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Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines längs einer
Wand strömenden Mediums bzw. von von demselben transportierten Wärmemengen Die Erfindung
bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines
längs einer Wand fließenden Mediums bzw. von von demselben transportierten Wärmemengen
und beruht darauf, daß die Wärmeübergangszahl zwischen einem strömenden Medium und
einem wärmeleitenden Körper mit der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums variiert.
Wenn die Temperatur des Mediums bekannt und konstant ist, wird die Strömungsgeschwindigkeit
des Mediums für die Wärmemenge, die pro Zeiteinheit durch das Medium strömt, allein
maßgebend.
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Nach der Erfindung wird ein im Medium befindlicher, von der Wand
wärmeisolierter Teil eines wärmeleitenden Körpers vom Medium erwärmt oder abgekühlt,
von welchem Körper ein anderer auf der entgegengesetzten Seite der Wand befindlicher
Teil mit einem wärmeableitenden Mittel anderer Temperatur als das vorgenannte Medium
in wärmeleitender Verbindung steht, wobei eine Meßvorrichtung zur Messung des Temperaturunterschiedes
zwischen zwei verschiedenen Teilen des wärmeleitenden Körpers vorhanden ist.
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Wenn die Temperatur des Mediums, wie auch die der wärmeableitenden
oder wärmeabgebenden Mittel konstant ist, wird ein Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit
des Mediums und dem Temperaturunterschied tg-tk (Fig. I) zwischen zwei verschiedenen
Teilen des wärmeleitenden Körpers erhalten, welcher Zusammenhang durch die Kurve
1 der Fig. 7 der Zeichnung veranschaulicht ist. Durch ein Thermo-
element-kann-eine
zu dem Temperaturunterschied tg-tk propbrtionale elektrische Spannung erhalten werden,
die an ein Galvanometer angeschlossen-werden kann, dessen Skala der Kurven der Fig.
7 so angepaßt ist, daß die Strömungsgeschwindigkeit q des Mediums direkt abgelesen
werden kann. Bei großen Strömungsgeschwindigkeiten nähert sich die Kurve asymptotisch
einem Grenzwert für tv-tk wobei die Meßgenauigkeit abnimmt. Die Meßvorrichtung erhält
darum ein begrenztes Meßgebiet. Wenn der Temperaturunterschied zwischen dem strömenden
Medium und der wärmeableitenden oder wärme. abgebenden Mittel nicht genügend konstant
ist, zum ein zufriedenstellendes Resultat zu erhalten, kann man die Variationen
des Tempteraturuhterschiedes dadurch kompensieren, daß man den Zusammenhang zwischen
dem Ausschlag der Meßvorrichtung und dem Temperaturunterschied zwischen zwei verschiedenen
Teilen des wärmeleitenden Körpers in -Abhängigkeit von dem Temperaturunterschied
zwischen dem Medium und genannter Mittel ändert.
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Die Kurve I der Fig. 7 stellt keine lineare Funktion dar, weshalb
die der Kurve entsprec'he'nde' MeßVorrichtung nicht für integrierende Messungen
geeignet ist. Außerdem geht die Kurve 1 nicht durch den Koordinatenursprung, - weshalb
immer ein konstanter Abzug bei Wärmemengenmessungen gemacht werden muß. Diese Mängel
können jedoch durch verschiedene Maßnahmen kompensiert werden. Der Temperaturunterschied
tg-tk = X, wenn das Medium stillstehend ist, ist proportional zu dem Temperaturunterschied
tv-tk zwischen dem Medium und dem wärmeableitenden oder wärmeabgebenden Mittel.
Dadurch, daß man tg-tk mittels eines zweiten Thermoelementes mißt und einen dem
Wert X entsprechenden Teil der Spannung, die tv-tk angibt, abzieht, oder indem man
das letztgenannte Thermoelement und das Thermoelement in oder Meßvorrichtung so
schaltet, daß sie einander entgegenwirken, kann man eine Spannung erzeugen, die
tg-tk-X entspricht. Hierdurch wird ein der Kurve II in Fig. 7 entsprechender Zusammenhang
zwischen dem Ausschlag der Meßvorrichtung und der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums
erhalten.
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Bei Wärmemengenmessungen sind integrierende Messungen oder Messung
des Mitfelwertes des Wärmemengenverbrauchers während einer Zeitperiode notwendig.
Bei derartigen Messungen ist es wünschenswert, daß ein lineares Verhältnis zwischen
dem Ausschlag der Meßvorrichtung und der -Wärmeinenge, die pro Zeiteinheit verbraucht
wird, herrscht. Dies wird dadurch herbeigeführt, daß man wärmeleitende Körper an
zwei Stellen ins Medium einführt; wo die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums ungleich
ist oder welche Körper verschieden voneinander sind, wonach eine Lötstelle für ein
Thermoelement in jedem von diesen Körpern angeordnet ist, wobei die - Anordnung
der Lötstellen so gewählt ist, daß die Spannung dieses Thermoelementes der Kurve
III in Fig. 7 folgt.
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Bei Subtraktion dieser Spannung, die durch die Xurve II der Fig. 7
dargestellt wird, erhält man einen linearen Zusammenhang zwischen dem Ausschlag
der Meßvorrichtung und der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums. Daß dies möglich
ist, wird aus der Beschreibung -der. Ausführungsformen der Erfindung hervorgehen,
die in Fig. 9 und 10 gezeigt sind.
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Die Erfindung soll beispielsweise an Hand der Zeichnungen (Fig. I
bis Io) beschrieben werden.
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Fig. I zeigt die prinzipielle Anordnung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit
eines Mediums. Ein Medium mit der Temperatur tv strömt längs einer Wand I, in welche
eine Buchse 7 von wärmeisolierendem Material eingesetzt ist. In dieser Buchse ist
ein wärmeleitender Körper 3 so angebracht, daß ein Teil desselben sich innerhalb
des Mediums befindet und ein,-anderer Teil in wärmeleitender Verbindung mit einem
wärmeableitenden oder wärmeabgebenden Körper 2 steht, der eine von der Temperatur
des Mediums verschiedene Temperatur tk hat. Der Körper 2 kann kalt oder warm~oder
von Zimmertemperatur sein.
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Im letztgenannten Falle muß jedoch sein wärmeableitendes oder wärmeabgebendes
Vermögen so groß sein, daß ein genügender Temperaturunterschied tv-tk aufrechterhalten
wird. Innerhalb des wärmeleitenden Körpers 3 befinden sich temperaturangebende Teile
4 und 5; Die Temperatur des Teiles 5 stimmt mit der Tempe.råturwtk~des Körpers 2
überein. Der wärmeableitende oder wärmeabgebende Körper 2 dient als Vergleichsobjekt.
Die Temperatur tg des Teiles 4 ist von der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums
abhängig. Wenn sich das Medium nicht bewegt, wird ein relativ IdeinerTemperaturunterschied
tg-tk zwischen den Teilen 4 und 5 erhalten. wobei angenommen wird, daß die Temperatur
des Teiles 5 tv ist. Wenn die Geschwindigkeit sehr groß ist, wird die Temperatur
tg sich der Temperatur tv des Mediums nähern. 4 und 5 sind in Fig. I Lötstellen
eines Thermoelementes, deren Lötpunkte in Reihe geschaltet sind. Der Spannungsunterschied
«.wischen dem ersten und dem letzten Lötpunkt der Reihe sind einem Galvanometer
6 zugeführt, dessen Ausschlag die Strömungsgeschwindigkeit q des Mediums angibt.
Bei der beschriebenen Anordnung wird vorausgesetzt, daß der Temperaturunterschied
tv-tk konstant ist, z. B. durch Regelung der Temperatur tk automatisch oder von
Hand oder dadurch, daß tv-tk ein so großer Wert gegeben wird, daß die Variationen
in tk vernachlässigt werden können.
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Die Messung kann jedoch auch durch Kompensation der Änderung des
Temperaturunterschiedes tv-tk ausgeführt werden. Zu diesem Zweck ist ein zweipoliger
Umschalter 10 vorgesehen, mit dessen Hilfe das Galvanometer entweder an das Thermoelement
4, 5, wie oben beschrieben, oder an ein Thermoelement 8, 9 geschaltet werden kann,
das eine dem Temperaturunterschied tv-tk proportionale Spannung gibt. Das Thermoelement
8, 9 besteht aus zwei Gruppen von Lötstellen 8 bzw. 9, die die Temperatur des Mediums
bzw. des Vergleichsobjektes 2 annehmen. Zuerst wird die Spannung des Thermoelernentes
8, 9 gemessen.
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Danach wird ein Spannungsteiler II auf Grund des erhaltenen Ausschlages
des Galvanometers 6 nach einer Tabelle oder Hilfskurve (nicht gezeichnet) eingestellt.
Eine solche Hilfskurve ist eine lineare Funktion von tv-tk und kann bei stillstehendem
Medium aufgenommen werden. Hierdurch wird das Galvano meter an den Spannungsteiler
Ir geschaltet. Da jeder Ausschlag des Galvanometers dem Temperaturunter-
schied
tg-tk proportional ist, kann das Galvanometer so geeicht werden, daß es die Strömungsgeschwindigkeit
des Mediums unmittelbar angibt.
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Wenn die Erfindung für Geschwindigkeitsmessungen z. B. als Log eines
Schiffes, angewandt wird, kann es wünschenswert sein, daß der Temperaturunterschied
tv-th automatisch geregelt wird oder daß seine Änderungen automatisch ausgeglichen
werden. Dies kann dadurch geschehen, daß eine zu tv-tk proportionale Spannung mittels
eines separaten Thermoelementes hergestellt wird und dadurch, daß man die so erhaltene
Spannung entweder die Temperatur tv oder den Strom, der dem Galvanometer 6 von dem
Log zugeführt wird, regeln läßt. Man kann sich auch denken, z. B. den Meßpunkt 4
längs des wärmeleitenden Körpers 3 unter Kontrolle einer dem Temperaturunterschied
tv-tk entsprechenden Spannung einer Thermoelementes so zu versetzen, daß der Ausschlag
des Galvanometers 6 die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums unabhängig von tv-tk
angibt.
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Fig. 2 zeigt, wie Änderungen von tv-tk automatisch ausgeglichen werden
können. Hier sind I bis 7 dieselben Einzelheiten wie in Fig. I. Bei 8 ist ein Thermoelement
angeordnet, das die Temperatur tk annimmt und bei g ein von der Wand 1 isoliertes
Thermoelement, das schnell die Temperatur tv des Mediums annimmt. Der Spannungsunterschied
zwischen den Elementen 8 und 9 steuert eine Elektronenröhre Eo Eine andere Elektronenröhre
E1 wird durch einen Spannungsteiler rl gesteuert. Beide Elektronenröhren bekommen
ihren Glühstrom und ihre Anodenspannung von einer Stromquelle B mit konstanter Spannung,
die auch den Spannungsteiler 1' speist. Der Glühstrom wird durch den Widerstand
r1 geregelt. In jedem Anodenkreis gibt es eine dem polarisierten Relais R zugehörige
VVicklung. Die Wicklungen wirken einander so entgegen, daß das Relais sich normalerweise
in einer Zwischenlage befindet, in welcher keiner der Kontakte 2I oder 22 des Relais
geschlossen ist. Wenn der Temperaturunterschied tv-th sich ändert, wird das Gleichgewicht
gestört, und das Relais R zieht seinen Anker nach der einen oder anderen Seite an,
wobei der eine der Kontakte 21 und 22 geschlossen wird. Hierbei wird eine Strombahn
von dem Pluspol der Batterie B gebildet, durch die eine Statorwicklung des Gleichstrommotors
M, den entsprechenden Kontakt 21 bzw. 22, die Rotorwicklung des GleichstrommotorsM
nach dem Minuspol der Batterie gebildet. Der Motor M wird in Gang gesetzt und verschiebt
über ein Schneckengetriebe S einen Stab 10', der die beweglichen Kontakte zweier
Schieberheostaten r und r2 trägt. Die Bewegung setzt sich fort, bis der Rheostat
r3 so eingestellt ist, daß der Anodenstrom der Elektronenröhre E1 wieder dem Anodenstrom
der Elektronenröhre E2 das Gleichgewicht hält, wobei das Relais R in seiner Zwischenlage
zurückgeht. Der Motor M bleibt stehen. Hierbei ist der Rheostat r2 so verschoben
worden, daß der Ausschlag des Galvanometers 6 den richtigen Wert der Strömungsgeschwindigkeit
des Mediums trotz der Anordnung des Temperaturunterschiedes tv-tk angibt.
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Fig. 3 zeigt die Anwendung der Erfindung auf Wärmemengenmessung für
den Fall, daß das wärmetransportierende Medium konstante Temperatur hat und eine
NTergleichsvorrichtung mit gleichfalls konstanter Temperatur zugänglich ist. Solche
Verhältnisse können vorliegen, z. B. bei einer Warmwasserheizungsanlage, wo das
Warmwasser annähernd auf konstanter Temperatur gehalten und in einem Zimmer verbraucht
wird, dessen Temperatur nur innerhalb enger Grenzen schwankt. In Fig. 3 ist I eine
Rohrleitung, durch die das wärmetransportierende Medium geführt wird. Ein Stück
7 dieser Leitung ist aus wärmeisolierendem Material ausgeführt. Durch die Wand dieses
Teiles der Leitung ist ein wärmeleitender Körper 3 in die Leitung hineingesteckt.
Der Körper 3 steht in wärmeleitender Verbindung mit einer Wand oder Platte 2, die
die Temperatur der Umgebung und ein großes wärmeleitendes Vermögen besitzt. In dem
wärmeleitenden Körper 3 ist ein Thermoelement 5 eingebaut. Wenn ein Galvanometer
6 an das Thermoelement angeschlossen wird, kann sein Ausschlag für die Anzeige der
gerade pro Zeiteinheit durch die Leitung passierenden Wärmemengen verwendet werden.
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Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung. Hier sind
zwei parallel laufende Rohrleitungen I und 2' gezeigt, die die Abfluß- bzw. Zuflußleitungen
einer wärmeverbrauchenden Anordnung bilden. Ein zu einer Röhre geformter, wärmeleitender
Körper 3 durchdringt die beiden Röhrenleitungen und ist an den Wänden der Abflußleitung
festgeschweißt.
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Die Zuflußleitung 2' ist an der Stelle, wo die Röhre. durch die Leitung
geht, aus einem wärmeisolierenden Einsatzstück 7 ausgeführt. Die Röhre 3 ist inwendig
mit Gewinden versehen und enthält ein nach Fig. 5 ausgeführtes Thermoelement 5.
Das Thermoelement 5 besteht aus zwei Platten a und b von einem elektrisch isolierenden
Material, z. B. Kunstharz. Die Platten a und b sind an je einem Ende einer Stange
c befestigt und mit Löchern e versehen. Zwischen diesen Löchern sind Drähte, bzw.
d2 aus verschiedenem metallischem Material gespannt, welche Drähte so zusammengewickelt
und mit einer Lötung g versehen sind, daß sie in den Löchern e festgehalten werden
können, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Die eine Platte, a, ist mit Gewinde versehen,
um in die Röhre 3 eingeschraubt werden zu können. Die andere Platte, b, ist in der
Röhre 3 längs beweglich, liegt aber dicht än der Röhrenwandung an, so daß gute Wärmeübertragung
zwischen der Röhre und der Platte erhalten wird. Die Röhre 3 ist an dem Ende, das
in der Zuleitung sitzt, durch eine Schraube 7' aus wärmeisolierendem Material, z.
B.
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Holz, geschlossen. Damit das Galvanometer 6 Null zeigen soll, wenn
das Medium in den Leitungen die Geschwindigkeit Null hat, ist ein Thermoelement
8 vorgesehen, dessen Lötstellen dadurch in guter wärmeleitender Verbindung mit den
Leitungen stehen, daß sie in der Röhrenwandung bei 9' und I0' eingelassen sind.
Das Thermoelement 8 ist so geschaltet, daß seine Spannung der Spannung des Thermoelementes
5 entgegenwirkt.
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Der Zusammenhang zwischen der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums
in der - Zufiußleitung 2' und dem Ausschlag des Galvanometers wird durch die Kurve
I der Fig. 7 angegeben. Die Temperatur des Mediums in der Zuflußleitung wird mit
tv bezeichnet
und diejenige in der Abflußleitung mit tk. Infolge
Wärmeleitung in der Röhre 3 wird das Thermoelement 5 durch einen Teil des Temperaturunterschiedes
tv-tk beeinflußt. Dieser Teil wird tg-tk bezeichnet, wobei angenommen wird, daß
die nicht geschnittene Platte des Thermoelementes 5 die Temperatur tk annimmt. Wenn
das Medium stillsteht, sollen die Spannungen der Thermoelemente 5 und 8 einander
aufheben. Es ist hierbei angenommen, daß jedes Element eine Spannung X nach der
Fig. 7 gibt. Wenn das Medium in Bewegung kommt, wird die Spannung des Thermoelementes
8 nicht geändert, währenddem die Temperatur tg zunimmt. Der Wert tg-tk-X folgt der
Kurve II der Fig. 7. Wenn auch die Temperaturen tv und tk sich ändern, verursacht
dies eine Einwirkung auf die beiden Elemente 5 und 8. Der Temperaturunterschied
X wird hierbei zu tv-tk proportional, weshalb tg-lk-X wie tg-tk für jeden einzelnen
Wert von q zu dem Temperaturunterschied tv-tk proportional sein wird. Bei kleinen
Geschwindigkeiten des Mediums, z. B. zwischen o und dem Wert q1 1/Min., innerhalb
welches Intervalles die Kurve II der Fig. 7 annähernd als linear betrachtet werden
kann, kann man die Temperatur tg-tk-X als proportional zu der Geschwindigkeit des
Mediums annehmen, solange der Temperaturunterschied tv-tk konstant ist. Wenn das
Galvanometer 6 so geeicht ist, daß es die Strömungsgeschwindigkeit q des Mediums
bei einem gewissen Wert von tv-tk = T unmittelbar angibt, gilt die folgende Gleichung
für andere Werte des Temperaturunterschiedes tv-tk innerhalb des Intervalles: q
= 0 bis q = ql; T q = K tg-tk-X ts tk = I, wenn tv-tk = T, worin tv-tk größer, gleich
oder kleiner als T werden kann.
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Für den Wärmeverbrauch gilt: Q = q tv-tk = KT tg-tk-X.
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Hier ist K die Konstante des Galvanometers bei Messung der Strömungsgeschwindigkeit
des Mediums, und KT wird die Konstante des Galvanometers bei Messung des Wärmeverbrauchers.
Der Wärmeverbrauch wird folglich innerhalb des Intervalles q = o zu q = q1 proportional
zu dem Ausschlag des Galvanometers oder zu dem durch die Thermoelemente 5 und 8
gelieferten elektrischen Strom. Dies gibt eine Möglichkeit zu integrierenden Messungen,
z. B. dadurch, daß das Galvanometer durch einen Elektrolytmesser ersetzt wird.
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Zum praktischen Gebrauch kann ein Wärmemengenmesser nach Fig. 4 infolge
ungenügender Meßgenauigkeit, die daraus entsteht, daß die Kurven I und II der Fig.
7 nicht gerade Linien sind, nicht immer als zufriedenstellend erachtet werden. In
den Fig. 9 und 10 sind jedoch zwei verschiedene Anordnungen zur Erzeugung von thermoelektrischen
Strömen gezeigt, die zum Wärmeverbrauch eines Apparates, dessen Zufluß-und Abflußleitungen
für Messung zugänglich sind, proportional sind.
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In Fig. g ist die Zuflußleitung I in zwei Zweige 2' und 3' aufgeteilt.
Im Zweig 2' ist eine Drosselscheibe 9" eingebaut, durch welche die Geschwindigkeit
des wärmetransportierenden Mediums im Zweig 2', im Vergleich zu seiner Geschwindigkeit
im Zweig 3,, herabgesetzt wird. Ein wärmeleitender Körper 3, der die Form einer
Röhre hat, durchdringt die Zweigleitungen 2' und 3' und die Abflußleitung 4'. Die
Röhre 3 ist von den Zweigleitungen 2' und 3' durch Buchsen 7 wärmeisoliert, ist
aber an die Abflußleitung festgeschweißt. Die Röhre 3 wirkt folglich wie zwei verschiedene
wärmeableitende Körper, von welchen der eine Wärme von der Röhre 2' nach der Röhre
4' und der andere Wärme von der Röhre 3' nach der Röhre 4' leitet.
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Ein Thermoelement 5 ist in die Röhre 3, wie oben bei Fig. 4 beschrieben
ist, eingeführt, und ein anderes Thermoelement 8 kompensiert den Temperaturunterschied
X bei der Strömungsgeschwindigkeit Null des Mediums. Die Thermoelemente 5 und 8
geben folglich zusammen eine der Kurve II der Fig. 7 entsprechende Beziehung zwischen
der Strömungsgeschwindigkeit q des Mediums und einem thermoelektrischen Strom, der
proportional zu lg-tk-X ist, wobei tg von der Temperatur und Geschwindigkeit des
Mediums in der Zuflußleitung abhängig ist, tk seine Temperatur in der Abflußleitung
ist und X der Temperaturunterschied, der zwischen den zwei Gruppen von Lötstellen
des Thermoelementes 5 entsteht, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums Null
ist. Um den Temperaturunterschied X mittels des Thermoelementes 8 genau ausbalancieren
zu können, ist ein Spannungsteiler 12 vorhanden, mittels dessen die Spannungsabnahme
des Thermoelementes 8 eingestellt wird.
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Außerdem sind zwei weitere Thermoelemente 6' und 8' vorgesehen, die
in der Röhre 3 eingeschraubt sind. Von diesen liegt das eine in dem Teil der Röhre,
der von dem Medium der Zweigleitung 2' umschlossen ist, und das andere in dem Teil
der Röhre, der von dem Medium der Zweigleitung 3' umschlossen ist. Wenn die Geschwindigkeit
des Mediums Null ist, werden diese Thermoelemente die gleiche Temperatur erhalten,
weshalb kein elektrischer Strom von diesen geliefert wird. Wenn das Medium in Bewegung
ist, erhält jedoch das Thermoelement 8' eine höhere Temperatur als 6', weil die
Geschwindigkeit des Mediums in der Zweigleitung3' größer ist als in der Zweigleitung
2'. Bei großer Geschwindigkeit des Mediums nimmt der Temperaturunterschied wieder
ab. Der Temperaturunterschied zwischen den Thermoelementen 6' und 8' wird der Kurve
III der Fig. 7 bei variierendem q folgen. Durch kleine Versetzungen der Elemente
6' und 8' und mit Hilfe eines Spannungsteilers I3 kann man der Kurve III eine solche
Form geben, daß der Unterschied zwischen den Kurven II und III annähernd durch eine
gerade Linie IV innerhalb eines Intervalles q = o zu q = q2 wird. Weil die Temperaturen
der Thermoelemente 6' und 8' durch den Temperaturabfall längs der Röhre 3 bestimmt
werden, wird der Unterschied zwischen den genannten Temperaturen für jeden einzelnen
Wert von q proportional zum Temperaturunterschied tv-tk sein.
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Wenn die Ordinate der Kurve III mit y bezeichnet wird, erhält man
: q = K # tg-tv-X-y # T/tv-tk wo tv-tk größer, gleich oder
kleiner
als T werden kann, und Q = T IC K lg-lv-z-y ist.
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Mit Hilfe der Thermoelemente 6', 5, 8' und 8 wird folglich eine Spannung
oder ein elektrischer Strom erhalten, der zu dem Wärmeverbrauch proportional ist.
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Dadurch, daß man diese Spannung an einen Elektrolytmesser anschließt,
kann der Wärmeverbrauch während eines Zeitintervalles gemessen werden. Es ist nicht
notwendig, die Zuflußleitung in zwei Zweigleitungen mit verschiedenen Durchströmungsgeschwindigkeiten
zu teilen. Man kann Meßpunkte mit verschiedener Strömungsgeschwindigkeit des Mediums
erhalten, wenn man der Zuflußleitung verschiedene lichte Weiten in verschiedenen
Teilen der Leitung gibt und zwei Röhren anordnet, eine für die Thermoelemente 5
und 8' und eine für das Thermoelement 6'. Es ist auch nicht notwendig, zwei Meßpunkte
mit verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten beim Medium zu haben, sondern man kann
zwei Röhren mit ungleich großen oder ungleich effektiv wirkenden wärmeübertragenden
Flächen in die Zuflußleitung einführen und Thermoelemente anbringen, die zusammen
eine dem Wärmeverbrauch proportionale Spannung innerhalb dieser Röhren liefern.
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Eine Ausführungsform eines entsprechenden Wärmemengenmessers ist
in Fig. 10 gezeigt. Hier ist I die Zuflußleitung und 2' die Abflußleitung eines
wärmeverbrauchenden oder wärmeabgebenden Apparates.
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Die Zuflußleitung hat einen vertikalen Teil, in welchem drei Meßröhren
33, 34 und 35 eingeführt sind und in welchem das wärmetransportierende Medium, z.
B.
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Wasser, sich aufwärts bewegt, damit eventuell Luftblasen, die auf
den Meßröhren gebildet werden, weggeführt werden sollen. Die Meßröhren sind daneben
rostfrei und blank poliert, um Korrosion und Schlammbildung, die die Wärmeübergangszahl
zwischen den Röhren und dem Medium ändern können zu vermeiden. Die Meßröhren 33
bis 35 sind von der Zuflußleitung I durch je eine Buchse 7 wärmeisoliert und an
der Abflußröhre 2' festgelötet oder festgeschweißt.
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Eventuell können die Meßröhren mit Gewinde versehen oder mit guter
Passung in äußeren Röhren eingedrückt sein, die in der Abflußröhre festgeschweißt
sind, so daß die Meßröhren zum Reinmachen und Austausch auswechselbar sind. Bei
den Buchsen 7 sind in solchem Falle Packungen notwendig. Die Röhre 35 hat einen
kleineren Außendurchmesser in der Zuflußleitung als die Röhren 34 und 33, die gleich
sind. In allen Meßröhren sind Thermoelemente vorhanden. Die Thermoelemente der Röhren
34 und 35 haben doppelt so viele Lötpunkte wie das Thermoelement der Röhre 33. Die
Temperatur des Mediums in der Zuflußleitung wird mit tv und in der Abflußleitung
mit tk bezeichnet.
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Die Temperatur der Gruppe von Lötstellen, die in der Meßröhre 33 auf
der Seite der Zuflußleitung liegt, sei mit tg bezeichnet. Es ist angenommen, daß
alle Lötstellen, die sich auf der Seite der Abflußleitung 2' befinden, die Temperatur
tk haben.
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Die Meßröhre 33 gibt eine elektrische Spannung, die durch die Kurve
A1 oder A2 der Fig. 8 dargestellt wird, wo q die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums
ist. Die Kurve A1 entspricht folglich dem Temperaturunterschied tg-tk, wenn tv-tk
= T1, weil A1 asymptotisch gegen den Wert T1 geht. Die Kurve A2 entspricht tg-tk
bei einem anderen Wert von tv-tk, z. B.
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T2. Ein Thermoelement 8 gibt eine zu tv-tk proportionale Spannung,
von der ein Teil X1 bzw. X2 mittels des Spannungsteilers 12 entnommen und so geschaltet
wird, daß er der Spannung der Meßröhre 33 entgegenwirkt. Der Wert X1 gilt, wenn
tv-tk = T1, und X2, wenn tv-tk = T2. Es gilt die Proportion: X1 T1 X2 T2 Die Meßröhre
34 ist von gleichen Abmessungen wie die Meßröhre 33, aber ihr Thermoelement hat
doppelt so viele Lötstellen. Der halbe Wert der Spannung, die vom Thermoelement
der Meßröhre 34 erhalten wird, folgt somit der Kurve A1 bzw. A2 der Fig. 8. Der
halbe Wert der Spannung, die von dem Thermoelement 35 erhalten wird, folgt dagegen
einer der Kurven B1 bzw.
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B2. Nach diesen Kurven steigt der Temperaturunterschied tg-tk der
Meßröhre 35 langsamer mit der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums als in der Meßröhre
34, was darauf beruht, daß der Durchmesser oder die effektive wärmeübertragende
Fläche der Röhre in der Zuflußleitung kleiner ist, als die entsprechende Fläche
der Meßröhre 34. Durch Verschiebung der Lage des Thermoelementes in der Röhre 35
und Justierung des Spannungsteilers 12 kann man die Kurven B1 bzw. B2 die Kurven
A1 bzw.
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A2 bei q = o und q = q2 kreuzen lassen. Der Durchmesser der Röhre
35 ist dabei im Verhältnis zu den Röhren 33 und 34 so abgepaßt, daß, wenn der Unterschied
zwischen den Kurven A1 und B1 bzw. A2 und B2 von B1 bzw. B2 subtrahiert wird oder
wenn der doppelte Unterschied von A1 bzw. A2 subtrahiert wird, gerade Linien erhalten
werden. Wird dazu die Spannung X1 bzw. X2 abgezogen, so werden die Linien C bzw.
C2 erhalten. Die Kurven des doppelten Unterschiedes 2 (A 1 - B1) bzw. 2 (A2 - B2)
sind in Fig. 8 gezeichnet. Weil die Röhre 33 in ihren Abmessungen gleich der Röhre
34 ist, muß in diesem Falle der doppelte Unterschied zwischen den Kurven A1-B1 bzw.
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A2-B2 von den Kurven A1 bzw. A2 abgezogen werden.
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Wenn dagegen die Röhre 33 gleich der Röhre 35 wäre, würde der einfache
Unterschied von den Kurven B bzw. B2 abzuziehen sein, und die Anzahl von Lötstellen
in den Thermoelementen würde für alle drei Meßröhren 33 bis 35 dieselbe sein.
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Die thermoelektrischen Spannungen der Meßröhren 33 bis 35 und die
des Spannungsteilers 12 werden in Reihe geschaltet, wobei die Spannungen der Meßröhre
34 und die des Spannungsteilers 12 miteinander zusammenwirken, aber der Spannung
der Meßröhren 33 und 35 entgegenwirken. Die resultierende Spannung wird zu einem
Meßinstrument, z. B. einem Elektrolytmesser, geleitet, der den gesamten Wärmeverbrauch
während einer Meßperiode registriert. Für jeden Wert auf die Geschwindigkeit q gilt
nämlich:
wo A1, A2, B1, B2, C1, C2 die Ordinaten der Kurven bezeichnen und
K T eine Konstante ist, in dem K eine Zahl ist und T eine Temperaturdifferenz tv-tk.
Hierdurch wird der Wärmeverbrauch erhalten: Q = K. T wo C die resultierende Spannung
der Thermoelemente der Meßanordnung nach Fig. 10 ist. Die Meßanordnung hat selbstverständlich
ein begrenztes Meßgebiet, das durch die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums bestimmt
wird, die zwischen den Werten o und q2 in Fig. 8 liegen muß.
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Damit die Meßröhren nicht durch äußere Einflüsse, wie Strahlung und
Wärme absorption von umgebenden Körpern beeinflußt werden, kann die Meßanordnung
in einer wärmeisolierenden Hülle eingeschlossen sein.