WO2001090708A1

WO2001090708A1 - Waage mit überdruckgehäuse

Info

Publication number: WO2001090708A1
Application number: PCT/IB2001/000842
Authority: WO
Inventors: Hans-Rudolf Burkhard
Original assignee: Mettler-Toledo Gmbh
Priority date: 2000-05-25
Filing date: 2001-05-16
Publication date: 2001-11-29
Also published as: DE10025712A1; DE10025712C2; AU5501801A; US20030115976A1; US6945130B2

Abstract

Eine elektronische Waage mit einem unter Überdruck setzbaren Gehäuse (1), beispielsweise für deren Einsatz in explosionsgefährdeter Umgebung, weist einen Einlass (21) für ein Gas, insbesondere Druckluft, auf sowie eine horizontale Durchführung durch das Gehäuse (1) für ein krafteinleitendes Gestänge (6), welches an das Gehänge (12) der Waage angekoppelt ist, wobei das Gehäuse (1) der Waage eine Öffnung (9) für den im Wesentlichen in horizontaler Richtung und berührungsfrei erfolgenden Durchtritt des krafteinleitenden Gestänges (6) durch das Gehäuse (1) besitzt und diese Öffnung (9) einen Auslass für das Gas bildet.

Description

Beschreibung

Waage mit Überdruckgehäuse

Die Erfindung betrifft eine elektronische Waage mit einem unter Überdruck setzbaren Gehäuse, wie sie beispielsweise für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen verwendet wird.

Explosionsgefährdete Bereiche zeichnen sich dadurch aus, dass sich ihre Atmosphäre aus einem Gemisch aus normaler Umgebungsluft und Gasen zusammensetzt, die durch Funkenbildung (z.B. an Schaltern oder Kontaktstellen) oder durch grössere Wärmeentwicklung zur Entzündung oder gar Explosion gebracht werden können.

Schutzmassnahmen an elektrischen Betriebsmitteln für deren Einsatz in explosionsgefährdeter Umgebung sind bekannt und werden gemäss der vom Hersteller gewählten technischen Lösungen typisiert, als da sind:

• Druckfeste Kapselung durch das Gehäuse, das der Explosion eines explosionsfähigen Gemisches im Inneren und deren Druck standhält sowie eine Ausbreitung auf die umgebende Atmosphäre verhindert .

• Eigensicherheit, bei der die Energie in den Stromkreisen so gering gehalten wird, dass zündfähige Funken, Lichtbogen oder Temperaturen nicht entstehen können. • Sandkapslung, bei der durch die Füllung des Gehäuses mit einem feinkörnigen Füllgut erreicht wird, dass ein entstehender Lichtbogen eine das Gehäuse umgebende explosionsfähige Atmosphäre nicht zündet.

• Überdruckkapselung, bei der das Eindringen einer umgebenden Atmosphäre in das Gehäuse dadurch verringert wird, dass ein Zündschutzgas, insbesondere Druckluft in seinem Inneren unter einem Überdruck gegenüber der umgebenden Atmosphäre gehalten wird.

In der DE-A-44 18 158 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben von elektrischen Geräten in einer explosionsgefährdeten Atmosphäre beschrieben, wobei ein Spülgas deren mit einer Überdruckkapselung geschütztes Gehäuse durchströmt. Durch die Überwachung des aus einem Gasauslass aus dem Gehäuse strömenden Spülgases sowie der Regelung der in das Gehäuse einströmenden Gasmenge mittels eines Proportionalventils kann der Überdruck im Gehäuseinneren auf einem gewünschten Wert gehalten werden.

Die Anwendung einer anderen, oben beschriebenen Schutzmassnahme ist für eine elektronische Waage in der DE-A-34 37 959 offenbart. Hier ist die Ausführung des Wägesystems, der elektronischen Auswerteeinheit und der Anzeigeeinheit in explosionstechnischer Eigensicherheit vorgesehen. Die Leitungsverbindungen sind mit Niederspannung beaufschlagt und das Netzteil in einem separaten Gehäuse untergebracht. Stromführende Leitungen und Steckverbindungen sind explosionstechnisch eigensicher aufgebaut.

Die EP-A-0 018 656 beschreibt eine handelsübliche Waage, in der das Wägesystem in ein druckfestes Gehäuse eingeschlossen ist, wobei der vertikale Durchstoss des Gestänges durch dieses Gehäuse in einer engen und relativ langen Durchbrechung beruhrungsfrei ausgeführt ist.

Für die letztgenannte Massnahme ergibt sich jedoch der Nachteil, dass im Falle des Auslosens einer Explosion im Gehauseinneren, das sich ja ebenfalls unter der explosionsgefahrdeten

Atmosphäre, wie die aussere Umgebung, befindet, die Explosion und deren Druck sich zwar nicht nach aussen verbreiten können, die Waage jedoch dennoch zerstört werden kann. Diesem Nachteil kann mit der Methode der Uberdruckkapselung einer Waage begegnet werden, bei der ein standiger Überdruck von eingeleitetem Gas, beispielsweise Druckluft, im Inneren des Gehäuses weitgehend das Eindringen der explosionsgefahrdeten Atmosphäre, die sich ausserhalb des Waagengehauses befindet, verhindert.

In der JP-2213730 ist eine Waage mit einem Roberval- Wagemechanismus beschrieben, die über ein unter Überdruck setzbares Gehäuse verfugt, wobei das kraftubertragende Gestänge eine horizontale Durchfuhrung durch das Gehäuse der Waage besitzt. Diese Durchfuhrung ist mit einer balgformigen Abdichtung versehen, wobei die Kräfte des internen Drucks sowohl auf das Innere des lastubertragenden Teils als auch auf die balgformige Abdichtung wirken, jedoch die Kraft nach oben und die nach unten sich gegenseitig aufheben und dadurch Fluktuationen des Drucks im Inneren keinen Einfluss auf die gemessenen Werte haben.

Die beschriebene Vorrichtung ist für hochempfindliche Waagen, wie beispielsweise Prazisions- oder gar Feinwaagen mit Anforderungen an die Wagegenauigkeit bis in den

Mikrogrammbereich nicht anwendbar, da die balgformige Abdichtung ihrerseits Kräfte auf das krafteinleitendes Gestänge - auch mit vertikaler Komponente - ausübt, was sich insbesondere in Hysterese-Effekten zwischen zunehmender und abnehmender Belastung äussert. Im Falle einer Verringerung der Dicke des Balg-Materials zur Reduktion dieser Kräfte, würde dieser seine Eigenstabilität verlieren und/oder sich durch den im Innern des Waagengehäuses herrschenden Überdruck aufblähen. Ausserdem ist es schwierig, insbesondere im Falle von Temperaturschwankungen, einen vorgeschriebenen konstanten Innendruck aufrechtzuerhalten.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Waage mit einem unter Überdruck setzbaren Gehäuse so zu gestalten, dass im Gehäuse eine gewünschte Gaszusammensetzung erhalten werden kann, ohne das Wägeresultat in unzulässiger Weise zu beeinflussen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Eine elektronische Waage mit einem unter Überdruck setzbaren Gehäuse, beispielweise für deren Einsatz in explosionsgefährdeter Umgebung, weist einen Einlass für ein Gas, insbesondere Druckluft, auf sowie eine horizontale Durchführung durch das Gehäuse für ein krafteinleitendes Gestänge, welches an das Gehänge der Waage - dem Zwischenglied zwischen dem Kraftsensor und dem lastaufnehmenden Teil der Waage - angekoppelt ist, wobei das Gehäuse der Waage eine Öffnung für den im Wesentlichen in horizontaler Richtung und berührungsfrei erfolgenden Durchtritt des krafteinleitenden Gestänges durch das Gehäuse besitzt und diese Öffnung einen Auslass für das Gas darstellt .

Dadurch, dass ein kontinuierlicher Strom von Gas durch das Gehäuse stattfindet, wird eine sich möglicherweise im Laufe der Zeit aufbauende Vermischung mit der äusseren explosionsgefahrdeten Atmosphäre, insbesondere bei nicht vollständiger Abdichtung des Gehäuses, verhindert. Die Aufrechterhaltung einer bestimmten Zusammensetzung der das Wägemodul umgebenden Gase kann auch aus anderen Gründen erwünscht sein, z.B., um Korrosion und/oder Alterung zu verlangsamen oder für den Betrieb in einer Umgebung mit hoher Staubkonzentration.

Es ist jedoch darauf zu achten, dass der Spalt der Durchführung um das krafteinleitende Gestänge möglichst klein gehalten wird, um den Druck im Inneren des Waagengehäuses ohne grösseren Gasdurchfluss und eventuelle Verwirbelungen in Inneren als Folge, aufrecht zu erhalten, so dass die mit einer hochempfindlichen Waage zu erfassenden Gewichtsunterschiede im Vergleich zu den Kräften, die das zwischen dem Auslass und dem krafteinleitenden Gestänge strömende Gas auf das krafteinleitende Gestänge ausübt, klein sind und keine

Schwankungen im Wägeresultat hervorrufen. Aus diesem Grund ist der Querschnitt der Durchtrittsöffnung für das horizontal durch das Gehäuse tretende krafteinleitende Gestänge oder für ein horizontales Teilstück des krafteinleitenden Gestänges im Bereich des Durchtritts darauf abgestimmt, dass einerseits genug Spiel vorhanden ist für die Vertikalbewegung des Gestänges, verursacht durch die Gewichtskraft der zu wiegenden Probe beim Wägevorgang, und andererseits der austretende Gasstrom genügend gering gehalten wird.

Als vorteilhafte Ausbildung der Erfindung, insbesondere im Falle von Waagen deren Lastträger sich oberhalb oder unterhalb der Waage befinden, ist ein Adapterflansch als Teil des Gehäuses dicht an dieses montierbar vorgesehen, wobei dessen im Wesentlichen vertikale Seitenwände Öffnungen für den im Wesentlichen horizontalen Durchtritt des krafteinleitenden Gestänges aufweisen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich das horizontale Teilstück des krafteinleitenden Gestänges über mindestens die gesamte Breite des Gehänges der Waage und ist an demselben beidseitig befestigt. In seinem mittleren Bereich weist es ein Ankoppelstück für die zu wiegende Last auf. Damit kann eine erhöhte Stabilität für das krafteinleitende Gestänge erreicht werden.

Eine andere vorteilhafte Ausführung der Erfindung sieht Mittel zur Bestimmung des Überdrucks im Inneren des Gehäuses vor, die über eine angeschlossene Regeleinheit den Gas-Durchlass an einem Ventil steuern, um einen konstanten Überdruck zu gewährleisten. Einen konstanten Überdruck im Inneren des Waagengehäuses aufrechtzuerhalten ist wünschbar, um durch Druckschwankungen verursachte Strömungsschwankungen zu verringern oder ganz zu vermeiden, da letztere zu Instabilitäten des Wägeresultats führen können.

Der Drucksensor kann auch ausserhalb des Waagengehäuses angebracht sein, beispielsweise in der zuführenden Gasleitung. In allen Fällen kann als weiterführende Ausgestaltung bei Auftritt einer Störung, beispielsweise einem Druckabfall im Inneren des Gehäuses unter einen vordefinierten Grenzwert, vorgesehen werden, die im Gehäuse eingebauten elektrischen Betriebsmittel spannungslos zu schalten.

Die Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen wird im folgenden für eine Unterflurwaage anhand der schematisierten Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Figur 1: eine vertikal aufgeschnittene Waage mit einem Überdruckgehäuse, in Seitenansicht; Figur 2: den mit X gekennzeichneten Ausschnitt aus Figur 1, der den Auslass für ein Schutzgas im Bereich des horizontalen Durchtritts für das krafteinleitende Gestänge durch das Waagengehause im Detail darstellt;

Figur 3: eine dreidimensionale Darstellung der wesentlichen

Komponenten einer Waage mit Uberdruckgehause in einer anderen Ausfuhrungsform des krafteinleitenden Gestänges;

Figur 4: eine weitere Ausfuhrungsform des horizontalen Durchtritts des krafteinleitenden Gestänges durch das

Waagengehause, in geschnittener Frontansicht.

Es versteht sich von selbst, dass die Losung sich auf weitere, hier nicht naher ausgeführte Waagenkategorien, anwenden lasst.

Das Wagemodul einer unterschaligen Waage - in der Figur 1 ist davon lediglich der Roberval-Mechanismus 3 skizziert - wird umgeben von einem gegenüber der Umgebung im Wesentlichen abgedichteten Gehäuse 1, welches an einem Gehauseboden 2 gasdicht befestigt ist. Mit dem Gehäuse 1 ebenfalls gasdicht verbunden ist eine Zufuhrleitung 16 von Gas, insbesondere Druckluft, wobei der Gasfluss in Richtung des Pfeils erfolgt. Durch einen Einlass 21 gelangt die Druckluft in das Gehäuse 1, wobei eine Dosierung mittels eines Ventils 15 erfolgen kann. Das Gehäuse 1 verfugt weiterhin über eine Öffnung 4 an die ein Drucksensor 5, dicht abschliessend, angeschlossen wird, um den Druck im Inneren des Gehäuses 1 zu bestimmen. Der Drucksensor 5 kann jedoch auch direkt im Inneren des Waagengehauses angebracht sein oder in der Zufuhrleitung 16 für das Gas. Wichtig ist, dass die Aufrechterhaltung eines Überdrucks gemessen und überwacht werden kann, damit im Falle einer Störung, beispielsweise einem Druckabfall unter einen vordefinierten Wert, die im Gehäuse 1 eingebauten elektrischen Betriebsmittel spannungslos geschalten werden können. Hierfür sowie zur Regelung eines definierten Überdrucks gegenüber der die Waage umgebenden Atmosphäre ist eine Regeleinheit 14 angeschlossen, die das Ventil 15 steuert. Die elektrischen Zuleitungen zum Ventil 15 und dem Drucksensor 5 sind dann entweder in explosionstechnischer Eigensicherung ausgeführt oder das Ventil 15 und die elektrischen Anschlüsse zum Drucksensor 5 befinden sich ausserhalb des explosionsgefahrdeten Bereichs. Alternativ können sich aber auch die Regeleinheit 14 mitsamt dem Drucksensor 5 als Teile der

Waage im Inneren des Waagengehäuses 1 befinden. Ebenso kann die Regeleinheit 14 vollständig ausserhalb des explosionsgefahrdeten Bereichs angeordnet sein. In einfacher Weise lassen sich der Drucksensor 5, das Regelsystem 14 und das Ventil 15 auch in rein pneumatischer Ausführung gestalten bzw. ansteuern, was die Explosionssicherheit für diese Komponenten dann per se gewährleistet .

Die Krafteinleitung zur Waage erfolgt am unteren Ende des Gehäuses. Wie in Figur 2, die den detaillierten Ausschnitt X von Figur 1 darstellt, zu sehen ist, weist der Gehäuseboden 2 eine Bohrung 17 auf, durch welche das Gestänge 6 zur Krafteinleitung führt. Die Bohrung 17 wird oben durch einen zylinderförmigen, oben abgedeckten Adapterflansch 7 abgeschlossen, welcher mit seinem scheibenförmigen Rand 8 am restlichen Gehäuseboden 2 dicht befestigt ist. Der Adapterflansch 7 besitzt im Bereich der vertikal verlaufenden Zylinderwand seitlich eine Öffnung 9 für den horizontalen Durchtritt des krafteinleitenden Gestänges 6. Diese Öffnung 9 bildet gleichzeitig den Auslass für die Druckluft. Der Durchtritt erfolgt berührungsfrei und ist im Wesentlichen zentrisch. In der gezeigten Ausführungsform ist das Gestänge 6 einstückig ausgebildet und für den horizontalen Durchtritt durch die, hier kreisförmige, Öffnung 9 s-förmig gebogen. Das krafteinleitende Gestänge 6 ist in der Darstellung mit rundem Profil versehen, besitzt jedoch im Bereich seiner Befestigung am Gehänge 12 ein rechteckiges Profil, was sich für eine kraftschlussige Befestigung besser eignet.

Der Durchmesser des zylinderformigen horizontalen mittleren Teilbereichs 20 des krafteinleitenden Gestänges 6 ist um wenige Zehntel Millimeter kleiner als die Durchtrittsoffnung 9. Das Spiel des horizontalen mittleren Teilbereichs 20 in vertikaler Richtung im Bereich des Durchtritts muss grosser sein, als die vertikale Bewegung nach unten, verursacht durch die Gewichtskraft der zu wiegenden Probe. Die Öffnung 9 kann auch als Oval mit der langen Achse in vertikaler Richtung ausgebildet sein. Der Spalt der Durchfuhrung um das krafteinleitende Gestänge 6 muss jedoch insgesamt so klein gehalten werden, dass der austretende Luftstrom genügend gering gehalten wird, damit der Druck im Inneren des Waagengehauses ohne grosseren

Gasdurchfluss und eventuelle Verwirbelungen in Inneren als Folge aufrecht erhalten werden kann und das Wageergebnis nicht verfälscht wird.

Für die in der Figur 3 gezeigte Ausfuhrungsform, in der das krafteinleitende Gestänge 6 sich aus mehreren Teilen zusammensetzt, weist das krafteinleitende Gestänge 6 ein mittleres Teilstuck 10 auf, das an seinem ins Innere des Waagengehauses ragenden Ende mit einem vertikalen Verbindungselement 11 unter Einhaltung eines Winkels von 90° fest verschraubt ist. Dabei kann das mittlere Teilstuck 10 zum Zwecke der besseren Fixierung im Bereich der Verbindung mit dem Verbindungselement 11 angefast sein. Das Verbindungselement 11 ist seinerseits mit dem Gehänge 12 der Waage, hier an der Seite des Gehänges 12, kraftschlussig verbunden. Am anderen, sich ausserhalb des Waagengehauses befindlichen Ende des horizontalen mittleren Teilstucks 10, ist über ein Verbindungselement 18 eine feste Verbindung mit dem das Wägegut aufnehmenden, senkrecht nach unten ragenden Ankoppelstück 13 vorgesehen.

Es ist selbstverständlich, dass der Adapterflansch 7 in einer anderen als der zylindrischen Form ausgebildet sein kann. Ebenso kann das Teilstück 10 des krafteinleitenden Gestänges 6 anstatt eines kreisrunden auch ein rechteckiges, ovales, sechseckiges oder anderes Profil besitzen. Ein rechteckiges Profil bietet sich insbesondere dann an, wenn das krafteinleitende Gestänge 6 einstückig gefertigt ist, wobei dann zum Einbringen des krafteinleitenden Gestänges 6 bei der Montage der Adapterflansch 7 mindestens zweiteilig ausgebildet sein muss.

Eine weitere Ausführungsform, die in Figur 4 gezeigt ist, sieht die Verwendung von einem über die gesamte Breite des Gehänges 12 reichenden horizontalen Teilstück 10 des krafteinleitenden Gestänges 6 vor, wobei dieses an zwei einander gegenüberliegenden Öffnungen im Adapterflansch 7 durch das

Waagengehäuse hindurchtritt und über jeweilige

Verbindungselemente 11 an seinen beiden Enden kraftschlüssig an das Gehänge 12 der Waage gekoppelt ist, was dem krafteinleitenden Gestänge 6 mehr Stabilität verleiht. Die

Befestigung des Ankoppelstücks 13 erfolgt im mittleren Bereich des horizontalen Teilstücks 10.

Das Prinzip des horizontalen Durchtritts für eine an sich vertikale Krafteinleitung und des sich im Bereich des Durchtritts durch die Gehäusewand befindlichen Auslasses für das Schutzgas, mit welchem das Gehäuse unter Überdruck gehalten wird, ist nicht beschränkt auf die Unterseite des Waagengehäuses, sondern ist auch nach oben für oberschalige Waagen oder seitlich für ober- oder unterschalige Waagen anwendbar. Dies ist insbesondere auch dadurch möglich, dass das Ankoppelstück 13 nicht notwendigerweise zentrisch unterhalb des Gehänges 12 angebracht sein muss.

Claims

Patentansprüche

1. Elektronische Waage mit einem unter Überdruck setzbaren Gehäuse (1), insbesondere für den Einsatz in explosionsgefährdeter Umgebung, mit mindestens einem Einlass (21) für ein Schutzgas, insbesondere Druckluft, mit einem krafteinleitenden Gestänge (6) sowie mindestens einem im Wesentlichen horizontalen Durchtritt für das krafteinleitende Gestänge (6) durch die Gehäusewand, dadurch gekennzeichnet, dass der im Wesentlichen horizontale Durchtritt durch mindestens eine Öffnung (9) in der Gehäusewand berührungsfrei erfolgt und einen Auslass für das Schutzgas bildet.

2. Elektronische Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (9) für den im Wesentlichen horizontalen Durchtritt des krafteinleitenden Gestänges (6) das gleiche Profil besitzt, wie das krafteinleitende Gestänge (6) an der Stelle des Durchtritts und die Gehäusewand dieses eng umschliesst .

3. Elektronische Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (9) für den im Wesentlichen horizontalen Durchtritt des krafteinleitenden Gestänges (6) in vertikaler Richtung in ihrem mittleren Bereich so weit im Wesentlichen rechteckförmig verlängert ist, dass sie grösser ist als die maximale, durch die vertikale Kraftwirkung der zu wiegenden Probe verursachte Auslenkung des krafteinleitenden Gestänges

(6) .

Elektronische Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Adapterflansch (7) als Teil des Gehäuses (1) dicht mit diesem verbunden ist und in seinen vorwiegend vertikalen Wänden mindestens eine Öffnung (9) für den im Wesentlichen horizontalen Durchtritt des krafteinleitenden Gestänges (6) aufweist.

Elektronische Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das krafteinleitende Gestänge (6) einstückig ausgebildet ist.

Elektronische Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das krafteinleitende Gestänge

(6) mehrstückig ausgeführt ist und über mindestens ein horizontales Teilstück (10) verfügt.

Elektronische Waage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das horizontale Teilstück (10) des krafteinleitenden Gestänges (6) sich über mindestens die gesamte Breite eines Gehänges (12) erstreckt und beidseitig am Gehänge (12) angekoppelt ist und in seinem mittleren Bereich ein Ankoppelstück für die zu wiegende Last aufweist.

Elektronische Waage nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine horizontale Teilstück (10) über ein Verbindungselement (11) kraftschlüssig mit dem Gehänge (12) verbunden ist.

Elektronische Waage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drucksensor (5) vorhanden ist, der den Überdruck im Inneren des Gehäuses (1) oder in der Zuleitung (16) für das Schutzgas misst und diesen über ein angeschlossenes Ventil (15) und eine damit verbundene elektronische Regeleinheit (14) auf einen vordefinierten Wert regelt.

10. Elektronische Waage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung und die Regelung des Drucks pneumatisch erfolgt .

11. Elektronische Waage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit (14) bei einem Abfall des Überdrucks im Inneren des Gehäuses (1) unter einen vordefinierten Grenzwert die im Gehäuse (1) eingebauten elektrischen Betriebsmittel spannungslos schaltet.