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Die Erfindung betrifft einen Meßeinsatz für einen Volumenzähler für Flüssigkeiten, mit einem becherförmigen Meßeinsatzgehäuse, in dem ein Flügelrad drehbar angeordnet ist und in dessen Becherboden ein erstes Ende einer das Flügelrad tragenden Flügelradwelle gelagert ist, mit einer zweiten Lagerplatte, in der ein zweites Ende der Flügelradwelle gelagert ist, mit wenigstens einer Einströmausnehmung in einer Becherwand des Meßeinsatzgehäuses, durch den ein zu messender Zählstrom in das Meßeinsatzgehäuse einfließt, und mit wenigstens einer Ausströmausnehmung in dem Becherboden. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen eines Flüssigkeitsvolumens.
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Bei derartigen, allgemein bekannten Meßeinsätzen, wird das zu messende Flüssigkeitsvolumen, üblicherweise durch mehrere Öffnungen in der Meßbecherwand eines Meßbechers in dessen Innenbereich geführt, wobei die einzelnen Flüssigkeitsstrahlen auf die Flügel eines Flügelrades treffen, das auf einer Flügelradwelle angeordnet ist, die wiederum ein Zählwerk antreibt. Dabei führen bereits kleine Fertigungstoleranzen beim Meßbecher, insbesondere bei der Fertigung der Einströmöffnungen oder bei der Herstellung des Flügelrades zu einer merklichen Beeinflussung der Meßhydraulik und damit zu unterschiedlichen Meßergebnissen. Zudem werden die Flügelradwelle und deren Lager durch die nahezu punktförmig auf die Flügel des Flügelrades auftreffenden Flüssigkeitsstrahlen auftretenden Kräfte ungünstig, an einer vergleichsweisen kleine Stelle belastet, was sich insbesondere im oberen Drehzahlbereich der Volumenmessung bemerkbar macht, da ein nicht-linearer Zusammenhang zwischen den Strahlkräften und Lagerkräften besteht. Dies führt dazu, daß die Einströmkanäle zu den Flügeln, die Flügel, sowie weitere Komponenten eines Meßeinsatzes mit dem entsprechenden technischen Aufwand präzise geformt sein müssen, um diese Nachteile möglichst zu verringern oder zu vermeiden.
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Aus der
DE000009115728 U1 ist eine Meßeinheit für Durchflußzähler für Flüssigkeiten zum Anschluß an ein einen Auslaßkanal und einen diesen ringförmig umschließenden Einlaßkanal aufweisendes Koaxial-Anschlußstück, mit einem Meßwerkgehäuse mit einer Leiteinrichtung für die Flüssigkeit sowie einem Flügelrad bekannt geworden.
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Weiterhin offenbart die
EP 520 306 A2 einen Mehrstrahl-Wasserzähler mit einer Meßkartusche, welche in das Zählergehäuse einsetzbar ist und einen Flügelradbecher mit Flügelrad sowie mehrere tangential gerichtete Einströmkanäle umfasst.
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Aus der
DE 199 23 932 A1 ist ein Flüssigkeitszähler in Trockenläuferausführung bekannt, aufweisend eine Meßkammer mit Flüssigkeitseinlauf sowie Flüssigkeitsauslauf und Strömungskanälen zur Flüssigkeitsführung, wobei der Einlauf sowie die Strömungskanäle als Bestandteil des Meßkammerdeckels vorgesehen sind.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung, einen Meßeinsatz zu schaffen, bei dem der Einfluß der Fertigungspräzision auf das Meßergebnis verringert sowie die Einleitung der Antriebskräfte auf das Flügelrad vergleichmäßigt ist. Zudem ist es die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Messung eines Flüssigkeitsvolumens mit dem erfindungsgemäßen Meßeinsatz zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Meßeinsatz zum Antrieb eines Zählwerks eines Volumenzählers für Flüssigkeiten mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 17 zum Messen eines Flüssigkeitsvolumens mit einem Volumenzähler mit den Merkmalen.
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Demnach ist ein erfindungsgemäßer Meßeinsatz dadurch gekennzeichnet, daß der Zählstrom durch die wenigstens eine Einströmausnehmung auf einen Teilbereich innerhalb des Meßeinsatzgehäuses gerichtet ist, der außerhalb des bei der Drehung des Flügelrades von dessen Flügeln eingenommenen Bereiches liegt. Hierbei ist erfindungsgemäß ein direktes Anstrahlen der Flügel vermieden. In dem Teilbereich bildet sich eine rotierende Flüssigkeitsscheibe aus, die schließlich die Flüssigkeit im Innenbereich des Meßeinsatzgehäuses zu einer rotierenden Flüssigkeitssäule ausbildet, welche die Flügel beaufschlagt. Die Beaufschlagung wirkt vergleichsweise gleichmäßig auf die Flächen der einzelnen Flügel des Flügelrades. Die Einleitung der Antriebskräfte in das Flügelrad und die Flügelradwelle ist vorteilhaft verbessert.
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Die vergleichmäßigte Beanspruchung der Flügel und damit der Flügelradwelle sowie deren Lager, verbessert die Lagerungsbedingungen des Flügelrades.
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Zudem sinkt der Einfluß der geometrischen Detailgestaltung beziehungsweise die Anforderungen an die Fertigungspräzision auf das Meßergebnis, weil die Flügel des Flügelrades nicht mehr punktgenau angestrahlt werden müssen und demgemäß die exakte Ausrichtung der Einströmausnehmung und damit die Richtung des Flüssigkeitsstrahls eine verringerte Bedeutung hat.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Meßeinsatzes ist beispielsweise erreicht, wenn die wenigstens eine Einströmausnehmung außerhalb des axialen Bereiches in der Becherwand angeordnet ist, die dem durch das Flügelrad bestimmten axialen Bereich der Flügelradwelle entspricht. Bei dieser Ausgestaltung ist das Anstrahlen der Flügel auf besonders einfache Weise vermieden.
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Eine besonders günstige Variante des erfindungsgemäßen Meßeinsatzes erhält man, wenn die wenigstens eine Einströmausnehmung im axialen Bereich zwischen dem Flügelrad und der zweiten Lagerplatte angeordnet ist. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß die Flüssigkeitsstrahlen nicht auf die Flügel treffen und sich zudem eine axiale Strömungskomponente im Meßeinsatzgehäuse ausbildet, die zum Flügelrad weist.
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Es hat sich herausgestellt, daß sich als besonders vorteilhafter Winkelbereich für den Winkel zwischen der Strömungsrichtung des in das Meßeinsatzgehäuse einströmenden Zählstroms und der Radialen der betreffenden Einströmausnehmung eine Gradzahl von 30° bis 60° erwiesen hat. Insbesondere ein Winkel von ca. 45° ist besonders günstig für Strömungsverhältnisse innerhalb des Meßeinsatzgehäuses.
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Ein weiterer Vorteil wird erzielt, wenn im Meßeinsatzgehäuse wenigstens eine Beipassausnehmung angeordnet ist, die einen Beipassvolumenstrom von der Einströmseite unmittelbar zur Ausströmseite des Volumenzählers leitet, wobei eine Beeinflussung der Messung vermieden ist. Das heißt, daß nur ein Teilstrom des Gesamtstromes als Zählstrom zu dem die Messung beeinflussenden Bereich geleitet ist. Die Belastung der Flügelradwelle beziehungsweise deren Lagerung ist vorteilhaft verringert. Die Lebensdauer der Lagerung steigt, beziehungsweise es kann gegebenenfalls ein kleineres Lager gewählt werden.
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Wenn die folgende erfindungsgemäße Ausgestaltung gewählt wird, nämlich daß die wenigstens eine Beipassausnehmung in dem Bereich der Becherwand angeordnet ist, der zwischen dem Flügelrad und dem Becherboden liegt, wird vorteilhafterweise bereits aufgrund der Positionierung vermieden, daß der Beipassvolumenstrom die Messung beeinflußt.
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Zur Verbesserung der Strömung beziehungsweise zu Strömungsvergleichmäßigung wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß ein ringförmiger Strömungskanal auf der Außenseite des Meßeinsatzgehäuses, um die Becherwand angeordnet ist, in den der Gesamtvolumenstrom der Flüssigkeit einströmt. Durch einen derartigen Ringraum ist der Gesamtvolumenstrom strömungstechnisch besonders vorteilhaft den Einströmausnehmungen zuleitbar. Druckverluste und Strömungsverhältnisse sind optimiert.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Messen eines Flüssigkeitsvolumens mit einem Volumenzähler, der einen erfindungsgemäßen Meßeinsatz aufweist, mit einem als Becher ausgebildeten Meßeinsatzgehäuse, in dem ein Flügelrad drehbar angeordnet ist und in dessen von einer ersten Lagerplatte gebildeten Becherboden ein erstes Ende einer das Flügelrad tragenden Flügelradwelle gelagert ist, mit einer zweiten Lagerplatte, in der ein zweites Ende der Flügelradwelle gelagert ist, mit wenigstens einer Einströmausnehmung in einer Becherwand des Meßeinsatzgehäuses, durch den ein zu messender Zählstrom in das Meßeinsatzgehäuse einfließt, und mit wenigstens einer Ausströmausnehmung in dem Becherboden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kennzeichnet sich dadurch, daß der Zählstrom über die Einströmausnehmungen in einen Teilbereich des Innenbereiches des Meßeinsatzgehäuses eingeleitet wird, der außerhalb des vom Flügelrad überstrichenen Bereiches liegt, und daß eine direkte Anströmung des Flügelrades durch den eingeleiteten Zählstrom vermieden wird. Wenn der Zählstrom auf die angegebene Weise in den Teilbereich einströmt, bildet sich die bereits beschriebene Flüssigkeitssäule aus, durch welche die Flügel des Flügelrades vorteilhaft gleichmäßig beaufschlagt werden. Zudem wird die rotierende Flüssigkeitssäule auch ausgebildet, wenn die Einströmausnehmungen durch übliche Fertigungstoleranzen in ihrer Ausrichtung variieren.
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Eine besonders günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird erreicht, indem durch den Zählstrom eine rotierende Flüssigkeitssäule im Innenbereich ausgebildet wird, in der das Flügelrad mit einer von der Flüssigkeitssäule abhängigen Drehzahl mitdreht. Die Antriebskräfte der Flüssigkeitssäule wirken auf das komplette Flügelrad beziehungsweise auf alle Flächen der Flügel vorteilhaft gleichmäßig. Demgemäß werden diese Antriebskräfte optimal in das Flügelrad eingeleitet.
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Eine zweckmäßige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, den Zählstrom auf der dem Becherboden abgewandten Seite des Flügelrads in das Meßeinsatzgehäuse einzuleiten. Dann strömt der Zählstrom jedenfalls kontrolliert axial von den Einströmausnehmungen zwischen den Flügeln hindurch zu den Ausströmausnehmungen. Hier besteht der Vorteil, daß durch die erzwungene axiale, zusammen mit der radialen Strömungskomponente des Zählstromes eine gleichmäßige Belastung der Flügel erreicht wird. Die Ausbildung der rotierenden Flüssigkeitssäule wird begünstigt.
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Eine weitere Ausgestaltung schlägt vor, daß ein Beipassvolumenstrom von der Einströmseite zur Ausströmseite des Volumenzählers geleitet wird, und daß eine antreibende Wirkung der Beipassströmung auf das Flügelrad vermieden wird. Bei diesem Ausgestaltungsvorschlag wird nicht der Gesamtvolumenstrom als Zählstrom über das Flügelrad geleitet. Die Belastungen der Flügelradmechanik sind entsprechend geringer. Die möglicherweise veränderte Drehzahl des Flügelrades bei einem bestimmten Gesamtvolumenstrom wird auf einfache Weise angepaßt, beispielsweise durch eine entsprechende Übersetzung des Zählwerks, welche die veränderte Drehzahl berücksichtigt.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn durch den Zählstrom die Drehzahl des Flügelrades bei einem bestimmten Durchflußvolumen eingestellt wird. Auf diese Weise wird eine Anpassung des Übersetzungsverhältnisses des Zählwerks vermieden.
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Besonders einfach kann der Zählstrom auch durch die hydraulisch wirkende Querschnittsfläche der wenigstens einen Beipassausnehmung bestimmt werden. Gegebenenfalls zusammen mit der Einstellung des Zählstromes, wird die Drehzahl des Flügelrades sowie der Gesamtdruckabfall über den Meßeinsatz einstellbar.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Anhand der in den Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele, sollen die Erfindung, ihre Vorteile sowie weitere Verbesserungen der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.
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Es zeigen:
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1 einen erfindungsgemäßen Wasserzähler,
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2 einen zweiten Meßeinsatz mit einer Flügelscheibe,
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3 einen Hohlzylinder in Draufsicht, und
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4 den Hohlzylinder in einer Schnittansicht durch die Mittelachse.
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Die 1 zeigt beispielhaft einen ersten Wasserzähler 10 mit einem im wesentlichen kreiszylindrischen Gehäuse 12 mit je einem daran angeformten ersten Anschlußelement 14 und einem zweiten Anschlußelement 16. Hierbei bilden das erste Anschlußelement 14 die Zuströmseite und das zweite Anschlußelement 16 die Ausströmseite.
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Zwischen dem Gehäuse 12 und einem zentrisch darin eingesetzten Meßeinsatz 24 befindet sich eine Siebvorrichtung 20, die einen Ringraum 20 begrenzt.
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Der Meßeinsatz 24 hat eine im wesentlichen becherförmige Form und weist eine scheibenförmige erste Lagerplatte 26 auf, deren Durchmesser größer gewählt ist, als der eines darauf zentrisch angeordneten Hohlzylinders 28. Die erste Lagerplatte 26 weist auf der zum Gehäuse 12 weisenden Seite eine ringförmige Nut 30 auf, in der eine Dichtung 32 eingebracht ist, wobei diese verhindert, daß Wasser vom Ringraum 22 beziehungsweise von der Einströmseite des Wasserzählers 10 zwischen der ersten Lagerplatte 26 und dem Gehäuse 12 hindurch, auf die Ausströmseite gelangen kann. Außerdem hat die erste Lagerplatte 26 eine Anzahl von Durchlaßöffnungen 34, die um ein Zentrum 36 gleichverteilt angeordnet sind. Die Durchlaßöffnungen 34 ermöglichen es dem in dem Meßeinsatz befindlichen Wasser, zur Ausströmseite des Wasserzählers 10 zu strömen. Des weiteren sind in der ersten Lagerplatte 26 eine Reihe von Beipasskanälen 38 angeordnet, die Wasser vom Ringraum 22 in die Durchlaßöffnungen 34 und damit zur Auslaßseite des Wasserzählers 10 leiten. Im Zentrum 36 ist ein erstes Lager 40 angeordnet, welches ein erstes Wellenende 35 einer Flügelradwelle 42, auf der ein Flügelrad 44 angeordnet ist, lagert. Auf der dem ersten Wellenende 35 abgewandten Seite des Flügelrades 44 ist eine erste Magnetkupplungshälfte 46 angeordnet, die durch eine entsprechende Ausgestaltung des Flügelrades 44 fixiert ist. Ein zweites Wellenende 48 der Flügelradwelle 42 ist in einem zweiten Lager 50 gelagert, das mittig in einer scheibenförmigen zweiten Lagerplatte 52 angeordnet ist. Der Hohlzylinder 28 hat in seinem zur zweiten Lagerplatte 52 weisenden Randbereich mehrere Schlitze 45, die zusammen mit der die Schlitze 45 abdeckenden zweiten Lagerplatte 52, Einlaßkanäle 54 ausbilden. Durch diese Einlaßkanäle 54 tritt Wasser aus dem Ringraum 22 in den Innenbereich des Meßeinsatzes 24, der durch die zweite Lagerplatte 52, den Hohlzylinder 28 sowie die erste Lagerplatte 26 begrenzt ist.
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Auf der dem Hohlzylinder 28 abgewandten Seite der zweiten Lagerplatte 52 ist eine Zwischenplatte 56 mittels eines Gewindes 58 in das Gehäuse 12 eingeschraubt, die an der zweiten Lagerplatte 52 anliegt und den Meßeinsatz 24 gegen das Gehäuse 12 verspannt. Auf der dem Meßeinsatz 24 abgewandten Seite der Zwischenplatte 56 ist ein Zählwerk 58 in einem Zählwerkbecher 60 angeordnet, das mittels einer mit der Flügelradwelle 42 fluchtenden Antriebswelle 62, angetrieben wird. Die Antriebswelle 62 weist an dem zur Zwischenplatte 56 weisenden Wellenende eine zweite Magnetkupplungshälfte 64 auf, die durch die magnetische Kopplung mit der ersten Magnetkupplungshälfte 46 durch diese, entsprechend der Drehzahl des Flügelrades 44, gedreht wird. Eine Klarsichthaube 66 ist in die Zwischenplatte 56 eingerastet und fixiert derart das Zählwerk 58 auf der Zwischenplatte 56. Eine erste Dichtung 68 schützt das Zählwerk 58 vor Verunreinigungen durch die Umgebung. Eine zweite Dichtung 70 zwischen dem Gehäuse 12 und der Zwischenplatte 56 verhindert, daß Wasser aus dem Gehäuse 12 in die Umgebung austreten kann.
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Der zu messende Wasserstrom tritt von einer in der Figur nicht dargestellten Wasserleitung, die mit dem ersten Anschlußelement 14, verbunden ist, in einen Einströmbereich 72 des Wasserzählers 10 ein. Von dort wird der gesamte Wasserstrom, der die Siebvorrichtung 20 durchströmt, in den Ringraum 22 geleitet, wo sich das Wasser gleichmäßig verteilt.
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Erfindungsgemäß wird der Wasserstrom durch den Meßeinsatz 24 in einen Beipassstrom und einen Teilstrom aufgeteilt. Dabei fließt der Teilstrom durch die Einlaßkanäle 54 in den Innenbereich des Meßeinsatzes 24. Der Teilstrom wird durch eine entsprechende Anordnung und Gestaltung der Einlaßkanäle 54, die in den nachfolgenden Figuren näher beschrieben sind, so gerichtet, das die Flügel des Flügelrades 44 nicht direkt angestrahlt werden. Hierzu wird der Teilstrom in einen freien Bereich des Innenraums des Meßeinsatzgehäuses 26, 28, der zwischen der zweiten Lagerplatte 52 und dem der zweiten Lagerplatte 52 zugewandten axialen Ende des Flügelrades 44 liegt, gerichtet. Hier bildet sich eine rotierende Flüssigkeitsscheibe, die nach und nach anwächst, bis der gesamte Innenraum zu einer rotierenden Flüssigkeitssäule geworden ist und diesen ausfüllt. Unterstützt wird dieser Vorgang, indem die Ausströmausnehmungen 34 auf der den Einströmkanälen 54 gegenüberliegenden axialen Seite des Flügelrades 44 liegt. Die Flügel des Flügelrades 44 erstrecken sich in diese drehende Flüssigkeitssäule und beaufschlagen die Flügelradwelle 42 mit einer Drehzahl, die abhängig vom Teilstrom ist.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind auch Beipasskanäle 38 vorgesehen, durch welche der Beipassstrom vom Ringraum 22 zu den Durchlaßöffnungen 34 geleitet wird. Der aus Innenbereich ausströmende Teilstrom wird an dieser Stelle mit dem Beipassstrom vermischt und gelangt in den Ausströmbereich 74 des Wasserzählers und von dort zurück in die Wasserleitung, wobei diese wiederum nicht dargestellt ist. Die Stelle, an der der Teilstrom und der Beipassstrom wieder zusammengeführt werden, liegt stromabwärts vom Flügelrad. Eine antreibende Wirkung der Beipassströmung auf das Flügelrad 44 ist so vermieden, das heißt, die Drehzahl des Flügelrades 44 ist unabhängig vom Beipassstrom. Hierin liegt der wesentliche Vorteil der Erfindung. Mit der Bestimmung des Beipassstroms, beispielsweise durch die Festlegung der Querschnittsflächen der Beipasskanäle 38, kann der Teilstrom, der wiederum die Drehzahl der das Zählwerk 58 antreibende Flügelradwelle 42 bestimmt, auf einfache Weise festgelegt werden.
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Der Teilstrom kann aber ebenso einfach durch die Wahl der Querschnittsflächen der Einströmkanäle 54 verändert werden. Besonders vorteilhaft ist es, die Querschnittsflächen der Einströmkanäle 54 sowie die Beipasskanäle 38 so aufeinander abzustimmen, daß ein insgesamt möglichst geringer Druckabfall durch den Wasserzähler 10 entsteht, zugleich jedoch die weiteren Auslegungsbedingungen beachtet werden.
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2 zeigt einen zweiten Meßeinsatz 25, der bei wesentlichen Bauelementen mit dem Meßeinsatz 24 konstruktiv weitgehend übereinstimmt. Daher werden für die vergleichbaren Bauelemente auch die gleichen Bezugszeichen verwendet und im folgenden wird insbesondere auf die Unterschiede eingegangen.
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Auf der Flügelradwelle 42 ist eine Flügelradscheibe 76 angeordnet. Die Flügelradscheibe 76 weist mehrere über deren Umfang gleich verteilte Langlöcher 78 auf, die in dieser Ansicht im Schnitt dargestellt sind, und ist außerdem bei einem ungefähr gleich großen Durchmesser wie das Flügelrad, mit etwa zwei Drittel der entsprechenden axialen Ausdehnung vergleichsweise dünner als das Flügelrad. Eine Magnetkupplung 65 ist bei dieser Anordnung in einem Magnetkupplungsträger 80 gehalten, der auf der Flügelradwelle 42 so angeordnet ist, daß dieser die Flügelradscheibe 76 gerade berührt und diesen als Anschlag benutzt.
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Des weiteren ist in dieser Fig. eine napfförmige Verdrehsicherung 82 gezeigt, die den Zusammenbau der zweiten Lagerplatte 52 mit dem Hohlzylinder 28 erleichtert, indem die Verdrehsicherung 82 nur eine technisch sinnvolle Position der beiden Bauteile zueinander ermöglicht.
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3 zeigt den Hohlzylinder 28 in einer Draufsicht auf die Seite, die zur zweiten Lagerplatte 52 weist. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine bevorzugte Ausgestaltung des Hohlzylinders im Bereich der Einlaßkanäle 54 gezeigt. Es sind acht der Einlaßkanäle 54 gleich über den Umfang verteilt. Dabei ist jeder der Einströmkanäle 54 als rechteckige Nut ausgebildet, die einen Winkel von 45° zum betreffenden Radius aufweisen. Der durch die Einströmkanäle 54 fließende Teilstrom wird mit ca. 45° in den Innenbereich des entsprechenden Meßeinsatzes 24, 25 eingeleitet und erzeugt derart eine rotierenden Strömung.
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4 zeigt den Hohlzylinder 28 in einer Schnittansicht durch dessen Symmetrieachse 82. Auf der zur ersten Lagerplatte 26 weisenden Seite ist an dem inneren Durchmesser eine ringförmige Ausnehmung 84 angeordnet, in welche die erste Lagerplatte 26 formschlüssig einsteckbar ist, was den Zusammenbau des Meßeinsatzes 24 erleichtert.
