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Pneumatisches Rechengerät, insbesondere für pneumatische Regeleinrichtungen zur Multiplikation, Division oder Radizierung von Druckkräften
Insbesondere bei pneumatischen Regeleinrichtungen müssen vielfach Verhältniswerte von Druckkräften gebildet werden. So liegt z. B. bei der Folgeregelung die Aufgabe vor, den als Druck gegebenen Sollwert entsprechend einer Führungsgrösse fortlaufend zu verändern. Hiezu hat man Druckteileranordnungen mit Ausströmdrosseln verwendet und das Druckteilerverhältnis durch Verändern eines Drosselquerschnittes eingestellt. Es ist auch schon vorgeschlagen worden, das Druck Verhältnis mit Hilfe einer Kraftwaage zu bilden, an der zwei Druckkörper angreifen, von denen der eine sich gegen eine Feder abstützt, deren Federkonstante mittels eines weiteren Druckkörpers verändert werden kann.
Bei dieser nach dem Prinzip des Kraftvergleichs arbeitenden Einrichtung, lässt sich ein exakt linearer Verlauf des Druckverhältnissen bei linearen Eingangsgrössen nur in begrenzten Druckbereichen erhalten.
Das neue pneumatische Rechengerät, das sich für die Multiplikation, Division oder Radizierung von Druckkräften eignet, ist dadurch gekennzeichnet, dass von mindestens drei Druckkörpern der eine sich gegen eine Feder abstützt, deren Federkonstante in an sich bekannter Weise mittels eines weiteren Druckkörpers einstellbar ist, dass ein vorzugsweise pneumatisches Steuerelement die Auslenkung dieses einen Druckkörpers mit der Auslenkung eines weiteren Druckkörpers oder Druckkörpersystems vergleicht (Ver- gleichsdruckkörper) und eine Hilfskraft steuert, welche mindestens eine der Druckkräfte des Systems erzeugt.
Ein derartiges Rechengerät zeichnet sich dadurch aus, dass das Rechenergebnis in einem weiten Bereich linear von den Eingangsgrössen abhängt. Die Druckkörper, deren Auslenkung zu vergleichen ist, werden zweckmässig über einen Hebel miteinander verbunden. Als Steuerelement für die Auslenkung dient ein am Hebel angreifendes Düsen-Prallplattensystem. Man kann natürlich auch andere Steuereinrichtungen, z. B. elektromagnetisch oder induktiv arbeitende, verwenden.
Die Erfindung soll an Hand eines Ausführung eispiels, das sich auf ein Rechengerät zur Multiplikation von Druckkräften bezieht, näher erläutert werden. Wie bereits erwähnt, kann das Rechengerät auch zur Bildung eines Quotienten oder zur Radizierung von Druckkräften benutzt werden.
Die beiden Druckkörper I und II der Zeichnung, beispielsweise Metallmembranen, Federrohre oder Balgenkörper sind an entsprechende nur schematisch dargestellte Zuleitungen angeschlossen und werden von den Druckkräften Pnd P beaufschlagt. Sie stützen sich mit ihrem einen Ende gegen eine feste Unterlage 1 ab und das andere Ende kann unter der Wirkung der Druckkraft ausweichen. Der Druckkörper I ist durch eine zusätzliche Feder, im Beispiel der Zeichnung die Ringfeder 2, gefesselt. Am freien Ende des Druckkörpers II ist ein Verbindungsglied 3 angebracht, das mit der Mitte einer Blattfeder 4 verbunden ist, welche einerseits an ihrem rechten Ende an der Unterlage 5 befestigt ist und anderseits an einem Hebel 6 angreift. Der Hebel 6 ist an der Stelle 7 z.
B. mit Hilfe eines Federbandgelenkes gelagert, während sich das andere Ende 8 gegen einen Druckkörper III abstützt, dem der Druck Pg zugeführt wird und der mit dem andern Ende an der festen Unterlage 5 anliegt. An Gelenken 9 und 10 der freien Enden der Druckkörper I und II ist der Hebel 11 befestigt, dessen linkes Ende einer Ausströmdüse 12 gegenübersteht und als Prallplatte wirkt. Die Ausströmdüse ist in bekannter Weise mit einem pneumatischen Verstärker 13
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verbunden, dem über die Leitung 14 Druckluft zugeführt wird. Der Ausgangsdruck des Verstärkers Pz wirkt auf den Druckkörper II und über die Anschlussleitung 15 auf ein nicht dargestelltes Anzeigegerät.
Die Druckkörper I und III werden mit den Drücken Pl und Ps beaufschlagt, deren Produkt gebildet werden soll. Das als Prallplatte wirkende linke Ende des Hebels 11 ändert hiebei seine Lage gegenüber der Ausströmdüse 12 und diese stellt über den Verstärker 13 den Druck P2 derart ein, dass annähernd der Abstand der Prallplatte von der Düse wieder erreicht wird. Mit Hilfe des aus Düse und Prallplatte bestehenden Steuerelementes wird somit die Auslenkung s 1 des Druckkörpers I mit der Auslenkung sides Druckkörpers II verglichen und der Druck P2 so eingestellt, dass
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ist. Hiebei ist mit a der Abstand der Düse vom Gelenkpunkt 9 mit b der Abstand vom Gelenkpunkt 10 bezeichnet. Wie die folgende kleine Rechnung zeigt, ist der Druck P2 proportional dem Produkt der Drücke P1undP3.
Die Auslenkung des Druckkörpers I mit der wirksamen Querschnittsfläche F 1 und der Federkonstanten c einschliesslich Zusatzfeder beträgt :
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Der Weg s nach Gleichung (2) wird durch Nachsteuern des Druckkörpers II mit Hilfe des aus Düse, Prallplatte und Verstärker bestehenden Nachlaufwerkes gegen den Widerstand der Blattfeder 4 erzeugt, die die Federkoustante cz besitzt.
Unter der Voraussetzung, dass der Weg 5Z klein ist, gegen die Länge 1 der Blattfeder, eine Bedingung, die praktisch leicht zu erfüllen ist, gilt mit sehr guter Genauigkeit
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Für den Weg desDruckkörpers II mit der Querschnittsfläche F, dessen Eigenfederung gegenüber der Blattfeder 4 zu vernachlässigen ist, lässt sich schreiben :
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Aus Gleichung (1) und (2) ergibt sich :
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Aus Gleichung (3), (4) und (5) erhält man :
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Die Druckwerte Pj ;
und Pg, deren Quotient zu bilden ist, wirken in diesem Fall auf die Druckkörper n und
III, während der Ausgangsdruck des Verstärkers 13, abweichend von der Darstellung der Zeichnung, auf den Druckkörper und das Anzeigegerät wirkt. In diesem Fall ist der Druck P des Verstärkerausgangs ein Mass für den Quotienten der Drücke P2 und P. Man kann natürlich auch den Verstärkerausgangsdruck mit dem Druckkörper III verbinden und die Drücke, deren Quotient zu bilden ist, auf die Druckkörper II
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und P.
Die Recheneinrichtung lässt sich in ähnlicher Weise auch zur Quardrierung oder Radizierung von Druckwerten verwenden. Soll der Druck P dem Quadrat eines Druckwertes proportional sein, so wird der Druckkörper I und gleichzeitig der Druckkörper III mit dem Druck P beaufschlagt. Der Verstärker ist, wie in der zeichnerischen Darstellung an den Druckkörper II anzuschliessen und der Ausgangsdruck P2 ist jetzt ein Mass für das Quadrat des Druckwertes P.
Umgekehrt kann man auch die Quadratwurzel des Druckwertes P bestimmen, wenn der Druck gleichi zeitig auf die Druckkörper Il und III wirkt und der Verstärker 13 an den Druckkörper I angeschlossen ist.
In diesem Fall ist der Druck in I proportional der Wurzel des Druckes P.
Die Recheneinrichtung lässt sich noch erweitern, wenn an Stelle der Feder 2 mit der Federkonstanten c eine Feder eingeschaltet wird, deren Federkonstante mittels eines vierten Druckkörpers einstellbar ist.
Dann lassen sich nämlich Quotienten und Produkte von drei Druckwerten bestimmen. Der Druckkörper I arbeitet jetzt ebenso wie der Druckkörper II gegen eine Blattfeder, deren Spannung mit Hilfe eines y ei-
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nung auch andere Federanordnungen benutzt werden. So kann man die Blattfeder durch eine Schraubenfeder ersetzen, die in gleicher Weise eingespannt ist und in deren Mitte der Druckkörper II angreift. Eine weitere Abwandlung besteht darin, die Blattfeder durch einen federnden Stab zu ersetzen und die Federkonstante durch Verschieben eines Auflagepunktes dieses Stabes zu verändern.
Wenn die Feder härter werden soll, rücken die Auflagepunkte näher zusammen, so dass ein kürzerer Teil des Federstabes wirksam ist. Der Auflagepunkt der Stabfeder wird hiebei durch den Druckkörper 3 verschoben, der dann mit Hilfe einer zusätzlichen Feder gefesselt wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Pneumatisches Rechengerät, insbesondere für pneumatische Regeleinrichtungen zur Multiplikation, Division oder Radizierung von Druckkräften mit einem nach dem Prinzip des Wegvergleichs arbeitenden Nachlaufwerk, dadurch gekennzeichnet, dass von mindestens drei Druckkörpern der eine sich gegen eine Feder abstützt, deren Federkonstante in an sich bekannter Weise mittels eines weiteren Druckkörpers einstellbar ist und dass ein vorzugsweise pneumatisches Steuerelement die Auslenkung dieses einen Druckkörpers mit der Auslenkung eines weiteren Druckkörpers oder Druckkörpersystems vergleicht (Vergleichsdruckkörper) und eine Hilfskraft steuert, welche mindestens eine der Druckkräfte des Systems erzeugt.