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Anlage zur Patent- und Gebrauchsmus terhilfs anmeldung Durchflußmesssr
mit einem Schwebekörper Die Erfindung betrifft einen Durchflußmesser mit einem Schwebekörper
in einem durchströmten konischen Zylinder, insbesondere zur Kraftstoffverbrauchsmessung
bei Kraftfahrzeugen.
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Wie schon ihr Name sagt, werden Durchflußmesser überall dort verwendet,
wo der Durchsatz an flüssigem oder gasförmigem Medium ermittelt werden soll. Dies
kann in Anlagen der Varfahrenstechnik der Fall sein, sowie z.B. bei Kraftstoffverbrauchsmessern
für Brennkraftmaschinen aller Art. Mit der Verteuerung der Kraftstoffe ist es nicht
zuletzt für den Autofahrer interessant geworden, in welchem Drehzahl- bzw.
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Geschwindigknitsbereich sein Fahrzeug am wirtschaftlichsten zu fahren
ist.
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Es ist bereits ein Kraftstoff-Durchflußmesser auf der Basis eines
geführten Schwebekörpers in einem konischen Rohr bekanntgeworden, bei dem ein mit
dem Schwebekörper in Verbindung stehender Zeiger vor einer Skala hin und herbewegt
werden kann entsprechend der Durchflußmenge durch den konischen Zylinder. Der Zeiger
in Form einer Kugel bewegt sich dabei vor einer Skala, die in Liter pro Stunde geeicht
ist. Hinter dem Zeiger ist eine mit dem Tachometer in Verbindung stehende Walze
angebracht zur Anzeige des Verbrauches pro Kilometer.
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Nachteilig an dieser Anordnung ist ihre Installation innerhalb der
Zelle des Kraftfahrzeuges, um im Sichtbereich des Fahrers zu liegen. Da in diesem
Fall der Kraftstoff ebenfalls z.B. zum Armaturenbrett geführt werden muß, bedeutet
diese Art eines Durchflußmessers ein großes Sicherheitsrisiko bei einem Unfall.
Würde die Skala innerhalb der Zelle des Kraftfahrzeugs angebracht sein und der konische
Zylinder mit dem Schwebekörper außer,hab, dann würden sich infolge des sich dadurch
ergebenden Abstandes zwischen Schwebekörper und Zeiger Reibungsprobleme ergeben.
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Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Durchflußmessers,
der sich vor allem durch einen einfachen Einbau in ein bestehendes System auszeichnet
und z.B. bei einem Einbau ins Kraftfahrzeug keine Umwegleitung für den Kraftstoff
erfordert. Darüberhinaus soll der Schwebekörper von äußeren Kräften und Massen möglichst
wenig beeinflußt sein.
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Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daR der Schwebekörper von einer
Lichtquelle anstrahlbar ist und eine Einrichtung zur Lageerkennung des Schwebekörpers
mittels der am Schwebeträger reflektiergen Lichtstrahlen vorgesehen ist.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich,
wenn die Anstrahlung axial erfolgt und der Schwebekörper wenigstens an einem Ende
wenigstens eine als Reflexionsfläche dienende Abflachung zur radialen Auslenkung
des anal einfallenden Lichtes aufweist. Dies vor allem dann, wenn der Schwebekörper
Mittel zur Rotation im strömenden
Medium besitzt.
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Bei dieser Lösung der Aufgabe ist die eindeutige Lageerkennung des
Schwebekörpers und damit die genaue Mengenbestimmung des Durchflusses möglich.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich in
Verbindung mit den Unteransprüchen und den Beispielen, die im Anschluß beschrieben
und näher erläutert sind. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines
Fahrzeuges, Fig. 2 eine Seitenansicht des Durchflußmessers, mit Lichtleiteranordnung,
Fig. 3 ein Teilschnittbild des Durchflußmessers, von Fig. 2, Fig. II eine Halterung
mit einer Anordnung von gegeneinander versetzten Lichtleitern, Fig. 5 eine Draufsicht
auf eine Halterung mit einer Anordnung von gegeneinander versetzten Lichtleitern,
Fig. 6 eine Anordnung eines fotoelektrischen Potentiometers Fig. 7 eine Seitenansicht
des fotoelektrischen Potentionmeters von Fig. 6, Fig. 8 eine Anzeigeanordnung im
Sichtbereich des Fahrers und Fig. 9 ein Teilschnittbild der Anzeigeanordnung von
Fig. 8.
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In Fig. 1 sind vier Räder von 10 bis 13 gezeichnet, wobei die angtriebenen
Räder 12 und 13 mit einer Brennkraftmachine i in Verbindung stehen. Von einem Kraftstofftank
15 führt einesSraftstoffleitung 16 über einen Durchflußmesser 30 zu der angedeuteten
Brennkraftmaschine 14. Mit 18 sei ein Tachogenerator
bezeichnet,
der sein Ausgangssignal an einen Tachometer 19 im Blickfeld einer Bedienungsperson
hinter dem Steuerrad 20 weitergibt. In unmittelbarer Nähe des Tachometers 19 ist
eine Anzeigeanordnung 22 gezeichnet.
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über eine Signalverbindung 25 ist die Anzeigeanordnung 22 mit einem
Signalausgang 31 des Durchflußmessers 30 gekoppelt.
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Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht des Durchflußmessers 3o.
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Die Durchflußrichtung des Kraftstoffes ist durch zwei Pfeile angedeutet
und mit 32 ist der Kraftstoffeinlaß bezeichnet sowie mit 33 der entsprechende Krafts';offauslaß
Dazwischen befindet sich ein konischer Zylinder 34, dessen größerer Durchmesser
sich am Kraftstoffauslaß 33 befindet. In diesem konischen Zylinder 34 ist ein Schwebekörper
35 an einem Draht 36 zentrisch geführt. Der Schwebekörper 35 besitzt eine Schrägverzahnung
38, einen eine abflachung 45 aufweisenden Kegel 39 am kraftstoffauslaßseitigen Ende,
sowie am einlaßseitigen Ende einen zylinder örmigen Ansatz 40 sowie als Abschluß
einen weiteren Kegel 41. Zu seiner Führung ist der Schwetekörper 35 auf seiner ganzen
Länge zentrisch durchbohrt. Befestigt ist der Draht 36 zur Führung des Schwebekörpers
35 zu beiden Seiten des Durchflußmessers 30 in Drahthalterungen 43 und 44. Die Drahthalterung
44 trägt außerdem eine kleine Bürste 46 und ist besonders für eine optische Verbindung
zwischen einer Lampe 48 und dem Kegel 39 auf dem Schwebekörper 35 ausgebildet. In
dem beschriebenen Beispiel ist als Führung des Schwebekörpers ein Draht angegeben.
Möglich ist jedoch auch eine St abführung, wobei verschiedene Materialien wie z.B.
Glas für den Stab verwendet werden können.
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Auf der Außenseite des Durchflußmessers 30 ist eine Halterung 50 auf
einer Schwalbenschwanzführung 51 längsverschiebbar angeordnet. Die Innenseite des
konischen Zylinders 34 ist nun so ausgebildet, daß wenigstens die kürzeste Verbindung
der Halterung 50 zum Schwebekörper 35 aus durchsichtigem Material besteht.
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Mit 53 ist eine Anzahl von Lichtleitern bezeichnet, deren Enden 54
innerhalb der Schwalbenschwanzführung 51 an der Außenseite des konischen Zylinders
34 anliegen. In Fig. 2 besteht die Gruppe der Lichtleiter 53 aus sechzehn in einer
Reihe und gleichmäßig angeordneten Lichtleitern, welche den Signalausgang 31 von
Fig. 1 bilden. Der gestrichelt gezeichnete Pfeil 56 deutet den Strahlengang von
der Lichtquelle 48 zum Signalausgang 31 an. Er ist in seiner Lage von der Stellung
des Schwebekörpers 35 abhängig. Zur Arretierung der Halterung 50 dient noch eine
Feststellschraube 55 auf der Schwalbenschwanzführung 51.
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Fig. 3 zeigt ein TeilschnittbiRd des Durchflußmessers 30 in der Draufsicht.
Die gleichen Teile sind dabei jeweils mit der gleichen Bezugsnummer bezeichnet.
Die Lichtleiter 53 sind in der Halterung 50 befestigt, die ihrerseits wieder in
einer Schwalbenschwanzführung 51 auf dem Durchflußmesser 3o angeordnet ist. Mit
zwei Kreisen 58 und 59 ist der konische Zylinder 34 angedeutet sowie mit 60 die
Lichteintrittsöffnung am Kraftstoffauslaß 33.
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Fig. 4 zeigt ein weiteres Beispiel einer Halterung 50 mit versetzt
angeordneten Lichtleitern 53. Die Lichtleiter selbst sind dabei vorzugsweise im
hauptsächlich interessierenden Bereich des Kraftstoffverbrauches gehäuft.
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Fig. 5 zeigt-eine Draufsicht auf eine Halterung mit versetzt angeordneten
Lichtleitern. In diesem Fall sind zwei Linien 62 und 63 von Lichtleitern vorgesehen.
Nur an der Stelle der Häufung ist die zweite Linie 63 mit Lichtleitern besetzt,
die gerade in den Lücken der Licht leiter auf der ersten Linie 63 liegen.
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Bei einer unregelmäßigen Anordnung der Lichtleiter 53 sollte ihr gegenseitiger
Abstand nicht so groß gewählt werden, daß die Lichtanzeige im Sichtbereich des Fahrers
aussetzt, bzw.
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der amSchwebekörper reflektierte Lichtstrahl zwischen zwei Licht leiter
fällt.
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Entsprechend Fig. 1 werden sämtliche Licht leiter 53 zu einer Signalverbindung
zusammengefaßt und zum Sichtbereich der Bedienungsperson des Kraftfahrzeuges geführt.
Am Armaturenbrett ist eine entsprechende Anordnung der Halterung 50 am konischen
Zylinder 34 vorgesehen. Im Falle der Bestrahlung des Schwebekörpers 35 durch die
Lampe 48 ist damit am Armaturenbrett in der Anzeigeanordnung 22 die Stellung des
Schwebekörpers 35 ersichtlich und damit der Durchsatz durch den Durchflußmesser
30. Infolge des nicht vollständig klaren Kraftstoffes ergibt sich im konischen Zylinder
34 ein Streulicht, wodurch auch benachbarte Lichtleiter des den Pfeil 56 führenden
Lichtleiters Helligkeit weiterleiten. Zur Eindeutigkeit des Ergsbnisses der Durchflußmessung
ist eine Abflachung 45 am Kegel 39 vorgesehen, wodurch das von der Glühlampe 48
kommende Licht nur impulsmäßig in Pfeilrichtung 56 reflektiert wird. In der Anzeigeeinrichtung
22 am Armaturenbrett tritt dadurch ein Flackern an der Stelle des abgeflachten Kegels
39 des Schwebekörpers 35 auf im Gegensatz zu einem nahezu zeitlich konstanten Streulicht
seiner Umgebung.
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Beim Startvorgang eines Kraft fahrzeuges kann im allgemeinen davon
ausgegangen werden, daß die Kraftstoffpumpe zu Beginn mit einem erhöhten Durchsatz
fördert, da die Kraftstoffleitungen nicht mehr vollständig gefüllt sind. Dies bedingt
ein Hochschnellen des Schwebekörpers 35 in Richtung auf den Kraftstoffauslaß 33.
Bringt man nun entsprechend der Fig. 2 eine Bürste 46 oder allgemein ein Reinigungselement
an der Drahthalterung 44 an, so werden infolge des Hochschnellens des Schwebekörpers
35 sowie seiner Rotation die reflektierenden Flächen an dem Kegel 39 gleichzeitig
gesäubert. Man erreicht dadurch ein gleichbleibendes Reflexionsvermögen. Außerdem
kann das Hochschnellen mit einem Pufferelement abgebremst werden.
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Bei einer großen Entfernung zwischen Kraftstoffleitung und Anzeigeanordnung
22 am Armaturenbrett empfiehlt sich eine elektrische Signalverbindung 25 anstelle
einer optischen.
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Vorraussetzung ist dafür die Umwandlung des optischen Signales in
ein elektrisches, wobei dann die Anzeige analog gestaltet
werden
kann. Die Umwandlung vom optischen Signal in ein elektrisches kann entweder direkt
am Durchflußmesser erfolgen oder an einer beliebigen Zwischenstelle zwischen Durchflußmesser
und Anzeigeanordnung. Vorzugsweise erfolgt die Umwandlung in einem fotoelektrischem
Potentiometer, wie es in Fig. 6 dargestellt ist. Zwei elektrische Ausgangsleitungen
65 und 66 führen hier zu einer Kombination aus Fotowiderständen und ohmschen Widerständen.
Die Fotowiderstände 67 sind an einer Seite zusammengefaßt und mit der Ausgangsleitung
65 verbunden. Auf der anderen Seite der Fotowiderstände 67 sind jeweils ohmsche
Widerstände 68 zwischen den einzelnen Anschlüssen der :otowiderstände 67 in einer
Reihenschaltung angeordnet, wobei ein Anschluß der Reihenschaltung mit der Ausgangsleitung
66 gekoppelt ist.
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Bei einer Lageänderung des Schwebekörpers erfolgt gleichzeitig eine
horizontale Verschiebung des Lichtaustrittes entsprechend dem Pfeil 56, wodurch
die ]1otowiderstände entsprechend der Lage des Schwebekörper 35 beleuchtet werden.
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Zwischen den beiden Ausgangsleitungen 63 und 66 ergibt sich damit
ein mit der Durchflußmenge variierenden Widerstandswert. Anstelle der Fotowiderstände
können auch Fotodioden oder allgemein lichtempfindliche Bauelemente verwendet werden.
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Fig. 7 zeigt eine Seitenansicht des fotoelektrischen Potentiometers
in integrieter Bauweise.
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Mit steigendem Durchsatz von Kraftstoff durch den Durchflußmesser
30 wird der Schwebekörper 35 in Richtung auf größer werdenden Zylinderdurchmesser
hin verschoben. Der in der Fig.
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2 dargestellte Kegel 39 mit einer Abflachung 45 als definierte Reflexionsfläche
für das Licht von der Lampe 48 läßt sich auch als n-eckige Pyramide ausbilden. Mit
größer werdendem n erhöht sich die Zahl der Lichtimpulse am Signalausgang 31.
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Da sich die Frequenz der Lichtimpulse sowohl aus der Drehzahldes Schwebekörpers
35 bei kraftstoffduchflossenem konischen Zylinder 34 als auch aus der Zahl n der
Reflektionsflächen bestimmt, so müssen diese beiden Faktoren auf einen für den Betrachter
zweckmäßigen Wert abgestimmt werden.
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Neben der axialen Anstrahlung des Schwebekörpers 35 gemäß der Fig.
2 ist auch eine radiale Anstrahlung möglich.
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Zweckmäßig ist in diesem Fall ein spitzer Winkel, d.h.
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kleiner 90 Grad, zwischen Eintritt und Austritt der Licht strahlen
durch den konischen Zylinder 34. In diesem Fall muß der zylindrische Ansatz 40 des
Schwebekörpers 35 eine Abflachung besitzen, um den gleichen Effekt wie bei der axialen
Anstrahlung und abgeflachtem Kegel 39 zu erreichen.
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Die Empfindlichkeit des Durchflußmessers ist nun umso größer, je stärker
der Durcnflußbereich für der Beobachter aufgefächert wird. Da Extremwerte beim Kraftstoffverbrauch
gegeben, bzw. nicht zu umgehen sind, kann sich die Beobachtung auf den hauptsächlich
interessierenden Bereich bschränken. Zur Anpassung eines einheitlichen Durchflußmessers
an verschiedene Kraftfahrzeugtypen mit ihren unterschiedlichen Kraftstoffverbrauchsmengen
ist die Halterung 50 längsverschiebbar auf dem konischen Zylinder 34 ausgeführt.
Zur Ersparnis von Lichtleitern an den Randgebieten sowie zur stärkeren Auflösung
im interessierenden Bereich ist eine versetzte Anordnung von Lichtleitern entsprechend
der Fig. 4 und 5 vorgesehen. Erreicht werden kann diese gewünschte unterschiadliche
Auflösung über spezielle Ausbildungen der Halterung So, wobei Lichtleiter in verschiedenen
Linien angeordnet sein können oder z.B. in Form einer Wellenlinie.
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Werden die Lichtleiter 53 als Signalverbindung 25 zur Anzeigeanordnung
22 geführt, dann muß die Anzeigeanordnung 22 eine gleiche Lage der einzelnen Licht
leiter aufweisen wie an der Halterung 50. Für die Anzeigeanordnung 22 selbst sind
die verschiedensten Ausführungen denkbar, so z.B.
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linear oder kreisförmig.
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Neben der Spreizung des Anzeigebereiches durch eine entsprechende
Anordnung der Lichtleiter 53 ist auch eine unterschiedliche Konizität des konischen
Zylinders 34 möglich.
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Die vorstehend beschriebene Anordnung ergibt als Ausgangssignal einen
Verbrauch pro Zeiteinheit. Gekoppelt mit dem Tachometer vermag die Anzeigeanordnung
aber auch eine Aussage über den Verbrauch pro Streckeneinheit anzugeben. Dafür muß
entsprechend eine zweite Skalenanordnung z.B. mit der Bezeichung Liter pro 100 Kilometer
variabel mit der fest installierten Anzeige z.B. Liter pro Stunde in Verbindung
stehen.
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Die variable Skala läßt sich auch in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit
der Tachowelle automatisch auf den Hintergrund bzw. die Umgebung der Lichtleiter
einspiegeln. Außerdem kann eine von Hand verstellbare Walze für urterschiedliche
Verbrauche pro Geschwindigkeit vorgesehen werten, die in nächster NCh.
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der Lichtleiter oder auch von Leuchtdioden angeordnet ist.
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Für eine Grobinformation des Fahrers bezdglich des Kraftstoffverbrauches
seines Fahrzeuges kanr der Gesamtweg des Schwebekörpers auch in wenigstens zwei
Bereiche unterteilt werden, die in der Anzeigeanordnung 22 durch Lichtsignale mit
z.B. unterschiedlichen Farben ange..eigt werden. Wählt man z.B. insgesamt drei Bereiche,
die c'rei Farbsignale Rot, Gelb, Grün auslösen können, dann kann tei einer Farbwahl
von Grün für sparsamen Verbrauch und Rot für großen Verbrauch der Fahrer seine Fahrweise
entsprechend dem gewünschten Verbrauch einrichten. Wird der Gesamtweg des Schwebekörpers
in drei oder mehr Bereiche aufgeteilt können die Bereiche überlappend angeordnet
sein. Die Anzeige, z.B. Grün/Gelb, zeigt dann den übergangsbereich an und bietet
mehr Information ohne zusätzliche Kanäle.
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Die beschriebene Zusammenfassung des Schwebekörpers zu Bereichen wird
vorteilhaft auch elektronisch ausgeführt, indem die Bereiche durch entsprechend
lange Fotoelemente oder Fotowiderstände an der Halterung 50 dargestellt werden,
die bei Belichtung entsprechend des Pfeils 56 Spannung führen und über eine Verstärkerstufe
die farbigen Signallampen steuern.
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Wenn im vorstehenden auch der Durchflußmesser in seiner Verwendung
im Kraftfahrzeug beschrieben wurde, so ist sein Anwendungsgebiet doch nicht allein
darauf beschränkt.
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Das Gesagte gilt ebenso für Durchflußmesser z.B. im verfahrenstechnischen
Bereich für Flüssigkeiten und Gase.
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Fig. 8 zeigt eine Anzeigeanordnung 80. Die Lichtleiter 53 enden hier
zwischen einer feststehenden Skala 81, geeicht ein Liter pro Stunde und einer von
Hand einstellbaren Skala 82 mit einem Geschwindigkeitsaufdruck. Diese einstellbare
Skala 82 läuft als Band über zwei Umlenkrollen 83 und 84s wobei die Umlenkrolle
84 mit einem Skaleneinstellrad 85 fest verbunden ist.
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Ein Teilschnittbild der Anzeigeordnung von Fig. 8 ist in Fig. 9 dargestellt,
wobei den gleichen Teilen die gleichen Bezugsziffern zugeordnet sind.
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Ein bestimmter Durchfluß durch den Durchflußmesser 50 markiert einen
bestimmten Verbrauch auf der festen Skala 81 in Liter pro Stunde. Interessiert den
Fahrer den auf die Geschwindigkeit bezogene Verbrauch, so stellt er über das Skalenantriebsrad
die am Tachometer abgelesene Geschwindigkeit unter der Lichtmarke ein. über der
Geschwindigkeitsmarke 100 liegt dann auf der festen Skala 81 der Geschwindigkeits-
bzw. Streckenbezogene Verbrauch.
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Neben der beschriebenen Verwendung des Durchflußmessers kann er auch
ein Kontrollorgan für eine blasenfreie Kraftstoffförderung sein. Blasen im Kraftstoff
bilden optische Linsen für einfallendes und reflektiertes Licht,wodurch Anzeigeaussetzer
entstehen. Besonders bei elektrischer Verarbeitung des optischen Signals eignet
sich der Durchflußmesser 30 als Kontrollgerät für blasenfreie Förderung eines beliebigen
flüssigen Mediums.