Die Erfindung betrifft einen Lageschalter, insbesondere Schwimmschalter, zum Schalten von elektrischen Aggregaten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Lageschalter der hier relevanten Art werden beispielsweise in Form von Schwimmschaltern zum Schalten von Pumpen eingesetzt. Sie besitzen ein an einem Kabel angeordnetes Gehäuse, insbesondere Schwimmergehäuse, in dem ein elektrisches Schaltorgan angeordnet ist. Sobald der Lageschalter zum einen oder anderen Gehäuseende hin um einen in seiner Kabelaufhängung gegebenen Schwenkpunkt schwenkt, öffnet bzw. schließt ein elektrischer Kontakt im Schaltorgan.

Als Schaltorgan wurde ursprünglich praktisch ausschließlich ein geschlossenes Glasröhrchen verwendet, in das zwei Elektroden eingeschmolzen waren. Die Kontaktgabe erfolgte mit Hilfe eines Tropfen Quecksilbers.

Als sich die Erkenntnis durchsetzte, daß auch minimale Mengen Quecksilber stark toxisch wirken, wurden die mit Quecksilber gefüllten Schaltröhren mehr und mehr ersetzt. Da keine mit Quecksilber vergleichbaren Flüssigkeiten zur Verfügung standen, verwendete man stattdessen Mikroschalter, die durch ein unter der Wirkung der Schwerkraft stehendes bewegliches Schaltgewicht betätigt sind. Entsprechende Beispiele zeigen die DE-C 28 43 484, DE-C 33 42 033 oder das DE-U 76 04 668.

Der aus der DE-C-34 35 847 bekannte Lageschalter verwendet als Schaltorgan eine Reed-Röhre, deren Kontaktzungen durch einen unter dem Einfluß der Schwerkraft stehenden beweglichen Dauermagneten betätigt werden.

Einen weiteren quecksilberfreien Lageschalter zeigt die DE-C 37 16 623. Hier wird das Schaltorgan gebildet durch ein hermetisch geschlossenes Röhrchen aus Isolierstoffmaterial, in dem eine Kugel frei beweglich eingeschlossen ist. Am einen Ende des Isolierstoffröhrchens ist außen die Schaltstrecke einer elektronischen Schaltung angeordnet, mit deren Hilfe ausgewertet werden kann, ob die Kugel sich im Bereich der Schaltstrecke befindet oder nicht.

Alle diese sogenannten quecksilberfreien Lageschalter haben mehr oder weniger große Nachteile. Sie benötigen schwere Schaltgewichte, worunter die Schwimmfähigkeit leidet. Bei manchen Konstruktionen kann das Schaltgewicht klemmen. Infolge der mechanischen Reibung ist die Schalthysterese oft groß und vor allem undefiniert.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Lageschalter der eingangs genannten Art anzugeben, dessen Schalteigenschaften und konstruktiven Parameter denen der Quecksilberschalter entsprechen, jedoch ohne das hochgiftige Quecksilber zu verwenden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Lageschalter der gattungsgemäßen Art mit den Merkmalen gemäß Kennzeichen des Anspruchs 1.

Die vorliegende Erfindung macht von der Erkenntnis Gebrauch, daß das Quecksilber durch andere elektrisch leitende, jedoch ungiftige Flüssigkeiten ersetzt werden kann, vorzugsweise durch wäßrige Elektrolyte, und daß durch geschickte Auswahl der Flüssigkeit jeder Betriebstemperaturbereich abgedeckt werden kann. Die Erfindung macht von der Tatsache Gebrauch, daß eine Zersetzung bei Stromdurchgang erst dann einsetzt, wenn die materialabhängige Zersetzungsspannung erreicht wird, und daß es mit einfachen und betriebssicheren elektronischen Schaltungen möglich ist, die Spannung an den Elektroden der Schaltröhre mit Sicherheit unterhalb dieser Zersetzungsspannung zu halten. Insgesamt ergibt sich ein besonders einfacher, leichter und preiswerter Schalter, dessen Schalt- und gegebenenfalls Schwimmeigenschaften denen der Quecksilberschalter entsprechen, die von den quecksilberfreien Lage- und Schwimmschaltern nicht erreicht werden konnten.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist im Gehäuse des Lageschalters eine Leiterplatte angeordnet, die sowohl die elektronische Schaltung als auch die Schaltröhre trägt.

Durch die zusätzliche Anordnung von Kippgewichten im Gehäuse können die Schalteigenschaften in jedem gewünschten Sinne beeinflußt werden.

Eine optimale Brauchbarkeit als Schwimmschalter ergibt sich, wenn die Verteilung aller Einbauteile, das sind die elektronische Schaltung der Schaltröhre, die gegebenenfalls vorgesehenen Kippgewichte sowie etwaige Vergußmassen, zu einer rotationssymmetrischen Gewichtsverteilung führt.

Da die flüssigkeitsgefüllten Schaltröhren erheblich leichter sind als die bekannten Schaltgewichte und Mikroschalter, können die Gehäuse wieder als schlanke Zylinder ausgeführt werden.

Wie schon erwähnt, hat die elektronische Schaltung zunächst einmal die Aufgabe, die Spannung an den Elektroden der flüssigkeitsgefüllten Schaltröhre unterhalb der Zersetzungsspannung zu halten. Darüber hinaus hat sie die Aufgabe, den Schaltstrom auf den Wert zu verstärken, der zur Betätigung der angeschlossenen Aggregate, beispielsweise Pumpen, benötigt wird.

Derartige elektronische Schaltungen können Widerstände in Serie zur Schaltröhre sowie parallel dazu Halbleiterschalter zwischen den stromführenden Adern des Anschlußkabels aufweisen. Die Steuerstrecken von gesteuerten Halbleiterschaltern sind zu den genannten Widerständen parallelgeschaltet. Ausführungsbeispiele für die Halbleiterschalter sind bipolare Transistoren, deren Steuerstrecke die Basis-Emitter-Strecke ist, oder Thyristoren, deren Steuerstrecke die Gate-Kathoden-Strecke ist.

Andere elektronische Schaltungen, die mit Gleichspannung gespeist werden können, enthalten einen Oszillator, dessen beiden Ausgänge über je eine Dioden-Widerstandskombination an die Elektroden der Schaltröhre gekoppelt sind. Sind die Elektroden der Schaltröhre über die elektrisch leitende Flüssigkeit miteinander verbunden, entsteht in dieser Schaltung ein Spannungsabfall, der über ein nachgeschaltetes Gatter, vorzugsweise ein UND-Gatter, erfaßt und weiterverarbeitet wird. Als Schaltstufen finden vorzugsweise Transistoren mit offenem Kollektor Verwendung.

Wird der Oszillator zusätzlich mit einer Start-Stop-Schaltung ausgerüstet, kann erreicht werden, daß er nur dann schwingt und Wechselspannung abgibt, wenn die Elektroden der Schaltröhre durch den Flüssigkeitstropfen überbrückt sind. Auf diese Weise wird erreicht, daß bei offener Schaltstrecke der Stromverbrauch der elektronischen Schaltung praktisch Null ist.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Schwimmschalter,

Fig. 2 einen Schaltplan für eine erste elektronische Schaltung,

Fig. 3 einen Schaltplan für eine zweite elektronische Schaltung,

Fig. 4 einen Schaltplan für eine dritte elektronische Schaltung und

Fig. 5 einen Längsschnitt durch einen weiteren Schwimmschalter.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 0 eines Schwimmschalters. Das Gehäuse 0 ist luft- und wasserdicht. An seinem einen Ende ist ein zweiadriges Kabel 4 wasserdicht eingeführt.

Im Gehäuse 0 ist eine Leiterplatte 1 befestigt. Diese trägt sowohl eine elektronische Schaltung, wie sie anhand der Fig. 2, 3 und 4 noch im einzelnen beschrieben werden soll, sowie insbesondere eine flüssigkeitsgefüllte Schaltröhre 2. Mit Hilfe einer Vergußmasse 5 befestigte Kippgewichte 3 sorgen für die gewünschte Schaltcharakteristik. Durch geschickte Anordnung aller Einzelteile im Gehäuse 0 wird die für eine optimale Brauchbarkeit gewünschte rotationssymmetrische Gewichtsverteilung erreicht.

Aufbau und Funktion der Schaltröhre 2 entsprechen denen der bekannten quecksilbergefüllten Schaltröhren. In einem Isolierstoffröhrchen 21, beispielsweise aus Glas, sind zwei Elektroden 22, 23 eingeschmolzen. Ein Tropfen Flüssigkeit 24 sorgt bei richtiger Lage der Schaltröhre 2 für die elektrische Verbindung zwischen den beiden Elektroden 22, 23.

Fig. 2 zeigt eine erste Schaltungsanordnung, die zum Betrieb mit der flüssigkeitsgefüllten, quecksilberfreien Schaltröhre 2 geeignet ist. Die Elektroden 22, 23 der Schaltröhre 2 sind zwischen zwei Widerstände R1, R2 geschaltet, die ihrerseits zwischen die Wechselspannung führenden Adern X1, X2 des Kabels 4 geschaltet sind. Die Wechselspannung an den Klemmen X1, X2, die Widerstände R1, R2 und die elektrische Leitfähigkeit der Flüssigkeit 24 in der Schaltröhre 2 sind so aufeinander abgestimmt, daß die Spannung an den Elektroden 22, 23 unterhalb der Zersetzungsspannung der Flüssigkeit 24 bleibt, im Falle von wäßrigen Elektrolyten unter 2 Volt.

Parallel zu den beiden Widerständen R1, R2 sind die Steuerstrecken je eines Bipolartransistors T1, T2 geschaltet. Sobald die Elektroden 22, 23 der Schaltröhre 2 durch die Flüssigkeit 24 elektrisch leitend verbunden werden, fließt ein Steuerstrom über die Widerstände R1, R2. Dieser wird von den Halbleiterschaltern T1, T2 verstärkt, so daß über das Kabel 4 ein zum Einschalten des angeschlossenen Aggregats geeigneter Strom fließt.

Spannungsfeste Dioden D1, D2 in der Zuleitung zu den Kollektoren der Transistoren T1, T2 verhindern einen Basis-Kollektor-Leckstrom, damit jeder einzelne Transistor vom vollen Steuerstrom durchflossen wird, wenn die an ihm anstehende Halbwelle des Wechselstroms geschaltet werden soll.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Schaltungsbeispiel für eine elektronische Schaltung. Als Halbleiterschalter finden Thyristoren THY1, THY2 Verwendung. Durch geeignete Dimensionierung aller Bauteile ist auch hier dafür gesorgt, daß die Spannung an den Elektroden 22, 23 der Schaltröhre 2 unterhalb der elektolytischen Zersetzungsspannung der Flüssigkeit 24 bleibt.

Fig. 4 zeigt ein drittes Schaltungsbeispiel für eine elektronische Schaltung, die im Gegensatz zu den Schaltungsanordnungen der Fig. 2 und 3 mit Gleichspannung gespeist ist. Zwei Nand-Gatter IC1A, IC1B bilden zusammen mit einem Widerstand R3 und einem Kondensator C1 einen Oszillator mit Start-Stop-Einrichtung. Die beiden Ausgänge des Oszillators sind über je eine Parallelschaltung aus Widerstand R1, R2 und Diode D1, D2 an die Elektroden 22, 23 der Schaltröhre 2 gelegt. Die Spannung an der Schaltröhre 2 ist an die Eingänge eines dritten Nand-Gatters IC1C geschaltet. Der Ausgang des dritten Nand-Gatters IC1C wird über eine RC-Kombination R4, C2 geglättet und schaltet entweder einen Leistungstransistor T4 oder nach Invertierung über ein NICHT-Glied IC1D einen zweiten Leistungstransistor T3 durch. Das Ausgangssignal des NICHT-Glieds IC1D schaltet auch den Oszillator ein oder aus.

Sind wie in der Fig. 4 dargestellt die Elektroden 22, 23 der Schaltröhre 2 durch den Flüssigkeitstropfen 24 elektrisch leitend miteinander verbunden, sind die Elektroden 22, 23 praktisch kurzgeschlossen. Der Ausgang des Nand-Gatters IC1C schaltet auf Low-Signal, der Transistor T4 sperrt.

Gleichzeitig wird das Steuersignal im NICHT-Glied IC1D invertiert. Der Transistor T3 schaltet durch. Das erste Nand-Gatter IC1A des Oszillators erhält High-Signal, der Oszillator schwingt. Die Schaltröhre 2 erhält die erforderliche Versorgungs-Wechselspannung.

Sobald der Flüssigkeitstropfen 24 bei veränderter Lage der Schaltröhre 2 die Elekronen 22, 23 freigibt, kehren sich die Signalverhältnisse um. Am Ausgang des dritten Nand-Gatters IC1C erscheint High-Signal, der Transistor T4 schaltet durch und sowohl der Transistor T3 als auch der Oszillator sperren. In diesem Ruhezustand ist der Stromverbrauch der Schaltung minimal. Wird die elektronische Schaltung mit CMOS-Gattern und FET-Transistoren realisiert, ist der Stromverbrauch praktisch Null.

Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt durch einen weiteren Schwimmschalter. Das Gehäuse 0 besteht hier aus einem schlanken, länglichen Zylinder. Da die Gewichte der Schaltröhre 2 und der elektronischen Schaltung 1 minimal sind, können die Gehäuse 0 praktisch ausschließlich nach den Erfordernissen des jeweiligen Anwendungsfalls ausgelegt werden.

Es versteht sich, daß es sich bei der Schaltflüssigkeit nicht unbedingt um Elektrolyte, insbesondere nicht um wäßrige Elektrolyte handeln muß. Die erfindungsgemäße Konstruktion funktioniert in gleicher Weise auch bei nicht-ionenleitenden Medien, z. B. durch Ausnutzung von Depolarisationsströmen bei höherer Frequenz. Auch hier erlaubt die elektronische Schaltung eine Verstärkung des in aller Regel kleinen Schaltstroms durch die Schaltröhre 2 auf die für das angeschlossenen Aggregat erforderliche Größe.