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Die Erfindung bezieht sich auf Flüssigkeitsmengenmesser und
insbesondere auf Ringkolbenzähler. Die Verwendung solcher
Ringkolbenzähler ist eine dem Fachmann geläufige Technik, die
für ihre Präzision und Funktionssicherheit anerkannt ist.
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Ein Zähler dieser Art ist im Oberbegriff des Anspruchs 1
beschrieben und beispielsweise in dem Dokument US-A-
3,369,399 offenbart.
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Das Hauptelement dieses Zählers ist gebildet durch eine mit
dem Bezugszeichen 1 in Figur 1 versehene zylindrische
Kammer. Diese Kammer umfaßt eine Seitenwand 6, einen Boden 7,
einen Deckel 8 und umschließt einen Kolben 2. Ein kleiner
Zylinder 11 ist durch den Boden 7 der Kammer 1 abgestützt,
während ein kleiner Zylinder 12 mit dem gleichen Durchmesser
durch den Deckel 8 getragen ist. Diese beiden kleinen Zylinder
sind in bezug auf die Achse 26 der Kammer 1 zentriert.
Außerdem ist eine Rolle 14 im Zentrum des kleinen Zylinders 11
angeordnet. Eine feste Trennwand 9 mit parallelen Flächen ist an
der Innenseite der Seitenwand 6 der Kammer angeordnet und
erstreckt sich in radialer Richtung über die gesamte Höhe
dieser Seitenwand bis zu den kleinen Zylindern 11, 12. Der
Kolben 2 ist durch einen Zylinder gebildet, der im mittleren
Bereich durch eine perforierte ebene Wand 3 unterteilt ist. Der
Durchmesser des Kolbens ist etwas geringer als der
Durchmesser der Kammer 1. Eine vertikale Ausnehmung 4, die entlang
einer Erzeugenden des Kolbens vorgesehen ist, mündet auf dem
Niveau der ebenen Wand in eine Öffnung 5, die die Birne des
Kolbens genannt wird. Die ebene Wand 3 des Kolbens ist im
Zentrum ihrer beiden Flächen mit Zapfen 13 versehen. Ein
Zapfen ist an der Oberseite der ebenen Wand und ein Zapfen
ist an der unteren Seite der Innenwand vorgesehen. Der
letztere hat einen größeren Durchmesser als der Zapfen an der
Oberseite der ebenen Wand 3. Während des Schließens des
Deckels 8 der Kammer gelangen die Ränder der beiden kleinen
Zylinder 11, 12 an die ebene Wand 3 des Kolbens, die dann
zwischen den beiden kleinen Zylindern 11, 12 liegt, welche die
ebenen Bewegungen zulassen. Andererseits greift die feste
Trennwand 9 zwischen die Ränder 10 der Ausnehmung 4 und
ins Innere der Birne 5 des Kolbens.
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Öffnungen mit besonderer Form sind in dem Boden 3 der
Kammer zu beiden Seiten der festen Trennwand 9 vorgesehen.
Wenn der Zähler in Betrieb ist, dringt Flüssigkeit in die
Kammer durch eine der genannten Öffnungen, die als
Einlaßöffnung 24 bezeichnet wird, in die Kammer ein und verläßt diese
wieder durch die andere Öffnung, die als Auslaßöffnung 25
bezeichnet wird. Der Raum zwischen der äußeren Fläche des
Kolbens 2 und der inneren Fläche der Kammer 1 bildet zwei
Zellen. Ebenso bildet der Raum zwischen der inneren Fläche des
Kolbens und der äußeren Fläche der kleinen Zylinder 11, 12
zwei andere Zellen. Die beiden Zellen, die in die Einlaßöffnung
münden, werden die Einlaßzellen genannt und die beiden
Zellen, die in die Auslaßöffnung münden, werden Auslaßzellen
genannt. Die zu messende Flüssigkeit, die in die Einlaßzellen
eindringt, überträgt ihre Energie auf den Kolben, der in
Rotation versetzt wird und dabei ein gegebenes Flüssigkeitsvolumen
über die Auslaßöffnung nach außen aus der Kammer
verdrängt. Der Kolben oszilliert längs der festen Trennwand
entsprechend einer für solche Ringkolben typischen Bewegung,
wobei die Achse des Kolbens einen Kreis um die Achse der
zylindrischen Kammer beschreibt, während die Ränder 10 der
Ausnehmung, die gewöhnlich als Kolbenlippen bezeichnet
werden, längs den Wänden der festen Trennwand gleiten. Der
untere Zapfen der ebenen Wand 3 ist drehbar geführt längs der
Innenwand des kleinen Zylinders 11 und der Rolle 14. Die
Rotation des Zapfens der oberen ebenen Wand 3 inkrementiert
einen Drehzahlmesser mit Zählwerk.
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Diese bekannten Zähler weisen einige Nachteile auf, die mit
den unzulänglichen mechanischen Wechselwirkungen
zusammenhängen, die zwischen dem Kolben und den festen
Elementen der Kammer existieren.
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Zuallererst ist die Präzision der Zähler durch die Existenz von
Flüssigkeitsleckagen begrenzt, die zwischen den verschiedenen
Zellen und insbesondere zwischen den Kolbenlippen und der
festen Trennwand, aber auch zwischen den unteren bzw.
oberen Rändern des Kolbens und dem Boden bzw. dem Deckel der
Kammer und zwischen den Rändern der kleinen Zylinder und
der ebenen Wand des Kolbens eintreten.
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Gemäß Figur 2 existiert eine Zwischenstellung P2 des Kolbens
2 an der festen Trennwand 9, in welcher die Ränder 10 der
Ausnehmung 4 beide in Kontakt mit der Trennwand stehen. Bei
einer solchen Position P2 ist das Spiel ein Minimum. Damit
dennoch die Position P2 möglich ist, ist es notwendig, daß der
Abstand der Ränder der Ausnehmung ein großes Maß aufweist,
größer als dies der Dicke der Trennwand 9 entspricht. Dies hat
zur Folge, daß man ein vorübergehendes Spiel beläßt, durch
welches sich die Flüssigkeitsleckagen während der
verschiedenen oszillierenden Bewegungsphasen des Kolbens einstellen.
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Weiterhin sind andere Flüssigkeitsleckagen aufgrund der
Existenz von Spielen zwischen dem unteren Rand 15 und dem
Boden 7 bzw. oberen Rand 16 des Kolbens 2 und dem Deckel 8
der Kammer vorhanden. Um solche Leckagen zu begrenzen,
besteht die vorgeschlagene Lösung nach dem Stande der Technik
darin, diese Spiele zu verringern. Diese Lösung hat den
Nachteil, daß der Zähler anfälliger gegen Verunreinigungen ist,
welche in der zu messenden Flüssigkeit häufig enthalten sind.
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Die gleiche Lösung, angewendet zur Verringerung der
Flüssigkeitsleckagen, die zwischen der ebenen Wand des Kolbens und
den Rändern der kleinen Zylinder 11, 12 bestehen, zieht die
gleichen Nachteile nach sich.
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Die Präzision der Zähler ist außerdem begrenzt durch das
Vorhandensein von Reibungen, insbesondere im Bereich der
unteren und oberen Ränder des Kolbens, gegenüber dem Boden und
dem Deckel der Kammer.
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Außerdem ist der Betrieb der Zähler verhältnismäßig
geräuschvoll, insbesondere, wenn die in den Zähler eingeführte
Flüssigkeitsmenge beträchtlich ist, das heißt, wenn die
Rotationsgeschwindigkeit des Kolbens angehoben ist.
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Tatsächlich wird das größte existierende Spiel zwischen der
festen Trennwand und den Rändern 10 der Ausnehmung 4 für
die in Figur 2 dargestellte Position P1 erhalten, in welcher die
feste Trennwand vollständig im Inneren des Kolbens 2
aufgenommen ist. In dieser Position wechselt der Kolben plötzlich
vom Abstützrand zur Trennwand. Dieser Wechsel ist natürlich
mit einem geräuschvollen Klappern verbunden.
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Außerdem sind die Reibungen des Kolbens mit den festen
Elementen der Kammer geräuscherzeugend. Dies ist insbesondere
bei den Reibungen zwischen den unteren und oberen Rändern
des Kolbens am Boden bzw. am Deckel der Kammer der Fall.
Schließlich ist der Verschleiß der Teile der Kammer
beträchtlich.
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In der Tat bringt das winklige Profil der Kolbenlippen, die mit
10 in Figur 2 bezeichnet sind, einen Kontakt dieser Lippen mit
der festen Trennwand 9 entlang der gleichen Linie mit sich,
was folglich einen linearen Belastungsverschleiß bildet.
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Offenbar bestehen noch andere Verschleißzonen und
insbesondere im Bereich der Berührung zwischen den unteren und
oberen Rändern des Kolbens mit der Kammer.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine zylindrische Messkammer
für einen Ringkolbenzähler zu schaffen, welche bei geringeren
Kosten die oben erwahnten Probleme vermeidet.
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Gegenstand der Erfindung ist eine zylindrische Messkammer
eines Ringkolbenzählers umfassend eine Seitenwand, einen
Boden, einen Deckel, eine feste Trennwand aus einem starren
Material und enthaltend einen Kolben, der längs der festen
Trennwand durch die Begrenzungskanten einer vertikalen
Aussparung gehalten ist, die auf dem Niveau einer ebenen Wand
des Kolbens in eine Öffnung ausmündet, wobei zumindest zwei
Durchtrittsöffnungen im Boden der zylindrischen Messkammer
vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil der
festen Trennwand doppelkonkav ist und daß das Profil der
Begrenzungskanten der Ausnehmung kreisförmig ausgebildet ist.
Gemäß einem weiteren wesentlichen Merkmal der Erfindung ist
das Profil der festen Trennwand definiert durch eine
geometrische, kinematische Hüllkurve der Ränder der Ausnehmung.
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Weiterhin und gemäß einem anderen wesentlichen Merkmal der
Erfindung umfassen der untere und/oder obere Rand des
Kolbens sowie die Ränder der eventuellen kleinen Zylinder eine
Rille.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den
beigefügten Zeichnungen, in welchen:
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Figur 1: eine perspektivische und auseinandergezogene
Darstellung einer zylindrischen Messkammer eines
Ringkolbenzählers nach dem Stand der Technik ist;
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Figur 2: eine zylindrische Messkammer eines Ringkolben
zählers nach dem Stande der Technik im
Querschnitt in Höhe der ebenen Wand des Kolbens zeigt;
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Figur 3: einen Längsschnitt durch eine zylindrische
Messkammer eines Ringkolbenzählers nach der
Erfindung zeigt;
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Figur 4: eine zylindrische Messkammer eines
Ringkolbenzählers nach der Erfindung im Querschnitt in Höhe
der ebenen Wand des Kolbens zeigt;
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Figur 5: in schematischer Weise die Art der angewandten
geometrischen Konstruktion zur Bestimmung des
Profils einer festen Trennwand nach der Erfindung
zeigt;
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Figur 6: einen Längsschnitt durch einen Kolben nach der
Erfindung zeigt; und
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Figur 7: eine Einzelansicht und eine Schnittdarstellung des
unteren Randes des Kolbens in Kontakt mit dem
Boden der zylindrischen Messkamrner des
Ringkolbenzählers nach der Erfindung ist.
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Die Figuren 1 und 2 sind in der obigen
Beschreibungseinleitung beschrieben worden und ihr Studium braucht hier nicht
wiederholt zu werden, aber sie bilden einen Bestandteil der
Beschreibung, insbesondere hinsichtlich der Verwendung der
gleichen Bezugszahlen bei der Gesamtheit der Figuren.
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In Figur 3 ist im Längsschnitt eine zylindrische Messkammer 1
eines Ringkolbenzählers nach der Erfindung dargestellt.
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Diese zylindrische Messkammer umfaßt eine Seitenwand 6, die
am unteren Ende durch einen Boden 7 und an ihrem oberen
Ende durch einen Deckel 8 geschlossen ist.
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Sie nimmt einen Kolben 2 auf, der durch einen hohlen Zylinder
gebildet ist, dessen Durchmesser geringer ist als der
Durchmesser des Zylinders 6 der Kammer 1. Der Kolben 2 ist im
Inneren der Kammer zwischen dem Boden 7, dem Deckel 8 und
der Seitenwand 6 aufgenommen. Darüber hinaus ist der Kolben
üblicherweise in seinem mittleren Bereich durch eine ebene
Wand 3 unterteilt, die mit Durchgangsöffnungen 27 versehen
ist.
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Zwei Zapfen 13 bilden zu beiden Seiten der ebenen Wand 3 in
der Kolbenachse Vorsprünge. Der obere Zapfen der ebenen
Wand hat einen kleineren Durchmesser als der untere Zapfen.
Letzterer ist in diesem Falle in Kontakt mit der Innenfläche
eines kleinen konzentrischen Zylinders 11, der durch den Boden
7 getragen ist. Ein anderer kleiner konzentrischer Zylinder 12
mit dem gleichen Durchmesser wie der kleine Zylinder 11 ist
durch den Deckel 8 der Kammer 1 getragen.
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Die Ränder der kleinen Zylinder 11 und 12 kommen mit der
ebenen Wand 3 des Kolbens in Kontakt und lassen letztere in
ihrer Ebene frei.
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Gegebenenfalls kann eine Rolle 14 im Zentrum des kleinen
Zylinders 11 in der Nähe des unteren Zapfens der ebenen Wand
vorgesehen sein.
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Wie in Figur 4 gezeigt, ist eine vertikale Ausnehmung 4 über
die Höhe des Kolbens 12 mit einer vorzugsweise konstanten
Weite ausgebildet. Die Ränder der Ausnehmung oder die Lippen
10 des Kolbens haben ein kreisförmiges Profil.
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In Höhe der ebenen Wand 3 mündet die vertikale Ausnehmung
4 in eine allgemein wegen ihrer Birnenform als Birne des
Kolbens bezeichnete Öffnung.
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Die zylindrische Messkammer umfaßt eine feste Trennwand 9,
die fest mit der Seitenwand 6 ausgeführt ist. Diese Trennwand
ist aus einem starren Material, wie zum Beispiel Hartplastik,
gefertigt. Sie ist in radialer Richtung angeordnet und erstreckt
sich über die gesamte Höhe der Kammer bis zu den kleinen
Zylindern 11, 12. Da die Weite der Ausnehmung 4 größer als die
Dicke der festen Trennwand 9 ist, kann der Kolben entlang der
festen Trennwand durch die Ränder 10 der Ausnehmung
gehalten werden. Die feste Trennwand 9 greift in Höhe der
ebenen Wand 3 des Kolbens in die Birne 5 des Kolbens ein.
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Zumindest zwei Öffnungen 24, 25 sind in dem Boden der
Kammer 1 zu beiden Seiten der Trennwand 9 ausgebildet. Eine der
Öffnungen ist die Einlaßöffnung 24 und die andere Öffnung die
Auslaßöffnung 25.
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Gemäß der Erfindung hat die feste Trennwand 9 ein
doppelkonkaves Profil. Die doppelte Konkavität des Profiles der festen
Trennwand 9 kann beliebig sein, jedoch vorteilhafterweise ist
sie nach der Profildarstellungsmethode von Laparci bestimmt,
die tatsächlich dem kinematischen Verlauf der Einhüllenden
des Profils der Lippen 10 des Kolbens entspricht.
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Figur 5 soll genau zeigen, wie man in einfacher Weise die
doppelte Konkavität der festen Trennwand nach der Methode von
Laparci bestimmt. Im vorliegenden Fall realisiert man die
Hypothese der Wahl eines kreisförmigen Profils der Lippen 10 des
Kolbens. Unterstellt man, daß A, B, C drei Punkte der Ebene
sind, die durch die ebene Wand 3 des Kolbens gebildet ist, so
ist A ein Punkt der mittleren Ebene der festen Trennwand 9
und B ist ein Punkt des Zylinders, erzeugt durch die Rotation
der Achse des Kolbens. A gehört folglich zu der mit 17
bezeichneten Gerade in Figur 5 und B gehört zu einem Kreis 18. Das
Profil der festen Trennwand 9 ist definiert durch die
Gesamtheit der Punkte C der Strecke AC rechtwinklig zur Strecke AB,
welche dem Radius des Kolbens entspricht und AC entspricht
höchstens der Hälfte der Weite der Ausnehmung. Es genügt
daher, für die Bestimmung des Profils der festen Trennwand 9
den Punkt A entlang der Achse 17, den Punkt B auf dem Kreis
18 zu verschieben und die Gesamtheit der Punkte C zu
bestimmen, indem man die Strecke AC rechtwinklig zur Strecke
AB zeichnet.
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Im übrigen ist die Erfindung ausgerichtet auf die
Verwirklichung der Rillen 19, 20 an den unteren 15 und oberen 16
Rändem des Kolbens 2. Die Figur 6 ist ein Längsschnitt eines
Kolbens nach der Erfindung. Die Rillen 19, 20 sind
vorteilhafterweise über den gesamten Umfang des unteren Randes 15 des
Kolbens und über den Umfang des oberen Randes 16 des
Kolbens 2 ausgebildet. Nichtsdestoweniger kann eine einzige Rille
entweder nur am unteren Rand oder nur am oberen Rand des
Kolbens ausgebildet sein.
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Im vorliegenden Falle sind Rillen 21, 22 in den Rändern der
kleinen Zylinder 11, 12 der ebenen Wand 3 gegenüberliegend
ausgebildet, wie dies in Figur 3 gezeigt ist.
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Wie in Figur 7 gezeigt, ist das Profil der Rillen 19, 20, 21, 22
kreisbogenförmig.
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Die zu messende Flüssigkeit tritt durch die Einlaßöffnung 24,
die im Boden 7 der zylindrischen Messkammer 1 ausgebildet
ist, ein und verläßt diese durch die Auslaßöffnung 25. Der
Strom der eintretenden Flüssigkeit induziert so eine Rotation
des Kolbens im Inneren der Kammer, in bezug auf welche die
Achse des Kolbens einen Kreis 18 um die Achse der
zylindrischen Kammer beschreibt. Die Lippen 10 des Kolbens gleiten
entlang der Flächen der festen Trennwand 9. Gegebenenfalls ist
die Bewegung des Kolbens durch den unteren Zapfen der
ebenen Wand des Kolbens längs der Innenwände der kleinen
Zylinder 11, 12 und längs der Wände der Rolle 14 geführt.
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Das Gleiten der Lippen des Kolbens an der festen Trennwand 9
verformt nicht das starre und harte Profil dieser Trennwand,
welche während der Messung konstant bleibt.
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Die Verschiebung der Lippen 10 des Kolbens 1 ist eine Art
Roll-Gleit-Bewegung. Ein Kreisbogenprofil der Lippen 10
verteilt den Verschleiß auf die gesamte Fläche der Lippen, ohne
eine besondere Verschleißbeanspruchung zu erzeugen.
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Für jede Position des Kolbens in der Kammer ist die Dicke der
Trennwand 9 derart, daß das Spiel, welches die Bogenlippen
von der festen Trennwand trennt, annähernd konstant und ein
Minimum ist. Beispielsweise sind in der Position P1 des in
Figur 4 dargestellten Kolbens die Kolbenlippen in Kontakt mit
der Basis der festen Trennwand und der Seitenwand 6 der
Kammer. Die Dicke der Trennwand ist so, daß das Spiel ein
Minimum ist und demzufolge sind die Leckage und die
Knackgeräusche, die erzeugt werden können, begrenzt. Die Präzision
des Zählers ist so verbessert und das Betriebsgeräusch des
Zählers ist vermindert.
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Was die Rillen 19, 20, 21, 22 anlangt, die in den Rändern 15,
16 des Kolbens und in den Rändern der kleinen Zylinder 11, 12
ausgebildet sind, so bildet die in der Kammer 1 zirkulierende
Flüssigkeit während ihres Durchganges in der Ausnehmung,
die diese Rillen bilden, einen Strudel 23, wie dies in Figur 7
gezeigt ist. Dieser Strudel hat zur Folge, daß die Leckage der
Flüssigkeit vermindert wird einerseits zwischen dem unteren
Rand des Kolbens und dem Boden 7 und dem oberen Rand des
Kolbens und dem Deckel 8 der Kammer 1 und andererseits im
Bereich der kleinen Zylinder 11, 12. Darüber hinaus bildet der
Strudel 23 eine Art hydraulisches Kissen, welches die
Reibungen zwischen den mechanischen Elementen vermindert, die
miteinander in bewegtem Kontakt stehen. Das Geräuschniveau
und der Verschleiß sind demnach vermindert und die Präzision
des Zählers verbessert.
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Die Erfindung ist bei Flüssigkeitszählern und insbesondere bei
Wasserzählern anwendbar und es ist selbstverständlich
erkennbar, daß die vorliegende Beschreibung der Messkammer 1
entsprechend den Figuren 3 bis 7 nur ein Ausführungsbeispiel
wiedergibt und daß andere Ausführungsarten im Rahmen der
Erfindung bleibend implizit abgeleitet werden können.