Vorrichtung zur Messung des Verhältnisses zweier Kräfte.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung des Verhältnisses zweier Kräfte. Derartige Vorrichtungen können z. B. zum unmittelbaren Anzeigen oder kontinuierlichen Aufzeichnen eines solchen Verhältnisses benützt werden, oder zur Steuerung irgendwelcher anderer Apparate gemäss den Verän- derungen eines solehen Verhältnisses, oder zur Erreichung irgendeines analogen Zweckes.
Eine solche Vorrichtung kann derart ausgebildet sein, dass die Verschiebungen der An- griffspunkte der in Frage stehenden Kräfte auf ein Minimum herabgesetzt sind, ohne dass die Empfindlichkeit und Genauigkeit des An Sprechens ungünstig beeinflusst wird. Dies ist besonders wichtig, wenn die in Frage stehenden Kräfte von der Wirkung von Fluidumdrücken herrühren, die z. B. in biegsamen Dosen oder in durch biegsame Membranen abgeschlossenen Kammern auftreten.
Mittels einer solehen Vorrichtung kann z. B. die Machzahl einer Fluidstromung angezeigt werden.
Die Maehzahl 1/ist eine einfache Funktion des Verhältnisses dynamischer Druck : statischer Druck, das heisst (pv-ps)/ps, und ist leicht aus nachstehendem ersichtlich : , 'wobei py = Gesamtdruek
Vs ps = statischer Druck 11 Nlaehzahl Y YZ V = Geschwindigkeit
2. pv - ps angenähert Vs = Schallgeschwindigkeit ?'
1
Vs2 = @/#s # ps #s = Dichte bei statischem Druck ps und γ
= cp cv
Diese Gleichung ist nicht ganz genau, da bei hohen Machzahlen p,-p, sich von 1/, p V2 unterschediet. I) er folgende ist der genaue aus der üblichen Kompressibilitätsgleichung abgeleitete Ausdruek :
EMI1.1
Die Machzahl an irgendeiner Stelle der Fluidumströmung ist eine Funktion des Verhält- nisses des dynamischen Druekes zum statischen Druck an dieser Stelle.
Die das Fluidum enthaltenden Robre stehen zweckmässig mittels eines Staugerätes mit Dosen des Instrumentes in Verbindung. Bei den üblichen Luftgeschwindigkeitsmessern wird die Differenz zwischen Gesamtdruek (= statischer Druck am Staupunkt) und statischem Druck (an einer Stelle, an der die zu messende Ge schwindigkeit herrscht), gemessen, indem man diese Drücke auf entgegengesetzte Seiten einer Membran oder Dosenwand wirken lässt, aber zur Erreichung einer Anzeige, welche ein Mass für ihr Verhältnis ist, müssen die Drüeke auf getrennte Dosen oder Membrane wirken, wobei der Druck auf der entgegengesetzten Seite der Membran oder Dosenwand praktisch Null sein muss.
Es wird dann eine Einrich- tung benötigt, um das Verhältnis der durch die Dosen oder Membrane ausgeübten Kräfte zu messen.
Gemäss der Erfindung besitzt eine Vorrichtung zur Mesung des Verhältnisses zweier Kräfte ein beweglich angeordnetes starres Glied, auf welches die Kräfte in voneinander getrennten Punkten angreifen und welches gegen eine feste Unterlage derart abgestützt ist, dass jedem Verhältnis der Kräfte eine bestimmte Gleichgewichtslage entspricht, und Mittel zur Anzeige der jeweiligen Lage des beweglichen Gliedes.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungs- gegenstandes ist auf der beiliegenden Zeich- nung dargestellt.
Fig. 1 zeigt ein Gehäuse, in welchem der durch zwei Dosen betätigte Messmechanismus eines Instrumentes für das Anzeigen der Mach- zahl untergebracht ist, wobei die Ansicht senkrecht zur Verschiebebewegung des beweglichen Gliedes gesehen ist und der Vorderteil des Gehäuses weggenommen ist, um den Mechanis- mus freizulegen ; ausserdem zeigen :
Fig. 2 ein Kraftediagramm,
Fig. 3 ein Stromkreisschema,
Fig. 4 einen Schnitt einer Einzelheit des Mechanismus der Fig. 1 und
Fig. 5 eine schematische Ansicht einer abgeänderten Ausführungsform des Instrumen- tes.
Bei der in der Zeichnung dargestellten vorrichtung ist eine starke Tragplatte 10 mit einer mit ihr aus einem Stück bestehenden, rechtwinklig zur Platte 10 angeordneten Ver- löngerung 11 vorgesehen, an welcher die An schlussrohre 12, 13 eines Paares von elastischen Dosen 14, 15 befestigt sind. Die eine Wand jeder Dose trägt einen mit einer Spitze versehenen Stift 16 bzw. 17, welche in Ver tiefungen 18, 19 eines starren Balkens 20 gelagert sind, weleher durci Drähte 21 an der Tragplatte 10 aufgehängt ist.
Diese Drähte sind bei 22 an der Tragplatte und bei'3 am Balken 20 befestigt, so dass der Balken sieh frei bewegen und in der Zeiehnungsebene schwingen kann ; die Aufhängedrähte 21 hin- dern jedoch den Balken daran, sich in seiner Längsrichtung zu bewegen.
Die Tragplatte 10 besitzt auch einen mit ihr aus einem Stüek gebildeten Arm 24, welcher rechtwinklig zur Grundplatte vorsteht und eine gekrümmte Verlängerung 25 hat.
Diese bildet ein Stützorgan, auf welches sich der Balken 20 abstützt. Die Fläehe 26 des Balkens ist eben und die Fläche 27 des Stütz- armes 25 konvex gegen den Balken gekrümmt, so dass sich diese Flächen bei C längs einer zur Zeichenebene senkrechten Linie berühren.
Der Balken wird gegen den Stützarm durch die Drüeke in den Dosen gepresst wobei diese Drücke durch die Spitzen der Stifte 16, 17 übertragen werden, so da@ irgendeine Verschwenkung des Balkens bewirkt, dass er sich auf der gekrümmten Fläche 27 des Stütz- armes abwälzt und somit die Berührungslinie C längs des Stützarmes verschoben wird.
Da das Instrument benötigt wird, um ein Mass der Maehzahl einer Fluidumstromung zu geben, ist das Innere der Dosen 14, 15 mit den Teilen 14a bzw. 15a? eines Staugerätes bekannter Art (Fig. 1) verbnnclen, welches in die Fluidumstromung gebraeht ist, wobei die Verbindung durch die Rohre 12, 13 durch in der Verlängerung 11 der Tragplatte 10 vor- handene Bohrungen 28, 29 and äu#ere Rohre 30, 31 erfolgt.
Da die lTachzahl eine Funktion des Verhältnisses von dynamischem zu statischem Druck des Fluidums ist, müssen die Aussenseiten der Dosen sich so nahe als möglieh auf dem Druck Null befinden, und der Mechanismus ist daher in ein luftdiehtes Gehäuse 32 eingeschlossen, welches mittels einer Pumpe 32a über ein Ventil 32b (Fig. 1) luftleer gepumpt und abgedichtet ist.
Die durch die Dosen auf den Balken ausgeübten Drücke sind daher proportional zum esamtdruck und zum statischen Druck and diese Kräfte müssen sieh um die Linie der Abwälzberührung zwischen dem Balken und seiner Stützschiene ausgleichen. In Fig. 2 sind diese Kräfte als P und Q bezeichnet und ihre Angriffspunkte an dem Balken als s, 1, B ; die Keaktionskraft der Stützsehiene gegen den Balken bei C ist mit 1 bezeichnet.
Wenn die Fluidumstromung die Geschwindigkeit Null in bezug auf des Staugerät hat, sind die Drücke in den zwei Dosen gleich, und daher muss die Stützreaktion R an der Stelle C. den gleichen abstand von L und B haben ;
wenn jedoch das Fluidum relativ zum Staugerät sieh in Bewegung befindet, dann ist der Gesamtdruek grösser als der statische Druck und die durch die Dose 14 ausgeübte Kraft P übersteigt die durch die Dose 15 ausgeübte Kraft Q, so da# ?, der Balken gezwungen wird, sich auf der Stützschiene von der in vollen Linien ausgezogenen Lage ACON der Fiv. 2 in eine neue Gleichgewichtslage abzuwälzen, welche clurch die gestrichelte Linie A'C1B' angedeutet ist, wobei der Reaktionspunkt längs der, Rbstüt- zung von C0 nach C1 verschoben wird.
Die Verschiebung erfolgt daher stets vom Mittel- punkt C0 gegen A, da Q nie grosser als P sein kann. Die Versehiebung COC1 ist ein Mass des Verhältnisses von P'zu Q, denn, wenn die Winkelverstelhuig des Balkens klein ist, ist :
P B'C1 ¸AB+C0C1 P = = oder, wenn = q geschrieben wird und Q A'C1 ¸AB-C0C1 Q
Q A'C1 ¸AB-C0C1 C0C1 s 1 + s q - 1 = q = oder s=
AB 2 1 - s q + 1
Ein Zweek des besehriebenen Apparats besteht darin, die Verschiebung der Angriffsstellen der Kräfte zu verringern und besonders die Ausdehnung und Zusammenziehung der biegsamen Dose m verringern, wenn solche Elemente, wie in dem dargestellten Beispiel, benutzt werden, wobei die Berührungsfläche der Stützschiene einen grossen Krümmungsradius im Vergleich mit der Balkenlänge zwi schen den Dosenmittelpunkten hat.
Beim dargestellten Beispiel ist die Stützschienenfläche 27 als kreisförmiger Bogen geformt, aber vorausgesetzt, dass die Krümmung dieser Fläehe sich nieht sehr plötzlich ändert und sie keine Abflachungen besitzt, braucht die tatsäehliehe Form dieser Fläche nieht genau zu sein.
Wenn p der mittlere Krümmungsradius der Stützfläche von C0 zu Cl ist, ist es klar, dass
AA'+BB' AB =
C0C1 # und da AA' und BB' die Ausdehnung und Zusammenziehung der Dosen darstellen, ist es möglich, diese Verformung zu verringern, während eine verhältnismässig grosse Versehie- bung als Mass des Verhältnisses der Dosenkräfte beibehalten wird, indem p im Vergleich zu AB gro# gemacht wird, das heisst bei Be- nutzung einer Stützfläche mit einem grossen Krümmungsradius relativ zur wirksamen Bal kenlänge.
Bei dem dargestellten Beispiel wird die Verschiebung der Abwälzberührungslinie zwi schen der Stützschienenfläche 27 und der Balkenfläche 26 elektrisch gemessen. Zu diesem Zweck trägt die Berührungsfläehe 27 der Stützschiene einen Isolierstreifen 33, in welchen Leiterstreifen 34 von ziemlich hohem Widerstand eingesetzt sind. Die Streifen 34 sind durch eine Isolierhülse 38 mit einer An- schlussklemme 39 auf der Aussenseite der Grundplatte 10 verbunden, an welche Klemme 39 eine Zuleitung 40 angeschlossen ist.
Der Balken 20 steht dnreh das CTlied 21 in elektrischer Verbindung mit der Grundplatte 10, und diese ist bei E geerdet. Der Streifen 34 bildet so ein Potentiometer, dessen Kontaktarm durch den Balken gebildet wird, wobei der Stromkreiswiderstand zwischen der Klemme 39 und Erde in Übereinstimmung mit der Verschiebung der Abwälzberühxmngslinie C zwi- schen der Stützfläche und dem Balken ver ändert wird.
Das Instrument kann wie in Fig. 3 gezeigt, an einem gewöhnliehen Brüekenstromkreis angeschlossen sein, der drei zeste 42, 43, 44 besitzt, während der vierte Ast durch einen festen Widerstand 41 und die Länge des Leiterstreifens 34 zwischen der Klemme 39 und der Berührungsstelle C mit dem Balken gebildet wird, der geerdet ist. Das positive Po tential ist an der Verbindung der Arme 42 und 43 angeschlossen, und ein Galvanometer G ist, wie gezeigt, über die Brücke geschaltet.
Für den erstmaligen Ausgleich schliesst der Ast 43 einen veränderlichen Widerstand 46 ein, und das Galvanometer ist mit dem üblichen, veränderlichen, in Reihe geschalteten Widerstand 45 versehen. Bei dieser üblichen Stromkreisart kann die Ablesung des Galv benutzt werden, um Änderungen der Widerstände in den Ästen 20, 34, 41, der Brücke und dadurch die Versehiebung der Abwälzberührungslinie zwischen der Stütz- schiene 25 und dem Balken 20 zu messen ; und wie bereits erwähnt, ist diese Verschiebung ein Ma# für das Verhältnis der auf die Dosen 14, 15 ausgeübten Driieke-Lind somit für die Machzahl der Fluidumstromung, in welche das Staugerät eintaucht.
Zweckmässig werden die Konstanten des Stromkreises so eingestellt, da# der Galvanometerausschlag G direkt proportional der Stützverschiebung s, der Gleichung 1 ist, woraus q - 1
G = k q + 1 k ist eine Konstante des Stromkreises und der Galvanometer-Empfindichkeit. Die Machzahl, welche den verschiedenen Werten von q - 1 q + 1 entspricht, kann berechnet und die Galvano- meterskala entsprechend geeicht werden, um Machzahlen unmittelbar ablesen zu können.
Um die Reibung auf ein Minimum herab- zusetzen, ist die Fläche 26 des Balkens 20 vorteilhaft mit einem Paar paralleler Schnei- den 34, 6 versehen, welche in der Abwälz- richtung verlaufen und mit den Leiterstreifen 34 Kontakt maehen, die durch die Stützschiene 25 getragen werden, wie in Fig. 4 gezeigt ist.
Zum gleichen Zweck konnte als Variante zur beschriebenen Ausbildung die Abwälzfläche der Stützschiene 25 mit einem Paar paralleler Schneiden versehen sein.
Eine andere Ausführungsform des Instrumentes, bei welcher die Winkelverschiebung des Balkens als Ma# des Verhältnisses der angreifenden Kräfte benutzt wird, ist schematisch in Fig. 5 gezeigt. Bei dieser trägt der Balken 20, an welehem die Kräfte P und Q bei A und B angreifen, und weleher, wie bei dem in bezug auf Fig. 1 beschriebenen Appa- rat, auf einer gekrümmten Stützschiene 25 abgestützt ist, einen Spiegel 37, welcher ein von einer Quelle 38 einfallendes Liehtbündel auf eine Skala 39 zurückwirft, wobei die Liche- strahlen durch einen Pfeil angedeutet sind.
Für gewisse Zwecke kann es erforderlich sein, das Verhältnis zu messen, um welches die zwei Fluidumdrücke sich von einem gegebenen Druek, z. B. Atmosphärendruck, unterscheiden. In diesem Fall kann der in Fig. 1 dargestellte Apparat angewendet werden, wobei das Innere des Gehäuses 32 unter dem gegebenen Druck steht, indem es zur Atmosphäre entlüftet oder mit einer Kammer oder derglei- chen verbunden wird, in welcher der benotigte Dmck aufrechterhalten wird.