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Induktionszähler mit stehender Welle und zu dieser asymmetrischer
Triebmagnetanordnung Die moderne Zählertechnik stellt sehr hohe Anforderungen an
die Meßgenauigkeit der Zähler und macht es notwendig, Fehlerquellen zu berücksichtigen.
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Beispielsweise verursacht bei Induktionszählern mit stehender Welle
- darunter sollen auch Drehstromzähler verstanden sein - das auf dem unteren Achslager
lastende Gewicht des Zählerankers durch Reibung einen Minusfehler. In der Fig. 1
der Zeichnung ist dieser gewichtsabhängige, im folgenden mit FG bezeichnete Fehler
mit dem Punkt A angedeutet. Es ist bekannt, diesen Fehler durch einen entsprechenden
Spannungsvortrieb zu kompensieren. Die Fig. 2 veranschaulicht, wie durch den Spannungsvortrieb
der Punkt A auf den Nullwert angehoben ist.
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Mitunter ist beobachtet worden, daß einzelne Zähler trotz solcher
Kompensation beim praktischen Einsatz erneut einen Minusfehler zeigen, der hauptsächlich
bei kleinen Zählerlasten, z. B. bei etwa 50/0 Belastung, festzustellen ist. Es konnte
ermittelt werden, daß diese Fehlanzeige auf einer weiteren Fehlerquelle beruht,
nämlich auf einer ungenauen Lage der Ankerachse im Raum: Der Fehler tritt schon
bei geringster Achsenneigung auf, beispielsweise also, wenn ein Zähler, der bei
genau senkrechter Aufhängung fehlerfrei anzeigt (Fig. 2), an einer nicht völlig
senkrechten oder an einer unebenen Wand angebracht wird.
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Würde man etwa spekulativ erwägen, diesen neigungsabhängigen Minusfehler
(FN in Fig. 3) ebenfalls durch Spannungsvortrieb zu kompensieren, also den zur Behebung
des Fehlers FG ohnehin erforderlichen Spannungsvortrieb lediglich um so viel größer
zu bemessen, daß der Punkt A wieder auf Null kommt, wie es die Fig. 4 zeigt, so
erkennt man alsbald die Ausweglosigkeit dieser Maßnahme; denn die Größe des Fehlers
FN und somit des erforderlichen Spannungsvortriebes ist je nach dem zufälligen Neigungsgrad
des aufgehängten Zählers bzw. der Gebäudewand ganz verschieden, so daß eine fertigungsmäßige
Berücksichtigung des Fehlers FN von vornherein unmöglich ist. Außerdem würde wohl
niemand seiner Kundschaft einen Zähler anbieten wollen, der nur bei nicht ordnungsgemäßer
Schiefaufhängung einen fehlerfreien Nullpunkt hat. Irgendeine sonstige Maßnahme
aber, durch die sich der Neigungsfehler eines Induktionszählers kompensieren oder
wenigstens auf ein unbedeutendes Maß verringern läßt, ist bisher unbekannt. Es blieb
also bisher nichts anderes übrig, als peinlich genau darauf zu achten, daß der Zähler
auch bei geneigter Gebäudewand durch Verwendung von Unterlegescheiben od. dgl. wirklich
senkrecht hängt.
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Die Erfindung zeigt, daß diese Aufgabe dennoch lösbar ist. Sie ist
der physikalischen Entstehung des Fehlers nachgegangen und beruht auf der Erkenntnis,
daß der Neigungs fehl er auf der an sich bekannten
magnetischen Schubkraft (Thomson-Kraft)
beruht, die bei asymmetrischer Triebsystemanordnung auf den Anker quer zu seiner
Achse einwirkt, daß diese Schubkraft eine seitliche Lagerbeanspruchung verursachen
kann und daß diese Lagerbeanspruchung nicht eine konstante Größe, sondern je nach
dem Neigungsgrad der Ankerachse größer oder kleiner ist. Bei symmetrischer Anordnung
mehrerer Triebmagnete gleicher Kraft heben sich die Schubkräfte gegenseitig auf;
bei asymmetrischer Anordnung und/oder Ausbildung der Triebmagnete jedoch bleibt
eine unausgeglichene resultierende Schubkraft übrig. Die Entstehung des Neigungsfehlers
durch diese unausgeglichene Schubkraft ist wie folgt zu erklären: Ist als unteres
Lager der Zählerachse beispielsweise eine Lagerkugel in einer Lagerpfanne vorgesehen,
so ist die Druckfläche zwischen Lager und Pfanne bei ruhendem Zähler und lotrechter
Achse praktisch punktförmig. Dreht sich die Kugel im Betrieb, so ist, wenn keine
Schubkraft wirksam ist, auch die Reibungsfiäche punktförmig. Ist dagegen eine unausgeglichene
Schubkraft vorhanden, so wird die Achse durch die Schubkraft seitlich weggedrückt,
es reibt sich eine Ringlinie der Kugel an einer Punktfläche der Pfanne, die Reibungsfläche
ist also größer, und daneben ist infolge der Schubkraft auch der Reibungsdruck größer.
Diese Reibung kann als konstant angesehen werden, solange die sich drehende Ankerachse
lotrecht steht. In diesem Falle addiert sie sich zu der eingangs besprochenen, vom
Eigengewicht des Zählerankers bedingten Lagerreibung, es addieren sich mithin die
beiden Minusfehler FG und FN, und beide Beanspruchungen
werden
gemeinsam kompensiert, wenn ein vorhandener Minusfehler durch Spannungsvortrieb
zum Verschwinden gebracht wird; ohne daß man sich dabei bewußt ist, daß sich der
Minusfehler aus Fa und FN zusammensetzt. Kommt nun aber etwa noch eine Neigung der
Achse dazu, sei es in gleicher Richtung mit der Schubkraft oder sei es dieser ganz
oder teilweise entgegen, so ändert sich die Größe der Reibung sowohl hinsichtlich
der Reibungsfläche als auch des Reibungsdruclues je nach dem Neigungswinkel, und
der Minusfehler ist nicht mehr konstant.
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Diese vorstehend an Hand einer einfachen Kugellagerung erläuterten
Erscheinungen treten sinngemäß auch bei anderen Lagerausbildungen auf, zumindest
als eine Vergrößerung des Reibungsdruckes, beispielsweise also auch bei einem Doppelsteinlager.
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In den Fig. 5 bis 7 ist gezeigt, wie sich diese Erscheinungen auf
die Größe und Richtung des Neigungsfehlers auswirken, und zwar unter Bezugnahme
auf die in Fig. 2 bis 4 angedeuteten Fälle. Es sei daher noch einmal in Erinnerung
gerufen: Fig. 2 zeigt: FG ist durch Spannungsvortrieb kompensiert; keine Schubkraft
vorhanden.
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Fig. 3 zeigt: FG ist durch Spannungsvortrieb kompensiert; Schubkraft
und somit FN ist vorhanden.
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Fig. 4 zeigt: Sowohl FG als auch FN ist durch Spannungsvortrieb kompensiert.
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Als positive (+ je) Neigungsrichtung ist in den Fig. 5 bis 7 eine
Neigung zum Triebmagnet hin angenommen - bei den Fig. 6 und 7 also entgegen der
magnetischen Schubkraft der Triebmagnetanordnung -, als negative r,B) Neigungsrichtung
eine entgegengesetzte Neigung, also eine Neigung vom Tri ebmagnet weg.
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In der Fig. 5 fällt die Fehlerliurve rechts und links der Ordinate
spiegelbildlich ab. Bei lotrechter Achsstellung ist die Anzeige fehlerfrei (Punkt
A), und bei einer bestimmten Neigung der Achse nach + oder hin tritt ein kLinusfehler
von gleicher Größe auf.
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Der Fehler ist jedoch verhältnismäßig klein, da die Kuppe der Fehlerlinie
an der Abszisse flach tangiert, mld daher in der Regel vernachlässigbar.
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Dieser günstige Fall der Fig. 5 liegt aber nur dann vor, wenn, wie
erwähnt, eine unausgeglichene Schubkraft quer zur Ankerachse nicht wirksam ist.
Ist jedoch die Triebmagnetanordnung asymmetrisch, ist also zusätzlich eine unausgeglichene
Schubkraft wirksam, so liegt der Fall ungünstiger, wie dies die Fig. 6 zeigt: Die
Fehlerkurve der Fig. 6 hat die gleiche Form wie die der Fig. 5, jedoch ist sie gegenüber
jener infolge der Schubliraft nach rechts, also nach + hin, verschoben. Hier liegt
bei lot rechter Achsstellung, also im Punkt A, ein beträchtlicher Minusfehler vor,
und die Größe dieses Fehlers ändert sich bei einer Neigung der Achse nach + oder
- sehr erheblich; denn der Punkt A liegt hier, im Gegensatz zur Fig. 5, nicht mehr
im Wendepunlit der Kurve. Würde man nun etwa. wie es oben an Hand der Fig. 4 rein
spekulativ angenommen war, versuchen wollen, den Fehler FN der Fig. 6 ebenfalls
durch einen Spannungsvortrieb auszugleichen, so würde sich das Bild der Fig. 7 ergeben.
Der Fehler ist hier zwar für den Punkt J, der der lotrechten Achsstellung entspricht,
behoben, jedoch liegt der Punkt A auch hier an der steilsten Stelle der Kurve; jede
geringste Abweichung der Achse von der Lotrechten ergibt sofort einen erheblichen
positiven oder negativen Fehler. Die spekulativ in Erwägung gezogene Maßnahme ist
also nicht einmal als nachträgliche BehelfsmaBnahme bei einem schief aufgehängten
Zähler möglich.
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Erst die Erfindung ermöglicht es, auch bei asyrnmetrischer Triebmagnetanordnung,
also auch beim Vorhandensein einer quer auf die Ankerachse einwiil:enden unausgeglichenen
Schubkraft, den Fehler in gleich geringen Grenzen zu halten, wie es in der Fig.
5 für eine symmetrische Triebmagnetanordnung gezeigt ist. Durch die Erfindung wird
der Fehler FN nicht durch Kompensation ausgeschlossen, sondern dadurch, daß die
Schubkraft selbst kompensiert wird.
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Dies geschieht erfindungsgemäß bei einem Induktionszähler mit stehender
Ankerachse und zu dieser asymmetrischer Triebmagnetanordnung, die auf die Ankerachse
eine unausgeglichene magnetische Schubkraft ausübt, dadurch, daß die Schubkraft
durch eine von besonderen Mitteln oder Maßnahmen hervorgerufene Gegenkraft wenigstens
annähernd ausgeglichen ist.
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Erfindungsgemäß wird also nicht eine Kompensation des Fehlers FN vorgenommen,
sondern die Ursache des Fehlers wird ausgelöscht. Die Mittel und Maßnahmen zur Erzeugung
der der unausgeglichenen Schubkraft entgegenwirkenden Gegenkraft können dabei an
sich von beliebiger Art sein.
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Gemäß der Weiterbildung der Erfindung ist es dabei zum Wirksammachen
der Gegenkraft auf die Ankerachse nicht einmal notwendig, die umlaufende Ankerachse
mit irgendwelchen feststehenden Körperteilen in Berührung zu bringen, durch die
etwa zusätzliche Fehlerquellen entstehen könnten, sofern man zur Erzeugung der Gegenkraft
eine Fernkraft anwendet, also eine Kraft, die auf die Ankerwelle ohne Zwischenschaltung
körperlicher Materie einwirkt.
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Solche Fernkräfte sind beispielsweise die Magnetkraft und die Erdanziehungskraft,
also die Schwerkraft.
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Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes unter Anwendung
der Erdanziehungskraft als Kernkraft ist in der Fig. 8 der Zeichnung dargestellt.
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Diese zeigt einen Zähler mit den an der Grundplatte t angeordneten
Triebmagneten 2. Die Achse 3 des Zählerankers 4 ist aus der Vertikalen NN um den
Winkel a gegen das Tnebsystem 2 geneigt, indem das Oberlager 5 näher zur Grundplattenebene
liegt als das Unterlager 6. Zur Vermeidung von Klemmungen liegen die Achsen der
Ankerwelle und des Ober- und Unterlagers im gleichen Winkel in einer Fluchtlinie.
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Bei dieser Ankeranordnung drückt das Eigengewicht des Ankers nicht
in Richtung der Ankerachse, und es ergibt sich folgende Wirkung: Die Schubkraft
der Triebmagnete 2, namentlich des auch bei kleinen Lasten voll erregten Spannungstriebmagnets,
sucht den Anker 4 in der Richtung des Pfeiles P abzudrängen, und zwar mit einer
Kraft K = f (02), die proportional dem Quadrat des Triebflusses ist. Diese Kraft
ergibt unter Berücksichtigung der durch die Lage des Ankers und des Ober- und Unterlagers
bedingten Hebelübersetzung eine seitliche Lagerbeanspruchung. Die Neigung a der
Ankerwelle muß nun so groß gemacht werden, daß die horizontale Komponente der Schwerkraft,
L= G sin a, an der Ankerscheibe gerade die Schubkraft K kompensiert.
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Man erhält dann die Kurve der Fig. 9, also die gleiche Kurve wie in
Fig. 5, und die Fig. 9 zeigt, daß auch bei einer Schrägaufhängung des Zählers in
den praktisch in Betracht kommenden Grenzen nur unbedeutende Fehler entstehen. Die
Fig 9 ist in der Zeichnung absichtlich den Fig. 3 und 6 zugeordnet, um auch hiermit
auszudrücken; daß es sich bei ihr, wie bei Fig. 3 und 6, nicht um eine Kompensation
des Fehlers FN handelt, sondern um das Auslöschen der Ursache des Fehlers.
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Es ist ein weiterer, wesentlicher Vorteil der Erfindung, daß man
bei ihr sogar die Möglichkeit hat, auf ohnehin vorhandene Mittel - im vorbeschriebenen
Falle auf die Schwerkraft - zurückgreifen zu können, ohne zusätzliche Vorrichtungen
anbringen zu müssen. Streng genommen ist eine vollkommene Kompensation der Schubkraft
nur möglich, wenn der Schwerpunkt des Ankers in der Ebene der Scheibe liegt; diese
Voraussetzung trifft für den Einscheibenzähler mit sehr großer Annäherung zu.
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Im dargestellten Beispiel ist die den Triebsystemen 2 zugeneigte
Ankerachse zugleich der rückwärtigen Grundplatte des Zählers zugeneigt. Selbstverständlidi
muß, wenn das Triebsystem quer zur Grundplatte angebracht ist, analog auch die Ankerwelle
quer geneigt werden. Entsprechendes gilt, wenn das Triebsystem auf der Vorderseite
sitzt oder zwei Triebsysteme im rechten Winkel zueinander angeordnet sind usw.
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Die gleiche Wirkung wie durch die dargestellte Neigung der Ankerachse
gegenüber dem Triebsystem wird erzielt, wenn statt dessen das ganze Triebsystem
im Zählergehäuse schräg gestellt wird oder wenn statt dessen die Aufhängevorrichtung
des Gehäuses so ausgebildet wird, daß beim Festschrauben des Zählers an einer lotrechten
Wand die Ankerachse zwangläufig schräg zur Lotrechten steht. Im letzteren Falle
genügt es also, die in der Fig. 7 nicht mitgezeichneten, oben und unten am Gehäuse
befindlichen Aufhängevorrichtungen in einer solchen Weise unterschiedlich auszubilden,
daß der untere Gehäuseteil etwas weiter von der Wand absteht als der obere.
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Die Nutzbarmachung der Magnetkraft gemäß der Erfindung kann beispielsweise
so geschehen, daß ein von der Ankerachse durchdrungener Magnetkern vorgesehen wird,
möglichst in der Lagernähe der Ankerachse, der von einem Gegenpol angezogen oder
abgestoßen wird, und zwar wiederum entgegengesetzt zur Richtung der unausgeglichenen
Schubkraft.
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Eine weitere mögliche Maßnahme nach der Erfindung ist, nicht die
Ankerachse, sondern die Kugel-
pfanne des Unterlagers der Ankerachse schräg zu stellen,
indem man etwa die Bohrung für dieses Lager neigt. Bei lotrechter Anordnung der
Ankerachse steht dann das kugelförmige, untere Ende der Ankerachse bei ruhendem
Zähler nicht mehr auf dem Mittelpunkt der Kugelpfanne, sondern auf einem außermittigen
Punkt der Pfannenfläche, und erst beim Betrieb des Zählers, also erst beim Wirksamwerden
der Schubkraft, wird das untere Achsenende von der Schubkraft in den Pfannenmittelpunkt
gedrängt.
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PATENTANSPROCKE: 1. Induktionszähler mit stehender Ankerwelle und
zu dieser asymmetrischer Triebmagnetanordnung, die auf die Ankerachse eine nicht
ausgeglichene magnetische Schubkraft ausübt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubkraft
durch eine von besonderen Mitteln oder Maßnahmen hervorgerufene Gegenkraft wenigstens
annähernd ausgeglichen ist.