DE1523510C - Fehlermeßkreis - Google Patents

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 Einrichtangen 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 Druckmittel-Istwertsignal 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 Leistungsströmlingsausgängen ein Regelabweichungs-Druckmittelsignal liefernden Strömungsverstärkers entsprechend der Schwingungsamplitude der betreffenden schwingungsfähigen Einrichtungen steuert.

Der Meßumformer weist vorzugsweise zwei Strömungsausgänge auf, die zwei gegcnphasige Druckmittclströmungssignale 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 Abfühlempfanger derart angeordnet, das der vom Abfühlempfänger aufgenommene Anteil des aus der Abfühldüse austretenden Druckmittelstrahles eine Funktion der Schwingungsamplitude der federnd gelagerten Masse ist.

Gemäß einer ersten r Ausgestaltung der schwill?' gungsfähigen Einrichtungen ist am freien Ende jeder federnd gelagerten Masse eine Flächeyähgeordnet, die den Druckmittelstrahl aus decjzTugehörigen 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 Ausführuhgsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematisGhe 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 Meßumformers, der in der Anordnung nach Fig. 1 enthalten ist,

F i g. 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,

Fig. 4a und 4b zwei weitere Ausführungsformen von schwingungsfähigen Einrichtungen für die Anordnung gemäß F i g. 1 und

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

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Die in Fig. 1 als Ausführungsbeispiel der Erfin- eine Quelle für ein unter im wesentlichen konstantem düng schematisch dargestellte, mit einem strömenden Druck stehendes Medium und ein Strömungsabfühl-Druckmittel arbeitende Anordnung liefert Druck- empfänger praktisch fluchtend miteinander angeordmittelströmungssignale, die der Abweichung einer net. Wenn also die schwingungsfähigen Einrichtun-Regelgröße von ihrem Sollwert entsprechen. An- 5 gen nicht mit Druckströmungssignalen vom Sinusordnungen dieser'Art können in den verschiedensten zerhacker oder mit Signalen, deren Frequenz außer-Regelkreisen verwendet werden, durch die ein be- halb des Frequenzansprechbereiches dieser Einrichstimmter Zustand oder ein bestimmter- Wert einer tung liegt, gespeist werden, bleiben sie in Ruhe, und Regelgröße geregelt wird. Die Anordnung wird hier die die Strömung beeinflussenden Teile lassen je beispielsweise in Verbindung mit der Drehzahlrege- io nach Konstruktion entweder das gesamte Medium lung für eine Dampfturbine beschrieben. Die vor- von den Abfühldüsen zu den Abfühlempfängern liegende Anordnung stellt dabei einen Teil eines durch oder sperren die Strömung zwischen diesen Hauptregelkreises dar, durch den im normalen Dreh- beiden Elementen praktisch vollständig,
zahlbereich der Turbine ein Stellzylinder für ein Die Frequenzabhängigkeit oder Resonanzkurve der Danipfventil gesteuert wird. Für Drehzahlabweichun- 15 schwingungsfähigen Einrichtungen 12, 13 ist in gen, die den. normalen Betriebsbereich überschreiten, Fig. la graphisch dargestellt, wobei längs der kann ein zweiter Regelkreis mit einem weiteren Ein- Ordinate der Strömungsdruck des Ausgangssignals fangbereich als der Hauptregelkreis verwendet wer- der Abfühlempfänger und längs der Abzisse die den. Frequenz/ aufgetragen sind. Die Resonanzfrequenz

Die in F i g. 1 schematisch dargestellte Anordnung ao der Einrichtung 12 ist mit /₁₂ bezeichnet und liegt in wird im folgenden an Hand ihrer Arbeitsweise be- einem bestimmten Abstand unterhalb einer Sollschrieben. Die einzelnen Teile der Anordnung werden frequenz /₀, die durch die Regelung konstant gehalten im Zusammenhang mit den Fig. 2 bis 5 näher er- werden soll und dem Sollwert der Regelgröße entläutert, spricht. Die Resonanzfrequenz der Einrichtung 13 ist

In geschlossenen - Regelkreisen muß die Regel- 35 mit /_i3 bezeichnet und liegt in einem bestimmten veränderliche im allgemeinen durch einen Meßum- Abstand oberhalb der Sollfrequenz/₀. Die Regelung former umgeformt werden, der bei der in F i g. 1. arbeitet mit höchster Regelschärfe, wenn die Eigendargestellten Anordnung aus einem Sinuszerha^ker"*™ frequenzen/₁₂, /_1;1 der schwingungsfähigen Einriohbesteht, der in Fig. 2 genauer dargestellt ist. Der in tungen innerhalb eines etwa 10% der Sollfjequeiiz/₀ F i g. 2 dargestellte Meßumformer ist eine strömungs- 30 betragenden Bereiches liegen. Man beachte, daß der mechanische Anordnung, die zwei gegenphasige, normale Arbeitsbereich der vorliegenden Anordnung sinusförmige Druckmittelsignale liefert, deren Fre- zwar durch den Frequenzbereich /₁₂ bis /₁₃ definiert quenz direkt proportional zur Größe der überwach- ist, die Anordnung jedoch auch noch etwas äußerten Regelveränderlichen ist, im vorliegenden Falle halb des normalen Arbeitsbereiches, jedoch noch der Drehzahl der Läuferwelle einer Dampfturbine. 35 innerhalb der Frequenzempfindlichkeit der speziellen Der Meßumformer gemäß F i g. 2 hat zwei Strö- schwingungsfähigen Einrichtung arbeitsfähig ist. Im mungsausgänge, die zwei Strömungssignale liefern, allgemeinen spricht jedoch der erwähnte Regelkreis deren Phasen um 180° gegeneinander versetzt größeren Einfangbereiches der Regelanlage an und sind. tritt in Tätigkeit, wenn die Regelabweichung den

Die gegenphasigen Strömungssignale werden von 40 normalen Bereich überschreitet

den Ausgängen des Meßumformers über Leitun- Die Abfühlempfänger, die den schwingungsfähigen

gen 6, 7 einer Resonatoranordnung zugeführt, die Einrichtungen 12, 13 zugeordnet sind, stehen mit

zwei abgestimmte, schwingungsfähige Einrichtungen Steuerströmungseinlässen eines Strömungsverstärkers

12, 13 enthält. Die schwingungsfähigen Einrichtun- in Verbindung, der in F i g. 5 genauer dargestellt ist.

gen 12, 13, von denen eine in F i g. 3 genauer dar- 45 Aus F i g. 1 ist ersichtlich, daß die Leitungen 14, 15,

gestellt ist, enthalten Federelemente gewisser Masse, die mit den Abfühlempfängern der Einrichtungen 12

deren Eigenfrequenzen oberhalb und unterhalb eines bzw. 13 verbunden sind, eine Steuerströmung an

Sollfrequenzwertes liegen, der proportional dem Soll- gegenüberliegend angeordnete, Steuerstrahlen bil-

wert der Regelgröße ist. Die Resonanzfrequenzen dende Düsen 16 bzw. 17 des Strömungsverstärkers

definieren einen bestimmten, normalen Arbeitsbe- 50 liefern. Durch den Strömungsverstärker werden daher

reich der Regelgröße. Die Leitungen 6, 7 stehen mit die beiden von den Abfühlempfängern gelieferten

zwei Paaren von einander gegenüber angeordneten Druckströmungssignale subtrahiert, und ein charakte-

und zur Schwingungserregung dienenden Strömungs- ristischer Ausgangsdifferenzdruck AP₀ wird als Funk-

einlässen in Verbindung, nämlich Antriebsdüsen 8, 9 tion der Strömungssignalfrequenz erzeugt, wie in

bzw. 10, 11. Die Düsen eines Paares sind jeweils 55 F i g. 1 b dargestellt, ist. Die Frequenz /₀, die dem

einem Federelement zugeordnet, aufeinander züge- Sollwert der Regelgröße entspricht, liegt am Schnitt-

richtet und zwischen den Enden des Federelementes punkt der Resonanzkurven/,., und /₁₃ in Fig. la

angeordnet. Die beiden gegenphasigen, sinusförmigen und stellt den Nulldurchgangspunkt in Fig. Ib dar.

Druckmittelströmungen aus dem Sinuszerhacker lie- Die Sollfrequenz /₀ kann in der Mitte zwischen den

fern also eine sinusförmige Antriebskraft für die ab- 60 Resonanzfrequenzen /₁₂ und /₁₃ liegen oder an einem

gestimmten schwingungsfähigen Einrichtungen 12,13 beliebigen Punkt zwischen diesen beiden Frequenzen,

mit einer Frequenz, die von der überwachten Regel- was von dem Verlauf der Resonanzkurve der schwin-

größe abhängt. Die Federelemente sind an ihrem gungsfähigen Einrichtungen abhängt,

freien Ende mit einem gegebenenfalls integral gebil- Der Strömungsverstärker enthält zwei Strömungs-

deten, einen Strömungsdurchlaß oder ein Strömungs- 65 empfänger 18, 19 und die Ausgangsdruckdifierenz

hindernis bildenden Teil versehen, wie in Fig. 3, 4a AP₀, die an den Auslassen dieser Empfänger auf-

und 4 b genauer dargestellt ist. Auf gegenüberliegen- tritt, stellt das Fehlersignal dar, das in dem rest-

den Seiten dieser Strömungsbeeinflussungsteile sind liehen, nicht dargestellten Teil der Regelschleife zur

■ ' 5 · 6 „.

Regelung der Regelgröße auf den Sollwert verwendet direkt proportional zu der zu überwachenden Regel-

'wird. · ,. 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 ao 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 Wobbelplatte 32 montiert. Wenn die Wobbelerregen die vom Sinuszerhacker erzeugten gegen- platte die in F i g. 2 dargestellte Lage einnimmt, wird phasigen Signale die Einrichtung 12 und möglicher- 35 die Steueröffnung 30 geschlossen, so daß die Druckweise auch die Einrichtung 13 zu Schwingungen, mittelströmung durch das Ausgangsende 31 der_Aas£ deren Größe wie in Fig. 1 dargestellt ist^vort-der laßröhre29 abströmt. Da die Steueröffnung27 zu Beziehung der vom Sinuszerhacker erzeugten Fre- diesem Zeitpunkt offen ist, kann das-, BrucTcmedium 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 ger 19 und ein Strömungsausgangssignal mit einer 180° versetzte Anordnung der Steueröffnungen tre-Druckdifferenz Δ P₀ auftritt, wie in F i g. 1 b 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 -Wobbelplatte 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 Differenzdruckäusgangssignal Δ 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 Fig. 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, schwingungsfühlcinrichtung 2 ist in Fig. 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 37 praktisch den ganzen Strahl, der aus der Abfühl-Abf ühldüse 38 und ein Abf ühlempf anger 39, die we- düse 38 austritt, wenn die Zunge 12 nicht schwingt, nigstene annähernd miteinander fluchten, angeordnet. Im Gegensatz dazu sperren die Teile 41, 42 die Der Abfühldüse 38 wird ununterbrochen Druck- Strömung nicht, wenn die Zunge 12 ruht, während medium zugeführt, und bei ruhender Zunge 12 fängt 5 der Strahl bei schwingender Zunge in erheblichem der Teil 37 praktisch das ganze in Form eines ge- Ausmaß, jedoch nicht vollständig abgefangen wird, strichelt gezeichneten Strahles aus der Abfühldüse 38 Da die in den Fig. 4a und 4b dargestellten Änordaustretende Druckmedium ab. Der Abf ühlempf anger nungen bei Schwingungen der Zunge 12 StrÖmungs-39 nimmt dann praktisch kein Druckmedium vom signale liefern, die im entgegengesetzten Sinn wie Strahl auf. Die abgestimmte Zunge 12 ruht, wenn die 10 die Signale verlaufen, die die Anordnung gemäß Frequenz der durch den Sinuszerhacker 2 erzeugten F i g. 3 liefert, müssen die Verbindungen zwischen gegenphasigen Druckströmungssignale weit ab von den Abf ühlempf ängern und den Steuerströmungseinder Resonanzfrequenz der Zunge 12 liegt. Die An- lassen des Strömungsverstärkers vertauscht werden, triebsdüsen 8, 9 sind etwa in der Mitte zwischen den oder man muß der Tatsache Rechnung tragen, daß Enden der Zunge 12 auf gegenüberliegenden Seiten 15 das Differenzdruckausgangssignal A P₀ am Ausgang von dieser angeordnet und stehen mit den Leitungen 6 des Strömungsverstärkers die entgegengesetzte PoIa- bzw. 7 in Verbindung, so daß die durch den Sinus- rität hat wie das Signal, das bei Verwendung der in zerhacker erzeugten gegenphasigen Strömungssignale den Fig. 1 und 3 dargestellten Anordnung erzeugt sinusförmige Antriebskräfte auf die schwingungs- wird. Die Antriebsdüsen 8, 9 sind zur Vereinfachung fähige Zunge 12 ausüben. Wenn die Frequenz der ao der Zeichnung in den Fig. 4a und 4b nicht darge-Strömungssignale vom Sinuszerhacker in den An- stellt, in der Praxis werden selbstverständlich solche Sprechbereich der abgestimmten Zunge 12 gelangt, Düsen wie bei Fig. 3 verwendet und angeordnet. Es beginnt die Zunge und der Teil 37 zu schwingen, so ist einleuchtend, daß es bei der Konstruktion der zur daß der Strömungsweg zwischen der Abfühldüse 38 Abfühlung "der Schwingungen dienenden Teile 37, und dem Abfühlempfänger 39 intermittierend geöff- as 41, 42 in erster Linie darauf ankommt, daß auch net wird. Der Druck des im Abfühlempfänger 39 ent- kleine Änderungen der Schwingungsamplitude der stehenden Strömungssignals hat in Abhängigkeit von Zungen wahrgenommen werden. ■ j. der Frequenz den in Fig. 3a dargestellten Xgrlaüf*^ In Fig. 5 ist eine etwas vereinfachte Draufsicht und erreicht bei der Eigenfrequenz /,₂ der abge- einerBewegungsimpulsaustausch-StrömungsSteüereinstimmten, schwingungsfähigen Zunge ein Maximum. 30 richtung dargestellt, wie sie gewöhnlich' als analoger Wenn das Strömungsignal also die Frequenz t_? hat, Strömungsverstärker bezeichnet wird. Der Verstärker schwingt die Zunge 12 mit maximaler Amplitude. ist in einer Grundplatte 50 gebildet, die praktisch Außerhalb der Resonanz fällt der Druck des Strö- aus jedem beliebigen Werkstoff hergestellt werden mungssignals im Empfänger 39 mit der Schwingungs- kann, der nicht porös ist, eine ausreichende Formamplitude der Zunge ab. Die Resonanzeinrichtung 35 Stabilität aufweist und von dem verwendeten Arbeitsmit der federnden Zunge 12, den Antriebsdüsen 8, 9, medium nicht angegriffen wird. Gut geeignet sind der Abfühldüse 38, dem Abfühlempfänger 39 und beispielsweise verschiedene Kunststoffe, bei denen dem die Strömung unterbrechenden Teil 37 liefert die verschiedenen Innenkanäle und Leitungen für also ein Druckmittelströmungssignal, das die über- das strömende Medium durch Spritzguß- oder Gießwachte Regelgröße als Funktion der Resonanz- 40 verfahren bei Anwendung niedriger Temperaturen frequenz der Zunge 12 darstellt. Es ist einleuchtend, gebildet werden können. Andererseits kann man daß mit zwei solchen schwingungsfähigen Einrichtun- auch Werkstoffe verwenden, die mit Hilfe von gen, deren Resonanzfrequenzen über bzw. unter der Photoätzverfahren verarbeitet und dadurch leicht in konstant zu haltenden Sollfrequenz /„ liegen, ein be- größeren Stückzahlen hergestellt werden können, stimmter Wertebereich der Regelgröße definiert wer- 45 Metalle und andere wiederstandsfähigere Werkstoffe den kann. sind ebenfalls geeignet, und die Formgebung kann Fig. 4a zeigt eine schwingungsfähige Zunge 12, dann durch Fräsen, Gießen, Pressen u. dgl. erfolgen, die einen etwas abgewandelten spateiförmigen Teil Auf-der Grundplatte 50 wird noch eine nicht dargeam freien Ende aufweist. Der Teil 41 ist scheiben- stellte Deckplatte angeordnet, die die verschiedenen förmig und weist ein Mittelloch auf, das mit der 50 Kanäle und Leitungen nach oben begrenzt; diese Abfühldüse 38 und dem Abfühlempfänger 39 fluchtet. Deckplatte kann gewünschtenfalls aus einem trans-Fig. 4b zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer parenten Werkstoff bestehen, so daß das Innere der Anordnung zur Erzeugung eines der Schwingungs- Einrichtung sichtbar ist. Die Kanäle und Einrichtunamplitude der Zunge 12 entsprechendes Strömungs- gen können auch vollständig durch die Grundplatte signal, bei dem am freien Ende der federnden Zunge 55 50 reichen und auf beiden Seiten durch Deckplatten 12 ein paddeiförmiger Kurvenkörper 42 angeordnet begrenzt werden. Als Arbeitsmedium kann ein komist. Der Körper 42 hat eine gekrümmte Oberfläche, pressibles strömungsfähiges Medium, wie Gase eindie sich im Weg des von der Abfühldüse 38 erzeugten ' schließlich Luft oder Dampf oder ein relativ inkonl·· Strahles befindet, wenn die Zunge 12 ruht. Die ge- pressibles strömungsfähiges Medium, wie Wasser krümmte Fläche des Körpers 42 leitet den aus der 60 oder öl, verwendet werden. Der in Fig. 5 darge-Düse 38 austretenden Strahl bei ruhender Zunge 12 stellte Analogverstärker enthält einen Leistungsstromin die Abfühldüse 39, da sich der Strahl an diese einlaß 51, der in einer verengten Düse 52 endet, aus der Fläche anlegt. Diese Erscheinung ist als Coanda- das Druckmedium in Form eines Lcistungsstrahles Effekt bekannt. Es ist offensichtlich daß die in austritt. Zur Bildung von Slcucrslrahlen, die gegen Fig. 4 a bzw. 4 b dargestellten Teile 41, 42 in der 65 entgegengesetzte Seiten des Leislungsslrahlcs gerichtet umgekehrten Weise arbeiten wie der in Fig. 3 dar- sind, dienen Slcuerdiisen 16, 17, die mit Steuergestellte, die Strömung sperrende Teil 37. Bei der in. strömungscinliisscn 53 bzw. 54 verbunden sind. Der F i g. 3 dargestellten Ausführungsform sperrt der Teil Lcistungsströnningskanal 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 16Hz 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 A P₀ 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- so Ordnung wird ein nicht dargestellter, digital arbeiten-Ioge 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- Rechteckschwingüng liefert. Das Ausgangssignal des. öffnung 55, die sich zwischen den Kanälen 18,19 be- 35 digitalen Strömungsverstärkers ist also nur eine Jafindet, kann zur Entlüftung oder Ableitung verweji- Nein-Fehleranzeige, und in der Regelanlage werdend det werden. Beidseits des Leistungsstrah^gs. sind- zusätzliche Elemente benötigt, um ein solches.St'r'öaußerdem Entlastungskanäle 56, 57 vorgesehen, um mungssignal in ein Signal umzuwancjekf," 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 fülleinrichtung, 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 Sollwerf 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 schwingungs-

liegendcn 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 Abfiihl-

druckausgangssignals AP₀ und nicht von der Träger- düse und dem Abfiihlempfünger einer Resonatoran-

frequenz (Frequenz des vom Sinuszerhacker erzeug- 65 Ordnung verwendet werden. Auch die Abfühl- oder

ten Strömungssigtials) ab. Um ein Beispiel zu geben, Wandleranordnung, die die Strönuingssignale liefert,

kann eine abgestimmte scliwingiingsfähige Zunge, deren Frequenz der überwachten Regelgröße ent-

iicrcn 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 (7)

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 ge- ^. steuerte schwingungsfähige Einrichtungen (12,"JS) enthält, deren Eigenfrequenzen (Z₁₂, Z₁₃) unterhalb bzw. oberhalb der dem Sollwert der Regelgröße entsprechenden Frequenz (/„) 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 (Fig. 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 Abfühlempfanger (39) derart angeordnet sind, daß der vom Abfühlempfänger aufgenommene Anteil des aus der Abfühldüse austretenden Druckmittelstrahles eine Funktion der Schwingungsamplitude der federnd gelagerten Ma^ser^st.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß am freien EndE^(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 (F i g. 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 (F i g. 4 a).

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 Ab_fühldüse-(38) austretende Druckmittelstrahl so anlegt, daß er in den entsprechenden Abfühlempfänger (39) gelenkt wird, wenn die Masse nicht schwingt (Fig. 4b).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen