EP0206132B1 - Druckabhängig gesteuerter Schalter - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to pressure-controlled switches according to the preamble of claim 1. If such switches are used to monitor low pressures, a relatively large membrane must be provided to generate the required switching force. In addition, the exact adjustment of such low-pressure switches and the maintenance of the setting once made difficulties over long periods of time, because in view of the low pressure, even small changes in the membrane properties, for example as a result of aging, or mechanical hysteresis in the switch actuation mechanism can lead to noticeable changes in the response behavior of the switch.
- the object of the invention is to remedy this situation and to propose a pressure-dependent controlled switch, in particular for monitoring low pressures, which takes up little space, is easily adjustable and does not require high-precision individual parts and complicated adjustment processes in production.
- a working membrane 3 is clamped on its outer circumference between a housing base 1 and a base plate 2. It carries on its membrane plate 4 a pin 5 which acts on the plunger 7 of a snap switch 8 via a lever 6.
- a return spring 9 is supported on an adjustable screw 10 in the housing. The force of the spring 9 counteracts the pressure P s prevailing in the membrane chamber 11.
- This control pressure P s arises in the line 12 between the membrane chamber 11 and a blow-off valve 13, to which a supply pressure P G , for example the pressure of a gas supply line, is supplied via a throttle point 14.
- the blow-off valve 13 consists of a plate-shaped valve seat 15 and an annular closing body 16 which is fastened to the underside of a control membrane 17.
- the closing body 16 has a diameter d 1, while the membrane 17 has a larger diameter d 2.
- the valve seat 15 is clamped together with the membrane 17 in a sealed manner between the housing part 1 and a cap 18, the closure 19 of which has a connection 20 for the pressure P M to be monitored.
- An opening 21 in the valve seat plate 15 represents a connection between the space lying outside the valve seat above and below the valve plate 15. This space is connected to a blow-off line 22.
- the pressure switch ensures, for example, that the gas supply to the burner is only opened when a blower providing the combustion air generates a sufficient combustion air pressure.
- This combustion air pressure P M to be monitored is fed via the connection 20 into the chamber 24 above the membrane 17 and presses the membrane 17 downward.
- the control pressure in the line 12 and the membrane chamber 11 thus increases.
- the membrane 3 is moved together with the pin 5 and the lever 6 is pivoted clockwise.
- the switch 8 is actuated via the plunger 7. This releases the gas supply to the burner via the solenoid valve mentioned.
- the pressure-controlled switch according to FIG. 1 not only monitors the combustion air pressure P M , but also the supply gas pressure P G , because without such a membrane 3 and with it pin 5 cannot exist in channel 12 and in membrane chamber 11 Build up moving working pressure.
- both the combustion air pressure to be monitored and the gas supply pressure can be monitored with a single pressure-operated switch.
- control pressure P S is thus compared to the pressure to be monitored by a factor which depends both on the level of the gas supply pressure P G and on the ratio of the effective membrane areas S1 and S2.
- This pressure boost makes it possible to generate the force required to actuate the switch 8 with a diaphragm 3 of a much smaller diameter than would be the case if the pressure P M were passed directly into the diaphragm chamber 11.
- the adjusting screw 10 allows a precise adjustment of the response pressure.
- FIG. 2 shows a differential pressure controlled switch and its application for monitoring a gas-fired water heater with a fan burner.
- a second control membrane 32 is arranged in a housing 31 placed on the cap 18, which transmits its force to the first control membrane 17 via a spring 33.
- the cup-shaped housing 31 has a pressure inlet 40.
- the plunger 35 of which is actuated by a lever 36 through the end of the pin 5.
- the lever 36 is pretensioned by a spring 37 which is supported on an adjusting screw 38.
- the inlet 23 is connected to a gas supply line 42 via a safety valve 41.
- a gas control device 43 controls the gas supply to the combustion chamber 44 as a function of the heat requirement.
- the blow-off line 22 opens into the lower part of the combustion chamber 44.
- the fan 45 generates combustion air under a pressure P 1 and blows it into the combustion chamber 44.
- the combustion air pressure also reaches the inlet chamber 39 of the pot-shaped housing 31 via the line 40 and thus acts on the membrane 32.
- the water to be heated flows through the heat exchanger 46.
- the line 48 opens into the combustion chamber 44 and transmits the pressure P 2 prevailing at the outlet of the combustion chamber 44 via the line 48 and the inlet 20 into the control chamber 24 between the membranes 32 and 17.
- An operating contact of the switch 8 is in turn in the excitation circuit of a gas solenoid valve, for example an on-off valve within the gas regulator 43.
- the switch 34 has a normally closed contact which can be switched on in the same excitation circuit or in another gas valve.
- the supply gas pressure P G reaches the channel 12 via the nozzle 14 and attempts to build up a corresponding control pressure in the chamber 11. Without acting on the top of the membranes 17 and 32 pressures P1 and P2, however, the blow-off valve 15, 16 would open fully and prevent sufficient pressure build-up in the chamber 11 to actuate the switch 8. Only when the air pressure P 1 generated by the fan acts on the diaphragm 32 and whose force presses the closing body 16 towards the seat 15 via the spring 33 and the diaphragm 17, does the relief valve go in the closing direction, and the pressure in the chamber 11 rises until the switch 8 is actuated. He turns on the gas supply.
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf druckabhängig gesteuerte Schalter gemäß Gattungsbegriff des Anspruchs 1. Werden solche Schalter zur Überwachung niedriger Drücke eingesetzt, so muß zur Erzeugung der erforderlichen Schaltkraft eine relativ große Membran vorgesehen werden. Außerdem bereitet die genaue Justierung solcher Niederdruckschalter und die Aufrechterhaltung der einmal vorgenommenen Einstellung über lange Zeiträume Schwierigkeiten, weil angesichts des geringen Druckes bereits kleine Änderungen der Membraneigenschaften, beispielsweise infolge Alterung, oder mechanische Hystereerscheinungen im Schalterbetätigungsmechanismus zu merklichen Veränderungen im Ansprechverhalten des Schalters führen können. Aufgabe der Erfindung ist es, hier Abhilfe zu schaffen und einen druckabhängig gesteuerten Schalter, insbesondere zur Überwachung von niedrigen Drücken, vorzuschlagen, welcher wenig Platz beansprucht, leicht einstellbar ist und in der Fertigung keine hochpräzisen Einzelteile und komplizierten Justiervorgänge benötigt. Dieser Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung. Sie macht von dem bei Servodruckreglern bekannten Prinzip der Druckverstärkung Gebrauch, welches hier jedoch zu zusätzlichen Überwachungsmöglichkeiten, nämlich der gleichzeitigen Überwachung mehrerer Funktionen führt. Vorteilhafte Ausgestaltungen und bevorzugte Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger in den Zeichnungen wiedergegebener Ausführungsbeispiele erläutert. Dabei zeigt:
- Figur 1
- eine erste Ausführungsform eines druckabhängig gesteuerten Schalters;
- Figur 2
- ein Ausführungsbeispiel für einen auf Differenzdruck ansprechenden Schalter und dessen Anwendung zur Überwachung eines gasbefeuerten Warmwasserbereiters mit Gebläsebrenner.
- In Figur 1 ist zwischen einem Gehäusegrundteil 1 und einer Bodenplatte 2 eine Arbeitsmembran 3 an ihrem äußeren Umfang eingespannt. Sie trägt an ihrer Membranplatte 4 einen Stift 5, der über einen Hebel 6 auf den Stößel 7 eines Schnappschalters 8 einwirkt. Eine Rückstellfeder 9 stützt sich an einer im Gehäuse verstellbaren Einstellschraube 10 ab. Die Kraft der Feder 9 wirkt dem in der Membrankammer 11 herrschenden Druck Ps entgegen. Dieser Steuerdruck Ps entsteht in der Leitung 12 zwischen der Membrankammer 11 und einem Abblasventil 13, dem über eine Drosselstelle 14 ein Versorgungsdruck PG, beispielsweise der Druck einer Gasversorgungsleitung zugeführt wird. Das Abblasventil 13 besteht aus einem plattenförmigen Ventilsitz 15 und einem ringförmigen Schließkörper 16, welcher an der Unterseite einer Steuermembran 17 befestigt ist. Der Schließkörper 16 hat einen Durchmesser d₁, während die Membran 17 einen größeren Durchmesser d₂ aufweist. Der Ventilsitz 15 ist zusammen mit der Membran 17 abgedichtet zwischen dem Gehäuseteil 1 und einer Kappe 18 eingespannt, deren Verschluß 19 einen Anschluß 20 für den zu überwachenden Druck PM aufweist. Eine Öffnung 21 in der Ventilsitzplatte 15 stellt eine Verbindung zwischen dem außerhalb des Ventilsitzes liegenden Raum oberhalb und unterhalb der Ventilplatte 15 dar. Dieser Raum ist an eine Abblasleitung 22 angeschlossen.
- Steht der Versorungsdruck PG am Einlaß 23, so kann sich hinter der Drossel 14 und damit in der Antriebskammer 11 solange kein den Schalter 8 betätigender Steuerdruck aufbauen, wie in der Kammer 24 oberhalb der Membran 17 kein diesem Steuerdruck entgegenwirkender Druck herrscht. Der Druck in der Kammer 11 steht nämlich zugleich unter der Membran 17 und hebt diese zusammen mit dem Schließkörper 16 vom Ventilsitz 15 ab. Damit ist das Servoventil 15, 16 weit geöffnet, und der im Kanal 12 entstehende Druck wird über die Abblasleitung 22 abgebaut. Der Schalter 8 liegt beispielsweise mit einem Arbeitskontakt im Erregerstromkreis eines die Gaszufuhr zu einem Brenner steuernden Magnetventils. Dieses bleibt solange geschlossen, bis der Schalter 8 über den Stift 5, den Hebel 6 und den Stößel 7 betätigt wird. Der Druckschalter sorgt beispielsweise dafür, daß die Gaszufuhr zum Brenner erst geöffnet wird, wenn ein die Verbrennungsluft bereitstellendes Gebläse einen hinreichenden Verbrennungsluftdruck erzeugt. Dieser zu überwachende Verbrennungsluftdruck PM wird über den Anschluß 20 in die Kammer 24 oberhalb der Membran 17 geführt und drückt die Membran 17 nach unten. Je mehr der zu überwachende Druck PM ansteigt, umso weiter verringert er über die Membran 17 und den daran befindlichen ringförmigen Schließkörper 16 den freien Durchlaß des Abblasventils 15, 16. Damit steigt der Steuerdruck in der Leitung 12 und der Membrankammer 11 an. Die Membran 3 wird samt Stift 5 nach oben bewegt und der Hebel 6 im Uhrzeigersinn geschwenkt. Sobald der Druck PM einen vorgegebenen Mindestwert erreicht, wird über den Stößel 7 der Schalter 8 betätigt. Damit wird über das erwähnte Magnetventil die Gaszufuhr zum Brenner freigegeben. In der geschilderten Anwendung überwacht der druckgesteuerte Schalter nach Figur 1 nicht nur den Verbrennungsluftdruck PM, sondern zugleich auch den Versorgungsgasdruck PG, denn ohne einen solchen kann sich im Kanal 12 und in der Membrankammer 11 kein die Membran 3 und mit ihr den Stift 5 bewegender Arbeitsdruck aufbauen. Hier kann also mit einem einzigen druckbetätigten Schalter sowohl der zu überwachende Verbrennungsluftdruck als auch der Gasversorgungsdruck überwacht werden.
- Auf die Membran 17 wirken folgende Kräfte: Von oben der Druck PM multipliziert mit der wirksamen Membranfläche S₂ entsprechend dem Durchmesser d₂; und von unten der Druck PS multipliziert mit der Membranfläche S₁ innerhalb des Ventilsitzes 16 (Durchmesser d₁). Erst wenn die von oben auf die Membran einwirkende, d. h. vom zu überwachenden Druck PM erzeugte Kraft, die von unten, d.h. vom Versorgungsgasdruck erzeugte Kraft hinreichend überwiegt, wird der Durchlaß durch das Abblasventil 15, 16 soweit verringert und damit der in der Membrankammer 11 entstehende Druck soweit erhöht, daß er den Schalter 8 betätigen kann. Da die Fläche S₂ wesentlich größer ist als die Fläche S₁, kann das Abblasventil 15, 16 durch einen relativ niedrigen Druck gesteuert und damit der Schalter 8 zum Ansprechen gebracht werden. Der in der Kammer 11 wirkende Steuerdruck PS ist also gegenüber dem zu überwachenden Druck um einen Faktor verstärkt, welcher sowohl von der Höhe des Gasversorgungsdruckes PG als auch vom Verhältnis der wirksamen Membranflächen S₁ und S₂ abhängt. Durch diese Druckverstärkung gelingt es, die zum Betätigen des Schalters 8 erforderliche Kraft mit einer Membran 3 wesentlich geringeren Durchmessers zu erzeugen als dies der Fall wäre, wenn der Druck PM unmittelbar in die Membrankammer 11 geleitet würde. Die Einstellschraube 10 gestattet eine genaue Justierung des Ansprechdruckes.
- Figur 2 zeigt einen differenzdruckabhängig gesteuerten Schalter und dessen Anwendung zur Überwachung eines gasbeheizten Warmwasserbereiters mit Gebläsebrenner. Soweit die Teile des Differenzdruckschalters mit denjenigen nach Figur 1 übereinstimmen, sind gleiche Bezugszeichen verwendet. Zusätzlich zur ersten Steuermembran 17 ist hier in einem auf die Kappe 18 aufgesetzten Gehäuse 31 eine zweite Steuermembran 32 angeordnet, welche über eine Feder 33 ihre Kraft auf die erste Steuermembran 17 überträgt. Das topfförmige Gehäuse 31 weist einen Druckeinlaß 40 auf. Außer dem Schalter 8 ist hier ein weiterer Schalter 34 vorhanden, dessen Stößel 35 über einen Hebel 36 durch das Ende des Stifts 5 betätigt wird. Der Hebel 36 steht unter der Vorspannung einer Feder 37, die sich an einer Einstellschraube 38 abstützt.
- Der Einlaß 23 ist über ein Sicherheitsventil 41 an eine Gasversorgungsleitung 42 angeschlossen. Ein Gasregelgerät 43 steuert in Abhängigkeit vom Wärmebedarf die Gaszufuhr zur Brennkammer 44. Die Abblasleitung 22 mündet in den unteren Teil der Brennkammer 44. Das Gebläse 45 erzeugt unter einem Druck P₁ stehende Verbrennungsluft und bläst diese in die Verbrennungskammer 44 ein. Der Verbrennungsluftdruck gelangt zugleich über die Leitung 40 in die Einlaßkammer 39 des topfförmigen Gehäuses 31 und wirkt damit auf die Membran 32. Der Wärmetauscher 46 wird von dem zu erhitzenden Wasser durchflossen. In der Nähe des Abgaskanals 47 zum Schornstein mündet die Leitung 48 in die Brennkammer 44 und überträgt den am Auslaß der Brennkammer 44 herrschenden Druck P₂ über die Leitung 48 und den Einlaß 20 in die Steuerkammer 24 zwischen den Membranen 32 und 17. Ein Arbeitskontakt des Schalters 8 liegt wiederum im Erregerstromkreis eines Gasmagnetventils, beispielsweise eines Einschaltventils innerhalb des Gasreglers 43. Der Schalter 34 hat einen Ruhekontakt, der in den gleichen Erregerstromkreis oder in den eines anderen Gasventils eingeschaltet sein kann.
- Sobald das Sicherheitsventil 41 geöffnet wird, gelangt der Versorgungsgasdruck PG über die Düse 14 in den Kanal 12 und versucht in der Kammer 11 einen entsprechenden Steuerdruck aufzubauen. Ohne auf die Oberseite der Membranen 17 und 32 einwirkende Drücke P₁ und P₂ würde jedoch das Abblasventil 15, 16 voll öffnen und einen zur Betätigung des Schalters 8 ausreichenden Druckaufbau in der Kammer 11 verhindern. Erst wenn der von Gebläse erzeugte Luftdruck P₁ auf die Membran 32 einwirkt und deren Kraft über die Feder 33 und die Membran 17 den Schließkörper 16 in Richtung zum Sitz 15 drückt, geht das Abblasventil in Schließrichtung, und der Druck in der Kammer 11 steigt soweit an, bis der Schalter 8 betätigt wird. Er schaltet die Gaszufuhr ein. Dies ist also nur möglich, wenn einerseits der Gasversorgungsdruck PG und andererseits der Verbrennungsluftdruck P₁ vorhanden sind. Auf die Membranen 17 und 32 wirkt jedoch zugleich auch der Druck P₂ am Auslaß der Brennkammer 44 ein. Entsprechend der Membranfläche der Membran 32 entsteht hierdurch eine dem Druck P₁ entgegengerichtete Kraft auf die Membran 32 sowie entsprechend der Membranfläche der Membran 17 eine die Kraft der Feder 33 unterstützende Kraft. Auf diese Weise läßt sich die Strömung von Brenn- und Abgasen durch die Brennkammer 44 überwachen. Sind beispielsweise innerhalb des Wärmetauschers durch Ablagerungen die Gasdurchtrittsquerschnitte verengt, so steigt der Druck P₁ an, während der Druck P₂ abfällt. Dies bedeutet, daß die Druckdifferenz P₁ - P₂ größer wird. Auf die Membran 17 wirkt also über die Feder 33 eine erhöhte Kraft, welche das Abblasventil 15, 16 folglich erst bei einem höheren Druck PS in der Kammer 11 zu einem Kraftgleichgewicht an der Membran 17 führt. Diese Druckerhöhung in der Kammer 11 bewirkt eine weitere Verschiebung des Stiftes 5 und damit über den Hebel 36 eine Betätigung des Schalters 34, dessen Ruhekontakt dann den Brenner abschaltet. Ist der Schornstein oder das Abgasrohr 47 verstopft, so nimmt P₂ den Wert von P₁ an; die Druckdifferenz verschwindet. Durch geeignete Wahl der Membranflächen der Membranen 17 und 32 läßt sich erreichen, daß in diesem Falle die auf die Membran 17 von oben durch den Druck P₂ ausgeübte Kraft soweit ansteigt, bis der Schalter 34 anspricht und den Brenner stillsetzt. Im gezeigten Anwendungsbeispiel wird also durch den differenzdruckabhängigen Schalter sowohl das Vorhandensein des Versorgungsgasdruckes, das ordnungsgemäße Arbeiten des Gebläses als auch der einwandfreie Zug von Brennkammer und Schornstein überwacht. Die Ansprechschwelle des Schalters 34 wird durch die Einstellschraube 38 in Verbindung mit der Feder 37 vorgegeben.
Claims (6)
- Druckabhängig gesteuerter Schalter für mit Gas oder Druckluft betriebene Geräte, insbesondere zur Drucküberwachung in Gasheizanlagen mit einer durch den zu überwachenden Druck gesteuerten Arbeitsmembran, welche über ein Übertragungsglied einen elektrischen Schalter betätigt,
dadurch gekennzeichnet, daßa) in einer durch eine Steuermembran (17) unterteilten ersten Kammer (24) auf der einen Seite der Steuermembran ein Einlaß (20) für den zu überwachenden Druck (PM) und auf der anderen Seite der Steuermembran der Sitz (15) eines Abblasventils (15, 16) angeordnet ist, dessen Schließkörper (16) von der Steuermembran getragen ist;b) die der Steuermembran (17) abgewandte Seite des Ventilsitzes (15) einerseits über eine Drosselstelle (14) an eine Gas- oder Druckluftquelle (PG) und andererseits an eine durch die Arbeitsmembran (3) abgeschlossene zweite Kammer (11) angeschlossen ist; undc) eine Feder (9),ggf. die Rückstellfeder des elektrischen Schalters (8) , dem Druck in der zweiten Kammer (11) entgegenwirkend am Übertragungsglied (5, 6) angreift. - Druckschalter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine auf die Arbeitsmembran (3) einwirkende, sich einseitig gehäusefest abstützende Einstellfeder (9).
- Druckschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermembran (17) auf der dem Ventilsitz (15) des Abblasventils (15, 16) zugewandten Seite einen ringförmigen, mit dem Ventilsitz zusammenwirkenden Vorsprung (16) trägt, dessen umschlossene Fläche kleiner ist als die dem zu überwachenden Druck ausgesetzte wirksame Fläche der Steuermembran auf der Gegenseite.
- Druckschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durchd) eine auf die erste Kammer (24) aufgesetzte, durch eine zweite Steuermembran (32) ebenfalls unterteilte dritte Kammer (39);e) eine zwischen den beiden Steuermembranen (32, 17) eingespannte Druckfeder (33) sowief) einen Anschluß (40) der dritten Kammer (39) auf der der ersten Steuermembran (17) abgewandten Seite der zweiten Steuermembran (32) als Einlaß für einen zweiten zu überwachenden Druck (P₁).
- Druckschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen vom Übertragungsglied (5) betätigbaren zweiten elektrischen Schalter (34), dessen Ansprechdruck von demjenigen des ersten elektrischen Schalters (8) verschieden einstellbar ist.
- Anwendung des Druckschalters nach Anspruch 5 in einem gasbefeuerten Heizkessel mit unter Druck zugeführter Verbrennungsluft, dadurch gekennzeichnet, daßg) der Anschluß (20) der ersten Steuerkammer (24) an den Abzug (47, P₂) der Brennkammer (44);h) der Anschluß (40) der dritten Kammer (39) an die Verbrennungsluftzuleitung (P₁);i) die Abblasseite (22) des Abblasventils (15, 16) an die Brennkammer (44) undj) die Drosselstelle (14) an die Gasversorgungsleitung (23, PG) angeschlossen ist.
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