Titel: | Beutel- und Membranmeßdose. |
Autor: | K. Schreber |
Fundstelle: | Band 332, Jahrgang 1917, S. 35 |
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Beutel- und Membranmeßdose.
Von Dr.-Ing. Friedrich
Rode.Der Verfasser hat die
Arbeit vor dem Kriege begonnen und die Versuche noch gerade vor seiner
Einberufung in das Heer abschließen können. Die Zusammenstellung hat er vom
Felde aus angefertigt. Kurz nach seiner Promotion ist er auf dem Felde der Ehre
am 7. Mai 1916 gefallen.Ich glaube es dem Andenken des Verstorbenen schuldig zu sein, durch diesen Auszug
aus seiner Dissertation auf die wertvolle Arbeit aufmerksam zu machen.Dr. K. Schreber, Aachen, Maschinenlaborat. der K. T.
H.
(Aus dem Maschinenlaboratorium der Kgl.
Technischen Hochschule Aachen.)
RODE: Beutel- und Membranmeßdose.
Einleitung.
Ein sehr bequemes Instrument zum Messen von Kräften ist die Meßdose, welche in erster
Linie von Martens auf der Versuchsanstalt in
Berlin-Lichterfelde ausgebildet worden ist. Martens hat
sie wesentlich zum Messen von starken Kräften angewendet. Da sie die für die Messung
wechselnder, namentlich schwankender Kräfte sehr empfehlenswerte Eigenschaft hat,
sich selbsttätig einzustellen, ohne, wie die Federwage, zu ermüden, so ist es in
gewissen Fällen vom Vorteil, sie auch für schwache Kräfte auszubilden.
Textabbildung Bd. 332, S. 35
Abb. 1. Beutelmeßdose mit hohlem Deckel und Boden
Ein solches Bedürfnis lag im Maschinenlaboratorium der Techn. Hochschule Aachen vor,
in welchem zur Messung der Arbeit sowohl von Wärmekraftmaschinen wie auch
vieler Arbeitsmaschinen, namentlich Pumpen Pendeldynamo und Pendelmotor benutzt
werden.Langer und Finzi, Z. d. V. d. I. 1914
S. 41.
Die hierbei bisher angewendete Meßdose hatte eine äußerst einfache Gestalt (Abb. 1).
In einem flach ausgehölten Holzboden lag ein linsenartiger Gummibeutel, der in der
Mitte seiner Unterfläche einen Schlauchansatz hatte. Für diesen Ansatz war im Boden
eine Durchbohrung vorgesehen. Auf die Linse wurde ein ähnlich wie der Boden
ausgeholter Deckel gelegt, in dessen mit Eisen verstärkter Mitte der Krafthebel mit
einer Körnerspitze angreift. Der Gummibeutel ist hergestellt, indem zwei
Gummiplatten an ihrem Rand zusammengeklebt sind, so daß dadurch eine etwas
verstärkte Naht entsteht (Abb. 2).
Textabbildung Bd. 332, S. 35
Abb. 2.
Versuchseinrichtung.
Da aus dem Gebrauch der Meßdose bekannt war, daß der nichtgeführte Deckel
mannigfachen Lagenänderungen beim Belasten unterworfen ist, so mußte zunächst darauf
Bedacht genommen werden, die Deckelbewegungen verfolgen zu können. Diese Bewegungen
setzen sich zusammen aus einer senkrechten Lagenänderung – im folgenden
„Deckelweg“ genannt – und einer wagerechten Verschiebung nach beliebiger
Richtung. Um beide Bewegungsarten unabhängig voneinander messen zu können, wurde
folgende Einrichtung getroffen.
An einem aus Profileisen hergestellten Gerüst (Abb.
3), auf welchem unten die Meßdose steht, sind über dem Umfang des
Meßdosendeckels in gleichen Abständen drei Gehänge nach Abb. 4 angebracht.
An der Feder f hängt zunächst ein kleiner Käfig, auf
dessen Fläche h sich die Schneide eines um z drehbaren Zeigers stützt. Durch diese
Schneidenlagerung ist bewirkt, daß sich der Zeiger praktisch unabhängig von seitlichen
Deckelverschiebungen einstellen kann.
Der Zeiger spielt vor der Skala S. Er läuft dort in eine
dünne Zunge aus, welche 1/10 der 1 mm breiten Skalenteilung schätzen läßt. Die
Ablesung erfolgt auf einem Kreisbogen um den Zapfen z,
wodurch das Hebelverhältnis a/b immer dasselbe bleibt.
Ueber die Eichung der Zeigerwerke wird weiter unten berichtet.
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Abb. 3. Versuchseinrichtung.
Am Käfig hängt ein Stahldraht von 1 mm ?, welcher am Ende zur Vorspannung der Feder
das Gewicht g trägt. In dieses Gewicht ist zur genauen
Längeneinstellung eine Oese i eingeschraubt, deren
Schneide in das kleine Häkchen am Deckelrand eingehängt wird. Die Anbringung dieser
drei Zeigerwerke ist aus dem Bild der Versuchsanordnung (Abb. 3) gut zu erkennen. Die Abmessungen des Zeigerwerks sind so
getroffen, daß die durch seitliche Deckelverschiebung auftretenden Fehler in
der Anzeige des Deckelweges innerhalb der Beobachtungsfehler fallen. Die Genauigkeit
der Ablesung des Deckelweges ist 1/25 mm.
Die Einstellung der Zeigerwerke geschah mit Hilfe der Schrauben s so, daß die Zeiger bei freihängender Vorrichtung vor
dem unteren Teil der Skala alle drei möglichst auf gleichem Teilstrich standen. Bei
der Eichung wurde folgendermaßen verfahren.
Textabbildung Bd. 332, S. 36
Abb. 4. Deckelwegeinzeiger.
Eine Mikrometerschraube war in einem kleinen Gestell (Abb.
5) befestigt, welches mit dem Haken k in die
Schneide der Oese i eingehängt werden konnte. Damit
aber dieses Gewicht den Zeigern nicht schon einen erheblichen Ausschlag erteile,
konnte zur Entlastung der Federn die gleich schwere Hülse l von den Gewichten g abgehoben werden (Abb. 4). Die Mikrometerschraube fand bei der Eichung
einen Stützpunkt in der Vertiefung des Bügels m.
Es konnten nun die Angaben der Zeiger in Skalenteilen mit den Verschiebungen der in
1/100 mm
geteilten Schraube verglichen werden. Die drei Zeigerwerke stimmten so gut überein,
daß mit dem Mittelwert der Uebersetzung 1 : 5,09 gerechnet werden konnte. Eine gegen
Ende der Versuche vorgenommene Wiederholung der Eichung ergab eine mittlere
Uebersetzung von 1 : 5,08.
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Abb. 5. Zur Eichung der Deckelweganzeiger.
Ebenso ergab sich auch für den Federmaßstab aller drei Federn derselbe Wert, der
während der Versuche ebenfalls ungeändert blieb. Es entspricht 1 mm Deckelweg, wenn
man die Kräfte aller drei Federn zusammen zählt, da sie ja stets zusammen tätig
sind, im Mittel bei Beginn der Versuche 51,78 und beim Schluß 51,60 g. Aus der bei
den späteren Versuchen festgestellten Nulllage und dem Zeigerausschlag bei Belastung
der Meßdose konnte die Federspannkraft immer berechnet werden. Unter Belastung der
Meßdose ist im folgenden immer die angehängte Last abzüglich der Tragkraft der
Federn verstanden.
Die wagerechten Verschiebungen des Deckels wurden mit zwei um 90° versetzten
Schrauben m (Abb. 6) von
½ mm Steigung verfolgt. Der Umfang des Schraubenkopfes war in fünf gleiche Teile
geteilt. Verschiebt sich der Deckel nicht genau in der Achsenrichtung der Schraube,
so ist die Verschiebung um die Strecke ds zu groß
gemessen. Die vorkommenden Verschiebungen senkrecht zur Schraubenachse sind im
Verhältnis zum Deckeldurchmesser aber so klein, daß das Maß ds für die Ermittlung der Deckelverschiebung
nicht in Frage kommt. Es beträgt bei 3 mm Verschiebung senkrecht zur Schraube erst
wenige hundertstel mm; in der Abb. 6 ist der
Deckelradius stark verkleinert angenommen. Die Verschiebung v des Deckels ist dann die Hypothenuse des aus den beiden Katheten s gebildeten rechtwinkligen Dreiecks.
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Abb. 6. Zur Messung der seitlichen Deckelverschiebung.
Um gegebenenfalls den Einfluß der Temperaturschwankungen feststellen zu können, war
durch den Schlauchanschluß hindurch in den Beutel ein Thermometer eingeführt (Abb. 3). Da das Instrument in umgekehrter Lage
verwendet werden mußte, war ein Thermometer gewählt, bei welchem der Raum über dem
Quecksilberfaden mit Stickstoff gefüllt ist.
Temperaturänderungen mußten sich wie Füllungsänderungen kenntlich machen und eine
Nullpunktverschiebung der Druckskala hervorrufen. Die Temperaturschwankungen während
der Versuche waren immer so gering, daß ein Einfluß nicht wahrgenommen wurde.
Besondere Versuche zur Bestimmung des Einflusses von Temperaturschwankungen konnten
wegen der Einberufung nicht durchgeführt werden.
Die Meßdose stand mit dem Steigrohr durch einen Gummischlauch mit Leinwandeinlage in
Verbindung. Nachdem festgestellt war, daß ein solcher Schlauch selbst gegen Drücke
von weniger als 0,2 at nicht genügend steif ist, wurde die Länge des Schlauches
möglichst beschränkt und durch Kupferrohr ersetzt.
Für die Versuche wurden Steigrohre von 3, 6 und 10 mm ? verwendet. Die Verwendung von
Steigrohren hat gegenüber der von Bourdonfedern den Nachteil großer Deckelwege. Um
die hierdurch bedingten Schwierigkeiten recht deutlich werden zu lassen, wurde bei
den Versuchen auch mit weiten Steigrohren gearbeitet. Sie konnten ganz nach Belieben
zu- und abgeschaltet werden.
Zur Aenderung der Meßdosenfüllung dient die oben auf dem Gerüst stehende Flasche,
welche durch eine Leitung mit dem Steigrohr in Verbindung steht. Nach Oeffnen des
Abschlußhahnes kann durch Heben und Senken der Flasche die Füllung des
Meßdosenbeutels beliebig vergrößert oder verkleinert werden. Das Füllen des
Meßbeutels geschah in folgender Weise. Der Beutel wurde mit dem Dosendeckel in
umgekehrter Lage auf den Fußboden gelegt und der Boden zunächst so gestützt,
daß er nicht auf dem Beutel ruhte. Dann wurde der Beutel durch den
Schlauchansatz mit abgekochtem Wasser gefüllt und das Steigrohr angeschlossen. Dem
Steigrohranschluß wurde eine solche Lage gegeben, daß Luftblasen gut aufsteigen
konnten. Nunmehr konnte der Beutel belastet und das Wasser in das Steigrohr gepreßt
werden. Durch häufiges Belasten und Entlasten des Beutels in dieser Lage können alle
Luftblasen aus dem Beutel herausgedrückt werden und in dem Steigrohr emporsteigen.
Es empfiehlt sich, beim Füllen ein recht weites Rohr anzuschließen.
Belastet wurde die Meßdose durch den in Abb. 3.
erkennbaren BügelKurrein Falsche und richtige Verwendung von Meßdosen.
Werkstattechnik 1915, 193. Dr. Rode mußte wegen
Einberufung in das Feld seine Arbeit im März 1915 abschließen, so daß er
diese Arbeit nicht mehr benutzen konnte. mit aufgelegten Platten,
deren Gewicht vorher bestimmt war. Der Bügel trug noch einen Teller zur Aufnahme von
Ausgleichgewichten, welche im Laufe der Versuche Verwendung fanden.
Versuche mit der linsenförmigen
Beutelmeßdose.
Neigung und Verschiebung des Dekkels. Die ersten Versuche
mit der Beutelmeßdose in der Ausführung, wie sie bisher im Laboratorium benutzt
wurde und wie sie Abb. 1 zeigt, ergaben, daß sich der
Deckel, welcher bei Beginn des Versuchs gut wagerecht stand, mit wachsender
Belastung immer mehr und mehr neigte, daß die Richtung, in welche die größte Neigung
fiel, sich fortwährend änderte und daß er sich auch ständig in wagerechter Richtung
verschob.
Textabbildung Bd. 332, S. 37
Abb. 7. Verlauf von Richtung und Größe der Deckelneigung bei der Beutelmeßdose
mit hohlem Deckel und Boden.
Aus den Beobachtungen des Deckelweges an den drei Deckelweganzeigern können die
ersten beiden dieser drei Bewegungen rechnungsmäßig verfolgt werden. Aus einer Reihe
von Beobachtungen sind einige kennzeichnende Versuche herausgegriffen und in Abb. 7 dargestellt. Der Kreis soll den Deckelumfang
darstellen. Die Ziffern 1, 2,
3 geben die Stellen, an denen die Deckelweganzeiger sitzen. Die an dem
Umfang angesetzten Strahlen geben die Richtung, in welche die größte Neigung fällt,
und in zwanzigfacher Vergrößerung im Vergleich mit dem Deckelradius die Abweichungen
des Endpunktes des in die größte Neigung fallenden Radius von seiner wagerechten
Lage, also die Tangente des Neigungswinkels.
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Abb. 8. Differenz der Druckhöhen zwischen ansteigender und abnehmender
Belastung. Die Zahlen an den Kurven geben die Beutelfüllung in Litern an.
Bei den Versuchen I und IV war der Deckel zu Anfang möglichst wagerecht aufgelegt.
Der Deckel ist nach dem Versuch I abgehoben und neu aufgelegt worden, wobei seine
anfänglich sehr kleine Neigung in eine andere Richtung gefallen ist. Die
Deckelneigung hat deshalb einen anderen Verlauf genommen. Bei Versuch IV ist die
Meßdose ohne Abheben des Deckels dreimal be- und entlastet worden. Die
Wiederholungen gleichen der ersten Versuchsreihe sehr, für sie sind zur Erhaltung
der Deutlichkeit nur die Anfangs- und Endneigung des Deckels angegeben und durch
strichpunktierte Linien verbunden. Die Versuche II und III sind im Gegensatz zu den
beiden besprochenen mit einem absichtlich schief aufgelegten Deckel begonnen
worden. Die Aenderungen des Winkels, um welchen die durch die Linie größter Neigung
gehende senkrechte Ebene von einer beliebig festgehaltenen senkrechten Ebene
absteht, sind hier sehr gering.
Bei allen Versuchen fällt Anfangs- und Endzustand fast zusammen.
Der Verlauf dieser und anderer nicht dargestellter Versuche läßt keine Regelmäßigkeit
erkennen. Es wird keine Richtung bevorzugt, wie es der Fall sein müßte, wenn eine
Unregelmäßigkeit des Beutels die Ursache wäre. Weder lebhafte Erschütterungen noch
möglichst stoßfreie Aenderung der Belastung, indem man Quecksilber vorsichtig
zufließen ließ, lassen einen Einfluß auf die Deckelbewegung erkennen.
Um die Deckelneigung für die weiteren Versuche auszuschalten, wurden am Deckel unter
den Deckelweganzeigern drei Gewichtsschalen aufgehängt, in welche nach jeder
Aenderung der Belastung so viele Gewichtsteine verteilt wurden, daß der Deckel
wieder wagerecht lag. Damit die Gesamtbelastung nicht geändert würde, lagen die zu
benutzenden Gewichtsteine auf dem in Abb. 3
sichtbaren Teller im Belastungsbügel.
Jetzt verblieben nur noch die wagerechten Verschiebungen des Deckels, welche mit den
in Abb. 6 dargestellten Schrauben gemessen wurden.
Diese zeigten sehr schnell die Regelmäßigkeit, daß sie stets nach derselben Richtung
hin stattfanden; und daß man sie vermeiden oder wenigstens vermindern könne, wenn
man den Boden möglichst wagerecht stellt.
Für die weiteren Versuche wurde stets der Boden sorgfältigst wagerecht gestellt, so
daß von nun an die seitlichen Verschiebungen wie auch die Deckelneigungen
ausgeschaltet waren.
Einfluß der Füllung. Die nächsten Versuche betrafen die
Feststellung des Einflusses der Füllung. Sie wurden in der Weise angestellt, daß bei
einer bestimmten Füllung die Belastung bis zu einer für alle Versuche gleich starken
stufenweise vermehrt und nachher in denselben Stufen wieder vermindert wurde. Es
ergaben sich große Unterschiede der Druckhöhe im Steigrohr. In Abb. 8 sind diese Unterschiede dargestellt, und zwar
sind sie positiv gerechnet, wenn bei zunehmender Belastung der Druck stärker ist,
als bei abnehmender.
Der Grund für diesen Unterschied und für ihre Veränderlichkeit mit der Füllung und
dem Steigrohrdurchmesser liegt in der elastischen Hysterisis, die je nach der
Füllung und dem Durchmesser des Steigrohres verschieden zur Wirkung kommt.
Bei großer Füllung und engem Steigrohr wird durch die Hysteresis die Auflagefläche
geändert. Gehen wir von der schwersten Belastung wieder zurück, so ist der Gummi von
der vorhergehenden Belastung noch gedehnt und der Deckel wird eine größere
Auflagefläche haben, so daß also der Druck bei gleicher Belastung schwächer und
infolgedessen die Steighöhe geringer ist. Bei ganz kleiner Füllung liegt der Deckel
fast auf der Naht des Randes auf, welche von der Belastung einen Teil Q1, die Randkraft, unmittelbar auf
den Boden überträgt und nicht zur Einwirkung auf das Wasser im Beutel kommen läßt.
Wird hier die Belastung schwächer, so wird wegen der Hysteresis die Randkraft
kleiner sein als bei der gleichen Belastung vorher. Es muß durch den Wasserdruck,
eine größere Belastung aufgenommen werden. Damit erhält aber der Unterschied der
Steighöhe bei den beiden gleichen Belastungen das entgegengesetzte Vorzeichen.
Textabbildung Bd. 332, S. 39
Abb. 9. 10 mm Steigrohrdurchmesser Wirksame Deckelflächen bei verschiedenen
Füllungen und Steigrohrdurchmessern in Abhängigkeit von der Belastung für
Beutelmeßdose mit hohlem Deckel und Boden. Die Zahlen an den Kurven geben die
Beutelfüllung in Litern an
Schließlich ist noch von Einfluß, daß die Beutelnaht wie eine Feder wirkt, deren
unbeanspruchte Krümmung durch den Zustand bei der Herstellung der Meßdose gegeben
ist. Bei großer Füllung wird durch zunehmende Belastung die Abweichung von dieser
Gestalt immer größer, bei kleiner Füllung dagegen kann die Form durch die Form bei
der Herstellung hindurchgehen. Bei verschiedener Füllung und verschiedener Belastung
verlangt also der Kautschuk selbst verschiedene Kräfte, um in die entstehende
Form gebogen zu werden. Diese Kräfte gehen ebenfalls von der Belastung ab und um sie
weicht die Druckanzeige im Steigrohr von der aus der Belastung berechneten ab.
Aus dieser Auseinandersetzung folgt, daß, wenn Q kg die
Belastung und h mm die Steighöhe ist, man aus der
Gleichung:
\frac{Q}{h}\,10^4=F_w
nicht die wirkliche Berührungsfläche erhält, sondern in cm2 die sogenannte wirksame Deckelfläche. Diese
wirksamen Deckelflächen sind für alle Versuche berechnet worden. Abb. 9 gibt für eine Reihe von Füllungen bei Anwendung
des Steigrohres von 10 mm ? diese so berechnete wirksame Deckelfläche an. Bei der
kleinen Füllung 1,4 l sind sie durchgängig bedeutend größer als die wirkliche
Deckelfläche D.
Unter der Annahme, daß bei den großen Füllungen die Randkräfte Qr von geringem Einfluß
auf die Berührungsfläche sind, läßt sich ein Wert für Qr errechnen. Rechnet man mit diesem die
Berührungsfläche Fb
nach der Gleichung
F_b=\frac{Q-Q_r}{h}\,.\,10^4
aus, so erhält man Kurven, welche mit zunehmender Belastung
einem Grenzwert zustreben, der der wirklichen Deckelfläche nahezu gleich ist.
Da durch die Naht der Teil Qr der Belastung unmittelbar auf den Boden übertragen wird, so ist die im
Steigrohr zum Ausdruck kommende Kraft um Qr kleiner als die Belastung: Beim Auftragen der
Eichkurve einer Meßdose erhalten wir also eine Nullpunktverschiebung.
Beutelmeßdose mit ebenem Deckel und
Boden.
Abänderung der Deckel- und Bodenform. Die Versuche an der
Beutelmeßdose mit dem gewölbten Boden und Deckel haben also gezeigt, daß bei
Aenderung der Belastung die wirkliche Berührungsfläche sich sehr ändert; daß wegen
der elastischen Hysteresis diese Aenderungen für zunehmende und abnehmende Belastung
sehr verschieden sind; daß bei starker Belastung, namentlich, wenn die Füllung nur
klein ist, durch die Beutelnaht ein Teil der Belastung unmittelbar auf den Boden
übertragen und so der Druckanzeige im Steigrohr entzogen wird; schließlich, daß
dieser Belastungsanteil sehr durch elastische Hysteresis beeinflußt ist.
Textabbildung Bd. 332, S. 39
Abb. 10.
Es wurde deshalb eine Meßdose entworfen, deren Deckel eben ist und deren Boden nur
eine so schwach kegelige Vertiefung nach der Mitte hin zeigt, daß der Beutel beim
Einlegen sich richtig lagerte. Um vom Einfluß der Naht möglichst unabhängig zu
werden, wurde der Deckeldurchmesser kleiner gewählt als der Durchmesser des Beutels.
Der Beutel ist dann wegen der Wirkung seines überstehenden Teiles als eine Feder
aufzufassen (Abb. 10). Je größer der Unterschied l zwischen Beutel- und Deckelradius wird, um so weniger Einfluß
kann die Biegung auch bei großem Deckelweg, haben. Der größte Teil des
Biegungswiderstandes liegt in der Nähe der steifen Naht.
In dieser Ausführung wurden Versuche mit drei Deckeln von 219; 209,8 und 200 mm
vorgenommen, bei einem Beuteldurchmesser von 232 mm. Die Füllung war bei allen
Versuchen 0,4 l, die so gewählt war, daß der größte Deckel bei Anfangslast mit
seiner ganzen Fläche auflag, ohne daß sich der Beutel merklich eindrückte.
Dementsprechend lagen die beiden kleinen Deckel bei gleicher Belastung tiefer, so
daß sich um den Deckel ein ausgeprägter Wulst bildete.
Textabbildung Bd. 332, S. 40
Abb. 11.
Ermittlung der Wulstform. Dieser Wulst wirkt, wie schon
oben bemerkt, wie eine gespannte Feder. Um über deren Kraft Aufschluß zu erhalten,
muß zunächst die Form des Wulstringes ermittelt werden. Dazu war am Boden der
Meßdose an drei um 120° voneinander abstehenden Stellen je eine Marke M (Abb. 11) angebracht.
Das Maß b, der Abstand der Marke vom oberen Rand des
Bodens war bekannt, ebenso die Neigung der Bodenfläche (1 : 30). Durch Abmessen der
Länge y mittels des in Abb.
11 eingezeichneten Tasters konnte 2 r = y – b + db bestimmt werden, wobei db aus db = 0,033 (x + r)
zur Berücksichtigung der Bodenneigung nach annähernder Bestimmung von x und r berechnet wurde.
Das Maß m für die Anfangslage des Deckels wurde aus a, f und y bestimmt,
nachdem a mit dem gleichen Taster gemessen war. Für die
weiteren Belastungsstufen wurde dann noch der Deckelweg in die Rechnung eingeführt,
je und e wurden durch Mikrometerschraube gemessen. Mit
diesen Angaben kann man dann die Entfernung des höchsten Punktes des Wulstes vom
Deckel berechnen und damit auch die Kraft, mit welcher der Wulst den Deckel hebt,
unter der Voraussetzung, daß nur Innendruck den Wulst beansprucht.
Träfe diese Voraussetzung zu, so müßte der Wulst als Querschnitt einen Kreis haben.
Die eingehende Untersuchung des Wulstes zeigt aber, daß der Querschnitt von der
Kreisform abweicht. Der Grund hierfür ist in der Naht zu suchen. Bei leerem Beutel
ist der den Wulst nachher bildende Kautschukteil eine sehr flache Ellipse. Wird der
Beutel gefüllt und mit Hilfe eines Deckels beansprucht, dessen Durchmesser kleiner
ist als der Durchmesser des Beutels, so bestrebt sich der Kautschukteil, sich
kreisförmig einzustellen. Dazu muß der Umfang des Beutels sich verkürzen. Dem
widerstrebt die Steifigkeit der Naht. Die wirksame Wulstbreite wurde deshalb als
Ellipse angesehen und damit die vom Wulst übertragene Kraft berechnet.
Versuchsergebnisse. Nachdem so die durch den Wulst
übertragene Kraft Qs
berechnet ist, sollte man erwarten, daß sie zusammen mit der durch den Deckel selbst
übertragenen Kraft Qd
gleich der Belastung Q der Meßdose ist. Es ergibt aber
der Versuch, daß wir setzen müssen:
Q = Qd+ Qs + q.
Ueber die Größenordnung von q ergibt
Abb. 12 ein Beispiel. Man erkennt, daß q nahezu unabhängig von der auf der Meßdose lastenden
Kraft ist. Der Vergleich mit den Versuchen mit gewölbtem Deckel und Boden ergibt,
daß auch hier q die unmittelbar durch den Kautschuk
infolge seiner Durchbiegung übertragene Kraft ist. Um q
möglichst klein zu halten, muß also der Deckeldurchmesser so gehalten werden, daß
die Biegungskräfte möglichst gering bleiben. Ferner muß der Beutel so gefüllt sein,
daß beim Auflegen des Deckels keine erhebliche Kraft zur Formänderung des Beutels
erforderlich ist.
In den Eichkurven erscheint q wieder als
Nullpunktverschiebung (Abb. 13). Wie weit durch die
Anwendung eines ebenen Deckels und Bodens, wenn der Deckel einen kleineren
Durchmesser hat als der Beutel, der Unterschied in der Höhenanzeige beim Be- und
Entlasten kleiner geworden ist im Vergleich mit der Anwendung des gewölbten Deckels
und Bodens, zeigt der untere Teil desselben Schaubildes.
Textabbildung Bd. 332, S. 40
Abb. 12. Deckeldurchmesser 200 mm. Wulstragkraft Qs und Restglied q für verschiedene Deckeldurchmesser ohne
Deckelführung
Beutelmeßdose mit geführtem ebenem
Deckel und Boden.
Beschreibung. Bisher mußten die Versuche noch immer so
durchgeführt werden, daß der Deckel nach jeder Belastungsänderung, durch
Gewichtsverschiebungen auf den Wagschalen wieder in die wagerechte Lage gebracht
wurde. Dieses zeitraubende und umständliche Verfahren kann für praktische Messungen
nicht in Frage kommen. Ferner besteht die Schwierigkeit, den Deckel in solcher Weise
auf den Beutel aufzulegen, daß sich der Wulst am ganzen Umfange möglichst gleich
einstellt. Befindet sich an einer Seite zu viel freier Kautschuk, so schwillt der
Wulst hier stark an und drückt den Deckel nach der entgegengesetzten Seite. Falls
der Deckel nicht in die wagerechte Lage zurückgebracht wird, neigt er sich stark.
Beide Erscheinungen, ungleichmäßiger Wulst und Deckelneigung, müssen aber bei
jedesmaliger anderer Deckellage die Druckanzeigen beeinflussen.
Textabbildung Bd. 332, S. 41
Abb. 13. Eichkurven der Beutelmeßdose bei ebenen Deckeln von verschiedenen
Durchmesser ohne Deckelführung
Es ist deshalb dem Deckel eine Führung gegeben worden, wie sie in Abb. 14 dargestellt ist. Hierdurch ist die Schieflage
des Deckels ausgeschlossen. Auch eine seitliche Verschiebung kann nicht mehr
stattfinden.
Es ist nun natürlich nicht zweckmäßig, sich hiermit abzufinden, da sonst die zur
Deckelbewegung Veranlassung gebenden Kräfte beträchtliche Reibung in der Führung
hervorrufen könnten. Man muß dafür Sorge tragen, diese Kräfte auch bei Anwendung
einer Führung möglichst zu vermeiden.
Die Hauptursache haben wir in der ungleichmäßigen Wulstbildung gefunden. Um nun
leicht eine solche Lage des Deckels zum Beutel zu finden, die einen möglichst
regelmäßigen Wulst entstehen läßt, wurde der Beutel auf eine Bodenplatte
gelegt, welche sich unter dem geführten Deckel durch Schrauben verschieben läßt.
Es war nun leicht, durch einige Belastungsproben diejenige gegenseitige Lage zwischen
Beutel und Deckel zu finden, bei welcher der Wulst sich gleichmäßig ausbildet. In
dieser Lage ist dann die Bodenplatte festgestellt worden. Natürlich muß dafür
gesorgt werden, daß sich der Beutel auf der Bodenplatte nicht verschieben kann.
Textabbildung Bd. 332, S. 41
Abb. 14. Beutelmeßdose mit ebenen Deckel, flachen Boden und
Deckelführung
Textabbildung Bd. 332, S. 41
Abb. 15a. u. 15b. Wulstragkraft Qs und
Restglied q bei 200 mm Deckeldurchmesser und Deckelführung für verschiedene
Deckelstellung
Versuchsergebnisse. Da an der Uebertragung der Belastung
auf die Meßdose durch die jetzt angebrachte Führung des Deckels nichts Wesentliches
geändert ist, so ist dasselbe Ergebnis zu erwarten, welches schon bei nichtgeführtem
Deckel erhalten wurde. Das bestätigen auch die Versuche (Abb. 15a u. b). Man erkennt durch
Vergleich namentlich von Abb. 15a mit 13, welche beide mit derselben anfänglichen Deckelstellung
ausgeführt wurden, kaum einen Unterschied. Auch die Eichkurve (Abb. 16) verläuft wie dort als gerade Linie. Der
Linienzug 1 entspricht der höheren anfänglichen
Deckellage, 2 der niedrigeren. Wie bei Abb. 13, sind auch hier die Mittelwerte für zunehmende
und abnehmende Belastung als Eichkurve gezeichnet, während die Abweichungen beider
voneinander darunter als Δ h aufgetragen sind. Diese
sind hier bedeutend kleiner als bei der linsenförmigen Meßdose, da hier die
Randquetschung vollständig vermieden ist. Sie sind hier nur bedingt durch die
Hysterisis des den Wulst bildenden Kautschuks.
Textabbildung Bd. 332, S. 42
Abb. 16. Eichkurven der Beutelmeßdose bei ebenem Deckel von 200 mm Durchmesser
mit Führung für verschiedene Deckelstellungen
Hier mag auch noch erwähnt werden, daß die Wulstvergrößerung nur infolge Dehnung des
den Wulst bildenden Kautschuks eintritt, daß aber nicht der unter dem Deckel
befindliche Kautschuk sich hervorzieht und seinerseits zur Vergrößerung des Wulstes
beiträgt. Versuche mit glattem Deckel auf dem mit Talkum eingeriebenen Beutel
ergaben keine Abweichungen von Versuchen, bei welchen Deckel und Boden zur Erzielung
einer hohen Reibungszahl mit rauhem Stoff beklebt waren.
Textabbildung Bd. 332, S. 42
Abb. 17. Deckelwege der Beutelmeßdose für verschiedene
Deckeldurchmesser
Textabbildung Bd. 332, S. 42
Abb. 18.
Bemerkenswert ist das Ergebnis der Untersuchung der Deckelwege. In Abb. 17 sind zwei Versuche mit dem Deckeldurchmesser
200 mm dargestellt, und zwar einer mit höherer, ein anderer mit tieferer
Anfangstellung. Man erkennt, daß der Deckel nach vollständiger Entlastung nicht
wieder in seine Anfangstellung zurückgekehrt ist. Daß das nur eine Folge der
elastischen Hysteresis ist, zeigt Abb. 18, bei
welchem die Meßdose zuerst gleich voll belastet, dann wieder voll entlastet und nun
zwei Belastungsänderungen mit den üblichen Stufen ausgesetzt wurde, zwischen
denen nur eine geringe Zeit lag. Man sieht, daß der Deckelweg der dritten
Belastungsreihe mit dem der zweiten nahe zusammentreten. Die wirkliche Größe des
Deckelweges wird durch die Verschiebung der Anfangslage wenig geändert.
Durch die aufeinanderfolgende Beanspruchung nähert sich der Kautschuk einer durch die
Formänderung bedingten neuen Gleichgewichtslage.
Die Membranmeßdose.
Einfluß der Naht auf die Wulständerung. Es war schon oben
davon die Rede, daß der Wulst sich deshalb nicht auf einen kreisförmigen Querschnitt
einstellt, weil die am Umfang des Beutels befindliche Naht ihre Länge nicht oder
wenigstens nur schwer ändern kann. Eine eingehende Untersuchung über die Frage, ob
sich die wirksame Wulstbreite, d.h. die Fläche, welche zur wirklichen Deckelfläche
hinzugezählt werden muß, um die gesamte wirksame Fläche zu erhalten, sich mehr
ändert bei steifer Naht oder ohne eine solche, ergibt nun, daß eine steife Naht zum
Vorteil ist. Je steifer die Naht ist, um so weniger ändert sich die wirksame Fläche
des Wulstringes. Beste Steifigkeit der Naht, das heißt unveränderlichen Beutelumfang
erhält man aber durch Fortlassen der unteren Beutelhälfte und Einspannen des
Kautschuks am Rande, wobei dann der Kautschuk als ebene Membran gespannt ist.
Textabbildung Bd. 332, S. 43
Meßdose mit ebener Kautschukplatte oder ebenem Kautschukring
Auf diese Weise geht die Beutelmeßdose in die Membranmeßdose über. Abb. 19b gibt einen
Schnitt durch die Membranmeßdose, welche zu den weiteren Versuchen benutzt wurde.
(Ueber Abb. 19a wird
weiter unten gesprochen werden.) Sie besteht aus Deckel, Boden und den beiden Ringen
a und b, zwischen
welchen die Kautschukplatte eingespannt ist. Der Ring a
ragt mit seiner Dichtungsfläche nach innen über den Ring b hinaus, um, wie Martens angibt, den durch die
Pressung an der Dichtungsstelle herausquellenden Kautschuk nicht in den Spalt
gelangen zu lassen, wo er zu Klemmungen Veranlassung geben könnte. Bei den hier
auftretenden Drucken braucht die Dichtungspressung nur gering zu sein. Dennoch
findet das Herausquellen des Kautschuks in merklichem Maße statt. Es ist daher nicht
zu erreichen, daß die Kautschukplatte nach der Einspannung ganz glatt ist, wenn man
sie nicht vorher schon mit Vorspannung eingesetzt hat.
Zu diesem Zwecke ist folgendes Verfahren eingeschlagen. Ring a wird mit dem Deckel in umgekehrter Lage hingelegt und eine
Kautschukplatte etwa vom äußeren Durchmesser des Ringes a aufgelegt. Man belastet den Kautschuk durch eine Platte von ungefähr
Deckelgröße mit aufgelegten Gewichtsstücken. Es ist dann möglich, durch Ziehen an
dem hervorstehenden Kautschukrand den Kautschuk unter der belasteten Fläche etwas zu
dehnen. Natürlich muß man diese Dehnung am ganzen Umfang möglichst gleichmäßig
vornehmen. Ist dieses geschehen, so werden im Kautschuk für die Schrauben d Löcher oder Schlitze eingeschnitten und dann der Ring
b aufgelegt. Nach leichtem Anziehen der möglichst
zahlreichen Schrauben d kann die Kautschukplatte noch
von außen in dem freien Ringraum glattgezogen werden. Dann werden die Schrauben zur
Erreichung des nötigen Dichtungsdruckes weiter vorsichtig angezogen.
Da der Boden noch nicht aufgeschraubt ist, läßt sich das Einspannen der Platte in
jedem Augenblick gut verfolgen. Nach Entfernen des Gewichtes wird sich die
Kautschukplatte in der Mitte wieder teilweise entspannen und dabei den in den
Ringraum vorgequollenen Kautschuk glätten. Die Kautschukplatte bildet jetzt eine
gute glatte Fläche.
Nach Aufschrauben des zur leichteren Entfernung der Luft kegelförmig ausgedrehten
Bodens wird die Meßdose mit ausgekochtem Wasser gefüllt und mit dem Druckrohr so
verbunden, daß die Meßdose mit dem Deckel nach unten in die tiefste Lage gebracht
werden kann. Wie schon bei der Beutelmeßdose beschrieben wurde, kann noch etwa in
der Dose vorhandene Luft durch wiederholtes Belasten und Entlasten des Bodens gut
entfernt werden, wenn dafür gesorgt ist, daß die Luftblasen leicht im Druckrohr
aufsteigen können.
Die Spaltbreite betrug 2,5 mm, die Kautschukdicke 1,5 mm. Die übrigen
Hauptabmessungen sind aus der Abb. 19 zu
entnehmen.
Versuche mit der Membranmeßdose. Die ersten Versuche
betrafen auch hier die Berechnung der wirksamen Deckelfläche aus Gesamtbelastung und
Druckhöhe im Steigrohr. Sie ergab sich als sehr abhängig von der Anfangstellung des
Deckels. Bei sehr tiefer Anfangstellung, also kleiner Füllung, ist die wirksame
Fläche kleiner als die Deckelfläche und erreicht diese nur bei ganz schwerer
Belastung. Bei hoher Anfangslage dagegen, also großer Füllung ist die wirksame
Fläche stets größer als die Deckelfläche; sie reicht über den Spalt hinweg bis auf
den Ring a.
Diese Aenderung der wirksamen Deckelfläche ist natürlich nur durch die verschiedene
Beanspruchung der Membran zustande gekommen. Deshalb war es nötig, die Wulstbildung
innerhalb des Spaltes zu untersuchen. Bei dem engen Spalt ist das schwer
durchführbar. Es wurde deshalb nur an einer Stelle genau in der Mitte des Spaltes
die Höhenlage der Membran festgestellt.
Geführt durch einen Block (Abb. 20), welcher so auf
den Ring aufgesetzt wird, daß die Nadel genau in der Mitte des Spaltes sich
befindet, ruht die Nadel N mit ihrer Spitze auf der
Kautschukplatte. Auf ihr liegt der Zeiger Z aus ganz
dünnem Aluminiumblech, welcher sich gegen die Schneide S stützt. Die Uebersetzung wurde mit Mikrometerschraube in einem
besonderen Versuch zu 1 : 10,0 festgestellt. Aus der Wulststellung sind dann die in
Abb. 21 dargestellten Lagen des freien Kautschuks
bei Anfangs- und Höchstbelastung ermittelt worden. In derselben Abbildung sind unten
die Durchmesser der wirksamen Deckelfläche für die verschiedenen Belastungsstufen
eingezeichnet. Versuche a b c d sind mit dem Steigrohr 3 mm und verschiedener
Anfangslage ausgeführt, Versuch e mit dem Steigrohr 10 mm.
Textabbildung Bd. 332, S. 44
Abb. 20.
Bei a liegt nicht die ganze Deckelfläche auf dem Kautschuk auf, deshalb ist auch die
wirksame Deckelfläche kleiner als die wirkliche. Durch Vermehren der Belastung sinkt
der Deckel etwas ein, gleichzeitig wird aber durch den Druck im Innern der Kautschuk
gegen den Spalt gepreßt, so daß die wirksame Deckelfläche zum Schluß etwas größer
ist als die wirkliche. Bei b, wo der Deckel am Anfang ganz aufliegt, findet durch
die zunehmende Belastung eine Ausbuchtung des Kautschuks in den Spalt hinein statt,
und die wirksame Deckelfläche vergrößert sich bis zum Gipfel dieser Krümmung. Bei c
liegt bei Beginn der Belastung die Grenze der wirksamen Deckelfläche zunächst noch
im Spalt, wandert dann infolge des Sinkens des Deckels auf den festen Ring, um
nachher bei noch schwererer Belastung infolge der Ausbuchtung des Kautschuks durch
den Innendruck wieder in den Spalt hinein zurückzukehren. Bei ganz tiefer Deckellage
d, wird der Deckel in seiner Anfangstellung sogar durch die unmittelbare Spannung
des Kautschuks etwas getragen, das heißt, die Deckelfläche reicht bis weit in den
festen Ring hinein. Durch Verstärkung der Belastung wandert ihre Begrenzung infolge
der Durchpressung des Kautschuks durch den Innendruck wieder zurück, ohne aber den
Spalt zu erreichen. Beim weiten Steigrohr, Versuch e, haben wir alle diese Einflüsse
zusammen, so daß die wirksame Deckelfläche bei Beginn des Versuchs kleiner ist als
die wirkliche Deckelfläche, bei schwerster Belastung dagegen bis weit in den festen
Ring hinein reicht.
Beim Versuch b ist die wirkliche Belastung Q ungefähr
gleich der Summe aus der Belastung Qd, welche die wirkliche Deckelfläche, und Qs, welche vom
Kautschuk übertragen wird; d.h. das Glied q (s. S. 40)
wird nahezu Null. Das gilt stets, wenn die Deckelstellung nur sehr wenig von der
Nullage abweicht.
Die Eichkurven verlaufen bei mittlerer und tiefer Deckellage fast geradlinig, und die
Unterschiede zwischen Be- und Entlastung sind beim engen Steigrohr sehr gering. Am
geringsten bei der Deckellage, welche von der Nullage am wenigsten abweicht.
Meßdose mit ringförmiger Membran. Da die
Kautschukflächen, welche sich unter dem Deckel befinden, einen Einfluß auf die Größe
der Dehnung der freien Kautschukflächen nicht haben, wie bei den vorhergehenden
Versuchen mit rauhem Deckel gefunden ist, so hat es auch wenig Wert, diesen
Kautschuk etwa dadurch zu vermeiden, daß durch eine Platte im Innern des Dosenraumes
die Membran gegen den Deckel gepreßt wird (Abb. 13
a), wobei die Kautschukplatte zu einem Ring geworden ist, der nur den Spalt
überbrückt.
Die Versuche mit dieser Ausführungsform haben keine anderen Ergebnisse gehabt, als
die Versuche mit ganzer Kautschukplatte. Es ist nur schwieriger, den Kautschukring
gut glatt einzusetzen.
Um die Platte für die Anwendung eines Kautschukringes in den Dosenraum hineinbringen
zu können, war dieser entsprechend groß ausgeführt. Bei der Herstellung von Meßdosen
wird man sonst darauf sehen, daß die Flüssigkeitsmenge möglichst gering wird.
Vergleich der aus dem Dosenraum
verdrängten mit der vom Steigrohr aufgenommenen
Druckflüssigkeitsmenge.
Textabbildung Bd. 332, S. 44
Abb. 21. Kautschuklage im Spalt bei verschiedenen Deckelstellungen für
kleinste und höchste Belastung Durchmesser der wirksamen Deckelfläche
Sowohl bei der Beutelmeßdose als auch bei der Membranmeßdose wurde das aus dem Beutel
bzw. Dosenraum verdrängte Wasser mit dem vom Druckrohr aufgenommenen Wasser
verglichen. Bei der Beutelmeßdose wurde dabei Deckeldurchmesser, Deckelweg und
Wulständerung berücksichtigt. Letzteres geschah dadurch, daß die Wulstformen nach
den Abmessungen für verschiedene Belastungen aufgezeichnet und ausplanimetriert
wurden. Bei der Membranmeßdose wurden die Versuche bei mittleren Deckellagen, bei
welchen sich der Wulst im Spalt wenig ändert, zu dem Vergleich der Wassermengen
herangezogen. Zur genaueren Messung der Deckelwege war hierbei noch das Zeigerwerk
(Abb. 19) so
geändert, daß es eine 30-fache Uebersetzung ergab, und dann auf einem Bügel in der
Weise befestigt, daß die Nadel auf der die Belastung übertragenen Druckschraube in
Mitte Deckel auflag. Der Bügel war unmittelbar am Boden der Meßdose befestigt, so
daß Verspannungen des die Meßdose und die seitlichen Deckelweganzeiger tragenden Gerüstes ausgeschaltet
waren.
Bei beiden Meßdosen ergaben sich Unterschiede zwischen der verdrängten und der vom
Druckrohr aufgenommenen Wassermenge, und zwar wurde die verdrängte Wassermenge stets
größer gefunden. Bei der Beutelmeßdose sind sie wegen der Unsicherheit in der vom
Wulst aufgenommenen Wassermenge unzuverlässig. Bei der Membranmeßdose kann man aber
große Genauigkeit erwarten.
Die auffallende Erscheinung, daß die verdrängte Wassermenge stets größer war als die
vom Druckrohr aufgenommene, wurde an dieser Meßdose wiederholt nachgeprüft. Bei
einer Druckrohraufnahme von etwa 12 cm3 wurde eine
verdrängte Wassermenge von etwa 13,5 cm3
festgestellt. Die Differenz von 1,5 cm3 entsprach
etwa einem Deckelweg von 0,045 mm und wurde auch bei verschiedenen neuen Füllungen
der Meßdose immer in gleicher Größenordnung gefunden. Zu ganz gleichem Ergebnis kam
man, wenn das Druckrohr gänzlich abgeschaltet war und die festverschlossene Meßdose
dann belastet wurde. Der Deckel legte auch dann etwa einen Weg von 0,04 bis 0,05 mm
zurück. 1,5 cm3 Volumenänderung würden bei den
auftretenden Drucken etwa 8 bis 9 cm3 Luft im
Meßdosenraum entsprechen. Es ist ausgeschlossen, daß sich so große Luftmengen noch
in der. Dose gefunden haben und bei verschiedenen, unabhängig voneinander
vorgenommenen Füllungen immer wieder in gleicher Menge im Dosenraum verblieben
sind.
Die geringe Kompressibilität des Wassers und ebenso des Kautschuks, welche der des
Wassers gleich zu setzen ist, können zur Erklärung nichts beitragen.
Es ist dann auch noch versucht worden, festzustellen, ob etwa erst mit
zunehmender Belastung eine innigere Anlage zwischen Kautschuk und Deckel
stattfindet. Zu diesem Zweck wurde der Spalt mit Wasser aufgefüllt und dann die
Meßdose belastet; es konnten aber keine nennenswerten zwischen Deckel und Kautschuk
hervortretenden Luftmengen beobachtet werden. Ferner wurde zur Erreichung einer
besseren Anlage zwischen Deckel und Kautschuk der letztere eingefettet. Auch hiermit
konnten die Deckelbewegungen der vollständig geschlossenen Meßdose nicht beseitigt
werden. Leider war es nicht mehr möglich weitere Versuche zur Klärung dieser Frage
anzustellen.
Eine ganz ähnliche Erscheinung hat auch Szitnick in seiner
schon genannten Arbeit an einer 10 T-Meßdose festgestellt. Szitnick rechnet von vornherein so, als ob bei der Füllung noch Luft im
Dosenraum verblieben sei, findet aber, daß die auf diese Weise gefundene Luftmenge
unwahrscheinlich groß ist, ohne eine andere Erklärung für diese Erscheinung
anzugeben.
Zusammenfassung.
Ausgehend von der einfachsten Form einer Beutelmeßdose werden die Bedingungen
entwickelt, welche erfüllt sein müssen, um mit einer solchen Meßdose gute Ergebnisse
zu erzielen. Der Zusammenhang zwischen diesen Beutelmeßdosen und den üblichen
Membranmeßdosen wird klargestellt.
Die Versuche ergaben für die in ihrem Aufbau sehr einfache Beutelmeßdose bei
Anwendung eines flachen Bodens und eines kleinen, ebenen Deckels mit Führung
praktisch brauchbare Messungen. Die Membranmeßdose kann als Verbesserung dieser
Beutelmeßdose aufgefaßt werden, sie ist im Aufbau aber weniger einfach.