DE1523510B2

DE1523510B2 - Fehlermeßkreis

Info

Publication number: DE1523510B2
Application number: DE19651523510
Authority: DE
Inventors: Willis Anson Scotia N.Y. Boothe (V.St.A.)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1964-09-23
Filing date: 1965-09-22
Publication date: 1970-11-05
Also published as: US3260456A; DE1523510A1; FR1455463A; GB1097623A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Erzeugen eines Druckmittelsignals, das der Abweichung des Istwertes einer Regelgröße von ihrem Sollwert entspricht, für einen Regelkreis, der einen Strömungsverstärker mit zwei Steuereingängen zur Ablenkung eines Leistungsstrahles zwischen zwei Strömungsempfängern, die mit Leistungsströmungsausgängen verbunden sind, enthält.

Es ist bekannt, in Regelkreisen Einrichtungen zu verwenden, die mit einem strömenden Druckmittel, wie einem Gas oder einer Flüssigkeit, arbeiten und keine mechanisch beweglichen Teile enthalten. Einrichtungen dieser Art, für die der sogenannte Strömungsverstärker ein typisches Beispiel darstellt, haben gegenüber entsprechenden mechanischen elektrischen und elektronischen Einrichtungen den Vorteil, daß sie wesentlich unempfindlicher gegen Umgebungseinflüsse sind und extreme Beanspruchungen durch Stöße, Beschleunigungen, Schwingungen, Kernstrahlung und hohe Temperaturen standhalten können. Da sie keine mechanisch beweglichen Teile enthalten, die einem Verschleiß durch Reibung unterworfen sind, zeichnen sich solche strömungsgesteuerten Einrichtungen außerdem durch sehr hohe Zuverlässigkeit und praktisch unbegrenzte Lebensdauer aus.

Bisher war es jedoch noch nicht möglich, Regler ausschließlich aus strömungsgesteuerten Srnricntungen ohne mechanisch bewegliche Teile, die einem Verschleiß durch Reibung unterworfen sind, aufzubauen. Insbesondere mußten zum Erzeugen eines Druckmittelsignals, das der Abweichung des Istwertes einer Regelgröße von ihrem Sollwert entspricht, mechanisch arbeitende Vorrichtungen verwendet werden, siehe z. B. die Veröffentlichung von Christianson »Dynamic Response Study of a Mechanical-Hydraulic Frequency Governor«, ASME Pater 57 IRD-14, 8. April 1957.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufabe zugrunde, eine Anordnung zum Erzeugen eines Druckmittelsignals, das der Abweichung des Istwertes einer Regelgröße von ihrem Sollwert entspricht, anzugeben, die keine gleitend gelagerten und einem Verschleiß durch Reibung unterworfenen mechanisch beweglichen Teile enthält.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einer Anordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Regelgröße einem Meßumformer zum Erzeugen eines pulsierenden Druckmittel-Istwertsignals · zugeführt ist, dessen Frequenz eine Funktion des Istwertes der Regelgröße ist; daß das Druckmittel-Istwertsignal einer Resonatoranordnung zugeführt ist, die zwei durch das Druckmittelistwertsignal gesteuerte schwingungsfähige Einrichtungen enthält, deren Eigenfrequenzen unterhalb bzw. oberhalb der dem Sollwert der Regelgröße entsprechenden Frequenz liegen, und daß den schwingungsfähigen Einrichtungen jeweils eine Vorrichtung zugeordnet ist, die eine Druckmittelströmung zu jeweils einem der beiden Steuereingänge eines an seinen Leistungsströmungsausgängen ein Regelabweichungs-Druckmittelsignal liefernden Strömungsverstärkers entsprechend der Schwingungsamplitude der betreffenden schwingungsfähigen Einrichtungen steuert.

Der Meßumformer weist vorzugsweise zwei Strömungsausgänge auf, die zwei gegenphasige Druckmittelströmungssignale liefern, deren Frequenz der überwachten Regelgröße entspricht.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Meßumformer ein strömungsmechanischer Zerhacker, der ein scheibenförmiges Bauteil, das schrägliegend auf einer drehbaren Welle montiert ist, und ein ruhendes Bauteil enthält, das einen Strömungseinlaß, zwei mit diesen verbundene und abwechselnd durch das scheibenförmige Bauteil verschließbare Strömungsauslässe und zwei Strömungsausgänge aufweist, die zwei gegenphasige Strömungssignale liefern, deren Frequenz der Drehzahl der Welle proportional ist.

Vorzugsweise enthalten die schwingungsfähigen Einrichtungen jeweils eine federnd gelagerte Masse und zwei auf gegenüberliegenden Seiten dieser Masse angeordnete und auf sie gerichtete Düsen, die mit gegenphasig pulsierende Druckmittelsignale liefernden Ausgängen des Meßumformers verbunden sind, und am freien Ende jeder federnd gelagerten Masse ist eine Abfühldüse sowie ein dieser gegenüberstehender, mit einem der Strömungseingänge des Strömungsverstärkers verbundener Abfühlempfänger derart angeordnet, das der vom Abfühlempfänger aufgenommene Anteil des aus der Abfühldüse austretenden Druckmittelstrahles eine Funktion der Schwkigungsamplitude der federnd gelagerten Masse ist.

Gemäß einer ersten· ■ Ausgestaltung der schwingungsfähigen Einrichtungen ist am freien-Ende jeder federnd gelagerten Masse eine Fl^erfe" angeordnet, die den Druckmittelstrahl aus der zugehörigen Abfühldüse vollständig abfängt, wenn die Masse nicht schwingt.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der schwingungsfähigen Einrichtungen weist das freie Ende jeder federnd gelagerten Masse eine Öffnung auf, durch die der aus der zugehörigen Abfühldüse austretende Druckmittelstrahl praktisch vollständig zum gegenüberliegenden Abfühlempfänger hindurchtritt, wenn die Masse nicht schwingt.

Gemäß wieder einer anderen Ausgestaltung der schwingungsfähigen Einrichtungen weisen die freien Enden der federnd gelagerten Massen jeweils eine gekrümmte Fläche auf, an der sich der Druckmittelstrahl aus der zugehörigen Abfühldüse so anlegt, daß er in den entsprechenden Abfühlempfänger gelenkt wird, wenn die Masse nicht schwingt.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von "Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematiche Darstellung einer Anordnung gemäß der Erfindung,

F i g. 1 a und 1 b graphische Darstellungen des Verlaufes von Druckmittelsignalen in Abhängigkeit von der Frequenz bei der Anordnung gemäß Fig. 1, F i g. 2 eine schematische Darstellung eines Meß-

. umformers, der in der Anordnung nach F i g. 1 enthalten ist,

Fig. 3 eine erste Ausführungsform einer schwingungsfähigen Einrichtung für die Anordnung gemäß Fig. 1,

F i g. 3 a eine graphische Darstellung der Abhängigkeit des von der Einrichtung gemäß F i g. 3 erzeugten Ausgangsdruckes in Abhängigkeit von der Schwingungsfrequenz,

F i g. 4 a und 4 b zwei weitere Ausführungsformen von schwingungsfähigen Einrichtungen für die An-Ordnung gemäß F i g. 1 und

F i g. 5 eine vereinfachte Draufsicht auf einen analog arbeitenden Strömungsverstärker für die Anordnung gemäß Fig. 1.

Die in F i g. 1 als Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellte, mit einem strömenden Druckmittel arbeitende Anordnung liefert Druckmittelströmungssignale, die der Abweichung einer Regelgröße von ihrem Sollwert entsprechen. Anordnungen dieser Art können in den verschiedensten Regelkreisen verwendet werden, durch die ein bestimmter Zustand oder ein bestimmter Wert einer Regelgröße geregelt wird. Die Anordnung wird hier beispielsweise in Verbindung mit der Drehzahlregelung für eine Dampfturbine beschrieben. Die vorliegende Anordnung stellt dabei einen Teil eines Hauptregelkreises dar, durch den im normalen Drehzahlbereich der Turbine ein Stellzylinder für ein Dampfventil gesteuert wird. Für Drehzahlabweichungen, die den normalen Betriebsbereich überschreiten, kann ein zweiter Regelkreis mit einem weiteren Einfangbereich als der Hauptregelkreis verwendet werden.

Die in F i g. 1 schematisch dargestellte Anordnung wird im folgenden an Hand ihrer Arbeitsweise beschrieben. Die einzelnen Teile der Anordnung werden im Zusammenhang mit den F i g. 2 bis 5 näher erläutert.

In geschlossenen Regelkreisen muß die Regelveränderliche im allgemeinen durch einen Meßumformer umgeformt werden, der bei der in F^g. 1* dargestellten Anordnung aus einem Sinuszerhacker besteht, der in F i g. 2 genauer dargestellt ist. Der in F i g. 2 dargestellte Meßumformer ist eine strömungs^ mechanische Anordnung, die zwei gegenphasige, sinusförmige Druckmittelsignale liefert, deren Frequenz direkt proportional zur Größe der überwachten Regelveränderlichen ist, im vorliegenden. Falle der Drehzahl der Läuferwelle einer Dampfturbine. Der Meßumformer gemäß Fig. 2 hat zwei Strömungsausgänge, die zwei Strömungssignale liefern, deren Phasen um 180° gegeneinander versetzt sind. . .

Die gegenphasigen Strömungssignale werden von den Ausgängen des Meßumformers über Leitungen 6, 7 einer Resonatoranordnung zugeführt, die zwei abgestimmte, schwingungsfähige Einrichtungen 12, 13 enthält. Die schwingungsfähigen Einrichtungen 12, 13, von denen eine in Fig. 3 genauer dargestellt ist, enthalten Federelemente gewisser Masse, deren Eigenfrequenzen oberhalb und unterhalb, eines Sollfrequenzwertes liegen, der proportional dem Sollwert¹ der Regelgröße ist. Die Resonanzfrequenzen definieren einen bestimmten, normalen Arbeitsbereich der Regelgröße. Die Leitungen 6, 7 stehen mit zwei Paaren von einander gegenüber angeordneten und zur Schwingungserregung dienenden Strömungseinlässen in Verbindung, nämlich Antriebsdüsen 8, 9 bzw. 10, 11. Die Düsen eines Paares sind jeweils einem Federelement zugeordnet, aufeinander zugerichtet und zwischen den Enden des Federelementes angeordnet. Die beiden gegenphasigen, sinusförmigen Druckmittelströmungen aus dem Sinuszerhacker liefern also eine sinusförmige Antriebskraft für die abgestimmten schwingungsfähigen Einrichtungen 12, 13 mit einer Frequenz, die von der überwachten.Regelgröße abhängt. Die Federelemente sind an ihrem freien Ende mit einem gegebenenfalls integral gebildeten, einen Strömungsdurchlaß oder ein Strömungshindernis bildenden Teil versehen, wie in F i g. 3, 4 ä und 4 b genauer dargestellt ist. Auf gegenüberliegenden Seiten dieser Strömungsbeeinflussungsteile sind eine Quelle für ein unter im wesentlichen konstantem Druck stehendes Medium und ein Strömungsabfühlempfänger praktisch fluchtend miteinander angeordnet. Wenn also die schwingungsfähigen Einrichtungen nicht mit Druckströmungssignalen vom Sinuszerhacker oder mit Signalen, deren Frequenz außerhalb des Frequenzansprechbereiches dieser Einrichtung liegt, gespeist werden, bleiben sie in Ruhe, und

■ die die Strömung beeinflussenden Teile lassen je

ίο nach Konstruktion entweder das gesamte Medium von den Abfühldüsen zu den Abfühlempfängern durch oder sperren die Strömung zwischen diesen beiden Elementen praktisch vollständig.

Die Frequenzabhängigkeit oder Resonanzkurve der schwingungsfähigen Einrichtungen 12, 13 ist in Fig. la graphisch dargestellt, wobei längs der Ordinate der Strömungsdruck des Ausgangssignals der Abfühlempfänger und längs der Abzisse die

- Frequenz / aufgetragen sind. Die Resonanzfrequenz der Einrichtung 12 ist mit /₁₂ bezeichnet und liegt in einem bestimmten Abstand" unterhalb einer Sollfrequenz J₀, die durch die Regelung konstant gehalten werden soll und dem Sollwert der Regelgröße ent-

·: spricht. Die Resonanzfrequenz der Einrichtung 13 ist mit /₁₃ bezeichnet und liegt in einem bestimmten Abstand oberhalb der Sollfrequenz /₀. Die Regelung

•~- arbeitet mit höchster Regelschärfe, wenn die Eigen-" frequenzen /₁₂, /₁₃ der schwingungsfähigen .Eihrich- ·; tungen innerhalb eines etwa 10 % der SoHfrequenz /₀ betragenden Bereiches liegen. Man beachte, daß der normale Arbeitsbereich der vorliegenden Anordnung zwar durch den Frequenzbereich/₁₂ bis /₁₃ definiert ist, die Anordnung jedoch auch noch etwas außerhalb des normalen Arbeitsbereiches, jedoch noch innerhalb der Frequenzempfindlichkeit der spezieller!

schwingungsfähigen Einrichtung arbeitsfähig ist. Im allgemeinen spricht jedoch der erwähnte Regelkreis größeren Einfangbereiches der Regelanlage an und

■ tritt in Tätigkeit, wenn die Regelabweichung den normalen Bereich überschreitet.

• Die Abfühlempfänger, die den schwingungsfähigen Einrichtungen 12, 13 zugeordnet sind, stehen mit Steuerströmungseinlässen eines Strömungsverstärkers in Verbindung, der in F i g. 5 genauer dargestellt ist.'

Aus Fig. i ist ersichtlich, daß die Leitungen 14, 15, die mit den Abfühlempfängern der Einrichtungen 12 bzw.- 13 verbunden sind, eine Steuerströmung an gegenüberliegend angeordnete, Steuerstrahlen bildende Düsen 16 bzw. 17 des Strömungsverstärker's liefern. Durch den Strömungsverstärker werden daher die beiden von den Abfühlempfängern gelieferten Drückströmungssignale subtrahiert, und ein charakteristischer Ausgangsdifferenzdruck Δ P₀ wird als Funk-

-■ tion der Strömungssignalfreq'uenz erzeugt,· wie in F i g. 1 b dargestellt ist: Die Frequenz /₀, die dem Sollwert der Regelgröße entspricht, liegt am Schnittpunkt der Resonanzkurven /₁₂ und /_i3 in F i g. 1 a und stellt den Nulldurchgangspunkt in Fig. Ib dar; Die Sollfrequenz/„kann in der Mitte zwischen den

Resonanzfrequenzen /₁₂ und /₁₃ liegen oder an einem beliebigen Punkt zwischen diesen beiden Frequenzen, was von dem Verlauf der Resonanzkurve der schwingungsfähigen Einrichtungen abhängt.

:' · ■ Der Strömungsverstärker enthält zwei Strömungsempfänger 18, 19 und die Ausgangsdruckdifferenz AP₀, die an den Auslassen dieser Empfänger auftritt, stellt das Fehlersignal dar, das in dem restlichen, nicht dargestellten Teil der Regelschleife zur

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Regelung der Regelgröße auf den Sollwert verwendet direkt proportional zu der zu überwachenden Regelwird. . größe ist. Einer Einlaßleitung 21 wird ununterbrochen

Die Arbeitsweise der beschriebenen strömungsbe- Druckmedium zugeführt, das sich in zwei Strömun-

tätigten Anordnung kann also wie folgt zusammen- gen durch Rohre 22, 23 aufteilt, die mit Verengun-

fassend beschrieben werden: Angenommen die Regel- 5 gen oder Drosselstellen 24 bzw. 25 versehen sind,

größe oder die ihr entsprechende Frequenz liege be- . Das Rohr 22 steht mit einem Auslaßrohr 26 in Ver-

trächtlich außerhalb des normalen Regelbereiches. bindung, das ein offenes erstes Ende mit einer

Unter diesen Bedingungen liegt die Frequenz der Steueröffnung 27 und ein zweites oder Ausgangsende

gegenphasigen Strömungssignale, die von dem Sinus- 28 aufweist, das an die Leitung 6 angeschlossen ist

zerhacker 2 erzeugt werden, außerhalb des Ansprech- io und durch diese das eine der beiden gegenphasigen

frequenzbereiches beider schwingungsfähiger Ein- Strömungssignale an die Antriebsdüsen 9, 11 der

richtungen 12, 13, so daß diese Einrichtungen nicht Einrichtung 12 bzw. 13 liefert, wie in F i g. 1 darge-

zu Schwingungen angeregt werden. Das Differenz- stellt ist. In entsprechender Weise führt das Rohr 23

druckausgangssignal Δ P₀ am Ausgang des Strömungs- zu einem Auslaßrohr 26, das ein offenes erstes Ende

Verstärkers ist daher Null, und die Regelung verharrt 15 mit einer Steueröffnung 30, die um 180° bezüglich

im Gleichgewichtszustand. Angenommen, die der der Steueröffnung 27 versetzt ist, und ein zweites

Regelgröße entsprechende überwachte Frequenz liege oder Ausgangsende 31 aufweist, das mit einer Lei-

nun geringfügig unterhalb der Sollfrequenz /₀ und tung 7 verbunden ist und dementsprechend das zweite

innerhalb des Ansprechbereiches der schwingungs- der beiden gegenphasigen Strömungssignale für die

fähigen Einrichtungen 12 sowie gegebenenfalls auch 20 Antriebsdüsen 8, 10 liefert.

im Ansprechbereich der Einrichtung 13, jedoch näher Auf einer Welle 33, die mit der Turbinendrehzahl an der Resonanzfrequenz der Einrichtung 12 als an oder einer dieser proportionalen Drehzahl umläuft, der der Einrichtung 13. Unter diesen Bedingungen ist eine-Wobbeiplatte 32 montiert. Wenn die Wobbelerregen die vom Sinuszerhacker erzeugten gegen- platte die in Fig. 2 dargestellte Lage einnimmt, wird phasigen Signale die Einrichtung 12 und möglicher- 25 die Steueröffnung 30 geschlossen, so daß die Druckweise auch die Einrichtung 13 zu Schwingungen, . mittelströmung durch das Ausgangsende 31 der Ausderen Größe wie in F i g. 1 dargestellt istj voo-der laßröhre 29 abströmt. Da die Steueröffnung 27' zu Beziehung der vom Sinuszerhacker erzeugten Fre- diesem Zeitpunkt offen ist, kann das.J?rHckmedium quenz zu den Resonanzfrequenzen der Einrichtungen aus der Röhre 26 frei durch diese, öffnung austreten. 12, 13 abhängt. Wenn die Einrichtung 12 (oder 13) 30 Wegen des Rückdruckes, der am Ausgangsende 28 schwingt, wird der Strömungsweg zwischen der Meß- durch die angekoppelten Federelemente erzeugt wird, düse 38 und dem Meßempfänger 39 intermittie- fließt praktisch nur wenig oder gar kein Druckmedium rend geöffnet (oder geschlossen), so daß in der durch dieses Ende ab. Beim Weiterdrehen der Leitung 14 (oder 15) eine entsprechende Steuerströ- Wobbelplatte 32 wird die Steueröffnung 27 geschlosmung auftritt. Unter den oben angegebenen Bedin- 35 sen und die Steueröffnung 30 geöffnet, so daß das gungen ist die Steuerströmung in der Leitung 14 Druckmedium durch das Auslaßende 28 der Röhre wesentlich stärker als eine etwaige Strömung in der 26 abströmen muß. Wie erwähnt, wird eine Strömung Leitung 15, so daß der Leistungsstrahl im Strömungs- des Druckmediums am Ausgangsende 31 der Ausverstärker entsprechend abgelenkt wird und im Emp- laßröhre 29 durch den vom Federelement erzeugten fänger 18 ein größerer Druck auftritt als im Empfän- 40 Rückdruck praktisch unterbunden. Durch die um gerl9 und ein Strömungsausgangssignal mit einer 180° versetzte Anordnung der Steueröffnungen tre-DruckdifferenZ/4P₀ auftritt, wie in Fig. Ib darge- ten an den Ausgangsenden 28, 31 gegenphasige stellt ist. Dieses Ausgangssignal bewirkt im Regel- Druckmittelströmungssignale auf. Die gegenphasigen kreis als Fehlersignal eine Vergrößerung der Regel- Strömungssignale werden mit einer Frequenz erzeugt, größe; bei einer Dampfturbine wird also ein Dampf- 45 die der Umlauffrequenz der Welle 33 entspricht, und ventil, das einem zugehörigen Dampfzylinder züge- . sie können in Abhängigkeit von der Orientierung der ordnet ist, weiter geöffnet. Wenn die Regelgröße in - Wobbeiplatte irgendeine gewünschte Kurvenform entsprechender Weise einen Wert hat, der einer haben. Bei dem hier beschriebenen bevorzugten AusFrequenz entspricht, die etwas über der Sollfre- führungsbeispiel verursacht die schräg angestellte quenz /₀, jedoch noch innerhalb des Ansprechberei- 50 Platte eine sich sinusförmig ändernde Drosselung der ches der schwingungsfähigen Einrichtung 13 und aus den Steueröffnungen 27, 30 austretenden Strögegebenenfalls noch etwas im Ansprechbereich der mung, so daß sinusförmige Strömungssignale entEinrichtung 12 liegt, entsteht in der Leitung 15 eine stehen. Bei anderen Ausführungsformen können wesentlich größere Steuerströmung als in der Leitung Meßeinrichtungen mit einem Kurvenkörper oder einer 14, und der Leistungsstrahl des Strömungsverstärkers 55 Kurvenscheibe verwendet werden, die mit radial oder wird in Richtung auf den Empfänger 19 abgelenkt, axial angeordneten Düsen zusammenwirken,
wobei dann ein Differenzdruckausgangssignal A P₀ In F i g. 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer entsteht, das negativ ist. Dieses negative Differenz- schwingungsfähigen Einrichtung dargestellt, wie sie druck-Fehlersignal steuert die Regelung so, daß das in F i g. 1 mit 12 bzw. 13 bezeichnet ist. Die Einrich-Dampfventil etwas mehr geschlossen wird und die 60 tung enthält eine abgestimmte, schwingungsfähige Turbinendrehzahl entsprechend abfällt, bis der der Zunge üblicher Bauart. Statt der dargestellten Feder-Frequenz /₀ entsprechende Sollwert erreicht ist. zunge können auch irgendwelche anderen bekannten

Im folgenden werden nun die in F i g. 1 nur sehe- abgestimmten schwingungsfähigen Einrichtungen vermatisch dargestellten Baueinheiten näher erläutert. wendet werden, z. B. Stimmgabeln oder andere läng-Die als Sinuszerhacker bezeichnete Meß- oder Ab- 65 liehe Federmassen. Die abgestimmte, schwingungsfühleinrichtung 2 ist in F i g. 2 als strömungsmecha- fähige Zunge 12 ist an einem ersten Ende 35 benische Einrichtung dargestellt, die zwei gegenphasige festigt und weist am freien Ende 36 einen strömungs-Druckmittelströmungssignale liefert, deren Frequenz undurchlässigen, spateiförmigen Teil 37 auf. Auf

gegenüberliegenden Seiten des Teiles 37 sind eine Abfühldüse 38 und ein Abfühlempfänger 39, die wenigstens annähernd miteinander fluchten, angeordnet. Der Abfühldüse 38 wird ununterbrochen Druckmedium zugeführt, und bei ruhender Zunge 12 fängt der Teil 37 praktisch das ganze in Form eines gestrichelt gezeichneten Strahles aus der Abfühldüse 38 austretende Druckmedium ab. Der Abfühlempfänger 39 nimmt dann praktisch kein Druckmedium vom Strahl auf. Die abgestimmte Zunge 12 ruht, wenn die Frequenz der durch den Sinuszerhacker 2 erzeugten gegenphasigen Druckströmungssignale weit ab von der Resonanzfrequenz der Zunge 12 liegt. Die Antriebsdüsen 8, 9 sind etwa in der Mitte zwischen den Enden der Zunge 12 auf gegenüberliegenden Seiten von dieser angeordnet und stehen mit den Leitungen 6 bzw. 7 in Verbindung, so daß die durch den Sinuszerhacker erzeugten gegenphasigen Strömungssignale sinusförmige Antriebskräfte auf die schwingungsfähige Zunge 12 ausüben. Wenn die Frequenz der Strömungssignale vom Sinuszerhacker in den Ansprechbereich der abgestimmten Zunge 12 gelangt, beginnt die Zunge und der Teil 37 zu schwingen, so daß der Strömungsweg zwischen der Abfühldüse 38 und dem Abfühlempfänger 39 intermittierend geöffnet wird. Der Druck des im Abfühlempfänger 39 entstehenden Strömungssignals hat in Abhängigkeit von der Frequenz den in Fig. 3a dargestellten Vsfkruf und erreicht bei der Eigenfrequenz /₁₂ der abgestimmten, schwingungsfähigen Zunge ein Maximum. Wenn das Strömungsignal also die Frequenz/₁₂ hat, schwingt die Zunge 12 mit maximaler Amplitude. Außerhalb der Resonanz fällt der Druck des Strömungssignals im Empfänger 39 mit der Schwingungsamplitude der Zunge ab. Die Resonanzeinrichtung mit der federnden Zunge 12, den Antriebsdüsen 8, 9, der Abfühldüse 38, dem Abfühlempfänger 39 und dem die Strömung unterbrechenden Teil 37 liefert also ein Druckmittelströmungssignal, das die überwachte Regelgröße als Funktion der Resonanzfrequenz der Zunge 12 darstellt. Es ist einleuchtend, daß mit zwei solchen schwingungsfähigen Einrichtungen, deren Resonanzfrequenzen über bzw. unter der konstant zu haltenden Sollfrequenz /₀ liegen, ein bestimmter Wertebereich der Regelgröße definiert werden kann.

F i g. 4 a zeigt eine schwingungsfähige Zunge 12, die einen etwas abgewandelten spateiförmigen Teil am freien Ende aufweist. Der Teil 41 ist scheibenförmig und weist ein Mittelloch auf, das mit der Abfühldüse 38 und dem Abfühlempfänger 39 fluchtet. F i g. 4 b zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Erzeugung eines der Schwingungsamplitude der Zunge 12 entsprechendes Strömungssignal, bei dem am freien Ende der federnden Zunge 12 ein paddeiförmiger Kurvenkörper 42 angeordnet ist. Der Körper 42 hat eine gekrümmte Oberfläche, die sich im Weg des von der Abfühldüse 38 erzeugten Strahles befindet, wenn die Zunge 12 ruht. Die gekrümmte Fläche des Körpers 42 leitet den aus der Düse 38 austretenden Strahl bei ruhender Zunge 12 in die Abfühldüse 39, da sich der Strahl an diese Fläche anlegt. Diese Erscheinung ist als Coanda-Effekt bekannt. Es ist offensichtlich daß die in Fig. 4a bzw. 4b dargestellten Teile 41, 42 in der umgekehrten Weise arbeiten wie der in F i g. 3 dargestellte, die Strömung sperrende Teil 37. Bei der in F i g. 3 dargestellten Ausführungsform sperrt der Teil 37 praktisch den ganzen Strahl, der aus der Abfühldüse 38 austritt, wenn die Zunge 12 nicht schwingt. Im Gegensatz dazu sperren die Teile 41, 42 die Strömung nicht, wenn die Zunge 12 ruht, während der Strahl bei schwingender Zunge in erheblichem Ausmaß, jedoch nicht vollständig abgefangen wird. Da die in den Fig. 4a und 4b dargestellten Anordnungen bei Schwingungen der Zunge 12 Strömungssignale liefern, die im entgegengesetzten Sinn wie

ίο die Signale verlaufen, die die Anordnung gemäß F i g. 3 liefert, müssen die Verbindungen zwischen den Abfühlempfängern und den Steuerströmungseinlässen des Strömungsverstärkers vertauscht werden, oder man muß der Tatsache Rechnung tragen, daß das Differenzdruckausgangssignal A P₀ am Ausgang des Strömungsverstärkers die entgegengesetzte Polarität hat wie das Signal, das bei Verwendung der in den F i g. 1 und 3 dargestellten Anordnung erzeugt wird. Die Antriebsdüsen 8, 9 sind zur Vereinfachung der Zeichnung in den Fig. 4a und 4b nicht dargestellt, in der Praxis werden selbstverständlich solche Düsen wie bei F i g. 3 verwendet und angeordnet. Es ist einleuchtend, daß es bei der Konstruktion der zur Abfühlung der Schwingungen dienenden Teile 37, 41, 42 in erster Linie darauf ankommt, daß auch kleine Änderungen der Schwingungsamplitude der Zungen wahrgenommen wecden.

""^ In F i g. 5 ist eine etwas vereinfachte Draufsicht" einerBewegungsimpulsaustausch-Strömungssteüofeinrichtung dargestellt, wie sie gewöhnlich; als analoger Strömungsverstärker bezeichnet wird. Der Verstärker ist in einer Grundplatte 50 gebildet, die praktisch aus jedem beliebigen Werkstoff hergestellt werden kann, der nicht porös ist, eine ausreichende Form-Stabilität aufweist und von dem verwendeten Arbeitsmedium nicht angegriffen wird. Gut geeignet sind beispielsweise verschiedene Kunststoffe, bei denen die verschiedenen Innenkanäle und Leitungen für das strömende Medium durch Spritzguß- oder Gießverfahren bei Anwendung niedriger Temperaturen gebildet werden können. Andererseits kann man auch Werkstoffe verwenden, die mit Hilfe von Photoätzverfahren verarbeitet und dadurch leicht in größeren Stückzahlen hergestellt werden können.

Metalle und andere wiederstandsfähigere Werkstoffe sind ebenfalls geeignet, und die Formgebung kann dann durch Fräsen, Gießen, Pressen u. dgl. erfolgen. Auf-der Grundplatte 50 wird noch eine nicht dargestellte Deckplatte angeordnet, die -die verschiedenen Kanäle und Leitungen nach oben begrenzt; diese Deckplatte kann gewünschtenfalls aus einem transparenten Werkstoff bestehen, so daß das Innere der Einrichtung sichtbar ist. Die Kanäle und Einrichtungen können auch vollständig durch die Grundplatte 50 reichen und auf beiden Seiten durch Deckplatten begrenzt werden. Als Arbeitsmedium kann ein kompressibles strömungsfähiges Medium, wie Gase einschließlich Luft oder Dampf oder ein relativ inkompressibles strömungsfähiges Medium, wie Wasser oder öl, verwendet werden. Der in F i g. 5 dargestellte Analogverstärker enthält einen Leistungsstromeinlaß 51, der in einer verengten Düse 52 endet, aus der das Druckmedium in Form eines Leistungsstrahles austritt. Zur Bildung von Steuerstrahlen, die gegen

entgegengesetzte Seiten des Leistungsstrahles gerichtet sind, dienen Steuerdüsen 16, 17, die mit Steuerströmungseinlässen 53 bzw. 54 verbunden sind. Der Leistungsströmungskanal 18, der als Empfänger für

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den Leistungsstrahl dient, nimmt einen größeren Teil bei 200 Hz liegt, in einer Fehleranordnung verwendet dieses Leistungsstrahles auf als der Kanal 19, wenn werden, deren Kreisresonanz bei etwa 16 Hz liegt, der Leistungsstrahl durch einen aus der Düse 16 aus- Ein typisches Dämpfungsverhältnis für diese Kreistretenden Steuerstrahl abgelenkt wird. Wenn aus der resonanz liegt in der Größenordnung von 0,5.
Düse 17 ein Steuerstrahl austritt, nimmt in entspre- 5 Die oben beschriebene Anordnung stellt einen chender Weise der Leistungsströmungskanal 19 einen analog arbeitenden Kreis dar, bei dem die Größe des größeren Teil des Leistungsstrahles auf. Die Leistungs- Differenzdruckausgangssignals AP₀ proportional der Strömungskanäle 18,19 bilden also die Leistungsströ- Größe der Regelabweichung ist. Die oben gegebenen mungsausgänge des analogen Strömungsverstärkers Lehren lassen sich jedoch auch auf eine digital arbei- und liefern das Differenzdruckausgangssignal AP₀. io tende Anordnung dieser Art anwenden. Bei einer

Der in Fig. 5 dargestellte Verstärker wird als solchen digitalen Anordnung kann ein strömungs-Analogverstärker bezeichnet, da eine proportionale mechanischer Meßumformer, wie der oben beschrie-Abhängigkeit des Verhältnisses der Leistungsströ- bene Sinuszerhacker, zur Erzeugung eines Druckmungen in den Kanälen 18, 19 von der Stärke der Strömungssignals verwendet werden. Das erzeugte aus den Düsen 16 bzw. 17 austretenden Steuerströ- 15 Signal kann wie beim analogen Kreis irgendeine mungen besteht. Die die Steuerstrahlen bildende Kurvenform, z.B. Sinusform, haben, wobei das Druckströmung ist klein im Vergleich zur Druck- Kriterium darin besteht, daß das Strömungssignal strömung im Leistungsstrahl, der jedoch durch die eine Frequenz hat, die gleich oder proportional dem senkrecht oder wenigstens annähernd senkrecht auf- Sollwert der Regelgröße ist. Bei einer digitalen Antreffenden Steuerstrahlen abgelenkt wird. Der ana- 20 Ordnung wird ein nicht dargestellter, digital arbeitenloge Strömungsverstärker bewirkt also eine Verstär- der Strömungsverstärker verwendet. Ein digitaler kung, da die Änderung der Leistungsausgangsströ- Strömungsverstärker ist eine Strömungssteuereinrichmung größer ist als die entsprechende Änderung der tung, die Strömungsausgangssignale in Form einer Steuerströmungen. Eine zurückspringende Scheitel- Rechteckschwingung liefert. Das Ausgangssignal des öffnung 55, die sich zwischen den Kanälen 18, 19 be- 25 digitalen Strömungsverstärkers ist also nur eine Jafindet, kann zur Entlüftung oder Ableitung verwen- Nein-Fehleranzeige, und in der Regelanlage werdeil' det werden. Beidseits des Leistungsstrahles smd zusätzliche Elemente benötigt, um ein solches Ströaußerdem Entlastungskanäle 56, 57 vorgesehen, um mungssignal in ein Signal umzuwandeln, "das die die Umgebungsdrücke auf entgegengesetzten Seiten Größe der Regelabweichung angibt?'
des Strahles auszugleichen und überschüssiges Ar- 30 Durch die vorliegende Erfindung wird also eine beitsmedium aus dem Ablenkbereich abzuleiten. neuartige strömungsbetätigte Anordnung angegeben,

Der Leistungsströmungseinlaß 51, die Steuerströ- bei der ein Strömungsverstärker als Strömungssteuermungseinlässe 53, 54 und die Leistungsströmungs- einrichtung verwendet wird, um ein Druckströmungsauslässe 18, 19 können mit entsprechenden Leitun- ausgangssignal zu erzeugen, das die Abweichung gen 58 bis 62 versehen sein, die die jeweiligen Strö- 35 einer Regelgröße von ihrem Sollwert anzeigt. Die mungskanäle mit anderen Teilen der Strömungs- Anordnung ist relativ einfach und enthält eine Absteueranlage verbinden. Die Leitung 58 wird also mit fühleinrichtung, die zwei gegenphasige Strömungseiner Quelle für ein unter im wesentlichen konstantem signale liefert, die die Regelgröße darstellen, zwei Druck stehendes Druckmedium verbunden, die Lei- abgestimmte Resonatoren, die zwei Strömungssignale tungen 59, 60 sind an die Strömungsauslässe der bei- 40 liefern, die die Regelgröße als Funktion der Resoden Meßdüsen angeschlossen, die den federnden nanzfrequenzen der abgestimmten Einrichtungen dar-Zungen 12, 13 zugeordnet sind, und die Leitungen stellen, und einen Strömungsverstärker, deren Steuer-61, 62 sind im allgemeinen mit einer oder mehreren Strömungseingänge durch Strömungssignale, die von Analogverstärkerstufen verbunden, die einen Teil der den Resonatoren erzeugt werden, gespeist werden. Regeleinrichtung bilden, die das Dampfventil betä- 45 Das an den Leistungsausgängen des StrÖmungsvertigt, wenn die Regelgröße die Drehzahl einer Dampf- stärkers entstehende Strömungsausgangssignal stellt turbine ist. Die Leitungen 58 bis 62 sind mit kreis- eine Anzeige für die Abweichung der Regelgröße förmigem Querschnitt dargestellt und bestehen im vom Sollwert dar. Der Sollwert der Regelgröße ist allgemeinen aus zylindrischen Leitungen, die senk- durch eine Frequenz definiert, die zwischen den recht zur Ebene der Grundplatte 50 verlaufen. An- 50 Resonanzfrequenzen der beiden schwingungsfähigen dererseits können auch in der Grundplatte 50 Schlitze Einrichtungen liegt, und das Strömungsausgangssignal oder Kanäle vorgesehen sein, die zu deren Umfang zeigt weiterhin an, ob sich die Regelgröße innerhalb reichen, wo sie mit Leitungen oder anderen Kanäle eines bestimmten Betriebsbereiches befindet, der im bildenden Teilen am Umfang der Grundplatte 50 in wesentlichen durch die beiden Resonanzfrequenzen Verbindung stehen können. Das Schaltbild des in 55 begrenzt wird. Das spezielle Ausführungsbeispiel der F i g. 5 dargestellten analog arbeitenden Strömungs- strömungsbetätigten Anordnung und die beiden zuverstärkers ist in F i g. 1 enthalten. sätzlichen Ausführungsbeispiele von Schwingungs-

Zur Beurteilung der Betriebseigenschaften der vor- amplitudenabfühlanordnungen für die schwingungsliegenden Anordnung muß das dynamische Verhalten fähigen Einrichtungen lassen sich selbstverständlich der schwingungsfähigen Federelemente im Gegensatz 60 in der verschiedensten Weise abwandeln, ohne den zu deren statischem Verhalten betrachtet werden. Rahmen der Erfindung zu überschreiten. So können Die dynamischen Ansprecheigenschaften hängen von beispielsweise Bauteile der verschiedensten Form der Modulationsfrequenz des Strömungsdifferenz- _ZUm Abfangen der Strömung zwischen der Abfühldruckausgangssignals A P₀ und nicht von der Träger- düse und dem Abfühlempfänger einer Resonatoranfrequenz (Frequenz des vom Sinuszerhacker erzeug- 65 Ordnung verwendet werden. Auch die Abfühl- oder ten Strömungssignals) ab. Um ein Beispiel zu geben, Wandleranordnung, die die Strömungssignale liefert, kann eine abgestimmte schwingungsfähige Zunge, deren Frequenz der überwachten Regelgröße entderen Resonanzfrequenz im Gleichgewichtszustand spricht, kann ebenfalls in der verschiedensten Weise

ausgebildet sein, was in erster Linie durch den Zustand oder die Regelgröße bestimmt wird. Im weitesten Sinne ist die vorliegende Anordnung für die Anzeige der Abweichung irgendeines Zustandes oder einer Veränderlichen eines Regelsystems geeignet, die in Form eines frequenzabhängigen Strömungssignals überwacht werden können. Frequenz, Drehzahl, Druck und Temperatur sind nur einige Beispiele von Größen, die mit Hilfe der Erfindung wahrgenommen und geregelt werden können.

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Erzeugen eines Druckmittelsignals, das der Abweichung des Istwertes einer Regelgröße von ihrem Sollwert entspricht, für einen Regelkreis, der einen Strömungsverstärker mit zwei Steuereingängen zur Ablenkung eines Leistungsstrahles zwischen zwei Strömungsempfängern enthält, die mit Leistungsströmungsausgängen verbunden sind, dadurch ge-ao kennzeichnet, daß die Regelgröße einem Meßumformer (F i g. 2) zum Erzeugen eines pulsierenden Druckmittel-Istwertsignals zugeführt ist, dessen Frequenz eine Funktion des Istwertes der Regelgröße ist.; daß das Druckmittel-Istwertsignal einer Resonatoranordnung zugeführt ist, die zwei durch das Druckmittel-Istwertsignal gesteuerte schwingungsfähige Einrichtungen (12₎₍J3) --" enthält, deren Eigenfrequenzen (Z₁₂, /₁₃) unterhalt) bzw. oberhalb der dem Sollwert der Regelgröße entsprechenden Frequenz (/₀) liegen, und daß den schwingungsfähigen Einrichtungen jeweils eine Vorrichtung (38, 39 und 37 oder 41 oder 42) zugeordnet ist, die eine Druckmittelströmung zu jeweils einem der beiden Steuereingänge (53, 54) eines an seinen Leistungsströmungsausgängen (61, 62) ein Regelabweichungs-Druckmittelsignal liefernden Strömungsverstärkers (Fig. 5) entsprechend der Schwingungsamplitude der betreffenden schwingungsfähigen Einrichtungen steuert.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßumformer (Fig. 2) zwei Strömungsausgänge (28, 31) aufweist, die zwei gegenphasige Druckmittel-Strömungssignale mit einer dem Istwert der Regelgröße entsprechenden Frequenz liefern.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßumformer (Fig. 2) ein strömungsmechanischer Zerhacker ist, der ein scheibenförmiges Bauteil (32), das schrägliegend auf einer drehbaren Welle (33) montiert ist, und ein ruhendes Bauteil enthält, das einen Strömungseinlaß (21), zwei mit diesen verbundene und abwechselnd durch das scheibenförmige Bauteil (32) verschließbare Strömungsauslässe (27, 30) und zwei Strömungsausgänge (28, 31) aufweist, die zwei gegenphasige Strömungssignale liefern, deren Frequenz der Drehzahl der Welle proportional ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die schwingungsfähigen Einrichtungen (F i g. 3) jeweils eine federnd gelagerte Masse (12) und zwei auf gegenüberliegenden Seiten der Masse angeordnete und auf sie gerichtete Düsen (8, 9) enthalten, die mit gegenphasig pulsierende Druckmittelsignale liefernden Ausgängen (6, 7) des Meßumformers (Fig. 2) verbunden sind, und daß an einem freien Ende jeder federnd gelagerten Masse eine Abfühldüse (38) sowie eine dieser gegenüberstehende, mit einem der Steuereingänge (14, 15) des Strömungsverstärkers (F i g. 5) verbundener Abfühlempfänger (39) derart angeordnet sind, daß der vom Abtühlempfänger aufgenommene Anteil des aus der Abfühldüse austretenden Druckmittelstrahles eine Funktion der Schwin·* gungsamplitude der federnd gelagerten Masse, ist

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadjirfih gekennzeichnet, daß am freien Endeu(37) jeder federnd gelagerten Masse (12) eine Fläche angeordnet ist, die den Druckmittelstrahl, der aus der zugehörigen Abfühldüse (38) austritt, vollständig abfängt, wenn die Masse nicht schwingt (Fig. 3).

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende (41) jeder federnd gelagerten Masse (12) eine Öffnung aufweist, durch die der aus der zugehörigen Abfühldüse (38) austretende Druckmittelstrahl praktisch ungehindert zum gegenüberliegenden Abfühlempfänger (39) hindurchtritt, wenn die Masse nicht schwingt (Fig. 4a).

7. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende (42) jeder federnd gelagerten Masse eine gekrümmte Fläche aufweist, an die sich der aus der zugehörigen Abfühldüse (38) austretende Druckmittelstrahl so anlegt, daß" er in den entsprechenden Abfühlempfänger (39) gelenkt wird, wenn die Masse nicht schwingt (F i g. 4 b).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen