-
Einrichtung zum :Messen der 2ewegungswiderstände von Flüssigkeiten
in Rohrleitungen und zum Bestimmen des Flüssigkeitsstandes in =Behältern. . Bei
der Ausbildung verschiedener Maschinen und Apparate, insbesondere beim Entwerfen
von Pumpen zur Flüssigkeitsförderung ist es von großer Wichtigkeit, die Bewegungswderstände
genau zu kennen, die sich in den oft vielfach, gekrümmten, mit zahlreichen Ventilen,.
Verengungen usw. Hausgestatteten Rohrleitungen dem Fördern der Flüssigkeit entgegenstellen,
und @die zugleich von der Geschwitdigkeit der strömenden Flüssigkeit abhängig sind.
-
Die vorliegende Erfindung gestattet nun, an einer einzigen gebogenen
Meßröhre, die eine schwere Meßflüssigkeit, z.-B.'Ouecksilber, enthält, die hydrostatische
Druckhöhe vermehrt, um .die Widerstandshöhe unmittelbar abzulesen, die sich z. B.
bei einer Pumpensaugleitung aus folgenden Bewegungswiderständen zusammensetzt: i..
Drückhöhenverlust zur. Erzeugung der Wassergeschwindigkeit im Saugrohr, z. Reibungswiderstand
der Saugleitung, 3. Widerstände der Richtungs-und Geschwindigkeitsänderungen, besonders
:im Saugkorbe, Fußventil und Absperrschieber,
q.. Ventilwiderstand
des Saugventils, 5. Beschleunigungswiderstand der Saugwassermenge, die bei jedem
- Pumpenhube zur Ruhe kommt.
-
Wie in der Abb. r dargestellt ist, wird die gelyogene Meßröhre a,
die .in .ihrem U-förmigen Teil Quecksilber enthält, mit dem einen Schenkel unterhalb
der Pumpe b an die Saugleitung angeschlossen. Der andere Schenkel der Meßröhre bleibt
offen und ragt frei nach oben, so daß auf dem Quecksilberspiegel in diesem Schenkel
der atmosphärische Luftdruck lastet.
-
Sobald nun die Saugwirkung der Pumpe einsetzt, wird die Luft in dem
Pumpensaugrohr und in den angeschlossenen Schenkel der Meßröhre gleichzeitig und
in gleichem Mäße verdünnt, so daß der äußere Luftdruck die Flüssigkeit sowohl in
den Pixmpensaugrohr wie in dem angeschlossenen Schenkel der Meßröhre empordrückt.
Die emporgedrückte oder angesaugte Quecksilbersäule, gemessen als Höhenunterschied
zwischen den beiden Quecksilberspiegeln, bildet nun nicht nur ein unmittelbares
Maß für die hydrostatische Druckhöhe der angesaugten Wassersäule, sondern sie mnßt
auch zugleich die gesamten Bewegungswiderstände, welche in dem Pumpensaugrohr aus
den obengenannten Gründen auftreten, und zeigt diese unmittelbar als Widerstandshöhe
an.
-
Diese Messung bleibt so lange mit einem allerdings außerordentlich
kleinen Fehler behaftet, der einer Korrektur bedürfen würde, als das Wasser noch
nicht bis zum Anschlußpunkt der Meßröhre an die Saugleitung der Pumpe angestiegen
ist, weil sich während dieses Zeitraumes auch das Quecksilber in ansteigender Bewegung
befindet und deshalb einen Bewegungswiderstand zu überwinden hat. Sobald aber das
Wasser in der Pumpensaugleitung bis zum Anschlußpunkt der Meßröhre gestiegen ist
und darüber hinaus durch die Pumpe angesaugt und igefördert wird, bleibt das Quecksilber,
wenigstens bei gleichmäßiger Strömung der geförderten Flüssigkeit, vollkommen in
Ruhe, so daß keinerlei Meßfehler auftreten können. Der Grad der Luftverdünnung in
der Meßröhre a über der gehobenen Quecksilbersäule bleibt während des Arbeitens
der Pumpe dauernd derselbe, so da.ß der hier herrschende Luftdruck zugleich ein
genaues Maß für den in der Pumpensaugleitung an der Anschlußstelle der Meßröhre
vorhandenen Druck bildet. Diese Verhältnisse ändern sich auch nicht bei entstehenden
Temperatur- und Luftdruckschwankungen. Eine Erhöhung der Temperatur würde z. B.
in dem betrachteten Teil der Meßröhre a eine Ausdehnung der Luft und damit eine
Druckerhöhung zur Folge haben. Diese Druckerhöhung würde aber sofort einen Teil
der eingeschlossenen Luft in das Pum-.pensaugrohr. entweichen lassen, und die arbeitende
Pumpe würde die Luft zusammen mit dem Wasser fördern, so daß sich der frühere Druck
in der Meßröhre wieder einstellen' würde. Umgekehrt würde eine Abkühlung der in
der Meßröhre eingeschlossenen Luft einer Druckverminderung gleichkommen und das
Eintreten von Wasser aus der Pumpensaugleitung in die Meßröhre bewirken, bis der
Druck in der Meßröhre wieder die frühere Höhe erreicht haben würde.
-
Da nun also der Druck über der gehobenen Quecksilbersäule in der Meßröhre
a und in der Pumpensaugleitung an der Anschlußstelle der Meßröhre gleich ist, und
da andererseits der Luftdruck auf dem freien Wasserspiegel, in den das Pumpensaugrohr
eintaucht, und auf der Quecksilberoberfläche in dem freien Schenkel der Meßröhre
a ebenfalls der gleiche ist, so würde die gehobene Quecksilbersäule ein genaues
Gewichtsmaß für -die gehobene Wassersäule H darstellen, wenn das Wasser in der Rohrleitung
sich in Ruhe befände. Da. letzteres. aber nicht der Fall ist, so mißt die -gehobene
Quecksilbersäule (h -f- w)- sowohl die hydrostatische Druckhöhe H wie die aus den
Bewegungswiderständen des strömenden Wassers sich ergebende Widerstandshöhe W. Von
diesen beiden Höhen kann aber die hydrostatische Druckhöhe H in jedem Falle durch
einfache örtliche Messung besthnmt werden. Wenn die durch die Pumpe gehobene Flüssigkeit
Wasser ist und die .Meßröhre Quecksilber enthält, so braucht die Höhe H nur durch
das spezifische Gewicht des Quecksilbers geteilt zu werden, um die Höhe h zu ergeben,
die von der gehobenen Quecksilbersäule abgezogen werden muß, damit die Widerstandshöhe
w übrigbleibt. Multipliziert man nun die Höhe w mit dem spezifischen Gewicht des
Quecksilbers, so erhält man die gesamte Widerstandshöhe W der Pumpensaugleitung
von ihrem Beginn bis zum Anschlußpunkt der Meßröhre unmittelbar in Metern Wassersäule.
Bei sorgfältiger Abiesung der Quecksilberzeiger an in geeigneter Weise angebrachten
Skalen bedarf diese Messung .keinerlei Korrekturen, da sie von Meßfehlern vollkommen
frei ist. Es leuchtet ohne weiteres ein, daß mit dieser Vorrichtung die Bewegungswiderstände
der Flüssigkeit in Rohren beliebiger Form und Weite und bei beliebiger Geschwindigkeit
der hindurchströmenden Flüssigkeit gemessen werden können. So kann z. B. durch Einschalten
eines Wassermessers c in die Druckleitung der Pumpe die zulässige Wassergeschwindigkeit
oder -Lieferungsmenge bestimmt werden., bei welcher eine gegebene Pumpe gerade noch-imstande
ist,
die Be`vegungswiderstände der -gegebenen Saugleitung°zu überwinden. Dieser Zustand
tritt ein, wenn sich bei normalem Barometerstand die gehobene Quecksilbersäule der
Länge von 76o min nähert, was einer Wassersäule von io,3'm -entsprechen würde.
-
Dies Beispiel zeitigt zugleich die Grenzen, innerhalb deren die Widerstandshöhe
einer Rohrleitung mit dieser Vorrichtung gemessen werden kann. Die Grenzen sind
durch den Luftdruck.und die Saughöhe der Pumpe gegeben. Zu beachten bleibt dabei,
daß die Saughöhe der Pumpe abhängig ist von dem auf der angesaugten Flüssigkeit
lastenden Druck. Wenn dieser ein Vielfaches des normalen Luftdruckes beträgt, so
wächst auch die Saughöhe der Pumpe in gleichem Maße: Es können demnach mit dieser
Vorrichtung die Bewegungswiderstände einer Rohrleitung von beliebiger Länge gemessen
werden unter der Voraussetzung, daß die Oberfläche der durch die Pumpe angesaugten
Flüssigkeit und der Quecksilberspiegel in dem freien Schenkel der Meßröhre unter
den gleichen, und zwar einen entsprechend hohen Druck gesetzt werden.
-
Aus der Verwendungsmöglichkeit der beschriebenen Vorrichtung zum Messen
der Bewegungswiderstände von Flüssigkeiten in Rohrleitungen folgt unmittelbar, daß
dieselbe Vorrichtung auch zum Messen der hydrostatischen Druckhöhe H und _zur Bestimmung
des Flüssigkeitsstandes in Behältern dienen kann, auch wenn in dem geschlossenen
Behälter ein wechselnder Druck auf der Flüssigkeit lastet. Wenn nämlich in den gegebenen
Rohrleitungen des Behälters bei der sich stets gleichbleibenden Geschwindigkeit
der geförderten Flüssigkeit die Widerstandshöhe auch stets die gleiche bleibt, so
erhält man durch Abzug der unveränderlichen Widerstandshöhe w von der gehobenen
Quecksilbersäule in der Meßröhre ' in der übrigbleibenden Quecksilbersäule h das
genaue Maß für die gehobene Flüssigkeitssäule von der Oberfläche der Flüssigkeit
im Behälter an bis zürn Anschlußpunkt der Meßröhre an der Pumpensaugleitung. Und
wenn z. B., wie in Abb. 2 dargestellt, die Widerstandshöhe W der gesamten Saugleitung
der Pumpe b gleich dem Abstand von der Pumpe bis zum Anschlußpunkt der Meßröhre
ian die Saugleitung gemacht wird, so stellt die Höhe der Queckslbersäule zwischen
den beiden Spiegeln (w + h) -das genaue Maß der Flüssigkeitssäule
dar zwischen der Pumpe b und der Flüssigkeitsoberfläche in dem Behälter e. Die Quecksilbersäule
wächst mit dem Sinken und nimmt ab mit dem Steigen des Flüssigkeitsspiegels im ,
Behälter e, so daß der im Behälter jeweils vorhandene Flüssigkeitsstand an einer
hinter den Quecksilberspiegeln entsprechend angebrachten Skala unmittelbar abgelesen
werden kann.
-
Die Anordnung eines derartigen- Flüssigkeitsstandanzegers an einem
geschlossenen Behälter e; in dem ein wechselnder Druck auf der Flüssigkeitsoberfläche
lastet, ist in Abb. 2 dargestellt. Der freie Schenkel der Meßröhre a ist an den
Hohlraum des Behälters. e angeschlossen, der über der Flüssigkeit Luft oder irgendein
Gas enthält, so daß der Druck auf der Flüssigkeit im Behälter e und -auf der Meßflüssigkeit
in dem angeschlossenen rechten Schenkel der Meßröhre a stets gleich ist. Das Pumpensaugrohr
f wird bis auf den Grund des Behälters -geführt und leitet die angesaugte Flüssigkeit
auf der anderen Seite der Pumpe b als Druckrohr wieder in den Behälter zurück, so
daß durch das Arbeiten der Pumpe eine Änderung in der Höhe des Flüssigkeitsstandes
nicht eintreten kann, da lediglich ein Teil der Flüssigkeit in einem Kreislauf bewegt
wird. Der Quecksilberzeiger befindet sich ,aber «jährend dieses Flüssigkeitskreislaufes
in Ruhe und zeigt den gerade vorhandenen Flüssigkeitsstand an. Ändert sich dieser
z. B. durch Herauspumpen öder Ablassen von Flüssigkeit aus dem Hahn d, so nimmt
auch @gleichzeitig der Gasdruck über der Flüssigkeit ab. In dem gleichen Maße sinkt
aber auch der Gasdruck in dem an die Saugleitung angeschlossenen Schenkel der Meßröhre
a, so daß die gehobene Quecksilbersäule wieder ein .genaues Maß für den senkrechten
Abstand zwischen der Pumpe b und dem 'Flüssigkeitsspiegel im Behälter e darstellt
und somit den neuen Flüssigkeitsstand im Behälter e anzeigt. Wird umgekehrt Flüssigkeit
in den Behälter e hineingedrückt, so steigt auch zugleich der Druck des auf der
Flüssigkeit lagernden Gases, ein Zustand, -der natürlich auch durch unmittelbare
Gaszufuhr in den Hohlraum des Behälters e - herbeigeführt werden kann.
-
In diesem Falle .würde aber, wenigstens bei stark erhöhtem Gasdruck,
ein Fehler im Anzeigen des Flüssigkeitsstandes auftreten, wein der -linke Schenkel
der Meßröhre a unmittelbar an die Pumpensaugleitung f -angeschlossen wird. Die in
der Saugleitung f emporsteigende- Flüssigkeit würde an der Anschlußstelle der Meßröhre
a in diese eindringen und in dem aufwärts gehenden ,Schenkelstück emporsteigen;
bis das zwischen dieser Flüssigkeit und der gehobenen Quecksilbersäule im linken
Schenkel der Meßröhre eingeschlossene Gas so weit zusammengedrückt ist, daß der
Gleichgewichtszustand wiederhergestellt ist. Dann ist aber die Bedingung nicht mehr
erfüllt, daß an der Anschlußstelle der Meßröhre a ran die Saug-
Leitung
f der gleiche Druck herrschen muß wie in dem Hohlraum der Meßröhre über der gehobenen
Quecksilbersäule, weil der hier jetzt herrschende Gasdruck, vermehrt um den Druck
der in dem aufwärts gehenden Schenkelstück emporgestiegenen Flüssigkeitssäule erst
dem Flüssigkeitsdruck in der Saugleitung f an der Anschlußstelle der Meßröhre gleichkommen
würde. Der Gasdruck in der Meßröhre a wäre also zu klein, die Quecksilbersäule zwischen
den Spiegeln infolgedessen zu hoch, und es würde ein zu niedriger Flüssigkeitsstand
angezeigt werden.
-
Uri nun auch in diesem -Falle ein unmittelbares, einer Korrektur praktisch
nicht bedürfendes Messen zu ermöglichen, wird zwischen der Saugleitung f und der
Meßröhre a
eine Vorlage g eingeschaltet, deren Zweck darin besteht, einerseits
das Emporsteigen der aus der Saugleitung feindringenden Flüssigkeit in der Meßröhre
zu verhindern, anderseits durch die eindringende Flüssigkeit das erforderliche Zusammendrücken
des in dem linken Teil der Meßröhre über dem Quecksilber befindlichen -Gases zu
bewirken. Bauart und Wirkungsweise der Vorlage g ist aus der Abb. 2 unmittelbar
zu ersehen.
-
Die Vorlage besteht lediglich in einer Erweiterung der Meßröhre zu
einem Gefäß von geringer Höhe. Weite und Höhe dieses Gefäßes g können stets so abgeglichen
werden, daß schon ein ganz geringes Ansteigen der Flüssigkeit in demselben ein erhebliches
Zusammendrücken der in der Meßröhre eingeschlossenen Gasmenge bewirkt. Bei den gewöhnlich
vorkommenden geringen Schwankungen des Gas- oder Luftdruckes im Behälter e entsteht
aber durch das ganz geringe Schwanken des Flüssigkeitsspiegels in der Vorlage g
kein meßbarer Fehler. Die Vorlage g hat den weiteren Vorteil, daß sie als Saugwindkessel
wirkt und so bei nicht umlaufenden Pumpen die stoßweise Flüssigkeitsströmung in
der Saugleitung in eine gleichmäßige umwandelt.
-
Soll etwa bei PräzisionsmeßinslrLimenten jede Fehlerquelle unter allen
Umständen ausgeschaltet Zierden, so gelangt an Stelle der einfachen Vorlage g eine
Kammervorlage i nach Abb. 3 zur Anwendung. Die in die Vorlage eintretende Flüssigkeit
gelangt zunächst in eine innere Kammer k, wo- sie durch die wechselnde Höhenhage
ihres Spiegels die erforderlichen Druckschwankungen in der Meßröhre a bewirkt. Der
Flüssigkeitsstand in der Kammer k regelt sich wieder selbsttätig durch den Druck
des auf der Flüssigkeitsoberfläche in der äußeren Kammer m eingeschlossenen Gases.
Die Flüssigkeitsräume der beiden Kammern k und m sink durch das kurze Rohr n verbunden,
so daß bei starker Druckabnahme in der Meßröhre d die Flüssigkeit aus der Kammer
m durch den hier herrschenden Gasdruck in die Kammer k und von hier in die Saugleitung
f zurückgedrückt wird.