DE371906C

DE371906C - Automatic recording instrument for measuring water depths, water speeds and flow rates

Info

Publication number: DE371906C
Application number: DEL53874D
Authority: DE
Original assignee: JOHANN LIEWALD
Current assignee: JOHANN LIEWALD
Priority date: 1921-02-08
Filing date: 1921-08-31
Publication date: 1923-03-22

Description

Selbsttätiges registrierendes Instrument zum Messen von Wassertiefen, Wassergeschwindigkeiten und Durchflußmengen. Um die Wasserdurchflußmenge eines gewissen Fluß- oder Bachprofils feststellen zu können, wird vorerst das Wasserprofil aufgenommen und dann in gewissen Vertikalen desselben bei verschiedenen Wassertiefen mittels Instruments die Wassergeschwindigkeiten gemessen. Da die Wassergeschwindigkeit nicht nur in den einzelnen Vertikalen, sondern auch in den verschiedenen Tiefen verschieden ist und der Wasserstand sich ändert, muß darauf geachtet werden, daß die Geschwindigkeitsmessungen in möglichst vielen Punkten des Profils vorgenommen werden, daß die ganze Geschwindigkeitsmessung eine möglichst kurze Zeit in Anspruch nimmt und daß das Instrument kontrollierbar ist.Automatic recording instrument for measuring water depths, Water velocities and flow rates. To the water flow rate of a certain To be able to determine the river or stream profile, the water profile is first recorded and then in certain verticals of the same at different water depths by means of Instruments measured the water velocities. Since the water speed is not only different in the individual verticals, but also in the various depths is and the water level changes, care must be taken that the speed measurements in as many points of the profile as possible that the entire speed measurement takes as short a time as possible and that the instrument is controllable is.

Die bisherigen Wassermeßinstrumente haben den Nachteil, daß sie die Geschwindigkeiten nur in gewissen voraus bestimmten Tiefen angeben, daß die Wassertiefen gesondert aufgenommen werden müssen, daß der Meßvorgang langsam ist und nur in besonders eingerichteten Anstalten ausgewertet werden kann. Der Schoensche Fluviograph, der nebst den Geschwindigkeiten auch die Tiefen mißt, bedarf hierzu zweier Instrumente, deren Handhabung umständlich ist.The previous water measuring instruments have the disadvantage that they Velocities only at certain predetermined depths indicate that the water depths must be added separately that the measuring process is slow and only in particular established institutions can be evaluated. The Schoensche Fluviograph, the in addition to measuring the depths, this requires two instruments, whose handling is cumbersome.

Diese Nachteile sollen durch das vorliegende Instrument behoben werden. Zum Unterschiede von den bisherigen Instrumenten, bei welchen die Wassergeschwindigkeit aus der Geschwindigkeit eines Schwimmers oder aus dem Aufsteigen des Wassers in getrennten Röhren (Meßvorrichtungen von Frank, Ritter usw.), oder aus der sekundlichen Umdrehungszahl eines Schneckenrades (Woltmannscher Flügel), oder eines Löffelrades (Arwidsonsches Instrument), oder aus dem Pendelausschlage (MeineckschesInstrument), oder aus der Verschiebung einer Tafel (Schoenscher Fluviograph) abgeleitet wird, kann bei demInstrumente nach derErfindung die Wassergeschwindigkeit aus der Durchbiegung einer elastischen Membran, wie sie Vidi zur Luftdruckmessung benutzte, bestimmt werden. Im Gegensatze zu den bisherigen Instrumenten, bei welchen die Wassertiefen mittels Längenmaß gemessen werden, wird bei dem neuen Instrumente auch die Tiefe in an sich bekannter Weise aus der Durchbiegung einer elastischen Membran festgestellt.The present instrument is intended to remedy these disadvantages. To the difference from the previous instruments, in which the water speed from the speed of a swimmer or from the rise of the water in separate tubes (measuring devices from Frank, Ritter, etc.), or from the secondary Number of revolutions of a worm wheel (Woltmann wing) or a spoon wheel (Arwidson's instrument), or from the swing of the pendulum (Meineck's instrument), or derived from the displacement of a table (Schoenscher Fluviograph), In the case of the instrument according to the invention, the water velocity can be determined from the deflection an elastic membrane, as used by Vidi to measure air pressure will. In contrast to the previous instruments, in which the water depths can be measured by means of a length measure, with the new instrument the depth is also measured in a manner known per se from the deflection of an elastic Membrane noted.

Der Gedanke, eine elastische Membran zur Druckmessung zu verwenden, wurde schon häufig angewendet, z. B. bei Aneroiden und Manometern, und ist auch beim Messen von Wassergeschwindigkeiten und Wassertiefen nicht neu, da er bereits bei der Konstruktion eines Schiffgeschwindigkei,smessers (vgl. die deutschen Patentschriften iiiogo und 122093 der K1. 42) und eines Flüssigkeitsstandanzeigers (vgl. die deutsche Patentschrift 312631 der K1.42c) angewendet worden ist. Dagegen ist die zweckmäßige Verbindung der bekannten Einrichtungen und die Wirkungsweise des vorliegenden Instrumentes wesentlich neu und den bisher bekannt gewordenen verschieden, worauf noch später hingewiesen wird.The idea of using an elastic membrane to measure pressure has been used frequently, e.g. B. aneroids and manometers, and is also not new to measuring water speeds and water depths, as he already has in the construction of a ship's speed, knife (cf. the German patents iiiogo and 122093 of the K1. 42) and a liquid level indicator (cf. the German Patent 312631 of K1.42c) has been applied. Against this is the expedient one Connection of the known devices and the mode of operation of the present instrument essentially new and different from those previously known, which will come later is pointed out.

Der Gegenstand der Erfindung ist in einer Ausführungsform auf der Zeichnung schematisch dargestellt, und zwar zeigt Abb. i die Seitenansicht, Abb. 2 den Längsschnitt, Abb. 3 den Querschnitt, während Abb. 4 ein mit dem Instrumente aufgezeichnetes Diagramm veranschaulicht.The object of the invention is in one embodiment on the Drawing shown schematically, namely Fig. I shows the side view, Fig. 2 the longitudinal section, Fig. 3 the cross section, while Fig. 4 shows the instruments the recorded diagram.

Äußerlich besteht das Instrument aus einem starken Metallkasten a, dessen Vorderseite von einer Membran gebildet wird, welche durch einen Korb b geschützt ist. Auf der Rückseite des Kastens ist ein gelochter Blechkegel c aufgesetzt, auf welchem eine wagerechte und eine senkrechte Flosse cl angebracht ist. Eine Seitenwand des Kastens ist als Glastürchen ausgebildet. Auf der Oberseite des Kastens ist ein Aufhängering e befestigt.Externally, the instrument consists of a strong metal case a, the front of which is formed by a membrane which is protected by a basket b is. A perforated sheet metal cone c is placed on the back of the box to which a horizontal and a vertical fin cl is attached. A side wall the box is designed as a glass door. On the top of the box is a Hanger ring attached.

Der Metallkasten a ist durch eine feste Wand in zwei Kammern A und D geteilt. Die Kammer A, gefüllt mit Luft unter atmosphärischem Druck, ist von der dritten Kammer B mittels einer elastischen Membran g getrennt, sonst aber von starken Metallwänden und einem Glastürchen q luftdicht eingeschlossen. Die Vorderwand der Kammer D ist durch eine ähnliche Membran g' gebildet wie die Rückwand der Kammer A. Die Blechwände c der Kammer B sind an vielen Stellen f derart durchgebohrt, daß das Wasser in die Kammer B eindringen kann, jedoch die Saug- und Wirbelwirkung des fließenden Wassers aufgehoben wird. Die Räume D und B sind untereinander durch zwei Röhrchen h und i2 verbunden. Auf den Innenseiten der beiden Membranen sind Stifte h und h' angebracht, welche die Durchbiegungen der Membranen auf zwei getrennte, in der Kammer A untergebrachte Anzeigevorrichtungen übertragen, die diese Durchbiegungen sodann auf einem mittels Uhrwerkes bewegten Papierstreifen ni m-n@ nebeneinander verzeichnen.The metal box a is divided into two chambers A and D by a solid wall. The chamber A, filled with air under atmospheric pressure, is separated from the third chamber B by means of an elastic membrane g, but otherwise enclosed airtight by strong metal walls and a glass door q. The front wall of the chamber D is formed by a similar membrane g 'as the rear wall of the chamber A. The sheet metal walls c of the chamber B are drilled through at many points f so that the water can penetrate into the chamber B, but the suction and swirling effect of flowing water is lifted. Rooms D and B are connected to one another by two tubes h and i2. Pins h and h 'are attached to the inside of the two membranes, which transfer the deflections of the membranes to two separate display devices housed in chamber A, which then record these deflections next to one another on a paper strip ni mn @ moved by a clock mechanism.

Die Wirkungsweise des Instruments ist die folgende Solange sich das Instrument in ruhiger Luft befindet, hebt sich der von innen und außen auf die beiden Membranen wirkende atmosphärische Druck auf, und die Stifte der Anzeigevorrichtungen zeichnen die Grundlinien x-x und y-y (Abb. .I), deren erste die Tiefennullinie und die zweite die Geschwindigkeitsnullinie darstellt. Wird sodann das Instrument in ein fließendes Wasser getaucht, so stellt es sich mit Hilfe der beiden Flossen in die Stromrichtung, und das `'Wasser dringt durch die Löcher f der Kegelwände e in den Raum B, von da durch das Röhrchen t1 in die Kammer D, während die Luft durch das Röhrchen i= und die Löcher f entweicht, so lange, bis beide Räume vollständig mit Wasser gefüllt sind. Da die entsprechend gebohrten Öffnungen f in den Kegelwänden die Saug- und Wirbelwirkung des strömenden M'assers aufheben, so wirkt auf alle mit dem Wasser in Berührung stehenden Innenwände des Instruments ein Druck, welcher gleich ist dem atmosphärischen plus dem hydrostatischen. Auf die Tiefenmembran g wirkt gegen diesen äußeren Druck der atmosphärische aus dem Innern der Kammer A, aus welchen beiden ein reiner hydrostatischer Druck von außen resultiert. Dieser Druck biegt die Membran g nach innen durch und führt hierdurch die Verschiebung der zugehörigen Anzeigevorrichtung, des Zeichenstiftes nz in eine Lage i, 2, 3, 4, 5 (Abb. 4) herbei, deren senkrechte Entfernung von der Tiefennullinie x-x infolge linearer und grader Proportionalität zwischen dem hydrostatischen Drucke und der Wassertiefe die Wassertiefe angibt, in welcher das Instrument getaucht war. Auf die senkrecht gegen den Strom gestellte Geschwindigkeitsmembran g' wirkt gleichzeitig von außen ein Druck, welcher gleich ist dem atmosphärischen plus dem hydrostatischen plus dem hydrodynamischen Drucke. Mit Rücksicht auf das oben Angeführte bleibt von denselben als resultierender der reine hydrodynamische Druck, welcher die Membran g' nach innen durchbiegt und hierdurch die Verschiebung der zugehörigen Anzeigevorrichtung und des Zeichenstiftes m' in eine Lage (i', 2', 3', 4', 5') herbeiführt, deren senkrechte Entfernung von der Geschwindigkeitslinie y-y infolge gerader und quadratischer Proportionalität zwischen Wassergeschwindigkeit und dem hydrodynamischen Drucke die Wassergeschwindigkeit in der Stelle angibt, in welcher das Instrument getaucht war.The functioning of the instrument is as follows As long as the instrument is in calm air, the atmospheric pressure acting on the two membranes from inside and outside is canceled and the pins of the indicators draw the baselines xx and yy (Fig. .I), the first of which represents the zero depth line and the second the zero speed line. If the instrument is then immersed in flowing water, it positions itself in the direction of the current with the help of the two fins, and the water penetrates through the holes f in the conical walls e into space B, from there through the tube t1 into the chamber D, while the air escapes through the tube i = and the holes f , until both spaces are completely filled with water. Since the correspondingly drilled openings f in the cone walls cancel the suction and swirling effect of the flowing water, a pressure which is equal to the atmospheric plus the hydrostatic acts on all the inner walls of the instrument in contact with the water. The atmospheric pressure from the interior of chamber A acts on the deep membrane g against this external pressure, both of which result in a pure hydrostatic pressure from the outside. This pressure bends the membrane g inwards and thereby causes the associated display device, the pen nz, to be shifted to a position i, 2, 3, 4, 5 (Fig. 4), the vertical distance of which from the zero line xx is linear and degree of proportionality between the hydrostatic pressure and the water depth indicates the water depth in which the instrument was immersed. At the same time, an external pressure acts on the velocity membrane g ', which is positioned vertically against the current, which is equal to the atmospheric plus the hydrostatic plus the hydrodynamic pressures. With regard to the above, the resulting pure hydrodynamic pressure remains, which deflects the membrane g 'inward and thereby shifts the associated display device and the pen m' into a position (i ', 2', 3 ', 4 ', 5'), the vertical distance of which from the velocity line yy as a result of straight and quadratic proportionality between the water velocity and the hydrodynamic pressure indicates the water velocity at the point in which the instrument was immersed.

Da sich die beiden Zeichenstifte gerade gegenüber befinden, liegen auch die gleichzeitigen Notierungen der Tiefe und der Geschwindigkeit auf einer und derselben Senkrechten zu den beiden Grundlinien. Die Entzifferung ihrer Größen geschieht mittels eines empirisch konstruierten Maßstabes.Since the two crayons are facing each other, lie also the simultaneous notations of depth and speed on one and the same perpendicular to the two baselines. The deciphering of their sizes happens by means of an empirically constructed yardstick.

Wird das Instrument im Wasserprofile bewegt, so zeichnen beide Stifte ein Diagramm, wie es in Abb. q. abgebildet ist, aus welchem für jeden Zeitpunkt die Tiefe des Instruments unter Wasser und die Wassergeschwindigkeit abgelesen werden kann.If the instrument is moved in the water profile, both pens draw a chart like it in fig.q. it is shown from which for at each point in time the depth of the instrument under water and the water speed can be read.

Im folgenden soll der Meßvorgang bei der Feldarbeit beschrieben werden. Befindet sich an der Stelle des Meßprofils eine Brücke oder ein Steg, so werden auf dem Geländer die Entfernungen der beiden Enden des Wasserspiegels und jener vertikalen, in welchen die Messungen vorgenommen werden sollen, abgemessen und notiert. Das Instrument wird adjustiert, in Gang gesetzt, verschlossen und auf einem Seile in der ersten Vertikale langsam unter die Wasseroberflächegetaucht. NachdemdasAufsteigender Luftblasen aus dem Instrumente aufgehört hat, wird das Instrument langsam herabgelassen bis es die Sohle berührt, was sich an dem Seile bemerkbar macht. Dann wird es wieder langsam bis unmittelbar unter das Wasserniveau gehoben und hierauf in derselben Höhe in die zweite Vertikale übertragen, wo es wieder bis zur Sohle getaucht und wieder gehoben wird. Dasselbe wird in allen Vertikalen wiederholt, worauf man das Instrument aus dem Wasser zieht, es abtropfen läßt und abtrocknet. Dann wird die Uhr zum Stehen gebracht und das Instrument verpackt.The following describes the measuring process during field work. If there is a bridge or a web at the point of the measurement profile, then on the railing the distances between the two ends of the water level and that one vertical, in which the measurements are to be made, measured and noted. The instrument is adjusted, started, locked and on a rope slowly dipped below the surface of the water in the first vertical. After the ascending If air bubbles from the instrument have stopped, the instrument is lowered slowly until it touches the sole, which is noticeable on the rope. Then it will be again slowly raised to just below the water level and then in the same Transfer the height to the second vertical, where it dips back down to the sole and is lifted again. The same thing is repeated in all verticals whereupon that Pull the instrument out of the water, drain it and dry it. Then the The clock stopped and the instrument was packed.

Befindet sich am Meßprofil keine Brücke oder Steg, so wird die Messung in gleicher Weise vorgenommen, jedoch von einem über den Flußlauf gespannten Seile, auf welchem das Instrument vom Ufer aus mittels kalibrierten Drahtes von einem Ufer zum anderen geschoben und in den einzelnen Vertikalen herabgelassen und gehoben wird, ohne daß Kähne u. dgl. in Anspruch genommen werden. Die Entfernungen der beiden Enden des Wasserspiegels sowie der Vertikalen vom Beobachter werden auf dem kalibrierten Drahte abgelesen.If there is no bridge or bar on the measurement profile, the measurement will be made in the same way, but by a rope stretched across the course of the river, on which the instrument from the bank by means of calibrated wire from one bank on the other hand pushed and lowered and raised in the individual verticals without using boats and the like. The distances between the two Ends of the water level as well as the vertical from the observer are calibrated on the Read wires.

Sind mehrere Messungen zu machen, für die der eine Papierstreifen nicht ausreichen würde, so wird der Rahmen mit den Rollen aus dem Instrument herausgenommen und ein Reserverahmen mit frischen, bereits aufgerollten Papierstreifen eingesetzt.There are several measurements to be made for one strip of paper would not be sufficient, the frame with the rollers is removed from the instrument and a reserve frame with fresh, already rolled up paper strips inserted.

Vor und nach jeder Messung notiert man den Wasserstand und überzeugt sich, ob die Stifte richtig zeichnen. Findet man, daß der Abstand der vom Instrument in der Luft gezeichneten Grundlinien dem für das Instrument angegebenen Maße entspricht, so ist das ein Beweis, daß das Instrument unbeschädigt ist.Before and after each measurement, the water level is noted and convinced whether the pens are drawing correctly. One finds that the distance from the instrument The base lines drawn in the air correspond to the dimensions given for the instrument, so this is proof that the instrument is undamaged.

In der Kanzlei werden im Diagramme nach den Linien, welche die Zeichenstifte vor und nach der Messung in der Luft gezeichnet haben, die beiden Grundlinien und eine entsprechende Anzahl von Senkrechten zu denselben gezogen. Mit Hilfe des dem Instrumente beigegebenen Maßstabes werden mit entsprechender Rücksicht auf die Bauhöhe des Instruments die Sohlentiefen in den einzelnen Vertikalen und die Instrumententiefen für bestimmte Geschwindigkeiten entziffert. Aus den so gewonnenen Sohlentiefen, den bei der Feldarbeit notierten Entfernungen der Vertikalen und aus den Pegelablesungen wird das Wasserprofil aufgetragen. Auf die einzelnen Vertikalen werden die aus dem Diagramme entnommenen Tiefen und senkrecht dazu die gleichfalls dem Diagramme entnommenen Geschwindigkeiten aufgetragen. Die so erhaltenen Endpunkte werden verbunden, und hierauf wird mit der graphischen und rechnerischen Bearbeitung nach einer der bekannten Methoden fortgefahren.In the office, diagrams are drawn according to the lines which the drawing pens before and after the measurement in the air have drawn the two baselines and drawn a corresponding number of perpendiculars to them. With the help of the dem Instruments of the attached scale are made with appropriate consideration of the overall height of the instrument, the sole depths in the individual verticals and the instrument depths deciphered for certain speeds. From the sole depths obtained in this way, the vertical distances noted during fieldwork and from the level readings the water profile is applied. On the individual verticals, the Depths taken from diagrams and, perpendicular to them, also taken from the diagram Velocities plotted. The endpoints thus obtained are connected, and this is followed by graphic and computational processing according to one of the known Methods continued.

Claims

PATENT CLAIM: Automatic, recording instrument for measuring water depths, water velocities and flow rates, characterized by an airtight, closed chamber (A) for filling with air under atmospheric pressure in connection with two further chambers (B, D) on both ends, which are suitable for filling with water under the static pressure of the surrounding water, and in one of these chambers (D) the wall that is to be placed vertically against the current in the flowing water so that it is under the influence of the hydrodynamic pressure through an elastic membrane (g ') is formed, while the second water chamber (B) is separated from the air chamber by a similar membrane (a), which is under the influence of the hydrostatic pressure of the surrounding water, so that the pressure effects of these the diaphragms caused by two independent deflections and located in the air chamber (A) Ie display devices are multiplied, transmitted and recorded on one and the same sheet of paper moved by a common clockwork (C) in such a way that the simultaneous recordings of water depths and speeds are just opposite each other and can thus be used to calculate the water flow rate.