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Vorrichtung zum Messen des Inhalts von Flüssigkeitsbehältern Die Erfindung
geht aus von einer Vorrichtung zum Messen des Inhalts von Flüssigkeitsbehältern
mit Hilfe eines gasförmigen Druckmittels, das in stets gleichbleibender Menge dem
über der Flüssigkeit befindlichen Luftvolumen zugeführt wird und bei welcher die
auf diese Weise erzielte Druckerhöhung als Maß für die Flüssigkeitsmenge dient.
Sie besteht in Verbesserungen einer solchen Vorrichtung, die die Messung vom Außendruck
und von der Temperatur unabhängig machen.
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Es ist bekannt, die Inhaltsmessung bei beliebig gestalteten Behältern,
z. B. den -Brennstofftanks von Flugzeugen, dadurch vorzunehmen, daß eine bekannte
Luftmenge in den Behäter eingepreßt wird und der dadurch sich ergebende, von der
Größe des von der Flüssigkeit nicht erfüllten Tankraumes abhängige Druck in diesem
Raum als Maß für den Tankinhalt benutzt wird. Man hat auch bereits festgestellt,
daß dieses Meßverfahren durch Änderungen des äußeren Luftdruckes beeinflußt wird
und hat vorgeschlagen, diese Beeinflussung dadurch unwirksam zu machen, daß man
die Charakteristik des benutzten Druckmessers in Abhängigkeit vom Außenluftdruck
- veränderte.
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Weiterhin ist es bekannt, in einem durch ein U.förrniges Rohr, das
eme Anzeigeflässigkeit enthält, mit dem Flüssigkeitsbehälter verbundenen Zylinder
durch Verschiebung des Kolbens einen Druckunterschied gegenüber dem Behälter zu
erzeugen. Durch Verschieben eines Kolbens in einen zweiten unmittelbar mit dem Flüssigkeitsbehälter
in Verbindung stehenden Zylinder wird dieser Druckunterschied ausgeglichen, was
durch die Anzeigeflüssigkeit kenntlich wird; die Stellung dieses Kolbens ist dann
ein Maß für den Flüssigkeitsinhalt.
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Die Erfindung beschreitet einen einfacheren Weg, um die Unabhängigkeit
der Anzeige von äußeren Einflüssen zu erreichen. Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung
ist ein unabhängig von dem auszumessenden Behälter angeordneter Vergleichsbehälter
vorgesehen, dem ebenso wie auch dem auszumessenden Behälter bekannte Mengen eines
Druckmittels über getrennte Leitungen zugeführt werden. Aus dem hierdurch entstehenden
Unterschied zwischen dem Druck im auszumessenden ,Behälter und dem im Vergleichsbehälter
wird der gesuchte Meßwert abgeleitet. Unter Vergleichsbehälter ist dabei, wie aus
den vorhergehenden Zeilen hervorgeht, ein Behälter zu verstehen, dessen
Rauminhalt
mit dem vom Brennstoff nicht erfüllten Raum des Flüssigkeitsbehälters verglichen
wird.
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Die Fig. I bis 4 zeigen verschiedene Aus führung;sbeispiele der Vorrichtung.
4------- - -In. Fig. I ist der Grundgedanke der dung schematisch dargestellt. Mit
I ist der-Behälter bezeichnet, mit 2 die in ihm enthaltene Flüssigkeitsmenge und
mit 3 der verbleibende, von der Flüssigkeit nicht erfüllte Raum des Behälters. Durch
einen Rohrstutzen 4 kann die Flüssigkeit, z. B. für den Antrieb von Motoren, entnommen
werden.
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Gemäß der Erfindung ist ein Vergleichsbehälter 5 vorgesehen, dessen
Fassungsvermögen konstant ist. Zwischen den beiden Behältern I und 5 ist eine beliebige
Druck meßeinrichtung 6 angebracht, die im Ausführungsbeispiel als Membrandose dargestellt
ist und über ein Getriebe den über der Skala 7 spielenden Zeiger 8 in Bewegung setzt.
g und 10 sind die Zylinder zweier Luftpumpen, deren Kolben II und I2 durch den gemeinsamen
Handgriff 13 bewegt werden können. Alle Einzelheiten, wie z. B. die Ventile der
Pumpen, sind der tSbersichtlichkeit wegen fortgelassen. Soll eine Messung vorgenommen
werden, so wird der Handgriff 13 bis zu einem Anschlag nach oben bewegt, wodurch
die Zylinder g und 10 mit Luft gefüllt werden. Danach werden mittels des Handgriffes
die Kolben II und 12 nach unten bewegt. Der Kolben II drückt hierbei die im Zylinder
9 enthaltene Luftmenge in den Raum 3, während die in Io enthaltene Luft durch den
Kolben 12 in den Vergleichsbehälter 5 befördert wird. Hierbei stellen sich in den
Räumen 3 und 5 Drücke ein, deren Unterschied von dem Größenunterschied dieser Räume
abhängig ist. Dieser Druckunterschied wird vom Zeiger 8 angezeigt. Die Skala 7 kann
unmittelbar in Mengeneinheiten geeicht werden, da ja die Größe des Raumes 3 und
damit die Druckdifferenz zwischen 3 und 5 von der Größe der Flüssigkeitsmenge 2
abhängt.
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Es ist fur das erfindungsgemäße Verfahren nicht wesentlich, daß die
Räumeg und 10 gleich sind, wie dies 3n Fig. 1 dargestellt ist. In vielen Fällen
werden diese Räume sogar zweckmäßig erheblich verschieden groß gemacht. Denn da
z. B. für den Fall der Druckgleichheit die Rauminhalte der Räume 3 und 5 sich verhalten
wie die Räume g und 10, müßte der Raum 5 bei gleicher Größe von g und 10 annähernd
so groß sein wie der Raum 3. Dies würde, aber bedeuten, daß man einen verhältnismäßig
großen Vergleichsbehälter vorsehen muß, was gerade bei dem wichtigen Anwendungsgebiet
der Luftfahrt nicht immer tragbar ist. Es ist vielmehr durchaus möglich, die Räume
5 und 10 wesentlich kleiner als die Räume 3 und 9 zu machen. Der Vergleichsbehälter
kann um eine oder mehrere Größenordnungen kleiner ;'s'eln als der auszumessende
Tank I, so daß Durch seine Anwendung die Gewichts- und t.taumbelastung des Flugzeuges
nur wenig steigt. Diese Möglichkeit sowie einige weitere Verbesserungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens werden an Hand der Fig. 2 näher erläutert.
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In. dieser Figur sind die beiden Zylinder 9 und 10 der in Fig. I
gezeigten Ausführung durch zwei Speicherbehälter 14 und 15 ersetzt. Diese Speicher
werden- vor Beginn des gesamten Meßvorganges iiber die Leitung 16 und den Dreiweghahn
I7 unter bestimmtem Druck mit Luft gefüllt. Diese Füllung zweier Speicherbehälter
mit Luft unter bestimmtem Druck hat gegenüber der Ausbildung dieser Speicher als
Pumpenzylinder den Vorteil großer Unabhängigkeit vom Außenluftdruck. Bei der in
Fig. I dargestellten Ausführungsform muß dafür gesorgt werden, daß bei Beginn der
Messung in den Räumen g und I0, unabhängig von der Höhe, in der das Flugzeug fliegt,
stets der gleiche Druck herrscht. Dies ist bei der Ausführung nach Fig 2 nicht notwendig,
denn das ganze Meßsystem ist während des Meßvorganges von der Außenluft abgeschlossen.
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Bei dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel ist der dem Pumpenzylinder
10 entsprechende Speicherbehälter 15 wesentlich kleiner als der Behälter I4, der
dem auszumessenden Behälter I zugeordnet ist, so daß auch der Vergleichsbehälter
5 klein gegen den Behälter 1 werden kann. Dieser Behälter 5 ist hier gemäß weiterer
Erfindung mit der Druck meßeinrichtung zusammengefaßt und so ausgebildet, daß sein
Volumen nicht fest ist, sondern durch Bewegung des Kolbens I8 geändert werden kann.
Der durch den Kolben I8 abgeteilte Raum 19 des Behälters 5 ist durch eine Rohrleitung
mit dem Raum 3 verbunden. Eine Bewegung des Kolbens I8 wird durch die Kolbenstange
20 auf den Zeiger 8 übertragen und von diesem auf der Skala 7 sichtbar gemacht.
Die Räume 14 und 3 sind mittels einer Rohrleitung verbunden, in der sich ein Hahn
21 befindet, während die Verbindung zwischen 15 und 5 durch den Hahn 22 unterbrochen
werden kann.
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Die beschriebene Anordnung arbeitet in folgender Weise: Bei der Messung
werden, wie schon erwähnt, die Speicherbehälter 14 und I5 über den Hahn I7 auf gleichen
Druck aufgeladen, während ihre Ausströmöffnungen durch die Hähne 2I und 22 verschlossen
sind.
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Nach der Aufladung wird der Hahn I7 ge schlossen und die Hähne 21
und 22, die miteinander
mechanisch gekuppelt sein können, geöffnet.
Hierbei findet ein Druckausgleich zwischen den Räumen 14 und 3 einerseits und 15
und 5 andererseits statt. Der sich hierbei ergebende Druckunterscllied zwischen
diesen beiden Raumpaaren ist, wie oben dargelegt, ein Maß für die Größe des Raumes
3 und damit für die noch vorhandene Flüssigkeitsmenge 2.
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Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 wird aber nicht dieser Druckunterschied
selbst gemessen,-sondern er wird dazu benutzt, das Volumen des Raumes 5 so lange
zu ändern, bis der Druck im Raumpaar 5 und I5 gleich dem im Raumpaar 3 und 14 ist.
Ist dies erfolgt, so bietet die Größe des Raumes 5, die an der Stellung des Zeigers
8 abgelesen werden kann, ein Maß für die Menge 2. Denn jetzt verhält sich der Raum
5 zum Raum 3 wie der Raum 15 zum Raum 14. Der I(olben I8 wird durch die Druckdifferenz
so lange verschoben, bis diese aufgehoben ist. Die dabei erfolgte Einstellung des
Zeigers beruht also nicht, wie in Fig. I, auf einer Druckmessung, sondern auf einer
Volumenmessung.
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Diese Art der Messung, die eine selbsttätige Kompensation des Druckunterschiedes
durch eine Volumenänderung darstellt, arbeitet weit genauer als das auf direkter
Druckmessung beruhende Verfahren, ein Vorteil, der bekenntlich mit allen Kompensationsinethoden,
z. B. auch dem elektrischen Brückenmeßverfahren, verbunden ist.
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In vielen Fällen wird es nicht möglich sein, den Behälter 1 so großen
Drücken auszusetzen, daß diese die Volumenänderung unmittelbar bewirken können.
Es ist dann vorteilhaft, für diesen Zweck einen Servomotor anzuwenden. Ein solches
Ausführungsbeispiel ist in Fig. 3 dargestellt. Die dem bisher besprochenen Beispiel
entsprechenden Teile sind in dieser Figur mit den gleichen Bezugszeiclien versehen
wie in den Fig. I und 2.
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Der zwischen den Raumpaaren 14 und 3 und I5 und 5 auftretende Druckunterschied
wird hier zur Betätigung eines Servomotors benutzt der das Volumen von 5 so lange
ändert, bis der Druckunterschied verschwindet. Von den Raumpaaren führen besondere
Meßleitungen zu zwei Membrandosen 23 und 24, die den Hebel 25 entsprechend ihrer
Durchbiegung bewegen. Der Hebel 25 verstellt mittels der Zugstange 26 den Steuerschieber
27 eines Servomotors 28, der sein Arbleitsmittel z.B. der Leitung 16 entnehrnen
kann. Der Servomotor 28 verstellt seinerseits den Kolben 18 im Vergleichsbehälter
5 so lange, bis die Druckdifferenz zwischen 23 und 24 verschwindet, und setzt andererseits
den Zeiger 8 in Bewegung. Außerdem können an ihn noch andere Anzeigegeräte oder
Regelmittel angeschlossen werden, die eine verhältnismäßig große Antriebskraft benötigen.
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Als Beispiel hierfür ist in Fig. 3 ein elektrischer Geber 29 für
ein Fernanzeigesystem schematisch dargestellt.
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In Fig. 3 ist ferner gezeigt, wie die Kraftversorgung und selbsttätige
Steuerung des Meßgerätes erfolgen kann. Zu diesem Zweck ist ein Elektromotor 30
vorgesehen, der eine Luftpumpe 3I antreibt. Die von der Pumpe-31 gelieferte Luft
wird über die Leitung 16 dem beschriebenen System zugeführt, wobei ihr Druck durch
ein Überdruckventil 32 konstant gehalten werden kann. Der gleiche Motor 30 kann
auch die Umschaltung des Hahnes 17 und der hier zu einem einzigen Hahn 21 zusammengefaßten
Verbindungshähne 2I und 22 der Fig. 2 besorgen. Zu diesem Zwecke ist er mit einem
Getriebe 33 ausgerüstet, das über die Nockenscheiben 34 und 35 die Hähne in cyclischer
Reihenfolge verstellt. Diese Verstellung geht in folgender Weise vor sich: Bei Beginn
des Meßvorganges ist der Hahn I7 geschlossen. Die von der Pumpe 31 gelieferte Luft
strömt über das Ventil 32 ab.
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Der Hahn 21 ist ebenfalls geschlossen, und der Steuerschieber 27
befindet sich in seiner Ruhestellung. Jetzt wird mittels der Nockenscheibe 34 der
Hahn I7 geöffnet, so daß Luft von einem bestimmten Druck in die Speicherbehälter
14 und 15 einströmen kann. Nachdem dies erfolgt ist, wird der Hahn I7 wie der geschlossen
und der Hahn 2I durch die Scheibe 35 derart verstellt, daß der Raum 14 mit dem Raum
3 und der Raum 15 mit dem Raum 5 verbunden wird, wie dies in der Figur dargestellt
ist. Hierdurch ergibt sich eine von der Größe des Raumes 3 abhängige Druckdifferenz,
die mittels der Membrandosen 23 und 24 den Schieber 27 verstellt.
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Der Kolben I8 wird bis zum Druckausgleich bewegt und nimmt den Zeiger
8 und den Geber 29 mit. Es gilt jetzt, den so gewonnenen Anzeigewert bis zur nächsten
Messung festzuhalten. Zu diesem Zweck wird bei der Weiterdrehung der Scheibe 35
ein in der Zuleitung zum Servomotor liegender Hahn 36 geschlossen, der verhindert,
daß die Zeigerstellung geändert wird, auch wenn jetzt zwischen 23 und 24 eine Druckdifferenz
auftritt.
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Um die Einrichtung für die folgende Messung bereit zu machen, muß
der erhöhte Druck, der durch die Zusatzluft in den Räumen 3 und 5 geschaffen wurde,
wieder entfernt werden. Zu diesem Zweck werden beide Räume durch Weiterdrehen des
Hahnes 21 kurzzeitig mit der Außenluft verbunden, so daß der Überdruck sich über
die Leitungen 37 bis 40 ausgleichen kann. Auch diese Verstellung des Hahnes 21 wird
vom Motor 30 über die Nockenscheibe 35 bewirkt. Indem
man diese
Schaltvorgänge durch Wahl der Drehzahl des Motors genügend schnell nacheinander
ablaufen läßt, kann man eine praktisch stetige Anzeige der im Behälter I vorhandenen
Flüssigkeitsmenge durch den Zeiger 8 erzielen.
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In Fig.4 endlich ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt.
Der Vergleichsbehälter 5 ist hier mit dem Speicherbehälter I4 derart zusammengefaßt,
daß beide einen einzigen Raum bilden, der durch den verschiebbaren Kolbens8 in zwei
Teile geteilt wird. Hierdurch wird einer der Behälter der Fig. 3 überflüssig, wodurch
sich eine weitere Raum- und Gewichtsersparnis erzielen läßt.
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In welcher Weise die in Fig. 4 dargesteIlte Einrichtung wirkt, wird
am besten aus einer ausführlichen Darstellung der einzelnen, bei einer Messung ablaufenden
Arbeitsvorgänge klar.
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Es sei angenommen, daß zu Beginn eines Meßvorganges die vorhandenen
Hähne 17, 21, 36, 41 und 45 geschlossen seien. Nach Einschaltung des Elektromotors
30 beginnt die Luftpumpe 31 zu arbeiten. Sie saugt über das Ventil 49 Luft an und
gibt sie über das Druckventil 50 an die Leitung I6 weiter. An diese Leitung kann
ein Windkessel 44 angeschlossen sein, der die Druckluft speichert, wobei das Ventil
32 für die Aufrechterhaltung eines bestimmten Druckes im System I6, 44 sorgt. Jetzt
öffnet die über das Getriebe 33 bewegte Nockenscheibe 34 den Hahn I7 derart, daß
die Räume 5, 14 und 15 miteinander und mit der Leitung 16 verbunden werden.
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Sie werden hierbei auf den in der Leitung I6 herrschenden Druck aufgeladen.
Ist dies erfolgt, so wird der Hahn I7 wieder geschlossen und darauf der Hahn 21
mittels der Nockenscheibe 35 derart geöffnet, daß die Räume 5, 14 und 3 miteinander
verbunden sind.
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Der vorher in 5 und 14 herrschende Druck verteilt sich also jetzt
auf diese drei Räume und wird dabei gleichzeitig stark herab gesetzt, denn die Räume
5 und 14 werden aus Raumersparnisgründen klein gegenüber dem Raum 3 ausgebildet.
Ist dieser Druckausgleich erfolgt, so dreht die Kurvenscheibe 35 den Hahn 21 weiter.
Das Küken dieses Hahnes ist so ausgebildet, daß bei dieser Weiterdrehung die Verbindung
zwischen 5 und 3 aufgehoben wird, aber 14 und 3 in Verbindung bleiben. Die drei
Räume 5, 3 und I4 weisen auch jetzt noch gleichen Innendruck auf. Der Hahn 21 bleibt
in der zuletzt geschilderten Stellung stehen, während jetzt der Hahn 41 durch die
Nockenscheibe 42 geöffnet wird. Hierdurch wird der Speicherbehälter 15 mit dem Raum
5 verbunden, wodurch der Innendruck dieses Raumes gegenüber dem in 3 und 14 herrschenden
Druck erhöht wird. Gleichzeitig oder kurz danach wird mittels der Nockenscheibe
43 der Hahn 36 geöffnet, so daß der Servomotor 28 Arbeitsluft erhält. Die zwischen
den Räumen 5 und 3 und 14 bestehende Druckdifferenz, die ja ein Maß für die Größe
des Raumes 3 ist, ist jetzt imstande, über die beiden Druckdosen 23 und 24 den Steuerschieber
27 ZU bewegen und damit den Servomotor 28 in Tätigkeit zu setzen. Der Servomotor
28 bewegt den Kolben I8 und damit den Zeiger 8 so lange, bis durch dieVolumenänderung
von 5 die Druckdifferenz zwischen 5 und 15 und 3 und 14 zum Verschwinden gebracht
ist. Die hierbei entstehende Volumenänderung des Raumes 14 kann keine störende Rolle
spielen, wenn, wie oben erwähnt, der Raum 14 klein gegenüber dem Raum 3 ist.
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Ist der Servomotor 28 zur Ruhe gekommen, so wird der Hahn 36 geschlossen,
und die Hähne 21 und 45 werden durch die Nockenscheibe 35 derart geöffnet, daß die
Räume 5, 14, 3 und IS mit der Ansaugleitung 51 der Pumpe 3I verbunden sind.
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Hierdurch werden sämtliche Räume wieder auf den gleichen Druck gebracht
und das Gerät für einen neuen Meßvorgang vorbereitet. Dieser kann einsetzen, nachdem
alle Hähne wieder geschlossen sind.
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Die zur Messung benutzte Luft führt hierbei also im Gegensatz zu
dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 einen Kreislauf aus. Dies bietet bei der Messung
leicht flüchtiger Flüssigkeiten, z. B. Benzin, den Vorteil, daß die Luft sich nur
einmal mit Flüssigkeitsdampf zu sättigen braucht, während bei der Anordnung nach
Fig. 3 stets Flüssigkeitsdämpfe enthaltende Luft durch die Öffnungen 37 bis 40 entweicht.
Diese Verluste und diese Gefahrenquellen werden also bei dem einen weiteren Gegenstand
der Erfindung bildenden Kreisprozeß vermieden. Der Kreisprozeß erlaubt auch, gegebenenfalls
nicht Luft, sondern ein anderes, die Verbrennung nicht unterhaltendes Gas, z. B.
Kohlensäure, als Druckmittel für die Messung zu verwenden.
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Durch das Ventil 47 kann aus der Leitung 48 Druckmittel in das System
eintreten, wenn die Pumpe 3I aus der Leitung 51 nicht genügend Gas entnehmen kann,
z. B. bei Änderungen des äußeren Luftdruckes.
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Ein Abfließen von Flüssigkeit aus dem Behälter I in das Meßsystem
bei Lagenänderungen des Behälters kann durch ein Rückschlagventil 46 (Fig. 3 und
4) verhindert werden.