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Fahrtmesser nach dem Staudruckprinzip Bei Fahrtmessern nach dem Staudruckprinzip
wird die Fahrgeschwindigkeit v des Schiffes aus dem dynamischen oder Staudruck p
au fGrund der Beziehung p=1/2#d#v2 (d = Dichte des Wassers) abgeleitet. Der Staudruck
wird als Differenz zwischen dem statischen und dem Gesamtdruck der Wasserströmung
gewonnen. Von einer unterhalb des Wasserspiegels befindlichen Staudüse führen zwei
Rohrleitungen-eine für den statischen und eine für den Gesamtdruck-ins Schiffsinnere
zu einem Differenzmanometer, das die Differenz dieser beiden Drücke, also den Staudruck,
anzeigen soll.
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Die unmittelbare Ablesung der Manometerausschläge ergibt wegen der
Kleinheit dieser Ausschläge eine sehr ungenaue Messung.
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Man verwendet daher meist Manometer mit weichen Dehnungsmembranen
und sieht eine besondere Gegekraft vor, die dem Staudruck unmittelbar entgegenwirkt
oder über einen durch die Membranausschläge gesteuerten Servomotor eingestellt wird.
Die Membranen dienen dann im wesentlichen nur zur Abdichtung und Bewegungsübertragung,
während die Größe der Gegenkraft, die z. B. die Spannkraft einer Feder oder die
Zugkraft eines Elekromagneten sein kann, als Maß für die gesuchte Fahrgeschwindigkeit
dient.
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Staudruckfahrtmesser, bei dem
die gesamte sich an die Druckzuführungsleitungen anschließende Meßanordnung in ein
druckfestes, allseitig geschlossenes und vorzugsweise mit Flüssigkeit gefülltes
Gehäuse eingebaut ist; das wesentliche Kennzeichen der Erfindung
besteht
darin, daß bei Benutzung von zwei gegeneinander wirkenden Membranen (Differenzmanometer),
die zur Übertragung des statischen und des Gesamtdruckes dienen, zur Druckentlastung
der Membranen und zur Berücksichtigung von Temperaturausdehnungen eine Ausgleichsmembran
vorgeschen ist. Das weitere Kennziechen der Erfindung ist die Ausbildung der membranen
bei diesem Staudruckmesser als Federrohre.
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Es ist ein Staudruckfahrtmesser bekannt, bei dem nur der Gesamtdruck
durch eine Membran übertragen wird und die Meßeinrichtung in einem geschlossenen
Gehäuse angeordnet ist, das unter dem Einfluß des statischen Druckes steht, indem
eine dem statischen Druck ausgestetzter Behälter durch ein Rohr mit diesem Gehäuse
verbunden ist. Dadurch wird ein Schutz der Meßeinrichtung gegen Seewasser und eine
Druckentlastung der Membran erzielt. Jedoch ist die bauliche Anordnung recht umständlich
und wegen des Vorhan denseins von zwei getrennten Behältern platzraubend. Die erfinungsgemäße
Einrichtung unterscheidet sich von diesem Meßgerät schon prinzipiell dadurch, daß
zwei gegeneinander wirkende membranen benutzt werden, von denen die eine unter der
Wirkung des statischen, die andere unter der Wirkung des Gesamtdruckes steht. An
sich ist die Verwendung von zwei gegeneinander geschalteten Membranen zur Anzeige
eines Differenzdruckes bekannt. Beim Einbau einer solchen Anlage in ein geschlossenes
Gehäuse ergibt sich jedoch der Nachteil, daß die Membranen durch den statischen
Druck und Temperaturausdehnungen zusätzlich belastet werden. Eine vollkommene Druckentlastung
wird durch die erfindungsgemäße Ausgleichsmembran erzielt.
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Es ist auch schon ein Staudruckfahrtmesser mit Druckentlastung bekannt,
der in einem gemeinsamen Gehäuse zwei gegeneinander wirkende membranen enthält;
auf die eine Membran wirkt der Gesamtdruck der Wasserströmung, auf die andere der
statische Druck.
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Das Gehäuse ist jedoch durch eine zwischen den beiden Meßmembranen
sitzende Dichtungsmembran in zwei Hälften unterteilt, und die Druckentlastung erfolgt
durch eine einstellbare Feder. Ein automatischer Druckausgleich bei gegenüber der
Meeresoberfläche sich ändernder Tiefenlage der Meßeinrichtung ist hierbei nicht
möglich.
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Aus der nachfolgenden Beschreibung des in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiels eines Fahrtmessers der in Rede stehenden Art ergeben sich die
Erfindung und die zahlreichen Vorteile der neuen Bauart.
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Fig. 1 zeigt den Schnitt durch einen Fahrtmesser mit den erfindungsgemäßen
Kennzeichen im Aufriß und Fig. 2 im Grundriß.
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Das allseitig geschlossene Gehäuse besteht aus zwei Hälften 1 und
2, die mittels der Schrauben 3 zusammengehalten werden. An der Zwischenwand 4 ist
das Lagergehäuse 5 befestigt, in dem die Drehwelle 6 gelagert ist.
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Ferner ist an der Zwischenwand 4 das Gehäuse 7 für den nicht den Gegenstand
der Erfindung bildenden elektrischen Teil befestigt, in dem die Umwandlung der gewonnenen
mechanischen Anzeige in die elektrische Anzeige stattfindet; bei elektrischer Fernübertragung
bildet dieser Teil also den Geber. Auf der Drohwelle 6 sitzt ein Drehkreuz 8, an
dessen einzelnen Armen sich Eisenkerne 9 befinden, die die Anker von Elektromagneten
darsteilen, Die zugehörigen Stromspulen 10 sitzen fest auf der Zwischen wand 4.
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Der durch das fahrende Schiff hervorgerufene Staudruck der Wasserströmung
soll das Drehkreuz 8 verdrehen, wobei die Zugkraft der Elektromagnete als Gegenkraft
auftritt. Für die Umsetzung des Standruckes in Drehbewegungen sind zwei zur Druckmessung
an sich bekannte Federrohre 12 und 13 vorgesehen, von denen das eine Ende mit einer
Öffnung versehen und mit dem Gehäuseteil 1 verschraubt ist, während das andere Ende
durch eine Stirnplatte abgeschlossen ist, Von einer Staudüse wird mittels der Rohrleitung
14 dem Federrohr 12 der statische Druck, mittels der Rohrleitung 15 dem Federrohr
13 der Gesamtdruck der Wasserströmung zugeführt. Da beide Drücke in entgegengesetzter
Richtung auf die freien Stirnflächen der Federrohre wirken, resultiert der Standruck,
der bei Druckänderungen Dehnungen der Membranen in ihrer Längsrichtung hervorruft.
Für die Umwandlung dieser im wesentlichen geradlinigen Längsbewegungen in Drehbewegungen
des Drehkreuzes 8 ist eine nicht den Gegenstand bildende schwingende Kurbelschleife
vorgesehen, die aus dem Schwingarm 16 und dem Kurbelzapfen 17 besteht. Der Schwingarm
16 ist mit seinem einen Ende mittels des Zapfens 18 an dem Gehäuseteil 1 drehbar
gelagert. Das andere Ende ist als Kulisse 19 ausgebildet, in die der Kurbelzapfen
17 eingreift. Der Kurbelradins r dieses Kurbeltriebes ist mittels der auf der Drehwelle
6 befestigten Schlitten führung 20 einstellbar. Die auf die Federrohre 12 und 13
ausgeübten Drücke werden mittels der Druckstangen 21 und 22, die durch Kugelgelenke
23 und 24 mit den freien Stirnenden der Federrohrmembran verbunden sind. auf die
Kulisse 19 übertragen, so daß der resultierende Stanudruck ein Drehmoment auf die
Welle 6 und damit auf das Drehkreuz 8 ausübt. die dadurch hervorgerufene Drehbewegung
des Drehkreuzes 8 kommt dann zum Stillstand, wenn die als Gegenkraft wirkende Zugkraft
der
Elektromagnete der bewegenden Kraft des Staudruckes das Gleichgewicht
hält. Dabei gleitet der Kurbelzapfen 17 in der Kulissenführung, während sich diese
selbst auf einem Kreisbogen, dessen Mittelpunkt durch den Drehzapfen 18 gegeben
ist, bewegt. Der Schwingarm 16 ist so lang ausgeführt, daß die schwingende Bewegung
der Kulisse praktisch als geradlinig anzusehen ist.
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Gleichzeitig wird auch die im Gehäuse 7 befindliche elektrische Anordnung
eingestellt, in dem z. B. von der Drehwelle 6 aus die Gleitkontakte eines Ringpotentiometers
oder die beweglichen Spulen von Drehtransformatoren mitbewegt werden.
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Die Leitungen für die Stromversorgung der Elektromagnetanordnung werden
mittels Zündkerzen 25 durch das Fahrtmessergehäuse 1, 2 hindurchgeführt; diese bei
Bedarf selbstverständliche Art der Stromzuführung ist absolut zuverlässig und gestatte
eine drucksichere Abdichtung. Ebenfalls werden die Leitungen für die in der elektrischen
Anordnung eingestellten und der gesuchten Meßgröße verhältnisgleiche Spannung durch
Zündkerzen aus dem Gehäuse herausgeführt.
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Das Gehäuse wird in üblicher Weise zweckmäßig mit Öl gefüllt, wodurch
eine selbsttätige Schmierung aller sich bewegenden Teile, ferner eine gute Isolierung
der elektrischen Leitungen erreicht wird. die Füllöffnung zum Einfüllen des Öles
ist mit 28 bezeichnet. Das Gehäuse 1, 2 ist vollkommen dicht abgeschlossen, und
es brauchen keine sich bewegenden Teile abgedichtet zu werden.
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Bei Schiffen mit großem Tiefgang, insbesondere bei U-Booten, die z.
B. bis 100 m unter den Wasserspiegel tauchen, treten große statische Wasserdrücke
auf, die bei der soweit beschriebenen Anordnung sehr hohe Druckbeanspruchungen der
Membranen hervorrufen würder. Diese Schwierigkeit wird durch Druckentlastung der
Membranen behoben, indem erfindungsgemäß eine Ausgleichsmembran, zweckmäßig auch
in der Ausbildung als Federrohr, vorgesehen wird. Die Ausgleichsmembran ist mit
26 bezeichnet. Mittels der Rohrleitung 27 wird ihr der statische Druck des Außenwassers
zugeleitet. Die Federrohre 12 und 26 sind damit praktisch völlig entlastet, da@sie
sowohl von außen wie auch von innen dem statischen Druck ausgesetzt sind, während
auf das Federrohr 13 nur noch der dynamische Druck wirkt. Eine Druckentlastung wäre
zwar auch unter Fortlassung der Membran 12 bei Vorhandensein der Membranen 13 und
26 möglich. Die Membran 13 macht in diesem Fall Längsbewegungen entsprechend dem
dynamischen Drucke, während die Membran 26 den Druckausgleich hervorruft, so daß
für Festigkeits beanspruchung der Membranen nur der dynamische Druck maßgebend ist.
Ändert das Schiff jedoch seine Tiefenlage, so werden beide Membranen 13 und 26 auch
bei nicht fahrendem Schiff entsprechend dem zuehmenden statischen Druck mehr ausgedehnt;
die zunehmende Ausdehnung der Meßmembran 13 täuscht also in diesem Fall eine Fahrgeschwindigkeit
bzw. eine Geschwindigkeitsänderung vor. Grundsätzlich ist diese Ausführung bei Zulassung
mäßiger Genauigkeiten in der Anzeige möglich, und zwar müßte alsdann der Querschnitt
der Ausgleichsmembran 26 ein Mehrfaches von dem der Meßmembran 13 betragen, so daß
die auf Tiefenänderungen zurückzuführenden statischen Drücke nur unmerklich die
Membran 13 beeinflussen. Es ist also leicht ersichtlich, daß diese Lösung bei großen
Unterschieden in der Tiefenlage, z. B. bei einem bis zu 100 m tauchenden U-Boot,
zu ungünstigen Konstruktionen führen bzw. mit zu großen Ungenauigkeiten behaftet
sein würde.
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Ein vollkommener Druckausgleich, der unabhängig von der Tiefenlage
der Meßeinrichtung ist und sich stets selbsttätig auf das richtige Maß einstelt,
wird erst durch die erfindungsgemäße Anwendung der beinden gegeneinander wirkenden
Meßmembranen 12 un 13 und der Ausgleichsmembran 26 erzielt.
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An sich wäre diese Anordnung auch ohne Ölfüllung des Gehäuses zu gebrauchen,
jedoch müßte alsdann wegen der großen Kompressibilität der Luft die Ausgleichsmembran
26 übermäßig groß ausfallen, um den inneren Luftdruck auf den außen herrschenden
Wasserdruck zu bringen.
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Durch die Ausgleichsmembran 26 wird gleichzeitig den bei Temperaturwechsel
auftretenden Volumenänderungen Rechnung getragen. Enthält das Fahrtmessergehäuse
z. B.
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7@ Transformatorenöl, so tritt bei einem Temperaturunterschied von
20° eine Volumenänderung von etwa 140 cm3 auf, während die Volumenänderung des Gehäuses
nur etwa den hundertsten Teil beträgt. Um eine Zerstörung des Gehäuses und unnötige
Beanspruchungen der Membranen zu vermeiden, ist auch in dieser Beziehung ein Druckausgleich
wünschenswert. Die Ausgleichsmembran bringt ferner den Vorteil, daß Fälschungen
des Meßergebnisses durch Luftblasen, die nach dem Einfüllen des Öles im Gehäuse
etwa noch vorhanden sein sollten, vermieden werden.
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Durch den Einbua des Fahrtmessers in ein allseitig geschlossenes Gehäuse
ist ein Gerät geschaffen, das auf die besmögliche Weise gegen mechanische Zerstörung
geschützt ist.
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Die im Schiffahrts betrieb besonders große Gefahr der Korrosion ist
dadurch völlig vermieden, daß das Innere des Gehäuses mit Öl
gefüllt
ist und gar nicht mit Seewasser in Berührung kommen kann. Lediglich die Manometer-
und ausgleichsmembranen sind den Wirkungen des Seewassers ausgesetzt. Es empfiehlt
sich daher,die Membranen aus nichtrostendem Stahl herzustellen. Die Ölfüllung bewirkt
nict nur eine selbsttätige Schmierung aller sich bewegenden Teile, sondern es werden
gleichzeitig die sich bewegenden und drehenden Teile durch das Öl gedämpft. Die
momentanen Schwankungen des Meßdruckes, die somit eine unruhige, flatterhafte Anzeige
herovrrufen würden, werden gewissermaßen durch Mittelwertbildung unterdrückt, und
es kommt im wesentlichen nur der auf die gesuchte Schiffsgeschwindigkeit zurückzuführrende
Staudruck zur Geltung. eine Abnutzung oder Beschädigung des Fahrtmessers tritt praktisch
gar nicht auf. Es ist ein Gerät geschaffen worden, daß jahrelang ohne die geringste
Bedienung und Wartung im Betrieb sein kann. Die Membranen sind die einzigsten Teile,
die überhaupt zerstört werden könnten. Eine Gefahr für das Schiff kann aber selbst
bei Zerstörung einer Membran niemals auftreten, da ja dann nur sehlimmstenfalls
Seewasser in das Innere des druckdicht abgeschlossenen Fahrtmessergehäuses eindringen
kann.
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Bei dem Fahrtmesser des Ausführungsbeispiels wird der Meßwert als
elektrisch Spannung dargestellt und mittels Zündkerzen, deren Abdichtung natürlich
keine Schwierigkeit bereitet, aus dem Gehäuse herausgeleitet. Die Erfindung ist
aber selbstverständlich auch dann anwendbar, wenn nur mechanische Anzeige gewünscht
wird. Es könnte z. B. in diesem Fall die Drehwelle des Fahrtmessers bzw. ein sonstiger
beweglicher Teil aus dem Gehäuse herausgeführt und gegen die auftretenden Drücke
abgedichtet werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß der Zeiger im Innern
des Gehäuses vor einer Skala spielt, die durch eine in die Gehäusewand eingesetzte
Glasscheibe beobachtet wird.
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Bei dieser Ausführung ist keine Abdichtung beweglicher Teile erforderlich.