DE449620C - Verfahren zur Beseitigung des Einflusses der verzoegernden Wirkung der Adhaesion und Kohaesion zwischen dem Quecksilber und der Gefaesswand bei Quecksilberschaltroehren - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AW
17. SEPTEMBER 1927

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21 c GRUPPE

S 7O2SS VIIII21C² Tag der Bekanntmachung über die Erteilung des Patents: 8. September iQ2j.

Sachsenwerk Licht- und Kraft-Akt.-Ges. in Niedersedlitz*).

Verfahren zur Beseitigung des Einflusses der verzögernden Wirkung der Adhäsion und Kohäsion zwischen dem Quecksilber und der Gefäßwand bei Quecksilberschaltröhren.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 31. Mai 1925 ab.

Zur Betätigung von elektrisch betriebenen Signal- bzw. Sicherheitseinrichtungen (Überwachung des Druckes, der Temperatur usw.) werden vielfach sogenannte Kontaktinstrumente (Kontaktmanometer, -vakuummeter, -thermometer) verwendet.

Man stellt an den Kontakt die Anforderung, ein sicheres Schalten schon bei sehr kleiner Bewegung des beweglichen Kontaktträgers zu gewährleisten.

Auch bei verhältnismäßig kleinen elektrischen Leistungen entstehen bei in Luft schaltenden festen Kontakten an der Unterbrechungsstelle Funken, welche bei unedlen

*1 Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Dipl.-Ing. Artiir Kröner in Dresden.

Metallen eine Oxydation, bei Edelmetallen eine mehr oder minder große Zerstäubung des Kontaktmaterials herbeiführen.

Aus diesem Grunde und besonders bei der sogenannten schleichenden Bewegung des Kontaktes, welche ein Stehenbleiben der Lichtbogen begünstigt, können mit metallischen Kontakten, entsprechend Abb. a, nur sehr kleine Leistungen geschaltet werden. ίο In sehr vielen Fällen sind aber große Leistungen abzuschalten. Man hat sich daher dadurch geholfen, daß man ein Relais zwischenschaltet, dessen Arbeitskontakte dann den abzuschaltenden Leistungen entsprechend ausgebildet werden können. Abgesehen vom Kostenpunkt sind derartige Zwischenorgane unerwünscht, weil sie auch bei sorgfältigster Ausführung die Möglichkeit von Störungen in sich schließen.

In neuerer Zeit werden als Schaltorgane vielfach Ouecksilberschaltröhren gemäß Abb. b verwendet, die bei geringem Kraftaufwand die Schaltung verhältnismäßig großer Leistungen ermöglichen.

Ein Nachteil dieser Röhren besteht darin, daß infolge der Adhäsion zwischen Quecksilber und Glaswand und der Kohäsion zwischen den Molekülen des Quecksilbers selbst die in der Röhre befindliche Ouecksilbermenge nicht bei beliebig kleinen Neigungen der Glasrohre gegenüber der Horizontalen dem einen oder anderen Ende der Röhre zufließt, sondern daß hierzu eine nicht unbeträchtliche Neigung der Röhre notwendig ist, welche je nach der Bauart und dem Grade der Dünnflüssigkeit des Quecksilbers verschieden ausfällt.

Für den Aus- bzw. Einschaltvorgang ist

deshalb ein nicht unbeträchtlicher Weg des steuernden Organs erforderlich, wodurch die Empfindlichkeit der gesamten Anordnung in vielen Fällen zu gering wird.

Den Gegenstand der Erfindung bildet nun ein Verfahren, durch welches eine Beseitigung dieses Übelstandes möglich ist. Dieselbe besteht im Grundgedanken darin, daß man die Röhren für den jeweils folgenden Schaltvorgang »vorbereitet«, d. h. daß man dem steuernden Organ die eigentliche S ehaltarbeit abnimmt und demselben nur die Überwachungsarbeit zuweist.

Der Erfindungsgedanke sei an Hand der Abbildungen der Zeichnung, welche beispielsweise Ausführungen bzw. Anwendungen zeigt, näher erläutert.

Befindet sich die Röhre z. B. in Ausschaltstellung (Abb. c), so würde nach dem vorstehend Ausgeführten eine erhebliche Hubbewegung des steuernden Organs notwendig sein, um eine Schließung des Stromkreises herbeizuführen. Man kann diese Hubbewegung beliebig weit verkleinern, wenn man z. B. unmittelbar nach dem Ausschaltvorgang die Röhre durch ein Hilfsorgan in eine Lage bringt, welche durch Abb. d veranschaulicht ist. Durch das Hilfsorgan sind die beiden Ouecksilberpole beliebig weit genähert worden, so daß nach dieser »Vorbereitung« ein beliebig kleiner Weg des steuernden Organs für die Einschaltung genügt.

Für den Ausschaltvorgang läßt sich die Röhre in gleicher Weise vorbereiten, wie dies durch Abb. e veranschaulicht ist. Die Röhre ist hierbei in eine solche Lage gebracht, daß die Quecksilberpole sich bei beliebig kleiner weiterer gleichsinniger Lagenänderung trennen. Die »Vorbereitung« der Röhre für den Einschalt- als auch für den Ausschaltvorgang kann in verschiedener Weise erfolgen. Abb. f zeigt die Anordnung schematisch, wie sie z. B. mit Hilfe eines Elektromagneten erreicht werden kann, der entweder vom Schaltstrom selbst durchflossen wird oder im Nebenschluß 2TU den Kontakten des Schalters liegt.

Die Vorbereitung der Röhren für den folgenden Schaltvorgang erfolgt dabei jeweils im Augenblick des Überganges von der einen Schaltstellung zur anderen, also am Ende des vorhergehenden. Selbstverständlich kann jeder Elektromagnet nur in einer Richtung go eine Zug- bzw. Hubwirkung ausüben und somit die Röhre nur für eine Schaltung vorbereiten. Nach den Ausführungsbeispielen in· Abb. f bereitet der Elektromagnet bei Serienschaltung seiner Wicklung den Ausschalt-Vorgang, bei Schaltung derselben im Nebenschluß zum Hauptstromkreis den Einschaltvorgang vor. Durch die Anordnung wird jedoch andererseits auch eine Vorbereitung für die jeweilige andere, durch den Magneten nicht beherrschte Schaltstellung auf rein mechanischem Wege unabhängig von dem Elektromagneten erzielt, und zwar durch das Eigengewicht der Röhre, dessen Wirkung, wenn erforderlich, evtl. noch durch die zusatzliehe Kraft einer Feder o. dgl. unterstützt werden kann. Der Angriffspunkt des Steuerorgans ist zu diesem Zwecke nicht in den Schwerpunkt der Schaltröhre verlegt, sondern so weit seitlich verschoben worden, daß bei Hauptstromschaltung des Vorbereitungsmagneten auch in der Ausschaltstellung der Röhre ein Drehmoment in der Wiedereinschaltrichtung bzw. bei Nebenschlußschaltung in der Einschaltstellung für das Ausschalten bestehen bleibt. Es sei noch für den Fall der Nebenschlußschaltung darauf hingewiesen, daß der Elektromagnet aus bekannten elektrischen Gründen nur von der zur Erzielung einer Hubwirkung erforderlichen Stromstäi'ke durchflossen wird, wenn die Quecksilberkontakte unterbrochen sind. Bei geschlosse-

nen Kontakten würde bekanntlich als Erregerspannung für den Elektromagneten lediglich der sehr geringe Spannungsabfall zwischen den Kontakten in Frage kommen. Nimmt man z. B. an, der Elektromagnet sei bestimmt für eine Betriebsspannung von 220 Volt und der Spannungsabfall zwischen den Kontakten sei etwa 0,1 Volt, so beträgt die Erregerleistung des Elektromagneten bei geschlossenen Ouecksilberkontakten nur etwa den zweitausendsten Teil der für die Steuerung der Ouecksilberschaltröhren erforderlichen Leistung, d. h. der Elektromagnet verhält sich gerade so, wie wenn er tatsächlich vollkommen stromlos wäre.

Die Hubbewegung muß zur Einstellung des Empfindlichkeitsgrades einstellbar sein. Zur Verkleinerung der Hub- oder Senkgeschwindigkeit wird in vielen Fällen eine Luft- oder

ao Flüssigkeitsbremse zweckmäßig sein.

Eine andere" Ausführungsmöglichkeit, die Röhre »vorzubereiten«, ist in Abb. g zur Darstellung gebracht. Die Bewegung der Schaltröhre wird bei dieser durch eine elektrisch beheizte Bimetallfeder erreicht, welche wiederum vom zu schaltenden Strom direkt durchflossen sein, welche aber auch parallel zu den Kontakten des Ouecksilberschalters liegen kann. Die Wirkung der Bimetallfeder, die sich bei Temperaturänderung, z. B. hervorgerufen durch die Heizung des Streifens, krümmt, beruht, wie bekannt, auf der verschiedenen Ausdehnung der zwei aufeinander befestigten verschiedenartigen Metallstreifen von verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten.

Die beiden beispielsweise dargestellten Vorbereitungsarten kann man als »direkt« bezeichnen. Es ist aber auch eine »indirekte« Vorbereitung denkbar, z. B. durch Ausnutzung des Staudruckes in Rohrleitungen, wenn die Aufgabe gestellt ist, in einem Behälter möglichst gleichmäßigen Druck zu halten.

Die gesamte Anordnung für diese Anwendung des Erfindungsgedankens bestehe beispielsweise (vgl. Abb. h) aus einer durch einen Motor angetriebenen Schleuderpumpe mit Rückschlagventil in der Saugleitung, einer

Verbindungsleitung zwischen Pumpe und Druckbehälter, einem Steuerorgan (Membran oder federbelasteten Kolben) und ferner einem Hilfssteuerorgan (z. B. einem Kolben, der vom Differenzdruck auf beiden Seiten beeinflußt wird). Die Bewegung dieses Hilfssteuerorgans sei begrenzt einstellbar.

Die eine Seite des Hilfssteuerorgans sei mit der Pumpe verbunden, die andere Seite desselben und das eigentliche Steuerorgan (Membran) sei mit dem Druckbehälter in Verbindung.

Es sei zunächst angenommen, daß der Druck im Augenblick der Betätigung im Behälter so hoch ist, daß die Membran den Quecksilberschalter in die Ausschaltstellung gebracht hat. Der Antriebsmotor ist dann stromlos und die Pumpe steht still. Die Saugleitung vom Rückschlagventil bis zur Pumpe, die Pumpe selbst, der Druckbehälter und die gesamten Verbindungsleitungen stehen dann unter gleichem Druck, soweit man von der Druckdifferenz, welche durch verschiedene Höhenlagen der Apparate bedingt sein kann, absieht.

Betrachtet man dagegen die gesamte An-Ordnung bei geschlossenem Quecksilberschalter, so ist die Gleichheit des Druckes in allen Teilen der Anlage nicht mehr vorhanden, insofern, als die Bewegung des Wassers der Verbindungsleitung zwischen Pumpe und Druckbehälter einen gewissen Widerstand zu überwinden hat, welcher evtl. durch Drosselung erhöht werden kann, daß also mit anderen Worten zwischen Pumpe und Druckbehälter ein Druckgefälle herrscht. Infolge des erhöhten Druckes gegenüber dem Druckbehälter erhält die untere Seite des Hilfssteuerkolbens einen höheren Druck als die obere Seite, und der Kolben bewegt sich im Augenblick des Anlaufens der Pumpe bis zu einem Anschlag nach oben.

Dieser Anschlag wird so eingestellt, daß die Quecksilberschaltröhre beliebig nahe gegen die Ausschaltstellung geneigt wird. Die zum endgültigen Ausschalten im Behälter erforder-Üche Druckzunahme hängt nur davon ab, wie weit die Röhre durch den Hilfssteuerkolben im Augenblick des Pumpenanlaufs verdreht worden ist.

Ist nun infolge der Druckerhöhung im Behälter die Schaltröhre durch das Steuerorgan (Membran) in die Ausschaltstellung gebracht worden, so wird der Motor mit der Pumpe stillgesetzt, der Druck gleicht sich wieder aus, der Hilfssteuerkolben senkt sich durch sein 10g eigenes Gewicht bzw. auch Zusatzfedern oder Zusatzgewichte bis zu einem Anschlag, der so eingestellt wird, daß eine beliebig kleine Druckverminderung genügt, um die Schaltröhre wiederum in die Einschaltstellung zu no bringen. Durch die »Vorbereitung« der Schaltröhre im Augenblick des Ein- bzw. Ausschaltens ist es möglich, die Druckschwankungen im Behälter auf außerordentlich kleine Beträge zu ermäßigen.

Die erwähnte Trennung von Schaltarbeit (vorbereitendes Hilfsorgan) und Überwachungsarbeit (Steuerorgan) braucht nicht unbedingt eine räumliche zu sein. Man erreicht dies, indem die Arbeit des vorbereitendein Hilfsorgans dem eigentlichen Steuerorgan oder umgekehrt mit übertragen wird,

derart, daß ζ. Β. letzterem zu diesem Zwecke sinngemäß zusätzliche Energie zugeführt bzw. entzogen wird.

Ausführungsbeispiele für diesen speziellen Erfindungsgedanken lassen sich leicht an Hand der Abb. f und g der Zeichnung entwickeln. Man denke sich zu diesem Zwecke die Punkte, an denen jetzt das Steuerorgan angreift, als festgelagerte Drehpunkte für die Röhre und

ίο an der Betätigungsstange des anderen Organs für die Beispiele, welche mit nach dem Hauptstromprinzip geschalteten vorbereitenden Hilfsorgan arbeiten (die jeweils linken Abbildungen) , eine Zugfeder nach oben wirkend, so daß die Röhre im Ausschaltzustand eine Neigung nach links abwärts zeigt. In der Abb. f wird den Eisenkernen oder besonderen mit diesen mechanisch in Reihe liegenden Kernen noch eine Arbeitsspule zur Steuerung zugeordnet, welche in der linken Abbildung bei ihrer Erregung nach unten, in der rechten nach oben wirken muß. Wie bereits in der Beschreibung erwähnt, bereitet der Elektromagnet des vorbereitenden Hilfsorgans bei

Hauptstromschaltung seiner Wicklung den Ausschaltvorgang, bei Schaltung derselben im Nebenschluß zum Hauptstromkreis den Einschaltvorgang vor, d. h. seine Spule wirkt in der linken Abbildung beim Einschalten der Röhre, in der rechten Abbildung beim Ausschalten derselben nach oben. Die Wirkungsweise einer Ausführung nach Abb. f würde also die folgende sein: Die Röhre sei zunächst ausgeschaltet, also nach links abwärts geneigt. Wird jetzt die Steuer- (Arbeits-) Spule erregt, so zieht sie nach unten; die Röhre wird eingeschaltet; damit erhält aber die Spule des Vorbereitungsorgans Strom und zieht die Röhre wieder um ein geringes nach oben, so daß der Ausschaltvorgang sinngemäß wieder vorbereitet wird. Die Vorbereitung für den Einschaltvorgang in diesem Falle erfolgt ebenfalls, wie beim getrennten Arbeiten beider Organe bereits erläutert, durch das Eigengewicht der Röhre, indem diese die entsprechend abgestimmte Haltefeder bis zu einem erwünschten Maße spannen wird. Die Wirkungsweise der Einrichtung im Falle der Nebenschlußschaltung braucht nach dem vorstehend entwickelten Beispiel nicht besonders erläutert zu werden, da sie sich nach den obenerwähnten Gesichtspunkten für eine Ausführung mit dieser Schaltung ohne weiteres ergibt.

Für die Ausführungsbeispiele nach der Abb. g würde man der vorbereitenden Bimetallfeder eine weitere für die Steuerung zuordnen, deren Durchbiegung im Falle der Beheizung nach unten erfolgt. Wie sich die Beheizung beider Federn unabhängig voneinander gestalten läßt, ist Sache der Konstruktion.

- Es ist natürlich im Sinne der Erfindung nicht Bedingung noch Erfordernis, daß das Steuerorgan und das vorbereitende Hilfsorgan nach dem gleichen Ausführungsprinzip (elektromagnetisch, thermisch und mechanisch) arbeiten, sondern es ist ebensogut eine Kombination verschiedener Prinzipe, evtl. in Kaskadenanordnung, möglich.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Beseitigung des Einflusses der verzögernden Wirkung der Adhäsion und Kohäsion zwischen dem Quecksilber und der Gefäßwand bei Quecksilberschaltröhren, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltröhre für den jeweils erforderlichen Schaltvorgang durch Erteilung einer Neigung mittels geeigneter Hilfsorgane vorbereitet wird, derart, daß für ihr eigentliches Schalten nur eine beliebig geringe weitere Bewegung durch das eigentliche Steuerorgan nötig ist.

2. Einrichtung zur Ausübung des Verfahr ens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vorbereitende Hilf sorgan durch einen Elektromagneten gebildet wird, der mit den Schaltkontakten der Röhre in Reihe oder im Nebenschluß zu ihnen liegen kann und die Quecksilberröhre nach dem von dem eigentlichen Steuerorgan bewirkten Schaltvorgang in entgegengesetztem Sinne um einen gewissen Betrag ausschwenkt.

3. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vorbereitende Hilfsorgan durch ein thermisches Steuerorgan gebildet wird, das durch eine im Neben-Schluß oder im Reihenschluß zu den , Schaltkontakten der Röhre liegende Wicklung beheizt wird.

4. Verfahren zur Beseitigung des Einflusses der verzögernden Wirkung der Adhäsion und Kohäsion zwischen dem Quecksilber und der Gefäßwand bei Quecksilber schaltröhren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeit des vorbereitenden Hilfsorgans dem eigentlichen Steuerorgan mitübertragen wird, derart, daß letzterem zu diesem Zwecke sinngemäß zusätzliche Energie zugeführt bzw. Energie entzogen wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.