[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Membran-Druckschalter der im Oberbegriff des
Anspruchs 1 genannten Art.
[0002] Ein solcher, aus der US-PS 3 786 211 bekannter Druckschalter ist dazu bestimmt,
als Differenzdruckschalter ausschliesslich bei einer plötzlichen Druckänderung anzusprechen.
Der Hebel dieses bekannten Druckschalters ist als zweiarmiger Hebel einerends mit
der Membran und andernends mit einem Anker verbunden, der das Magnetfeld eines gehäusefesten
Permanentmagneten zur Betätigung eines Reedschalters beeinflusst. Zur Lagerung dieses
Hebels und auch zu seiner gelenkigen Verbindung mit der Membran dient je ein Zapfen.
Eine solche, Zapfen aufweisende Ausführung stellt zwar eine stabile Konstruktion
dar, ist jedoch wegen der damit verbundenen Reibung für erhöhte Genauigkeitsansprüche
nicht geeignet. Zudem ist auch noch der mit dem Hebel verbundene Anker in einer gehäusefesten
Bohrung geführt, so dass weitere Reibungskräfte auftreten.
[0003] Nahezu ohne Reibungskräfte arbeitet ein in der DE-OS 26 08 064 beschriebener Druckschalter,
bei dem ein Permanentmagnet zur Betätigung eines Reedschalters im Zentrum auf einer
Membran befestigt ist. Eine solche Ausführung ist jedoch mit dem Nachteil behaftet,
dass der Magnet unkontrollierbare Taumelbewegungen der Membran mitmacht, wodurch Schaltungenauigkeiten
entstehen können. Solche Taumelbewegungen können durch Unterschiede in der Wanddicke
oder anderen mechanischen Spannungen am Umfang der Verformungszone der Membran auftreten.
Eine Anordnung einer auf das Zentrum der Membran wirkenden einstellbaren Druckfeder
ist bei dieser Ausführung nicht möglich.
[0004] Vermeiden lassen sich solche Taumelbewegungen des Betätigungsmagneten bei einer
Ausführung nach dem DE-GM 82 29 493, bei welcher der Magnet an einem einerends mit
der Membran verbundenen und anderends in einer gehäusefesten Führung geführten Stab
befestigt ist. Diese bekannte Ausführung ist jedoch ebenfalls mit dem Nachteil der
durch die Führung verursachten Reibung behaftet und gestattet keine Uebersetzung des
Membranhubes auf den Betätigungsmagneten.
[0005] Die Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung eines Membran-Druckschalters, dessen
druckabhängige Auslenkung der Membran zur Erzielung einer hohen Schaltgenauigkeit
nahezu reibungs- und taumelfrei auf den Betätigungsmagneten des Reedschalters übertragen
wird und dessen bei der Installation zugängliche Elemente ausschliesslich auf einer
Seite der Membran angeordent sind.
[0006] Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil des
Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
[0007] Durch die erfindungsgemässe Lösung lässt sich insbesondere bei niederen Drücken
ab beispielsweise 0,2 mbar Differenzdruck, eine hohe Schaltgenauigkeit erzielen, da
sowohl der Biege- als auch der Gelenkhebel praktisch keiner Reibung unterworfen ist
und ferner nur die axiale Komponente bei der druckabhängigen Auslenkung der Membran
auf den Hebel übertragen wird. Auch auf der Seite des Magneten entfällt jegliche mechanische
Reibung, da dieser vom Hebel getragen wird. Es lässt sich somit ein hochempfindlicher
Membran-Druckschalter verwirklichen, der bei geringer Druckdifferenz nicht nur zuverlässig
in die Betriebsstellung, sondern ebenso zuverlässig auch wieder in den Anfangszustand
zurückschaltet.
[0008] Bei einer bevorzugten Ausführungsform nach Anspruch 2 ist der Biegehebel mit Ausnahme
im Bereich seiner Einspannstelle steif, so dass sich wie beim Gelenkhebel eine lineare
Uebertragung der Bewegung von der Membran auf den Magneten ergibt. Dabei lässt sich
auch durch die Wahl des Angriffspunktes der Membran am Hebel die Wegübersetzung Membran-Magnet
innerhalb weiter Grenzen frei bestimmen.
[0009] Obwohl der Reedschalter auch quer zur Bewegungsrichtung des Hebelendes angeordnet
sein kann, so dass sich der Magnet bei der Auslenkung des Hebels dem Reedschalter
nähert, ist eine Ausführungsform gemäss Anspruch 3 oder 4 vorteilhaft, weil sich dabei
die Anziehungskraft zwischen dem Magneten und dem Reedschalter bei der Auslenkung
des Hebels wesentlich weniger stark ändert, so dass sich dadurch verursachte Schaltungenauigkeiten
weitgehend vermeiden lassen.
[0010] Noch besser ist jedoch eine Ausführung nach Anspruch 5, weil der Abstand des Magneten
vom Reedschalter dabei nicht mehr durch die bogenförmige Auslenkung des Hebelendes
beeinflusst wird, sondern praktisch unabhängig von der Auslenkung des Hebelarmes konstant
bleibt.
[0011] Bei einer Magnetisierungsrichtung rechtwinklig zur Bewegungsebene des Hebels ist
sie bei einer Ausführung nach Anspruch 5 auch rechtwinklig zum Reedschalter, so dass
dieser geöffnet ist, wenn der Magnet die sich überlappenden Zungenenden des Schalters
gleichermassen beeinflusst, weil sie sich dann gegenseitig abstossen. Wird der Magnet
aus der Mitte des Reedschalters herausbewegt, schliesst der Kontakt. Je nach gewählter
Anordnung des Magneten am Hebelende lässt sich demzufolge der Reedschalter entweder
als Oeffner oder als Schliesser verwenden.
[0012] Bei einer Ausführungsform nach Anspruch 6 erstreckt sich das Hebelende parallel zum
Reedschalter, so dass der Magnet ohne zusätzliche, die Masse erhöhenden Befestigungselemente
unmittelbar auf dem Hebelende befestigt werden kann.
[0013] Anspruch 7 weist auf eine Ausführungsform hin, bei der die Schraubenfeder einerseits
als Zwischenglied zur Einstellung des Schaltpunktes und andererseits zum Andrücken
des Hebels gegen die Membran dient. Bei einer solchen Ausführung entsteht unabhängig
vom Druck der Schraubenfeder keine Verspannung des Hebels, da die als Druckfeder wirkende
Schraubenfeder axial gegen das Zentrum der Membran drückt. Es ist aber auch möglich,
bei einer Ausführung mit Biegehebel die Vorspannung allein durch den Biegehebel zu
erzielen.
[0014] Eine Ausführungsform nach Anspruch 8 ist insbesondere bei einer Verwendung des Druckschalters
für Wasser als Druckmedium verteilhaft.
[0015] Bei einer Ausführungsform nach Anspruch 9 wirkt der Hebel als Magnetjoch, um auf
den Reedschalter ein verstärktes Magnetfeld einwirken zu lassen. Zudem ergibt sich
auch eine magnetische Fixierung des Magneten auf dem Hebel, welche die Befestigung
unterstützt.
[0016] Die Ausführung nach Anspruch 10 ergibt eine gute Langzeitstabilität und eine geringe
Masse für den Magneten. Die geringe Masse macht die Anordnung unempfindlicher gegen
Erschütterungen.
[0017] Nach Anspruch 11 lässt sich der Druckschalter mehrstufig ausführen, um beispielsweise
den einen Schalter zur Druckregelung und den anderen als Sicherheitsauslöser zu verwenden.
[0018] Bei einer Ausführungsform nach Anspruch 12 lässt sich die Schaltdifferenz des Druckschalters
einstellen, während bei einer Ausführungsform nach Anspruch 13 der Schaltpunkt einstellbar
ist, um beispielsweise bei einer Anordnung von zwei Reedschaltern diese gegenseitig
aufeinander abzustimmen.
[0019] Durch eine Ausführung nach Anspruch 14 lässt sich der Reedschalter entweder als Schliesser
oder als Oeffner verwenden.
[0020] Eine Ausführung nach Anspruch 15 ist insbesondere für geringe Drücke oder Druckdifferenzen
geeignet.
[0021] Nachfolgend werden in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 Einen Längsschnitt durch einen Membran-Druckschalter,als erstes Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 wie Fig. 1, jedoch als zweites Ausführungsbeispiel,
Fig. 3 Merkmale des Hebels,
Fig. 4 die Anordnung des Magneten gemäss Fig. 2,
Fig. 5 wie Fig. 1, jedoch als drittes Ausführungsbeispiel und
Fig. 6 eine Draufsicht gemäss Pfeil A nach Fig. 5.
[0022] In der Fig. 1 ist der Innenraum eines zweiteiligen Gehäuses 10 durch eine Membran
12 in eine erste und zweite Kammer 14 bzw. 16 unterteilt. Beide Kammern weisen je
einen Druckanschluss 18 bzw. 20 auf. Dadurch ist es möglich, den Druckschalter für
einen Differenzdruck P₁-P₂ zu verwenden. Beim Druck P₂ kann es sich aber auch um
den Druck der umgebenden Atmosphäre handeln, wenn der Druckanschluss 20 offengelassen
wird.
[0023] Auf dem Membran 12 liegt ein Membranstützteller 22, der in seinem Zentrum einen Ansatz
24 aufweist. Darüber in der zweiten Kammer 16 befindet sich ein einarmiger Biegehebel
26, der mit seinem einen Ende an einer Einspannstelle 28 in Gehäuse 10 eingespannt
ist. An seinem anderen Hebelende 30 trägt der Biegehebel 26 einen Permanent-Magneten
32. Mittels einer nach unten gedrückten Delle 34 liegt der Biegehebel 26 auf dem
Ansatz 24 auf. Eine als Druckfeder wirkende Schraubenfeder 36 ist mittels einer Druckeinstellschraube
38 einstellbar und sorgt dafür, dass der Biegehebel 26 über die Elemente 34, 24 und
22 im ständigen Kontakt mit der Membran 12 bleibt. Die Druckeinstellschraube 38 dient
zum Einstellen des Schaltpunktes.
[0024] Oberhalb des Permanent-Magneten 32 befindet sich in der zweiten Kammer 16 liegend
angeordnet ein Reedschalter 40. Bei einem Anstieg des Druckes P₁ in der ersten Kammer
14 wird die Membran 12 und damit der Hebel 26 nach oben gedrückt, so dass sich der
Magnet 32 dem Reedschalter 40 bis in die Stellung 32a nähert, um dessen Kontaktzungen
zu betätigen.
[0025] Der Hebel 26 ist vorzugsweise nur in dem seiner Einspannstelle 28 benachbarten Bereich
42 biegsam und in seinem übrigen Bereich steif aufgeführt. Eine solche Ausführung
zeigt beispielsweise Fig. 3, aus der hervorgeht, dass der Hebel 26 seiner Einspannstelle
28 benachbart ein Loch 44 zur Definition der Biegestelle 42 und zur Auslegung seiner
Federkonstante aufweist. Der Biegehebel 26 besteht vorzugsweise aus einem dünnen,
federelastischen ferromagnetischen Werkstoff. Um den Hebel 26 ausserhalb seiner Biegestelle
42 zu versteifen, sind dessen Ränder 46 u-förmig entweder nach oben oder nach unten
abgewinkelt. Aus der Fig. 3 ist ferner die Delle 34 ersichtlich.
[0026] Die Ausführung nach der Fig. 2 unterscheidet sich von derjenigen nach der Fig. 1
durch die stehende Anordnung des Reedschalters 40ʹ, und durch das abgewinkelte Ende
30ʹ des Hebels 26ʹ. Durch eine solche Anordnung führt der Magnet 32ʹ eine bogenförmige
Bewegung vor dem Reedschalter 40ʹ aus, welche jedoch im wesentlichen in der Längserstreckung
des Reedschalters 40ʹ verläuft. Durch eine solche Anordnung wird die unterschiedliche
magnetische Beeinflussung zwischen dem Magneten 32 und dem Reedschalter 40 nach
der Fig. 1 weitgehend vermieden. Durch eine solche Beeinflussung kann das Kräfteverhältnis
zwischen dem auf die Membran 12 einwirkenden Druck und der Druckfeder 36 insbesondere
bei einem niedrigen Druckniveau gestört werden. Bei einer Ausführung nach der Fig.
2 hingegen, bei der sich der Reedschalter 40ʹ im wesentlichen in Bewegungsrichtung
des Hebelendes 30ʹ erstreckt, ergibt sich nur noch eine geringfügige Beeinflussung
durch die bogenförmige Bewegung des Magneten 32ʹ.
[0027] In der Fig. 4 ist ein Detail aus der Fig. 2 in einem grösseren Massstab dargestellt.
Diese Figur dient zur Erläuterung, dass der auf dem abgewinkelten Hebelende 30ʹ aufgeklebte
Magnet 32ʹ in seiner Achsrichtung magnetisiert ist, so dass die Magnetisierungsrichtung
im wesentlichen rechtwinklig zum Reedschalter 40ʹ verläuft. Das hat zur Folge, dass
sich die Kontaktzungen 48 gegenseitig voneinander abstossen, wenn sich der Magnet
32ʹ in der Stellung A befinden. Wird der Magnet 32ʹ hingegen in die Stellung B versetzt,
dann werden die Kontaktzungen 48 unterschiedlich magnetisiert, so dass sie sich gegenseitig
anziehen und den Kontakt schliessen. In der Annahme, dass sich der Hebel 26ʹ in der
in der Fig. 4 dargestellten Lage in seiner Ruhestellung befindet und bei einer Druckbeaufschlagung
in Pfeilrichtung bewegt wird, arbeitet der Reedschalter 40ʹ als Schliesser, wenn
der Magnet 32ʹ in der Stellung A befestigt ist und als Oeffner wenn der Magnet 32ʹ
in der Stellung B am Hebelende 30ʹ befestigt ist.
[0028] Die in der Fig. 5 dargestellte Ausführung unterscheidet sich von der Ausführung nach
den Fig. 2 und 4 dadurch, dass der Reedschalter 40ʺ neben der Bewegungsbahn des Hebelendes
30ʺ angeordnet ist und dass der Magnet 32ʺ derart ausgerichtet ist, dass seine Magnetisierungsrichtung
rechtwinklig zur Bewegungsebene des Hebels 26ʺ verläuft.
[0029] Die Fig. 6 zeigt ein Detail aus der Fig. 5 in einem vergrösserten Massstab in einer
Draufsicht gemäss Pfeil A nach der Fig. 5. Bei einer solchen Anordnung liegt der Reedschalter
parallel zur Bewegungsebene des Hebels 26ʺ. Dadurch ergibt sich bei der Bewegung des
Hebels keine Abstandsänderung des Magneten 32ʺ zum Reedschalter 40ʺ, so dass die Beeinflussung
der magnetischen Kräfte auf den Hebel 26ʺ äusserst gering ist. Die Folge davon ist
eine besonders hohe Genauigkeit bei der Einhaltung der gewählten Schaltpunkte.
[0030] Im Gegensatz zu den ausgeführten Ausführungsbeispielen ist es auch möglich, den Reedschalter
ausserhalb der Kammer, jedoch im Wirkungsbereich des Magneten anzuordnen. Voraussetzung
dafür ist, dass die Kammerwand zwischen dem Magneten und dem Reedschalter aus einem
un magnetischen Werkstoff besteht.
[0031] Ferner ist es möglich, insbesondere bei einer Ausführungsform nach den Fig. 5 und
6 mindestens zwei Reedschalter im Wirkungsbereich des Magneten 32ʺ anzuordnen. Eine
solche Ausführung ist dann sinnvoll, wenn Schaltfunktionen gestaffelt ausgeübt werden
sollen, beispielsweise eine Reglerfunktion bei einem vorbestimmten Druck und eine
Sicherheitsfunktion bei einem höheren Druck.
[0032] In allen dargestellten Ausführungsformen ist gemeinsam, dass zwischen der Membran
und dem Hebel keine Verspannung möglich ist, da zwischen beiden Elementen durch die
Delle 34 praktisch nur ein punktförmiger Angriffspunkt vorhanden ist. So wird einerseits
keine Taumelbewegung der Membran auf den Hebel übertragen und andererseits kann die
Druckfeder 36 keine Verspannung der Membran 12 verursachen.
[0033] Die wesentlichen Vorteile der erfindungsgemässen Lösung liegen in der Erzielung einer
hohen Schaltgenauigkeit, da der Hebel praktisch reibungsfrei bewegbar ist und folglich
auch sehr massearm ausgeführt sein kann. Besonders vorteilhaft wirkt sich in diesem
Zusammenhang auch die Verwendung eines Permanent-Magneten aus, der seltene Erden oder
Verbindungen damit, wie z. B. Samarium-Cobalt und/oder Neodym enthält, da ein solcher
Magnet bei der erforderlichen Magnetkraft eine geringe Masse aufweist. Zudem zeichnen
sich diese Magnetmaterialien insbesondere durch eine hohe Langzeit- und Temperaturstabilität
aus.
[0034] Im Gegensatz zu den als Beispiel dargestellten Ausführungen kann anstelle des Biegehebels
selbstverständlich auch ein Gelenkhebel verwendet werden, da sich ein solcher Hebel
nahezu reibungsfrei lagern lässt. Entscheidend ist, dass die Anordnung aller beweglichen
Teile ausser der Lagerung, entweder des Biegehebels oder des Gelenkhebels, keiner
Reibung unterworfen ist. Ein Gelenkhebel lässt sich sich einfacher steif ausführen
als ein Biegehebel.
[0035] Zur Verstellung der Schaltdifferenz kann der Reedschalter 40ʹ gemäss Fig. 4 in Pfeilrichtung
50 verstellbar angeordnet sein. Dazu kann er beispielsweise auf einem schlittenähnlichen
Träger befestigt und mittels einer Einstellschraube verstellt werden. Durch eine Verstellung
in Pfeilrichtung 52 lässt sich der Schaltpunkt einstellen. Beide Verstellmöglichkeiten
50 und 52 lassen sich beispielsweise mit einer Einstellvorrichtung verwirklichen,
die eine parallel zur Längserstreckung des Reedschalters angeordete Stellschraube
und eine darauf verschiebbare Mutter aufweist, wobei die Mutter mittels damit verbundener
Zapfen in Schräglöcher geführt ist, so dass die Hubbewegung in eine seitliche Verschiebung
umgesetzt wird. Wird nun die seitliche Verschiebemöglichkeit aufgehoben, dann ist
mit der selben Anordnung eine Verschiebung in Längsrichtung zum Reedschalter möglich.
1. Membran-Druckschalter mit zwei durch die Membran (12) voneinander getrennten Kammern
(14, 16) und einem durch die Membran (12) zwischen zwei Stellungen verschwenkbaren,
in der einen Kammer (16) angeordneten Hebel (26, 26ʹ, 26ʺ), welcher das Magnetfeld
eines Permanent-Magneten (32, 32ʹ, 32ʺ) auf mindestens einen Reedschalter (40) einwirken
lässt, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebel (26, 26ʹ, 26ʺ) ein einerends (28) eingespannter
Biege- oder Gelenkhebel ist, der andernends (30, 30ʹ, 30ʺ) den Magneten (32, 32ʹ,
32ʺ) trägt, und die Membran (12) zwischen den Enden am Hebel (26, 26ʹ, 26ʺ) angreift.
2. Druckschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegehebel (26,
26ʹ, 26ʺ) nur in dem seiner Einspannstelle (28) benachbarten Bereich (42) biegsam
ist.
3. Druckschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Reedschalter
(40ʹ) im wesentlichen in Bewegungsrichtung des Hebelendes (30ʹ) erstreckt und dass
der Magnet (32ʹ) derart am Hebelende (30ʹ) angeordent ist, dass seine Magnetisierungsrichtung
den Reedschalter im wesentlichen rechtwinklig kreuzt (Fig. 4 + 5).
4. Druckschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Reedschalter
(40ʹ) im wesentlichen in Bewegungsrichtung des Hebelendes (30ʹ) erstreckt und dass
der Magnet (32ʹ) derart am Hebelende (30ʹ) angeordent ist, dass seine Magnetiesierungsrichtung
parallel zum Reedschalter (40ʹ) verläuft.
5. Druckschalter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Reedschalter
(40ʺ) neben der Bewegungsbahn des Hebelendes (30ʺ) angeordent ist (Fig. 5 + 6).
6. Druckschalter nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das
Hebelnde (30ʹ, 30ʺ) zur Befestigung des Magneten (32ʹ, 32ʺ) entweder quer zur Längserstreckung
des Hebels (27ʹ) oder parallel zu seiner (26ʺ) Längserstreckung abgewinkelt ist.
7. Druckschalter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Hebel mittels einer koaxial zur Membran (12) angeordneten Schraubenfeder (36),
deren Druck einstellbar ist, gegen die Membran (12) vorgespannt ist.
8. Druckschalter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Magnet unmittelbar am Hebelende befestigt und der Reedschalter ausserhalb der
durch Wände aus einem unmagnetischen Werkstoff begrenzten Kammer angeordent ist.
9. Druckschalter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Hebel aus ferromagnetischem Werkstoff besteht.
10. Druckschalter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Magnet z. B. Samarium-Cobalt und/oder Neodym enthält, als runde Scheibe in seiner
Achsrichtung oder als Stabmagnet in Bewegungsrichtung des Hebelendes polarisiert ist.
11. Druckschalter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens zwei Reedschalter zum gestaffelten Schalten bei unterschiedlichen Drücken
zueinander versetzt angeordnet sind.
12. Druckschalter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Abstand mindestens eines Reedschalters von der Bewegungsbahn des Magneten veränderbar
ist.
13. Druckschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens ein Reedschalter in seiner Längsrichtung verstellbar ist.
14. Druckschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das abgewinkelte
Hebelende (30ʹ, 30ʺ) derart lang bemessen ist, dass der Magnet (32ʹ, 32ʺ) in der Ruhestellung
der Membran (12) entweder in einer ersten Stellung (A) oder in einer zweiten Stelllung
(B) am Hebelende (30ʹ, 30ʺ) befestigt ist, um in der ersten Stellung (A) eine Schliesserfunktion
oder in der zweiten Stellung (B) eine Oeffnerfunktion des Reedschalters (40ʹ, 40ʺ)
zu bewirken (Fig. 4).
15. Druckschalter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Biegehebel (26, 26ʹ, 26ʺ) zur Erzielung eines geringstmöglichen Gewichtes aus
einem Federwerkstoff geringer Dicke besteht und in seiner Längserstreckung ausserhalb
des der Einspannstelle (28) benachbarten Bereiches (42) durch Längsrippen (46) versteift
ist (Fig. 3).