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Mechanische Abtastvorrichtung Die Erfindung bezieht sich auf eine
mechanische Abtastvorrichtung mit einem frei hängenden, von einer Trommel abspulbaren
und am Ende mit einem Gewicht belasteten Seil, das über eine am Ende eines schwenkbar
gelagerten Hebels angeordnete Umlenkrolle geführt ist, wobei der Hebel durch eine
Gegenkraft derart im Gleichgewicht gehalten ist, daß er eine Entlastung des Seilendes
durch eine Schwenkbewegung anzeigt.
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Das am unteren Ende des frei hängenden Seils angebrachte Gewicht
kann eine Aufsetzplatte, ein Schwimmer, eine Sonde od. dgl. sein. Wenn dieses Gewicht
beim Abspulen des Seils auf ein Hindernis trifft, beispielsweise einen Flüssigkeitsspiegel
oder die Oberfläche eines Schüttguts, wird infolge der Gewichtsentlastung das Gleichgewicht
des Hebels plötzlich gestört, so daß dieser eine Schwenkbewegung ausführt. Diese
Schwenkbewegung kann zur Betätigung von Anzeigevorrichtungen oder für Steuer- oder
Regelzwecke ausgenutzt werden. Die Höhe des Hindernisses ist dabei aus der Länge
des abgespulten Seils erkennbar. Eine solche Abtastvorrichtung kann also zum Messen
oder Regeln der Höhe von Füllgütern oder ähnliche Zwecke Verwendung finden.
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Ein wesentliches Problem besteht jedoch dann, daß die auf den Hebelarm
einwirkende Kraft nicht allein durch das am unteren Ende des Seils angebrachte Gewicht,
sondern auch durch das Gewicht des Seils selbst bestimmt ist. Das Gewicht des Seils
hängt aber von der Länge des abgespulten Seilabschnitts ab. Die auf den Hebel einwirkende
Kraft ist also von dieser Länge abhängig. Der Gleichgewichtszustand kann daher im
allgemeinen nur für eine bestimmte Seillänge eingestellt werden. Dies ist insbesondere
für empfindliche Abtastvorrichtungen oder in Fällen. wo das Seil im Vergleich zu
dem angehängten Gewicht sehr schwer ist oder eine sehr große Länge erreichen kann,
als beträchtlicher Nachteil anzusehen.
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Das Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung einer Vorrichtung
der angegebenen Art, bei der eine selbsttätige Kompensation des Seilgewichts stattfindet.
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Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß der von der Umlenkrolle
zur Trommel verlaufende Seilabschnitt derart geführt ist, daß der in einer vertikalen
Ebene gemessene Winkel zwischen diesem Seilabschnitt und dem frei hängenden Seil
mit wachsender Länge des frei hängenden Seils selbsttätig vergrößert wird.
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Von dem Winkel zwischen dem frei hängenden
Seil und dem von der Umlenkrolle
in Richtung zur Trommel verlaufenden Seilabschnitt hängt die Größe der Kraftkomponente
der im Seil herrschenden Zugkraft ab, welche ein zusätzliches Drehmoment auf den
Hebel ausübt. Wenn der von der Umlenkrolle ablaufende Seilabschnitt genau durch
die Schwenkachse des Hebels verläuft, wird kein zusätzliches Drehmoment auf den
Hebel ausgeübt. Wenn der angegebene Winkel kleiner ist, wird das auf den Hebel ausgeübte
Drehmoment vergrößert, also das am Hebelarm hängende Gewicht scheinbar erhöht. Ist
der Winkel dagegen größer, wird das Drehmoment verkleinert, das Gewicht also scheinbar
verringert.
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Die zuvor angegebene Maßnahme nach der Erfindung ergibt also die
Wirkung, daß bei geringem Gewicht des abgespulten Seils ein größeres zusätzliches
Drehmoment ausgeübt wird und daß das zusätzliche Drehm-oment in dem Maße abnimmt,
wie sich die Länge des abgespulten Seils vergrößert, also der vom Seil ausgeübte
Drehmomentanteil zunimmt. Dadurch ergibt sich eine selbsttätige Kompensation des
zunehmenden Gewichts des abgespulten Seils.
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Es sind natürlich verschiedene technische Konstruktionen zur selbsttätigen
Veränderung des angegebenen Winkels möglich. Eine besonders einfache Lösung besteht
nach der Erfindung darin, daß das Seil von der Umlenkrolle unmittelbar auf den Umfang
der Trommel in nebeneinanderliegenden Windungen aufläuft und daß die die Auflaufpunkte
enthaltende Mantellinie der Trommel im Winkel zu der Schwenkachse des Hebels angeordnet
ist.
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Bei dieser Ausführungsform ergibt sich die erforderliche Änderung
des Seilwinkels ohne irgendwelche zusätzlichen Teile allein durch die Verschiebung
des
Auflaufpunkts des Seils auf dem Trommelumfang. Es ist dabei unerheblich, ob diese
Auflaufpunkte alle unter der Schwenkachse des Hebels liegen oder alle über dieser
Schwenkachse oder zum Teil darunter und zum Teil darüber, denn die davon abhängigen
Grenzwerte des zusätzlichen Drehmoments können stets durch die auf den Hebel einwirkende
Gegenkraft ausgeglichen werden, beispielsweise durch ein Gewicht, das am anderen
Hebelarm angehängt ist. Maßgeblich ist in jedem Fall nur die Änderung dieses zusätzlichen
Drehmoments in Abhängigkeit von der abgespulten Seillänge zwischen diesen Grenzwerten.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielshalber
erläutert. Darin zeigt F i g. 1 eine schematische Darstellung einer mechanischen
Abtastvorrichtung, F i g. 2 ein Diagramm zur Erläuterung des der Erfindung zugrunde
liegenden Prinzips, F i g. 3 eine schematische Darstellung einer zur Durchführung
dieses Prinzips geeigneten Vorrichtung und F i g. 4 eine perspektivische Darstellung
einer nach dem Prinzip von Fig. 3 ausgeführten Vorrichtung.
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Die in Fig. 1 gezeigte Abtastvorrichtung enthält eine zylindrische
Seiltrommel 1, die um eine Achse 2 drehbar gelagert ist. Von dieser Seiltrommel
1 ist ein Seil 3 abspulbar. Das Seil 3 trägt am Ende ein Gewicht 4. Es läuft über
eine Umlenkrolle 5, die am einen Ende eines zweiarmigen Hebels 6 gelagert ist.
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Der Hebel 6 ist um eine Achse 7 schwenkbar und trägt am anderen Ende
ein Gegengewicht 8. Durch Drehen der Trommel 1 wird das Seil 3 auf- bzw. abgespult,
so daß sich das Gewicht 4 hebt und senkt.
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Das Gegengewicht 8 ist so angeordnet und bemessen, daß der Hebel 6
normalerweise gerade im Gleichgewicht ist. Wenn die vom Gewicht 8 auf den Hebelarm
6 ausgeübte Kraft mit P1 und die vom Gewicht 4 ausgeübte Kraft mit P., bezeichnet
werden, und die Hebelarme, an denen diese Kräfte wirken, mit a bzw. b bezeichnet
werden, gilt offensichtlich P1 . a = P2 . b.
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Wenn nun das Gewicht 4 beim Absenken des Seils 3 auf ein Hindernis
trifft, wird das Seil plötzlich entlastet, so daß der Gleichgewichtszustand gestört
wird und der Hebel 6 sich gegen den Uhrzeigersinn verschwenkt. Diese Schwenkbewegung
kann zur Auslösung von Anzeige-, Steuer- oder Regelvorgängen ausgenutzt werden.
Die Länge des abgespulten Seils 3 ist dabei ein Maß für die Höhe des Hindernisses.
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Bei der vorstehenden Betrachtung wurde das Eigengewicht des Seils
3 vernachlässigt. Wenn nämlich das Gewicht 4 in die gestrichelt gezeichnete untere
Stellung gebracht wird, wirkt auf den Hebel 6 nicht nur die von diesem Gewicht ausgeübte
Kraft, sondern auch die Kraft, die vom Eigengewicht des zusätzlich abgespulten Seils
stammt. Wenn das Gewicht des Seils pro Längeneinheit mit p und die Länge des zusätzlich
abgespulten Seils mit L bezeichnet werden, beträgt das Gesamtgewicht P3 P3= P2 +
P L .
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Dann gilt für die auf den Hebel 6 einwirkenden Drehmomente offensichtlich
die Beziehung P, a < P, b.
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Der Hebel 6 ist also dann nicht mehr im Gleichgewicht, wobei der
vom Seilgewicht hervorgerufene Drehmomentanteil von der Länge L des jeweils abgespulten
Seils abhängt. Diese von der Hphe des Geivichts 4 abhängige Störung des Gleichgewichtszustands
kann für empfindliche Meß- oder Regelvorgänge sehr unerwünscht sein.
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Bei der Anordnung von F i g. 1 verläuft der von der Umlenkrolle 5
zur Trommel 1 gehende Seilabschnitt 9 bzw. dessen Verlängerung genau durch die Schwenkachse
des Hebels 6. Der Winkel zwischen diesem Seilabschnitt 9 und dem frei hängenden
Seilabschnitt beträgt in der Darstellung etwa 90°, doch hängt die Größe dieses Winkels
offensichtlich von der Lage des Hebels 6 und der Anordnung der Umlenkrolle 5 ab.
Auf jeden Fall kann die im Seil bestehende Zugkraft P3, auf den Hebel 6 keine Kraftkomponente
ausüben, die ein Drehmoment hervorruft. Dabei gilt offensichtlich P3/= P3.
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In F i g. 2 sind die Kräfteverhältnisse für den Fall dargestellt,
daß der von der Umlenkrolle 5 kornmende Seilabschnitt nicht durch die Schwenkachse
des Hebels 6 verläuft. Der Seilabschnitt 9' verläuft schräg nach unten unter der
Schwenkachse 7 hindurch, so daß bei sonst gleicher Ausbildung der Teile der Winkel
< kleiner als der Winkel o; in F i g. 1 ist. Die im Seil herrschende Zugkraft
P3, läßt sich in zwei Komponenten P4 und P5 zerlegen, von denen die Komponente P4
parallel zum Hebel verläuft und somit kein Drehmoment auf diesen ausübt, während
die Komponente P5 nach unten gerichtet ist und ein; zusätzliches Drehmoment erzeugt,
das sich zu dem von der Kraft P3 erzeugten Drehmoment addiert.
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Dies entspricht einer scheinbaren Vergrößerung der Kraft P3 um die
Kraft P5.
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Der Seilabschnitt 9" ist schräg nach oben gerichtet, so daß er über
die Schwenkachse 7 des Hebels 6 hinweggeht. Der Winkel a" ist in diesem Fall größer
als der Winkel N von F i g. 1. Die Zugspannung .s' im Seil läßt sich dann wieder
in zwei Komponenten P4 und P5 zerlegen, von denen die Komponente P4 kein Drehmoment
auf den Hebel 6 ausübt, während die Komponente P5 ein Drehmoment ausübt, das jedoch
nun dem von der Kraft, erzeugten Drehmoment entgegengesetzt gerichtet ist. Dies
entspricht einer scheinbaren Verringerung der Kraft P3.
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Je nach der Richtung, welche dem Seilabschnitt 9 erteilt wird, ist
es daher möglich, das auf den Hebel 6 wirkende scheinbare Gewicht zu verringern
oder zu vergrößern. Diese Tatsache kann dazu ausgenutzt werden, den von der Länge
des abgespulten Seilabschnitts hervorgerufenen Gewichtsanteil p L zu, kompensieren.
Zu diesem Zweck ist es lediglich erforderlich, den Winkel a in Abhängigkeit von
der Länge des abgespulten Seils zu verändern.
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Eine einfache konstruktive Lösung hierfür ist in Fig.3 dargestellt.
Sie besteht darin, daß der Auflaufpunkt des Seils auf den Umfang der Trommel 1 in
Abhängigkeit von der Länge des abgespulten Seils angehoben wird. Fig.3 zeigt beispielsweise
die Trommel 1 in ausgezogenen Linien in der Stellung, in welcher der Seilabschnitt
9 durch die Schwenkachse des Hebels 6 geht, so daß von der Zugkraft des Seils kein
zusätzliches Drehmoment auf den Hebel ausgeübt wird. Dies entspricht beispielsweise
einer mittleren Stellung des Gewichts 4, und der Hebel 6 wird für diese Stellung
ins Gleichgewicht gebracht.
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In dem Maße, wie das Gewicht 4 in eine obere
Stellung
4' angehoben wird, so daß sich das Eigengewicht des frei hängenden Seils verringert,
wird die Trommel in eine tiefere Stellung 1' gebracht, so daß ein zusätzliches Drehmoment
erzeugt wird, welches den durch die Abnahme des Seilgewichts hervorgerufenen Drehmomentverlust
kompensiert. Wird dagegen das Gewicht 4 in eine tiefere Stellung 4" gebracht, wird
die Trommel in eine höhere Stellung 1" angehoben, so daß ein negatives Drehmoment
entsteht. welches den vom zusätzlichen Seilgewicht hervorgerufenen zusätzlichen
Drehmomentanteil kompensiert.
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Die Höhe des Auflaufpunktes kann in diesem Fall zwischen den Stellungen
1' und 1" verändert werden. Diese Stellungen entsprechen den beiden Grenzwerten,
zwischen denen das zusätzliche Drehmoment veränderlich ist. Es ist natürlich nicht
erförderlich diese Grenzwerte symmetrisch zu dem der Stellung 1 entsprechenden Wert
Null zu legen. Beispielsweise kann es in bestimmten Fällen günstiger sein, die Lage
des Auflaufpunkts von der Stellung 1 nur nach oben oder nur nach unten zu verändern.
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In F i g. 4 ist ein praktisches Ausführungsbeispiel gezeigt, bei
welchem die Veränderung der Höhe des Auflaufpunktes des Seils ohne zusätzliche bewegliche
Einrichtungen selbsttätig erfolgt.
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Dies geschieht einfach dadurch, daß die Achse der zylindrischen Trommel
1 nicht parallel zu der Achse des Hebels 6 angeordnet ist, sondern mit dieser einen
Winkel ß bildet. Die Trommel ist ferner so ausgebildet, daß sich das Seil in nebeneinanderliegenden
Windungen aufwickelt, wobei der Seilabschnitt 9' bei vollständig aufgewickeltem
Seil zu der tiefsten Stelle der Trommel läuft, während der Seilabschnitt 9" bei
vollständig abgewickeltem Seil zu dem höchsten Punkt der Trommel läuft. Während
des Auf- oder Abspulens des Seils wandert also der Auflaufpunkt entlang der Mantellinie,
die gleichfalls im Winkel ß zu der Achse 7 des Hebels 6 steht. Bei geeigneter Bemessung
des Winkels ß kann der von der Länge des abgespulten Seils abhängige Anteil des
Drehmoments praktisch vollständig kompensiert werden.
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Damit diese Bewegung des Seilabschnitts 9 ungehindert möglich ist,
ist der Hebel 6 bei der Ausführungsform von Fig.4 in Form eines Rahmens mit zwei
Seitenteilen 6 a und 6b ausgebildet, welche über ein Querstück 6c starr miteinander
verbunden sind, das das Gegengewicht 8 trägt. Die Seitenteile 6a und 6b sind in
Schwenklagern 7a und 7b gelagert, und ihr Abstand ist mindestens gleich der Breite
der Trommel 1.
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Es ist bei der Ausführungsform von Fig. 4 unerheblich, ob die Schwenkachse
des Hebels 6 horizontal liegt und die Achse der Trommel 1 gegen die
Horizontale geneigt
ist oder ob umgekehrt die Trommelachse horizontal liegt und die Schwenkachse des
Hebels 6 gegen die Horizontale geneigt ist.
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Das Gegengewicht 8 kann natürlich durch eine andere auf den Hebel
6 wirkende Kraft ersetzt werden beispielsweise eine Feder, die gegebenenfalls auch
am gleichen Hebelarm wie die Umlenkrolle 5 angreifen kann, so daß ein einarmiger
Hebel Verwendung finden kann.
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Anstatt die Achse einer zylindrischen Trommel im Winkel zur Schwenkachse
des Hebels anzuordnen, wäre es auch möglich, die Trommel kegelförmig auszubilden,
weil auch dadurch erreicht werden könnte, daß die die Auflaufpunkte enthaltende
Mantellinie der Trommel im Winkel zur Schwenkachse des Hebels liegt, so daß sich
der Seilwinkel in Abhängigkeit von der Seillänge von selbst verändert.