DE102008009002B4

DE102008009002B4 - Passiver elektromechanischer Neigungsschalter mit einstellbarer Dämpfung

Info

Publication number: DE102008009002B4
Application number: DE200810009002
Authority: DE
Inventors: Stefan Graef
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-02-13
Filing date: 2008-02-13
Publication date: 2010-03-04
Anticipated expiration: 2028-02-14
Also published as: DE102008009002A1

Abstract

Es wird nach Anspruch 1 die Verwendung von mindestens zwei Reed-Kontakten als elektrische Schalter vorgeschlagen, die sich innerhalb einer ringartig geformten Röhre befinden, die in der horizontalen Nullstellung bis zur Höhe der Reed-Kontakte mit einer magnetischen Flüssigkeit gefüllt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen passiven elektromechanischen Neigungsschalter mit einstellbarer Dämpfung zur Verwendung als Sicherheitsbauteil.
Bei vielen Fahrzeugen, insbesondere Baumaschinen und landwirtschaftlichen Maschinen ist zur Gewährleistung der Standsicherheit eine Überwachung der Fahrzeugneigung erforderlich. Auch bei Flurförderfahrzeugen und Hubarbeitsbühnen wird zum Schutz der Last bzw. von Personen die Neigung begrenzt (sog. Kippsicherheitsüberwachung).
Für die Regelung oder Messung der Neigung an Maschinenteilen werden elektrische Neigungs-Sensoren oder -schalter verwendet. Ein typischer Neigungssensor ist z. B. in DE 10 2006 007 900 A1 offenbart.
Ein weiterer Neigungssensor ist auch in JP 2003065757 A offenbart. Dort wird der Flüssigkeitsstand einer magnetischen Flüssigkeit in einem ringartig geformten Rohr mittels der Induktivitätsunterschiede zweier Spulen gemessen, die sich außen am Rohr befinden (nach dem bekannten Prinzip des Differentialtransformators „LVDS”).
Auch in der der Ausführungsform nach DE 39 31 423 A1 werden Induktivitätsunterschiede zweier Spulen gemessen, die durch den Flüssigkeitsstand bedingt sind. Bei beiden Ausführungsformen können die Induktivitätsunterschiede allerdings nur mit einer relativ aufwendigen elektronischen Schaltung in weiterverwertbare elektrische Signale aufbereitet werden.
Um einen Sicherheitsschalter, und damit einen Wegfühler im Sinne der Norm EN60204-1, mit nicht eigensicheren Neigungssensoren herzustellen, werden üblicherweise mindestens zwei solcher Neigungssensoren mit einer geeigneten redundanten Auswerteschaltung kombiniert. Der Nachweis der Sicherheitsfunktion z. B. nach SIL-Standard (vgl. IEC/EN 61508, Safety Integraty Level) ist durch die Verwendung vieler Bauteile und gegebenenfalls auch Software innerhalb des Sicherheitsschalters aufwendig und teuer.
Traditionell wird die einem üblichen Neigungssensor übergeordnete Abschaltung im Fehlerfall (sog. Not-Aus-Funktion) durch einen Quecksilber-Neigungsschalter realisiert, da dieses Bauteil als Zwangsgeführter Kontakt (vgl. Fehlerliste für elektrische Bauelemente, Sicherheitstechnisches Informations- und Arbeitsblatt 340 220, Berufsgenossenschaftliches Institut für Arbeitssicherheit; IEC 60847-5-1) gilt, und damit in Sicherheitsbezogenen Systemen verwendet werden darf. Nachteilig ist die relativ schwache Dämpfung der handelsüblichen Quecksilber-Neigungsschalter, die dazu führt, dass der festgelegte Schaltpunkt wesentlich über dem gewünschten maximalen Neigungswert liegen muss, um Fehlauslösungen durch Überschwingen des Quecksilbers nach Bewegungen zu unterdrücken.
Durch neuere EU-Gesetzgebung (vgl. Richtlinie 2002/95/EG) wurde mittlerweile die Verwendung gefährlicher Stoffe stark eingeschränkt bzw. verboten. Auch der Quecksilber-Neigungsschalter wird aufgrund seiner problematisch zu entsorgenden Inhaltsstoffe zukünftig nicht mehr verwendet werden können.
Ein ohne Quecksilber arbeitender Neigungsschalter wird in DE 41 07 279 C1 offenbart. Dort wird bei einer Neigung die Lageänderung eines permanentmagnetischen Schaltkörpers (Magnet) innerhalb eines Röhrchens in dessen Endlagen mittels ferromagnetischer Bauelemente (Reed-Kontakte) in elektrische Signale umgewandelt. Nachteilig ist die Verwendung eines festen Schaltkörpers, dessen Bewegung durch Reibung an der Innenwand des Röhrchens sowie durch dort auftretenden Verschleiß nicht genau bestimmt bzw. langzeitstabil ist. Nur bei relativ großen Neigungswinkeln sind die Schaltpunkte der elektrischen Signale definiert, welche jedoch oftmals für die Überwachung einer Standsicherheit an Fahrzeugen zu groß sind.
Nach einem ähnlichen Konzept arbeitet der Neigungsschalter aus DE 42 19 823 A1 . Auch hier wird ein fester Schaltkörper (Stahlkugel) innerhalb eines Röhrchens bewegt. Die Nachteile entsprechen auch hier der vorangegangenen Ausführungsform.
Problematisch ist in beiden Ausführungsformen die fehlende Dämpfung der Bewegung des Schaltkörpers, welche eine Verwendung bei kleinen Neigungswinkeln an bewegten Fahrzeugen nahezu unmöglich macht.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen einfachen elektromechanischen Neigungsschalter zu schaffen, der eine einstellbare Dämpfung besitzt und durch die Verwendung von wenigen passiven Bauteilen als Grundlage für einen Neigungsschalter mit Sicherheitsfunktion geeignet ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 die Verwendung von mindestens zwei Reed-Kontakten [1] als elektrische Kontakte vorgeschlagen, die sich innerhalb einer ringartig geformten Röhre [4] befinden, die in der horizontalen Nullstellung bis zur Höhe der Reedkontakte [1] mit einer magnetischen Flüssigkeit [5] (z. B. Ferrofluid, Fa. Ferrotec, Unterensingen) gefüllt ist. Das restliche Volumen der ringartig geformten Röhre kann vorteilhafterweise – bis auf eine verbleibende Luftblase bzw. Gasblase [8] – mit einer nichtmagnetischen Flüssigkeit [6] aufgefüllt werden, die eine geringere Dichte als die magnetischen Flüssigkeit [5] besitzt und sich nicht mit dieser mischt. Dadurch wird die magnetische Flüssigkeit [5] bei Bewegungen der Anordnung bedämpft.
Zwei außen an der Röhre [4] angebrachte Magnete [7] erzeugen innerhalb der Röhre [4] jeweils ein Magnetfeld, welches einen Reed-Kontakt [1] betätigt. Dabei wird durch die magnetische Flüssigkeit [5] das Magnetfeld konzentriert. Der effektive Luftspalt im Magnetischen Kreis reduziert sich dabei im Wesentlichen auf die zweifache Wandung der Röhre [4].
Wird der erfindungsgemäße Neigungsschalter aus der horizontalen Nullstellung geneigt, so ändern sich die Flüssigkeitsspiegel der magnetischen Flüssigkeit [5] in beiden Schenkeln der Röhre [4] gegensinnig. Das Magnetfeld der außen an der Röhre [4] angebrachte Magneten [7] wirkt der Erdanziehungskraft entgegen, aber ab einem gewissen konstruktiv festgelegten Neigungswert ist die Schwerkraft, die auf die Magnetische Flüssigkeit [5] wirkt stärker als das Haltevermögen des Magnetischen Kreises.
Durch das Absinken des Flüssigkeitsspiegels an einem Reed-Kontakt [1] wird der effektive Luftspalt im Magnetischen Kreis dieser Seite der Röhre vergrößert. Bei entsprechender Dimensionierung des Magnetischen Kreises reicht das Magnetfeld am Reed-Kontakt [1] nicht mehr aus um diesen zu betätigen. Der elektrische Stromkreis [2] des Reed-Kontaktes [1] wird dann geöffnet bzw. geschlossen (je nach Ausführung des Reed-Kontaktes als Schließer oder Öffner).
Sollte im Fehlerfall die Magnetische Flüssigkeit [5] aus der Röhre [4] austreten, werden beide Reed-Kontakte [1] betätigt. Auch der Ausfall eines Magneten [7] betätigt den betroffenen Reed-Kontakt [1]. Somit ist die Grundfunktion eines Sicherheitsschalters bereits konstruktiv gegeben.
Alternativ können sich die Reed-Kontakte [1] auch außerhalb der Röhre [4] befinden, um die Konstruktion und Herstellung zu vereinfachen.
Um die Bewegung der Magnetische Flüssigkeit [5] in der Röhre [4] weiter zu bedämpfen, wird gemäß Anspruch 8 vorgeschlagen, im Fußpunkt der Röhre [4] einen Bremsmagneten [3] zu platzieren, dessen Brems-Magnetfeld durch die Röhre [4] hindurchreicht. Die Magnetische Flüssigkeit [5] im Bereich des Brems-Magnetfeldes wird bei Bewegung der Röhre [5] in ihrer momentanen Position festgehalten und dämpft daher den mechanischen Frequenzgang der gesamten Flüssigkeitsfüllung. Durch eine mechanische Versteileinrichtung des Brems-Magneten [3] kann die Dämpfung mechanisch einstellbar gemacht werden.
Alternativ zu einem Festmagneten kann auch eine elektrische Brems-Spule [9] verwendet werden. Durch Variation des Brems-Spulenstromes kann dann die Dämpfung elektrisch einstellbar gemacht werden. Durch einen geeigneten elektrischen Stromregler mit Temperaturfühler kann vorteilhafterweise die Dämpfung als Funktion der Temperatur eingestellt werden, um so die temperaturabhängige Änderung der Viskosität der Magnetischen Flüssigkeit [5] zu kompensieren.
Eine weitere Beschreibung der Erfindung und deren Vorteile erfolgt nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen, die in Zeichnungsfiguren dargestellt sind.
Es zeigen in schematischer, nicht-maßstäblicher Darstellung:
1 eine Ansicht des erfindungsgemäßen Neigungsschalters mit Röhre, Reed-Kontakten und Magneten in horizontaler Nulllage
2 einen Detailausschnitt mit einem Bremsmagneten alternativer Geometrie
3 einen Detailausschnitt mit elektrisch einstellbarer Bremsspule

1: Reed-Kontakt
2: elektrischer Stromkreis
3: ringförmiger Brems-Magnet
4: ringartig geformte Röhre
5: magnetische Flüssigkeit
6: nichtmagnetische Flüssigkeit
7: Magnet
8: Luft- bzw. Gasblase
9: Brems-Spule
10: hufeisenförmiger Bremsmagnet

Claims

Passiver elektromechanischer Neigungsschalter mit einstellbarer Dämpfung, dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens ein Reed-Kontakt [1] innerhalb einer ringartig geformten Röhre [4] befindet.
Passiver elektromechanischer Neigungsschalter mit einstellbarer Dämpfung, dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens ein Reed-Kontakt [1] außerhalb und in der Nähe einer ringartig geformten Röhre [4] befindet.
Neigungsschalter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich in der Röhre [4] eine Magnetische Flüssigkeit [5] befindet, deren Flüssigkeitsspiegel in horizontaler Nulllage über dem Reed-Kontakt [1] liegt.
Neigungsschalter nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich außen an der Röhre [4] mindestens ein Magnet [7] befindet, dessen Magnetfeld durch den Reed-Kontakt [1] führt.
Neigungsschalter nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkreis so dimensioniert ist, dass der Reed-Kontakt [1] in horizontaler Nulllage magnetisch betätigt ist.
Neigungsschalter nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkreis so dimensioniert ist, dass der elektrische Stromkreis [2] des Reed-Kontaktes [1] in horizontaler Nulllage wahlweise geöffnet bzw. geschlossen ist.
Neigungsschalter nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkreis so dimensioniert ist, dass der elektrische Stromkreis [2] des Reed-Kontaktes [1] bei dem gewünschten Neigungswert außerhalb der horizontalen Nulllage wahlweise geschlossen bzw. geöffnet ist.
Passiver elektromechanischer Neigungsschalter mit einstellbarer Dämpfung, dadurch gekennzeichnet, dass sich außen an der Röhre [4] mindestens ein Brems-Magnet [3] befindet, dessen Brems-Magnetfeld nicht durch den Reed-Kontakt [1] führt.
Neigungsschalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Brems-Magnetkreis so dimensioniert ist, dass die Bewegung der Magnetischen Flüssigkeit [5] auf den gewünschten mechanischen Frequenzgang bedämpft wird.
Neigungsschalter nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage des Brems-Magneten [3] mechanisch einstellbar ist.
Passiver elektromechanischer Neigungsschalter mit einstellbarer Dämpfung, dadurch gekennzeichnet, dass sich außen an der Röhre [4] mindestens eine Brems-Spule [9] befindet, deren Brems-Magnetfeld nicht durch den Reed-Kontakt [1] führt.
Neigungsschalter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Brems-Spulenstrom der Brems-Spule [9] einstellbar ist.
Neigungsschalter nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich in der Röhre [4] ein Temperatursensor befindet.
Neigungsschalter nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brems-Spulenstrom der Brems-Spule [9] durch einen elektronischen Stromregler in Abhängigkeit der Temperatur geregelt wird.