DE1908250A1

DE1908250A1 - Wandler zum Umformen von elektrischen Signalen in Drucksignale

Info

Publication number: DE1908250A1
Application number: DE19691908250
Authority: DE
Inventors: Beeken Basil Brooke
Original assignee: Pitney Bowes Inc
Current assignee: Pitney Bowes Inc
Priority date: 1968-02-21
Filing date: 1969-02-19
Publication date: 1969-09-11
Also published as: FR2002307B1; US3534754A; GB1205735A; FR2002307A1

Description

ΡΙΜΓΕΤ-BOWES, IHC., Stamford, Staat Connecticut (V.St.A.)

Wandler zum Umformen von elektrischen Signalen in Drucksignale

Die Erfindung betrifft einen Wandler zum Umformen von elektrischen Signalen in entsprechende Strömungsmitteldruck-Signale. Sie zeichnet' sich aus durch einen bei Druckbeaufschlagung einen laminaren Strömungsmittelstrahl abgebenden Emitter, einen dem Emitter gegenüberliegend angeordneten, wenigstens einen Teil des vom Emitter abgegebenen Strahls aufnehmenden Kollektor, einen nahe einer zwischen dem Emitter und dem Kollektor befindlichen Kammer angeordneten piezoelektrischen Kristall, einen die Schallwellen von dem Kristall zur Kammer leitenden Schallwellenleiter und eine elektrische Schaltungsanordnung, welche den Kristall derart anregt, daß er Schallwellen erzeugt, welche über den Schallwellenleiter gegen den laminaren Strömungsmittelstrahl gerichtet werden, wobei der Strömungsmittelstrahl turbulent wird.

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In einer bevorzugten siusführungsform macht die Erfindung von einer zweistufigen Strömungsmibtelschaltung mit zv/ei Strömungsmittelverstärkern des Turbulenztyps Gebrauch, wobei der' Ausgang des ersten Verstärkers den Zustand des zweiten Verstärkers nach Maßgabe der erzeugten Schalwellen steuert.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Draufsicht auf den Wandler mit zugehörigen Bauteilen, welche in einem Gehäuse angeordnet sind;

Fig. 2 einen Teilschnitt entsprechend der Schnittlinie 2-2 der Fig. 1;

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine. Teil des Wandlers bildende Strömungsmittel-Schaltplatte;

Fig. 4 einen Teilschnitt gemäß der Schnittlinie

4-4 der Fig. 3j welcher die aus der ¹ Strömungsmittel-Schaltplatte und der zugehörigen Deckplatte bestehende Anordnung zeigt; und

Fig. 5 ein Schaltdiagramm einer elektrischen Steuervorrichtung für den Wandler.

Wie in den Fig. 1 und 2 zu sehen ist, weist der Wandler ein kastenförmiges Gehäuse 1.0 auf, das aus einem Basisteil

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11 mit mit diesem einteiligen Endteil/12 und 13 und Seitenteilen 14 und 15 und aus einem mit Schrauben 17 an den Seitenteilen 14 und 15 lösbar befestigten Deckel 16 besteht. In dem Gehäuse 10 sind eine Strömungsmittel-Steuervorrichtung 18 und eine elektrische Schaltplatte 19 mit gegenseitigem Abstand im wesentlichen parallel zueinander angeordnet.

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Die Ströroungsmittel-Steuervorrichtimg- 18 wird durch eine von der Innenseite dec Basisteils.11 vorspringende lUppo 20 in der vorgesehenen Lage festgelegt, während die Schal1-platte 19 gleiti'ähig in xwei einander ge-geüberliegenden Schlitz en -geführt ist, welche durch an den Innenflächen der Gehäuse-Endteile 12 lind 13 angeordnete Hippen 20a gebildet sind.

Der Auibau und die Punktion der Strömungsmittel-Steuervorrichtung 18 werden im folgenden anhand der Fig. 3 und M näher erläutert« Die Vorrichtung 18 besteht im wesentlichen aus einer zweistufigen StrÖHnmgsiiifti.l ,'.-chaltimg mit rwei iStrönungüiaittp] ve -retärl ( rn 22 und TJ. Diene bed den fitröniung laittc.lA'erstäi-l"'.ν «ind dui-ch geeignete ijunnehinungen in dc-iu Oberteil ?J\ eint ι■ .i'ltromungnirrittel- ijchfsltj>latt(· ?[ gebildei", und die mit den ,Ausnehmungen yerrt-henc- Fläche i.rA dui-ch eine go .ei gurte l/.-ckjlatte 2G (Pig.. ^yO; dicht abgedeckt. J)i ( besondere-, dui'ch die Ausnehmungen in der Plattenoberfläohe gebildete Strömungsmittel schaltung ^:i ^t in Fig. J gezeigt, öie wcist eine in der Platte 25 ausgebildete Strömungsmittel -Zuführunganut 30 auf, welche über eine geeignete Nut 31 mit der Smitterriut oder dem Emitterkanal 35 des Strörounginui ttelveratärkers 22 und direkt mit der Emitternut oder dem Emitterkanal ⁷A dep Verstärkei's 23 in Verbindung steht. Der Verstärker 22 weist eine leicht auseinanderlaufende nutförmige Ausnehmimg 35 auf, v/elche eine Wechselwirkungskammer bildet, deren zuströmseitiges Ende mit dem Emitterkanal 33 und deren abströmseitiges Ende mit einem unter einem Winkel zur Kammerlängsrichtung einmündenden Ablaßkanal 36 in'Verbindung steht. Der Ablaßkanal 36 tritt durch das Ende 37 aus der Schallplatte 25 aus. Das abströmseitige" Ende der Wechselwirkungskammer steht ferner mit einer Kollektornut oder einem Kollektorkanal 40 in Verbindung, welcher mit dem Emitterkanal 33 koaxial ausgerichtet

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ist. Der Verstärker 23 weist eine erweiterte Vechselwirkungskammer 42 auf, deren zuströmseitiges Ende mit dem Emitterkanal 3^ und deren abströmseitiges Ende mit Ablaßkanälen 43 und 44 in Verbindung steht, wobei die Kanäle und 44 durch das Ende 37 der Schaltplatte 25 austreten. Das abströmseitige Ende der Vechselwirkungskammer steht außerdem mit einem Kollektorkanal 45 in Verbindung, der koaxial zum Emitterkanal 3^· ausgerichtet ist. Eine Steuernut bzw. ein Steuerkanal 46 mündet nahe des zuströmseitigen Endes seitlich in die Vechselwirkungskammer 42; das andere Ende des Steuerkanals 46 steht mit dem Kollektor 40 über einen Einschnitt oder Kanal 4? in Verbindung.

Vie in den Fig. 3 und 4 zu sehen ist, ist die Tiefe h der Nut 31 j des Ablaßkanals 36 und der Kammer 35 des Verstärkers 22 wesentlich größer als diejenige der Emitternut 33 und der zugehörigen Kollektornut 40. In ähnlicher Veise ist auch die Tiefe der Nut 3O5 der Kammer 42 und der Auslaßkanäe 43 und 44 des Verstärkers 23 wesentlich größer als diejenige der Emitternut 3^·, der Steuernut 46 und der Kollektarnut 45 dieses Verstärkers. Die Ausbildung der Nuten bzw. Kanäle gemäß Fig. 3 ist angenähert im richtigen Maßstab gezeichnet, wobei die typischen Längen für die Kammern 35 und 42 jeweils in der Größenordnung von 8 mm liegen. Es wurde eine Schaltplatte gebaut, bei welcher die Emitternut 33 etwa 0,18 mm breit und 0,18 mm tief war, während die Emitternut 34 eine Breite von 0,38 mm und eine Tiefe von 0,38 mm hatte. Die Querschnittsabmessungen der Kollektornuten 40 und 45 entsprachen im wesentlichen denjenigen der Emitternuten bzw. 34. Venn die Deckplatte 26 beispielsweise mittels Nieten 48 und einer Dichtung 49 dicht auf der Schaltplatte 25 befestigt ist, haben die oben beschriebenen Nuten bzw. Kanäle im wesentlichen rechtwinklige Querschnittsformen.

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Der Verstärker 22 ist mit einer trichter- oder glockenförmigen Steuerleitung 50 versehen, welche die Schaltplatte 25 durchdringt und in einer am zuströmseitigen Ende der Wechselwirkungskammer 35 angeordneten öffnung 51 endet. Die die Steuerleitung 50 bildenden Wände 52 verlaufen längs einer gebogenen Kurve nach außen und bilden einen sich nach außen erweiternden Trichter etwa exponentieller Umrißform, welcher außen in der die Schallwellen aufnehmenden öffnung endet.

Die Seite 14· des kastenförmigen Gehäuses 10 ist mit geeigneten öffnungen 60, 61 (Fig. 1) versehen, durch welche flexible Strömungsmittel-Einlaß- und Auslaßleitungen 62 und 63 geführt sind. Die Leitungen 62 und 63 sind Jeweils mit Paßstücken 65 und 66 verbunden, welche einteilig mit der Außenseite der Deckplatte 26 geformt sind. Diese Paßstücke sind mit Durchlässen 67 und 68 (Fig. 4-) versehen, welche mit der Einlaßnut 30 bzw. der KollektQrnut 4-5 in Verbindung stehen. Der Durchlaß 67 ist mit der Einlaßnut 30 verbunden, wie durch-die gestrichelte Linie 70 in Fig. 3 angedeutet ist. Der Durchlaß 68 steht mit der Nut 4-5 über eine in der Oberseite 34- der Schaltplatte 25 gebildete Ausnehmung 71 in Verbindung.

Jeder der Verstärker 22 und 23 hat ein monostabiles Betriebsverhalten. Der normale Betriebszustand eines jeden Verstärkers ist so, daß ein laminarer Strömungsmittelstrahl vom Emitter zum Kollektor geleitet wird, wodurch der Kollektordrnck relativ hoch gehalten wird. Wenn ein geeignetes Steuersignal an den Verstärker gelegt wird, wird der ursprünglich laminare Verlauf des Strömungsmittelstrahls turbulent und tritt mit den Seitenwänden der zugehörigen Wechselwirkungskammer in eine Wechselwirkung, wodurch der größte Teil über die jedem Verstärker zugeordneten Ablaß-

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leitungen aus der Kammer austritt und der Druck im Kollektor relativ gering wirkt. Dieser turbulente Betriebszustand bleibt so lange bestehen, bis das Steuersignal entfernt wird, worauf der Verstärker sofort wieder in seinen normalen laminaren Betriebszustand überwechselt.

Ein piezoelektrischer Kristall 75 ist in einer koaxial zum Schallwellenleiter 50 i^· der Platte 25 angeordneten zylindrischen Ausnehmung 74- eingesetzt und beispielsweise mittels eines an der Unterseite der Platte 25 (£*ig. 4·) ange-r flanschten Deckels 76 festgelegt. Eine scheibenförmige Unterlage 77 aus Schaumgummi oder einem ähnlich federnd' nachgiebigen Material ist zwischen die Oberseite 76a des Deckels 76 und dem Kristall 75 so eingelegt, daß $fe den vorgesehenen Sitz des Kristalls in der Ausnehmung 74· ohne mechanische Belastung des Kristalls gewährleistet. Zwei gegenüberliegend angeordnete Schlitze 79 und 78 sind in der Platte 25 zur Aufnahme von mit dem Kristall aneinander gegenüberliegenden Seiten verbundenen elektrischen Leitungen 80 und 81 vorgesehen. Die Leitungen 80 und 81 sind mit ihrem anderen Ende mit an der Platte 25 befestigten Polbolzen 82 und 83 verbunden. Wie ohne weiteres verständlich ist, laufen die bei Erregung des Kristalls 75 erzeugten Schallwellen durch den exponentiell geformten Trichter bzw. Schallwellenleiter 50 und werden in die Wechselwirkungskammer des Verstärkers 22 seitlich eingeleitet, wodurch der Strömungsmittelstrom im Verstärker 22 beeinflußt wird.

Die elektrische Schaltungsanordnung zum Anlegen von elektrischen Signalen an den Kristall 75 wird im folgenden anhand der Fig. 1, 2 und 5 im einzelnen erläutert. Die die verschiedenen Schaltelemente und Verbindungen entsprechend dem Schaltdiagramm nach Pig. 5 tragende Schaltplatte 19 ist über Leitungen 84- und 85 mit den Polklemmen 82 und 83 ver-

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"bunden. Bei der Schaltung gemäß Fig. 5 sind die Eingangski emmen 100, 101 an eine abstufbare Spannung angelegt, wie sie beispielsweise am Ausgang eines externen elektrischen Steuersystems verfügbar ist. Die Klemmen 100 und 101 sind mit einem üblichen einstellbaren Spannungsteiler 105 verbunden, dessen Ausgang in bekannter Weise einen transistorisierten Multivibrator 106 steuert. Der Multivibrator 106 ist mit einer Treiberstufe 107 verbunden, deren Ausgang an den zum Kristall führenden Leitungen 84, 85 liegt. Wenn eine stufenförmige Steuerspannung an die Klemmen 100, 101 angelegt wird, bewirkt die über den Spannungsteiler 105 dem Multivibrator 106 zugeführte vorgegebene Spannung über die Treiberstufe 107 die Erregung des Kristalls 75 rait der gewünschten Frequenz. Die Einheiten 106 und 107 sind im Handel verfügbar und können beispielsweise als integrierte Schaltung, Modell RTUL 9914 der Firma Faireh-ild Company, Mountain View, Californien ausgeführt sein« Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Spannungsteiler so eingestellt, daß an de-n Kristall 75 eic Ultraschallsignal mit einer Frequenz von etwa 50 kH angelegt wird.

Die Betriebsweise des oben beschriebenen Wandlers wird im folgenden genauer erläutert. Wenn die Strömungsmittel-Einlaßleitung 62 (Fig. 1) betriebsmäßig mit einer geeigneten Druckquelle verbunden ist, so strömt das Strömungsmittel, z.B. Luft, durch die beiden Emitterkanäle 33 und 34, wobei am Ausgang eines jeden Emitters ein auf den zugehörigen Kollektorkanal 40 oder 45 gerichteter laminarer Strömungsmittelstrahl austritt. Der sich im Kollektorkanal 40 des Verstärkers 22 daraufhin einstellende relative hohe Druck wird als Steuersignal über den Steuerkanal 46 an die Wechselwirkungskammer 42 des Verstärkers 23 gelegt. Dadurch wechselt der Verstärker 23 in seinen turbulenten Betriebszustand über. Bei unerregtem Kristall 75 ist der normale Betriebszustand der vorliegenden Strömungsmittelschaltung

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so, daß der Verstärker 22 im laminaren Betriebszustand und der Verstärker 23 im turbulenten Betriebszustand bleibt. Unter diesen normalen Betriebsbedingungen ist der Strömungsmitteldruck im Kollektor 45 des Verstärkers 23 relativ gering, so daß auch die über die Durchlässe 70 und 68 mit dem Kollektor 45 verbundene; Ausgangsleitung 63 unter relativ niedrigem Druck steht. Wenn der Kristall 75 durch Anlegung der stufenförmigen Steuerspannung an die Kxemmen 100, 101 (Pig. 1 und 5) erregt wird, läuft ein entsprechender Teil der durch das Schwingen des Kristalls 75 erzeugten Schallwellen durch den Trichter 50 und trifft auf den vom Emitterkanal 33 abgegebenen laminaren Strahl* Dabei wird der Verstärker 22 vom laminaren Betriebszustand in seinen turbulenten Betriebszustand umgeschaltet, bei dem der Vorlauf des Strömungsmittelstrahls turbulent ist und über den Ablaßkanal 36 austreten kann. Der sich dabei ergebende Druckabfall im Kollektor 40 und im Steuerkanal 46 bewirkt, daß der Verstärker 23 in seinen laminaren Betriebszustand umgeschaltet wird, wobei der Druck im Kollektor 45 und in der Ausgangsleitung 63 relativ hoch wird. Bei Abtrennen der Steuerspannung endet die Erregung des Kristalls 75 ₅ so daß die Verstärker 22 und 23 sofort in ihren oben beschriebenen normalen laminaren bzw. turbulenten Betriebszustand überwechseln, wobei der Strömungsmitteldruck in der Ausgangsleitung 63 wiederum relativ niedrig ist. Auf diese Weise wird eine an die Klemmen 100, 101, welche gemäß dem in Fig.1 dargestellten Ausführungsbeispiel als zweipoliger Stecker 108 ausgebildet sind, angelegte stufenförmige Steuerspannung durch den neuen Wandler in entsprechende, in der Ausgangsleitung 63 verfügbare pneumatische Signale umgewandelt.

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Claims

ρ 493

Ansprüche

1/ Wandler zum Umformen von elektrischen Signalen in entsprechende Drucksignale, gekennzeichnet durch einen bei Druckbeaufschlagung einen laminaren Strömungsmittelstrahl abgebenden Emitter (33)» einen dem Emitter gegenüberliegend angeordneten, wenigstens einen Teil des vom Emitter abgegebenen Strahls aufnehmenden Kollektor (4-0), einen nahe einer zwischen dem Emitter und dem Kollektor befindlichen Kammer (35) angeordneten piezoelektrischen Kristall (75), einen die Schallwellen von dem Kristall (75) zur Kammer (35) leitenden Schall'wellenleiter.(50) und eine elektrische Schaltungsanordnung (100 bis 108 , 82 bis 85), welche den Kristall derart anregt, daß er Schallwellen erzeugt, welche über den Schallwellenleiter gegen den laminaren Strömungsmittelstrahl gerichtet werden, wobei der Strömungsmittelstrahl turbulent wird.
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallwellenleiter (50) in einer nahe des abströmseitigen Endes des Emitters (33) angeordneten kleinen öffnung (51) endet.

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/β
3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallwellenleiter (50) als glocken- oder trichterförmiger, zu der zwischen Emitter (33) und Kollektor (40) gelegenen Kammer hin konvergierender Durchlaß ausgebildet ist.
4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß der den Schallwellenleiter (50) bildende Durchlaß ein exponentiell gekrümmtes Axialschnifctprofil (52) hat.
5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge-

^ kennzeichnet, daß die durch den Schallwellenleiter (50) ge-. bildete enge Öffnung (51) in einer Wand der zwischen dem Emitter (33) und dem Kollektor (40) gelegenen Kammer (35) . nahe des abströmseitigen Endes des Emitters angeordnet ist, daß die durch die Öffnung (51) in die Kammer (35) eintretenden Schallwellen gegen den aus dem Emitter austretenden Strömungsmittelstrahl gerichtet sind; und daß eine Befestigungsvorrichtung (76,77) zum Festlegen des Kristalls (75) an dem der Öffnung (51) gegenüberliegenden Ende des Schallwellenleiters vorgesehen ist.
6. Wandler nach Anspruch 5₅ dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsvorrichtung (76,77) ein dem Kristall (75) am

Ende des den Schallwellenleiter (50) bildenden Durchlasses nachgiebig festlegendes Bauteil (77) aufweist.
7· Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Schaltungsanordnung (100 bis 108, 82 bis 85) einen Spannungsteiler (105) und einen Multivibrator (106) aufweist.

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8. Wandler nach einem der Ansprüche 1 "bis 7> .gekennzeichnet durch eine zweistufige Strömungsmittelschaltung mit zwei Strömungsmittelverstärkern (22,23) des Turbulenztyps, wobei das Ausgangssignal des ersten Verstärkers (22) als Steuersignal dem zweiten Verstärker (23) zugeführt wird und die durch den piezoelektrischen Kristall (75) erzeugten 'Schallwellen das Steuersignal des ersten Strömungsmittelverstärkers bilden.
9. Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweistufige Strömungsmittelschaltung in einer Schaltplatte (25) ausgebildet ist; daß die elektrische Schaltungsanordnung (100 bis 108) auf einer elektrischen Schaltplatte (19) montiert ist; und daß beide.Schaltplatten in einem kastenförmigen Gehäuse (10) angeordnet sind, das mit Anschlüssen (65,66) zum Zu- und Ableiten des Strömungsmittels und mit elektrischen Anschlüssen (108) für ein externes elektrisches Steuersystem ausgestattet ist.

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