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Vorrichtung zur Kompensation des Temperatureinflusses auf elastische
Druckmeßkörper Bekanntlich leiden alle mit elastischen Meßkörpern, wie Aneroiddosen
nach V i d i oder Bourdonröhren, ausgestatteten barometrischen Meßinstrumente an
dem Mangel, unter wechselnden Temperaturen Fehlanzeigen des Luftdruckes zu liefern.
Dieser :Mangel macht sich dann vor allem empfindlich bemerkbar, wenn Aneroide als
Höhenmesser in Luftfahrzeugen oder bei Expeditionen in hohen Gebirgen oder zur meteorologischen
Erforschung der höheren Luftschichten verwandt werden, wo beträchtliche Kältegrade
herrschen, so daß grobe Fälschungen der Luftdruckanzeige eintreten können.
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Die bisher bekannten Verfahren zur Kompensation des Temperatureinflusses,
von denen das wichtigste die Befassung eines Gasrestes im Innern des sonst möglichst
evakuierten Meßkörpers ist, leisten eine vollkommene Kompensation nur für einen
bestimmten.. Luftdruck, den sogenannten Kompensationsdruck. Bei abweichenden Luftdrucken
tritt die Temperaturabhängigkeit wieder in Erscheinung, um so mehr, je mehr der
herrschende Druck vom Kompensationsdruck verschieden ist. Soll ein nach den bisherigen
Methoden kompensiertes Aneroid .an verschiedenen Stellern seines Meßbereiches bei
wechselnden Temperaturen verwandt werden, wie es die Regel ist, so sind zur Ausschaltung
aller Fehler dieselben Korrektionsrechnungen notwendig wie bei einem nicht kompensierten
Instrument, wenn auch die Größe der anzubringenden Korrektionen durch die Kompensation
im allgemeinen verringert sein wird. Es tritt dabei die Erscheinung auf, daß die
Temperaturkorrektion nicht nur ihrer Größe, sondern ,auch ihrem Vorzeichen nach
von dem jeweils herrschenden Druck abhängt, derart, daß sie bei Drucken, die den
Kompensationsdruck überschreiten, ein negatives, bei geringerem Druck ein positives
Vorzeichen besitzt. Die absolute Größe der Korrektion ist proportional dem Unterschied
zwischen dem herrschenden Druck und dem Kompensationsdruck. Offene Meßkörper, wie
sie zu Differenzdruckmessungen benutzt werden, zeigen dieses Verhalten nicht, das
durch die Volumenvergrößerung des abgeschlossenen Hohlraumes der barometrischen
Meßkörper und durch die temperaturabhängige Druckerhöhung des darin enthaltenen
Gasrestes bedingt wird. In der Wirkung der beschriebenen Methode der Gasfüllung
gleich ist ein anderes bekanntes Verfahren, nach dem ein Aneroidsatz auf einem Bimetallstreifen
derart befestigt wird, daß z. B. bei steigender Temperatur der ganze Satz gehoben
wird entsprechend der Zusammendrückung des unkompensierten Aneroides bei Temperaturerhöhung.
Da aber der Betrag der Zusammendrückung
nicht nur von der Temperatur,
sondern auch vom jeweilig herrschenden Druck abhängt, ist eine Kompensation des
Temperatureinflusses auf die genannte Art ebenfalls nur für einen bestimmten Druck
möglich, während für andere Drücke eine Temperaturabhängigkeit der Anzeige bestehen
bleibt.
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Zweck der vorliegenden Erfindung ist die im ganzen Druckbereich vollständige
Kompensation des Temperatureinflusses -auf Aneroide oder andere Druckmesser, die
elastische Meßkörper mit abgeschlossenem Innenraum besitzen. Das Verhalten eines
solchen Meßkörpers unter Druck- und Temperaturänderung kann durch folgende Formel
wiedergegeben werden: ($2» --- p1') = (P2 - p,) (I -I- b 4 T)
Hier bedeuten
pi und p,' die Drucke, die statt der wahren Drucke p1 und p2 unter dem Einfluß einer
Temperaturerhöhung d T über die Normaltemperatur angezeigt werden. b ist
der Temperaturkoeffizient des Meßkörpers. Hiernach besteht also das Wesen des Temperatureinflusses
darin, daß die Deformationen eines elastischen Körpers unter Druckeinfluß bei steigender
Temperatur größer werden, so daß sich die Eichskala erweitert, bei fallender Temperatur
verengert. Gemäß der Erfindung wird nun ein Ausgleich dieses Temperatureinflusses
dadurch erzielt, daß zunächst der Cbersetzungsfaktor des Hebelwerkes zwischen Meßorgan
und Anzeigevorrichtung ebenfalls temperaturabhängig gemacht wird, und zwar so, daß
der Temperaturkoeffizient der Übersetzung den Wert - b erhält. Formelmäßig ausgedrückt
lautet diese Bedingung c.- co (z-bdT) Hier ist co der Übersetzungsfaktor bei der
Normaltemperatur T, c ist der Faktor bei der Temperatur T -j- 4 T. Dann wird der
entsprechende Weg S des Anzeige- oder Schreiborgans durch die Formel gegeben S =
C (ih2 - Pi )
= co (Ps - pl) (I -% b4 T) (i - bd
T)
oder wegen der Kleinheit von b
Die Skalenerweiterung bei steigender Temperatur wird also durch eine Verkleinerung
der Übersetzung, die Skalenverengerung bei fallender Temperatur durch eine entsprechende
Vergrößerung der Übersetzung aus-, geg glichen. Die Temperaturabhängigkeit
des Übersetzungsfaktors wird dadurch erreicht, daß einer der Hebelarme des übersetzenden
Hebelwerkes, ähnlich wie bei Relativdruckmessern mit offenen Meßkörpern bereits
bekannt, durch geeignete Mittel derart als thermometrisches Element ausgebildet
wird, daß der Temperaturkoeffizient seiner Länge den Wert - b erhält. Dies hat wegen
der merklich. konstanten Länge aller anderen Hebel denselben Temperaturkoeffizienten
für die endgültige Übersetzung zur Folge. Zur Kompensation des für Aneroide und
andere Absolutdruckmesser charakteristischen Vorzeichenwechsels der Temperaturkorrektion
ist folgende Anordnung getroffen, die in Fig. i schematisch erläutert ist. Hier
bedeuten-E den elastischen Meßkörper, Z den Zeiger, p2 den festen Drehpunkt des
Zeigerhebels, Th das thermometrische Element, das den Hebelangriffspunkt p1 bei
Temperaturzunahme in der durch den gestrichelten Pfeil angedeuteten Richtung bewegt.
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Die Länge des Hebelarmes p1, p. sowie die Länge der Stoß- oder Zugstange
p1, p3 ist nun so abgestimmt, daß die gestrichelte Richtung der temperaturabhängigen
Bewegung des Hebelangriffspunktes gerade dann senkrecht auf der Richtung p1, p3
steht, wenn das Hebelsystem sich unter der Einwirkung des Druckes befindet, bei
dem der Vorzeichenwechsel der Temperaturkorrektion stattfindet. Wegen der Kleinheit
der Bewegung fällt der Weg des Punktes 1,7, dann praktisch mit dem Kreisbogen um
p3 zusammen, d. h. eine Beeinflussung der Anzeige durch das temperaturempfindliche
Element Th findet nicht statt, wie es das Verschwinden der Temperaturkorrektion
verlangt. Dabei kann. durch geeignete Wahl der Form und Lage des thermometrischen
Elementes der Weg des Punktes p1 dem Kreisbogen um p3 beliebig genähert werden.
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Bei einem größeren Druck dagegen (Fig. 2) wird der Winkel zwischen
der temperaturabhängigen Bewegung des Punktes p, und der Richtung pl, p3 ein stumpfer.
Die Bewegung des Punktes p, unter Temperaturerhöhung, die wiederum durch einen gestrichelten
Pfeil angedeutet ist, hat nun eine senkrecht nach unten gerichtete Komponente. Es
folgt .eine Hebung des Punktes p, und damit ein Absinken des Zeigers, und dadurch
wird diejenige Hebung des Zeigers aufgehoben, die ohne Einschaltung des temperaturempfindlichen
Elementes Tlt wegen des Absinkens des elastischen Meßkörpers bei steigender Temperatur
eintreten würde. Die durch Knickung eintretende Verkürzung der Strecke p3, p4, die
der Hebung des Punktes p1 entgegenwirkt, ist von kleinerer Größenordnung und zu
vernachlässigen.
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Andererseits bildet sich beiniedrigem Druck (Fig.3) ein spitzer Winkel
aus. Die Bewegung
des thermometrischen Elementes unter dem Einfluß
steigender Temperatur bewirkt umgekehrt wie vorher ein Heben des Zeigerhebels, wie
es dem umgekehrten Vorzeichen der Temperatureinwirkung auf den elastischen Meßkörper
bei vermindertem Druck entspricht. Da es Schwierigkeiten bereitet, eine Serie von
elastischen Meßkörpern so gleichmäßig herzustellen, daß der @°orzeichenweciisel
der Temperaturkorrektion bei allen Körpern unter demselben Druck stattfindet, würde
es notwendig sein, die sehr unbequeme Abstimmung d:r Hebellängen p1, p3 und 1'i#
172 bei jedem Instrument gesondert vorzunehmen. Um dies zu umgehen, kann man den
Hebellängen 1i1, p2 und p1, p3 einen festen Wert geben und die Anpassung an den
Kompensationsdruck durch eine Einstellung des thermometrischen Elementes vornehmen.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Lage des Hebelsystems, in der der Hebelarm p1, p.#
senkrecht auf dem Arm p1, p3 steht, wird nämlich nun im allgemeinen eine kleine,
z. B. negative Temperaturkorrektion vorhanden sein. Um diese auszugleichen, kann
man das thermometrische Element und damit die gestrichelte Bewegungsrichtung des
Punktes p1 etwas neigen, wie in Fig. q. angedeutet ist. Hierdurch wird, ähnlich
wie an Fig. 2 früher erläutert, die abweichende Lage des Kompensationsdruckes ausgeglichen.
Theoretisch wäre .es nun zur vollkommenen Kompensation bei allen Drucken erforderlich,
daß die durch die Neigung des thermometrischen Elementes entstehende vertikale Zusatzkomponente
der temperaturabhängigen Bewegung des Punktes p-, bei allen druckabhängigen Stellungen
des Hebelsystems konstant bleibt. In Wirklichkeit unterscheidet sich die durch die
Neigung des thermometrischen Elementes erzielte Zusatzkomponente von der theoretisch
geforderten noch wie der cosinus des Ausschlagwinkels des Hebels p1, p2 von der
Einheit. Dieser Unterschied ist bei nicht zu großen Ausschlagwinkeln ohne Bedeutung.
In der praktischen Ausführung wird zweckmäßig eine Drehbarkeit des temperaturempfindlichen
Elementes um eine mit dem Zeigerhebel fest verbundene Drehachse vorgesehen, die
bei der normalen Temperatur durch den Ort des Punktes p1 geht. Die Veränderung der
Neigung des thermometrischen Elementes, wie sie zur Einstellung der Kompensation
notwendig ist, stört dann nicht die Gesamtjustierung des Druckmessers.
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Die Wahl des temperaturabhängigen Elementes ist zur Wirksamkeit der
Kompensation nicht wesentlich. Grundsätzlich sind alle eine mechanische Bewegung
liefernden thermömetrischen Organe brauchbar.
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Es empfehlen sich besonders Kombinationen von Metallen mit verschiedenen
Ausdehnungskoeffizienten, z. B. Streifen von sogenanntem Bimetall.
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Die Einjustierung des Temperaturkoeffizienten der Übersetzung auf
genau den negativen Wert des Koeffizienten des elastischen Meßkörpers erfolgt entweder
durch Ausschlagsänderung des temperaturempfindlichen Elementes, also z. B. bei Verwendung
von Bimetall durch Verkürzen oder Verlängern der -wirksamen Länge des Bimetallstreifens,
oder durch Veränderung der Länge, die der Hebelarm p1, p2 bei der Normaltemperatur
hat; denn es kommt ja auf das Verhältnis der Längenänderung zur Hebellänge an.
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Die Anwendbarkeit der Erfindung hängt grundsätzlich nicht von der
Zahl und mechanischen Ausführung der Übersetzungshebel zwischen dem Meßkörper und
dem Schreib-oder Anzeigewerk ab.