DE9108159U1 - Membran-Druckdifferenzschalter - Google Patents

Description

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DR. RUDOLF BAUER · DIPL. fN-G. HELMUT HUBBUCH DIPL.-PHYS. ULRICH TWELMEIER

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A. Steudler GmbH & Co. KG, D-7530 Pforzheim

Membran-Druckdifferenzschalter

Beschreibung;

Die Erfindung geht aus von einem Membran-Druckdifferenzschalter mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Aus der EP-279 390-Al ist ein Drucksensor bekannt, der zwei durch eine Membran gas- und flüssigkeitsdicht getrennte Druckkammern und einen in einer der Kammern angeordneten, verschwenkbaren Hebel aufweist. Der Hebel ist an seinem einen Ende festgelegt und an seinem anderen Ende weist er einen Permanentmagneten auf, dessen Magnetfeld auf mindestens einen Reedschalter einwirkt, um diesen je nach Verschwenkung des Hebels zu öffnen oder zu schließen. Der Hebel liegt auf der Membran auf und wird durch deren Auslenkung verschwenkt. Die Rückstellung des Hebels wird durch eine Druckfeder erreicht, welche zwischen dem Hebel und dem Gehäuse in einer rohrförmigen Führung auf der der Membran abgewanten Seite angebracht ist. Die Druckfeder kann durch eine Stell-

schraube in ihrer Position in der röhrenförmigen Führung verändert werden.

Nachteilig bei dem aus der EP-289 390-Al bekannten Membran-Druckdifferenzschalter ist, daß durch die Vielzahl der beweglichen Teile die Reibung für das Betätigen des Schalters relativ groß ist und die Fertigungsqualität der beweglichen Teile sehr hoch sein muß, damit die Reibung nicht zusätzlich vergrößert wird, sodaß die Gefahr eines Blockierens des Schaltmechanismus möglichst gering gehalten wird. Diese Maßnahmen führen zu hohen Fertigungskosten des Schalters bei nicht allzu hoher Betriebssicherheit.

Aus der DE-23 62 839 ist ein Druckknopfschalter bekannt, der durch Betätigen eines Stößels, der in einer engen Führung gelagert ist, mechanisch den Kontakt schließt bzw. öffnet. Der verschiebbare Stößel ist mit einem großflächigen ringförmigen Magnet versehen, welchem ein ebenfalls ringförmiger Magnet gegenüberliegt und diesen so abstößt, daß der Stößel in der engen Führung zurückgleitet. Es hat sich gezeigt, daß eine solche Anordnung sehr hemmungsanfällig ist, da schon geringe Toleranzen in der Herstellung bzw. geringe Ablagerungen oder Abriebe die Beweglichkeit des Stößels mit dem Magneten in Frage stellen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den bekannten Membran-Druckdifferenzschalter dahingehend zu verbessern, daß die Betriebssicherheit und Funktionssicherheit bei möglichst geringen Kosten des Schalters erhöht werden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Membran-Druckdifferenzschalter mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der erfindungsgemäße Membran-Druckdifferenzschalter enthält zwei Druckkammern, welche durch das Gehäuse des Schalters und einer Membran, welche zwischen den beiden Druckkammern liegt, begrenzt werden. Jede Druckkammer besitzt einen separaten Druckanschluß. Werden die Kammern mit einem Differenzdruck beaufschlagt, so wird die Membran ausgelenkt und sie betätigt einen Biegehebel, welcher an einem Ende festgelegt ist und welcher an seinem anderen Ende einen Schaltmagneten zum Betätigen eines Reedschalters trägt. Wird also die Membran ausgelenkt, so wird der Biegehebel um sein festgelegtes Ende verschwenkt und der Schaltmagnet wird an den Reedkontakten vorbeigeführt, sodaß dessen Magnetfeld diese schließt oder öffnet. Der Biegehebel wird beim Zurückkehren der Membran in die Ausgangslage durch eine Rückstellvorrichtung zurückgeschwenkt. Erfindungsgemäß wird diese Rückstellvorrichtung durch einen direkt auf dem Biegehebel befestigten Magneten und einem Gegenmagneten gebildet, welcher mit Abstand und bezüglich des Biegehebels auf der anderen Seite der Membran feststehend angeordnet ist. Durch die abstoßende Wirkung der Magnete bzw. deren Magnetfelder wird der Biegehebel besonders einfach zurückgestellt.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Rückstellvorrichtung mit dem feststehenden Gegenmagneten konnte die Anzahl der beweglichen Bauteile des Schalters, welche sich aufgrund

ihrer Reibung als besonders nachteilig herausgestellt haben, reduziert werden. Dadurch konnte die Betriebssicherheit des Schalters wesentlich erhöht werden, da nun die Reibungsverluste deutlich reduziert wurden und die Probleme mit dem Verkanten und Blockieren der Feder in der rohrförmigen Führung des Rückstellelementes beim Stand der Technik nicht mehr gegeben sind. Zudem können die Anforderungen an die Fertigungsqualität der einzelnen Bauteile gesenkt werden, was zu einer deutlichen Senkung der Kosten für die Fertigung führt. Durch die reibungsfreie und kontraktfreie Rückstellvorrichtung gelingt es nun, die Funktionsfähigkeit der Rückstellvorrichtung über eine beliebig lange Zeit zu gewährleisten, was bei der Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik durch die Abnutzung und Reibung zwischen der Druckfeder und der rohrförmigen Führung nicht gewährleistet ist.

Auch ist es durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Rückstellvorrichtung nun gegenüber dem Stand der Technik gemäß der EP-289 390-Al möglich, bei gleicher Verschwenkung einen größeren Druckdifferenzbereich abzudecken, denn die erfindungsgemäße Rückstellvorrichtung weist eine quadratische Kennlinie auf, die Federrückstellung dagegen nur eine lineare.

Vorteilhafterweise wird der Gegenmagnet an einer Stellschraube befestigt, welche im Gehäuse drehbar gelagert ist, sodaß durch Verdrehen der Stellschraube der Abstand zwischen dem Magneten auf dem Biegehebel und dem auf der Stellschraube feststehenden Gegenmagneten den Schaltbedingungen angepaßt werden kann. Es erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn die Stellschraube durch die Gehäuseaußenwand hindurchragt und

somit von außen betätigt werden kann. Dadurch gelingt es, die Schaltcharakteristiken ohne besonderen Montageaufwand geänderten Anforderungen schnell und einfach anzupassen.

Vorzugsweise wird das Gehäuse mit einem Anschlag für die maximale Verschwenkung des Biegehebels bzw. für die maximale Auslenkung der Membran versehen. Dadurch wird verhindert, daß die Membran durch eine zu starke Auslenkung einen Schaden erleidet. Durch diesen Anschlag wird also die Betriebs-Sicherheit des Schalters über einen größeren Zeitraum weiter gesichert.

Vorzugsweise werden Magnete aus einer Samarium-Kobalt-Legierung verwendet, da sie bei kleinem Volumen und kleinem Gewicht ein sehr starkes Magnetfeld ausbilden, sodaß die mechanische Behinderung durch die Masse und die Sperrigkeit der Magnete sehr gering gehalten werden kann. Durch die starken Magnetfelder wird in besonders vorteilhafter Weise der Arbeitsbereich für das Schalten des Schalters bei Druckunterschieden wesentlich vergrößert, da dieser abhängig von der magnetischen Feldstärke der Magnete ist.

Als besonders kostengünstig und technisch einfach zu handhaben, hat es sich erwiesen, die Magnete einfach auf den Biegehebel bzw. das Gehäuse oder die Stellschraube aufzukleben.

Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels.

Figur 1 zeigt den schematischen Aufbau eines Membran-Druckdifferenzschalters in einem Querschnitt,

Figur 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel in einer teilweisen geschnittenen Darstellung.

Der Membran-Druckdifferenzschalter zeigt ein Gehäuse, dessen Innenraum durch eine auslenkbare, flüssigkeits- und gasdichte Membran 1 in zwei getrennte Druckkammern 2 und 3 unterteilt wird. Die beiden Druckkammern 2 und 3 weisen einen Druckanschluß 14 und 15 auf, an denen der Druck Pl und P2 anliegt. Je nach den Druckverhältnissen wird die Membran 1 nach oben oder nach unten ausgelenkt. In der Mitte der Membran 1 im Bereich der größten Membranauslenkung ist ein Aufsatz 11 angebracht, welcher an den Biegehebel 4 anschlägt und bei der Auslenkung der Membran 1 diesen verschwenkt. Der Biegehebel 4 weist ein durch eine Verschraubung festgelegtes Ende 5 auf. Das andere Ende 6 ist als Fahne 12 ausgebildet und weist einen Schaltmagneten 7 zum Betätigen eines Reedschalters 8 auf, welcher in Fig. 1 schematisch ohne Anschlußleitungen dargestellt ist. Zwischen dem festgelegten Ende 5 und der Fahne 12 befindet sich im Bereich des Aufsatzes 11 auf dem Biegehebel 4 auf der der Membran 1 abgewandten Seite ein Magnet 9,welchem gegenüberliegend in Abstand ein Gegenmagnet 10 angeordnet ist, welcher auf einem Sockel 13 feststehend angeordnet ist. Die Magnete 9 und 10 sind so zueinander ausgerichtet, daß sie sich gegenseitig abstoßen. Beide Magnete 9 und 10 sind auf dem Biegehebel 4 bzw. dem Sockel 13 festgeklebt. Der Magnet 9 und der Gegenmagnet 10 bewirken die Rückstellung des Biegehebels 4 aus einer nach oben ausgelenkten Position (der Druck in der

Druckkammer 3 ist größer als der Druck in der Druckkammer 2) in die Ausgangsposition oder darüberhinaus (der Druck in der Druckkammer 3 ist kleiner als der Druck in der Druckkammer 2). Die Kraftwirkung der beiden Magnete aufeinander ist umgekehrt proportional zum Quadrat ihres Abstandes, das bedeutet, daß bei halbiertem Abstand die Abstoßungskraft vervierfacht wird. Durch diese Beziehung wird deutlich, daß selbst bei geringen Verschwenkungswegen große Änderungen in der Abstoßungskraft auftreten können, sodaß der Schalter auch für einen großen Druckdifferenzbereich eingesetzt werden kann.

In Figur 2 ist eine konkrete Ausbildung der Erfindung in einer teilweisen geschnittenen Darstellung dargestellt. Der Schalter weist ein zweiteiliges Gehäuse mit einem Deckel 19 auf. Die zwei Gehäuseteile sind mit Hilfe von Schraubverbindungen fest miteinander verbunden. Zwischen ihren Stoßflächen ist die Membran 1 fest eingeklemmt. Die Membran 1 trennt die beiden Druckkammern 2 und 3, welche über die Druckanschlüsse 14 und 15 mit den zu vergleichenden Drücken beaufschlagt werden. Die gas- und flüssigkeitsdichte Membran 1 ist so ausgebildet, daß sie je nach der Druckdifferenz nach oben oder nach unten ausgelenkt werden kann. Auf der Oberfläche der Membran 1 befindet sich in zentraler Anordnung der Aufsatz 11, welcher sich flächig über einen Großteil der Membran erstreckt. Der Aufsatz 11 steht in Kontakt mit dem Biegehebel 4, welcher an seinem festgelegten Ende 5 mit dem einen Gehäuseteil fest verschraubt ist und welcher an seinem anderen Ende 6 eine Fahne 12 hat, auf der ein Schaltmagnet 7 befestigt ist. Wird die Membran 1 ausgelenkt, so wird der Biegehebel 4 so verschwenkt, daß der Schaltmag-

net 7 den Reedschalter 8 (teilweise verdeckt durch die Fahne 12) betätigt und diesen somit schließt oder öffnet. Der Reedschalter 8 kann durch die Einstelleinrichtung 17 in seiner Position verändert werden, sodaß der Schaltzeitpunkt und die Schaltcharakteristik verändert werden können. Wird der Biegehebel 4 nach oben verschwenkt, so wird auch der auf dem Biegehebel 4 festgeklebte Magnet 9 aus einer Samarium-Kobalt-Legierung mit nach oben verschwenkt und nähert sich somit dem über ihm an einer festen Stelle angeordneten Gegenmagneten 10, sodaß die Abstoßungskraft der beiden Magneten vergrößert wird, wodurch eine zusätzliche Kraft durch die Magneten über den Biegehebel 4 auf die Membran entgegen deren Auslenkung erzeugt wird. Die Anordnung aus dem Magneten 9 und dem Gegenmagneten 10 gewährleistet die Rückstellung des Biegehebels 4 und auch der Membran 1. Der Gegenmagnet 10 ist auf einer Stellschraube 18 angeordnet, wodurch die feste Position des Gegenmagneten 10 den gewünschten Schaltbedingungen im Rahmen der Herstellung oder der Wartungsarbeiten angepaßt werden kann. Die Stellschraube 18 ragt aus dem Gehäuse nach außen heraus, was eine besonders einfache Wartung und Einstellung ermöglicht. Die Verbindung zwischen Stellschraube und Gehäuse ist gas- und flüssigkeitsdicht ausgeführt. Zum Schutz der Einstellschraube und der elektrischen Kontakte ist die Oberseite des Gehäuses mit einem Deckel 19 versehen, welcher auf das Gehäuse aufgeschraubt wird. In der Druckkammer 2 ist ein Anschlag 16 für den Biegehebel 4 zur Begrenzung der maximalen Verschwenkung angebracht. Er wird vorzugsweise im Bereich der maximalen Auslenkung der Membran angeordnet sein. Die Magneten 7,9 und 10 sind aus einer Samarium-Kobalt-Legierung hergestellt, welche ein sehr starkes Magnetfeld bei geringer Masse und Volumen der Magnete auf-

weist. Dadurch können die Magnete sehr klein gehalten werden, was sich für die Konstruktion des Membran-Druckdifferenzschalters als besonders vorteilhaft erweist. Zudem konnten die Massen der beweglichen Teile deutlich reduziert werden, was sich vorteilhat auf die Schalthysterisis des Membran-Druckdifferenzschalters auswirkt. Es gelang sogar, die Rückstellvorrichtung völlig reibungsfrei auszubilden.

Claims (6)

Schutzansprüche:

1. Membran-Druckdifferenzschalter mit zwei durch eine auslenkbare Membran (1) getrennte, flüssigkeits- und gasdichte Druckkammern (2, 3) mit einem Biegehebel (4), welcher an einem Ende (5) festgelegt ist, welcher an seinem anderen Ende (6) einen Schaltmagneten (7) zur Betätigung eines Riedschalters (8) hat, welcher an die Membran (1) verschwenkbar gekoppelt ist und welcher mit einer Rückstellvorrichtung versehen ist, dadurch gekennzeichnet,

daß die Rückstellvorrichtung aus einem ersten Magneten (9) am Biegehebel (4) und einem zweiten dem ersten Magneten (9) im Abstand gegenüberliegenden und feststehenden Gegenmagneten (10) besteht.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der Gegenmagnet (10) auf einer Stellschraube (18) zur Justierung des Abstandes zum Magneten (9) befestigt ist.

3. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß sich auf der Membranmitte ein Aufsatz (11) befindet, welcher die Membran (1) mit dem Biegehebel (4) koppelt.

4. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der Schalter ein Anschlag (16) zur Begrenzung der maximalen Verschwenkung des Biegehebels (4) aufweist.

5· Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Magnete aus einer Samarium-Kobalt-Legierung bestehen.

6. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Magnete (9, 10) auf ihren Trägern festgeklebt sind.