DE4338427A1 - Meß- und Anzeigeinstrument mit Schalteinrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Meß- und Steuersysteme für die Förderung von Flüssigkeiten unter relativ hohen hydrauli­ schen Drücken. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Flüssigkeitsdruckmeßinstrument mit einem Zeiger zur direkten Druckablesung und einem internen elektrischen Schalter, der bei bestimmten vorgegebenen Drücken betätigbar ist.

Druckmeßinstrumente zur Drucküberwachung in einer hydrauli­ schen Förderleitung sind bekannt. Derartige Druckmeß­ instrumente sind typischerweise in der Flüssigkeitsförderlei­ tung zwischengeschaltet, so daß sie in direktem Kontakt mit der darin befindlichen druckbeaufschlagten Flüssigkeit ste­ hen. Ein druckempfindliches Element enthält typischerweise einen Meßwertgrößenumwandler, der den Flüssigkeitsdruck in eine physikalische Bewegung übersetzt, die dann mechanisch auf eine Anzeigeeinrichtung übertragen wird. Zu den nach dem Stand der Technik bekannten Druckmeßinstrumenten zählen sol­ che, bei denen ein Federrohr oder Bourdonrohr eine mit der druckbeaufschlagten Flüssigkeit in Kontakt stehende Öffnung aufweist, sowie flüssigkeitsgefüllte Federrohre, bei welchen die Flüssigkeit mittels einer am Ende des Federrohres befe­ stigten beweglichen Membrandichtscheibe dicht in das Rohr eingeschlossen ist, wobei das Ende des Federrohres anschlie­ ßend in einer Flüssigkeitsförderleitung angeordnet wird, so daß es über die Membran dem darin herrschenden Druck ausge­ setzt ist.

Desweiteren sind Druckregelschalter bekannt, bei denen ein Betätigungshebel für einen elektrischen Schalter nahe an ei­ nem Federrohr-Drucksensor angeordnet ist, wobei Druckverände­ rungen eine Auslenkung des Federrohres verursachen und damit eine Bewegung des Schalterbetätigungshebels, wodurch ein elektrisches Signal bei dem Druckpegel erzeugt wird, bei dem der Kontakt hergestellt wird. US Patent Nr. 4,323,741, er­ teilt am 6. April 1982, und US Patent Nr. 4,397,610, erteilt am 9. August 1983 zeigen zwei Arten von Druckregelvorrichtun­ gen auf, die diese Prinzipien verwenden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Druckmeßinstrument zum An­ schluß an eine hydraulische Förderleitung aufzuzeigen, das eine direkte Druckanzeige sowie ein elektrisches Signal bei vorgegebenen Druckpegeln ermöglicht. Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Druckmeßinstrument in Kombi­ nation mit einem Zeigerschalter aufzuzeigen, bei dem die Vi­ brationen beweglicher Teile durch die Flüssigkeitsfüllung im Gehäuse gedämpft sind. Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Druckmeßinstrument mit Zeigerschalter aufzu­ zeigen, das durch starke Temperaturschwankungen und mechani­ sche Vibrationen unbeeinflußt bleibt.

Die Lösung der Aufgabe ergibt sich aus Patentanspruch 1. Un­ teransprüche zeigen bevorzugte Ausführungsformen der Erfin­ dung.

Die vorliegende Erfindung umfaßt ein flüssigkeitsgefülltes Federrohr in einem Meßinstrumentengehäuse, wobei ein Ende des Federrohres mit einem an der Außenseite des Gehäuses vorra­ genden Anschluß in Verbindung steht, bei dem eine bewegliche Membran abdichtend auf das Ende gesetzt ist. Ein zweites geschlossenes Ende des Federrohres ist mechanisch mit einer drehbaren Welle verbunden, die mit einer Zeigernadel verbun­ den ist. Die Zeigernadel bewegt sich über eine mit inkremen­ talen Druckangaben beschriftete Oberfläche und die physikali­ sche Bewegung des Federrohrendes wird in eine Drehbewegung der Welle und dadurch eine Bewegung der Zeigernadel über­ setzt. Ferner ist ein elektrischer Schalter im Gehäuse in der Nähe des beweglichen Endes des Federrohres angebracht, wobei eine vorgegebene Bewegung des Federrohres eine Betätigung des Schalters verursacht. Die elektrischen Schalterkontakte sind durch ein geeignetes Anschlußstück an die Außenseite des Ge­ häuses geführt. Die Vorderseite des Gehäuses ist dichtend durch ein transparentes Fenster verschlossen und das gesamte Gehäuse ist mit einer Flüssigkeit, wie z. B. Glycerin gefüllt.

Die vorstehenden und weitere Aufgaben und Vorteile der Erfin­ dung werden aus der folgenden Beschreibung unter Bezug auf die beiliegenden Figuren ersichtlich. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise ausgebrochene isometrische Darstellung der Erfindung;

Fig. 2 die mechanisch beweglichen Teile der Erfindung; und

Fig. 3 eine Schnittdarstellung der Erfindung entlang den Li­ nien 3-3 in Fig. 2.

In den Figuren ist bin Zeigerdruckmeßinstrument 10 in verschiedenen Ansichten dargestellt. Dabei sind gleiche Merk­ male mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Das Druckmeßin­ strument 10 hat ein äußeres Gehäuse 12 zur Aufnahme der nach­ folgend beschriebenen Bauteile. Eine Abdeckung 14 ist über ein Gewinde am Gehäuse 12 zu befestigen. Die Abdeckung 14 um­ schließt eine transparente Deckplatte 18 gegen einen O-Ring 22, der um den vorderen Rand des äußeren Gehäuses 12 gelegt ist. Die Abdeckung 14 ist auf das äußere Gehäuse 12 auf­ schraubbar vorgesehen, um so eine flüssigkeitsdichte Abdich­ tung zwischen der Deckplatte 18 und dem Gehäuse 12 zu erzie­ len. Damit wird ein Innenraum 15 in dem Druckmeßinstrument 10 geschaffen, der in nachfolgend zu beschreibender Weise mit Flüssigkeit gefüllt werden kann.

Am Gehäuse 12 ist ein Gehäuseteil 28 in feststehender Posi­ tion innerhalb des Innenraumes 15 befestigt. Das Gehäuseteil 28 dient als Halter für die Befestigung der verschiedenen feststehenden und beweglichen Bauteile der Erfindung. Eine Skalenscheibe 20 ist mit Schrauben 19 am Gehäuseteil 28 befe­ stigt. Die Skalenscheibe 20 ist an ihrer Außenfläche mit vor­ zugsweise geeichten Markierungen versehen, die die Druckab­ lesewerte angeben. Eine Zeigerwelle 24 ist drehbar am Gehäu­ seteil 28 befestigt. An der Welle 24 ist ein Zahnrad 26 befe­ stigt. Das vordere Ende der Welle 24 ragt durch eine Öffnung in der Mitte der Skalenscheibe 20. Eine Zeigernadel 16 ist am vorderen Ende der Welle 24 befestigt. Der Zeiger 16 schwenkt in Übereinstimmung mit der Drehung der Welle 24 um einen be­ stimmten Winkel.

Das Gehäuseteil 28 ragt durch das Gehäuse 12 nach hinten mit einem Ansatz 29 heraus, dessen Ende mit einem Gewinde verse­ hen ist. Eine Adaptermutter 38 kann auf den Ansatz 29 aufge­ schraubt werden. Im Inneren der Adaptermutter 38 verläuft ein erweiteter Kanal, der in einer Membran 40 endet, die ab­ dichtend am äußeren Ende der Adaptermutter 38 befestigt ist. Der erweiterte Kanal innerhalb der Adaptermutter 38 steht mit einem Kanal 42 in Verbindung, der wiederum mit einer Innen­ kammer im Gehäuseteil 28 verbunden ist. Ein Federrohr 30 ist am Gehäuseteil 28 befestigt, dessen Öffnung 31 sich in die Kammer innerhalb des Gehäuseteils 28 öffnet. Ein distales Ende 33 des Federrohres 30 ist dicht verschlossen. Im Be­ triebszustand ist eine Flüssigkeit, wie z. B. Glycerin in die Kammer und die Kanäle in Verbindung mit dem Gehäuseteil 28 eingeführt, so daß das Federrohr 30, die Kammer, der Kanal 42 und der erweiterte Kanal in der Adaptermutter 38 vollständig mit Flüssigkeit gefüllt sind. Der Austritt der Flüssigkeit wird durch die Membran 40 am einen Ende und durch das dicht verschlossene Ende des Federrohres 30 verhindert.

An einem am Gehäuseteil 28 befestigten Halter 34 ist ein Schalter 32 angebracht. Der Schalter 32 ist vorzugsweise als Mikroschalter ausgeführt, der einen vorstehenden Betätigungs­ stift 35 aufweist. Der Betätigungsstift 35 ist unmittelbar an dem abgedichteten distalen Ende 33 des Federrohres 30 ange­ ordnet. Am distalen Ende 33 ist ein Verbindungsglied 44 schwenkbar mit einem Ende befestigt, und das andere Ende des Verbindungsgliedes ist schwenkbar an einer Verlängerung 46 eines Zahnradsegments 45 angebracht. Das Zahnradsegment 45 ist mit einer bogenförmigen Zahnkante 47 versehen, die mit dem Zahnrad 26 in Eingriff steht. Weiter ist das Zahnradseg­ ment 45 schwenkbar mit dem Gehäuseteil 28 durch einen Stift 49 verbunden. An einem ihrer Enden ist eine Zeigerfeder 25 an der Zeigerwelle 24 befestigt, während ihr anderes Ende am Ge­ häuseteil 28 befestigt ist. Die Zeigerfeder 25 ist so vorge­ spannt, daß die Welle 24 und damit die Zeigernadel 16 im Ge­ genuhrzeigersinn beaufschlagt sind. Ein mechanischer Anschlag begrenzt die Drehung der Achse 24, indem er mit einem Rand des Zahnradsegments 45 in Berührung kommt. Nach ordnungsgemä­ ßer Eichung ist die normale Ruhestellung der Zeigernadel 16 an der Nullmarke der Skalenscheibe 20.

Eine abgedichtete, luftgefüllte Gummiblase 50 ist im Innen­ raum 15 befestigt und dient als Druckausgleichseinrichtung. Nachdem der Innenraum 15 mit einer Flüssigkeit, wie z. B. Gly­ cerin gefüllt wurde, verformt sich die Gummiblase 50, bis ein Druckausgleich zwischen dem Luftdruck im Inneren der Blase und dem Flüssigkeitsdruck außerhalb im Innenraum 15 erreicht ist. Veränderungen des atmosphärischen Druckes können den Druck der Flüssigkeit innerhalb des Innenraumes 15 erhöhen. Durch diesen Druckanstieg wird eine weitere Verformung der Blase 50 verursacht, so daß der Druckausgleich kontinuierlich aufrecht erhalten wird. Entsprechend führen Verringerungen des atmosphärischen Drucks zu einer Ausdehnung der Luftblase 50, wodurch gleichermaßen ein Druckausgleich erfolgt. Auf diese Weise werden die Druckkräfte innerhalb des Innenraumes 15 stabilisiert, so daß die Möglichkeit eines Flüssigkeitsaustrittes aus dem Druckmeßinstrument 10 mög­ lichst gering gehalten ist und die relative Ausdehnung und Kontraktion der Flüssigkeit innerhalb des Innenraumes 15 kom­ pensiert wird. Gleichzeitig bietet die Luftblase 50 einen Me­ chanismus, der das vollständige Füllen des Innenraumes 15 mit Flüssigkeit unter allen Bedingungen erlaubt.

Elektrische Anschlußleitungen 36 des Mikroschalters 32 sind mit einem Anschlußkontakt 37 verbunden. Die elektrischen An­ schlüsse für diesen sind abgedichtet zur Außenseite des Ge­ häuses 12 zu einem Verbinder geführt, der zum Anschluß an einen geeigneten Steckkontakt eingerichtet ist. Damit kann die Betätigung der Schaltkontakte des Schalters 32 elektrisch mit der äußeren Umgebung des Druckmeßinstrumentes 10 verbun­ den werden.

Beim Betrieb der Vorrichtung bewegt sich aufgrund der Prinzi­ pien der Feder- oder Bourdonrohrwirkung das distale Ende des Federrohres 30 bei Druckveränderungen der Flüssigkeit inner­ halb des Federrohres 30 über einen meßbaren Weg. Mit steigen­ dem Flüssigkeitsdruck im Federrohr 30 wird dieses ausgedehnt, wodurch das distale Ende 33 sich nach außen bewegt und mit dem Betätigungsstift 35 des Schalters in Berührung kommt. Der Schalter 32 kann relativ zum distalen Ende 33 so angeordnet sein, daß eine vorgegebene Position eingestellt ist, in der der Schalter betätigt wird, wobei diese vorgegebene Position mit dem Druck innerhalb des Federrohres 30 in Beziehung steht. Daher wird bei einem vorgegebenen Druckniveau in­ nerhalb des Federrohres 30 der Schalter 32 betätigt und das Betätigungssignal wird über die Leiter 36 und den Anschluß­ kontakt 37 zur Außenseite des Druckmeßinstrumentes übertra­ gen.

Gleichzeitig ist die physikalische Bewegung des distalen En­ des 33 des Federrohres 30 mechanisch mit dem Verlängerungsarm 46 des Zahnradsegments 45 verbunden. Dadurch wird das Zahn­ radsegment 45 um seinen Achsstift 49 verschwenkt und die mit dem Zahnrad 26 in Eingriff stehende Zahnkante 47 verursacht eine Drehung der Welle 24. Diese Drehung ist der Kraft der Feder 25 entgegengesetzt und bewegt die Zeigernadel 16 in ei­ nem bogenförmigen Weg über die Skalenscheibe 20, wodurch der Wert des entsprechenden Druckes innerhalb des Federrohres 30 angezeigt wird. Selbstverständlich sind die Verbindungsglie­ der und anderen mechanischen Verbindungen so ausgeführt, daß eine geeichte Druckanzeige der Federrohrdrücke gegeben ist.

Die Flüssigkeit innerhalb des Federrohres 30 steht über die Öffnung 31 mit der Kammer des Gehäuseteiles 28 in Verbindung. Die Flüssigkeit in dieser Kammer steht mit der Membran 40 in direktem Kontakt, die vorzugsweise mit einer flüssigkeits­ durchströmten Leitung verbunden ist, die die Flüssigkeit ent­ hält, deren Druck gemessen werden soll. Daher wird mit an­ steigendem Druck in der flüssigkeitsdurchströmten Leitung, mit der die Adaptermutter 38 verbunden ist, die Membran 40 nach innen ausgelenkt und entsprechend der Druck im Federrohr 30 erhöht. Mit sinkendem Druck in der flüssigkeitsführenden Leitung läßt der Druck auf die Membran 40 nach und der ent­ sprechende Druck im Federrohr 30 verringert sich. Daher ist eine direkte Beziehung zwischen dem Druck in der Leitung, an der die Adaptermutter 38 durch Verschrauben befestigt ist, und der durch die Zeigernadel 16 erfolgenden Anzeige gegeben.

Ferner bewirkt bei einem vorgegebenen Druckniveau innerhalb der fraglichen Leitung das distale Ende 33 des Federrohres 30 die Betätigung des Schalters 32, wodurch ein externes elektrisches Signal abgegeben wird, das diesen vorgegebenen Druck anzeigt.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Adaptermutter 38 an einer flüssigkeitsdurchströmten Leitung befestigt, die mit einem von einem Elektromotor angetriebenen Pumpsystem verbun­ den ist. Daher kann bei Erreichen eines vorgegebenen Flüssig­ keitsdruckes das vom Schalter 32 abgegebene elektrische Si­ gnal verwendet werden, um die Stromversorgung des das Pumpsy­ stem antreibenden Elektromotors auszuschalten und so einen weiteren Druckaufbau zu verhindern. Fällt der Systemdruck um einen vorgegebenen Betrag unter den eingestellte Druckwert, so wird der Schalter 32 wieder freigegeben und das daraus re­ sultierende elektrische Signal kann verwendet werden, um den das Pumpsystem antreibenden Elektromotor wieder anlaufen zu lassen.

Die vollständige Füllung des Innenraumes 15 mit einer Flüs­ sigkeit, wie etwa Glycerin bietet eine einzigartige Verbesse­ rung der Erfindung insofern, als Glycerin den beweglichen me­ chanischen Teilen eine gewisse Stabilität und Dämpfung in­ nerhalb des Innenraumes 15 verleiht, und Glycerin einen Ein­ satz über einen breiten Temperaturbereich erlaubt. Glycerin bleibt wenigstens im Temperaturbereich von -28,9°C (-20°F) bis 65,6°C (115°F) flüssig, was den Einsatz der Erfindung in diesem Temperaturbereich ohne die Gefahr des Einfrierens er­ laubt. Dies führt zu einer starken Erweiterung der zur Ver­ wendung der Erfindung möglichen Betriebsumgebungen, womit ein sehr zuverlässiger Druckschalter in Verbindung mit einer An­ zeige unter Bedingungen geschaffen ist, unter denen Vorrich­ tungen nach dem Stand der Technik dem Einfrieren ausgesetzt wären.

Claims (8)

1. Druckmeßvorrichtung und -anzeiger, umfassend:

• a) ein Gehäuse (12) und eine Abdeckung (14), die am Gehäuse (12) durch Verschrauben angebracht ist und damit einen abdichtbaren Innenraum (15) zwischen sich und dem Gehäuse (12) bildet, wobei die Abdeckung (14) ein transparentes Fen­ ster (18) aufweist;
• b) ein im Gehäuse (12) im Innenraum (15) angebrachtes Feder­ rohr (30), das ein abgedichtetes Ende (30) im Innenraum (15) und ein mit einem Flüssigkeitskanal (42) verbundenes offenes Ende (31) aufweist;
• c) einen abdichtend am Gehäuse (12) außerhalb des Innenraumes (15) angebrachten Anschluß (29), der Einrichtungen zum Fest­ halten eines Membranverschlusses (40) nahe an einem Ende und mit dem Flüssigkeitskanal (42) verbundene Kanäle aufweist;
• d) eine im Gehäuse (12) im Innenraum (15) befestigte drehbare Welle (24), deren vorderes Ende mit einer Zeigernadel (16) verbunden ist und an der ein Zahnrad (26) befestigt ist;
• e) ein im Gehäuse (12) im Innenraum (15) befestigtes schwenk­ bares Zahnradsegment (45), das eine Zahnkante (47) aufweist, die mit dem Zahnrad (26) in Eingriff bringbar ist und eine mechanische Verbindung zum abgedichteten Ende (33) des Feder­ rohres (30) aufweist;
• f) einen im Gehäuse (12) im Innenraum (15) befestigten elektrischen Schalter (32), der nahe dem abgedichteten Ende (33) des Federrohres (30) eine Betätigungseinrichtung (35) aufweist, sowie mit dem Schalter (32) verbundene elektrische Leiter (36); und
• g) einen am Gehäuse (12) angebrachten Anschlußkontakt (37), der Einrichtungen im Innenraum (15) zum Verbinden der elek­ trischen Leiter (36) und außerhalb des Innenraumes (15) Ein­ richtungen zum Herstellen eines elektrischen Kontaktes mit den Leitern (36) außerhalb des Innenraumes (15) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend eine erste Flüssigkeit, die den Innenraum (15) füllt, und weiter umfassend eine luftgefüllte elastische Blase (50) im Innenraum (15).

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, weiter umfassend eine zweite Flüssigkeit, die das Federrohr (30) und die mit dem Rohr (30) verbundenen Kanäle (42) füllt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, weiter umfassend eine Federeinrichtung (25) im Innenraum (15) mit einem ersten Ende, das mit dem Gehäuse verbunden ist, und einem zweiten Ende, das mit der drehbaren Welle (24) verbun­ den ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, weiter umfassend eine Skalenscheibe (20) im Gehäuse (12), die hinter und nahe an der Zeigernadel (16) positioniert ist und eine Oberfläche mit Druckangaben aufweist, die auf das trans­ parente Fenster (18) zuweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, weiter umfassend eine Stoppeinrichtung zur Begrenzung der Be­ wegung der Zeigernadel (16).

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Flüssigkeit Glycerin ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Flüssigkeit Glycerin ist.