DE1576133A1 - Vorrichtung,bei der ein fliessbares Medium ein von der Winkelstellung einer drehbaren Welle abhaengiges Verhalten zeigt - Google Patents

Description

DR. MÜLLER-BOR!=: DIPL.-ING. GRALFS DR. MANITZ

PATENTANWÄLTE I 576

Braunschweig, 3.5*1966 Unser Zeichen: Kl/kl - M

The Marconi Company Limited English Electric House / Strand London W.C.2 / England

Vorrichtung,bei der ein fließbares Medium ein von der Winkelstellung einer drehbaren Welle abhängiges Verhalten zeigt.

Priorität: Großbritannien vom 5.5.1965 ( 18923/65 )

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung,bei der ein fließbares Medium wie eine Flüssigkeit oder ein Gas ein von der Winkelstellung einer drehbaren Welle abhängiges Verhalten zeigt. Dieses Verhalten kann zur Anzeige der Winkelstellung der Welle und/oder zur Ausübung einer Steuerfunktion,beispielsweise der Steuerung einer Werkzeugmaschine,in Abhängigkeit von dieser Stellung verwendet werden.Unter dem genannten Verhalten soll die Änderung des Flusses eines fließbaren Mediums verstanden werden.In vielen Fällen ist dieses fiießbare Medium ein Gas und zwar'normalerweise Luft,so daß sich ein pneumatisches Verhalten ergibt.Das Verhalten des Mediums kann • direkt zur Anzeige oder zur Ausübung einer Steuerfunktion herangezogen werden oder,falls erwünscht,in einem geeigneten pneumatisch-elektrischen Wandler in ein elektrisches Signal

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umgewandelt werden,welches dann zur Anzeige oder Steuerung verwendet wird.

Es wird oftmals gefordert,die Winkelstellung einer drehbaren Welle genau anzuzeigen oder eine Steuerfunktion in Abhängigkeit von dieser Winkelstellung genau auszuüben und zu diesem Zweck eine Information über die Winkelstellung der Welle in digitaler Form zu erhalten.So wird beispielsweise oft gewünscht, die Winkelstellung einer Welle,die das Azimut oder die Elevation einer Antenne steuert,oder einer Welle,durch die eine Werkzeugmaschine gesteuert wird,in digitaler Form zu erhalten,weil die Information in dieser Form leicht zur Betätigung eines Anzeigegerätes und/oder von Steuerungsmitteln verwendet werden kann.Die Erfindung zielt darauf ab,Probleme der genannten Art zu lösen,und schafft bessere Mittel,eine Information über die Stellung der drehbaren Welle in digitaler Form zu erhalten,wobei eine enge Unterscheidung zwischen zwei dicht beieinander liegenden Stellungen mit hoher Genauigkeit und Unabhängigkeit von Störeinflüssen getroffen werden kann. Die Mittel liefern ein großes Ausgangssignal,sind mechanisch robust und können direkt an große Wellen angepaßt werden. Sie sind leicht zu fertigen,erfordern keine speziellen Materialien und sind sehr verschleißfest.

Gemäß der Erfindung enthält eine Vorrichtung,bei der ein fließbares Medium auf die Winkelstellung einer drehbaren Welle anspricht,eine Mehrzahl von Führungsrillen,die von der

Welle mitgenommen werden und aus Erhebungen und Vertiefungen, die den beiden Binärzuständen entsprechen,bestehen,ferner

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Zuleitungen für das fließbare Medium in der Nähe der Führungsrillen, deren Öffnungen einen engen Abstand von diesen haben, sowie auf Druckänderungen in den Zuleitungen ansprechende Mittel,wenn ein erhabener Teil der Führungsrille an der Zuleitungsmündung mit einem vertieften Teil abwechselt oder umgekehrt.

Die Führungsrillen können nebeneinander direkt auf der Welle montiert werden,umschließen jedoch vorzugsweise die Welle und sind mit dieser im wesentlichen schlupffrei gekuppelt, .während eine gewisse Exzentrizität zwischen der Wellenachse und der gemeinsamen Achse der Führungsrillen zulässig ist. Eine bevorzugte Form der Kupplung für diesen Zweck ist in der britischen Patentschrift 758 383 beschrieben.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung endet jede Zuleitung in einer Düse,durch die das Medium mittels eines Gebläses hindurchgedrückt wird,und enthält weiterhin eine Kammer, deren eine Wand eine auf den Druck in der Kammer ansprechende Membran aufweist.Die Membran ist vorzugsweise so ausgeführt, daß sie einen ferromagnetischen Kern,der magnetisch mit einer Mehrzahl von Spulen,welche mit Wechselstrom gespeist werden und von denen Ausgangssignale abgeleitet werden,gekoppelt sind, bewegt.Eine geeignete Anordnung enthält drei Spulen,nämlich eine mittlere Spule,die erregt wird,und zwei Ausgangsspulen, deren Kopplung mit der erregten Spule differentiell durch die Stellung des Kerns gesteuert wird.Bei dieser Anordnung werden durch die Spulenkombination elektrische Signale in digitaler

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Form erzeugt,die der Winkelstellung der Welle zugeordnet sind.

Eine andere Ausführungsform verwendet das Prinzip des sogenannten Wandbefestigungs-Flüssigkeitsströeungs-Verstärkers ("wall attachment fluid flow amplifier").Bei der einfachsten For« eines derartigen Verstärkers wird ein Luftströmungs-Hauptrohr an einer V-Verbindung in zwei Verzweigungsrohre aufgegabelt,die in Strönmngsrichtung verlaufen.Diese Verzweigungsrohre haben in Strömungsrichtung gesehen etwas hinter der Gabelung Belüftungsöffnungen.Sind die Verzweigungsrohre gleichartig und sind Haupt-und Verzweigungsrohre,die Gabelung und die Belüftungsöffnungen gemäß den bekannten Prinzipien zur Erzeugung des Wandbefestigungseffektes (wall attachment effect) richtig besessen,so teilt sich der Luftstrom nicht, wie «an zunächst annehmen könnte,gleichmäßig auf die beiden Rohre auf,sondern,wenn sich ein Luftstrom in einem der Rohre aufgebaut hat,bleibt dieser Zustand erhalten und der Hauptteil der Luftströmung fließt durch dieses Rohr,während durch das andere Rohr nur ein vergleichsweise geringer Anteil fließt. Werden außerdem ein Paar von Steuerrohren etwas oberhalb der Gabelung auf gegenüberliegenden Seiten in das Hauptrohr eingeführt,so kann «an durch einen kurzen Druckanstieg,der durch das eine oder das andere Steuerrohr in die Gabelung eingeführt wird,den Hauptluftstrom von dem einen in das andere Verzweigungsrohr umlenken oder umgekehrt.Offenbar arbeitet der Verstärker analog einem elektrischen bistabilen Schaltkreis, wobei die Steuerrohre den Eingängen des Schaltkreises und

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die Verzweigungsrohre den wählbaren Ausgängen des bistabilen Schaltkreises entsprechen.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung,die das vorgenannte Verstärkerprinzip verwendet wird jedes Paar von Zuleitungen, die den von der Welle angetriebenen Führungsrillen benachbart sind,zur Änderung des Druckzustandes in den Rohren eines Paares von Steuerrohren in einem vorstehend beschriebenen Verstärker verwendet,so daß dieser umschaltet,wenn die Welle sich aus einer Winkelstellung in eine andere dreht. Vorzugsweise sind Mittel vorgesehen,um das fließbare Medium durch jede Zuleitung eines Paares zu einer Mündung nahe einer Führungsrille zu pumpen.Jedes Steuerrohr eines Paares ist an dem entfernten Ende des Verstärkers mit dem Inneren einer anderen Zuleitung an einem auf deren Längsausdehnung liegenden Punkt verbunden.Bei einer Anordnung dieser Art sind die Wählbaren Ausgänge des fließbaren Mediums an dem Verstärker durch eine beliebige Art von Wandler in elektrische Signale umwandelbar.Es wird jedoch im allgemeinen bevorzugt,die Ströarikngsausgänge des fließbaren Mediums direkt zur Steuerung und/oder Anzeige heranzuziehen,da es leicht möglich ist,an den Strömungsausgängen des fließbaren Mediums eine angemessene Leistung für derartige Zwecke zu erzielen und somit ein wirtschaftlich arbeitendes,kompaktes und zuverlässiges System zu erhalten,das mit einem fließbaren Medium digital arbeitet und keine elektrischen oder elektronischen Einrichtungen erfordert.
Die Erfindung wird nachfolgend im Zusammenhang mit der Zeichnung beschrieben.

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Figur 1 zeigt eine teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht eines erfindungsgemaßen Winkelstellungsanzeigers.

Figur 2 zeigt im vergrößerten Maßstab einen Teilschnitt der Ausführungsform nach Figur 1.

Figur 3 ist eine schematische Darstellung einer Ausführung,die das Prinzip des Wandströmungsverstärkers verwendet.

In den Figuren 1 und 2 ist die Welle 1 einer Drehantenne dargestellt,die von einem fest angeordneten Gehäuse 2 umgeben ist.Das Gehäuse trägt eine Skalentrommel 3 auf einem vorbelasteten Präzisions-Längslager (Axial-Drucklager) 4,das so ausgelegt ist,daß die Skale den geeigneten radialen und axialen Halt hat.Die Skalentrommel ist mit der Welle 1 durch eine im wesentlichen schlupffreie Kupplung 5 ähnlich der in der britischen Patentschrift 758 383 beschriebenen gekuppelt.

Die Skalentrommel weist eine Mehrzahl,beispielsweise 13, von Führungerillen 16,an ihrem äußeren Umfang auf.Diese Führungsrillen sind durch Prägung ausgebildet und zeigen erhabene und flache Anteile,die den Binärschritten entsprechen, wobei die erhabenen Teile dem einen und die flachen Teile dem anderen Binärzustand entsprechen.Ein Wandler 6 (in Figur 2 genau dargestellt) ist jeder Führungsrille zugeordnet.Jeder Wandler hat eine Luftzuleitung,die durch zwei Rohrstücke 17 und 18 gebildet wird,welche durch eine Kammer 9 verbunden sind. Das Rohrstück 18 endet in einer Düse 8,deren Mundstück der zugeordneten Führungsrille eng benachbart ist.In Figur 1 ist nur ein derartiger Wandler dargestellt.Nachfolgend sollen einige

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Zahlenwerte zur Bemessung der Anordnung gegeben werden. Diese Werte haben sich bei Versuchen als zufriedenstellend erwiesen,dienen jedoch nur als Beispiel.So betrug der Abstand zwischen der Wandlerdüse und der Oberseite der erhabenen Führungsrille 0,005 nun.,eine Schrittbreite in Drehrichtung 0,005 ram. und der Unterschied zwischen den Ebenen der erhabenen und der flachen Teile der Führungsrillen ebenfalls 0,005 mm.

Die Wandler sind in Abständen rund um den Umfang des Gehäuses 2 angeordnet.Die Kammer 9 der Luftzuleitung jedes Wandlers weist eine Wandung mit einer Membran 10 auf.Eine Platte 19 mit einer Öffnung 7 liegt an der Verbindungsstelle der Rohres 17 axt der Kammer 9.Ein Ferritkern 11 ist zwischen der Membran 10 und einer federnden Spinne 12 an Drähten 20 aufgehängt und befindet sich innerhalb der Wände des Spulenkörpers 21.Ober den Kern magnetisch gekoppelt sind eine Eingangswicklung 13 und zwei Differential-Ausgangswicklungen 14 und 15. Die beiden letzteren Wicklungen bilden die nichtabgeglichenen Zweige eines Brückennetzwerkes (nicht dargestellt).

Der Winkelstellungsanzeiger gemäß Fig.l und 2 arbeitet wie folgt:

Die Skale 3 wird durch das Lager 4 in dem festen Auflager 2 (Gehäuse) radial genau in Abstand von den Wandlern gehalten. Eine Fehlausrichtung der Antennenachse 1 mit der Mitte der Skale wird durch die Kupplung 5 ausgeglichen,so daß Ablesefehler vermieden werden,die andernfalls durch eine Verschiebung der Skale gegenüber den Wandlern infolge einer Fehlausrichtung oder Exzentrizität entstehen wurden.Jede Zunahme des Drehwinkels

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wird durch eine Binärzahl wiedergegeben,die durch eine Binärziffer von jeder Führungsrille in der Nähe der zugeordneten Düse erzeugt wird.Während des Betriebs erzeugen die Wandler kontinuierlich ein Signal,das der Binärziffer der Führungsrille in der Nähe der entsprechenden Düse zugeordnet ist.Eine Bewegung der Welle 1 über die kleinste aeßbare Zunahme ändert die von den Wandlern angezeigte Binärzahl. Da für jede Binärziffer auf einer Führungsrille nur 0,005 mm. erforderlich sind,kann die kleinste meßbare Zunahme sehr klein sein,wenn die Skale einen großen Durchmesser hat.Durch die Rohrstücke 17 und 18 sowie durch die Kammer 9 jedes Wandlers wird Luft auf die zugeordnete Führungsrille geblasen und in der Kammer 9 ein Druck aufgebaut.Der in der Kanaer aufgebaute Druck,der sich aus dem Strömungswiderstand eines erhabenen Teils gegenüber der Düse ergibt,ist von dem Druck verschieden,der in der Kammer herrscht,wenn sich ein flacher Teil der Düse gegenüber befindet.Der erhabene Teil bietet einen größeren Strömungswiderstand für den Luftstrom aus der Düse als der flache Teil,so daß der Druck höher ist,wenn der erhabene Teil vor der Düse ist.

Der Druck in der Kammer 9 wirkt auf die Membran 10 und bestimmt die Stellung des Kerns 11 in Bezug auf die Wicklungen 14,13 und 15.Die Kopplung der Spulen 14 und 15 mit der Eingangsspule 13 wird daher durch den Kern differentiell gesteuert, wobei die Kopplung zwischen den Spulen 13 und 15 stärker ist, wenn der Druck in der Kammer 9 dadurch,daß sich ein erhabener Führungsrillenteil vor der Düse befindet,höher ist,und umgekehrt,

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Die Ausgangssignale aus den Spulen 14 und 15 sind daher ein Maß dafür,ob ein erhabener oder ein flacher Führungsrillenteil sich vor der Düse befindet,und die zusammengesetzten Ausgangssignale aller 13 Wandler ergeben eine Daueranzeige der momentanen Winkelstellung der Welle in digitaler Form.

Die·Führungsrillen der Skale können natürlich,falls dies bevorzugt wird,und falls der Wellenschaft genügend starr ist, auf diesem ausgebildet oder direkt damit verbunden werden.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung,bei der das Prinzip des Wandströmungsverstärkers ausgenutzt wird.Es ist nur ein derartiger Verstärker dargestellt.Die Stufen 1 in Figur 3 stellen erhabene Führungsrillenteile dar,die dem einen Binärzustand entsprechen,und die Vertiefungen S entsprechen den flachen Führungsrillenteilen und somit dem anderen Binärzustand.22 und 23 sind Luftzuleitungen, in die,wie durch die Pfeile angedeutet,von einer geeigneten Luftpumpe (nicht dargestellt) ständig Luft gepumpt wird. Die Leitungen 22 und 23 enden in Mundstücken nahe den Führungsrillen.Zwischen den Zuleitungen 22 und 23 ist ein WandStrömungsverstärker (wall attachment fluid flow amplifier) dargestellt, der ein Luftströmungshauptrohr 24 aufweist,in das,wie durch Pfeile dargestellt,von der Pumpe Luft eingeblasen wird,Das Hauptströmungsrohr ist an einer V-Verbindungsstelle 25 in zwei gleichartige Verzweigungsrohre 26 und 27 mit Belüftungsöffnungen 28 und 29,die etwas stromab von der Verzweigung liegen,aufgegabelt.Steuerrohre 30,31 führen auf gegenüberliegenden Seiten in die Verzweigung 25 und sind an ihren anderen

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Enden mit dem Inneren der Rohre 22 bzw.23 an Punkten,die den Mundstücken dieser Rohre ziemlich benachbart sind, verbunden.Diese Anordnung hat zwei stabile Betriebszustände, wobei in dem einen der Hauptteil der in das Rohr 24 gepumpten Luft aus dem Rohr 27 und in dem anderen aus dem Rohr 26 austritt.Ist einer dieser Zustände aufgebaut,so wird er so lange aufrechterhalten,wie die Bedingungen an den Mundstücken der Zuleitungen 22 und 23 unverändert bleiben.Wird jedoch am Mundstück eines dieser Rohre der erhabenen Teil einer Führungsrille durch einen flachen Teil ersetzt oder umgekehrt, so wird der zuvor herrschende Zustand durch den anderen ersetzt.Die Luftströmungskräfte,die an den Ausgängen der Verzweigungsrohre 26 und 27 verfügbar sind,können in der Praxis leicht beträchtlich groß gemacht werden,so daß sie für die direkte Betätigung einer Steuervorrichtung ohne Zwischenschaltung eines pneumatisch-elektrischen Wandlers und damit verbundener elektrischer oder elektronischer Einrichtungen eingesetzt werden können.

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Claims (9)

Patentansprüche

1. Pneumatische Vorrichtung,die auf die Winkelstellung einer drehbaren Welle anspricht,gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Führungsrillen (l6),die von der Welle angetrieben werden und den zwei Binärzuständen entsprechende erhabene und flache Teile aufweisen,durch Zuleitungen in der Nähe der Führungsrillen,deren Mundstücke engen Abstand von diesen haben und durch pneumatische Mittel,die auf Änderungen der Druckzustände in den Zuleitungen ansprechen,wenn ein erhabener Führungsrillenteil in der Nähe eines Zuleitungsraundstücks durch einen flachen Teil ersetzt wird oder umgekehrt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,daß die Führungsrillen nebeneinander direkt auf die Welle montiert sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,daß die Führungsrillen die Welle umgeben und mit dieser durch eine Kupplung,die einen im wesentlichen schlupffreien Antrieb von der Welle gewährleistet,während sie eine Exzentrizität zwischen der Wellenachse und einer gemeinsamen Führungsrillenachse zuläßt,gekuppelt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3,dadurch gekennzeichnet, daß jede Zuleitung in einer Düse (8) endet,durch die das fließbare Medium mit einem Gebläse gedrückt wird,und eine Kammer (9) aufweist,deren eine Wandung eine auf den Druck in

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der Kaaaer ansprechende Meabran (10) enthält.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet,daß die Membran einen ferr (magnetischen Kern betätigt,der Magnetisch ■it einer Mehrzahl von Spulen gekoppelt ist,von denen eine ■it Wechselstrom gespeist wird,während von den anderen Ausgangssignale abgeleitet werden»

6· Vorrichtung nach Anspruch 5,dadurch gekennzeichnet,.daß drei Spulen vorgesehen sind,von denen die Mittlere erregt wird und die beiden äußeren Auegangsspulen sind,und daß die Kopplungen der Ausgangsspulen eit der erregten Spule durch die Stellung des Kernes differentiell gesteuert werden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3,dadurch gekennzeichnet, daß die pneumatischen Mittel das Prinzip des sogenannten Wandströeningsverstärkers (wall attachment fluid flow amplifier) verwenden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7,dadurch gekennzeichnet,daß jedes Paar von Zuleitungen (22,23) nahe den Führungsrillen,die von der Welle angetrieben werden,dazu verwendet werden,die Druckzustände in eine« Paar von Steuerrohren (30,31) eines Wandströemngsveretärkers zu verändern,so daß der Wandströoungszustand des Verstärkers sich ändert,wenn die Welle «ich von einer Winkelstellung in eine andere dreht·

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9. Vorrichtung nach Anspruch 8,dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind,um das fließbare Medium durch jede Zuleitung eines Paares zu einem Mundstück in der Nähe einer Führungsrille zu pumpen,und daß jedes Steuerrohr eines Paares an dem von dem Verstärker abliegenden Ende mit dem Inneren einer anderen Zuleitung für das fließbare Medium an einem Punkt auf deren Längsausdehnung verbunden ist.

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