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Vorrichtung zum Bestimmen und Aufzeichnen der Wasserdurchflußmengen
in offenen Wasserläufen. Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur selbsttätigen
Bestimmung urid Aufzeichnung der Durchflußmengen offener Wasserläufe. Die Durchflußmenge
ist bekanntlich gleich dem Produkt aus dem Querschnitt A des Wasserlaufes und der
Mittelgeschwindigkeit Ü@ der Strömung in demselben Querschnitt. Die Mittelgeschwindigkeit
ist aber das Produkt aus der Höchstgeschwindigkeit U."" und einem Faktor l(, der
versuchsweise ermittelt werden kann und sich mit den Veränderungen des Wasserstandes
ändert. Er kann durch die Bazinsche Formel
ausgedrückt werden, in welcher a und b von der Wändebeschaffenheit
des Wa:sserlaufes abhängige, daher bei einem bestimmten Wasserlaufe beständige Faktoren
sind und
der Mittelmesser des Querschnittes (C=bespülte Umrißlinie) ist.
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Die Durchflußmenge P ergibt sich also aus der Gleichung P = A X U",,
wobei U ,n = Umaa i< K. Nun kann die Höchstgeschwindigkeit erlangt werden, indem
man die Geschwindigkeit der Wasserader (im allgemeinen in der Mittelachse des Wasserlaufes)
in ungefähr 3/4 Höhe des Wasserquerschnittes mißt, während man die Querschnittsfläche
aus der Höhe H ermitteln kann, da sie nur von dieser Höhe und der selbstverständlich
bei jedem `Vasserlaufe bekannten Gestalt des Wasserquerschnittes abhängt.
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Was den Faktor l( betrifft, so ist auch ,er bei jedem Wasserlaufe
bestimmt, da er ausschließlich gemäß der oben angegebenen Bazinschen Formel eine
Funktion des Mittelhalbmessers, daher des Wasserstandes, bildet. Bevor nun auf die
Erfindung näher eingegangen wird, muß hervorgehoben werden, daß Meßvorrichtungen
mit einem an einem Schwimmer pendelnd aufgehängten Geschwindigkeitsflügel bekannt
sind. Gemäß der Erfindung ist der Drehpunkt des Schaufelpendels aber zum Wasserspiegel
veränderlich und von den Spiegelschwankungen abhängig gemacht derart, daß die Schaufel
selbst immer iln der günstigsten Wasserlinie steht, d. h. ungefähr bis zu 3/4 Höhe
des Wasserquerschnittes eintaucht, wie es zweckmäßig ist, um die Mittelgeschwindigkeit
herzuleiten, welche in einem bestimmten Verhältnis zu der Höchstgeschwindigkeit
bei jedem Wasserstand steht.
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Die in den Abb. i bis 7 dargestellte Einrichtung gestattet: i. die
Messung der Höchstgeschwindigkeit U.a, und des Querschnittes A des Wasserlaufes;
2. die unmittelbare Erzielung aus U,"ax, K und A der Angabe und Aufzeichnung der
Durchflußmenge.
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i. Messung der Höchstgeschwindigkeit U",a., und des Querschnittes
des Wasserlaufes A.
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Die Schwingungsachse des Schaufelpendels liegt auf einem sich um einen
festen Punkt drehenden Arm T (Abb. i), welcher durch einen Rahmen gebildet wird,
der einerseits einer ortsfesten, zum Meßgerät gehörigen Welle B und anderseits dem
Schwimmer G gelenkig angeschlossen ist. Das Schaufelpendel wird nun in ungefähr
3/4 Länge (von der eben erwähnten ortsfesten Welle nach dem Schwimmer hin gemessen)
am Rahmen aufgehängt, um zu erreichen, daß die Achse des Schaufelpendels beim Sinken
und Steigen des Wasserspiegels und Schwimmers relativ zum Wasserspiegel sich um
3/4 der Veränderung des Wasserspiegels verstellt, so daß sich die Schaufel in jedem
Falle auf 3/4 Höhe des Wasserspiegels hält, wenn die Länge der Schaufelstange im
voraus derart bestimmt worden ist, daß die genannte Eintauchtiefe bei einem bestimmten
Ausgangswasserstand erzielt wird. Zur Ermittlung der in ungefähr 3/4 Wasserstandshöhe
herrschenden Geschwindigkeit dient natürlich das Schaufelpendel, während zur Ermittlung
des Wasserquerschnittes der Schwimmer verwendet wird. Die Schaufel ist mittels eines
abgeflachten Rohres pendelnd ,aufgehängt. Ihr Eigengewicht und das des Rohres bilden
das dem Strömungsdruck entgegenwirkende Moment, zu dem noch die Wirkung einer Feder
oder eines Gegengewichtes hinzutreten kann. Das Schaufelprofil soll so beschaffen
sein, daß sich die Wasserfäden ut anschließen und zu Strudel-Z>
bildurigen
keinen Anlaß geben, so daß die Schaufel bei allen Geschwindigkeiten gleichmäßig
empfindlich und kippsicher sein kann. Weiter kann die Schaufel unter verschiedenen
Winkeln zum Tragrohr festgestellt werden, was bei gleichen Verstellungen des Pendels
verschiedene Einfallswinkel der Strömung zur Schaufel ergibt, und so kann man also
die Winkelstellung der Schaufel stets dem jeweils gegebenen Wasserlaufe anpassen,
d. h. man wird das ganze System in den verschiedensten Wasserläufen. verwenden können.
Die Höhenlage der Drehachse A kann sich zum Schwimmer G, d. h. zum Wasserspiegel,
ändern, da die Achse von einem Eisenrohrrahmen T getragen wird, der sich um eine
am Schwimmer festliegende wagerechte Achsel) drehen kann. je mehr die Drehachse
D des Rahmens T sich mit dem Wasserspiegel bzw. Schwimmer senkt, um so mehr
wird sich die Höhe der Achse A relativ zum Wasserspiegel und damit die Schaufeleintauchtiefe
selbsttätig den jeweils gegebenen Verhältnissen anpassen. Der Ausschlag des Schaufelpendels,
welcher ein Maß für die größte M'assergeschwindigkeit geben soll, wird von der auf
der Achse A sitzenden Hülse A, über die Hebel und Lenker BA, A1 BI BBi auf eine
um die Achse B sich drehende Lagerhülse B0 übertragen, auf welcher ein in Abb.5
veranschaulichter Zahnsektor R angeordnet ist. Von diesem Zahnsektor wird die Bewegung
ununterbrochen auf das kleine Zahnrad r, auf die Welle E und dann mittels des Kettenrades
R, das mit dem angegebenen Rad r fest verbunden ist, und der Kette auf das Rad r,
übermittelt, auf dessen Welle Fein Zylinder aufgekeilt ist. Um diesen Zylinder ist
eine Drahtschnecke derart umgewickelt, daß die Ordinaten der Drahtschnecke, von
einer als Grundlinie gewählten Kreislinie des Zylinders ausgehend, bei den verschiedenen
Umdrehungswinkeln des Zylinders, welche durch die Abweichung des Pendels hervorgerufen
werden, der die Schaufel beaufschlagenden Schnelligkeit entsprechen.
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Ein auf einer der Achse F gleichlaufenden Führung gleitender Läufer
V, wird durch die genannte Drahtschnecke getrieben; seine Verstellungen sind darum
proportional der besagten Schnelligkeit. Die Schnecke wird auf dem Zylinder entweder
einfach durch Reibung (indem der Draht stark gestreckt wird) oder durch kleine Bolzen
festgestellt, welche in längs der Zylindererzeugenden vorgesehenen Schlitzen gleitbar
sind; so daß es möglich ist, die Schnecke nach der jedem Ausschlag«,znkel der Schaufel
entsprechenden Geschwindigkeit zu regeln.
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Die Übersetzungsverhältnisse von R zu r
und von R, zu R, betragen
i : 6, so daß sich jede Verschwenkung des Schaufelpendels 36mal vervielfältigt.
Das Gewicht und die vom Wasser beaufschIagte Fläche der Schaufel sind derart bestimmt,
daß die größtmögliche Verschwenkung des Schaufelpendels bei der größten im Wasserlaufe
stattfindenden Schnelligkeit nicht über 45° beträgt. In diesem Falle ist-die Umdrehung
der Welle F= 45°X 36 =162o', d. h. die Welle F führt i 62o :36o _ 4,5 -- vollkommene
'Umdrehungen aus, was einer Umdrehung bei je io° Verschwenkung des entspricht.
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Die Geschwindigkeit Um", des die Schaufel beaufschlagenden Wasserstromes
wird auf einem Maßstab 4 (Abb. 3) abgelesen, an welchem sich ein vom Läufer V, getragener
Zeiger verschiebt. Sollen die Anzeigen des Läufers möglichst ohne Schwankungen ruhig
vor sich gehen, so dürfte es besonders zweckmäßig sein, eine Ölbremse z. B. auf
Welle E anzuordnen, welche die durch die Schaufel besonders bei den hohen Geschwindigkeiten
bewirkten Schwankungen etwas zu dämpfen vermag. Die Kettenräder r2, r3, r4
(Abb. 4) dienen lediglich zur Führung der Übertragungskette; am Ende derselben ist
zum Straffhalten ein Gewicht p befestigt.
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Zur Bestimmung des Wasserquerschnittes dient der Schwimmer C; er ist
bei D mit dem um die ortsfeste Achse B (Abb. i) schwingenden Rahmen T gelenkig verbunden.
Um Mißverständnisse betr. des Zahnsektors B zu vermeiden, sei noch erwähnt, daß
dieser Sektor nicht mit der Achse B, sondern um Achse B, drehbar sein soll. Nun
ist auf Achse B ein Arm C B befestigt, der am freien Ende mit einer Rolle
gegen einen auf der senkrecht verschiebbaren Stange e festsitzenden Arm L1, La drückt
und die Stange e entsprechend dem Sinken und Steigen des Wasserstandes hebt und
senkt.
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Abb.3 läßt einen in seiner Form einem T
ähnlichen Schlitten
1 erkennen, der an drei Punkten je mit einer Rolle an den Innenwandungen des Gehäuses
geführt und durch die unter Einfluß des Schwimmers stehende Stange e senkrecht verschoben
wird. Neben dem Schlitten liegt ;ein Maßstab 6, an dem die Schlittenverschiebung,
welche von dem Wasserspiegel abhängt, abgelesen werden kann.
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Durch zweckmäßige Gestaltung der HebelCB und der Armfläche Lo, L,
kann man erreichen, daß die senkrechten Verschiebungen des obenerwähnten Schlittens,
von einem Punkte So ausgehend, in einem vorher bestimmten Maßstabe die Flächen in
Quadratmetern des Wasserquerschnittes bei den verschiedenen Wasserspiegeln angeben,
welche Flächen unmittelbar am Maßstab 6, auf welchem ein am gesagten Schlitten angebrachter
Zeiger gleitet, abgelesen werden können. Das Gesetz der Ab-
hängigkeit der
Wasserquerschnittsfläche vom
Wasserspiegel ist bei der Gestalt der
Wasserlaufsquerschnittsfläche natürlich bekannt.
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z. Angabe und Aufzeichnung der Wasse'rdurchflußmenge. Die in den Abb.
3, q. und 5 veranschaulichte Einrichtung dient zur Ausführung der Produkte a) Umas
# K - Um _ Mittelgeschwindigkeit, b) 'Um # A= P = Wasserdurchflußmenge
und daher zur Angabe der Mittelgeschwindigkeit und der Wasserdurchflußmenge auf
geeigneten Maßstäben 5 und 3, weiter zur Aufzeichnung der Wasserdurchflußm@enge
auf einem durch Uhrwerk bewegten Papierstreifen.
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Zum Verständnis der Art, wie die beiden angegebenen Produkte .erzielt
werden, wird auf die oben schon erwähnten Verschiebungen des Wagens I und des Läufers
V1 hingewiesen, und zwar: r. senkrechte Verschiebung So S1 des Wage ns I, welche
zur Fläche des Wagenquerschnittes A proportional ist; -i. wagerechte Verschiebung
VO V1 des Läufers V1, welche der die Schaufel beaufschlagenden Geschwindigkeit Umax
proportional ist.
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Der Läufer V1 treibt eine um So schwingende geradlinige Kulisse
00 Q V1," mittels einer in dieser Kuilisse gleitenden Rolle. Die Kulisse
treibt ihrerseits die Schlitten Q Z und V,"1, von denen der erste in einer mit dem
Wagen I bew eglichdn wagerechten Führung, der andere in einer festen wagerechten
Führung gleitet. Die Steuerung dieser beiden Schlitten wird mittels Rollen, deren
Mittelpunkt in Q und Vml liegen, bewirkt, welche Rollen in der schon angegebenen
geradlinigen Kulisse gleiten und von denselben Schlitten getragen werden.
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Die Punkte Q -und V,"1 gleiten auf Wagerechten SI Q und V.Vml in solcher
Entfernung von So, daß So S1 zu der Wasserquerschnittsfläche proportional ist und
So V," = D (konstant)-Der Punkt Vl gleitet auf einer Wagerechten VO V1 in
der Entfernung So VO von So, welche sich mittels einer geeigneten, weiter unten
zu beschreibenden Vorrichtung proportional zu ändert.
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Da die beiden Dreiecke So V, U1 und S, Pm V,"1 ähnlich sind, ergibt
sich ohne weiteres, daß Vm Va, proportional Um" x K - Um ist, wobei Um auf
dem Maßstab 5 abgelesen-werden kann.
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Ferner ergibt sich aus der Ähnlichkeit der Dreiecke So Vm, Vml und
So SI Q, daß SI Q proportional dem Produkt Um X A ist, wobei diese Fördermenge am
Maßstab 3 abgelesen werden kann.
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Die jeweilige Durchflußmenge wird dadurch aufgezeichnet, daß die Verschiebungen
$l Q mittels eines Griffels auf einer durch Uhrwerk bewegten Papierrolle aufgezeichnet
werden. Der Griffel ist in einem Arm gelagert, der an einer um die Achse
H K drehbaren Stange M L
angebracht ist und mit einem Vorsprung Z des
Wagens Q Z durch eine Feder in Berührung gehalten wird.
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Die Verschiebungen von M sind, wenn sie auf eine mit der Vorderseite
der Vorrichtung gleichlaufende Ebene projiziert werden, bei jeder Höhe des Wagens
I, gleich den Verschiebungen des Wagens Q Z. Statt aber der Verschiebungen von M
werden diejenigen von O, d. h. einem mittleren Punkte der Geraden H M (Abb.
q.) genommen, welche Verschiebungen in bezug zu denjenigen von M im Verhältnis reduziert
sind, und dieses Verhältnis wird
nach dem für die Aufzeichnung zweckmäßigsten Maßstabe festgelegt.
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Die projizierten Verschiebungen von M werden durch den Griffel gemessen,
welcher auf der Papierrolle, parallel zur Vorderseite der Vorrichtung gleitet und
von einer Querstange des Parallelogramms Hl H 0,0 getragen wird, so
daß sich der Griffel in einer zur Linie O 0l senkrechten Ebene drehen kann, welche,
da H1H parallel zur Vorderseite der Vorrichtung ist, auch mit derselben Vorderseite
gleichläuft.
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Das Getriebe zur Veränderung der Entfernung So VO der Führung des
Wagens V1 von So, so daß diese Entfernung sich proportional zu K ändert, ist in
der Abb. 5 veranschaulicht.
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Das Lager des Zylinders mit umgewickelter Schnecke kann auf zwei gleichlaufenden
Führungen T, T1 gleiten, welche von Parallellenkern U, T1 und U T getragen
werden. Die annähernde Regelung der Entfernung So VO nach dem Mittelwert von I(
geschieht dadurch, daß man die Stütze der Drahtschneckenrolle auf eine zweckmäßige
Höhe auf den Führungen T T1 feststellt.
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Die genaue Regelung wird dadurch erzielt, daß man die Form der Parallelogramme
Ui T1 T U durch ein Hebel- und Daumengebilde N NI verändert, welches durch
den Wagen I und daher durch den Schwimmer gesteuert wird, so da.ß die Entfernung
So VO den verschiedenen Werten von K im Zusammenhang mit den verschiedenen Wasserstandshöhen
entspricht, wobei die Daumen N zu diesem Zweck geeignet ausgestaltet sind.
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Der beschriebenen Vorrichtung kann ein das Durchflußmengengebilde
integrierender Anzeiger angebracht werden, so daß die Vorrichtung auch als Wasserzähler
dienen kann, d. h. als Messer der gesamten in einem bestimmten Zeitraum durchflossenen
Wasservolumina.
Ein Beispiel dieses Wasserzählers, welcher nicht
zur Erfindung gehört .und nicht beansprucht wird, ist in den Abb.3 und 4 veranschaulicht,
in welchen y das die Vorrichtung enthaltende Gehäuse darstellt.
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Der Wasserzähler besteht wesentlich aus einer Planimeterrolle d, die
durch eine mittels Uhrwerks betriebene Reibungsscheibe Dl gedreht werden kann. .
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Der Berührungspunkt der Planimeterrolle d mit der Scheibe Dl verstellt
sich, vom Mittelpunkt der Scheibe ausgehend, längs einem wagerechten Halbmesser
durch eine mit dem Hebel H M verbundenen Pleuelstange proportional zur Durchflußmenge.
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Die Umdrehungen der Planimeterrölle sind daher in bekannter Weise
proportional dem Produkt aus Durchflußmenge und Zeit.