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Radiziereinrichtung mit einem veränderlichen Hebelgetriebe und Druckmittel-Hilfsenergie
Die Erfindung betrifft eine Radiziereinrichtung mit einem veränderlichen Hebelgetriebe
und Drucktnittel-Hilfsenergie. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, aus einer Kraft,
einem Druck, einem Differenzdruck u. dgl. einen Druckwert zu erzeugen, der dem Wurzelwert
des Eingangswertes proportional ist, der also dem radizierten Eingangswert entspricht.
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Es ist bereits eine Vorrichtung zum Radizieren bekanntgeworden, im
Rahmen deren ein elastisches Band derart zusammengedrückt wird, daß es sich seitlich
ausbiegt. Der Grad der kraftabhängigen Ausbiegung dieses Bandes wird abgetastet
und auf ein Anzeigeinstrument übertragen. Da die Ausbiegung eines elastischen Bandes
in grober Näherung einer quadratischen Funktion proportional ist, läßt sich mit
einer derartigen Einrichtung eine allerdings sehr ungenaue Radizierung durchführen.
Die Genauigkeit derselben ist jedoch so gering, daß die damit erzielten Meß- und
Rechenergebnisse nur für bestimmte grobe technische Anwendungen ausreichend sind.
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Es ist ferner bereits eine Radiziereinrichtung bekanntgewortien,
die mit Druckmittel - Hilfsenergie arbeitet. Dabei ist jedoch die Eingangsmeßgröße
nicht ein Druck, sondern ein Weg. Der Druck, mittels dessen das Hebelgetriebe dieser
Radiziereinrichtung betätigt wird, ist eine reine Hilfskraft, die weder mit der
Ausgangs- noch mit der Eingangsgröße in ursächlichem Zusammenhang steht.
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Auch eine weiterhin bekanntgewordene Radiziereinrichtung stellt keine
technische einwandfreie Lösung der Aufgabe, aus einer Kraft einen Druckwert zu erzeugen,
der dem radizierten Eingangswert entspricht, dar. Mit dieser Einrichtung wird der
Meßwert wegen der nicht linearen Kennlinie des Ermitilungsvorganges relativ ungenau
bestimmt. Da die den Eingangsdruck auf das Hebelsystem der bekannten Meßeinrichtung
übertragende Stange mit einem aus einer besonderen Düse austretenden Luftstrom verkuppelt
ist, ergibt sich eine, wenn überhaupt, nur schwer beherrschbare Rückwirkung der
geometrischen Lage dieser Druckübertragungsstange auf die Druckverhältnisse und
damit auf den eingeleiteten Hilfsdruck. Diese bekannte Einrichtung ist nicht nur
in ihrem Aufbau sehr kompliziert und kostspielig, sondern auch im Betrieb unwirtschaftlich,
denn durch die erwähnte Düse entweicht stets ein mehr oder weniger großer Luftstrom
der Hilfsdruckluft.
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Alle die erwähnten Nachteile werden mit der im folgenden geschilderten
Radiziereinrichtung vermieden, wie noch gezeigt werden wird. Insbesondere arbeitet
die erfindungsgemäße Einrichtung ohne jeden Verlust hinsichtlich der Hilfsdruckluft.
Diese Hilfs-
druckluft wird vielmehr nur zum Betätigen der Anzeigevorrichtung benutzt.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Radiziereinrichtung mit einem veränderlichen
Hebelgetriebe und Druckmittelhilf senergie.
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Erfindungsgemäß ist die Eingangskraft auf einen praktisch weglos
arbeitenden, an sich bekannten Kraft-Druck-Wandler geschaltet, dessen Ausgangsdruck
die Übersetzung eines im wesentlichen aus einem Schwenkarm und einem kreisbogenförmigen
Kraftarm bestehenden Hebelgetriebe umgekehrt proportional verändert, so daß der
Ausgangsdruck stets gleich dem Produkt aus seinem eigenen Kehrwert und der Eingangskraft
ist.
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Die Verstellung des erwähnten Schwenkarmes erfolgt über rechtwinklig
angreifende Zwischenhebel in der Weise, daß auf die Meßkraftübertragung keine störenden
Kräfte ausgeübt werden.
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Die der Übertragung der Meßkräfte dienenden Gelenke sind als Federgelenke
ausgebildet.
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Die erfindungsgemäße Radiziereinrichtung eignet sich besonders vorteilhaft
zum Messen der Strömung mittels an sich bekannter Meßwerterzeuger, wie beispielsweise
Staukörper, Staudüsen oder Staublenden.
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Die Erfindung beruht auf der folgenden Überlegung: Eine Hebelübersetzung,
wie sie beispielsweise in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt ist und auf die die Eingangskraft
E wirkt, sei umgekehrt proportional dem Ausgangsdruck. Der Eingangswert E werde
also mit einem Übersetzungswert multipliziert, der dem reziproken Ausgangswert A
direkt entspricht. Daher
kann als Rechenformel unter Fortlassung
der Konstanten geschrieben werden: A=E.H oder 1 A oder A2 = E oder A = Der Ausgangswert
entspricht also dem Wurzelwert des Eingangswertes mathematisch zwangläufig. Hierin
unterscheidet sich die Einrichtung von anderen bekanntgewordenen Radizierungen,
die auch die Verstellenergie für das Rechengetriebe ans dem Ausgangsdruck beziehen.
Bei diesen wird nämlich der Ausgangsdruck mittels der Summe der Eingangskraft und
der Kraft einer Feder erzeugt, die durch eine vom Ausgangsdruck verstellte Abtastkurve
gespannt wird.
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Der Erfindungsgegenstand stellt ein Rechengetriebe dar, bei dem die
Eingangskraft über eine veränderliche Hebelübersetzung auf einen pneumatischen Wandler
wirkt, der mittels Druckluft als Hilfsenergie einen Druck als Ausgangsgröße abgibt.
Hierbei wird die zur Verstellung der Hebelübersetzung notwendige Energie aus dem
Ausgangsdruck entnommen, aus der Größe also, in der dank der Hilfsenergie genügend
Kraft zur Verfügung steht. Hierdurch wird im Gegensatz zu den bekannten Radiziergetrieben
der Eingangsgröße kein Energieverlust, also auch kein Meßfehler zugefügt.
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Ein Ausführungsbeispiel ist in Abb. 1 gezeigt.
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Am Festpunkt 1 ist schwenkbar der Kraftarm 2 befestigt, auf den die
Eingangskraft E wirkt. Auf ihm verschiebt sich der Schwenkstab 3, dessen Stellung
sich aus dem Druck in der Membrandose 4 und der Feder 5 ergibt. Hierdurch ist das
Übersetzungsverhältnis gegeben, das bei kleinem Druck groß und bei großem Druck
klein ist.
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Der Schwenkstab 3 überträgt die Meßkraft auf den Prallplattenhebel
6. Mit vernachlässigbar kleinem Hub schließt dieser mehr oder weniger die Düse 7
und erhöht damit unter der an sich bekannten Wirkung der Drossel 8 mehr oder weniger
den Druck in den Membrankammern 4 und 9. Die vom Schwenkstab 3 auf die Prallplatte
6 wirkende Kraft wird durch die Kraft der Druckdose 9 ausgewogen. Der hier herrschende
Druck entspricht als Ausgangswert A der Wurzel des Eingangswertes E und kann im
Anzeigeinstrument 10 sichtbar gemacht und zu Regelungszwecken weitergeleitet werden.
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Abb. 2 zeigt die Anwendung als Durchflußmengentransmitter. Dieser
hat die Aufgabe, einen Luftdruck auszusenden, der proportional der zu messenden
Menge ist. Der von ihm erzeugte Luftdruckwert wird dann in einem Druckregler, dessen
Skala in Menge geeicht ist, ausgewertet. Von der Meßblende 11 in der Leitung 12
wird ein Differenzdruck in die Meßdose 13 mit der druckdichten Membrandurchtührung
14 mit innenliegender Abwälzfläche oder -schneide 15 gegeben, von der aus er als
Kraft über die Hebel 16 und 17 auf den Kraftarm 18 wirkt. Dieser bildet mit dem
Schwenkstab 19 das veränderliche Ubersetzungsverhältnis, dessen Größe sich linear
mit dem Druck in der Druckdose 20 in Zusammenwirkung mit der Feder 21 und den Antriebshebeln
22 und 23 ändert.
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Die durch den Schwenkstab 19 auf den Hebel 24 und damit auf das Druckrelais
25 wirkende Kraft ist also die Kraft aus der Differenzdruckdose 13, jedoch multipliziert
mit dem Übersetzungsverhältnis, das sich aus
der Stellung des Schwenkstabes 19 auf
dem Kraftarm 18 ergibt. Das Druckrelais 25 ist eine Zweikammer-Druckdose mit zwei
Verbundventilen und hat die Aufgabe, aus der ankommenden Kraft einen dieser proportionalen,
ausgehenden Druck zu erzeugen. Das geschieht mit Hilfe der Druckluftzufuhr 26, indem
die Kraft auf die Membran 27 drückt. Das Ablaßventil 28 wird dadurch geschlossen
und das Einlaßventil 29 geöffnet. Hierdurch tritt Druckluft in die Kammer 30, bis
der Druck die Membran 27 so weit zurückgedrückt hat, daß das Einlaßventil 29 auch
geschlossen ist. Läßt die Kraft nach, so öffnet das Ablaßventil 28 den Abfluß nach
außen, bis die Membran durch die Kraft einerseits und den Druck andererseits ausgewogen
ist. Der ausgehende Druck wird in die Druckdose 20 und in die Fernleitung 31 geleitet.
Hierdurch wird er zum Regler 32 und zu hier nicht dargestellten Anzeige und Registriergeräten
geleitet.
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Durch das vom Regler 32 betätigte Stellglied 33 ist der Regelkreis
geschlossen. Durch das Druckrelais 25 arbeitet die hier dargestellte Radizierung
weglos, denn der zur Öffnung eines Ventils notwendige, an sich schon geringe Hub
wird im Ruhestand immer wieder zu Null, ganz gleich, welcher Mengenwert ge rade
herrscht.
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Die weglose Arbeitsweise hat den Vorteil, daß erfindungsgemäß die
Gelenke, die unter der Einwirkung des Differenzdruckes vorübergehend bewegt werden,
also besonders die Gelenke 35 bis 40 als Federgelenke ausgebildet werden können,
ohne daß durch die Biegekräfte Fälschungen der Messung zu befürchten sind, während
die reibungsfreie Übertragung gewährleistet ist.
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Zwischen den Schwenkstab 19 und die Druckdose 20 sind die Zwischenhebel
22 und 23 geschaltet, um die großen Stellkräfte der Druckdose 20 vom Schwenkstab
19 fernzuhalten und damit eine Meßwertverfälschung zu vermeiden, die im Beispiel
der Abb. 1 noch auftreten könnte. Dort wirkt die Membrandose 4 unmittelbar auf den
Dbertragungshebel 3 ein und kann unerwünschte Kräfte quer zu ihrer eigentlichen
Wirkungsrichtung auslösen, die in die Messung fälschend eingreifen könnten. Durch
die Anordnung in Abb. 2 werden auf die Meßkraftübertragung keine oder nur vernachlässigbar
kleine Kräfte nur zur über windung der Rollreibung des Kugellagers 41 ausgeübt,
während die Kräfte der Druckdose 20 und der Feder 21 dem Schwenkstab 19 ferngehalten
werden.
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Die hier behandelte Radizierung findet außer im als Beispiel beschriebenen
Fall ein großes Anwendungsgebiet für Strömungsmessungen z. B. als Staudruckmesser
mit einer einfachen Druckmeßdose oder einer der Strömung ausgesetzten Scheibe, die
eine dem Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit entsprechende Kraft abgibt. Bei Luft-
und Wasserfahrzeugen, in der Meteorologie, bei Öfen und bei allen Industrieanlagen,
in denen strömende Medien genau geregelt werden sollen, liegen die Anwendungsgebiete
dieser Radizierung.