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Flüssigkeitswaage
Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkeitswaage mit einem Messbehälter an dem einen und Gegengewichten an dem andern Ende eines Waagebalkens und einem von oben in die Flüssigkeit im Messbehälter eintauchenden festgelagerten Rohr für die Entnahme oder Zufuhr von Flüssigkeit aus bzw. zu dem Messbehälter. Bei derartigen Flüssigkeitswaagen, die beispielsweise für die Brennstoffverbrauchsmessung von Brennkraftmaschinen verwendet werden, ist nachteilig, dass durch das vom Rohr verdrängte Flüssigkeitsvolumen ein vom spez. Gewicht der Flüssigkeit abhängiger Störeinfluss auf die Wägung besteht. Dieser Einfluss, der sich in einer Mehrbelastung des das Messgefäss tragenden Armes auswirkt, ist je nach dem Niveau der Flüssigkeit im Messbehälter verschieden gross. Für ein bestimmtes spez.
Gewicht der Flüssigkeit kann wohl die Grösse dieses Einflusses erfasst und unter gewissen Bedingungen auch eine Proportionalität zwischen dem Gewicht der dem Behälter entnommenen oder zugeführten Flüssigkeitsmenge und der Differenz der zur Erhaltung des Gleichgewichtszustandes der Waage vor und nach der Flüssigkeitsentnahme bzw. -zufuhr erforderlichen Gegengewichte hergestellt werden. Bei ein und derselben Waage ändert sich aber der Proportionalitätsfaktor entsprechend dem spez. Gewicht der Flüssigkeit. Der Proportionalitätsfaktor müsste also für jeden Einzelfall ermittelt und berücksichtigt werden, was jedoch sehr mühevoll und zeitraubend ist. Der Einfluss des in die Flüssigkeit eintauchenden Rohres auf die Wägung bleibt daher vielfach unberücksichtigt, so dass das Ergebnis mit gewissen Ungenauigkeiten behaftet ist.
Die Beseitigung des genannten Mangels bekannter Flüssigkeitswaagen ist das Ziel der Erfindung. Man erreicht dies erfindungsgemäss durch einen von oben in die Flüssigkeit im Messbehälter hineinragenden Tauchkörper mit konstantem Querschnitt, der an dem den Messbehälter tragenden Arm des Waagebalkens angelenkt ist, wobei der Querschnitt des Tauchkörpers und die Lage des Angriffspunktes am Waagebalken derart gewählt sind, dass der vom spez. Gewicht der Flüssigkeit abhängige Störeinfluss des eingetauchten Rohres auf die Wägung kompensiert ist. Eine derart ausgebildete Waage ist ohne jede Umstellung für alle Arten Flüssigkeiten geeignet und die Wägung stimmt bei jedem Niveau der Flüssigkeit im Messbehälter mit dem tatsächlich darin befindlichen Flüssigkeitsgewicht präzise überein.
Der Fachmann ist ohneweiters in der Lage, den Querschnitt des Tauchkörpers und die Lage seines Angriffspunktes am Waagebalken derart aufeinander abzustimmen, dass die Kompensation des genannten Störeinflusses in einer den gegebenen Verhältnissen optimal angepassten Weise erreicht wird. Es ist hiebei von besonderem Vorteil, dass bereits vorhandene Flüssigkeitswaagen ohne Schwierigkeiten gemäss der Erfindung ausgerüstet und die genannten Störeinflüsse noch nachträglich kompensiert werden können.
Bezüglich der Ausbildung des Tauchkörpers und der Art und Weise, wie dieser am Arm des Waagebalkens angelenkt ist, besteht eine weitgehende Freizügigkeit. Die einfachste Ausführung sieht die unmittelbare Aufhängung des Tauchkörpers an dem über den Aufhängepunkt des Messgerätes hinaus verlängerten Arm des Waagebalkens vor. Wie nachstehend noch näher erläutert, ergeben sich mit zunehmender Entfernung der Aufhängepunkte des Tauchkörpers und des Messgefässes abnehmende Querschnitte für den Tauchkörper. Der praktisch nutzbare Bereich, in dem sich die Auflagestelle des Tauchkörpers auf dem verlängerten Arm des Waagebalkens befinden muss, um günstige Querschnittsabmessungen des Tauchkörpers zu erreichen, erstreckt sich etwa von 6/5 bis zum doppelten Wert der normalen Länge des das Messgefäss tragenden Armes des Waagebalkens.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Tauchkörper zumindest ebenso tief in die Flüssigkeit eintaucht wie das Rohr. Damit erstreckt sich die Kompensation des genannten Störeinflusses über den für die Wägung nutzbaren Bereich zwischen dem maximalen Flüssigkeitsniveau und dem durch den unteren Rand des Rohres definierten minimalen Niveau der Flüssigkeit im Messbehälter.
Gemäss der Erfindung ist auch eine Ausführung möglich, bei der der Tauchkörper an dem einen Ende eines an dem den Messbehälter tragenden Arm des Waagebalkens aufgelagerten zweiarmigen Hebels aufgehängt ist, der sich mit seinem andern Ende gegen ein festes Widerlager stützt, wobei die Querschnitte qr des Rohres und qt des Tauchkörpers mit den Längenabmessungen c des Gewichtsarmes und d des Stützarmes des zweiarmigen Hebels, der Länge a des das Messgefäss tragenden Armes des Waagebalkens und dem Abstand e des Angriffspunktes des zweiarmigen Hebels am Waagebalken vom Drehpunkt des letzteren in dem folgenden Verhältnis stehen :
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Diese Ausführung lässt eine grosse Anzahl Freiheitsgrade für die Dimensionierung und Anordnung des Tauchkörpers offen.
Sie wird daher in jenen Fällen mit Vorteil anzuwenden sein, wo beengte Platzverhältnisse eine Verlängerung des das Messgefäss tragenden Waagebalkenarmes nicht gestatten.
Bei Aufhängung des Tauchkörpers an einem zweiarmigen Hebel besteht erfindungsgemäss auch die Möglichkeit, den Tauchkörper mit dem gleichen Querschnitt wie das Rohr auszubilden, wobei für die Längenverhältnisse des zweiarmigen Hebels und des das Messgefäss tragenden Waagebalkenarmes die Beziehung besteht :
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Der Tauchkörper kann also beispielsweise aus einem Rohr gleicher Querschnittsabmessungen wie das Entnahme- bzw. Zulaufrohr ausgeführt werden.
Die Erfindung wird im folgenden an zwei bevorzugten Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Fig. l und 2 sind schematische Darstellungen dieser beiden Ausführungen der Flüssigkeitswaage.
Die Flüssigkeitswaage nach Fig. 1 weist einen Waagebalken 1 auf, der auf einem ortsfesten Schneidenlager 2 gelagert ist. Der eine Arm 3 des Waagebalkens 1 trägt an der Stelle B, gleichfalls auf Schneiden gelagert, einen Messbehälter 5, in dem sich die zu wägende Flüssigkeit 6 befindet. Die Entnahme bzw. die Zufuhr von Flüssigkeit aus bzw. zu dem Messbehälter 5 erfolgt durch ein vertikales fest gelagertes Rohr 7, dessen unteres Ende in die Flüssigkeit 6 im Messbehälter 5 eintaucht.
Am äussersten Ende des Armes 3 des Waagebalkens 1 ist mittels einer Schneide ein Tauchkörper 8 aufgehängt, welcher gleichfalls in die Flüssigkeit 6 im Messbehälter 5 eintaucht. Die Lagestelle B des Messbehälters 5 befindet sich im Abstand a und die Lagerstelle des Tauchkörpers 8 im Abstand e vom ortsfesten Schneidenlager 2 des Waagebalkens 1.
Die zum Einspielen der Waage erforderlichen Gegengewichte sind am Ende des andern Armes 4 des Waagebalkens 1 im Abstand b vom ortsfesten Schneidenlager 2 mittels einer Schneide aufgehängt. Mit Gi ist das Taragewicht bezeichnet, welches das Gewicht Ga des leeren Messbehälters ausgleicht. Mit G ist das zum Ausgleich des Gewichtes Gf der im Messbehälter 5 befindlichen Flüssigkeit 6 benötigte Gegengewicht bezeichnet.
Lässt man zunächst den erfindungsgemäss vorgesehenen Tauchkörper 8 ausser Betracht, so dass die dargestellte Waage einer normalen Flüssigkeitswaage entspricht, so zeigt sich, dass zu dem Flüssigkeitsgewicht Gf im Messbehälter 5 noch das Gewicht der vom eingetauchten Ende des Rohres 7 verdrängten Flüssigkeit hinzukommt. Damit ergibt sich an der Stelle B des Waagebalkenarmes 3 eine Mehrbelastung von der Grösse yVp wobei y das spez. Gewicht der Flüssigkeit 6 und Vr das vom Rohr 7 verdrängte Flüssigkeitsvolumen bezeichnen. Das zum Ausgleich des tAtsächlichen Flüssig- keitsgewichtes Gf, vermehrt um den Betrag y V r erforderliche Gegengewicht G ist daher entsprechend grösser.
Da beim Gebrauch der Waage aus dem Gegengewicht auf das tatsächliche Flüssigkeitsge- wicht im Messbehälter 5 geschlossen wird, entsteht durch das in die Flüssigkeit eintauchende Rohr 7 ein Messfehler, von der Grösse y Vr, der also vom spez. Gewicht der Flüssigkeit und überdies von der
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Eintauchtiefe des Rohres 7 abhängt.
Es besteht zwar die Möglichkeit, diesen Störeinfluss zu berechnen und durch entsprechende Korrekturen des Wägeergebnisses zu berücksichtigen. Diese Korrekturwerte sind allerdings für verschiedene spez. Gewichte der zu wägenden Flüssigkeiten auch verschieden gross. Die Berücksichtigung des Störeinflusses des Rohres 7 ist somit ausserordentlich umständlich und zeitraubend.
Mittels des erfindungsgemäss vorgesehenen Tauchkörpers 8 ist eine Eliminierung des vom spez.
Gewicht der Flüssigkeit abhängigen Störeinflusses des eingetauchten Rohres 7 möglich, so dass mit einer solchen Waage Gewichtsbestimmungen und Verbrauchsmessungen von Flüssigkeiten aller Art durchgeführt werden können, ohne dass es irgendwelcher Korrekturen der Wägung oder einer Umstellung der Waage bedarf.
Die Kompensation des Störeinflusses des Rohres 7 durch den Tauchkörper 8 bedarf, wie nachfolgend erläutert, einer sorgfältigen Abstimmung des Querschnittes des Tauchkörpers 8 mit der Lage seines Angriffspunktes A am Waagebalkenarm 3. Bezeichnet Vt das vom Tauchkörper 8 verdrängte Flüssigkeitsvolumen und Gt das Gesamtgewicht des Tauchkörpers, so ergibt sich, bezogen auf die Stelle B des Waagebalkenarmes 3 folgende Gesamtbelastung :
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Um die vom spez. Gewicht y abhängigen Glieder zu eliminieren, um eine vom spez. Gewicht unabhängige Gesamtbelastung des Waagebalkenarmes 3 zu erzielen, muss also folgende Beziehung erfüllt sein :
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Diese Beziehung muss für jedes Niveau der Flüssigkeit im Messbehälter 5 erfüllt sein, wenn die Unabhängigkeit der Wägung vom spez. Gewicht für jeden Füllzustand des Behälters 5 gelten soll.
In den Ausdrücken Vr und Vt ist nämlich die Eintauchtiefe des Rohres 7 und des Tauchkörpers 8 als variable Grösse enthalten, so dass für die Berechnung der Querschnitts-Hebelarmvemältnisse die obige Beziehung zumindest für zwei verschiedene Spiegelhöhen der Flüssigkeit im Messbehälter erfüllt sein muss.
Als Resultat dieser Untersuchung ergibt sich die Beziehung :
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worin qr den Querschnitt des Rohres 7 und qt den Querschnitt des Tauchkörpers 8 bedeuten.
Nach dieser Regel ist es möglich, den jeweiligen Verhältnissen entsprechend, die zweckmässigste Abstimmung der Querschnitte des Rohres 7 und des Tauchkörpers 8 mit der Lage der Angriffspunkte B und A des Messgefässes 5 und des Tauchkörpers 8 am Waagebalkenarm 3 vorzunehmen.
Es zeigt sich hiebei, dass sich der in der Praxis nutzbare Bereich, in dem der Angriffspunkt A des Tauchkörpers 8 anzuordnen ist, etwa von e = 6/5a bis e = 2a erstreckt. Bei weiterer Annäherung des Angriffspunktes A an die Stelle B nimmt der erforderliche Querschnitt des Tauchkörpers 8 im Verhältnis zum Rohrquerschnitt sehr rasch zu und wird beim Zusammenfallen der Angriffspunkte A und B theoretisch unendlich gross.
Um bei bereits vorhandenen Flüssigkeitswaagen die Kompensation des vom spez. Flüssigkeitsgewicht abhängigen Störeinflusses gemäss der Erfindung durchzuführen, bedarf es also lediglich einer Verlängerung des Waagebalkenarmes 3 und Aufhängung eines Tauchkörpers 8 am freien Ende dieses verlängerten Waagebalkens unter Berücksichtigung der durch obige Formel gegebenen Querschnitts- und Längenbeziehungen.
Bei der Ausführung der Waage gemäss Fig. 2 ist der Tauchkörper 8 an dem einen Ende eines an dem den Messbehälter 5 tragenden Arm 3 des Waagebalkens 1 an einer Schneide 11 aufgelagerten zweiarmigen Hebels 10 aufgehängt. Das andere Ende des Hebels 10 stützt sich mittels einer schneidengelagerten Stelze 9 gegen ein festes Widerlager. Der den Tauchkörper 8 tragende Arm des Hebels 10 besitzt die Länge c und der Stützarm die Länge d. Der Abstand der Schneide 11 des zweiarmigen Hebels 10 vom ortsfesten Schneidenlager 2 des Waagebalkens 1 ist mit e be-
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zeichnet. Die übrigen Abmessungen und Bezeichnungen der Waage stimmen mit der Ausführung gemäss Fig. l überein.
Eine Untersuchung der Gleichgewichtsbedingungen analog der ersteren Ausführungsform der Waage führt zu der Beziehung :
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nach der die günstigsten Querschnitts- und Längenverhältnisse für diese Ausführungsform der Flüssigkeitswaage ermittelt werden können. Durch diese Anordnung des zweiarmigen Hebels 10 ergibt sich nach dieser Bemessungsregel eine grosse Freizügigkeit für die Dimensionierung des Tauchkörpers 8. Es besteht somit auch die Möglichkeit, für den Tauchkörper 8 den gleichen Querschnitt wie für das Rohr 7 vorzugeben, so dass für diese beiden Teile dasselbe Rohrmaterial verwendet werden kann. Man erhält dann für die Verhältnisse der einzuhaltenden Längenabmessungen die folgende vereinfachte Beziehung :
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