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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Seilzugsensor mit einem von einer Seiltrommel abrollbaren Messseil nach dem Oberbegriff des Schutzanspruchs 1. Die weiteren Schutzansprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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STAND DER TECHNIK
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Seilzugsensoren dienen zur Erfassung und Messung linearer Wegstrecken. Dabei wird ein Messseil durch ein bewegtes Objekt idealerweise senkrecht aus dem Sensorgehäuse heraus- bzw. über einen im Sensor integrierten Rückstellmechanismus in das Gehäuse hineingezogen und meist einlagig auf einer Seiltrommel aufgewickelt. Ein Signalgeber, insbesondere ein Drehwinkelgeber, steht in Wirkverbindung mit der Seiltrommel und erzeugt ein Signal, welches zur Ermittlung der auf- oder abgewickelten Seillänge geeignet ist.
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In der deutschen Patentschrift
DE 198 59 445 A1 wird ein solcher Seilzugsensor beschrieben. Dieser weist im Bereich des Seilaustritts mehrere axial angeordnete und voneinander beabstandete, plattenförmige Seilabstreifer auf, die in engem Kontakt an der Außenfläche des Messseils anliegen. Die Seilabstreifer haben den Zweck, am Messseil anhaftende Verschmutzungen abzustreifen und so deren Eintrag in das Innere des Seilzugsensors zu vermindern. Um die Reinigungs- und Barrierewirkung zu verstärken, können die Hohlräume zwischen den voneinander beabstandeten Seilabstreifern zusätzlich mit einem schmutzbindenden Mittel befüllt werden.
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In den deutschen Patentschriften
DE 195 20 388 C2 ,
DE 197 26 084 C2 und
DE 10 2010 051 178 A1 werden Seilzugsensoren beschrieben, die für den Einsatz in Systemen mit erhöhtem Betriebsdruck ausgelegt sind. Bei all diesen Sensoren ist vorgesehen, das druckbeaufschlagte Medium durch den Seilaustritt in wenigstens einen Teilbereich des Sensorgehäuses zu leiten. Meist erfolgt eine Zweiteilung des Sensorgehäuses in einen Bereich, der dem druckbeaufschlagten Medium ausgesetzt ist und einen Bereich, der gegen den erhöhten Druck abgedichtet ist. In dem Bereich erhöhten Drucks befinden sich dabei mechanische Sensorkomponenten, wie die Seiltrommel. In dem Bereich normalen Drucks die Auswerteelektronik bzw. der Signalgeber.
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Der Nachteil dieser Sensorgestaltung liegt darin, dass aufgrund der Druck- und Medieneinleitung in das Gehäuse des Seilzugsensors, die mechanischen Sensorkomponenten einer erhöhten Belastung ausgesetzt werden. Diese kann sowohl von der zusätzlichen mechanischen Beanspruchung aufgrund des Systemdrucks, als auch von einer möglichen abrasiven Wirkung von Schwebstoffen innerhalb des Mediums, als auch von einer korrosiven Wirkung des Mediums selbst herrühren.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Seilzugsensor zur Verfügung zu stellen, welcher Wegmessungen an dynamischen Komponenten in Systemen mit hohem Betriebsdruck ermöglicht. Eine neuartige druck- und mediendichte Seildurchführung verhindert dabei eine direkte Beaufschlagung der Seilzugmechanik mit dem Betriebsdruck und unterbindet eine Einleitung des druckbeaufschlagten Mediums in den Seilzugsensor.
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LÖSUNG DER AUFGABE
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Zur Lösung der Aufgabe führen die Merkmale der aufgeführten Schutzansprüche.
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Ein erfindungsgemäßer Seilzugsensor dient zur Erfassung linearer Wegstrecken innerhalb von Systemen mit erhöhtem Betriebsdruck. Er besteht aus einem Gehäuse, welches eine druck- und mediendichte Seildurchführung enthält. Durch diese Seildurchführung wird ein Messseil über eine Seilbefestigung, welche an einem bewegten Objekt fixiert ist, aus dem Sensor heraus- oder in ihn hineinbewegt. Ein in der Regel mechanischer Rückstellmechanismus, der sich im oder am Gehäuse befindet, erzeugt eine näherungsweise konstante, auf das Messseil wirkende Einzugskraft, die es bei nicht wirkender Auszugskraft auf eine ebenfalls im Gehäuse befindliche Seiltrommel meist einlagig aufwickelt. Am Gehäuse befindet sich zudem ein Signalgeber. Dieser wandelt die Drehbewegung der Seiltrommel, welche bei einlagiger Wicklung zur Linearbewegung des Messseils proportional ist, in ein Messsignal um.
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Die Seildurchführung ist als System kaskadenartig angeordneter Stufen aufgebaut und in einer Bohrung im Gehäuse des Seilzugsensors fixiert. Die Stufen sind vorteilhafterweise rotationssymmetrisch ausgestaltet und dichten jeweils über eine statische Dichtung zum Sensorgehäuse ab. Sie nehmen entweder eine keramische Seildüse oder eine dynamische Dichtung, insbesondere einen Nutring auf, wobei sich je eine Stufe mit Seildüse an Anfang und Ende der Seildurchführung befindet. Dazwischen befindet sich eine variable Anzahl an Stufen mit dynamischen Dichtungen, wobei zwischen den einzelnen dynamischen Dichtungen Hohlkammern angeordnet sind. Mittels dieser Anordnung ist ein linearer Verlauf des Messseils durch die dynamischen Dichtungen gewährleistet, da das Messseil aufgrund der beiden Seildüsen geführt wird.
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Das Messseil, das bei Seilzugsensoren nach dem Stand der Technik aus einem gewöhnlichen Stahlseil besteht, weißt bei dem neuartigen Seilzugsensor eine zusätzliche Ummantelung auf, um eine ausreichende Dichtwirkung gegenüber den dynamischen Dichtungen zu erzielen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Messseils ist diese Ummantelung eine Gleitbeschichtung aus Fluorethylenpropylen (FEP).
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Druckventile, vorzugsweise Druckbegrenzungsventile verbinden die Stufen je paarweise miteinander, wobei die erste Hohlkammer zwischen den einzelnen dynamischen Dichtungen zusätzlich mit der Umgebung und die letzte Hohlkammer mit keiner anderen verbunden ist. Dadurch ist es möglich, die Differenz zwischen dem Druck des Mediums und dem Innendruck des Sensors abgestuft auf alle Dichtungen wirken zu lassen. Somit werden die einzelnen Dichtungen weniger stark belastet, wodurch die Wahrscheinlichkeit ihres Ausfalls sinkt.
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ANWENDUNGSGEBIET
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Der Seilzugsensor eignet sich für die Messung linearer Wegstrecken in Systemen mit hohem Betriebsdruck und flüssigen Betriebsmedien, insbesondere Wasser. Ein Beispiel wäre die Überwachung eines Schleusentores unter Wasser.
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ZEICHNUNGEN
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt den erfindungsgemäßen Seilzugsensor in einer isometrischen Ansicht von vorne.
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2 zeigt den erfindungsgemäßen Seilzugsensor aus 1 in einer isometrischen Ansicht von hinten.
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3 zeigt eine Dichtungsstufe des erfindungsgemäßen Seilzugsensors aus 1. Der innere Aufbau der Dichtungsstufe ist durch einen Teilschnitt sichtbar gemacht.
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4 zeigt eine Seildüsenstufe des erfindungsgemäßen Seilzugsensors aus 1. Der innere Aufbau der Seildüsenstufe ist durch einen Teilschnitt sichtbar gemacht.
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5 zeigt den erfindungsgemäßen Seilzugsensor aus 1 in einer Schnittdarstellung.
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6 zeigt eine Detailansicht der Schnittdarstellung aus 5, welche den Aufbau der druck- und mediendichten Seildurchführung abbildet.
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7 ist eine weitere Detailansicht der geschnittenen druck- und mediendichten Seildurchführung, diesmal mit veränderter Betrachtungsebene.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In 1 wird der erfindungsgemäße Seilzugsensor S gezeigt. Dieser Seilzugsensor S dient der Erfassung linearer Wegstrecken in Systemen mit hohem Betriebsdruck. Er weist ein Gehäuse 1 auf, welches durch eine Frontplatte 2 verschlossen wird. Durch eine Verschlussplatte 4 verläuft das Messseil 5, welches einlagig auf der Seiltrommel 15, diese ist in 5 abgebildet, aufgewickelt ist. Über eine Seilbefestigung 6 kann das Messseil 5 an einem Messobjekt fixiert und durch eine Kraft Fa ausgezogen werden. Die ausgezogene Strecke wird dabei über die Messung des Rotationswinkels der Seiltrommel 15 durch einen an der Frontplatte 2 montierten Signalgeber 3, vorzugsweise einen Drehwinkelgeber indirekt erfasst. Der Signalgeber 3 steht in Wirkverbindung mit der Seiltrommel 15 und erzeugt ein zu Drehbewegung und Drehrichtung der Seiltrommel 15 proportionales Ausgangssignal.
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2 zeigt die Rückseite des Seilzugsensors S. Es ist eine Vorspanneinheit 7 zu sehen, welche als Rückstellmechanismus dient. Sie steht über eine im Gehäuse 1 befindliche Mechanik in Wirkverbindung mit dem Messseil 5. Ein vorgespanntes Federpaket innerhalb der Vorspanneinheit 7 erzeugt ein näherungsweise konstantes Rückstellmoment, welches in Form einer der Auszugskraft Fa entgegengerichteten Einzugskraft auf das Messseil 5 einwirkt.
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In 3 ist eine Dichtungsstufe 8.i der druck- und mediendichten Seildurchführung in einem Teilschnitt zu sehen. Sie besteht aus einem vorteilhafterweise rotationssymmetrisch ausgeprägten Grundkörper 9.i, welcher eine statische Dichtung 10.i sowie eine dynamische Dichtung 11.i aufnimmt. Als statische Dichtung wird vorzugsweise ein O-Ring verwendet, als dynamische vorzugsweise ein Nutring. Eine Hohlkammer H1.i, welche unterhalb der dynamischen Dichtung 10.i angeordnet ist, ist über mehrere radial nach außen verlaufende Bohrungen B1.i mit einer Nut N1.i in der Außenfläche des Grundkörpers 9.i verbunden.
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4 zeigt eine Seildüsenstufe 12.i der druck- und mediendichten Seildurchführung in einem Teilschnitt. Sie besteht wie die Dichtungsstufe 8.i aus einem vorteilhafterweise rotationssymmetrisch ausgeprägten Grundkörper 13.i. Dieser nimmt eine Seildüse 14.i auf, ein in der Regel keramisches Bauteil, welches der Führung des Messseils 5 dient. Unterhalb der Seildüse 14.i befindet sich eine Hohlkammer H2.i, welche über mehrere radial nach außen verlaufende Bohrungen B2.i mit einer Nut N2.i in der Außenfläche des Grundkörpers 13.i verbunden ist.
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Der Verlauf des Messseils 5 durch den Seilzugsensor S ist in 5 kenntlich gemacht. Das Messseil 5 ist einlagig auf der Seiltrommel 15 aufgewickelt und läuft von dieser durch eine Bohrung im Gehäuse 1 des Seilzugsensors S in die druck- und mediendichte Seildurchführung ein. Durch eine Öffnung in der Verschlussplatte 4 tritt das Messseil 5 aus dem Seilzugsensor S aus und kann über die Seilbefestigung 6 an einem Messobjekt fixiert werden.
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Die druck- und mediendichte Seildurchführung, bestehend aus kaskadenartig angeordneten Seildüsenstufen 12.i und Dichtungsstufen 8.i, ist in 6 dargestellt. Sie befindet sich in einer Bohrung im Gehäuse 1 und wird durch die darüber montierte Verschlussplatte 4 fixiert.
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An beiden Enden der druck- und mediendichten Seildurchführung befindet sich je eine Seildüsenstufe 12.i. Diese 2 Seildüsenstufen 12.i dienen der Führung des Messseils 5 und richten es derart aus, dass es die zwischen den Seildüsenstufen 12.i angeordneten Dichtungsstufen 8.i linear durchläuft. Somit ist gewährleistet, dass die dynamischen Dichtungen 11.i gegenüber dem Messseil 5 ihre volle Dichtwirkung entfalten können und nicht aufgrund eines schrägen Seilverlaufs abgenutzt werden.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden 3 Dichtungsstufen 8.i verwendet. Die Verwendung mehrerer Dichtungsstufen 8.i bei der vorliegenden Erfindung hat den Vorteil, dass der Ausfall einer Dichtungsstufe 8.i durch die verbliebenen kompensiert werden kann. Zudem ist es auf diesem Weg möglich, den Betriebsdruck p1 des Systems, in dem der Seilzugsensor S eingesetzt wird, abgestuft auf alle Dichtungsstufen 8.i wirken zu lassen. So wird nicht nur eine Dichtungsstufe 8.i mit einer maximalen Druckdifferenz beaufschlagt, sondern jede einer moderaten Belastung ausgesetzt.
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Anstelle von 3 Dichtungsstufen 8.i ist es auch denkbar, eine größere bzw. eine kleinere Anzahl an Dichtungsstufen 8.i zu verwenden. Dies hängt von der Höhe des Systembetriebsdrucks p1 ab sowie davon, ob und wie oft dieser Druck abgestuft werden soll.
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Die Abstufung des Betriebsdrucks p1 erfolgt mithilfe von Druckbegrenzungsventilen 19.i. Diese befinden sich in Bohrungssystemen, welche je 2 Stufen der druck- und mediendichten Seildurchführung miteinander verbinden und dienen der Ausprägung und Abgrenzung unterschiedlicher Druckniveaus.
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In der in 6 dargestellten Schnittansicht liegt der Druck p1 an der Oberseite der Verschlussplatte 4 an und breitet sich entlang des Messseils 5 bis in die obere Seildüsenstufe 12.1 und deren Hohlkammer H2.1 aus. Durch die Bohrungen B2.1 kann das druckbeaufschlagte Medium in die Nut N2.1 strömen und sich von dort durch das Bohrungssystem bis zum Druckbegrenzungsventil 19.1 ausbreiten.
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Das Druckbegrenzungsventil 19.1 vermindert den Druck p1 um einen festen Betrag auf den Druck p2. Dieser reduzierte Druck p2 liegt in der Nut N1.1, den Bohrungen B1.1 sowie der Hohlkammer H1.1 der obersten Dichtungsstufe 8.1 an und wird durch ein weiteres Druckbegrenzungsventil 19.2, welches in 7 dargestellt ist, auf den Druck p3 reduziert.
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7 zeigt die druck- und mediendichte Seildurchführung in einer Betrachtungsebene, die sich im rechten Winkel zu der aus 6 befindet. Dadurch wird der Mechanismus der 2. Druckabstufung sichtbar. Dessen Aufbau entspricht dem des Mechanismus der 1. Druckabstufung, mit dem Unterschied, dass diesmal der Druck p2 auf den Druck p3 reduziert wird. Dafür sind das Druckbegrenzungsventil 19.2 sowie das zugehörige Bohrungssystem tiefer im Gehäuse 1, auf Höhe der mittleren Dichtungsstufe 8.2 angeordnet.
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Der verminderte Druck p3 liegt in der Nut N1.2, den Bohrungen B1.2 sowie der Hohlkammer H1.2 der mittleren Dichtungsstufe 8.2 an und belastet die dynamische Dichtung 11.3 der untersten Dichtungsstufe 8.3 an der Oberseite. Von unten wird die dynamische Dichtung 11.3 mit dem Druck p0 beaufschlagt, welcher im gesamten Innenraum des erfindungsgemäßen Seilzugsensors S herrscht. Bei p0 handelt es sich um den Normaldruck, also einen Absolutdruck von etwa 1 bar.
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Für die Systemdrücke des erfindungsgemäßen Seilzugsensors S gilt bei Verwendung von 3 Dichtungsstufen 8.i zusammengefasst: p1 > p2 > p3 > p0
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Das Zeichen „>” entspricht hierbei dem Ausdruck „größer als”.
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Die Berechnung der Drücke p2 und p3 erfolgt bei bekannten Werten für p1 und p0 sowie bei Betrachtung von Absolutdrücken folgendermaßen: pj = p1 – ( p1 – p0 / n)·(j – 1)
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pj entspricht einem indizierten Druck, der den gesuchten Druck p2 oder p3 angibt, j kann also gleich 2 oder 3 sein. n steht für die Anzahl der verwendeten Dichtungsstufen 8.i. Im Fall der dargestellten speziellen Ausführungsform ist n demnach gleich 3.
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Werden Relativdrücke betrachtet, so ergibt sich für p2 und p3: pj = p1 – ( p1 / n)·(j – 1)
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Anhand dieser bekannten und berechneten Werte sind die zum Einsatz kommenden Druckbegrenzungsventile 19.i und Dichtungen auszuwählen bzw. zu dimensionieren.
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Die statischen 10.i, 16, 20.i und dynamischen Dichtungen 11.i, welche in den Dichtungsstufen 8.i, der Verschlussplatte 4, und den Druckbegrenzungsventilen 19.i fixiert sind, verhindern jeweils einen Ausgleich zwischen unterschiedlichen Druckniveaus. Ebenso wie die mit statischen Dichtungen 18.i versehenen Verschlussstopfen 17.i und die selbstdichtenden Schrauben 21.i, welche die Bohrungssysteme zur Umgebung hin versiegeln.
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Das Messseil 5, das bei Seilzugsensoren nach dem Stand der Technik aus einem einfachen, teils auch ummantelten Drahtseil besteht, ist bei dem erfindungsgemäßen Seilzugsensor S vorzugsweise mit einer Gleitbeschichtung aus Fluorethylenpropylen (FEP) versehen. Mit dieser Gleitbeschichtung ist die nötige Dichtwirkung zwischen den dynamischen Dichtungen 11.i und dem Messseil 5 gegeben, was bei einem herkömmlichen Drahtseil nicht der Fall ist. Zudem gewährleistet sie eine weitgehend reibungsfreie Bewegung des Messseils 5 durch die dynamischen Dichtungen 11.i.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Seilzugsensors S sieht vor, die Gewindebohrungen, die zur Aufnahme der selbstdichtenden Schrauben 21.i dienen, zum Anschluss einer Drucküberwachung zu nutzen. Diese wäre imstande, die unterschiedlichen Drücke p1 und p2 bzw. p2 und p3 vor und nach den Druckbegrenzungsventilen 19.i zu erfassen. Somit ließen sich die Funktionsfähigkeit der Druckbegrenzungsventile 19.i und der druck- und mediendichten Seildurchführung überprüfen und Störungen frühzeitig erkennen.
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Zusätzlich kann der Seilzugsensor S mit einer Schutzeinrichtung versehen werden, die einen möglichen Fluss des Systemmediums durch die druck- und mediendichte Seildurchführung sowie dessen Eindringen in das Sensorgehäuse 1 signalisiert.
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Eine andere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Seilzugsensors S sieht vor, noch vor der oberen Seildüsenstufe 12.1 eine weitere Stufe einzusetzen, welche über einen Abstreifer verfügt. Diese zusätzliche Stufe würde das in den Seilzugsensor S einlaufende Messseil 5 von möglichen Verunreinigungen befreien, welche sich sonst an den dynamischen Dichtungen 11.i der Dichtungsstufen 8.i ablagern würden.
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Des weiteren ist eine Ausführungsform von Vorteil, in der die Verschlussplatte
4 in Form eines Flansches gestaltet bzw. auf die Verschlussplatte
4 ein Flanschelement befestigt ist. Durch den Flansch ist die Montage des Seilzugsensors S an eine Schottwand, ein typischer Anwendungsfall für Sensoren dieser Bauart, erheblich vereinfacht. Bezugszeichenliste
| 1 | Gehäuse |
| 2 | Frontplatte |
| 3 | Signalgeber |
| 4 | Verschlussplatte |
| 5 | Messseil |
| 6 | Seilbefestigung |
| 7 | Vorspanneinheit |
| 8.i | Dichtungsstufe i |
| 9.i | Grundkörper, Dichtungsstufe i |
| 10.i | Statische Dichtung, Dichtungsstufe i |
| 11.i | Dynamische Dichtung, Dichtungsstufe i |
| 12.i | Seildüsenstufe i |
| 13.i | Grundkörper, Seildüsenstufe i |
| 14.i | Seildüse, Seildüsenstufe i |
| 15 | Seiltrommel |
| 16 | Statische Dichtung, Verschlussplatte |
| 17.i | Verschlussstopfen i |
| 18.i | Statische Dichtung, Verschlussstopfen i |
| 19.i | Druckbegrenzungsventil i |
| 20.i | Statische Dichtung, Druckbegrenzungsventil i |
| 21.i | Selbstdichtende Schraube i |
| i | Index |
| p0 | Normaldruck |
| p1 | Betriebsdruck des Systems |
| p2 | 1. abgestufter Druck |
| p3 | 2. abgestufter Druck |
| B1.i | Bohrungen, Dichtungsstufe i |
| B2.i | Bohrungen, Seildüsenstufe i |
| Fa | Auszugskraft |
| H1.i | Hohlkammer, Dichtungsstufe i |
| H2.i | Hohlkammer, Seildüsenstufe i |
| N1.i | Nut, Dichtungsstufe i |
| N2.i | Nut, Seildüsenstufe i |
| S | Seilzugsensor |
