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In Anhängigkeit eines Flüssigkeitsstandes schaltender Tauchschalter
zum Steuern von elektromotorisch angetriebenen Pumpen Zum selbsttätigen Steuern
von elektromotorisch angetriebenen Pumpen in Abhängigkeit eines Flüssigkeitsstandes
werden vielfach Tauchschalter verwendet, die in einen Brunnen abgesenkt sind und
den Motor beim Absinken des Flüssigkeitsstandes unter eine bestimmte Höhe abschalten,
um ein Trockenlaufen der Pumpe zu vermeiden. Die Tauchschalter sind im allgemeinen
mit einer durch Schwimmer gesteuerten Quecksilberschaltröhre ausgerüstet, die keine
plötzliche Unterbrechung starker Ströme ermöglicht und deshalb einen Hilfsstromkreis
mit Zwischenrelais erfordert, wodurch die Schaltvorrichtung verwickelt und teuer
wird. Auch sind derartige Tauchschalter empfindlich und leicht Störungen unterworfen.
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Bei einem bekannten Tauchschalter ist ein in den Brunnen absenkbares
rohrförmiges Gehäuse mit einer dem Flüssigkeitsdruck ausgesetzten Membran versehen,
die den Schaltvorgang steuert. Als Membran dient hierbei ein nachgiebiger, mit Quecksilber
gefüllter Behälter, der durch den Flüssigkeitsdruck zusammengepreßt wird, wodurch
das Quecksilber hochsteigt und die im Stromkreis des Pumpenantriebsmotors liegenden
Kontakte schließt. Hierdurch werden jedoch keine einwandfreien Schaltvorgänge ermöglicht,
da sich beim allmählichen Absinken des Flüssigkeitsstandes im Brunnen an den Kontakten
leicht ein Lichtbogen bildet.
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Es ist zwar bekannt, als Schaltelement für in Abhängigkeit von einem
Flüssigkeits- oder Gasdruck wirkende Schaltvorrichtungen einen Mikroschalter zu
verwenden, der durch eine unter dem Einfluß des Druckmittels stehende Membran betätigt
wird. Der in zahlreichen Bauarten auf dem Markt befindliche Mikroschalter kann bei
einer geringen Betätigungskraft sowie Betätigungswegen von Bruchteilen eines Millimeters
verhältnismäßig starke Ströme schalten und hat minimale Abmessungen, hohe Lebensdauer
und niedrigen Herstellungspreis. Er ist aber nicht flüssigkeitsfest und wird schon
durch geringe Feuchtigkeit unbrauchbar. Deshalb konnten mit Mikroschaltern ausgerüstete,
in Abhängigkeit vom Flüssigkeitsdruck arbeitende Schaltvorrichtungen bisher nur
ortsfest ausgebildet und unter dichter Kapselung des Mikroschalters in Flüssigkeit
führende Rohrleitungen oder Maschinengehäuse eingebaut werden, und es war nicht
möglich, die Vorteile der Mikroschalter für einen Tauchschalter auszunutzen, der
in einen Brunnen abgesenkt und von der Flüssigkeit überflutet ist.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das rohrförmige
Gehäuse des Tauchschalters durch die Einführung der axial angeordneten Leitung sowie
durch die Membran flüssigkeitsdicht abgeschlossen ist und einen über eine Druckplatte
mit der Innenseite der Membran gekuppelten, in einem Starkstromkreis liegenden Mikroschalter
auf einem schraubbar verstellbaren Tragkörper enthält, dessen unteres Ende das Betätigungsorgan
des Mikroschalters umschließt und gleichzeitig die Durchbiegung der Membran begrenzt,
und daß das Gehäuse an seinem unteren Ende mit einer Beschwerung versehen ist.
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Der gemäß der Erfindung ausgestaltete Tauchschalter hat bei geringstem
Durchmesser seines rohrförmigen Gehäuses infolge der flüssigkeitsdichten Kapselung
des Mikroschalters eine hohe Betriebssicherheit und kann Pumpenantriebsmotoren größerer
Leistung in Abhängigkeit vom Flüssigkeitsstand im Brunnen ohne Verwendung eines
Hilfsstromkreises mit Relais unmittelbar ein- und ausschalten, wodurch eine wesentliche
Vereinfachung und Verbilligung erreicht wird. Auch bei langsamen Schwankungen des
Flüssigkeitsstandes im Brunnen schaltet der Mikroschalter einwandfrei, da er eine
Springschaltung besitzt und bei Erreichen eines bestimmten Druckes momentan umschaltet.
Außerdem spricht er bei unterschiedlichen Ein- und Ausschaltdrücken an, wodurch
ein Pendeln vermieden wird. Der Mikroschalter kann von normaler handelsüblicher
Art sein, da er wegen des flüssigkeitsdichten Abschlusses des Gehäuses keiner Feuchtigkeit
ausgesetzt ist. Der Mikroschalter kann durch einfaches Verdrehen seines Tragkörpers
in dem Innengewinde des Gehäuses leicht und mit geringstem Arbeitsaufwand justiert
werden. Sein von dem Tragkörper umschlossenes Betätigungsorgan erhält stets eine
gute Führung und kann sich
nicht verklemmen. Da der Tragkörper auch
die Membran abstützt und ihre Durchbiegung begTepzt, wird sie nur wenig beansprucht
und hat eine-. große Lebensdauer.
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Die am unteren Ende des rohrförmigen Gehäuses angebrachte Beschwerung
sichert eine genaue vertikale Lage des Tauchschalters auch dann, wenn sein Gehäuse
aus leichtem Kunststoff hergestellt ist und der den Mikroschalter enthaltende Luftraum
größere Abmessungen haben sollte.
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Der die verschiedenen Merkmale vereinigende Tauchschalter genügt allen
Anforderungen der Praxis und kann bei Pumpenäntriebsmotoren bis zu einer Leistung
von 3/.4 PS unmittelbar im Motorstromkreis oder bei größeren Motorleistungen im
Stromkreis des Motorschützes liegen. Er spricht auch bei geringen Niveaudifferenzen
im Brunnen und geringem Druck entsprechend einer Wassersäule von etwa 0,3 bis 0,5
m über der Membran an, wenn diese eine wirksame Membranfläche von etwa 7 em? hat.
Es empfiehlt sich, dem Mikroschalter einen verschiedenen Ein- und Ausschaltpunkt
zu geben, damit er bei einer größeren Höhe der Wassersäule über der Membran einschaltet
und bei einer geringeren Wassersäule abschaltet. Diese Differenz zwischen dem Ein-
und Ausschaltdruck kann mittels einer an dem Betätigungsorgan des Mikroschalters
angreifenden Feder vergrößert werden, die z. B. so ausgebildet ist, daß sie im Ausschaltpunkt
keinen oder nur einen geringen Druck ausübt, während der Einschaltdruck durch entsprechende
Einstellung der Federkraft beliebig in der Größe verändert wird. Beispielsweise
kann der Mikroschalter so eingestellt werden, daß er einschaltet, wenn die Wassersäule
auf 5 m über der Membran angestiegen ist, und ausschaltet, wenn der Wasserspiegel
auf etwa 0,5 m über der Membran abgesunken ist. Durch diese Differenz zwischen dem
Ein- und Ausschaltpunkt kann die gleiche -Wirkung erreicht werden, für die bisher
zwei getrennte Schaltvorrichtungen erforderlich waren, was einen weiteren wesentlichen
Vorteil bedeutet.
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Durch Wahl entsprechender Federn oder Einstellung der Federvorspannung
kann die Charakteristik des Schalters den jeweiligen Verhältnissen des Brunnens
weitgehend angepaßt werden.
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Die den Mikroschalter betätigende Membran bildet den unteren Abschluß
des rohrförmigen Gehäuses und ist als ebene Scheibe ausgebildet, an der die mit
dem Mikroschalter gekuppelte Druckplatte anliegt. Nach einem weiteren Merkmal der
Erfindung kann in dem Gehäuse eine seitliche Ansnehmung vorgesehen sein, die von
der in Längsrichtung angeordnete Membran abgedeckt ist. Dies hat den Vorteil, daß
man ohne Vergrößerung des Gehäusedurchmessers eine größere Membranfläche erhält
und einen größeren Mikroschalter einbauen kann.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
In der Zeichnung zeigt Fig. 1 den-Längsschnitt'einer ersten Ausführungsform des
Tauchschalters, Fig. 2 den Längsschnitt in einer um 90° gegenüber Fig. 1 verdrehten
Ebene, Fig. 3 den Längsschnitt einer zweiten Ausführungsform des Tauchschalters,
Fig. 4 die Lagerung desBetätigungshebels der Fig. 3, Fig. 5 den Längsschnitt in
ddr Ebene C D der Fig. 6, Fig. 6 den Querschnitt in der Ebene A-B der Fig. 3. Gemäß
Fig. 1 und 2 besteht der z. B. zum Steuern einer elektromotorisch angetriebenen
Unterwasserpumpe bestimmte Tauchschalter aus einem in einen Brunnen abgesenkten
rohrförmigen Gehäuse 1, das z. B. aus Kunststoff besteht und in dessen oberes Ende
ein- das mehradrige Stromzuführungskabel 17 umschließender Gewindestopfen 2 und
in dessen unteres Ende ein Fußstück 3 geschraubt ist. Letzteres besteht aus Metall
und ist unten offen und mit radialen Bohrungen 24 versehen, in die ein Werkzeug
zum Einschrauben des Fußstücks eingesetzt werden kann. Der Gewindestopfen 2 preßt
unter Zwischenschaltung einer Scheibe 4 eine z. B. aus drei Gummiringen bestehende
Stopfbuchse 5 gegen einen in das Gehäuse 1
eingeschraubten Gewindering 6,
der mit einer kegelförmigen Durchtrittsöffnung für das axial eingeführte Kabel 17
versehen ist. Der Gewindering 6 bildet das obere Ende eines Tragkörpers 8, auf dem
ein Mikroschalter 10 mittels Schrauben 11 sowie eine Schelle 18 zum Halten des unteren
Endes des Kabels 17 befestigt sind, das bei 19 an den Mikroschalter 10 angeschlossen
ist. Das untere Ende des Tragkörpers 8 besteht aus einem zylindrischen Teil 20,
das mit Spiel in dem Gehäuse 1 geführt und mit einer zentrischen Bohrung 21 zur
Aufnahme eines Gewinderinges 16 versehen ist. In der Bohrung 21 ist ein Schalthebel
13 angeordnet, dessen oberes, waagerecht abgebogenes Ende in einem am Mikroschalter
10 angebrachten Zapfen 7 gelagert ist. Das untere Ende des Schalthebels 13 ist in
einem zentrischen Ansatz 14 einer Druckplatte 9 geführt, die auf einer scheibenförmigen
elastischen Membran 12 aufliegt. Letztere ist unter Zwischenschaltung eines Dichtungsringes
22 zwischen dem Fußstück 3 und dem unteren Ende des Gehäuses 1 eingespannt und schließt
dieses flüssigkeitsdicht ab.
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Um den Schalthebel 13 ist eine Schraubenfeder 15 gelegt, die sich
an dem Gewindering 16 abstützt und mit ihrem unteren Ende über den Ansatz 14 der
Druckplatte 9 greift. Die Spannung der Feder 15 kann durch Verdrehen des
Gewinderinges 16 zur Einstellung des Einschaltpunktes des Mikroschalters 10 verändert
werden.
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Eine weitere Einstellbarkeit des Einschaltpunktes kann durch Verdrehen
des Gewinderinges 6 gegenüber dem Gehäuse 1 erreicht werden, wodurch der Tragkörper
8 verschoben und der Abstand des auf ihm befestigten Mikroschalters 10 von der Druckplatte
9 bzw. Membran 12 verändert wird. Der Mikroschalter 10 kann daher auf einfache Weise
einjustiert und sein Einschaltpunkt den jeweiligen Verhältnissen angepaßt werden.
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Der Druck der über der Membran 12 im Brunnen befindlichen Wassersäule
wirkt durch das unten offene Fußstück 3 und dessen radiale Bohrungen 24 auf die
Unterseite der Membran 12. Sobald dieser Druck größer ist als die Vorspannung der
Feder 15, z. B. bei einer Wassersäule von etwa 5 m über der Membran 12, so bewegt
diese die auf ihr lagernde Druckplatte 9 und den Schalthebel 13 nach oben, wodurch
der Mikroschalter 10 geschlossen wird und die Pumpe durch Einschalten ihres Antriebsmotors
mit der Flüssigkeitsförderung beginnt.
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Ist der Wasserspiegel auf etwa 0,5 bis 0,3 m über der Membran 12 abgesunken,
so öffnet der Mikroschalter 10 seine Kontakte und schaltet den Pumpenmotor ab. Ein
Trockenlaufen der Pumpe wird dadurch vermieden.
Bei der zweiten
Ausführungsform des Tauchschalters, wie sie in den Fig. 3 bis 6 veranschaulicht
ist, ist der Mikroschalter 10 in Längsrichtung in dem rohrförmigen Gehäuse 1 angeordnet,
und zwar ist er mit einem Halter 38 in einen geschlitzten Tragkörper 46 eingesetzt,
dessen oberes Ende in gleicher Weise wie bei der ersten Ausführungsform von dem
Gewindering 6 gebildet ist. Der Mikroschalter 10 ist an dem Tragkörper 46 und dem
Halter 38 durch Schrauben 11 befestigt. Das Gehäuse 1 ist unten durch einen Stopfen
30 abgeschlossen, der unter Zwischenschaltung einer Dichtungseinlage 31 in das untere
Gehäuseende eingeschraubt ist.
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In der Seitenwand des Gehäuses 1 ist eine rechteckige Ausnehmung 25
angebracht, die von einem elastischen, z. B. aus Gummi bestehenden Schlauch 28 abgedeckt
ist. Dieser ist auf das Gehäuse 1 geschoben und von einem über der Ausnehmung 25
durchlochten Blechmantel 23 umschlossen. Der Schlauch 28 dichtet infolge
seiner Elastizität die Ausnehmung 25 flüssigkeitsdicht ab und wirkt auf diesem Teil
als Membran. Gegen die Innenseite dieser Membran legt sich eine entsprechend gewölbte
Druckplatte 29, während die Außenseite der Membran von dem durchlochten Blechmantel
23 abgedeckt ist. An der Druckplatte 29 sind mittels einer Schraube 34 eine
Scheibe 33 und ein Bolzen 35 befestigt, über den das Ende eines Schalthebels 36
greift, dessen anderes, oberes Ende um einen in dem Tragkörper 46 gelagerten waagerechten
Zapfen 37 schwenkbar ist. Um den Bolzen 35 ist eine Schraubenfeder 39 gelegt, deren
anderes Ende durch einen Stift 40 geführt ist, der in das untere, rechtwinklig umgebogene,
als Lasche ausgebildete Ende des Halters 38 eingesetzt ist. Die beiden Enden des
Stromzuführungskabels 17 sind an entgegengesetzten Seiten 26 an den Mikroschalter
10
angeschlossen.
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Die im Brunnen befindliche Wassersäule wirkt unmittelbar auf den die
Ausnehmung 25 abdeckenden Teil der Membran 28. Sobald dieser Druck z. B. bei einer
Wassersäule von 5 m die Spannung der Feder 39 überwindet, wird der Schalthebel
36 verschwenkt und schließt die Kontakte des Mikroschalters 10, die wieder
geöffnet werden, wenn der Flüssigkeitsspiegel auf die dem Ausschaltdruck entsprechende
Höhe von z. B. 0,5 m über der Mitte der Schlauchmembran 28 absinkt.
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Der Einschaltdruck ist also von der Spannung der Feder 39 und vom
Gegendruck des Mikroschalters 10 abhängig. Die Spannung der Feder 39 kann z. B.
durch Verstellen des Zapfens 40 geändert werden.
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Diese Ausführungsform des Tauchschalters mit der schlauchförmigen
Membran 28 sowie der seitlichen Anordnung der Ausnehmung 25 und der Druckplatte
29 ergibt bei gleichem Gehäusedurchmesser wie bei der ersten Ausführungsform eine
größere wirksame Membranfläche, wodurch die Empfindlichkeit des Mikroschalters 10
erhöht wird. Außerdem kann der in der Längsrichtung im Gehäuse 1 eingebaute Mikroschalter
größer bemessen sein als bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1, bei der er querliegt.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 können in dem unteren Abschlußstopfen
30 Feuchtigkeit aufsaugende Stoffe, z. B. Kieselgel 41, vorgesehen werden, die oben
durch eine Siebplatte 42 abgeschlossen sind, so daß jegliche Feuchtigkeitsbildung
im Inneren des Gehäuses vermieden wird. Wenn das Gehäuse 1 und der Abschlußstopfen
30 aus leichtem Werkstoff, z. B. aus Korrosionsgründen aus Kunststoff besteht, kann
im Abschlußstopfen 30 noch eine Beschwerung 43 in Form eines Eisen- oder Bleiklotzes
vorgesehen sein, damit der z. B. an dem Kabel 17 hängende Tauchschalter stets die
notwendige senkrechte Lage im Brunnen erhält.
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Das Gehäuse 1 kann auch prismatisch, z. B. als Quader oder Sechskantprisma,
ausgebildet sein, in welchem Falle eine Seitenwand eine Ausnehmung erhält, die durch
eine ebene Membran ähnlich der Membran 12 der ersten Ausführungsform abgeschlossen
ist, wobei der Vorteil der leichten Montage mit dem Vorteil der Schlauchmembran,
nämlich der größeren Membranfläche, vereinigt wird.
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Der den Mikroschalter 10 tragende Tragkörper 8 bzw. 46 kann aus Kunststoff
hergestellt sein, wodurch der Schalter eine zusätzliche Isolierung gegen das Gehäuse
1 erhält.
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Der Tauchschalter kann auch unmittelbar in das Kabel eingebaut werden.
In diesem Falle wird der Verschlußstopfen 30 durch die gleiche Kabeldurchführung
mit Stopfbuchse wie im oberen Gehäuseende ersetzt, so daß das Gehäuse auch hierbei
vollständig flüssigkeitsdicht und der empfindliche Schalter keinen Feuchtigkeitseinflüssen
ausgesetzt ist.
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Wegen des völlig flüssigkeitsdichten Abschlusses des Gehäuses 1 und
Verwendung des Mikroschalters wird eine hohe Betriebssicherheit sowie eine einwandfreie
Schaltung von Starkstrom ermöglicht.
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Die Erfindung hat besondere Bedeutung für den selbsttätigen Betrieb
von elektrischen Unterwasserpumpen, z. B. für Hauswasserversorgungsanlagen usw.