DE2114093A1

DE2114093A1 - Einrichtung zum gesteuerten Einleiten eines Stroemungsmittels in ein Verbrauchersystem

Info

Publication number: DE2114093A1
Application number: DE19712114093
Authority: DE
Inventors: Fleischmann Lewis W
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1970-03-25
Filing date: 1971-03-24
Publication date: 1971-10-14
Also published as: ZA711686B; SE359031B; US3788310A; GB1341760A; FR2085069A5; CA951216A; BE764809A

Description

dim*, ing. ß. HOLZEK 89 AUGSBURG

FHHJtPPINB-WELSETl-STSASSB 1* mumnr. IKIJ

21U093

W.524

Augsburg, den 2j5.März 1971

Westinghouse Electric Corporation, Westinghouse Building, Gateway Center, Pittsburgh, Allegheny County, Pennsylvania I5 222, V.St.A.

Einrichtung zum gesteuerten Einleiten eines Strömungsmittels

in ein Verbrauchersystem

Die Erfindung betrifft Einrichtungen zum gesteuerten Einleiten von Strömungsmitteln in ein Verbrauchersystem.

Ein solches Verbrauchersystem istbeispielsweise ein

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Atemgerät, in welches als Strömungsmittel Sauerstoff eingeleitet wird.

Beatmungssysteme bzw. Atemgeräte, welche eine einatembare Atmosphäre erzeugen, werden unter verschiedensten Bedingungen eingesetzt, beispielsweise beim Tauchen, im Weltraum und in der Medizin, um nur einige zu nennen. Bei derartigen Verbrauchersystemen ist die Steuerung der Sauerstoffzufuhr von größter Wichtigkeit. Die erforderlichen Sauerstoffmengen ändern sich dabei in Abhängigkeit vom Umgebungsdruck und vom jeweiligen Anwendungsfall.

Bei einem hauptsächlich verwendeten Verbrauchersystem wird Sauerstoff in einer Weise zugeführt, daß der Partialdruck des Sauerstoffes innerhalb eines bestimmten Bereiches aufrechterhalten wird. Ein typisches Verbrauchersystem weist deshalb einen Sauerstoffpartialdruck-Meßfühler, welcher ein Ausgangssignal liefert, sowie ein elektrisch betätigtes Magnetventil auf, welches in Abhängigkeit von dem Meßfühlersignal öffnet und Sauerstoff in die Atematmosphäre einleitet. Zur Verstärkung des Meßfühlersignals auf den Betriebspegel des Magnetventils ist allgemein ein Verstärker erforderlich. Bei

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der Anwendung im Weltraum sollte das Einleiten des Sauerstoffes derart steuerbar sein, daß nur so viel Sauerstoff, wie unbedingt erforderlich, eingeleitet wird, damit die Nutzlast des Trägerfahrzeuges vergrößert werden kann.

Bei der Arbeit unter Wasser ebenso wie bei der Anwendung im Weltraum ist es häufig erwünscht, daß das Gewicht der verwendeten Ausrüstung so gering wie möglich ist. Beispielsweise ist bei einer typischen Ausführungsform eines Atemgerätes mit geschlossenem Kreislauf, welches von einem Taucher getragen wird, die Verwendung einer elektrischen Hilfsenergiequelle zum Betreiben sowohl des Verstärkers wie des Magnetventils erforderlich. Das Ventil verbraucht etwa eine Leistung von 4 W, während der Verstärker etwa 3,6 W verbraucht, so daß ein dementsprechender Batterietornister erforderlich ist. Dieser Batterietornister beansprucht platz, erbringt zusätzliches Gewicht und benötigt eine Stromquelle zum Wiederaufladen.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine Einrichtung zum gesteuerten bzw. proportionalen Einleiten eines Strömungsmittels, beispielsweise

1 ü 9 JU ? / 1 2 2

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Sauerstoff, in ein Verbrauchersystem mit oder ohne Verwendung einer Hilfsbatterieausrüstung zu schaffen.

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe beinhaltet die Erfindung eine Einrichtung zum gesteuerten Einleiten von Strömungsmitteln in ein Verbrauchersystem, welches gemäß der Erfindung gekennzeichnet ist durch eine Strömungssteuereinheit, welche einen mit einer Strömungsmittelquelle verbindbaren Eingang sowie einen Ausgang aufweist, weiter durch eine mit der Strömungssteuereinheit über eine Strömungsmitfcelleitung in Wirkverbindung stehende AuslaßÖffnung, ferner durch eine Versorgungseinheit zur Versorgung der AuslaßÖffnung mit einem an dieser abzugebenden Strömungsmittel, weiterhin durch eine gegenüber der Auslaßöffnung angeordnete Anströmfläche zur Erzeugung eines Drucksignales innerhalb der Strömungsmittelleitung in Abhängigkeit von der Lage der Anströmfläche mit Bezug auf die AuslaßÖffnung, fernerhin durch einen Meßfühler zur Erzeugung eines Ausgangssignals als Punktion eines bestimmten Parameters des Strömungsmittels, des weiteren durch eine in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal arbeitende Antriebseinrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen der Anströmfläche und der Auslaßöffnung als Funktion des Ausgangssignals, wobei die Strömungssteuereinheit in Abhängigkeit von dem Drucksignal die Strömung

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des Strömungsmittels steuert, und schließlich durch Mittel zur manuellen Einstellung und Verstellung der Lage der Auslaßöffnung mit Bezug auf die Anströmfläche.

Mehrere.AusfUhrungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Einrichtung nach der Erfindung zum gesteuerten Einleiten eines Strömungsmittels in ein Verbrauchersystem,

Fig. 2 teilweise im Schnitt eine

bevorzugte Ausführungsform der Einrichtung nach der Erfindung j

Fig. 3 eine Draufsicht auf ein in

Fig. 2 dargestelltes Meßinstrument,

clLe Fig. 4

bzw. ^F3 eine Draufsicht bzw. eine An-

ι η^f) η 4 ? /1 > > 2

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sieht von unten auf ein kreisscheibenförmiges Teil des in Fig. 2 dargestellten Meßinstrumentes,

Pig. 6 die Anordnung der Kreisscheibe

mit Bezug auf äußere Magnete,

Fig. 7 die Kreisscheibe gemäß Fig. 2

in zwei verschiedenen Betriebsstellungen,

die Fig. 8 und 8A· eine Auslaßdüse in der Nähe

von zwei verschiedenartig geformten Oberflächen,

die Fig. 9 bis 12 weitere bevorzugte Ausführungsformen einer in Fig. i dargestellten Antriebseinrichtung, und

Fig. 13 die Anwendung der Einrichtung

nach der Erfindung bei einem Unterwasseratemgerät mit geschlossenem Kreislauf.

- 6 Π 3 8 4 '> / I 2 Ί 2

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Gemäß Fig. 1 empfängt eine Strömungssteuereinheit 10 am Zingang 12 ein Strömungsmittel aus einer Quelle 1*1 und steuert an einem Ausgang 16 die Strömung dieses Strömungsmittels bzw. dessen Einleitung in ein Verbrauchersystem. Ein Meßfühler 20 fühlt eine bestimmte Komponente des Strömungsmittels in dem Verbrauchersystem ab und erzeugt ein entsprechendes, auf diese Komponente bezogenes Ausgangssignal. Eine gerinne Menge des am Eingang 12 ankommenden Strönmngsnittels wird über eine Strömungsmittelleitung 23 einer Antriebseinrichtung 22 zugeführt. Das aus der Strömungsmittelleitung 23 austretende Strömungsmittel trifft auf eine Anströmfläche, wobei die Auslaßöffnung der Strömungsmittelleitung 23 und die Anströmfläche eine bestimmte relative Lage zueinander haben. Die Antriebseinrichtung spricht auf das Ausgangs signal des Ileßfühlers 20 an und ändert die erwähnte relative Lage,wodurch der Gegendruck In der Strömungssteuereinheit 10 geändert und ein Ventil innerhalb der StrömungsSteuereinheit im Sinne einer Steuerung der Strömung des Strömungsmittel geschlossen bzw«, proportional geöffnet wird. Als Beispiel wird die Einrichtung nach der Erfindung unter Bezugnahme auf ein Atemsystem beschrieben, bei welchem das gesteuerte Strömungsmittel Sauerstoff und die abgefühlte Komponente der Partialdruck des Sauerstoffes in diesem System ist. Ein derartiges Beispiel ist in ·

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Fig. 2 dargestellt.

In Fig. 2 tragen die mit den in Pig« I dargestellten Teilen identischen Teile jeweils die gleichen Bezugszahlen. Der Eingang 12, welcher ein Gasfitting sein kann, ist mit einer unter Druck stehenden Sauerstoffquelle verbunden. Der Sauerstoff tritt durch den Eingang 12 hindurch in eine Kammer 25 ein. Die hier beschriebene Steuereinrichtung kann ebensogut für ein über den Eingang eingegebenes Helium-Sauerstoff-Gemisch verwendet werden. Eine Kammer 28 steht über den Ausgang 16 mit der umgebenden Atmosphäre des Verbrauchersystems in Verbindung und befindet sich auf Systemdruck,welcher im Falle eines Unterwasseratemgerätes gleich dem Druck des Gases ist, das dem Benutzer des Gerätes zum atmen zugeführt wird. Die beiden Kammern und 28 sind durch ein Kippventil 30 voneinander getrennt, welches einen mit einem Ventilschaft 31a verbundenen Ventilteller 31 aufweist, der durch eine Feder 35 gegen einen Ventilsitz 32 in Schließstellung gedrückt wird und eine Ventilöffnung 36 verschließt.

Der Ventilschaft 31a des Kippventils 30 liegt an einer Membran 37 an, welche dann, wenn der Druck in einer oberen Membrankammer 39 um einen bestimmten Betrag größer ist als

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der Druck in einer unteren Membrankammer 40, in Richtung des Ventilschaftes 31a verstellt wird. Bei der sich ergebenden Verstellung des Ventilschaftes 31a bzw. des Ventiltellers 31 strömt der eingegebene Sauerstoff aus der Kammer 25 in die Kammer 28 und von dieser aus in die Atmosphäre des Verbrauchersystems hinein, wobei die in das System eingeleitete Sauerstoffmenge umso größer ist, je größer die Verstellbewegung der Membrane bzw. des Ventils ist,

über einen Strömungsmittelkanal 42 gelangt eine geringe Menge von eingegebenem Sauerstoff unter Umgehung des Kippventils 30 in die Strömungsmittelleitung 23, welche von einem Rohr gebildet sein kann. Alternativ kann die Strömungsmittelleitung 23 statt üb.er den Eingang 12 auch von einer anderen Quelle aus versorgt werden. Zur Steuerung und Konstanthaltung der Strömungsmenge des das Ventil 30 umgehenden und in die Strömungsmittelleitung 23 gelangenden Sauerstoffes ist innerhalb des Strömungsmittelkanals 42 eine Strömungsdrosselstelle angeordnet. Die Strömungsdrosselstelle ist als eine öffnung 44 ausgebildet. Wenn verschiedene Strömungsmengen erwünscht sind, können verschieden große öffnungen in dem Strömungsmittelkanal 42 angebracht werden bzw,, alternativ, kann die öffnung variabel gemacht werden, beispielsweise indem ein Nadelventil vorgesehen wird. Um sicherzustellen, daß die Strömungsmenge konstant ist, sollte der Sauerstoff

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mit einem Druck geliefert werden, welcher etwa doppelt so groß ist wie der Druck der umgebenden Atmosphäre, , ■

Der Beipaßsauerstoff in der Strömungsmittelleitung tritt aus einer Auslaßöffnung 50 aus, welche durch ein ringförmiges Teil 52 in einer bestimmten Lage gehaltert ist und welche derart in der Nähe einer Anströmfläche 55 angeordnet ist, daß zwischen beiden ein Spalt 56 gebildet ist. Die Auslaßöffnung 50 und die Anströmfläche 55 sind zur Änderung der Größe des Spaltes relativ zueinander verschiebbar. Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist die Auslaßöffnung 50 fest und die Anströmfläche 55 verstellbar. Im folgenden wird zusätzlich auf die in Fig. in Draufsicht dargestellte Anordnung Bezug genommen, bei welcher bestimmte Teile der Übersichtlichkeit halber weggelassen sind. Die Anströmfläche 55 ist die Umfangsfläche einer Scheibe 58, welche einen drehbaren Anker bzw, das bewegliche Teil eines elektrischen Anzeigeinstruments bildet. Der Anker 58 ist in Edelsteinlagern 60 und 61 mittels Zapfen und Sk drehbar gehaltert; eine Spannbandaufhängung bzw, andere Halterungsanordnungen sind ebenfalls möglich. Eine elektrische Stromquelle ist an Eingangsklemmen 68 und angelegt, welche über obere und untere Spiralfedern 72 und mit Wicklungen des Ankers verbunden sind.

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Die Pig, 4 bzw, 5 zeigen eine Ansicht von oben bzw, von unten auf den Anker 58, In Fig. 4 ist die Anschlußklemme 68 über die Spiralfeder 72 mit einer Wicklung 75 verbunden, welche auf dem Anker 58 befestigt bzw, aufgeätzt bzw, in den Anker eingebettet ist. Die Wicklung 75 durchquert die Scheibe an einer Stelle 77 und setzt sich gemäß der Darstellung in Fig. 5 auf der anderen Seite der Scheibe fort, auf welcher die Wicklung mit 75' bezeichnet und über die Spiralfeder 73 mit der Anschlußklemme 69 verbunden ist. Der Anker 58 ist in einem Magnetfeld angeordnet, welches gemäß der Darstellung in Fig. 6 durch Magnete 80 und 81 aufgebaut wird. Das Hindurchleiten eines elektrischen Stromes durch die Wicklungen hat ein Auslenkdrehmoment zur Folge, welches den Anker 58 proportional dreht. Bei Abschalten des Stromes liefern die Spiralfedern ein Rückstelldrehmoment, Diese Wirkungsweise ist dem Fachmann bekannt. Das hierbei verwendete Anzeigeinstrument kann ein abgewandeltes Galvanometer sein.

Gemäß der Darstellung in den Fig. 2 und 3 sind die Eingangsklemmen 68 und 69 des beweglichen Systems des Instruments über Leitungen 83 und 84 mit dem Meßfühler 20 verbunden, welcher bei dem hier gewählten Beispiel ein Sauerstoffpartialdruek-Meßfühler ist. Dieser Meßfühler liefert auf den Leitungen 83 und 84 in Abhängigkeit von und proportional

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zu dem Sauerstoffpartialdruck in .der überwachten Atmosphäre ein Ausgangssignal. Obwohl, bei Bedarf eine kleine Batterie zum Betrieb des Meßfühlers 20 vorgesehen sein kann, wird der Meßfühler vorzugsweise so aufgebaut, daß er seine Vorspannung selbst erzeugt. Derartige Meßfühler sind bekannt, beispielsweise aus der US-PS 3 410 778.

Ein Ausgangssignal des Meßfühlers 20 auf den Leitungen 83 und 84 bewirkt, daß sich der Anker 58 dreht. Wenn der Anker 58 um seine Mittenachse gedreht würde, so würde sich der Spalt 56 niemals ändern. Demzufolge muß die Bewegung des Instruments derart abgewandelt werden, daß der Anker 58 um einen Punkt? P verschwenkt wird, welcher einen geringen Abstand vom geometrischen Mittelpunkt C des Ankers aufweist. Der Punkt P stellt in Wirklichkeit die Rotationsachse in Draufsicht dar. Ein zur Erzielung eines auf einer Skala 87 ablesbaren Wertes verwendeter Zeiger 86 gleicht mit seinem Gewicht die Ver*· setzung zwischen dem Drehpunkt und dem Schwerpunkt des Ankers aus, wodurch die Anordnung im stabilen Gleichgewicht gehalten wird. Der Spalt 56 ändert sich, wenn der Anker gedreht wird, weil der Drehpunkt des Ankers nicht mit seinem Mittelpunkt zusammenfällt. Die Spaltbreite ist dabei eine Punktion des Meßfühlerausgangssignals, Um zu verhindern, daß das austretende

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08K3INAL INSPECTED

Gas die Scheibe 58 durch Turbinenwirkung in Drehung versetzt, geht die Längsmittelachse L der Auslaßöffnung 50 durch die Rotationsachse der Scheibe 58 hindurch.

Fig. 7 zeigt in vergrößertem Maßstab die Beziehung zwischen der Ankerdrehung und der Spaltbreite, Der Drehpunkt P des Ankers 58 ist um eine Strecke d gegenüber dem geometrischen Mittelpunkt C des Ankers versetzt. Die Strecke d kann in der Größenordnung von 0,04 mm bis 0,05 mm liegen. Der durch eine¹ausgezogene Linie dargestellte Anker 58 befindet sich in einer Stellung, in welcher der Spalt 56 ein Minimum st, wobei die Spaltbreite χ etwa 0,005 mm bis 0,01 mm beträgt. Bei voller Skalenauslenkung (gestrichelt dargestellt) hat sich der Mittelpunkt C derart weit um den Punkt P gedreht, daß der Spalt eine größere Breite x¹ aufweist, wobei x' etwa 0,025 mm betragen ann. Mit stärker werdendem Strom aus dem Meßfühler wird der Spalt fortschreitend größer, bis er sein Maximum x^f erreicht, während umgekehrt ein schwächer werdender Strom bewirkt, daß sich der Spalt auf sein Minimum χ verringert.

In Pig. 8 ist die Auslaßöffnung 50 in der Nähe einer Anströmfläche S dargestellt, wobei aus der Strömungsleitung austretendes Gas durch Stromlinien 90 angedeutet ist. Solange

der Abstand zwischen dem Ende der Entladungsöffnung 50 und der Anströmflache S angenähert die Größe 6 oder weniger aufweist, erzeugt die aufeinanderzu gerichtete Relativbewegung der Auslaßöffnung und der Anströmflache einen Gegendruck, d.h. ein Drucksignal innerhalb der Strömungsmittelleitung 23. Dieses Drucksignal ist dem Quadrat der Spaltbreite proportional. Wenn die Anströmflache S unregelmäßig ausgebildet oder in bezug auf die Auslaßöffnung geneigt ist, so kann die Spaltbreite in jedem Augenblick als mittlere Entfernung zwischen der Auslaßöffnung und der Anströmfläche definiert werden. Der kritische Wert von G ist von der Strömungsgeschwindigkeit des austretenden Gases abhängig. Bei Spaltbreiten größer als G hat eine aufeinanderzu bzw. voneinanderweg gerichtete Relativbewegung der Auslaßöffnung und der Anströmfläche keinen Einfluß auf den Druck innerhalb der Strömungsmittelleitung Die Einrichtung nach der Erfindung ist derart ausgelegt, daß die Spaltbreite stets innerhalb dieses kritischen Viertes G bleibt.

Fig. 8A zeigt eine andere Anströmfläche, welche ein sich änderndes Drucksignal erzeugt, wenn sie relativ zur Auslaßöffnung 50 verschoben wird. Die Anströmfläche S, Vielehe in Richtung der dargestellten Pfeile relativ verschiebbar ist, ;,^reist einen stufenförmigen Bereich S¹ auf,

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welcher an der Auslaßöffnung vorbeigeführt wird und dabei je nach dem, wie weit er die Auslaßöffnung bereits überquert hat, den Gegendruck in der Strömungsmittelleitung ändert.

Die Wirkung des Gegendruckes wird unter Bezugnahme auf Pis· 2 erläutert. Zu Erläuterungszwecken sei angenommen, daß die Anströmfläche 55 des Ankers 58 nicht vorhanden ist und daß die Auslaßöffnung 50 Gas in das benachbarte Umgebungsmedium abgibt. Nimmt man ferner an, daß der Druckabfall in der Strömungsmittelleitung 23 vernachlässigbar bzw. gleich Null ist, so ist der Druck innerhalb der oberen I-Iembrankammer 39 gleich dem Umgebungsdruck an der Auslaßöffnung 50. Da der Ausgang bzw. Gasauslaß 16 mit dem Umgebungsmedium in Verbindung steht, ist der Druck innerhalb der unteren Membrankammer HO demzufolge gleich dem Druck des Umgebungsmediums, so daß das Ventil 30 in Schließstellung bleibt, wenn sich die Auslaßöffnung 50 in der Nähe der Anströmfläche 55 befindet und wenn die Spaltbreite dabei ein Maximum ist, so wird ein geringer Gegendruck erzeugt, welcher als Drucksignal zurück in die Membrankammer 39 reflektiert wird. Das Ansteigen des Druckes reicht jedoch nicht zur Überwindung der Federsteifigkeit der Membran 37 und der Feder 35 (über das Kippventil 30) aus, so daß das Kippventil 30 in seiner geschlossenen Stellung bleibt.

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Bei dem anderen Extremwert,■d.h. bei minimaler Spaltbreite ist die Strömungsmittelleitung 23 fast gesperrt und der Druck innerhalb der Membrankammer 39 baut sich im wesentlichen bis auf den Druck des am Eingang 12 zugeführten Gases auf. Da der Druck am Eingang 12 viel größer ist als jeder Umgebungsdruck in"der unteren Membrankammer 4O wird die Membran 37 abwärts gegen den Ventilschaft 31a bewegt und dadurch der Ventilteller 31 auf dem Ventilsitz 32 gekippt bzw. von diesem abgehoben und das Ventil geöffnet. Damit wird dem am Eingang 12 zugeführten Gas gestattet, in die Auslaßkammer 28 und von dieser aus durch den Ausgang 16 hindurch in das Umgebungsmedium zu strömen. Zwischen den Extremwerten maximaler und'minimaler Spaltbreite hat der Rückdruck bzw. das Drucksignal einen Wert, welcher eine proportionale Bewegung des Ventilschaftes 31a und damit ein proportionales öffnen des Ventils und ein Einlassen von Gas in das Verbrauchersystem verursacht.

Es sei angenommen, daß für einen besonderen Betriebsfall der Benutzer eine Systematmosphäre wünscht, deren · Sauerstoffpartialdruck gleich 1,0 Atmosphäre (absolut) ist. Die Strömüngsdrosselstelle 44 ist derart ausgewählt bzw« eingestellt, daß sie vorzugsweise mindestens eine Sauerstoffmenge durchläßt, welche gleich der Anzahl der in der Systematmosphäre atmenden Personen mal der minimal zum überleben

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benötigten veränderlichen Sauerstoff menge ist. Pur eine Person beträgt diese Strömungsmenge etwa 0,3 Liter/min. Auf diese Weise wird auch bei Auftreten eines Fehlers lebenserhaltender Sauerstoff weiterhin in das ■Verbrauchersystem eingeleitet.

Zur Anfangseichung wird der Meßfühler 20 in ein bekanntes Eichgas eingebracht, beispielsweise in eine Atmosphäre aus 100 % Sauerstoff bei einem Druck von 1 Atmosphäre. Sein Ausgangssignal ist deshalb einer Skalenablesung von 1,0 äquivalent. Die Skala 87 der Antriebseinrichtung 22 (Fig. 7) wird derart verdreht, daß der Zeiger 86 auf die Markierung für 1,0 zeigt. Während sich der Meßfühler 20 noch in dem Eichgas befindet, wird Sauerstoff am Eingang 12 der Strömungssteuereinrichtung 10 eingeleitet und ein Meßgerät, beispielsweise ein Strömungsmesser, am Ausgang 16 angeschlossen, welches jede Ausgangsströmung feststellt. Wenn eine Ausgangsströmung vorhanden ist, wird ein Knopf 93 (Fig. 3) von Hand gedreht, wodurch eine Drehung des ringförmigen Teiles hervorgerufen wird. Da die Auslaßöffnung 50 an dem ringförmigen Teil 52 gehaltert ist, wird durch dessen Drehung die Spaltbreite verändert. Solange sich der Meßfühler 20 noch in dem Eichgas befindet, ist sein Ausgangssignal konstant und der Anker bewegt sich nicht. Der Knopf 93 wird solange gedreht, bis

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der Spalt 56 kleiner wird und dadurch der Gegendruck in der oberen Membrankammer 39 abnimmt. Die Drehung des Knopfes wird solange fortgesetzt, bis das Kippventil 30 gerade schließt bzw. die Strömung am Ausgang 16 gleich Null ist. Itfenn der Spalt 56 anfänglich zu groß war, so kann der Knopf im Sinne einer Verkleinerung des Spaltes solange gedreht werden, bis am Ausgang 16 eine Strömung festgestellt wird. Anschließend wird der Knopf 93 in entgegengesetzter Richtung gedreht und der Spalt geringfügig vergrößert, um wieder den oben beschriebenen Zustand "Strömung gleich Null" zu erreichen.

Mit dieser Anfangseichung kann die Einrichtung nach der Erfindung in einem Verbrauchersystem eingesetzt werden, dessen Atmosphäre auf einem Partialdruck von 1,0 gehalten werden soll. Wenn die Einrichtung in eine derartige Atmosphäre eingebracht ist, und sich der Meßfühler damit nicht_tmehr innerhalb des Eichgases befindet und wenn der Partialdruck tatsächlich gleich 1,0 ist, so wird sich der Anker 58 nicht aus seiner Anfangsstellung herausbewegen und das Kippventil 30 wird geschlossen bleiben« Wenn jedoch der Partialdruck des Sauerstoffes unterhalb den eingestellten Wert von 1,0 abfällt, so bewirkt das von dem Meßfühler 20 gelieferte Ausgangssignal eine Drehung des Ankers 58 im Sinne einer Verkleinerung des Spaltes 56» wodurch ein Druck-

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aufbau in der^ oberen llembrankammer 39» damit ein öffnen des Kippventiles 30 und das Einleiten zusätzlichen Sauerstoffes in das Verbrauchersystem bewirkt wird. Je größer die Differenz zwischen dem Sollwert und dem Istwert des Sauerstoffpartialdruckes ist, umso stärker wird das Kippventil 30 geöffnet. Sauerstoff wird solange der Systematmosphäre zugesetzt, bis der Meßfühler einen Wert von 1,0 abfühlt,welcher das Zurückkehren des Ankers in seine Anfangsstellung und eine Unterbrechung der Zufuhr zusätzlichen Sauerstoffes am Ausgang 16 zur Folge hat.

In Wirklichkeit wird der Sauerstoff fortwährend durch den Benutzer bzw. die Benutzer eingeatmet und das Kippventil bleibt fortwährend geöffnet, so daß ständig zusätzlicher Sauerstoff in das Verbrauehersystem eingeleitet wird.Der Betrieb bzw. die Wirkungsweise entspricht einem geschlossenen Regelkreis, denn in dem Maße, wie Sauerstoff verbraucht wird, verringert sich der Partialdruck und der Meßfühler 20 liefert ein Ausgangssignal, welches eine Drehung des Ankers 58 im Sinne einer Verkleinerung des Spaltes 56 hervorruft. Eine Verringerung der Spaltbreite bewirkt eine Abwärtsbewegung der Membran 37, welche dadurch das Kippventil öffnet, das mehr Sauerstoff in die Anlage eintreten läßt. Durchdie erhöhte Sauerstoffzufuhr steigt der Partialdruck an und das Heßfühlerausgangssisnal veranlaßt den

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Anker 58, in seine Anfangsstellung zurückzukehren. Insgesamt soll durch diesen rückgekoppelten Betrieb erreicht werden, daß das Kippventil 30 derart weit öffnet, daß fortwährend so viel Sauerstoff zugeführt wird, wie eingeatmet wird. Wenn der Benutzer beispielsweise zwei Liter Sauerstoff pro Minute verbraucht und wenn durch die öffnung hindurch eine Sauerstoffmenge von 0,3 Liter pro Minute in das Verbrauchersystem eingeleitet wird, so öffnet das Kippventil 30 so weit, daß eine Sauerstoffmenge von 1,7 Liter/min, über den Ausgang 16 zugeführt wird. Wenn der Benutzer härter arbeitet, wird mehr Sauerstoff verbrannt. Dadurch fällt der Partialdruck des Sauerstoffes ab und das Ventil wird weiter geöffnet, damit eine größere Sauerstoffmenge in das System einströmt.' Durch die Strömungssteuereinheit 10, welche Sauerstoff fortwährend in dem Maße dem System zuführt, wie Sauerstoff verbraucht wird, ist eine homogenere Vermischung des Sauerstoffgases mit dem Inertgas sichergestellt, welches den übrigen Teil der Atmosphäre ausmacht. Bei Verwendung eines elektrisch betätigten Magnetventiles wird eine viel größere Sauerstoffmenge als erforderlich zugeführt und es besteht die Möglichkeit, daß sich Sauerstoffwolken bzw. -taschen bilden.

Wenn ein anderer Wert des Partialdruckes der Sauerstoffatmosphäre verlangt wird, wird die Einrichtung nach

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der Erfindung mit einem anderen Eichgas neu geeicht. Nicht nur das ringförmige Teil 52 und der Knopf 93 dienen zur Anfangseinstellung der Auslaßöffnung; darüberhinaus kann noch nach der Anfangseichung für einen bestimmten Wert eine Änderung vorgenommen werden, indem der Knopf 93 so weit gedreht wird, bis der Zeiger 86 auf einer anderen gewünschten Einstellung steht.

In einigen Fällen kann der Benutzer wünschen, daß ein© Grobmenge Sauerstoff unabhängig von dem durch die · Stellung Auslaßöffnung-Anker erzeugten Gegendruck in das* ■Verbrauchersystem eingeleitet wird. Zu diesem Zweck wird der Strömungssteuereinheit 10 ein maximales Drueksignal zugeführt, beispielsweise mittels eines Durchblaseventils (Fig, 2).¹ Durch Niederdrücken eines Knopfes 97 wird bewirkt, daß ein am Ende eines Ventilsehaftes IQQ befestigtes Polster 99 den unteren Teil der Strömungsmittelleitung 23» welcher raif der Strößiungssteuereinheit 10 verbunden ist, sperrt» Dieses Sperren der Strömungsmittelleitung hat einen Druckaufbau innerhalb der oberen Merabrankammer 39 und damit ein

öffnen'des

Kippventiles 30 zur Folge, Nach dem Durchblasen

νίνύ der Küopf 91 losgelassen und anschließend erfolgt das Einleiten itm Sauerstoff in das Verbraucher slattern wieder

geregelt, vie oben beschrieben, j

at -

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Aus obigen Darlegungen geht hervor, daß die Spaltbreite den Wert des Gegendruckes bestimmt, v/elcher die Menge des zugesetzten Sauerstoffes und damit den Partialdruck des Sauerstoffes in dem Verbrauchersystem steuert. Das Meßfühlerausgangssignal ist diesem Partialdruck proportional und wird zur Skalenauslenkung des Zeigers verwendet. Eine bestimmte Spaltbreite entspricht deshalb einem bestimmten Partialdruck und einer bestimmten Skalenauslenkung. Wenn die Spaltbreite dem Gegendruck direkt proportional wäre, so könnte die Skala 87 für gleiche Schritte der Spaltbreite proportional gleiche Schritte aufweisen. Es sei jedoch daran erinnert, daß der Gegendruck dem Quadrat der Spaltbreite proportional ist und daß deshlab bei Verwendung des kreisförmigen Ankers 58 die Skala 87 nicht linear ist, die Abstände zwischen ihren Markierungen entsprechen vielmehr einer Parabelfunktion. Alternativ kann jedoch eine lineare Skala verwendet werden» wenn die Anströmfläche 55 des Ankers 58 eine parabolische Gestalt hat· " :

Bezüglich der Gestalt des Ankers 58 ist angenommen

worden» daß|das Ausgangssignal des Meßfühlers 20 im gesamten Betriebsbereieh linear ist. Wenn das Ausgangssignal tatsächlich; aber nicht .linear ist, so kann der Anker 58 zusätzlich in Anpassung an ein solches nichtlineares

Ausgangssignal entsprechend gestaltet werden.

In den Fig. 3 und 7 ist der Drehpunkt P gegenüber der geometrischen Mitte der Ankerscheibe 58 versetzt. In Fig. ist ein Anker 103 dargestellt, dessen Drehpunkt P im geometrischen Mittelpunkt C angeordnet ist. Zur Erzeugung eines veränderlichen Spaltes 105 zwischen der Auslaßöffnung und dem anker 103 ist auf dem Umfang des Ankers ein Ansatz 107 gebildet, welcher mit dem Anker ein gemeinsames Teil bildet oder zusätzlich am Anker 103 angebracht ist. Zum Auswuchten ist auf der diametral gegenüberliegenden Seite ein Ansatz 107' angebracht.

Die Fig. 10 und.11 zeigen eine weitere Ausführungsform einer Galvanometer-Antriebseinrichtung , wobei das Ausgangssignal eines Meßfühlers einer in einem Magnetfeld drehbar angeordneten Wicklung 110 zugeführt wird, welche ein Segment 112 trägt, das gemäß Fig. 11 unter einem kleinen Winkel geneigt ist,. Gas tritt aus der Auslaßöffnung 50 aus und trifft auf die obere Fläche des Segmentes 12, Die geneigte Anordnung des Segmentes 112 erzeugt bei Drehung der Wicklung 110 einen veränderlichen Spalt, Ein Ausgleichsegment 112' ist vorgesehen, welches unter dem gleichen Winkel in entgegengesetzter Richtung geneigt ist. Ebenso wie im Falle der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform

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können die Anströmflächen gemäß der Darstellung in den Pig, 9 und 10 derart variiert werden, daß eine Wichtlinearität kompensiert bzw. ein gewünschtes Strömungsmuster erzeugt wird.

In Fig. 12 ist noch eine weitere Ausführungsform einer Antriebseinrichtung dargestellt. Die Auslaßöffnung 50 ist in der Nähe eines Heßwertumformers 117 angeordnet, welcher derart gehaltert ist, daß sich sein Ende 118 bei Anlagen eines Eingangssignals an Elektroden 120 und 121 in Richtung eines der beiden ih Pig· 12 dargestellten Pfeile bewegt. Die Größe der Bewegung und damit die Spaltbreite ändert sich entsprechend der Amplitude des angelegten Eingangssignals. Eine derartige Anordnung kann dort verwendet werden, wo die Verwendung g eines Verstärkers zulässig ist. Das Ausgangssignal des Meßfühlers 20 wird einem Verstärker zugeführt, welcher das Meßfühlersignal auf den zur Betätigung des Meßwertumformers erforderlichen Pegel verstärkt,

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Für die Einrichtung nach der Erfindung gibt es- einen weiten Anwendungsbereich, nämlich bei Unterwassergeräten sowie bei Verbrauchersystemen auf dem Erdboden und im Weltraum, insbesondere bei Lebenserhaltungs-Atemsystemen. Fig« zeigt eine solches Verbrauchersystem, welches ein von einem Taucher getragenes Unterwasseratemgerät mit geschlossenem Kreislauf darstellt.

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Die rait Bezug auf die Pig, 2 und 3 beschriebenen Teile sind bei dem in Fig. 13 dargestellten Gerät verwendet worden und tragen deshalb die gleichen Bezugszahlen. Das Atemgerät weist Zuleitungen 130 mit einem Tauchermundstück auf, durch welches der Taucher das Atemgas aus einem flexiblen Einatiaungsbeutel 134 einatmet und in einen flexiblen Ausatmungsbeutel 135 ausatmet.

Die Einatmungs- und Ausatmungsbeutel 13¹J und 135 sind außerdem mit einem Kanister 137 verbunden, in welchen ein Kohlendioxid-Absorpitionsmittel 139 eingebracht ist. Ein Inertgas, allgemein Helium, wird aus einer unter hohem Druck stehenden Heliumquelle 142 dem Einatmungsbeutel 134 zugeführt, und zwar mit Umgebungsdruck, da zweistufige Druckminderer 143 und 144 vorgesehen sind.

Sauerstoff wird dem Verbrauchersystem aus einer Hochdrucksauer-Stoffquelle 145 über die Strömungssteuereinheit zugeführt. An den Ausgang 1β der Strömungssteuereinheit 10 ist ein Diffusor 147 angeschlossen.

Der Partialdruck des Sauerstoffes wird im Einatmungsbtutel 134 durch den Meßfühler 20 abgefühlt, welcher ein Ausgangssignal an das Anzeigeinstrument 51 abgibt, das über die Strömungsmittelleitung 23 der Strömungsateuereinheit 10

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Zk

ein Drucksignal zur Steuerung der Zufuhr von Sauerstoff in dem Maße, wie er vom Taucher verbraucht wird, liefert: Das Instrument 51 kann am Handgelenk des Tauchers angebracht sein, so daß es zusätzlich zur Ablesung dient. In diesem Falle wird die Strömungsmittelleitung 23 als Kapillarrohr ausgeführt, welches auf dem Arm des Tauchers aufwärts zu dem Kanister 137 hin derart geführt ist, daß ein Zusammendrücken desselben und damit falsche Drueksignale vermieden werden. Alternativ können zwei Meßfühler und zwei Instrumente vorgesehen werden, wobei ein Instrument für Anzeigezwecke auf dem Handgelenk des Tauchers angebracht und mit einem Meßfühler verbunden ist, und wobei das in gestrichelten Linien dargestellte andere Instrument innerhalb des Kanisters 137 mit dem anderen, ebenfalls gestrichelt dargestellten ileßfühler zu Steuerzwecken verbunden ist.

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Claims

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Patentansprüche:

( !./Einrichtung zum gesteuerten Einleiten von Strömungsmitteln in ein Verbrauchersystem, gekennzeichnet durch eine Strömungssteuereinheit (10), welche einen mit einer Strömungsmittelquelle (14) verbindbaren Eingang (12) sowie einen Ausgang (16) aufweist, weiter durch eine mit der StrömungsSteuereinheit über eine Strömungsmittelleitung (23) in Wirkverbindung stehende Auslaßöffnung (50), ferner durch eine Versorgungseinheit (42, 44) zur Versorgung der Auslaßöffnung mit einem an dieser abzugebenden Strömungsmittel, weiterhin durch eine gegenüber der Auslaßöffnung angeordnete Anströmfläche (55) zur Erzeugung eines Drucksignals innerhalb der Strömungsmittelleitung in Abhängigkeit von der Lage der Anströmfläche mit Bezug auf die Auslaßöffnung, fernerhin durch einen Meßfühler (20) zur Erzeugung eines Ausgangssignales als Punktion eines bestimmten Parameters des Strömungsmittels, des weiteren durch eine in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal arbeitende Antriebseinrichtung (22) zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen der Anströmfläche und der Auslaßöffnung als Punktion des Ausgangssignals, wobei die Strömungssteuereinheit in Abhängigkeit von

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dem Drucksignal die Strömung des Strömungsmittels steuert, und schließlich durch Mittel (52) zur manuellen Einstellung und Verstellung der Lage der Auslaßöffnung mit Bezug auf die Anströmfläche.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anströmfläche (55) einen stufenförmigen Bereich aufweist, welcher bei der Relativbewegung zwischen der Anströmfläche und der Auslaßöffnung (50) an der Auslaßöffnung vorbeigeführt wird.
^. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungseinheit einen Strömungsmittelkanal (42) aufweist, welcher die Strömungsmittelleitung (23) mit dem Eingang (12) verbindet, so daß das an der Auslaßöffnung (50) abzugebende Strömungsmittel von der Strömungsmittelquelle (14) geliefert wird.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3*. dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsmittelkanal (42) eine Strömungsdrosselstelle (44) zur Einstellung einer bestimmten Abgabemenge des an der Auslaßöffnung (50) abzugebenden Strömungsmittels aufweist.

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5". Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmittelleitung (23) eine Vorrichtung (96) zur wahlweisen Versorgung der Strömungssteuereinheit (14) mit einem maximalen Drucksignal unabhängig von der Lage der Anströmfläche (55) mit Bezug auf die Auslaßöffnung (50) aufweist.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (96) ein Durchblaseventil ist, welches bei Betätigung die Strömungsmittelleitung (23) sperrt.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmittelsteuereinheit (10) ein Ventil (j50) sowie eine Differentialdruckabfühleinrichtung (37, 39, 40) aufweist, welch letztere auf eine bestimmte Differenz zwischen dem Drucksignal und dem Umgebungsdruck am Ausgang (16) anspricht und das Ventil proportional dazu öffnet.
8. Einrichtung nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, daß die Differentialdruckabfühleinrlchtung zwei durch eine bewegliche Membran (37) voneinander getrennte Membrankammern (39, 40) aufweist, von welch letzteren die eine (39) mit der Strömungsmittelleitung (23)

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und die andere mit dem Ausgang (16) in verbindung steht.
9. Einrichtung nach Anspruch 8,dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (30) einen Ventilteller (31) aufweist, welcher derart verstellbar ist, daß eine Ventildurchlaßöffnung (36) geöffnet wird, wobei der Ventilteller über einen Ventilschaft (31a) in Abhängigkeit von der Bewegung der Membran (37) bewegbar ist.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9* dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (30) ein Kippventil ist.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung (22) ein elektrisches Strommeßinstrument zum Empfang des Ausgangssignals des Meßfühlers (20) aufweist, welches mit einem beweglichen Teil (58) versehen ist, das in Abhängigkeit von diesem Ausgangssignal verschwenkt wird und das die Anströmfläche (55) trägt.
12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Teil eine um eine Rotations achse (P) drehbar gelagerte Kreisscheibe (58) ist, wobei die Rotationsachse einen bestimmten Abstand von der

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Mittenachse (C) der Kreisscheibe aufweist, und daß die Anströmfläche (55) von der Umfangsflache der Kreisscheibe gebildet wLrd.
13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet, daß die Längsmittelachse (L) der Auslaßöffnung (50) die Rotationsachse (P) schneidet.

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