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Digital-Analog-Umsetzer Die Erfindung bezieht sich auf einen Digital-Analog-Umsetzer
zur Umsetzung von binär verschlüsselten Daten in eine analoge physikalische Größe,
bei welchem jeder Binärstelle ein Organ mit zwei stabilen Zuständen zugeordnet ist,
das je nach dem Zahlenwert des entsprechenden Binärsignals nichts oder einen dem
Stellenwert proportionalen Anteil zu der analogen physikalischen Größe beiträgt.
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Die bekannten Digital-Analog-Umsetzer dieser Art arbeiteten durchwegs
auf elektrischem Wege, wobei die analoge physikalische Größe gewöhnlich in einem
Strom oder einer Spannung bestand und die Anteile dieser Größe beispielsweise durch
Elektronenröhren, Transistoren oder ähnliche Steuerorgane gesteuert wurden. Die
Bemessung der proportionalen Anteile erfolgte beispielsweise durch entsprechende
Widerstände, die in die verschiedenen Stromzweige eingefügt waren.
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Wenn derartige Digital-Analog-Umsetzer zur Steuerung mechanischer
Bewegungen benötigt wurden, wie es beispielsweise in Regelanordnungen häufig der
Fall ist, mußte die erzielte elektrische Analoggröße noch in eine mechanische, hydraulische
oder pneumatische Größe umgewandelt werden.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Digital-Analog-Umsetzer
zu schaffen, mit welchem bei Zuführung von binären elektrischen Signalen unmittelbar
eine hydraulische analoge Ausgangsgröße erhalten wird.
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Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß die Organe elektromagnetische
Ventile sind, die parallel zueinander in einem Strömungsweg angeordnet sind, und
deren Steuerwicklungen von den zugeordneten Binärsignalen so gesteuert werden, daß
jedes Ventil entsprechend dem Zahlenwert in der betreffenden Binärstelle entweder
ganz geschlossen oder ganz offen ist, daß der Strömungsquerschnitt jedes Ventils
so bemessen ist, daß die Strömungsmenge bei ganz offenem Ventil dem Stellenwert
der zugeordneten Binärstelle proportional ist, und daß die Gesamtströmung an der
Austrittsseite der Ventile die analoge physikalische Größe darstellt.
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Bei dem nach der Erfindung ausgeführten Digital-Analog-Umsetzer werden
die verschiedenen Strömungsquerschnitte der einzelnen Ventile unmittelbar in Abhängigkeit
von den zugeführten Binärsignalen so gesteuert, daß diejenigen Strömungsquerschnitte
geöffnet sind, deren zugeordnete Binärsignale dem Wert »Eins« entsprechen, während
diejenigen Strömungsquerschnitte geschlossen sind, deren zugeordnete Strömungsquerschnitte
dem Wert »Null« entsprechen. Die Gesamtströmung entspricht daher der Summe der Stellenwerte,
denen die Ziffer »Eins« zugeordnet ist, und somit der durch die Binärsignale dargestellten
Zahl.
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Der erfindungsgemäße Digital-Analog-Umsetzer kann unter Verwendung
von handelsüblichen Ventilen aufgebaut werden, wobei nur eine geringe Anzahl von
verschiedenen Ventiltypen benötigt wird. Er läßt sich mit beliebig großer Genauigkeit
ausführen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die
elektromagnetischen Ventile in einem gemeinsamen, scheibenförmigen Ventilgehäuse
angeordnet sind, das drei parallele, flache Hohlräume enthält, von denen der mittlere
Hohlraum mit dem Einlaß und die beiden äußeren Hohlräume mit dem Auslaß für das
Strömungsmittel verbunden sind, daß jedem Ventil zwei Ventilsitze zugeordnet sind,
die gleichachsig zueinander in den Trennwänden zwischen dem mittleren Hohlraum und
den beiden äußeren Hohlräumen angebracht sind, und daß jedes Ventil zwei Ventilteller
aufweist, welche jeweils mit einem der beiden Ventilsitze zusammenwirken und an
einer gemeinsamen Ventilbetätigungsstange sitzen.
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Diese Ausbildung gewährleistet, daß die Betriebsverhältnisse der einzelnen
Ventile im wesentlichen gleich sind und daß sich die verschieden großen Strömungen
der jeweils offenen Ventile gegenseitig nicht beeinflussen, so daß der Betrieb des
Umsetzers unabhängig von der jeweils umzusetzenden Zahl ist.
Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigt
F i g. 1 einen Schnitt durch ein nach der Erfindung ausgeführtes Ventil des Typs
»auf-zu«, F i g. 2 eine Oberansicht des Umsetzers nach der Erfindung und F i g.
3 einen Schnitt durch den Umsetzer von F i g. 2.
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F i g. 1 zeigt in Einzelheiten ein entlastetes Ventil des Typs »auf-zu«,
das nach der Erfindung abgeändert ist, damit eine Feineinstellung des Durchflusses
auf den Wert möglich ist, der dem Stellenwert der zugeordneten Binärstelle proportional
ist. Die Zeichnung zeigt den Einlaß 1 und Auslaß 2 des Ventils sowie das Gehäuse
3, das in Verbindung mit den Klemmteilen 4 und 5 die Befestigung der aktiven Teile
des Ventils bewirkt. Diese bestehen hauptsächlich aus der Ventilstange 6, welche
die Ventilteller 7 und 8 trägt, die auf den Ventilsitzen 9 und 10 ruhen. In der
Zeichnung ist das Ventil in seiner geschlossenen Stellung gezeigt, d. h. in der
Stellung, in der die Ventilstange durch den Anker 11 des Elektromagnets nach oben
gezogen wird. Beim Fehlen der vom Magnet ausgeübten Anziehungskraft fällt die Stange
unter der Wirkung einer Feder zurück, die sich am oberen Ende des Ankers abstützt,
und das untere Ende der Stange kommt auf das Ende der Einstellschraube 12 zu liegen.
Die Stellung dieser Schraube bildet eines der Mittel zur Feineinstellung des Durchflusses
nach der Erfindung. Sobald die Einstellung durchgeführt ist, wird die Schraube durch
die Gegenmutter 13 blockiert, und ein mit dem Ventilgehäuse verbundener abgedichteter
Pfropfen 14 vervollständigt den so gebildeten mechanischen Aufbau der Anordnung.
Das zweite zur Feineinstellung des Durchflusses dienende Mittel besteht aus den
zwei Schürzen 15 und 16, welche mit den Ventiltellern 7 und 8 verbunden sind. Das
Profil der Schürzen ändert das Profil des Weges, welcher sich für das Strömungsmittel
öffnet, wenn das Ventil offen ist. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, tritt das
von dem Ei,nlaß 1 kommende Strömungsmittel durch die Öffnungen 17, und es fließt
durch die Leitung, welche sich zwischen den Ventiltellern und den Ventilsitzen gebildet
hat. Dann dringt es durch die Öffnungen 19 in das Auslaßleitungssystem ein. Der
dem Strömungsmittel entgegengesetzte Widerstand ist durch die Kombination des Profils
der Schürze und des vertikalen Hubs der Ventilstange 6 bestimmt. Die Einstellschraube
12 und die beiden Ventilsitze 9 und 10 sind mit den Klemmteilen 4 und 5 durch die
Zwischenstücke 20 fest verbunden, die aus einem Metall hergestellt sind, welches
denselben Dehnungskoeffizienten wie die Ventilstange 6 und die Ventilsitze und Schürzen
hat. So wird erreicht, daß bei jeder Temperatur der ganzen Ventilanordnung die Durchflußwege
für das Strömungsmittel in der offenen Stellung denselben Widerstand haben, da die
aus den beweglichen Teilen des Ventils und aus den den Strömungsweg begrenzenden
feststehenden Teilen gebildeten Anordnung sich hinsichtlich der Ausdehnungen wie
ein einstückiges Gebilde verhält. Es ist unnötig, hier auf die besonderen Vorsichtsmaßnahmen,
die zur Erzielung einer guten Abdichtung des Ventils angewendet werden, hinzuweisen,
da diese Maßnahmen den Fachleuten allgemein bekannt sind und nicht zu der Erfindung
gehören. In F i g. 2 ist in Oberansicht ein Umsetzer nach der Erfindung gezeigt,
und F i g. 3 stellt einen Schnitt durch die gleiche Anordnung entlang der Achse
X -X' dar. Bei 30 und 31 sind der Einlaß bzw. der Auslaß für das Strömungsmittel
gezeigt. Der Umsetzer besteht im wesentlichen aus einer Scheibe 32, in welcher drei
runde Hohlräume 33, 34 und 35 angebracht sind, die in F i g. 3 im Schnitt erkennbar
sind. Wie zu erkennen ist, steht der Hohlraum 33 mit dem Strömungsmitteleinlaß 30
in Verbindung, und die beiden Hohlräume 34 und 35 speisen parallel den Auslaß 31.
Der Hohlraum 33 entspricht dem Strömungsmitteleinlaß 1 (F i g.1), und die Hohlräume
34 und 35 entsprechen dem Auslaß 2. Die Hohlräume 34 und 35 sind fast entlang ihrem
ganzen Umfang miteinander verbunden. Die Ventile sind auf beiden Seiten der Scheibe
angeordnet, damit das Gesamtausmaß des Umsetzers vermindert wird. Wie aus F i g.
2 und 3 ersichtlich, enthält der Umsetzer sieben verschiedene Ventile, die bei dem
dargestellten Beispiel zwei verschiedenen Typen angehören. Da die Feineinstellung
des Durchflusses zur Wiedergabe des Stellenwertes, der der zugeordneten Binärstelle
proportional ist, durch die Kombination der Wirkung der Einstellschraube, der Verstellung
der Ventilstange und durch die auf den Ventiltellern angebrachte Schürze erfolgt,
ist es möglich, mehrere verschiedene Stellenwerte mit dem gleichen Ventilmodell
einzustellen. Die Anzahl der in dem Umsetzer verwendeten Ventile wird einfach durch
die Höchstzahl der Binärziffern bestimmt, welche der höchste Wert beinhalten kann,
der in dem betreffenden System verschlüsselt werden kann. Wie ersichtlich ist, sind
die Ventile 36; 37 und 38 oberhalb der Scheibe und die anderen Ventile unterhalb
der Scheibe angebracht. Es ist selbstverständlich, daß die Anordnung der Ventile
auf der Scheibe beliebig und hauptsächlich durch die Anzahl der Ventile bestimmt
ist.
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Es ist offensichtlich, daß die unter Bezug auf F i g.1 beschriebene
Ventilausführung keinesfalls die einzig geeignete Ausführung darstellt, welche zum
Aufbau eines Umsetzers nach der Erfindung verwendet werden kann. Vielmehr ist jeder
beliebige Typ geeignet, der so ausgeführt ist, daß die zur Ausführung der Erfindung
erforderlichen Maßnahmen getroffen werden können. Die Erfindung wurde mit einer
entlasteten Ventilausführung erläutert, weil dieser Typ sich für den Bau eines Umsetzers
am besten eignete; es können aber auch andere Ventilausführungen verwendet werden,
insbesondere Ventile mit Servozylinder.