsenden Abständen vom Sperrflüssigkeitsspiegel, in Verbindung mit geeigneten Regelungsvorrichtungen der beschriebenen oder ähnlicher Art, kann man einerseits leicht unterschiedliche Regelungsdrucke p einstellen, anderseits kann man die Regelungsgeschwindigkeit der Grösse der Abweichung vom Sollwert anpassen. Anstelle der beschriebenen Niveaufühler 9', 9", 18 kann man natürlich auch andere Mittel, z. B. magnetische Niveaufühler, verwenden.
Statt eine Sperr- und Druckübertragungsflüssigkeit 4 zu verwenden, kann man eine Membrane anordnen, die bei einer Abweichung der zu ihren beiden Seiten herrschenden Drucke von einer vorgeschriebenen Differenz und einer dadurch verursachten entsprechenden Membranausbiegung entweder beiderseits der Membrane vorgesehene Kontakte betätigt oder aber einen mit der Membrane festverbundenen und zwischen zwei feststehenden Magnetspulen angeordneten Anker verschiebt, wodurch auf bekannte Weise etwa in einer Brückenschaltung ein entsprechender Strom verursacht wird. Solche Vorrichtun gen, die als elektrische Mikroindikatoren bezeichnet sein mögen, können sehr empfindlich gebaut werden, so dass schon Verschiebungen von einigen Mikron angezeigt werden.
Die Verwendung einer Membrane empfiehlt sich insbesondere, wenn mit Lagenänderungen der Apparatur oder mit plötzlichen Druckstössen zu rechnen ist, so dass im Falle einer Sperrflüssigkeit eine Vermischung etwa der verdampfenden Flüssigkeiten eintreten könnte.
Bei Verwendung des beschriebenen Verfahrens zur Druckmessung kann ebenfalls die Anordnung nach Fig. 3 benützt werden, jedoch ist nun der Druck im Prüfling 16 vorgegeben und die durch den gestrichelten Linienzug angedeutete Regelung entsprechend den Anzeigen des Strommessers 19 muss nun statt am Prüfling an einer der Impedanzen 6', 6" oder an beiden vorgenommen werden. Ist der Gleichgewichtszustand erreicht, so wird die Dampftemperatur mittels des Thermoelementes 8' oder 8" bestimmt, worauf aus der zugehörigen Siedekurve der gemeinsame Gleichgewichtsdruck p entnommen wird.
Auch hier kann natürlich die Handregelung ersetzt werden durch eine Automatik. Der Vorteil dieses Verfahrens gegenüber der bisher üblichen Art der Druckmessung mit Verwendung nur einer verdampfenden Flüssigkeit liegt hauptsächlich in der durch Schwankungen der Speisespannung 10 ungestörten Druckabgleichung.
Besonders grosse Genauigkeit lässt sich erzielen bei Verwendung des beschriebenen Verfahrens zur Spannungsregelung. Dieser Fall kann ebenfalls anhand der Fig. 3 erläutert werden, wobei aber die Organe 15 bis 21, das heisst alle rechts vom U-Rohrschenkel 1" liegenden Organe, entfallen. Die geregelte Spannung, an die Verbraucher anzuschliessen sind, ist offenbar die Spannung 14, denn bei vorgegebener Einstellung der Impedanzen 6', 6" und damit vorgegebenem Temperaturverhältnis 6I-:16A sind nach Fig. 2 der gemeinsame Gleichgewichtsdruck p sowie nach Fig. 1 die Dampftemperaturen pA und ssB und mit diesen die gemeinsame Speisespannung 14 fixiert.
Da der Dampfdruck ungefähr der vierten Potenz der Dampftemperatur und letztere der zweiten Potenz der Speisespannung proportional ist, so erkennt man, dass die Genauigkeit dieser Spannungsregelung ausserordentlich hoch ist.
Verbraucher, die grössere elektrische Leistungen beanspruchen, wird man nicht direkt von der Spannung 14 speisen. In diesen Fällen benützt man vielmehr einen Generator, dessen Feldwicklung direkt oder indirekt vom Strom durch die Regelimpedanz 13 gespeist wird, während die Spannung 14 statt vom Hilfsnetz 10 nun von der vom Generator gelieferten Verbraucherspannung abgezweigt wird.
Auch bei Anwendung der bereits dargelegten Gedanken auf die Temperaturregelung lässt sich eine grosse Genauigkeit erzielen. Zu diesem Zwecke ist die Anordnung gemäss Fig. 3 folgenderweise abzuändern: Der rechte Teil, der die Organe 15 bis 21 umfasst, entfällt wie bei der Spannungsregelung. Der eine Rohrschenkel, etwa 1', wird von seiner Heizwicklung 5' befreit und so angeordnet, dass er mit seinem obern Ende in den Raum hineinragt, dessen Temperatur geregelt werden soll; die Heizung dieses Raumes aber erfolgt durch die gemäss ihrer neuen Aufgabe umgeformte Heizwicklung 5'.
Die Umgebungstemperatur beteiligt sich selbstverständlich ebenfalls an der Erwärmung der verdampfenden Flüssigkeiten 2' und 2" in Fig. 3. Hierdurch wird das durch die Impedanzen 6' und 6" vor geschriebene Temperaturverhältnis etwas gestört, und es entstehen bei Änderungen der Umgebungstemperatur, von der bisher abgesehen worden ist, gewisse Fehler in den geregelten Grössen. Sollten diese Fehler das zulässige Mass übersteigen, so wird man die der Fig. 3 gemäss obigem entsprechende, die Organe 1 bis 9 umfassende Anordnung oder wenigstens deren die verdampfenden Flüssigkeiten enthaltende Schenkel in einen Thermostaten einbauen, zu dessen Temperaturregelung man zweckmässig ebenfalls eine Anordnung gemäss Fig. 3 verwendet.
Eine zur Kompensierung der Umgebungstemperaturschwankungen geeignete Korrekturgrösse kann man dabei von einem weiteren Temperaturregulator gemäss Fig. 3 (ohne die Organe 15 bis 21) erhalten, bei dem jedoch der eine Schenkel - statt durch die Heizwicklung 5' - ausschliesslich oder hauptsächlich durch die Umgebungstemperatur erwärmt wird. Der Heizstrom des andern Schenkels 1" ändert sich dann infolge der verschiedenen Temperatur-Druck-Abhängigkeit der Dämpfe der beiden Flüssigkeiten 2' und 2" mit der Umgebungstemperatur und liefert auf diese Weise die erforderliche Korrekturgrösse.