Verfahren und Einrichtung zur Vornahme von Messungen, deren Ergebnisse . von Flüssigkeitsständen abhängig sind. Taucht ein Körper in eine Flüssigkeit, so erfährt er einen Auftrieb, welcher gleich ist. dem Gewichte der von ihm verdrängten Flüssigkeit. Ist er nicht vollständig einge taucht, und wird er in seiner Höhenlage festgehalten, oder wird ihm in vertikaler Richtung nur ein verhältnismässig kleiner Spielraum gelassen, so wird das Steigen oder Fallen des Flüssigkeitsstandes eine Vermeh- rung oder Verminderung seiner Eintauchtiefe und somit der Auftriebskraft bewirken.
Dabei lassen sich durch entsprechende Wahl der Form; d. h. der Reihenfolge der Querscbnittsmasse des eintauchenden Körpers, zwischen dem Verlaufe der Zu- oder Abnahme des Flüssigkeitsstandes und dem zugeiörigeii Verlaufe des Auftriebes verschiedenartige Be ziehungen herstellen.
Dieser und der weitere Umstand, dass sich die Auftriebskraft leicht und mit ver- schiedenartigen Mitteln messen und registrie ren lässt, gestattet eine mehrfache praktische Anwendung des Auftriebes zur Lösung von Aufgaben der Hydrometrie. Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Verfahren und die zur Ausführung desselben erforderliche Einrichtung zur Vornahme von Messungen, deren Ergebnisse von Flüssig keitsständen abhängig sind, z.
B. solcher an offenen, d. h. nicht unter Druck stehenden Wasserläufen und Flüssigkeitsbebältern, wie Staubecken, Ausgleiehweihern und dergleichen. Es kann sich dabei um die Bestimmung von Wasserständen selbst oder von Durchfiuss- wassermengen in der Zeiteinheit, von Was servorräten in Behältern etc. handeln.
Das Verfahren besteht darin, dass man den hydrostatischen Druck des Wasserstandes auf einen finit einem Messapparat in Verbin dung stehenden Tauchkörper geeigneter Form einwirken 1 < isst, und den wechselnden Auftrieb, den er unter dein Einfusse des wechselnden Wasserstandes erfährt, mit Hilfe des Mess- apparates zur Angabe (Anzeige, Registrierung oder Zählung) der zu messenden Grösse ver wendet.
Die Einrichtung zur Ausführung des Ver fahrens geht grösstenteils aus der vorstehen den Beschreibung des Verfahrens hervor. Der Raum zur Unterbringung des Tauchkörpers ist strömungsfrei und daher zwecl@inäP@ig ein Schacht, wie solche bei mit Schwimmern arbeitenden Limnigraphen in Verwendung ste hen.
Der Tauchkörper besitzt eine solche Form, dass die Auftriebe, die er bei verschiedenen Flüssigkeitsständen erfährt, diejenigen Beträge aufweisen, welche nötig sind; um den Mess- apparat zur Angabe des verlangten lIess- resultates zu veranlassen. Seine Form richtet sich daher nicht nur nach dem Verhältnisse zwischen den ihn beeinflussenden Flüssig keitsständen und den zugehörigen verlangten Messresultaten,
also zum Beispiel nach dein VerhältnissezwischenWasserstand undsekund- licherWassermenge eines 1-Iessüberfalles, son dern auch nach der Art des verwendeten Messapparates. Von besonderer Bedeutung ist dabei diejenige Zusammenstellung der Ein richtung, bei welcher der Tauchkörper infolge seiner Formgebung Auftriebe erfährt, die proportional den Wassermengen eines Wasser laufes sind und wobei die Messvorrichtung als Kraftinessorgan eine zylindrische Schrauben feder besitzt,
daher den mit ihr verbundenen Schreibstift proportional den Kraftänderungen verschiebt und eine Wassermengenlinie in gleichmässigem Höhenmassstab 'aufzeichnet.
Auf der beiliegenden Zeichnung sind sechs Ausführungsbeispiele der neuen Einrichtung schematisch dargestellt.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, welches zur fortlaufenden Bestimmung der in der Zeiteinheit in einem Wasserlaufe durch fliessenden Wassermenge bestimmt ist, bezeich net a einen Schacht, der mittelst eines Na nales b mit dem Oberwasserstande eines Messüberfalles t kommuniziert, so dass der Wasserstand im Schachte mit demjenigen beim Messüberfall übereinstimmt.
Im Schachte befindet sich der nach unten verjüngte Tauch- kiirper c; welcher durch die Stange d mit dem Wagebalken e einer automatisch wägen den Laufgewichtswage verbunden ist. Die Stellung des Laufgewichtes f wird durch den Schreibstift g auf der mit Papier bespannten Walze h aufgezeichnet, welche durch ein Uhrwerk i gleichmässig angetrieben wird. Zur Verschiebung des Laufgewichtes f dient die Schraubenspindel )it, die mit der Welle eines Elektromotors k gekuppelt ist.
Im vorliegenden Beispiel ist der Elektromotor ein Gleichstrommotor, dessen Kollektorbürsten mit den Kontaktfedern p' und p2 verbunden sind, welche wechselweise bei Abweichungen des Wagebalkens von der horizontalen Lage entweder mit der an die Stromquelle ange schlossenen Kontakteis o" und<B>03</B> oder o' und 02 in Verbindung kommen und somit den Strom in der einen oder andern Richtung in den Kollektor senden.
Das direkt und un veränderlich an die Stromquelle geschlossene Magnetfeld bleibt indessen unverändert beste hen, so dass der Motor seine Drehrichtung ändert, wenn sich die Strömungsrichtung der dem Kollektor zugeführten Energie ändert; jedoch zum Stillstande kommt, wenn die Energiezufuhr zum Kollektor aufhört, d. h. wenn die Kontaktlamellen p' und p' zwischen den o-Kontakten in Schwebe stehen.
Steht der Wasserstand bündig mit der Überfallkante t, so erreicht die Spitze des Tauchkörpers gerade die Wasseroberfläche im Schachte, der Wagebalken steht genau wag recht, die Kontaktfedern p stehen in Schwebe zwischen den Kontakten o, der Motor steht still, und das Laufgewicht befindet sich in seiner Endlage rechts, so dass der Schreibstift g auf der Nullinie des Registrierpapieres schreibt. Beginnt das Wasser über den Über fall zu fliessen, steigt somit der Wasserstand im Schacht a, so erfährt der Tauchkörper einen Auftrieb, der gleich ist dem Gewichte des von ihm verdrängten Wassers.
Die dadurch bewirkte Störung des Gleichgewichtes der Wage bewirkt ein Senken des freien Endes des Wagebalkens und die Zufuhr elektrischer Energie zum Kollektor des Motors 7c, welche so lange dauert, bis der Motor durch seine dadurch eingeleiteten Drehungen das Lauf gewicht um einen Betrag nach links geschoben hat, der dem Einflusse der Gewichtsvermin derung, d. h. des Auftriebes des Körpers c, entspricht.
Umgekehrt bewirkt eine Vermin derung des sekundlichen Wasserdurchflusses eine Senkung des Wasserstandes, somit eine Verminderung des Auftriebes und eine Stö rung des (311eichgewichtes im entgegengesetzten Sinne der beschriebenen, was eine Verschie bung des Laufgewichtes nach rechts zur Folge hat, bis das Grleichgewicht wieder hergestellt ist und die Stromzufuhr sich unter bricht.
Die Form des Tauchkörpers ist auf Grund lage der jj'assermer)geneichkurve so berechnet, dass das Verhältnis zwischen sekundlicher Wassermenge am Überfall und gleichzeitigem Auftrieb im ganzen Wirkungsbereiche des Apparates dasselbe bleibt. Es gelangt daher für jeden m'/'Sek der Durchflusszunahme ei gleichgrosses Volumen des Tauchkörpers mehr zum Eintauchen. Da die hierzu erforderlichen Zunahmen der Cberfallhöhen mit zunehmen der Wassermenge abnehmen, so haben auch die Querschnitte des Tauchkörpers im um gekehrten Verhältnisse bei zunehmender Was sermenge zuzunehmen.
Als Querschnittsform des Tauchkörpers ist im Ausführungsbeispiel die Kreisflä ehe gewählt. Sie könnte aber jede beliebige andere geometrische Grundform, beispielsweise ein Rechteck sein. Das Gewicht des Tauchkörpers ist im Ausführungsbeispiel als die maximale Auftriebskraft überwiegend angenommen.
Die beschriebene Anordnung registriert die sekundliche Wassermenge, welche über den Messüberfall oder durch das Messprofil fliesst, mit dein sie verbunden ist, in der Weise, dass die von der Gleichgewichts einstellung des Laufgewichtes abhängigen Ordinaten des Diagrammes die Momentunwerte der Durchflussinengen in einem bestimmten Massstube, die von der Trommeldrehung ab hängigen Abszissen dagegen die Zeit dar stellen,
so dass der Flächeninhalt zwischen Nullinie und Wassermengenlinie der in der betreffenden Zeit durchgeflossenen Wasser menge proportional ist.
In Fig. 2 ist ein Tauchkörper dargestellt, bei welchem die Querschnittsform ein Recht eck . ist. Seine Wirkungsweise ist mit der des bereits beschriebenen identisch.
Fig. 3 zeigt in kleinerem llassstabe die Anwendung der Einrichtung an einem Fluss- laufe, dessen höchster und niedrigster Wasser stand mit HIT' und V11' bezeichnet sind. Der Wirkungsbereich der hydrometrischen Kontrolle und die hierzu erforderlichen Ein richtungen sind naturgemäss dem Wechsel zwischen Hoch- und Niederwasserstand anzu passen.
Soll die Einrichtung zur Kontrolle der sekundlichen Wassermenge dienen, so ergibt die mit Hilfe der Wassermengeneich- kurve durchgeführte Berechnung des Tauch körpers für diesen wieder eine nach unten verjüngte Form, ähnlich derjenigen von c in Fig. 1, welche jedoch unten nicht in einer Spitze, sondern in einer horizontalen Grund fläche endigt. Der Tauchkörper kann mit einem Mess- und Registrierapparat der unter Fig. 1 oder nachstehend unter Fig. 4 beschrie benen oder einer beliebigen andern Art verbunden werden.
Fig. 4 zeigt schematisch ein Ausführungs- beispiel der Einrichtung, bei welchem der Tauchkörper unter dem E1nflUSSe des wech selnden Auftriebes seine Höhenlage um ein bestimmtes Mass ändert. Als solches ist die Höhe des Diagrammes gewählt, welches der Apparat liefern soll.
Der Tauchkörper c ist durch die Stange (l mit der zylindrischen, in ihrer wirksamen Länge regulierbaren Schrau benfeder<I>na</I> verbunden, die mit ihrem obern Ende von dein im Raume feststehenden Teil gehalten ist.
Der mit der Stange c ver bundene Arm o ist an seinem freien Ende mit einem Schreibstift oder einer Schreibfeder versehen und zeichnet die Bewegungen des Tauchkörpers c auf einer papierbespannten und durch ein Uhrwerk 12 angetriebenen Trommel q auf. Der Zeiger 7, bewegt sich der für die meisten Zwecke gleichmässig geteilten Skala s entlang.
Auf die Höhenlage des Tauchkörpers c wirken drei Kräfte bestimmend ein: das sich gleichbleibende Eigengewicht desselben und die veränderlichen Kräfte der Feder und des Auftriebes. Steigt der Wasserstand, so vermehrt sich der Auftrieb und schiebt den Tauchkörper so weit nach oben, bis infolge der Verminderung des nach oben gerichteten Federzuges, oder; was gegebenenfalls auf dasselbe heraushoinint, zufolge Vermehrung eines nach unten gerichteten Federdruckes; Gleichgewicht eingetreten ist.
Dies ist ininier dann der Fall, wenn die arithmetische Summe aus Tauclikürpergewicht, Federkraft und Auf trieb gleich \7u11 ist. Da die Kraftänderungen der Feder den Formänderungen derselben proportional sind, so folgt daraus und aus dem Vorstehenden; dass die vom Tauchkörper, also auch vom Schreibstifte zurückgelegten Wege proportional der Auftriebskraft sind.
Durch entsprechende Formgebung des Tauchkörpers kann daher das Verhältnis zwischen den Änderungen des Wasserstandes und denjenigcci der Diagraminhöhe innert weiter Grenzen verschiedenartig gestaltet werden.
Dabei ist auf den Umstand, dass der Tauchkörper den Bewegungen des Wasser standes gewissermassen ausweicht, dass seine Eintauchtiefe sich somit uni einen kleineren Betrag ändert. als gleichzeitig der Wasser stand, bei der Berechnung aller mit der Federanordnung verbundenen Tauchkörper Rücksicht zu nehmen.
Die in Fig. 4 gezeichnete Einrichtung dient dazu, den Verlauf wechselnder Wasser stände in proportionalem Massstab aufzuzeich nen; der Tauchkörper ist deshalb ein solcher von durchwegs gleichem Querschnitte.
Wird die Aufzeichnung der sekundlichen Wassermenge, die über einen Messüberfall oder durch ein Messprofil fliesst, in proportio nalem Massstabe verlangt, so ist ein nach unten verjüngter Tauchkörper nach Art der in den Fig. 1, 2 und 3 gezeigten zu verwenden.
Hinsichtlich seiner Einstellung in die Nullage und. seiner Q,nerschnittsberech- nung sei auf das unter Fig. 1 Angeführte verwiesen, wobei jedoch bei der abschnitt weisen Berechnung der Tauchkörperquer- schnitte die Eigenbewegung des Tauchkörpers in Berücksichtigung zu ziehen ist.
Mit der Einrichtung zur Kontrolle der sekundlichen Wassermengen kann ein Zähl werk verbunden weiden, welches die durch- fliessende Wassermenge fortlaufend addiert und anzeigt. Für die fortlaufende Aufzeichnung des Wasservorrates, der sich in einem Staubecken oder dergleichen befindet; ist, wenn auch hier dein jeweiligen Verrate proportionale Ordinaten verlangt werden, ein Tauchkörper anzuwenden, dessen Auftrieb in jeder seiner Gleichgewichtslagen dem Wasservorrate pro portional ist.
Seine Höhe wird deshalb gleich der zu kontrollierenden Wassertiefe, vermin dert um den Betrag der maximalen Diagramm- höhe, seine Querschnitte werden der ganzen Tauchkörperhöhe entlang proportional den 1u den verschiedenen Höhenlagen vorkommenden Oberflächenmassen des Staubeckens sein.
Bei allen bisher beschriebenen Anwen dungsarten der neuen Einrichtung, und zwar sowohl der unter Fig. 1, wie der unter Fig. 4 beschriebenen, kann statt der wohl in der Praxis am meisten geschätzten Proportiona lität zwischen dein gesuchten Resultat und derAufzeichnung eine andere Gesetzmässigkeit, beispielsweise eine logarithmische Darstellung, gewünscht und durch eine entsprechende Gestaltung der Form des Tauchkörpers leicht erreicht werden.
Durch Auswechslung des Tauchkörpers gegen einen andern kann derselbe Mess- und Registrierapparat verschiedenen Zwecken dienstbar gemacht werden. Bei der Ausfüh rung nach Fig. 4 kann durch Verlängern oder Verkürzen der wirksamen Federpartie oder durch Austausch der Feder gegen eine solche anderer Charakteristik die Diagramm höhe beeinflusst werden.
Fig. 5 zeigt als Ersatz der im Ausfüh rungsbeispiel nach Fig. 4 gewählten einzigen, zentrisch zur Stange d angeordneten starken Feder gn eine Gruppe von schwächeren Federn 7t, wobei vorgesehen ist, zur Erreichung einer bestimmten Federwirkung ihre Zahl nach Bedarf zu vermehren oder zu vermindern, oder einzelne derselben gegen stärkere oder schwächere zu vertauschen.
Die Stange d gleitet im obern, die Federn ü tragen den Teller r, der feststehend gedacht ist, wäh rend der Teller 2e, an welchem die andern Enden der Federn befestigt. sind, fest mit der Stange d verbunden ist und sich mit dieser bewegt.
Fig. 6 stellt ein Ausführungsbeispiel eines Tauchkörpers dar, bei dem der von<I>x</I> bis ,y gleichbleibende Querschnitt hier in einen ver änderten, kleineren übergeht. Der Zweck dieser Anordnung, welche in Verbindung mit einem proportional dein Auftriebe schreibenden lIess- und Registrierapparate zur Aufzeichilullg voll Wasserständen dienen soll, ist der, abnor male Wasserstände, hier Hochwasserstände,
in eirein kleineren Massstab aufzeichnen zu lassen, als die gewöhnlich vorkommenden.