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Einrichtung zur Messung der Geschwindigkeit strömender Gase und Flüssigkeiten.
Zur Messung der Geschwindigkeit strömender Gase und Flüssigkeiten sind zahlreiche
Verfahren und Einrichtungen bekannt. Sie erfüllen meist die an sie zu stellenden
Anforderungen, dem jeweiligen Zweck entsprechend, genügend genau, versagen jedoch
bei Messungen, bei denen die Geschwindigkeit in keiner Weise durch den Meßvorgang
beeinflußt werden darf. Die hier vorhandene Lücke auszufüllen ist der Zweck der
vorliegenden Erfindung. Der dabei zugrunde liegende Gedanke ist, die Messung statt
an den strömenden Teilchen selbst, an ihrem mittels eines optischen Systems erzeugten
Bilde auszuführen, wobei ein umlaufender Spiegel die Richtung der Abbildungsstrahlen
ablenkt. Von diesem Gedanken wird in der Weise Gebrauch gemacht, daß man das Gerät
mit einem optischen System ausrüstet, welches ein Bild der Teilchen des strömenden
Körpers erzeugt, dessen Bewegung von einem in den Gang der Abbildungsstrahlen eingeschalteten,
umlaufenden Spiegel zum Stillstand gebracht wird, wobei die Entfernung des optischen
Systems oder eines Teiles desselben von der Meßstelle des strömenden Körpers veränderlich
ist. Bekanntlich besteht eine Beziehung zwischen der gesuchten Geschwindigkeit und
der Winkelgeschwindigkeit des Spiegels sowie dem Abstande des abgebildeten Punktes
vom Drehungspunkte des abbildenden Büschels. Je nachdem, an welcher Stelle der Spiegel
in den Strahlengang eingeschaltet ist, ist dieser Drehungspunkt der Auftreffpunkt
des Hauptstrahls des Büschels auf der Spiegelfläche oder der vordere Hauptpunkt
des vor dem Spiegel angeordneten optischen Systems. Bezeichnet man den genannten
Abstand mit x, die Winkelgeschwindigkeit des Spiegels mit u, und die gesuchte Strömungsgeschwindigkeit
mit v, so lautet die Beziehung v=z.w#x, worin z eine unveränderliche Größe bedeutet,
die von der Meßeinrichtung abhängig ist. Die Bestimmung der gesuchten Geschwindigkeit
v wird sehr einfach, wenn eine der beiden Größen oder x bei allen Messungen einen
unveränderlichen Wert besitzt. Da das genaue Einhalten einer bestimmten, unveränderlichen
Winkelgeschwindigkeit eines umlaufenden Spiegels praktisch leichter auszuführen
ist als die genaue Bestimmung einer veränderlichen Winkelgeschwindigkeit im Zeitpunkte
der Messung, andererseits aber eine Längenbestimmung keine Schwierigkeiten bietet,
ergibt sich ein besonders zuverlässiges Meßverfahren, wenn
der Spiegel
mit unveränderlicher Winkelgesc',.windigkeit umläuft. Man hat dann nur nötig, den
Abstand x zu verändern, bis das Bild der strcmenden Teilchen durch den Spiegel zum
Stillstand gebracht ist, und kann die gesuchte Geschwindigkeit v am Stande eines
Zeigers ablesen, der die Veränderungen der Abstände x anzeigt und dessen zugehörige
Teilung entsprechend geeicht ist.
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Man kann die neue Einrichtung so ausführen, daß zur Veränderung des
Abstandes x der umlaufende Spiegel und das optische System in Richtung dieses Abstandes
x verschoben werden. Diese Lösung der Aufgabe hat jedoch den Nachteil, daß bei jeder
solchen Veränderung die Ebene, in welcher die Abbildung zustande kommt, parallel
zur Richtung der abgelenkten Büschel wandert und somit außer der Verschiebung der
genannten Teile die in der Regel zur Prüfung und Beobachtung des Bildes angebrachten
Hilfsmittel (z. B. eine Strichplatte und eine Lupe) jeweils von neuem eingestellt
werden müssen. Diese Nachteile lassen sich vermeiden, und es ergibt sich ein konstruktiv
besonders einfacher Aufbau der Einrichtung, wenn man sie so ausbildet, daß das optische
System aus mehreren Gliedern besteht und die abbildenden Büschel zwischen zweien
dieser Glieder parallelstrahlig verlaufen, wobei der umlaufende Spiegel zwischen
diesen beiden Gliedern in den Strahlengang geschaltet ist. Es ist dann zur Veränderung
des Abstandes x nur noch nötig, den vor dem Spiegel im Strahlengange liegenden Teil
des optischen Systems zu verschieben, während der Spiegel und die Bildebene ihre
Lage gegenüber dem strömenden Stoffe nicht verändern, und sich deshalb auch die
Nachstellung der zur Prüfung und Beobachturg des Bildes angebrachten, einmal eingestellten
Hilfsmittel erübrigt.
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In der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele von der Erfindung
entsprechenden Einrichtungen gezeigt. Abb. z und 2 geben schematisch die optischen
Teile und den Abbildungsstrahlengang zweier Einrichtungen im Grundriß wieder. Abb.
3 stellt den Aufriß einer dritten Einrichtung dar, deren optische Teile in Abb.
q., einer nach der Linie 4-4 der Abb. 3 entworfenen Grundrißschnittskizze, erkennbar
sind.
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Im ersten Beispiel (Abb. r) wird von einem mit der gesuchten Geschwindigkeit
v bewegten, punktförmig angenommenen Teilchen, welches sich zu einem gewissen Zeitpunkte
in einer Lage a befindet, mittels einer Sammellinse b
und eines in
einer bildseitigen Lage c befindlichen, mit unveränderlicher Winkelgeschwindigkeit
zu umlaufenden Spiegels in einer auf dem rechtwinklig abgelenkten Hauptstrahle des
abbildenden Büschels senkrecht stehenden Bildebene d ein Bild e erzeugt.
Die vordere Hauptebene der Linse b hat dabei einen solchen Abstand x1 vom Punkte
a, daß das Bild des Teilchens in jeder benachbarten Lage a1, die !, vom Hauptpunkte
der Linse aus unter einem Winkel a, erscheint, infolge einer nunmehr vom Spiegel
eingenommenen, mit der Lage c den gleichen Winkel a, bildenden Lage cl mit dem Bilde
e zusammenfällt. Zur Beobachtung dieses Bildet dient ein auf die Bildebene d eingestelltes
Okular f. Um den Abstand x1 der zu messenden Geschwindigkeit v anpassen zu können,
sind die optischen Teile (abbildende Linse, Spiegel und Okular) gemeinsam in der
ursprünglichen Richtung des abbildenden Hauptstrahles verschieblich gedacht, und
ein damit verbundener, an einer Teilung x° entlang gleitender Zeiger b° dient zur
Ablesung des Abstandes x1.
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Bei einer Messung verschiebt man die optischen Teile bei gleichzeitiger
Nachstellung des Okulars f auf die während der Verschiebung parallel zum abgelenkten
Hauptstrahle wandernde Bildebene d so lange, bis die Beobachtung ein stillstehendes
Bild der strömenden Teilchen erkennen läßt. Die gesuchte Geschwindigkeit v-w.xl
kann dann ohne weiteres an der Teilung x° aus dem Stande des Zeigers b° abgelesen
werden, wenn die Anzeigevorrichtung entsprechend geeicht ist.
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Im zweiten Beispiele (Abb. z) ist eine Einrichtung dargestellt, welche
sich vom ersten Beispiel durch eine dingseitige Anordnung des Spiegels unterscheidet.
Der Antreffpunkt des abbildenden Hauptstrahls auf die in einer Lage c befindliche
Spiegelfläche besitzt dabei einen Abstand x2 vom Punkte a, bei welchem i das Bild
des Teilchens wiederum in einer benachbarten Lage a1, die vom Auftreffpunkte aus
unter einem Winkel P erscheint, infolge einer nunmehr vom Spiegel eingenommenen,
mit der Lage c einen Winkel
bildenden Lage e1 mit dem Bilde e zusammenfällt. Die optischen Teile sind, wie beim
ersten Beispiele, in der ursprünglichen Richtung des Hauptstrahles verschieblich
gedacht. Das Meßverfahren zur Bestimmung der gesuchten Geschwindigkeit v=2w#x2 entspricht
dem Verfahren beim ersten Beispiele. Im dritten Ausführungsbeispiele (Abb. 3 und
q.) besteht das abbildende System aus drei sammelnden Gliedern, die so angeordnet
sind, daß die abbildenden Büschel zwischen den beiden hinteren Gliedern parallelstrahlig
verlaufen. An dieser Stelle ist der Spiegel, der hier durch eine Spiegeltrommel
ersetzt ist, in
den Strahlengang geschaltet. Auf einer Grundplatte
g befindet sich ein Lager h, in welchem eine Düse i ruht, die zur
Führung eines mit einer zu messenden Geschwindigkeit v parallel zur Grundplatte
g strömenden Flüssigkeitsstrahles k dient. Der aus der Düse i austretende
Strahl wird von oben her durch eine Glühlampe l beleuchtet. In einem zweiten Lager
m sind in einer drehbaren Hülse n zwei Sammellinsen o' und 02, die einen
inmitten des Flüssigkeitsstrahles k liegenden Systembrennpunkt a und eine Systembrennweite
cp besitzen, mittels zweier Kurvennuten n' und n2 und einer Längsnut in' mit ihren
Fassungen derart verschieblich angeordnet, daß Drehungen der Hülse n an einem Rändelring
n3 die Systembrennweite cp unter Beibehaltung des Brennpunktes a verändern. Die
Größe der Brennweite y kann an einer mit einer Teilung versehenen Scheibe P mittels
eines am Rändelring n3 befindlichen Zeigers n4 abgelesen werden. Auf der Grundplatte
g befindet sich außerdem ein Lager q, in welchem eine mit einer Anzahl Spiegeln
ausgestattete Spiegeltrommel s mit einer senkrecht zur Grundplatte g stehenden Welle
s' drehbar gelagert ist, die mittels einer Riemenscheibe r und eines Riemens y'
mit einer unveränderlichen `Winkelgeschwindigkeit x, in Umlauf gesetzt werden kann.
Die Lagerung der Spiegeltrommel s ist so gewählt, daß der Hauptstrahl des abbildenden
Büschels, welches von einem im Punkte a befindlichen punktförmigen, mit der gesuchten
Geschwindigkeit v bewegten Teilchen herrührt, in der gezeichneten Lage eine Ablenkung
um go° erfährt. Eine dritte Linse 03 bildet das Objektiv eines Fernrohrs
t, welches in einem Lager u auf der Grundplatte g gelagert ist, wobei
der Hauptstrahl des von der Spiegeltrommel s abgelenkten Abbildungsstrahlenbüschels
mit der optischen Achse des Fernrohrs t zusammenfällt. Das dem Objektiv o3 zugeführte
parallelstrahlige Abbildungsstrahlenbüschel wird auf einer in seiner hinteren Brennebene
angebrachten Strichplatte w zu einem punktförmigen Bilde e vereinigt, zu dessen
Beobachtung ein Okular y dient.
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Zur Messung der Geschwindigkeit v einer aus der Düse i strömenden
Flüssigkeit läßt man die Spiegeltrommel s mit unveränderlicher Winkelgeschwindigkeit
cc- umlaufen und beobachtet mittels des Okulars y das auf der Strichplatte w vom
optischen System o', o2, 03 erzeugte Bild e der bewegten Flüssigkeitsteilchen. Sind
diese wegen der Beschaffenheit des strömenden Stoffes unsichtbar, so kann man den
Strom auf bekannte Weise durch Beimengung von Sand, Staub o. dgl. sichtbar machen.
Durch Drehen am Rändelring n3 verändert man die Systembrennweite cp der Linsen o'
und 02 so lange, bis das Bild der strömenden Teilchen auf der Strichplatte w zum
Stillstand kommt. Man kann nunmehr die gesuchte Strömungsgeschwindigkeit v=2W#(p
ohne weiteres am Zeiger n4 auf der Scheibe ablesen, wenn die die Werte der Brennweite
q) anzeigende Teilung entsprechend geeicht ist.
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Bei der zuletzt beschriebenen Ausführungsform der Erfindung hat man
den Vorteil, die Verschiebung des umlaufenden Spiegels und des Beobachtungsfernrohrs
infolge des Auftretens von parallelstrahligen Abbildungsstrahlenbüscheln zu vermeiden
und hat aus demselben Grunde auch nicht nötig, das Okulary entsprechend den wechselnden
Geschwindigkeiten v stets von neuem einstellen zu müssen, weil das Fernrohr
t bei allen Werten von v
auf einen unendlich fernen Punkt eingestellt
bleibt. Hat somit diese Anordnung den Vorteil leichterer Bedienung, so haben die
beiden ersten Ausführungsformen dagegen bei günstig gewählter Anordnung der einzelnen
Teile zueinander den Vorteil größerer erreichbarer Helligkeit der Bilder für sich,
womit man zwecks Erzielung höherer Meßgenauigkeit eine stärkere Vergrößerung der
Abbildung erreichen kann. Von der neuen Einrichtung kann man mit Vorteil auch zur
Messung zweier Komponenten einer Geschwindigkeit Gebrauch machen, indem mehrere
Einrichtungen nebeneinandergeschaltet werden.