DE1648390A1

DE1648390A1 - Druck- bzw. Anzeigevorrichtung fuer Gase und andere Medien

Info

Publication number: DE1648390A1
Application number: DE19671648390
Authority: DE
Inventors: Boyadjieff George I
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1966-12-27
Filing date: 1967-12-15
Publication date: 1971-04-08
Also published as: US3461833A; GB1167255A; DE1648390B2

Description

Karl A. Brose

Dipl.-Ing.

M^drn-Fullach 1648390

Witner SU. ü-fei. München 7Θ067Ο

/Mü München-Pul lach, den 14. Dezember 1967

Paris file: 3951-A

THE BENDIX CORPORATION, Fisher Euilding, Detroit, Michigan, USA

Druck - bzw. Anzeigevorrichtung für Gase und andere

Medien

Die Erfindung bezieht sich auf eine Druckvorrichtung für verschiedene Medien und eine Methode, diesen Druck herzustellen und insbesondere bezieht sie sich auf einen Durchgang entlang dessen ein Druckgefälle entsteht und eine verschiebbare Öffnung entlang des Durchganges, um an der Stelle dieser öffnung den Druck abgreifen und auswerten zu können.

Es ist bekannt, ein Medium durch einen Durchgang mit parallelen Seitenwänden zu leiten, um ein Druckgefälle entlang des Durchgangs zu erzielen und dann eine Öffnung entlang des Durchganges " zu bewegen, um den Druck entlang des Durchgangs an dem Punkt der öffnung abgreifen oder ausnützen zu können. Diese Art, ein Medium durch einen Durchgang strömen zu lassen, hat zahlreiche Be*· schränkun!3;en,wie ein sehr kleines Druckgefälle innerhalb einer vorgegebenen Durehangslänge. In einem derartigen Durchgang mit parallelen Wänden werden laminare Strömungen, die für ein kontrolliertes, lineares Druckgefälle nötig sind, schon bei einer relativ niedrigen Strömungsgeschwindigkeit längs des Durchgangs turbulent. Infolge des geringen Druckgefälles entlang des Durchganges ergibt sich für eine bestimmte Bewegungslänge der beweglichen öffnung eine dementsprechend geringe Änderung des Drucks und eine sich daraus ergebende geringere Empfindlichkeit,

109815/0302 bad

Die Erfindung überwindet diese Beschränkungen, in dem sie.Durchgangswände vorsieht, die in ihrer Längsrichtung konvergieren und zwar in einer vorherbestimmten Weise, so dass eine kontrollierte Druckänderung, so z.B. eine lineare Durckveränderung vorgesehen werden kann, und zwar für jeden gewünschten Druck am Ausgang dieses Durchganges, bis einschliesslich des kritischen Druckes, der mit dem Schallmauerdruck am Ausgang des Durchganges entsteht, erhalten werden.

Es ist daher der Gegenstand der Erfindung, gegenüber früheren Druckvorrichtungen eine Verbesserung zu erzielen, indem ein Durchgang vorgesehen ist, der keine parallelen, sondern konvergierende Seitenwände aufweist, die er findung sgemäss so konvergieren, dass man eine kontrollierte Druckänderung bis einschliesslich Schallmauerdruck erhält»

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung besteht darin, dass man den erfindungsgemässen Verlauf der Durchgangs wände dadurch erhält, dass man den Querschnitt des Durchganges an vielen Stellen entlang dieses Durchganges berechnet und die charakteristischen Strömungseigenschaften in dem Durchgang, als auch den gewünschten Druck am Ausgang dieses Durchgpiges auswertet.

Weitere vorteilhafte Einzelheiten derErfindu'ng sind aus den Zeichnungen ersichtlich, in denen die Erfindung beispielsweise ν er ansc haul lc nt i st ·

E3 zeigt i

Fig. 1 einen läng asc hnltt durah eine er "te au s füllung sart der Erfindung;

Fig. 2 einen Querschnitt duron eine zweite Ausführungsart der Erfindung}

Flg. 3 einen Schnitt der Figur 2 nach der Linie 3-3 und

FIg, 4 einen Schnitt der Figur 3 nach der Linie 4-1». 109815/0302

SAD ORiQiNAL

Figur 1 zeigt ein Gehäuse 20 mit einer Einströmöffnung 22, die mit einer Druckversorgungsquelle 24 verbunden ist und eine Ausströmöffnung 26 hat. Ein Kanal 28 befindet sich zwischen der Zuführungsöffnung 22 und der Ausströmöffnung 26, der den Strom aus der Druckquelle 24 zu der Ausströmöffnung 26 und der Atmosphäre bei dieser Ausführungsform leitet. Wie man erkennt, konvergiert der Kanal 28 so lange, bis die Ausströmöffnung 26 erreicht ist. Die Art, wie er konvergiert, soll später erläutert werden.

Im Kanal 2 8 ist eine zylindrische Sonde 30 hin- und herbeweglich "

angeordnet, die eine Öffnung oder eine Bohrung 31 für statischen Druck aufweist. Die Sonde 30 ist durch das Teil 32 zu bewegen, was man von Hand bewerkstelligen kann oder durch eine Bewegung eines gesteuerten Werkstückes oder durch andere Glieder erreicht werden kann. Ein Abzweig 34 ist in die Sonde 30 gesteckt und verbindet sie mit einem Messinstrument 36 oder einem anderen Lastglied, das durch einen Druck eines Medium in der Zweigleitung 34 betätigt sein mag.

Wenn das Medium durch den Kanal 28 fliegst, so entsteht ein Druckgefälle zwischen Öffnung 22 und 26. Eine Bewegung der Sonde 30 im Kanal 28 verändert die Lage der Öffnung 31 und folglich verändert έ

sich der Druck in der Sonde 30, da die Öffnung 31 ihre Lage verändert. Wenn zum Beispiel die Öffnung 31 nahe an der Einströmöffnung 22 ist, so wird der Druck gross sein und wenn man die öffnung 31 an die Ausströmöffnung 26 führt, so nimmt der Druck allmählich ab. Daher kann man die Vorrichtung als Positionsanzeige verwenden, wenn man das Teil 32 mit der anzuzeigenden Position in Verbindung bringt. Eine Bewegung des Teiles 32 wird eine entsprechende Änderung des Druckes in der Sonde 30 verursachen und diese Veränderung kann man am Meßgerät 36 ablesen. Ebenso kann diese Vorrichtun g als variable Druckquelle dienen, in dem man das Teil 32 entweder von Hand oder anderweitig bewegt: und damit einen entsprechenden Druck in der Zweigleitung 34 erhält.

109815/0302

_BA0

164839U

In den Vorrichbungen früherer Art war das Druckgefälle zwischen der Einströmöffnung 22 und der Ausströmöffnung 26 begrenzt, weil der Kanal 28 parallele Seiten. wie bei einer normalen Leitung hatte. Mit einem derartigen Kanal ist das Druckgefälle, das bei laminarer Strönuig erhalten werden kann, wie jedem Pachnann bekannt, begrenzt. Infolge des niedrigen Druckgefälles zwischen der Einströmungsöffnung und der Ausströmungsöffnung 2 6 früher /Vorrichtungen, wurde die Empfindlichkeit des angeschlossenen Anzeigeinstrumentes beträchtlich herabgesetzt. Mit anderen Worten war für eine vorgegebene Bewegungsstrecke der Sonde die Druckänderung, die man am Anzeigegerät ablas, relativ klein. Bei der Erfindung

-en wird ein maximales Druckgefälle zwischen den Öffnung/22 und 26 bis zu einem Punkt erreicht, an dem der kritische Druck, der für Luft das 0,528-fache des zugeführten Druckes beträgt, an der Ausströmöffnung 26 herrscht. Der kritische Druck ist jener Druck, der an der Ausströmöffnung 26 bei Schallgeschwindigkeit der Strömung entsteht. Der kritische Druck ist abhängig vom zgeführten Druck und von der Art des zugeführten Gases. Wie erwähnt, so ist der kritische Druck für Luft das 0,528-fache des zugeführten Druckes. Dieses Verhältnis ist für allgemeine Gase aus Asher H. Shapior, "The Dynamics and Thermodynamics of Compressible Fluid Plow", The Ronald.Press Company 1958, entnommen. Um diese Beziehungen zu erhalten, soll nun die kennzeichnende Gestaltung des Kanales 28 erörtert werden.

Für den konvergierenden Kanal 28 ist es üblich, das spezifische Volumen und die Geschwindigkeitsgleichungen als Funktionen des spezifischen Volumens und der Geschwindigkeit am Ausgangsquerschnitt 26 oder des trichterförmigen Halses des Kanales zu normieren. Es ist ebenfalls üblich, die Gleichungen in der Art des gewünschten Druckes P_v an der Stelle "x" längs des Kanals zu kennzeichnen und zwar als Verhältnis zum zugeführten Druck P₀. Die zweite Normierung kann man unter der Voraussetzung verwenden,daß

109815/0302

164839U

die Eingangsgeschwindigkeit klein und vernachlässig bar ist. Aus der Standard lit er at ur über Strömungsverhäfcnisse, wie z.B. aus dem oben erwähnten Text Shapiro sind folgende Gleichungen zu entnehmen:

■(■

1 -

(D

(2)

hierin ist: P

zugeführter Druck

Ausgangsdruck, der auch der kritische Druck sein kann und der in einem bekannten Verhältnis zu P_ st eht ·

* H

u = Ausgan^sgeschwindigkeit des Druckes P

ν = spezifisches Volumen ftt* P an der Ausströmungsöffnung

u = die Geschwindigkeit des Meidums entlang des Kanals am Punkt χ

ν = das spezifische Volumen des Mdiums entlang des Kanals am Punkt χ

109815/0302

¹⁸AD OHiGINAL

164839U

y = Quotient der spezifischen Hitze für Luft und für ein Grad, er ist 1.4.

Ά H

u und ν lassen sich aus der Kenntnis des Mediums, des Flächeninhaltes des trichterförmigen Halses und aus P des oben erwähnten Textes von Shapiro, ermitteln. Unter dem Flächeninhalt des trichterförmigen Halses versteht hierbei den Flächeninhalt des Querschnitts des Kanals 28 an der Ausströmöffnung 26 minus dem Flächeninhalt des Querschnitts der Sonde 30.

An vielen Punkten entlang des Kanals 2 8 wird P ermittelt und für jeden dieser Punkte wird u_ und v„ mit Hilfe von Gleichung 1 und 2 berechnet. A nschlies send wird der Flächeninhalt A des Kanals 2 8 minus dem Flächeninhalt der Sonde 30 für Jeden Punkt χ mit Hilfe der Gleichung 3 darunter berechnet. Die Anzahl der Punkte, für die man den Querschnitt A ermittelt, lässt sich variieren, es wurden jedoch zufriedenstellende Ergj&nisse bei 10 Punkten erzielt und zwar für eine Kanallänge von 2,54 cm (l Inch).

Um die erforderliche Kanal-Querschnitt s-Auf teilung zu bestimmen, verwendet man folgende lineare Gleichung für ein ideales, adiabatisches und reversibles Gas:

hierin ist t

W s Durchströmungsgeaüiwindigkeit durch den Kanal (sie ist längs des Kanals konstant), man kann sie aus dem Flächenquer se hnitt s-Inhalt des trichterförmigen Halses und aus u und ν der weit er unten folgenden Gleichung (4) bestimm-en

ν_χ = spezifisches Volumen des Gases an der Stelle χ U_x = Geschwindigkeit des Gases an der Stelle χ

^109815/0302 BAD OBK₃INAL

Α_χ = Quer se hnittsfläc hen-Inhalt des Kanals 28 an der Stelle χ minus Flächenquerschnitts-Inhalt der Sonde 30.

(4)

hierin ist:

W = Durchströmungsgeschwindigkeit durch den Kanal (sie ist längs des Kanals konstant)

ν
,,A = Querschnittsfläche des trichterförmigen Halses

u = Ausströmungsgeschwindigkeit an der Ausströmungsöffnung 26 für den Druck P

* an . #

V = spezifisches Volumen/der Ausströmöffnung 26 für P .

Jede beliebige Druckverteilung entlang des Kanals 28 kann man dadurch erhalten, indem man P entlang des Kanales annähernd er~ mittelt; somit kann ein weiter Variationsbereich des Ausgangsdruckes angewandt werden. Aufgrund der Möglichkeit dieses weiten Variationsbereiches der Druckverteilung, lässt sich die Erfindung in verschiedenster Weise anwenden. Bei früheren Vorrichtungen war die Strömung Im Kanal lsi Bezug auf die Reynold· sehe 'Ziahl kleiner als 2.300. Demgegenüber lässt sich bei der vorliegenden Erfindung eine Strömung Im Kanal bezüglich der Reynold* sehen Zahl erreichen, die weit über 2.300 liegt und sie sogar eine Million erreichen kann.

Figuren 2, 3 und 4 zeigen eine Ausführungsart, die nach einem ähnlichen Prinzip arbeitet, die aber generell kreisförmige Kanäle verwendet, die relativ zu der Öffnung drehbar angeordnet sind, so dass anstelle der geraden Bewegung der Öffnung eine Drehbewegung der Öffnung möglich ist.

Das Gehäuse 40 hat eine Eingangsöffnung 42 und eine Ausgangs-

109815/0302 _RA

BAD

'1648391)

öffnung 44, wobei die öffnungen generell mit den kreisförmigen Kanälen 46 und 48 in Verbindung stehen. Das kreisförmige Teil 50 enthält die öffnungen 52 und 54, die mittels des Kanales 53 und mit den signalisierenden Kanälen 56, 58 verbunden sind. Das Teil 50 ist zum Gehäuse 40 relativ drehbar, so dass die öffnungen 52, sich in den Kanälen 46, 48 bewegen lassen und man somit den Druck an den Stellen der Kanäle, zu denen die öffnungen bewegt wurden, abgreifen und auswerten kann.

Es entsteht ein Druckgefälle in beiden Kanälen 46, 48 und zwar zwischen der Eingangsöffnung 42 und der Ausgangsöffnung 44. Beide Kanäle 46, 48 sind in derselben Weise geformt, wie der oben beschriebene Kanal 2 8 und man kann auch hier Jede Druckverteilung und Jeden Ausgangsdruck an der Aus strömung soff nuns; 44 bis einschliesslich des kritischen Druckes erhalten, wobei die Kanäle 46, 48 Wir bei strömungen enthalten. VJenn man das Teil 50 im Uhrzeigersinn gureht hat, so nimmt der Druck an der öffnung 52 ab, während der Druck an der öffnung 54 zunimmt. Man kann natürlich auch eine radiale Strömungsvorrichtung nur mit einem Kanal und einer beweglichen öffnung vorsehen.

Obwohl die Erfinduip ausschliesslich in Bezug auf eine spezielle Anwendung erörtert wurde, so lassen sich die kennzeichnenden Merkmale auf zahlreiche andere Verwendungsarten übertragen, was ein Fachmann auf dem Gebiet leicht erkennen kann.

Sämtliche in der Beschreibung beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung.

109815/0302 _BAD

Claims

164839Ü Pat ent an spr üc he

1. Druckvorrichtung für verschiedene Medien, die einen Kanal "mit einem Eingang und einem Ausgang enthält, so dass zwischen dem Eingang und dem Ausgang ein Medium strömen kann, eine bewegliche öffnung J die sich längs des Kanals so bewegen lässt, dass man mittels dieser öffnung den Druck des Mediums an einer Stelle innerhalb des Kanals abgreifen oder verwerten kann, dadurch gekenn- λ ζ eic hnet, dass die Wände des Kanals so geformt sind, dass durch sie ein kontrolliertes Druckgefälle durch den Kanal entsteht und zwar für alle Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb des Kanals bis hinauf zu jener Strömungsgeschwindigkeit, die der Geschwindigkeit des Schalls am Ausgang dieses Kanals entspricht.

2. Druckvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände des Kanals in der Weise geformt sind, dass durch sie ein kontrolliertes Druckgefälle som Eingang zum Ausgang hin inm"halb des besagten Kanals erzeugt wird und zwar für Strömungsgeschwindigkeiten, die den Reynold*sehen Zahlen entsprechen, von 2,300 aufwärts bis hinauf zu 1.000.000.

3. Druckvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände bis zum Ausgangsende des Kanals hin konvergieren und zwar in der Weise, dass die Flächeninhalte einer Vielzahl von Querschnitten durch den Kanal vom Eingang zum Ausgang hin abnehmen.

4. Druckvorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeich- . net, dass die Kanalachse zwischen Einga-ng und Ausgang des Kanals geradförmig verläuft, so dass man eine öffnung, die an einer zylindrischen Sonde vorgesehen ist, mit Hilfe dieser Sonde längs der Achse des Kanals bewegen kann, und diese öffnung vom Eingang bis zum Ausgang des Kanals hin-zu-bewegen ist.

109815/0302

1648391)

- ίο -

5. Druckvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein druckbelastender Teil mit der gjlindrisehen Sonde verbunden ist, der ein Erkennung sm er mal für den Druck in der Sonde ist.

6. Druckvorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal eine kreisförmige Form hat und man eine öffnung innerhalb des kreisförmigen Kanals vom Eingang zum Ausgang hin bewegen kann, um dadurch mittels der öffnung ein Kennzeichen für jeden Druck zwischen dem Eingang und dem Ausgang zu erhalten.

7. Druckvorrichtung nachAnspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der kreisförmige Kanal in einer ersten Platte ausgebildet und die öffnung in einer zweiten Platte angeordnet ist und diese zweite Platte an die erste Platte so montiert ist, dass sie sieh relativ zur ersten Platte drehbar bewegen lässt, um dadurch die öffnung längs des Kanals durch relative Drehung der zwei Platten zueinander zu bewegen.

8. Druckvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Platte zwei kreisförmig geformte Kanäle beinhaltet und die zweite Platte zwei öffnungen beinhaltet, so dass durch relative Drehung der zwei Platten zueinander die eine öffnung entlang des einen Kanals und die andere öffnung entlang des anderen Kanals bewegt werden kann.

9. Verfahren zur Herstellung eines Kanals für eine Druckvorrichtung verschiedener Medien nach den vorangegangenen Patentansprüchen, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Ein Medium für die Strömung durch den Kanal auszuwählen; den zugeführten Druck P_g auszuwählen; den Ausgangadruck P auszuwählen! einen gewünschten Druck P„ für jeden aus einer Vielzahl gewählten Punkt χ längs des :Hanais auszuwählen; die Ausgangsgeschwindigkeit u und das spezi-

JK

fische Ausgangsvolumen ν aus einer herkömmlichen Tabelle herauszusuchen, in der diese Grossen in Abhängigkeit von dem verwendeten

109815/0302

BAD ORIGiNAL

- ii -

Medium, dem Flächeninhalt A des trichterförmigen Halses am Ausgang des Kanals und des Ausgangsdruckes P angegeben sind; die bekannten Grossen in der folgenden Gleichung zu substituieren η zu erhalten

^ux _

■Ά)

Ϊ-1

-K)

die bekannten Grossen aus der folgenden Gleichung zu substituieren um v„ zu erhalten

^vx . P* 7
* P

hierin ist

Ρ_χ = gewünschter Druck an der Stelle χ entlang des Kanals; Pg = zugeführter Druck;

P = Ausgangsdruck, der der kritische Druck sein kann und in einem bekannten Verhältnis zu P_ steht, oder der jeder beliebige Druck kleiner als der kritische Druck sein kann;

H y

u = Ausgangsgeschwindigkeit beim Dpuck P ; v = spezifisches Volumen an der Ausgangsöffnung für P ;

u = Strömungsgeschwindigkeit am Punkt χ entlang des Kanals;

ν_χ - spezifisches Volumen am Punkt χ entlang des Kanals; 1098 15/0302 BAD ORIGINAL

1 b 4 8 3 9 U

O = Verhältnis der spezifischen Wärmen webhes für ein gewöhnliches Gas und für Luft 1.4 ist,

die Strömungsgeschwindigkeit W durch d.en Kanal aus der Gleichung

W =
ν

zu finden. Hierin ist

ungs
W = die Durchströmg'eschwindigkeit durch den Kanal (sie ist

konstant entlang des Kanals), und

A = Flächeninhafc des trichterförmigen Halses am Ausgang des Kanals;

den Flächeninhalt A„ des Kanals für Jeden beliebigen Punkt χ muss einer Vielzahl von Punkten längs des Kanals aus der Gleichung

W v„
» _ · χ

u_

zu finden.

109815/0302