DE1523542B2

DE1523542B2 - Stroemungsmittel-operationsverstaerker

Info

Publication number: DE1523542B2
Application number: DE1965J0029744
Authority: DE
Inventors: Björn Gerhard Milwaukee Wis. Bjornsen (V.St.A.)
Original assignee: Johnson Service Co
Current assignee: Johnson Service Co
Priority date: 1965-01-25
Filing date: 1965-12-30
Publication date: 1976-09-30
Also published as: GB1140024A; DE1523542A1; US3388713A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Strömungsmittel-Operationsverstärker mit mehreren, hintereinandergeschalteten und an eine Strömungsmittelquelle angeschlossenen Strömungsmittelverstärkern sowie mit einem, dem ersten Strömungsmittelverstärker vorgeschalteten Vorstufen-Strömungsmittelverstärker, in welchen eine Rückkopplungsleitung mit einem Strömungsmittelwiderstand, ausgehend vom Ausgang des letzten Strömungsmittelverstärkers, und Signalleitungen einmünden, wobei als Vorstufe ein Gegenstrahlverstärker mit zwei Düsen angeordnet ist, an deren eine die Rückkopplungsleitung angeschlossen ist.

Ein Operationsverstärker dieser Art ist in dem ein älteres Recht darstellenden deutschen Patent 15 23 537 beschrieben, wobei an die eine der beiden Düsen der Vorstufe der Speisedruck über einen Strömungsmittelwiderstand angelegt ist, während die zweite, entgegengesetzte Düse über je einen Strömungsmittelwiderstand von einer oder mehreren Signalquellen und von der Rückkopplung beaufschlagt wird. Bei dieser Ausführung wird der Vorteil erreicht, daß hoher Widerstand an der Signaleingangsleitung erhalten werden kann, so daß bei Signaldruckänderung die Änderung der Durchflußmenge klein ist, was erwünscht ist. Andererseits ist mit einer solchen Ausführung nur eine negative Verstärkung möglich. Will man beispielsweise die Differenz zweier Signale bilden, so muß zunächst das eine der beiden Signale über einen separaten Verstärker invertiert werden. Damit verliert man an Genauigkeit und erhöht den Aufwand.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Strömungsmittel-Operationsverstärker so auszuführen, daß bei Beibehaltung des Vorteils hohen Eingangswiderstandes sowohl positive als auch negative Verstärkung möglich sind. Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß jede der beiden Düsen des Gegenstrahlverstärkers über einen Vorspannwiderstand mit der Strömungsmittelquelle verbunden und an mindestens eine Signalleitung über einen Strömungsmittelwiderstand, dessen Wert wesentlich größer als der Widerstandswert der Düse ist, angeschlossen ist.

Durch die Erfindung ist es ermöglicht, mit negativer und positiver Verstärkung zu arbeiten, und zwar mit großer Genauigkeit und ohne großen konstruktiven Aufwand, wobei gleichzeitig bei Signaldruckänderung die Änderung der Durchflußmenge klein ist und wobei eine sichere Entkopplung der Signalquellen gewährleistet ist.

Weitere Ausgestaltungen der" Erfindung sind in^ weiteren Ansprüchen unter Schutz gestellt. · _r.j?

Die Erfindung wird nachstehend an - Hand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Strömungsmittel-Operationsverstärkers gemäß der Erfindung,

Fig.2 einen Querschnitt durch den Vorstufen-Gegenstrahlverstärker-Modulator, der schematisch in F i g. 1 dargestellt ist,

F i g. 3einegraphischeDarstellungeiner Eingangs-Ausgangs-Charakteristik des Gegenstrahlverstärkers,

F i g. 4 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Vergleichsvorganges im Verstärker nach F i g. 1,

F i g. 5 eine graphische Darstellung der negativen und positiven Verstärkungskennlinien des Verstärkers, der für den Empfänger nach F i g. 1 um einen ausgewählten höchsten Eingangssollwert arbeitet,

Fig.6 eine der Fig.5 ähnliche graphische Darstellung, die positive und negative Verstärkungskennlinien beim Arbeiten um einen mittleren Eingangsdrucksollwert zejgt,

Fig. 7 eine schematische Darstellung, die einen die Erfindung anwendenden Universalverstärker zeigt, der als Teil einer Temperatursteuerungseinheit angeschlossen ist.

In F i g. 1 ist eine Ausführungsform eines Strömungsmittel-Operationsverstärkers dargestellt, der einen Vorstufen-Gegenstrahlverstärker hat, dessen Aufbau in F i g. 2 dargestellt ist.

Bei der Darstellung gemäß Fig. 1 sind die in den verschiedenen Leitungen angeordneten Strömungsmittelwiderstände als einstellbare Strömungsmittelwiderstände dargestellt.

In der Praxis kann jeweils ein nicht einstellbarer Strömungsmittelwiderstand in Reihe mit einem feineinstellbaren Strömungsmittelwiderstand verwendet werden. Wenn eine einzige nicht einstellbare Ausführung vorgesehen ist, können nicht einstellbare Strömungsmittelwiderstände verwendet werden. Allgemein weist ein Verstärker gemäß F i g. 1 in den verschiedenen Eingangsleitungen nicht dargestellte Filter auf, wie es üblich ist.

Der Vorstufen-Gegenstrahlverstärker 1 weist zwei Düsen 17 und 16 auf. Die Düse 17 ist über einen Vorspannwiderstand 4 und einen Druckregler 5 mit einer Strömungsmittelquelle verbunden. Außerdem ist die Düse 17 an zwei Signalleitungen geschaltet, deren jede einen positiv verstärkenden Strömungsmittelwiderstand 2 bzw. 3 enthält. Die Strömungsmittelwiderstände 2,3 und 4 liegen alle parallel.

Die gegenüberliegende Düse 16 ist über einen Strömungsmittelwiderstand 8 und den Druckregler 5 an ι ο die Strömungsmittelquelle, und weiterhin an zwei Signalleitungen geschaltet, deren jede einen negativ verstärkenden Strömungsmittelwiderstand 7 bzw. 6 enthält. Die Strömungsmittelwiderstände 6, 7 und 8 liegen alle parallel.

Das Ausgangssignal des Vorstufen-Gegenstrahlverstärkers 1 ist gleich seinem Verstärkungsfaktor, multipliziert mit der Differenz der absoluten Gesamtdrücke an den beiden Düsen 16,17, wobei die absoluten Gesamtdrücke auf ein Bezugsniveau bezogen sind, wie es nachstehend beschrieben ist.

Der Ausgang 24 des Vorstufen-Gegenstrahlverstärkers ist an einen mit Vorwärtsverstärkung arbeitenden Verstärker angeschlossen, der allgemein irgendein geeigneter Verstärker sein kann, der auf das vom Vorstufen-Gegenstrahlverstärker 1 kommende Signal mit niedrigem Niveau anspricht. Der in Fig. 1 dargestellte Verstärker weist zwei in Kaskade geschal- ^. tete Gegenstrahlverstärker 9 und 10 auf, welche Wrfie geeignete Verstärkung bewirken, um eine Leistungsstufe 11 zu betreiben, die irgendeine geeignete Einrichtung sein kann, die zur Verstärkung eines Signals auf einen solchen Wert dient, bei welchem eine pneumatische Betätigungsvorrichtung od. dgl. betrieben werden kann. Eine solche Betätigungsvorrichtung kann ein Strömungsmittel-Leistungsverstärker, ein pneumatisches Relais gemäß Fig. 7 oder eine ähnliche Vorrichtung sein.

Die Leistungsstufe 11 ist gemäß Fig. 1 ein Strömungsmittelverstärker und weist zwei Gegenstrahlverstärker 12 und 13 auf, die parallel geschaltet sind, um auf einer Ausgangsleitung 14 ein Ausgangssignal mit verhältnismäßig hoher Energie zu liefern. Ein Rückkopplungs-Strömungsmittelwiderstand 15 verbindet die Ausgangsleitung 14 mit dem Vorstufen-Gegenstrahlverstärker 1. Der Rückkopplungs-Strömungsmittelwiderstand 15 ist an die Düse 16 des Vorstufen-Gegenstrahlverstärkers 1 geschaltet, da der Vorwärtsverstärker negativen Verstärkungsfaktor hat und einen Operationsverstärker zur Addition oder Subtraktion einer Mehrzahl von Eingangssignalen an einem oder beiden der Eingänge bildet.

Aus F i g. 2 ist ersichtlich, daß die Düsen 16 und 17 des Vorstufen-Gegenstrahlverstärkers 1 von einem konzentrischen Gehäuse 18 umgeben sind, welches eine Querwand 19 hat, die mit Bezug auf die Düsen 16 und 17 mittig angeordnet ist. Die Wand 19 enthält eine Steueröffnung 20 in Ausrichtung mit den Düsen 16 und 17. Die Steueröffnung 20 hat vorzugsweise V-förmigen Querschnitt, so daß entsprechend geformte Flächen auf gegenüberliegenden Seiten der öffnung 20 und eine scharfe Kante an der öffnung vorhanden sind. Die Querwand 19 begrenzt eine erste Kammer 21, welche die Düse 16 umgibt und konzentrisch zu dieser liegt sowie mit einer Strömungsmittelabnahmeöffnung 22 versehen ist. Die Querwand 19 begrenzt weiterhin eine ähnliche Kammer 23, welche die Düse 17 umgibt und konzentrisch zu dieser liegt sowie mit der Ausgangsöffnung 24 versehen ist. Der Vorstufen-Gegenstrahlverstärker 1 ist symmetrisch ausgebildet, was von Bedeutung ist, da beide Kammern 21, 23 als Bezugskammer oder als Ausgangskammer verwendet werden können, wenn sie in entsprechender Weise in den Strömungsmittelkreislauf geschaltet werden.

Gemäß F i g. 1 ist die Strömungsmittelöffnung 22 so angeschlossen, daß sie in der Kammer 21 einen Bezugsdruck liefert. Bei der dargestellten Ausführung ist der Atmosphärendruck der Bezugsdruck. Es kann jedoch auch ein anderer Druck als Bezugsdruck verwendet werden.

Die öffnung 24 dient als Ausgangsöffnung des Vorstufen-Gegenstrahlverstärkers 1, und der Ausgangsdruck wird in der Kammer 23 gebildet.

Zufolge der in F i g. 1 dargestellten Ausführung und Schaltung des Vorstufen-Gegenstrahlverstärkers 1 ist das gesamte an der Düse 17 auftretende Signal die algebraische Summe der Signaldrücke oder Strömungsmitteldrücke, die durch die Signale an den Strömungsmittelwiderständen 6 und 7 und das Vorspannsignal der Strömungsmittelwiderstände 8 und 4 gebildet werden. Die Ausführung ist dabei so getroffen, daß der Gleichgewichtsjjunkt der aus den Düsen 16 und 17 austretenden Ströme, gewöhnlich im Bereich der Öffnung 20 liegt. Falls im Betrieb der aus der Düse 17 austretende Strahl' ausreichend größer als der aus der ^ Düse 16 austretende Strahl wird, verschiebt sich die Gleichgewichtsstelle in die Kammer 21 hinein, wobei dann ein Ausgangssignal Null erhalten wird.'Falls 'der aus der Düse 16 austretende Strahl -entsprechend stärker wird als der aus der Düse 17 austretende Strahl, verschiebt sich die Gleichgewichtsstelle in die Kammer 23 hinein (siehe Fig.2), und es wird ein maximales Ausgangssignal erhalten. Für praktische Zwecke wird der Verstärker so ausgeführt, daß er im Bereich eines mittleren Ausgangsdruckes in der Leitung 14 arbeitet, der ein Null-Niveau bildet, so daß sowohl positive als auch negative Signale erhalten werden können. Der Vorstufen-Gegenstrahlverstärker 1 ist daher so ausgeführt, daß er ein Ausgangssignal liefert, welches auf ein angehobenes Bezugsniveau in der Ausgangsleitung 14 bezogen ist, und daß dieses Ausgangssignal um das Bezugsniveau schwankend moduliert wird.

Der Vorstufen-Gegenstrahlverstärker ist so ausgeführt, daß das Ausgangssignal (P_OSin) gleich dem Verstärkungsfaktor (K._sj_m) des Gegenstrahlverstärkers 1, multipliziertjnit der Differenz der Drücke P\ an der Düse 16 und P2 an der Düse 17 ist, wobei die Drücke P\ und Pi höher als der Bezugsdruck sind, der in der Kammer 21 herrscht. Der Druck P_osim des Ausgangssignals ist allgemein niemals kleiner als der Bezugsdruck Pref. Diese Beziehung ist in F i g. 3 für drei verschiedene unveränderliche Drücke Pi an der Düse 17 bei veränderlichem Druck Pi an der Düse 16 dargestellt, wobei P\ größer als P2 ist. Der Ausgangsdruck P_OSim ist auf der senkrechten Achse, und die Differenz P\—Pi ist auf der horizontalen Achse aufgetragen. Die drei Kurven 25, von denen je eine für jeden unveränderlichen Druck Pi gezeichnet ist, enthalten jeweils einen gleichen positiven Anstieg zu dem höchsten verfügbaren Ausgangsdruck, der durch Pz geliefert wird.

Der Vorstufen-Gegenstrahlverstärker 1 ist so ausgeführt, daß geringer Strömungswiderstand geschaffen ist, so daß ein merklicher Druckabfall gegenüber dem Bezugsdruck nicht hervorgerufen wird. Der Vorstufen-Gegenstrahlverstärker 1 arbeitet demgemäß mit Leistungsstrahlen mit verhältnismäßig niedrigem Druck,

von denen jeweils einer oder beide mit einem oder mehreren Signalen moduliert werden.

Der Vorstufen-Gegenstrahlverstärker 1 erzeugt ein verstärktes Ausgangssignal, welches für Änderungen des Gesamtdrucks an der Düse 17 umgekehrtes Vorzeichen hat, und welches für Änderungen des Gesamtdrucks an der Düse 16 gleiches Vorzeichen hat. Demgemäß kann ein Eingangssignal positiv oder negativ verstärkt werden.

Wie bereits erwähnt, ist das Ausgangssignal in der Ausgangsleitung 14 auf ein willkürlich angenommenes oder Bezugs-Nullniveau angehoben, und der Vorstufen-Gegenstrahlverstärker 1 muß ein darauf bezogenes Ausgangssignal mittlerer Stärke haben. Dieses wird durch die Verstärkung der Operationsverstärkerstufen bestimmt, die von den Gegenstrahlverstärkern 9, 10,12 und 13 gebildet sind.

Die in Kaskade geschalteten Gegenstrahlverstärker 9 und 10 und die parallel geschalteten Gegenstrahlverstärker 12 und 13 kehren jeweils das Vorzeichen des an sie angelegten Eingangssignals um. Demgemäß führt eine Signaländerung an der Düse 17 zu einer proportionalen Änderung des Ausgangsdrucks mit gleichem Vorzeichen, und die Strömungsmittelwiderstände 2 und -3 schaffen posititive Verstärkung. Umgekehrt führt eine Signaländerung an der Düse 16 zu einer porportionalen Änderung des Ausgangsdrucks, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen, und^Jie STrömungsmittelwiderstände 6 und 7 schaffen negative Verstärkung. Der Druck in der Ausgangsleitung 14 erhöht sich bzw. erniedrigt sich entsprechend.

Die Gegenstrahlverstärker 9 und 10 arbeiten mit negativer Verstärkung. Jeder dieser Gegenstrahlverstärker 9 und 10 weist zwei gegenüberliegende Strahldüsen 27 und 28 auf, die relativ zu einer schematisch bei 29 dargestellten Ausgangskammer aufeinandertreffen. Die Gegenstrahlverstärker 9 und 10 sind vorzugsweise so ausgeführt, daß die Bezugskammer geschlossen ist, mit der eine Bezugsleitung 30 verbunden ist, so daß ein Bezugsdruck ausgewählt werden kann, der gemäß der Darstellung Umgebungsbzw. Atmosphärendruck ist. Die Bezugsöffnung 30 ist vorgesehen, da bei gewissen Ausführungen ein anderer Bezugsdruck als der Umgebungs- bzw. Atmosphärendruck erwünscht sein kann.

Eine quer zu den Düsen 27 und 28 angeordnete Steuerdüse 31 ist der Düse 27 benachbart in der Bezugskammer angeordnet und mit dem Ausgang 24 des Vorstufen-Gegenstrahlverstärkers 1 verbunden, so daß der aus der Düse 27 austretende Strahl entsprechend dem Ausgangssignal des Vorstufen-Gegenstrahlverstärkers 1 abgelenkt wird.

Die Düse 27 ist über einen einstellbaren Strömungsmittelwiderstand 32 mit der Strömungsmittelquelle verbunden. Zusätzlich ist eine einen einstellbaren Strömungsmittelwiderstand 33 enthaltende Leitung vorgesehen, welche die Düse 28 mit der Düse 27 und demgemäß mit der Ausgangsseite des Strömungsmittelwiderstandes 32 verbindet. Der Ausgang 34 des Gegenstrahlverstärkers 9 wird als Eingang an den Gegenstrahlverstärker 10 angelegt, in welchem das Signal mit einer weiteren Vorzeichenumkehrung verstärkt und in den Leistungsverstärker 11 eingespeist wird.

Der Leistungsverstärker 11 enthält die parallel angeordneten Gegenstrahlverstärker 12 und 13, die in gleicher Weise wie die Gegenstrahlverstärker 9 und 10 ausgeführt und in ähnlicher Weise an die Strömungsmittelquelle angeschlossen sind. Zusätzlich weisen sie eine gemeinsame Eingangsleitung 35 auf, die mit den entsprechenden quer angeordneten Steuerdüsen verbunden ist. Eine gemeinsame Ausgangsleitung 36 verbindet die Ausgänge der Gegenstrahlverstärker 12 und 13 mit der Ausgangsleitung 14. Der Leistungsverstärker 11 kehrt das Vorzeichen des Eingangssignals wiederum um und liefert ein entsprechend bezogenes verstärktes Ausgangssignal. Der in die Rückkopplungsleitung geschaltete Strömungsmittelwiderstand 15 verbindet die Ausgangsleitung 14 mit der Düse 16 des Vorstufen-Gegenstrahlverstärkers 1, um negative Rückkopplung zu erzeugen.

Die Arbeitsweise des Operationsverstärkers wird nachstehend beschrieben.

Das Ausgangssignal Po™, des Vorstufen-Gegenstrahlverstärkers 1 bildet das Eingangssignal für den mit negativer Verstärkung arbeitenden Operationsverstärker, der die Gegenstrahlverstärker 9, 10, 12 und 13 aufweist. Das Ausgangssignal Po in der Ausgangsleitung 14 ist daher gleich (P\-P₂) K_Sim (den Eingangssignaldrücken an den Düsen 16 und 17), multipliziert mit dem negativen Verstärkungsfaktor (- K) des mit Vorwärtsverstärküng arbeitenden Verstärkers.

Die Gleichung kann wie folgt geschrieben werden: <

Po= 'K (P₁ -P₂),- '-'-

wobei K beide obenerwähnten Verstärkungen enthält. Ferner ist in Summenform das

Signal

wobei P\j sich auf die entsprechenden Eingangssignale 4c der Strömungsmittelwiderstände 6 und 7 und aller übrigen Strömungsmittelwiderstände bezieht, die an der Düse 16 vorgesehen sind. R\j bezieht sich auf den Widerstandswert der Strömungsmittelwiderstände 6 und 7 und aller übrigen Strömungsmittelwiderstände, die vorgesehen sein können. Rf sich auf den Widerstandswert des in der Rückkopplungsleitung vorgesehenen Strömungsmittelwiderstandes 15. Für den Durch-■gangswiderstand GVi gilt:

G_n =

Nl

R,

"R_1n

R₁

wobei Rni der Strömungsmittelwiderstand der öffnung der Düse 16 ist. Gleichfalls ist in Summenform das Signal

wobei für den Durchgangswiderstand

R_m R21 Rz_n R/a

Das Einsetzen der Gleichungen für P\ und P₂ in die Gleichung für Po ergibt die Formel für das Arbeiten des

Operationsverstärkers, ausgedrückt durch die Eingangssignale an den Anschlüssen des Operationsverstärkers und der bezeichneten passiven Elemente.

Rf ρ _ K ^2J

Po =

LL

R₁G

+ 1

Durch Verwendung eines Verstärkers mit Vorwärtsverstärkung und einem ausreichend hohen Verstärkungsfaktor K ergibt die Arbeitsgleichung mit der Annäherung oder dem Regelkreisfehler, die bzw. der unmittelbar in Beziehung steht zu der Genauigkeit, die durch die Vereinfachung des Nenners bedingt ist, die Arbeitsgleichung

_2J

ρ _

^r0 —

R,

Nl

Κλ

sehr groß gemacht werden mit Bezug auf die Summe der Durchgangswiderstandswerte der Eingangsströmungsmittelwiderstände

R,

■21

Es kann gleichfalls gezeigt werden, daß mit dem Vorstufen-Gegenstrahlverstärker 1 und einem Verstärker mit Vorwärtsverstärkung und einem positiven Verstärkungsfaktor und' durch Anschließen des in der Rückkopplungsleitung vorgesehenen Strömungsmittelwiderstandes an die Düse 17 zur Aufrechterhaltung der negativen Rückkopplung eine ähnliche Leistungsgterchung folgende Form hat:

Gemäß den vorstehenden Gleichungen ist die Gesamtleistung nur durch die passiven Elemente bestimmt. Auf Grund der besonderen Bauweise des Vorstufen-Gegenstrahlverstärkers 1 können die Leistungsgleichungen weiter vereinfacht werden durch Ausschaltung oder Vereinfachung der Ausdrücke für den Durchgangswiderstand in den Gleichungen. Wie oben festgestellt, ist der Vorstufen-Gegenstrahlverstärker 1 so ausgeführt, daß der Strömungsmittelwiderstand an seinen Eingangsöffnungen sehr klein ist. Infolgedessen kann der Durchgangswiderstand

für eine akzeptable begrenzte Anzahl von Eingängen. Die Durchgangswiderstandswertverhältnisse in den

vorstehenden Gleichungen können daher eng angenähert reduziert werden auf

'Tl

N2

^JT2

Nl

und

Tl

⁷Tl

Κ»

und, wenn die Öffnungen des Vorstufen-Gegenstrahlverstärkers 1 gleichgemacht werden, dann wird das Durchgangswiderstandsverhältnis gleich 1 und ist dadurch aus der Leistungsfunktion eliminiert, die dann durch die entsprechenden positiven und negativen Verstärkungswiderstandsverhältnisse der Strömungsmittelwiderstände in der Rückkopplungsleitung und in den Eingangssignalleitungen bestimmt ist.

Die Arbeitsweise des Operationsverstärkers wird nachstehend durch Beschreibung verschiedener Anschlüsse erläutert, die hergestellt werden können. Die graphischen Darstellungen in den Fig.4 bis 6 sind vereinfachte Linienzeichnungen tatsächlicher Diagramme, die an einem Operationsverstärker gemäß Fig. 1 aufgenommen sind, wobei das Strömungsmittel Luft ist. In der nachfolgenden Beschreibung sind die verschiedenen Signaldrücke und Widerstandswerte durch einen ndex gekennzeichnet, der dem Bezugszeichen des Strömungsmittelwiderstandes entspricht. Beispielswei-· se ist das Eingangssignal am Strömungsmittehviderstand 3 als P₃, und der entsprechende Strömungsmittelwiderstandswert als R3 bezeichnet.

Wenn ein Strömungsmittelwiderstand 3 mit positiver Verstärkung und ein Strömungsmittelwiderstand 6 mit negativer Verstärkung zusammengeschlossen und mit einer gemeinsamen Signalquelle 37 verbunden werden, sind die Strömungsmittelwiderstände 2 und 7 geschlossen oder an geeignete unveränderliche Sollwertdrücke angeschlossen, und der Widerstandswert des Strömungsmittelwiderstandes 3 ist gleich demjenigen des Strömungsmittelwiderstandes 6, so daß sie dieselben Verstärkungen haben. Das Ausgangssignal in der Leitung 14 bleibt bei Änderungen des aus der gemeinsamen Quelle 37 kommenden Signals konstant, was bedeutet, daß der Unterschied zwischen den beiden Ausgangssignalen Null bleibt. Die Wirkung einer solchen Ausführung ist in F i g. 4 gezeigt, in welcher die Eingangssignaldrücke, ausgedrückt in kg/cm² auf der waagerechten Achse, und die Ausgangssignaldrücke, ebenfalls ausgedrückt in kg/cm², auf der senkrechten Achse aufgetragen sind. Zwei Linien 38 konstanten Ausgangsdrucks für sich ändernde Eingangssignaldrükke sind dargestellt und sie entsprechen verschiedenen Einstellungen der Strömungsmittelwiderstände 4 und 8 und/oder der Strömungsmittelwiderstände 2 und 7, wenn diese nicht geschlossen sind, wobei durch diese Einstellungen die anfänglichen Sollwertdrücke für die Düsen 16 und 17 geliefert werden.

Das Ausgangssignal nach F i g. 4 ergibt sich auch aus der folgenden Ausgangsgleichung

R₁

R_f

-P₆K₆

Die Indices beziehen sich auf entsprechende Elemente. Es ist ersichtlich, daß K₆ = K₃,aaRe = A3 ist. Daher ist

= K₃(P₃-P₆).

609 540/4

Da die Signaleingänge zusammengeschlossen sind, ist der Unterschied Null, und Po bleibt auf dem vorher eingestellten Wert, wie es in Fig.4 durch die waagerecht verlaufenden Linien 38 angezeigt ist.

Falls andererseits die Strömungsmittelwiderstände 3 und 6 gemäß der Darstellung an einen gemeinsamen Eingang angeschlossen sind, der positive Verstärkungsfaktor K₃ oder der negative Verstärkungsfaktor K₆ jedoch durch entsprechende Einstellung des Strömungsmittelwiderstandes 3 bzw. 6 vorherrschend ist, ergibt sich eine Ausgangscharakteristik, die durch die positiv geneigte Linie 40 bzw. die negativ geneigte Linie 39 in F i g. 4 dargestellt ist.

Der Vorstufen-Gegenstrahlverstärker 1 wird durch die Vorspannwiderstände 4 und 8 oder durch Verwendung der Strömungsmittelwiderstände 2 und 7 als Sollwertsteuerung eingestellt derart, daß für einen ausgewählten Eingangsdruck ein bestimmtes Ausgangsniveau erhalten wird. Das von der Signalquelle 37 kommende Eingangssignal wird als um diesen Sollwert schwankend angenommen. Falls der Widerstandswert des Strömungsmittelwiderstandes 6 kleiner wird, vergrößert sich sein Verstärkungsfaktor

und der negative Abfall, Linie 39, durch derxjSollwertpunkt ist dann typisch für die Leistung des Operationsverstärkers.

Falls der Widerstandswert des Strömungsmittelwiderstandes 2 verringert wird oder der Widerstandswert des Strömungsmittelwiderstandes 6 erhöht wird, herrscht positive Verstärkung vor, und die Linie 40 des Verstärkungsfaktors mit positiver Steigung bestimmt in entsprechender Weise die Charakteristik.

Die Steigungen der Linien 39 und 40 ergeben sich auch aus einer Analyse der obenerwähnten Leistungsgleichung

P₀ = P₃K₃-P₆K₆.

P₆ und P₃ sind auf Grund des Anschlusses an eine gemeinsame Signalquelle gleich. Daher ist

P₀= P₆(K₃-K₆).

Falls K₆ größer wird und überwiegt, ergibt sich eine negative Verstärkungskennlinie. Falls K₃ zunimmt und überwiegt, ergibt sich eine positive Verstärkungskennlinie.

F i g. 5 zeigt die Charakteristik des Operationsverstärkers, wobei die Eingangssignale zu dem Druck an der Düse 17 beitragen und das Signal an der anderen Düse 16 auf Grund von von den entsprechenden Strömungswiderständen kommenden Signalen variiert. Die Kennlinie ist für den Fall dargestellt, in welchem der Ausgangsdruck gemäß der Sollwerteinstellung erreicht ist, wobei ein oder mehrere Eingangssignale zu dem Druck an der Düse 17 beitragen. In F i g. 5 sind negative Verstärkungskennlinien 41 und positive Verstärkungskennlinien 42 dargestellt. Für die negativen Verstärkungskennlinien gilt, daß bei abnehmendem Signaldruck der Ausgangsdruck ansteigt, wobei das Ausmaß des Wechsels durch das Verhältnis des Widerstandswertes des in der Rückkopplungsleitung angeordneten Strömungsmittelwiderstandes zu dem Widerstandswert des Eingangsströmungsmittelwiderstandes bestimmt ist.

Wenn zur Vereinfachung der Gleichung angenommen wird, daß Signale nur an den Strömungsmittelwiderständen 3 und 6 vorhanden sind, definiert die Ausgangsgleichung

P₀=P₃K₃-P₆K₆

wieder die beiden Gruppen von Kennlinien 41 und 42. Für den Fall, daß die Drücke, welche zu dem Druck P₆ beitragen, als unveränderliche Werte ausgewählt sind und das veränderliche Signal in den Strömungsmittelwiderstand 3 eingespeist wird, sind die Verstärkungskennlinien durch die positiv geneigte Linie 42 dargestellt. Wenn P₃ beispielsweise abnimmt, nimmt der Ausgangsdruck Po ebenfalls ab. Falls umgekehrt die Drücke P₃ unveränderlich sind, um einen gewünschten Sollwertausgangsdruck zu bestimmen, wird die Verstärkerleistung durch die negativ geneigten Verstärkungskennlinien 41 definiert. Daher erhöht sich der Ausgangsdruck Po, wenn sich P₆ verringert.

F i g. 6 zeigt eine der F i g. 5 ähnliche Arbeitsweise mit der Ausnahme, daß der Einstellpunkt, bei welchem der mittlere Ausgangsdruck erhalten wird, einem Zwischenwert des Eingangsdrucks entspricht. Der Einstellpunkt kann durch richtige Einstellung der Vorspann-Strömungsmittelwiderstände 4 und 8 sowie auch durch das Anlegen eines oder mehrerer unveränderlicher Ejiirgangssignale an die Eingangsströmungsmittelwiderstände des Gegenstrahlverstärkers 1 erzierf wdrden.

Der Operationsverstärker arbeitet dann gemäß Kennlinien, die negativ geneigte Linien 43 und positiv geneigte Linien 44 umfassen, und zwar in Abhängigkeit von den Verstärkungsfaktoren und den Drücken, die durch die allgemeine Gleichung bestimmt sind. Dabei wird zum Zwecke der Vereinfachung wieder angenommen, daß nur die Strömungsmittelwiderstände 3 und 6 vorhanden sind:

Po= P₃K₃-P₆K₆.

40 Falls P₃ unveränderlich ist und nur P₆ schwankt, bestimmen die positiv geneigten Kennlinien 43 die Charakteristik. Wenn dagegen P₃ schwankt und P₆ unveränderlich ist, wird die Charakteristik durch die negativ geneigten Kennlinien 44 bestimmt.

In F i g. 7 ist eine besondere Ausführungsform des "Operationsverstärkers dargestellt, der in eine Heißwasserheizanlage zur Steuerung der Wassertemperatur eingebaut ist. Gemäß F i g. 7 ist der Operationsverstärker 60 mit seinem Ausgang so angeschlossen, daß er ein Dampfventil 61 steuert, welches seinerseits den Durchfluß von Dampf durch eine Dampfeingangsleitung 62 zu einem Wärmeaustauscher 63 irgendeiner bekannten Bauart steuert, welcher Heißwasser an eine Heißwasser-Ausgangsleitung 64 liefert. Die Heißwasserleitung 64 ist in einer geschlossenen Heizschleife mit einem Paar Heizkörper 65 verbunden. Eine Pumpe 66 ist in der Leitung 64 vorgesehen, um das Wasser durch die Heizkörper 65 umzuwälzen und den daran anschließenden Bereich zu heizen. Wasserventile 67 sind jeweils in Reihe mit jedem der Heizkörper 65 verbunden und werden durch einen gesonderten Steuerungsthermostaten 68 gesteuert, um den Wasserumlauf zu überwachen.

Die Temperatur des Wassers in der Leitung 64 wird durch Verwendung eines Temperaturfühlers 69 gesteuert, der als Eingang an den Verstärker 60 angeschlossen ist, um ein Fehlersignal zu erzeugen,

welches am Ausgang des Verstärkers 60 abgegeben wird, um wahlweise und richtig das Dampfventil 61 einzustellen und die Temperatur der Wasserleitung auf einem Sollwert zu halten.

Gemäß Fig.7 enthält der Verstärker 60 einen Vorstufen-Gegenstrahlverstärker 70, der in seiner Ausführung dem Vorstufen-Gegenstrahlverstärker 1 gemäß F i g. 1 entspricht, so daß für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet sind. Ein drei Anschlüsse aufweisender Strahlverstärker 71 verbindet ι ο den Ausgang des Gegenstrahlverstärkers 70 mit zwei Gegenstrahlverstärkern 72 und 73, die den Gegenstrahlverstärkern 9 und 10 gemäß Fig. 1 entsprechen. Der Strahlverstärker 71 hat eine Leistungsdüse 74, die über einen Strömungsmittelwiderstand 75 an eine Strömungsmittelquelle angeschlossen ist, sowie eine gegenüberliegende Ausgangsdüse 76, die mit der Steuerdüse des Gegenstrahlverstärkers 72 verbunden ist. Eine quer angeordnete Steuerdüse 77 lenkt den Leistungsstrahl, der aus der Düse 76 austritt, zur Modulierung des Ausgangsdrucks ab.

Der Strahlverstärker 71 bildet eine Pufferstufe, um die Kennlinie des Gegenstrahlverstärkers 70 derjenigen des Gegenstrahlverstärkers 9 anzupassen. Der Ausgang des Gegenstrahlverstärkers 73 der zweiten Stufe ist direkt mit dem Eingang eines an sich bekannten pneumatischen Relais 78 verbunden, dessen Ausgang wiederum zur Steuerung des Dampfventils 61 und des Rückkopplungsströmungswiderstandes 15 angescWos- *~* sen ist. Das pneumatische Relais enthält ein Gehäuse mit einer Hauptluftkammer 79, die mit einer Luftquelle verbunden ist. Ein Klappenventil 80 ist so vorgespannt, daß es gewöhnlich eine öffnung von der Kammer 79 zu einer Ausgangskammer 81 schließt. Das Klappenventil wird wahlweise durch ein membranbetätigtes Glied 82 eingestellt, welches nach oben durch eine Bezugskammer 83 und die Ausgangskammer 81 hindurchgeht. Das Glied 82 ist im Querschnitt abgestuft und weist einen verhältnismäßig großen Bodenteil auf, der an einer Membran 84 befestigt ist, welche die obere Wand einer Steuerkammer 85 bildet. Eine Membran 86 bildet die Unterwand der Kammer 81 und ist mit einem Abschnitt verringerten Querschnitts des Gliedes 82 verbunden. Der Ausgang des Gegenstrahlverstärkers 73 der Endstufe ist mit der Steuerkammer 85 verbunden, um darin einen Vorspanndruck zu schaffen, der dem Ausgangssignal des Gegenstrahlverstärkers 70 proportional ist. Wie dargestellt, ist die wirksame Fläche des Gliedes 82 an der Membran 84 merklich größer als die wirksame Fläche, die an der Ausgangskammer-Membran 86 befestigt ist. Infolgedessen kann allgemein eine Verstärkung im Verhältnis dieser wirksamen Flächen mit Bezug auf den Eingangs-(Vorspann-)Steuerdruck und den Ausgangsdruck erzielt werden.

Demnach hält der mittlere Ausgangsdruck das Glied 82 nach oben in Berührung mit dem Klappenventil 80, so daß die Zufuhr von Luft durch die Ausgangskammer 81 zum Dampfventil 61 gedrosselt wird. Dadurch wird der gewünschte Zustrom von Dampf zum Wärmeaustauscher für einen gegebenen normalen Heizungszustand gewährleistet und unmittelbar der Wärmeverlust in der Heißwasserleitung 64 entsprechend den vorbestimmten Bedingungen ausgeglichen. Falls die Temperatur des Wassers abnimmt oder sich erhöht, erzeugt der Fühler 69 ein Signal, welches an den Verstärker 60 angelegt wird. In Fig.7 sind drei Eingangs-Strömungsmittelwiderstände 87, 88 und 89 als parallele Eingänge mit einer einzigen Eingangsleitung 90 verbunden, die wahlweise durch ein pneumatisches Ableitungsventil oder eine Kupplung 91 mit der Düse 16 oder 17 des Gegenstrahlverstärkers 70 verbunden wird. Mit der Kupplung 91 ist eine zweite Kupplung verbunden, die an einer Seite in Reihe mit einem Vorspannströmungsmittelwiderstand 93 an einen Druckregler 94 angeschlossen ist. Die gegenüberliegende Seite wird wahlweise an die Düse 16 oder an die Düse 17 umgekehrt zu der ersten Kupplung 91 angeschlossen. Wenn daher mit der ersten Kupplung die Strömungsmittelwiderstände 87 bis 89 an die Düse 17 angeschlossen werden, wie es in ausgezogenen Linien dargestellt ist, verbindet die Kupplung 92 die gegenüberliegende Düse 16 mit dem Vorspann-Strömungsmittelwiderstand 93, um einen Ausgleich zwischen den Eingangssignalen und dem Vorspannsignal bzw. Eichsignal herzustellen. Die eine Strömung ist dann eine künstlich erzeugte Strömung durch den Vorspann-Strömungsmittelwiderstand 93 hindurch und wirkt der Summe der Eingangssignalströme entgegen, die über die drei parallelen Strömungsmittelwiderstände 87 bis 89 anliegen.

Der Strömungsmittelwiderstand 89 wird nachfolgend als Istwert-Strömungsmittelwiderstand bezeichnet und er liegt in Reihe mit einem pneumatischen Übertrager, der an den Fühler 69 angeschlossen ist und durch diesen betätigt wird, um das Signal für den Strömungsmittelwiderstand 89 entsprechend der Temperatur in der Heißwasserleitung 64 abzuwandeln.

Der Strömungsmittelwiderstand 88 kann als Sollwert-' Strömungsmittelwiderstand bezeichnet werden'und er liegt in Reihe mit einem pneumatischen .Stufenschalter 96, der einen einstellbaren regulierten Eingangsdruck liefert, um die Einstellung eines Sollwertsignals zu ermöglichen.

Der Strömungsmittelwiderstand 87 ist ein Hauptsignal-Strömungsmittelwiderstand und über einen Verhältniseinstell-Strömungsmittelwiderstand 97 mit einem pneumatischen Übertrager verbunden, der an einen entfernt liegenden Temperaturfühler 99 angeschlossen ist, der entweder die Außentemperatur oder die Raumtemperatur feststellt.

Der Sollwert wird eingestellt, um ein Signal zu liefern, welches bei Addition zu den Signalen an den Strömungsmittelwiderständen 89 und 97 die Heißwassertemperatur in Übereinstimmung mit diesem Sollwert und der Außentemperatur auf einen bestimmten Wert hält. Dieser Wert ist teilweise einstellbar durch den einstellbaren Strömungsmittelwiderstand 97, und teilweise" einstellbar durch das Verhältnis der Empfindlichkeiten der Temperaturübertrager 95 und 98. Der Vorspann- bzw. Eich-Strömungsmittelwiderstand 93, der die Düse 16 mit der Strömungsmittelquelle verbindet, wird so eingestellt, daß er den gewünschten Ausgleich durch Vergleichswirkung herstellt, so daß das Ausgangssignal für eine gegebene Gruppe von Signalen bei 98, 96 und 95 einen vorbestimmten gewünschten Wert hat.

Die Ausführung gemäß F i g. 7 zeigt deutlich die Vielseitigkeit des Operationsverstärkers. Er ermöglicht nicht nur einstellbare Vorwärtsverstärkung der Servo-Einrichtung, die durch Änderung des Rückkopplungs-Strömungsmittelwiderstandes 15 herbeigeführt wird, sondern er dient auch als Systemfehlerknotenpunkt, indem das Rückkopplungssignal über den Strömungsmittelwiderstand 89 zu dem Sollwert und die Eingangssignale über den Strömungsmittelwiderstand 88 bzw. 87 addiert werden.

Die Ausführungsform gemäß Fig.7 kann stets das

richtige Schleifenvorzeichen des Steuerstromkreises mittels der Schaltvorrichtung oder Kupplung 91 und 92 gewährleisten, wie es oben beschrieben wurde.

In der dargestellten Ausführungsform, die als steuernder Empfänger in F i g. 7 bezeichnet worden ist, handelt es sich um eine umgekehrt wirkende Temperatur-Servo-Einrichtung, da bei absinkender Außen- oder Raumtemperatur das Ausgangssignal des Relais vergrößert wird, um das Ventil 61 zu schließen. Die negative Rückkopplung der Einrichtung wird hier durch den ι ο steuernden Empfänger in der Weise geschaffen, daß ein anwachsendes Signal an irgendeinem der Strömungsmittelwiderstände 87 bis 89 das Ausgangssignal des Relais verringert. Nach der dargestellten Ausführungsform kann eine unmittelbare Wirkung dadurch erzielt werden, daß nur die Verbindung der Kupplungen 91 und 92 umgetauscht wird; in diesem Fall muß für die negative Rückkopplung durch andere Schaltungselemente wie entweder das Ventil 61 oder den Temperaturübertrager 95 gesorgt werden.

In automatischen Steuerungseinrichtungen kann die Vergleichswirkung des Verstärkers mit großem Nutzen verwendet werden, um »Fehler«-Signale durch Signal-Subtraktion, wie oben beschrieben, zu erzeugen. Dabei können, falls erwünscht, zahlreiche Schleifenverstärkungen in der Einrichtung einfach durch eine einstellbare bewertete Subtraktion erzielt werden.

Im allgemeinen macht eine solche Servo-Eißr-ichfOTTg Ausgleichswirkungen erforderlich, wie Rückstellung, Bewertung oder eine Kombination von diesen, die durch den Verstärker erreicht werden. Die parallel liegenden Gegenstrahlverstärker 12 und 13 gemäß Fig. 1 können durch ein pneumatisches Relais ersetzt werden, welches der Leistungsstufe des steuernden Empfängers entspricht, während alle anderen Funktionen beibehalten werden, die in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben worden sind.

Der Vorstufen-Gegenstrahlverstärker 1 kann in irgendeiner geeigneten Anordnung gebaut werden. Eine Ausführungsform, die tatsächlich als Teil eines Operationsverstärkers befriedigend gearbeitet hat, enthält gleiche Strahldüsenöffnungen von 0,406 mm, die von einer Steueröffnung von 0,457 mm jeweils gleichen Abstand von 0,127 mm haben. Dieser Gegenstrahlverstärker 1 hat allgemein zufriedenstellend gearbeitet, wenn der Düseneingangsdruck in der Größenordnung von 0,0000232 bis 4,2 kg/cm² über dem Bezugsdruck lag.

Für jeden nachfolgenden Gegenstrahlverstärker bzw. Strahlverstärker wurde der Bezugsdruck so gewählt, daß er um wenigstens eine gleiche Druckdifferenz kleiner als sein vom vorhergehenden Strahlverstärker kommender Eingangsdruck war. Eine tatsächlich gebaute Ausführung eines Gegenstrahlverstärkers hatte die folgenden Hauptabmessungen. Die Speiseöffnungen hatten eine Abmessung von 0,178 mm, die Steueröffnung eine Abmessung von 0,203 mm, und die quer angeordnete Steüerdüsenöffnung eine Abmessung von 0,254 mm. Die Steueröffnung hatte Von der Düse in der AusgangsRammer einen'Abstand von 0,127 mm, und" von der gegenüberliegenden Düse einen Abstand von 1,397 mm. Die Querdüse war mit ihrer^Mittellinie um 0,127 mm von der benachbarten Düse«htfernt, während die Mittellinie ebenfalls um 0,127 mm vom Ende der quer angeordneten Düse enfernt lag.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Strömungsmittel-Operationsverstärker mit mehreren hintereinander geschalteten und an eine Strömungsmittelquelle angeschlossenen Strömungsmittelverstärkern sowie mit einem dem ersten Strömungsmittelverstärker vorgeschalteten Vorstufen-Strömungsmittelverstärker, in welchem eine Rückkopplungsleitung mit einem Strömungsmittelwiderstand, ausgehend vom Ausgang des letzten Strömungsmittelverstärkers, und Signalleitungen einmünden, wobei als Vorstufe ein Gegenstrahlverstärker mit zwei Düsen angeordnet ist, an deren eine die Rückkopplungsleitung angeschlossen ist, d a durch gekennzeichnet, daß jede der beiden Düsen (16, 17) des Gegenstrahlverstärkers (1) über einen Vorspannwiderstand (8 bzw. 4) mit der Strömungsmittelquelle verbunden und an mindestens eine Signalleitung über einen Strömungsmittelwiderstand, dessen Wert wesentlich größer als der Widerstandswert der Düse (16 bzw. 17) ist, angeschlossen ist.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an jede Düse mehrere Signalleitungen mit Strömüngsmittelwiderständen angeschlossen sind.

3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an beide Düsen eine*Rückkopplungsleitung angeschlossen ist und einer Düse ein /?-C-Netzwerk vorgeschaltet ist.

4. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an eine Rückkopplungsleitung eine Strömungsmittelkapazität angeschlossen ist.

5. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Strömungsmittelwiderstand in einer Signalleitung einstellbarist.

6. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannwiderstände einstellbar sind.