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Selbsttätiges registrierendes Instrument zum Messen von Wassertiefen,
Wassergeschwindigkeiten und Durchflußmengen. Um die Wasserdurchflußmenge eines gewissen
Fluß- oder Bachprofils feststellen zu können, wird vorerst das Wasserprofil aufgenommen
und dann in gewissen Vertikalen desselben bei verschiedenen Wassertiefen mittels
Instruments die Wassergeschwindigkeiten gemessen. Da die Wassergeschwindigkeit nicht
nur in den einzelnen Vertikalen, sondern auch in den verschiedenen Tiefen verschieden
ist und der Wasserstand sich ändert, muß darauf geachtet werden, daß die Geschwindigkeitsmessungen
in möglichst vielen Punkten des Profils vorgenommen werden, daß die ganze Geschwindigkeitsmessung
eine möglichst kurze Zeit in Anspruch nimmt und daß das Instrument kontrollierbar
ist.
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Die bisherigen Wassermeßinstrumente haben den Nachteil, daß sie die
Geschwindigkeiten nur in gewissen voraus bestimmten Tiefen angeben, daß die Wassertiefen
gesondert aufgenommen werden müssen, daß der Meßvorgang langsam ist und nur in besonders
eingerichteten Anstalten ausgewertet werden kann. Der Schoensche Fluviograph, der
nebst den Geschwindigkeiten auch die Tiefen mißt, bedarf hierzu zweier Instrumente,
deren Handhabung umständlich ist.
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Diese Nachteile sollen durch das vorliegende Instrument behoben werden.
Zum Unterschiede von den bisherigen Instrumenten, bei welchen die Wassergeschwindigkeit
aus der Geschwindigkeit eines Schwimmers oder aus dem Aufsteigen des Wassers in
getrennten Röhren (Meßvorrichtungen von Frank, Ritter usw.), oder aus der sekundlichen
Umdrehungszahl eines Schneckenrades (Woltmannscher Flügel), oder eines Löffelrades
(Arwidsonsches Instrument), oder aus dem Pendelausschlage (MeineckschesInstrument),
oder aus der Verschiebung einer Tafel (Schoenscher Fluviograph) abgeleitet wird,
kann bei demInstrumente nach derErfindung die Wassergeschwindigkeit aus der Durchbiegung
einer elastischen Membran, wie sie Vidi zur Luftdruckmessung benutzte, bestimmt
werden. Im Gegensatze zu den bisherigen Instrumenten, bei welchen die Wassertiefen
mittels Längenmaß gemessen werden, wird bei dem neuen Instrumente auch die Tiefe
in an sich bekannter Weise
aus der Durchbiegung einer elastischen
Membran festgestellt.
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Der Gedanke, eine elastische Membran zur Druckmessung zu verwenden,
wurde schon häufig angewendet, z. B. bei Aneroiden und Manometern, und ist auch
beim Messen von Wassergeschwindigkeiten und Wassertiefen nicht neu, da er bereits
bei der Konstruktion eines Schiffgeschwindigkei,smessers (vgl. die deutschen Patentschriften
iiiogo und 122093 der K1. 42) und eines Flüssigkeitsstandanzeigers (vgl. die deutsche
Patentschrift 312631 der K1.42c) angewendet worden ist. Dagegen ist die zweckmäßige
Verbindung der bekannten Einrichtungen und die Wirkungsweise des vorliegenden Instrumentes
wesentlich neu und den bisher bekannt gewordenen verschieden, worauf noch später
hingewiesen wird.
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Der Gegenstand der Erfindung ist in einer Ausführungsform auf der
Zeichnung schematisch dargestellt, und zwar zeigt Abb. i die Seitenansicht, Abb.
2 den Längsschnitt, Abb. 3 den Querschnitt, während Abb. 4 ein mit dem Instrumente
aufgezeichnetes Diagramm veranschaulicht.
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Äußerlich besteht das Instrument aus einem starken Metallkasten a,
dessen Vorderseite von einer Membran gebildet wird, welche durch einen Korb b geschützt
ist. Auf der Rückseite des Kastens ist ein gelochter Blechkegel c aufgesetzt, auf
welchem eine wagerechte und eine senkrechte Flosse cl angebracht ist. Eine Seitenwand
des Kastens ist als Glastürchen ausgebildet. Auf der Oberseite des Kastens ist ein
Aufhängering e befestigt.
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Der Metallkasten a ist durch eine feste Wand in zwei Kammern
A und D geteilt. Die Kammer A, gefüllt mit Luft unter atmosphärischem
Druck, ist von der dritten Kammer B mittels einer elastischen Membran g getrennt,
sonst aber von starken Metallwänden und einem Glastürchen q luftdicht eingeschlossen.
Die Vorderwand der Kammer D ist durch eine ähnliche Membran g' gebildet wie die
Rückwand der Kammer A. Die Blechwände c der Kammer B
sind an vielen
Stellen f derart durchgebohrt, daß das Wasser in die Kammer B eindringen kann, jedoch
die Saug- und Wirbelwirkung des fließenden Wassers aufgehoben wird. Die Räume D
und B sind untereinander durch zwei Röhrchen h und i2 verbunden. Auf den Innenseiten
der beiden Membranen sind Stifte h und h' angebracht, welche die Durchbiegungen
der Membranen auf zwei getrennte, in der Kammer A untergebrachte Anzeigevorrichtungen
übertragen, die diese Durchbiegungen sodann auf einem mittels Uhrwerkes bewegten
Papierstreifen ni m-n@ nebeneinander verzeichnen.
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Die Wirkungsweise des Instruments ist die folgende Solange sich das
Instrument in ruhiger Luft befindet, hebt sich der von innen und außen auf die beiden
Membranen wirkende atmosphärische Druck auf, und die Stifte der Anzeigevorrichtungen
zeichnen die Grundlinien x-x und y-y (Abb. .I), deren erste die Tiefennullinie und
die zweite die Geschwindigkeitsnullinie darstellt. Wird sodann das Instrument in
ein fließendes Wasser getaucht, so stellt es sich mit Hilfe der beiden Flossen in
die Stromrichtung, und das `'Wasser dringt durch die Löcher f der Kegelwände e in
den Raum B, von da durch das Röhrchen t1 in die Kammer D, während die Luft durch
das Röhrchen i= und die Löcher f entweicht, so lange, bis beide Räume vollständig
mit Wasser gefüllt sind. Da die entsprechend gebohrten Öffnungen f in den Kegelwänden
die Saug- und Wirbelwirkung des strömenden M'assers aufheben, so wirkt auf alle
mit dem Wasser in Berührung stehenden Innenwände des Instruments ein Druck, welcher
gleich ist dem atmosphärischen plus dem hydrostatischen. Auf die Tiefenmembran g
wirkt gegen diesen äußeren Druck der atmosphärische aus dem Innern der Kammer A,
aus welchen beiden ein reiner hydrostatischer Druck von außen resultiert. Dieser
Druck biegt die Membran g nach innen durch und führt hierdurch die Verschiebung
der zugehörigen Anzeigevorrichtung, des Zeichenstiftes nz in eine Lage i, 2, 3,
4, 5 (Abb. 4) herbei, deren senkrechte Entfernung von der Tiefennullinie x-x infolge
linearer und grader Proportionalität zwischen dem hydrostatischen Drucke und der
Wassertiefe die Wassertiefe angibt, in welcher das Instrument getaucht war. Auf
die senkrecht gegen den Strom gestellte Geschwindigkeitsmembran g' wirkt gleichzeitig
von außen ein Druck, welcher gleich ist dem atmosphärischen plus dem hydrostatischen
plus dem hydrodynamischen Drucke. Mit Rücksicht auf das oben Angeführte bleibt von
denselben als resultierender der reine hydrodynamische Druck, welcher die Membran
g' nach innen durchbiegt und hierdurch die Verschiebung der zugehörigen Anzeigevorrichtung
und des Zeichenstiftes m' in eine Lage (i', 2', 3', 4', 5') herbeiführt, deren senkrechte
Entfernung von der Geschwindigkeitslinie y-y infolge gerader und quadratischer Proportionalität
zwischen Wassergeschwindigkeit und dem hydrodynamischen Drucke die Wassergeschwindigkeit
in der Stelle angibt, in welcher das Instrument getaucht war.
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Da sich die beiden Zeichenstifte gerade gegenüber befinden, liegen
auch die gleichzeitigen Notierungen der Tiefe und der Geschwindigkeit auf einer
und derselben Senkrechten zu den beiden Grundlinien. Die Entzifferung ihrer Größen
geschieht mittels eines empirisch konstruierten Maßstabes.
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Wird das Instrument im Wasserprofile bewegt, so zeichnen beide Stifte
ein Diagramm, wie es
in Abb. q. abgebildet ist, aus welchem für
jeden Zeitpunkt die Tiefe des Instruments unter Wasser und die Wassergeschwindigkeit
abgelesen werden kann.
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Im folgenden soll der Meßvorgang bei der Feldarbeit beschrieben werden.
Befindet sich an der Stelle des Meßprofils eine Brücke oder ein Steg, so werden
auf dem Geländer die Entfernungen der beiden Enden des Wasserspiegels und jener
vertikalen, in welchen die Messungen vorgenommen werden sollen, abgemessen und notiert.
Das Instrument wird adjustiert, in Gang gesetzt, verschlossen und auf einem Seile
in der ersten Vertikale langsam unter die Wasseroberflächegetaucht. NachdemdasAufsteigender
Luftblasen aus dem Instrumente aufgehört hat, wird das Instrument langsam herabgelassen
bis es die Sohle berührt, was sich an dem Seile bemerkbar macht. Dann wird es wieder
langsam bis unmittelbar unter das Wasserniveau gehoben und hierauf in derselben
Höhe in die zweite Vertikale übertragen, wo es wieder bis zur Sohle getaucht und
wieder gehoben wird. Dasselbe wird in allen Vertikalen wiederholt, worauf man das
Instrument aus dem Wasser zieht, es abtropfen läßt und abtrocknet. Dann wird die
Uhr zum Stehen gebracht und das Instrument verpackt.
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Befindet sich am Meßprofil keine Brücke oder Steg, so wird die Messung
in gleicher Weise vorgenommen, jedoch von einem über den Flußlauf gespannten Seile,
auf welchem das Instrument vom Ufer aus mittels kalibrierten Drahtes von einem Ufer
zum anderen geschoben und in den einzelnen Vertikalen herabgelassen und gehoben
wird, ohne daß Kähne u. dgl. in Anspruch genommen werden. Die Entfernungen der beiden
Enden des Wasserspiegels sowie der Vertikalen vom Beobachter werden auf dem kalibrierten
Drahte abgelesen.
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Sind mehrere Messungen zu machen, für die der eine Papierstreifen
nicht ausreichen würde, so wird der Rahmen mit den Rollen aus dem Instrument herausgenommen
und ein Reserverahmen mit frischen, bereits aufgerollten Papierstreifen eingesetzt.
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Vor und nach jeder Messung notiert man den Wasserstand und überzeugt
sich, ob die Stifte richtig zeichnen. Findet man, daß der Abstand der vom Instrument
in der Luft gezeichneten Grundlinien dem für das Instrument angegebenen Maße entspricht,
so ist das ein Beweis, daß das Instrument unbeschädigt ist.
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In der Kanzlei werden im Diagramme nach den Linien, welche die Zeichenstifte
vor und nach der Messung in der Luft gezeichnet haben, die beiden Grundlinien und
eine entsprechende Anzahl von Senkrechten zu denselben gezogen. Mit Hilfe des dem
Instrumente beigegebenen Maßstabes werden mit entsprechender Rücksicht auf die Bauhöhe
des Instruments die Sohlentiefen in den einzelnen Vertikalen und die Instrumententiefen
für bestimmte Geschwindigkeiten entziffert. Aus den so gewonnenen Sohlentiefen,
den bei der Feldarbeit notierten Entfernungen der Vertikalen und aus den Pegelablesungen
wird das Wasserprofil aufgetragen. Auf die einzelnen Vertikalen werden die aus dem
Diagramme entnommenen Tiefen und senkrecht dazu die gleichfalls dem Diagramme entnommenen
Geschwindigkeiten aufgetragen. Die so erhaltenen Endpunkte werden verbunden, und
hierauf wird mit der graphischen und rechnerischen Bearbeitung nach einer der bekannten
Methoden fortgefahren.