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Rechenvorrichtung zur Ermittlung der noch bis zur Entleerung eines
Strömungsmittelbehälters, vorzugsweise eines Flugzeugbrennstoffbehälters, verbleibenden
Zeit Die Erfindung bezieht sich auf eine Rechenvorrichtung zur Ermittlung der geschätzten,
bis zur Entleerung eines Flüssigkeitsbehälters, vorzugsweise eines Brennstoflbehälters,
noch verbleibenden Zeit. Eine derartige Vorrichtung wird vorzugsweise in Verbindung
mit den Brennstoffversorgungssystemen eines Flugzeuges verwendet, wobei die Vorrichtung
dann dazu dient, zu jedem Zeitpunkt die geschätzte Zeit anzugeben, die noch verbleibt,
bis der Brennstoffbehälter des Flugzeuges vollkommen entleert ist. Bei derartigen
Vorrichtungen wird der anzuzeigende Zeitwert automatisch aus zwei sich kontinuierlich
verändernden Faktoren berechnet, von denen einer die Gesamtmenge des im Brennstoffbehälter
noch enthaltenden Brennstoffes und der andere der Augenblickswert des pro Zeiteinheit
zu den Maschinen des Flugzeuges fließenden Brennstoffes ist. Der Quotient aus diesen
beiden Faktoren ist die bis zur Entleerung noch verbleibende Zeit.
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Vorrichtungen dieser Art arbeiteten jedoch bisher noch nicht zufriedenstellend,
da der geschätzte Zeitwert aus Daten berechnet wurde, die auf das Brennstoffvolumen
bezogen waren. Der resultierende Anzeigewert war dann mit Fehlern behaftet, da sich
die Dichte des Brennstoffes mit der Temperatur und der Zusammensetzung des Brennstoffes
ändert. Instrumente, die den volumetrischen Durchfluß messen, arbeiten normalerweise
mit der Messung eines Druckabfalles in einemVenturirohr, einer Einschnürung oder
einer ähnlichen Einrichtung. Der mit derartigen Instrumenten gemessene Durchfluß
hängt von der Dichte des Strömungsmittels, hier als dem Brennstoff ab, da er der
Quadratwurzel aus dem Quotienten des Druckabfalls und der Dichte proportional ist.
Durch diese Abhängigkeit des gemessenen Durchflusses von der Dichte ist dann auch
die Messung der noch verbleibenden Zeit durch die oben beschriebene Vorrichtung
von der Dichte des Brennstoffes abhängig.
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Diese Abhängigkeit kann besonders bei Flugzeugen mit hohem Brennstoffverbrauch,
wie etwa den heutigen Düsenflugzeugen, schwerwiegende Folgen haben.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Rechenvorrichtung
der genannten Art zu schaffen, bei der der berechnete und angezeigte Wert von der
Dichte des Brennstoffes und damit auch von Schwankungen der Dichte unabhängig ist.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Rechenvorrichtung
zur Ermittlung der noch bis zur Entleerung eines Strömungsmittelbehälters, vorzugsweise
eines Flugzeugbrennstoffbehälters, verbleibenden Zeit gelöst, bei der der Ausganswert
durch eine Division von zwei Eingangswerten gewonnen wird, von denen der eine die
in dem Behälter noch vorhandene Strömungsmittelmenge und der andere die Abflußgeschwindigkeit
aus dem Behälter wiedergibt, und die dadurch gekennzeichnet ist, daß als Eingangswerte
die Masse des noch im Behälter vorhandenen Strömungsmittels und die abfließende
Strömungsmittelmasse der Zeiteinheit verwendet werden, so daß sich unabhängig von
Dichteänderungen des Strömungsmittels ein genauer Wert für die Ausgangsgröße ergibt.
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Die Vorrichtung nach der Erfindung sei jetzt an drei Ausführungsbeispielen
an Hand der Zeichnung näher erläutert. In dieser Zeichnung zeigt Fig. 1 das Schaltbild
eines ersten Ausführungsbeispiels mit einem Drehtransformator als Quotientenrechner,
Fig. 2 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 und Fig. 3 ein drittes
Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach der Erfindung, bei dem die noch ver-
bleibende
Flüssigkeitsmasse durch Integration aus dem gravimetrischen Durchfluß bestimmt wird.
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In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die am Ausgang
der Meßeinrichtung 11 auftretende Wechselspannung in der Amplitude dem gesamten
gravimetrischen Durchfluß des Brennstoffes vom Brennstofftank zu der Maschine oder
den Maschinen des Flugzeuges proportional. Die Amplitude der Wechselspannung am
Ausgang der Meßeinrichtung 25 ist der Brennstoffmasse proportional, die zu dem betrachteten
Zeitpunkt noch in den Brennstoffbehältern enthalten ist. Die Ausgangsspannung vom
Durchflußmesser 11 wird der Rotorwicklung eines Drehtransformators 21 zugeführt,
die über ein Untersetzungsgetriebe von dem hier als Zweiphaseninduktionsmotor dargestellten
Servomotor 35 verstellt wird.
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Die Statorwicklung des Transformators 21 ist in Serie mit dem Ausgang
der Meßeinrichtung 25 und dem Eingang eines Verstärkers 31 verbunden, dessen Ausgangssignal
der Steuerwicklung des Motors 35 zugeführt wird. Der Motor 35, der den Drehtransformator
21 so verdreht, daß Gleichgewicht herrscht, verstellt gleichzeitig über ein Untersetzungsgetriebe
den Zeiger eines Instrumentes 40, das in Zeiteinheiten, vorzugsweise Stunden, geeicht
ist und die noch verbleibende Flugzeit anzeigt.
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Der Drehtransformator 21 hat vorzugsweise eine lineare Kennlinie,
d. h. die über der Sekundärwicklung abgenommene Ausgangsspannung ist für eine gegebene
Eingangsspannung an der Primärwicklung eine lineare Funktion des Winkels zwischen
diesen beiden Wicklungen. Diese lineare Abhängigkeit besteht in einem relativ großen
Bereich von etwa +600 in bezug auf die neutrale Stellung.
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In Fig. 1 ist die Ausgangsspannung des Durchflußmessers 11 mit E1
bezeichnet. Diese Spannung induziert dann in dem Stator des Drehtransformators 21
eine Spannung, die gleich KAE1 ist. Darin ist A der Winkel zwischen der Rotor- und
der Statorwicklung und K eine Konstante. Sobald der Motor 35 den Rotor des Transformators
21 in die Gleichgewichtslage verdreht hat, ist das Eingangssignal des Verstärkers
31 ohne Zweifel gleich Null, so daß die Spannung KAEr gerade von der Ausgangs spannung
E2 der Meßeinrichtung 25 aufgehoben wird. In diesem Gleichgewichtszustand gilt also
die Gleichung Es =KAE1oder A =E2/KE1. Da der Winkel, um den der Zeiger des Instrumentes
40 gedreht wurde, dem Winkel A proportional ist, um den der Rotor des Transformators
21 gedreht wurde, ist auch die Winkelanzeige des Instrumentes 40 dem Verhältnis
E21Et und damit dem Quotienten aus der Masse des noch in den Behältern verbleibenden
Treibstoffes und dem gravimetrischen Durchfluß, d. h. der bis zur völligen Entleerung
der Behälter noch verbleibenden Zeit, proportional. Das Instrument 40 zeigt also,
sofern es entsprechend geeicht wird, die noch verbleibende Zeit in Stunden an.
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Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich
von dem nach Fig. 1 dadurch, daß der Eingang des Verstärkers 31 statt in Serie parallel
mit den Ausgängen der Meßeinrichtung 25 und dem Stator des Transformators 21 verbunden
ist. In die beiden parallelen Zweige dieser Schaltung sind Widerstände 42 und 43
eingefügt. Die Schaltung wurde dabei so gewählt, daß der durch die Ausgangsspannung
der Sekundärwicklung des Transformators 21 im Widerstand 42 erzeugte Strom dem durch
die Aus-
gangsspannung der Meßeinrichtung im Widerstand 43 hervorgerufene Strom entgegengerichtet
ist. Im Gleichgewichtszustand, d. h., wenn die Eingangsspannung des Verstärkers
gleich Null ist, hat auch der Verbindungspunkt der beiden Widerstände 42 und 43
das Potential Null. Dann ist die Ausgangsspannung E2 der Meßeinrichtung 25 gleich
der im Stator des Drehtransformators reduzierten SpannungKAEl, so daß die oben an
Hand von Fig. 1 beschriebenen Gleichungen erfüllt werden. Die Wirkungsweise dieses
Ausführungsbeispiels (bei dem alle gleichartigen Schaltelemente mit demselben Bezugszeichen
wie in Fig. 1 versehen sind) stimmt also vollkommen mit der des oben beschriebenen
erstenAusführungsbeispiels überein.
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Die Meßeinrichtungen 11 und 25, die in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen
dazu dienen, Spannungen zu erzeugen, die dem Augenblickswert des gesamten gravimetrischen
Brennstoffdurchflusses von den Behältern zu den Maschinen bzw. dem Augenblickswert
der in den Behältern noch verbliebenen Brennstoffmasse proportional sind, können
beliebig aufgebaut sein. Besitzt das Flugzeug, in das die Vorrichtung nach der Erfindung
eingebaut ist, mehrere Maschinen, so ist es natürlich selbstverständlich, daß die
von der Meßeinrichtung 11 abgegebene Spannung der Summe der augenblicklichen gravimetrischen
Brennstoffdurchflüsse von den Behältern zu den einzelnen Maschinen proportional
ist.
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Die Einrichtung 25 zur Messung der Masse des noch in den Tanks verbleibenden
Brennstoffes kann aus einem volumetrischen Behälterinhaltsmesser, z. B. einem innerhalb
des Behälters angeordneten Kondensator und einer Einrichtung zur Dichtekorrektur
bestehen, so daß die Ausgangsspannung der Meßeinrichtung dem Gewicht oder der Masse,
aber nicht dem Volumen des Brennstoffes im Behälter proportional ist. Die Einrichtung
zur Dichtekorrektur kann aus einem Kompensationskondensator bestehen, der am Boden
des Behälters angeordnet ist, so daß er dauernd vom Brennstoff bedeckt ist, und
durch den die Dielektnzitätskonstante und damit die Dichte des Brennstoffes gemessen
wird. Auf jeden Fall gibt die Einrichtung 25 eine Spannung ab, die proportional
dem Augenblickswert der Summe aller Brennstoffmassen in den einzelnen Brennstoffbehältern
ist.
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Als eine weitere Alternative kann das Ausgangssignal, das der noch
verbleibenden Brennstoffmasse proportional ist, durch Integration aus dem dem gravimetrischen
Durchfluß proportionalen Signal abgeleitet werden. In anderen Worten gesagt, wird
die Einrichtung 25 durch einen Integrator oder ein Summierwerk ersetzt, das das
Ausgangssignal der Meßeinrichtung 11 integriert oder summiert. Damit werden besondere
Meßeinrichtungen zur Messung des Behälterinhalts überflüssig. Der Integrator kann
z. B. aus einem Summenzähler entstehen. Fig. 3 zeigt ein entsprechendes Ausführungsbeispiel
der Rechenvorrichtung nach der Erfindung. Die Schaltung ähnelt insoweit der nach
Fig. 1, als sie ebenfalls einen Quotientenrechner enthält, der einen Drehtransformator
21 enthält, dessen Rotor von einem Servomotor 35 angetrieben wird, der gleichzeitig
den Zeiger des die noch verbleibende Zeit anzeigenden Instrumentes 40 verstellt.
Der Motor 35 wird über den Verstärker 31 gespeist. Der Rotorwicklung des Drehtransformators
21 wird über das Potentiometer 94 eine Spannung zugeführt, die dem gravimetrischen
Brennstoffdurchfluß
proportional ist. Der Statorwicklung des Drehtransformators
21 wird über ein zweites Potentiometer 99 eine Spannung zugeführt, die der Masse
des noch verbleibenden Brennstoffes proportional ist. Die Stellungen der Schleifer
der beiden Potentiometer und damit die den entsprechenden Wicklungen des Transformators
21 zugeführten Spannungen werden dem gravimetrischen Brennstoffdurchfluß und der
noch verbleibenden Brennstoffmasse durch Mittel proportional gemacht, die im folgenden
näher be schrieben werden.
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Der Block 11' stellt mehrere gravimetrische Durchflußmesser dar,
deren resultierende Ausgangsspannung dem gesamten gravimetrischen Brennstoffdurchfluß
von den Behältern zu allen Maschinen des Flugzeuges proportional ist. Diese Spannung
speist über den Verstärker 72 die Steuerwicklung des kontinuierlich rotierenden
Servomotors 80, dessen Drehzahl der Amplitude der genannten Speisespannung proportional
ist.
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Der Ausgang des von dem Motor 80 angetriebenen Tachometergenerators
69 ist in Serie mit dem Ausgang der Meßeinrichtung 11' und dem Verstärker 72 geschaltet.
Wie bekannt, ist bei einer derartigen Anordnung die Winkelgeschwindigkeit des Motors
80 zu jedem Zeitpunkt proportional der Ausgangsspannung der Einrichtung 11' und
damit dem gesamten gravimetrischen Brennstoffdurchfluß. Der Motor 80 verstellt den
Zeiger eines Instrumentes 89 über eine schematisch dargestellte Wirbelstromkupplung.
Diese Kupplung besteht aus einem von dem Motor angetriebenen Permanentmagneten 83,
der sich innerhalb einer Kappe 85 aus nichtferromagnetischem Material dreht, die
wiederum drehbar innerhalb eines magnetischen Ringkernes 84 gelagert ist. Die Kappe
85 ist an einer Welle 86 befestigt, die durch die Spiralfeder 90 am Rotieren gehindert
wird, so daß die Verdrehung dieser Welle proportional der Winkelgeschwindigkeit
des Motors 80 ist. Die Ausgangswelle 86 verstellt mechanisch den Zeiger des Instrumentes
89, das so den Augenblickswert des gravimetrischen Durchflusses anzeigt. Gleichzeitig
verstellt die Welle 86 (direkt oder über ein Obertragungssystem) den Schleifer des
Potentiometers 94, so daß der Rotorwicklung des Rechentransformators 21 eine Spannung
zugeführt wird, die dem gravimetrischen Brennstoffdurchfluß proportional ist.
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Der Motor 80 treibt weiter über ein Untersetzungsgetriebe (und/oder
ein Übertragungssystem) die Anzeigetrommeln eines Zählwerkes 96. In Fig. 3 ist dieses
Zählwerk mit fünf Trommeln dargestellt, von denen jede die Ziffern 0 bis 9 trägt.
Das Zählwerk ist so aufgebaut, daß die nächsthöhere Trommel jeweils dann um eine
Einheit weiterschaltet, wenn sich die vorhergehende Trommel einmal gedreht hat.
Dieses Zählwerk 96 zeigt also zu jeder Zeit die noch in den Behältern verbleibende
Brennstoffmasse an. Die Trommel 97 mit der höchsten Stellenzahl verstellt (direkt
oder über ein Übertragungssystem) den Schleifer des Potentiometers 99, so daß die
der Statorwicklung des Rechentransformators 21 zugeführte Spannung im wesentlichen
der verbleibenden Brennstoffmasse proportional ist.
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Obwohl der Rechenteil des gerade beschriebenen Ausführungsbeispiels
dem des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 entspricht, kann es natürlich auch entsprechend
dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 abgeändert werden. In dem Ausführungsbeispiel
nach
Fig. 3 kann weiter das Ausgangssignal der durch den Block 11' dargestellten gravimetrischen
Durchflußmenge direkt der Rotorwicklung des Transformators 21 zugeführt werden.
In diesem Falle können das Potentiometer 94 und die es antreibende Wirbelstromkupplung
fortfallen. Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel hat jedoch den Vorteil,
daß an den vorhandenen Anzeigeelementen gleichzeitig der gravimetrische Brennstoffdurchfluß
die noch verbleibende Brennstoffmasse (bzw. die schon verbrauchte Brennstoffmasse)
und die noch verbleibende Flugzeit abgelesen werden können. Das Trommelzählwerk
96 in Fig. 3 kann natürlich durch ein entsprechendes integrierendes oder summierendes
Element, etwa einen Integriermotor, ersetzt werden.