DE1523515A1 - Hydropneumatischer Resonator - Google Patents

Description

4448-66/Dr.ν.Β/Ε

G.E.- Docket No.: 15D-4058

L.R. Kelley et al.

U.S. Serial No. 457,006

Piled:May 19, 1965

General Electric Company Schenectady N.Y., V.St.A.

Hydropneumatischer Resonator

Die Erfindung betrifft strömungsbetatigte Steuer- und Regeleinrichtungen, insbesondere einen hydropneumatischen Resonator zum Bestimmen eines Frequenzparameters.

Strömungssteuereinrichtungen, insbesondere hydropneumatische Steuer- und Regelgeräte haben in jüngerer Zeit zunehmend an Bedeutung gewonnen, da sie wirtschaftlich und einfach sind sowie ohne bewegliche Teile auskommen, so daß - eine hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit gewährleistet sind. Pur solche Einrichtungen wird jedoch eine Vorrichtung benötigt, die auf die Frequenz von Drucksignalen anspricht und eine Bezugsfrequenz vorzugeben gestattet. Durch die Erfindung soll daher ein Resonator an-

gegeben werden, der eine genaue und zuverlässige Bezugs-

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Signalanordnung darstellt.

Ein hydropneumatlscher Resonator enthält gemäß der Erfindung eine Kammer, von der mindestens ein längliches Rohr wegführt, dessen Ende offen ist, so daß eine ungehinderte Durchströmung möglich ist. Das Volumen der Kammer und die Länge und Fläche des Rohres stehen in bestimmter Beziehung zueinander, so daß sich eine Resonanzfrequenz für das Medium in der Kammer ergibt, die außerdem eine Funktion der Temperatur des Mediums ist.

Die Kammer ist mit Einlaß- und Auslaßkanälen versehen, die jeweils eine Drosselstelle enthalten, um die Durchströmung weitgehend zu verringern. Mit dem Einlaßkanal ist ein Drucksignalgenerator verbunden, während an den Auslaßkanal eine drucksignalempfindliche Anordnung angeschlossen ist. Die drucksignalempfindliche Anordnung erhält ein Ausgangssignal maximaler Amplitude, während das Eingangssignal, das der Generator an die Eingangsleitung liefert, der Resonanzfrequenz entspricht und Eingangs- und Ausgangssignale sind dann in Phase. Mit zunehmender Abweichung der Eingangssignalfrequenz tritt eine rasche Dämpfung und eine Phasenverschiebung des AusgangsSignaIs auf. Die Amplituden- und/oder Phasenänderung des Ausgangssign&ls kann dann durch die signalempfindliche Anordnung als Steuer- oder Regelgröße wahrgenommen werden, um entweder die Drehzahl der den Signalgenerator betätigenden Anordnung oder die Temperatur in einer gewünschten Weise- zu steuern.

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Vorzugsweise führt von der Resonatorkammer noch ein zweites Rohr weg, dessen Ende offen ist, so daß eine unbehinderte Durchströmung stattfinden kann. Es sind Vorkehrungen getroffen, um Arbeitsmedium durch das eine der beiden Rohre, die Kammer und dann durch das andere der beiden Rohre zu leiten, so daß die Resonanzfrequenz eine Punktion der Temperatur des durch die Rohre und die Kammer strömenden Arbeitsmediums ist und praktisch nicht von der Temperatur des Mediums im Einlaß- und Auslaßkanal abhängt.

Das Volumen der Kammer ist vorzugsweise veränderlieh, so daß die Resonanzfrequenz genau auf einen gewünschten Viert abgestimmt werden kann. Wenn als Arbeitsmedium eine Flüssigkeit verwendet -wird, ist das Volumen der Kammer vorzugsweise veränderlich. Diese Eigenschaft kann durch, einen federbelasteten Kolben erreicht werden, der in einem zur Kammer hin offenen Zylinder angeordnet ist.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, es zeigen:

Fig. 1 eine etwas vereinfachte Darstellung einer | Strömungssteuereinrichtung mit einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Ausgangssignalamplitude von der Frequenz des Eingangssignals.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung enthält einen Generator 10, der ein sinusförmig schwankendes Drucksignal

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an einen Proportionalverstärker 12 liefert, der ein Drucksignal für einen Resonator 14 gemäß der Erfindung liefert. Das Ausgangssignal des Resonators 14 wird einem zweiten proportional arbeitenden Strömungsverstärker 16 zugeführt.

Der Generator 10 enthält eine Leitung 18, die mit einer Druckluftquelle verbunden ist und in eine Leitung 20 zwischen zwei Drosselstellen 22 gleicher Größe mündet, auf die zwei Leitungen 24, 26 folgen. Ein Ende der Leitung 24 mündet in der Atmosphäre, während das andere Ende mit einer Steuerdüse 28 des Verstärkers 12 verbunden ist. In entsprechender Weise endet ein Ende der Leitung 26 inider Atmosphäre, während das andere Ende mit einer Steuerdüse JO des Verstärkers 12 verbunden ist, die der Steuerdüse 28 gegenüber liegt. Vor den offenen Enden der Leitungen 24, 26 ist eine schräggestellte Platte 32 angeordnet, die am Ende einer Welle 34 befestigt ist. Wenn die Welle 34 umläuft, taumelt die Platte 32 abwechselnd an den offenen Enden der Leitungen 24, 26 vorbei und steuert dabei das Entweichen der Druckluft entsprechend einer Sinusfunktion. Hierdurch entstehen in den Leitungen 24, 26 gegenphasige, sinusförmige Druckschwankungen, die die aus den Steuerdüsen 28, JO austretenden Steuerstrahlen entsprechend beeinflussen.

Der·Verstärker 12 enthält außerdem einen mit einer Druckluftquelle verbundenen Einlaß 36, der zu einer Leistungsstrahldüse 38 führt. Der aus der Düse 38 kontinuierlich austretende Leistungsstrahl ist auf Empfänger 39, 40

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gerichtet, zwischen denen er durch die Druckdifferenz zwischen den Steuerstrahlen aus den Düsen 28, 30 abgelenkt wird. Der Druck im Emfpänger 39 ändert sich daher sinusförmig mit einer der Drehzahl der Welle 34 entsprechenden Frequenz. Der Druck im Emfpänger 40 wird hier nicht nutzbar gemacht, so daß dieser Empfänger entfallen könnte. Bei gewissen Steuer- und Regelkreisen kann der Empfänger 40 jedoch als Bezugssignalquelle verwendet werden.

Der Empfänger 39 liefert das Eingangssignal für den Resonator 14 und ist hierfür über eine Leitung 42 mit einer Kammer 44 verbunden. Die Leitung 42 enthält eine Drosselstelle 46. Die Kammer 44 ist über eine Auslaßleitung 48 mit einer Steuerdüse 50 im. Verstärker 16 verbunden. Die Auslaßleitung 48 enthält ebenfalls eine Drosselstelle 52. Von der Kammer 44 führen zwei Rohre 5^ zur Atmosphäre.

Der Verstärker 16 hat einen Einlaß» der wieder mit einer Quelle für ein Druckmedium verbunden ist und eine Lei-i stungsstrahldüse 58 speist. Eine zweite Steuerdüse 60 ist mit- der Druckluftquelle, vorzugsweise am Einlaß 56, über eine Drosselstelle 62 und eine kapazitiv wirkende Kammer 64 verbunden. Die Kammer 64 verhindert in an sich bekannter Weise eine Wechselwirkung zwischen den Steuerstrahlen 50 und 60. Die Drosselstelle 62 steuert den Druck in der Steuerdüse 60, wie noch näher beschrieben wird. Der Leistungsstrahl aus der Düse 58 ist auf Empfänger 66, 68 gerichtet, auf die ebenfalls noch näher eingegangen wird.

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Der Generator 10 und der Verstärker 12 liefern an die Eingangsleitung 42 des Resonators 14 ein Eingangssignal, das die Form eines sinusförmig schwankenden Druckes hat. Dieses Eingangssignal gelangt in die Kammer 44 und dann zur Ausgangsleitung 48, von wo es als Ausgangssignal vom Resonator dem Verstärker 16 zugeführt wird. Die Frequenz des EingangsSignaIs bestimmt die Amplitude und Phasenlage des Ausgangssignals entsprechend der Eigenfrequenz des Resonators, die durch die Abmessungen der Kammer 44 und ™ der Rohre 54 sowie durch die Temperatur des Mediums in der Kammer bestimmt wird. Wenn die Frequenz des Eingangssignals mit der Resonanzfrequenz übereinstimmt, schwingen in den Röhren 54 Luftsäulen, die wie Stopfen wirken und ein Austreten von Luft aus der Kammer 44 verhindern. Im Resonanzzustand wird bei minimaler Strömung durch den Einlaßkanal ein Signal maximaler Stärke vom Einlaßkanal zum Auslaßkanal übertragen. ■ Das Ausgangssignal hat seine maximale Amplitude und ist mit dem Eingangssignal in Phase. Wenn die Frequenz ) des EingangssignaIs von der Eigenfrequenz äach oben oder unten abweicht, fällt die Amplitude des Ausgangssignals sehr rasch ab, wie in Fig. 2 dargestellt ist, diese Dämpfung ist eine Funktion der Güte Q des Resonators. Die Güte des Resonators kann durch Verringerung der Drosselwirkung der Drosselstellen 46, 52 herabgesetzt werden. Es sei erwähnt, daß anstelle von Drosselstellen oder Blenden auch lange enge Kanäle die gleiche Funktion ausüben können.

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Das Ausgangssignal des Resonators wird der Steuerstrahldüse 50 des Verstärkers 16 zugeführt. Die Drosselstelle 62 wird so eingestellt oder gewählt, daß der entgegenwirkende Steuerstrahl aus der Düse 60 eine solche Stärke hat, daß in den Empfängern 66, 68 bei maximalem Ausgangssignal des Resonators gleiche Drüsse auftreten.

Die Eigenfrequenz des Resonators ist eine Funktion des Volumens der Kammer 44 und der Länge und der Fläche der Röhren 54. Durch Änderung dieser Parameter kann die Eigenfrequenz verändert werden. Zu diesem Zweck ist ein in die ™ Kammer 44 mündender Zylinder 70 vorgesehen, in dem ein verschiebbarer Kolben 72 angeordnet ist, der mittels einer Kolbenstange 74 verstellt werden kann. Die Eigenfrequenz des Resonators kann durch Verschieben des Kolbens 72 und die dadurch bewirkte Volumenänderung der Kammer genau eingestellt werden. Die Kammer 44 soll eine beträchtliche Höhe, Breite und Tiefe haben, sie braucht jedoch nicht unbedingt kugelförmig zu sein, wie dargestellt.

Ein weiterer Faktor, von dem die Eigenfrequenz des i Resonators abhängt, ist die Temperatur des im Resonator befindlichen Mediums. Die beiden Rohre 54, die vom Resonator wegführen, dienen in erster Linie dazu, die Eigenfrequenz des Resonators in Abhängigkeit von der Temperatur eines anderen Mediums als das, welches durch die Einlaßleitung 42 zugeführt wird, zu steuern. Um dies zu bewirken, ist

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eine Leitung ¹Jb mit offenem Ende im Abstand und gegenüber eines der Rohre 5^ angeordnet. Aus der offenendigen Leitung 76 strömt ein Medium, vorzugsweise Luft oder ein anderes Gas, durch das benachbarte Rohr 5^- und durch die Kammer 44, aus der es durch das andere Rohr 54 austritt. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß ein kontinuierliches Strömen von Medium durch die Rohre 54 keinen Einfluß auf die Abdichtungswirkung der schwingenden Luftsäulen in diesen Rohren hat. Das Medium in der Kammer 44 kann auf diese Weise

W dauernd geändert und auf einer gewünschten, anderen Temperatur als die Umgebungstemperatur und die Temperatur der Kammer selbst gehalten worden. Wenn das Medium in der Kammer nicht dauernd geändert zu werden braucht, genügt ein einziges Rohr 54.

Die vorangehende Beschreibung bezog sich auf die Verwendung von Luft als Arbeitsmedium. Es können jedoch auch andere Gase und Flüssigkeiten verwendet werden. Auch bei Einleitung eines flüssigen EingangsSignaIs in die Kammer 44

k können in denFlussigkeitssäulen innerhalb der Rohre 5²I-Schwingungen auftreten, die xvie oben erläutert einen Resonanzeffekt ergeben. In der Praxis müssen diese schwingenden Flüssigkeitssäulen von einer Änderung des Volumens der Kammer begleitet sein. Bei Verwendung eines gasförmigen Arbeitsmediums ist das Medium selbst kompressibel. Da Flüssigkeiten jedoch praktisch inkompressibel sind, muß eine Expansionsanordnung vorgesehen sein, um das Schwingen von Flüssigkeits-

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säulen, z.B. Wassersäulen, zu ermöglichen. Hierzu ist an der Kammer 44 ein zweiter Zylinder 78 vorgesehen, in dem ein verschiebbarer Kolben 80 angeordnet ist, der mittels einer Feder 82 in Richtung auf die Kammer 44 vorgespannt ist. Im Resonanzzustand schwingt der Kolben 80 hin und her, so daß sich die erforderlichen Volumenschwankungen in der Kammer 44 ergeben.

Die im Schnitt dargestellten Verstärker 12, 16 sind in üblicher V/eise aufgebaut, so daß sich eine nähere Beschreibung erübrigt.

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Claims (5)

Patentansprüche

1. Hydropneumatischer Resonator, dadurch gekenn ze lehnet, daß eine Kammer (44) vorgesehen ist, von der mindestens ein längliches Rohr (54) mit offenem Ende, das ein freies Durchströmen des Mediums erlaubt·, · wegführt, wobei das Volumen der Kammer und die Länge und Fläche der Röhre In einem bestimmten Zusammenhang hinsichtlich Resonanz bei einer gegebenen Signalfrequenz stehen, daß mit der Kammer eine Einlaßleitung (42) und eine Auslaßleitung (48) verbunden sind, die eine Drosselanordnung (46, 52) aufweisen, um die Durchströmung möglichst klein zu halten, so daß ein der Einlaßleitung zugeführtes Eingangssignal zu einem maximalen Ausgangssignal in der Auslaßleitung verstärkt wird, wenn das Eingangssignal die Resonanzfrequenz hat und beide Signale dann im wesentlichen gleichphasig sind, während mit zunehmender Abweichung der Frequenz des Eingangssignales von der Resonanzfrequenz eine rasche Dämpfung und Phasenverschiebung des Ausgangssignals auftreten.

2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Einlaßleitung (42) ein Drucksignalgenerator (10, 12) verbunden ist und daß mit der Auslaßleitung (48) eine signalempfindliche Einrichtung (l6) verbunden ist.

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3· Resonator nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Anordnung (70, 72, 74) zur Veränderung des effektiven Volumens der Kammer (44) zur Einstellung der Resonanzfrequenz auf einen bestimmten Wert.

4. Resonator nach Anspruch 1 oder 2 für ein flüssiges Eingangssignal gekennzeichnet durch eine elastische Anordnung (80, 82) zur Veränderung des wirksamen Volumens der Kammer.

5. Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch zwei längliche Rohre (54), die von der Kammer (44) wegführen und offene Enden für ein unbehindertes Durchströmen von Medium aufweisen und durch eine Anordnung (76) zum Einleiten von Medium in eines der Rohre, durch die Kammer und aus dem anderen Rohr hinaus, derart daß die Resonanzfrequenz eine Funktion der Temperatur des durch die Rohre und die Kammer geleiteten Mediums und nicht der Temperatur des in die Einlaßleitung (46) eingespeisten Mediums ist.

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