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Meßvorrichtung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung
der Menge einer Flüssigkeit in einem Behälter, z. B. Brennstoff in Flugzeugbrennstofftanks.
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Die zur Zeit genaueste bekannte Brennstoffmessung ist von kapazitiven
Typ, bei dem die Kapazität durch Platten, die sich vom obersten Teil des Brennstofftanks
bis zum Boden erstrecken, gebildet wird. Da die Dielektrizitätskonstante von Brennstoff
ungefähr doppelt so groß ist wie die von Luft, so wächst die Kapazität des Kondensators
auf ungefähr das Doppelte des Anfangswertes, wenn der Tank vom leeren in den vollen
Zustand übergeht. Dieser Kondensator liefert ein Signal, das von der Höhe oder dem
Volumen des Brennstoffes und seiner Dielektrizitätskonstante abhängt.
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Es ist häufig wichtiger, das Gewicht des Brennstoffes in einem Tank
zu kennen als das Volumen, da eine Maschine proportional dem Gewicht oder den Wärmeeinheiten
des Brennstoffes, den sie verbraucht, Kraft erzeugt. Indessen ändert sich das Volumen
eines bestimmten Gewichtes von Brennstoff mit einer Änderung der Temperatur, so
daß ein bestimmtes Volumen von Brennstoff bei einer Temperatur nicht dasselbe Gewicht
hat wie dasselbe Volumen bei einer anderen Temperatur. Für die Brennstoffe, die
bei Maschinen mit hin- und hergehender Bewegung verwendet werden, ändert sich dieDielektriztätskonstante
des Brennstoffes eng mit der Änderung des Volumens.
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Dadurch ist es möglich, die Volumenanzeige mit der Dielektrizitätskonstante
zu multiplizieren und ein Signal zu erhalten, das proportional dem Gewicht des Brennstoffes
ist.
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Für die Brennstoffe, die bei Gasturbinen verwendet werden, ändert
sich indessen die Dielektrizitätskonstante nicht proportional mit der Änderung des
Volumens. Um deshalb eine genaue Gewichtsanzeige des Brennstoffes zu erhalten, ist
es notwendig, den Einfluß von Änderungen in der Dielektrizitätskonstante des Brennstoffes
zu eliminieren. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann dieses dadurch erfolgen, daß
man einen Kondensator in der Nähe des Bodens des Tanks anbringt, so daß immer Brennstoff
zwischen seinen Platten vorhanden ist. Dieser Kondensator wird mit der Flüssigkeitstandmeßschaltung
verbunden, so daß das von dieser herrührende Signal dem Teil des Signals aus der
Flüssigkeitstandmeßeinheit entgegenwirkt und diesen ausgleicht, der von den Differenzen
der Dielektrizitätskonstante des Brennstoffes herrührt. Die Dichte-Korrektur kann
dann dadurch erhalten werden, daß man einen Schwimmer die Lage einer der Platten
des Kompensator-Kondensators in bezug auf die andere ändern läßt, so daß bei einem
Anwachsen der Dichte der Abstand zwischen den Platten größer wird, und umgekehrt.
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Daraus ergibt sich dann, daß das Restsignal, welches den Indikator
steuert, eine Funktion des Volumens des Brennstoffes und seiner Dichte und daher
proportional dem Gewicht des Brennstoffes ist.
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Die oben beschriebene Anordnung zeigt keine Fehler, wenn das Brennstoffgewicht
in Tanks, die stationär bleiben oder bei verhältnismäßig konstanter Geschwindigkeit
in derselben Höhe sich bewegen, gemessen werden soll. Für Flugzeuge wie Kampfflugzeuge
indessen, die eine Beschleunigung und Verzögerung vornehmen und schnell die Höhe
ändern, könnten Änderungen in der Geschwindigkeit und Richtung Fehler von beträchtlicher
Größe infolge der Trägheit der beweglichen Platte des Kompensator-Kondensators hervorrufen.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht auch darin, das Auftreten eines solchen
Fehlers zu verhindern.
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Der Umfang der Erfindung ist in den beifolgenden Ansprüchen festgelegt,
und eine praktische Ausführungsform soll beispielsweise an Hand des Schaltungsschemas
im einzelnen beschrieben werden.
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Die zu messende Brennstoffmenge befindet sich in einem Tank 10 mit
einem Auslaß 11, der zu einer oder mehreren Maschinen führt, die in der Zeichnung
nicht dargestellt sind.
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Der Flüssigkeitstandsmesser ist mit einem Arm einer abgewandelten
Wheatstone-Kapazitätsbrückenschaltung verbunden, die aus einem Transformator 12
mit einer Primärwickung 13 und zwei Sekundärwicklungen
14, 15 gespeist
wird. Der Widerstand 16 eines Rheostaten 18 ist mit der Sekundärwicklung 14 verbunden
und dessen Gleitkontakt 17 mit dem Teilwiderstand (sensitor) 20 eines Potentiometers
19 verhunden. Das andere Ende des Potentiometerwiderstandes 20 ist mit dem anderen
Ende der Transformatorsekundärwicklung 14 und gleichzeitig mit Erde 23 verbunden.
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Der Kondensator 24 hat eine innere Elektrode 25 und eine äußere Elektrode
26, die zylindrisch geformt und konzentrisch sind. Wenn der Stand des Brennstoffes
in dem Tank 10 steigt und fällt, ändert sich die Kapazität des Kondensators 24 und
ändert das daraus erhaltene Signal. Die äußere Elektrode 26 der Kapazität 24 ist
mit dem Gleitkontakt 21 des Potentiometers 19 verbunden und die innere Elektrode
25 mit der ungeerdeten Klemme 31 des Verstärkers 32. Die andere Eingangsklemme 33
des Verstärkers ist geerdet.
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Eine Belegung einer Kapazität 34 ist mit einem Abgriff 35 an der
Sekundärwicklung 15 verbunden und die andere Belegung mit der ungeerdeten Eingangsklemme
31 des Verstärkers 32. Ein Abgriff 40 in der Nähe des anderen Endes der Sekundärwicklung
15 ist geerdet. Daraus ergibt sich, daß die Phase der Spannung an der Kapazität
34 zu der Phase der Spannung an der Tankeinheit 24 entgegengesetzt gerichtet ist.
Die Kapazität 34 hat einen solchen Wert, daß das Signal daraus gleich groß wie das
Signal aus der Kapazität 24 ist, wenn der Tank 10 keinen Brennstoff enthält, d.
h., das Signal aus der Kapazität 34 gleicht die »Kleinen-Brenn.stoff«-Komponente
des Signals aus der Kapazität 24 aus.
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Der Widerstand 41 eines Potentiometers 38 ist parallel zu einem Teile
der Sekundärwicklung 15 gelegt, während der Widerstand 43 eines anderen Potentiometers
39 zwischen das andere Ende der Sekundãrwicklung 15 und den Gleitkontakt 42 des
Potentiometers 38 gelegt ist. Der Gleitkontakt 44 des Potentiometers 39 ist mit
einem Abgriff 45 des Autotransformators 46 verbunden, dessen Mittelpunktanzapfung
bei 47 an Erde gelegt ist. Ein Ende des Autoltran,sformators 46 ist mit der Platte
52 des Kondensators 50 verbunden. Ihre andere Platte 51 ist mit der ungeerdeten
Eingangsklemme 31 des Verstärkers 32 verbunden. Das andere Ende des Autotransformators
46 ist mit einer Seite einer Kapazität 56 verbunden, deren andere Seite mit der
ungeerdeten Eingangsklemme 31 des Verstärkers 32 ebenfalls verbunden ist.
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Die Kompensator-Kapazität 50 und der Kondensator 56 sind hierdurch
mit entgegengesetzten Enden des Autotransformators verbunden. Die Kapazität 56 ist
so gewählt, daß ihr Signal gleich groß, aber in der Phase entgegengesetzt wie das
Signal aus der Kapazität 50 ist, wenn der Tank 10 leer ist.
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Der Verstärker 32 steuert einen Motor 62, der über einen mechanischen
Antrieb 63 mit dem Gleitkontakt 64 des Potentiometers 39 zum Wiederabgleichszwecke
verbunden ist, und bewegt auch einen Indikatorzeiger 65 über eine Skala 66, so daß
die Menge des Brennstoffes in dem Tank 10 angezeigt wird.
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Die Vorrichtung wird folgendermaßen geeicht: Wenn kein Brennstoff
in dem Tank vorhanden ist, so wird der Gleitkontakt 17 bewegt, bis die Vorrichtung
ungefähr im Ausgleich ist, wobei der Zeiger 64 praktisch keinen Brennstoff im Tank
anzeigt und der Gleitkontakt 44 in der Nähe des geerdeten Endes des Potentiometers
43 sich befindet. Für eine genaue Nullpunkteinstellung wird der Potentiometergleitkontakt
21 dann bewegt, bis der Zeiger 64 auf Null
steht. An diesem Punkte ist der Gleitkontakt
44 am Erdpotentialende des Potentiometers 43.
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Der Tank wird dann mit Brennstoff gefüllt. Das Ausgangssignal aus
der Kapazität 24 wird größer und veranlaßt den Motor 62, den Potentiometergleitkontakt
44 und den Zeiger 65 zu verschieben. Der Gleitkontakt 42 wird dann einreguliert,
bis der Zeiger 65 auf »voll« zeigt. Der Gleitkontakt 44 befindet sich jetzt an dem
Ende mit hohem Potential des Potentiometerwiderstandes 43.
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Wenn die Kapazität 34 das Leertanksignal aus der Kpazität 24 und
die Kapazität 56 das Leertanksignal aus dem Kompensator Kondensator 50 ausgleicht,
so sind die einzig wirksamen übrigbleibenden Signale diejenigen aus der Kapazität
24, die ausschließlich von dem Brennstoff in dem Tank herrühren und die aus der
Kapazität 50, die ausschließlich aus dem Vorhandensein von Brennstoff zwischen den
Platten 51 und 52 herrühren, das Signal aus der Tankeinheit 24 rührt dann von der
Höhe des Brennstoffes in dem Tank und der Dielektrizitätskonstanten dieses Brennstoffes
her, und das Signal aus dem Kompensator-Kondensator 50 stammt ausschließlich von
der Dielektrizitätskonstante des Brennstoffes. Wenn dieVorrichtung abgeglichen ist,
heben sich die Signale von der Kapazität 24, die von einer Veränderung des Wertes
der Dielektrizitätskonstante herrühren, und aus der Kapazität 50 einander auf, und
es wird eine vollständige Kompensation der Dielektrizitätskonstante erreicht. Die
Vorrichtung mißt dann das Brennstoffvolumen im Tank.
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Um das Gewicht des Brennstoffes im Tank zu erhalten, muß das Volumensignal
mit einem Dichtesignal multipliziert werden. Das letztere erhält man, indem man
eine Platte des Kompensator-Kondensators 50, z. B. die untere, 52, beweglich in
bezug auf die andere macht. Die untere Platte 52 ist mit einem Schwimmer 67 durch
einen Hebel 70 verbunden, der an einem Drehpunkt 71 gegen eine Spannungsfeder 72
arbeitet. Der Schwimmer 67 steigt und fällt im Brennstoff mit der Änderung der Dichte
und besteht aus einem solchen Material, daß er stets leichter ist als irgendein
Brennstoff, der in den Tank getan werden kann, und stets der Feder 72 entgegenarbeitet.
So wird, wenn der Schwimmer sich bewegt, die Platte 52 entweder näher an die Platte
51 oder von ihr weggebracht, und das Signal aus der Kompensatoreinheit 50 hat eine
Komponente, die sowohl der Dichte des Brennstoffes als der Dielektrizitätskonstante
proportional ist. Da, wie oben beschrieben wurde, die Dielektrizitätskonstanten-Komponenten
in den Ausgangsspannungen aus den beiden Kapazitäten 24 und 50 einander aufheben,
so sind die resultierenden Signale proportional dem Volumen des Brennstoffes multipliziert
mit seiner Dichte und geben so eine Gewichtsanzeige.
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Diese Schaltung vermag das Gewicht des Brennstoffes in Behältern,
die entweder stationär bleiben oder sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegen,
anzuzeigen. Beim Einbau beispielsweise in Kampfflugzeuge könnten indessen große
Irrtümer und große Fehler dadurch auftreten, daß die bewegliche Platte 52 dem Einfluß
der Beschleunigung und der Verzögerung des Flugzeuges ausgesetzt ist.
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Um diese Einflüsse zu elimieren, ist ein Gewicht 73 auch mit der
unteren Platte 52 durch einen Hebel 74, der an einem Drehpunkt 75 arbeitet, verbunden.
Dieses Gewicht 73 arbeitet gegen eine Druckfeder 76, die das Gewicht 73, ausgenommen
während einer Beschleunigung oder Verzögerung, ausgleicht. Die Dichte des
Gewichtes
ist wesentlich höher als die des Brennstoffes, und infolgedessen werden verhältnismäßig
kleine Änderungen in der Dichte des Brennstoffes sein wirksames Gewicht nicht merklich
beeinflussen. Hierbei wird jeder Neigung der beweglichen Platte 52, den Spalt zwischen
dieser und der anderen Platte 51 zu ändern, durch das Gewicht 73 entgegengewirkt
das die Neigung hat, unter dem Einfluß der Beschleunigung des Flugzeuges sich in
derselben Richtung zu bewegen. Die vorliegende Erfindung liefert so ein einfaches
und genaues Maß für das Gewicht des Brennstoffes in einem Tank, gleich ob er ruht
oder verhältnismäßig hohen Beschleunigungskräften unterworfen ist.