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Bimetallrelais
Es sind bereits Verstärker in verschiedenen Ausführungsformen bekannt, mittels deren kleine elektri- sche Ströme oder geringe Spannungen so weit verstärkt werden, dass damit robuste Relais für verschieden- ste Zwecke einwandfrei betätigt werden können - so etwa Relais für Regelzwecke wie z. B. zur Schaltung für Stellmotoren für unstetige elektrische Regler. Als Verstärker dienen hiezu insbesondere Magnetverstär- ker, empfindliche Nullspannungsrelais mit nachgeschaltetem robustem Schaltrelais u. a. m. Diese bisher bekannten Verstärker sind jedoch sehr teuer und ausserdem infolge ihres verhältnismässig komplizierten
Aufbaues, ihrer mechanischen Empfindlichkeit usw. überaus störanfällig.
Nach dey Erfindung werden nun bei Bimetallrelais diese Nachteile dadurch vermieden, dass ein die thermische Beeinflussung der Bimetalle einer Bimetallkontakteinrichtung bewirkendes Steuerorgan gegen- über den Bimetallen verstellbar gelagert und seine Stellung durch ein Messorgan steuerbar ist.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Bimetallrelais wird die mittels des Messorgans in eine Be- wegung verwandelte Messgrösse auf das bewegbare Steuerorgan übertragen, welches derart ausgebildet und gegenüber zwei gegeneinander gestellten, miteinander mechanisch gekoppelten Bimetallen bewegbar an- geordnet ist, dass beide bei in Mittellage befindlichem Steuerorgan die gleiche Temperatur aufweisen und bei dessen durch Änderung der Messgrösse verursachter Auslenkung unterschiedliche Temperaturen anneh- men, wodurch je nach Bewegungsrichtung des Steuerorgans eines der beiden Bimetalle eine höhere Temperatur annimmt und diese Temperaturdifferenz ihre Auslenkung in der entsprechenden Richtung sowie die
Betätigung der Relaiskontakte bewirkt.
Hiebei kann beispielsweise das Steuerorgan als Heizfahne ausgebildet und zwischen beiden unbeheizten Bimetallen derart gelagert sein, dass es dieselben in seiner Mittellage auf gleiche Temperatur und bei Auslenkung unterschiedlich aufheizt.
Bei einer andern Variante des Bimetallrelais ist das Steuerorgan als Kühlfahne ausgebildet und zwischen beiden auf gleiche Temperatur aufgeheizten Bimetallen derart gelagert, dass es dieselben in Mittellage auf gleiche Temperatur und bei Auslenkung unterschiedlich abkühlt.
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Bimetallrelais dargestellt. Es zeigen Fig. l ein Bimetallrelais für einen Regler-Stellmotor mit einem als Heizfahne ausgebildeten Steuerorgan sowie einem elektrischen Messorgan, das aus einer geradlinig bewegbaren Spule besteht ; Fig. 2 von einem Bimetallrelais mit als Kühlfahne ausgebildetem Steuerorgan einen Ausschnitt in Seitenansicht.
In Fig. l sind zwischen zwei Kontakten 1 und 2 zwei als Kontaktträger dienende Bimetalle 3 und 4 derart zueinander angeordnet, dass ihre Seiten mit dem grösseren Ausdehnungskoeffizienten aussen liegen ; die Kontaktfedern, die an ihrem oberen Ende die Kontakte 1 und 2 tragen sowie beide Bimetalle 3 und 4 sind an ihrem unteren Ende durch Isolierstücke-ähnlich wie bei einem Kontaktfederpaket eines Relaisim richtigen gegenseitigen Abstand zusammengehalten und im Gerät fest montiert ; die Bimetalle 3 und 4 sind mittels einer Traverse 5 miteinander mechanisch gekoppelt, so dass Änderungen der Umgebungstemperatur keinen Einfluss auf ihre Lage haben, und sie sind ferner mit Kontakten 6 bzw. 7 versehen, welche alternativ mit den Kontakten 1 und 2 zusammenarbeltenundso 4weiBimetallkontakteinrichtungen bilden.
Die Traverse 5, welche die Bimetalle3und4 etwa in der Höhe der beiden Kontakte 6 und 7 miteinander verbindet, dient als Distanzstück und gewährleistet, dass die Kontakte 6 und 7, unabhängig von der Temperatur der Bimetalle 3 und 4, immer den gleichen Abstand voneinander haben. Die Kontakte 1 und 2
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sind auf normalen Kontaktfedern angeordnet, wodurch eine reibende Kontaktgabe gewährleistet ist. Die beiden aus den Kontakten 1 und 6 bzw. 2 und 7 gebildeten Schalter liegen beispielsweise im Stromkreis 8 eines Reglerstellmotors 9.
Zwischen den beiden Bimetallen 3 und 4 ist als gegenüber den letzteren in Pfeilrichtung bewegbar gelagertes Steuerorgan eine Heizfahne 10 angeordnet, welche mit einer Heizspule 11 ausgerüstet ist, die durch Zuleitungen 12 und 13 von einer Stromquelle 14 Spannung erhält. Die Zuleitungen 12 und 13 dienen zugleich der später noch näher zu beschreibenden Lagerung der Heizfahne 10. Die Ausbildung und Anordnung der Heizfahne 10 ist derart, dass die beiden Bimetalle 3 und 4 von der bewegbaren Heizfahne 10 auf den gleichen Temperaturwert aufgeheizt werden, wenn die Heizfahne 10 sich in ihrer Mittellage zwischen den beiden Bimetallen 3 und 4 befindet.
In dieser Lage, die in der Fig. 1 dargestellt ist, sind die beiden aus den Kontakten 1 und 6 bzw. 2 und 7 gebildeten Schalter geöffnet, d. h. der Reglerstellmo- tor 9 ist ohne Spannung und steht still. Findet jedoch eine seitliche Auslenkung der Heizfahne 10 aus der Mittellage nach rechts oder links statt, so bewirkt diese Auslenkung eine unterschiedliche Aufheizung der beiden Bimetalle 3 und 4, und je nachdem, in welcher Richtung die Heizfahne 10 ausgelenkt wurde, wird durch eine entsprechende Formänderung des Bimetallsystems 3/4/5 einer der beiden Schalter 1/6 und 2/7 geschlossen, so dass dementsprechend der Reglerstellmotor 9 in der einen oder der andern Drehrichtung anläuft.
Ein elektrisches Messorgan 15 besteht aus einer als Flachspule ausgebildeten Spule 16, welche zwischen zwei permanenten U-Magneten 17 und 18 im Sinne der Richtungspfeile annähernd geradlinig bewegbar angeordnet ist. Die Flachspule 16 ist mittels federnder Bändchen 19 und 20, welche zugleich als elektrische Zuleitungen dienen, und den Zuleitungen 12, 13 reibungsfrei gelagert. Die Flachspule 16 ist beispielsweise in einer Wheatstone'schen Brücke 21 eingeschaltet, welche ein die Messgrösse erfassendes Messglied 22, z. B. einen temperaturempfindlichen Widerstand, enthält. Durch die Zuleitungen 12 und 13 ist die Heizfahne 10 starr mit der Flachspule 16 verbunden, so dass die Heizfahne 10 die annähernd linearen Auslenkbewegungen der Flachspule 16 mitmacht.
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ser Kraft und damit die Bewegungsrichtung derFlachspule 16 ist abhängig von der Stromrichtung.
Zusammen mit derFlachspule 16 wird auch die Heizfahne 10 zwischen den Bimetallen 3 und 4 in der einen bzw. in der andern Richtung bewegt. Wenn sich nun die Heizfahne 10 beispielsweise nach links gegen das Bimetall 3 hin bewegt, so ergibt sich bei den beiden Bimetallen 3 und 4 eine Temperaturdifferenz, welche eine Auslenkung des Bimetallsystems 3/4/5 nach rechts zum Kontakt 2 hin bewirkt. Dadurch wird der Schalter 2/7 geschlossen, und der Reglerstellmotor 9 läuft an, beispielsweise im Uhrzeigerdrehsinne. Bewegt sich aber die Heizfahne 10 nach rechts, so ergibt sich beim Bimetallsystem 3/4 eine entgegengesetzte Temperaturdifferenz, welche eine Auslenkung des Bimetallsystems 3/4/5 nach links zum Kontakt 1 hin bewirkt.
Dadurch wird der Schalter 1/6 geschlossen und infolgedessen der Reglerstellmotor 9 umgepolt, so dass er jetzt in der entgegengesetzten Drehrichtung anläuft.
Die Bimetalle 3 und 4 könnten auch derart zueinander angeordnet sein, dass ihre Seiten mit dem grö- sseren Ausdehnungskoeffizienten innen, also einander zugekehrt liegen. Die zuvor beschriebene Anordnung, bei welcher die Seiten mit dem grösseren Ausdehnungskoeffizienten aussen, also voneinander abgekehrt liegen, ist aber deshalb besonders günstig, weil sich bei der Auslenkung der Heizfahne 10 das von ihr stärker aufgeheizte Bimetall gegen die Heizfahne 10 hin biegt und deshalb noch erheblich stärker aufgeheizt wird, was eine Beschleunigung der Ausbiegebewegung des Bimetallsystems 3/5/4 and somit auch eine Beschleunigung der Kontaktbewegung, d. h. eine störungsfreie Kontaktgabe, zur Folge hat.
Umgekehrt wird hier aber auch eine in günstiger Weise beschleunigte Kontaktöffnung erzielt, weil sich bei der Zurückbewegung der Heizfahne 10 gegen die Mittellage hin das zuvor stärker aufgeheizte Bimetall gleichzeitig in Richtung auf seine Ausgangsform hin, d. h. von der Heizfahne 10 weg biegt, so dass sich das Bimetallsystem 3/5/4 und damit auch der bewegbare Kontakt aus seiner Schliessstellung mit wachsender Geschwindigkeit vom feststehenden Gegenkontakt weg bewegt.
In der Fig. 2. ist eine andere Ausführung des Bimetallrelais in einem Ausschnitt gezeigt. Eine nicht beheizte Kühlfahne 23 ist zwischen zwei beheizten, durch eine Traverse 5 miteinander mechanisch gekoppelten Bimetallen 24 und25 als bewegbar gelagertes Steuerorgan angeordnet. Die Kühlfahne 23 wird von einem nicht gezeichneten Messorgan betätigt und kann von letzterem entsprechend den beiden Richtungpfeilen ausgelenkt werden. Die nach innen gerichteten Seiten 26 und 27 der Bimetalle 24 und 25 haben den grösseren Ausdehnungskoeffizienten.
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Kontakte 28, 29 bzw. 30,31 bilden mit den beiden Bimetallen 24 und 25 zwei Bimetallkontaktein- richtungen wie bei der Ausführung gemäss der Fig. 1.
Befindet sich die Kühlfahne 23 in ihrer Mittellage zwischen den beiden Bimetallen 24 und 25, dann entzieht sie den letzteren gleiche Wärmemengen, so dass die beiden auf die gleiche Temperatur beheiz- ten Bimetalle 24 und 25 auf die gleiche Temperatur abgekühlt werden. Die beiden Bimetalle 24 und 25 haben dann ihre in der Fig. 2 gezeigte Ausgangsform, d. h. sie sind nicht gekrümmt, und die beiden
Schalter 28/29 und 30/31 sind geöffnet.
Bewegt sich nun die Kühlfahne 23 beispielsweise nach rechts auf das Bimetall 25 hin, dann wird letz- teres stärker gekühlt als das Bimetall 24. Dadurch krümmt sich das Bimetallsystem 24/5/25 nach rechts zum Kontakt 31 hin. Dabei wird der von den Kontakten 30/31 gebildete Schalter geschlossen. Bewegt sich aber die Kühlfahne 23 nach links auf das Bimetall 24 hin, dann tritt eine entgegengesetzte Verbie- gung des Bimetallsystems 24/5/25 ein, und der Schalter 28/29 wird geschlossen.
Die Bimetalle 24 und 25 könnten auch derart zueinander angeordnet sein, dass ihre Seiten 26 und 27 mit dem grösseren Ausdehnungskoeffizienten aussen, also voneinander abgekehrt liegen. Die in der Fig. 2 gezeigte Anordnung, bei welcher die Seiten 26 und 27 mit dem grösseren Ausdehnungskoeffizienten in- nen, also einander zugekehrt liegen, ist aber im vorliegenden Fall besonders günstig. u. zw. deshalb, weil sich bei der Auslenkung der Kühlfahne 23 das von ihr stärker gekühlte Bimetall gegen die Kuhlfahne 23 hin biegt und deshalb noch erheblich stärker abgekühlt wird, was eine Beschleunigung der Ausbiegebewe- gung des Bimetallsystems 24/5/25 und somit auch eine Beschleunigung der Kontaktbewegung, d. h. eine störungsfreie Kontaktgabe, zur Folge hat.
Umgekehrt wird hier aber auch eine in günstiger Weise be- schleunigte Kontaktöffnung erzielt, weil sich bei der Zurückbewegung der Kühlfahne 23 gegen die Mit- tellage hin das zuvor stärker gekühlte Bimetall gleichzeitig in Richtung auf seine Ausgangsform hin, d. h. von der Kühlfahne 23 weg biegt, so dass sich das Bimetallsystem'24/5/'2. 5 und damlt auch der bewegbare
Kontakt aus seiner Schliessstellung mit wachsender Geschwindigkeit vom feststehenden Gegenkontakt weg bewegt.
Bei Verwendung eines als Kühlfahne ausgebildeten Steuerorgans ist also die Schliess- und Öffnungs- charakteristik der Schalter besonders günstig, wenn die Bimetallseiten mit dem grösseren Ausdehnung- koeffizienten einander zugekehrt angeordnet sind, während bei Verwendung eines als Heizfahne ausgebil- deten Steuerorgans aus den gleichen physikalischen Gründen die Schaltcharakteristik besonders günstig ist, wenn die Bimetallseiten mit dem grösseren Ausdehnungskoeffizienten voneinander abgekehrt ange- ordnet sind.
Es sind auch andere konstruktive Ausführungsformen des Bimetallrelais möglich. So kann beispiels- weise das gegenüber den Bimetallen bewegbar gelagerte Steuerorgan derart ausgebildet sein, dass es aus zwei Heizfahnen besteht, welche ausserhalb des Bimetallsystems links und rechts neben den Bimetallen angeordnet und mechanisch miteinander gekoppelt sind. Das Messorgan bewegt hiebei das Heizsystem, wobei sich die eine Heizfahne dem einen Bimetall nähert und sich zugleich die andere Heizfahne von dem andern Bimetall entfernt. Auf entsprechende Weise könnte man auch ein aus zwei miteinander mecha- nisch gekoppelten Kühlfahnen gebildetes bewegbar gelagertes Steuerorgan verwenden.
An Stelle von zwei
Bimetallkontakteinrichtungen können auch mehrere oder es kann auch nur eine einzige Bimetallkontakt- einrichtung vorgesehen sein, und an Stelle eines Reglerstellmotors können auch andere Einrichtungen gesteuert werden. Das beschriebene Bimetallrelais kann ausser von der Messgrösse auch zusätzlich durch eine Rückführeinrichtung beeinflusst sein.
Die beschriebenen Ausführungen des Bimetallrelais-lassen sich in vorteilhafter Weise auch bei andern
Messorganen anwenden. So kann beispielsweise das Messorgan als Drehspulinstrument ausgeführt sein, bei welchem die Spule drehbar gegen eine federnde Rückstellkraft im Magnetfeld eines permanenten Magneten gelagert ist. Die Spule des Messorgans kann tatt einer einzigen Wicklung auch mehrere Wicklungen aufweisen zwecks Addition bzw. Subtraktion von elektrischen Grössen.
Zwischen dem Messorgan und dem gegenüber den Bimetallen bewegbar gelagerten Steuerorgan kann ferner eine Hebelübersetzung vorgesehen sein, durch welche die Auslenkbewegung des Messorgans bei der Übertragung auf das Steuerorgan nach Weg und Geschwindigkeit vergrössert wird. Diese Hebellibersetzung, welche bei einem als Messorgan dienenden Drehspulinstrument unter Anwendung des Prinzips des einarmigen Hebels besonders leicht verwirklicht werden kann, vergrössert die Empfindlichkeit. des Bimetallrelais.
Als Messorgan kann auch ein beliebiges anderes permanentdynamisches System, beispielsweise mit einer Tauchspule, dienen, und es können auch elektrodynamische, mechanische, z. B. Haar-Hygrometer, oder thermische Systeme als Messorgan dienen.
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Das Bimetallrelais gemäss der Erfindung hat den Vorteil, dass mit ihm auf einfache, billige und betriebssichere Weise mit kleinen Messgrössen robuste Kontakte mit grossem Kontaktdruck betätigt werden können. Es zeichnet sich dadurch aus, dass von der Eingangsgrösse lediglich ein kleines, leichtes und reibungsarm gelagertes Steuerorgan von sehr geringer Massenträgheit bewegt werden muss, wozu nur sehr geringe Kräfte erforderlich sind. Der notwendige Kontaktdruck wird von den Bimetallen erzeugt, so dass das erfindungsgemässe System gewissermassen wie ein einfaches"Servosystem"wirkt, bei welchem von der Eingangsgrösse lediglich die sehr kleinen Kräfte, z. B. etwa 0, 1 g, zur linearen Verschiebung der als bewegbar gelagertes Steuerorgan dienenden Heiz-bzw.
Kühlfahne aufgebracht werden müssen und bei welchem trotzdem eine um ein Vielfaches grössere Kontaktkraft, z. B. etwa 10 g, bei reibender Kontaktgabe erzielt wird.
PATENTANSPRÜCHE :
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