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Rechenmeßeinrichtung nach dem Kraftvergleichsprinzip mit einem Waagebalken
für den Vergleich von Druckkräften Die Erfindung betrifft eine Rechenmeßeinrichtung
nach dem Kraftvergleichsprinzip mit einem Waagebalken für den Vergleich von vorzugsweise
über Balgenkörper einwirkenden Druckkräften, wobei ein Indikator den Ausschlag des
Waagebalkens abtastet und gegebenenfalls über Verstärkereinrichtungen eine Hilfskraft
steuert, welche mindestens eine der Druckkräfte erzeugt.
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Bei pneumatischen Regeleinrichtungen werden vielfach Rechenmeßeinrichtungen
nach dem Kraftvergleichsprinzip verwendet, um Verhältniswerte von Drücken zu bilden.
Es liegt z. B. bei der Folgeregelung die Aufgabe vor, den als Druck vorliegenden
Sollwert entsprechend einer Führungsgröße fortlaufend zu verändern. Hierzu wurden
bisher Druckteileranordnungen mit Ausströmdrosseln verwendet und das Druckteilerverhältnis
durch Veränderung eines Drosselquerschnittes eingestellt. Derartige Druckteiler
besitzen jedoch keine Meßeigenschaften, da sich die Öffnungsquerschnitte der Drosseln
infolge Verschmutzung in unkontrollierbarer Weise ändern können.
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Es ist eine Rechenmeßeinrichtung bekannt, die nach dem Kraftvergleichsprinzip
arbeitet, und zwar mit einem Waagebalken für den Vergleich von über Balgenkörper
einwirkenden Druckkräften. Hierbei wird der Ausschlag des Waagebalkens von einem
pneumatischen Indikator abgetastet und über Verstärkereinrichtungen eine Hilfskraft
gesteuert, welche eine der Druckkräfte erzeugt. Die Anordnung ist dabei so getroffen,
daß zwei Druckkräfte über Balgenkörper auf eine Kraftwaage wirken, während die dritte
Druckkraft über einen weiteren Balgenkörper den wirksamen Hebelarm des einen der
beiden Balgenkörper verändert, mit dem diese auf die Kraftwaage einwirken. Bei dieser
bekannten Rechenmeßeinrichtung muß die Kraftübertragung über zahlreiche zusätzliche
Hebel und Gelenke vorgenommen werden. Jedes Gelenk verursacht Reibungsfehler und
infolgedessen Hystereseerscheinungen, wodurch die Anzeigegenauigkeit eingeschränkt
wird.
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Demgegenüber ist bei einer solchen Rechenmeßeinrichtung durch die
Ausgestaltung nach der Erfindung die Zahl der Gelenke und Hebel weiter verringert.
Außerdem arbeitet die Einrichtung als reine Kraftvergleichseinrichtung praktisch
weglos, so daß die erforderlichen Gelenke als Bandgelenke ausgebildet werden können,
da sie nur sehr geringe Bewegungen während der Einstellung der Kraftvergleichseinrichtung
auszuführen haben.
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Gemäß der Erfindung stützt sich von zwei mit entgegengesetztem Wirkungssinn
an einem Waagebalken angreifenden Balgenkörper einer mit seinem dem Waagebalken
abgewandten Ende gegen eine Feder ab, und die Federkonstante dieser Feder ist mittels
einer über einen dritten Balgenkörper einwirkenden Druckkraft einstellbar.
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Die Federkonstante des Balgenkörpers ist dabei zweckmäßig groß zu
bemessen im Verhältnis zur Federkonstanten der Feder, gegen die er sich abstützt.
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Diese Bedingung wird an Hand des später erläuterten Ausführungsbeispieles
aus den mathematischen Zusammenhängen erkennbar werden. Um die Federung dieses Balgenkörpers
genügend hart zu machen, wird er zweckmäßig mit einer Zusatzfeder versehen.
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An Hand der Fig. 1 der Zeichnung soll die Wirkungsweise der Rechenmeßeinrichtung
näher erläutert werden. Die Einrichtung kann als pneumatischer Verhältnissteller
verwendet werden, um beispielsweise bei der Folgeregelung den dem Sollwert entsprechenden
Druck fortlaufend in Abhängigkeit von einem Führungsdruck einzustellen. Der Führungsdruck
wirkt dabei auf den Balgenkörper 3, und der dem Sollwert entsprechende Druck beaufschlagt
den Balgenkörper I. Der entsprechend der Führungsgröße abgewandelte Druck
tritt im Balgenkörper 4 auf und wird als Druckwert P2 in den Regler eingeführt.
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Am Waagebalken 6 der Kraftwaage, der an der Stelle 9 z. B. mit Hilfe
eines Federbandgelenks
drehbeweglich gelagert ist, greifen an den
Punkten 14 und 15 die Balgenkörper 4 und 1 an. Der Balgenkörper
4 stützt sich gegen eine feste Unterlage 16
ab. Das dem Waagebalken
abgewandte Ende des Balgenkörpers 1 drückt bei 12 gegen eine Blattfeder
2, die am Ende 13 fest eingespannt, am anderen Ende 17 jedoch an einem Hebelarm
5 befestigt ist, dessen Drehpunkt an der Stelle 10 liegt. Am Ende
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dieses Hebels 5 greift der Balgenkörper 3 an, der sich gegen die feste
Unterlage 19 abstützt. Die Blattfeder 2, an der der Balgenkörper 1 am Punkt
12 in der Mitte angreift, kann mit Hilfe des Balgenkörpers 3 und des Hebels 5 mehr
oder weniger gespannt werden, d. h. die Federkonstante f2 dieser Feder 2 ist in
weiten Grenzen veränderbar.
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An Stelle der Blattfeder 2 können auch andere Federanordnungen, beispielsweise
eine Schraubenfeder, benutzt werden, die in gleicher Weise wie die Blattfeder angeordnet
ist. Man kann jedoch auch eine Schraubenfeder in Richtung der Achse des Balgenkörpers
1 anbringen und die Federkonstante dieser Schraubenfeder dadurch ändern,
daß mit einer Einstellvorrichtung eine bestimmte Anzahl von Windungen der Feder
ausgeschaltet oder zur Wirkung gebracht wird. Statt die Spannung der benutzten blatt-
oder stabförmigen Feder zu ändern, kann man auch die Auflagepunkte der Federn mit
Hilfe des Balgenkörpers 3 verschieben. Soll die Feder härter werden, so rücken die
Auflagepunkte näher zusammen, so daß ein kürzerer Teil des federnden Stabes wirksam
ist.
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Der Ausschlag des Waagebalkens 6 wird von einer Ausströmdüse 7 abgetastet,
die dem als Prallplatte wirkenden Ende des Waagebalkens gegenübersteht. Der Steuerdruck
in dieser Düse wird in bekannter Weise über einen Verstärker 8 verstärkt und als
Ausgangsgröße über die Leitung 20 in den Balgenkörper 4 eingeführt.
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Die Anordnung wirkt in folgender Weise: Bei einer Änderung des Druckes
P1 im Balgenkörper 1
wird die Kraftwaage 6 ausgelenkt und der Steuerdruck
in der Düse 7 verändert. Über den Verstärker 8 wird somit auch der Druck im Balgenkörper
4 so lange verändert, bis der Waagebalken 6 wieder im Gleichgewicht ist.
Der Waagebalken wird auch ausgelenkt, wenn sich der Druck im Balgenkörper P3 ändert
und der Balgenkörper 1
nicht in der Nullage steht, d. h., der Punkt
12
nicht in der Verbindungslinie 13 ... 17 der Blattfeder 2 liegt.
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An Hand einer kurzen Rechnung läßt sich zeigen, daß der Druck P2 im
Balgenkörper 4 annähernd proportional dem Produkt der Druckwerte PI und P3
ist. Voraussetzung ist hierbei, daß die Feder 2 weich ist im Verhältnis zur Feder,
die durch den Balgenkörper 1 und dessen Zusatzfeder 21 gebildet wird.
Als Zusatzfeder ist eine Ringfeder gezeichnet. Diese kann natürlich durch jede beliebige
andere Feder ersetzt werden. Für die Kraft K, die an der Stelle 15 auf den Waagebalken
6 ausgeübt wird, gilt die Beziehung
Hierbei ist mit F1 die wirksame Fläche des Balgenkörpers 1, mit f die Federkonstante
des Balgenkörpers 1 mit seiner Zusatzfeder 21 und mit f2 die Federkonstante
der Blattfeder 2 bezeichnet. Mit dem Übersetzungsverhältnis der Hebelarme
ü des Waagebalkens 6 und der wirksamen Fläche F2 des Balgenkörpers 4 ergibt
sich die Beziehung
Bei der letzten Gleichung ist für die Federkonstante f2 der Wert k3 - P3
eingeführt worden. Die Konstante k3 enthält einen Proportionalitätsfaktor und das
Übertragungsverhältnis, das sich durch die Hebelarme der Angriffspunkte 17 und 18
der Kräfte am Hebel 5 ergibt. Die. Konstante k1 enthält das Übersetzungsverhältnis
des Waagebalkens 6 und das Verhältnis der Flächen der Balgenkörper 1
und
4. Führt man für den Wert
den konstanten Faktor k4 ein, so kann man schreiben
Wählt man den konstanten Wert k4 groß im Verhältnis zu den auftretenden Druckwerten
P3, so bleibt der Faktor
annähernd konstant. Diese Bedingung besagt, daß die durch den Balgenkörper
1 und seine Zusatzfeder gebildete Federung hart wirken muß im Vergleich zu
der Federung der Blattfeder 2
Man kann daher schreiben P2 . konst. P1 - P3.
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Durch entsprechende Umformung dieser Gleichung erhält man die Beziehung
für den Quotienten zweier Druckwerte:
Ein Beispiel für eine Anordnung, mit der sich der Quotient der Druckwerte P1 und
P2 bilden läßt, ist - in Fig. 2 schematisch dargestellt. Der Steuerdruck der Düse
7, der über den Verstärker 8 verstärkt wird, ist hier über die Leitung 20 in den
Balgenkörper 3 eingeführt. Führt man dem Balgenkörper 1 den Druck P1 und
dem Balgenkörper 4
einen Druck P2 zu, so stellt sich über die Kraftwaage und
das pneumatische Verstärkersystem 7, 8 im Balgenkörper 3 ein Druck ein, der dem
Quotient der Druckwerte proportional ist.
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Die gleiche Einrichtung
kann auch zur Quadrierung und Radizierung von Druckwerten benutzt werden. Setzt
man in der abgeleiteten Gleichung P2 konst. P1 - P3, P1 = P3, so kann man
ableiten P2 .., konst. P12 bzw. P1 .., konst. 1:P2. Für die Quadrierung wird der
zu quadrierende Druck den Balgenkörpern 1 und 3 zugeführt. Der Balg 4 und
die
pneumatische Verstärkereinrichtung 7, 8 sind dabei in gleicher Weise zusammengeschaltet
wie in Fig. 1. Der Druck, der sich in diesem Fall im Balgenkörper 4 einstellt, ist
dem Quadrat des Eingangsdruckes P1 proportional. Zur Radizierung eines Druckwertes
P1 wird der zu radizierende Druck P2 dem Balgenkörper P1 zugeführt. Der Ausgangsdruck
des pneumatischen Verstärkersystems 7, 8 ist in diesem Fall an die beiden Balgenkörper
4 und 3 angeschlossen. DieserAusgangsdruck ist der Quadratwurzel des Druckes P1
proportional.
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Die beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung lassen sich vielfach
variieren. So kann an Stelle des in den Zeichnungsbeispielen erläuterten pneumatischen
Indikators ein elektrischer Indikator, z. B. mit induktiver oder kapazitiver Wirkungsweise,
verwendet werden, der mit einem entsprechenden elektrischen Verstärker zusammenarbeitet.
Der elektrische Verstärker steuert beispielsweise über ein Magnetventil eine pneumatische
oder hydraulische Größe, die einen Balgenkörper beaufschlagt. Die elektrische Ausgangsgröße
kann aber auch unmittelbar, z. B. in Form einer magnetischen Kraft, auf den Hebel
5 oder den Waagebalken 6 wirken.
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An Stelle des Balgenkörpers 3 in Fig. 1 kann auch eine einstellbare
Feder verwendet werden, z. B. eine Schraubenfeder, deren Spannung mit Hilfe einer
Einstellschraube variiert werden kann. Die Schraube ist dabei z. B. mit einem Zeiger
und einer entsprechenden Skala versehen. Mit einer derartigen Einrichtung kann der
Sollwert eines pneumatischen Reglers in einem bestimmten Verhältnis zu dem unabhängig
veränderlichen Druck P1 eingestellt werden.