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Vorrichtung zur Bestimmung des Schwebstoffanteiles von Wasser Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten
Art.
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Derartige Vorrichtungen können in der Industrie eingesetzt werden,
bei Abwasseranlagen oder insbesondere in der Gewässer-und Meereskunde. Sie dienen
der Bestimmung von Schwebstoffen, die insbesondere von bewegtem Wasser aufgenommen
werden und deren Anteil aus verschiedenen Gründen interessant sein kann.
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Das wohl wichtigste Anwendungsgebiet ist die Schwebstoffbestimmung
in Flüssen und ufernahen Meeresgebieten, um Versandungsprobleme klären zu können.
Flüsse und Meeresströmungen sowie insbesondere Tidenströmungen lagern erhebliche
Sedimentmengen um. Wenn diese Sedimentbewegungen bereits in der Entstehung erfaßt
werden sollen, ist es notwendig, den Schwebstoffanteil im Wasser zu bestimmen. Auf
diese Weise können Versandungen zum Beispiel an Wasserbauwerken, wie Sperrwehren
und dergleichen, vorhergesagt oder durch entsprechende Strömungsbeeinflussung verhindert
werden.
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Zur repräsentativen Erfassung des Sedimentstransportes in Fluß- und
Meeresströmungen ist es erforderlich, im bewegten Wasserkörper an möglichst vielen
Stellen und zu unterschiedlichen Zeitpunkten, Wasserproben zu entnehmen und diese
auf den Sedimentanteil zu überprüfen.
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Üblicherweise geschieht dies durch Entnahme von Wasserproben mittels
verschließbarer Gefäße. Im Labor werden die Proben untersucht. Dabei muß das Sediment
konzentriert werden. Hierzu gibt es mehrere Möglichkeiten, beispielsweise das Absetzenlassen
des Sedimentes oder das forcierte Konzentrieren durch Filtrierung, Zentrifugieren
oder dergleichen. Ferner ist es bekannt, vom Schiff aus mittels eines Schlauches
von den Meßorten Wasser anzusaigenund einer Zentrifuge zuzuführen. Hierbei wird
jedoch ebenso wie bei den zuvor genannten Probegefäßen diskontinuierlich chargenweise
gearbeitet.
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Die jeweils einer bestimmten Wassermenge entnommene konzentrierte
Sedimentmenge muß bei allen bekannten Vorrichtungen anschließend ofengetrocknet
werden, um den Schwebstoffanteil frei vom störenden Wassergehalt wägen zu können.
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Nachteilig bei den bekannten Vorrichtungen ist der erhebliche Arbeitsaufwand,
der insbesondere bei einer größeren Probenzahl die Meßarbeiten verzögert und verteuert.
Zudem ist nur chargenweise Entnahme möglich. Eine kontinuierliche Schwebstoffbestimmung
mit hoher zeitlicher Auflösung kann nicht erreicht werden. Aus diesen Nachteilen
ergibt sich ferner eine erhebliche zeitliche Verzögerung zwischen der Probenentnahme
und dem Erhalt des Meßresultates. Die unmittelbare Regelung von Strömungen aufgrund
der momentanen zeitlichen Änderungen des
Schwebstoffanteiles im
sogenannten on-line-Betrieb ist also nicht möglich.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine
Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der auf möglichst einfachem
Wege der zeitliche Verlauf des Schwebstoffanteiles ohne zeitliche Verzögerung und
mit hoher Genauigkeit bestimmbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteiles
des Anspruchs 1 gelöst.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ein Probewasserstrom von
bekannter Stärke, der durch übliche Einrichtungen wie Aleßuhren oder dergleichen
bestimmt werden kann, am Meßort entnommen und der Konzentriereinrichtung zugeführt,
in der kontinuierlich ein Sedimentbrei abgeschieden wird. Als Konzentriereinrichtung
kann eine Filtereinrichtung mit kontinuierlicher Austragung, eine Zentrifuge oder
dergleichen verwendet werden. Der kontinuierlich anfallende, mit sehr geringer zeitlicher
Verzögerung den am Meßort im Wasser vorliegenden Schwebstoffanteil wiedergebende
Sedimentbrei wird einer Wägschale zur laufenden Wägung zugeführt. Die Wägschale
vermag über einen längeren Zeitraum den Sedimentbrei zu speichern und ermöglicht
die Bestimmung des laufenden Breianfalles aus der zeitlichen Bestimmung der Gewichtszunahme.
Die schnelle Wägung wird insbesondere dadurch ermöglicht, daß unter Wasser gewogen
wird. Der im Sedimentbrei noch enthaltene Wasseranteil fällt bei der Wägung in der
unter Wasser aufgestellten Wägschale aus der Rechnung heraus. Die zeitaufwendigen
lrocknungsvorgänge können eingespart werden.
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Insgesamt ergibt sich eine sehr schnelle Schwebstoffbestimmung, die
mit sehr geringer zeitlicher Verzögerung den am Meßort im Wasser vorliegenden Schwebstoffanteil
angibt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt es daher, mit kurzen Meßzeiten schnell
eine große Anzahl von Meßorten zu erfassen. Ferner ermöglicht sie die on-line-Überwachung
des zeitlichen Verlaufes des Schwebstoffanteiles an einem bestimmten Meßort, so
daß über Strömungssteuerungen in einem Regelkreis der Schwebstoffanteil beeinflußt
werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich außerdem durch geringen
Bedienungsaufwand aus, da der konstruktive Grundaufbau einen automatischen Arbeitsablauf
ermöglicht. Es ist lediglich erforderlich, von Zeit zu Zeit die mit Sedimentbrei
gefüllte Wägschale zu entleeren, was aber ebenfalls auf einfache Weise automatisiert
werden kann.
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Es ist also ein langzeitiger automatischer Meßablauf gewährleistet,
der nur von kurzen Pausen zum Entleeren der Wägschale unterbrochen ist.
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Weiterhin vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Vorrichtung durch die
Merkmale des Anspruchs 2 gekennzeichnet.Durch diesen Anschluß der Konzentriereinrichtung
an die Wägschale werden gesonderte mechanisch arbeitende Überführungseinrichtungen
für den Sedimentbrei oder der Eingriff von Hand eingespart.
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Weiterhin vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Vorrichtung durch die
Merkmale des Anspruchs 3 gekennzeichnet.
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Ein Hydrozyklon ist für die vorliegenden Zwecke als Konzentriereinrichtung
hervorragend geeignet und zeichnet sich durch besondere konstruktive Einfachheit
und Wartungsfreiheit aus.
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Weiterhin vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Vorrichtung durch die
Merkmale des Anspruchs 4 gekennzeichnet.
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Die unter Wasser stehende Wägschale muß - wie bereits erwähnt - von
Zeit zu Zeit entleert werden, wenn ihre Aufnahmekapazität für den laufend zugeführten
Sedimentbrei erreicht ist. Da ohnehin unter Wasser gearbeitet
wird,
stellt das Ausspülen mit Wasser die einfachste Lösung dar.
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Weiterhin vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Vorrichtung durch die
Merkmale des Anspruchs 5 gekennzeichnet. Auf diese Weise wird der Breitransport
von der Konzentriereinrichtung zur Wägschale weiterhin verbessert. Der Brei, der
aufgrund seines Wassergehaltes fließfähig ist, kann unter seinem Eigengewicht in
die Wägschale fließen, ohne daß Verstopfungen oder sonstige Störungen zu befürchten
sind.
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Weiterhin vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Vorrichtung durch die
Merkmale des Anspruchs 6 gekennzeichnet. Die die Wägschale aufnehmende abgeschlossene
Kammer sichert eine von Umgebungseinflüssen unabhängige Wägung und erlaubt die Ausbildung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung als transportable vor Orteinsetzbare Apparatur
auch bei Verwendung einer hochempfindlichen Wägeeinrichtung.
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Weiterhin vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Vorrichtung durch die
Merkmale des Anspruchs 7 gekennzeichnet. Das Auslaßventil kann zur Spülung der Wägschale
verwendet werden. Bei seiner Öffnung strömt Wasser aus der wasserdurchströmten Konzentriereinrichtung
durch den Breianschluß in die Wägschale und spült diese automatisch, ohne daß weitere
Einrichtungen vorgesehen werden müssen.
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Weiterhin vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Vorrichtung durch die
Merkmale des Anspruchs 8 gekennzeichnet. Das Vorsehen eines Uberdruckes in den wassergefüllten
Räumen der erfindungsgemäßen Vorrichtung macht diese unabhängig von äußeren Druckschwankungen,
die sowohl den Konzentrierprozeß als auch die Wägung beieinflussen können. Solche
Druckschwankungen können vom Meßort her die Vorrichtung
beeinflussen
und treten dort beispielsweise bei Wellenbewegung auf.
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Schließlich ist die erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhaft durch
die Merkmale des Anspruches 9 gekennzeichnet.
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Eine solche bei Konzentriereinrichtungen üblicherweise vorsehbare
Regeleinrichtung, die beispielsweise bei einem Hydrozyklon die Durchflußgeschwindigkeit
beeinflußt, kann das Trennkorn verschieben, also die Durchmessergrenze,bis zu der
Sedimentteilchen abgeschieden bzw. durchgelassen werden. Diese Maßnahme kann notwendig
sein, um beispielsweise bestimmte standardisierte Meßvorschriften zu erfüllen.
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In der Zeichnung ist die Erfindung am Beispiel einer Meßvorrichtung
mit Hydrozyklon in stark schematisierter Darstellungsweise gezeigt.
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Wie aus der Zeichnung ersichtlich, wird von einer Kreiselpumpe 1,
an deren Stelle auch eine andere geeignete Pumpenart verwendet werden kann, Wasser
über eine Ansaugleitung 2 in der dargestellten Pfeilrichtung angesaugt.
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Die Ansaugleitung ist mit ihrem offenen Saugende 3 am gewünschten
Meßort anzuordnen. Über eine Pumpleitung 4 wird das angesaugte Wasser dem Einlaß
eines Hydrozyklons 5 üblicher Bauweise zugeführt.
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Im Hydrozyklon S zirkuliert das Wasser in der mit einem Spiralpfeil
angedeuteten Weise. Bei geeigneter StrömungsgeschwindigkeitWerd durch die hohe Zentrifugalkraft
die im Wasser enthaltenen Schwebstoffe an der Umfangswand des Zyklons konzentriert
und fließt als Sedimentbrei nach unten, während das klare Wasser durch einen zentralen
oberen Auslaß 6 entweicht.
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Der dargestellte Hydrozyklon 5 ist in üblicher Bauart in seinem oberen
Teil zylindrisch und in seinem unteren Teil
konisch ausgebildet.
Im konischen Teil fließt der abgetrennte Sedimentbrei an der Wandung nach unten
zu einer Breiauslaßöffnung 7, die in einen als Rohr ausgebildeten Breiführungsanschluß
8 mündet. Dieser ist abwärts gerichtet, so daß der fließfähige Brei kontinuierlich
nach unten abfließen kann.
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Der Breiführungsanschluß 8 mündet im Innenraum einer Wägschale 9,
in die der im Hydrozyklon 5 kontinuierlich anfallende Sedimentbrei kontinuierlich
einfließt. Die Wägschale 9 ist auf einer Waage 10 angeordnet. Diese ist im dargestellten
Ausführungsbeispiel über einen Arm 11 im Inneren eines abgeschlossenen Behälters
1 2 befestigt und mit einem Kabel 13 an eine elektronische Datenverarbeitung 14
angeschlossen.
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Der die Waage 9,10 umschließende Behälter 12 ist allseitig abgeschlossen,
bis auf den Durchgang zum Inneren des Hydrozyklons 5 durch den Breiführungsanschluß
8 hindurch. Bei dessen Betrieb wird der Innenraum des Behälters 12 somit automatisch
mit Wasser gefüllt. Gegebenenfalls sind Entlüftungseinrichtungen zum restlosen Befüllen
mit Wasser erforderlich, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind.
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Die unter Wasser angeordnete Wägschale 9 wägt den in ihr enthaltenen
Sedimentbrei, der in der Zeichnung gepunktet dargestellt ist. Dabei ist die sonst
übliche Trocknung nicht erforderlich. Ih der dargestellten Unterwasseranordnung
wird der Wasseranteil des Breies nicht mitgewogen, da die Wägschale 9 unter Auftrieb
arbeitet.
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Wichtig ist dabei, daß Sedimentbrei nur dann gewogen wird, wenn er
sich im Innenraum der Wägschale 9 befindet. Eine Verwirbelung aus der Wägschale
9 heraus ist zu vermeiden und wird durch die allseitige Umschließung der Wägeapparatur
in dem geschlossenen Behälter 12 wirkungsvoll verhindert.
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In der Wägschale 9, die ein größeres Volumen aufweist, wird der laufend
anfallende Sedimentbrei über einen längeren Zeitraum gesammelt, bis die Wägschale
9 voll ist. Dann ist eine Entleerung notwendig. Mit der dargestellten Anordnung
ist dies auf einfache Weise erreichbar.
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Der Behälter 12 weist ein Auslaßventil 15 auf, das gegebenenfalls
zur automatischen Betätigung als Magnetventil oder dergleichen ausgebildet sein
kann. Nach Öffnung dieses Ventiles strömt Wasser aus dem Zyklon 5 durch den Breiführungsanschluß
8 mit hoher Geschwindigkeit in die Wägschale 9 und spült diese restlos frei.
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Der im Behälter 12 verwirbelte Sedimentbrei wird durch das Ventil
15 ausgespült. Nach kurzem Spülvorgang kann das Ventil 15 geschlossen und nach Strömungsberuhigung
der Meßvorgang fortgesetzt werden. Die Steuerung des Ventiles 15 kann beispielsweise
von der Datenverarbeitungseinrichtung 14 erfolgen, beispielsweise mit einer einfachen
Zeitsteuerung oder unter Auswertung der Wägekapazität.
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Der Wasserauslaß 6 des Zyklons 5 mündet über eine Auslaßleitung 16
bei 17 ins Freie. In der Auslaßleitung 16 ist eine den Durchlaß verengende Blende
18 vorgesehen, gegen die die Pumpe 1 arbeitet. Auf diese Weise wird vor der Blende
18, also im gesamten Innenraum der dargestellten Vorrichtung, ein bedruckt erzeugt,
der vorzugsweise einige Bar beträgt.
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Mit diesem Überdruck im Inneren des Wasserzyklones 5 und im Inneren
des Behälters 12, also im Wägeraum,werden diese Räume unabhängig von äußeren Druckschwankungen
gehalten. Wenn also beispielsweise das Ansaugende 3 der Ansaugleitung 2 an einem
Meßort unmittelbar unter einer hohen Wellengang aufweisenden Meeresoberfläche angeordnet
ist, werden die dort im Bereich einiger Zehntel Bar auftretenden Druckschwankungen
in ihren Auswirkungen auf die Trenn- und Meßprozesse in der Vorrichtung im Verhältnis
der Druckerhöhung in der Vorrichtung herabgesetzt. Der hohe Innendruck in der Vorrichtung
beschleunigt
ferner das von Zeit zu Zeit erforderliche Ausspülen der Wägschale 9 durch Öffnen
des Ventiles 15, wobei durch den hohen Spüldruck die Spülzeit und somit die Totzeit
der Vorrichtung wesentlich herabgesetzt wird.
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Vor der Blende 18 ist an die Auslaßleitung 16 des Zyklones 5 über
eine Leitung 19 eine Differenzdruckmeßzelle 20 angeschlossen, die bei 21 ins Freie
mündet.
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Diese Differenzdruckmeßzelle 20 bestimmt somit den Innendruck in der
Anlage, der über ein Kabel 22 der elektronischen Datenverarbeitungseinrichtung 14
als weitere Meßgröße zugeführt wird. Diese kann . aus dem bekannten Querschnitt
der Blende 18 und der mit der Meßzelle 20 bestimmten Druckdifferenz an der Blende
den Wasserdurchfluß bestimmen. Aus diesem und dem zeitlichen Gewichtszuwachs von
Sediment in der Wägschale 9 kann die Rechnereinheit 14 den Gewichtsanteil von Sediment
pro Wasservolumen unabhängig von der Leistung der Pumpe 1 berechnen.
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Die beschriebene Vorrichtung ist stark schematisiert dargestellt.
Sie kann als kompakte bauliche Einheit ausgebildet werden, wobei der Behälter 12
mit dem Hydrozykolon 5 etwa in der dargestellten Weise baulich verbunden ist und
die übrigen dargestellten Einrichtungen mit dieser Konstruktionseinheit ebenfalls
baulich verbunden sind.
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Diese kompakt aufbaubare Vorrichtung kann unmittelbar vor Ort, beispielsweise
auf einem Schiff, eingesetzt werden, wobei die Ansaugleitung 2 als längere Schlauchleitung
ausgebildet ist, deren Ansaugende 3 zum Meßort in das Wasser herabgelassen wird.
Die Vorrichtung kann jedoch auch in wasser- und druckdichter Ausführung unter Wasser
unmittelbar vor Ort eingesetzt werden und beispielsweise dort mit einer Boje verankert
werden.
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Dabei kann die elektronische Datenverarbeitungseinrichtung 14
ganz
oder teilweise in entsprechender wasserdichter und druckdichter Ausführung an der
Vorrichtung vorgesehen sein und mit geeigneten, nichtdargestellten Datenübertragungseinrichtungen,
wie Kabel oder dergleichen, die Daten an Land oder auf ein Schiff übertragen oder
beispielsweise über längere Zeit sammeln. Die dargestellte Vorrichtung ist insbesondere
vorzüglich geeignet zur on-line-Steuerung von wasserströmungsbeeinflussenden Sperrwerken,
wie Schleusen oder dergleichen. Mit diesen kann die Strömung abhängig von den mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestimmten Sedimentwerten in einem Regelkreis
gesteuert werden, wodurch der Sedimenttransport und somit die Versandungsgefahr
verringert wird.
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Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung kann unter Beibehaltung
der erfindungsgemäßen Merkmale weitgehend variiert werden.
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So kann an Stelle des Wasserzyklones 5 eine andere geeignete Konzentriereinrichtung
vorgesehen sein, beispielsweise eine motorgetriebene Zentrifuge mit geeignetem Breiauslaß,
der beispielsweise mit einem mechanischen Breitransport an die Wägschale 9 angeschlossen
ist. Der Breitransport muß nicht durchgehend unter Wasser vorgesehen sein, wie im
dargestellten Ausführungsbeispiel.
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Wichtig für die erfindungsgemäße Vorrichtung ist nur die Anordnung
der Wägschale unter Wasser, um das Sedimentgewicht unabhängig vom Was-sergehält
bestimmen zu können.
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Die dargestellte Waage 10 ist in der dargestellten Form der zeichnerischen
Vereinfachung halber gewählt worden.
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Es sind diverse Waagenformen wie Federwaagen oder dergl.
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möglich, die geeignete Anschlußmöglichkeiten für mcchanisch/elektrische
Wandler zur Gewinnung elektrischer Signale für die Datenverarbeitung ermöglichen.
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Vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Regeleinrichtung
zur Einstellung eines bestimmten Trennkornes versehen sein. Im dargestellten Beispiel
mit einem Hydrozyklon S kann in diesem die Strömungsgeschwindigkeit über entsprechende
Regelung der Pumpe 1 verändert werden. In Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit
im Zyklon 5 wird das Trennkorn verändert, also die Korngrößengrenze,bis zu der der
Zyklon Sedimentteilchen durch den Breiauslaß 7 abscheidet bzw. durch den Wasserauslaß
6 hindurchläßt. Auch bei anderen Konzentriereinrichtungen kann eine derartige Maßnahme
vorgesehen sein. Bei Verwendung einer Zentrifuge wird das Trennkorn über deren Drehzahl
eingestellt, bei Filtereinrichtungen durch entsprechende Filterwahl.
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Der in der dargestellten Anordnung verwendete Behälter 12, der in
seinem Innenraum beruhigtes Wasser vor Umgebungseinflüssen schützt, kann vorteilhaft
zur Anordnung weiterer Meßeinrichtungen verwendet werden.
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Beispielsweise kann ein Thermometer 25 dort angeordnet sein, das vor
Umgebungseinflüssen geschützt, die Wassertemperatur bestimmt und diese über ein
Kabel 26 der Datenverarbeitungseinrichtung 14 meldet. In dieser kann dieser gewonnene
Meßwert für sonstige Zwecke gespeichert oder weitergemeldet werden oder beispielsweise
zur Temperaturkorrektur der Sedimentmessung benutzt werden.
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Für den Fall, daß die verwendete Waage 10 nicht langzeitkonstant und
umgebungsunabhängig arbeitet, was häufig der Fall ist, kann eine Eichvorrichtung
vorgesehen sein, wie sie in einem vorteilhaften Beispiel in der Figur dargestellt
ist.
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Am Deckel des Behälters 12 ist ein Motor 27 vorgesehen, der eine Welle
28 dreht. Auf dieser ist eine Schnur 29 aufgewickelt, an der ein Eichgewicht 30
hängt. Der Motor 27 kann beispielsweise als Elektrokleinmotor ausgeführt sein und
wird über ein Kabel 31 von der Datenverarbeitungseinrichtung 14 gesteuert. Zu gewünschten
Zeitpunkten wird über geeignete Steuerung des Motors 27 das Eichgewicht 30 bis auf
den Boden der Wägschale abgelassen und nach erfolgter Eichwägung bis in die dargestellte
Position oberhalb der Wägschale 9 hochgezogen. Dieser Eichvorgang kann beliebig
wiederholt werden, beispielsweise in den Meßpausen unmittelbar nach Ausspülen der
Wägschale 9.
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