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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der durch
eine Leitung strömenden Menge eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit, mit
einem Eingang und einem Ausgang für das Fluid, mit einer Auswertungsanordnung für
den Meßwert, mit einem zwischen Eingang und Ausgang geschalteten Absperrventil sowie
mit einer Meßkammer, deren Zuleitung zwischen dem Eingang und dem Absperrventil
liegt und
deren Volumen durch die einströmende Flüssigkeit gegen
ein Rückstellmittel vergrößerbar ist, wobei nach einer gewissen Volumenvergrößerung
das Absperrventil geöffnet wird.
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Derartige Vorrichtungen sind in den verschiedensten Ausführungsformen
bekannt. Trotzdem hat es sich gezeigt, daß für einige Anwendungsfälle die bekannten
Durchflußmesser nicht vorteilhaft sind. Derartige Anwendungsfälle sind beispielsweise
die Messung des Treibstoffverbrauchs eines Kraftfahrzeuges oder die Messung des
Heizwärmeverbrauchs eines Heizkörpers.
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Damit Durchflußmesser auch für diese Fälle anwendbar sind, müssen
sie geringe Empfindlichkeiten gegen gasförmige Einschlüsse, feste Ausscheidungsprodukte
und gegen Temperaturveränderungen aufweisen.
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Außerdem soll die Meßvorrichtung eine möglichst weiigehende Linearität
aufweisen und die Meßsignale sollen leicht verarbeitet werden können, vorzugsweise
elektronisch und digital.
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Messungen des Kraftstoffstromes im Kraftfahrzeug sind mit Axial-Turbinen
versucht worden. Nachteilig an diesen Durchflußmessern ist, daß sie bei festen Ausscheidungen
völlig unbrauchbar werden. Derartige Ausscheidungen können aber von Diesel-Treibstoffen
ausgeschieden werden. Darüber hinaus sind die Axial-Turbinen nur für einen relativ
engen Bereich der Strömungsgeschwindigkeiten brauchbar. Wegen der erforderlichen
Überwindung der Haftreibung beim Anlaufen der Turbine entsteht bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten
eine völlig unbrauchbare Messung.
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Darüber hinaus sind diese Meßvorrichtungen wegen des Verschleißes
der Lager alterungsabhängig.
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Aus diesen Gründen werden bei Kraftfahrzeugen die Verbrauchswerte
indirekt aus der Drucksituation im Vergaser abgeleitet. Für die Heizkostenbestimmung
werden Verdampfungsmesser eingesetzt, die prinzipiell nur sehr bedingt in der Lage
sind, eine Aussage über die verbrauchte Heizenergie zu machen. Eine direkte Strömungsmessung
wird bisher in der Praxis vermieden.
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Die bekannte Technik der Druckmessung im Vergaser für die Verbrauchsmesser
am Kraftfahrzeug ist natürlich nicht bei Einspritzmotoren anwendbar, da diese keinen
Vergaser aufweisen. Bei einem Dieselmotor ist der Ansaugkanal ständig weit geöffnet,
so daß auch indirekte Messungen im Lufteinlaßkanal nicht möglich sind.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift 27 03 096 ist die eingangs
erwähnte Vorrichtung bekannt. Zur Füllung des Meßvolumens und zur anschließenden
Entleerung sind zwei getrennte Magnetventile vorgesehen, die in komplizierter Weise
nacheinander geöffnet und geschlossen werden müssen. Wenn die aus einem in einem
Zylinder verschiebbaren Kolben gebildete Meßkammer gefüllt ist, kann an einem Zeigerinstrument
abgelesen werden, bis zu welchem Grad die Befüllung der Meßkammer erfolgt ist, so
daß hieraus ein Schluß auf die eingeströmte Menge gezogen werden kann. Der Aufbau
der bekannten Vorrichtung ist relativ kompliziert und wegen der umständlichen Ansteuerung
nicht für eine ständig sich wiederholende Messung geeignet.
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Die bekannte Vorrichtung ist daher auch in erster Linie zur Verwendung
in Teststationen für Motoren gedacht und dient in erster Linie zur Überprüfung der
Gleichmäßigkeit von den verschiedenen Zylindern von Einspritzanlagen zugeführten
Kraftstoffmengen. Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
der eingangs erwähnten Art zu erstellen, deren Ansteuerung wesentlich vereinfacht
ist und die eine einfache Auswertung der durchgeflossenen Menge des Fluids ermöglicht
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Volumenvergrößerung der
Meßkammer selbsttätig die Öffnung des Absperrventils steuert und daß der Auswertungsschaltung
ein dem Ablauf eines vollständigen Meßzyklus zwischen Schließen und Öffnen des Absperrventils
entsprechendes Signal zugeführt wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung benötigt höchstens noch ein Steuersignal
für den Beginn eines Meßzyklus, d. h. für das Sperren des Absperrventils. Die übrigen
Vorgänge spielen sich unter dem Druck des strömenden Fluids automatisch ab. Das
in die Meßkammer einströmende Fluid bewirkt die Volumenvergrößerung, die ihrerseits
selbsttätig die Öffnung des Absperrventils steuert Die Auswertungsschaltung kann
dann in einfacher Weise den Meßzyklus zwischen Schließen und Öffnen des Absperrventils
auswerten, so daß sie sich im einfachsten Fall auf einen Zähler beschränken kann.
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Bei der Verwendung für Flüssigkeiten weist die erfindungsgemaße Vorrichtung
eine wesentlich geringere Anfälligkeit gegen gasförmige Einschlüsse, feste Ausscheidungsprodukte
und Temperaturänderungen als die bekannten kontinuierlichen Durchflußmesser auf.
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Die Steuerung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann weiter vereinfacht
werden, wenn auch das Schließen des Absperrventils selbsttätig gesteuert wird, und
zwar durch das Rückstellmittel der Meßkammer. In diesem Fall läuft der Meßzyklus
völlig unabhängig von einer äußeren Steuerung ab und wird ausschließlich durch das
strömende Fluid verursacht In diesem Fall vereinfacht sich die Auswertung noch weiter,
da das Rückstellen des Volumens in der Meßkammer das Schießen des Absperrventils
verursacht und daher ein Zähler nur noch die Anzahl der Öffnungen oder Schließungen
des Absperrventils oder der Ausgangsstellungen der Meßkammer zählen muß.
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Vorzugsweise ist auch bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Meßkammer
durch einen gegen eine Feder verschiebbaren Kolben in einem Zylinder gebildet Es
ist sinnvoll, wenn auch das auf der Rückseite des Kolbens befindliche Volumen des
Zylinders mit dem Ausgang hinter dem Absperrventil verbunden ist, da dann eine Pulsation
des Fluids hinter dem Absperrventil vermieden oder zumindest erheblich verringert
werden kann. Ein dem in die Meßkammer strömenden Fluid entsprechender Teil wird
aus dem Volumen auf der Rückseite des Kolbens herausgedrückt und dem Ausgang zugeführt
Für die Genauigkeit der Messung ist es vorteilhaft, wenn jegliche Zwischenzustände
des Absperrventils vermieden werden In einer bevorzugten Ausführungsform weist das
Absperrventil daher eine Schaltcharakteristik auf, die beim Übergang von dem geschlossenen
in den geöffneten Zustand keinen stabilen Zwischenzustand erlaubt Obwohl durch das
Rückstellmittel ein zuverlässiges Schließen des Absperrventils möglich ist, ist
es vorteilhaft, wenn das Absperrventil auch beim Übergang von dem geöffneten in
den geschlossenen Zustand keinen stabilen Zwischenzustand einnehmen kann.
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Die geforderte Schaltcharakteristik des Absperrventils kann auf vielfache
Weise erzeugt werden. Beispielsweise ist die Verwendung eines Magneten denkbar,
da die Magnetkraft mit zunehmendem Abstand abnimmt und daher ein zum Lösen der Magnetkraft
erforderli-
cher Druck das Ventil sofort in die andere Arbeitsstellung
verbringt. Zu diesem Zweck können auch mechanische Mittel verwendet werden. So ist
das Absperrventil in einer bevorzugten Ausführungsform mittels einer Druckfeder
gelagert, die beim Übergang von einer Schaltstellung des Absperrventils in die andere
aus einem teilweise entspannten ersten Zustand über einen Zustand maximaler Spannung
in einen teilweise entspannten zweiten Zustand übergeht.
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Selbstgesteuerte Absperrventile lassen sich besonders gut dann realisieren,
wenn das Absperrventil erfindungsgemäß in einer Wandung der Meßkammer angeordnet
ist. Hierdurch läßt sich auch eine erhebliche Platzeinsparung und Vereinfachung
der gesamten Anordnung erreichen. Die für den Übergang von einer Schaltstellung
in die andere erforderliche relative Bewegung zwischen dem Befestigungspunkt der
Druckfeder am Ventil einerseits und dem zweiten Befestigungspunkt der Druckfeder
andererseits erfolgt dabei vorzugsweise durch den Kolben. In einer besonders platzsparenden
Anordnung ist das Absperrventil in dem Kolben der Meßkammer angeordnet.
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Insbesondere bei den Vorrichtungen, deren Beginn des Meßzyklus von
außen gesteuert wird, kann es vorteilhaft sein, zu Beginn des Meßzyklus eine Meßeinrichtung
für einen fremden Parameter wirksam und bei Beendigung des Meßzyklus unwirksam zu
schalten. In dieser Weise bildet die Vorrichtung zur Bestimmung der Durchflußmenge
des Fluids ein Zeittor, während dessen ein fremder Parameter, beispielsweise der
zurückgelegte Weg eines Fahrzeuges, also die Umdrehungen des Rades bzw. der Tachowelle
des Fahrzeuges, oder die Temperaturdifferenz zwischen Vorlauf und Rücklauf an einem
Heizkörper oder einer Wohneinheit gemessen werden.
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In einer besonderen Ausführungsform kann das Absperrventil durch
einen in einer Kugel verschließbaren Ventilsitz gebildet, der Ventilsitz von einer
Spule umgeben und die Kugel aus magnetischem Material gebildet sein. Das Schließen
des Ventils erfolgt durch Erregung der Spule, die die Kugel in den Ventilsitz zieht.
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Bei dieser Ausführungsform läßt sich das automatische Öffnen des Ventils
dadurch erreichen, daß die Volumenvergrößerung der Ventilkammer durch einen Anschlag
abgebrochen wird und daß die Kugel durch den Flüssigkeitsdruck aus der den Ventilsitz
verschließenden Stellung drückbar ist. Die anziehende Kraft der Spule muß dabei
so groß sein, daß die Flüssigkeit die Kraft des Rückstellmittels der Meßkammer überwindet,
nicht aber die anziehende Kraft der Spule. Andererseits darf die anziehende Kraft
der Spule nicht so groß sein, daß der Flüssigkeitsdruck die Kugel nicht aus dem
Ventilsitz entfernen kann. Bei dieser Anordnung erzeugt die Kugel einen induzierten
Impuls in der Spule, wenn sie aus dem Ventilsitz mit der Flüssigkeit herausgedrückt
wird. Dieser Impuls kann beispielsweise zur Zeitmessung oder zum Auszählen der Meßzyklen
ausgewertet werden.
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Für manche Anwendungsfälle, in denen der Verbraucher in einem Kreislauf
angeordnet ist, wie beispielsweise bei einem Dieselmotor, muß der Verbrauch durch
eine Differenzmessung bestimmt werden. Erfindungsgemäß ist hierzu eine erste Meßkammer
in den Zulauf des Verbrauchers und eine zweite Meßkammer in den Ablauf von einem
Verbraucher eingeschaltet. Dabei werden die Meßkammern vorzugsweise gemeinsam eingeschaltet.
Dies hat den Vorteil, daß wiederum eine direkte Beziehung zu einem fremden Parameter
hergestellt
werden kann, indem die zeitliche Differenz zwischen dem Befüllungsende beider Meßkammern
zur Bildung eines Zeittores ausgenutzt wird. Es ist aber auch möglich, einfach die
Zeitdifferenz als Maß für den Verbrauch auszuwerten.
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Für Flüssigkeiten, die Gase enthalten, ist es vorteilhaft, wenn die
das Absperrventil enthaltende Leitung relativ zur Meßkammer derart angeordnet ist,
daß in der Flüssigkeit enthaltene Gase in die mit dem Absperrventil versehene Umgehungsleitung
wandern.
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Die Umgehungsleitung wird dabei vorzugsweise entgegen der Schwerkraft
abzweigen, um die Gase von der Meßeinrichtung fernzuhalten.
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Zur Glättung der hinter dem Durchflußmesser pulsierenden Flüssigkeit
bzw. der Restpulsation kann am Ausgang der Vorrichtung ein hydrodynamischer Tiefpaß
angeschlossen sein. Vorzugsweise kann der hydrodynamische Tiefpaß durch eine mit
dem Ausgang verbundene mit einer elastischen Wandung versehene Kammer des Zylinders
gebildet sein.
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Die Erfindung soll im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen F i g. 1 eine schematische
Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, F i g.
2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels, F i g. 3 eine
Ansicht - teilweise aufgebrochen -eines Durchflußmessers, bei dem die Umgehungsleitung
in die Meßkammer integriert ist und bei dem die Meßzyklen selbsttätig ablaufen,
F i g. 4 die schematische Darstellung einer Anordnung für eine Differenzmessung
mit den Befüllvorgang selbsttätig beendenden Absperrventilen, Fig 5 eine schematische
Darstellung einer Ausführungsform mit einer Selbststeuerung, F i g. 6 eine schematische
Darstellung einer Ausführungsform mit einem in dem Kolben integrierten Kanal, F
i g. 7 eine Ausführungsform einer selbststeuernden Vorrichtung mit einem Absperrventil
in einer Wandung der Meßkammer, F i g. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel entsprechend
F i g. 7 mit einem hydrodynamischen Tiefpaß, F i g. 8a eine prinzipielle Darstellung
eines hydrodynamischen Tiefpasses, F i g. 9 eine weitere Ausführungsform mit einer
vereinfachten Ansteuerung, F i g. 10 eine für eine Differenzmessung im Zulauf und
Rücklauf eines Verbrauchers geeignete Anordnung, F i g. 11 eine schematische Darstellung
einer Auswertungsanordnung.
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Der in F i g. 1 dargestellte Durchflußmesser wird mit einem Eingang
1 und einem Ausgang 2 in eine Flüssigkeitsleitung eingeschaltet. Zwischen dem Eingang
1 und dem Ausgang 2 verläuft eine Leitung 3 mit einem Absperrventil 4. Von der Leitung
3 zweigt auf der Eingangsseite des Absperrventils 4 eine Leitung 5 mit einer Meßkammer
6 ab. Die Meßkammer 6 besteht in dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem
Zylinder 7, in dem ein Kolben 8 gegen die Kraft einer Druckfeder 9 nach oben aus
seiner Ausgangslage verschiebbar ist. Im einfachsten Fall ist mit dem Kolben 8 ein
Betätigungselement für einen Schalter 10 verbunden, bei dessen Betätigung das Absperrventil
4 wieder geöffnet wird.
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Vor dem Meßvorgang ist das Absperrventil 4 geöffnet. Die Flüssigkeit
strömt ungehindert durch die Durchflußmeßvorrichtung vom Eingang 1 zum Ausgang
2.
Zu Beginn des Meßvorganges wird das Absperrventil 4 geschlossen. Dies kann durch
eine Zeituhr geschehen, die in bestimmten Zeitabständen einen Meßvorgang auslöst.
Die in den Eingang strömende Flüssigkeit 1 strömt nun durch die Abzweigleitung 5
in die Meßkammer 6 und drückt den Kolben 8 gegen den Druck der Druckfeder 9 aus
seiner (unteren) Ausgangsstellung nach oben. Nach einem gewissen Hub des Kolbens
betätigt das mit dem Kolben verbundene Betätigungselement den Schalter 10, woraufhin
das Absperrventil 4 geöffnet wird und die Flüssigkeit nunmehr wieder ungehindert
durch die Leitung 3 fließt.
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Da in diesem Zustand praktisch keine Kraft auf den Kolben 8 ausgeübt
wird, drückt die Druckfeder 9 den Kolben 8 in seine Ausgangsstellung zurück. Zur
Bestimmung der durchgeflossenen Menge kann beispielsweise die Zeit zwischen dem
Beginn des Meßvorganges und dem Betätigen des Schalters 10 gemessen und ausgewertet
werden. Es ist aber auch möglich, auf andere Arten die Bewegung des Kolbens 8 in
eine die Durchflußmenge charakterisierende Größe umzuwandeln. So kann auch die Stellung
des Kolbens nach einer gewissen Zeit als Maß für die durchströmende Flüssigkeitsmenge
dienen. Gleiches gilt für die Geschwindigkeit der Kolbenbewegung.
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F i g. 2 zeigt eine etwas abgewandelte Ausführungsform der Vorrichtung
aus Fig. 1. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Der Unterschied
zu dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 besteht darin, daß der Zylinder 7 eine Kammer
mit einem festen Volumen bildet, wobei der Teil 11 der Kammer, der nicht von der
Meßkammer 6 gebildet wird, über eine Leitung 12 mit dem Ausgang 2 verbunden ist.
Der Meßvorgang läuft genau so ab wie bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1.
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Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die
Strömung am Ausgang 2 bei der Vorrichtung gemäß F i g. 2 praktisch pulsationsfrei.
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Wenn nämlich das Absperrventil 4 zu Beginn des Meßvorganges gesperrt
wird, fließt das durch den Eingang 1 strömende Medium durch die Leitung 5 in die
Meßkammer 6 und verschiebt den Kolben 8 gegen die Druckfeder 9. In dem Maße, wie
sich dadurch die Meßkammer 6 vergrößert, verkleinert sich der Teil 11 der Kammer.
Dadurch wird Flüssigkeit aus dem Teil 11 durch die Leitung 12 herausgedrückt und
strömt durch den Ausgang 2. Wenn der Kolben 8 so weit verschoben ist, daß er den
Schalter 10 betätigt, wird das Absperrventil 4 wieder geöffnet. Zusätzlich zu der
in den Eingang 1 strömenden Flüssigkeitsmenge durchfließt die aus der Meßkammer
6 beim Zurückstellen des Kolbens 8 durch die Druckfeder 9 herausgedrückte Flüssigkeit
das Absperrventil 4. Diese zusätzliche Flüssigkeitsmenge erscheint aber nicht am
Ausgang 2, weil sie zur Auffüllung des Teils 11 der Kammer des Zylinders 7 benötigt
wird. Die Summe der strömenden Flüssigkeit am Ausgang 2 ist daher theoretisch konstant.
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Zumindest ist in der Praxis die Pulsation der Flüssigkeit erheblich
vermindert.
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F i g. 3 zeigt ein praktisches Ausführungsbeispiel für eine Durchflußmeßvorrichtung,
bei der die mit dem Absperrventil versehene Umgehungsleitung 3 in den Zylinder 7
mit der Meßkammer 6 integriert ist. Die Vorrichtung besteht aus einem Zylinder 7,
einem Kolben 8, einer Druckfeder 9, eine den Eingang 1 bildende Öffnung 13 in einer
Stirnseite des Zylinders 7 und einer den Ausgang 2 bildenden Öffnung 14 in der anderen
Stirnseite des Zylinders 7. Zwischen der Stirnseite mit der Öffnung 13 und dem Kolben
8 befindet sich die Meßkammer 6, zwischen dem Kolben 8 und der Stirnseite mit der
Öffnung 14 die andere Teilkammer 11. In der Teilkammer 11 drückt die als Spiralfeder
ausgebildete Druckfeder 9 gegen den Kolben 8 in Richtung auf die vordere Stirnseite
mit der Öffnung 13. Eine an dem Kolben befindliche Kolbenstange 15 ist mit einer
Scheibe 16 versehen, die gegen einen Ring 17 stößt und damit die Bewegung der Kolbenstange
15 unter der Krafteinwirkung der Druckfeder 9 begrenzt. Der Ring 17 ist vorzugsweise
durch die mit einer Öffnung versehene Stirnfläche eines kleinen Halbzylinders 18
gebildet. Der Kolben 8 ist seinerseits als Hohlzylinder ausgeführt und weist auf
seiner vorderen Stirnseite 19 eine Öffnung 20 auf, die mit Hilfe einer Scheibe 21
abdeckbar und damit verschließbar ist. Die Scheibe 21 ist mit einer in das Innere
des Kolbens ragenden und mit der Kolbenstange 15 fluchtenden Stange 22 einstückig
verbunden. Auf der anderen Seite der Kolbenstange 15 fluchtet mit dieser ein an
der mit der Öffnung 14 versehenen Stirnseite befestigter Anschlag 23.
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In der Ausgangsstellung liegt die Scheibe 21 auf der vorderen Stirnseite
19 auf und verschließt die Öffnung 20. Die Stange 22 und die Kolbenstange 15 werden
in ihrer Position mit Hilfe von Druckfedern 24, 25 gehalten, die an der Innenseite
eines die Stange 22 und teilweise die Kolbenstange 15 umfassenden Hohlzylinder 26
befestigt sind. Die Druckfedern 24, 25 erstrecken sich von der Stange 22 bzw. von
der Kolbenstange 15 etwa in radialer Richtung zur Innenseite des Hohlzylinders 26.
Dabei sind die Druckfedern 24, 25 so angeordnet, daß sie sich zu der Stange 22 bzw.
zu der Kolbenstange 15 schräg nach hinten erstrecken, so daß sie nicht maximal gespannt
sind. In dieser Position liegt der Hohlzylinder 26 an der vorderen Stirnseite 19
des Kolbens 8 an.
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Die nach hinten drückende Druckfeder 24 zieht daher die Scheibe 21
gegen die vordere Stirnfläche 19 des Kolbens 8.
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Dies ist die Position am Beginn eines Meßzyklus. Die in die Öffnung
13 strömende Flüssigkeit drückt den Kolben 8 von der Vorderseite des Zylinders 7
nach hinten und füllt die Meßkammer 6 auf. Bei einem bestimmten Volumen der Meßkammer
6 stößt die Scheibe 16 der Kolbenstange 15 gegen den Anschlag 23.
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Dadurch findet eine relative Verschiebung der Kolbenstange 15 gegenüber
dem Hohlzylinder 26 statt.
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Dadurch wandert der Befestigungspunkt der Druckfeder 25 an der Kolbenstange
15 realtiv zu dem Befestigungspunkt an dem Hohlzylinder 26 nach vorn, so daß die
Druckfeder ihre maximale Spannung erreicht, wenn sich beide Befestigungspunkte auf
gleicher Höhe befinden. Durch eine weitere Auffüllung der Meßkammer 6 wandert der
Befestigungspunkt an der Kolbenstange 15 relativ zu dem Befestigungspunkt an dem
Hohlzylinder 26 weiter nach vorn, wodurch sich die Feder 25 schlagartig entspannt,
und zwar in entgegengesetzter Richtung wie in der Ausgangslage. Dadurch wird die
Kolbenstange 15 nach vorn gezogen.
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Die Kraft der Druckfeder 25 verursacht nun, daß der Hohlzylinder
26 aus seiner an der vorderen Stirnfläche 19 des Kolbens 8 anliegenden Position
nach hinten gedrückt wird. Dadurch wandert der Befestigungspunkt der Druckfeder
24 an dem Hohlzylinder 26 relativ zu dem Befestigungspunkt an der Stange 22 nach
hinten, wobei die Druckfeder 24 den Punkt ihrer maximalen Spannung durchläuft und
sich dann ebenfalls schlagartig entspannt. Der Hohlzylinder 26 nimmt eine hintere
Stellung
ein und drückt dabei durch die Druckfeder 24 die Stange mit der die Öffnung 20 abdichtenden
Scheibe 21 nach vorn, so daß die Scheibe 21 die Öffnung 20 freigibt. Die Flüssigkeit
kann nun durch die Öffnung 20 zur Ausgangsöffnung 14 des Zylinders 7 fließen.
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Dadurch setzt die Flüssigkeit in der Meßkammer 6 der rückstellenden
Kraft der Druckfeder 9 keine ausreichende Kraft mehr entgegen, so daß der Kolben
8 durch die Druckfeder 9 in seine das Volumen der Meßkammer 6 vermindernde Ausgangsstellung
zurückgedrückt wird.
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Da die Scheibe 16 an dem Ring 17 anliegt, wird dabei die Kolbenstange
relativ zu dem Hohlzylinder 26 nach hinten gezogen, wodurch die Druckfeder 25 wieder
den Punkt ihrer maximalen Spannung durchläuft und sich in ihrer Ausgangslage entspannt,
wodurch der Hohlzylinder 26 nach vorn springt und die Druckfeder 24 in die Ausgangslage
verbringt, so daß die Scheibe 21 wieder gegen die vordere Stirnfläche 19 des Kolbens
8 gezogen wird und die Öffnung 20 abdichtet. Der Meßzyklus beginnt von neuem.
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Das in der Fig.3 dargestellte Ausführungsbeispiel läßt den Meßzyklus
völlig selbsttätig ablaufen. Eine Steuerung von außen ist nicht erforderlich. Diese
Anordnung eignet sich besonders zur Auswertung durch Auszählen von Meßzyklen pro
vorgegebenem Zeit raum.
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F i g. 4 zeigt schematisch eine Anordnung von erfindungsgemäßen Durchflußmessern
zur Durchführung einer Differenzmessung, beispielsweise in der Zulaufleitung und
Abflußleitung eines Verbrauchers, beispielsweise Dieselmotors. Die beiden Vorrichtungen
sind identisch aufgebaut, die Teile der Vorrichtung in dem Rücklauf sind mit gleichen
Bezugsziffern, die mit einem Apostroph versehen sind, bezeichnet. Es wird im folgenden
nur die Anordnung in dem Zulauf des Verbrauchers beschrieben. In gleicher Weise
wie bei dem in Fig.2 dargestellten Ausführungsbeispiel verzweigt sich die Eingangsleitung
1 in eine Leitung 3, die mit einem Absperrventil 4 versehen ist und in eine Leitung
5, die in eine Meßkammer mündet, die durch einen in einem Zylinder 7 verschiebbaren
Kolben 8 in ihrem Volumen veränderbar ist. Der nicht durch die Meßkammer 6 gebildete
Teil 11 des Innenraums des Zylinders 7 ist über eine Ausgangsleitung 12 mit dem
Ausgang 2 verbunden.
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Das Absperrventil 4 besteht aus einem in der Leitung 3 befindlichen
Ventilsitz 27, hinter dem sich stromabwärts eine Ventilkugel 28 aus magnetischem
Material befindet. Um den Ventilsitz herum ist eine Spule 29 gewickelt, die bei
Erregung die Ventilkugel 28 gegen den Ventilsitz 27 zieht, wodurch die Leitung 3
verschlossen wird.
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Diese Anordnung kann zumindest das Ende des Meßvorganges, also das
Öffnen des Absperrventils 4 automatisch steuern. Zu Beginn des Meßvorganges wird
die Spule 29 erregt, die Ventilkugel 28 gegen den Ventilsitz 27 gezogen und das
Absperrventil 4 dadurch geschlossen. Die Flüssigkeit strömt nun in die Meßkammer
6 und drückt den Kolben 8 gegen die rückstellende Wirkung der Druckfeder 9. Dabei
läuft der Kolben 8 gegen einen nicht näher dargestellten Anschlag, der auch durch
die zusammengepreßte Druckfeder 9 oder das Gehäuse des Zylinders 7 gebildet sein
kann. Dadurch läßt sich das Volumen der Meßkammer 6 nicht mehr vergrößern, so daß
der Flüssigkeitsdruck nunmehr vollständig auf die Ventilkugel 28 des Absperrventils
4 wirkt. Die haltende Kraft der Spule 29 ist so dimensioniert, daß die Kugel 28
gegen
den Ventilsitz 27 gezogen wird, wenn die Flüssigkeit die rückstellende Kraft
der Feder 9 überwindet. Die Haltekraft der Spule 29 ist aber kleiner als die durch
den vollen Flüssigkeitsdruck auf die Ventilkugel 28 ausgeübte Kraft. Dadurch drückt
die Flüssigkeit die Kugel 28 von dem Ventilsitz 27 weg und öffnet damit das Absperrventil
4, wenn der Kolben 8 gegen seinen Anschlag gelaufen ist. Dadurch wird die Umgehungsleitung
3 automatisch geöffnet und die Druckfeder 9 kann den Kolben 8 in seine Ausgangslage
zurückstellen.
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Selbstverständlich sind in der Leitung 3 Rückhaltemittel für die
Kugel 28 vorgesehen, damit sie nicht durch den Ausgang 2 aus der Anordnung verschwindet.
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Die Bewegung der Ventilkugel 28, die durch die Flüssigkeit ausgelöst
wird, induziert in der Spule 29 einen Spannungsimpuls, der bereits als Meßsignal
verwertet werden kann.
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Zur Durchführung einer Differenzmessung ist eine sehr vorteilhafte
Auswertung möglich, wenn beide Absperrventile 4, 4' zu zueinander definierten Zeitpunkten
geschlossen werden, also beispielsweise gleichzeitig.
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In diesem Fall ist es nur erforderlich, den Zeitraum zwischen dem
Zeitpunkt des Öffnens des Absperrventils 4 und dem Zeitpunkt des Öffnens des Abspe.
rventils 4' auszuwerten. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß die Zeit
zwischen dem Öffnen des Absperrventils 4 und dem Öffnen des Absperrventils 4' gemessen
wird.
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Vorteilhaft für viele Anwendungsfälle wird aber sein, wenn das Öffnen
des Absperrventils 4 ein Zeittor öffnet und dieses Zeittor beim Öffnen des Absperrventils
4' wieder geschlossen wird. In diesem Zeittor können fremde Parameter, wie beispielsweise
die zurückgelegte Wegstrecke eines Kraftfahrzeuges, gemessen werden, die dann bereits
in direkter Beziehung zu der Differenzmessung, also dem Kraftstoffverbrauch, stehen.
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F i g. 5 zeigt noch einmal schematisch die Anordnung mit einer Selbststeuerung.
Das in die Leitung zwischen Eingang 1 und Ausgang 2 eingeschaltete Absperrventil
ist schematisch mit einer mechanischen Betätigungsvorrichtung 30 dargestellt, die
schematisch aus zwei im Abstand angeordneten Haken 31 besteht, die mit einem am
Kolben angebrachten Mitnehmer 32 zusammenwirken. Beim Füllen der Meßkammer 6, also
bei geschlossenem Absperrventil 4, bewegt sich der Kolben zur Vergrößerung des Volumens
der Meßkammer 6 nach rechts, wodurch der Mitnehmer 32 in Kontakt mit dem rechten
Haken 31 gerät. Dadurch entsteht ein Zug an der Betätigungsvorrichtung 30, die daraufhin
das Absperrventil 4 öffnet. Die Flüssigkeit strömt nun durch die Leitung 3, so daß
die zur Meßkammer 6 zeigende Seite des Kolbens 8 entlastet wird. Durch die Kraft
der Rückstellfeder 9 wird der Kolben nunmehr nach links in seinen Ausgangszustand
zurückverschoben. Dadurch gerät der Mitnehmer 32 in Kontakt mit dem linken Haken
31, wodurch über die Betätigungseinrichtung 30 das Ventil wieder geschlossen wird,
so daß der Zyklus von neuem beginnt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist
die Betätigungseinrichtung 30 für das Absperrventil 4 nicht direkt mit diesem verbunden,
sondern über eine Hystereanordnung 33, die eine Schaltfunktion derart erzeugt, daß
die beiden Übergänge von einem Schaltzustand zum anderen des Absperrventils 4 schlagartig,
d. h. ohne stabilen Zwischenzustand, erfolgt. Dieser schlagartige Übergang ist insbesondere
beim Öffnen des Absperrventils erforderlich, um Meßfehler auszuschalten. Das Schließen
des
Absperrventils durch die Rückstellfeder 9 ist in dieser Hinsicht
nicht so kritisch, da die eventuellen stabilen Zwischenzustände durch die Kraft
der Rückstellfeder 9 schnell überwunden werden.
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Fig.6 zeigt schematisch nochmals die Anordnung des Absperrventils
4 und der mit dem Absperrventil 4 versehenen Leitung 3 in dem Kolben 8 des Zylinders
7.
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F i g. 7 verdeutlicht eine Vorrichtung mit einer vollständigen Selbststeuerung,
bei der das Absperrventil 4 in dem den Kolben 8 aufnehmenden Zylinder 7 angeordnet
ist. Ein Eingangsstutzen 1 führt direkt in eine Meßkammer 6, in der sich eine Rückstellfeder
9', die im vorliegenden Beispiel als Zugfeder ausgestaltet ist, in Verbindung mit
einem Kolben 8 befindet. Der Kolben 8 ist mittels eines O-Ringes 34 gegen die Zylinderwand
abgedichtet. Der Zylinder 7 weist eine feste Zwischenwand 35 auf, die mit einer
konisch zulaufenden, zum Absperrventil 4 gehörenden Öffnung versehen ist. Unterhalb
dieser Öffnung befindet sich eine Teilkammer 37, die über eine Verbindungsleitung
38 mit der Meßkammer 6 in Verbindung steht.
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Der Kolben 8 ist hohl ausgeführt und weist an seiner der Zugfeder
9' abgewandten Seite eine Öffnung auf, in die ein T-förmiges Teil eines Hilfskolbens
39 hineinragt.
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Unterhalb des Kolbens 8 befindet sich ein Anschlag 40, der die Aufwärtsbewegung
des Hilfskolben 39 begrenzt Der Hilfskolben ist als von dem T-förmigen Stück abgewandter
Hohlzylinder ohne Boden ausgebildet. An den Zylinderwänden sind zwei Druckfedern
24 befestigt, die an ihren jeweils anderen Enden mit einem Ventilkolben 41 verbunden
sind, der eine den konischen Flächen 36 entsprechende konische Fläche 42 aufweist,
für die die konischen Flächen 36 als Ventilsitz dienen. Im Ruhezustand befinden
sich die Befestigungspunkte 43 an dem Hilfskolben 39 auf einer von den Befestigungspunkten
44 am Ventilkolben 41 verschiedenen Höhe.
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Diese Vorrichtung arbeitet wie folgt: Im Ausgangszustand sei der
Ventilkolben 41 gegen den Ventilsitz 36 gedrückt, das Absperrventil 4 also geschlossen.
Der Kolben 8 befindet sich in seiner oberen Ausgangsstellung, die durch die Zugfeder
9' bestimmt ist. Beim Einlaufen der Flüssigkeit in die Meßkammer 6 wandert der Kolben
8 gegen die Kraft der Zugfeder 9' nach unten und nimmt mit seiner inneren Fläche
45 auf der Seite der Zugfeder 9' das T-förmige Stück des Hilfskolbens 39 mit, so
daß dieser nach unten gedrückt wird. Die Bewegung des Kolbens 8 wird durch den Anschlag
40 begrenzt. Bei der Abwärtsbewegung des Hilfskolbens 39 bewegen sich die Befestigungspunkte
43 der Druckfeder 24 aus einer Höhe oberhalb der Befestigungspunkte 44 an dem Ventilkolben
nach unten.
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Dabei durchläuft die Druckfeder die maximale Spannung, wenn sich beide
Befestigungspunkte 43, 44 auf gleicher Höhe befinden. Wandert der Hilfskolben 39
unter dem Druck des Kolbens 8 weiter nach unten, gelangen die Befestigungspunkte
43 unter die Befestigungspunkte 44, wodurch sich die gespannte Druckfeder 24 schlagartig
entspannt, so daß der Ventilkolben 41 schlagartig nach oben gedrückt wird und seine
konische Fläche 42 sich vom Ventilsitz 36 entfernt, das Absperrventil also geöffnet
wird. Die Aufwärtsbewegung des Ventilkolbens 41 wird durch einen unterhalb des Ventilsitzes
36 angebrachten Splint 46 begrenzt.
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Durch das Öffnen des Ventils entsteht eine Verbidung zwischen der
Kammer 37, die mit der Meßkammer 6 in Verbindung steht, und dem Zwischenraum zwischen
der festen Trennwand 35 und dem Kolben 8. In diesem Zwischenraum befindet sich der
Ausgangsstutzen 2, so daß über die Leitung 38 und das Absperrventil 4 eine Verbindung
zwischen Eingangsstutzen 1 und Ausgangsstutzen 2 hergestellt ist. Da nunmehr kein
statischer Flüssigkeitsdruck in der Meßkammer 6 besteht, zieht die Zugfeder 9' den
Kolben 8 wieder nach oben. Dieser nimmt das T-förmige Stück des Hilfskolbens 39
mit, wodurch die Befestigungspunkte 43 der Druckfedern 24 wieder nach oben wandern
und zu einer schlagartigen Umschaltung, nämlich Absperrung, des Absperrventils 4
führen, wenn die Befestigungspunkte 43 die Höhe der Befestigungspunkte 44 überschreiten
und sich der Hilfskolben 39 an dem Anschlag 40 abstützt. Der Vorteil des in F i
g. 7 beschriebenen Ausführungsbeispiels besteht darin, daß die Umschaltpunkte in
keiner Weise von Federkonstanten abhängig sind, sondern ausschließlich von zurückgelegten
Wegen, so daß eine hohe Genauigkeit der Messung erzielt werden kann.
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Ein einfacherer Aufbau ist in Fig.8 dargestellt. In dem Zylinder
7 ist ein Kolben 8 gegen die Wirkung einer Druckfeder 9 verschiebbar. Unterhalb
des Kolbens 8 befindet sich die Meßkammer 6 mit dem Eingangsstutzen 1. Mit dem Kolben
8, der hierzu eine Ausnehmung aufweist, ist über eine Zugfeder 47 ein Ventilkolben
41 verbunden, der ebenfalls eine konische Fläche 42 aufweist, die mit einem Ventilsitz
36 zusammenwirkt.
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Der durch die Ventilöffnung 35 ragende Ansatz des Ventilkolbens 41
trägt in dieser Ausführungsform nicht nur den Splint 46, sondern auch die Befestigungspunkte
44 für die Druckfedern 24. Die Druckfedern 24 sind daher in der mit dem Ausgang
2 verbundenen Kammer 37 angeordnet Im Fall des geschlossenen Absperrventils 4, wenn
also der Ventilkolben 41 gegen den Ventilsitz 36 anliegt, wandert der Kolben 8 gegen
die Wirkung der Druckfeder 9 nach oben. Die Zugfeder 47 übt eine mit zunehmendem
Weg des Kolbens 8 wachsende Kraft auf den Ventilkolben 41 aus. Wenn diese Kraft
die Gegenkraft der Druckfeder 24 überwindet, springt die Druckfeder sofort in ihre
zweite entspannte Lage um, so daß das Ventil 4 schlagartig geöffnet wird. Dadurch
entsteht eine direkte Verbindung zwischen Einlaßstutzen 1 und Auslaßstutzen 2. Die
Druckfeder drückt den Kolben 8 daher wieder nach unten, wodurch dieser den Ventilkolben
41 nach unten drückt, bis die Befestigungspunkte 44 auf gleicher Höhe mit den Befestigungspunkten
43 sind. Danach genügt eine infinitesimale Verschiebung des Ventilkolbens 41 nach
unten, um die Entspannung der Druckfedern nach unten und daher das schlagartige
Schließen des Absperrventils 4 zu bewirken.
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Das mit der Druckfeder versehene Volumen auf der Rückseite des Kolbens
8, das über die Verbindungsleitung 38 mit der Kammer 37 in Verbindung steht, dient
lediglich als Vorratsvolumen, um dem Ausgang 2 Flüssigkeit zuzuführen, wenn das
Ventil 4 geschlossen ist und der Kolben 8 nach oben wandert Die untere Wandung der
Kammer 37 ist nicht starr ausgebildet, sondern mit einer Membrane 48 versehen, die
als Teil eines hydrodynamischen Tiefpasses wirkt.
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Ein hydrodynamischer Tiefpaß weist zwei beispielsweise durch ( Querschnittsverengungen
gebildete Widerstandselemente 49 und eine in ihrem Volumen veränderbare Kammer 50
mit elastischen Wänden auf.
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Sie ist daher das strömungstechnische Analogon zu einem elektrischen
Tiefpaß aus zwei Widerständen und einem Kondensator.
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F i g. 9 zeigt eine noch simplere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
selbststeuernden Vorrichtung, in der der Einlaßstutzen 1 in eine untere Kammer 51
mündet,
die über die Verbindungsleitung 38 mit der Meßkammer 6 in Verbindung steht. Die
Meßkammer 6 enthält eine Zugfeder 9', die mit dem Kolben 8 verbunden ist. Der Kolben
8 weist auf seiner von der Zugfeder 9' abgewandten Seite einen L-förmigen Gabelansatz
52 auf, der eine Achse eines Ventilkolbens 41 umschließt Die Achse endet in einem
topfförmigen Ansatz 53 oberhalb der Gabel 52 und trägt eine Druckfeder 54, die in
Richtung des Kolbens 8 zeigt. Bei geschlossenem Ventil strömt die Flüssigkeit durch
den Eingangsstutzen 1, die Kammer 51 und die Verbindungsleitung 38 in die Meßkammer
6 und bewirkt eine Verschiebung des Kolbens 8 nach unten. Das der Zugfeder 9' abgewandte
Ende des Kolbens bekommt Kontakt mit der Druckfeder 54, die mit zunehmender Annäherung
des Kolbens 8 eine wachsende Druckkraft auf den Ventilkolben 41 ausübt. Dadurch
wird die den Ventilkolben 41 gegen den Ventilsitz 36 ziehende Druckkraft der Druckfedern
24 überwunden, so daß diese schlagartig in ihre zweite entspannte Stellung umspringen
und das Ventil öffnen. Die Abwärtsbewegung des Ventilkolbens 41 wird wieder durch
einen Splint 46 begrenzt. Durch die Öffnung des Absperrventils 4 besteht nun eine
direkte Verbindung zwischen Einlaßstutzen 1 und Auslaßstutzen 2, so daß die Zugfeder
den Kolben 8 nach oben ziehen kann. Dabei greift das Gabelstück 52 unter das topfartige
Ende 53 des Ventilkolbens 41 und zieht diesen nach oben. Sobald die Befestigungspunkte
44 die Höhe der Befestigungspunkte 43 nur geringfügig überschritten haben, springt
der Kolben wieder in seine geschlossene Stellung.
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F i g. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform, die für eine Differenzmessung
besonders geeignet ist. Die Anordnung besteht aus zwei identischen Zylindern 7,
die an ihrer Unterseite einen Einlaßstutzen aufweisen, der in die Meßkammer 6 mündet.
In der Ausgangsstellung wird der Kolben 8 mittels einer Zugfeder 9' gegen einen
Anschlag 55 nach unten gezogen. Die Meßkammer 6 ist über eine Verbindungsleitung
38 mit einer das Absperrventil enthaltenden Kammer 37 verbunden, die praktisch einen
Teil der Meßkammer 6 darstellt Zwischen den Zwischenwänden 35 und dem Kolben 8 befindet
sich eine Kammer mit einem Hilfszylinder 56, der aus magnetischem Material gebildet
ist. Der Ventilkolben 41 ist in gleicher Weise ausgebildet wie die in F i g. 7 bis
9 beschriebenen. In der geöffneten Stellung des Ventils befindet sich der Hilfskolben
56 in seiner oberen Stellung. In Höhe seines unteren Endes umgibt eine Spule 57
den Zylinder 7. Zum Beginn eines Meßvorganges wird die Spule über Drähte 58 erregt
und zieht den Hilfskolben 56 nach unten gegen einen Anschlag 59. Dadurch springen
die Druckfedern 24 in ihre zweite stabile Lage und schließen das Absperrventil 4.
Dadurch füllt sich die Meßkammer 6 und der Kolben 8 wandert gegen den Widerstand
der Zugfeder 9' nach oben. Dabei schiebt er den Hilfskolben 56 nach oben, wodurch
dieser den Zustand maximaler Spannung der Druckfedern 24 überwindet und unter der
Wirkung der Druckfedern 24 nach oben springt und das Ventil 4 öffnet. Der neue Meßzyklus
erfordert einen neuen Erregungsimpuls der Spule 57.
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Die Auswertung und Bildung der Differenz zwischen den Durchflußmengen
durch die beiden Zylinder 7 kann sehr einfach magnetisch mit Reed-Kontakten 60,
wenn der Ventilkolben mit einem magnetischen Ansatz 63 versehen ist, oder mit einer
den Zylinder 7 durchstrahlenden Lichtschranke aus einer Lichtquelle 61 und einem
Lichtempfänger 62 erfolgen. Im letzteren Falle weist der Ventilkolben 41 vorzugsweise
einen verstärkten Ansatz 63 auf, der beim Schließen des Ventils in den Strahlengang
zwischen dem Lichtsender, also der Glühlampe 61, und dem Lichtempfänger 62 ragt.
Das Ende des Meßzyklus ist daran erkennbar, daß der Ansatz 63 schlagartig aus dem
Lichtstrahl zwischen Glühlampe 61 und Lichtempfänger 62 verschwindet.
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Dies geschieht in den beiden Zylindern 7 zu unterschiedlichen Zeiten.
Die Differenz zwischen den über Leitungen 64 abnehmbaren Impulsen in den Lichtempfängern
62 kann ein Zeittor bilden und somit ausgewertet werden.
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F i g. 11 verdeutlicht die Auswertung anhand eines schematisch dargestellten
Beispiels. Eine Steuerschaltung 65 erhält ein Signal 66, das die Stellung des Kolbens
repräsentiert Mit einem Steuerimpuls 67 wird eine Torschaltung 68 geöffnet, die
das Ausgangssignal 69 eines Kraftfahrzeug-Tachometers 70 durchläßt. Das Ausgangssignal
des Tachometers enthält Impulse, deren Impulsfrequenz der Geschwindigkeit proportional
ist.
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Diese Impulse werden in einem Zähler 71 gezählt. Nach Abschluß des
Zeittores leitet die Steuerschaltung 65 auf einen Anzeigespeicher 72 einen Übernahmeimpuls
73 und bewirkt somit die Abspeicherung des momentanen Ausgangssignals 74 des Zählers
71. Gleichzeitig erhält der Zähler 71 von der Steuerschaltung 65 einen Rücksetzimpuls
75, so daß er beim nächsten Zeittor wieder von Null zu zählen beginnt. Der gespeicherte
Wert 76 des Anzeigespeichers 72 ist auf einer Anzeige 77 ablesbar. Auf diese Weise
läßt sich sofort eine Relation zwischen zurückgelegter Wegstrecke und Kraftstoffverbrauch
herstellen. Die Anzeige 77 kann also sofort in km/l oder in l/km erfolgen, ohne
daß hierzu aufwendige Rechenoperationen erforderlich wären.