Zählwerk

Ein von Hand betätigtes Zählwerk mit Betätigungshebel und Rückstellschraube

Mechanik eines Zählwerks

Mechanischer Einer-Zehner-Übertrag: Der schwarze Mitnehmer am linken Zahnrad bewegt bei jeder Umdrehung im Uhrzeigersinn das rechte Zahnrad um einen Schritt weiter

Ein Wasserzähler mit acht Ziffernrollen (schrittweise weiterdrehend), einem Zeiger (stufenlos weiterdrehend) und einem unbeschrifteten Indikator, der anzeigt, ob eine Ansprechschwelle überwunden ist

Anzeige des elektromechanischen Zählwerks eines Energiezählers; die niederwertigste Ziffernrolle arbeitet ungestuft und gestattet die Ablesung einer weiteren Stelle auf einer Skale

Ein Zählwerk ist eine Vorrichtung zum Erfassen (und meistens auch Anzeigen) von Anzahlen und Mengen. Es existieren die beiden Grundtypen Impuls- und Mengenzählwerke. Ein Impulszählwerk zählt Einzelereignisse wie beispielsweise mechanische Stoß-Bewegungen (Handzähler) oder elektrische Impulse. Ein Mengenzählwerk zählt kontinuierlich veränderliche Größen wie die gefahrene Strecke eines Fahrzeuges (angezeigt als Kilometerstand).

Zählkapazität

Die Zählkapazität, also die Gesamtzahl c der möglichen Anzeigewerte, ist bei allen Zählwerkstypen durch die Anzahl $n$ der kaskadierten Zählstufen und die Anzahl der Ziffern $d$ je Zählstufe als

$c=d^{n}$

gegeben.

Weiterzählen nach Erreichen des Zählerhöchststandes führt im einfachsten Fall dazu, dass die Anzeige wieder bei Null beginnt (sog. Überlauf). Das Zählwerk kann jedoch z. B. auch so eingerichtet sein, dass die Anzeige dann beim Höchststand stehen bleibt.

Bauformen

Zählwerke arbeiten mechanisch, elektromechanisch oder elektronisch.

Mechanische Zählwerke

Die ältesten Zählwerktypen arbeiten mechanisch. Ein Rollenzählwerk, früher auch Totalisator genannt, besteht aus mehreren Rollen auf einer Achse. Die erste Rolle wird über einen Mechanismus um einen definierten Winkel, üblicherweise 1/10 Umdrehung, weitergedreht und rastet in der nächsten Stellung ein. Jede Rolle verfügt hierbei über einen einzigen Zahn, über den am Ende einer vollen Umdrehung die nächste Rolle um 1/10 Umdrehung weitergedreht wird. Auf den Rollen sind die Ziffern von 0 bis 9 aufgetragen; der Übertrag findet in diesem Fall zwischen den Ziffern 9 und 0 statt. Die Stellung sämtlicher Rollen wird hierdurch direkt als Dezimalzahl ablesbar.

Bei Mengenzählwerken wird das Zählwerk nicht um jeweils einen definierten Winkel, sondern stufenlos über ein Getriebe angetrieben. Wenn mehr Stellen angezeigt werden sollen, als zum geschäftlichen Verkehr erforderlich sind (beispielsweise nur zu Eichzwecken erforderliche Stellen), können diese statt auf einer Ziffernrolle auch an einer Skale angezeigt werden. Bei aufsummierender Erfassung (beispielsweise Volumenmessung aus einem Durchfluss) dreht sich die niederwertigste Stelle häufig kontinuierlich.

Elektromechanische Zählwerke

Elektromechanische Zählwerke sind mechanische Zählwerke mit einem elektrischen Antrieb. Bei Erfassung von Einzelereignissen aktiviert ein elektrischer Impuls einen Elektromagneten oder Elektromotor, der die niederwertigste Ziffernrolle weiterdreht. Bei aufsummierender Erfassung (beispielsweise Energiemessung aus einer Wirkleistung) wird kontinuierlich erfasst.

Elektronische Zählwerke

Ein synchrones 4-Bit-Hexadezimalzählwerk mit einer einstelligen Siebensegmentanzeige

Elektronische Dezimalzähler wurden früher mit Zählröhren realisiert. Heute werden sie mit integrierten Schaltkreisen (ICs) in vielen Varianten aufgebaut. Sie sind immer Impulszähler, da sie digital arbeiten (siehe Digitaltechnik). Man unterscheidet dabei synchrone oder asynchrone Zählschaltungen. Zu den Merkmalen dieser Schaltungen gehört ihr Speichervermögen. Das Ausgangssignal wird durch den Takt und die zwischengespeicherten Zustände des Zählers bestimmt.

Die Elementarbausteine eines elektronischen Zählers sind flankengesteuerte Flipflops. Zustandsgesteuerte Flipflops (Latches) sind ungeeignet. Die einzelnen Ziffern werden im Binärsystem durch den Ausgangszustand der Flipflops angezeigt. Die Impulse werden als Spannungssignal an den Takteingang des Zählers gelegt, wodurch dessen Zustand von logisch „0“ auf „1“ oder umgekehrt wechselt. Beim Übergang von „1“ auf „0“ wird ein Übertrag ausgelöst, der den Zustand des nächsthöherwertigen Flipflops ändert.

Die Zählkapazität c eines Dualzählers beträgt bei n Stufen: $c=2^{n}$ . Werden durch zusätzliche Maßnahmen k Zustände übersprungen, so verbleiben m Zählerzustände: $m=2^{n}-k$.

Beispiel

Ein Zähler mit vier Flipflops zählt als vierstellige Binärzahl von „0000“ bis „1111“, entsprechend den Werten von „0“ bis „15“. Die Null gilt als ein Zählschritt. Soll zur Darstellung einer Dezimalziffer nur von „0“ bis „9“ gezählt werden, dann werden durch entsprechende Beschaltung die letzten 6 Zählschritte verhindert, indem nach der „9“ durch den nächsten Impuls ein Übertragsimpuls ausgelöst und die Flipflops auf „0“ gesetzt werden.

Diese Vierergruppen können kaskadiert werden, je nach Ausführung zu einer vielstelligen Binär- oder vielstelligen Dezimalzahl. Letzteres ist für die unmittelbare Ablesung und Weiterverarbeitung durch den Menschen sinnvoll; eine Umrechnung der Binärzahl für die Anzeige kann somit entfallen. Man spricht dann auch von Dezimalzählern.

Siehe auch: Abschnitt Zähler im Artikel Digitale Messtechnik

Softwarezählwerke

Mit der fortschreitenden Verlagerung von Funktionen aus speziellen Bauteilen in mikroprozessorbasierte Systeme werden Zählerwerke mehr und mehr durch Programme simuliert. Obwohl Computer auch echte digitale Zählwerke enthalten, werden Softwarezähler durch ein Programm simuliert, wie es hier im Pseudocode notiert ist:

$Z$ := 0
Schleife Anfang
  Warte auf Ereignis
  $Z$ := $Z+1$
Schleife Ende

Die Variable $Z$ wird am Anfang des Programms auf 0 gesetzt. Die folgenden Anweisungen werden endlos wiederholt: Der Computer wartet auf das Eintreten des zu zählenden Ereignisses. Tritt das Ereignis ein, wird die Variable $Z$ um eins erhöht.

Anwendungen

Mengenzähler

Klassische Beispiele für Mengenzähler sind Kilometerzähler in Fahrzeugen. Sie waren bis Ende der 1980er Jahre fast ausnahmslos mechanisch, sind aber mittlerweile in fast allen Fahrzeugtypen elektronisch realisiert. Einfache Kilometerzähler zählten bei Retourfahrt (oder entsprechendem Drehen des gekoppelten Vorderrades) zurück. Eine Rücklaufsperre oder ein Getriebe, das die Drehrichtung gleichrichtet, verhindert diese Fälschungsmöglichkeit. Frühe VW-Käfer hatten fünfstellige Zählwerke, die bei Kilometer 100.000 wieder "00000" anzeigten.

Auch Wasserzähler, Wärmezähler, Stromzähler, Gaszähler, Betriebsstundenzähler und Messräder, wie sie zur Vermessung der Situation von Strassenverkehrsunfällen oder auch abgewickelter Meterware dienen, sind Mengenzähler.

An einer Papier- oder Blechschere kann ein mechanischer Zähler, der in beide Richtungen zählt, die Position des Anschlags auf Millimeter und genauer anzeigen, wenn zur Vermeidung von Spiel stets in der gleichen Richtung an den Einstellpunkt herangefahren wird.

In Laboren gibt es Zählwerke am Einstellknopf mehrgängiger Präzisionsdrehwiderstände.

Mengenzähler haben oft ein sich kontinuierlich drehendes Zahlenrad an der niedrigsten Stelle. Wenn hier eine Ziffer halb hochgewandert ist, ist diese und die nachfolgende Ziffer jeweils nur halb zu lesen. Zur besseren Erkennbarkeit ist bei manchen Stromzählern daher das Ablesefenster an dieser Stelle etwas höher ausgebildet. Beim "Weiterzählen" von "9" auf "(1)0" bewegt sich auch die nächsthöhere Stelle langsam synchron mit. Das hat zur Folge, dass sich das Weiterzählen von 99.999 auf (1)00.000 am Fahrzeugkilometerzähler auffällig sichtbar auf 5 Stellen zugleich und synchron erstreckt und während einer Fahrstrecke von 1 Kilometer ganz allmählich verläuft. Durch mechanisches Spiel bedingt liegt dabei die Neunerreihe auf einer leicht schräg ansteigenden Linie.

Impulszähler

Impulszähler sind beispielsweise die Gebühreneinheitenzähler an Telefonen. Bis in die 1990er Jahre waren das meist separate elektromechanische Zähler beim Telefonkunden. Die elektromechanischen Zähler im Wählamt wurden zur Rechnungslegung blockweise abfotografiert. Heute wird eine mit Softwarezählern und Taktung realisierte, in die Telekommunikationsanlagen integrierte Funktion verwendet. Charakteristisch für Impulszähler ist, dass die Ziffer an der niedrigsten Stelle stets springend zur nächsthöheren Zahl fortschreitet

Weblinks

Commons: Zählwerke – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien