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Kippzähler für die Messung von Flüssigkeitsmengen
Zur Messung von Fliissigkeitsmengen
sind Becher Kippzäliler l)ek'tnnf mit einer oder mehreren Nleßkammern, hei denen
ein mittels einer waagerechten Achse frei schwingend aufgehängter Becher mit dem
Meßgut beschickt wird und bei Erreirhung eines bestimmten Fiillvolumens umkippt.
Dabei wird die Flüssigkeit ausgeschüttet, worauf sich das Gefäß infolge geeigneter
Schwerpunktslagerung selbsttätig wieder aufrichtet, so daß das Wechselspiel des
Befüllens und Entleerens von neuem beginnen kann.
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Fig. r zeigt einen Einbecher-Kippzähler, dessen Wirkungsweise ohne
weiteres verständlich ist. Der Becher wird über das Zulaufrohr bis zu einem hestimmten
Füllvolumen gefiillt, worauf er um die waagerechte Achse umkippt und sich nach Entleerung
selbsttätig wieder aufrichtet.
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Die Fig. 2 und 3 zeigen einen Zweikamtner-Kippzähler in Vorder- und
Seitenansicht. Die beiden durch die Haupttrennwand I getrennten Meßkamrnern 2 ünd
3 haben dreieckigen Querschnitt. Wenn eine Meßkammer gefüllt ist, erfolgt die Drehung
um die waagerechte Achse (Kippvorgang). Eine entsprechende Kippstellung ist in der
Fig. 2 punktiert angedeutet. Dabei liegt die rechte Meßkammer 2 auf dem Anschlag
5 auf, während' die linke Meßkammer hochgeschwenkt ist und von dem Zulaufrohr aus
gefüllt werden kann.
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Nach Beendigung der Füllung dieser Kammer kippt der Zähler nach links.
Es liegt dann die linke Meßkammer 3 auf dem Anschlag 6 auf, während die rechte Meßkammer
2 gegen das Zuflußrohr hochgeschwenkt ist.
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Es tritt nun sowohl beim Einbecher-Kippzähler als auch beim Zweikammer-Kippzählet
ein Meßfehler auf, der in beiden Fällen die gleiche Ürsadie hat. Beim
Einbecher-Kippzähler
fließt während des Entleerungsvorganges eine der Zuflußgeschwindigkeit proportionale
Menge (der Kippfehler) ungemessen an dem Becher vorbei, wodurch ein prozentualer
Meßfehler entsteht, der nur für einen einzigen Zuflußbetrag durch die Eichung eliminiert
werden kann, während er für alle anderen Zuflußbeträge eine lineare Funktion der
Zuflußgeschwindigkeit ist. Da ferner vom Beginnt des Kippens bis zum Entleeren eine
gewisse Zeit vergeht, so füllt sich in dieser Zeit bei großen Belastungen das Gefäß
höher als bei kleinen. Das ergibt einen zusätzlichen Fehler im gleichen Sinne wie
der erste Fehler.
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Die Zähler arbeiten daher nur über einen sehr kleinen Bereich mit
einer brauchbaren Meßgenauigkeit.
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Beim Zweikammer-Kippzähler liegt der Grund des Kippfehlers darin,
daß von Beginn des Kippens bis zu dem Augenblick, in dem die Trennwand durch den
Flüssigkeitsstrahl geht, eine gewisse Zeit verstreicht, während der Flüssigkeit
in die schon in Entleerung begriffene Meßkammer fließen kann. Diese entgeht aber
der Messung, da der Kippvorgang bereits eingeleitet ist. Die Menge dieser Flüssigkeit
ist gleichfalls proportional dem Durchfluß, da sich die Kippzeit mit dem Durchfluß
praktisch nicht ändert.
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Da das vorstehende Meßprinzip aber andererseits große Vorzüge besitzt,
nämlich große Einfachheit und Betriebssicherheit, welche die Beibehaltung desselben
wünschenswert machen, so setzt sich die Erfindung das Ziel, die Meßgenauigkeit durch
Ausschaltung des Kippfehlers zu verbessern. Sie geht bei der Lösung von dem Gedanken
aus, daß eine Kompensation des an sich unvermeidlichen Kippfehlers dann erreicht
wird, wenn in der Meßkammer ein Fehler herbeigeführt wird, der gleich groß, aber
entgegengesetzt ist wie der Kippfehler. Dabei kann man entweder so vorgehen, daß
die während des Entleerungsvorganges entsprechend der Zuflußgeschwindigkeit auftretende
Fehlermenge selbst oder eine dem Fehler proportionale Flüssigkeitsmenge der zu füllenden
Meßkammer vor deren Füllung zugesetzt wird, oder man läßt das Kippvolumen mit wachsendem
Zufluß in der gleichen Größenordnung abnehmen, wie der Meßfehler zunimmt.
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Die Fig. 4, 4a und 5 zeigen zwei Ausführungsbeispiele für den erstgenannten
Lçsungsweg, und zwar angewendet auf einen Zweikammer-Kippzähler.
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Bei der Ausführungsform gemäß der Fig. 4 (Ruhestellung) und 4a (Betriebsstellung)
ist ein becherförmiges Hilfsgefäß 2 oberhalb der Meßkammer 3 angeordnet, das in
einem Drehpunkt I fest gelagert ist.
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Die Drehung des Hilfsgefäßes wird dadurch herbeigeführt, daß ein mit
der Meßkammer fest verbundener Stift 4 mittels einer kulissenförmigen Führung 5
das Hilfsgefäß mit der Meßkammer mitbewegt. Dadurch ist jeweils während eines Füllvorganges
der einen Kammer bzw. einer Entleerung der anderen Kammer das Hilfsgefäß seitwärts
geneigt, um den Zufluß in die zu füllende Meßkammer aus dem Zuflußrohr zu ermöglichen.
Sobald der Kippvorgang einsetzt, dreht sich das Hilfsgefäß unter das Zuflußrohr
und fängt die zufließende Fehlermenge auf. Während des Hochschwenkens der zu füllenden
Kammer wird sodann das Hilfsgefäß wieder seitwärts geneigt und gießt seinen Inhalt
in die zu füllende Meßkammer aus. Das Hilfsgefäß fängt also während des Kippens
die früher der zu entleerenden Meßkammer zufließende Flüssigkeit auf und setzt sie
der anderen, neu zu füllenden Meßkammer zu.
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Die Ausführungsform gemäß Fig. 5 sieht für jede Kammer eine weitere
Scheidewand ' parallel zur Haupttrennwand T vor, die nahe dem Boden durchbohrt ist.
Bei geeigneter Bemessung der Höhe dieser Scheidewand, ihres Abstandes von der Haupttrennwand
und des Lochdurchmessers wird der Kippfehler dadurch kompensiert, daß beim Entleeren
einer Kammer hinter der Scheidewand eine konstante Menge Wasser zurückgehalten wird,
die nun durch das Loch langsam ausfließt, während die andere Kammer gefüllt wird.
Hierzu ist je nach der Zuflußgeschwindigkeit eine mehr oder weniger lange Zeit erforderlich.
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Das hinter der Scheidewand zurückgehaltene Wasser fließt also bei
ganz kleiner Zuflußgeschwindigkeit ganz ab, während es bei großer Zuflußgeschwindigkeit
nicht Zeit genug dazu hat. In diesem Falle bleibt also ein mehr oder weniger großer
Rest hinter der Scheidewand stehen. Es ist also bereits in jeder Kammer eine dem
jeweiligen Fehler entsprechende Wassermenge zugesetzt, so daß die jeweils zur Kippung
erforderliche zufließende Wassermenge mit wachsender Zuflußgeschwindigkeit abnimmt.
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Einige Ausführungsbeispiele für den angegebenen zweiten Lösungsweg
zeigen die Fig. 6 bis I4, von denen die Fig. 6 bis 10 sich auf einen Einbecher-Kippzähler,
die Fig. II bis 14 sich auf Zweikammer-Kippzähler beziehen.
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Wie schon erwähnt, fußen alle diese Ausführungsformen auf dem Gedanken,
eine Verbesserung der Meßeigenschaft dadurch herbeizuführen, daß man das Kippvolumen,
worunter die Menge verstanden ist, welche sich zu Beginn des Entleerungsvorganges
in einem Becher befindet, mit wachsendem Zufluß in derselben Größenordnung abnehmen
läßt, wie der Kippfehler zunimmt.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 bringt man, starr verbunden
mit der eigentlichen Meßkammer a, an dem Becher eine zweite, im allgemeinen kleinere
Kammer, die Kompensationskammer b an, welche mit der Meßkammer durch eine oder mehrere
geeignet bemessene und angeordnete kleine Durchbrüche c in Verbindung steht. Wenn
der Spiegel des Meßgutes, das in die Meflkammer geleitet wird, die Öffnung(en) erreicht,
beginnt ein Teil des Meßgutes in die Kompensationskammer zu fließen, während der
Rest ein weiteres Ansteigen des Spiegels in der Meßkammer bewirkt und im wesentlichen
schließlich das Kippen des ganzen Gefäßes auslöst.
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Da die Menge, die durch die engen Öffnungen in die Kompensationskammer
fließt, um so kleiner ist, je schneller die Befüllung der Meßkammer vor sich geht,
je größer also die Zuflußgeschwindigkeit ist, so befüllt sich erstere stark bei
kleinem, schwach bei großem Zufluß. Wenn man die Anordnung der Kompensationskammer
so gestaltet, daß ihr Inhalt bei Erreichung der Kippstellung kein nennenswertes
Drehmoment auf das Gefäß ausübt, so wird der Gesamtinhalt der Meßkammer zu Beginn
der Kippung bei verschiedener Zuflußstärke mehr oder weniger kon-
stant
bleiben, so daß also für beide Kammern zusammen ein Kippvolumen resultiert, das
mit wachsendem Zufluß abnimmt.
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Es sei noch erwähnt, daß infolge der exzentrischen Anordnung der
Kompensationskammer b in bezug auf die Achse d durch eine teilweise Befüllung der
Kippkammer sogar ein Drehmoment entgegen der Kipprichtung (Pfeilrichtung) auftritt,
so daß, um die Kippung zu erzwingen, der Kippinhalt der Meßkammer a um so größer
werden muß, je größer der Kippinhalt der Kompensationskammer b wird, d. h. je kleiner
die Zuflußstärke ist.
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Bei der Anordnung gemäß Fig. 7 leitet man den durch einen senkrechten
Pfeil angedeuteten Flüssigkeitsstrahl zunächst in die Kompensationskammer f, die
durch einen Durchbruch (Überfall g) mit der Meßkammer e in Verbindung steht. Der
Flüssigkeitsstrahl ergießt sich in die rechte Ecke h der Kompensationskammer f,
fließt am Boden der Kammer f entlang zum Durchbruch g, durch diesen in die Meßkammer
e.
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Das ganze Gefäß ist so konstruiert, daß für tropfenweisen Zufluß zu
Beginn der Entleerung der Boden der Kompensationskammer f ein schwaches Gefälle
von der Ecke h zum Durchbruch g hin hat. Für größere Zuflüsse wird durch den zum
Durchbruch g fließenden Strom kurz vor Erreichung des Kippvolumens das Gefäß so
stark in Pfeilrichtung gedreht, daß der Boden der Kompensationskammer ein Gefälle
vom Durchbruch g zur Ecke hin hat, so daß sich also außer dem zum Durchbruch g hin
fließenden Strom noch ein ruhendes Flüssigkeitsvolumen in der Ecke h befindet und
mithin sich eine recht bedeutende Flüssigkeitsmenge in der Kompensationskammer f
befindet. Da der Schwerpunkt dieses Volumens in der Nähe der Ecke lt liegt, übt
dieses Volumen wegen des großen Hebelarms ein weit größeres Drehmoment in der Kipprichtung
aus, als wenn sich die gleiche Menge kurz vor der Kippung in der Meßkammer e, d.
h. mit ihrem Schwerpunkt in großer Nähe der Achse befände.
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Es folgt daraus, daß, um das von dem Kippinhalt der Kompensationskammer
f erzeugte Drehmoment gleichwertig zu ersetzen, dadurch, daß man den Kippinhalt
der Kammer f ersetzt durch ein geeignetes in die Meßkammer e zu gebendes Flüssigkeitsvolumen,
man dieses Ersatzvolumen mehrmals so groß wählen müßte als den Kippinhalt der Kompensationskammerf.
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Daher muß das Kippvolumen des Systems Meßkammer + Kompensationskammer
mit wachsendem Zufluß wie gewiinscht abnehmen. Oder mit anderen Worten, mit wachsendem
Zufluß wächst zwar der Kippinhalt der Kompensationskammer, jedoch sinkt der Kippinhalt
der Meßkammer noch stärker, so daß wieder eine in erster Annäherung dem Zufluß proportionale
Abnahme des Kippvolumens des Systems Meßkammer + Kompensationskammer erfolgt.
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Der Vorteil der in Fig. 7 gezeigten Anordnung gegenüber der Fig.
6 besteht darin, daß enge Öffnungen, welche der Verschmutzung und Querschnittsveränderungen
unterworfen sind, in Wegfall kommen.
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In den beiden Methoden zur Kompensation des Kippfehlers gemäß den
Fig. 6 und 7, bei denen das Vorhandensein und die Ausbildung einer zweiten Kammer,
der Kompensationskammer, das Wesentliche waren, brauchten keinerlei spezielle Forderungen
für die Ausbildung der eigentlichen Meßkammer gestellt zu werden. Erfindungsgemäß
liefert nun die Möglichkeit, über die Form der Meßkammer noch weitgehend frei verfügen
zu können, eine weitere Möglichkeit zur Kompensation des Kippfehlers. Wie man nämlich
leicht einsehen kann, ändert sich die Stellung des leeren oder auch ganz oder teilweise
gefüllten Gefäßes, wenn man den Ort des Gefäßschwerpunktes und/oder die Masse des
Gefäßes verändert. Der Grund hierfür ist der, daß durch derartige Änderungen normalerweise
zusätzliche (gegenüber dem Zustand vor der betreffenden Änderung) Drehmomente auf
das Gefäß wirken, die auf die Stellung desselben nicht ohne Einfluß bleiben. Dementsprechend
tritt auch eine Änderung der Gefäßstellung ein, wenn statt eines durch Gefäßänderungen
erzeugten Drehmomentes ein anders erzeugtes zusätzliches Drehmoment auf das Gefäß
einwirkt. Die hierauf zu gründende Kippfehlerkompensationsmethode besteht nun erfindungsgemäß
in folgendem: Durch irgendeine Maßnahme wird zunächst bewirkt, daß für jede beliebig
gewählte Befüllung des Gefäßes die Stellung desselben eine eindeutige Funktion der
Zuflußstärke Z ist. Hierdurch wird erreicht, daß es für zwei beliebige Zuflußstärken
Z1 und Z2 wobei Z2 <Z1 sei, eine Befüllung (Füllvolumen) V gibt, bei welcher
das Gefäß für Z, seine Kippstellung erreicht hat, für Z2 aber noch nicht. Zu Z1,
Z2 mögen die Kippfehler K1 bzw. K2 gehören, wo K2 <K1 ist. Für Z = Zl fließt
also vom Beginn einer Befüllung bis zum Beginn der nächsten Befüllung die Menge
V1= V + K1, entsprechend für Z = Z2 die Menge V2 = V 1' + K2 + a v. Es ist daher
V1 V2 = K1 - K2 V. Sofern AV = K1 - K2 ist, entsprechen nun einer gleichen Anzeige
des Gerätes verschiedene tatsächlich durchgeflossene Mengen, d. h. der prozentuale
Anzeigefehler ist verschieden. Erfindungsgemäß wird nun das Gefäß bei seiner Entwicklung
in seiner ursprünglichen Gestalt so abgeändert, daß J K1 - K2 wird, V1 aber ungeändert
bleibt. Daß dies möglich ist, sei an Hand der Fig. g erläutert. Fig. g stelle dabei
einen Schnitt senkrecht zur Achse des in Fig. 8 dargestellten Gefäßes dar. Der Kurvenzug
A BCD ist das Profil des Gefäßes. Bei der Befüllung V möge sich nun der Flüssigkeitsspiegel
für Z = Z1 von X1 nach Y1, für Z = Z2 von X2 nach Y2 erstrecken, wobei X1 X2 = Y1
Y2 ist. Nehmen wir weiter an, daß für Z = Z Z1 der Flüssigkeitsspiegel vor Erreichung
des Füllvolumens V niemals einen Punkt etwa der Strecke X2A erreicht habe, was man
leicht einrichten kann, so ändert sich nichts an dem Befüllungsvorgang und dem Kippvolumen
für Z = Z1, wenn man das Profil zwischen X2A verändert, sofern nur Gewicht und Schwerpunktsort
des Gefäßes unverändert bleiben, was wir immer voraussetzen wollen. Letzteres ist
durch Ausgleichgewichte leicht zu erreichen. Unwesentliche Veränderungen des Trägheitsmomentes
bringen auch kaum eine nennenswerte Veränderung der Kippzeit und der Kippfehler
K1 und K2. Für Z = Z2 spielt jedoch die Ausbildung des Profils oberhalb des Punktes
X2 eine entscheidende Rolle, da zur Erreichung der Kippstellung noch die Menge dV
in
das Gefäß fließen muß. Man kann nämlich z. B., wie leicht einzusehen
ist, für Z = Z2 die Erreichung der Kippstellung beschleunigen, d. h. J V klein machen,
indem man die Profillinie BA an der Stelle X2 knickt, und zwar die Strecke X2A nach
innen knickt, und entsprechend verzögert man die Erreichung der Kippstellung, d.
h. man macht zlV groß, wenn X2A nadi außen gedreht wird, so daß A etwa nach A2 wandert.
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Es besteht also die Möglichkeit, L3i V K1 --- K2 zu machen durch geeignete
Ausbildung des Profils oberhalb von X2 oder eines anderen Punktes der Profillinie
BA, der für Z = Z1 von dem Flüssigkeitsspiegel nie, für Z = Z2 von diesem aber bestimmt
erreicht wird. Wählt man Z1 und Z2 genügend nahe beieinander, so ist durch eine
derartige Gefäßänclerung innerhalb des Zuflußintervalls von Z2 bis Z1 eine praktisch
horizontale Fehlerkurve erreichbar. Von Z2 ausgehend kann man durch Wiederholen
derselben Methode in einem Intervall von /:s (Z3 <Z2) bis Z2 wieder die Fehlerkurve
linearisieren usf., bis innerhalb des ganzen Zuflußbereiches von o bis zur vorgegebenen
Meßbereichsgrenze Z1 die Fehlerkurve praktisch eine horizontale Gerade ist.
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Zur Erzeugung desjenigen Effektes, der die Gefäßstellung von der
Zuflußgeschwindigkeit abhängig macht, kann eine im Sinne der Fig. 7 wirkende Kompensationskammer
dienen, jedoch ist dies keine notwendige Voraussetzung, da man auch ohne eine zweite
Kammer auskommen kann, z. B. wenn man den einfallenden Flüssigkeitsstrahl auf eine
Seitenwand (etwa im Punkt E, Fig. 9) so aufprallen läßt, daß ein in Kipprichtung
wirkendes Drehmoment eintritt, welches mit wachsendem Zufluß wächst. Dabei ist es
mehr oder weniger gleichgültig, welches Gesetz für diese Abhängigkeit besteht. Zu
bemerken ist noch folgendes: Da dieser Effekt schon eine zum mindesten teilweise
Kompensation des Kippfehlers auslöst, noch ehe die Meßkammer für den Zweck der Kippfehlerkompensation
abgeändert worden ist, ist es zweckmäßig, es so einzurichten, daß nicht schon hierdurch
eine Überkompensation eintritt. Dadurch wird nämlich erreicht, daß man das Meßgefäß
bei der späteren Abänderung nach der Öffnung hin nicht zu verengen braucht, was
weniger angenehm wäre als das Umgekehrte.
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Als Beispiel für diese Kompensationsmethode diene das in Fig. Io
dargestellte Gefäß. Die Funktion desselben kann aus dem Obengesagten ohne weiteres
gefolgert werden. Man ist hier vor allem in der Lage, das Kippvolumen für den vorgegebenen
zweiten Zufluß so groß zu machen, daß die Summe aus Kippfehler und Kippvolumen für
beide Zuflüsse gleich groß ist, und mithin für die beiden Zuflußgeschwindigkeiten
einer gleichen Anzeige auch gleiche, tatsächlich durchgeflossene Mengen entsprechen.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Zweikammer-Kippzähler
zeigt die Fig. II. Hier erfolgt der Fehlerausgleich durch eine vom Durchfluß abhängige
Gewichtsverschiebung. Zu diesem Zweck ist eine allseitig geschlossene Ausgleichskammer
I vorgesehen, die mit dem Kippgefäß 2 fest verbunden wird. In der Ausgleichskammer
befindet sich eine abgewogene Menge einer geeigneten Flüssigkeit, z. B. Paraffinöl:
In die Hilfskammer ist ferner eine in der Nähe des Bodens durchbohrte U1)erlaufwan(1
3 eingebaut. Die Wirkungsweise dieser Einrichtung ist folgende: Im gekippten Zustand
der Meßkammer befindet sich die ganze Flüssigkeitsmenge der Hilfskammer in dem gerade
am tiefsten liegenden Ende derselben.
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Wenn nun das Kippgefäß und mit ihm die Ausgleichskammer kippt, so
fließt die Flüssigkeit in der Ausgleich skammer an das andere Ende derselben. I)al)ei
wird aber die Hälfte der l'liissigkeit an der in der Mitte angeor<lneten Überlaufwand
zurückgehalten. Durch <as in der Nähe des Bo(1ells vorgese11ene Loch in der Scheidewand
fließt dann larlgsam auch diese Menge ab, je nachdem der mehr oder weniger große
Zufluß in die zu füllende Meßkammer ihr Zeit dazu läßt. Diese Zeit wird durch die
1'ächste Kippung begrenzt. Bei großem Zufluß wird daher an der Scheidewand noch
fast das ganze zurückgehaltene Öl vorhanden sein, wenn die nächste Kippung eintritt
hillgegell wird bei kleinem Zufluß alles in den tiefliegenden Teil der Ausgleichskammer
geflossen sein. In diesem Fall ist also das der Kippung durch die gerade zu fiillende
Meßkammer entgegenwirken(le Gewicht und damit das Gegendrehmoment größer :ils hei
groBem Durel' fiu ß.
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Die Folge davon ist, daß sich <uch die Meßkammer bis zum Eintritt
der Kippung mit mehr Flüssigkeit füllen muß. Genau das Umgekehrte tritt bei großem
Zufluß ein. Hier wird das durch die Ausgleichskammer ausgeübte Gegendrehmoment kleiner
und in folged essen das Kippvolumen kleiner.
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Eine weitere Möglichkeit des Fehlerausgkiclis ergibt eine Anordnung
gemäß Fig. 12 bis 14. Hier wird, wie aus den Fig. I2 und I3 in einer Seitenansicht
und einer Draufsicht zu ersehen, am Kippgefäß I über jeder Meßkammer eine flache
Ausgleichswanne 2 angebracht. Sie ist, wie die Fig. 14 erkennen läßt, als ein Überlaufgefäß
ausgebildet, welches sich nach außen zu verbreitert. Die zu messende Flüssigkeit
fließt zunächst in diese Wannen und dann über den Überlauf in die Meßkammer. Je
nach dem Durchfluß staut sich nun die Flüssigkeit in der Wanne mehr oder minder
hoch auf. Da die Wannen schwach geneigt sind, und zwar so, daß die der Achse näher
gelegenen Enden tiefer liegen, reicht das Wasser hei größerem Durchfluß immer weiter
nach außen und erzeugt so durch sein Gewicht ein die Kippung förderndes Drehmoment,
das mit dem Durchfluß wächst.
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In die Meßkammer selbst gelangt mit wachsendem Zufluß weniger Wasser.
nas Gesamtvolumen sinkt also auch hier mit steigendem Zufluß bzr. wächst mit abnehmendem
Zufluß.
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Zur Beruhigung der Wasseroberfläche wird man zweckmäßigerweise in
jede Kammer ein Beruhigungsröhr einbauen.