DE1523634A1

DE1523634A1 - Elektropneumatischer Wandler

Info

Publication number: DE1523634A1
Application number: DE19651523634
Authority: DE
Inventors: Kupec Dr Peter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1965-07-08
Filing date: 1965-07-08
Publication date: 1970-01-08

Description

Siemena & Halske München 2, den "8.JUL11965

Aktiengesellochaft Witteisbacherplatz

*A 65/2524

Elektropneumatischer Wandler

BeiiriBetrieb von fluidmechanischen Anordnungen wie Verstärkern oder Logikanordnungen werden Wandler benötigt, welche Eingangssignal* die durch elektrische Größen gegeben sind, z. B. in Drucksignale umwandeln. Die bekannte Umwandlung mit Hilfe von elektromechanisch bewegten Membranen, Kolben und dergleichen ist umständlich und störungsanfällig.

Gemäß der Erfindung werden diese Nachteile durch eine Erwärmung des strömenden Mediums, vor?ugsweise Luft, durch die elektrische Steuerleistung vermieden. Die Erwärmung des strömenden Mediums erfolgt durch eine elektrisch beheizte Anordnung geringer Wärmeträgheit. Die Erwärmung

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wirkt sich dabei infolge der Ausdehnung des Mediums ähnlich einer TJuerschnittsverengung des Strömungskanales aus. In Verbindung mit einer Vordrossel kann der elektropneumatisch^ V/andler wie ein mechanischer Druckwandler Prall

mit/platte eingesetzt werden. V/erden z. B. am Anfang und am Ende einer Serienschaltung dieser Elemente zwei verschiedene konstante Drücke angelegt, so können die sich zwischen der Vordrossel und dem Wandler bei Veränderung ™ der Leistungszufuhr ergebenden Druckschwankungen ausgenützt werden.

Auf die weitere Verarbeitung der Drucksignale in an sich bekannten fluidmechanischen Anordnungen, wie Verstärkern oder Logikanordnungen wird nicht näher eingegangen, da sie nicht zum Gegenstand der Erfindung gehört.

Die Erfindung soll im folgenden anhand der Figuren 1a bio fe 3 und mit Hilfe einiger bekannter Beziehungen der Gasdynamik näher erläutert werden. Die dabei gemachte Voraussetzung eines idealen Gases ist für Luft bei nicht allzu tiefen Temperaturen gut erfüllt. Außerdem wird vorausgesetzt, daß die Geschwindigkeit w des strömenden Gasea kleiner als die Schallgeschwindigkeit iot.

Die Fig. 1a zeigt einen Strömungskanal SK,in dem ein Gao

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in Richtung der Pfeile W₁, v/g von links nach rechts strömt. Λη der Stelle H wird den Gasstrom die Y/ärmeleiotung N augeführt. Vor der Erwärmungsstelle H hat der Gasstrom die Geschwindigkeit W₁, den Druck P₁, die Dichte^ - und die Temperatur T.., hinter der Erwärmungsstelle H gelten die entsprechenden Größen v/p» Vo* S 2* ^2* ^^{urcl1 die} ^^r<" wärmung sinkt die Gasdichte auf den Wert ^ p, d. h. das Volumen nimmt zu. Die Wirkung ist also, wie schon erwähnt, ähnlich einer Cuerschnittsverringerung de3 Strömungskanals (Fig. 1b). Wegen der Kontinuitätsbedingungen erhöht sich im (scheinbar) engeren Teil die Strömungsgeschwindigkeit auf den Wert v/p. Das hat aber wiederum trots Verringerung der DichteJ zur Folge, daß der statische Druck von p- auf P₂ abnimmt. Eine quantitative Durchrechnung ergibt für das Verhältnis der beiden Drücke zwei verschiedene Abhängigkeiten von der Strömungsgeschwindigkeit und der zugeführten elektrischen Leistung, je nachdem ob der Eingangedruck P₁ oder der Ausgangsdruck Pg konstant gehalten wird.

Beide Abhängigkeiten sind in Pig. 2 als graphische Darstellung mit der spezifischen Leistung η als Parameter gezeigt. Die spezifische Leistung η ist als Verhältnis zweier Leistungen eine dimensionslose Größe. Pur konstanten Anfangsdruck P₁ erhält man

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₁ _JL~- '** · ⁰I
mit N ssugeführte Wärmeleistung in Watt

C₁ Schallgeschwindigkeit bei der Strömungsgeschwindigkeit W₁

P Cuerschnittsfläche der Strömung Bei konstant gehaltenem Ausgangsdruck p« gilt

P η ο = N

mit der Schallgeschwindigkeit c des ruhenden Mediums bei der Anfangoteinperatur.

Die ausgezogenen Kurven in Pig. 2 ergeben sich für konstanten Druck p^, die gestrichelten Kurven für konstanten Druck p«. ■ Die außerdem noch eingezeichnete strichpunktierte Kurve ' gibt ein Haß für den bei einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit ν/,, maximal erzielbaren Druckunterschied. " (In Fig. 2 ist das Druckverhäl'tnis als Ordinate eingetragen.) Aus dem Verlauf dieser Grenzkurve ist ersichtlich, daß 2. 3. bei einer konstant gehaltenen Strömungsgeschwindigkeit W₁, die der Schallgeschwindigkeit nahekommt, nur relativ kleine Druckunterschiede zu erzielen sind. Andererseits sind bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten große Druckuntercchiede err.ielbar, wobei allerdings auch entsprechend hohe spezifische Steuerleistungen η zugeführt werden müssen. '

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lei allen maximalen Druckverhältnissen, die durch die strichpunktiert gezeichnete Grenzkurve in Abhängigkeit . von der Eingangsgeschwindigkeit W₁ der Strömung gegeben sind, wird die Ausgangsgeschwindigkeit w« gleich der Schallgeschwindigkeit. Wird nach Erreichen der Grenzkurve die zugeführte Leistung weiter erhöht, so vermindert sich die Durchflußmenge. Die Größe* der Verringerung ist durch die Schnittpunkte der Kurven konstanter Leistung mit der Grenzkurve gegeben.

Wie schon eingangs erwähnt wurde, kann der Wandler auch in Serie mit einer Vc-rdrossel ^m^ konstanten, aber unterschiedlichen Drucken an Anfang und am Ende der Sfetienschaltung betrieben werden. Die bei Veränderung der Steuerleistung zwischen Vordrossel und Wandler auftretenden Druckschwankungen werden ausgenützt. Ebenso kann auch eine konstante Strömung in zwei Zweige aufgespalten v/erden, wobei in dem einen Zweig eine Strömungsdrossel mit festem Strömungewiderstand und in dem anderen Zweig ein Wandler gemäß der Erfindung als veränderlicher Strömungewiderstand angeordnet ist. Dabei kann die veränderliche Aufteilung der Gesaratströmung ausgewertet werden.

Die praktische Ausführung dea elefctropneuaatischen Wandlers gepäß iea? Irffnlung lä§£ vifi-f Uögliehkeiteö, besondere für

Bei

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einer in Pig. 3 schematisch dargestellten Ausführungsforra wird im Strömungskanal 1 ein Rähmchen 2 so angeordnet, daß seine Ebene senkrecht zur Strömungsriehtung steht. Um das Rährcchen 2 ist ein dünner Heizdraht 3 in mehreren ./indungen gewickelt.

Eine andere vorteilhafte Ausführung besteht darin, daß das Rähmchen 2 mit der Heizwicklung .3 durch eine poröse Scheibe

P aus kaltleitendem Material ersetzt wird. Die für die Durchströnung notwendigen Poren können dabei durch eine geeignete Sinterung des körnigen Grundmaterial3 oder durch nachträgliches Bohren einer zunächst kompakten Scheibe hergestellt werden. Der besondere Vorteil der zuletztgenannten Ausführungsforn besteht in der selbständigen Verringerung der Leistungsaufnahme durch die Erhöhung de3 elektrischen Widerstandes bei Ausfall der Strömung. Dadurch wird eine eventuelle Zerstörung des Heizelementes mit Sicherheit ver-

k mieden.

V/eitere Äusführungsformen ergeben sich durch die Anordnung von flächenhaft ausgebildeten Heizelementen ( ebene oder zylindrische Flächen), die so angeordnet sind, daß das zu erwärmende Medium an ihnen entlang strömt. Dabei muß die in der Strömungsriehtung gemessene Ausdehnung de3 Heizelementes klein gegen die in-der gewünschten Schaltzeit vom strömenden Medium zurückgelegten Strecke sein.
3 Figuren
• 7 mentSösprUefce t4>iff]/fitf . *7-

Claims

PA 9Al5/436 - 7 - Patentansprüche

1. Elektropneuraatischer Wandler zum Erzeugen einer Druckänderung und/oder einer J3urchflirßänderung eines strömenden Mediums, vorzugsweise Luft, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Strömung durch Erwärmen des Mediums mittels Zufuhr elektrischer Leistung erfolgt«

2. Elektropneumatischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung des strömenden Mediums durch ein in der Strömung angeordnetes elektrisch beheiztes Element geringer Wärmeträgheit erfolgt.

3. Elektropneumatischer Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement aus vorwiegend zueinander parallelen, parallel oder in Serie geschalteten Drähten besteht, die in einer oder mehreren hintereinander-

·'
liegenden und senkrecht zur Strömungsrichtung stehenden

Ebenen angeordnet sind.

4. Elektropneumatischer Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement aus einer senkrecht zur .Strömungsrichtung angeordneten porösen Scheibe au3 kaiMf:itendera. Material besteht, durch derenJForen (oder Bohrungen) das Medium strömt..

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5. Elektroprieunatiecher Wandler nach Anepruch 2, dadurch . gekennzeichnet, daß das Heizelement aue einer odtr mehreren dünnen Metalleohichten besteht, Welche fttf.' einem Trägermaterial flöchenhaft aufgebracht und bo angeordnet sind» daß das eu erwärmende Medium an ihnen entlang strömt.

6. Blektropneuraatiecher Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler in Serie mit einer Vordrossel bei konstanten, aber verschiedenen Drucken am Anfang und am Ende der Serienschaltung betrieben wird und die zwischen der Vordrossel und dem Wandler entstehenden Druckschwankungen ausgenützt v/erden.

7. Klektropneuraatischer Wandler nach einem der Ansprüche , 1 bis Ο» dadurch gekennzeichnet, daß die sich bei konstanter GesaratotrÖmung durch die Aufteilung in einen mit einem Wandler und einem- mit einer festen Strömungsdrossel ausgerüsteten Kanal in einem der Kanäle ergebende Änderung der Durchflußmenge ausgenützt wird.

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