DE1091365B

DE1091365B - Vorrichtung zum Messen des spezifischen Gewichtes von Fluessigkeiten

Info

Publication number: DE1091365B
Application number: DEN11831A
Authority: DE
Inventors: Alexis Georges Basilevsky
Original assignee: North American Solvay Inc
Current assignee: North American Solvay Inc
Priority date: 1955-02-28
Filing date: 1956-02-13
Publication date: 1960-10-20
Also published as: CH340357A; ES226756A1; US2821857A; BE545119A; FR1147110A; NL91584C

Description

DEUTSCHES

Bei vielen Prozessen, besonders in der chemischen Industrie, ist es wichtig oder von ausschlaggebender Bedeutung, das spezifische Gewicht einer Flüssigkeit zu einem gegebenen Zeitpunkt oder auch fortlaufend zu erkennen. Beispielsweise werden viele Prozesse dadurch geregelt, daß das spezifische Gewicht eines flüssigen Produktes oder Rohstoffes in bestimmten Grenzen oder auf einem bestimmten Wert gehalten wird. In einem solchen Fall ist es notwendig, laufend das spezifische Gewicht zu bestimmen, und auch eine genaue Aufzeichnung der Meßwerte des spezifischen Gewichtes ist für ein wirkungsvolles und genaues Arbeiten unumgänglich.

Früher wurden hauptsächlich Aräometer zur Bestimmung des spezifischen Gewichtes verwendet. Aräometer arbeiten zwar im ganzen annehmbar genau, sie sind aber primitive Meßinstrumente, die vom Bedienenden direkt abgelesen werden müssen. Sie können weder mit einem Schreibinstrument verbunden werden, noch können sie ihre Anzeigewerte automatisch weitergeben. Aräometer erfordern daher die ständige Aufmerksamkeit des Bedienenden.

Erheblich besser erfüllen den Zweck, nämlich das Messen des spezifischen Gewichtes von strömenden Flüssigkeiten und die unverzügliche Anzeige auch kleiner Änderungen, die Vorrichtungen, die mit zwei in verschiedener Höhe angeordneten Druckkammern versehen sind. Jede dieser Druckkammern ist mit einer unter dem Einfluß des in den Kammern herrschenden Druckes bewegbaren, einen Teil der Wandung der Kammern bildenden Druckfläche versehen; die Druckflächen werden, je nach ihrer Höhenlage, vom Flüssigkeitsdruck in unterschiedlicher Richtung beeinflußt. Diese Druckflächen sind durch ein Zwischenglied starr miteinander verbunden, so daß sie sich nur gemeinsam in gleicher Richtung bewegen können. Regelbare Mittel dienen zur Erzeugung einer auf die Druckflächen wirkenden Ausgleichskraft. Die Anzeige des spezifischen Gewichtes erfolgt durch die unter dem Einfluß des Unterschiedes der auf die beiden Druckflächen wirkenden Drücke bewirkten gemeinsamen Verschiebung der beiden Druckflächen. Bei dieser bekannten Vorrichtung ist die Meßvorrichtung in Form einer im Nebenschluß angeschlossenen Einheit ausgebildet. Der Erfindung gemäß liegt die Meßvorrichtung dagegen im Hauptstrom, so daß beide Druckkammern direkt und kontinuierlich durchströmt werden. Diese Ausbildung hat den wesentlichen Vorteil, daß sie nicht nur den vom statischen Druck herrührenden Druckunterschied mißt, sondern auch den Druckunterschied von Flüssigkeiten, welche die Vorrichtung durchfließen. Hilfsflüssigkeiten wie bei der bekannten Vorrichtung sind also nicht erforderlich. Bei der bekannten Vorrichtung muß das Verbindungsrohr zwischen Vorrichtung zum Messen

des spezifischen Gewichtes

von Flüssigkeiten

Anmelder:

North American Solvay, Inc.,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. A. Kuhn, Patentanwalt,
Berlin-Dahlem, Wildpfad 3

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 28. Februar 1955

Alexis Georges Basilevsky,

Sea Cliff, Long Island, N. Y. (V. St. A.),

ist als Erfinder genannt worden

den beiden Druckbehältern jeweils in seiner ganzen Höhe gefüllt werden, bevor das Instrument genau mißt. Während der Messung muß die Füllhöhe aufrechterhalten werden. Bei dieser Ausbildung der Vorrichtung wäre es, wenn die Flüssigkeit die Vorrichtung mit hoher Geschwindigkeit durchströmt, mindestens sehr schwierig, einen statischen Druck im Verbindungsrohr aufzubauen, der eine genaue Messung ermöglicht. Bei der der Erfindung entsprechenden Vorrichtung ist das Meßergebnis von der Geschwindigkeit der Flüssigkeit unabhängig.

Vorteilhaft ist es, auf das die beiden Druckflächen verbindende Glied ein veränderliches Kraftausgleichsglied einwirken zu lassen, welches das Verbindungsglied entweder abwärts oder aufwärts beeinflußt, je nach dem spezifischen Gewicht der zu messenden Flüssigkeit. Hierdurch wird ein größerer Meßbereich der Vorrichtung erzielt.

Die zu messende Flüssigkeit kann die Druckkammern entweder hintereinander oder in Parallelschaltung durchfließen. Die der Erfindung entsprechende

009 628/196

Vorrichtung bietet den Vorteil, daß das spezifische Gewicht der durchströmenden Flüssigkeiten kontinuierlich und genau gemessen wird.

Das Instrument ist unabhängig vom absoluten Druck der Flüssigkeit, so daß es an einem beliebigen Punkt einer Flüssigkeitsleitung angeschlossen werden kann.

Es ist unabhängig von der Temperatur der Flüssigkeit. Die Meßwerte können fortlaufend auf ein Schreibgerät oder sonstige Instrumente oder Vorrichtungen übertragen werden, die abhängig vom spezifischen Gewicht betätigt werden sollen.

In der Zeichnung sind vorteilhafte Ausführungsbeispiele dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines der Erfindung entsprechenden Instruments, bei welchem die Druckkammern hintereinandergeschaltet sind;

Fig. 2 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform gemäß Fig. 1, weiche speziell zur Messung des spezifischen Gewichtes leichter Flüssigkeiten geeignet ist;

Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform des Instruments gemäß Fig. 1, welches speziell zur Messung des spezifischen Gewichtes schwerer Flüssigkeiten geeignet ist;

Fig. 4 ist eine Seitenansicht einer vierten Ausführungsform des Instruments, bei welchem die zu messenden Flüssigkeiten die Druckkammer im Parallelfluß durchfließen.

In Fig. 1 bezeichnet 10 das gesamte Instrument. Das Instrument 10 enthält eine obere Kammer 12, die von einer oberen Wand 14, Seitenwänden 16 und einem Boden 18 gebildet wird. Der Boden 18 hat die Form einer senkrecht beweglichen Platte und dient als druckempfindliche Fläche. Die Abdichtung der bewegliehen Platte 18 wird durch einen biegsamen Balg oder eine Membran 20 gewährleistet, welcher oder welche sich über die Platte 18 erstreckt und harmonikaförmig ausgebildete Seitenteile besitzt. Der Balg oder die Membran 20 hat einen flanschförmig ausgebildeten äußeren Rand 24, der zwischen den Flanschen 26 und 27 flüssigkeitsdicht eingespannt ist; während der Flansch 26 an der Seitenwand 16 sitzt, ist Flansch 27 an der Wand eines Gehäuses28 befestigt. Dieses bildet eine Luftkammer unter der Platte 18. Die Wand des Gehäuses 28 ist jedoch mit Löchern versehen, so daß die Luft frei ein- und austreten und kein Überdruck im Gehäuse entstehen kann. Eine untere Kammer 12ο ist von der gleichen Konstruktion wie die obere Kammer 12 und umfaßt eine Platte 18 a, Seitenwände 16 a, eine Membran 20a, Flansche 26a und 27a und ein Gehäuse 28a.

Die Platten 18 und 18 a sind durch eine starre Stange 30 verbunden. Die Platten 18 und 18 a tragen Ansätze 32 und 32a, in welchen die Enden der Stange 30 befestigt sind. An den Gehäusen 28 und 28 a befinden sich Führungen 34 und 34a, in denen die Stange 30 längsbeweglich gelagert ist. Die Kammern 12 und 12 a werden durch Verbindungsstangen 35 im festen Abstand gehalten. Die Verbindungsstangen 35 erstrecken sich durch geeignete Bohrungen in den Flanschen 26, 27, 26 a und 27 a und werden von Muttern 36 gehalten. Normalerweise finden vier Verbindungsstangen Verwendung. Zwischen den Kammern 12 und 12a ist eine Tragplatte 37 angeordnet. Die Tragplatte 37 ist mit den Stangen 35 starr verbunden. Die Stangen laufen durch öffnungen der Tragplatte. Die Tragplatte 37 besitzt eine zentrale Bohrung 38, durch welche die Stange 30 gleitbar hindurchtritt. Zu beiden Seiten der Tragplatte 37 sind einstellbare Anschlagplatten 39 und 40 an der Stange 30 befestigt. Die Muffen 42, 43 der Anschlagplatten sind mit Stellschrauben 45 versehen, die zum Befestigen der Platten an der Stange 30 dienen. Zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen der Tragplatte 37 und der unteren Anschlagplatte40 ist eine Feder 50 angeordnet, welche das bewegliche Aggregat, das von der Stange 30 zusammengehalten wird, in Richtung auf die untere Kammer 12 α zu bewegen sucht. Die obere Anschlagplatte 39 begrenzt die Abwärtsbewegung des Aggregats. An der Stange 30 ist außerdem ein Gewicht 55 befestigt. Soll das Gewicht 55 veränderbar sein, so kann es als oben offener zylindrischer Behälter ausgebildet werden, in den geeignete Gewichte eingelegt werden.

Die Flüssigkeit, deren spezifisches Gewicht im Instrument 10 bestimmt werden soll, wird der unteren Kammer 12 a durch ein Einlaßrohr 57 zugeleitet und verläßt die obere Kammer 12 durch ein Auslaßrohr 58. Ein Rohr 60 verbindet die Kammern 12 und 12 a. Das Rohr 60 besitzt eine verhältnismäßig große lichte Weite, beispielsweise 1" oder 2", um jeden merklichen Druckabfall über die Distanz H zu vermeiden.

Vorteilhaft sind die Teile des Meßinstruments 10, die mit der zu messenden Flüssigkeit in Berührung kommen, aus Werkstoffen hergestellt, die von der Flüssigkeit nicht angegriffen werden. Beispielsweise werden die Rohre und die Kammern vorteilhaft aus gummiüberzogenem Stahl, Stahl, Kunstharz, rostfreiem Stahl, Messing oder ähnlichem Material hergestellt. Die Membranen 20 und 20 a können aus Gummi, geeignetem synthetischem Plastikmaterial, Leder, korrosionsfestem biegsamem Metall, beispielsweise rostfreiem Stahl, Silber oder ähnlichen Metallen bestehen, die im Instrumentenbau zur Herstellung von Bälgen Verwendung finden. Die starre Stange 30 und die beweglichen Platten 18 und 18 a bestehen vorteilhaft aus Nickelstahl, gehandelt unter der Marke »Invar«, um den Einfluß von Temperaturschwankungen auf ein Minimum zu begrenzen.

Die Kraftausgleichsfeder 50 ist eine geeichte Feder, so daß die Federkraft sofort in den gewünschten Maßeinheiten bestimmt werden kann. An Stelle einer Feder kann auch irgendein anderes Kraftausgleichselement Verwendung finden, beispielsweise kann die Feder durch einen Hebel und Gewichte oder durch einen Stahlschwimmer in einem mit Quecksilber gefüllten Gefäß ersetzt werden. Bei letzterer Anordnung ist der Schwimmer am Gerüst des Instruments und das Quecksilbergefäß an der starren Stange 30 befestigt.

Bei Benutzung des Instruments 10 tritt die Flüssigkeit durch das Einlaßrohr 57 ein, füllt die untere Kammer 12a, fließt durch das Rohr 60, füllt die obere Kammer 12 und fließt durch das Rohr 58 ab. Der Druck P₁ der Flüssigkeit in der oberen Kammer 12 übt eine nach unten gerichtete Kraft über die Membran und die Platte auf die Stange 30 aus, während der Druck .P₂ der unteren Kammer 12 a in der entgegengesetzten Richtung auf die Stange 30 wirkt. Das Gewicht 55 und das Kraftausgleichsmittel, d. h. die Feder 50, gleichen diese Kräfte aus und bringen das System auf seinen Gleichgewichtspunkt. Das spezifische Gewicht d der Flüssigkeit wird in folgender Weise bestimmt:

Die nach oben gerichtete, auf die Stange 30 wirkende Kraft ist P₂ S₂ ; S₂ ist die druckbeeinflußte Fläche der Platte 18 a,

Die nach unten gerichtete, auf die Stange 30 wirkende Kraft ist P₁S₁; S₁ ist die druckbeeinflußte Fläche der Platte 18.

i uy ι

Die nach unten gerichtete Kraft, die erzeugt wird durch das Gewicht aller Teile des beweglichen, die Stange 30 einschließenden und von ihr getragenen Aggregats, ohne das Gewicht 55, ist p. Die nach unten gerichtete Kraft, ausgeübt vom Gewicht 55, ist W.

Die nach unten wirkende Kraft der geeichten Feder 50 ist F.

Im Gleichgewichtszustand sind alle diese Kräfte ausgeglichen. Es gilt:

P₂S₂ = P₁S₁ +ρ+ IV+ F (1)

weiter gilt:

(d = spezifisches Gewicht)
damit wird die Gleichung (1)

P₁S₁ + HdS₂ = P₁S₁ + p+W + F
oder

P₁(S₂-S₁)+HdS₂ = P+W+ F (2)

für S₂ = S₁ gilt

damit wird Gleichung (2) as

HdS₂ = p + W + F (3)

p ist jetzt eliminiert, und es gilt:
p+W + F

xi. ο ο

Wie weiter unten gezeigt, sind die Hauptabmessungen des Instruments abhängig von verschiedenen Faktoren, wie der Genauigkeit, mit der das spezifische Gewicht gemessen werden soll, der Art der Flüssigkeit usw.

Beispielsweise sind in einer Ausführung des der Erfindung entsprechenden Instruments zur Messung des spezifischen Gewichtes von Flüssigkeiten zwischen 1,160 und 1,210 g/cm³ mit einer Genauigkeit von 0,0005 g/cm³ die folgenden Abmessungen vorteilhaft:

H = 100 cm

5₁ = 200 cm²

5₂ = 200 cm² P= 8 kg

W= 14,2 kg

Federkonstante 2 kg/cm

Soll das spezifische Gewicht einer leichten Flüssigkeit gemessen werden, beispielsweise einer Flüssigkeit mit einem spezifischen Gewicht unter 0,7 g/cm³, so kann die in Fig. 2 gezeigte Anordnung Verwendung finden. Wie man aus Fig. 2 ersieht, ist das Instrument dasselbe wie das in Fig. 1 gezeigte, und gleiche Teile sind mit der gleichen Bezugsnummer versehen. Lediglich befindet sich in Fig. 2 die Feder 50 oberhalb der Tragplatte 37, und die Anschlagplatten 39 und 40 sind entsprechend vertauscht. Diese Anordnung ist vorteilhaft, da anderenfalls die von der Feder 50 und den Gewichten p und W ausgeübten, nach unten gerichteten Kräfte, gegenüber der nach oben gerichteten, auf die Stange 30 wirkenden Kraft zu groß wurden. Die Feder 50 ist deswegen so angeordnet, daß sie das bewegliche Aggregat des Instruments nach oben zu bewegen sucht. Die Bestimmung des spezifischen Gewichtes erfolgt genau so wie bei dem in Fig. 1 gezeigten Instrument; lediglich wird in Gleichung (1) + F durch — F ersetzt. Soll das spezifische Gewicht schwerer Flüssigkeiten, beispielsweise in der Größenordnung von 3 g/cm³, bestimmt werden, so ist ein größeres Gewicht 55 erforderlich, vorteilhaft wird das Gewicht, wie in Fig. 3 gezeigt, befestigt und eine stärkere Feder angebracht. In der in Fig. 3 gezeigten Ausführung wird das Gewicht von Armen 65 getragen, welche oben mit den Enden einer Traverse 66 verbunden sind. Diese ist mit ihrer Mitte an der Stange 30 befestigt. Die Feder 70 in Fig. 3 entspricht der Feder 50 in Fig. 1 und 2; sie ist aber stärker.

Wie vorstehend gesagt, besitzt das Rohr 60 eine ausreichend große lichte Weite, um jeden merklichen Druckabfall über die Distanz H zu vermeiden. Wenn aus irgendwelchen Gründen eine große Flüssigkeitsmenge in der Zeiteinheit durch das Instrument fließen muß, so wird die Flüssigkeit vorteilhaft in der in Fig. 4 gezeigten Weise zugeführt. In dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel strömt die Flüssigkeit im Parallelfluß durch die Druckkammern 12 und 12 a. Zu diesem Zweck sind mit Durchflußmeßinstrumenten 84 und 85 sowie Ventilen 87 und 88 ausgerüstete Einlaßrohre 80 und 81 vorgesehen. Die Einlaßrohre 80 und 81 werden von einem einzigen Zuführungsrohr 90 abgezweigt. Die Flüssigkeit fließt in ähnlicher Weise von den Druckkammern 12 und 12 σ durch Auslaßrohre 91 und 92 ab, welche in eine einzige Ableitung 94 münden. Im übrigen ist die Ausführung des in Fig. 4 gezeigten Instruments wie die in Fig. 1. Abhängig von der Art der zu messenden Flüssigkeit können auch die in Fig. 2 und 3 gezeigten Anordnungen bei einem Instrument nach Fig. 4 zur Anwendung kommen.

Bei einer praktischen Ausführungsform des der Erfindung entsprechenden Instruments zur Messung besonders leichter Flüssigkeiten, mit beispielsweise einem spezifischen Gewicht zwischen 0,600 und 0,650 g/cm³, mit einer Genauigkeit bis zu 0,0005 g/cm³, sind folgende Abmessungen geeignet:

H = 100 cm

5₁ = 200 cm²

5₂ = 200 cm²
P = 8kg
W= 6 kg

Federkonstante 2 kg/cm

Bei einer anderen Ausführungsform zur Messung des spezifischen Gewichtes von schweren Flüssigkeiten, wie etwa Quecksilber, mit einem spezifischen Gewicht zwischen 13,2 und 13,7 g/cm³, mit einer Genauigkeit bis zu 0,0005 g/cm³, sind folgende Abmessungen geeignet:

H = 500 cm

5₁ = 200 cm²

5₂ = 200 cm²
p = 10 kg
W= 110 kg
Federkonstante 10 kg/cm

Die Bestimmung geeigneter Abmessungen für irgendeine gegebene Flüssigkeit und für eine gewünschte Genauigkeit sind sofort gemacht. So geben beispielsweise die genauesten Aräometer das spezifische Gewicht zwischen zwei Grenzen, z. B. 1,060 und 1,130 g/cm³, mit der größten Genauigkeit von bis zu 0,0005 g/cm³ an. Das der Erfindung entsprechende Instrument kann leicht dasselbe Ergebnis erzielen.

Die der Erfindung entsprechende Vorrichtung ist somit ein genaues, narrensicheres, zur laufenden Messung des spezifischen Gewichtes von Flüssigkeiten über einen beliebig festlegbaren Bereich geeignetes Instrument.

Wie bereits oben gesagt, liegt einer der wesentlichsten Fortschritte des Instruments darin, daß es die Meßwerte in jeder passenden Weise anzeigen und diese Werte auf Schreibinstrumente übertragen oder auch andere Vorrichtungen, wie Ventile, Thermostaten usw., abhängig von dem laufend und genau gemessenen spezifischen Gewicht zur Regelung von Prozessen in Tätigkeit setzen kann. Die Anzeiger und/oder Übertragung der Meßwerte erfolgt durch Ausnutzung der Verschiebung der starren Verbindung zwischen den Druckplatten der Druckkammern 12 und 12 a, d. h. der starren Stange 30. Die Anzeige und/oder Übertragung der Bewegung der Stange 30 kann in jeder passenden Weise erfolgen. Die Anzeige der Werte kann mit Hilfe eines von den Bewegungen der Stange 30 abhängigen beweglichen Zeigers und einer Skala erfolgen. Die Übertragung der Werte kann beispielsweise durch ein Hebelsystem erfolgen oder auch durch die Druckänderungen in einem aus einer Düse ausströmenden Luftstrahl. Die letztere Anordnung ist in Fig. 1 bis 4 gezeigt. Diese zeigen eine Platte 98, die mittels eines Ansatzes 99 an der Stange 30 befestigt ist, sowie eine Luftdüse 100, deren Luftstrahl auf die Oberfläche von Platte 98 gerichtet ist. Die Schwankungen des Luftdruckes infolge der Bewegungen von Stange 30 und damit auch der Platte 98 werden sofort aufgezeichnet und können in Einheiten des spezifischen Gewichtes abgelesen werden. Gleichzeitig können diese Schwankungen im Luftdruck benutzt werden, um Ventile, Thermostaten oder ähnliches zu betätigen, wenn sie bestimmte festgelegte Werte erreichen.

Das oben beschriebene Instrument zur Messung des spezifischen Gewichtes findet praktische Anwendung in der chemischen Industrie, wo es vorteilhaft bei der Lösung eines Salzes in einem Lösungsmittel bis zu einer bestimmten Konzentration, die einem bestimmten, mit dem Instrument feststellbaren Wert des spezifischen Gewichtes entspricht, bei der Mischung zweier Flüssigkeiten bis zu einem bestimmten Wert des spezifischen Gewichtes, bei der Prüfung der Qualität eines Produktes nach seinem spezifischen Gewicht und bei der selbsttätigen, vom spezifischen Gewicht des Produktes abhängigen Steuerung von Prozessen, verwendet wird.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Messen des spezifischen Gewichtes von strömenden Flüssigkeiten und zur unverzüglichen Anzeige auch kleiner Änderungen derselben mit zwei in verschiedener Höhe angeordneten Druckkammern, die jede mit einer unter dem Einfluß des in den Kammern herrschenden Druckes bewegbaren, einen Teil der Wandung der Kammern bildenden Druckfläche versehen sind, welche vom Flüssigkeitsdruck in unterschiedlicher Richtung beeinflußt werden und durch ein Zwischenglied starr miteinander verbunden' sind, so daß sie sich nur gemeinsam in gleicher Richtung bewegen können, wobei regelbare Mittel zur Erzeugung einer auf die Druckflächen wirkenden Ausgleichskraft vorgesehen sind und die Anzeige des spezifischen Gewichtes durch die unter dem Einfluß des Unterschiedes der auf die beiden Druckflächen wirkenden Drücke erfolgende gemeinsame Verschiebung der beiden Druckflächen erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß beide Druckkammern (12,12 a) direkt und kontinuierlich durchströmbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die beiden Druckräume übereinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein veränderliches Kraftausgleichsglied in Richtung auf den unteren Druckraum (12 a) wirkt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit übereinander angeordneten Druckkammern, dadurch gekennzeichnet, daß das veränderliche Kraftausgleichsglied (50) auf das starre Verbindungsglied (30) in Richtung auf den oberen Druckraum (12) wirkt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messende Flüssigkeit durch den unteren Druckraum zum oberen und dann zur Ableitung oder umgekehrt fließt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messende Flüssigkeit im Parallelfluß gleichzeitig durch den oberen Druckraum (12) und den unteren Druckraum (12 a) fließt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer Einrichtung (98, 99,100) zum Messen der Bewegung des Zwischengliedes (30) versehen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 2 434 098, 2 115 520.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

009 628/196 10.60