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Vorrichtung zur Messung von Strömun,smengen in offenen Wasserläufen
Die Abflußmenge eines Flußlaufes ist bestimmt durch das Produkt aus dem Durchfluß-<luerschnitt
und der Fließgeschwindigkeit. Die Messung der letzteren erfolgt fast allgemein mittels
eines hydrometrischen Flügels, der an verschiedene Punkte des S;tromquerschnittes
gebracht wird und bei seinen Vmdrehungen elektrische Stromstöße erzeugt, deren Anzahl
durch ein Zählu-erk angezeigt wird. Der Quo tient aus der Anzahl dieser während
einer Zeitspanne gezählten Stromstöße und der in Sekunden gemessenen Zeitspanne
ist ein Maß für die Fließgeschwindigkeit des Wassers in dem betreffenden Punkte
des Meßprofils.
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Es ist bereits bekannt, mittels eines registrierenden Meßinstrumentes
den aus der Zahl der Flügelumdrehungen innerhalb einer Zeitspanne ermitteltenÄVert
der Fließgesdwindigkeit des Wassers gemeinsam mit der Stellung des mit gleichförmiger
Geschwindigkeit längs einer Meßvertikalen abgesenkten Flügel rades aufzuzeichnen,
so daß man für die einzelnen Meßvertikalen unmittelbar ein Geschwindigkeitsdiagramm
erhält, das planimetrisch ausgewertet werden kann. Auch ist es bekannt, bei einer
gleichbleibenden Absenkgeschwindigkeit des Meßflügels und eines gleichen Abstandes
zwischen den einzelnen Meßvertikalen die Flügelumdrehungen während der Absenkung
in allen Meßvertikalen zu zählen und aus der Gesamtzahl der Flügelumdrehungen durch
Multiplikation mit dem Abstand zweier Meßvertikalen die Abflußmenge zu errechnen.
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Da bei diesen Verfahren zur Messung ein umlaufender Flügel verwendet
wird, muß die gleichförmige Absenkbewegung des hydrometrischen Flügels und damit
die Messung in einem Abstand von dem Boden, der sogenannten Sohlenhöhe, mittels
eines Grundtasters
unterbrochen werden. der durch dic.
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Ausmaßé des Flügels bestimmt ist. Die unter dieser Sohlenhöhe noch
durchfließende Abflußmenge wird somit von der Messung nicht erfaßt; sie muß bei
dem Planimetrieren der Geschwindigkeitsdiagramme besonders berücksichtigt werden.
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, welche eine Messung der
Fließgeschwindigkeit unter der sogenannten Sohlenhöhe und insbesondere eine Messung
der gesamten Strömungsmenge einschließlich desjenigen Teiles, welche unter der Sohlenhöhe
durchfließt, gestattet.
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Gemäß der Erfindung ist die Vorrichtung zur Messung der Strömungsmengen
in offenen Wasserläufen, bei welcher ein Meßflügel mit Grundtaster längs einer Meßvertikalen
mit gleichbleibender Geschwindigkeit von der Oberfläche bis zur Sohlenhöhe abgesenkt
wird und die Gesamtzahl der während der Absenkung des Meßflügels von diesem ausgesandten
Stromstöße gezählt oder registriert wird, mit einer Einrichtung ausgerüstet, welche
nach dem Aufstoßen des Grundtasters für die Dauer einer vorbestimmten Zeitspanne
eine Übertragung der von dem Meßflügel auge sendeten Stromstöße zwecks Zählung oder
ltegistrierung gestattet.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Ansprüche 2
bis 6 gegeben.
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Die Erfindung geht von der Annahme aus, daß die Fließgeschwindigkeit
von der Sohlenhöhe bis zum Boden nac!l einer bestimmten Gesetzmäßigkeit auf den
Wert Sull absinkt.
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Infolgedessen steht der Inhalt des Geschwindigkeitsdiagrammes in einem
bestimmten Verllältnis zu der Fließgeschrvilltligkeit in Sohlenhöhe. Da bei einer
periodischen Aufzeichnung der durchschnittlichen Fließgeschwindigkeit während einer
gleichförmigen Absenkbewegung des Meßflügels der Abstand der einzelnen Äleßpunkte
in Richtung der Meßvertikalen sowohl einen Maßstab für die räumliche Absenkung als
auch für die Zeitdauer der einzelnen Messungen gibt, kann durch die Messung der
Fließgeschwindigkeit in Sohlenhöhe, also ohne Absenkung des Meßflügels. während
einer vorbestimmten Zeitspanne unmittelbar der Inhalt des für den Verlauf der Fließgeschwindigkeit
von der Sohlenhöhe bis zur Bodenhöhe angenommenen Geschwindigkeitsdiagrammes gemessen
werden.
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Die Vorrichtung nach der Erfindung läßt ich in gleicher Weise für
eine Messung durch Zählung der durch die Flügelumdrehungen erzeugten Stromstöße
als auch für eine Messung durch periodische Registrierungen während der .Nbsenkbelvegungen
verwenden. Bei der ersten Art wird innerhalb der vorbestimmten Zeitspanne die Zahl
der in Sohlenhöhe ausgeführten Flügelumdrehungen ebenfalls gzahlt. so daß aus dem
Gesamtzählergebnis. multipliziert mit dem Abstand zweier Meßvertikalen, die tatsächliche
Abflußiuenge einschließlich der unter Sohlenhöhe durchfließenzählen Menge errechnet
werden kann.
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Rei der zweiten Art der Messung, bei welcher die Vorrichtung mit
einem Punktschreiber ausgerüstet ist, wird zweckmäßig das Zeitschaltwerk dieses
Punktschreibers zugleich zur Bestimmung der Zeitspanne verwendet. während der die
Flügelumdrehungen in Sohlenhöhe gezählt und registriert werden.
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Hierbei wird vorzugsweise eine von dem Grundtaster gesteuerte Einrichtung
angewendet. welche den Stromkreis für die Stromstöße unterbricht uiid nach Ablauf
der durch das Zeitschaltwerk bestimmten Aufzeichnungsperiode des Punktschreibers
dieser Stromkreis erneut für die Dauer einer Aufzeichnungsperiode schließt.
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Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt.
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Fig. I zeigt den Ausschnitt aus einem Geschwindigkeitsdiagramm und
den angenolnmenen Geschwindigkeitsverlauf von Sohlenhöhe bis Bodenhöhe.
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Fig. 2 zeigt die prinzipielle Schaltung einer registrierenden und
zählenden Meßvorrichtung.
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Fig. 3 zeigt ein beispielsweise mit der Äleg,-vorrichtung aufgenommenes
Geschwindigkeitsdiagramm.
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Bei dem in Fig. 1 dargestellten Diagramm sind längs einer Vertikalen
V verschiedene Meßpunkte A bis l-l aufgetragen, deren Ahstand von der Vertikalen
jeweils ein Maß für die Fließgeschwindigkeit in der entsprechen den Höhenlage des
Äießflügels bildet. Die Ahstände a-b, b-c . . . f-g der verschiedenen Höhenlagen
des Meßflügels sind untereinander gleich groß. z. B. 10 cm. Die Höhenlage g ist
gleich der Sohlenhöhe S, in der die Messulig wegen der räumlichen Abmessungen des
Meßflügels abgebrochen werden muß. Der Meßpunkt G kennzeichnet somit die Fließ geschwindigkeit
in Sohlenhöhe.
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Die theoretische Rurve des Geschwindigkeitsverlaufes ist mit P bezeichnet.
Aus der Betrachtung der Fig. I ergibt sich ohne weiteres, daß die von der theoretischen
Geschwindigkeitskurve begrenzte Fläche a, A, G2, g, a inhaltsgleich der Fläche a,
A2, B, C, C2, D, D2, E, E2, F, F2, G, g, a ist, welche durch eine durch die Meßpunkte
A-G bestimmte treppenförmige Kurve begrenzt ist.
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Nach einer allgemein gültigen Annahme nimmt die Fließgeschwindigkeit
von der Sohlenhöhe S bis zur Bodenhöhe B, an welcher Stelle sie den Wert o haben
muß, nach Art einer Parahel ab. Der Inhalt-der Fläche S. G@, B, S ist somit gleich
dem Inhalt des Rechteckes
S. G2, H, h, , dessen Höhe S4i gleich
j3 der Sohlenhöhe S-B ist.
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Nimmt man die einzelnen Meßpunkte A, B ... G während einer gleichmäßigen
Absenkbewegung des Flügels auf, indem man periodisch mittels eines Punktschreibers
die Zahl der in den einzelnen Zeitspannen von dem Flügel ausgesandten Stromstöße
aufzeichnet, dann stellt der senkrechte Abstand der einzelnen Meßpunkte A B ...
G voneinander sowohl ein Maß für die Absenkungswegstrecke als auch für den zeitlichen
Abstand der Aufzeichnungen dar. Wird der Flügel mit einer Geschwindigkeit von 1
cm pro Sekunde gesenkt, und erfolgt die Zählung der Flügelumdrehungen jeweils während
einer Zeitspanne von 10 Sekunden, dann entspricht der Höhenabstand zwischen den
Meßpunkten A, B... G jeweils einer Entfernung von 10 cm. Infolge der räumlichen
Abmessungen des Meßflügels wird die Messung in den Abstand von 15 cm von dem Boden,
d. h. in der Sohlenhöhe S, durch einen Grundtaster unterbrochen. Zählt man nun in
dieser Sohlenhöhe die Flügelumdrehungen in weiteren 10 Sekunden und zeichnet dadurch
den Meßpunkt II auf, dann erhält man hierdurch ohne weiteres das Rechteck, dessen
Inhalt der Fläche gleicht, die durch die theoretische Geschwindigkeitskurve P begrenzt
ist.
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Bei der Meßvorrichtung, deren Schaltung in Fig.2 dargestellt ist,
geschieht die Anzeige durch einen an sich bekannten, nicht dargestellten Punktschreiber.
Durch den Fortschaltemagneten FM wird unter dem Einfluß der von dem Meßflügel F
mittels eines Kontaktes RK erzeugten Stromstöße ein Zeiger längs eines Papierstreifens
fortgeschaltet. Durch ein Uhrwerk wird alle 10 Sekunden ein Fallbügel freigegeben,
welcher den Zeiger in seiner jeweiligen Stellung auf den Registrier-.streifen aufschlägt
und hierbei den Abdruck eines Meßpunktes bewirkt, dessen Abstand von der Grundlinie
der Zahl der empfangenen Stromstöße entspricht. Bei der Freigabe des Fallbügels
wird gleichzeitig eine Sperre für den Zeiger ausgehoben, so daß dieser in die Ruhelage
zurückkehrt, der Fallbügel wird nach dem Anschlag sogleich wieder angehoben.
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Die Einrichtung ist so getroffen, daß zu Beginn jeder zehnten Sekunde
der Fallbügel freigegeben wird, so daß also der Meßpunkt die Zeigerstellung angibt,
welche der Zahl der während 9 Sekunden aufgenommenen Stromstöße entspricht. Die
Rückstellung des Zeigers erfolgt sodann während der zehnten Sekunde. Das gleiche
Uhrwerk schaltet den Registrierstreifen kontinuierlich fort. Der Meßflügel P hängt
an einer Winde W, welche mit gleichförmiger Geschwindigkeit von t cm/Seli. den Flügel
absenkt. An der gleichen Winde hängt ein Taster GT, der beim Auftreffen auf den
Boden einen Kontakt schließt. In dieser Stellung befindet sich der Äleßflügel 15
cm oberhalb des Bodens. Der von dem Meßflügel F gesteuerte Kontakt RK liegt in dem
Stromkreis eines Relais Imp, welches die Impulse auf die Meßeinrichtung überträgt.
Die Meßeinrichtung besitzt ferner mehrere Relais. Die Relais GE/GA, RE/RA und VE/VA
sind so ausgebildet, daß sie bei ihrer Betätigung gegenseitig ihre Anker verriegeln.
Wird beispielsweise das Relais CA kurzzeitig betätigt und zieht es seinen Anker
an, dann hebt der Anker die Verriegelung des Ankers GE auf, so daß dieser Anker
in die Ruhelage zurückkehrt, während der Anker des Relais CA in der angezogenen
Lage medinnisch versperrt wird. Wird sodann das Relais GE kurzzeitig erregt, dann
hebt der Anker des Relais GE bei seinem Anzug die Verriegelung für zählen Anker
des Relais GA auf und sperrt sich selbst in der angezogenen Lage. Stets befindet
sich also einer der Anker der Verriegelungsrelaispaare in der angezogenen Lage.
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Der Fallbügel des Meßinstrumentes, der periodisch alle Io Sekunden
von dem Uhrwerk freigegeben wird, betätigt hierbei Kontaktfedersätze. die in der
Zeichnung mit Fb1 und 2)2 bezeichnet sind. Schließlich ist ein Zählwerk Z vorgesehen.
welches die empfangenen Stromstöße auf Zahlentrommeln aufsummt.
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Im Ruhestand wird alle 10 Sekunden durch den Fallbügelkontakt Fb2
der Stromkreis für eine I,ampeSL geschlossen, welche den Ablauf dieser einzelnen
Zeitperioden anzeigt.
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Eevor die Messung in Gang gesetzt wird. wird der Meßflügel F bis auf
die Wasseroberfläche gesenkt.
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Zur Einschaltung der Meßvorrichtung dient die Taste T, welche bei
ihrer Betätigung einen Stromkreis für die Relais GA und VA schließt. Diese Taste
wird zweckmäßig in dem Augenblick geschlossen, wenn die Lampe .L gerade aufleuchtet,
da hierdurch auch für die erste Messung eine volle Zeitspanne von 10 Sekunden sichergestellt
wird. Zugleich mit der Betätigung der Taste T wird durch eine nicht näher dargestellte
Vorrichtung der Ablauf der Winde W eingeleitet. Durch die Erregung des Relais GA
bei der Betätigung der Taste T wird der Anker des Relais GE entsperrt, so daß er
in seine Ruhelage zurückkehrt, in der die Kontakte ge1, gg, ge3, ge,, sich in der
in der Zeichnung dargestellten Stellung befinden. Ebenso wird durch die kurzzeitige
Erregung des Relais VA der Anker des Relais VE entsperrt, so daß er in die Ruhelage
zurückkehrt und der Kontakt ve die
in der Zeichnung dargestellte
Stellung einnimmt. An dem Kontakt ge1 ist nunmehr der Stromkreis für das Relais
Imp geschlossen, welches durch die von dem Kontakt FK des Flügels F gesendeten Stromstöße
erregt wird.
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Bei jeder Erregung wird der Kontakt imp geschlossen und damit ein
Stromstoß auf den Fortschaltemagneten F41 des Zeigers und auf den Fortschaltemagneten
Z des Zählwerkes gegeben. Zum Beginn der zehnten Sekunde wird der Fallbügel durch
das Uhrwerk freigegeben und damit der Kontakt Fb1 in dem Stromkreis des Forschaltemagneten
FM geöffnet. Die während der zehnten Sekunde eintreffenden Stromstöße bewirken somit
nicht eine Fortschaltung des Zeigers, sondern lediglich des Zählwerkes Z. Durch
den Fallbügel wird die Stellung des Zeigers auf dem Papierstreifen registriert und
der Zeiger wird sodann mechanisch in die Ruhelage zurückgestellt. Am Ende der zehnten
Sekunde geht der Fallbügel wieder nach oben, so daß sich der Kontakt Fb1 schließt.
Während der ganzen Absenkbewegung des Meßflügels F wiederholt sich dieses Spiel,
so daß nacheinander die Meßpunkte G, H, J des in Fig. 3 dargestellten Diagramms
aufgetragen werden. Der Höhenabstand g-h, h-i dieser einzelnen Meßpunkte G, H, J
längs der Vertikalen V entspricht jeweils der Absenkung des Meßflügels um 10 cm,
da die Messung alle 10 Sekunden vorgenommen wird und die Absenkgeschwindigkeit 1
cm/Sek. beträgt. Sobald der Grundtaster GT auf den Boden aufstößt. wird über den
von ihm betätigten Kontakt das Relais GE erregt, welches seinen Anker anzieht und
in der angezogenen I,age verriegelt. Hierdurch wird der Kontakt ge1 geöffnet, so
daß sofort der Stromkreis für das Relais fmp unterbrochen wird. Weitere votl dem
Kontakt FK les Flügels gegebene Stromstöße werden daher in der Meßvorrichtung nicht
wirksam, es unterbleibt eine Fortschaltung des Zeigers und des Zählwerkes. Der Kontakt
ge4 schaltet eine Lampe GL1 ein, welche an der Meßvorrichtung anzeigt, daß der Grundtaster
GT betätigt wurde. Ferner schließt der Kontakt ge4 einen Stromkreis für einen Wecker
GW, der neben der Winde angebracht ist. Auf Grund dieses Signals nird die Absenkbewegung
des Meßflügels unterbrochen. An Stelle eines Weckers GW kann mittels eines von Hand
betätigten Umschalters t auch eine Lampe GL. eingeschaltet werden. die an der Winde
angebracht ist.
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Der von dem Fortschaltemagneten FM fortgeschaltete Zeiger des Punktschreibers
bleibt somit beim Aufstoßen des Grundtasters in der Lage stehen, welche er in diesem
Augenblicl; gerade eingenommen hat. Der Meßflügel befindet sich hierbei in Sohlenhöhe,
die der Höhenlage i entsprechen mag. Zu Beginn der zehnten Sekunde seit Durchführung
der letzten Registrierung wird der Fallbügel wieder von dem Uhrwerk freigegeben;
er schlägt den Zeiger auf den Papierstreifen, so daß der Meßpunkt K (Fig. 3) aufgezeichnet
wird. Da der Papierstreifen des Punktschreibers während der Aufzeichnungsperiode,
während der der Grundtaster betätigt worden ist, kontinuirlich fortgeschaltet wurde,
ist der Höhenabstand ik des Meßpunktes K von dem letzten Meßpunkt J ebensogroß wie
die Höhenabstände aller aufeinanderfolgenden Meßpunkte G, H, J, Die Höhenlage k
entspricht jedoch nicht der Sohlenhöhe i1, in welcher die Absenkbewegung des Meßflügels
beendet wurde. Die Fläche i.
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K1, K, k, i ist jedoch gleiche der durch den nicht aufgezeichneten
Meßpunkt J1 bestimmten Fläche i, Jn, J1. 1 i. Durch Ausplanimetrieren der Fläche
i, K1, K, k, i kann daher die Fließgeschwindigkeit in Sohlenhöhe ermittelt werden.
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Gleichzeitig mit der Aufzeichnung des Meßpunktes K wird bei der Betätigung
des Fallbügels durch den Kontakt Fb2 ein Stromkreis für das Relais RE geschlossen.
der durch den Kontakt ge2 vorbereitet wurde. Das Relais RE zieht seinen Anker an,
der sich in der bereits beschriebenen Weise verriegelt.
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Der Kontakt re1 schließt infolgedessen erneut einen Stromkreis für
das Relais Imp, so dat nunmehr die von dem Kontakt FK des Flügels F gegebenen Stromstöße
von dem Relais Inip aufgenommen und erneut auf den Zähler Z übertragen werden. Sobald
der Fallbügel wieder angehoben und der Kontakt Fb1 geschlossen ist, werden diese
Stromstöße auch auf den Magneten Ell übertragen, der den Zeiger erneut fortschaltet.
Gleichzeitig wird durch den $Fallbügelkontakt Fb2 in der gehobenen Stellung nunmehr
der Stromkreis für ein Relais VE und. eine Lampe RL geschlossen. Das Aufleuchten
der Lampe RL zeigt an, daß die zusätzliche Messung in Sohlenhöhe stattfindet. Das
Relais VE zieht seinen Anker an, der sich mechanisch verriegelt, und legt den Kontakt
ve um, der den Stromkreis für ein Relais RA vorbereitet. Nunmehr werden für die
Dauer von 9 Sekunden die von dem Flügelkontakt FK gegebenen Stromstöße von der Meßeinrichtung
aufgenommen.
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Zu Beginn der zehnten Sekunde wird, wieder der Fallbügel freigegeben,
so daß der Meßpunkt L (Fig. 3) abgedruckt wird. Der Fallbügelkontakt Fb2 schließt
hierbei den Stromkreis für das Relais RA, dessen Anker bei seinem Anzug die Verriegelung
des Ankers des Relais RE aufhebt. Der Anker des Relais RE kehrt deshalb in seine
Ruhelage zurück und öffnet den Kontakt re1, so daß jetzt der Stromkreis für das
Relais Imp
endgültig unterbrochen ist. Durch den Kontakt re2 wird
auch der Stromkreis für die Lampe RL unterbrochen, so daß diese nicht wieder eingeschaltet
werden kann. Damit ist die Messung beendet. Der Meßflügel F muß an der Winde wieder
heraufgezogen werden, und eine neue Messung kann längs einer neuen Meßvertikalen
nach entsprechender Versetzung des Schiffes begonnen werden.
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Die Entfernung des in dem Diagramm aufgezeichneten Meßpunktes L von
der Vertikalen V zeigt die Fileßgeschwindigkeit in der Sohlenhöheil an. Der Höhenabstand
ki von dem letzten Meßpunkt K entspricht rechnerisch einer Wegstrecke von iocm,
also 2/3 des tatsächlichen Abstandes sder Sohle von dem Boden. Infolgedessen stellt
das Rechtecke, L1, L, 1, k mit der Grunldseite IL und der Höhe Ik den Flächeninhalt
der in dem theoretischen Diagramm durch eine Parabel P begrenzte Fläche it, L2,
1, i1 dar. Bei dem Ausplanimetrieren wird durch Umfahren der durch die Meßpunkte
G, H, J, K und L bestimmten treppenförmigen Kurve g, G, G1, H, H1, J, K1, K, L1,
L, l, g somit ohne weiteres dieser. Flächeninhalt mit aufgenommen, so daß die tatsächliche
mittlere Fließgeschwindigkeit bzw. die Durchflußmenge einschließlich der unter Sohlenhöhe
durchfließenden Abflußmenge ermittelt wird. Da die Registrierungen der Meßpun(kte
jeweils nach Ablauf von g Sekunden erfolgten und der Zeiger für die Dauer von I
Sekunde abgeschaltet bleibt, wird von der Meßvorrichtung das Diagramm in einem um
Io 01o verkleinerten Maßstab aufgetragen. Bei der Auswertung des Ergebnisses kann
dies berücksichtigt werden.
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Das Zählwerk Z hat alle Stromstöße gezählt, die während der gleichmäßigen
Absenkung des Meßflügels bis zum Aufstoßen des Grundtasters aufgenommen wurden.
Sodann sind während einer zusätzlichen Zeitspanne von 10 Sekunden noch einmal Stromstöße
in das Zählwerk Z übertragen worden, die ein Maß für die Durchflußmenge unter Sohlenhöhe
bilden. Wirdedie Messung längs einzelner Meßvertikalen wiederholt, die in genau
gleicher Entfernung voneinander über den Querschnitt angeordnet sind, dann ergibt
das Produkt aus der Entfernung zweier Meßvertikalen und der Gesamtzahl der gezählen
Stromstöße sowie eines Umrechnungsfaktors ohne weiteres die tatsächliche Durchflußmenge
des gesamten Querschnittes.
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Will man auf eine Registrierung der einzelnen Meßwerte und damit
auf die Aufzeichnung eines Geschwindigkeitsdiagrammes gemäß Fig. 3 verzichten und
die Zahl der von. dem Meßflügel gesendeten Stromstöße lediglich in einem Zählwerk
zählen, dann kann die Schaltung vereinfacht werden. In diesem Falle ist es lediglich
erforderlich, daß nach dem Aufstoßen des Grundtasters durch eine Verzögerungseinrichtung
der Stromstoßübertragungsstromkreis noch für die Dauer von 10 Sekunden aufrechterhalten
bleibt, und erst nach dieser Zeitspanne endgültig abgeschaltet wird. Für die Bestimmung
dieser Zeitspanne können mechanische oder elektrische Verzögerungseinrichtungen,
wie z. B.
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Hitzdrahtrelais, Kondensatorschaltungen u. dlg., verwendet werden.