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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Differenzdruckschalter, der bei
einer einstellbaren Druckdifferenz zwischen einem Hochdruckströmungsmittel und
einem Niederdruckströmungsmittel
(oder dem atmosphärischen
Druck) eine Last an- oder abschaltet. Die Druckdifferenz wird bei
derartigen Schaltern im Allgemeinen durch eine Membran abgefühlt und ein
Stellglied übertragen,
das einen Schaltvorgang auslöst.
Es ist bekannt, dieses auf eine elektrische Schaltung einwirkende
Stellglied berührungslos
von der Membran aus zu betätigen,
indem ein von der Membran veränderbares
von einem Permanentmagneten geliefertes Magnetfeld durch eine für das Magnetfeld
permeable Scheidewand, beispielsweise aus Messing oder Kunststoff,
auf einen Sensor des Stellgliedes übertragen wird. Auf diese Weise
kann die Strömungsmittelkammer,
in der durch die Membran getrennt, Hoch- und Niederdruck herrscht,
von der Sensorkammer getrennt und abgedichtet angeordnet werden.
Hierdurch werden nicht nur Leckströme verhindert, was besonders
dann unerwünscht
ist, wenn die Membran durch agressive Strömungsmittel beschädigt werden
kann. Auch werden dadurch Explosionen verhindert, die durch die
elektrische Schaltung dann ausgelöst werden könnten, wenn die Strömungsmittel
ein explosives Gemisch aufweisen.
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Die
DE 42 19 338 A1 beschreibt
einen Druckschalter, bei dem eine einen ersten Druckraum bildende
Membrandose innerhalb eines zweiten Druckraumes angeordnet ist und
die Bewegung der Membran über
einen Bügel
auf daran befestigte Magnete übertragen
wird, die in einem flexiblen Vergussmedium verlaufen und mit einem
Hallsensor zusammenwirken, der über
eine Gehäusewand
getrennt in einer Sensorkammer fixiert ist.
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Die
US-A-5 024 294 zeigt
einen Druckschalter in zylindrischer Bauweise, bei dem eine Membran eine
Hochdruckkammer von einer Niederdruckkammer trennt und der Magnet
in der Hochdruckkammer verschiebbar ist und mit einem Hallsensor
zusammenwirkt, der außerhalb
des zylindrischen Gehäuses angeordnet
ist.
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Die
EP 0 650 041 A2 zeigt
einen Druckschalter, der ähnlich
aufgebaut ist wie der Druckschalter gemäß der
DE 42 19 338 A1 . Auch hierbei
verschiebt eine Membrandose über
einen Bügel
Permanentmagnete, die mit einem Hallsensor zusammenwirken, der durch
Gehäusewände getrennt
in einer Kammer angeordnet ist.
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Die
DE 35 14 564 A1 betrifft
einen Messumformer für
Druck, bei welchem eine durch Druck beaufschlagte Membran einen
Permanentmagneten verschiebt, der mit Magnetfeld-abhängigen Widerstandselementen
zusammenwirkt, die räumlich
in der gleichen Kammer angeordnet sind wie der Magnet.
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Es
ist weiter durch die
US-A-3
566 060 ein Differenzdruckschalter bekannt, bei dem zwischen einer
Niederdruckkammer und einer Hochdruckkammer eine Membran angeordnet
ist, wobei in einer Schalterkammer ein mechanischer Schalter liegt,
der von der Niederdruckkammer durch eine Scheidewand abgetrennt
ist. Die Scheidewand weist jedoch eine Öffnung auf, durch die der Schalter
mechanisch mit der Membran gekoppelt ist, so dass das Strömungsmittel
innerhalb der Niederdruckkammer in Berührung mit dem mechanischen
Schalter steht. Eine mechanische Abdichtung dazwischen ist schwierig,
so dass Leckströme
in die Schalterkammer eindringen können, in der elektrische Kontakte untergebracht
sind, die ein entflammbares Strömungsmittel
aus der Niederdruckkammer zur Entzündung bringen könnten.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Differenzdruckschalter
zu schaffen, der durch mechanische Trennung zwischen Schalterkammer und
Strömungsmittelkammer
nicht explosionsgefährdet
ist und leicht auf vorbestimmte Druckdifferenzen einstellbar ist,
die jeweils eine bestimmte Schaltung durchführen sollen.
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Gelöst wird
die gestellte Aufgabe durch die Gesamtheit der im Anspruch 1 angegebenen
Merkmale.
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Durch
die einen Teil des Gehäuses
bildende massive Scheidewand wird die Sensorkammer von der Strömungsmittelkammer
sicher getrennt, ohne dass hierfür
zusätzliche
Dichtungsmittel benötigt würden. Die Übertragung
der Stellkräfte
erfolgt über das
Magnetfeld, wobei sowohl der den Magenten tragende Schwenkhebel
als auch ein den Hallsensor tragender flexibler Arm in ihrer Vorspannung
einstellbar sind, so dass der jeweilige Schaltpunkt feinfühlig und
reproduzierbar einstellbar ist.
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Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine Seitenansicht eines Differenzdruckschalters gemäß der Erfindung,
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2 ist
eine Vorderansicht des Differenzdruckschalters,
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3 ist
ein Schnitt längs
der Linie 3-3 gemäß 2,
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4 ist
ein Schnitt längs
der Linie 4-4 gemäß 2,
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5 ist
ein Schnitt längs
der Linie 5-5 gemäß 4.
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Einzelbeschreibung des bevorzugten
Ausführungsbeispiels
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Der
Differenzdruckschalter 10 weist eine Verkleidung 11 mit
einer Basis 12 auf, die auf einem stationären Aufbau
montiert werden kann. Außerdem umfasst
die Verkleidung ein Gehäuse 14 und
einen Deckel 16. Das Gehäuse 14 weist eine
zylindrische äußere Umfangswand 18 auf,
die sich in Längsrichtung
zwischen einem ersten Ende 20 und einem zweiten Ende 22 erstreckt.
Das Gehäuse 14 weist eine
massive, einstückige,
nicht-perforierte Scheidewand 24 auf, die innerhalb der
Umfangswand 18 angeordnet über den gesamten Umfang an
der Scheidewand 24 angeformt ist. Die Scheidewand 24 weist einen
ebenen Abschnitt 25 auf. Die Basis 12 ist an dem
ersten Ende 20 des Gehäuses 14 durch
Schrauben befestigt und der Deckel 16 ist am zweiten Ende 22 des
Gehäuses 14 durch
Schrauben festgelegt. Der Deckel 16 ist strömungsmitteldicht
am ersten Ende 20 des Gehäuses 14 durch einen
elastomeren O-Ring 26 abgedichtet. Der Differenzdruckschalter 10 weist
eine Sensorkammer 30 auf, die durch die Umfangswand 18,
die Scheidewand 24 und den Deckel 16 begrenzt
wird. Der Differenzdruckschalter 10 weist außerdem eine
Strömungsmittelkammer 31 auf,
die von der Umfangswand 18, der Scheidewand 24 und
der Basis 12 begrenzt ist. Die Verkleidung 11 stellt
eine explosionssichere Umhüllung
dar, die so ausgebildet ist, dass eine innere Explosion auf die Strömungsmittelkammer 31 beschränkt bleibt,
wenn ein Strömungsmittel
gezündet
wird, wobei infolge der Trennung eine Zündung durch die Schaltung in
der Sensorkammer 30 ausgeschlossen ist.
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Der
Differenzdruckschalter 10 weist außerdem eine ebene, scheibenförmig gestaltete,
elastomere, flexible Membran 32 auf, die eine ringförmige Umfangsrippe 34 besitzt
und eine zentrale Achse 36 in der Mitte des Umfangs aufweist.
Die Umfangsrippe 34 der Membran 32 ist zwischen
der Basis 12 und dem ersten Ende 20 des Gehäuses 14 eingespannt und
bildet eine Strömungsmitteldichtung
dazwischen. Der Differenzdruckschalter 10 weist eine erste Niederdruckkammer 38 auf,
die durch die Umfangswand 18 und die Scheidewand 24 des
Gehäuses 14 sowie
die Membran 32 begrenzt ist. Der Differenzdruckschalter 10 weist
außerdem
eine Hochdruckkammer 40 auf, die durch die Membran 32 gebildet ist,
sowie einen Hohlraum 42, der in der Basis 12 ausgebildet
ist. Die Niederdruckkammer 38 wird von der Hochdruckkammer 40 durch
die flexible Membran 32 getrennt und strömungsmäßig abgedichtet.
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Die
Sensorkammer 30 ist strömungsmitteldicht
und lecksicher von der Niederdruckkammer 38 durch die massive,
einstückige,
nicht-perforierte Scheidewand 24 getrennt, und die Scheidewand 24 ist
integral mit der Umfangswand 18 verbunden, ohne dass es
notwendig wäre,
eine Dichtung zwischen den beiden aneinanderstoßenden Teilen vorzusehen. Die nicht-perforierte
Scheidewand 24 dichtet und isoliert dadurch die Sensorkammer 30 strömungsmitteldicht gegenüber dem
Strömungsmittel
in der Niederdruckkammer 38 ab, so dass dieses Strömungsmittel
nicht in die Sensorkammer 30 eindringen kann, und es wird
eine Abdichtung gegenüber
dem Strömungsmittel
in der Hochdruckkammer 40 erreicht, so dass dieses Strömungsmittel
nicht in die Sensorkammer 30 eindringen kann, wenn die
Membran 32 eine Leckstelle bekommen sollte.
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Das
Gehäuse 14 weist
einen Niederdruckanschluss 44 auf, der mit der Niederdruckkammer 38 in Verbindung
steht. Das Gehäuse 14 weist
außerdem einen
Hochdruckanschluss 46 auf, der in Verbindung mit der Hochdruckkammer 40 steht.
Das Gehäuse 14 weist
außerdem
eine Kondensat-Abzugsöffnung 48 auf,
die in Verbindung mit der Sensorkammer 30 steht. Die Kondensat-Abzugsöffnung 48 ermöglicht einen
Abzug des Kondensats, das sich in der Sensorkammer 30 bilden
könnte.
Ein Schraubstopfen 50 ist lose in die Abzugsöffnung 48 eingesetzt,
um ein Abziehen des Kondensats zu ermöglichen, aber es wird eine
explosionssichere Integrität
der Sensorkammer 30 aufrechterhalten. Das Gehäuse 14 weist
außerdem
eine daran angeordnete Masseanschlussschraube 52 auf. Die
Basis 12, das Gehäuse 14,
die Wand 24 und der Deckel 16 sind vorzugsweise
aus Metall, beispielsweise aus Aluminium hergestellt.
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Der
Differenzdruckschalter 10 weist einen Mechanismus 60 zur
Anzeige der Lage der Membran auf. Dieser Anzeigemechanismus 60 liegt
innerhalb der Niederdruckkammer 38 und erstreckt sich nicht
in die Sensorkammer 30 hinein. Der Anzeigemechanismus 60 weist
einen L-förmigen
Hebel 62 auf, der schwenkbar am Gehäuse 14 angelenkt ist.
Der Hebel 62 ist um eine Schwenkachse 63 drehbar.
Der Hebel 62 weist einen ersten Schenkel 64 mit
einem äußeren Ende 66 und
einen zweiten Schenkel 68 mit einem äußeren Ende 70 auf.
Die Schenkel 64 und 68 liegen allgemein senkrecht
zueinander. Der erste Schenkel 64 ist relativ kurz im Vergleich
mit der Länge
des zweiten Schenkels 68. In der Nähe des äußersten Endes 70 des
zweiten Schenkels 68 ist ein Magnet 72 befestigt,
derart, dass der Magnet 72 um die Schwenkachse 63 verschwenkbar
ist.
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Eine
drehbare Einstellschraube 76 steht durch die Umfangswand 18 des
Gehäuses 14 in
die Niederdruckkammer 38 ein. Die Schraube 76 ist drehbar
gegenüber
der Umfangswand 18 durch einen elastomeren O-Ring 80 abgedichtet.
Die Schraube 76 weist einen Gewindeschaft 82 auf,
der in eine allgemein rechteckige Platte 84 eingreift,
die einen zylindrischen Vorsprung mit schraubenlinienförmigen Nuten
besitzt. Die rechteckige Platte 84 liegt benachbart zur
Scheidewand 24, derart, dass die Wand 24 eine
Drehung der Platte 84 verhindert. Eine Schraubenfeder 86 ist
am einen Ende des Vorsprungs der rechteckigen Platte 84 und
dadurch mit der Schraube 76 verbunden, und sie ist am anderen
Ende mit dem äußeren Ende 66 des
ersten Schenkels 64 des Hebels 62 verbunden. Eine
selektive Drehung der Einstellschraube 76 stellt die Größe der Spannkraft
ein, die in der Feder 86 erzeugt wird, und die auf das äußere Ende 66 des
ersten Schenkels 64 ausgeübt wird. Die Spannkraft, die
durch die Schraubenfeder 86 erzeugt wird, verschwenkt den
Hebel 62 und den Magneten 72 um die Schwenkachse 63.
Die jeweiligen Längsachsen
der Schrauben 76 und der Feder 86 liegen koaxial
zueinander und senkrecht zur Querachse 36 der Membran 32.
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Eine
kreisförmige
starre Metallscheibe 90 liegt innerhalb der Niederdruckkammer 38 parallel
zu der Membran 32 und sie liegt über dieser. Die Scheibe 90 weist
einen zentral angeordneten, spherischen Vorsprung 92 auf,
der nach innen in die Niederdruckkammer 38 und nach der
Scheidewand 24 vorsteht. Die Schraubenfeder 86 verschwenkt
den zweiten Schenkel 68 des Hebels 62 und presst
diesen gegen den Vorsprung 92 der Scheibe 90 und
dadurch gegen die Membran 32. Der Magnet 72 wird
dadurch mit der Membran 32 in der Weise gekoppelt, dass
der Magnet 72 seine Lage gemäß der Änderung der Lage der Membran 32 verändert. Die
Größe der Kraft,
mit der der Hebel 62 gegen die Scheibe 90 und
die Membran 32 drückt,
kann durch Drehung der Einstellschraube 76 eingestellt
werden.
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Der
Differenzdruckschalter 10 weist einen flexiblen Arm 98 auf,
der ein freies Ende und ein festes Ende besitzt, welch letzteres
am Gehäuse 14 festgelegt
ist. Ein Hallsensor 100 ist am freien Ende des Arms 98 angeordnet.
Ein für
diesen Zweck bevorzugter Hallsensor 100 ist das Modell
Nr. SS441 A (unipolar digital position sensor), hergestellt von
Honeywell, Inc., Freeport, Illinois. Der Arm 98 und der Hallsensor 100 liegen
innerhalb der Sensorkammer 30, und sie sind vollständig gegenüber den
Kammern 38 und 40 durch die Scheidewand 24 isoliert
und abgedichtet, und dadurch, dass die Scheidewand 24 an der
Umfangswand 18 ansetzt. Der Hallsensor 100 und
der Magnet 72 liegen auf gegenüberliegenden Seiten der Scheidewand 24.
Der Hallsensor 100 und der Magnet 72 liegen allgemein
quer zueinander auf gegenüberliegenden
Seiten der Scheidewand 24 und sie sind aufeinander längs einer
Achse 102 ausgerichtet, die im Wesentlichen parallel zur
Achse 36 der Membran 32 verläuft. Innerhalb der Sensorkammer 30 ist
am Gehäuse 14 eine
Leiterplatte 104 befestigt. Eine Plastikschraube 106 mit
einem Gewindeschaft ist drehbar in die Leiterplatte 104 eingeschraubt
und sie weist einen Kopf 108 auf, der an dem flexiblen Arm 98 angreift.
Durch Drehung der Schraube 106 wird der Arm 98 verschwenkt
und stellt den Abstand ein, mit welchem der Sensor 100 von
der Scheidewand 24 entfernt liegt, und dadurch wird der
Abstand des Sensors 100 vom Magneten 72 eingestellt,
wenn der Magnet 72 in irgendeiner gegebenen Stellung befindlich
ist.
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Der
Hallsensor 100 ist elektrisch mit einem elektrischen Relaisstromkreis 110 verbunden,
der mehrere Kontakte 112 aufweist. Der Relaiskreis 110 ist
eine nicht-isolierte,
kapazitiv-reaktive, durch Zenerdioden geregelte Schaltung, die einen
Wechselstrom-Eingang erhält
und einen Niederspannungs-Gleichstrom-Leistungsausgang zum Erregen des Hallsensors 100 und
des Relaiskreises 110 liefert. Ein bevorzugtes Relais 110 ist
das Modell Nr. T9AS5D12-110, hergestellt von Potter & Brumfield Division
of Siemens Electromechanical Components, Inc., Princeton, Indiana.
Eine elektrische Verdrahtung ist an die Kontakte 112 angeschlossen,
und diese erstreckt sich durch eine Öffnung 114 im Gehäuse 14 zum
Anschluss an irgendeine Vorrichtung, die durch den Schalter 10 gesteuert
werden soll.
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Im
Betrieb wird der Niederdruckeinlass 44 an eine Strömungsmittel-Leitung
angeschlossen, die ein Strömungsmittel,
vorzugsweise ein Gas, der Niederdruckkammer 38 liefert,
und der Hochdruckeinlass 46 wird an eine Strömungsmittel-Leitung
angeschlossen, die ein Strömungsmittel,
vorzugsweise ein Gas, nach der Hochdruckkammer 40 leitet.
Das Strömungsmittel
in der Hochdruckkammer 40 steht unter einem Druck, der
relativ höher
ist als der Druck des Strömungsmittels
in der Niederdruckkammer 38, so dass eine Druckdifferenz
zwischen den Strömungsmitteln
in den beiden Kammern 38 und 40 besteht. Der Druck
der Strömungsmittel
in den Strömungsmittelkammern 38 und 40 kann
größer oder
kleiner als der atmosphärische
Druck sein.
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Der
Magnet 72 und der Hebel 62 schwenken um eine Achse 63,
und zwar als Funktion der Druckdifferenz, die auf die Membran 32 einwirkt.
Wenn die Druckdifferenz zwischen dem Druck des Strömungsmittels
in der Hochdruckkammer 40 und dem Druck des Strömungsmittels
in der Niederdruckkammer 38 ansteigt, dann drückt das
Strömungsmittel
in der Hochdruckkammer 40 gegen die Membran und bewegt
den Mittelabschnitt der Membran 32 nach außen in die
Niederdruckkammer 38 und nach dem zweiten Schenkel 68 des
Hebels 62 und nach der Scheidewand 24, und zwar
längs der
Achse 36. Wenn sich die Membran 32 nach außen nach
der Niederdruckkammer 38 bewegt, drückt die Membran 32 auf
die Scheibe 90 und ihren Vorsprung 92 in Eingriff
mit dem zweiten Schenkel 68 des Hebels 62 und es
wird der Hebel 62 um die Achse 63 verschwenkt, wodurch
der Magnet 72 näher
an den Hallsensor 100 herangeführt wird. Wenn die Druckdifferenz
zwischen den Strömungsmitteln
in der Niederdruckkammer 38 und der Hochdruckkammer 40 absinkt,
dann bewegen sich Membran 32 und Scheibe 90 längs der Achse 36 in
Gegenrichtung von dem zweiten Schenkel 68 des Hebels 62 und
von der Scheidewand 24 und vom Sensor 100 weg.
Wenn sich die Membran 32 und die Scheibe 90 von
dem zweiten Schenkel 68 und der Scheidewand 24 weg
bewegen, dann verschwenkt die Feder 86 den Hebel 62,
um eine Berührung
zwischen dem zweiten Schenkel 68 und der Scheibe 90 aufrechtzuerhalten,
und um dadurch den Abstand zwischen dem Hallsensor 100 und
dem Magneten 72 zu vergrößern.
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Die
Spannung der Feder 86 ist durch die Schraube 76 einstellbar.
Je größer die
Spannkraft, die durch die Feder 86 erzeugt wird, desto
größer wird
die Kraft, die durch den zweiten Schenkel 68 des Hebels 62 auf
die Scheibe 90 und die Membran 32 ausgeübt wird.
Je größer die
Kraft, mit der der Hebel 62 an der Scheibe 90 und
der Membran 32 angreift, desto größer muss die Druckdifferenz
zwischen den Strömungsmitteln
in der Niederdruckkammer 38 und der Hochdruckkammer 40 sein,
damit anfänglich
die Membran 32 bewegt und der Hebel 62 mit dem
Magneten 72 verschwenkt wird.
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Der
Hallsensor 100 fühlt
das Magnetfeld ab, das vom Magneten 72 erzeugt wird. Der
Hallsensor 100 detektiert somit die Lage des Magneten 72 auf der
anderen Seite der Scheidewand 24 gegenüber der Lage des Hallsensors 100.
Wenn der Abstand zwischen dem Hallsensor 100 und dem Magneten 72 einen
vorbestimmten Abstand erreicht, schaltet der Hallsensor 100.
Der Relaiskreis 110 stellt die Änderung des Zustandes des Hallsensors 100 fest
und darauf wird ein Relais erregt, das die Kontakte 112 entweder öffnet oder
schließt,
um einen elektrischen Verbraucher entweder an- oder abzuschalten.
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Verschiedene
Merkmale der Erfindung wurden in Verbindung mit dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben. Es ist jedoch klar, dass diese Ausführungsbeispiele
lediglich illustrativ sind, und dass die Erfindung bestimmt ist durch
den Schutzbereich der beiliegenden Ansprüche.