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"Einrichtung zur Uberwachung der Dichte eines Gases innerhalb
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eines verschlossenen Behälters" Die Erfindung betrifft eine Einrichtung
zur Überwachung der Dichte eines Gases innerhalb eines verschlossenen Behälters,
insbesondere zur Überwachung der Dichte von SF6-Gas in einer SF6-isolierten elektrischen
Schaltanlage.
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Insbesondere bei elektrischen Schaltanlagen, die mit einem unter Druck
stehenden Isoliergas gefüllt sind, ist es notwendig ! die Dichte des in der Kapselung
der Schaltanlage befindlichen 1 Gases zu überwachen. Dies ist deswegen erforderlich,
weil zum einen die Isolierfestigkeit von der Dichte des im Behälter befindlichen
Gases abhängt und weil zum anderen die Löschfähigkeit des Gases innerhalb eines
elektrischen Schalters sowohl vom Druck als auch von der Dichte des Gases maßgeblich
mitbestimmt werden. Eine Drucküberwachung allein reicht nicht aus; würde beispielsweise
die Temperatur auf einen bestimmten Wert ansteigen, ein Leck vorhanden sein, durch
welches das Gas langsam abströmen kann, so würde dennoch der Druck als ausreichend
hoch für die Schaltanlage angezeigt werden, obwohl
eine Schalthandlung
selbst nicht mehr durchgeführt werden könnte.
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Mit Abfall der Temperatur würde sich zwar der Druck verringern, so
daß das Manometer ansprechen würde; eine Gefährdung der elektrischen Anlage wäre
jedoch längst gegeben.
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Aus diesem Grunde kann man zur Ubeniachung der Dichte kein normales
Manometer verwenden, sondern muß spezielle Dichtewächter einsetzen, die zwar auf
Druck ansprechende Glieder haben; diese sind aber mittels Kompensationselementen
kompensiert. Auf diese Weise zeigt bei einer Temperaturänderung und damit einer
Druckänderung im Gas der Dichtewächter keine Änderung an, da der Druck kompensiert
ist. Tritt bei einem derartigen druckkompensierten Gerät in Leck auf, so ändert
sich das spezifische Volumen, welches von dem Dichtewächter angezeigt wird.
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Die bekannten Dichtewächter sind jeweils immer speziell auf einen
bestimmten Zweck hin konzipiert und gebaut worden. Dies hatte zur Folge, daß die
bekannten Dichtewächter verhältnismäßig teuer waren.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannten Dichtewächter zu verbilligen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß nach einer ersten Ausführung der
Erfindung dadurch gelöst, daß innerhalb eines Zylinders ein durch eine Feder belasteter
Kolben vorgesehen ist, der von dem Druck des Gases im Behälter beaufschlagbar ist,
daß mit dem Kolben ein eine Flüssigkeit enthaltendes Gefäß verbunden ist, wobei
die Bewegungsrichtung des Kolbens senkrecht zu der durch den Flüssigkeitsspiegel
bestimmten Ebene verläuft, und daß der
Ausdehnungskoeffizient der
Flüssigkeit und der Durchmesser des Gefäßes sowie die Federelastizität der Feder
so gewählt sind, daß bei einer bestimmten Temperaturänderung die Lageänderung des
Kolbens gleich und reziprok ist der Änderung des Flüssigkeitsspiegels.
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In vorteilhafter Weise kann als Gefäß ein Glasgefäß vorgesehen sein,
welches mit gefärbtem Alkohol oder Äther oder dergleichen gefüllt ist. Andererseits
besteht auch die Möglichkeit, das Gefäß mit Quecksilber zu füllen. Letzteres hat
den Vorteil, daß dann, wenn am Zylinder ein Kontaktfinger befestigt ist, der in
das Glasgefäß senkrecht zum Quecksilberspiegel hineingreift, die Möglichkeit einer
Signalisierung besteht, sofern man durch das Quecksilber und den Kontaktfinger einen
Stromkreis hindurchlegt, der dann, wenn der Kontaktfinger den Quecksilberspiegel
berührt, geschlossen wird. Anstatt letzterer Maßnahme besteht natürlich auch die
Möglichkeit, die Tatsache auszunutzen, daß durch die Bewegung des Quecksilberspiegels
innerhalb eines elektrischen oder kapazitiven Feldes ebenfalls einzelektrisches
Signal abgegeben wird, welches zur Anzeige einer kritischen Dichte verwendet werden
kann. Dies kann man so erreichen, daß man das Gefäß mit dem Quecksilber in Höhe
des Quecksilberspiegels zwischen zwei metallische Platten einfügt, zwischen denen
ein Kapazitives Feld herrscht; die Änderung der Kapazität führt zu einem elektrischen
Signal. Man kann auch das Glasröhrchen mit einer Spule in dem Bereich des Quecksilbes
spiegels versehen; sobald bei einer Änderung der Dichte der Quecksilberspiegel in
die Spule eindringt oder aus ihr herauswandert, ändert sich die Induktion, wodurch
ebenfalls ein elektrisches Signal abgegeben wird.
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Eine zweite Ausführung der Erfindung geht dahin, daß innerhalb eines
Zylinders ein von einer Feder belasteter Kolben verschiebbar angeordnet ist, welcher
von dem Druck im das Gas aufnehmenden Behälter beaufschlagbar ist, daß am Kolben
ein
Stößel angeordnet ist, an dessen freiem Ende ein Kompensationselement
angebracht ist, dessen freies Ende auf einen Endschalter zur Betätigung eines elektrischen
Kontaktes wirkt.
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Bei der ersten Ausführungsform kann man, wie gesagt, in den Behälter,
der beispielsweise als Glasröhrchen ausgebildet sein kann, jede Art von Flüssigkeit
einfüllen; man kann sowohl einen gefärbten Äther oder Alkohol als auch QueckszlMer
einfüllen. Letzteres hat den Vorteil, daß damit eine elektrische Anzeige verbunden
werden kann. Wesentlich dabei ist die Abstimmung der den Kolben beaufschlagenden
Feder auf den Ausdehnungskoeffizient der Flüssigkeit in dem Behälter. Diese Flüssigkeit
muß sich bei Änderung der Temperatur genau um den Betrag ausdehnen, den der Kolben
bei Änderung des Druckes aufgrund der Temperaturänderung zurücklegt. Dies bedeutet
aber auch, daß der Kolben in die der Ausdehnung entgegengesetzte Richtung bei Ansteigen
des Druckes zu verschieben ist. Ein gewisser Nachteil bei den Anordnungen mit der
Flüssigkeitsanzeige bzw. mit den Flüssigkeiten besteht darin, daß sie lediglich
in einer einzigen Lage betrieben werden können; das Röhrchen muß immer vertikal
angeordnet sein.
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Um die Erfindung lageunabhängig zu machen, kann man die zweite Ausführungsform
verwenden. Während bei der ersten Ausführungsform eine Sichtanzeige dadurch erfolgt,
daß das Niveau der Flüssigkeitsoberfläche immer mit einem Markierungsstrich fluchten
muß, kann man bei der zweiten Ausführung eine Sichtscheibe mit verschieden farbigen
Markierungen benutzen. Wenn ein Leck vorhanden ist, sinkt der Druck stärker ab als
dann, wenn lediglich eine Druckabsenkung aufgrund einer Temperaturabsenkung erfolgt.
Der SchtschebenhebeI, der mit der Sichtscheibe scheibe verbunden ist, wird dabei
freigegeben, so daß er sich unter dem Druck der Feder zusammen mt der Sichtscheibe
verdreht. Bei dieser Ausgestaltung wird noch ein weiterer Vorteil erzielt: Man muß
die Sichtscheibe zusammen mit dem Hebel wieder manuell in die Ursprungslage verbringen,
damit der
Dichtewächter wieder in Funktion treten kann. Auf diese
Weise ist eine Quittierung erforderlich, welche die Betriebssicherheit noch weiter
heraufsetzt.
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Weitere Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen.
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Anhand der Zeichnung, in der drei Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt sind, soll die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
und Verbesserungen der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.
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Es zeigt: Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erste Ausführung der
Erfindung, Fig. 2 einen Querschnitt ähnlich dem der Figur 1 durch eine zweite Ausführung
und Fig. 3 einen Querschnitt ähnlich dem der Figuren 1 und 2 gemäß einer dritten
Ausgestaltung der Erfindung.
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Das erfindungsgemäße Dichtegerät, welches in der Figur 1 dargestellt
ist, ist in der Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
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Dieses Gerät 10 bzw. die Einrichtung 10 besitzt einen äußeren Hohlzylinder
12, der an seinem einen Ende mittels eines Deckels 14 abgeschlossen ist. Von der
anderen Stirnseite ragt ein innerer Hohlzylinder 16 ins Innere des äußeren Hohlzylinders
12, wobei er an dem Ende des inneren Hohlzylinders 16, welches sich im Bereich der
nicht mittels des Deckels 14 verschlossenen Stirnseite befindet, einen Flansch 18
aufweist, der eine Stufe 20 aufweist, welche die Stirnfläche des äußeren Hohlzylinders
aufnimmt bzw. an ihr anliegt. Von außen ist der Flansch 18 mit einem Abdeckteil
22 abgedeckt.
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Im Inneren des äußeren Hohlzylinders 12 befindet sich in der Nähe
des Deckels 14 ein Kolben 24, dessen Außenrand von einem Ring 26 umgeben ist. Dieser
Ring 26 ist zwischen einem Absatz 28 und einem Sicherungsring 30 festgehalten. Der
Kolben 24 besitzt auf der dem inneren Hohlzylinder zugewandten Seite eine ringartige
Ausformung 32 mit einer Nut 34, in die ein Ende eines Federbalgs 36 hineingreift.
An der Innenseite des Flansches 18 befindet sich eine der Nut 34 entsprechende Nut
38, welche das andere Ende des rederbalges aufnimmt. Durch den Kolben 24, den Federbalg
36 und den Flansch 18 wird ein Raum 40 gebildet, der nach unten hin, also in Richtung
zum Flansch 18 hin, offen ist.
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An die Innenwand des äußeren Hohlzylinders 12 sowie an die Innenfläche
des Flansches 18 legt sic eine Buchse 42 an, die als Gegenlager für eine Feder 44
dient. Das andere Ende der Feder liegt gegen den Ring 26 an und beaufschlagt somit
den Kolben immer in Pfeilrichtung A.
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Durch den Innenraum des inneren Hohlzylinders 16 erstreckt sich ein
Stößel 46. Sein innenbefindliches freies Ende ist mit dem Kolben 24 fest verbunden
und sein nach außen ragendes freies Ende durchgreift den Flansch 18 und das Abdeckteil
22 und ragt darüberhinaus. An diesem nach außen hinausragenden Ende, welches in
der Zeichnung die Bezugsziffer 48 aufweist, ist ein Quersteg 50 befestigt, dessen
Länge größer ist als der äußere Radius des äußeren Hohlzylinders 12. Auf der Seite
des Quersteges 50, welche an das freie Ende 48 bzw. das nach außen ragende Ende
48 des Stößels 47 anliegt, ist ein Glasröhrchen 52 befestigt, welches mit einer
Flüssigkeit 54 gefüllt ist, welche einen Spiegel 56 bildet. Der Stößel 46 und das
Glasröhrchen 52 sind, wie man erkennen kann, genau parallel. Als Flüssigkeit 54
kommt gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ein gefärbter Alkohol oder Äther
in Betracht.
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Beispielsweise kann der Alkohol rot gefärbt sein. Auf der in der Zeichnung
links dargestellten Seite ist das Glasröhrchen 52 von einer Scheibe 58 abgedeckt,
welche ein Fenster 60 aufweist, an dem eine Sichtmarkierung 62, beispielsweise eine
Linie vorgesehen ist. Die Scheibe 58 ist aus nicht transparentem Material, lediglich
im Bereich des Fensters ist die Scheibe durchsichtig.
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Im Bereich des Flansches 18 besitzt der Stößel eine nicht gezeigte
Bohrung, durch welche ein Splint 64 hindurchgreift; im Nullzustand, d.h. in dem
Zustand, in dem der Druck Null ist, ist der Kolben 24 in die in der Zeichnung dargestellte
Stellung von der Feder 44 gedrückt; der Splint 64 liegt an der Außenfläche des Flansches
an.
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Sofern durch eine im Deckel 14 vorgesehene Bohrung 66 Druck auf die
Kolbenfläche 68 ausgeübt wird, bewegt sich der Kolben 24 entgegen dem Druck der
Feder 44 in Pfeilrichtung B und zwar solange, bis die Innenfläche 70 des Kolbens
24 gegen die innere Stirnfläche 72 des inneren Hohlzylinders 16 zum Anliegen kommt.
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Der Abstand zwischen der Innenfläche des Kolbens und der inneren Stirnfläche
des inneren Hohlzylinders, in der Figur mit D bezeichnet, ist der gesamte Hubweg
des Kolbens.
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Damit die vorig beschriebene Anordnung als Dichtewächter fungieren
kann, müssen der Ausdehnungskoeffizient der Flüssigkeit 54, der Innendurchmesser
des Röhrchens 52 sowie die Federelastizität so aufeinander abgestimmt werden, daß
die Ausdehnung der Flüssigkeit im Röhrchen bei einer vorgegebenen Temperaturänderung
genau so groß ist, wie der während dieser Temperaturänderung vom Kolben zurückgelegte
Weg aufgrund der durch die Temperaturänderung im überwachten Behälter bewirkten
Druckänderung. Anders ausgedrückt: Wenn sich der Kolben beispielsweise aus der in
der Figur 1 gezeigten Lage bei einer Temperaturänderung um 8 T1 um den Weg D1 in
Pfeilrichtung B verschiebt, weil aufgrund der Temperaturänderung A T1 eine Druckänderung
P1
erfolgt ist, dann muß der Flüssigkeitsspiegel 56 bezogen auf das Glasröhrchen 54
in Pfeilrichtung A sich um die Länge D1 ausdehnen. Da das Glasröhrchen um den Weg
D1 in Pfeil-l richtung B verschoben wird, da sich die Flüssigkeit um den Weg D1
in Pfeilrichtung A bezogen auf das Röhrchen ausdehnt, bleibt der Flüssigkeitsspiegel
56 bei einer derartigen Temperatur-und daraus folgende Druckänderung immer etwa
auf der Höhe der Markierung 62, sofern man innerhalb der Einrichtung 10 ausschließlich
aufgrund der Temperaturänderung bewirkte Längenänderung der einzelnen Teile außeracht
läßt. Letztere, lediglich auf die Temperaturänderung zurückzuführende Längenänderungen
können vernachlässigt werden, da sie verhältnismäßig geringfügig sind im Vergleich
zu der von der Druckänderung im Behälter herrührenden Verlagerung des Kolbens; es
besteht selbstverständlich auch die Möglichkeit, die Flüssigkeit 54 sowie den Durchmesser
des Glasröhrchens 52 bezogen auf die Elastizität bzw. Steifigkeit der Feder 44 so
zu ändern, daß auch derartige Längenänderungen ausgeglichen werden können.
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Es wird nun Bezug genommen auf die Figur 2. Die wesentlichen Teile
der Figur 1, also die Ausführung des Gerätes an sich sowie die Anordnung des Glasröhrchens
52 ist für diesen Dichtewächter gemäß der Figur 2 identisch mit dem der Figur 1.
Lediglich am oberen Ende des Glasrchrchens 52, dessen Flüssigkeit 54 Quecksl5ber
ist, ist eine mit einer Innendicritung 74 versehene Öffnung 76 vorgesehen, durch
weiche ein Kontaktstat 78 hindurchgreift, der an einem weiteren uuersteg 80 befestigt
ist Dieser? Quersteg 80 ist am Deckel 14 angebracht. Die Abstimmung des Ausdehn-ungskoeffzienten
der Flüssigkeit 54, also hier des Quecksilbers des Durchmessers des Glasrdhrchens
52 sowie der Feder 44 aufeinander erfolgt in der gleichen Weise wie die bei der
Abstimmung für die Einrichtung gemäß der Figur 1; natürlich müssen die Verhältnisse
wegen des anderen Ausdehnungskoeffizienten von Quecksilber auch anders gewählt werden.
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Sowie jetzt ein Leck innerhalb des Behälters vorhanden ist,
wird
sich der Kolben in Pfeilrichtung A stärker verschieben, als wenn lediglich eine
Druckänderung aufgrund einer Temperaturänderung vorhanden ist. Damit bewegt sich
der Flüssigkeitsspiegel 56 nach oben in Pfeilrichtung A, da eine Druckkompensation
nun nicht mehr möglich ist. Während bei der Ausgestaltung gemäß der Figur 1 der
Flüssigkeitsspiegel 56 sich von der Markierung 62 entfernt, bewegt sich der Flüssigkeitsspiegel
56 des Quecksilbers in Figur 2 auf den Kontaktstab 78 zu, so lange bis der Kontakt
stab 78 das Quecksilber berührt bzw. in dieses eintaucht. Dadurch wird ein Stromkreis
geschlossen, der von einer Zuleitung 82, dem Kontaktstab 78, dem Quecksilber innerhalb
des Röhrchens 52 und einer Ableitung 84 gebildet wird.
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Die Zuleitung 82 und die Ableitung 84 sind dann mit einer nicht gezeigten
elektrischen Signalanlage verbunden. Auf diese Weise wird bei der Einrichtung gemäß
der Figur 2 einerseits eine elektrische Anzeige, andererseits auch eine optische
Anzeige einer Leckage erzielt.
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Es sei nun Bezug genommen auf die Figur 3. Das Gehäuse des Dichtewächters
ist hier wiederum gleich dem der Figuren 1 und 2.
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Lediglich das freie Ende 48 des Stößels 46 ist anders ausgebildet.
An diesem Ende ist nicht ein Quersteg 50 angebracht, sondern ein aus zwei sich bei
einer Temperaturänderung in Jeweils entgegengesetzter Richtung verformenden Bimetallscheiben
86 und 88 bestehendes Kompensationselement 90. Dabei liegt das Bimetall 86 direkt
an der nach unten weisenden Stirnfläche des freien Endes 48 des Stößels 46 an. Mit
dem Bimetall 88 ist ein Stift 92 verbunden, der durch die Bimetallscheibe 86 hindurch-und
in eine Ausnehmung 94 im freien Ende 48 des Stößels 46 hineingreift. Damit kann
sich das Kompensationselement 90 sowie der daran befestigte Zapfen 92 relativ zu
der Bimetallscheibe 86 sowie zu dem Stößel 46 innerhalb der Bohrung 94 frei bewegen.
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Auf der der Stirnfläche des freien Endes 48 gegenüberliegenden Fläche
96 der Bimetallscheibe 88 ist ein Endschalter angebracht, an dem ein Hebel 100 drehbar
befestigt ist, der unter dem Druck einer Feder 102:in eine Richtung entgegen dem
Uhrzeigersinn
beaufschlagt ist. Der Endschalter 98 besitzt einen
Kontakt-i stößel 104, der dann, wenn er freigegeben wird, den Endschalter 98 schaltet.
Am Ende des Hebels 100 befindet sich eine Rolle 106, welche mit dem Kontaktstößel
104 in Verbindung steht. Weiterhin ist im Bereich des Endschalters98 eine Welle
108 vorgesehen, an der ein weiterer Sichtscheibenhebel 110 befestigt ist, wobei
die Welle 108 und damit auch der Sichtscheibenhebel 110 mittels einer Spiralfeder
112 entgegen dem Uhrzeigersinn beaufschlagt werden. Das eine Ende der Spiralfeder
112 ist dabei in eine Nut 114 in der Welle 108 eingelegt; das andere Ende der Spiralfeder
ist an einem Verbindungsbauteil 116 befestigt, welches an einem mit dem Abdeckteil
22 befestigten Auslegearm 118 angebracht ist. Die Feder 112 drückt also die Welle
108 sowie den Sichtscheibenhebel 110 gegen die Rolle 106 und damit den Hebel 100
entgegen dem Druck der Feder 102 gegen den Kontaktstößel 104.
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Der Endschalter ist geöffnet. Sofern jetzt der Druck sich ändert,
gelangt der Sichtscheibenhebel 110 aus dem Bereich der Rolle 106, so daß der Hebel
100 unter dem Druck der Feder 102 frei wird. Unter dem Druck der Feder 112 bewegt
sich der Sichtscheibenhebel 110 und damit die Welle 108 entgegen dem Uhrzeiger sinn
und zeigt "Dichteabfall" an. Dies kann optisch noch durch eine mit der Welle festverbundene
Sichtscheibe 120 angezeigt werden. Auch hiermit wird sowohl eine elektrische als
auch eine optische Anzeige erreicht. Der weitere Vorteil hierbei besteht darin,
daß, um die Einrichtung wieder zurückzustellen, d.h.
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die Einrichtung wieder betriebsbereit zu machen, die Sichtscheibe
in die Normalstellung gedreht werden muß, was einer Quittierung entspricht.
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Es besteht auch die Möglichkeit, an dem freien Ende des Kompensationselementes
90, d.h. auf der Fläche 96 der Bimetallscheibe 88 anstatt des Endschalters 98 eine
Zahnstange anzubringen, welche auf ein Ritzel einwirkt, das mit einer Nockenwelle
verbunden ist, welche selbst wiederum auf einen Mikroschalter einwirkt. Im Falle
einer Druckänderung ausschließlich aufgrund einer Temperaturänderung wird auch hier
das freie Ende
des Kompensationselementes 90 und damit die Zahnstange
nicht bewegt, sondern erst dann, wenn ein Druckabfall auftritt. Dann verlagert sich
die Zahnstange, wodurch das Ritzel verdreht und der Mikroschalter betätigt wird.
An der das Ritzel aufnehmenden Nockenwelle kann dann eine Sichtscheibe ähnlich der
angebracht sein, die in der Figur 3 mit der Bezugsziffer 120 bezeichnet ist.
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