CH82271A - Verfahren und Einrichtung zur Vornahme von Messungen, deren Ergebnisse von Flüssigkeitsständen abhängig sind - Google Patents

Description

  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.  

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE Verfahren zur Vornahme von Messungen, deren Ergebnisse voll Flüssigkeitsständcll abhängig sind, dadurch gekennzeichnet, dass man doll hydrostatischen Druck des herrschenden Wasserstandes auf einen mit einem Messapparat in Verbindung stehenden Tauchkörper geeigneter Foren einwirken lässt und den wechselnden Auftrieb, doll letzterer dabei unter wech selndem ,Wasserstand erfährt,

   mit Hilfe des Messapparates zur Angabe dei- zti messenden Grösse verwendet. Einrichtung zur Ausführung des Ver fahrens nach Patentanspruch .1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem strömungs- freien Raum ein von einer Messvorrich- tung gehaltener Tauchkörper von solcher Forulgebung angeordnet ist, dass zwischen den Auftrieben, die er bei verschiedenen Flüssigkeitsständen erfährt,

   und den zu gehörigen gesuchten Messergebnissen eine bestimmte Gesetzmässigkeit besteht, die sich ausser nach der Art der gesuchten DIessergebnisse auch nach der Art der gewählten Messvorrichtung richtet. UNTERANSPRüCHE 1.

   Einrichtung nach Patentanspruch II, da durch gekennzeichnet, dass man dem Tauchkörper eine solche Gestalt gibt, dass zwischen den Auftrieben, die er jeweilen bei verschiedenen Wasserständen erfährt, und doll zugehörigen gesuchten \Iessgrül'@en Proportionalität besteht. 2.

   Einrichtung zur Ausführung des Ver fahrens nach Patentanspruch 1I, dadurch gekennzeichnet, dass die den Tauchkörper haltende 3IePvorriclituiig so beschaffen ist, dass sie dem ersteren unter dem Eill- flusse des wechselnden Auftriebes nur eilte schi# kleine,

   etwa die zur Betätigung eines elektrischen Kontaktgebers geiiii- gende Änderung der Höhenlage zulässt 3.

   Einrichtung zur Ausführung des Verfah- rens nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass die den Tauchkörper haltende, mit Registriervorrichtung ver sehene Messvorrichtung so beschaffen ist, dass sie dem ersteren unter dein Einflusse des wechselnden Auftriebes eine Ände rung der Höhenlage zulässt,

   welche gleich ist dein Betrage der für die Aufzeichnung der Messergebnisse verlangten Diagramm- hülle. 4. Einrichtung zur Ausführung des Verfah rens nach Patentanspruch II und Unter ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, dass als Messvorrichtung eine automatisch wägende Laufgewiehtswage verwendet wird, deren Laufgewicht nlit dein Schreibstift einer Registriervorrich- tung verbunden ist.

   5. Einrichtung zur Ausführung des Verfah rens nach Patentanspruch II und Unter- ansprÜchen 1 und 3; dadurch gekeiiii- zeichnet, dar)

   als selbsttätiges Kraftmess- organ eine oder mehrere zylindrische Schraubenfedern bestimmterCharakterist ik zur Anwendung kommen und dass die Höhenlage des Tauchkörpers und die jeweilige Einstellung des Schreibstiftes ausser durch den Auftrieb auch durch die veränderliche Kraft der Federanord nung eindeutig bestimmt sind. 6.

   Einrichtung zur Ausführung des Verfah rens nach Patentanspruch 1I und Unter anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rauen, in dein sich der Tauchkörper befindet, mit einem Wasserlauf in Kom- munikation steht und dafa der Tauch körper so dimensioniert ist, dass seine Auftriebe bei allen Wasserständen pro portional sind den Wassermengen, die in der Zeiteinheit im Wasserlaufe durch fliessen.

   7. Einrichtung zur Ausführung des Verfah rens nach Patentanspruch 1I und T-Tnte:- ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Tauchk(*')rper auf seiner gaimen Höhe von gleichem Querschnittsmass ist, so dass die Auftriebe, die er bei verschie denen Wasserständen erfährt, diesen selbst proportional sind.

   B. Einrichtung zur Ausführung des Verfah rens nach Patentanspruch II und Unter anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Tauchkörper auf einem Teil seiner Höhe ein bes;iilimtes Querschnittsmass, von da ab aber ein anderes Querschnitts mass aufweist, zu dem Zwecke, einen Teil der 'Wasserstände in einem andern Massstab aufzeichnen zii lassen. 9.

   Einrichtung zur Ausführung des Verfah rens nach Patentanspruch II und Unter anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Tauchkörper so dimensioniert ist; dass sein Auftrieb bei jedem Flüssigkeitsstaude dem Wasservorrate des Behälters pro portional ist, in den der Tauchkörper taucht oder mit dem sein Messschacht kommuniziert.

   10. Einrichtung zur Ausführung des Verfah rens nach Patentanspruch II und Unter anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Messvorrichtung ein Zählwerk verbunden ist, welches die im Ganzen durcb,geflosseneWassermenge registriert.