DE2124162C3 - Purely fluidic oscillator - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen rein fluidischen Oszillator mit einem bistabilen fluidischen Schalter vom Coanda-Typ, der zwei jeweils über eine Drosseleinrichtung an eine Kapazitätskammer angelegte Auslaßzweige aufweist, wobei eine Rückkopplungsverbindung jedes Auslaßzweiges über die Drosseleinrichtung mit demjenigen Steuereinlaß des bistabilen Schalters vorgesehen ist, der bei Druckzuführung die Ausgangsströmung auf den jeweils anderen Auslaßzweig umschaltet. Wenn einem derartigen Oszillator ein unter Druck stehendes kompressibles Fluidmittel zugeführt wird, so wird er ohne Fremdsteuerung zu Schwingungen angeregt.The invention relates to a purely fluidic oscillator with a bistable fluidic switch of the Coanda type, which has two outlet branches each connected to a capacity chamber via a throttle device, a feedback connection of each outlet branch via the throttle device to that Control inlet of the bistable switch is provided, which opens the output flow when pressure is applied switches the other outlet branch. If such an oscillator is a pressurized compressible fluid is supplied, it is excited to vibrate without external control.
Ein rein fluidischer Oszillator der vorstehend genannten Art ist bereits aus »Hydraulics and Pneumatics« Band 22,1969, Nr. 9, Seiten 22, 24 bekannt. Bei diesem Oszillator sind die Kapazitätskammern jeweils im Rückkopplungszweig zwischen einem Auslaßzweig und einem Steuereinlaß angeordnet. Durch diese Anordnung wird eine starke Abhängigkeit der Schwingungsfrequenz von dem Eingangsdruck erreicht. Eine weitere Konsequenz dieser Anordnung ist, daß steile Schaltflanken nicht erzielt werden können.A purely fluidic oscillator of the type mentioned above is already from »Hydraulics and Pneumatics "Volume 22, 1969, No. 9, pages 22, 24 known. The capacitance chambers are in this oscillator each arranged in the feedback branch between an outlet branch and a control inlet. By this arrangement results in a strong dependence of the oscillation frequency on the inlet pressure. Another consequence of this arrangement is that steep switching edges cannot be achieved.
Für zahlreiche Anwendungen wird jedoch ein fluidischer Oszillator benötigt, dessen Schwingungsfrequenz eine möglichst geringe Abhängigkeit von dem Eingangsdruck aufweist. Auch ein wohldefiniertes Umschaltverhalten mit steilen Flanken wird häufig angestrebt. Als Beispiel seien Oszillatoren mit Pulsbreitenmodulation genannt, bei denen Frequenzkonstanz und wohldefiniertes Schaltverhalten wesentliche Eigenschaften sind.For numerous applications, however, a fluidic oscillator is required, its oscillation frequency has as little dependence as possible on the inlet pressure. Also a well-defined one Switching behavior with steep edges is often sought. An example is oscillators with pulse width modulation called, where frequency constancy and well-defined switching behavior are essential properties are.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen rein fluidischen Oszillator zu schaffen, der eine geringe Abhängigkeit der Schwingungsfrequenz vom Eingangsdruck und ein wohldefiniertes Schaltverhalten mit steilen Schaltflanken aufweist und insbesondere auch für Anwendungen mit Pulsbreitenmodulation geeignet ist.The object of the invention is to create a purely fluidic oscillator that has little dependency the oscillation frequency of the inlet pressure and a well-defined switching behavior with steep switching edges and in particular is also suitable for applications with pulse width modulation.
Diese Aufgabe wird durch einen rein fluidischen Oszillator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gelöst,
der gemäß der Erfindung dadurch gekenrzeichnet ist, daß die Drosseleinrichtungen als Venturi-Düsen ausge-
- büdet sind, deren Einlaß jeweils mit einem Auslaßzweig
und deren Auslaß jeweils mit einer Kapazitätskammer verbunden ist, und daß die Venturi-Düsen jeweils mit
einem Abgriff an der Einschnürung versehen sind, an den der jeweilige Steueranschluß angeschlossen ist
' Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigtThis object is achieved by a purely fluidic oscillator according to the preamble of claim 1, which is characterized according to the invention in that the throttle devices are designed as Venturi nozzles, the inlet each with an outlet branch and the outlet each with a capacity chamber is connected, and that the Venturi nozzles are each provided with a tap on the constriction to which the respective control connection is connected
'Embodiments of the invention will now be described with reference to the drawing. In it shows
F i g. 1 das Schema eines fluidischen Oszillators nach der Erfindung,F i g. 1 the scheme of a fluidic oscillator according to the invention,
F i g. 2 ein Teilschema zur Erläuterung der Arbeitsweise eines der Zweige,F i g. 2 a partial diagram to explain the mode of operation of one of the branches,
F i g. 3a und 3b zwei Kurven, die an der EinschnürungF i g. 3a and 3b two curves that correspond to the constriction
der Venturi-Düse von F i g. 2 erhalten werden, wenn ein positiv gerichteter Eingangsdrucksprung nach Fig.3c bzw. ein negativ gerichteter Eingangsnachsprung nachthe venturi nozzle of FIG. 2 can be obtained when a positive input pressure jump according to Fig.3c or a negative input follow-up after
' F i g. 3d zugeführt werden,'F i g. 3d fed,
F i g. 4 drei verschiedene Ausgangskurven A, B, C, die an der Einschnürung der Venturi-Düse von F i g. 2 bei Zuführung eines rechteckigen Eingangssignals O bei verschiedenen Lagen des Abgriffs an der Venturi-Düse erhalten werden, undF i g. 4 three different output curves A, B, C, which at the constriction of the Venturi nozzle of FIG. 2 can be obtained when a rectangular input signal O is supplied at different positions of the tap on the Venturi nozzle, and
F i g. 5 zwei Druck-Kurven Po 1 und Po 2, die an den Anzapfungen der Venturi-Düsen in jedem Zweig verfügbar sind, und eine Sägezahnkurve, die für die Druckdifferenz zwischen diesen beiden Anzapfungen :' erhalten wird, wenn eine Rechteckkurve der bei O in F i g. 4 gezeigten Art als Druckdifferenz zwischen den Einlaßenden der beiden Venturi-Düsen verfügbar ist.F i g. 5 two pressure curves Po 1 and Po 2 available at the taps of the Venturi nozzles in each branch, and a sawtooth curve which is obtained for the pressure difference between these two taps : 'if a rectangular curve of the one at O in F i g. 4 is available as a pressure difference between the inlet ends of the two Venturi nozzles.
Die in F i g. 1 dargestellte Oszillatoranordnung besteht aus rein fluidischen Bestandteilen, die zur ■ Bildung eines integrierten fluidischen Kreises in der gezeigten Weise miteinander verbunden sind. Unter dem Begriff »integrierter fluidischer Kreis« ist hier ein fluidischer Kreis zu verstehen, dessen Bestandteile alle in einem gemeinsamen einstückigen Materialblock ; gebildet sind. Ein bistabiler fluidischer Schalter 1 vom Coanda-Typ weist einen L.eistungjeingang 9 auf, der an eine Quelle für unter Druck stehendes, kompressibles Fluidmittel anlegbar ist, und ist an seinen beiden Auslaßzweigen 7 und 8 jeweils über eine Venturi-Düse 3 mit einer Kammer 4 verbunden, die eine fluidische Kapazität darstellt. Die Einschnürung der Venturi-Düse 3 in jedem Auslaßzweig ist über eine Leitung 10 bzw. 11 mit demjenigen Steuereinlaß des Schalters 1 verbunden, der die vom Leistungseinlaß 9 kommende Hauptströmung auf den anderen Auslaßzweig umzuschalten sucht.The in F i g. The oscillator arrangement shown in FIG. 1 consists of purely fluidic components which are connected to one another in the manner shown to form an integrated fluidic circuit. The term "integrated fluidic circuit" is to be understood here as a fluidic circuit, the components of which are all in a common, one-piece block of material ; are formed. A bistable fluidic switch 1 of the Coanda type has a power input 9, which can be applied to a source for pressurized, compressible fluid, and is connected to its two outlet branches 7 and 8 via a Venturi nozzle 3 with a chamber 4 connected, which represents a fluidic capacity. The constriction of the Venturi nozzle 3 in each outlet branch is connected via a line 10 or 11 to that control inlet of the switch 1 which seeks to switch the main flow coming from the power inlet 9 to the other outlet branch.
Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist leichter zu verstehen, wenn zunächst die Eigenschaften einer unter dem Einfluß von pulsierenden Eingangssignalen stehenden Serienschaltung einer Venturi-Düse und einer Kapazität untersucht werden.The mode of operation of this arrangement is easier to understand if first the properties of one under the influence of pulsating input signals standing in series connection of a Venturi nozzle and a Capacity to be investigated.
Die Grundstruktur einer solchen Kombination ist in F i g. 2 gezeigt. Dem Einlaß 5 der Venturi-Düse 3 wird ein rechteckförmiges Eingangsdrucksignal Pe zugeführt, und ein Ausgangssignal P, wird an einer Stelle 6 " abgegriffen, die nahe bei der Einschnürung der Venturi-Düse 3 liegt. Die Kurven 6c und 6c/von Fi g. 3a und 3b zeigen die Ausgangssignale P1, die an der Anordnung bei einem Drucksprung des Eingangssignals Pe erhalten werden, je nachdem, ob dieser Sprung positiv ist, wie in Fig.3c gezeigt ist, oder ob er negativ ist, wie in F i g. 3d gezeigt ist.The basic structure of such a combination is shown in FIG. 2 shown. A rectangular input pressure signal P e is fed to the inlet 5 of the Venturi nozzle 3, and an output signal P i is tapped off at a point 6 "which is close to the constriction of the Venturi nozzle 3. The curves 6c and 6c / of FIG 3a and 3b show the output signals P 1 which are obtained at the arrangement in the event of a pressure jump in the input signal P e , depending on whether this jump is positive, as shown in FIG. 3c, or whether it is negative, as in FIG i g. 3d is shown.
Ein Vergleich der Kurven von Fig. 3a und 3b zeigt, daß zwei verschiedene Zeitkonstanten τι und τ? fürA comparison of the curves of Fig. 3a and 3b shows that two different time constants τι and τ? for
positive bzw. negative Änderungen von gleicher Größe in dem zugeführten Druck Pc erhalten werden können, so daß verschiedene Ausgangskurven dadurch erzeugt werden können, daß der Anordnung eil pulsierendes Signal zugeführt wird.positive or negative changes of the same magnitude in the applied pressure P c can be obtained, so that different output curves can be generated in that the arrangement is fed with a pulsating signal.
Die Kurven A, B, und C von F i g. 4 werden alle auf Grund eines rechteckigen Druckeingangssignals Pe erhalten, das in F i g. 4 als Signal O bezeichnet ist, wobei die Unterschiede in den Kurvenformen A, B und C auf der Änderung der Abgriffsstelle 6 entlang der Venturi-Düse 3 beruhen. Die Venturi-Düse hat bei dieser Kombination die Wirkung, daß sie auf Grund eines Eingangssprungs ein exponentiell Signal liefert. Die beschriebenen Eigenschaften können dazu benutzt werden, einen fluidischen Oszillator zu bilden.Curves A, B, and C of FIG. 4 are all obtained on the basis of a rectangular pressure input signal P e which is shown in FIG. 4 is designated as signal O , the differences in curve shapes A, B and C being based on the change in tapping point 6 along Venturi nozzle 3. The effect of the Venturi nozzle in this combination is that it delivers an exponential signal due to an input jump. The properties described can be used to form a fluidic oscillator.
Die Grundanordnung eines solchen Oszillators ist in F i g. 1 gezeigt Seine Ausgangskurven können entsprechend den Diagrammen A, β und C von F i g. 4 geändert werden. Diese Anordnung ergibt einen Sägezahn-Oszillator, der in Form der Druckdifferenz zwischen den Venturi-Abgriffen 10 und 11 eine außerordentlich genau bestimmte Sägezahnkurve liefert, doch kann daraus auch ein Rechtecksignal-Oszillator gebildet werden, der eine außerordentlich genau definierte Rechteckkurve liefert, wenn als Ausgangssignal die Druckdifferenz zwischen den beiden Auslassen des Coanda-Schalters 1 verwendet wird. Die Ausgangsfrequenz von Oszillatoren, die auf dieser Technik beruhen, ist durch das Produkt RC bestimmt, wobei der Wert C durch das Volumen der Kapazitätskammer 4 bestimmt ist, während der Wert R durch die Abmessungen der Einschnürung der Venturi-Düse 3 bestimmt ist.The basic arrangement of such an oscillator is shown in FIG. 1. Its output curves can be shown according to the diagrams A, β and C of FIG. 4 can be changed. This arrangement results in a sawtooth oscillator which, in the form of the pressure difference between the Venturi taps 10 and 11, delivers an extremely precisely defined sawtooth curve, but it can also be used to form a square-wave oscillator that delivers an extremely precisely defined square-wave when used as an output signal the pressure difference between the two outlets of the Coanda switch 1 is used. The output frequency of oscillators based on this technique is determined by the product RC , the value C being determined by the volume of the capacitance chamber 4, while the value R is determined by the dimensions of the constriction of the Venturi nozzle 3.
Die beschriebenen Anordnungen werden in folgender Weise betrieben: Die Anordnung von Fig. 1 ist infolge der positiven Rückkopplung zu dem bistabilen Schalter 1 instabil. Nachdem der aus dem Einlaß 9 kommende Strahl auf einen der beiden Auslaßzweige 7 oder 8 umgeschaltet worden ist, wird er in dieser Lage durch die Wandhaftung gehalten, bis die Strömung durch diesen Zweig die zugehörige Kapaziiätskammer 4 bzw. 5 auf einen Druck aufgeladen hat. bei welchem der Steuerdruck an dem Abgriff 10 bzw. 11 der Venturi-Einschnürung ausreicht, um den Strahl auf den anderen Auslaßzweig umzuschalten. Die gleiche Wirkung wiederholt sich dann im anderen Ausiaßzweig, und dieser periodische Betrieb hält sich selbst aufrecht Somit wird eine Ausgangsschwingung erhalten, wobei der Oszillator bei höheren Druckverhältnissen arbeiten kann, als dies üblicherweise bei fluidischen Vorrichtungen möglich istThe arrangements described operate in the following manner: The arrangement of Fig. 1 is a consequence the positive feedback to the bistable switch 1 is unstable. After the coming from the inlet 9 Beam has been switched to one of the two outlet branches 7 or 8, it is in this position through the wall adhesion is maintained until the flow through this branch reaches the associated capacitance chamber 4 or 5 has charged on one print. at which the control pressure at the tap 10 or 11 of the Venturi constriction sufficient to switch the beam to the other outlet branch. Same effect then repeats itself in the other output branch, and this periodic operation is self-sustaining An output oscillation is thus obtained with the oscillator operating at higher pressure ratios can than is usually possible with fluidic devices
Die Einfügung einer Venturi-Düse in jeden Auslaßzweig ergibt sozusagen die Hinzufügung eines induktiven Glieds zu dem ftC-Kreis, wodurch eine sehr zwangsläufige Umschaltung des bistabilen Schalters verursacht wird, die im Fall eines Rechteck-Osziilators eine sehr klar definierte Rechteckkurve ergibt Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Oszillatoren besteht darin, daß sie in einem großen Bereich von Druckverhältnissen mit einer nur geringfügigen Verschiebung der Grundfrequenz betrieben werden können.The insertion of a venturi nozzle in each outlet branch gives, so to speak, the addition of an inductive element to the ftC circuit, creating a very inevitable switching of the bistable switch is caused, which in the case of a square-wave oscillator a very clearly defined rectangular curve results. There is another advantage of the oscillators described in that they can be used in a wide range of pressure ratios with only a slight shift in the Base frequency can be operated.
F i g. 5 zeigt drei verschiedene Kurven D, E und F, die bei der Anordnung von F i g. 1 erhalten werden können. Die beiden ersten Kurven D und E zeigen die Drücke, die an den Abgriffen 10 bzw. 11 der beiden Venturi-Düsen 3 erhalten werden, während die dritte Kurve F durch die Differenz dieser beiden Drücke erhalten wird. Ein weiteres Ausgangssignal mit Rechteckform kann durch die Differenz zwischen den Drücken an zwei Abgriffen 12 und 13 erhalten werden, die jeweils am Einlaß einer der beiden Venturi-Düsen 3 angeordnet sind.F i g. FIG. 5 shows three different curves D, E and F, which occur in the arrangement of FIG. 1 can be obtained. The first two curves D and E show the pressures that are obtained at the taps 10 and 11 of the two Venturi nozzles 3, while the third curve F is obtained from the difference between these two pressures. Another output signal with a rectangular shape can be obtained from the difference between the pressures at two taps 12 and 13, which are each arranged at the inlet of one of the two Venturi nozzles 3.
Durch Abgreifen der Ausgangssignale von Abgriffen für den statischen Druck an geeignet gewählten Punkten entlang den Venturi-Düsen 3 ist es möglich, von der in F i g. 1 gezeigten Anordnung Ausgangssignale mit genau rechteckiger Kurvenform, Sägezahnform oder Dreiecksform zu erhalten, die sehr nützlich für fluidische frequenzverarbeitende Anordnungen und Fühlanordnungen sind, bei denen ein Signaloszillator benötigt wird.By tapping the output signals from taps for the static pressure at suitably selected ones Points along the Venturi nozzles 3, it is possible from the in F i g. 1 arrangement of output signals with exactly rectangular curve shape, sawtooth shape or triangle shape which is very useful for Fluidic frequency-processing arrangements and sensing arrangements are in which a signal oscillator is needed.
Pulsbreitenmodulationsanordnungen sind ein unmittelbarer Anwendungsfall für eine Anordnung, bei der eine sehr genaue Sägezahn- oder Dreieckskurvenform ein Haupterfordernis ist.Pulse width modulation arrangements are an immediate application for an arrangement in which a very accurate sawtooth or triangle waveform is a major requirement.
Es ist im allgemeinen zweckmäßig, die beschriebene Anordnung in einem einstückigen Materialblock zu bilden, doch ist dies nicht wesentlich.It is generally convenient to have the described arrangement in a one-piece block of material form, but this is not essential.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
Claims (3)
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