DD156858A1 - Schalter mit fluessigkeitskontakt - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schalter mit Fluessigkeitskontakt, der lageunabhaengig, prellfrei und mit einer hohen Schaltfrequenz arbeitet. Neben dem Hauptanwendungsgebiet, der Elektronik, kann der erfindungsgemaesse Schalter auch als analoger oder digitaler mechanoelektrischer Wandler unmittelbar fuer solche Groessen wie Druck und Beschleunigung genutzt werden.Ziel und Aufgabe der Erfindung ist ein Schalter mit hoher Zuverlaessigkeit der Kontaktgabe und einer einfachen Herstellbarkeit.Erfindungsgemaess wird die Aufgabe, einen Schalter mit Fluessigkeitskontakt mit mindestens zwei ortsfesten voneinander elektrisch isolierten Elektroden, zwischen deren Kontaktflaechen mittels einer Kontaktfluessigkeit ein Kontakt hergestellt wird, zu realisieren, dadurch geloest, dass in einem aus zwei Aufweitungen, denen mindestens je zwei Elektroden zugeordnet und die durch eine Verengung verbunden sind, bestehenden Raum, dessen Waende aus einem nicht benetzbaren Material bestehen, eine aus einem staendig zusammenhaengendem Volumen bestehende Kontaktfluessigkeit, die durch ein stroemendes Mittel ueber die in den Aufweitungen befindlichen Oeffnungen oder eine aeussere Kraft bewegt wird, angeordnet ist.

Description

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Schalter mit Flüssigkeitskontakt Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Schalter mit Flüssigkeitskontakt, der lageunabhängig, prellfrei und mit einer hohen Schaltfrequenz arbeitet*

Neben dem Hauptanwendungsgebiet_s der Elektronik, kann der erfindungsgemäße Schalter auch als analoger oder digitaler mechanoelektrischer Wandler unmittelbar für solche Größen wie "Druck" und "Beschleunigung" genutzt werden«

Charakteristik der bekannten technischen lösungen

Bekannt sind Schalter mit Flüssigkeitskontakt, die aus mindestens zwei voneinander elektrisch isolierten und mit Kontaktflächen versehenen Elektroden und einer sich zwischen den Kontaktflächen der Elektroden befindenden Kontaktflüssigkeit bestehen. Durch diese Kontaktflüssigkeit kann zwischen den Elektroden eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt werden«. Bekannte technische Lösungen weisen verschiedene Mangel auf« Ein Mangel ist die Lageempfindlichkeit» Die LageUnabhängigkeit der Arbeitsweise des Flüssigkeitskontaktes kann allerdings durch Überwiegen

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des Laplacedruckes gegen den Schweredruck erreicht v/erden· Siehe auch in: Geguzin, Ja« E₆: Der Tropfen«, 1, Auflage« Gemeinschaftsausgabe des Verlages MIR, Moskau, und des VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie Leipzig, Dies ist jedoch nicht in allen Einsatzfällen möglich* Ein weiterer bekannter Vorschlag ist in der DE-OS 2347851 enthalten* Als Mangel ist hier die begrenzte Schaltfrequenz aufzuführen, die aus dem Prinzip der Quecksilberverdrängung mittels Tauchkolben resultiert« Der Schalter nach DD-VYP 110384 weist Mangel auf« Die in eine Kapillare konstanten Durchmessers hineinragenden oder diese sogar diametral durchdringenden Kontaktanschlüsse verursachen ein Zerreißen der Kontaktflüssigkeit bei den propagierten hohen möglichen Arbeitsfrequenzen«, Die Ruhelage ist nicht definiert und nur durch die weitgehend aus dem Laplacedruck resultierende geringe Haftreibung zwischen der Kontaktflüssigkeit und der Kapillarenv/andung bestimmt«. Daraus resultieren eine ungenügende Lagestabilität bei Scliwingungsbeanspruchungj eine Inkonstanz des Ansprechwertes, eine Inkonstanz der Isolationswege und damit auch des Isolationsv/iderstandes zwischen den Kontaktanschlüssen*

Nachteile eines Schalters nach DE-AS 1811489 resultieren aus den geringen möglichen radialen und axialen Abmessungen der Einrichtung, die sich aus dem für die Punktionsfähigkeit notwendigen angegebenen Maximalvolumen von 10 cm ergeben* Elektrodenkontaktflächenabstand, Durchmesser der koaxialen Querkanäle und das Volumen der Kontaktflüssigkeit sind nur bedingt variierbar. Dies folgt aus den Bedingungen für die Ausbildung eines aus der Kontaktflüssigkeit bestehenden Drehkatenoids, das für die beschriebenen Möglichkeiten der Unterbrechung des Stromkreises nahe der Stabilitätsgrenze bezüglich des Elektrodenkontaktflächenabstandes dimensioniert werden müßte«, Die mathematisch-physikalischen Zusammenhänge zum Drehkatenoid sind in Wolf, K«-L*: Physik und Chemie der Grenzflächen, Band 2, Seite 22 bis 41, Springer-Verlag OHG, Berlin/Göt-

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tingen/Heidelberg, 1959, dargestellt* Damit wird diese Anordnung sehr toleranzerapfindlich hinsichtlich der angegebenen Kriterien und technologisch schwer beherrschbar« Es sind weiterhin nur kleine Isolationswege zwischen den Elektrodenkontaktflächen möglich_s die die Schaltbarkeit höherer Spannungen ausschließen* Ein v/eiterer Nachteil ist die physikalisch bedingte Bildung von Separattröpfchen beim Übergang des einheitlichen Volumens der Kontaktflüssigkeit in zwei getrennte Teilvolumina zur Unterbrechung des Stromkreisesj entsprechend dem Zustand "offen"* Zur Gewährleistung gewünschter konstanter elektrischer Parameter müssen diese Separattröpfchen durch zusätzliche Maßnahmen wieder mit der übrigen Kontaktflüssigkeit vereinigt werden«

Ein Nachteil eines Schalters nach US-PS 3539743 ist die Zuführung des strömenden Mittels durch poröse Stoffe in ein- oder mehrschichtiger Anordnung. Der dadurch gebildete Strömungswiderstand begrenzt die Schaltgeschwindigkeit«,

Das Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Schalters mit Flüssigkeitskontakt, der die genannten Mängel der bekannten technischen Lösungen beseitigt und sich besonders durch hohe Zuverlässigkeit der Kontaktgabe und einfache Technologie der Herstellung auszeichnet*

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen lageunabhängigen Schalter mit Flüssigkeitskontakt, sehr kleinen Betätigungskräften und Prellfreiheit auch bei sehr hohen Schaltfrequenzen zu schaffen, der gleichzeitig einen technologisch günstigen Aufbau besitzt· Erfindungsgemäß wird die Aufgabe, einen Schalter mit Flüssigkeitskontakt mit mindestens zwei ortsfesten voneinander elektrisch isolierten Elektroden, zwischen deren

Kontaktflächen mittels einer Kontaktflüssigkeit ein Kontakt hergestellt wird, dadurch gelöst, daß in einem aus zwei Aufweitungen, denen mindestens je zwei Elektroden zugeordnet und die durch eine Verengung verbunden sind, bestehenden Raum, dessen Wände aus einem nicht benetzbaren Material bestehen, eine aus einem ständig zusammenhängendem Volumen bestehende Kontaktflüssigkeit_} die durch ein strömendes Mittel über die in den Aufweitungen befindlichen Öffnungen oder eine äußere Kraft bewegt wird, angeordnet ist« Es- ist zweckmäßig, daß zwischen den Öffnungen mindestens ein die aus der Einwirkung durch das strömende Mittel resultierende Kraftwirkung auf die Kontaktflüssigkeit verringernder Strömungswiderstand angeordnet ist« Sind zwei Aufweitungen über einen Strömungswiderstand miteinander verbunden, so ist bei entsprechender Wahl von Größe und Richtung der auf die Kontaktflüssigkeit einwirkenden Kraft der Übergang aus einer Ruhelage in eine zweite stabile Ruhelage und umgekehrt möglich· Auf diese Weise ist bistabiles Lageverhalten realisierbar«

Die Anordnung der mit Kontaktflächen versehenen Elektroden in den KapillarenaufWeitungen und in der Verengung erfolgt so, daß bestimmte Schaltereigenschaften erzielt werden, wobei durch die Mchtbenetzung der Kontaktflächen diese vorteilhaft keinen Einfluß auf die Lagestabilität haben_β

Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht dadurch beispielsweise die Realisierung von Schaltern mit Flüssigkeitskontakt als Schließer, Öffner und Umschalter für die monostabile oder bistabile Betriebsweise* Der Umschalter ist außerdem noch für die Schalterfunktionen Öffnen vor Schließen oder Schließen vor Öffnen ausführbare Die Anordnung der Kontaktflächen parallel zur Bewegungsrichtung der Kontaktflüssigkeit gewährleistet eine weitgehend prellfreie Arbeitsweise des Schalters mit Flüssigkeitskontakt·

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Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an zwei Ausführungsbeispiel'en näher erläutert werden*

In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Pig*. 1: einen teilweisen Längsschnitt des erfindungsgemäßen Schalters _o

Fig* 2: den Schnitt A-A gemäß Fig· 1«

Fig* 3: den Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schalters,

Das bistabile Lageverhalten einer Kontaktflüssigkeit 1 der erfindungsgemäßen Anordnung nach Fig» 1 wird durch die minimale Oberfläche gegenüber anderen Lagemöglichkeiten der Kontaktflüssigkeit 1 bei weitgehendem Ausfüllen einer der vorteilhaft form- und volumengleichen Aufweitungen 2 und 3 erreicht* Über Elektroden 4 und 5 und die Kontaktflüssigkeit 1 ist ein Stromkreis geschlossen. Der Übergang der Kontaktflüssigkeit 1 in den anderen stabilen Zustand wird durch die Druckwirkung des über eine Öffnung oder 9 zugeführten strömenden Mittels realisiert« Die aus dieser Druckwirkung resultierende Kraft muß größer sein als die aus der Oberflächenspannung resultierende Gegenkraft beim Verdrängen der Kontaktflüssigkeit 1 in die Verengung 10 der Kapillare· Nach dem Einfließen der Kontaktflüssigkeit 1 in die Aufweitung 3 ist die elektrisch leitende Verbindung zwischen Elektroden 6, 7 hergestellt und zwischen den Elektroden 4» 5 unterbrochen. Das sich in der Verengung 10 und der Aufweitung 3 befindliche strömungsfähige Mittel kann über eine Öffnung 9 entweichen» Die Größe und Form von Öffnungen 8, 9 sind so gestaltet, daß ein aus der Druckwirkung durch das strömende Mittel und der kinetischen Energie der Kontaktflüssigkeit 1 beim Überströmen von der Aufweitung 2 in die Aufweitung 3 und umgekehrt sowie durch äußere Kräfte verursachtes Eindringen in eine der beiden Öffnungen 8 oder 9 verhindert wird* Das heißt, die Summe der Kraftkomponenten

senkrecht auf dem Querschnitt der Öffnungen 8, 9 muß kleiner sein als die beim Eindringen der Kontaktflüssigkeit 1 in die Öffnungen 8, 9 aus der Oberflächenspannung resultierende Gegenkraft«

Das bistabile Lageverhalten der Kontaktflüssigkeit ermöglicht es j den Überströmvorgang aus der Aufweitung 2 in die Aufweitung· 3 und umgekehrt mittels Druckimpulsen genügender Größe und davon abhängiger Zeitdauer auszulösen* Diese Druckimpulse entstehen beispielsweise durch Abbau des Druckunterschiedes über der Kontaktflüssigkeit 1 mittels der Entladung einer Volumenkapazität über einen Strömungswiderstand 11 β Langsame Druckänderungen infolge Temperatureinflüsse oder Änderungen der Volumenkapazität v/erden über den Strömungswiderstand 11 wirkungsvoll ausgeglichen«

Eine Ausführungsform als monostabiler Schalter mit Flüssigkeitskontakt ist in Fig# 3 dargestellt« Die Kontaktflüssigkeit 1 füllt in der Ausgangslage eine Aufweitung 12 aus* Die freie Oberflächenenergie ist minimal» Elektroden 13j 14 sind über die Kontaktflüssigkeit 1 elektrisch leitend verbunden» Durch Einwirkung des strömenden Mittels, wird die Kontaktflüssigkeit 1 teilweise oder vollständig in die Verengung einer Kapillare 15 gedrängt» Dabei wird die elektrisch leitende Verbindung zwischen den Elektroden 13» 14 unterbrochen und zv/ischen Elektroden 14» 16 eine solche hergestellt* Bei Unterschreitung der v/irksamen Druckdifferenz und der daraus in Richtung der Verengung der Kapillare 15 resultierenden Kraftwifkung unter die.aus der Oberflächenspannung der Kontaktflüssigkeit 1 resultierende Gegenkraft muß die Kontaktflüssigkeit 1 in die Aufweitung 12 zurückströmen und dort die stabile Ausgangslage einnehmen» Ein definierter Abbau der Druckdifferenz über der Kontaktflüssigkeit 1, beispielsweise mittels des Strömungswiderstandes 11, ist bei Anwendung dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung als Zeitglied zweckmäßig»

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Eine andere Möglichkeit der Betätigung des Schalters mit Plüssigkeitskontakt ergibt sich durch Einwirkung einer äußeren Beschleunigungskraft genügender Größe und Richtung auf die Kontaktflüssigkeit 1· Eine Druckdifferenz über der Kontaktflüssigkeit 1, die sich aus dem verdrängten strömenden Mittel ergibt, wird über einen Strömungswiderstand 11 abgebaut* Oder die Öffnungen 8, 9 führen in zusätzliche Volumina, die so groß sind, daß die Druckdifferenz begrenzt wird·

Die Öffnungen 8_S 9 können vorteilhaft entfallen, wenn die Bewegung der Kontaktflüssigkeit 1 im Vakuum oder unter vakuumähnlichen Bedingungen erfolgt· Die Nichtbenetzung der Kontaktflächen durch die Kontaktflüssigkeit 1 ermöglicht die funktionsgünstige Anordnung dieser Kontaktflächen an der Stirnseite und/oder ganz oder teilweise am Umfang der Kapillare<>

Der erfindungsgemäße Schalter nach Fig· 1 kann als Umschalter ausgeführt werden, indem eine der Elektroden 4? 5 mit einer der Elektroden 6, 7 verbunden wird, wobei vor der .elektrisch leitenden Verbindung der Elektroden 6, 7 durch die Kontaktflüssigkeit 1 die elektrisch leitende Verbindung zwischen den Elektroden 4* 5 unterbrochen wird* Dies ist eine Realisierung der Punktion Öffnen vor Schließen* Bei geringem minimalen Abstand der Elektroden 4, 5 von den Elektroden 6, 7 und/oder kleiner Länge und/oder kleinem Volumen der Verengung 10 der Kapillare ist auch die Schalterfunktion Schließen vor Öffnen realisierbar· Die Ausführung nach Pig· 1 stellt ohne die Elektroden 4,,5 einen Schließer und ohne die Elektroden 6, 7 einen Öffner dar, wenn sich in der Ausgangslage die Kontaktflüssigkeit 1 in der Aufweitung 2 befindet· Der erfindungsgemäße Schalter mit Plüssigkeitskontakt ist besonders bei planarer Ausführung nach den technologisch gut beherrschbaren Plastspritzverfahren herstellbar.

Claims (1)

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   Erfindungsanspruch

   1, Schalter mit Flüssigkeitskontakt mit mindestens zwei ortsfesten voneinander elektrisch isolierten Elektroden_? zwischen deren Kontaktflächen mittels einer Kontaktflüssigkeit ein Kontakt hergestellt wird, gekennzeichnet dadurchj daß in einem aus zwei Aufweitungen (2, 3)j denen mindestens zwei Elektroden (4, 5) und (6j 7) zugeordnet und die durch eine Verengung (10) verbunden sind,' bestehenden Raum, dessen Wände aus einem nicht benetzbaren Material bestehen, eine aus einem ständig zusammenhängenden Volumen bestehende Kontaktflüssigkeit (1), die durch ein strömendes Mittel über die in den Aufweitungen (2, 3) befindlichen Öffnungen (8_$ 9) oder eine äußere Kraft bewegt wird, angeordnet ist·

   2_e Schalter nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen den Öffnungen (8, 9) mindestens ein die aus der Einwirkung durch das strömende Mittel resultierende Kraftwirkung auf die Kontaktflüssigkeit (1) verringernder Strömungswiderstand (11) angeordnet ist«

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