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Membranen-Kolben-Druckschalter mit
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verstellbarer Schalthysteresis Die Erfindung betrifft einen Membranen-Kolben-Druckschalter
mit verstellbarer Schalthysteresis (Rückschaltdifferenz), bei welchem eine unter
Druck stehende Kammer durch eine gasdicht abgedichtete elastische Flächenmembrane
abgeschlossen ist, wobei die auf die Membrane unter Druck einwirkende Kraft den
Kolben und die Kolbenstange - abhängig von der Vorspannung der diesen gegenüberliegenden,
veränderbar vorgespannten Schraubenfeder - gemeinsam mit den mit der Kolbenstange
in Funktionsverbindung stehenden Kupplungsscheiben bewegt, und die letzteren über
einen vorgespannten Arm einen elektrischen Augenblicksschalter betätigen.
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Es sind Membranen-Kolben-Druckschalter bekannt, wobei die Einstellung
der Hysteresis unmöglich ist, und deswegen ihre systemtechnische Anwendung begrenzt
ist (wie z.B. die in der DE-PS 1 940 338 beschriebene Lösung). Im allgemeinen sind
diese nur zur Grenzwertschaltung geeignet und sind nicht als Zweipunktregler anwendbar,
wo die Einstellung sowohl des unteren als auch des oberen Schaltpunktes - möglichst
unab-
hängig voneinander - erforderlich ist. Ohnedies kann die Reglungsaufgabe
nur mit zwei getrennten Druckschaltern realisiert werden.
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Es sind weiterhin solche Membranen-Kolben-Druckschalter bekannt, die
die Einstellung der Hysteresis ermöglichen (siehe z.B. die entsprechenden Typen
der Druckschalter der Firmen SOR/BETA-oder R. SCHEUFFELE) und die Schalthysteresis
durch die Änderung des Abstandes zwischen den Ruhekontakten des angewandten speziellen
elektrischen Augenblicks schalters (Mikroschalters), d.h. durch die Änderung der
Bewegungsdifferenz des Mikroschalters verstellbar ist. Diese Einstellart beeinflußt
jedoch ungünstig die Parameter des elektrischen Augenblicks schalters bezüglich
der elektrischen Belastbarkeit und der Lebensdauer. Eine zu weite Entfernung der
Kontakte voneinander führt zum Ausbleiben der Rückschaltfunktion, eine übermäßige
Näherung der Kontakte dagegen kann schon bei kleiner elektrischer Belastung zum
Abbrand des Meßelementes führen. Deswegen ist das Maß der Einstellung stark begrenzt
und kann in den meisten Fällen nicht durch den Anwender eingestellt werden.
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Das Ziel der Erfindung ist die Gestaltung eines solchen Druckschalters,
der über die Vorteile der Membranen-Kolben-Druckschalter (große überlastbarkeit,
Vibrationsfestigkeit, hohe mechanische Lebensdauer) verfügt und gleichzeitig die
Einhaltung der Parameter des elektrischen Schalters sichert, über eine im weiten
Bereich verstellbare Hysteresis verfügt und im Handel erhältlich ist, und zwar unter
Anwendung eines normalen, billigen Mikroschalters. Die Einstellung der Hysteresis
soll von außen, ohne öffnung des Gehäuses und Sicherung des Zugriffs zu der inneren
Konstruktion des Druckschalters gelöst werden können, da eine Einstellung mit Öffnung
des Gehäuses eine Erhöhung der Abmessungen und der
Kompliziertheit
zur Folge hat. Es muß nämlich hierbei Platz für Handbedienung oder das Einstellwerkzeug
und ein abnehmbarer Deckel vorgesehen werden. Des weiteren kann im Falle einer Anordnung
des Hysteresis-Stellelementes und des elektrischen Schalters in einem gemeinsamen
Raum die Einstellung der Hysteresis aus Arbeitsschutzgründen nur nach Abschalten
von der Spannungsquelle und Entspannung des Gerätes erfolgen (siehe z.B. Druckschalter
Typ RT der Firma DANFOSS).
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Dabei ist es zweckmäßig, die Möglichkeit zu sichern, daß während der
Einstellung der Schalthysteresis entweder der untere oder der obere Schaltpunkt
auf seiner Stelle bleibt, d.h. die Einstellung der Schaltpunkte sollte voneinander
unabhängig sein. Es sollte eine Lösung zur Überwindung des größten Hindernisses
der Einstellung der Hysteresis der Membranen-Kolben-Druckschalter gefunden werden,
d.h. zur Erhöhung des kleinen Bewegungsbereiches (Hubes) der Membrane und des Kolbens.
Die Vorrichtung sollte über geringe Abmessungen verfügen, universell, schnell und
leicht einstellbar sein.
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Die vorgeschilderte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch
1 definierte Ausbildung gelöst. Diese Lösung beruht auf der Erkenntnis, daß der
Abstand der Kupplungsscheiben über ein Mitnehmerelement durch von außen erfolgende
Verdrehung verändert werden kann. Die Schaltkanten der Scheiben betätigen über einen
gelagerten Arm einen durch eine äußere Feder bistabilen elektrischen Augenblicksschalter.
Mit Erhöhung des Abstandes der Berührungspunkte zwischen den Kupplungsscheiben und
dem Arm wird die Hysteresis größer, mit Verringerung des erwähnten Abstandes wird
dagegen die Hysteresis kleiner, da sich die zum Zurücklegen der Ein- und Ausschaltweglänge
erforderliche Federkraftände-
rung erhöht oder verringert. Es ist
zweckmäßig, daß sich eine der Schaltkanten in Achsrichtung erhebt, z.B. in Form
einer Schraubenlinie, die andere dagegen in einer zur Achse senkrechten Ebene liegt.
Die Schaltkante, deren Höhe sich in Achsrichtung ändert, ermöglicht eine Verschiebung
des Berührungspunktes von Arm und Kupplungsscheibe durch Verdrehen der Scheibe um
die eigene Achse bei unveränderter Höhe in Achsrichtung. Die andere Kante mit konstanter
Höhe sichert das Verbleiben des durch sie bestimmten Schaltpunktes an einer Stelle.
Die Schraube zur Einstellung des Schaltdruckes kann sich gemeinsam mit dem Hysteresis-Stellelement
drehen, so daß die Vorspannung der Schraubenfeder während der Einstellung der Hysteresis
unverändert bleibt.
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Um den Anforderungen der Universalität zu genügen, kann die Membrane
mit einer in das Gehäuse eingepreßten gesonderten Einlage versehen sein, deren Material
dem jeweiligen Betätigungsmedium entsprechend zu wählen ist. Dies ermöglicht bei
aggressiven Medien den Austausch der Teile mit geringem Materialverbrauch (Einlage
und Membrane), während das aus billigem Material hergestellte Gehäuse und andere
Teile verbleiben können.
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Die Erhöhung des Hubes der zur Abfühlung vorgesehenen Flächenmembrane
kann durch einen konischen Abbruch der anliegenden Fläche des Gehäuses über der
Membrane ermöglicht werden. Hierdurch kann die Membrane aus ihrer ursprünglichen
unbelasteten Fläche in beide Richtungen abgelenkt werden, d.h. die Membrane ist
zweiseitig betätigbar ohne Erhöhung der sich aus der Bewegung ergebenen Deformationen.
Diese Lösung hat den Vorteil, daß sich bei kleinen Werten des Schaltdruckes die
Wirkfläche des Fühlers proportional mit der freien (durch den Kolben nicht unterstützten)
Fläche der Membrane erhöht, wodurch die zum Ein- und Ausschalten
gehörende
Druckänderung bei einer gegebenen fixen Stellung des Hysteresis-Stellelementes kleiner
ist als bei hohem Schaltdruck, wo der Druck die. Membrane in den konischen Abbruch
hineinpreßt und somit die Wirkfläche kleiner und als Folge die Hysteresis größer
wird. Bei niedrigem Schaltdruck-und kleinen Werten der eingestellten Hysteresis
funktioniert der Druckschalter somit als empfindlicher, lockerer Membranschalter
und nur nach dem stufenweisen Aufliegen der freien Fläche der Membrane wandelt er
sich in einen Membranen-Kolben-Schalter um. Dieser günstige Effekt erwirkt gemeinsam
mit der Änderung der Reibung eine vom eingestellten Schaltdruck abhängige "automatische
Hysteresiseinstellung", welche mit der "manuellen Hysteresiseinstellung" überlagert
auf das Vielfache den Bereich der Hysteresiseinstellung erhöht. Dadurch erhöht sich
auch das Verhältnis des am Druckschalter einstellbaren und systemtechnisch noch
benutzbaren höchsten Schaltdruckes zum niedrigsten Schaltdruck, die sog. Umspannung.
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Diesem Ziel dient auch eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung,
gemäß der die Schraubenfeder die auf die Membrane einwirkende Kraft über eine in
einem Kugelsitz lagernde Kugel überträgt, wodurch die Schrägheit der Schraubenfeder
bei kleiner Vorspannung keine Reibungskraft zwischen der Kolbenstange und dem Gehäuse
hervorruft und damit die bei niedrigem Schaltdruck auftretende Hysteresis weiter
verringert.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles
mit Hinweis auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig.
1 den Längsschnitt bzw. die Draufsicht einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Druckschalters; Fig. 2 eine andere zweckmäßige Ausführungsform der Kupplungsscheiben
und der Kolbenstange, und Fig. 3 einen Teil des elektrischen Schaltergehäuses zur
Veranschaulichung des Einbaus des Arms und der Drehfeder.
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Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist das Betätigungsmedium
in eine Kammer 1 eingeführt (Fig. 1), wobei mittels einer Membrane 2, eines mit
einer Kolbenstange 4 versehenen Kolbens 3 Kupplungsscheiben 6, 7 gegen eine Schraubenfeder
5 nach oben gedrückt werden, welche Scheiben ihrerseits mit einer Drehfeder 8 auf
die in Fig. 1 und 3 dargestellte Weise durch Kippen eines vorgespannten Arms 9 einen
elektrischen Augenblicksschalter 10 betätigen. Die Membrane 2 ist durch eine Einlage
12 in einem Gehäuse 11 befestigt. Die Membrane 2 dient gleichzeitig als Dichtung;
so sind nur zwei Teile mit dem Medium in Berührung. Die Membrane 2 liegt unter Belastung
auf einem im Gehäuse 11 ausgebildeten konischen Abbruch 13 auf.
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Der Bewegungsbereich der sich bewegenden Elemente ist zu einer Dichtungsfläche
14 symmetrisch. Durch Verdrehung der Kupplungsscheiben 6 und 7 mittels des Arms
9 ist der Abstand zwischen den Berührungspunkten 15 und 16 der auf den Kupplungsscheiben
6 und 7 befindlichen Schaltkanten veränderbar mit Hilfe eines zweckmäßigerweise
aus einer Platte gebogenen Mitnehmerelementes 18, das mit einem im Gehäuse 11 drehbar
gelagerten äußeren Hysteresis-Stellelement 17 fest verbunden ist und mit der oberen
Kupplungsscheibe 6 in Zwangsverbindung steht.
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Der mit der oberen Kupplungsscheibe 6 oder, wie in Fig. 2 dargestellt,
mit der Kolbenstange 4 fest verbundene und mit diesen sich gemeinsam drehende untere
Berührungspunkt 16 der auf der unteren Kupplungsscheibe 7 befindlichen Schaltkante
kann seine Lage in Achsrichtung ändern. Der Arm 9 ist mittels einer Achse 19 in
einem elektrischen Schaltergehäuse 20 zweckmäßig durch Einrasteinfügung gelagert
(siehe Fig. 1 und 3). Die auf die Achse 19 aufgezogene Dreh feder 8 drückt das Ende
des Arms 9 ständig an ein Betätigungselement 21 des elektrischen Augenblicksschalters
10 mit einer Kraft, die kleiner als die minimale Einschaltkraft und größer als die
maximale Ausschalt-kraft ist; so kann der Augenblicksschalter 10 bistabil betätigt
werden.
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Eine Kugel 22 überträgt die Kraft zwischen der Membrane 2 und der
Schraubenfeder 5 (sie ist entweder in der oberen Kupplungsscheibe 6 oder im Ende
der Kolbenstange 4 befestigt; siehe Fig. 1 bzw. 2), wobei die Kugel 22 in einen
in einem unteren Federteller 23 ausgebildeten Kugelsitz eingefügt ist. Ein mit Hilfe
einer Stellschraube 24 verstellbarer oberer Federteller 25 ist am Mitnehmerelement
18 geradlinig geführt. Das Hysteresis-Stellelement 17 ist durch die an einem Sicherungsring
27 durch das Vorspannen einer Unterlage 26 entstehende Reibungskraft fixiert. Zur
Dichtung dient ein Dichtungsring 28. Ein O-Ring 29 dient außer der Dichtung auch
zur reibungsbehafteten Befestigung der Stellschraube 24. Die Fixierung der Stellelemente
(des Hysteresis-Stellelementes 17 und der Stellschraube 24) im Gehäuse 11 bzw. im
Hysteresis-Stellelement 17 kann bei einer anderen Ausführungsform auch durch Verschrauben
gelöst werden. Notwendigerweise können die Stellelemente z.B. durch eine in das
Gehäuse 11 einrastende Kunststoffkappe verdeckt werden. Ein Anschlagbolzen 30 dient
zum Anschlag des Hysteresis-Stellelementes 17 in beiden Endstellungen. Die beiden
Endstellungen sind durch den minimalen und maximalen
Abstand der
auf den Kupplungsscheiben 6 und 7 befindlichen Berührungspunkte 15 und 16 gegeben.
Der minimale Abstand muß größer als die Dicke d des Arms 9 sein; der maximale Abstand
dagegen muß kleiner als die Summe des Hubes s des Kolbens 3 und der Dicke d des
Arms 9 sein. Der Hub s wird durch den oberen Anschlagpunkt des Kolbens 3 und den
unteren Anschlagpunkt der an der oberen Kupplungsscheibe 6 oder an der Kolbenstange
4 ausgebildeten Anschlagfläche (Fig. 1 und 2) bestimmt. Die Stellung des Hysteresis-.Stellelements
17 zwischen den beiden Endstellungen ist von einer Informations-Skala 31 ablesbar.
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Der erfindungsgemäße Druckschalter funktioniert folgenderweise: Im
Grundzustand, d.h. ohne Eingangsdruck,befindet sich aufgrund der Wirkung der vorgespannten
Schraubenfeder 5 die aus dem Kolben 3, der Kolbenstange 4 und den Kupplungsscheiben
6 und 7 bestehende Einheit in der unteren Ausschlagstellung, während die obere Kupplungsscheibe
6 das Betätigungselement 21 des elektrischen Augenblicksschalters 10 über den Arm
9 in eingedrückter Lage hält.
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Wenn der Kammer 1 ein solcher Druck zugeführt wird, der bewirkt, daß
dessen an der Membrane .2 hervorgerufene Kraft die Kraft der Schraubenfeder 5 überschreitet,
so bewegt sich der Kolben 3 nach oben, und wenn die Schaltkante der unteren Kupplungsscheibe
7 den Arm 9 erreicht und nach oben drückt, schaltet der elektrische Augenblicksschalter
um.
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Der elektrische Augenblicksschalter 10 behält so lange diese Schaltstellung
bei, bis die Schaltkante der oberen Kupplungsscheibe infolge der Druckverminderung
sich nach unten bewegend den Augenblicksschalter 10 zurückschaltet. Bei Überbelastung
schlägt der Kolben 3 im Gehäuse 11 an und die
Membrane 2 legt sich
in den konischen Abbruch 13. Der untere Schaltdruckwert kann durch Verdrehen der
Stellschraube 24 mittels Schraubenzieher eingestellt werden, der obere Schaltdruckwert
dagegen kann durch Verdrehen des äußeren Hysteresis-Stellelementes 17 mittels Schraubenschlüssel
eingestellt werden.
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Aus der Beschreibung ist ersichtlich, daß der als Ausführungsform
beschriebene Druckschalter den gestellten Zielen genügt, deren Resultat in der Entstehung
eines universellen, einfach einstellbaren und herstellbaren Geräts mit kleinen Abmessungen
zu sehen ist.
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- L e e r s e i t e -