DE1750883A1 - Magnetische Kupplung - Google Patents

Description

Patentanwalt

Dipl.-Ing. R.Schomarus
Hannover, Theaterstraße2 Bannover, den 12. Juni

Tel.: 24911

Betr. ί .:H 293/A/Ge - Anmelder! Firma Halliburton Company

Duncan, Oklahoma 73533 . U. S. A.

Magnetische Kupplung Da.

Me Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer magnetischen Kupplung zwischen einer Antriebs- und Abtriebswelle, insbesondere von Meßgeräten zur Anzeige stark schwankender Werte.

ς Es gibt zahlreiche Meßgeräte für strömende Flüssigkeiten, bei denen der Anzeigemechanismus (durch den Flüssigkeitsstrom angetrieben), gegen die Strömung flüssigkeitsdicht abgekapselt sein muß. Das ist insbesondere zur Vermeidung von Störungen des Anzeigemechanismus sowie zur Vermeidung

■jo einer Verunreinigung der Flüssigkeit oder auch beim Messen von aggressiven Flüssigkeiten wichtig. In der Strömungsmeßtechnik ist es allgemein Üblich, innerhalb einer Strömungskammer, die durch nichtmagnetische Dichtungen abgetrennt ist, den Antrieb für das Meßgerät unterzubringen

,/£■ und durch eine magnetische Kupplung mit dem Registrier- bzw. Anzeigemechanisraus zu kuppeln. Die Umdrehungen des Antriebs entsprechend der Flüssigkeitsströmung, werden damit auf den Mechanismus zum Registrieren bzw. Anzeigen des Meßwertes übertragen, ohne daß die Gefahr des Leckwerdens von • Dichtungen zwischen feststehenden und drehenden Teilen auf-

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treten kann. Dieser Vorteil wird allerdings vielfach durch folgenden Nachteil aufgewogen:

Bei größeren Schwankungen der Meßwerte, z. B. bei der Flüssigkeitsmessung der Durchsatzmengen treten große Beschleunigungen bzw· Verzögerungen der treibenden und angetriebenen Teile auf. Hierdurch kann es zu einer Unterbrechung der magnetischen Kupplung zwischen den treibenden und angetriebenen Teilen kommen. Es wurde deshalb versucht, große Magnete einzusetzen, die zum Aufrechterhalten der Kupplung ein genügend starkes Magnetfeld besitzen, auch falls die sich drehenden Teile großen Beschleunigungen unterworfen worden sind. Der Einsatz eines großen Magnetes erhöht aber gleichzeitig die Massenträgheit des angetriebenen Elementes, sofern es an dem Magneten befestigt ist oder, sofern der Magnet an der treibenden Welle befestigt ist, erhöht er die Massenträgheit des antreibenden Teiles. Eine Erhöhung der Massenträgheit der angetriebenen Welle erfordert aber auch eine Erhöhung der magnetischen Kraft, um die magnetische Kupplung aufrechtzuerhalten· Eine Erhöhung der Trägheit der treibenden Welle vermindert die leichte Ansprechbarkeit auf Änderungen in der Flüssigkeitsströmung. Die Fehlanzeigen, die daraus resultieren, können sehr beträchtlich sein·

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SAD OfHGtNAt

Es ist sehr schwierig, wenn nicht gar unmöglich, eine magnetische Kupplung zwischen der antreibenden und angetriebenen Welle wiederherzustellen, nachdem einmal die Kupplung unterbrochen worden ist. Ist z. B. bei einem Strömungsmeßgerät die Beschleunigungsfähigkeit des antreibenden Elements in Abhängigkeit von der Flüssigkeitsströmung größer als die größtmögliche Beschleunigung des angetriebenen Elementes, wird die Kupplung zwischen diesen beiden unterbrochen. Ist aber die Kupplung zwischen ungleichen KLen einmal unterbrochen, wird die Unterbrechung durch die Abstoßung zwischen den gleichen Polen noch verstärkt. Die Kraft der Abstoßung zwischen gleichen Polen führt also dazu, daß das angetriebene Element sogar noch verzögert wird und die Meßergebnisse völlig unbrauchbar werden.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, wodurch eine magnetische Kupplung zwischen antreibenden und angetriebenen Gliedern' im Anschluß an eine Unterbrechung schnell wieder hergestellt wird. Die Erfindung soll insbesondere geeignet sein, eine magnetische Kupplung zwischen einem antreibenden Glied mit geringer Massenträgheit und einem angetriebenen Teil mit hoher Massenträgheit-wiederherzustellen, nachdem die Kupplung infolge zu hoher Beschleunigung des antreibenden

unterElementes / brochen worden ist.

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Das erfindungsgemäße Verfahren ist gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Herstellung einer magnetischen Kupplung zwischen der Antriebswelle und einem auf der Abtriebswelle angeordneten magnetischem Element sowie dessen Beschleunigung auf die Drehzahl der Antriebswelle;

b) Angleichung der Drehzahlen von An- und Abtriebswelle durch die Abgabe eines mechanischen Impules von dem beschleunigten magnetischen Element an die Abtriebswelle;

c) Herstellung einer magnetischen Kupplung zwischen den mit gleichen oder nahezu gleichen Drehzahlen umlaufenden An- und Abtriebswellen·

Zur Durchführung des Verfahrens kann gemäß eines weiteren Kennzeichens der Erfindung auf der Abtriebswelle ein magnetisches Element drehbeweglich angeordnet und mit Mitteln zur Begrenzung seiner Drehbewegung auf weniger als eine volle Umdrehung ausgerüstet sein, wobei die Abtriebswelle mit dem magnetischem Element von der hohl ausgebildeten und koaxial zur Abtriebswelle angeordneten Antriebswelle und einem darin angebrachten zylinderförmigen Magneten umfaßt ist. Vorteilhafterweise sind das

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magnetische Element der Abtriebswelle als auch der Magnet der Antriebswelle zylinderförmig ausgebildet und permanentmagnetisch, wobei sie die gleiche Polzahl aufweisen· Die Pole erstrecken sich dabei zweckmäßig über die gesamte Länge der Magneten. Zur Begrenzung der Drehbewegung des zylinderförmigen Elements der Abtriebswelle kann ein an einem Ende des Elementes angebrachter Absatz dienen, gegen dessen Schulter sich ein Anschlagstift der Abtriebswelle legt. Um einer plötzlichen Beschleunigung der antreibenden Welle folgen zu können, ist es vorteilhaft, das magnetische Element der Abtriebswelle hinsichtlich seiner Massenträgheit gegenüber der Abtriebswelle kleinzuhalten. Bei einer Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Strömungsmesser für Flüssigkeiten kann die Abtriebswelle mit ihrem magnetischen Element in einer nicht-magnetischen Hülse flüssigkeitsdicht angeordnet sein. Es ist zweckmäßig, daß hierbei die Antriebswelle als verlängertes hohles Nabenstück eines in einer Strömungskammer drehbar gelagerten Flügelrades ausgebildet ist und den zylindrischen, die Abtriebswelle -einschließlich deren nichtmagnetische Hülse umfassenden Permanentmagneten zum Antrieb der Abtriebswelle trägt. Die Mittel zum Anzeigen bzw. Aufzeichnen der Meßwerte können vorteilhafterweise direkt an der Abtriebswelle angebracht sein, so daß Verfälschungen der Meßergebnisse nicht auftreten können.

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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung bei einer Verwendung in einem Meßgerät für strömende Flüssigkeiten dargestellt und näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht des Fließmeßgerätes

in dem die erfindungsgemäße Einrichtung eingebaut ist,
Fig. 2 eine Frontansicht des Fließmeßgerätes nach Fig. 1,

Fig. 3 den Längsschnitt III-III der Fig. 2, Fig. 4 die perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Teil im Ausschnitt,

Fig. 5 den Querschnitt V-V nach VFig. 3 und die Fig. 6-12 Querschnitte VI-VI der Fig. 3 zur Darstellung der aufeinanderfolgenden Verfahrensschritte.

Das Gehäuse des Fließmeßgerätes ist unterteilt in einen napfförmig ausgebildeten, hinteren Teil 12 und ein zylindrisches Frontteil 10. Das Frontteil 10 nimmt ein Meßinstrument 15 zur Anzeige der Fließgeschwindigkeit bzw. der Menge der durchlaufenden Flüssigkeit auf. Eine kreisförmige Scheibe 14 ist hermetisch durch die Dichtung

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abgeschlossen und läßt die Betrachtung der Skala 16 des Meßinstrumentes 15 zu. Das vordere Teil 10 des Gehäuses hat eine Aussparung Iß, worin über einen Stift 20 eine Deckplatte 22 gelagert ist, die normalerweise die vorderste Seite des Gehäuses überdeckt. Die Platte kann zum Betrachten der Skala 16 angehoben werden und schützt im geschlossenen Zustand die Scheibe 14 und die dahinter angebrachten Elemente. Der hintere große Teil 12 enthält eine Strömungskammer 24, die durch die Seitenwände 23, 25 und nach vorn durch den Einsatz 4# begrenzt wird. In der Kammer 24 ist der Antrieb 32 auf einer festen Achse 30 drehbar gelagert. Der Antrieb 32 besteht aus einem Flügelrad mit einem Nabenteil 34 und mehreren flachen Blättern 36 von gleicher Größe, die sich radial von der Achse 30 in die Kammer 24 erstrecken. Zu beiden Seiten der Gleitlager 3Ö des Antriebes 32 befinden sich Zwischenstücke 42 und und zur Verlängerung einer axialen Verschiebung dient ein Federring 46. Die Achse 30 ist in einer einschraubbaren Distanzbuchse 40 fest angeordnet.

Wie aus den gestrichelten Linien der Figur 2 hervorgeht, wird der Kammer 24 über die Zuführung 26 und die Auslaßöffnung 2Ö die Flüssigkeit zu- bzw. abgeführt. Zur Abdichtung der Strömungskammer 24 neben dem Vorderteil 10 des Gehäuses dient das Trennstück 48, das über ein Rundeisen 50 in der Nut 52 der ringförmigen Wandung 47 ge-

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sichert ist. Gegenüberliegend ist die Feder 54 in Nuten der Wand 23 bzw. der Wandung 47 angeordnet. In dem innerhalb des Gehäuses des Teils 10 befindlichen Raum 53 ist an Befestigungselementen 64 bzw. 62 ein übliches, nicht näher dargestelltes Meßgerät 15 angeordnet. Die hintere Fläche 55 des Trennstückes 4Ö, das als Trennwand dient, bildet die vordere Wand der Strömungskammer 24. Zum Abdichten dient die ringförmige Dichtung 5Ö in der Aussparung 60 des Trennstückes 4#. Das Trennstück 4Ö greift mit einem Absatz um die Kante 49 des hinteren Gehäuseteils 12 herum und ist über eine Schraube 66 in der Aussparung 6Ö mit dem vorderen Gehäuseteil 10 verbunden.

Zur Abdichtung zwischen der Wand 51 des vorderen Gehäuseteils 10 und der ringförmigen Wand 47 des Trennstückes 4Ö dient eine ringförmige Dichtung 72, die in eine Ringdurchführung 74 der Wandung 47 des Trennstückes 4Ö gepreßt ist. Zur Zentrierung des Trennstückes 4Ö in bezug auf das Gehäuseteil 10 dient die ringförmige Nut 70.

Das Trennstück 4Ö ist mit einer zentrischen Bohrung versehen, in die eine Dichthülse 76, die sich in die Strömungskammer 24 erstreckt, eingeschraubt ist. Zur seitlichen Abdichtung dient die ringförmige Dichtung 7Ö,

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die zwischen die anliegende Schulter der Hülse 81, 76 und die Schulter 82 des T. r e nnstückes gepreßt ist. Die Hülse 76 besteht aus nichtmagnetischem Material und ist mit einer zentrischen Bohrung versehen, die sich von der Seite des vorderen Gehäuseteils IQ in das Innere der Hülse 76 erstreckt. Die Hülse 76 bildet einen Zylinder, der an seinem rückwärtigen Ende geschlossen ist und die Strömungskammer von der vorderen Kammer 53 trennt. Die Bohrung der Hülse 76 ist mit 83 bezeichnet, in ihr ist die angetriebene Welle 80 drehbar gelagert. Die Welle 80 trägt ein Ritzel 85, das ein übliches Anzeigeinstrument anzutreiben hat, was nicht näher gezeigt ist. Auf der Welle 80 ist ein zentrischer Magnet 86 drehbar gelagert, und zwar am hinteren Ende der Welle 80. Der Magnet ist bipolar, dessen Pole sich über seine ganze Länge parallel zur Wellenachse erstrecken. Eine axiale Versetzung des Magneten 86 auf der Welle 80 wird durch Gleitlager 84 am vorderen Ende des Magneten 86 verhindert und am rückwärtigen Ende durch die Anordnung eines Zwischenstückes 88und einer Ringfeder 90. An seinem vorderen Ende ist der zylindrische Magnet absatzförmig ausgebildet, und »war durch einen Einschnitt bis zur Mittellinie des Magneten, so daß eine Schulter 92 entsteht, die sich in axialer Richtung erstreckt, (Figur 4). Kin Ansehlagstift 94 der auf der Welle 80 befestigt ist, befindet sich la Bereich des Ab-

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satzes mit der Schulter 92 des Magneten 86. Dadurch wird die Drehung des Magneten 86 auf der Welle 80 auf annähernd 130 begrenzt, denn der Stift 94 kommt einmal an der einen Seite der Schulter 92 und anschließend an der gegenüberliegenden Seite dieser Schulter zum Anliegen.

Der Antrieb 32 hat einen zylindrischen Vorsprung 96, der als Verlängerung der Nabe 34 bezeichnet werden kann und parallel zur zylindrischen Fläche 97 der Hülse 76 verläuft. Innerhalb der Verlängerung 96 an den Innenwänden 95 anliegend, ist ein Magnet 98» ebenfalls bipolar, eingeschoben und durch Preßsitz gehalten. Der zylindrische Magnet 98 umgibt den Magneten 86, wobei sich zwischen den genannten Magneten die Hülse 76 erstreckt.

Die in der Strömungskammer 24 an der Vor- und Bückseite angebrachten Leitplatten (Statoren) 10O₉ sind jeweils • mit einer zentrischen Bohrung zur Aufnahme der Hohlwelle 96 bzw. <te Distanzstücks 40 versehen und weisen eine Anzahl kreisförmig angeordneter Bohrungen 102 auf, die die Flüssigkeitsströmung so beeinflussen, daß eine mehr liniare Besiehung zwischen der Geschwindigkeit und der Strömung erreicht wird.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung dltntn di· Figuren 6 bia 12. Bti einer stationär« Ströeung

109813/0627 . 11.

■wird der Antrieb 32 gleichmäßig angetrieben, so daß die Welle 80 synchron mit dem Antrieb 32 infolge der magnetischen Kupplung zwischen den Magneten 86 und 98 laufen wird. Bei einer plötzlichen Erhöhung der Flüssigkeitsströmung wird der Antrieb 32 und damit der Magnet 98 beschleunigt. Der Magnet 86 der Welle 80 wird versuchen, dem Magneten 98 zu folgen, wobei er jedoch infolge des Anliegens des Anschlagstiftes 94 an der Schulter 92 des Magneten die Welle 80 mitbeschleunigen muß. Hat die Welle 80 jedoch eine verhältnismäßig große Massenträgheit, so daß die magnetischen Kräfte für eine plötzliche Beschleunigung nicht ausreichen, wird die magnetische Kupplung zwischen den Magneten 86 und 98 unterbrochen. Der Magnet98 wird, wie insbesondere auf Figur 7 ersichtlich, dem Magnet 86 vorauseilen, wobei zunächst das Drehmoment bis auf ein Maximum ansteigen wird, da die Anziehungskräfte zwischen den ungleichen Polen und die sich abstoßenden Kräfte-zwischen den gleichen Polen eine tangentiale Lage zueinander einnehmen werden. Sobald die magnetische Kupplung zwischen den Magneten 86 und 98 unterbrochen ist, wird der Magnet 98 seine Rotation relativ zum Magneten fortsetzen. Wie aus Figur 8 hervorgeht, nimmt das Drehmoment infolge der Annäherung der gleichen Pole weder ab, jedoch wirkt diese Abstoßung nach wie vor beschleunigend auf die Welle 80 infolge des Anliegen des Anschlagstiftes

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an der Schulter 92. Wie aus Figur 9 hervorgeht, wird der Magnet 98 seine relativ zum angetriebenen Magneten 86 eingeleitete Drehung fortsetzen. Sobald die gleichen Pole aneinander vorbeigehen, werden die einander abstoßenden Kräfte unmittelbar eine Rückdrehung des Magneten 86 auf der Welle 80 einleiten, wie insbesondere aus der Figur 10 anhand der gestrichelten Linien ersichtlich ist. Der Magnet 86 kann sich dabei um nahezu 180° zurückdrehen. Der Magnet 86 hat eine sehr kleine Massenträgheit und wird deshalb bei dieser Bückdrehung eine magnetische Kupplung zum Magneten 98 herstellen, wie aus Figur 11 deutlich erkennbar. Damit wird der Magnet 86 dem Magneten 98 folgen, bis die Schulter 92 des Magneten 86 gegen den Anschlagstift 94 der Welle 80 schlägt, wie in Figur 12 dargestellt. Das Anschlagen der Schulter 92 des Magneten 86 gegen den Stift 94 wird die Geschwindigkeit des Magneten 86 auf diejenige der Welle 80 herabsetzen, jedoch wird der dabei auf die Welle 80 übertragene Impuls ihre Beschleunigung einleiten. Falls die magnetischen Kräfte nicht ausreichen sollten um nunmehr eine Kupplung zwischen der Welle 80 und dem Antrieb 32 herzustellen, kann dieser Vorgang mehrmals schnell wiederholt werden bis schließlich eine magnetische Kupplung hergestellt werden kann und die Welle 80 auf die Geschwindigkeit des Antriebs 32 beschleunigt worden ist. Die Kraft, mit der die Schulter 92 des Magneten 86 gegen den Stift 94 schlägt, ist natürlich eine Funktion der Differenz zwischen den Geschwindigkeiten des Antriebs 3 2 und der W.U. 80, 109813/0627

so daß die magnetische Kupplung zwischen den ungleichen Polen der Magneten 86 und 98- aufrechterhalten werden kann. Der vorstehend geschilderte Vorgang der Beschleunigung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ebenso bei einer Verzögerung des Antriebs 32 zum Erfolg führen. In diesem Falle wird nach einer Unterbrechung der Kupplung die Welle 80 ihre Drehung beibehalten, während der Magnet 98 infolge der Verzögerung des Antriebs 32 gegenüber der Welle 80 mit dem Magneten 86 zurückbleiben wird. Der Magnet 86 wird mit seiner Schulter 92 verzögernd gegen den Anschlagstift 94 der Welle 80 schlagen.

Auf diese Weise ist es möglich, einen leictten Antrieb zum Antreiben einer Welle zu benutzen, die eine beträchtliche Massenträgheit hat, z. B. bei einem Tachometer, wobei die Teile der magnetischen Kupplung nur ein geringes Gewicht haben. Die vorstehend beschriebene magnetische Kupplung arbeitet mit konzentrisch angeordneten magnetischen Elementen, jedoch ist es möglich, daß die Erfindung auch bei anderen Magnetanordnungen angewendet werden kann, z. B. wenn die Magnete den gleichen radialen Abstand von der Wellenachse haben. Auch die Anwendung der Erfindung bei einem Strömungsmelgerät ist nur beispielhaft, es ist davon unabhängig, eine Vielzahl von Verwendungsmöglichkeiten, die hier nicht naher erläutert wurden, denkbar·

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Claims (10)

Patentansprüche *■——

1. Verfahren zur Herstellung einer Magnetischen Kupplung zwischen einer Antriebs- und einer Abtriebswelle, insbesondere von Meßgeräten zur Anzeige stark schwankender Werte, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Herstellung einer magnetischen Kupplung zwischen

der Antriebswelle und einem auf der Abtriebswelle drehbar angeordneten magnetischen Element (86) sowie dessen Beschleunigung auf die Drehzahl der Antriebswelle,

b) Angleichung der Drehzahlen von An- und Abtriebswelle durch übertragung eines mechanischen Impulses von dem beschleunigten magnetischen Element (86) auf die Abtriebswelle,

c) Herstellung einer magnetischen Kupplung zwischen den mit gleichen otter nahezu gleichen Drehzahlen umlaufenden An- und Abtriebswellen·

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das auf .der Abtriebswelle (80) drehbeweglich angeordnete magnetische Element (86) mit Mitteln (92) zur Begrenzung seiner Drehbewegung auf weniger als eine voll· Umdrehung ausgerüstet ist, wobei die Abtiiebswelle (80) mit dem magnetischen Element (86)von der hohl ausgebildeten und koaxial sur Abtriebswelle (80) angeordneten Antriebewelle (96) und eisen darin angebrachten lylinderfurnigen Magneten (98) umfaßt 1st.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Element (86) der Abtriebswelle (80) als zylinderförmiger Permanentmagnet ausgebildet ist, dessen Pole sich über die ganze Länge des Magneten erstrecken.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zylinderförmige Magnet (98) der Antriebswelle (96) permanentmagnetisch ist und die gleiche Polzahl wie das magnetische Element (86) der Abtriebswelle (80) aufweist, wobei sich die Pole über die gesamte Länge d. Magneten erstrecken.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 4> dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Element (86) der Abtriebswelle (80) und der Magnet (98) der Antriebswelle (96) jeweils zwei Pole haben.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Begrenzung der Drehbewegung des magnetischen Elements (86) der Abtriebswelle (80) ein an einem Ende des Elementes (86) angebrachter Absatz dient, gegen dessen Schulter (92) sich ein Anschlagstift (94) der Abtriebswelle (80) legt.

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7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Element (86) der Abtriebswelle (80) im Verhältnis zur Abtriebswelle (86) eine geringe Massenträgheit besitzt.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 7 bei einer Verwendung in einem Strömungsmesser für Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtriebswelle mit ihrem magnetischen Element (86) in einer nichtmagnetischen

* Hülse (76) flüssigkeitsdicht angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (96) als verlängerte, hohle Nabe eines in einer Strömungskammer (24) drehbar gelagerten Flügelrades (32) ausgebildet ist und den zylindrischen, die Abtriebswelle (80) einschließlich deren nichtmagnetische Hülse (76) umfassenden Permanentmagneten (98) zum Antrieb der Abtriebswelle trägt.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 und 9» dadurch gekennzeichnet, daß an der Abtriebswelle (80) Mittel (85, 87) zum Anzeigen bzw. Aufzeichnen der Meßwerte angebracht sind.

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