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Flüssigkeitsmengenmes s er Die Erfindung bezieht sich auf Flüssigkeitsmengenmesser
mit einem in einem Flüssigkeitsbehälter untergebrachten und in seiner Kapazität
vom Flüssigkeitsspiegel abhängigen Meßkondensator, einem vollständig in die Flüssigkeit
eingetauchten und daher in seiner Kapazität von der Dielektrizitätskonstanten der
Flüssigkeit abhängigen Kompensationskondensator und einem auf Änderungen der Kapazität
von Meß- und Kompensationskondensator ansprechenden Brückenkreis zur Anzeige des
Flüssigkeitsvolumens bzw, der Flüssigkeitsmasse mit Kompensation für Änderungen
der Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit.
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Die Erfindung richtet sich im wesentlichen auf die Meßbrückenanordnung.
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Flüssigkeitsmengenmesser der oben beschriebenen Art sind allgemein
für Flugzeugbrennstoffbehälter bekannt. Wenn jedoch, wie es häufig der Fall ist,
das Flüssigkeitsmengenmeßgerät für unterschiedliche Brennstoffe eingesetzt wird,
ergeben sich Anzeigefehler durch Abweichungen zwischen den Dielektrizitätskonstanten
der getankten Flüssigkeit und derjenigen Flüssigkeit, auf die das Meßgerät geeicht
wurde, falls keine Kompensation vorgesehen ist. In extremen Fällen kommen Fehler
in der Größenordnung von + 8e/o bei Meßgeräten mit Massenanzeige und/oder + 19°/o
bei Meßgeräten mit Volumenanzeige.
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Es wurden bereits verschiedene Flüssigkeitsmengenmesser mit Kompensation
der Dielektrizitätskonstante der getankten Brennstoffe vorgeschlagen, jedoch ist
die Kompensation ungenügend, oder das Meßgerät wird zu empfindlich und störungsanfällig.
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Hauptziel der Erfindung ist die Schaffung eines Meßkreises für einen
verbesserten Flüssigkeitsmengenmesser, der für praktische Zwecke Fehler infolge
Änderungen der D ielektrizitätskonstante vollständig ausschließt, außerdem einen
einfachen Aufbau besitzt und nur geringes Gewicht aufweist.
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Die Erfindung geht aus von Flüssigkeitsmengenmessern mit einem im
Flüssigkeitsbehälter untergebrachten Meßkondensator, dessen Kapazität von dem Spiegel
der Flüssigkeit abhängig ist, einem vollständig in die Flüssigkeit untergetauchten
Kompensationskondensator, dessen Kapazität von der Dielektrizitätskonstante der
Flüssigkeit abhängt und mit einem auf Änderungen der Kapazität von - Meß- und Kompensationskondensator
ansprechenden Meßkreis, der eine Anzeige in Volum- oder Masseneinheiten der Flüssigkeit
mit Kompensation für Anderungen der Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit liefert,
wobei der Brückenkreis aus einem Paar von Wechselstrombrücken mit jeweils einer
unbekannten Kapazität in einem Zweig besteht.
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Das Kennzeichen der Erfindung wird darin gesehen, daß in jeder Brücke
durch einen Mittelabgriff
der Sekundärwicklung eines Transformators ein Paar induktiver
Zweige gebildet wird und ein fester erster Kondensator und ein zweiter, in seiner
Kapazität Änderungen unterliegender Kondensator allein oder mit anderen Elementen
das andere Paar von Zweigen bilden, von denen der zweite Kondensator der einen Brücke
der Meßkondensator und der zweite Kondensator der anderen Brücke der Kompensationskondensator
ist, daß ferner eine elektrische Verbindung zwischen den Transformatorabgriffen
vorgesehen, ein Spannungsteiler parallel zur Primärwicklung des einen Transformators
geschaltet und an die gleiche Stromquelle wie der andere Transformator anschließbar
ein Servomotor zur Betätigung des Spannungsteilers vorgesehen, ein Verstärker an
die den Transformatorabgriffen gegenüberliegenden Punkte der Brücke zur Versorgung
des Servomotors angeschlossen ist und Vorrichtungen zur Anzeige der Stellung des
Servomotors und damit des Flüssigkeitspiegels vorgesehen sind, wobei die Anordnung
so getroffen ist, daß bei unabgeglichenen Brücken der Servomotor den Spannungsteiler
in Richtung des Brückenabgleiches verschiebt.
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Zwei Hauptausführungsformen des Erfindungsgegenstandes und verschiedene
Hilfsvorrichtungen sollen an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden. Diese
zeigen in Fig. 1 einen schematischen ersten Kreis für ein Flüssigkeitsmengenmeßgerät,
bei dem Änderungen der
Dielektrizitätskonstante und des spezifischen
Gewichtes kompensiert werden, Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch eine Schwimmeranordnung
zur Herstellung der Kompensation des spezifischen Gewichtes, Fig. 3 in schematischer
Darstellung einen zweiten Kreis für ein erfindungsgemäßes Meßgerät, Fig. 4 und 5
schematische Darstellungen von zwei Hilfsvorrichtungen.
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Nach Fig. 1 ist der Transformator 1 mit seiner Primärwicklung 2 in
Reihe mit einem Rheostaten 3 zwischen Masse und einer Versorgungsklemme 4 gelegt.
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Bei der Versorgungsklemme 4 kann es sich beispielsweise um eine einphasige
Wechselstromquelle von 115 V und 400 Hz handeln, die in Form eines Oszillators vorgesehen
wird. Die Sekundärwicklung 5 des Transformators 1 ist bei 6 mittig an Masse gelegt,
so daß zwei gekuppelte gleiche Induktionsarme 5 a und 5 b entstehen. Der Rheostat
7 liegt parallel zu einigen Windungen des Zweiges 5 a. Ein in der zu messenden Flüssigkeit
angeordneter Kondensator ist in seiner Kapazität vom Flüssigkeitsspiegel abhängig
und in Reihe mit einem Ausgleichskondensator 9 zwischen dem Schleifarm 10 des Rheostaten
7 und der freien Klemme des Induktionsarmes 5 a eingeschaltet. Der parallel zum
Behälterkondensator 8 liegende Kondensator 11 bildet die tote Kapazität von Tank
und Leitungen.
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Ein zweiter Transformator 15 ist mit seiner Primärwicklung 16 zwischen
Masse und dem Schleifarm 17 eines Rheostaten 18 gelegt, der iiber einen weiteren
Rheostaten 19 an der Zuführungsklemme 4 liegt. Die Sekundärwicklung21 des Transformators
15 ist mittig bei 22 abgezapft, so daß, wie beim Transformator 1, zwei gekuppelte,
gleich große Induktionsarme 21a und 21 b entstehen. Ein Kondensator 23 taucht vollständig
in die zu messende Flüssigkeit ein, so daß seine Dielektrizität gänzlich durch die
der Flüssigkeit bestimmt wird und liegt in Reihe mit einem Ausgleichskondensator
24, der über die freien Klemmen der induktiven Zweige 21a, 21 b geschaltet ist.
Der Kondensator 25 liegt parallel zum Kondensator 23 und stellt die tote Kapazität
von Behälter und Leitungen dar.
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Aus dem Vorhergehenden erkennt man, daß die induktiven Zweige 5 a
und 5b und die kapazitiven Zweige 9 und 8 und 11 eine Wechselstrombrücke bilden,
während die Zweige 21a, 21 b sowie 24, 23 und 25 eine zweite Wechselstrombrücke
darstellen. Entsprechende Punkte 30, 31 an den beiden Brücken sind über die Primärwicklung
32 eines Transformators 33 zusammengeschaltet, dessen Sekundärwicklung34 an einen
Transistorverstärkerkreis 35 liegen, der an sich bekannt ist und deshalb nicht im
einzelnen beschrieben zu werden braucht. Der Verstärkerausgang liegt an einer Wicklung
36 eines Hilfsmotors37, dessen andere Wicklung 38 von einer Stromquelle mit fester
Spannung versorgt wird. Die Welle des Hilfsmotors 37 ist mechanisch mit dem Schleifarm
17 des Rheostaten 18 und mit einem - Anzeigegerät 39 verbunden, welcher den Anteil
der Wicklungen des Rheostaten anzeigt, an den die Transformatorprimärwicklung 16
angeschaltet ist. Dieses Anzeigegerät ist in Masseneinheiten kalibriert.
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Eine schwimmerbetätigte Vorrichtung45 ist mechanisch mit dem Schleifarm
46 des Rheostaten 19 verbunden und ändert den Scheinwiderstand dieses Rheostaten
in Abhängigkeit von dem spezifischen Gewicht der zu messenden Flüssigkeit.
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Nach Fig. 2 weist die Vorrichtung 45 einen zylindrischen, aus Leichtmetall
bestehenden Schwimmer 47
auf, der vollständig in die Flüssigkeit, beispielsweise
in einen Sumpf im Behälter, eintaucht und symmetrisch zwischen gegenüberliegenden
Wandungen des Behälters durch untereinander ähnliche Stangen48, 49 gehalten wird,
die jeweils an einer Ose am Schwimmer und am anderen Ende in Balgen 50, 51 befestigt
sind, welche an den Behälterwandungen angebracht sind. Eine Verlängerung 52 der
Stange 49 außerhalb des Behälters dient zur Betätigung des Schleifarmes 46.
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Bei Inbetriebnahme des Meßgerätes werden die Rheostaten 7 und 3 so
eingestellt, daß sich eine genaue Ablesung auf dem Anzeigegerät 39 für »voll« bzw.
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»leer« ergibt. Zur Erzielung einer optimalen Kompensation der Änderungen
der Dielektrizitätskonstanten muß folgende Beziehung bei vollem Tank aufrechterhalten
werden.
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Kapazität 11 ~~ Kapazität 25 Kapazität 8 Kapazität 23 Es läßt sich
mathematisch auf der Basis normaler Voraussetzungen zeigen, daß die Kompensation
für Anderungen der Dielektrizitätskonstanten an fünf Stellen zwischen der Anzeige
für »voll« und für »leer« korrekt ist und über den ganzen Bereich für normale praktische
Anforderungen als zulässig angesehen werden kann.
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Bei Flugzeugbrennstoffmengenmessern wünscht man normalerweise eine
Massenanzeige. Man erhält jedoch auch genaue Volumenanzeigen, wenn man die Kompensationsvorrichtungen
45, 19 zum Ausgleich der Änderungen des spezifischen Gewichtes entfernt. Wie bekannt
und oben erwähnt, sind Volumenanzeigen bei nicht kompensierten Meßgeräten sogar
noch erheblicheren Fehlern infolge Änderungen der Dielektrizitätskonstanten ausgesetzt
als Massenanzeigegeräte.
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Das dargestellte Meßgerät weist verschiedene Vorteile gegenüber bekannten
Meßgeräten, bei denen die Dielektrizitätskonstantenänderungen kompensiert sind,
auf. Das Gewicht des Meßgerätes mit Ausnahme der Kondensatoren 8 und 23 und ihrer
Leitungen sowie der schwimmerbetätigten Vorrichtung 45 kann auf ih bis l kg durch
entsprechende Schaltung vermindert werden, und gegebenenfalls, beispielsweise ftir
kleinere Flugzeuge, kann ein Oszillator, der von einer normalen Gleichstrombatterie
betätigt wird, vorgesehen werden, dessen Gewicht in der gleichen Größenordnung liegt.
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Darüber hinaus ist keines der in der Schaltung zur Anwendung kommenden
Elemente in seiner Herstellung besonders schwierig. Man braucht beispielsweise keine
genau eingestellten Rheostaten zu verwenden.
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Ein weiterer Vorteil liegt in der hohen Empfindlichkeit der Meßgerätänderungen
in den Brückenzweigen mit den Kondensatoren 8 und 23. Diese Änderungen sind im Vergleich
zu den Kapazitäten in diesen Zweigen sehr klein.
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Der in Fig. 3 dargestellte zweite Kreis weist die gleichen Hauptvorteile
auf und ist im wesentlichen dem ersten Kreis ähnlich, mit Ausnahme der Verbindung
zwischen den Brücken und dem Verstärker. Den Elementen der Schaltung nach Fig. 1
ähnliche Elemente haben in dieser Figur das gleiche Bezugszeichen, versehen mit
einem Strich, erhalten.
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Im ersten Kreis sind die Punkte 30, 31 an den Brücken über die Primärwicklung
32 eines Transformators 33 verbunden, der den Verstärkerkreis 35 versorgt. Im zweiten
Ausführungsbeispiel sind die Punkte 30' und 31' miteinander verbunden und über die
Primärwicklung 32' geerdet. Diese zweite Anordnung hat den Vorteil einer stärker
reduzierten Impedanz im Kreis mit der Primärwicklung32', erfordert jedoch,
daß
die Behälter- und Kompensatorkapazitäten 8' und 23' gleich sind.
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Neben dem Hauptunterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel
erkennt man, daß der Verstärkerkreis 35' des zweiten Kreises einfacher als der des
ersten Kreises ist und der Kreis 35' eine bessere Stabilität des Steuerkreises durch
Zuführung der Gleichstromkomponente des Ausgangstransistors durch die Hilfsmotorwicklung
liefert. Dies führt zu einer der Motorgeschwindigkeit proportionalen Dämpfungskraft
und ermöglicht ein schnelleres Ansprechen für volle Skalenabweichung und ein geringeres
Flattern. Außerdem sind die Anordnungen für »leer« und »voll« im zweiten Kreis anders.
Der erste enthält Widerstände 61 und 62, welche die mittleren Wicklungen jeder Sekundärwicklung
5', 21' der Brückentransformatoren überbrücken und Schleifarme 63, 64 aufweisen,
die an Masse liegen. Ein Schalter 65 liegt in der Primärwicklung 16' der Kompensatorbrücke
und erleichtert die Einstellung des Kreises. Bei geöffnetem Schalter läßt sich jede
Brücke getrennt einstellen. Der Rheostat 3' ermöglicht die Einstellung des Kreises
auf die korrekte Anzeige »voll«.
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Die erste und die zweite Schaltung lassen sich in verschiedener Weise
abändern.
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Fig. 4 zeigt eine Anordnung zur Erleichterung der Füllung und Entleerung
eines Behälters, bei dem ein Flüssigkeitsmengenmesser entweder nach der ersten oder
nach der zweiten Ausführungsform Verwendung findet. Zum Einbau der dargestellten
Anordnung in eine der Schaltungen werden die Stellen 70, 71, 72 an gegenüberliegende
Seiten des Rheostaten 18 oder 18' und die Schleifarme 17 bzw. 17' geschaltet. Rheostat
und Schleifarm der ersten bzw. zweiten Schaltung sind in dieser Figur mit 17" bzw.
18" bezeichnet, so daß mit diesen Bezugszeichen kein zusätzlicher Teil der Schaltung
bezeichnet ist. Die Zahlen 70 bzw. 71 liegen an gegenüberliegenden Seiten eines
zweiten Rheostaten 73, der dem Rheostaten 18" ähnlich ist und einen Schleifarm 74
aufweist. Zwischen die Stelle 72 und dem Schleifarm 74 ist ein Relaiskasten 75 eingeschaltet,
der beim Abfall der Spannung auf Null einen Kontakt schließt. Der Schleifarm 74
steht mechanisch mit einem Handrad76 und dem Zeiger 77 einer in Brennstoffmassen
geeichten Uhr 78 in Verbindung.
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Das Handrad 76 dient zur Einstellung des Zeigers 77 auf eine gegebene
Menge, worauf das Füllen oder Entleeren des Behälters beginnt. Sobald die gewünschte
Brennstoffmenge im Behälter erreicht ist, werden die Potentiale am Kasten 75 gleich,
und die darin befindlichen Kontakte schließen sich. Dabei läßt sich eine Warnlichtanordnung
oder die Pumpe automatisch zum Stillstand bringen.
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Fig. 5 zeigt eine übertragereinheit, die an einer entfernten Stelle
eine Anzeige ähnlich wie die Geräte 39 und 39' liefert. Zur Anschaltung dieses Kreises
an eine der beiden oben beschriebenen Schaltungen werden die Punkte 80, 81 und 82
an entgegengesetzte Seiten des Rheostaten 18 bzw. 18' und den Schleifarm 17 bzw.
17' angeschaltet. Rheostat und Schleifarm gehören in die erste oder zweite Schaltung
und sind hier mit 17"' bzw. 18"' bezeichnet. Die Punkte 80, 81 liegen ferner an
einem Rheostaten 83 mit einem Schleifarm 84. Der Schleifarm 84 wird mechanisch durch
einen Motor 85 angetrieben, welcher vom Ausgang eines Verstärkerkreises 86 gesteuert
wird. Dieser Verstärkerkreis 86 wird mit der Spannungsdifferenz zwischen dem Schleifarm
17"' und dem Schleifarm 84 versorgt. Der Motor ist ferner mechanisch mit einer Anzeigevorrichtung
87 gekuppelt. Motor, Verstärker-
kreis und Anzeigekreis können die für die ersten
beiden Kreise beschriebenen Formen aufweisen, und man erkennt, daß, wie in diesen
Kreisen, der Motor 85 den Schleifarm 84 verstellt, um derart die Spannung am Verstärkerkreis
86 auf Null zurückzustellen. Die Einstellungen der Schleifarme 17"' und 84 entsprechen
einander also ebenso wie die Ablesungen der Anzeigegeräte 87 und 39 oder 39'.
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Die schwimmerbetätigten Korrektionsanordnungen für das spezifische
Gewicht, die mit den Bezugszeichen 45, 19 bzw. 45', 19 in der ersten bzw. zweiten
Schaltung bezeichnet sind, lassen sich durch jeden veränderbaren Widerstand ersetzen,
der in Abhängigkeit von der Dichte gesteuert wird, beispielsweise durch einen von
Hand einzustellenden Rheostaten, und, wie oben erwähnt, falls eine Volumenablesung
auf den Anzeigegeräten39 oder 39" erwünscht ist, läßt sich die Dichtekorrektionsanordnung
auch entbehren.
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Die beiden beschriebenen Schaltungen lassen sich auch dahingehend
abändern, daß man Anzeigen infolge kleiner Kapazitätsänderungen erhält, die entgegengesetzt
zu denjenigen sind, wie sie insbesondere bei Flüssigkeitsmengenänderungen - und
Änderungen der Dielektrizitätskonstanten auftreten. Im ersten Kreis kann beispielsweise
die Kapazität durch die Verwendung eines oder mehrerer Kondensatoren an Stelle der
Kondensatoren 8 und 11 und durch Einführen der unbekannten Kapazität an die Stelle
des Kondensators 22 gemessen werden. Die unbekannte Kapazität kann beispielsweise
diejenige zwischen einer festen und einer sich bewegenden Elektrode sein, so daß
man dann durch geeignete Kalibrierung der Anzeigevorrichtung 39 genaue Abstandsmessungen
durchführen kann.
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Es ist selbstverständlich, daß in der zweiten Schaltung die Sekundärwicklung
5' und 21' nicht unbedingt mit unmittelbarem mittlerem Massenanschluß versehen sein
müssen. Da nur wenige Wicklungen jeder Sekundärwicklung durch einen Widerstand überbrückt
sind, ist der Effekt dieser Anordnung der gleiche wie bei einer Mittelanzapfung,
soweit es das Arbeiten des Kreises nach der ursprünglichen Einstellung betrifft.