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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nir Einstellung konstanter
Strömungsgeschwindigkeiten einer aus einem oben offenen, mit der freien Atmosphäre
in Verbindung stehenden Behälter strömenden Flüssigkeit.
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Um aus der Öffnung eines Gefäßes eine Flüssigkeit mit konstanter
Geschwindigkeit ausströmen zu lassen, muß man die Höhe des Flüssigkeitsspiegels
sehr genau durch Nachfüllen von Flüssigkeit konstant halten.
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Dies ist nicht immer ganz einfach. Zur Vermeidung dieses umständlichen
Nachfüllens ist es bekannt, mit Hilfe der sogenannten Mariotte'schen Flasche die
konstante Ausströmgeschwindigkeit unabhängig von der Höhe des Flüssigkeitsspiegels
zu erzielen. Bei einer bekannten Ausführungsform dieser Art sind an dem als Mariotte'sche
Flasche ausgebildeten Flüssigkeitsbehälter Einrichtungen vorgesehen, durch welche
unerwünschte Einflüsse von Temperaturschwankungen und Schwankungen im Luftdruck
auf die abgegebene Flüssigkeitsmenge pro Zeiteinheit vermieden werden. Darüber hinaus
sind Mittel vorgesehen, um den statischen Flüssigkeitsdruck vor dem Auslaßventil
verändern zu können. Ein ebenfalls bekanntes Präzisionstropfgerät, das nach diesem
Prinzip arbeitet, umfaßt eine als Vorratsbehälter dienende Mariotte'-sche Flasche,
welche die Aufgabe hat, den hydrostatischen Druck an der Ausflußöffnung der Vorrichtung
konstant zu halten. Bei der sogenannten Mariotte'schen Flasche ist der Flüssigkeitsbehälter
luftdicht abgeschlossen. Abgesehen von der Ausflußöffnung besteht die einzige Verbindung
des Behälterinnenraums mit der äußeren Atmosphäre aus einem an beiden Enden offenen
Rohr, welches durch die Flaschenwand von oben luftdicht eingeführt ist und ein bestimmtes
Stück in die in der Flasche enthaltene Flüssigkeit eintaucht. Je nach Eintauchtiefe
des Rohrs ergibt sich eine andere Ausströmgeschwindigkeit für die in der Flasche
enthaltene Flüssigkeit, d. h. je nachdem wie weit das Rohr mit seinem unteren Ende
vom Boden der Flasche bzw. von der Ausfüllöffnung entfernt ist, wird eine größere
oder kleinere Menge an Flüssigkeit der Flasche entströmen. Dieses Gerät weist somit
zwei Nachteile auf, welche allen denwenigen Flüssigkeitszuteilvorrichtungen eigentümlich
sind, welche nach dem Prinzip der Mariotte'sche Flasche arbeiten. Es ist dies einmal
die Unmöglichkeit, mit einem derartigen Gerät kontinuierlich zu arbeiten, da eine
Nachfüllung der Flasche ohne Abbrechung des Flüssigkeitsablaufs nicht möglich ist.
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Zum anderen ist die Forderung, daß Luft von der äußeren Atmosphäre
nur über das an beiden Enden offene Rohr in die Flasche gelangen darf, da andernfalls
der Abfluß nicht mehr konstant bleibt, mit einfachen Mitteln nicht zu erfüllen.
Es ist äußerst schwierig und kostspielig, eine absolut luftdichte Einführung eines
in seiner Längsrichtung verschiebbaren Rohrs herzustellen, und es dürfte notwendig
sein, entweder eingeschliffene Teleskoprohre oder die Einstellung auf verschiedene
Abströmgeschwindigkeiten mittels Ventilen vorzunehmen, wie sie bei den bekannten
Vorrichtungen angeordnet sind. Dies stellt aber eine teure und komplizierte Lösung
dar.
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Es ist weiterhin eine Vorrichtung zur Einstellung konstanter Strömungsgeschwindigkeiten
für Flüssigkeiten bekannt, die aus einem offenen Behälter ausströmen. Zu diesem
Zweck ist ein Schwimmer in dem Behälter vorgesehen, in welchem sich entsprechend
seiner Eintauchtiefe ein bestimmtes Flüssigkeitsniveau
einstellt. Von diesem Schwimmer
führt eine Leitung nach außen, deren Einlaßöffnung durch ein Nadelventil für Dosierzwecke
veränderbar ist. Da der Schwimmer der abnehmenden Flüssigkeitshöhe in dem Behälter
folgt, ist vor der Einlaßöffnung des Rohrs stets der gleiche statische Druck vorhanden,
da die Eintauchtiefe des Schwimmers konstant bleibt.
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Da mit einer solchen Vorrichtung nur eine bestimmte Ausflußgeschwindigkeit
erzielbar ist, muß ein Dosierventil vorgesehen sein, welches eine geringere Geschwindigkeit
einzustellen gestattet. Ein solches Ventil muß aber besonders exakt ausgeführt sein,
um eine genaue Regelung zu ermöglichen, was zu einer Verteuerung dieses Geräts führt.
Außerdem ist es ohne Auswechseln oder sonstige größere Veränderung des Schwimmers
nicht möglich, eine größere Ausströmgeschwindigkeit zu erzielen, als sie bei vollständig
geöffnetem Ventil bereits möglich ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Einstellung konstanter
Strömungsgeschwindigkeiten von aus offenen Behältern strömenden Flüssigkeiten zu
schaffen, der die Strömungsgeschwindigkeit vom jeweiligen Stand des Flüssigkeitsniveaus
im Behälter unabhängig ist. Dabei soll es die Vorrichtung ermöglichen, jede beliebige
konstante Geschwindigkeit unabhängig vom Flüssigkeitsspiegel einzustellen.
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Dies wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß
erreicht durch eine in der Flüssigkeit des Behälters höhenverstellbar angebrachte
gasgefüllte, unten offene, als Gaskompressor wirkende Kammer mit einem möglichst
großen Querschnitt an ihrem unteren Ende, in welcher der Gasdruck dem vertikalen
Abstand zwischen der Grenzfläche Gas/Flüssigkeit in ihr und der freien Flüssigkeitsoberfläche
im Behälter proportional ist, ferner durch ein Rohr kleinen Volumens, das die gasgefüllte
Kammer mit dem unter gleichem Gasdruck stehenden, mit dem Flüssigkeitsbehälter durch
ein Abflußrohr verbundenen Teil eines Sammelgefäßes für die ausströmende Flüssigkeit
verbindet, und eine Ausflußvorrichtung, die derart am Sammelgefäß angebracht ist,
daß immer gleiche Flüssigkeitsmengen ausfließen wie in das Sammelgefäß aus dem Flüssigkeitsbehälter
zufließen. Hierdurch wird eine äußerst einfache und robuste Vorrichtung geschaffen,
bei der einfache, keine besondere Bearbeitung erfordernde Teile zur Anwendung kommen,
die, sofern sie einstellbar sind, keiner besonderen Abdichtung ihrer Führungen bedürfen,
da der Behälter ohnehin offen ist. Außerdem kann der Flüssigkeitsbehälter ohne Unterbrechung
der ausströmenden Flüssigkeit nachgefüllt werden. Die Vorrichtung eignet sich auch
besonders für korrodierende oder radioaktive Flüssigkeiten.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Ausflußvorrichtung
am Sammelgefäß aus einem Flüssigkeitsverschluß mit zwei vertikalen Zweigen bestehen,
die an ihren unteren Enden miteinander und an ihren oberen Enden mit der Kammer
und dem Behälter einerseits sowie mit der freien Atmosphäre andererseits in Verbindung
stehen.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung, in welcher Ausführungsbeispiele
dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Längsschnitt, F i g. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung
im Längsschnitt,
F i g. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung
im Längsschnitt.
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F i g. 1 zeigt einen offenen Behälter 10 mit einem Abflußrohr 11,
das von einem Punkt in der Nähe des Behälterbodens ausgeht. Dieses Rohr mündet über
eine aufwärts gerichtete Krümmung 12 und einen waagerechten Teil 13 in das obere
Ende des einen Zweigs 14 eines U-förmigen Rohrs, dessen anderer Zweig 15 an seinem
freien Ende eine nach unten ausmündende Krümmung 16 besitzt. In den Behälter 10
taucht ein senkrechtes Rohr 17 ein, das an seinem unteren Ende eine schalenförmige
Kammer 18 trägt, deren Querschnitt beträchtlich größer ist, als derjenige des Rohrs
17 und derjenige des Rohrs 14. Das obere Ende des Rohrs 17 ist durch ein schmales
Rohr 19 mit dem obersten Teil des waaggerechten Rohrteils 13 verbunden. Um ein Heben
und Senken des Rohrs 17 relativ zum Behälter 10 zu ermöglichen, ist das Verbindungsrohr
19 mit einer Expansionsschleife 20 versehen. Der durch die Kammer 18, die Rohre
17 und 19 und den oberen Teil des Rohrs 14 abgegrenzte Raum ist mit Luft oder anderem
Gas oder mit einer Flüssigkeit gefüllt, die wesentlich leichter als die im Behälter
10 befindliche Flüssigkeit ist und sich mit dieser nicht vermischen kann.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Vorrichtung ist die folgende:
Der Höhenunterschied zwischen dem unteren Rand der Kammer 18 und der freien Flüssigkeitsoberfläche
21 im Behälter 10 sei A. Der Höhenunterschied zwischen dem unteren Kammerrand und
der durch den waagerechten Rohrteil 13 gebildeten Überlaufkante 22 ist mit H bezeichnet.
Der Flüssigkeitsdruck an der Überlaufkannte 22 ist gleich A + H.
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Die Flüssigkeitssäule A übt aber einen statischen Druck der gleichen
Größe auf das im Raum 18, 17, 19, 14 eingeschlossene Gas aus. Der Druck des eingeschlossenen
Gases bewirkt, daß die freie Flüssigkeitsoberfläche im unteren Teil des Rohrs 14
eine Lage 23 im Abstand A unterhalb der freien Flüssigkeitsoberfläche im Rohrteil
15 einnimmt. Daraus folgt, daß im Punkt 22, d. h. am Auslaßende des Abflußrohrs
11 ein Gasdruck A herrscht und daß die Druckdifferenz zwischen Flüssigkeit und Gas
an diesem Platz A + H - A = H beträgt, d. h., die Flüssigkeit fließt durch das Abflußrohr
11 unter dem Einfluß eines konstanten statischen Drucks, der ausschließlich von
der Höhendifferenz H zwischen dem unteren Rand der Kammer 18 und dem Punkt 22 abhängt.
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Die über die Überlaufkante 22 passierende Flüssigkeit fließt längs
der Innenwand des gasgefüllten Rohrs 14 und wird in der Flüssigkeitssammlung am
Boden des Rohrs empfangen, wodurch sie den Austritt eines entsprechenden Flüssigkeitsvolumens
aus dem flüssigkeitsgefüllten Raume durch die Auslaßmündung der Rohrkrümmung 16
veranlaßt. Durch eine Eichung des Geräts für Flüssigkeiten verschiedener Dichte
und Zähigkeit ist es somit möglich, das jeweilige Verhältnis zwischen der Flüssigkeitsabgabe
und der Höhendifferenz H für jede besondere Flüssigkeit empirisch zu bestimmen.
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Falls die Kammer 18 bis zu einer Lage 18' herabsinkt, in der sich
der untere Kammerrand auf einer niedrigeren Höhe als die Überlaufkante 22 befindet,
wird der Druck im Inneren des gasgefüllten Raums den Flüssigkeitsdruck an der freien
Flüssigkeitsoberfläche im Abflußrohr 11, 12 übersteigen, was bedeutet, daß keine
Flüssigkeit den Behälter 10 verlassen kann.
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Es ist aber selbstverständlich, daß, streng genommen, die Höhendifferenz
H nicht vom unteren Rand der Kammer 18 aus gemessen werden soll, sondern vielmehr
ab der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Gas innerhalb der Kammer. Außerdem wird
sich die Lage dieser Grenzfläche relativ zum unteren Kammerrand ein wenig ändern,
wenn die freie Flüssigkeitsoberfläche 21 im Behälter 10 herabsinkt, bedingt durch
die Volumenvergrößerung des eingeschlossenen Gases mit abfallendem statischen Druck
A. Diese Fluktuation ist aber so klein, daß sie unschädlich ist, falls der Querschnitt
der Kammer 18 im Vergleich zu demjenigen des in kommunizierender Verbindung mit
der Kammer stehenden, vom Rohr 17 begrenzten Luftraums groß, und die Höhe der Kammer
im Vergleich mit ihren Querschnittsabmessungen klein ist.
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Falls das Rohr 17 keine Kammer trägt, wird sich dagegen die Grenzfläche
zwischen Gas und Flüssigkeit beträchtlich herabsenken, wenn die freie Flüssigkeitsfläche
im Innern des Behälters 10 sinkt.
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Die Aufwärts- und Abwärtsbewegung des Rohrs 17 im Behälter 10, um
die wirksame Druckhöhe H zwecks einer Regulierung der Flüssigkeitsabgabe aus dem
Behälter zu variieren, kann bequem von einer entfernten Bedienungsstelle aus durch
Fernkontrollorgane, wie einen hydraulischen Motor oder ein Zahnstangengetriebe,
gesteuert werden.
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In der abgeänderten Ausführungsform nach F i g. 2 ist die Kammer
18 am unteren Ende einer vertikalen Stange 24 befestigt, die durch Reibungskräfte
in einer Führung25 gehalten ist, um eine Verstellung der Höhe des unteren Kammerrands
relativ zum Gefäß zu ermöglichen. Das Flüssigkeits-Ablaufrohr 11 hat einen nach
oben abgewinkelten Endteil 12, der in den oberen Teil eines vertikalen Rohrs 26
ausmündet, das am oberen Ende geschlossen, am unteren Ende aber offen ist. Das Rohr
26 taucht von oben her in ein offenes Gefäß 27, das mit einem Überlauf-Auslaßrohr
28 versehen ist. In den oberen Teil des Rohrs 26 mündet auch ein schlankes Rohr
29 aus, das die Bodenwand des Behälters 10 vom Innern der Kammer 18 aus unter Durchlaufen
einer spiralförmigen Expansionsschleife 30 durchsetzt und das unmittelbar unterhalb
des Kammerdachs, an welchem das Rohr befestigt ist, mit einer Öffnung 31 versehen
ist, derart, daß der Innenraum der Kammer 18 durch das Rohr 29 mit dem Luftraum
im Inneren des Rohrs 26 in kommunizierender Verbindung steht. Das Rohr 26 und das
Gefäß 27 bilden zusammen ein Äquivalent des U-förmigen Rohrs 14, 15 gemäß F i g.
1. Die Flüssigkeit fließt vom Behälter 10 zum Rohr 26 durch das Rohr 11, 12 unter
der Einwirkung eines wirksamen statischen Drucks H, wobei die vom Rohr 12 abgegebene
Flüssigkeit längs der Innenwandung des Rohrs 26 herabfließt und von der das Rohr
bis auf die Höhe 32 füllenden Flüssigkeit aufgefangen wird. Da aber diese Pegelhöhe
unverändert bleiben muß, verläßt die gleiche Flüssigkeitsmenge das Rohr 26 an seinem
unteren Ende und wird von der Flüssigkeit im Inneren des Gefäßes 27 aufgenommen,
wodurch sie den Ablauf der gleichen Flüssigkeitsmenge durch das Überlaufrohr 28
veranlaßt.
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Bei der Ausführung nach F i g. 3 wird der offene Flüssigkeitsbehälter
nach wie vor mit 10 bezeichnet.
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Gleitbar unter Reibung in einer ortsfest angeordneten Führung 25 ist
eine vertikale Stange 24. Die Stange 24, die somit in jede beliebige Lage verstellt
und in dieser gehalten werden kann, hat am oberen Ende
einen Bedienungsgriff
und am unteren Ende derselben ist ein schalenförmiges Organ oder eine Kammer 18
angebracht, die ihr offenes Ende nach unten kehrt. In das schalenförmige Organ 18
ragt ein ortsfest angeordnetes vertikales Rohr 33. Dieses Rohr 33 ist durch den
Boden des Behälters 10 hindurchgeführt und taucht in ein Gefäß 34, das von der Unterseite
des Bodens des Behälters 10 herabhängt. Das Rohr 33 mündet in gewissem Abstand oberhalb
des Bodens des Gefäßes 34 aus, dessen oberer Endteil mit einem Überlaufrohr 35 versehen
ist. Derjenige Teil des Rohrs 33, der in den Behälter 10 ragt, ist durch ein weiteres,
flexibles Rohr 36 umgeben, so daß ein ringförmiger Zwischenraum 37 zwischen den
zwei Rohren besteht und in gewissem Abstand oberhalb des unteren Endes des Rohrs
36 ist das Rohr 33 mit mindestens einer Auslaßöffnung 37' versehen.
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Wie in F i g. 3 angedeutet, ist der offene Behälter 10 bis auf das
Niveau 38 mit Ö1 oder sonstiger Flüssigkeit gefüllt und daß Gefäß 34 enthält Öl
bis zur Höhe des Überlaufrohrs 35. Innerhalb des Rohrs 33 ist das Öl bis auf die
Höhe 39 und innerhalb der schalenförmigen Kammer 18 bis auf die Höhe 40 gestiegen.
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Der eingeschlossene Raum zwischen den Ölpegeln 40 und 39 ist mit Luft
oder einem anderen, in der Flüssigkeit im wesentlichen nichtlöslichen Gas gefüllt.
Der Druck der eingesperrten Luft ist gleich dem senkrechten Abstand A zwischen der
freien Flüssigkeitsoberfläche 38 im Behälter 10 und derjenigen 40 innerhalb der
Kammer 18, und selbstverständlich bewirkt der Überdruck der eingesperrten Luft eine
genau so große Herabsenkung des Ölpegels 39 im Innern des Rohrs 33, daß der Abstand
zwischen diesem Pegel und der Höhe des Auslaßrohrs 35 auch gleich A wird, wie in
der Figur angedeutet.
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Unter dem Einfluß des Atmosphärendrucks und des statischen Öldrucks
A + H wird Ö1 durch die Öffnung 37' in einen Raum verdrängt, der mit einem Gas gefüllt
ist, dessen Druck gleich dem Atmosphärendruck plus dem durch die Ölsäule A bewirkten
Druck ist, was bedeutet, daß der resultierende Druckunterschied, durch den Öl durch
die Öffnung 37' hinein verdrängt wird, gleich dem Druck einer Ölsäule der Höhe H
ist. Je nach dem Abfall des Ölpegels 38 und dem Anstieg der Höhe A im Innern des
Behälters 10 fällt der Druck des eingesperrten Gases ab, was bedeutet, daß das Ölpegel
40 sich dem unteren Rand
der Kammerl8 annähert; da aber die Höhe A im Vergleich zur
Höhe einer dem Atmosphärendruck entsprechenden Ölsäule immer klein ist, sind die
Höhenvariationen des Ölpegels 40 so klein, daß sie praktisch bedeutungslos sind.
Daraus folgt, daß der statische Druck H, der Öl durch die Öffnung 37' drängt, unabhängig
von der im Behälter befindlichen Ölmenge praktisch konstant bleibt, was bedeutet,
daß die Ölabflußmenge praktisch konstant bleibt. Die Variationen des Ölpegels 40
werden selbstverständlich um so kleiner, je kleiner das eingeschlossene Gasvolumen
ist.