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Flüssigkeitspegel
Die Erfindung betrifft einen Flüssigkeitspegel. mit einem Körper, z. B. einem Schwimmer, der um eine zur Flüssigkeitsoberfläche im wesentlichen parallele, ortsfeste Achse unter dem Einfluss des durch die Verdrängung des Körpers in der Flüssigkeit erzeugten Drehmomentes und eines entgegenwirkenden Richtdrehmomentes, das aus dem durch das Gewicht des Körpers verursachten Drehmoment oder aus einem von aussen wirkenden, z. B. von einer Feder herrührenden Drehmoment, bestehen kann, drehbar ist.
Flüssigkeitspegel dieses Typs sind bereits bekannt ; sie sind derart konstruiert, dass ein drehbarer Verdrängungskörper momentan um seine Achse von einer unteren Endlage in eine obere Endlage schwenkt, wenn die Flüssigkeitsoberfläche ein gewisses, vorbestimmtes Niveau erreicht, und bei einem zweiten vorbestimmten Niveau, welches niedriger ist als das erstgenannte, momentan von der oberen Endlage in die untere Endlage zurückschwenkt. Eine solche Wirkungsweise eines Flüssigkeitspegels ist von Vorteil, wenn der Pegel anzeigen soll, dass der Flüssigkeitsstand ein gewisses Höchst- bzw. Mindestniveau erreicht bzw. ein vorbestimmtes Niveau überschreitet, da diese Wirkungsweise eine sehr genaue Anzeige und eine starke Bewegung des drehbaren Körpers, die leicht erkenntlich ist, ergibt.
Bei dieser Wirkungsweise schwenkt der Verdrängungskörper auch unter der Einwirkung einer merklichen Kraft, die zur Betätigung
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weise waren bisher verhältnismässig kompliziert gebaut und nahmen verhältnismässig viel Raum ein.
Des weiteren hatten die drehbaren Verdrängungskörper dieser bisher bekannten Flüssigkeitspegel eine solche Gestalt, dass es schwierig war, die durch die Verdrängung und das Gewicht des Körpers hervorgerufenen Drehmomente auf die Achse des Körpers rechnerisch zu erfassen. Auch die Herstellung und die drehbare Anordnung des Verdrängungskörpers war in einigen Fällen wegen der Gestalt des Körpers ziemlich schwierig.
Das Ziel der Erfindung ist es daher, einen Flüssigkeitspegel des Typs und mit der Wirkungsweise, wie oben beschrieben, zu schaffen, der die Nachteile der bisher bekannten Flüssigkeitspegel dieses Typs nicht aufweist. Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung einen Flüssigkeitspegel mit einem drehbar angeordne- ten Verdrängungskörper vor, der einen im wesentlichen konstanten Querschnitt in der Gestalt eines Kreissektors in Ebenen senkrecht zur Drehachse des Körpers aufweist, wobei die Drehachse entfernt vom Volums- mittelpunkt des Körpers in Richtung des Scheitels des Kreissektors angeordnet ist.
Bei einem Verdrängungskörper dieses Typs wird die Berechnung des auf den Körper durch die Flüssigkeitsverdrängung des Körpers und das Gewicht des Körpers einwirkenden Drehmomentes auf eine Berechnung der jeweiligen Drehmomente um die Drehachse für die kreissektorförmige Querschnittsfläche reduziert. Ein Verdrängungskörper dieser Art ist auch verhältnismässig leicht herzustellen.
Der drehbare Verdrängungskörper kann hohl sein und aus einem dünnen, dichten Mantel bestehen, oder er kann massiv sein und aus einem Material bestehen, das eine geringereDichtehat als die Flüssigkeit, so dass der Körper als Schwimmer wirkt. Der Körper kann jedoch auch massiv sein und aus einem
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Material grösserer Dichte als die Flüssigkeit bestehen.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen näher beschrieben. Die Fig. l, 2 und 3 zeigen schematisch Beispiele von drei verschiedenen drehbaren Verdrängungskörpern, die in einem erfin- dungsgemässen Flüssigkeitspegel verwendet werden können, wobei die Körper in einer zu ihrer Drehachse parallelen Richtung gezeigt sind. Die Fig. 4, 5, 6 und 7 zeigen eine Ausführungsform eines. erfindungsge- mässen Flüssigkeitspegels, der mit einem drehbaren Verdrängungskörper des in Fig. 3 gezeigten Typs aus- gestattet ist.
Die Fig. 4 und 5 zeigen den Pegel mit der obersten bzw. untersten Endlage des Verdrän- gungskörpers. und die Fig. 6 und 7 zeigen den Pegel mit gleichen Lagen der Verdrängungskörper, wobei jedoch der Pegel teilweise im Schnitt gezeigt ist, so dass die Anordnung von Kontaktmitteln, die vom
Pegel betätigt werden, sichtbar ist.
Der drehbare Verdrängungskörper 1 für einen erfindungsgemässen Flüssigkeitspegel, wie er sche- matisch in Fig. l gezeigt ist, hat in Ebenen senkrecht zur Drehachse des Körpers einen konstanten Quer- schnitt in Form eines Kreissektors, der einen Zentriwinkel Cl. von kleiner als 900 aufweist. Der Körper ist um eine ortsfeste horizontale Achse 2 durch den Mittelpunkt des Kreissektors drehbar. Der Einfachheit halber wird auch angenommen, dass der Körper 1 um seine Achse 2 ausgewuchtet ist, z. B. mit- tels eines Gegengewichtes 3 od. dgl. Die Schwerkraft kann daher dem Körper kein Drehmoment um sei- ne Achse 2 verleihen.
Der Körper ist zwischen zwei ortsfesten Endlagen, diein den Zeichnungen durch zwei Anschläge 4 und 5 schematisch angedeutet sind, schwenkbar. Wenn sich der Körper in der unteren Endlage befindet, ist die Halbierende 6 des Kreissektors gegenüber der Vertikalen etwas geneigt. Der Körper wird durch ein Richtdrehmoment, das z. B. von einer in den Zeichnungennur schematisch gezeigten Feder 7 herrührt, beeinflusst, das den Körper im Gegenuhrzeigersinn gegen seinen Anschlag 4 zu schwenken sucht. Wenn die Flüssigkeitsoberfläche sich gänzlich unterhalb dem Körper befindet, so dass kein Teil des Körpers in die Flüssigkeit eintaucht, wird der Körper 1 durch das durch die Feder 7 hervorgerufene Richtdrehmoment in seiner unteren Endlage gehalten.
Wenn der Flüssigkeitsspiegel ansteigt, so dass ein Teil des Körpers 1 in die Flüssigkeit eintaucht, wird der Körper durch ein Drehmoment im Uhrzeigersinn beeinflusst, das gleich ist dem Produkt der Verdrängung des eintauchenden Teiles des Körpers 1 und dem senkrechten Abstand zwischen der Verdrängungskraft und der Drehachse 2. Dieses Verdrängungsdrehmoment wird offenbar grösser werden, wenn der Flüssigkeitsspiegel steigt, und es wird angenommen, dass das Verdrängungsdrehmoment gleich dem von der Feder 7 herrührendenRichtdrehmoment wird, wennderFlüssigkeitsspiegeldieindenZeichnungen angedeutete Standhöhe 8 erreicht.
Die untere Endlage, in der der Körper 1 am Anschlag 4 anliegt, wird dann für den Körper eine unstabile Lage, und der Körper schwenkt momentan und selbsttätig um die Achse 2 in die obere Endlage gegen den Anschlag 5. Dies beruht darauf, dass, wenn der Körper 1 bei einer Standhöhe 8 der Flüssigkeit vom unteren Anschlag 4 gegen den oberen Anschlag 5 schwenkt, das Verdrängungsdrehmoment stetig und ohne Unterbrechung ansteigt. Die Verdrängung des eintauchenden Teiles des Körpers 1 wird sicherlich etwas abnehmen, doch wird der senkrechte Abstand de Verdrängungskraft zur Drehachse 2 in einem wesentlich grösseren Ausmass grösser, weshalb das Verdrängungsdrehmoment grösser ist, wenn sich der Körper in seiner oberen Endlage befindet, als wenn er sich in der unteren Endlage befindet.
Es ist eine Voraussetzung für diese Wirkungsweise, dass die Feder 7 ein Richtdrehmoment hervorruft. das im wesentlichen konstant bleibt, wenn der Körper von der unteren Endlage in die obere Endlage schwenkt bzw. welches zumindest langsamer ansteigt als das Verdrängungsdrehmoment, so dass, wenn der Körper seine obere Endlage erreicht, das Verdrängungsdrehmoment grösser ist als das Richtdrehmoment. Beim Flüssigkeitsstand 8 schwenkt folglich der drehbare Körper momentan von der unteren Endlage in die obere Endlage, worauf der Körper durch ein bestimmtes Drehmoment, das durch dieDifferenz zwischen dem Verdrängungsdrehmoment und dem Richtdrehmoment in dieser Lage gegeben ist, in seiner oberen Endlage gehalten wird.
Ein weiteres Steigen des Flüssigkeitsspiegels bewirkt offenbar keine Änderung in der Lage des Körpers. Ein Sinken des Flüssigkeitsspiegels von der Standhöhe 8 hat jedoch eine Verkleinerung des Verdrängungsdrehmomentes zur Folge, und wenn der Flüssigkeitsspiegel eine vorbestimmte, etwas niedri- gere Höhe erreicht, wird das Verdrängungsdrehmoment wieder gleich dem Richtdrehmoment. Bei diesem zweiten Flüssigkeitsstand wird die obere Endlage eine unstabile Lage für den Körper, und dieser schwenkt momentan und selbsttätig in die untere Endlage gegen den Anschlag 4.
Während dieser Bewegung wird das Verdrängungsdrehmoment stetig und ohne Unterbrechung kleiner werden, wogegen das durch dieFeder 7 hervorgerufene Richtdrehmoment konstant bleibt bzw. langsamer abnimmt als das Verdrängungsdreh-
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rend dieser Bewegung werden sowohl das Verdrängungsdrehmoment als auch das Schwerkraftmoment grö- user, doc nimmt das Schwerkraftmoment schneller zu als das Verdrängungsdrehmoment, so dass in der un- teren Endlage das Schwerkraftmoment grösser ist als das Verdrängungsdrehmoment, wenn sich die Flüssig- keitsoberfläche bei besagtem unterem Niveau befindet.
Auch bei der in Fig. 3 gezeigtenAusführungsform der Erfindung besitzt der drehbareVerdrängungskör- per 15 einen im wesentlichen konstanten Querschnitt in Ebenen senkrecht zur Achse des Körpers, wel- cher Querschnitt im wesentlichen die Form eines Kreissektors besitzt, wobei jedoch der Zentriwinkel y kleiner ist als 1800 und grösser als 900. Der Körper ist um eine ortsfeste horizontale Achse 16 durch einen an der Halbierenden 17 des Kreissektors zwischen dem Scheitel des Kreissektors und der Fla- chenmitte des Kreissektors gelegenen Punkt drehbar montiert.
Der Körper 15 ist um die Achse 16 zwischen einer durch den Anschlag 18 bestimmten unteren Endlage, in welcher dir untere ebene Seite
19 des Körpers vertikal ist, und einer durch den ortsfesten Anschlag 20 bestimmten oberen Endlage. in welcher die obere ebene Seite 21 des Körpers vertikal ist, drehbar.
Im Hinblick auf die anzuwendende Herstellungstechnik und aus andern praktischen Gründen ist es vor- teilhaft, den Querschnitt des Körpers 15 zu modifizieren, so dass er vom echten Kreissektor in der in
Fig. 3 gezeigten Weise abweicht, wobei die gekrümmte Seite 22 des Querschnittes ein Bogen eines
Kreises ist, der seinen Mittelpunkt an der Achse 16 hat und den Radius R besitzt, und die Spitze des Querschnittes zu einem Bogen eines Kreises 23, der den Radius r und seinen Mittelpunkt an der
Achse 16 besitzt, abgerundet ist.
Die geraden Seiten 19 und 21 des Querschnittes sind zum Kreis- bogen 23 tangential.
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QuerschnittsformKörpers sich in Richtung ihrer eigenen Verlängerung bewegen wird, wenn sich der Körper um die Achse
16 dreht, und dass die zwei ortsfesten Anschläge 20 und 18 aus einer einzigen ebenen vertikalen Wand bestehen können, die den Körper nicht am Drehen um die Achse 16 hindert.
Diese Ausführungsform der Erfindung funktioniert in genau derselben Weise wie die zwei vorher be- schriebenen Ausführungsformen. Der Einfachheit halber wird angenommen, dass der Körper 15 massiv und homogen ist, so dass sein Schwerpunkt mit seinem Volumsmittelpunkt, der zwischen der Achse 16 und der gekrümmten Fläche 22 liegt, zusammenfällt. Der Körper wird daher durch ein im Gegenuhr- zeigersinn wirkendes Richtdrehmoment, das vom Gewicht des Körpers hervorgerufen wird, so lang in seiner unteren Endlage gehalten, als das im Uhrzeigersinn um die Achse 16 wirkende Verdrängungsdrehmoment kleiner ist als das Schwerkraftmoment. Es wird angenommen, dass das Verdrängungsdrehmo- moment gleich dem Schwerkraftmoment ist, wenn der Flüssigkeitsspiegel die Standhöhe 24 in den Zeichnungen erreicht.
Bei diesem Flüssigkeitsniveau wird die untere Endlage für den Körper 15 eine unstabile Lage und der Körper schwenkt momentan und automatisch in seine obere Endlage. "Während dieser Bewegung wird das Verdrängungsdrehmoment kontinuierlich grösser, so dass in dieser oberen Endlage das Verdrängungsdrehmoment grösser ist als das Schwerkraftmoment. Wenn der Flüssigkeitsspiegel anschliessend auf ein etwas niedrigeres Niveau sinkt, wird das Verdrängungsdrehmoment dem Schwerkraftmoment in der oberen Endlage des Körpers wieder gleich und der Körper schwenkt momentan und selbsttätig in seine untere Endlage zurück. Während dieser Bewegung nimmt dasVerdri1ngungsdrehmoment konstant ab, so dass das Verdrängungsdrehmoment in der unteren Endlage kleiner ist als das Schwerkraftmoment.
Da die Schwenkbewegung des Körpers zwischen seinen zwei Endlagen in bezug auf die horizontale Ebene durch die Achse 16 symmetrisch ist, ist das Schwerkraftmoment offenbar genau so gross, wenn der Körper sich in seiner unteren Endlage befindet. wie wenn er sich in seiner oberen Endlage befindet.
Wenn der Drehungswinkel 180-y zwischen den zwei Endlagen nicht gross ist, ist auch dieSchwenkung im Schwerkraftmoment während der Bewegung des Körpers verhältnismässig klein. Theoretisch ist diese Variation jedoch nachteilig, und es kann daher zu bevorzugen sein, denKörper um seine Achse 16 auszuwuchten, so dass der Schwerpunkt des Körpers an dieser Achse zu liegen kommt, und gleichzeitig das notwendigeRichtdrehmoment im Gegenuhrzeigersinn um die Achse 16 mittels einer Feder od. dgl., die eine solche Charakteristik hat, dass das Richtdrehmoment im wesentlichen konstant bleibt und unabhän- gig von der Lage des Körpers 15 ist, vorzusehen.
Es ist folglich nicht erforderlich, dass der Körper 15 homogen ist, sondern er kann hohl sein und aus einem dichten Mantel bestehen. Die Lage der Drehachse 16 bestimmt den Wert der Hysteresis des Pegels, d. h. denAbstand zwischen dem Flüssigkeitsniveau, bei dem der Körper von seiner unteren Endlage in seine obere Endlage schwenkt, und dem unteren Flüssigkeitsniveau, bei dem der Körper von der
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oberen Endlage in die untere Endlage zurückkehrt.
Je näher die Drehachse 16 dem Volumsmittelpunkt des Körpers gelegen ist, desto grösser ist die Hysteresis, bis der Körper eventuell nicht mehr in der beabsichtigten Weise funktioniert, und je näher die Achse 16 am spitzen Ende des Querschnittes gelegen ist, desto kleiner ist die Hysteresis, bis die Hysteresis ganz verschwindet und det Körper 15 um die
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Achseetwa 0, 15 und etwa 0, 35 liegt. Vorzugsweise ist die Achse 16 so angeordnet, dass der Abstand r zum spitzen Ende des Querschnittes etwa 251o der gesamten Strecke R + r zwischen dem spitzen Ende des Quer- schnittes und der gekrümmten Seite 22 ausmacht.
Der Winkel zwischen den zwei ebenen Seiten 19 und 21 des Körpers soll grösser sein als 1300 und beträgt vorzugsweise 1400.
Die Fig. 4 und 5 zeigen eine praktische Ausführungsform eines erfindungsgemässen Flüssigkeitspegels, der mit einem drehbaren Verdrängungskörper des in Fig. 3 gezeigten Typs ausgestattet ist. In Fig. 4 be- findet sich die Flüssigkeitsoberfläche oberhalb dem oberen Umschaltniveau, und der drehbare Körper be- findet sich folglich in seiner oberen Endlage, wogegen in Fig. 5 der Flüssigkeitsspiegel unter dem unteren
Umschaltniveau liegt und der drehbare Körper sich also in seiner unteren Endlage befindet. Wie in den
Fig. 4 und 5 dargestellt, umfasst der Flüssigkeitspegel eine Grundplatte 25, die an einer vertikalen
Wand in einerm Flüssigkeitsbehälter, in dem der Flüssigkeitsstand angezeigt werden soll, befestigt wer- den kann.
Vorzugsweise wird die Grundplatte 25 über einer Öffnung in der Wand angebracht, durch welche Öffnung Leitungen zu signaleinrichtungen im Flüssigkeitspegel gezogen werden können. Zwei vertikale und zueinander parallele Winkelplatten 26, 27 sind an der Grundplatte montiert. Der drehbare Körper
15 ist zwischen diesen Winkelplatten angeordnet, wobei die Welle 16 des Körpers 15 in den Plat- ten 26 und 27 gelagert ist. Die Winkelplatten haben vorzugsweise eine solche Gestalt, dass sieden grössten Teil der zwei Begrenzungswände des Körpers 15 bedecken, so dass der Körper 15 vor Be- schädigungen geschützt ist. Bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist die gewölbte Fläche
22 des Körpers 15 nicht zylindrisch, sondern sphärisch, wobei der Krümmungsmittelpunkt an der
Drehachse 16 gelegen ist.
Diese Form der Fläche 22 hat jedoch keinen entscheidenden Einfluss auf die Wirkungsweise des Pegels, sondern ist in erster Linie ein Resultat der anzuwendenden Herstellungsweise und ästhetischer Erwägungen.
DieFig. 6 und 7 zeigen denselben Pegel wie in Fig. 4 und 5 und in denselben Lagen wie in den Fig. 4 und 5, wobei jedoch gewisse Teile des Pegels im Schnitt gezeigt sind, so dass die Anordnung von Signal- erzeugungsmitteln im Pegel sichtbar wird. Diese Signalerzeugungsmittel bestehen bei dieser Ausführun g ; - form der Erfindung aus einem elektrischen Schalter 28, der in die Grundplatte 25 eingebaut ist.
Das bewegliche Kontaktglied des Schalters kann magnetisch betätigbar sein. Die Leitungen vom Schal- ter 28 verlassen den Pegel an der Rückseite der Grundplatte.
Ein Dauermagnet 29 zur Betätigung des Schalters 28 ist in dem hohlen drehbaren Körper 15 nahe dem unteren Ende der unteren ebenen Seite 19 des Körpers montiert. Wenn sich der Körper in seiner oberen Endlage befindet, beeinflusst der Magnet 29 den Schalter 28 nicht, so dass dieser offen ist. Wenn der Flüssigkeitsspiegel unter das Umschaltniveau sinkt und der Körper 15 momentan von der oberen Endlage in die untere Endlage schwenkt, wird der Dauermagnet 29 nahe an den Schalter 28 herangebracht, wodurch dieser unter dem Einfluss des Magneten 29 geschlossen wird. Eine Signaler- zeugungseinrichtung dieses Typs hat den Vorteil, dass kein mechanischer Kontakt zwischen dem drehbaren Körper 15 und derSignaleinrichtung notwendig ist, so dass die Grundplatte 25 vollkommen geschlossen sein kann.
Es ist jedoch klar, dass auch andere Arten von Signalerzeugungsmitteln, die auf die Bewegung des drehbaren Körpers 15 ansprechen, in einem erfindungsgemässen Pegel verwendet werden können.
Als Beispiel kann erwähnt werden, dass ausgezeichnete Funktionsresultate mit einem erfindungsge- mässen Flüssigkeitspegel der in den Fig. 4-7 gezeigten Bauart erzielt worden sind. Bei diesem Pegel war der drehbare Körper hohl und bestand aus einem dünnen Mantel und hatte ein Gewicht von 24 g. Die sphärische Oberfläche 22 des Körpers hatte einen Krümmungsradius R = 30 mm, wobei der Krümmungsmittelpunkt an der Drehachse 16 lag. Der Abstand r zwischen der Drehachse 16 und dem spitzen Ende des Querschnittes des Körpers betrug 10 mm und der Winkel zwischen den zwei flachen Seitenflächen 19 und 21 des Körpers betrug etwa 1400.
Ein Dauermagnet 29 mit einem Gewicht von etwa 4 g war innerhalb des Körpers 15 nahe der unteren ebenen Wand 19 des Körpers in einer Entfernung von etwa 7 mm vom unteren Ende der Wand
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