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Anordnung für Kolbenzähler
Durchlaufzähler für Flüssigkeiten mit einem
oder mehreren sich geradlinig hin und her bewegenden Kolben benötigen geeignete
Zwischenglieder, die diese Bewegung in die rotierende des Zähl- oder Anzeigewerks
umwandeln. Man benutzt zu diesem Zweck Kurbelwellen, Taumelscheiben od. dgl. Im
folgenden ist der Einfachheit halber nur von Kolhenzählern mit Kurbelwelle die Rede.
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Fig. I zeigt als Beispiel einen doppelt wirkenden Zweikolbenzähler
mit Kurbelschleifenantrieb bei 90° Phasenverschiebung. Solche Zähler entsprechen
den gebräuchlichen einfach wirkenden Vierkolbenzählern, daher treffen die folgenden
Betrachtungen und Ergebnislse auf diese und sinngemäß auch auf andere Mehrkolbenzähler
zu.
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In Fig. I sind die beiden Kolben mit A bzw. B, die entsprechenden
Zylinder mit Za, Zb und die Kurbelschleifenantriebe mit Ka, Kb bezeichnet. Die das
Anzeige- bzw. Zähigerät antreibende Welle ist mit W bezeichnet.
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Bei derartigen Kolbenzählern ist die abgegebene Menge des Meßgutes
plroportional der Summe der Kolbenwege. Die Summe der Kolbenwege hingegen ist nur
proportional dem Weg des Kurbelzapfens und damit der Drehung der Kurbelwelle und
der Anzeige selbst bei vollen Umdrehungen der Kurbel,
nicht aber
in Zwischenstellungen derselben. Es ist nun wichtig, daß der Zähler in jeder beliebigen
Stellung der Kurbel angehalten werden kann und auch dann die durchgeflossene, unter
Umständen nur kleine Menge mit höchster Genauigkeit anzeigt.
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Man hat diese Forderungen bisher entweder nicht gestellt und den
auftretenden Fehler vernachlässigt, oder man hat ihn durch eine größere, meist ungerade
Zahl von in der Phase verschobenen Kolben verringert, den Zähler selbst aber dabei
kompliziert.
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Die gesetzmäßige Veränderlichkeit des Verhältnissen zwischen Kolben-
und Kurbel zap fengeschwindi gkei t ist für den doppelt wirkenden Zweikolbenzähler
in einem Geschwindigkeitsdiagramm (Fig. 2) dargestellt. Die Kolbengeschwindigkeit
entspricht den Sinuslinien. Das darüberliegende Förderungsdiagramm entsteht durch
die Addition der Ordinaten der Sinuslinien. Das Fortschreiten der Anzeige wird durch
die Parallele p zur Mittelachse dargestellt. Der Inhalt des Rechteckes zwischen
der Nullinie und der Parallelen p stellt die gesamte abgegebene Menge des Fördegutes
während einer Kurbelumdrehung dar. Die schraffierten Flächen überund unter der Geraden
p geben die Über- bzw. Unterschüsse der Abgabe gegenüber der Anzeige bei den verschiedenen
Kurbelstellungen an.
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Der Erfindungsgedanke geht nun dahin, durch geeignete Mittel die
durch das Zählersystem hedingten, in Fig. 2 dargestellten periodischen Fehler auszugleichen,
d. h. zu bewirken, daß die Zeigerstellung des Anzeigegerätes in jeder Kurbelstellung
proportional der Summe der Kolbenwege und damit proportional dem Flüssigkeitsdurchfluß
ist. Zu diesem Zweck werden gemäß Efindung entweder zwischen dem Anzeigegerät und
der von dem Kolben angetriebenen Welle oder zwischen Kolben und angetriebener Welle
Vorrichtungen vorgesehen, welche in jeder Kolbenstellung die dieser entsprechende
richtige Anzeige des gemessenen Füllgutes. gewährleisten. Nach einer Ausführungsform
dieses Gedankens wird ein unrundes Zahnräderpaar zwischen Kurbelwelle und Anzeigegerät
vorgesehen, über welches die Drehung der Kurbelachse auf das Anzeigewerk übertragne
wird.
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Fig. 3 zeigt ein solches Zahnräderpaar, R1 stellt das Antriebsrad,
R2 das getriebene Rad dar. Verhalten sich die Teilkreisradien dieser Zahnräder beispielsweise
im ersten Winkelabschnitt von 4,50 wie 0,8154 : 1, so wird damit erreicht, daß das
getriebene Rad einen dem Kolbenweg entsprechenden Drehwinkel von 4,5 . 0,8154 =
3,67° zurücklegt und damit die der Wirklichkeit entsprechende geringere Flüssigkeitsmenge
anzeigt.
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Fig. 3 zeigt die Form eines Zahn.räderpaares für eine Umdrehung des
Antriebsrades pro Kurbelumdrehung, Fig. 4 bei zwei und Fig. 5 bei vier Umdrehungen
des Antriebsrades pro Kurbelumdrehung.
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Die Formen der Zahnräder werden bei einer Vergrößerung der Übersetzung,
wie Fig. 5 deutlich zeigt, einfacher, während die Beseitigung der periodischetl
Fehler natürlich unberührt bleibt.
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Außer den eben erwähnten periodischen oder sog. 'harmonischen Fehlern
entstehen bei doppelt wirkenden Kolben durch die nur einseitig vorhandene Kolbenstange
Verdrängungsfehler, die unter Umständen noch bedeutender sein können als die harmonischen
Fehler. Auch die Verdrängungsfehler lassen sich durch geeignete Formgebung des unrunden
Zahnräderpaares ausgleichen.
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Eine weitere Ausführung des Erfindungsgedankens besteht darin, daß
zwischen Kurbelachse und Anzeigewerk eine Kreuzgelenkkupplung eingebaut wird (Fig.
6).
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Bekanntlich weicht bei diesen Kupplungen die Winkelgeschwindigkeit
der getriebenen Kreuzglenkwelle von derjenigen der treibenden Welle nach Naßgabe
des Ablenkungswinkels der Welle bei jeder Umdrehung zweimal nach oben und unten
ab. Diese Abweichungen bewegen sich, wenn man die getriebene Welle mit w2 und die
treibende Welle mit w1 bezeichnet, zwischen w2 = w2. cos α und w2 = w1/cosα.
Beträgt beispielsweise der Ablenkungswinkel der Wellen a = 26°, so schwankt das
Geschwindigkeitsverhältnis von 1 : 0,899 bis 1 : 1,113. Wechselt umgekehrt die treibende
Welle, d. h. in diesem Fall die durch die Kurbel angetriebene Welle W, ihre Geschwindigkeit
in diesen Grenzen, so wird sich die getriebene Welle, in diesem Fall die Kreuzgelenkwelle,
mit gleichbleibender Geschwindigkeit drehen, welche dann auch ihrerseits die Welle
des Anzeigewerks mit gleichbleibender Geschwindigkeit antreibt. Macht dabei die
Kreuzgelenkwelle, z. B. mittels eines Zahnradvorgeleges, die doppelte Anzahl Umdrehungen
wie die Kurbelwelle, so wird eine annähernde Berichtigung der harmonischen Fehler
erreicht. Dies zeigt ein Vergleich des in Fig. 7 dargestellten Geschwindigkeitsdiagramms
der Kreuzgelenkkupplung für eine Kurbelwellenumdrehung mit dem in Fig. 2 dargestellten
Diagramm der Schwankungen der Fordermenge. Im Diagramm Fig. 7 stellt die Kurve W
die wechselnde Geschwindigkeit der treibenden Welle und die Gerade w2 die gleichförmige
Geschwindigkeit der getriebenen Welle, in diesem Fall der Kreuzgelenkwelle, dar.
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Die vorstehenden Ausführungen bezogen sich lediglich auf Kolbenzähler
mit ebenem Schubkurbelantrieb mittels Kurbelschleife. Die vorgeschlagenen Mittel
sind auch für andere Antriebsarten anwendbar, bei denen systematische Fehler auftreten.
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Fig. 8 zeigt als weitere Ausführungsform der Erfindung eine Antriebsart
für einen Zweikolbenzähler, bei welchem die Umwandlung der geradlinigen Kolbenbewegung
in die rotierende der Übertragungswelle nach Art der Drillbohrer vorgbenommen wird.
Die Vorteile dieses Drillantriebs bestehen darin, daß durch das Fehlen von Kolben-und
Pleuelstangen die durch sie bedingten Verdrängungs- bzw. Pleuelstangenfehler ganz
fortfallen.
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Aber auc hdie beim Kurbelschleifenantrieb auftretenden harmonischen
Fehler sind vermieden. Eine oder mehrere an jedem der beiden Kolhen befestigte Nasen,
die zweckmäßilg mit Führungsrollen versehen sind, greifen in die Kurvennuten einer
oder
mehrerer in der Zylinderachse drehbar gelagerter Walzen. Durch
die geradlinig hin und her gehende Bewegung dieser Nasen werden die Kurvennutwalzen
in l)rehung versetzt, die in geeigneter Weise auf das Anzeigewerk übertragen wird.
Zur Vermeidung einer Totpunktlage sind die beiden Kolben durch die Kurvennutwalzen
oder die beiden auf gemeinsamer achse sitzenden Walzen derart gekuppelt, daß immer
ein Kolben unterwegs ist, wenn der andere in der @ Umkehrstellung angekommen ist.
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Bei dem in Fig. 8 dargestellten Zähler sowie bei sämtlichen gezeigten
Diagrammen beträgt die Phasenverschiel>ung 90°. Der Verlauf der Kurvennuten ist
so gestaltet, daß die Umdrehung der gekuppelten \NTalzen stets der Summe der Kolbenbewegungen
und damit die Nuzeige dem Durchfluß entspricht. Wesentlich ist ferner, daß man durch
geeignete Formgebung der Kurvennuten die Kolben lenegung weitgehend bestimmen kann.
Die Fig. g bis ii zeigen in einigen Beispielen links in Abwicklungen des Walzenmantels
den Verlauf der Kurven (Kolbenwegdiagramm); Kurve A entspricht dem B'eg des Kolbens
A, Kurve B dem des Kolbens B. Es sind dabei die Kurven der beiden Walzen entsprechend
der Phasenverschiebung über einandergelegt. Auf der rechten Seite finden sich die
dazugehörigen Geschwindigkeitsdiagramme, Als erstes Beispiel zeigt Fig. 9 den geradlinigen
Verlauf der Kurvennut. Aus dem rechten Diagramm ist ersichtlich, daß die Kolliengeschwindigkeit
plötzlich auf den Höchstwert ansteigt, diesen während des ganzen Kolbenweges beibehält
und ebenso plötzlich abfällt und wieder ansteigt. Dieser extreme Fall ist praktisch
kaum durchführbar, zeigt jedoch, daß auch hier die Anzeige (obere Parallele zuu
Mittellinie) gleichförmig fortschreitet.
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Tn Fig. 10 verläuft die Kurvennut in einer Parabel.
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Das geradlinige Geschwindgikeitsdiagramm zeigt gleichförmig beschleunigte
bzw. verzögerte Bewegung. I)ie Summe der Geschwindigkeiten ist stets gleich. Die
Geschwindigkeit der Walzenumdrehung und damit das Fortschreiten der Anzeige ist
wieder durch eine gerade Linie dargestellt. Sie ergibt sich wieder durch Addition
der l>eiden Kurven 4 und B.
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Das parabelförmige Kolbenwegdiagramm mit der damit verbundenen gleichförmigen
Beschleunigung zeigt auch, ganz abgesehen von der Vermeidung der systematischen
Fehler, Vorteile gegenüber dem sinusförmigen Diagramm bei Schubkurbelantrieb.
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I)em Diagramm nach Fig. 11 liegt folgender Gedankengang zugrunde:
Die Unsteuerung der Flüssigkeitskanäle bei den bekannten Kolben zählen von Zulauf
auf Ablauf und umgekehrt muß plötzlich erfolgen, d. h. in dem Moment, wo sich der
eine Kanal schließt, muß die Öffnung des anderen lwginnen. Eine ür den dichten Ahschluß
wünschenswerte Überdeckung der 5 teuerorgane ist nicht möglich. I)as ändert sich
jedoch, wenn man die Kolben in den Endlagen für einige Zeit zum Stillstand kommen
läßt. wihrend der Steuermechanismus fortschreitet und zwischen Öffnen und Schließen
der Kanäle eine dem Stillstand entsprechende Zeitspanne liegt Als Lösung dafür stellt
das Kolbenwegdiagramm nach Fig. 11, abgesehen von den geraden Strecken in den Endstellungen
und Mittelstellungen der Kolben, ebenfalls eine Parallel dar. Das Geschwindigkeitsdiagramm
zeigt wieder gleichförmige Beschleunigung bzw.
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Verzögerung. Nach Erreichen der Höchstgeschwindigkeit wird diese jedoch
während des Stillstandes des anderen Kolbens beibehalten. Auch hier ist die Summe
der Geschwindigkeiten stets gleich, ebenso ist das Fortschreiten der Anzeige gleichförmig.
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Die Kurve kann sowohl vertieft als Nut wie auch erhaben auf der Kurvenwalze
angebracht sein.
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Auch kann die Kurvenwalze, fest mit dem Kolben verbunden, dessen Bewegung
mitmachen, während die Führungsrollen oder Nasen rotieren. Die Kurvenführung kann
sowohl für einen einmaligen Hinundhergang des Kolbens als auch für eine mehrmalige
Walzenumdrehung vorgesehen werden.
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Durch den Fortfall dieser systematischen Fehler kann das Anhalten
des Zählers und damit die Beendigung der Flüssigkeitsabgabe, ebenso der Beginn der
Abgabe bei jeder beliebigen Stellung erfolgen.
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Es kann jede, bis zur kleinsten Menge bei richtiger Vermessung und
ruhiger, stoßfreier Anzeige abgegeben werden. Ferner erübrigt sich die bei den bekannten
Kolbenzählern übliche Regulierung durch Veränderung des Kolbenhubs oder des Meßraumes.
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Die Anzeige kann auf einfache Weise durch Wechseltriebe mit dem Durchfluß
in Einklang gel>racht werden.