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Einrichtung eines Meßwertgebers zur Linearisierung des quadratischen
Funktionsverlaufs einer Meßgröße Die Erfindung bezieht sich auf die Einrichtung
eines Meßwertgebers zur Linearisierung des quadratischen Funktionsverlaufs einer
Meßgröße für eine Meß- und/oder Regelvorrichtung und betrifft die aus bildung des
Druckwertgebers als um einen Punkt schwenkbaren Hebel, der so ausgebildet und mit
einem Federsystem so verbunden ist, daß eine Druckänderung eine Schwenkung des Hebels
gegen eine Federspannung bewirkt.
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Beim Messen von Strömungen mittels Drosselungsvorrichtung erhält
man einen Meßwert in Form eines in quadratischem Verhältnis zur gemessenen Größe
stehenden Druckunterschiedes. Ein zur Messung dieses Druckunterschiedes übliches
Verfahren ist, ein mit Flüssigkeit gefülltes U-Rohr durch geeignete Impuisleitungen
an beiden Seiten der Drosselungsvorrichtung anzuschließen. Die U-Rohre werden dabei
mit einer quadratisch graduierten Skala versehen.
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Nach einem anderen Verfahren läßt man den Diffe renzdruck auf eine
Membran wirken, auf die dadurch eine in quadratischem Verhältnis zur Größe der Strömung
stehende Kraft einwirkt. Diese Kraft läßt sich zweckmäßig dadurch messen, daß sie
von der Kraft einer Feder im Gleichgewicht gehalten wird, deren Dehnung auf einer
Skala abgelesen werden kann.
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Auch in diesem Fall erhält man eine quadratische Teilung.
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In der Technik steht der Fachmann aber häufig vor dem Problem, sich
quadratisch ändernde Meßgrößen in eine lineare Anderung umsetzen zu müssen.
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In vielen Fällen ist es schon allein zur Bestimmung des Wertes von
Vorteil, diese Umsetzung vorzunehmen, da bei z. B. quadratisch veränderlichen Meßwerten
die Skala an einem Ende häufig zu ungenau wird.
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Insbesondere tritt dieses Problem aber dann auf, wenn, wie z. B.
häufig bei. der Durchfiußmengenregelung in Rohrleitungen, in Abhängigkeit von Differenzdruckmessungen
am Staurand bzw. im Venturirohr eine lineare Verstellung der Regelorgane durchgeführt
werden muß. Dabei kann der mit der sich linear verändernden Durchfiußmenge sich
quadratisch ändernde Differenzdruck häufig nur unter erheblichem Aufwand an technischen
Mitteln zu einer linear zu verändernden Mengenregelung herangezogen werden.
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Um an Stelle dessen eine lineare Skala zu erhalten, ist es bekannt,
bei der obengenannten Meßanordnung mit Membran mittels einer in zweckmäßiger Weise
ausgebildeten Kurvenscheibe die Feder so zu spannen, daß eine lineare Bewegung der
Kurvenscheibe eine quadratisch variierende Spannung der Feder bewirkt.
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Die Herstellung einer solchen Kurvenscheibe ist jedoch aus Fertigungsgründen
mit gewissen Schwierigkeiten verbunden. Ferner ist eine Vorrichtung bekannt, bei
der die Feder mit ihrem einen Ende an einem Hebel befestigt und mit ihrem anderen
Ende entlang einer Zirkeliinie verschiebbar ist. Hält man die Lage des Hebels unverändert,
so verändert sich die hierfür erforderliche Kraft analog zu einer Sinuskurve. Da
die Sinuskurve in einem gewissen Bereich ungefähr mit einer Parabel der Formel x2
=y zusammenfällt, kann eine lineare Bewegung entlang der Zirkellinie in gewissen
Grenzen als Maß für die unbekannte Größe verwendet werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache und sicher wirkende Vorrichtung
zu schaffen, bei der diese Umsetzung der sich quadratisch ändernden Meßwerte in
eine lineare Skala ohne Schwierigkeiten möglich ist und die eine unkomplizierte
und damit sehr betriebssichere Ausbildung der Regeleinrichtung ermöglicht.
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Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß ein Hebel an
seinem frei schwenkbaren Ende mit dem einen Ende einer Zugfeder verbunden ist, deren
anderes Ende an einer in Richtung einer Tangente an einen um den Schwenkpunkt des
Hebels liegenden Kreis axial verschiebbaren Stange unter Vorspannung so befestigt
ist, daß in Nullstellung die Achse des Schwenkhebels und der Feder einerseits mit
der Achse
der Stange andererseits einen Winkel von etwa 102 bis
1050 bildet, und das Mittel zur Übertragung des Druckwertes auf eine Schwenkbewegung
des Hebels vorgesehen sind.
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Dabei kann der Hebel auf eine Kraftverstärkereinrichtung einwirken,
welche zusammen mit der Kraft der Feder auf die Stange eine entsprechend dem sich
quadratisch ändernden Druck linear sich ändernde Regelkraft überträgt.
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Das Meßgerät der Erfindung, das ein beliebiges, quadratisch sich
ändernde Meßwerte gebenden Organ einschließt, führt also die dem Meßwert entsprechende
Kraft über einen um einen Lagerzapfen schwenkbar angeordneten Hebel und über ein
Verbindungsglied zu einer Regelvorrichtung zur Einwirkung auf ein als quadratisch
variierende Gegenkraft dienendes Organ, wobei das die Gegenkraft bildende Organ
eine mit ihrem einen Ende am Hebel befestigte Zugfeder ist, die mit ihrem anderen
Ende an einer in Beziehung zum Hebel in dessen unbelasteter Lage schräggestellten,
axial verschiebbaren Stange befestigt ist, wobei die Feder in Abhängigkeit von und
umgekehrt proportional zur Schrägstellung der Stange eine Vorspannung ausgesetzt
ist.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen an einem
Ausführungsbeispiel einer mit Staurand arbeitenden Strömungsmeßeimichtung näher
erläutert.
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Fig. 1 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Einrichtung, und Fig.
2 zeigt einen Ausschnitt eines Schemas, ähnlich Fig. l, wobei die erfindungsgemäße
Einrichtung in betätigter Stellung dargestellt ist.
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Der Meßwertgeber gemäß der Erfindung besteht aus einem Servomotor
501, einer Zugfeder 502, einer Lagerung 503, einem Hebel 504 und einem Servoventil
506.
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Der als Kraftverstärker wirkende Servomotor 501 besteht aus einem
Zylinder 507 mit Kolben 508, dessen Kolbenstange 509 mit ihrem freien Ende in einem
Lager 511 gleitet. Auf den Kolben 508 wird durch eine Feder 510 eine der Beaufschlagungskraft
entgegenwirkende Kraft ausgeübt.
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Am aus dem Zylinder 507 herausragenden Ab; schnitt der Kolbenstange
509 sitzt verstellbar ein Be festigungselement 513 für einen auf einer Skala 529
verschiebbaren Zeiger 528. Am Lager 511 ist eine Stellschraube 512 als Anschlag
zur Nullkorrektur angeordnet.
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Am Befestigungselement 513 ist ein Ende einer Zugfeder 502 befestigt,
deren anderes Ende an einem mit seinem anderen Ende an einem Zapfen 535 in einer
Lagerung 503 angelenkten Hebel 504 liegt.
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Ein Stab 534 ist an seinem einen Ende mit einem im Gehäuse 542 des
Servoventils 506 gleitenden Stellkolben 531 und an seinem anderen Ende über den
Schwenkhebel 504 und ein starr mit diesem verbundenes Gestänge 505 mit einer mit
dem Differenzdruck beaufschlagten Membran 546 gelenkig verbunden, während er in
seinem mittleren Bereich, vorzugsweise in Nullstellung, rechtwinklig am Hebel 504
liegt. Ein mit dem Gestänge 505 und dem Hebel 504 ebenfalls starr verbundener Arm
ist als Zeiger 536 ausgebildet und schwingt entlang einer Skala 527 für die Anzeige
der Membranbewegungen. In die zwischen den Kolbenflächen 543, 544 des Stellkolbens
531 im Gehäuse 542 des Servoventils 506 gebildete Steuerkammer 545 münden ein Anschlußstutzen
532 für eine
Druckluftzuleitung und ein Anschlußstutzen 547 für die Übertragung des
Servodruckes zum Zylinder 507 des Servomotors entsprechend der Kolbenstellung.
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Wenn die Membran 546 eine Kraft a (Fig. 2) entsprechend einem Differenzdruck
am Staurand ausübt, verschiebt sich der Stellkolben 531 im Gehäuse 542.
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Der Kolben 508 im Zylinder 507 wird über die Leitung 526 vom Ausgangsstutzen
547 mit dem Servodruckmedium beaufschlagt.
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Die Kolbenstange 509 des Servomotors 501 liegt zu dem um den Zapfen
535 schwenkbaren Hebel 504 in einem vorbestimmten Winkel, der etwa 102 bis 1050
beträgt. Die Feder 502 soll in dieser Stellung etwa zwischen 0,5 und 2°/o in Richtung
des Hebels 504 vorgespannt sein. Da die Feder 502 in Nullstellung eine Zugkraft
in Richtung des Hebels 504 ausübt, wird diesem kein Moment in Verschwenkrichtung
übertragen. Bei der Bewegung der Kolbenstange S09 in den Zylinder 507 (in Fig. 1
nach rechts) wird auf den Hebel eineVerschwenkkraft a übertragen, die der von der
Membran 546 über den Stab 534 auf den Stellkolben 531 ausgeübten Verstellkraft entgegenwirkt.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung arbeitet in folgender Weise: Wenn
auf Grund einer Strömung durch den Staurand od. dgl. die Membran 546 mit einem Differenzdruck
beaufschlagt wird, übt diese über den Stab 534 eine Verschwenkkraft auf den Hebel
504 und eine Verstellkraft auf den Stellkolben 531 nach links in Fig. 1 und 2 aus.
Dabei öffnet der Stellkolben 531 den Weg für ein Druckmedium aus dem Eintrittsstutzen
532 durch den den Schieberkolbenabschnitt 545 umgebenden Raum die Steuerkammer und
über den Austrittsstutzen 547 und die Leitungen 526 in den Servomotor 501, so daß
der Kolben 508 gegen die Kraft der Feder 510 nach rechts in Fig. 1 gleitet, wobei
gleichzeitig die Feder 502, wie in Fig.2 dargestellt, in eine Schräglage zum Hebel
504 geführt wird. Diese Bewegung dauert an, bis die Komponente a' der Federkraft,
die der Verstellkraft a der Membran 546 entgegenwirkt, so groß ist, daß der Verstellkolben
531 wieder in Schließstellung zurückgefiihrt wird. Wenn die Fläche der Membran 546
und die von der Feder 502 ausgeübte Kraft sowie der Verschiebeweg des Kolbens 509
und die Länge der Feder 502 und des Hebels 504 entsprechend abgestimmt sind, kann
die Skala linear der Strömungsgeschwindigkeit durch den Staurand entsprechend geeicht
werden.
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Der Druckunterschied auf beiden Seiten einer Drosselstelle in einer
Rohrleitung, z. B. einem Staurand, ist eine quadratische Funktion der Strömungsmenge.
Wenn man die an der Membran 546 durch den Differenzdruck entstehende Kraft a im
Gleichgewicht halten will, muß man eine Kraft anlegen, die der sich aus dem Differenzdruck
auf die Membran ergebenden Kraft über dem ganzen Betriebsbereich umgekehrt proportional
ist. Diese Gegenkraft muß sich also gleichfalls quadratisch ändern. Da eine Federspannung
direkt proportional zur Dehnung ist, würde, wenn die Feder in entgegengesetzter
Richtung zur Membrankraft gespannt wird, die Skala quadratisch verlaufen. Durch
die erfindungsgemäße Anordnung ist es möglich, eine lineare Skalenteilung zu erhalten,
da die der Membrankraft entgegenwirkende Komponente d der Federkraft sich nach einer
quadratischen Funktion ändert.