DE2119957C3 - Elektro-hydraulischer Wandler - Google Patents

Description

Jaminare Grenzschicht des durch die Drossel strömenden Fluids von der beheizten Drosselwand beeinflußt Infolgedessen ist die Wandlerkonstante de., erfindungsgemißen Wandlers höher als die der bekannten Wandler. Er kann daher auch mit einer geringeren $ Heizleistung zufriedenstellend betrieben werden.

Der erfindungsgem&ße Wandler kann wie die bekannten elektrohydraulischen Wandler zur Aussteuerung eines Schiebers oder Plattenverstärkers verwendet werden, der die kleine Wandlerleistung auf den erforderlichen Wert anhebt. Dabei macht man sich die Verstimmung einer hydraulischen Brücke mittels einer Drosselveränderung zunutze.

Bevorzugte Ausgestaltungen. Weiterbildungen und Anwendungen des erfindungsgemäßen Wandlers sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform,

F i g. 2 einen Querschnitt längs der Linie 11 in F i g. 1,

Fig.3 einen schematischen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform,

F i g. 4 einen Querschnitt längs der Linie IV in F i g. 3,

F i g. 5 einen Querschnitt längs der Linie V in F i g. 3.

F i g. 6 einen Querschnitt längs der Linie VI in F i g. 3,

Fig.7 einen schematischen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform,

Fig.8 einen Querschnitt längs der Linie VlU in Fig. 7.

Fig.9 einen Querschnitt nach Fig.2 durch eine Variante der ersten Ausführungsform nach den Fig.! und 2,

Fig. 10 einen Querschnitt durch eine weitere Variante der ersten Ausführungsform,

F i g. 11 den Einsatz eines erfindungsgemäßen Wandlers als Steuerelement eines Vier-Wege-Schiebers in einer selbstausgleichenden Halbbrücke mit laminarer Trimmdrossel zum Nullabgleich.

Fig. 12 ein eingespanntes Heizrohr mit Lichtschranke.

Fig. 13 einen Seitenriß entlang der Linie XIIl in Fig. 12.

Fig. H eine ichematische Darstellung eines Überlastungsschutzes mit mechanischer Abtastung und

Fig. 15 die Ausbildung einer Einspannstelle des Heizrohres.

Bei der ersten Ausführungsform sind die Heizeinrichtung und die Drossel durch ein in den Γ1 g. 1 und 2 dargestellten Heizrohr 1 gebildet, das druckseitig über eine Lötstelle 2 mit einem Anschlußflansch 3 verbunden ist. Auf der Niederdrucksette, von anderen Maschinenteilen elektrisch isoliert, befindet sich eiiie Anschlußöse 4 mit einer Heizstromzuführung 5. Falls auf der Niederdruckseite für einen Kunststoffschlauchanschluß unzulässig hohe Druckwerte vorkommen, muß dort ein Isolierflansch angebracht werden. Um den Wandler bei großer Rohrlänge auf brauchbare Abmessungen zu reduzieren, kann das Rohrstück als freitragende Wendel ausgebildet werden; es ist jedoch jegliche Berührung mit anderen Teilen, z. B. Stützteilen, zu vermeiden.

Eine verfeinerte zweite Ausführungsform ist in den Fig.3 bis 6 dargestellt: hier ist ein zwischen einem Flansch 3' und einer öse 4' liegendes Heizrohr 1' im Querschnitt durch Quetschung allmählich verringert, wodurch der Wandlerwirkungsgrad erhöht wird.

Soll die Viskositätsänderung im Grenzschichtbereich für eine gegebene Heizleistung optimiert werden, so müssen Querschnittsgeometrien verwendet werden, die die größtmögliche Heizfläche mit dem kleinstmöglichen Durchflußquerschnitt paaren, wie z, B. ein flachovales Heizrohr 1'" gemäß den F i g. 7 und 8, welche eine dritte Ausführungsform zeigen. Da infolge der frequenzbeschränkenden thermischen Kapazität des Heizrohres dessen Wandstärke auf ein Mindestmaß reduziert werden muß, ist für grobe Arbeitsdrücke das Heizrohr Γ" mit Stützplatten 6 versehen, die zugleich als querliegende Kühlfahnen dienen.

Will man die Kalttemperatur des Heizrohres 1 der ersten Ausführungsform auf die Referenztemperatur eines Mediums bringen, so kann dies gemäß einer ersten Variante durch das Umströmen des Heizrohres 1 in einer Kapsei 7 geschehen. Die in Fig.9 schematisch dargestellte Anordnung erhöht jedoch die zur Wider standsänderung benötigte Heizleistung, da ein Teil der Wärme durch das in der Kapset 7 enthaltene Medium weggeführt wird. Hingegen wird der Frequenzgang ein wenig verbessert, da die Abkühlung rascher erfolgt.

Eine von den thermischen Einflüssen der Umwelt völlig abgeschlossene zweite Variante der ersten Ausführungsform ist in Fig. 10 skizziert, wo zwischen dem Heizrohr 1 und einer dichten Kapsel 8 ein Vakuum aufrechterhalten wird, wodurch die Wärmeabgabe der Heizrohraußenwand auf eine vernachlässigbare Strahlung reduziert ist.

Die Heizrohre lassen sich am einfachsten aus Nickel-Chrom-Stählen oder Nickel-Chrom-Legierun gen herstellen. Physikalisch optimale Verhältnisse lassen sich jedoch nur mit Titanium- oder Zirkonium-Legierungen mit einem Mindestgehalt von 80% an Titanium bzw. von 50% an Zirkonium erreichen, da diese Legierungen geringe Wärmekapazität mit hohem elektrischen Widerstand verbinden.

Eine Anwendung des beschriebenen Wandlers ist in Fig. 11 dargestellt: em Vier-Wege-Schieber 15 mit Differentialendkolben wird auf einem kleinen Endkol· ben 16 mit dem Speisedruck ρ beaufschlagt, was auf einem großen Endkolben 17 einen Druck p_c erfordert, dessen Wert nur vom Flächenverhältnis der beiden Endkolben abhängt, falls der Schieber 15 im Gleichgewicht bleiben soll. Wird im ungeheizten Zustand des Wandlers 18 eine laminare Trimmdrossel 19 so eingestellt, daß kein ölstrom von der Speisedruckseite über eine Nadeldrossel 20 in die laminare Halbbrücke Tnmmdrossel 19 - Wandler 18 fließt, so muß bei Verstimmung der Brücke durch Veränderung des Drosselwiderstandes des Wandlers 18 /ur Aurechterhaltung des Druckes p_c über die Nadeldrossel 20 ein ölstrom fließen. Dies bedeutet, daß sich der ganze Schieber 15 bewegen muß. um den nötigen Querschnitt an der Stelle der Nadeldrossel 20 freizugeben. Somit bildet der Wandler 18 den Betätigungsmotor des Schiebers 15 des elektrohydraulischen Vier-Wege-Servoventils mit selbstabgleichender Halbbrücke. Neben den beschriebenen Teilen Finden sich dementsprechend ■n F i g. 11 alle Elemente eines normalen Servoventils wie ein elektrischer Servoverstärker 21, Verbraucheranschlüsse 22 und 23, eine Tankrückleitung 24 und eine Speisedruckleitung 25, die alle in einem blockartigen Gehäuse 26 ausgebildet sind.

Der Referenz-Brückenzweig der Servoventil-Steuerstufe muß ebenfalls beachtet werden. Die Trimmdrossel 19 muß nämlich bei signallosem Zustand die gleichen Charakteristiken aufweisen wie die Drossel des Wandlers 18. Dementsprechend wird man versuchen.

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die zwei Drosseln geometrisch ähnlich zu gestalten und womöglich im Bereich gleicher Reynoldszahlen arbeiten zu lassen. Dies wäre theoretisch einfach dadurch zu erreichen, daQ man als Drosseln zwei gleiche Rohrstükke verwendet, über denen der gleiche Druckabfall zu herrschen hätte, d.h. p_c='/2p. Dies ist in der Praxis nicht möglich, weil sich kaum zwei absolut gleiche Rohre herstellen lassen. Man behilft sich deswegen mit einer Trimmdrossel, die aus einem Rohrstück mit einem zunächst etwas zu kleinen Strömungswiderstand besteht, das in zwei Löcher einer Platte eingelötet und spiralförmig um einen Gewindebolzen gelegt ist. Das Rohrstück kann durch Anziehen einer aufgeschraubten Mutter durch eine Unterlegscheibe zusammengequetscht werden, bis der gewünschte Widerstand erreicht ist.

Mit den nachfolgend beschriebenen Anordnungen für den elektrohydraulischen Wandler wird bezweckt, den Wandler vor thermischer Überlastung durch eine Vorrichtung zu schützen, die bei einer gegebenen Temperatur des elektrisch betriebenen Heizrohres des Wandlers den elektrischen Steuerstrom unterbricht oder begrenzt.

Dies kann dadurch erreicht werden, daß eine Vorrichtung zur optischen oder mechanischen Abtastung der zur Temperatur des Heizrohres proportionalen Längenausdehnung des Rohres vorgesehen wird, welche ein Tastsignal erzeugt, das zur Begrenzung oder Unterbrechung eines heizenden Steuersignals dient, um den Wandler vor Überhitzung zu schützen.

Um ein sicheres Abtasten zu gewährleisten, muß die Längenausdehnung des Rohres stark erhöht werden. Durch festes Einspannen der Rohrenden wird bei Erwärmung des Rohres eine Ausknickung des Rohres erzwungen, wobei die Ausknickung in der Rohrmitte ein Vielfaches, der effektiven Längenausdehnung des Rohres beträgt. Dadurch wird in^rolge großer Schaltwege der Überlastungsschutz weitgehend von Störeffekten unabhängig, insbesondere wenn zusätzliche Vorkehrungen getroffen werden, um den Rohrhalter von thermischen Einflüssen frei zu halten.

Ein Heizrohr 41 sei gemäß den Fig. 12 und 13 hochdruckscitig in einem Halter 42 und niederdrucksei· tig in einer öse 43 eingelötet. Die öse 43 ist über ein elektrisch isolierendes Plättchen 44 mit dem Halter 42 fest verbunden. Die Steuerstromeinspeisung erfolgt über einen Draht 45. Das Rohr 41 ist leicht vorgeknickt eingelötet; somit ist eine Ausknickeinrichtung vorgegeben. Bei Erwärmung nimmt die Ausknickung infolge Längenausdehnung zu, bis das Heizrohr in der Lage 4Γ einen auf ein Photoelement 48 gerichteten Lichtstrahl 46 einer Lichtquelle 47 unterbricht. Das Signal des Photoelementes 48 beeinflußt das für die Heizung

ίο maßgebende Steuersignal entweder durch Betätigen eines Relais, das die Verbindung zwischen einem Servoverstärker und der öse 43 unterbricht, oder dadurch, daß durch das Signal eine Gegenkopplung vor der Leistungsstufe des Servoverstärkers eingefügt wird.

»5 Gemäß F i g. 12 ist der Halter 42 durch Schrauben 49 an ein zu steuerndes Ventil 50 angeschraubt

F i g. 14 stellt schematisch den gleichen Überlastungsschutz mittels einer mechanischen Abtastvorrichtung dar. Das die Heizung bestimmende Steuersignal eines

ίο Servoverstärkers 51 wird bei einer gewissen Ausknikkung des Heizrohres 41 durch einen isolierten Taster 52 über einen Kontakt 53 unterbrochen. An sich weisen aber mechanische Kontakte den Nachteil auf, daß sie weniger betriebssicher sind, so daß die in den Fig. 12 und 13 dargestellte Bauart mit einer Lichtschranke vorzuziehen ist.

Um ein gutes Funktionieren des Überlastungsschutzes zu sichern, muß die Referenzlänge der Rohreinspannung konstant bleiben, d. h. der Halter 42 muß dem thermischen Einfluß des Heizrohres 41 und des austretenden warmen Hydraulikmediums an der Niederdruckseite entzogen werden. Die direkte Beheizung durch das Rohr 41 kann vermieden werden, indem das Heizrohr 41 gemäß Fig. 15 an seinen Enden mit einer hauchdünnen, elektrisch sehr gut leitenden Schicht 54 versehen wird, wodurch die Heizzone des Rohres um eine Distanz a vom Halter 42 ferngehalten wird. Die Beheizung durch das heiße Hydraulikmedium kann nur durch einen thermischen Kurzschluß zwischen der Lötstelle des Rohres 41 am Halter 42 und dem Ventil 50 begrenzt werden. Dies erfordert ein Haltermatcrial mit sehr großer Wärmeleitfähigkeit, z. B. Aluminium oder Kupfer.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Elektrohydraulischer Wandler, mit einer in einer von einer Steuerleitung abzweigenden Stichleitung S angeordneten Drossel und mit einer elektrischen Heizeinrichtung, die das hydraulische Steuermedium entlang einer vorgegebenen Strecke der Stichleitung beheizt und somit den Druck bzw. den Durchfluß in der Steuerleitung beeinflußt, wobei das Steuermedium mit der Heizeinrichtung direkt in Berührung steht, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Heizeinrichtung über die gesamte Länge der Drossel erstreckt, die für laminare Strömungsverhältnisse ausgebildet ist, und daß mindestens eine der «5 för den Drosseleffekt verantwortlichen Reibwände der Drossel durch das den elektrischen Heizwiderstand bildende Material der Heizeinrichtung gebildet ist

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekenn- *> zeichnet, daß als Drossel und Heizeinrichtung ein Heizrohr(l;l";l'";41) vorgesehen ist.

3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrquerschnittsfläche in Strömungsrichtung abnimmt »5

4. Wandler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet daß das Heizrohr (Γ) oval ist

5. Wandler nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizrohr (Γ") Querfahnen (6) aufweist

6. Wandler nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kapsel (7) zur Leitung einer das Heizrohr (1) umspülenden Flüssigkeit vorgesehen sind.

7. Wandler nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizrohr (1) in einer evakuierten Umgebung angeordnet ist.

8. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die !«eizende Reibwand der Drossel aus einer Titaniumlegierung besteht die einen Mindestgehalt von 80% an Titanium aufweist.

9. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die heizende Reibwand der Drossel aus einer Zirkoniumlegierung besteht, die einen Mindestgehalt von 50% an Zirkonium aufweist.

10. Wandler nach einem der Ansprüche 2 bis 9, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (47, 48; 52, 53) zur optischen oder mechanischen Abtastung der zur Temperatur des Heizrohres (41) proportionalen Längenausdehnung des Heizrohres.

11. Wandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet daß das Heizrohr (41) an seinen beiden Enden mittels eines Halters (42) fest eingespannt ist und die Abtastvorrichtung (47, 48; 52, 53) die Flohrausknickung abtastet.

12. Wandler nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastvorrichtung (47, 48) eine Lichtquelle (47) und ein auf diese ausgerichtetes Photoelement (48) aufweist.

13. Wandler nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizrohr (4t) an seinen beiden Enden mit einer elektrisch leitenden Schicht (54) versehen ist, deren elektrischer Widerstand *5 geringer als derjenige des Heizrohres ist.

Gegenstand der Erfindung ist ein elektrohydraulischer Wandler, mit einer in einer von einer Steuerleitung abzweigenden Stichleltung angeordneten Drossel und mit einer elektrischen Heizeinrichtung, die das hydraulische Steuermedium entlang einer vorgegebenen Strecke der Stichleitung beheizt und somit den Druck bzw. den Durchfluß in der Steuerleitung beeinflußt, wobei das Steuermedium mit der Heizeinrichtung direkt in Berührung steht Aus der FR-PS 14 42 588 und der DT-OS15 23 634 sind elektropneumatische Wandler bekannt, bei denen durch das Beheizen des Fluids eine Änderung der thermodynamischen Zustandsgrößen — insbesondere der Dichte — der ganzen Strömung erreicht wird. Eine solche Maßnahme hat bekanntlich dieselbe Wirkung zur Folge wie eine geometrische Veränderung des Strömungsquerschnitts. Die Auswirkung der Zustandsänderung infolge der Beheizung wie z. B. die Zunahme der kinetischen Energie oder der Dichte wird stromabwärts zur Signalerzeugung ausgenutzt, wobei durch Drosselung Drucksignale entstehen oder wobei eine gezielte Einspeisung die Adhäsion bzw. Ablenkung eines anderen Fluidstrahles bestimmt.

Die so im Verhältnis zur erforderlichen Heizleistung erzielte Wirkung ist durchweg gering, d.h. die Wandlerkonstante ist klein. Mit Wandlerkonstante ist die Druckänderung oder Durchflußänderung bei Änderung der elektrischen Heizleistung um eine Einheit gemeint Mit Flüssigkeiten als Betriebsmedium ist bei den genannten Wandlern keine brauchbare Wandlerkonstante zu erzielen, da das Beheizen der ganzen Strömung infolge der großen Wärmekapazität von Flüssigkeiten sehr große Heizleistungen erfordert Demnach hat z. B. die aus der FR-PS 14 42 588 bekannte Steuereinrichtung nur Sinn für ein kompressibles Medium, wenngleich in dieser Druckschrift schlechthin von »Fluid« als Strömungsmittel die Rede ist

Der Erfindung liegt angesichts der bekannten Wandler die Aufgabe zugrunde, einen ein elektrisches Signal wahlweise in ein Druck- oder Durchflußänderungssignal umwandelnden Wandler so auszubilden, daß er eine im Vergleich zu den Leistungen der bekannten Wandler erhöhte Wandlerkonstante aufweist, obwohl er mit einer Flüssigkeit arbeitet

Diese Aufgabe ist bei einem Wandler der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich die Heizeinrichtung über die gesamte Länge der Drossel erstreckt, die für laminare Strömungsverhältnisse ausgebildet ist, und daß mindestens eine der für den Drosseleffekt verantwortlichen Reibwände der Drossel durch das den elektrischen Heizwiderstand bildende Material der Heizeinrichtung gebildet ist.

Da bei dem erfindungsgemäßen Wandler ein inkompressibles Medium, d. h. eine Flüssigkeit verwendet wird, deren Viskosität bei Aufheizung nicht wie bei einem Gas zu-, sondein abnimmt, und dieser Viskositätsabfall sich auf die die beheizte Reibwand der Drossel berührende Grenzschicht der laminar bleibender Strömung beschränkt, zugleich aber über die ganze Länge der Drossel stattfindet, wird bei einer bestimmter Heizleistung eine viel höhere kinetische Energie de; Fluids als bei den bekannten elektropneumatischer Wandlern erreicht Durch die Beheizung der reibendei Drosselwand erhöht sich der Geschwindigkeitsgradien in der laminaren Grenzschicht derart, daß bei konstan gehaltenem Durchfluß am Drosselausgang ein höhere Druck, bei konstant gehaltenem Druck am Drosselein gang ein erhöhter Durchfluß auftritt. Es wird also dii