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Flüssigkeitsstandanzeiger für hohe und höchste Drucke
Optische Flüssigkeitsstandanzeiger
wurden bisher immer nach denz Prinzip gebaut, daß das Auge des Beobachters von der
Seite her, also in xvaagerechter oder schräger Richtung, in den Flüssigkeitsstandanzeiger
hinein- oder durch ihn hindurchblickt und dabei die Höhe des Flüssigkeitsspiegels
hinter der durchsichtigen, meist aus Glas (im folgenden soll das Wort Glas auch
andere durchsichtige Stoffe umfassen) bestehenden Wand beobachtet. Dabei wird diese
durchsichtige Wand (auch mit Fenster bezeichnet) von den beiden Medien (meist Flüssigkeit
und darüber befindliches Gas), deren Stand gemessen werden soll, berührt, und diese
sind als obere und untere Schicht mit dazvischenliegender Treuntläche unmittelbar
zu erkennen. Die Beobachtung kann auch mittelbar, z.B. über einen Spiegel oder ein
Fernrohr. erfolgen.
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Drei Bauarten von optischen Flüssigkeitsstandanzeigern haben sich
herausgebildet, die alle nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren arbeiten,
nämlich I. solche mit oben offenen oder beiderseits angeschlossenen Glasrohren (s.
Abb. I), 2. solche mit einem Fenster mit Einblick und Reflexion (s. Abb. 2) und
3. solche mit zwei Fenstern und Durchblick (s. Abb. 3).
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Für hohe und höchste Drucke kommen nur die Bauarten 2 und 3 in Frage,
weil die Zugfestigkeit k des Glases bei Rohren mit genügend weiter, die
Kapillarkraft
ausschaltender Bohrung nicht ausreicht.
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Aber auch mit diesen Bauarten lassen sich nicht beliebig hohe Drucke
erreichen, wenn eine einigermaßen ausreichende Beobachtung der Höhenstandsänderungen
des Flüssigkeitsspiegels erfolgen soll.
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Abgesehen von den Fällen, wo durch Anwendung zweier Flüssigkeiten
mit verschiedenem spezifischem Gewicht die Anzeigelänge im Flüssigkeitsstandanzeiger
gegenüber den Höhenschwankungen des Flüssigkeitsspiegels im Behälter umgeformt,
also verkleinert werden kann, muß der durchsichtige Teil des Flüssigkeitsstandanzeigers
mindestens so lang sein, wie die zugelassenen oder zu beobachtenden Höhenschwankungen
des Flüssigkeitsspiegels betragen. Dabei kommt man bei kleinen Höhenschwankungen
mit ungeteilter Ausführung des Flüssigkeitsstandanzeigers durch, während er bei
großen unterteilt sein muß. Bei der Forderung ununterbrochener Standbeobachtung
müssen im letzteren Falle die einzelnen Teile zudem noch gegenseitig verSetzt sein.
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Daraus folgt wiederum, daß bei der Bauart 2 und 3 zum Abdichten der
Glasfenster Dichtungslängen notwendig sind, die etwas mehr als das zwei-oder vierfache
der Beobachtungslänge betragen.
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Z. B. erhält bei nur 100 mm Durchsichtslänge, 5 mm Durchsichtsbreite
und 10 mm Dichtungsbreite bei Bauart 3 die Dichtungsfläche eine mittlere Länge von
4go mm, also von beinahe 1/2 In. Bei 200 mm Durchsichtslänge und sonst gleichen
Maßen ergibt sich eine mittlere Dichtungslänge von 890 mm. Daß durch solche Dichtungslängen
eine immer größere Betriebsunsicherheit entsteht, je höher die Drucke werden, liegt
auf der Hand.
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Ein zweiter Grund, warum die bekannten Flüssigkeitsstandanzeiger
beliebig hohen Drucken nicht standhalten, ist folgender: Die Glasfenster in den
Metallgehäusen der Flüssigkeitsstandanzeiger sind längliche prismatische Glaskörner
von rechteckigem Querschnitt (s. a in Abb. 2 und 3). Sie werden mit Dichtungen b
in das Gehäuse c eingelegt und mittels Deckels d und Schrauben e fest und dicht
in das Gehäuse eingepreßt. Durch den inneren Überdruck werden besonders in der Mitte
der Flüssigkeitsstandanzeiger die Glaskörner auf Biegung und Verdrehung beansprucht,
wobei, abgesehen von den infolge zu schwacher Konstruktion oft zu beobachtenden
bleibenden Formänderungen, erhebliche mit der Entlastung wieder zurückgehende elastische
Formänderungen in den Metallteilen auftreten, denen das spröde Glas nicht zu folgen
vermag. Die dem Glas eigentümliche hohe zulässige Druckbeanspruchung, die das acht-
bis fünfzehnfache der Zugbeanspruchung beträgt, kann bei der sich aus beiden Beanspruchungen
zusammensetzenden Biegungsbeanspruchung gar nicht ausgenutzt werden, weil immer
der niedrigere Wert von beiden maßgeblich ist. Die als Folge der Biegungsbeanspruchung
auftretende Verbiegung verschiebt die tatsächliche Dichtungslinie, die bei parallelen
Flächen in ihrer Mitte als sogenannte mittlere Dichtungslinie angenommen wird, zur
äußeren Kante der Dichtungsfläche hin, vergrößert damit das Biegungsmoment und die
Biegungsbeanspruchung im Glaskörper und verursacht die beim spröden Glas gefährlichen
Kantenpressungen.
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Damit wird nicht nur die Dichtung gelockert und ein Undichtwerden
des Flüssigkeitsstandanzeigers ermöglicht, sondern es entstehen auch Brüche des
Glaskörpers.
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Aus all diesen Gründen sind Flüssigkeitsstandanzeiger der bisherigen
Bauart bei hohen und höchsten Drucken von z. B. IOOO at nicht genügend betriebssicher.
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Es wurde nun gefunden, daß man Flüssigkeitsstandanzeiger, die höchsten
Drucken standhalten, erhält, wenn man sie unter Verwendung eines durchsichtigen
Stabes so baut, daß man nicht wie bisher von der Seite her auf die Trennfläche der
beiden Schichten, sondern von oben oder von unten durch die eine Schicht hindurch
in die andere Schicht blickt, wobei die Grenzfläche durch Art und Stärke der Färbung
oder Tönung des Stabes den jeweiligen Flüssigkeitsstand erkennen läßt.
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In den Abb. 4 bis 6 sind Ausführungen der Erfindung näher erläutert.
Man baut gemäß Abb. 4 einen glatten oder besonders geformten, mit durchsichtiger
Stirnfläche versehenen Glasstab f so in das Gehäuse n ein, daß er senkrecht oder
schräg durch dieses hindurchgeht und beiderseits abgedichtet ist und sich mit seinem
oberen Teil im oberen und seinem unteren Teil im unteren Medium innerhalb des Bereiches
der möglichen Höhen schwankungen befindet.
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Durch diese Bauart des Flüssigkeitsstandanzeigers wird erstens die
mittlere Dichtungslänge bei gleicher oder größerer Anzeigelänge auf einen Bruchteil
der bei der bisherigen Ausführung nötigen Länge verringert. Bei z. B. Io mm Durchmesser
des Glasstabes und 6 mm Dichtungsbreite ergibt sich für beide Dichtungen, qben und
unten zusammen, eine mittlere gesamte Dichtungslänge von Ioo mm.
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Zweitens wird der Glasstab nicht mehr auf Biegung, sondern nur noch
auf Druck beansprucht, so daß er höhere Belastungen aushält. Er ist weitgehend entlastet,
weil er in einem Stück durch das Gehäuse mit beiden Abdichtungen hindurchgeht.
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Als Dichtungen werden zweckmäßig kurze Manschettenm verwendet, die
gegenüber der längeren Stopfbüchse den Vorteil haben, keinen seitlichen Druck auf
den Glasstab auszuüben und ihn zu verspannen, sondern ihm mehr Freiheit, sich selbst
einzustellen, geben.
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Gemäß Abb. 5 ordnet man ein druckfestes Fenster g höher oder tiefer,
als dem vorgesehenen Plüssigkeitsstand entspricht, im Gehäuse n an, so daß es also
nicht von beiden Schichten zugleich berührt wird, und stellt in Richtung der Sehachse
dahinter einen glatten oder besonders geformten, mit durchsichtiger und zweckmäßig
zum Fenster paralleler Stirnfläche versehenen Glasstab f so, daß er sich mit seinem
oberen Teil im oberen und mit seinem unteren Teil im unteren Medium innerhalb des
Be-
reiches der 1Iiihcnsch\iill liungen befindet, wobei auf der
dem Einhlickfetister gegenuberliegenden Gehäuseseite oder sonst weitere Fenster
i zum .Ausblickell oder Beleuchten angebracht sein können.
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Durch diese Bauart des Flüssigkeitsstandanzeigers wird ebenfalls
die Länge der Dichtungsflächen gegenüber der bisherigen Bauart wesentlich kürzer,
da das Einblickfenster nicht mehr länglich sein muß, sondern rund sein kann. Es
genügt vollkommen eine Einsichtsöftnung von 10 mm Durchmesser, was bei 10 mm Dichtungsbreite
eine mittlere Dichtungslänge von 63 mm für ein Fenster und von I26 mm bei zwei Fenstern
ergibt. Weiterhin tritt bei diesen runden Glasfenstern mit ihrem kleinen Durchmesser
nicht mehr die gefährliche hohe Biegungsbeanspruchung im Glas und im Deckel auf,
die leicht zu Brüchen Anlaß gibt.
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Gemäß Abb. 6 ist der in Abb. 5 dargestellte Glasstab mit einem Fenster
aus einem Stück k hergestellt. Diese Bauart bringt bei nur unwesentlich umständlicherer
Abdichtung den Vorteil, daß sich auf der Innenseite des Fensters und der anschließenden
Stirnseite des Glasstabes, die beide erst nach Außerbetriebsetzen, Ausbau und Öffnen
des Flüssigkeitsstandanzeigers zugänglich sind, kein Schmutz absetzen kann, der
die Durchsicht beeinträchtigt. Zweckma ßig baut man diesen mit dem Fenster kombinierten
Glasstab k auf der Seite des Flüssigkeitsstandanzeigers ein, von der der Einblick
erfolgt oder auf der eine Verschmutzungsgefahr vorliegt.
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Blickt man in den Glasstab oder durch ihn in Richtung seiner Längsachse
(nach Abb. 4) durch eine seiner durchsichtigen Stirnflächen oder nach Abb. 5 und
6 vermittels eines druckfesten Fensters, dann ist in allen I;ällen die Höhe der
Trennfläche beider Schichten, d. h. also der Flüssigkeitsstand, daran erkenntlich,
daß der Glasstab in dem Raum des einen Äledinnis anders gefärbt oder getönt, z.
B. heller oder dunkler, erscheint als im Raum des anderen, was durch eine Lichtquelle
noch deutlicher wird, die zweckmäßig an der Einsichtsseite oder gegenüber oder an
anderer Stelle so angebracht ist, daß sie das Innere des Gehäuses erhellt.
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Die Grenze der beiden Färbungen oder Tönungen fällt mit der Trennfläche
der beiden Schichten zusammen, was von der Verschiedenheit der Lichtbrechung und
der totalen Reflexion der beiden Ätedien an der Wand des Glasstabes herrührt.
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Um die Höhe des Flüssigkeitsstandes besser erkennen und abschätzen
zu können, kann mit Vorteil der Glasstab innerhalb des Bereiches der Flüssigkeitsschwankungen
mit einzelnen nockenartigen Ansätzen oder Rillen oder mit einem spiralförmigen,
um den Stab herumgehenden Wulst (s. 1 in Abb. 4 bis 6) o. dgl. versehen sein, so
daß durch Abzählen, z. B. der hellen und dunklen Nocken oder Gewindegänge usw.,
die Höhe des Flüssigkeitsstandes sehr genau abgelesen werden kann. Die Form der
Nocken oder Rillen oder des spiralförmigen Wulstes u. dgl. wird zweckmäßig nach
den optischen Gesetzen der Lichtbrechung und totalen Reflexion bestimmt.
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Eine Begrenzung der Länge des Flüssigkeitsstandanzeigers ist nur
dadurch gegeben, daß selbst das beste optische Glas einen Teil der Lichtstrahlen
absorbiert und daß dadurch je nach der Durchsichtigkeit des verwendeten Glases die
Länge besehränkt wird.
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Um bei den hohen Drucken eine Gefährdung der beobachtenden Person
auszuschalten, falls doch einmal ein Fenster oder der durchgehende Glasstab zu Bruch
gehen und dadurch sich der Inhalt mit großer Gewalt entspannen sollte, kann die
Beobachtung zweckmäßig so erfolgen, daß der Beobachter seitlich steht und mittels
Spiegel in den Flüssigkeitsstandanzeiger hineinsieht. Dann kann der bei einem Bruch
des Fensters oder des durchgehenden Glasstabes mit großer Geschwindigkeit austretende
Strahl den Beobachter nicht unmittelbar treffen. Bei Benutzung eines Fernrohres
läßt sich der Abstand zwischen Beobachter und Flüssigkeitsstandanzeiger in bekannter
Weise noch vergrößern.
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Die vorstehend beschriebenen Flüssigkeitsstandanzeiger lassen sich
für höhere Drucke bei größerer Anzeigelänge verwenden als die bisher üblichen.