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Drosselvorrichtung für Meßradzähler
Die Erfindung bezieht sich auf
Drosselvorrichtungen für Meßradzähler zur geschwindigkeitsmessenden Mengenermittlung
von Flüssigkeiten und Gasen, die in Rohrleitungen strömen, und zwar auf solche Drosselvorrichtungen,
die aus mehreren Öffnungen oder Teilen mit entgegengesetzt verschiedener Ausflußcharakteristik
zusammengesetzt sind.
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Es wurde diesseits bereits vorgeschlagen (schweizerische Patentschrift
236 413), diese beiden durch ihr Berandungsprofil auch äußerlich leicht unterscheidbaren
Öffnungsarten (düsenförmige einerseits, blendenförmige andererseits) im strömungstechnischen
Sinne parallel zu schalten, und zwar in einem solchen graphisch ermittelbaren anteiligen
Größenverhältnis, daß der resultierende Ausflußbeiwert a der Drosselvorrichtung
bei allen Reynoldsschen Zahlen bis herab zur unteren Meßbereichgrenze des Geräts
annähernd konstant ist. Dadurch wird die Messung von den störenden Einflüssen, die
sich normalerweise aus dem Zusammenwirken der dynamischen und der Zähigkeitskräfte
einerseits und der geometrischen Form der Drosselöffnung andererseits ergeben, soweit
befreit, daß selbst bei fortgeschrittener Verschmutzung der Meßstelle lediglich
eine kleine Parallelverschiebung der a-Linie eintritt.
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Aber für den eichpflichtigen Verkehr mit Meßradzählern, für den eine
bleibende Reproduzierbarkeit der Fehlercharakteristik gefordert wird, ist auch diese
kleine Verschiebung unstatthaft und bedarf der Beseitigung.
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Nun tritt bei Meßradzählern bekanntlich auch noch die Unannehmlichkeit
auf, daß sich die Proportionalität zwischen Durchfluß und Drehgeschwindigkeit der
Meßradwelle mit abnehmendem Durchfluß fortschreitend ändert. Der im Minusgebiet
liegende Fehler vergrößert sich mit sinkender Drehzahl immer rascher, wobei die
Fehlerkurve angenähert nach einer quadratischen Hyperbel abfällt.
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Bei Flüssigkeitszählern dieser Art liegt die Proportionalitätsgrenze
bei etwa 201o der Nennleistung, bei Gaszählern wird sie wegen der enggesteckten
Druckverlustgrenzen schon bei 25 bis 20 0/, der Nennleistung erreicht.
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Es kommt daher besonders bei der Gasmengenmessung mit Meßrädern (Woltman-Zähler,
Schraubenrad-Zähler usw.) darauf an, die Verbesserung der Fehlerkurve mit einfachsten
und betriebssicheren Mitteln zu erreichen, die weder fremder Energiequellen bedürfen
noch schmutzempfindlich sind oder eine genaue Lageeinstellung mit der Wasserwaage
verlangen.
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Die älteren bekannten Maßnahmen und Einrichtungen zur Verbesserung
der Meßfehlerkurve scheitern an dieser Forderung. Wird jedoch wie bei dem früheren
diesseitigen Vorschlag dem Meßrad ein Drosselquerschnitt vorgeschaltet, welcher
aus strömungstechnisch parallel geschalteten Teilen -oder Teilöffnungen mit Düseneigenschaften
und solchen mit Blendeneigenschaften zusammengesetzt ist, so ergibt sich die Möglichkeit,
diese Forderungen in vollkommenster Weise zu erfüllen und darüber hinaus zugleich
auch noch die eingangs erwähnte Verschiebung der in sich über den gesamten Meßbereich
konstant verlaufenden a-Liniebei Verschmutzung zuverhindern.
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Dies geschieht gemäß der Erfindung in einfacher Weise dadurch, daß
der dem Meßrad vorgeschaltete Drosselquerschnitt (sei er nun eine Ringöffnung oder
ein Kranz von Einzelöffnungen) zum einen Teil von einander gegenüberstehenden Profilen
mit entgegengesetzt verschiedenem Einfluß auf den Ausflußbeiwert begrenzt wird,
während der Rest aus in sich einheitlich berandeten Teilen besteht, die aber entgegengesetzt
verschiedene Ausflußcharakteristiken haben.
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Der Erfindung liegt das Ergebnis eingehender Versuche zugrunde, demzufolge
Drosselvorrichtungen, die aus strömungstechnisch parallel geschalteten Teilen oder
Teilöffnungen mit entgegengesetzt verschiedener Ausflußcharakteristik zusammengesetzt
sind, wenn man sie (beispielsweise in einem Flügelrad-, Schraubenrad- oder Woltman-Zähler)
einem Meßrad vorschaltet, unter gewissen Voraussetzungen noch in einer zweiten überraschenden
Weise im Sinne einer Verbesserung der Meßgenauigkeit dieser Zähler wirken.
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Diese Wirkungsweise und ihre Voraussetzungen seien an Hand der Zeichnung
näher erläutert. In allen Figuren sind gleiche oder entsprechende Teile mit gleichen
Bezugszeichen versehen.
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Fig. I zeigt in schematischer Darstellung eine Meßöffnung mit einheitlicher,
hier düsenförmiger Berandung. An ihrer Stelle kann natürlich ebensogut eine einheitlich
blendenförmige Meßöffnung betrachtet werden; Fig. 2 zeigt in gleicher Darstellungsweise
ein Ausführungsbeispiel der durch den älteren diesseitigen Vorschlag bekanntenDüsen-Blenden-Kombination
mit strömungstechnisch parallel geschalteten Teilen, bei welchem die Berandung einer
und derselben Öffnung teilweise Düsenprofil, teilweise Blendenprofil hat und die
beiden Proffiarten einander gegenüberstehen.
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Der Einfachheit halber sei zunächst angenommen, daß beide Figuren
Öffnungen mit kreisrundem Querschnitt darstellen. Natürlich können sie sich (als
Teilschnitte betrachtet) auch auf ringförmige Öffnungen entsprechender Ausführung
beziehen. In beiden Fällen sind die Verhältnisse vollkommen analog.
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Fließt ein Medium durch eine Drosselöffnung mit einheitlichem Berandungsprofil
(Fig. I), dann heben die in Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung wirkenden,
durch Pfeile, dargestellten Kräfte P, einander auf. Ihre Resultierende ist wegen
der Symmetrie der Verhältnisse gleich Null, und die Strömung tritt in Richtung der
Achse I-I aus der Öffnung aus.
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Dieses Kräftegleichgewicht tritt jedoch bei kombinierten Meßdrosseln
nach dem älteren diesseitigen Vorschlag dann nicht ein, wenn die Berandung einer
und derselben Öffnung aus zwei einander gegenüberliegenden geometrisch verschiedenen
Profilen zusammengesetzt ist wie im Falle der Fig. 2, wo ihr Teil 1 Düsenprofil,
der gegenüberliegende Teil 2 dagegen Blendenprofil hat.
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In diesem Fall sind die in Querrichtung wirkenden Massenkräfte P,,2
am Blendenteil 2 größer als die entsprechenden Kräfte P,,1 am Düsenteil I, schon
weil dort der Krümmungsradius Q2 der Stromlinie s2 kleiner ist als der Krummungsradius
der Stromlinie, an der Düse 1. Infolgedessen entsteht eine resultierende Querkraft
in Richtungy,, und die Strömung tritt nun nicht mehr in Richtung der Achse I-I,
sondern um einen Winkely abgelenkt in Richtung II-II aus der Öffnung aus.
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Nun nimmt bekanntlich in dem unterhalb der sogenannten Toleranzgrenze
liegenden Bereich der Reynoldsschen Zahl der Ausflußbeiwert Dabei Blenden mit fallender
Reynoldsscher Zahl zu, bei Düsen dagegen ab. Und da nun der Ausflußquerschnitt der
Drosselöffnung nach Fig. 2 auf der einen Seite durch ein Blendenprofil, auf der
anderen Seite durch ein Düsenprofil berandet ist, so ist leicht einzusehen, daß
mit fallender Reynoldsscher Zahl durch den blendenseitig beherrschten Teil des Gesamtquerschnitts
ein immer größer werdender, durch den düsenseitig beherrschten dagegen ein immer
kleiner werdender Anteil der Gesamtströmung fließt.
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Und da ferner die Beschleunigungen der auf den einzelnen Stromlinien
sich bewegenden Masseteilchen in der Richtung Y2 quer zur Strömung in dem blendenseitig
beherrschten Teil der Strömung an sich schon größer sind als die entsprechenden
Beschleunigungen in Richtung y1 im düsenseitig beherrschten Teil, so muß mit sinkender
Reynoldsscher Zahl die Querkraft P?,2 größer, die Querkraft P,, dagegen kleiner
werden.
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Mit anderen Worten: Der Abweichungswinkel y gegenüber der Achse I-I
wird mit sinkender Reynoldsscher Zahl größer und umgekehrt. Die Eindeutigkeit und
Reproduzierbarkeit dieser Abhängigkeit konnte expe rimentell nachgewiesen werden.
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Die Voraussetzungen für die geschilderte Strahlablenkung sind also
gerade in dem unterhalb der Toleranzgrenze liegenden Bereich der Reynoldsschen Zahl,
in welchem sich wegen der Enge der vorgeschriebenen Druckverbrauchsgrenzen die Gasmengenzählung
mit Meßrädern in erheblichem Umfange bewegt, gegeben.
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In welcher Weise sich diese Strahlablenkung gangbeschleunigend auf
ein nachgeschaltetes Meßrad auswirkt, sei an Hand der Fig. 3 gezeigt.
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Die Welle 3 des Meßrads 4 ist bei 5 gelagert. Die Schaufeln 6 liegen
im Abstand hinter den Ausflußquerschnitten eines Kranzes von Drosselöffnungen, deren
jede aus zwei einander gegenüberliegenden, im strömungstechnischen Sinne parallel
geschalteten Teilen mit entgegengesetzt verschiedener Ausflußcharakteristik zusammengesetzt
ist. Dabei ist die Anordnung so getroffen, daß bei jeder der Öffnungen der Teil
2 mit Blendenberandung den größeren Abstand von der Meßradwelle, der Teil I mit
Düsenberandung den kleineren Abstand hat.
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Bei einer gewöhnlichen Meßöffnung mit einheitlichem Düsen- oder Blendenprofil
würde der Strahl des Meßmittel bei allen Reynoldsschen Zahlen, ob klein oder groß,
immer in Richtung der Achse I-I austreten, und die in der Ebene dieser Achse fließenden
Stromfäden würden die Eintrittskanten der Schaufeln 6 im Punkt A1 treffen.
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Bei den zusammengesetzten Meßöffnungen nach Fig. 3 dagegen ist dies
nur bei ausreichend großen Reynoldsschen Zahlen der Fall. Denn hier wird im unteren
Teil des Meßbereichs mit sinkender Reynoldsscher Zahl in steigendem Maße die Strahlablenkung
wirksam. Dabei ergeben sich beispielsweise Austrittsrichtungen II-II entsprechend
dem Ablenkungswinkel 72 und II<z-IIa entsprechend dem Ablenkungswinkel y,,, und
die in den diesbezüglichen Richtungen fließenden Strömungsfäden treffen die Eintrittskanten
der Schaufeln 6 in den Punkten A2 und A2,. Daraus ergibt sich für das Meßrad 4 eine
Geschwindigkeitszunahme entsprechend
Hierin bedeuten rl, r2, F2 a die Abstände der Punkte A1, Ao und A2 a von der Meßradwelle.
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In diesem Verhältnis wird also gegenüber einem gewöhnlichen Zähler,
bei welchem die Strömung immer in Richtung I-I aus den Drosselöffnungen austritt,
die Zählwerksanzeige vergrößert, d. h. der Minusfehler verringert. Diese Verhältnisse
bleiben, wie gesagt, die gleichen, wenn man dem Meßrad an Stelle eines Kranzes von
Einzelöffnungen mit einander gegenüberstehenden düsenförmigen und blendenförmigen
Berandungsteilen eine durchgehende oder gegebenenfalls unterteilte Ringdrossel vorschaltet,
deren eine Berandung Düsenprofil, deren andere Blendenprofil hat.
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Betrachtet man die Fig. 3 als Darstellung dieser Ausführungsform,
so ist leicht einzusehen, daß nun der äußere Teil der Berandung das Blendenprofil,
der innere das Düsenprofil haben muß. Würde man nun den Gesamtquerschnitt der Meßdrossel
(sei diese nun ringförmig oder sei sie aus einem Kranz von Einzelöffnungen zusammengesetzt)
durch zwei sich gegenüberliegende Profile mit entgegengesetzt verschiedenem Einfluß
auf die Ausflußcharakteristik begrenzen, so würde nun auch die gesamte Durchflußmenge
in der geschilderten Weise abgelenkt werden und einen Beschleunigungsimpuls auf
das Meßrad ausüben. Und dieser Gesamtimpuls würde eine viel zu starke Erhöhung der
Laufgeschwindigkeit des Meßrades 4 und damit eine Überiompensation des Meßfehlers
in den Plusfehlerbereich hinein hervorrufen.
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Um dies zu vermeiden, wird gemäß der Erfindung nur ein Teil des gesamten
Durchflußquerschnitts der Drosselvorrichtung zur Erzeugung der Ablenkung herangezogen,
so daß auch nur ein Teil der gesamten Durchflußmenge im beschleunigenden Sinne auf
das Meßrad einwirken kann. Die Größe dieses Teiles ist durch Versuch so zu bestimmen,
daß die Fehlerkurve des Zählers innerhalb der Toleranzgrenzen liegt (Anhebung der
Fehlerkurve im unteren Teil des Meßbereichs).
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Um nun ferner auch die Verschiebung der so gestreckten Fehlerkurve
bei fortschreitender Verschmutzung zu verhindern, wird der Rest des Gesamtdrosselquerschnitts
in einheitliche Düsenöffnungen und einheitliche Blendenöffnungen aufgeteilt, und
zwar in einem solchen anteiligen Verhältnis, daß die gegenläufigen Veränderungen
der a-Werte beider Öffnungsarten einander bei Verschmutzung praktisch kompensieren.
Auch dieses Verhältnis ist experimentell zu ermitteln. Es weicht von dem bei Nichtberücksichtigung
der allmählichen Verschmutzung gewählten um ein Geringes ab.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 4 in schematischer
Ansicht dargestellt. Die Drosselstelle bildet hier einen Ringspalt 7, von welchem
nur der den Sektor aP1 bildende Teil von zwei strömungstechnisch parallel geschalteten
Profilen mit entgegengesetzt verschiedenem Einfluß auf die a-Charakteristik begrenzt
wird. Der Rest 360-y, des Ringspalts 7 besteht seinerseits aus zwei Teilen, den
Sektoren 92 und 03, deren jeder ein einheitliches Profil hat, der eine ein solches
mit Düsencharakter, der andere ein solches mit Blendencharakter. Aus dem Sektor
7P1 des Ringspalts 7 tritt der Strahl des Mediums abgelenkt, aus den Sektoren apO
und 93 dagegen unabgelenkt aus.
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Es kann im praktischen Betrieb vorkommen, daß eine Nachregulierung
gegenüber dem versuchsmäßig bestimmten Verhältnis erforderlich wird. Um dies zu
ermöglichen, sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel radial verstellbare
Zungen angeordnet, und zwar eine Zunge 8 im Bereich des Sektors 1 und eine zweite
Zunge g für den Rest 360 ?,U1 des Ringspalts 7. Die Zunge 8 dient dazu, die Meßradbeschleunigung
zu regulieren, die Zunge 9 dagegen hat die Aufgabe, bei einer Verstellung der Zunge
8 die ursprüngliche Größe des Gesamtquerschnitts wiederherzustellen. Auf diese Weise
kann das Verhältnis der abgelenkten zur unabgelenkten Strömung im Bedarfsfalle justiert
werden.
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Die Einstellung der Zungen geschieht von Hand, etwa durch Verdrehen
von Schraubspindeln I0, die in Muttern II gelagert und an ihrem freien Ende mit
einem Drehknopf od. dgl. 12 versehen sind. Die Sektoren y,, 102 102 können durch
dünne Trennflächen I3 gegeneinander abgegrenzt werden.
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Die Erfindung ist nicht an das hier dargestellte und beschriebene
Ausführungsbeispiel gebunden. So kann z. B. statt einer einzigen Zunge g für den
Rest
360-10, des Ringspalts auch für jeden der beiden Teilsektoren
102 und 3 eine besondere Regulierzunge vorgesehen werden, oder an Stelle des einen,
größeren Sektors 7P1 deren mehrere, kleinere, die vorzugsweise symmetrisch über
den Gesamtquerschnitt verteilt sind. Es ist ferner auch nicht unbedingt erforderlich,
daß alle Sektoren des Ringspalts oder der Einzelöffnungen des Kranzes den gleichen
Abstand von der Meßradwelle haben. Die Abstände können auch verschieden groß gewählt
werden.
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Bei ringförmigem Drosselquerschnitt muß aber nach dem oben Gesagten
im Bereich des Sektors 101 der blendenförmige Berandungsteil des Ringspalts den
größeren Abstand zur Meßradwelle, der düsenförmige den kleineren haben. Dagegen
kann man bei Drosselvorrichtungen, die aus einem Kranz von Einzelöffnungen bestehen,
auch durch axiales Verdrehen der für die Minusfehlerlrompensation benutzten Öffnungen
mit uneinheitlichem Randprofil die Richtung der Strahlablenkung ändern.
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So entsteht beispielsweise bei einer Verdrehung gegenüber der in
Fig. 3 eingenommenen Stellung um go" entgegengesetzt zum Drehsinne des Meßrades
eine Ausführung, bei welcher die Schwerpunkte der beiden Teilprofile zu beiden Seiten
einer durch die Meßradwelle gelegten Ebene liegen, wobei, im Drehsinne des Meßrades
gesehen, stets das Düsenprofil dem Blendenprofil folgt.
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Infolgedessen ist nun hier auch die Richtung der Strahlablenkung
um go" entgegen dem Drehsinn des Meßrades verdreht, und der Meßmittelstrahl wird
nun nicht mehr zur Meßradwelle hin, sondern zur Drehrichtung des Meßrades hin abgelenkt
und trifft daher die Eintrittskanten der Schaufeln 6 immer im gleichen Abstand,
entsprechend dem Radius r1 in Fig. 3, zur Meßradwelle.
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Eine solche Ausführung der Erfindung ist in Fig. 5 schematisch dargestellt.
Die Drosselöffnung ist durch entsprechendes Verdrehen so eingestellt, daß die Schwerpunkte
der beiden sich gegenüberstehenden geometrisch verschiedenen Profile zu beiden Seiten
einer durch die Meßradwelle gelegten Ebene liegen und die Meßradschaufeln beim Vorwärtsgang
des Meßrades stets zuerst den blendenseitig beherrschten und dann den düsenseitig
beherrschten Teil der Öffnung passieren. Das Gitter 14 stellt die Abrollung der
sich gerade im Bereich der Drosselöffnung bewegenden Schaufelzone des Meßrades dar.
Die Bewegungsrichtung ist durch den Pfeil 15 gekennzeichnet, und es ist angenommen,
daß die Beaufschlagung der Schaufeln durch den Meßmittelstrahl in Nähe des Umfanges
des Meßrades erfolgt.
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Die in die Figur eingezeichneten Geschwindigkeitsdiagramme zeigen,
daß ein Strahl, welcher in Richtung I-I mit der Geschwindigkeit c aus der Öffnung
austritt, dem Gitter 14 und damit dem Meßrad eine Umfangsgeschwindigkeit u, erteilt,
daß ihm dagegen ein in Richtung II-II, mit der gleichen Geschwindigkeit c austretender
Strahl eine größere Umfangsgeschwindigkeit ?g2 erteilen würde. Die Umdrehungsgeschwindigkeit
des Meßrades würde also durch die Strahlablenkung im Verhältnis u2 : , erhöht werden.
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Man kann natürlich auch jede zwischen den beiden um 900 verschiedenen
Grenzfällen liegende Stellung der Drosselöffnung für die Minusfehlerkompensation
wählen. In jedem Fall ist die Anzahl der Öffnungen, welche dem Meßrad in dieser
Weise vorgeschaltet werden müssen, durch Versuch leicht bestimmbar.
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Form und Anordnung der Regulierzungen können den jeweiligen Bedürfnissen
leicht angepaßt werden.
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PATENTANSPRSCHE: I. Drosselvorrichtung für Meßradzähler zur geschwindigkeitsmessenden
Mengenermittlung in Rohrleitungen strömender Flüssigkeiten und Gase, bestehend aus
wenigstens zwei Teilöffnungen oder Öfinungsteilen mit entgegengesetzt verschiedener
Ausfluß charakteristik, die im strömungstechnischen Sinne parallel geschaltet sind
und in einem bestimmten Verhältnis stehen, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Meßrad
vorgeschaltete Drosselquerschnitt (sei er eine Ringöffnung oder ein Kranz von Einzelöffnungen)
zu einem Teil von einander gegenüberstehenden Profilen mit entgegengesetzt verschiedenem
Einfluß auf den Ausflußbeiwert begrenzt wird, während der Rest aus in sich einheitlich
berandeten Teilen besteht, die aber entgegengesetzt verschiedene Ausflußcharakteristik
haben.