DE2038424A1 - Pneumatischer Oszillator - Google Patents

Description

Patentan" tilt

Karl A. Brose

Ü^:p! -Ing.

D -8023 Mönchen - Pullach W ienerstr. 2, T. Mdw. 7 9305 70,7 9317 S2

vln/Fo München-Pullach, 50. Juli 1970

Paris file: 4419-A

THE BENDIX GOHPORA-O)ION, Executive Offices, Bendix Center, SouthfMd, Michigan 48 075, USA

Pneumatischer Oszillator

Die Erfindung "betrifft Fluidsysteme im allgemeinen und insbesondere Fluidoszillatoren und solche Fluidoszillatoren, die als Beschleunigungsmesser verwendet werden.

Sich bewegende Medien werden sowohl s-ebr weitläufig bei militärischen als auch industriellen Systemen verwendet. Die richtige Betriebsweise von Bearbeitungswerkzeugen, Dampfmaschinen, Verbrennungsmaschinen, chemischen Kraftstoff motor en und vieler anderer Einrichtungen hängt von der genauen und zeitmäßig gesteuerten Bewegung von Medien ab. Die Anwendung pneumatischer und hydraulischer Theorien führte zu einer großen Vielzahl stabiler und zuverlässiger Systeme, die von einem Medium betätigt werden.

Im Idealfall weist ein Fluidverstärker keine sich bewegenden Teile auf, außer das sich bewegende Medium. Bestim-mte Systeme machen jedoch Fluidoszillatoren erforderlich, die Betriebsparameter aufweisen, die nur durch eine Hydridvorrichtung erhalten werden können (z.B. einer Fluidvorrichtung, die ein sich bewegendes Teil oder Teile aufweist).

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Um den Anforderungen bestimmter Strömungsmittelsysteme zu genügen, schafft die vorliegende Erfindung einen Fluidoszillator (für !compressible und nicht kompressible Medien) der folgende Einrichtungen und Merkmale enthält: Ein Gehäuse weist eine Kammer auf und diese kann ein Medium aufnehmen und abgeben und in dieser Kammer ist ein Kolben angeordnet, der in Längsrichtung (entsprechend seiner Achse) aufgrund von Druckkräften hin- und herbewegt wird, wobei die Druckkräfte durch das durch die Gehäusekammer strömende Medium erzeugt werden. Die Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß die Größe einer öffnung, durch die das Medium durch die Gehäusekammer strömt, effektiv geändert wird und demzufolge ist der Druck in der Kammer eine Funktion der Bewegung (Lage) des Kolbens und bewirkt eine Schwingung des Kolbens. Die vorangegangene Kombination schafft einen stabilen einstellbarenOszillator für bestimmte Volumina und Begrenzungen innerhalb dieser Kombination. Durch eine geeignete Auswahl der Begrenzungen, Volumengrößen und Verhältnisse läßt sich der Oszillator als Beschleunigungsmesser verwenden, da die Frequenz des Oszillators so eingestellt werden kann, daß sie hinsichtlich der Änderungen der Geschwindigkeit des Oszillators variiert. Darüberhinaus kann der Oszillator effektiv als ein Analog-zu-Frequenzkonverter über einen begrenzten Bereich des Eingangsdruckes arbeiten, da Änderungen im Eingangsdruck eine Änderung in der Frequenz des Oszillators an den Ausgängen zur Folge hat.

Ein einschneidender Vorteil eines schwingenden Beschleunigungsmessers gegenüber einer proportional abbildenden Vorrichtung besteht darin, daß er gegen Temperatureinflüsse unempfindlich ist. Ebenso ist ein schwingender Beschleunigungsmesser in der Herstellung billiger und läßt sich leichter zusammenbauen als Drucklager-Beschleunigungsmes-

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ser, die gegenwärtig im Gebrauch sind.

Demzufolge besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung darin, einen Fluidoszillator zu schaffen, der ein sich bewegendes Teil oder Teile aufweist, um die Strömung des Mediums am Ausgang verändern zu können.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiele unter Hinweis auf die Zeichnung.

In dieser zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform des Oszillators nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein Blockdiagramm des Systems, bei dem der Oszillator gemäß Figur 1 als ein Beschleunigungsmesser zur Anwendung gelangt. |

Figur 1 zeigt einen Zylinder 20, der innerhalb einem Gehäuse 10 angeordnet ist. Der Zylinder 20 weist eine bevorzugte Form auf, es sind jedoch auch andere Formen z.B. eine rechteckige Form möglich und können verwendet werden und dieser Zylinder weist einen ersten Kanal (radialer Kanal 22) zur Aufnahme eines Mediums auf und dieser Kanal erstreckt sich über die Breite des Zylinders 20, vorzugsweise entsprechend seinen Durchmesser, und ein zweiter Kanal (axialer Kanal 21) ist zum Auslassen des Mediums vorgesehen und erstreckt sich durch die Länge des Zylinders, in bevorzugter Weise längs der Achse des Zylinders. Der axüe Kanal 21 endigt an den Enden des Zylinders 20 in

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öffnungen 23 und 24. Der Querschnitt der öffnungen 23 und 24 haben dieselbe Form wie die Kanäle, weisen jjedoch einen kleineren Durchmesser auf und sind so ausgelegt, daß sie eine Strömungsgeschwindigkeit, die von dem axialen Kanal 21 gefordert wird, zulassen. Der Zylinder 20 schwimmt auf einem Mediumstufenlager 26 (dieses hat eine Länge "D"), wenn Medium am Einlaß 16 des Gehäuses eingeführt wird,und dieser Zylinder kann axial schwingen und zwar aufgrund der Kräfte, die durch das Medium hervorgerufen werden, das durch die öffnungen 23, 24 in die Kammern 11, 12 strömt. Um eine richtige Verteilung des Mediums um den Zylinder 20 zu erzielen, so ist in bevorzugter Weise vorgesehen, daß der Zylinder eine gleichmäßige Rille 25 aufweist, die sich um seine äußere Fläche herum erstreckt. Die Rille 25 weist eine rechteckige Form auf, sie kann jedoch auch eine andere Form aufweisen. Der radiale Kanal 22, der durch den Zylinder 20 verläuft, steht strömungsmäßig mit der Rille 25 in Verbindung. Das Gehäuse 10 weist eine Ausnehmung oder innere Kammer 13, eine Einlaßöffnung 16 zur Aufnahme des Mediums, und eine erste und zweite Auslaßöffnung 14, 15 auf, die in bevorzugter Weise denselben Durchtrittsdurchmesser "d" zum Auslaß des Mediums aufweist. Die Einlaßöffnung 16 ist im Gehäuse 10 zentriert gelegen und steht strömungsmäßig mit dem radialen Kanal 22 des Zylinders 20 in Verbindung. Um eine richtige Verteilung des Mediums an dem Medium-Stufenlager 26 und dem radialen Kanal 22 zu erzeugen, weist das Gehäuse 10 eine Rille 19 auf, die sich innerhalb der Kammer erstreckt und um diese herum reicht und diese Rille ist ähnlich der Rille 25 und ist mit dieser ausgerichtet, wenn sich der Zylinder in der Mitte des Gehäuses 10 befindet. Die Gehäuserille 19 ist strömungsmäßig mit der Einlaßöffnung 16 verbunden. Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Gehäuse Rillen 1? und 18 auf, die mit den öffnungen der Auslässe I5 und 14 ausgerichtet sind. Die Auslaßöffnungen 14, I5 weisen ei-

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nen Abstand zueinander auf und die zwei Ausgangsgrößen sind um 180° zueinander verschoben. Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist jede Auslaßöffnung 14, 15 in gleichem Abstand von der Einlaßöffnung 16 angeordnet, wobei der Abstand zwischen den Mittellinien der zwei Auslaßöffnungen 14, 15 gleich der Länge des Zylinders 20 ist, so daß die effektive Größe der Öffnungen der Einläße 14, 15 entsprechend der Schwingung des Zylinders 20 verändert wird.

Der Raum 13 ist weiter durch den Zylinder 20 in zwei Kammern 11, 12 geteilt. Die erste Kammer 11 steht strömungsmäßig mit der ersten Auslassöffnung 14 und der Öffnung 23 des axialen Kanals 21 in Verbindung. Die zweite Kammer 12 ist mit der zweiten Auslaßöffnung 15 und der Öffnung 24 im axialen Kanal 21 verbunden. Beide Kammern 11 und 12 weisen ein Volumen auf und ebenso einen Druck, die sich umgekehrt bzw. entgegengesetzt ändern und zwar bei einer axialen Bewegung des Zylinders 20.

Die Abstände A und B zwischen den Seitenwänden des Gehäuses 10 und den Enden des Zylinders 20 ändern sich entsprechend den Schwingungen des Zylinders. Demzufolge ändern sich auch die Volumina der Kammern 11 und 12. Der Zylinder 20, der einen kleineren Durchmesser als der Durchmesser des Raumes 13 aufweist (oder eine kleinere Querschnittsfläche bei anderen Formen), kann längs seinerAchse schwingen, wodurch die Volumina der Kammern 11, 12 entsprechend geändert werden. Der axiale Kanal 21 des Zylinders ist mit dem radialen Kanal 22 des Zylinders verbunden und die erste und zweite Auslaßöffnung 14, 15 des Gehäuses 10 steht strömung smäßig mit den Kammern 11 und 12 in Verbindung. Die Symmetrie der Oszillatorkonstruktion sieht zwei Ausgangssignale vor, die an den Auelaßöffnungen 14, 15 erscheinen und um 180° phasenverschoben sind·

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Die Figur 2 zeigt ein Blockdiagramm eines Systems, das zum Bestimmen einer Beschleunigung bestimmt ist und einen seismischen Oszillator 30 enthält und von demjenigen Typ ist, der in Figur 1 veranschaulicht ist (ändert die Frequenz entsprechend der Geschwindigkeitsänderung) und enthält eine Ziffernanzeigevorrichtung 40, die eine Einrichtung enthält, um eine Anzeige der Beschleunigung aus der Frequenzänderung des Oszillators vorzusehen.

Die Funktionsweise des Anmeldungsgegenstandes ist wie folgt:

Das beschriebene Gerät gemäß Figur 1 arbeitet in Form eines Fluidoszillators in folgender Weise: Ein Medium gelangt zur Einlaßöffnung 16, strömt um den Zylinder oder Kolben herum, so daß dadurch der Zylinder auf dem Mediumlager 26 zu schwimmen anfängt, und strömt dann in den radialen Kanal 22 des Kolbens 20, weiter durch die öffnungen 25, 24 des axialen Kanals 21., und gelangt in die Kammern 11 und 12 und aus den Auslaßöffnungen 14, 15 heraus. Wenn das Me dium in die Gehäuseeinlaßöffnung 16 eindringt, dann wird der Kolben 20 in einer Richtung bewegt, die einer Abnahme der Größe einer der Kammern 11 entspricht und ebenso die effektive öffnung in einem der Ausläße 14 vermindert und den Druck in der Kammer 11 erhöht. -Gleichzeitig nimmt die Größe der anderen Kammer 12 zu und der Druck in dieser Kammer nimmt ab, da die effektive öffnung am Einlaß 15 zunimmt. Der Druck in der ersten Kammer 11 nimmt solange zu, bis eine ausreichende Kraft aufgebaut ist, um die Bewegungsrichtung des Kolbens 20 umzukehren. Die Umkehr der Bewegungsrichtung des Kolbens 20 bewirkt nun, daß die Größe der anderen Kammer 12 abnimmt und dieser Vorgang wiederholt sich in der beschriebenen Weise, so daß der Kolben schwing. Die Schwingung des Kolbens 20 ist demnach eine Funktion der Kräfte, die durch die Strömung des Mediums erzeugt werden und zwar der

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Strömung durch die öffnungen 23, 24, was vom Eingangsdruck an der Einlaßöffnung 16 abhängig ist; das Volumen des Mediums in den Kammern 11 und 12; der Masse des Zylinders 20; der effektiven Öffnung oder Öffnungsquerschnitt der Ausläße 14, 15. Da die Schwingungen eine Punktion des Eingangsdrukkes am Einlaß 16 sind, bewirkt eine Änderung im Eingangsdruck eine Änderung der Schwingungen, so daß der Oszillator als Analog-zu-Frequenzkonverter verwendet werden kann. ([

Die mittlere Frequenz (f_Q) d.h. die Frequenz der Schwingungen des Kolbens 20, wenn sich das Gehäuse in Ruhe befindet und sich der Kolben 20 inmitten des Raumes I3 des Gehäuses in Schwingung befindet, läßt sich durch folgende Gleichung annähern:

1/2

¹C

M/A

hierbei bedeutet! M die Masse des Zylinders 20;

A die Fläche der Zylinderenden, die in Berührung mit den Kammern "X und "2 stehen;

b,, und b_o sind Funktionen des Ruhedruckes und der Zylinderverschiebung relativ zu den Kammern 11 und *2;

t.,die zum Füllen des Volumens, bewirkt durch die Verschiebung des Zylinders 20, erforderliche Zeit^

zum Komprimieren des Mediums, als Folge der Verscbie-

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\' bung des Zyjfinders 20, erforderliche Zeit.

\i t^ und t^ stellen eiae Funktion der Größe (L, nicht gezeigt) der Verschiebung des Zylinders 20 dar. Der Öffnung der Get häuseausiäße *·4, ".*j\ des Volumens des Mediums in den Kammern

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11, 12 und zwar unter Druck; und des Ruhedruckes des Mediums in den Kammern 11, 12.

Der Oszillator kann ebenso als ein Beschleunigungsmesser verwendet werden, wenn man diesen Oszillator so auslegt, daß der Zylinder 20 auf Außenkräfte anspricht, z.B. eine Beschleunigung des Gehäuses. Die dynamischen Eigenschaften des Oszillators, wenn dieser als Beschleunigungsmesser verwendet wird, lassen sich dann durch die folgende Gleichung vierten Grades annähern:

Frequenz _m M/A (1+t^ S) (1+t₂ S) ( 2 )

4S⁴+ A₃ S⁵+ A₂

Last (g) A4S⁴+ A₃ S⁵+ A₂ S²+ A₁ S₊ A

Hierbei sind die Koeffizienten der S-Ausdrücke, Aq, A^, k A, und A^, ebenso Funktionen von t/., tp, M und den Ruhewer ten des Druckes.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 1

Eine nach den zuvor angegebenen Richtlinien ausgebildete Vorrichtung wurde bekannten Werten einer Beschleunigung ausgesetzt und eine charakteristische Kurve entsprechend der Frequenz gegenüber der Schwere oder Gravitation wurde aufgenommen. Aufgrund dieser Information war es dann möglich, die Beschleunigung eines sich bewegender! Körpers zu bestimmen (an welchen die Vorrichtung angebracht war) und zwar aufgrund einer Frequenzmessung und aufgrund der graphischen Darstellung läßt sich die Beschleunigung bestimmen.

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Im folgenden sollen einige wichtige Betrachtungen hinsichtlich der Auslegung und Konstruktionsweise eines Oszillators aufgestellt werden, der als Beschleunigungsmesser verwendet werden soll.

Um zunächst sicherzustellen, daß der Oszillator auch fortfährt zu schwingen, wenn er Kräften, die von außerhalb wirken, ausgesetzt wird, wurde die Verschiebungszeitkonstante (t^|) kleiner ausgeführt als die Kompressionszeitkonstante (to)· Dies wurde dadurch erreicht, daß man die Öffnungsdurchmesser (d) der Auslaßöffnungen 14 und I5 verglichen zur Lagerlänge D klein ausführte. Das Verhältnis der Auslaßöffnung, die zum Lagerabstand D richtig ausgelegt ist, sollte nicht weniger als 0.01 (in bevorzugter Weise d/D ungefähr » 1/150) sein. Zweitens wurde des Oszillator ebenso leicht unsymmetrisch ausgeführt, um einen Anfang der Schwingungen sicherzustellen.

Der Fluidoszillator, der mit diesen Parametern ausgestattet ist bzw. arbeitet, arbeitet als Beschleunigungsmesser in folgender Weise: Wenn der Oszillator in einer Richtung parallel zur Achse des Zylinders 20 (seismische Masse) beschleunigt wird, dann wird der Zylin-der aus seiner zentriertenLage verschoben, wodurch sich die effektiven Volumina der Kammern 11 und 12 ändern und weiterhin bewirkt wird, daß sich die Frequenz der Schwingungen ändert. Diese Frequenzänderung (Af) ist eine Funktion der Verschiebungsgröße (¹¹L", nicht gezeigt) des Zylinders 20 entspre- . chend der Beschleunigung; ebenso der nominellen oder effektiven Öffnungsgröße (d) der Ausläße 14, 15 und kann in folgender Weise ausgedrückt werden* /\£ ■ L/d·· Typisch beträgt die Frequenzänderung (Δι) entsprechend der Beschleunigung nahezu 1/5 bis 1/2 der Mittenfrequenz (f„, Gleichung 1).

Obwohl die gezeigte Vorrichtung allgemein symmetrisch auf-

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gebaut ist, um eine symmetrische Ausgangsgröße zu erhalten, kann die Vorrichtung auch asymmetrisch ausgeführt werden (so daß eine eingebaute Vorspannung vorhanden ist) so daß das Frequenzansprechverhalten auf gleiche, jedoch entgegengesetzte Beschleunigungskräfte, nicht gleich ist.

Für einen Fachmann geht es klar hervor, daß das beschriebene Gerät Änderungen erfahren kann, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Es besteht z.B. die Möglichkeit, mehrere oder weniger Einlaßöffnungen und Auslaßöffnungen vorzusehen und die Anordnung dieser Einlaß- und Auslaßöffnung kann ebenso geändert werden, solange die effektive öffnung von entweder dem Eingang oder dem Ausgangs als eine Funktion der Bewegung des Kolbens geändert wird, so daß beim Hindurchströmen des Mediums durch die Gehäusekammer der Druck schwankt, wodurch der Kolben veranlaßt wird, zu schwingen.

Sämtliche in der Beschreibung erkennbaren und in den Zeichnungen dargestellten technischen Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung.

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Claims (7)

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   - 11 PATENTANSPRÜCHE

   Pneumatischer Oszillator, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (10) mit einem Hohlraum, in den eine Einlaßöffnung (16) zum Zuführen eines Mediums mündet, und durch eine erste (14) und eine zweite(15) Auslaßöffnung zum Auslassen des Mediums aus dem Hohlraum; und durch einen bewegbaren Körper (20) in dem Hohlraum, der diesen Hohlraum in eine erste (1") und eine zweite (12) Kammer teilt, wobei die erste Kammer (11) mit der ersten Auslaßöffnung (14) und die zweite Kammer (12) mit der zweiten Auslaßöffnung (15) strömungs-mäßig in Verbindung steht und der bewegbare Körper (20) einen ersten Kanal (22) aufweist, der mit der Einlaßöffnung (16) strömungsmäßig in Verbindung steht, und einen zweiten Kanal (21) aufweist, der mit dem ersten Kanal {2.2) und der ersten (11) und der zweiten (12) Kammer in Verbindung steht, so daß das an der Einlaßöffnung (16) einströmende Medium, das in den ersten (22) und zweiten (21) Kanal und aus dem zweiten Kanal (21) in die Kammern (11, 12) eintritt, den bewegbaren Körper (20) in Schwingungen versetzt, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums aus der ersten ('4) und zweiten (15) Auslaßöffnung veränderbar ist.
2. 2. Pneumatischer Oszillator nach Anspru-ch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des Hohlraums im Gehäuse (10) und die Form des bewegbaren Körpers (20) zylindrisch ist.
3. 3. Pneumatischer Oszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kanal (22) des bewegbaren Körpers (20) ein sich in diesem radial erstreckender Kanal, und der zweite Kanal (21) in dem bewegbaren Körper (20) ein sich in diesem axial erstreckender Kanal ist.

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4. 4. Pneumatischer Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegbare Körper (20) ein Medium-Stufenlager (36) aufweist, welches strömungsmäßig mit dem sich radial erstreckenden Kanal (22) und der Einlaßöffnung (16) in Verbindung steht, so daß der bewegbare Körper (20) in dem Hohlraum des Gehäuses schwingend gelagert ist, wenn das Medium durch die Einlaßöffnung (16) in den Hohlraum eindringt.
5. 5. Pneumatischer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Auslaßöffnung (14, einen solchen Abstand zueinander haben, daß die an diesen Auslaßöffnungen erscheinenden Ausgangssignale eine Phasenverschiebung von 180° zueinander haben«
6. 6. Pneumatischer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Länge des bewegbaren Körpers (20) so auf den Abstand zwischen der ersten (14) und der zweiten (15) Auslaßöffnung bezogen ist, daß sich die Form bzw. Größe der ersten und zweiten Auslaßöffnung (14, I5) mit der Bewegung des Körpers (20) ändern kann.
7. 7. Pneumatischer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kanal (21) des bewegbaren Körpers (20) an den Enden des Körpers (20) in zwei Öffnungen (23,24) derselben Form endigt, wobei die letzteren Öffnungen (23, 24) kleiner als der zweite Kanal (21) sind.

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