DE1751948A1

DE1751948A1 - Druckmittelvorrichtung zum Umsetzen analoger in digitale Druckmittelsignale

Info

Publication number: DE1751948A1
Application number: DE19681751948
Authority: DE
Inventors: Lazar Jeffrey M
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1967-08-28
Filing date: 1968-08-23
Publication date: 1971-09-02
Also published as: US3557815A; CH477631A; SE336090B; DK123184B; NL6812194A; GB1188246A; BE719941A; FR1582241A

Description

Patentanwalt Neue Anschrift:}

υιρί Ιηη P Myrten© 600.0 Frankfurt ann Main

Ammeiburgstraße 34 Telefon-Sa Nr. 59 00 45 1751948

Prankfurt am Main, den 22. Aug. 68

H 51 P 112

HONEYWELL INC. .
27OI Fourth Avenue South
Minneapolis, Minn., USA

Druckmittelvorrichtung zum Umsetzen analoger in digitale

Druckmittelsignale

Die Erfindung betrifft eine Druckmittelvorrichtung zum Umsetzen stetig veränderlicher Fluidsignale (im folgenden als analoges Signal bezeichnet) in Druckmittelausgangssignale, deren Frequenz von der Größe der analogen Fluidsignale abhängig ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat daher in der Fluidtechnlk die gleiche Aufgabe wie ein Spannungs/Frequenz-Umsetzer in der Elektrotechnik.

Bei Fluid.systemen ist es oft notwendig gleichzeitig Einrichtungen mit analogen Druckmittelausgangssignalen und Einrichtungen mit digitalen Druckmittelausgangssignalen zu verwenden.. Die Bezeichnung digital soll hier nur aussagen, daß es sich um pulsförmige Signale handelt, bei denen die Nachricht durch die Zahl der Pulse anstatt durch die Höhe der Signalamplitude übertragen wird. Da diese beiden verschiedenen Signalarten miteinander in Verbindung

stehen, sind deshalb Druckmittelvorrichtungen notwendig, mit denen die eine Signalform in die andere umgesetzt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine einfache und zu-• verlässig arbeitende Druckmittelvorrichtung zu offenbaren, mit deren Hilfe sich als Eingangssignal auf diese Vorrichtung einwirkende analoge Fluidsignale in digitale Ausgahgssignale umwandeln lassen, wobei die Ausgangssignale durch eine Folge von Pulsen gebildet sind, deren Wiederholungsfrequenz von der Größe des analogen Fluidsignales abhängig ist. '

Im Prinzip wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die erfindungsgemäße Druckmittelvorrichtung einen bistabilen Fluidverstärker und einen die rechteckförmigen Ausgangsimpulse des bistabilen Fluidverstärkers in linear ansteigende Signale umwandelnden Rückkopplungskreis aufweist, wobei der bistabile Fluidverstärker durch die auf seine Steueröffnungen wirkenden ansteigenden Rückkopplungssignale abwechselnd von einem Zustand in den anderen umgeschaltet wird und die Steilheit der Anstiegssignale durch ein auf den Rückkopplungskreis einwirkendes Fluidsignal regelbar ist.

Eine besonders günstige Lösung ergibt sich, wenn der Rückkopplungskreis zur Regelung der Steilheit der ansteigenden Signale mittels eines Fluidsignales mit einem proportional ¹ " 109836/0350

arbeitenden in seiner Verstärkung regelbaren Fluidverstärker versehen ist, wenn dieser Fluidverstärker vier in zwei Paaren einander gegenüberliegende Steueröffnungen, zwei einander gegenüberliegende Ausgangskanäle sowie eine Druckmittelverteilungseinrichtung aufweist, wobei mit Hilfe dieser Druckmittelverteilungseinrichtung das analoge Fluidsignal von dessen Größe mittelbar die Frequenz des digitalen Ausgangssignales abhängt, gleichmäßig auf das erste Paar Steueröffnungen· dieses Verstärkers verteilt wird und wenn der Rückkopplungskreis zur Umformung der rechteckförmigen Ausgangssignale in ein linear ansteigendes Signal mit zwei Umformeinrichtungen versehen ist«

In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäßen Druckmittelvorrichtung empfiehlt es sich, daß der Rückkopplungskreis zwei Eingangsleitungen sowie zwei Ausgangsleitungen aufweist, daß je eine der beiden Ausgangsleitungen an jeweils einen der beiden Äusgangskanäle des bistabilen Fluidverstärkers angeschlossen ist und daß je eine der beiden Ausgangsleitungen über eine Leitung mit jeweils einer der beiden Steueröffnungen des bistabilen Fluidverstärkers verbunden ist und daß jede der beiden Eingangsleitungen des über eine Umformungseinrichtung zu jeweils einer der beiden zum zweiten Paar Steueröffnungen des proportional arbeitenden Verstärkers gehörenden Steueröffnungen geführt ist.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung

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wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, die in schematlscher Darstellung den Aufbau einer Druckmittelvorrichtung zeigt.

Die Druckmittelvorrichtung 10 weist einen bistabilen Verstärker 11 und einen RUckkopplungskreis 12 auf, wobei der Rückkopplungskreis innerhalb des durch Strichlinien umrandeten Blockes 12 liegt. Der in seinem Aufbau"bereits bekannte bistabile Verstärker 11 ist mit einer Druckmittelquelle 14, einer Druckmittelversorgungsduse 15 sowie einer ersten Steueröffnung 16 und einer zweiten Steueröffnung versehen. An den Ausgangskanal 19 ist über eine Leitung und über eine Drosselstelle 22 die Ausgangsleitung 23 angeschlossen. In derselben /eise ist der Ausgangskanal 20 über die Leitung 24 und die Drosselstelle 25 mit einer zweiten Ausgangsleitung 26 verbunden.

Der Rückkopplungskreis 12 ist mit einem proportional arbeitenden Fluidverstärker versehen, dessen Verstärkung durch die Veränderung eines Pluidsignal-es an seinem Eingang regelbar ist. Die Veränderung des Pluidsignales ist stetig. Der Verstärker 13 weist eine Druckmittelquelle 30, eine erste und eine zweite Steueröffnung 32 und 33, die zur Regelung der Verstärkung dienen, und eine dritte und vierte Steueröffnung 3^ und 35 sowie einen ersten und zweiten Ausgangskanal >5 und 37 auf. Die zur Regelung der Verstärkung dienenden Steueröffnungen 32 und 33 sind mit einer

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Leitung 4o verbunden, die über eine Drosselstelle 42 an eine Eingangsleitung 4l angeschlossen ist. Das die beiden ersten Eingänge des Verstärkers 13 ansteuernde analoge Fluidsignal wird während des Betriebes auf die Eingangsleitung 4l gegeben. Der Aufbau des Verstärkers 13 ist an sich • bekannt und nicht Gegenstand dieser Anmeldung.

Der Ausgang J>6 des Verstärkers 13 ist über die Leitung mit der Steueröffnung 1β des bistabilen Fluidverstärkers 11 verbunden, während in gleicher Weise der Ausgangskanal 37 über die Leitung 51 an die Steueröffnung 17 dieses Verstärkers angeschlossen ist. Der Ausgangskanal 19 des bistabilen Fluidverstärkers 11 ist über eine Leitung δθ, einen Strömungswiderstand 6l, eine Leitung 62 sowie eine Kondensatorkammer 63 mit der dritten Steueröffnung 34 des Fluidverstärkers I3 verbunden. In der gleichen l/eise ist der Ausgangskanal 20 des Verstärkers 11 über eine Leitung 70, einen Strömungswiderstand 71* eine Leitung 72 sowie eine Kondensa.torkammer 73 an die vierte Steueröffnung 35 des Verstärkers I3 angeschlossen.

Während des Betriebes liefert die erfindungsgemäße Druckmittelvorrichtung zwischen den Ausgängsleitungen 23 und 26 ein Differenzdruckausgangssignal, welches aus einer Folge von. Impulsen besteht, deren Wiederholungsfrequenz von der Größe des auf den Eingangskanal 41 gegebenen analogen Fluidsignales abhängt. Ist das auf den Verstärker

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einwirkende RUckkopplungssignal negativ, so wird er abwechselnd von einem Zustand in den anderen geschaltet. Durch Veränderung des negativen RUckkopplungssignales, was durch Abändern der Verstärkung des Verstärkers 13 in Abhängigkeit der Größe des auf ihn einwirkenden Eingangssignales erreicht wird, läßt sich die Wiederholungsfrequenz dieser Zustandsänderungen variieren. Es sei angenommen, daß das Druckmittel von der Druckmittelversorgungsdüse durch den Ausgangskanal 19 des bistabilen Pluidverstärkers 11 strömt. Ein Teil des durch den Ausgangskanal 19 gelangenden Druckmittels fließt über die Leitung 21 und die Drosselstelle 22 in die Ausgangsleitung 23· Wegen des Druckabfalles an der Drosselstelle 22 strömt ein Teil ■des Druckmittels über die Leitung 60, den Strömungswiderstand 6l, die Leitung 62 sowie die Kondensatorkammer 63 zur Steueröffnung 34 des Verstärkers I3. Der Druckanstieg in der Kondensatorkammer 63 hängt vom Aufbau der Drosselstelle 6l ab, d.h. der Druck in der Kondensatorkammer 63 steigt linear an, da pro Zeiteinheit nur eine bestimmte Druckmittelmenge die Drosselstelle 6l passieren kann. Während der Druck in der Kondensatorkammer 63 ansteigt, fließt eine wachsende Menge von dort zur Steueröffnung ~?h des Fluidverstärkers 13* wodurch an.dieser Steueröffnung der Druck größer wird als an der Steueröffnung 35 und mehr von dem aus der Druckmittelversorgungsdüse 3I austretenden Druckmittel in den Ausgangskanal 3? strömt als in den Ausgangskanal 36. Die Signale der Ausgangskanäle 36 und 37

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tv

werden zu jeweils einer Steueröffnung 16 bzw. 17 des Pluidverstärkers 11 geleitet. Überschreitet nun der Betrag um den das Signal an der Steueröffnung 17 größer ist als das Signal an der Steueröffnung 16 einen bestimmten V.'ert, den man allgemein als Schwellwert des bistabilen Fluidverstärkers 11 bezeichnet, so wechselt der Ausfluß des Druckmittels vom Ausgangskanal 19 zum Ausgangskanal 20. Wegen der Symmetrieeigenschaft der Druckmittelvorrichtung 10 geht nach einer bestimmten vom Aufbau des Systems abhängigen Zeit der Ausfluß wieder vom Ausgangskanal 20 zum Ausgangskanal 19 über, da wegen des den Leitungen oO, ό2 sowie dem Strömungswiderstand 51 und der Kondensatorkammer oj5 entsprechenden Aufbaues der Leitungen 70, 72 sowie des Strömungswiderstandes 71 und der Kondensatorkammer 73 ein linear ansteigendes Signal auf den Steuereingang 35 des Verstärkers 13 gelangt. Die Frequenz des auf diese V/eise "schwingenden" bistabilen Verstärkers hängt von verschiedenen Parametern ab, beispielsweise der Grcöe der Strömungswiderstände 6l und 71, dem Einfluß der Kondensatorkammern 53 und 73 oder der Verstärkung des proportional arbeitenden Fluidverstärkers 13.

Die VJirkungsweise der erfindungsgemäiBen Drucknittelvorrichtung wird nun unter der Annahme bestimmter Druckwerte genauer beschrieben, wobei die hier zum besseren Verständnis angegebenen Druckwerte für den Betrieb der Druckmittelvor-

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richtung typisch sind. Während das Druckmittel durch den

Ausgangskanal 19 fließt, möge in der Eingangsleitung βθ

2 ■

ein Druck von 0,35 kp/cm herrschen, der das Druckmittel :

durch diese Leitung über den Strömungswiderstand 61 und ; die Leitung 62 in die Kondensatorkammer 63 treibt. Der
Strömungswiderstand 61 bestimmt den Druckanstieg in der \

Kondensatorkammer 63, so daß der Druck dort,ausgehend ']

2 '

von seinem Anfangswert, der hier mit 0 kp/cm angenommen !

wird, ansteigt. Nimmt man weiterhin an, daß die Verstär- ' kung des Fluidverstärkers 13 fünf ist, so wird bei einer

P '

Druckdifferenz von 0,014 kp/cm zwischen den beiden Steuer- ^; öffnungen 34 und 35 an den beiden Ausgangskanälen 36 und.

37 ein Differenzdruckausgangssignal von 0,07 kp/cm er- · ; zeugt. Der Druckschwellwert, bei dem der bistabile Fluid-

verstärker 11 von einem Zustand in den anderen umschaltet, ι

2 ■ !

soll ebenfalls 0,07 kp/cm betragen, d.h. beispielsweise, ;

p i

. daß wenn der Druck an der Steueröffnung 16 um 0,07 kp/cm ! oder mehr größer ist als der Druck an der Steueröffnung 17* ; so Viechselt der Druckmittelausfluß vom Ausgangskanal 20
zum Ausgangskanal 19. Ist dagegen der Druck an der Steueröffnung 17 um den gleichen Betrag größer als an der Steuer- '. öffnung 16, so spielt sich der UmsehaltVorgang in der entgegengesetzten Richtung ab.

Während nun der Druck in der Kondensatorkammer 63 auf einen
Wert von 0,014 kp/cm ansteigt, gibt der Verstärker I3 ein
Ausgangesignal ab, bei dem der Druck am Ausgangskanal 37 un

4 :

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0/07 kp/cm größer ist als· am Ausgangskanal 36 (vorausgesetzt, daß der Druck an der Steueröffnung 35 wirklich Null ist). Dieses Ausgangssignal wird auf die beiden Steueröffnungen 1β und I? des bistabilen Verstärkers 11 gegeben. Ist nun der Druck an der Steueröffnung 17 um 0,07 kp/cm größer als'an der Steueröffnung l6, so wechselt der Druckmittelausfluß bei diesem Verstärker.vom Ausgangskanal 19 zum Ausgangskanal 20. Wegen der Symmetrieeigenschaft des Systems wiederholt sich dieser Umschaltvorgang in der umgekehrten Richtung wegen der Rückkopplung über' die andere Hälfte des

Rückkopplungssystems. Wegen des Druckes von 0,35 kp/cm in der Leitung 70 steigt der Druck in der Kondensatorkammer 73 an, was wieder zu einem Druckunterschied von 0,014 kp/cm zwischen den beiden Steueröffnungen 34 und 35 führt. Dieser Druckunterschied wird, wie schon beschrieben, vom Verstärker 13 auf den fünffachen Wert gebracht, so daß zwischen seinen beiden Ausgangskanälen yS und 37 ein Differenzdruckausgangssignal von 0,07 kp/cm liegt, welches wiederum den Druckmittelausfluß des bistabilen Pluidverstärkers 11 vom Ausgangskanal 20 auf den Ausgangskanal I9 zurückschaltet.

Nachdem der Druckmittelfluß in einem der beiden Ausgangskanäle 19 oder 20 des bistabilen Fluidverstärkers 11 abgeschaltet 1st, wird dort der Druck Null. Der Druck in der mit diesem Ausgangskanal verbundenen Kondensatorkammer β3 bzw. 73 muß aber wegen des Iftnenwiderstandes des Verstärkers 13,der Strömungswiderstände 61 bzw. 71 und des Ausgangs-

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Widerstandes des bistabilen Verstärkers 11 nicht unbedingt Null werden, denn die genannten Größen haben einen großen Einfluß auf den Druck in der jeweiligen Kondensatorkammer und lassen sich weitgehend ändern.

. Während der Druckmittelstrom zwischen den beiden Ausgangskanälen des bistabilen Verstärkers 11 hin und herwechselt,

keine ist die Schwingungsfrequenz,so lange/der obengenannten die Rückkopplung beeinflussenden Parameter geändert wird, konstant, d.h. die S chv/ingungs frequenz ändert sich nicht, so lange man nicht die Strömungswiderstände 6l und Jl, die 'Kondensatorkammern 63 und 73 und die Verstärkung des Verstärkers I3 abändert. Bei Veränderung auch nur einer dieser Größen, nimmt die 3 chwingungs frequenz einen anderen Viert an. Nun ist es relativ schwierig, den Wert der Strömungsvfiderstände βΐ und 71 oder die Kondensatorkammern 63 und 73 während des Betriebes zu verändern, so lange man den Einbau beweglicher Teile vermeiden möchte. Dagegen bereitet es keinerlei Schwierigkeiten, die Verstärkung des Fluidverstärkers I3 durch die Variation eines auf ihn ^; einwirkenden Eingangssignales abzuändern, wodurch, wie schon beschrieben, die Schwingungsfrequenz des Ausgangssignales der Druckmittel-Vorrichtung ebenfalls regelbar ist. Der Aufbau eines Fluldverstärkers mit steuerbarer Verstärkung I3 ist bekannt und soll daher nur kurz erläutert werden. Das zur Regelung der Schwingungsfrequenz der Vorrichtung dienende Signal wird über

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die Eingangsleitung kl, die Drosselstelle 42 und die Leitung 40 auf die die Verstärkung des Verstärkers I3 ändernden Steueröffnungen 32 und 33 gegeben. Mittels der Drosselstelle 42 wird der Druckmittelfluß begrenzt und gleichzeitig sichergestellt, daß sich das Druckmittel gleichmäßig auf die beiden Steueröffnungen 32 und 33 verteilt. Beim Anwachsen des Pluidsignales in der Eingangsleitung 4l, vergrößert sich gleichzeitig der Druck in den Steueröffnungen 32 und 33, wodurch die Verstärkung des Fluidverstärkers I3 einen anderen Wert annimmt. Je nach Aufbau dieses Verstärkers, kann dabei die Verstärkung zunehmen oder abnehmen. Nimmt man beispielsweise an, daß sich die Verstärkung bei der Vergrößerung des Eingangssignales um einen bestimmten Betrag von fünf auf zwei vermindert, so muß das Differenzdrucksignal zwischen

den Steueröffnungen 34 und 35 jetzt 0,035 kp/cm anstatt

0,014 kp/cm betragen, damit das Differenzdruckausgangssignal den zum Umschalten des bistabilen Verstärkers 11

notwendigen Differenzdruck^T\^rert von 0,07 kp/cm erreicht. Die Zeitdauer bis in den Kondensatorkammern 63 und 73 ein

Druck von 0,035 kp/cm herrscht, ist um einen dem erhöhten Druck entsprechenden Betrag gewachsen, wodurch die Schwingungsfrequenz des bistabilen Verstärkers kleiner wird..

Es muß betont werden, daß das oben beschriebene Ausführungs-

beispiel der erfindungsgemaßeh Druckmittelvorrichtung nur eines der vielen im Rahmen der Erfindung liegenden ist. So ist beispielsweise der Aufbau dVr Rückkopplung von den Aus-

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gangen des Verstärkers 11 zu den Steueröffnungen J>h und 35 des Verstärkers 13 beliebig. Die einzige Porderung> die an diese Rückkopplungsstrecke gestellt werden muß, ist die, daß das rechteckige Ausgangssignal des Verstärkers 13 in ein linear ansteigendes auf die Steueröffnungen ~}h und 35 des Verstärkers 13 einwirkendes Signal umgewandelt wird. Es ist auch nicht notwendig, daß die Ausgangskanäle des Verstärkers 13 direkt an die Steueröffnungen des Verstärkers 11 angeschlossen sind, es können beispielsweise ein oder mehrere Verstärkerstufen zwischengesehaltet sein.

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Claims

Patentansprüche

■ 1. Druckmittelvorrichtung zum Umsetzen analoger in digitale Druckmittelsignale, deren Frequenz von der Größe des analogen Signales abhängt, dadurch g e kennzei chnet, daß sie einen bistabilen Fluidverstärker (11) und einen die rechteckförmigen Ausgangsimpulse des bistabilen Fluidverstärkers in linear ansteigende Signale umwandelnden Rückkopplungskreis (12) aufweist, wobei der bistabile Fluidverstärker durch die auf seine Steueröffnungen (16,17) wirkenden, ansteigenden Rückkopplungssignale abwechselnd von einem Zustand in den anderen umgeschaltet wird und die Steilheit der Anstiegssignale durch ein auf den Rückkopplungskreis einwirkendes Fluidsignal regelbar ist.

2. Druckmittelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bistabile Fluidverstärker (11) zwei einander gegenüberliegende Steueröffnungen (1β,17) und zwei einander gegenüberliegende Ausgangskanäle (19,2O) aufweist.

J5. Druckmittelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkopplungskreis (12) zur Regelung der Steilheit der anstei-

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genden Signale mittels eines Pluidsignales mit einen proportional arbeitenden in seiner Verstärkung regelbaren Fluldverstärker (13) versehen ist, daß dieser Fluidverstärker vier in zwei Paaren einander gegenüberliegende Steueröffnungen (32,33 und 34,35), zwei einander gegenüberliegende Ausgangskanäle (36*37) sov/ie eine Druckmittelverteilungseinrichtung (32 - 42) aufweist, wobei mit Hilfe dieser Druckmittelverteilungseinrichtung das analoge Fluidsignal,von dessen Größe mittelbar die Frequenz des digitalen Ausgangssignales abhängtj gleichmäßig auf das erste Paar Steueröffnungen (32,33) dieses Verstärkers verteilt wird, und daß der Rückkopplungskreis zur Umformung der rechteckförmigen Ausgangssignale in ein linear ansteigendes Signal mit zwei Umformungseinrichtungen (6l,63 bzw. 71* 73) versehen ist.

4. Druckmittelvorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzei chnet, daß der Rückkopplungskreis (12) zwei Eingangsleitungen (6o,7O) sowie zwei Ausgangsleitungen (36,37) aufweist, daß je eine der beiden Eingangsleitungen (6o bzv/. 70) an jeiveils eine der beiden . Ausgangskanäle (19 bzw. 20) des bistabilen Fluidverstärkers (11) angeschlossen ist, daß je eine der beiden Ausgangsleitungen (36 fexw, 37) über eine Leitung (51 bzw. 50) mit jeweils einer der beiden Steueröffnungen (16 bzw. 17) des bistabilen Fluid Verstärkers verbunden ist und dai3

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jede der beiden Eingangsleitungen des über eine Umformungseinrichtung (61,63 bzw. 71,73) zu jeweils einer der beiden zum zweiten. Paar Steueröffnungen des proportional arbeitenden Verstärkers (I3) gehörenden Steueröffnung (3*l· bzw. 35) geführt ist.

5· Druckmittelvorrichtung nach Anspruch ^, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Umformungseinrichtungen (61,63 bzw. 71,73) jeweils aus einer Kondensatorkammer (63,73) niit vorgeschaltetem Strömungswiderstand (61,71) gebildet sind.

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L e e r s e i t e