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Einrichtung zur Bestimmung der Stoffmenge in einem Behälter nach der
Kondensatormethode Es sind Vorrichtungen beliannt. um den Flüssigkeitsinhalt eines
Behälters auf elektrisehen Wege zu bestimmen, und zwar nach der sog. Kondensatormethode.
Bei ihnen wird ein elektrischer Kondensator in dem Behälter so angeordnet, daß er
je nach dessen Füllung mehr oder weniger tief in die Flüssigkeit eintaucht, die
dabei das Dielektrikum des Kondensators darstellt; mit der Tauchtiefe des Kondensators
ändert sich seine Kapazität. deren jeweilige von einem Nießinstrument angezeigte
Größe das Maß für den Füllungsgrad angibt. Für solche Vorrichtungen wurden weiterhin
auch Abänderungen vorgeschlagen, derart, daß der als Drdikondensator ausgebildete
elektrische Kondensator außerhalb der Flüssigkeit angeordnet und von einem mit dem
Flüssigkeitsspiegel steigenden und fallenden- Schimmer bewegt wird.
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Alle Anordnungen dieser Art sind nur bei Flüssigkeitsbehältern verwendbar,
die ihre Lage stets beibehalten, also nur in ortsfesten Anlagen. Die Erfindung betrifft
eine nach der Kondensatormethode arbeitende Meßeinrichtmlg, die es gestattet, die
Messung bei Bewegungen des Behälters und in jeder beliebigen Lage vorzunehmen, wobei
es außerdem ohne Einfluß auf das Meßresultat bleibt, wenn der Behälter zwischen
den Messungen oder während einer solchen seine Form ändert. wie z. B. ein Weichgummitank.
Die Meßeinrichtung nach der Erfindung kann darüber hinaus ebenso zur Messung von
Flüssigkeiten wie auch von Mengen fester Stoffe benutzt werden: dabei ist es gleichgültig,
ob diese in dem Behälter eine gleichmäßige Struktur aufweisen und wie sie in ihm
verteilt sind.
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Diese Wirkung wird erfindungsgemäß durch die Maßnahme erzielt, eine
oder beide der als Flächen oder Schichten aus leitendem Material ausgebildeten Belegungen
den Behälter uinscliließend so anzuordnen, daß dieser sich stets ganz innerhalb
beider bzw. miiidestens der einen Belegung befindet. Bei dieser Anordnung sind der
Behälter mit der gesamten in ihm befindlichen Stoffmenge und die außerdem noch vorhandene
Luft das Dielektrikum des von den beiden Belegungen gebildeten Kondensators. Änderungen
von dessen Kapazitätsgröße treten gemäß der k # F Formel C = im vorliegenden Falle
nur 4 # d dann ein, wenn sich die Abstände d zwischen den verschiedenen Dielektriken
einerseits und
den Belegungen andererseits ändern, da die beiden
anderen Werte k und F gleichbleiben.
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Eine solche Abstandsänderung erfolgt aber nur bei .Rnderung des Verhältnisses
der Volumen der am Gesamtdielektrikum teilhabenden Massen, d. h. da die Masse der
Behälterwandung unveränderlich ist. nur bei Zunahme oder Abnahme der im Behälter
befindlichen Stoffmenge und entsprechender Ab- bzw. Zunahme der außerdem noch vorhandenen
Lüitmenge. Bei gleichbleibendem Stoffmengenverhältnis tritt dagegen eine Kapazitätsänderung
auch dann nicht ein, wenn die Stoffe in dem Raum zwischen den Belegungen verschiedene
Stellungen und Lagen einnehmen, wie z. B. der mit Kraftstoff gefüllte Weichgummitanlc
eines Flugzeuges bei dessen l.age- oder Geschwindigkeitsänderungen. In solchen Fällen
bleibt der mittlere Abstand (Dicke) d stets erhalten. auch dann. wenn, wie bei dem
angeführten Beispiel, der Behälter dabei verschiedene Formen annimmt oder der Kraftstoff
sich in wirbelnder Bewegung befindet oder von unregelmäßiger Struktur und Verteilung,
beispielsweise z.T. tropfen- oder schaumförmig ist, Ausschlaggebend für die Größe
der Kapazität ist lediglich der mittlere Abstand d, der in allen Fällen gleichbleibt,
solange die Volumen der betreffenden Stoffrmengen unverändert sind. andererseits
ist, wie hieraus hervorgeht. das jeweilige Größenverhältnis dieser Volumen zueinander
ein Maß für den Abstand d, und Änderungen dieses Verhältnisses sind den dabei entstehenden
Abstandsänderungen proportional, so daß Stoffmengenänderungen als entsprechende
Kapazitätsänderungen des Kondensators auftreten und gemessen werden können.
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Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes unter seiner Verwendung
als Kraftstoffvorratsmesser in einem Flugzeug zeigt Fig. J. Der Flügel 1 enthält
den mit Kraftstoff gefüllten Behälter 2 aus Weichgummi: auf der inneren Flügelwandung
von sind zwei Belegungen 3 und 4, voneinander elektrisch isoliert, so angebracht.
daß sie den Behälter 2 völlig umschließen, Die Kapazität von 3 und 4 bleibt. entsprechend
dem vorher Gesagten, bei gleichbleibender Kraftstoffmenge im Behälter 2 unverändert,
wenn dieser bei Lageänderungen von I verschiedene Stellungen einnimmt: sie wird
durch den jeweiligen Füllungsgrad von 2 bestimmt und nimmt mit diesem zu und ab.
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Das Prinzip nach der Erfindung läßt jedoch auch noch andere Ausführungsarten
zu. 5 können beide Belegungen zu einer einzigen solchen vereinigt werden, die im
vorliegenden Falle ohne weitere Anordnung von leitenden Schichten vorteilhaft von
dem metallenen Flügel selbst dargestellt wird; die zweite Belegung wird dann von
einem innerhalb des Behälters angeordneten Teil aus leitendem Material und von geeigrneter
Form gebildet. z. B. von einer metallenen Kugel. die über Litze mit der Stromquelle
in Verbindung steht. In solchen Fällen, wo. wie 'in Fig. l, der Behälter aus nichtleitendem
Werkstoff besteht und seine Form in dem Maße ändert. wie es der Stoffentnahme aus
ihm entspricht, kann die zweite Belegung auch auf der Außen- oder Innenfläche der
Behälterwandung oder innerhalb dieser Wandung selbst angeordnet werden. und zwar
wird dabei die gesamte Wandung mit einer leitenden Schicht versehen. die z. B. durch
Einreiben mit Graphitpulver oder durch Aufgalvanisieren hergestellt werden kann.
Hierbei schaltet der im Behälter befindliche Stoff als Dielektrikum aus, das nunmehr
nur durch die zwischen den Belegungen vorhandene Luft (und der Behälterwandung)
dargestellt wird. Mit der Verringerung der zu messenden Stoffmenge werden der mittlere
Abstand und somit auch die Luftmenge zwischen den Belegungen größer und umgekehrt
bei ihrer Vergrößerung; in entsprechendem Maße nimmt die Kapazität des Kondensators
ab bzw. zu. Dieselbe Wirkung wird auch erzielt, wenn die zweite Belegung nicht als
einheitliche Graphitschicht oder Metallhaut ausgebildet. sondern in eine Mehrzahl
gleichmäßig verteilter flächenförmiger Platten aus leitendem Nfaterial aufgeteilt
ist, die mit einem mindestens so großen Abstand voneinander angeordnet sind, daß
sie sich auch hei geringster Ausdehnung der Behälterwandung nicht überdecken oder
heriihren und die miteinander leitend verbunden sind.
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Mit einer solchen Anordnung läßt sich weiterhin eine N'ereinfachung
insofern erzielen, als mittels entsprechender Schaltung der Platten beide Belegungen
durch diese allein gebildet werden können, ohne daß noch eine den Behälter umschließende
Belegung erforderlich ist. Die Platten werden nach dem Schaltschema Fig. 2 dabei
abwechselnd an die beiden Pole der Stromcluellen gelegt und zu zwei Gruppen derart
leitend verbunden. daß zwei Kondensatorbelegungen entstehen. Die Wirkungsweise dieser
Anordnung ist. wie aus dem Ausführungsbeispiel (Fig. 3) ersichtlich, dieselbe wie
bei den vorher besprochenen Ausführungsfällen. Bei größerer Füllung des Behälters,
die in Fig. 3 durch die obere Ausbuchtung gekennzeichnet ist, haben die Platten
der oberen Behälterwandung von denen der unteren einen größeren Abstand als bei
kleinerer. durch die Einbuchtung gekennzeichneter Füllung: im ersten Falle ist demnach
die Kapazität des von der Gesamtheit der Platten gebildeten Kondensators kleiner
als
im zweiten. Bei gleichbleibender Stoffmenge bleibt dagegen die
Kapazität auch durch Formänderungen des Behälters unbeeinflußt, da hierbei der mittlere
Abstand aller Platten voneinander immer gleich ist.
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Die Anwendung des Prinzips nach der Erfindung, mittels Umschließung
durch die Kondensatorbeiegungen stets die gesamte zu messende Stoffmenge elektrisch
zu erfassen und die damit erzielten Wirkungen ergeben für den Erfindungsgegenstand
gegenüber den bekannten Einrichtungen den Vorteil einer erheblich größeren Verwendungsfähigkeit.
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Die Unbeeinflußbarkeit des Meßresultats bei Änderung der Lage, Form
und Struktur des betreffenden Stoffes machen ihn als Kraftstoffvorratsmesser in
Anlagen geeignet, deren Kraftstoffbehälter Lage- und Geschwindigkeitsänderungen
sowie auch Formänderungen unterliegen und bei denen sich der Kraftstoff größtenteils
in einer mehr oder weniger starken wirbelnden oder schaukelnden Bewegung hefindet,
also für Fahrzeuge, insbesondere aber Flugzeuge. Die Meßeinrichtung nach der Erfindung
kann weiterhin auch zur Bestimmung der ein Rohr, Schacht oder ähnliches in einer
gewissen Zeitspanne durchfließenden oder durchfallenden Stoffmenge benutzt werden,
wobei die Belegungen als teilweise trmkleidung des betreffenden Rohres ausgebildet
sind. Hierbei muß allerdings vorausgesetzt werden, daß die Geschwindigkeit der durchlaufenden
Stoffmengen gleichbleibt und daß der Rohr- oder Kanalquerschnitt nicht dauernd voll
erfüllt ist. Die Anwendung ist also bei voll erfüllten Druckleitungen nicht möglich,
aber bei solchen, in denen die Stoffmenge unter natürlichem Gefälle strömt. ist
die Geschwindigkeit nicht konstant, so kann die Messung durch zusätzliche, die Änderungen
der Durchlaufgeschwindigkeit berücksichragende Kompensationseinrichtungen in' bekannter
Weise berichtigt werden. Da bei dem Erfindungsgegenstand stets die gesamte in ihm
enthaltende Stoffmenge erfaßt wird, kann er auch wie eine Waage zur Feststellung
von deren Gewicht verwendet werden, sofern das spezifische Gewicht konstant bleibt,
was besonders bei größeren Mengen von Vorteil ist, da hiermit große und kostspielige
Wiegeeinrichtungen erspart werden. Die Skala des Meßinstruments wird hierfür nach
Gewichteinheiten eingeteilt; sollen verschiedene Stoffe mit verschiedenen Dielektrizitätskonstanten
auf diese Weise gewogen werden, so sind dafür entsprechend viele übereinander angeordnete
oder auswechselbare Skalen erforderlich.
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Soweit die Bestimmung einer Stoffmenge nach dem in Fig. 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel mittels zweier feststehender, den Behälter völlig umschließender
Belegungen erfolgt, ist mit dieser Anordnung auch die Messung von festen Stoffen
möglich, da, wie vorher beschrieben, für die Messung stets nur der mittlere Abstand
(Dicke) des Dielektrikums ausschlaggebend ist und somit die bei festen Stoffen vorliegenden
Unregelmäßigkeiten, in der Verteilung bzw. der Struktur auf das Meßresultat keinen
Einfluß haben.