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Einrichtung zum Ermitteln der Dichte mindestens eines Fluids
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und Verwendung der Einrichtung Die Erfindung betrifft eine Einrichtung
gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei elektrischen Schaltvorrichtungen für grosse Ströme und Spannungen
sind die festen und beweglichen, elektrischen Kontakte häufig in gasdichten Kammern
angeordnet, die als Schutzgas Schwefelhexafluorid enthalten. Wenn in den Kammern
solcher Vorrichtungen Lecks entstehen und das Schwefelhexafluorid durch diese ausströmt
und eventuell dafür Luft in die Kammern einströmt, kann dies zur Zerstörung der
Schaltvorrichtungen führen und unter Umständen sogar Brände und Explosionen verursachen.
Es ist nun bereits bekannt, solche Schaltvorrichtungen mit Einrichtungen zur Ermittlung
und Uberwachung der Dichte des in den Kammern vorhandenen Fluids auszurüsten. Zu
diesem Zweck wird eine Wand der Kammer mit einem Fenster versehen und in der Kammer
ein zweiarmiger Hebel um eine horizontale Achse schwenkbar gelagert. Der Hebel ist
am sich im Bereich des Fensters befindenden Ende mit einem Anzeigeorgan und am andern
Ende mit einem Auftriebskörper versehen. Bei Anderungen der Dichte des in der Kammer
vorhandenen Fluids wird der Hebel wegen des ändernden Auftriebs verschwenkt, so
dass die Stellung des Anzeigeorgans ein Mass für die Dichte gibt. Die zum Lagern
des Hebels dienenden Lager sind jedoch empfindlich auf Erschütterung und Korrosionsvorgänge,
was die Zuverlässigkeit dieser Einrichtungen, insbesondere bei langdauernder Verwendung,
beeinträchtigt. Zudem sind Schaltvorrichtungen häufig an dunklen Stellen montiert,
so dass es schwierig ist, die Stellung des Anzeigeorgans visuell zu crmitteln.
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Es sind nun bereits für andere Anwendungen bestimmte Einrichtungen
zum Messen der Dichte von Fluiden bekannt, die einen mechanisch schwingfähig von
einem Support gehaltenen Körper, eine elektronische Schaltung und elektrisch mit
dieser verbundene Detektions- und Erregungsmittel aufweisen, um die Schwingungen
des Schwingkörpers zu ermitteln, bzw. solche zu erzeugen.
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Aus der US-Patentschrift 3 420 092 sind beispielsweise Dichtemess-Einrichungen
bekannt, die ein längliches, dichtes Gehäuse aufweisen, in dem eine Stimmgabel angeordnet
ist und das an seinen einander abgewandten Enden je mit einem Anschluss für eine
Fluidleitung versehen ist. Am Mantel des Gehäuses sind bei zwei sich diametral gegenüberstehenden
Stellen ein Schwingungsdetektor und ein Schwingungserreger unlösbar befestigt, die
je einen am Mantel festgeschweissten, ein Loch von diesem durchdringenden Polschuh
und eine auf der Aussenseite des Gehäuses angeordnete Spule aufweisen. Diese Einrichtungen
sind nicht für die Ermittlung der Dichte von Schwefelhexafluorid in elektrischen
Schaltvorrichtungen vorgesehen und wären dazu auch gar nicht geeignet. Für eine
solche Anwendung müsste man nämlich den Innenraum des Gehäuses über mindestens eine
Fluidleitung fluidmässig mit dem Innenraum der die elektrischen Kontakte enthaltenden
Kammer einer Schaltvorrichtung verbinden oder das ganze Gehäuse in eine solche Kammer
einsetzen und die Spulen über elektrische Durchführungen mit einer sich ausserhalb
der Kammer befindenen elektronischen Schaltung und Anzeigemitteln verbinden, was
beides aufwendig und anfällig auf die Entstehung von Lecks wäre.
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Aus der US-Patentschrift 4 114 423 sind ferner Dichtemess-Einrichtungen
bekannt, die als Schwingkörper eine ebene, schwingfähig an einem Support gehaltene
Platte aufweisen. Der Support ist an einem vom zu messenden Fluid durchströmten
Rohr befestigt und derart ausgebildet, dass sich der Schwingkörper
im Innern des Rohres befindet. Die Detektions- und Erregungsmittel weisen mindestens
einen Schwingungsdetektor und mindestens einen Schwingungserreger auf, wobei die
Schwingungsdetektoren und -erreger entweder mit Polschuhen und Spulen oder piezoelektrischen
Kristallen versehen und elektrisch über fluiddichte, elektrische Durchführungen
mit einer ausserhalb des Rohres angeordneten, elektronischen Schaltung verbunden
sind. Diese Einrichtungen sind ebenfalls nicht zur Ermittlung und Uberwachung der
Dichte von Schwefelhexafluorid in Kammern von elektrischen Schaltvorrichtungen vorgesehen
und wären für diesen Zweck zu teuer.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum
Ermitteln, nämlich Messen und/oder Uberwachen der Dichte mindestens eines Fluids
zu schaffen, die Nachteile der bekannten Einrichtungen behebt. Die Einrichtung soll
vor allem ermöglichen, die Dichte von sich in abgeschlossenen Räumen befindenden
Fluiden mit möglichst geringer Leckgefahr zu ermitteln, und dabei kostengünstig
herstellbar sein.
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Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung der einleitend genannten
Art gelöst, die erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruchs 1 gekennzeichnet
ist. Vorteilhafte Weiterbildungen der Einrichtung gehen aus den vom Anspruch 1 abhängigen
Ansprüchen hervor.
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Die Erfindung hat ferner eine Verwendung der Einrichtung gemäss dem
Anspruch 12 zum Gegenstand. Eine besonders wichtige Ausgestaltung dieser Verwendung
ergibt sich aus dem Anspruch 13.
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Die erfindungsgemässe Einrichtung dient zum Ermitteln, nämlich zum
Messen und/oder Überwachen der Dichte mindestens eines Fluids. Das letztere befindet
sich dabei im allgemeinen in
einem durch eine Wandung gegen die
Umgebung abgegrenzten Raum, nämlich etwa als ruhendes Fluid in einer Kammer oder
als strömendes Fluid in einer Leitung. Der den Schwingkörper haltende Support kann
dann dauernd derart an der Wandung befestigt sein, dass sich der Schwingkörper im
das Fluid enthaltenden Raum befindet. Die Detektions- und Erregungsmittel können
von der Umgebung her am Support befestic werden und zwar vorzugsweise lösbar. Da
der Support keine seine Trennwand durchdringende, gasdichte Durchführungen von elektrischen
Leitern oder magnetischen Polschuhen oder sonstigen Elementen benötigt, kann die
Einrichtung mit verhältnismässig geringem Aufwand lecksicher ausgebildet werden.
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Die erfindungsgemässe Einrichtung kann in besonders vorteilhalfter
Weise für Anwendungen konzipiert werden, bei denen Fluiddichten in mehreren, örtlich
voneinander getrennten Innenräumen zu ermitteln sind. Die Einrichtung kann beispielsweise
mehrere, je dauernd an der Wandung einer Kammer befestigte, je einen Schwingkörper
haltende Supporte und mindestets eine, etwa nur eine einzige, Detektions- und Erregungsmittel
haltende Halterung aufweisen, die wahlweise vorübergehend lösbar an verschiedenen
Supporten befestigt werden kann, um die Dichte des in der betreffenden Kammer vorhandenen
Fluids zu messen. Zum Beispiel kann eine elektrische Anlage für die Stromversorgung
einer Stadt elektrische Schaltvorrichtungen umfassen, mit denen je die Stromversorgung
eines Quartiers oder eines Industriekomplexes ein- und ausgeschaltet werden kann
und die je mit einer elektrische Kontakte und Schwefelhexafluorid enthaltenden Kammer
versehen sind. An der Wandung von jeder dieser Kammern kann ein einen Schwingkörper
haltender Support befestigt sein. Solche Schaltvorrichtungen werden im allgemeinen
nur selten und in grossen Zeitabständen geschaltet, die beispielsweise in der Grösse
von Wochen, Monaten oder sogar Jahren liegen können. Bei einer derartigen Anlage
kann man jedes Mal vor der Vornahme eines Schaltvor-
gangs und/oder zusätzlich in periodischen Zeitabständen vorübergehend eine Detektions-
und Erregungsmittel haltende Halterung am Support der betreffenden Schaltvorrichtung
befestigen, um die Dichte des Schwefelhexafluorids zu kontrollieren. Da für die
Ermittlung der in verschiedenen Kammern vorhandenen Fluiddichten nur eine einzige
Halterung mit Detektions- und Erregungsmitteln und natürlich auch nur eine elektronische
Schaltung benötigt werden, sind die Kosten der zum Ermitteln der Fluiddichte dienenden
Einrichtung wesentlich kleiner, als wenn für jede Schaltvorrichtung eine komplette,
separate Einrichtung zur Fluiddichteermittlung vorhanden wäre.
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Während die Fluiddichten in diesem Fall in fluidmässig vollständig
getrennten Kammer-Innenräumen ermittelt werden D könnte man aber auch mehrere, je
einen Schwingkörper haltende Supporte vorsehen, um die Fluiddichten in Innenräumen
oder Innenraumbereichen zu ermitteln, die etwa wie Innenräume von Vorrichtungen
gewisser chemischer Produktionsanlagen derart fluidmässig miteinander verbunden
sind, dass in ihnen verschiedene Fluiddichten vorhanden sein können.
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Åhnliche Kosteneinsparungen lassen sich auch bei Einrichtungen und
Anlagen anderer Art erzielen, bei denen an verschiedenen Stellen vorübergehende
Messungen oder Kontrollen einer Fluiddichte vorzunehmen sind.
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Die Erfindung soll nun anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels erläutert werden. In der Zeicnung zeigen die Figur 1 eine schematisierte
Ansicht einer Anlage mit elektrischen Schaltvorrichtungen und einer Einrichtung
zum Ermitteln der Fluiddichten, die Figur 2 einen Schnitt durch einen eine Stimmgabel
haltenden Support,
die Figur 3 einen Schnitt durch eine Detektions-
und Erregungsmittel haltende Halterung, die Figur 4 ein elektrisches Block schema
der Einrichtung zum Ermitteln der Fluiddichte und die Figur 5 ein Diagramm mit dem
zeitlichen Verlauf verschiedener Spannungen.
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Die in der Figur 1 dargestellte Anlage oder Einrichtung weist mindestens
zwei und vorzugsweise mehr elektrische Schaltvorrichtungen auf, von denen drei schematisch
gezeichnet und mit 1 bezeichnet sind. Jede Schaltvorrichtung 1 besitzt eine gasdichte
Kammer 3 mit einer zum Teil in der Figur 2 dargestellten Wandung 5 und einem Innenraum
7. In diesem sind nicht dargestellte elektrische Kontakte, nämlich mindestens ein
fester und mindestens ein manuell oder elektromagnetisch oder in anderer Weise bewegbarer
Kontakt angeordnet. Die Schaltvorrichtungen 1 haben ferner mit den Kontakten verbundene
Anschlüsse und können etwa als ein- oder mehrpolige Ein/Aus-und/oder Umschalter
ausgebildet sein. Der Innenraum 7 jeder Kammer 3 enthält ein Schutzgas, nämlich
Schwefelhexafluorid.
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Die Wandung 5 jeder Kammer 3 hat eine durchgehende Offnung 5a, die
mit einem Innengewinde versehen und durch eine Gewindebohrung gebildet ist. Eine
Einrichtung zum Ermitteln der Dichte mindestens eines Fluids, nämlich der Dichte
des in den Innenräumen 5 der Kammern 3 der verschiedenen Schaltvorrichtungen 1 vorhandenen
Schwefelhexafluorids, weist für jede Schaltvorrichtung 1 einen mehrteiligen, starr
und lösbar an der Wandung 5 befestigten, länglichen Support 11 auf. Dieser hat einen
die Offnung 5a durchdringenden, zapfen- oder buchsenartigen Teil 13 mit einem aussen
an der Wandung 5 anliegenden Kopf 13a und einem von aussen her in das Innengewinde
der Offnung 5a eingeschraubten Aussengewinde 13b. Der Kopf 13a
ist
auf seiner an der Wandung anliegenden Seite mit einer Ringnut versehen und mit einer
in diese eingesetzten Dichtung 15 abgedichtet. Der Teil 13 ist von seinem der Umgebung
der Kammern 3 zugewandten Ende her mit einem Loch 13c versehen, das zur Hauptsache
aus einer Sackbohrung besteht. Deren die Achse des Lochs 13c umschliessende, zylindrische
Begrenzungsfläche ist durch eine Ringnut in zwei Abschnitte unterteilt, die eine
von der Lochachse weggerichtete Rast-Vertiefung 13d bildet. Der Kopf 13a ist noch
mit mindestens einem zur Achse des Teils 13 parallelen, aber exzentrischen Sackloch
13e zum Angreifen mit einem Schlüssel versehen. Das Loch 13c ist an seinem dem Innenraum
7 zugewandten Ende durch eine radiale, ebene, öffnungsfreie und kompakte Trennwand
13f abgeschlossen, die zusammen mit den restlichen Abschnittes des Teils 13 aus
einem einstückigen Körper besteht. Am sich in Innenraum 7 befindenden Ende des Teils
13 ist eine längliche, beidenends offene, im allgemeinen hohlzylindrische Hülse
17 starr und mindestens einigermassen fluiddicht befestigt, etwa auf einen zylindrischen
Aussenflächenabschnitt des Teils 13 aufgepresst und/oder mit diesem verleimt. Die
Längsöffnung der Hülse 17 weist an ihrem dem Teil 13 abgewandten Ende eine Erweiterung
mit einem Innengewinde 17c auf. Ein Gewindezapfen 19 besitzt einen in das Innengewinde
17c eingeschraubten Gewindeteil sowie einen an der dem Teil 13 abgewandten Endfläche
der Hülse 17 anliegenden Kragen und schliesst das der Trennwand 13f abgewandte Ende
des Innenraums der Hülse 17 mehr oder weniger dicht ab. Die Hülse 17, oder genauer
gesagt, der sie bildende Mantel, hat in der Nähe des der Trennwand 13f ab; wandten
Endes eine Ringnut 17a und mindestens eine Offnung, nämlich beispielsweise vier
über den Hülsen-Umfang verteilte, tom Boden der Ringnut 17a in ihren Innenraum führende
Löcher 17b. Ein hohlzylinderförmiges, die Ringnut 17a sowie die Löcher 17b umschliessendes
Filtersieb 21 ist zwischen dem Kragen des Gewindezapfens 19 und einer Schulter der
Aussenfläche der Hülse 17 gehalten. Der Gewindezapfen 17 ist auf seiner dem
Innern
der Hülse 17 zugewandten Seite mit einem Sackloch, nämlich einer Gewindebohrung
versehen. In der Hülse 17 ist eine einen mechanischen, elastisch deformierbaren
Schwingkörper 23 bildende Stimmgabel angeordnet. Diese weist zwei parallel zur Längsachse
des Supports 11 verlaufende, schwingfähig gehaltene Zinken, einen diese verbindenden
Steg und einen mit diesem zusammenhängenden Gewindezapfen auf, der in die Gewindebohrung
des Gewindezapfens 19 eingeschraubt ist und die Stimmgabel derart lösbar mit dem
Support 11 verbindet, dass die bei den freien Enden der Zinken vorhandenen Zinken-Endflächen
der Trennwand 13f zugewandt sind. Der die Stimmgabel enthaltende Innenraum der Hülse
17 ist durch die Löcher 17b und die Löcher des Filtersiebs 21 hindurch fluidmässig
mit dem die Hülse 17 umgebenden Bereich des Kammer-Innenraums 7 verbunden. Dabei
befinden sich die Löcher 17b in der Nähe der der Trennwand 13f abgewandten, durch
einen Steg verbundenen Enden der Stimmgabelzinken, so dass von den letzteren mindestens
die der Trennwand 13f zugewandten Hälften von einem kompakten, lochfreien Abschnitt
der Hülse 17 umschlossen sind.
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Die Einrichtung zum Ermitteln der Dichte weist ferner eine wahlweise
lösbar mit einem der Supporte 11 verbindbare, längliche, mehrteilige Halterung 31
auf, deren Ausbildung aus der Figur 3 ersichtlich ist. Die Halterung 31 ist mit
einer länglichen, zu ihrer Längsachse im allgemeinen rotationssymmetrischen Hülse
33 versehen, deren einer Endabschnitt 33a eine zylindrische Aussenfläche hat, an
die eine Ringnut 33b anschliesst. In der Nähe ihres anderen Endes hat die Hülse
33 einen radial nach aussen ragenden Bund 33c. Der an diesen anschliessende Endabschnitt
der Hülse 33 ist mit einen Aus sein gewinde 33d versehen. Die Hülse 33 besitzt eine
durchgehende Längsöffnung, die durch eine Einschnürung getrennte, verschiedene Durchmesser
besitzende Abschnitte aufweist. Auf der Aussenseite der Hülse 33 ist zwischen deren
Endabschnitt 33a
und dem Bund 33c ein hülsenförmiger Handgriff
35 begrenzt axial verschiebbar geführt und gehalten. Der Handgriff 35 ist im Bereich
der Ringnut 33b mit einem dünneren, in diese eingreifenden Fortsatz versehen, der
durch von seinem freien Ende her in ihn einyeschnittene Einschnitte in mehrere federnde
Zungen 35a unterteilt ist. Diese sind an ihren freien Enden mit von der Längsachse
der Halterung 31 weg nach aussen ragenden Rast-Vorsprüngen 35b versehen. Ein Spulenträger
37 hat einen axial verschiebbar in der Hülse verschiebbaren Schaft 37a und an seinem
beim Endabschnitt 33a der Hülse 33 aus dieser herausragenden Ende einen topfförmigen
Endabschnitt 37b. Dessen Innenraum ist am schaftseitigen Ende durch den Schaft 37a
und einen mit diesem zusammenhängenden, ringförmigen Wandteil abgeschlossen, während
er am anderen Ende offen ist. Der Aussendurchmesser des topfförmigen Endabschnitts
37b und derjenige des Endabschnitts 33a der Hülse 33 sind annähernd gleich dem Innendurchmesser
der den Hauptteil des Lochs 13c bildenden Sackbohrung, so dass die Endabschnitte
33a, 37b annähernd radial spielfrei in das Loch 13c steckbar sind. Am die Einschnürung
der Längsöffnung der Hülse 33 durchdringenden Ende des Schaftes 37a ist eine Schraube
lösbar befestigt, deren Kopf einen Anschlag 39 bildet. Zwischen diesem und einem
am dem Endabschnitt 33a abgewandten Ende der Hülse 33 starr an dieser befestigten
Abschlussring 41 ist eine Feder 43 in der Hülse 33 angeordnet. Die Feder 43 greift
am Anschlag 39 an und drückt diesen gegen die Einschnürung der Längsöffnung der
Hülse 33. Im topfförmigen Endabschnitt 37b ist ein zu dessen und zur Längsachse
der ganzen Halterung 31 koaxialer Kern 45 angeordnet und einenends starr mit dem
topfförmigen Endabschnitt 37b verbunden. Im zwischen dem Mantel des topfförmigen
Endabschnitts 37b und dem Kern 45 vorhandenen, kreisringförmigen Zwischenraum ist
eine Spule 47 mit einer Wicklung aus einem isolierten, elektrischen Leiter befestigt.
Auf das Aussengewinde 33d ist eine Kappe 49 aufgeschraubt, die im Zentrum ihrer
Stirnwand ein Loch aufweist
durch das ein Kabel 51 eingeführt und
am Abschlussring 41 befestigt ist. Das Kabel 51 hat zwei isolierte, elektrische
Leiter, die mit elektrischen Verbindungsleitern durch den die Feder 43 enthaltenden
Abschnitt der Längsöffnung der Hülse 33 und durch im Anschlag 39 sowie im Schaft
37a vorhandene Löcher hindurch elektrisch mit der Wicklung der Spule 47 verbunden
sind. Die beiden Verbindungsleitungen können beispielsweise durch die beiden Endabschnitte
des die Spulenwicklung bildende Leiters gebildet sein und sind im Bereich des Schafts
37a durch strichpunktierte Linien dargestellt.
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Der zum Support 11 gehörende Teil 13 und insbesondere die von einem
Abschnitt von ihm gebildete Trennwand 13f bestehen aus einem unmagnetischen oder,
genauer gesagt, nicht ferromagnetischen Material, beispielsweise einem unmagnetischen,
rostfreien Stahl. Dagegen bestehen die Hülse 17, der Schwingkörper 23, der Spulenträger
37 und eventuell auch noch der Gewindezapfen 19 sowie das Filtersieb 21 aus einem
ferromagnetischen, aber magnetisch weichen, d.h. nicht permanentmagnetischen Material.
Der Kern 45 besteht aus einem ferromagnetischen Material das mindestens zum Teil
permanentmagnetisch ist. Der Kern 45 kann beispielsweise zum Teil aus einem Samarium-Kobalt-Permantentmagneten
und zum Teil aus magnetisch weichem Stahl bestehen.
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Wenn die Halterung 31 in der in der Figur 1 dargestellten Weise lösbar
mit einem der Supporte 11 verbunden ist, stecken ein Teil der Hülse 33, mindestens
Teile der Zungen 35a und der topfförmige Endabschnitt 37b des Spulenträgers 37 im
Loch 13c des zapfen- oder buchsenartigen Teils 13 des Supports 11. Die Rast-Vorsprünge
35b der Zungen 35a sind dann infolge der Federwirkung der Zungen 35a in die Rast-Vertiefung
13d eingerastet. Die Feder 43 drückt den Spulenträger 37 gegen die Trennwand 13f,
so dass entweder der topfförmige Spulenträger-Endabschnitt 37b oder der Kern 45
und vorzugsweise beide
dieser Teile mit ihren sich in der Figur
3 unten befindenden Enden an der Trennwand 14f anliegen. Die nur eine einzige Wicklung
aufweisende Spule 47 bildet zusammen mit dem topfförmigen Endabschnitt 37b des Spulenträgers
37 und dem Kern 45 Detektions- und Erregungsmittel 53 zur induktiven Detektion bzw.
elektromagnetischen Erregung von Schwingungen des Schwingkörpers 23 durch die Trennwand
13f hindurch, wobei die der letzteren zugewandten Enden des Spulenträger-Endabschnitts
37b und Kerns 45 als magnetische Polschuhe dienen.
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Die in der Längsrichtung des Supports 11 und der Stimmgabelzinken
gemessene Abmessung der Trennwand 13f und der zwischen dieser und den freien Enden
der Stimmgabelzinken vorhandenen Spalte sind vorzugsweise wesentlich kleiner als
der quer dazu gemessene Abstand zwischen den einander zugewandten Flächen der beiden
Stimmgabelzinken. Die Trennwand 13f soll jedoch vorzugsweise ausreichend starr sein,
dass sie durch die zwischen dem Innenraum 7 der Kammer 3 und der in deren Umgebung
vorhandene Druckdifferenz nicht nennenswert deformiert wird. Der Kern 45 kann im
Querschnitt beispielsweise kreisförmig sein und einen Durchmesser haben, der ungefähr
gleich dem Abstand der beiden Stimmgabelzinken von einander ist. Die axiale Abmessung
des Lochs 13c ist vorzugsweise so viel grösser als die parallel dazu gemessene Dicke
des die Offnung 5a begenzenden Abschnitts der Wandung 5, dass sich die Trennwand
13f und mindestens ein wesentlicher Teil des topfförmigen Endabschnitts 37b, des
Kerns 45 und der Wicklung 47 auf der dem Innenraum 7 zugewandten Seite des die Offnung
5a begrenzenden Abschnitts der Wandung 5 befinden und gleich wie Abschnitte der
Stimmgabelzinken von einem kompakten, lochfreien Abschnitt der ferromagnetischen
Hülse 17 umschlossen werden.
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Die die Rast-Vorsprünge 35b auf ihren sich in der Figur 3 oben und
unten befindenden Seiten begrenzenden Flächen und die den
Rast-Vorsprüngen
35b zugewandten Flächen des Endabschnitts 33a der Hülse 33 sind von der Längsachse
weg nach unten, d.h. zu demjenigen Ende der Halterung 31 und der Detektions- und
Erregungsmittel 53 geneigt, das bei im Support 11 steckender Halterung 31 der Trennwand
13f zugewandt ist. Wenn eine Person den Handgriff 35 der in einem Support 11 steckenden
Halterung 31 manuell fasst und von der betreffenden Kammer 3 wegzieht, werden die
Rast-Vorprünge dadurch aus der Rast-Vertiefung 13d ausgerastet, so dass die Halterung
31 vom Support 11 getrennt und beispielsweise in einen der andern vorhandenen Supporte
gesteckt werden kann. Wenn hingegen unbeabsichtigt das Kabel 51 der in einem Support
11 steckenden Halterung 31 vom betreffenden Support 11 weggezogen werden sollte,
laufen die einander zugewandten Flächen des Hülsen-Endabschnitts 33a und der Rast-Vorsprünge
35b aufeinander auf, wodurch die letzteren von der Längsachse der Halterung 31 weg
tiefer in die Rast-Vertiefung 13d hineingedrückt werden und eine Trennung der Halterung
31 vom Support 11 verhindern.
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Eine elektronische Mess- und/oder Überwachungsvorrichtung 61 besteht
aus einem Gerät mit einem Gehäuse und einer in diesem untergebrachten elektronischen
Schaltung, deren Blockschema in der Figur 4 dargestellt ist und die als Ganzes mit
63 bezeichnet ist. Die beiden Enden der Wicklung der Spule 47 der Detektions- und
Erregungsmittel 53 sind elektrisch durch die beiden Leiter des Kabels 51 mit der
elektronischen Schaltung 63, nämlich mit dem Eingang eines einen beispielsweise
als Schmitt-Trigger geschalteten Verstärker aufweisenden Impulsformers 65 verbunden.
Dabei kann beispielsweise das eine Wicklungsende mit dem eigentlichen Eingansanschluss
des zum Impulsformer gehörenden Verstärkers und das andere Wicklungsende mit dem
Massenanschluss der Schaltung 63 und des Impulsformers 65 verbunden sein. Dessen
Ausgang ist mit dem Eingang eines Frequenzteilers 67 verbunden, der die Anzahl der
ihm zugeführten Impulse durch die beispielsweise vier betragende
Zahl
n teilt. Der Ausgang des Frequenzteilers 67 ist über eine Steuerschaltung 69 mit
dem Eingang eines einen Verstärker aufweisenden Erregungssignalgebers 71 verbunden.
Dessen Ausgang ist mit der Wicklung der Spule 47 und damit auch mit dem Eingang
des Impulsformers 65 verbunden. Ferner ist ein Auswerteschaltung 73 vorhanden, deren
Eingang beispielsweise an den Ausgang des Erregungssignalgebers 71 angeschlossen
ist und die zwei Ausgänge aufweist. Diese sind je mit einem mit einem optischen
Signalgeber 75 bzw. 77 verbunden. Die Signalgeber 75, 77 können beispielsweise je
eine Leuchtdiode aufweisen und sind derart angeordnet, dass die von ihnen erzeugten
Lichtsignale auf der Aussenseite des Gehäuses der Mess- und/oder Uberwachungsvorrichtung
61 sichtbar sind. Die letztere ist ferner mit einem Speisespannungsteil 81 versehen,
der die verschiedenen elektronischen Bauteile mit den notwendigen Betriebsspannungen
versorgt und beispielsweise eine Batterie, einen manuell betätigbaren Ein/Aus-Schalter
83 und eine automatische Ausschaltvorrichtung aufweist Ferner kann noch eine nicht
dargestellte Testvorrichtung vorhanden sein.
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Nun soll anhand der Figur 5 die Arbeitsweise der Mess-und/oder Uberwachungsvorrichtung
61 erläutert werden. In der Figur 5 ist zuunterst eine Abszissenachse gezeichnet,
auf der der Verlauf der Zeit t aufgetragen ist. Ferner sind die zeitlichen Verläufe
von verschiedenen, bezüglich der elektrischen Masse gemessenen Spannungen, nämlich
im Diagramm von oben nach unten, der über der Spule 47 vorhandenen Spannung U ,
der am Ausgang des Impulsformers 65 vorhandenen Spannung Ui, der am Ausgang des
Frequenzteilers 67 vorhandenen Spannung Uf und der am Ausgang der Steuerschaltung
69 vorhandenen Spannung Up dargestellt.
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Wenn die in der Kammer 3 von einer der elektrischen Schaltvorrichtungen
vorhandene Gasdichte überprüft werden soll, schaltet eine Bedienungsperson mit dem
Schalter 83 die Vorrichtung
61 ein, prüft mit der allenfalls vorhandenen
Testvorrichtung die korrekte Funktion der Vorrichtung 61 und steckt die Halterung
31 mit den von dieser gehaltenen Detektions- und Erregungsmitteln 53 in das Loch
13c des zur betreffenden Schaltvorrichtung 1 gehörenden Supports 11. Zwischen dem
Schwingkörper 23 und den Detektions- und Erregungsmitteln 53 kann durch mindestens
ein magnetisches Feld Kraft und/oder Energie durch die kompakte Trennwand 13f hindurch
übertragen werden. Nach dem Einsetzen der Halterung 31 in den Support 11 wird der
Schwingkörper 23 von zufällig durch das "Rauschen" der elektronischen Schaltung
entstandenen, der Spule 47 zugeführten, elektrischen Signalen zum Schwingen angeregt
und beginnt nach einer kurzen Einschwingzeit mit der von der Dichte des im Innenraum
7 vorhandenen Fluids abhängigen Resonanzfrequenz zu schwingen. Der schwingende Schwingkörper
23 induziert in der Wicklung der Spule 47 eine Spannung mit sinusförmigem zeitlichem
Verlauf. Die durch die Induktion erzeugte Komponente der über der Spulenwicklung
vorhandenen Spannung U5 bildet eine Folge von wellenförmigen Detektions-Signalen
91, deren Periodendauern gleich denjenigen der Schwingkörper-Schwingungen sind.
Der Impulsformer 65 erzeugt aus der Spannung U bei jedem Detektions-Signal 91 einen
5 Impuls-. Die Anstiegsflanke und Abfallflanke von jedem dieser Impulse liegen jeweils
bei den beiden aufeinanderfolgenden, eine negative Halbwelle der Spannung U begrenzenden
Null-5 durchgängen der Spannung Us. Die vom Impulsformer 65 kommenden, eine konstante
Höhe und eventuell etwas variierende Breiten aufweisenden Impulse 95 der Spannung
U. werden dem Frequenzteiler 67 zugeführt, der für jeden vierten dieser Impulse
95 einen Impuls 97 erzeugt. Die Impulse 97 gelangen zur Steuerschaltung 69, die
Steuersignale, nämlich rechteckige Steuerimpulse 99 erzeugt und dem Erregungssignalgeber
71 zuführt. Die Steuerschaltung 69 weist zum Beispiel zwei in Serie geschaltete,
monostabile Kippschaltungen auf, von denen
die erste die Anfangs
flanken, nämlich die Anstiegs flanken der ihr zugeführten Impulse um eine konstante
Zeitdauer verschiebt und die zweite eine konstante Impulsdauer festlegt. Die Anfangs
flanken der von der Steuerschaltung erzeugten Steuerimpulse 99 sind bezüglich denjenigen
der Impulse 97 um einen Viertel einer beim Betrieb auftretenden Periodendauer der
Schwingkörper-Schwingungen, etwa der mittleren Periodendauer der letzteren, verschoben
und zwar verzögert. Die Verschiebung der Anfangsflanken entspricht also, bezogen
auf die momentane Periodendauer der Schwingkörper-Schwingungen und abhängig vom
momentanen Wert dieser Periodendauer, einem mehr oder weniger genau 9QO betragenden
Phasenwinkel. Die Dauern der Impulse 99 werden durch die Steuerschaltung 69 auf
einen Wert festgelegt, der kleiner als die Periodendauer einer Schwingkörper-Schwingung
und höchstens ungefähr und beispielsweise zumindest annähernd gleich der halben,
momentanen Periodendauer der Schwingkörper-Schwingungen ist. Der Erregungssignalgeber
verstärkt die ihm zugeführten Impulse 99 und führt die verstärkten, mindestens ungefähr
rechteckförmigen Impulse der Spule 47 zu, wo sie den im obersten Teildiagramm der
Figur 5 strichpunktiert dargestellten Teilen der Detektions-Signale überlagert werden
und Erregungs-Signale 93 bilden, deren Spannungsmaxima wesentlich grösser sind als
diejenigen der vom Schwingkörper 23 induzierten Detektions- Signale. Die Anfangsflanke,
nämlich die Anstiegsflanke eines Erregungs-Signals 93 liegt jeweils bei einem Spannungsminimum,
d.h. bei einem Wellental der in der Spule 47 induzierten Spannung. Die Erregungs-Signale
93 gelangen sowohl zum Eingang des Impulsformers 65 als auch zur Wicklung der Spule
47, so dass die letztere bei jeder n-ten, d.h. vierten Schwingkörper- Schwingung
während eines Teils von dieser ein impulsförmiges Magnetfeld erzeugt und dem Schwingkörper
23 die zur Aufrechterhaltung der Schwingungen notwendige Energie in optimaler Phasenlage
zuführt.
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Bei einer bestimmten, vorgegebenen Ausbildung des Schwingkörpers 23
gibt dessen Schwingungs-Resonanzfrequenz ein Mass für die Dichte des in der Kammer
vorhandenen Fluids, wobei die Resonanzfrequenz mit wachsender Dichte abnimmt. Die
Auswerteschaltung 73 enthält digital arbeitende Schaltungsmittel, um eine mit der
Schwingungsfrequenz des Schwingkörpers 23 verknüpfte Grösse, nämlich beispielsweise
die Periodendauer der zu ihm gelangenden Erregungs-Signale 93 zu erfassen und mit
einem vorgegebenen Referenzwert zu vergleichen, der einem bestimmten Dichte-Grenzwert
entspricht. Das in den Kammern 3 der Schaltvorrichtungen 1 vorhandene Schwefelhexafluorid
hat im Normalfall eine bestimmte, vorgegebene Dichte. Diese entspricht je nach der
Art der Schaltvorrichtungen 1 und den Grössen der von diesen zu schaltenden, elektrischen
Spannungen und Strömen bei einer 200 C betragenden Temperatur einem bestimmten Druck,
der im allgemeinen grösser ist als der Umgebungsluftdruck und beispielsweise in
der Grösse von 120 bis 130 Kilopascal (1,2 bis 1,3 Bar) liegen kann. Wenn die Dichte
des Schwefelhexafluorids im Kammer-Innenraum 7 der Schaltvorrichtung 1, mit der
die Halterung 31 verbunden ist, mindestens gleich dem genannten, vorgegebenen Dichte-Grenzwert
ist, führt die Auswertschaltung 73 dem Signalgeber 75 eine elektrische Spannung
zu, so dass dieser beispielsweise grün leuchtet. Falls hingegen wegen eines Lecks
Schwefelhexafluorid aus der Kammer 5 ausgeströmt und eventuell teilweise durch in
die Kammer 5 eingeströmte Luft ersetzt worden ist und die Dichte des im Kammer-Innenraum
7 vorhandenen Gases oder Gasgemisches dadurch unter den vorgesehenen Dichte-Grenzwert
abgenommen hat, führt die Auswerteschaltung 73 dem Signalgeber 77 eine kontinuierliche
oder intermittierende Spannung zu, so dass dieser beispielsweise rot leuchtet bzw.
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blinkt und dadurch anzeigt, dass die Dichte im Kammer-Innenraum 7
zu klein geworden ist.
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Die Schaltvorrichtungen 1 werden bei den vorgesehenen Anwendungen
im allgemeinen nur in verhältnismässig grossen Zeit
abständen betätigt,
die beispielsweise im Normalfall Tage, Wochen, Monate oder sogar Jahre betragen
können. Die in den Kammer-Innenräumen 7 der verschiedenen Schaltvorrichtungen 1
vorhandenen Fluid-Dichten können nun beispielsweise periodisch und/oder jeweils
vor der Anderung des Schaltzustandes einer bestimmten Schaltvorrichtung in der vorgängig
beschriebenen Weise kontrolliert werden. Da die Schaltvorrichtungen 1 unter Umständen
relativ weit von einander entfernt sein können, ist die Mess- und/oder Überwachungsvorrichtung
61 vorteilhafterweise tragbar ausgebildet. Wenn der Speisespannungsteil 81 mit einer
automatischen Abschaltvorrichtung versehen ist, schaltet diese die Vorrichtung 61
nach deren Benutzung für eine Kontrolle einer Fluiddichte jeweils nach einer gewissen
vorgegebenen Betriebszeit automatisch aus.
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Die Einrichtung ist aus den bereits in der Einleitung erörterten Gründen
lecksicher und kostengünstig. Die Tatsache, dass die Detektions- und Erregungsmittel
53 nur eine einzige Spule 47 aufweisen, trägt ebenfalls zur Niedrighaltung der Kosten
der Einrichtung bei und ermöglicht zudem, die Halterung 31 verhältnismässig klein
und handlich auszubilden.
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Wenn die Halterung 31 im Loch 13c eines Supports 11 steckt und an
diesem fixiert ist, umschliesst die ferromagnetische Hülse 17 die Trennwand 13f
und mindestens die dieser zugewandten Endabschnitte der Stimmgabelzinken und der
Detektions- und Erregungsmittel 53, und nämlich die ganze Stimmgabel. Die ferromagnetische
Hülse 17 schirmt daher die induktive und magnetische Wechselwirkungen zwischen der
Stimmgabel und den Detektions- und Erregungsmitteln 53 gegen äussere, andere Magnetfelder
ab. Dies hat unter anderem den Vorteil, dass es für die Ermittlung der Dichte belanglos
ist, ob die Wandung 5 der Kammer 3 aus einem unmagnetischen oder einem ferromagnetischen
Material besteht. Da sich die Löcher 17b bei Stellen der Stimmgabel befinden, bei
denen diese fast keine Schwingbewegungen
mehr ausführt, ist die
Stimmgabel auch weitgehend gegen akustische Störeinflüsse abgeschirmt. Beispielsweise
können die Kammer-Wandungen bei der Ermittlung der Dichte die Reflexion der von
der Stimmgabel ausgestrahlten Schallwellen praktisch nicht beeinflussen und daher
auch keine Fehler durch Veränderung dieser Reflexion verursachen.
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Die Einrichtung zum Ermitteln der Dichte kann in verschiedener Hinsicht
modifiziert werden. Beispielsweise kann man zusätzlich zu den optischen Signalgebern
75, 77 oder statt diesen einen die Dichte analog oder digital anzeigenden Anzeigeteil
und/oder einen akustischen Signalgeber vorsehen, der beim absinken der Dichte unter
einen vorgegebenen Grenzwert ein akustisches Signal erzeugt.
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Falls eine Halterung 31 mit Detektions- und Erregungsmitteln 53 und
einer elektrisch mit diesen verbundenen Mess- und/oder Überwachungsvorrichtung 61
zum Überwachen der Dichte von Schaltvorrichtungen verwendet werden soll, bei denen
die Soll-oder Nennwerte der Dichten des Schwefelhexafluorids verschieden sind, kann
man die Mess- und/oder Überwachungsvorrichtung 61 mit einem Bereichsumschalter ausrüsten
und/oder in die verschiedenen Kammern unterschiedlich ausgebildete Schwingkörper
23 einbauen, die trotz verschiedenen Soll- oder Nennwerten der Dichten beim Vorhandensein
dieser Soll- oder Nennwerte alle mit der gleichen Resonanzfrequenz schwingen.
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Die Steuerschaltung 69 könnte statt der zwei Kippschaltungen einen
PLL-Schaltkreis (Phase Locked Loop) mit einem Phasenvergleicher sowie einem durch
die von diesem erzeugte Spannung gesteuerten Oszillator, mindestens einen Impulsformer
und eine Logikschaltung aufweist. Beim Betrieb könnte der PLL-Schaltkreis zusammen
mit dem Impulsformer eine periodische Rechteck-Impulsfolge erzeugen, deren Frequenz
das Zweifache der Schwingungsfrequenz des Schwingkörpers 23 beträgt. Die Logikschaltung
könnte
dem Erregungssignalgeber 71 als Steuersignal bei jedem achten Impuls dieser Rechteck-Impulsfolge
einen Steuerimpuls 99 zuführen. Die Anfangsflanken dieser Steuerimpulse können gegen
die Anfangsflanken der vom Frequenzteiler 67 erzeugten Impulse 97 genau um einen
Viertel der momentanen Periodendauer der Schwingkörper-Schwingungen verschoben,
und zwar verzögert sein, so dass also die Anfangsflanken der Steuerimpulse gegen
diejenigen der vom Frequenzteiler erzeugten Impulse dann bei jeder auftretenden
Periodendauer der Schwingkörper-Schwingungen, bezogen auf diese, um einen genau
900 betragenden Phasenwinkel nachverschoben sind. Die Breiten der Steuer impulse
können bei allen beim Betrieb stattfindenden Schwingkörper-Schwingungen genau eine
halbe Periodendauer von diesen betragen. Der Erregungssignalgeber 71 würde die Steuerimpulse
verstärken und die daraus resultierenden Impulse als Erregungs-Signale der Spule
47 zuführen, wobei die Anstiegsflanken dieser Erregungs-Signale bei allen Frequenzen
der Schwingkörper-Schwingungen jeweils genau bei einem Wellental, d.h. einem Spannungsminimum
der Spulenspannung U5 liegen. Die Auswerteschaltung 73 könnte entweder wie beim
in der Figur 4 dargestellten Blockschema mit dem Ausgang des Erregungssignalgebers
71 oder mit einem Ausgang der Logikschaltung verbunden sein. Im letzteren Fall kann
die Logikschaltung der Auswerteschaltung zum Beispiel eine Impulsfolge zuführen,
deren Frequenz gleich der Schwingungsfrequenz des Schwingers ist. Die einen PLL-Schaltkreis
aufweisende Steuerschaltung kann ferner noch eine Starterschaltung aufweisen, die
nach dem Einschalten der Einrichtung zusammen als Wobbelgenerator wirkt, der einen
Frequenzbereich überstreicht, der die beim Betrieb benötigte Frequenz der Erregungs-Signalfolge
enthält und automatisch ausgeschaltet wird, sobald der Schwingkörper mit seiner
Resonanz frequenz schwingt.
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Ferner könnte der Frequenzteiler 67 die Frequenz der ihm zugeführten
Impulse statt durch vier durch eine andere ganze,
mindestens zwei
betragende Zahl teilen. Falls eine Steuerschaltung mit einem PLL-Schaltkreis verwendet
wird, könnte deren Oszillator auch eine Signalfolge mit einer Frequenz erzeugen,
die statt das Zweifache ein grösseres Vielfaches der Schwingkörper-Schwingungsfrequenz
beträgt. Statt dass die Logikschaltung für jedes achte ihr vom Oszillator zugeführte
Signal einen Steuerimpuls erzeugt, könnte sie auch für einen anderen, grösseren
oder kleineren Teil der vom Oszillator kommenden Signale einen Steuerimpuls erzeugen,
wobei sie aber höchstens für jedes zweite und vorzugsweise höchstens für jedes vierte
der genannten Signale einen Steuerimpuls erzeugen soll.
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Des weiteren könnte die elektronische Schaltung beispielsweise derart
geändert werden, dass der Erregungssignalgeber während einer Gruppe von Detektions-Signalen
statt nur eines Erregungs-Signals 93 jeweils Pakete mit mehreren, beispielsweise
zwei Erregungs-Signalen erzeugt, deren zeitlicher Abstand gleich der Periodendauer
der Detektions-Signale ist. Dabei soll aber die Anzahl der pro Zeiteinheit erzeugten
Erregungs-Signale vorzugsweise kleiner sein als die Anzahl der während der gleichen
Zeiteinheit entstehenden Detektions-Signale, so dass während gewisser Zeitintervalle
Schwingkörper-Schwingungen stattfinden und Detektions-Signale auftreten, ohne dass
Erregungs-Signale erzeugt werden. Man könnte jedoch den Frequenzteiler 67 auch weglassen,
so dass bei jeder Schwingung des Schwingkörpers ein Erregungs-Signal erzeugt wird,
dessen Dauer aber vorzugsweise wesentlich kleiner sein sollte als die ganzen und
vorteilhafterweise sogar noch kleiner als die halbe Periodendauer einer Schwingkörper-Schwingung.
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Statt den Schwingkörper vollständig aus einem ferromagnetischen Material
herzustellen, könnte man ihn eventuell nur zum Teil, beispielsweise mindestens in
seinem den Detektions- und Erregungsmitteln zugewandten Bereich mit mindestens einem
ferromagnetischen Abschnitt versehen. Zudem könnte man die den
Schwingkörper
bildende Stimmgabel durch einen andersartigen Schwingkörper, etwa eine Platte gemäss
der bereits in der Einleitung erwähnten US-Patentschrift 4 114 423 ersetzen. Des
weitern könnte man Detektions- und Erregungsmittel vorsehen, die für die Detektion
und Erregung je mindestens eine separate Spule aufweisen. Eventuell könnte man sogar
Detektions- und Erregungsmittel vorsehen, die mit dem Schwingkörper nicht durch
magnetische, sondern durch elektrische Felder durch eine Trennwand hindurch in Wirkverbindung
stehen oder bringbar sind.
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Die Anzahl der dauernd je einen Schwingkörper 23 haltenden Supporte
11 kann selbstverständlich an die Anzahl der vorgesehenen Kammern 3 oder allfälligen
sonstigen Messstellen angepasst werden. Dabei kann die gesamte Einrichtung natürlich
auch mehr als eine dauernd Detektions- und Erregungsmittel 53 haltende Halterung
31 aufweisen, wobei aber vorzugsweise mehr Supporte 11 als Halterungen 31 vorhanden
sind.
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Während die Halterung 31 beim beschriebenen Ausführungsbeispiel durch
ein- und ausrastbare Rastmittel wahlweise mit einem der Supporte 11 verbindbar ist,
könnte man auch andere lösbare Verbindungsmittel, etwa miteinander verschraubbare
Teile vorsehen, um eine Halterung lösbar mit einem Support zu verbinden.
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Es wäre eventuell sogar möglich, die Detektions- und Erregungsmittel
unlösbar am Support zu befestigen und etwa die die Detektions- und Erregungsmittel
haltende Halterung mit dem Support zu verleimen.
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Man könnte ferner vorsehen, die zum Erregen und Aufrechterhalten der
Schwingungen des Schwingkörpers 23 dienenden elektronischen Schaltungsmittel, d.h.
im Fall der Verwendung des in der Figur 4 dargestellten Blockschemas die Blöcke
65,
67, 69, 71 in eine die Spule haltende Halterung einzubauen.
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Diese Schaltungsmittel könnten dann über ein Kabel mit der Auswerteschaltung
verbunden sein. Falls die Halterung mit der Spule unlösbar am Support befestigt
sein sollte, könnte man zwischen den genannten Schaltungsmitteln und dem Kabel eine
trennbare elektrische Steckverbindung vorsehen.
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Man kann nicht nur elektrische Schalt-Kontakte, sondern auch andere,
zumindest teilweise blanke, elektrische Leiter, insbesondere zum Erstellen lös-
und/oder trennbarer elektrischer Verbindungen, zum Beispiel Verteiler mit Stromschienen
und Abzweigungen, in mit Schwefelhexafluorid gefüllten Kammern anordnen und mit
erfindungsgemässen Einrichtungen die Dichte des in den Kammern vorhandenen Gases
ermitteln und überwachen.
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Möglicherweise könnten die Kammern der Schaltvorrichtungen oder sonstigen
elektrischen Vorrichtungen statt mit Schwefelhexafluorid mit einem anderen Gas gefüllt
werden, das inert und elektrisch isolierend ist, vorzugsweise eine grössere Dichte
als Luft hat und der Bildung von Funken und Lichtbogen entgegenwirkt.
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Zudem kann die erfindungsgemässe Einrichtung für die Ermittlung der
Dichte von irgendwelchen anderen Fluiden als Schwefelhexafluorid vorgesehen werden.
Da bei den erfindungsgemässen Einrichtungen für die Ermittlung der Dichte eines
Fluids keine elektrischen Spannungen in den das Fluid enthaltenden Raum eingeleitet
werden müssen, sind diese Einrichtungen insbesondere sehr gut für die Ermittlung
der Dichte von Fluiden geeignet, die brennbar sind und/oder bei denen Explosionsgefahr
besteht.
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