DE1474114B2

DE1474114B2 - Analoger Strömungsverstärker zur Integration bzw. Differentiation

Info

Publication number: DE1474114B2
Application number: DE19641474114
Authority: DE
Inventors: Willis Anson Scotia N.Y. Boothe (V.St.A.)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1963-02-21
Filing date: 1964-02-20
Publication date: 1970-12-23
Also published as: US3155825A; CH434825A; GB1059923A; DE1474114A1

Description

1 2

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf analog fälschenden Zeitkonstanten der Rückkopplungsimpearbeitende Strömungsverstärker, die mathematische danzen durch die Zeitkonstanten der Eingangsimpe-Integrations- und Differentiationsrechnungen aus- danzen durch paarweise Gleichheit ihrer Werte elimi-

führen können. niert sind.

Für Integrationsrechnungen geht die Erfindung von 5 Der analoge Strömungsverstärker zur Differentiation einem analogen Strömungsverstärker aus, der einen ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß Leistungskanal einschließlich einer Leistungsdüse zur der Rückkopplungskanal mit einem der beiden Strö-Erzeugung eines zu regelnden Leistungsstrahles, ein mungsempfänger verbunden ist und die Eingangsstromabwärts von der Leistungsdüse angeordnetes impedanzen der Steuerkanäle zwei Strömungsreak-Empfängerpaar zur Aufnahme des Leistungsstrahles, io tanzen sowie zwei Strömungswirkwiderstände und die ferner einen Steuerkanal einschließlich einer Steuer- Rückkopplungsimpedanzen des Rückkopplungskanals düse zur Erzeugung eines die Ablenkung des Leistungs- zwei Strömungsreaktanzen sowie zwei Strömungsstrahles steuernden Steuerstrahles und zwei Rück- wirkwiderstände enthalten, wobei die Eingangs- und kopplungskanäle einschließlich auf entgegengesetzten Rückkopplungsimpedanzen einschließlich der von den Seiten des Leistungsstrahles angeordneten Rückkopp- 15 Düsen der Steuer- und Rückkopplungskanäle gebildelungsdüsen zur Erzeugung von Rückkopplungs- ten Strömungswirkwiderstände derart bemessen sind, strahlen, die ebenfalls zur Steuerung der Ablenkung daß die das gewünschte Zeitdifferential des Eingangsdes Leistungsstrahles dienen, aufweist. signals verfälschenden Zeitkonstanten der Rückkopp-

Demgegenüber wird für Differentiationsrechnungen lungsimpedanzen durch die Zeitkonstanten der Ein-

von einem anategen Strömungsverstärker ausge- 20 gangsimpedanzen durch paarweise Gleichheit ihrer

gangen, der einen Leistungskanal einschließlich einer Werte eliminiert sind.

Leistungsdüse zur Erzeugung eines zu regelnden Sowohl der Integrator als auch der Differentiator Leistungsstrahles, ein stromabwärts von der Leistungs- nach der Erfindung beruhen auf demselben Prinzip, düse angeordnetes Empfängerpaar zur Aufnahme des daß sich durch die negative Parallelschaltung zweier Leistungsstrahles, ferner zwei einen gemeinsamen 25 je eine aus Blind- und Wirkwiderstand zusammenge-Eingangsanschluß aufweisende Steuerkanäle ein- setzte Impedanz enthaltender Kanäle ein von störenden schließlich zweier auf entgegengesetzten Seiten des additiven Termen freier Differentialoperator ergibt, Leistungsstrahles angeordneter Steuerdüsen zur Er- wobei die noch auftretenden multiplikativen Störterme zeugung zweier die Ablenkung des Leistungsstrahles durch weitere Zeitglieder demgegenüber gleicher Zeitsteuernder Steuerstrahlen und einen Rückkopplungs- 30 konstanten kompensiert werden können,
kanal einschließlich einer Rückkopplungsdüse zur Er- Die Erfindung wird nun an Hand der folgenden zeugung eines Rückkopplungsstrahles, der ebenfalls Beschreibung und der Zeichnung verschiedener Auszur Steuerung der Ablenkung des Leistungsstrahles führungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt
dient, aufweist. F i g. 1 eine vereinfachte Draufsicht auf einen

Es gibt digitale und analoge Strömungsverstärker. 35 analog arbeitenden und integrierenden Strömungs-

Bei analogen Strömungsverstärkern spricht man ge- kreis gemäß der Erfindung,

wohnlich vom Impulsaustauschtyp. Sie arbeiten mit F i g. 2 eine schematische Darstellung des Inte-

einem Leistungsströmungsstrahl, der normalerweise grator - Strömungskreises der F i g. 1, die teilweise

auf die Mitte zwischen zwei Strömungsempfänger ge- als elektrisches Analogschaltbild gezeichnet ist,

richtet ist, die im Abstand voneinander oder anein- 40 F i g. 3 eine vereinfachte Draufsicht auf einen

ander angrenzend angeordnet sein können. Der analog arbeitenden und differenzierenden Strömungs-

Leistungsstrahl kann durch zwei von der Seite auf ihn kreis gemäß der Erfindung,

auftreffende Steuerstrahlen in bezug auf die Empfänger F i g. 4 eine schematische Darstellung des Strö-

abgelenkt werden. Dabei ist der Betrag der Ablenkung mungskreises der F i g. 3 und

proportional zum resultierenden, von den Steuer- 45 F i g. 5 eine vereinfachte, teilweise weggebrochene

strahlen ausgeübten Impuls in Querrichtung. Draufsicht auf einen Integrator-Strömungskreis, der

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen sowohl mit positiven als auch negativen Strömungsanalogen Strömungsverstärker zur Integration bzw. druck-Unterschieden arbeitet.

Differentiation zu schaffen, der mit einem kompressib- Der in F i g. 1 vereinfacht dargestellte Strömungslen oder inkompressiblen Medium betrieben werden 50 verstärkerkreis enthält eine Anzahl von in Reihe gekann und bei dem Änderungen des Strömungsdruckes schalteten Strömungsverstärkern, die einen analog an den Empfängern eine Integral- oder Differential- arbeitenden Strömungsverstärkerkreis hohen Verfunktion der Strömungsdruckänderung am Eingang Stärkungsgrades bilden. Die einzelnen Strömungsverder die Steuerstrahlen liefernden Strömungskanäle sind. stärker können durch Kanäle in getrennten Platten-

Zur Lösung dieser Aufgabe ist der analoge Strö- 55 oder Basisteilen aus irgendeinem geeigneten, unporö-

mungsverstärker zur Integration gemäß der Erfindung sen, starren Werkstoff gebildet werden, beispielsweise

dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Rückkopplungs- Metall, Glas oder Kunststoff od. dgl., vorzugsweise

kanäle mit einem der beiden Strömungsempfänger ver- werden die in Reihe geschalteten Verstärker jedoch in

bunden sind und die Eingangsimpedanzen des Steuer- einer einzigen Platte gebildet. Die Kanäle werden

kanals zwei Strömungsreaktanzen sowie zwei Strö- 60 durch eine flache Deckplatte od. dgl. geschlossen,

mungswirkwiderstände und die Rückkopplungsimpe- Die einzelnen Kanäle sind im Querschnitt vorzugs-

danz jedes Rückkopplungskanals eine Strömungs- weise rechteckig, man kann jedoch auch andere

reaktanz sowie einen Strömungswirkwiderstand ent- Querschnittsformen, wie kreisförmig, verwenden. Die

halten, wobei die Eingangs- und Rückkopplungsimpe- in F i g. 1 dargestellte Anordnung enthält drei in

danzen einschließlich der von den Düsen der Steuer- 65 Reihe geschaltete Verstärker, die im ganzen mit 1, 2

und Rückkopplungskanäle gebildeten Strömungs- bzw. 3 bezeichnet sind und innerhalb der gestrichelten

wirkwiderstände derart bemessen sind, daß die das Linien liegen. Die Verstärker enthalten jeweils einen

gewünschte Zeitintegral des Eingangssignals ver- Haupt- oder Leistungskanal 4, der in einer Drossel-

3 4

stelle endet, welche eine Düse 5 bildet, die einen Die bisher beschriebene Anordnung stellt einen beHaupt- oder Leistungsstrahl liefert. Der Eingang des kannten analog arbeitenden Strömungsverstärkerkreis Leistungskanals 4 ist mit einer Quelle für ein zu dar.

steuerndes strömendes Medium verbunden, die in Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ent-F i g. 2 mit P_s bezeichnet und über eine durch die 5 hält der Strömungsverstärkerkreis zwei Rückkoppnicht dargestellte Deckplatte reichende Leitung 6 an- lungskanäle 18, 19, deren Eingänge über einen Kanal geschlossen ist. Druck und Strömungsgeschwindigkeit 17 mit dem Empfänger 13 der dritten Stufe kommunider von der Quelle gelieferten Hauptströmung werden zieren. Da der Rückkopplungskanal 18 den Ausziemlich konstant gehalten. Die drei Verstärkerstufen gangskanal 16 kreuzt, muß ein geeigneter Umweg können mit dem gleichen oder mit von Stufe zu Stufe io vorgesehen werden. Die Rückkopplungskanäle 18, steigendem Speisedruck arbeiten. Die zweite und 19 enden in zwei gegenüberliegenden Verengungen, dritte Verstärkerstufe 2, 3 enthalten jeweils zwei die Rückkopplungsdüsen 20, 21 zur Erzeugung von Steuerkanäle 7, 8, die in gegenüberliegenden, Steuer- Rückkopplungsstrahlen liefern. Die Rückkopplungsdüsen 9, 10 bildenden Verengungen münden, aus düsen 20, 21 sind neben der Leistungsdüse 5 der ersten denen Steuerstrahlen austreten. Die erste Verstärker- 15 Verstärkerstufe derart angeordnet, daß der aus der stufe 1 enthält nur einen Steuerkanal 7, der in einer Rückkopplungsdüse 20 austretende Rückkopplungs-Steuerdüse 9 mündet. Die Steuerdüsen sind jweils bei strahl bezüglich des aus der Steuerdüse 9 der ersten einer Leistungsdüse angeordnet und verlaufen etwa Stufe austretenden Steuerstrahles in einer Rückkoppsenkrecht zu dem aus der Leistungsdüse austretenden lungsbeziehung einer ersten Polarität und der aus der Leistungsstrahl, so daß die Steuerstrahlen jeweils auf 20 Rückkopplungsdüse 21 austretende Rückkopplungseine Seite eines Leistungsstrahles gerichtet sind und strahl in der entgegengesetzten Rückkopplungspolariein Impulsaustausch stattfinden kann. Der Eingang tat stehen. Diese Bipolarität bzw. Mit- und Gegendes Steuerkanals 7 der ersten Verstärkerstufe 1 ist kopplung läßt sich leicht erkennen, wenn man die entweder mit einer Steuerströmungsquelle, wie dem Strömungswege der abgelenkten Leistungsstrahlen Ausgang eines anderen Strömungsverstärkers, ver- 25 durch den Kreis verfolgt.

bunden, oder der Druck wird anderweitig erzeugt, Angenommen, der Druck des aus der Steuerdüse 9 beispielsweise durch ein Pitotrohr in einem Luftstrom. der ersten Stufe austretenden Steuerstrahles hege über Die Steuerströmungsquelle ist in F i g. 2 mit Pi be- dem Atmosphärendruck, so wird der aus der Leistungszeichnet und über eine Leitung 11 angeschlossen, die düse 5 der ersten Stufe austretende Leistungsstrahl entdurch die nicht dargestellte Deckplatte führt. Die die 30 sprechend abgelenkt, und in den Empfänger 13 der Steuerströmung liefernde Quelle kann sowohl hin- ersten Stufe tritt ein größerer Teil der Strömung ein sichtlich des Druckes als auch der Strömungsge- als in den Empfänger 12, wie der Pfeil in der ersten schwindigkeit durch eine nicht dargestellte unab- Stufe der F i g. 1 zeigt.

hängige Anordnung geregelt sein, und Druck und In entsprechender Weise werden die Leistungsstrah-Strömungsgeschwindigkeit des Steuermediums sind 35 len der zweiten und dritten Verstärkerstufen mehr in im allgemeinen kleiner als die der Leistungsströmung. die Empfänger 12 bzw. 13 abgelenkt, da die Ausgänge Der Druck des Steuermediums kann sogar unterhalb der Empfänger der ersten bzw. zweiten Stufe die Eindes Umgebungsdruckes liegen. Im Abstand stromab- gänge für die Steuerdüsen in der zweiten bzw. dritten wärts von den einzelnen Leistungsdüsen 5 sind jeweils Verstärkerstufe darstellen. Der aus der Rückkoppzwei Kanäle 12, 13 zur Aufnahme der Strömung so 4° lungsdüse 20 austretende Rückkopplungssttahl unterangeordnet, daß sich der Leistungsstrahl im unge- stützt also die Wirkung des aus der Steuerdüse 9 der steuerten Zustand gleichmäßig auf die beiden Emp- ersten Stufe austretenden Steuerstrahls, er wirkt also fänger 12, 13 aufteilt. Auf gegenüberliegenden Seiten mitkoppelnd, während der aus der Düse 21 austretende des Leistungsstrahles sind neben den Empfängern 12, Rückkopplungsstrahl gegenkoppelnd wirkt. Es ist 13 Entlastungs- oder Entlüftungskanäle 14, 15 ange- 45 leicht einzusehen, daß bei jedem beliebigen Kreis der ordnet. Die Entlastungskanäle reichen durch die in F i g. 1 dargestellten Art, der eine ungerade Anzahl Deckplatte und stehen mit der umgebenden Atmo- von in Reihe geschalteter Verstärkerstufen enthält, Sphäre (oder einem Ölsumpf u. dgl. bei einem hydrau- die Steuer- und Rückkopplungskanäle mit den ihnen lischen Medium) in Verbindung und bewirken bei zugeordneten Düsen dieselbe gegenseitige Anordnung außergewöhnlichenBelastungsbedingungeneineDruck- 50 haben, wie in F i g. 1 dargestellt ist. Wenn der Kreis entlastung in den Empfängern. Die Strömungsemp- eine gerade Anzahl von in Reihe geschalteten Verfänger 12, 13 können auch in einem gewissen Abstand stärkern enthält, wird die Steuerdüse der ersten Stufe voneinander angeordnet sein, in diesem Falle trifft auf der anderen Seite der F i g. 1 angeordnet. In einem dann ein Teil des Leistungsstrahles im unabgelenkten alternativen Falle, in dem der Strömungsdruck des Zustand zwischen den Empfängern auf und strömt 55 Steuerstrahles der ersten Stufe unterhalb des Umdann durch einen nicht dargestellten Abflußkanal ab, gebungsdruckes liegt, wird die Steuerdüse ebenfalls während der verbleibende Teil des Leistungsstrahls auf der entgegengesetzten Seite, als in F i g. 1 dargegleichmäßig auf die Empfänger aufgeteilt wird. Die stellt ist, angeordnet.

Steuerkanäle 7, 8 in der zweiten und dritten Strö- Analog arbeitende Strömungsverstärkerkreise zur

mungsverstärkerstufe 2 bzw. 3 sind mit ihren Eingän- 60 Durchführung mathematischer Rechnungen enthalten

gen jeweils mit den Ausgängen der Empfänger 12 im allgemeinen einen Strömungsoperationsverstärker

bzw. 13 der vorangehenden Stufe verbunden. Die hohen Verstärkungsgrades. Dieser Operationsver-

Empfänger in der dritten Verstärkerstufe sind mit stärker enthält eine Anzahl von in Reihe geschalteten

Ausgangsströmungskanälen 16 bzw. 17 verbunden, Strömungsverstärkern, um den gewünschten hohen

und der Druck in einem dieser Empfänger oder der 65 Verstärkungsgrad zu erreichen, da Strömungsver-

Druckunterschied zwischen den Empfängern stellt das stärker von Natur aus keine so hohen Verstärkungs-

Ausgangssignal des beschriebenen mehrstufigen Strö- grade zu erzielen gestatten als analoge elektronische

mungsverstärkerkreises dar. Verstärker. Die Forderung nach einem hohen Ver-

Stärkungsgrad hat dieselben Gründe wie bei elektronisehen Rechenkreisen, und die hochverstärkten Ausgangssignale sind bei vernachlässigbaren Belastungseinflüssen sehr genau.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung des Strömungsverstärkerkreises der Fig. 1, bei der die Strömungskreiselemente der Fig. 1 soweit wie möglieh durch entsprechende elektrische Schaltungselemente dargestellt sind. Strömungsverengungen, wie eine Düse, eine scharfkantige Öffnung oder ein kapillarer Abschnitt sind daher als elektrische Widerstände dargestellt. Wenn man mit einem kompressiblen Gas als Arbeitsmedium arbeitet, kann man pin festes Volumen verwenden, dem als elektrisches Äquivalent eine einseitig geerdete Kapazität entspricht. Bei einem inkompressiblen Medium kann man mit einem hydraulischen Akkumulator arbeiten, dessen elektrisches Äquivalent ebenfalls eine einseitig geerdete Kapazität

_ist ^{ö 6} ^y

Die Analyse eines' Operations-Strömungs-Verstärkers ähnelt in vieler. Hinsicht der elektronischer Operationsverstärker. Die einfachste Form eines Operations-Strömungs-Verstärkers, die in keiner der Figuren dargestellt ist, besteht aus mehreren analogen Strömungsverstärkern, die in Reihe geschaltet sind, um eine hohe Verstärkung bei offener Schleife zu gewährleisten, zuzüglich einer Eingangsimpedanz Zi und einer einzigen Rückkopplungsimpedanz Zf. Außerdem muß man einen Steuerwiderstand R_c und einen Rückkopplungswiderstand Rf berücksichtigen bzw. darstellen; diese beiden Widerstände entsprechen dem Eigenwiderstand der Steuer- bzw. Rückkopplungsdüse des Strömungsverstärkers der ersten Stufe. Für diesen Prinzip-Operationsverstärker kann man eine Operationsverstärkergleichung aufstellen, indem man den Zusammenhang zwischen der Änderung des Ausgangsdruckes Δ P₀ in einem Empfänger der letzten Stufe, der mit dem Rückkopplungskanal kommuniziert, und der Änderung des Eingangsdruckes Δ Pi des der Steuerdüse der ersten Stufe zugeführten Mediums angibt:

25

1 + (Z IR)

Es läßt sich leicht zeigen, daß diese Abhängigkeit des Ausgangsdruckes vom Eingangsdruck genau mit der bekannten Abhängigkeit der Ausgangsspannung eines elektronischen Operationsverstärkers von seiner Eingangsspannung übereinstimmt, nämlich:

15

wenn R_f = R_c = 0 sind.

ao J=>ie Operationsverstärkergleichung für einen dop-P^elt ruckgekoppelten Stromungsverstarker ist:

Zp₁

Zf₂ Rf₂

Δ P_{

1+^1
Rc)

Zf₁ _ ZFi Rfi Rf₂
(2)

3<> Die zuletzt aufgeführte Gleichung gilt für den doppelt rückgekoppelten Verstärker der F i g. 1 und 2, und es wird darauf hingewiesen, daß diese Gleichung sowohl positive als auch negative Terme enthält, die man nutzbar machen kann, um eine Integrationswirkung zu erreichen. Die Gleichung (2) ergibt eine Integrationsgleichung:

Λ P₀₁-=

(A₁IRf₁)²Q.+ T₁S)(I+ T₂S) 1 + (ZiI Rc) (Rf₁ C₁ - Rp₂ C₂) S

indem man setzt

RpJRf₁ = Rp₂IRf₂ oder A₁JRf₁ = AJRf₂; .

dabei ist die erste Rückkopplungsschleifenimpedanz

Z+R=A(1 + TS) (4)

^{Fl fl 1}^

⁵°

A₁ = (Rf₁ + Rp₁), T₁ = C₁,

A₁

und die zweite Ruckkopplungsschleifenimpedanz

Zp₂ + Rf₂ = A₂ (1 + T₂S), (5)

_6o R_F2),T₂= ^ψϊ

Die beiden Zeitkonstanten T₁ und T₂ im Zähler der Gleichung (3) können durch geeignete Wahl der Impedanzen im Eingang der ersten Verstärkerstufe eliminiert werden. Zur Vereinfachung nimmt man als erstes an, daß die Düsenwiderstände alle gleich sind und daß die beiden Rückkopplungswiderstände ebenfalls gleich sind:

^Fl ~ ^{F2 = F}'

^^s Wehstes nimmt man für die Eingangsimpedanz an, daß

Zi+ Rc ^A₃(I+ T₃S) (1 + TiS), (6)

und setzt gleich Ri₁ = R₀, so daß

A₃ = IRc + Ri₂, T₃ = RcC₃, T₁ =

T₃.

Setzt man T₁ = T₃ und T₂ = T₄, so ergibt sich, daß die Eingangsimpedanz für eine reine Integration folgender Bedingung genügen muß:

C₃ =

_ ⁱ²

2R₀

-— 1

7 8

wobei C₁ größer ist als C₂, und für die endgültige Integratorkreis mit zwei Strömungsimpedanzen 22

Integratorgleichung ergibt sich 25 bzw. 23, 26 in den Kanälen 18 und 19 versehen,

^ / i? \² während der Differentiatorkreis vier Impedanzen 29,

— Il -\ — J 30, 31, 32 in seinem einzigen Rückkopplungskanal

Δ P₀₁ __ 2 \ Rc j ,_, 5 enthält. Der Integratorkreis arbeitet schließlich mit

Δ Pi RfC₁S ' einem Eingangssteuerkanal 7, der vier Strömungsimpedanzen enthält, nämlich die Drosselstellen 27, 28

Man sieht, daß die Gleichung (7) ein reiner Integra- und zwei gleichartige Akkumulatoren 24, während

tor ist, in der IjS die Laplace-Transformationsdar- der Differentiatorkreis zwei Steuerkanäle 7, 33 ent-

stellung für das zeitliche Integral ist. io hält, die einen gemeinsamen Eingangsanschluß 34

In F i g. 1 ist ein hydraulischer Akkumulator 22, aufweisen und mit ihren Ausgangsenden in gegender eine beliebige Anzahl zur Verfügung stehender überliegend angeordneten Düsen 9, 35 enden, und die üblicher hydraulischer Akkumulatoren enthalten kann, beiden Steuerkanäle sind mit je zwei Impedanzen 36, in den Rückkopplungskanal 18 eingeschaltet und in 37 bzw. 38, 39 versehen. Die einzige Rückkopplungs-F i g. 2 als Kondensator C₁ dargestellt, der die reak- 15 düse 20 wirkt mitkoppelnd auf die Steuerdüse 9 und tive Komponente der Rückkopplungsimpedanz Zf₁ gegenkoppelnd auf die Steuerdüse 35 in einem Kreis, in der ersten Rückkopplungsschleife darstellt. An den der eine ungerade Anzahl von in Reihe geschalteten Rückkopplungskanal 19 ist ein hydraulischer Akku- Verstärkern enthält und mit einem Eingangssteuermulator 23 angeschlossen, der in F i g. 2 als Konden- medium arbeitet, das in einem oberhalb des Umsator C₂ der Rückkepplungsimpedanz Zf₂ in der 20 gebungsdruckes liegenden Druckbereiches steuerbar zweiten Rückkopplungsschleife dargestellt ist. Im ist.

Steuerkanal 7 sind zwei identische Akkumulatoren 24 F i g. 4 ist eine schematische Darstellung des Dif-

angeordnet, die in F i g. 2 als Kondensatoren C₃, die ferentiatorkreises der F i g. 3. Die festen Volumina 29,

Blindkomponenten der Eingangsimpedanz Zi, darge- 31 in F i g. 3 eignen sich für einen Betrieb mit einem

stellt sind. Hydraulische Akkumulatoren werden dann 25 kompressiblen Medium, sie würden durch hydrau-

verwendet, wenn das Arbeitsmedium des Verstärker- lische Akkumulatoren, wie sie in F i g. 1 dargestellt

kreises ein inkompressibles Medium, wie eine Flüssig- sind, ersetzt, wenn das Arbeitsmedium inkompressibel

keit, enthält, während feste Volumina verwendet wäre. Die festen Volumina 29, 31 sind gleich und in

werden können, wenn das Medium ein kompressibles F i g. 4 als einseitig geerdete Kondensatoren C₃ dar-

Gas ist. 30 gestellt, die die Blindkomponenten der Rückkopp-

Im Rückkopplungskanal 18 ist eine Drosselstelle, lungsimpedanz Zf bilden. Strömungswiderstände wie

z. B. eine scharfkantige öffnung 25, angeordnet, die in kapillare Abschnitte 30, 32 im Rückkopplungskanal 18

F i g. 2 als Widerstand Rf₁, die Wirkkomponente der sind durch Widerstände Rf₁ bzw. Rf₂ dargestellt, sie

Rückkopplungsimpedanz Zf₁, in der ersten Rück- bilden die Wirkkomponenten von Zf. Eine Kapillare

kopplungsschleife dargestellt ist. In entsprechender 35 36 und ein festes Volumen 37 im Eingangssteuerkanal7

Weise sind eine scharfkantige öffnung 26 im Rück- sind als Wirkkomponente Ri₁ und Blindkomponente C₁

kopplungskanal 19 und scharfkantige Öffnung 27, 28 der Eingangsimpedanz Zi₁ dargestellt. Die Kapillare 38

im Steuerkanal 7 in F i g. 2 als Widerstände Rf₂, und das feste Volumen 39 im Eingangssteuerkanal 33

.Ri₁ bzw. Ri₂ dargestellt. entsprechen der Wirkkomponente Ri₂ bzw. der Blind-

Wie bei elektronischen Operationsverstärkern läßt 40 komponente C₂ der Eingangsimpedanz Zi₂ in F i g. 4.

sich auch bei analogen Strömungsverstärkern das An die Stelle der kapillaren Abschnitte können scharf -

Eingangs-Ausgangs-Verhältnis umkehren, indem man kantige Öffnungen oder Düsen treten, die der Strö-

einfach die Eingangs- und Rückkopplungsnetzwerke mung den gewünschten Widerstand entgegensetzen,

vertauscht. Vertauscht man also die Eingangsimpedanz Der Ausgangsdruck P₀₁ baut sich im Empfänger 13

und die Rückkopplungsimpedanz eines Integrators, 45 der letzten Verstärkerstufe auf.

so erhält man einen Differentiator, wie er in F i g. 3 Die abgeleitete Gleichung für den Differentiator-

und 4 dargestellt ist. Die Änderung des Ausgangs- kreis der Figur ist

druckes Δ P₀₁ wird proportional der Änderungsge- λ ρ 2RC

schwindigkeit des Eingangsdruckes Δ Pu Der Strö- -—— = · S, (8)

mungsdifferentiator besitzt auch die einem elektro- 50 ΔΡι Λ , R \ ^a

nischen Differentiator anhaftende Eigenschaft, ein I r_c

ausgeprägter Störunge- oder Impulsverstärker zu sein.

Der Strömungsverstärker besitzt dem elektronischen dabei sind Ri₁ = Ri₂ = Ru Rfi = Rc, Rf = Rc- Das

Verstärker gegenüber jedoch den Vorteil, daß keine Kriterium für eine reine Differentiation ist

Gefahr besteht, daß die Schaltungselemente durch 55 χ 2i?

Überlastung infolge von Störungs- oder Impulsspitzen C₃ = C₂, Rf₂ = ^e—— ;

beschädigt werden. ■&* + -Ki C₂ _

In F i g. 3 ist ein hochverstärkender analoger Strö- q

mungsverstärkerkreis, der dem der F i g. 1 ähnelt,

dargestellt. Die wesentlichen Unterschiede zwischen 60 dabei ist C₂ größer als C₁.

dem Differentiator- und Integratorkreis liegen im Die in F i g. 1 und 3 dargestellten Integrator- bzw.

Rückkopplungskanal und Steuerkanal. Der in F i g. 1 Differentiatorkreise eignen sich für die Verarbeitung

dargestellte Integrator arbeitet nämlich mit zwei Rück- eines unipolaren Eingangssignals, d. h., der Druck des

kopplungskanälen 18,19, die in Strömungsverbindung Steuermediums ist im allgemeinen nur in einem einzi-

mit einem einzigen Empfänger 13 stehen, während 65 gen Bereich, z. B. oberhalb des Umgebungsdruckes,

der Differentiator nur einen Rückkopplungskanal 18 veränderlich. Der Steuerdruck kann andererseits auch

enthält, der in Verbindung mit dem Empfänger 13 in einem Bereich unterhalb des Umgebungsdruckes

steht. Außerdem sind die Rückkopplungskanäle im steuerbar sein, und in diesen Fällen würden die Lei-

stungsstrahlen in der entgegengesetzten Richtung abgelenkt werden gegenüber einem Betrieb in einem Druckbereich oberhalb des Umgebungsdruckes. Wenn der Arbeitsdruckbereich des Steuermediums unterhalb des Umgebungsdruckes liegt — man kann in diesem Falle von einem Eingangssignal negativer Polarität sprechen —,,muß die Eingangssteuerdüse 9 in F i g. 1 auf der entgegengesetzten Seite des Leistungsstrahles angeordnet werden. Wenn der in F i g. 3 dargestellte Differentiatorkreis mit einem Eingangssignal negativer Polarität betrieben werden soll, muß die Rückkopplungsdüse 20 auf der entgegengesetzten Seite des Leistungstrahles wie dargestellt angeordnet werden. . -u.

Der in F i g. 5 dargestellte Kreis kann mit bipolaren Eingangssignalen gesteuert werden und liefert bipolare Ausgangssignale. Fig.-5 zeigt einen Integratorkreis, der F i g. 1 ähnelt, jedoch zwei getrennte Steuerkanäle enthält, die durch , unabhängige Steuerströmungsquellen gespeist werden, außerdem sind zwei Paare von Rückkopplungskanälen vorgesehen, dabei steht jedes Paar mit einem anderen.Strömungsempfänger in Verbindung. Der in F i g; 5 dargestellte Kreis ist nur teilweise dargestellt, und die zwischen der ersten und der letzten Stufe liegenden Strömungsverstärker, die ähnlich wie in F i g. 1 ausgebildet sein können, sind weggelassen. ...

Bei F i g. 5 kann ein bipolares Eingangssteuermedium verwendet werden, bei welchem das Eingangssignal einen Druckunterschied zwischen zwei Eingangssteuerströmungen darstellt. Die Düsen, in denen die Ausgangsenden der Steuer- und Rückkopplungskanäle enden, sind bei der Leistungsdüse 5 auf gegenüberliegenden Seiten des Leistungsstrahles so angeordnet, daß die Steuerdüse 9 und die Düsen 40, 20, die entsprechenden Rückkopplungskanälen 41 bzw. 18 eines ersten Paares zugeordnet sind, auf einer ersten Seite des Leistungsstrahles liegen, während eine zweite Steuerdüse 42 und Düsen 43, 21, die Rückkopplungskanälen 44 bzw. 19 eines zweiten Paares zugeordnet sind, auf der gegenüberliegenden Seite des Leistungstrahles liegen.

Der aus der Düse 20 austretende Rückkopplungsstrahl wirkt mitkoppelnd in bezug auf den aus der Düse 9 austretenden Steuerstrahl, während der aus der Düse 40 austretende Rückkopplungsstrahl bezüglich dieses Steuerstrahles gegenkoppelnd wirkt, wenn die Anzahl der verwendeten Strömungsverstärker ungerade ist. In entsprechender Weise wirkt der aus der Düse 43 austretende Rückkopplungsstrahlmitkoppelnd bezüglich des aus der Düse 42 austretenden Steuerstrahles, während der aus der Düse 21 austretende Rückkopplungsstrahl gegenkoppelnd bezüglich dieses Steuerstrahles wirkt. Die Strömungsimpedanzen in den Kanälen 18, 44 sind gleich und werden durch die Kriterien bestimmt,,di? für die Impedanzen im Kanal 18 der F i g. 1 aufgestellt wurden. In entsprechender Weise sind die Strömungsimpedanzen in den Kanälen 19, 41 gleich und werden durch die für die Impedanzen im Kanal 19 der F i g. 1 aufgestellten Kriterien bestimmt. Die Strömungsimpedanzen im zweiten Steuerkanal 45 sind gleich den_r Impedanzen im ersten Steuerkanal 7 und werden wie für den Kanal 7 in F i g. 1 bestimmt. ,,,

Das Ausgangssignai.ides Integratorkreises ist eine Druckdifferenz zwischen, den beiden Empfängern 12, 13 der letzten Verstärkerstufe und stellt das Integral des Druckunterschiedqs,zwischen den beiden Eingangssignalen dar. Der Ausgang kann also ein beliebiges Vorzeichen annehmen, da der Druck des Mediums im Ausgangskanal 16 größer oder kleiner als der Druck des Mediums im Ausgangskanal 17 werden kann, was durch den Druck in den Steuereingängen der ersten Stufe bestimmt wird.

Der in F i g. 3 dargestellte Differentiatorkreis läßt sich in ähnlicher Weise, wie in Verbindung mit dem Integratorkreis erläutert wurde, abwandeln, wenn ein

ίο bipolarer Eingang und Ausgang gewünscht wird. Man erhält also einen bipolaren Differentiatorkreis mit einem zweiten Paar von Steuerkanälen, deren Eingangsenden gemeinsam mit einem zweiten Steuereingangssignal gespeist werden und deren Ausgangsenden in Düsen auslaufen, die gegenüberliegend bei den Düsen 9, 35 der ersten Stufe angeordnet sind, und mit einem zweiten Rückkopplungskanal, dessen Eingangsende mit dem Ausgangskanal 16 in Verbindung steht und dessen Ausgangsende durch eine Düse ge-

zo bildet wird, die auf der der Düse 20 gegenüberliegenden Seite des Leistungsstrahles angeordnet ist. Die Strömungsimpedanzen in den beiden Rückkopplungskanälen wären gleich, und die Strömungsimpedanzen in dem zweiten Paar der Steuereingangskanäle wären gleich denen im ersten Paar.

Die beschriebenen unipolaren und bipolaren Ausführungsformen von analogen Strömungsintegrator- und Differentiatorkreisen der Erfindung lassen sich natürlich in der verschiedensten Weise abwandeln, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten. Der in F i g. 1 dargestellte unipolare Integratorkreis liefert beispielsweise ein bipolares Ausgangssignal, wenn man gegenüber dem Steuerstrahl der ersten Stufe einen Vorspannungsstrahl konstanten Druckes anordnet und in der letzten Stufe einen Differenzausgang zwischen den Empfängern 12 und 13 verwendet. Die in F i g. 2 und 4 dargestellten unipolaren Integrator- und Differentiatorkreise können jeweils einen bipolaren oder Differenzausgang liefern, wenn man Rückkopplungskanäle vorsieht, die mit dem Empfänger 12 in Verbindung stehen und die die gleichen Strömungsimpedanzen enthalten wie die anderen Rückkopplungskanäle, so daß eine symmetrische Rückkopplung entsteht. In entsprechender Weise

45'kann man sowohl bei den Integrator- als auch Differentiatorkreisen mit einem Differenzeingang wie in F i g. 5 und mit einem einzigen Ausgang arbeiten, wenn man symmetrische Steuerkanäle vorsieht, die von einer zweiten Steuerströmungsquelle gespeist werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Analoger Strömungsverstärker zur Integration mit einem Leistungskanal einschließlich einer Leistungsdüse zur Erzeugung eines zu regelnden Leistungsstrahles, einem stromabwärts von der Leistungsdüse angeordneten Empfängerpaar zur Aufnahme des Leistungsstrahles, ferner mit einem Steuerkanal einschließlich einer Steuerdüse zur Erzeugung eines die Ablenkung des Leistungsstrahles steuernden Steuerstrahles und mit zwei Rückkopplungskanälen einschließlich auf entgegengesetzten Seiten des Leistungsstrahles angeordneten Rückkopplungsdüsen zur Erzeugung von Rückkopplungsstrahlen, die ebenfalls' zur Steuerung der Ablenkung des Leistungsstrahles dienen, dadurch gekennzeichnet, daß

die zwei Rückkopplungskanäle (18, 19) mit einem der beiden Strömungsempfänger (13) verbunden sind und die Eingangsimpedanzen (Zj) des Steuerkanals (7) zwei Strömungsreaktanzen (24) sowie zwei Strömungswirkwiderstände (27, 28) und die Rückkopplungsimpedanz (Zf) jedes Rückkopplungskanals (18, 19) eine Strömungsreaktanz (22, 23) sowie einen Strömungswirkwiderstand (25, 26) enthalten, wobei die Eingangs- und Rückkopplungsimpedanzen einschließlich der von den Düsen der Steuer- und Rückkopplungskanäle gebildeten Strömungswirkwiderstände derart bemessen sind, daß die das gewünschte Zeitintegral des Eingangssignals verfälschenden Zeitkonstanten (T₁, T₂) der Rückkopplungsimpedanzen durch die Zeitkonstanten (T₃, T₄) der Eingangsimpedanzen durch paarweise Gleichheit ihrer Werte eliminiert sind.

2. Analoger Strömungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für einen Gegentakt-Betrieb-ein zweiter Steuerkanal (45) mit zwei Strömungsreaktanzen sowie zwei Strömungswirkwiderständen und zwei weitere mit dem anderen Strömungsverstärker (12) verbundene Rückkopplungskanäle (41, 44) mit jeweils einer Strömungsreaktanz sowie einem Strömungswirkwiderstand vorgesehen sind, wobei die Eingangsund Rückkopplungsimpedanzen einschließlich der von den Düsen der Steuer- und Rückkopplungskanäle gebildeten Strömungswirkwiderstände derart bemessen sind, daß die das gewünschte Zeitintegral des Eingangssignals verfälschenden Zeitkonstanten (T₁, T₂) der Rückkopplungsimpedanzen durch die Zeitkonstanten (T₃, T₄) der Eingangsimpedanzen durch paarweise Gleichheit ihrer Werte eliminiert sind.

3. Analoger Strömungsverstärker zur Differentiation mit einem Leistungskanal einschließlich einer Leistungsdüse zur Erzeugung eines zu regelnden Leistungsstrahles, einem stromabwärts von der Leistungsdüse angeordneten Empfängerpaar zur Aufnahme des Leistungsstrahles, ferner mit zwei einen gemeinsamen Eingangsanschluß aufweisenden Steuerkanälen einschließlich zweier auf entgegengesetzten Seiten des Leistungsstrahles angeordneter Steuerdüsen zur Erzeugung zweier die Ablenkung des Leistungsstrahles steuernder Steuerstrahlen und mit einem Rückkopplungskanal einschließlich einer Rückkopplungsdüse zur Erzeugung eines Rückkopplungsstrahles, der ebenfalls zur Steuerung der Ablenkung des Leistungsstrahles dient, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkopplungskanal (18) mit einem der beiden Strömungsempfänger (13) verbunden ist und die Eingangsimpedanzen (Zi) der Steuerkanäle (7, 33) zwei Strömungsreaktanzen (37, 39) sowie zwei Strömungswirkwiderstände (36, 38) und die Rückkopplungsimpedanzen (Zf) des Rückkopplungskanals (18) zwei Strömungsreaktanzen (29, 31) sowie zwei Strömungswirkwiderstände (30, 32) enthalten, wobei die Eingangs- und Rückkopplungsimpedanzen einschließlich der von den Düsen der Steuer- und Rückkopplungskanäle gebildeten Strömungswirkwiderstände derart bemessen sind, daß die das gewünschte Zeitdifferential des Eingangssignals verfälschenden Zeitkonstanten (T₁, T₂) der Rückkopplungsimpedanzen durch die Zeitkonstanten (T₃, T₄) der Eingangsimpedanzen durch paarweise Gleichheit ihrer Werte eliminiert sind.

4. Analoger Strömungsverstärker nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsimpedanzen Hohlräume mit einem bestimmten Volumen und Drosselstellen oder Blendenöffnungen umfassen.

5. Analoger Strömungsverstärker nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsimpedanzen Hohlräume mit einem bestimmten Volumen und kapillare Leitungsabschnitte umfassen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen