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Einrichtung zum Messen des Vorrates an Flüssigkeit oder festen Stoffen
in einem Behälter durch Ermittlung der durch eine bestimmte Volumenänderung des
Leerraumes des Behälters in diesem hervorgerufenen Druckänderung Zur Bestimmung
des in einem Behälter befindlichen Vorrates an Flüssigkeit oder festen Stoffen ist
es häufig nicht möglich, zum "Zwecke der Messung den Vorrat aus dem betreffenden
Behälter zu entnehmen. Eine einfache Messung ließe sich durchführen durch eine Flüssigkeitsstandmessung.
Indes ist diese nicht brauchbar, wenn mit veränderlichen Schräglagen oder starken
Schwankungen des Flüssigkeitsbehälters zu rechnen ist, wie das z. B. bei den Betriebsstofftanks
von bewegten Körpern, insbesondere Luftfahrzeugen, der Fall ist.
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Diese Nachteile lassen sich nur dann vermeiden, wenn die zu bestimmende
Menge unmittelbar gemessen wird, d. h. wenn die zu bestimmende Menge selbst das
Meßergebnis. bedingt. Es ist ein Verfahren für die letzteren Zwecke bekanntgeworden,
.bei dem die Vorratsmenge bestimmt wird durch Ermittlung der Druckänderung, die
durch eine bestimmte Volumenänderung des Leerraumes des Behälters hervorgerufen
wird. Unter Leerraum wird hier der von der zu bestimmenden Vorratsmenge nicht ausgefüllte
Raum des Behälters, gegebenenfalls einschließlich eines für die Messung angeschlossenen
Hilfsraumes, verstanden. Vorausgesetzt ist, daß der betreffende Leerraum mit Luft
oder einem anderen gasförmigen Medium gefüllt ist. Es ist auch eine Ausführungsform
des genannten Verfahrens bekannt, bei der außer dem durch die Volumenänderung erreichten
Enddruck auch der atmosphärische Außendruck, unter dem der Behälter zu Beginn der
Volumenänderung steht, mitberücksichtigt wird, um so von Änderungen des Außendruckes
unabhängig zu sein.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung, vermittels deren der
Vorrat an Flüssigkeit oder festen Stoffen ebenfalls durch Ermittlung. der durch
eine bestimmte Volumenänderung des Leerraumes des Behälters in diesem hervorgerufenen
Druckänderung gemessen wird. Ihr Unterschied gegenüber den bekannten Einrichtungen
besteht darin, daß unter Zurückführung der Messung auf die Bestimmung des Quotienten
(worin p der zu Beginn und p' der am Ende der Volumenänderung herrschende Druck
ist) dieser
mit Hilfe eines elektrischen O_uotientenmeßgerätes ermittelt
wird und hierzu die betreffenden Druckwerte mittels. druckabhängiger
| Widerstände in elektrische Größen umgewan a- |
| delt werden. Hierdurch ergibt sich eine ein;' |
| seits sehr einfache und andererseits sehr..,.'@ |
nau arbeitende Meßeinrichtung. `"'' -Zur näheren Erläuterung sei Bezug genommen
auf die Zeichnung, in der in Fig. i ein für die Anwendung des Erfindungsgegenstandes
ausgebildeter Flüssigkeitstank und in Fig. 2 eine an sich zur Messung von Kapazitäten
bekannte Meßanordnung dargestellt ist, wie sie für die Erfindung verwendet werden
soll.
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i ist ein Flüssigkeitstank. An ihn ist vermittels eines Rohres 2 ein
Zylinder 3 angeschlossen, in dem ein Kolben 4 über ein Kurbelgetriebe o. dgl. verschieblich
ist. Die beiden Totpunktlagen dieses Kolbens 4 sind bei 4 und 4" gestrichelt eingezeichnet.
. Der Zylinder 3 besitzt einen Seitenschlitz 3d. Dieser ist so bemessen, daß etwa
während eines Drittels des Hubweges des Kolbens 4 der Flüssigkeitstank i über den
genannten Schlitz 3a mit der Außenatmosphäre in Verbindung steht, so daß sich also
jeweils während dieser Zeit der in dem Behälter i herrschende Druck auf den Außendruck
ausgleichen kann: Wenn der Kolben von der äußeren Totpunktlage ¢" aus in Bewegung
gesetzt wird, so erreicht er bei L, eine Stellung, in der die Verbindung des Tanks
z mit der Außenatmosphäre gerade abgeschlossen ist. Das Volumen, das von dem Kolben
4 bei Weiterbewegung aus der Stellung L1 in die Lage L2, d. h. in die zweite Totpunktlage
4', verdrängt wird, sei mit v' bezeichnet: Das von deriz Tank i umschlossene Volumen
einschließlich des von dem Rohr 2 bis zu. dem Querschnitt L2 eingeschlossenen Volumens
sei va. Endlich sei das zu messende Volumen der in dem Tank i befindlichen Flüssigkeitsmenge
mit v bezeichnet.
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Während der Meßpausen befindet sich der Kolben 4 in der Stellung q.".
Zur Durchfüh= rung einer Messung wird er in die zweite Totpunktlage 4' bewegt. Wenn
der Kolben auf dieser Bewegung den Querschnitt L1 erreicht, herrscht in dem Leerraum
des Flüssiglceitstanks und ebenso in dem Zylinder noch
| ;.1,#r Außendruck p. Durch die mit der weite- |
| Bewegung des Kolbens bis zu dem Ouer- |
| -&Jinitt L2 verbundene Verdichtung werde in |
'dem b1ussigkeitstank der hnddruck p' erreicht. Die durch die genannte Verdichtung
herbeigeführte Zustandsänderung ist naturgemäß abhängig von der Wärmeleitfähigkeit
der Wandungen des Tanks und des Zylinders, von der Geschwindigkeit der Kolbenbewegung
und von verschiedenen anderen Faktoren. Es mögen daher für die weitere Behandlung
die beiden Grenzfälle jeder Zustandsänderung, nämlich die isothermische und die
adiabatische Zustandsänderung, betrachtet werden. Für die isothermische Zustandsänderung
gilt bekanntlich unter Benutzung der oben definierten Größen folgende Gleichung:
P ' (vo-V -i V') (vo - V), (I) woraus sich für das gesuchte Flüssigkeitsvolumen
v ergibt:
Für die adiabatische Zustandsänderung gilt
Hierin bedeutet K das Verhältnis der spezifischen Wärmen cp und c" des in dem Leerrauen
des Tanks i befindlichen Gases, also im vorliegenden Falle der Luft. Aus der zuletzt
angeführten Gleichung ergibt sich für das gesuchte Flüssigkeitsvolumen
Da im allgemeinen der Wert p' nur wenig von p abweichen wird, so kann man setzen
Wird dieser Ausdruck-in die Gleichung (IV) eingesetzt, so erhält man
Vergleicht man die unter der Annahme einer adiabatischen Zustandsänderung erhaltene
Gleichung (VI) mit der unter der Annahme einer isothermischen Zustandsänderung erhaltenen
Gleichung (II), -o-sieht sieht man, daß in beiden Gleichungen als Veränderliche
lediglich noch die Drücke p und p' enthalten sind, und zwar. in beiden Fällen in
dem Quotienten
Im übrigen unterscheiden sich die beiden Gleichungen nur durch die Konstante K.
-Da, wie oben erwähnt, die isothermische und die adiabatische Zustandsänderung die
beiden
Grenzfälle der überhaupt möglichen Zustandsänderungen darstellen, so ergibt sich,
daß die tatsächlich erfolgende Zustandsänderung wiedergegeben wird durch eine Gleichung
der unter (II) bzw. (IV) dargestellten Art, wobei diese Gleichung sich von den Gleichungen
(1I) und (III) allenfalls nur durch eine Konstante unterscheiden kann. Hiervon ausgehend,
beruht die erfindungsgemäße Ausführung auf der Erkenntnis, daß es für die einzelne
Messung genügt, den Quotienten
zu ermitteln. Hierzu dient, wie schon oben erwähnt, einelektrisches Quotientenm.eB-gerät.
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Zur Umsetzung der Druckwerte p und p'-p in -elektrische Größen stehen
verschiedene Wege zur Verfügung. So könnte man z. B. Kohledruckwiderstände verwenden,
das sind Widerstände, deren Widerstandswert von dein auf sie ausgeübten Druck abhängig
ist. Genauer wird die Ausführung, wenn man sich kapazitiver Druckmeßdosen bedient;
das sind Kondensatoren, die mit einer Membran o. dgl. ausgerüstet sind und deren
Kapazität von dem auf die Membran ausgeübten Druck abhängig ist. Die zur Bestimmung
des Druckwertes p dienende Meßdose wird z. B. bei der Anordnung nach Fig. i unmittelbar
dem atmosphärischen Druck ausgesetzt, während die zweite Meßdose die Druckdifferenz
zwischen dem Außendruck und dem am Ende des @-erdichtungshubes im Behälter i herrschenden
Druck p' mißt und hierzu z. B. so in die Seitenwand des Behälters eingesetzt wird,
daß die eine Membran der Meßdose unter dem Einfluß des Außendruckes und eine zweite
Membran der gleichen Meßdose unter dem Einfluß des Innendruckes des Behälters i
steht.
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Eine zweckmäßige Meßanordnung für die erfindungsgemäße Einrichtung
wird durch Fig.veranschaulicht. In dieser sind bei C1 und C., die beiden vorgenannten
kapazitiven Meßdosen schematisch angedeutet. Col und Co2 sind Abgleichkondensatoren.
Die genannten Kondensatoren Cl, C2, Col und Co2 liegen je in Reihe mit der Primärwicklung
eines Transformators io, 1i, 1z bzw. 13 an den Klemmen einer Wechselstromquelle
i4 konstanter Spannung und konstanter Frequenz. 15 ist ein elektrisches Quotientenmeßgerät,
dessen Feldwicklung i5a ebenfalls an den Klemmen der Wechselstromquelle i:4 liegt.
Die beiden Drehspulen 15b und i5c liegen je an den Klemmen der in Reihe geschalteten
Sekundärwicklungen der Transformatorenpaare i o und i i bzw. i z und 13.
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Die Wirkungsweise der Schaltung bedarf keiner näheren Erläuterung.
Das Meßgerät 15 kann unmittelbar in Volumeneinheiten der zu messenden Vorratsmenge
geeicht werden. Hierbei sind die Abgleichkondensatoren Co,
und Co., so zu
bemessen bzw. so einzujustieren, daß bei leerem Behälter das Meßgerät 15 auf den
Nullstrich seiner Skala zeigt.
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Es war oben zunächst nur der Fall einer einzelnen Messung betrachtet
und bei der Erläuterung des Ausführungsbeispieles nach Fig. z stillschweigend vorausgesetzt,
daß das Meßgerät 15 jeweils nach Beendigung des Verdichtungshubes des Kolbens 4.
abgelesen wird. In weiterer. Ausgestaltung der Erfindung kann die Einrichtung automatisiert
werden, wozu mit Hilfe eines selbsttätigen Antriebes der Kolben 4 periodisch hin
und her bewegt wird. Um hierbei zu verhindern, daß das Meßgerät 15 entsprechend
der periodischen Bewegung des Kolbens 4 und der damit verbundenen Änderung des Druckes
innerhalb des Behälters i hin und her schwingt, wird z. B. von einem Fallbügel Gebrauch
gemacht, mit dessen Hilfe der drehbewegliche Meßwerkteil des Meßgerätes 15 jeweils
nur für die Zeit freigegeben wird, in der sich der Kolben 4 in der Totpunktlage
4' befindet, d. h. wenn der Druck in dem Gefäß i den oben mit p' bezeichneten Enddruck
besitzt. Zur Steuerung des genannten Fallbügels läßt sich mit Vorteil ein Schaltorgan
verwenden, das dem Kolben 4 oder einem mit dem Kolben 4 gekuppelten Organ so zugeordnet
wird, daß es jeweils in Arbeitsstellung gehalten wird, solange sich der Kolben 4
in der Totpunktlage 4' befindet. Die selbsttätige Bewegung des Kolbens 4 wird dabei
zweckmäßig so durchgeführt, daß der Kolben 4 in der Totpunktlage 4' jeweils für
eine- zur sicheren Neueinstellung des Meßgerätes 15 hinreichende Zeitspanne verharrt.
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Statt entsprechend der periodischen Bewegung des Kolbens 4 vermittels
eines Fallbügels dem Meßgerät die Neueinstellung nur in der Totpunktlage q' des
Kolbens 4 zu ermöglichen, könnte man auch die periodische Schwankung des Meßgerätes
zulassen und dafür z. B. mit Hilfe einer selbsttätig gesteuerten Blende die Ablesung
des Meßgerätes jeweils nur dann, wenn der Kolben 4 sich in der Totpunktlage q.'
befindet, freigeben.
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Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, hat die erfindungsgemäße
Ausführung den Vorteil, daß das Meßergebnis von der absoluten Größe des atmosphärischen
Druckes und damit von der Flughöhe unabhängig ist. Bei der in, Fig. i gezeigten
Ausführung erfolgt die Verdichtung des in dem Leerraum des Behälters i befindlichen
Gasvolumens jeweils infolge der Verbindung des Leerraumes über den Schlitz Ua mit
der Außenatmosphäre vom atmosphärischen Außendruck aus. Das hat zwei Gründe. Einmal
wird die Anordnung
einfach, da der eine der zu ermittelnden Drücke,
nämlich p, dann der atmosphärische Außendruck ist. Außerdem ist -aber auch bei der
in Fig. z gezeigten Anordnung insbesondere an den Brennstofftank eines Luftfahrzeuges
gedacht, bei dem bekanntlich der Brennstoffvorrat in der Regel unter atmosphärischem
Druck steht. Es ist jedoch nach der obigen Beschreibung klar, daß die beschriebene
Ausführung auch Anwendung finden kann, wenn in dem Behälter zu Beginn der für die
Zwecke der Messung durchgeführten Volumenänderung ein von dem atmosphärischen Drück
abweichender Druck herrscht. Es ist in diesem Falle lediglich statt des Außendruckes
derjenige Druck zu ermitteln, der zu Beginn der für die Messung durchzuführenden
Volumenänderung in dem Behälter herrscht. Es ist klar, daß die betreffenden Drücke
ebenfalls mit Hilfe der Kondensatoren C, und C2 in proportionale Kapazitätswerte
umgesetzt werden können. Auch in diesem Falle ist ebenso wie in dem obenerwähnten
Fall eine Automatisierung der Meßeinrichtung möglich.
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Es war oben der besseren Erläuterung wegen von einer für die Zwecke
der Messung durchgeführten Verdichtung des in dem-Leerraum des Behälters befindlichen
Gasvolumens die Rede. Es ist jedoch leicht verständlich, daß statt einer Volumenverkleinerung
auch für die Zwecke der Messung eine bestimmte Volumenvergrößerung vorgenommen werden
kann. Hinsichtlich der konstruktiven Ausführung sind ebenfalls eine Anzahl Änderungen
möglich. So kann man z. B. den Hilfszylinder 3 und den -Kolben 4 so ausbilden,
"daß er nachträglich an irgendeinen beliebigen Tank oder Behälter angeschraubt werden
kann. Hierbei besteht die Möglichkeit, die Anordnung so zu treffen, daß der Kolben
4 für die Zwecke der Volumenänderung in den Leerraum des Behälters r eindringt,
während der zugehörige Zylinder in das Innere des Behälters r hineinragt und lediglich
zur Führung und Dichtung des Kolbens dient.
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Es bedarf keiner näheren Erläuterung, daß die neue Einrichtung auch
dann Anwendung finden kann, wenn es sich nicht um die Bestimmung der Menge der in
einem Behälter befindlichen Flüssigkeit, sondern um die Bestimmung der Menge eines
in dem Behälter befindlichen festen Stoffes handelt, der selbstverständlich staubförmig,
körnig oder sonstwie beschaffen sein mag. Es ist demgemäß die Bezeichnung »fest«
lediglich im Gegensatz zu »gasförmig« zu verstehen.