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Elektrizitätszahler, insbesondere nach dem Ferrarisprinzip Gegenstand
der Erfindung ist ein, Elektrizitätszähler, und zwar ein solcher, der insbesohere
nach dem Ferrarisprinzip arbeitet, der ab, er auch in der noch zu kennzeichnenden
Ausfühungsfo, rm bei Magnetmotorzählern bzw. bei Zächlern auf elektrostatischer
Grundlage anwendbar ist. Insonderheit bezieht sich die Erfindung auf solche Zähler
mit vertikaler Läuferachse, bei denen das Läufergewict durch ein magnetisches Schwebtelager
mit axialer Sellbstzentrierung aufgenommen ist. Eine derartige Ano, rdnung ist bekannt.
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Mit der Erfindung wird die Aufgabe gelöst, gewisse bei den bekannten
Zählern auftretende Schwierigeiten zu vermeiden und die Abmessung sowohl des Löufers
als auch der Antriebs- und Bremssysteme und somit des gaanze Zählers- wesentlich
au verkleinern.
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Bei Bewegung eines Läufers in einem üblicherweise mit Luft angefüllten
Raum ist die Winkelgeschwindigkeit des Läufers dem Antriebsmoment nicht proportional.
Dies hat sine Ursache darin, daß das entgegenwierdnge Momement, das infleoge der
Turbulenz und auch der Laberreibung auftritt, der Winlçelgeschwindigkeit nicht proportional
ist. Es ist dadher bei den blekannten Zählern erforderlich, das Antrie ! bsdrehmeoment
des Zählers und das entgengengesetzt wirkende Bremsmoment des Bremsmagnets derart
groß zu bemessen, daß die erwähnet Veränerunen und Schwandkungen derart klein werden,
daß sie innerhalb der üblichen Meßgenauigkeit vernachlässigt werden können.
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Die Erfindung macht von der Erkenntnis Gebrauch, daß bei niedriger
werdendem Druck die Turbulenz aufhört und bald ein Zustand auftritt, bei dem praktisch
nur noch die laminäre Reibung eine Rolle spielt.
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Gemäß der Erfindung ist der Löufer mit den zugehörigen Lagerteilen
in an sich bekannter Weise in ein aus elektrisch isolerendem Material bestehendes
Gefäß eingeschlossen, das Gas in solcher verdünnung enthält, daß über eine vom Läufer
gesteuerte Elektrodenstrecke Gesentldaungen erzielbar sind, durch die Zählwerke
mittel-oder unmittelbar steuerbar sind.
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Es ist zwar bereits bekannt, den Läufer eines Elektrizitätszählers
in ein VakuumgefäB einzubauen, wobei dann die Feld-und Bremssysteme außerhalb des
Gefäßes angeordnet sind. Bei einer solchen Anordnuing bereitet jedoch das Einbauen
des Läufers und die Übertrangung der Bewegung der Läufers auf das Zählwerk erhebliche
Schweierigkeiten., Wenn, wie es gleichfalls bekannt ist, mittels auf der Welle des
Zählers und einer Zählwerkwelle aufgesetzter Magnete eine magnetische Kopplung zwischen
diesen Teilen
Herbeigeführt wird, macht sich hierbei auch wieder das vergröBerte
Gewicht des Läufers und damit auch die Lagerreibung hinderlich bemerkbar.
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Man gelangt nun zu bisher unbekannten kleinen Abmessungen des ganzen
Zählers, wenn der Zähleranker in einem Gefäß eingeschlossen ist, das Gas in solcher
Verdünnung enthält, daß der Umschlag in die turbulente Strömung oberhalb der maximal
vorkommenden Läuferdrehzahl erfolgt, da es auf diese Weise möglich ist, den Läufer
stets in laminarer Strömung bzw. Reibung laufen zu lassen, wodurch die Reibunggsverluste
auf ein Geringstmaß zurückgeführt werden können. Werden dann in Ausffihrung der
Erfindung Elektroden angebracht und über diese vom Läufer gesteuerte Elektrodenstrecke
Gasentladungen herbeigeführt, so lassen sich die Zählwerks über diese Gasentladungen
mittel- oder unmittelbar steuern, und man erreicht dadurch, daß der Läufer gesiwwermaßen
nahezu leistungslos eine Kraftquelle steuert, durch die das Zählwerdk angetrieben
wird.
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Ein nach diesem Prinzip ausgeblildeter Elektrizitätszähler kann nun
unter mancherlei Konstruktiven Abzwandlungen ausgebildet werden, worüber in der
Erläuterung einiger an Hang der Zeichnungen besprochener Ausführungsbeispiele weitere
Ausführungen gemacht werden.
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Fig. 1 stellt einen in ein Gefäß eingebauten Läufer auch der Erfindung
im Schnitt dar; Fig. 2 gibt eine Ansicht der Läuferscheibve mit Welle; Fig. 3 und
4 stellen abgeänderte Ausführungsbeispiele dar ;
Fig. 5 zeigt ein
Schema. für den Antrieb des Zählwerks ; Fig. 6 gibt eine abgeänderte Schaltung für
das Antriebssystem an.
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Das System nach Fig. 1 enthält eine Ferrarisscheibe 2, welche auf
der senkrechten Achse 1 sitzt.
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Die Achse trägt am unteren Ende einen Ring 3 aus ferromagnetischem
Material vorzugsweise aus einem ferromagnetischem Oxydgemisch. Am oberen Ende trägt
die Achse eine Spitze 5, welche durch die Steinpfanne 6 geführt wird. Der Teil 3
bildet den Rotor eines magnetischen Schwebelagers, dessen Stater ein den Ring3 umfassender
Ring4 ist, der aus demselben Material vs-ie der Ring 3 hergestellt ist.
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Die äußere Mantelfläche des Rotors und die innere Mantelfläche des
Stators 4 sind konisch gestaltet.
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Die beiden Dauermagnetringe sind in radialer Richtung magnetisiert,
und znvar, wie durch die Pfeile angegeben ist, derart, daß geichnamige Po-le einander
zugekehrt sind. Die nach oben gerichtete magnetische kraft übertrifft um einen geringen
Betrag das Gewicht dies Läufers, so daß die Spitze5 leicht gegen die Steinpfanne
6 gedrückt wird.
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Der Läufer, bestehend aus der Scheibe2 und der Achse 1, ist aus Reinaluminium
gefertigt und an seiner gesamten Oberfläche anodisch oxydiert (d. h. mit einer isolierenden
Oxydschicht versehen). Seine Abmessungen sind vorzugsweise kleiner als die Hälfte
der bei gebräunchlichen Zählern verwendeten Läufer.
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Der Läufer mit dem Rotor 3 des magnetischen Schwebelagers und dem
Spitzenlager sowei der An-Schlang 7 sind in ein aus den Teilen 11 und 12 bestehendes,
vorzugsweise gläsernes Vakuumgefäß eingebaut. Die beiden Teile 11 und 12 sind vakuumdicht
verbunden mit Hilfe einer emailartigen Schicht 13 mit tiefem Schmelzpunkt. Der Stator
4 cles magnetischen Schwebelagers ist, zwecks Einstellung des Druckes im Spitzenlager,
verschiebbar auf dem rohrförmigen Ende des Gehäuseteiles 12 angeordnet.
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Das Gefäß 11, 12 wird über den Pumpstutzen 14 evakuiert und entgast,
wobei an sich bekannte Methoden wie Hochfrequenzerhitzung der eingeschlossenen Teile.
Verdampfen eines Gettermaterials usw. angewandt werden können. Anschließend kann
das Gefäß mit einem geeigneten Gas (z. B. Hg, He, Ne, Ar, Kr) mit geringem Druck
gefüllt werden.
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In der Stand des Gefäßes sind zwei einander gegenüberliegende Elektroden
9, 10 eingeschEmolzen, welche in später beschriebender Weise einen Steuerkries für
das Zählwerk schließen. Die Ferrarisscheiber besitzt eine Öffnung 8 (s. auch. Fig.
2), welche bei jeder l,'mdrehung für einen Augenblick den Entladungsweg zwischen
den Elektroden 9 und 10 freigibt.
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Das Gasgemisch und der Gasdruck im Gefäß wie auch die Gestalt und
die Beschaffenheit der Elektroden 9 und 10 entsprechen der beim Bau von Raltkathodenröhren
befolgten Technik (Molybdänelektrodgen). Vorzugsueise wird durch besondere Formhebung
der Elektroden (Elektrode 9= Fläche, Elektrode 10 = Speize) eine Gleichrchterwirdkung
angestrebt.
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Die Scheibe 2 und ihr Gehäuse 11 sind so zu gestalten, daß diel Entladung
bei Läuferstellungen, in welchen sich die Öffnung nicht zwischen den Elektroden
befindet, nicht um den Läuferrand herum verläuft. Dem gleichen Zweck dient die richtige
Wahl der Spannung im Elektrodenkreis. Es kann zweckmäßig sein, die im Zähler vorhandene
Netzspannung mit Hifs eines Spannungsteilers auf einen für die Gas-
entladung günstigen
Wert zu reduzieren oder z. B. mit einer als Autotranstormator ausgestalteten Spannungswicklung
zu erhöhen. In Anbetracht der geringen Stromstärke im Entadungskereis ist es auch,
zulässig, die Spannung für aten Entladungskreis von einer Anzapfung der Spannungsspule
des Antriebssystems abzugreifen.
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Unter umständen empfiehlt es sich, in der einen Elektrodenkammer
eine Hilfsanode anzufringen, welche über einen hinrechend hohen Widerstand und eventuell
weitere Hilfsmittel die Sontinuität der Ionisation ermöglicht. Dem gleichen Zweck
kann die Nterwendung einher Schicht von radioaktiven stoffen auf den Elektroden
dienen, Zwischen den Elektroden 9 und 10 svird der ßedienungskreis des Zählwerkes
entsprechend der Umdrehungsgeschwindigkeit der Ankerscheibe intermitterand geschlossen
bzw. unterbrochen. Die Antriebs-bzw. Bremssysteme sind in Fig. 1 fortgelassen.
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Sie können, wie üblich, aus Magnetsystemen bestehen, welche die Ankerscheibe
umfassen und außerhalb des Gehäuses angeordnet sind (s. auch Fig. 3). Da das Reibungsmoment
bis auf einen Bruchteil des bei den üblichen Elektritätszählern auftretenden Wertes
reduziert worden ist, genügt ein sehr geringes AntrielJsmoment. um die Ankerscheibe
in Drehung zu versetzen. Dan Antriebssystem und somit auch das Bremssystem können
daher überraschend geringe Abmessungen haben.
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Fig. 3 zeigt ein. gestaltung des Läufers in Form einher Hohlkugelkolotte,
wobei der mittelpunkt der zugehörigen virtuellen Hohlkugel mit der Spitze5 des Stützlagers
5, 6 zusammenfällt. Das Entladungsgefäß 11, 12 ist dieser Form des Läufers angepaßt.
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Durch die in Fig. 3 Dargestellte Gestaltung und Anordnung von Läufer
und Gefäß vird erreicht. daß die im Bereiche des radial wirkenden Begrenzers (Gefäßwand)
möglichen Exzentrizitäten bzw. Pendelbewegungen der Läuferachse keine Abstandsknderung
Zwischen der Läuferfläche und der Gefäßinnenwand und auch keine Änderungen der Kraftlinienwege
zxvischen Antriebs-und Bremssystemen einerseits und der Läuferkalotte andererseits
zur Folge baben.
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Die sphärische Wölbung der die Läuferkaltotte umfassenden Gefäßteile
ist zusvitzlich von Vorteil in bezug auf die Festigket des evaliuierten Gefäßes
gegenüber den von außen wirkenden Atmosphärendrudk.
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Auch bei cler Ausführung nach Fig. 3 können das antriebssystem 17,
18 und das Bremssystem den xvirksamen Teil des Läufers derart umfassen, daß die
Kraftlinieu an der elinen Seite der Kohlkugelkalotte eintreten und an der anderen
Seite austreten. Manchmal genügt es, diese Systeme einseittig anzuordnen, so daß
die Kraftlinien an der gleichen Seite der kalotte ein-und austreten.
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An Stelle der Öffnung 8 (Fig. 2), a-elche über einen bestimmten Sektor
einer vollen Läuférumdrehung die Entladungsstrecke zwischen den auf beiden Seiten
des Läufers einander gegenüber angeordneten Elektroden 9 und 10 freigibt, Wird in
der Anordnung nach Fig. 3 der Läuier selbst periodisch in den Entladungsstrom0-kreis
Eingeschaltet. Die den Läufer vollständig bekeckende isolierende Schicht ist in
der Zone, in wlcher sich im bereits beschriebenen Beispiel die tWfrnung 8 (Fig.
2) befindet, beseitigt. Dieser Flächenteil kann mit einem leitend mit dem Läuferköreper
verbundenen Molybdänplättchen 15 belegt sein. An der Stirnfläche des unteren Achsenendes
ist in gleicher Weise ein Molybdänplättchen 16 angebracht, weilches der festen Elektrode
10 gegenübersteht (wobei letztere
in diesem Beispiel gleichzeitig
als axialer Eegren% er für das Schwebelager 3, 4 wirkt).
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In den bei jeder Umdrehung des Läufers periodisch wiederkehrenden
Zeitabschnitten, in weilch das Plättchen 15 der Eilektorde 9 unmittelbar gegenübersteht,
fließt der Steurerstrom von der Spannungsquelle zur Elektrode 9, von dort über die
Entladungsstrecke 9-15, dann über das Kernmetall des Läufers zur Molybdänelektrode
16 und von dieser über die Entladungsstrecke 16-10 und von der Elektrode 10 über
die Steuerwicklung des Zählwerkes zum Gegenpol der Spannungsquelle.
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Fig. 4 zeigt eine weitere Form des Läufers mit dem Elltladungsgefäß.
Hier dient das Gefäß gleichzeitig als Träger für die Spannungsspule 17 und die Stromspule
19, welche nach Art eines Asynchronmotors mit voreilendem Strom in der Hilfswicklung
an der Außenseite des Gefäßes angerordnet sind. Die Wicklungen können untereinander
und mit dem Gefäß durch einen Kitt verbunden sein. Zur Führung des Kraftflusses
sind außerhalb des Gefäßes noch Bleche 18 aus ferromagnetischem Wekstoff vorgesehen
und ist innerhalb des Gehäuses ein Blechkörper 20 aus demselben Material angeordnet.
Dieser Wird von einer Büchse 25 getragen, welche in einem röhrenformigen Stück 26
des oberen Teiles des Glasgefäßes befestigt ist. Die Büchse dient geleichzeitig
als Träger für die Steinpfanne 6 des Spitzenlagers.
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Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 unterscheidet sich überdies noch
dadurch von dem nach Fig. 3, daß das magnetische Schwebelager aus zwei Teilen besteht,
w elchSe axial und in gleicher Richtung magneitsiert sind. Der Rotor ist als Stabmagnet
ausgeführt und liegt mit seinem WIittelpunkt etwas oberhalb cles Mittelpunkts des
Statorringes.
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Die Schaltung der beschriebenen Vorrichtung als Einphasen-Eintarif-Zähler
ist in fig. 5 anegeben. Am Umfang der Läuferdose sind die das Wanderfeld erzeugenden
Spulen 17, 19 und die Bremsmagnete 21 angeordnet. Die Spannungsspule 17 und die
Stromspule 19 sind in üblicher Weise geschaltet. Der Kreis der Spannungsspule ist
hierbei induktiv. Der Strom in de Spannungsspule hat bei dieser Anordnung eine nacheinelende
Phasenverschiebung von etwa 90° gegenüber der netzspannung.
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Bei Verwendung der Anordnung nach fig. 4 kann es jedoch vortelilha-ft
sein, die Spannungsspule über einen Kondensator 30 an die Netzklemmen anzuschließen,
wobei die dimensionierung derart ist, daß der Strom in der Spannungsspule annähernd
um 90° gegnüber der Netzspannung voreilt. Die diesbezüglichte Schaltung ist in Fig.
6 dargestellt. Die Strom-und spannungssspulen sind hier in der Zeichnungsebene abgewickelt
dargestellt.
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Die durch die Umdrehung des Läufers gesteurerte Entladungsstreche
liegt in Reihe mit einem SchrittschaItwerk mit der Wicklung 22 (Fig. 5) hinter der
Stromspule 19 an der Netzspannung. So wird erreicht, daß sich der Läufer nach dem
Abschalten der Belastung langsam weiterdreht, bis der Läufer den Steuerstrom Sperrt.
Die Erregerspule 22 dient gleichzeitig als Vorschaltimpedanz für die Entiladung
zwischlen dlen Elektroden 9 und 11), wodurch der Steuer-Stromkreis eine positive
Strom-Spannungs-Charakteristik bekommt.
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Der Anker der Schrittschaltwerkspule 22 betätigt bei jeder Läuferumdrehung
eine Klinke, welche ihrerseits ein Klinkenrad 23 um einen Zahn weiterschaltet.
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Dieses Klinkenrad ist direkt oder über ein zusätzliches Schalt- bzw.
Übersetzungsrad mit dem Zählwerk 24
verbunden. Es sind selbstverständlich auch andere
bereits benannte Fortschaltvorrichtungen für das Zählwerk anwendbar.
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Die elekytrische Übermittlung der Läuferdrehzahl auf das Schrittzählwerk
hat den zusätzlichen Vorteil, daj die gegenseitige Lage und der Abstand zwischen
Läufer und Zählwerk nich durch mechanische Übertragaunhgsmittel bestimmt sind. Da
Die Läufereinheit mit dem zugehärigen Zählwerk nur durch eine Steuerleitung verbunden
ist, besteht die ^Iöglichkeit der räumlichen Trennu-ng von Läufereinheit und Zählwerk.
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Es können dahen die Zählwerke zahlreicher Läufereinbeiten, welche
an zrveckmäßigen Stellen in die hauptstromkreise geschaltet sind, an einer zentralen
Überstwchaungsstelle verstinigt werden. an Stelle der Voerbindung über eine Drahtlelitung
zwischen der Läufereinheit und dem Zählwerk ist eine t'bermittlung der Steurerimpules
über Drahtgebunden oder drahtlose Trägefrequenvenfahren anwendbar. Acuch ist es
möglich, mehrere Zählwrde mit zugehärigen Schritt-Schaltrelsin direkt oder über
ein steuerrelsi an eine Läufereinheit parallel znzusliceßen. auf der gleichen Grendlage
ist auch die ekektrische Umschaltung mittels Schaltuhren oder Fensteudersytstemen
auf Zählwerke verschiedener Tarife möglich.
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Selbstverständlich können Zähler nach der Erfindung auch für Drehstrom,
und zwar für gleicmäßig belastete oder für ungleichmäßig belastete Phasen gebaut
werden.