DE2152303C3 - Fluidische NäherungsmeBvorrichtung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine fluidische Näherungsmeßvorrichtung mit einer Wirbelstromkammer, die radiale Eingangsdüsen und einen axialen Ausganiiskanal mit einem koaxialen Meßrohr enthält, das die Wirbelstromkammer axial durchsetzt und .m Bereich des Ausgangskanals endet.

Fluidische Näherungsrneßvorrichtungen, die als Meßmedium einen Wirbelstrom verwenden, zeigen unter anderem die US-Patentschriften 32 72 213 und 81 180. Die Vorrichtung nach der US-Patentschrift 81 180 enthält eine Wirbelstromkammer, in die tangential eine Strömung eingeführt wird und die eine axiale Austrittsöffnung mit einem kreisförmigen Querschnitt aufweist. In der Achse der Vorrichtung befindet sich ein dünnes Meßrohr, dessen Meßrohrende sich im Bereich der AustrittsöfTnung befindet. Bleibt die aus der Austrittsöffnung austretende Wirbelströmung außerhalb der Vorrichtung von einem Gegenstand unbehindert, so ist der Druck in dem Meßrohr niedrig oder negativ (niedriger als die Umgebung der Vorrichtung). Wird die Wirbelströmung durch einen sich ihr nähernden oder genäherten Gegenstand behindert, ist eine statische Druckerhöhung in dem Meßrohr meßbar. Durch eine Überwachung des statischen Druckes in dem Meßrohr läßt sich die Annäherung eines Gegenstandes an die Austrittsöffnung feststellen. Dabei sind Meßabstände eines Gegenstandes vor der Austrittsöffnung bis zu achtmal größer als entsprechende Meßabstände bei bekannten Näherungsmeßvorrichtungeü vom Axialströmungs-

In der Vorrichtung nach der US-Patentschrift 32 72 213 weist die Wirbelströmung in ihrem Inneren einen negativen statischen Druck auf, wenn sie unbeeinflußt bleibt. Der statische Druck ist auch in dem Meßrohr vorhanden. Wird die wirbelnde Strömung beeinflußt, steigt der statische Druck im Inneren der Strömung und damit auch im Meßrohr auf einen positiven Wert, der ausreicht, um die Beeinflussung der Strömung anzuzeigen. Der negative statische Druck bewirkt bei unbeeinflußter Strömung, daß sie stromabwärts konvergiert, wodurch der abtastbare Näherunssbereich eines Gegenstandes begrenzt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine fluidische Näherungsmeßvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen_; die bei weitgehend geringerem Druck für di^ Arbeitsfiuid gegenüber den bekannten Vorrichtungen eine wesentlich längere zusammenhängende Wirbelströmung abgibt. Hierdurch läßt sich der Meßbereich der Näherungsmeßvorrichtung ohne erhöhten Energieaufwand beachtlich vergrößern.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst. daß die Wirbelstromkammer und das Meßrohr über einen gedrosselten Strömungsweg miteinander verbunden sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen nach der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung fußt auf der Erkenntnis, daß eine Wirbelströmung, die aus der zentralen Austrittst>flnung einer Wirbelstromkammer austritt, stromabwärts über einen bestimmten Abstand von der Austrinsöffnung divergiert und anschließend zu einem Punkt konvergiert und auseinanderbricht. Es ist möglich. solche Gegenstände zu messen oder zu ermitteln, die einen geringeren Abstand von der AustrittsöfTnung aufweisen als der Konvergenzpunkt. Untersuchungen ergaben, daß der Ort des Konvergenzpunkles einer Wirbelströmung abhängig ist von dem Druck der in die Wirbelstromkammer eingeführten Arbeitsströmung und von dem Durchmesser der Austrittsöffnung der Wirbelstromkammer. Die Vergrößerung sou .hi des Druckes der Arbeitsströmung als auch der AustrittsöfTnung führte zwar zu einer Verlängerung der zusammenhängenden Wirbelströmung. Eine solche Verlängerum: echt jedoch auf Kosten erhöhten Enereieverbrauchs. Weitergehende Untersuchungen ergaben, daß der Grund für die Konvergenz der Wirbeltsrömung das Vorhandensein eines negativen statischen Druckes innerhalb der Wirbelströmung ist, welche die Stromfäden zur Achse zu ziehen sucht. Die rotierende Strömung reißt mit oder saugt an Stromfäden aus dem inneren Strömungsbereich, bis der innere Druck eine Größe erreicht, bei der die Strömung auseinanderbricht. Der Erfindung liegt nun die überraschende Beobachtung zugrunde, daß die Erhöhung des inneren statischen Druckes einer Wirbelströmung da7u führt, daß der Konvergenzpunkt bei einem gegebenen Druck der Arbeitsströmung von der Austrittsöffnung der Wirbelstromkammer stromabwärts wandert, so daß der Meß- oder Abtastbereich einer Witbelstromvorrichtung wesentlich vergrößert wer-

den kann. Wird außerdem das Meßrohr ganz in die Austrittsöffnung zur Bildung eines Ringspaltes eingeführt, ciann läßt sich ohne Verlust an Meßbereich der Energieverbrauch für das Arbeitsmedium besonders niedrig halten.

Der Erfindung liegt außerdem die Beobachtung zugrunde, daß bei der Vergrößerung der wirksamen Länge der Wirbelströmung auf Grund einer gezielten Erhöhung des inneren Druckes in der Wirbelströmung der Druck in dem koaxialen Meßrohr einer Näherungsmeßvorrichtung sich proportional mit der Annäherung eines Gegenstandes an die Austrittsöffnung der Wirbelstromkammer ändert und daß diese relativ schwachen Druckänderungen sich für Meß- und Steuerzywecke ausreichend hoch verstärken lassen. Damit offenbar, daß sich erfindungsgemäß ohne besonderen Energieaufwand z. B. eine proportionale Wirblestrom-Näherungsmeßvorrichtung angeben läßt.

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel fach der Erfindung schematisch dargestellt. Hierin

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Näherungsmeßvorrichtung und Fig. 2 einen Schnitt nach den Linien H-II in

Fig. 1·

In den Fig. 1 und 2 besitzt ein Gehäuse 1 eine fache zylindrische Ausnehmung oder Kammer 2 zur Bildung einer Wirbelstromkammer in der Art, w^e sie hi der US-Patentschrift 32 72 213 beschrieben ist. Eine fache ringförmige Ausnehmung 3 in dem Gehäuse befindet sich konzentrisch um die Wirbclstromkammer 2. Vier in gleichen Abständen angeordnete Eingangsdüsen 4 zur Verbindung der ringförmigen Austehmung 3 und der Wirbelstromkammer 2 sind derart ausgerichtet, daß bei Anwesenheit von Strömlingsdruckmittel in der ringförmigen Ausnehmung 3 ent-Iprechende Strömungszahlen tangential in die Wirbelttromkammer 2 eintreten.

Das Gehäuse 1 enthält eine Deckplatte 5, die einen flachen, strömungsdichten Abschluß für die ringförmige Ausnehmung 3 und einen Teil der Wirbelstromkammer 2 darstellt. Die Deckplatte 5 enthält einen kohlen zylindrischen Vorsprung 6, der sich von der Wirbelstromkammer 2 weg erstreckt und der einen axial gerichteten Ausgangskanal 7 der Wirbelstromkammer 2 begrenzt. Der hier verwendete Ausdruck axial bezieht sich auf die Symmetrieachse, die sich lenkrecht durch den Mittelpunkt der kreisförmigen Querschnittsebene der Wirbelstromkammer 2 er-Itreckt. Die Strömung zeigt in der Wirbelstromkammer einen kreisenden Verlauf und tritt schraubenlinienförmig (kombinierte Kreis- und Axialströmung) aus dem Ausgangskanal 7 heraus. D";r schraubenlinienförmige Strömungsverlauf bleibt zunächst nach dem Austritt aus dem Ausgangskanal 7 unbeeinflußt und divergiert stomabwärts in eine wirbelnde oder rotierende Strömung, nachfolgend Wirbelströmung bezeichnet.

Ein Meßrohr 11 erstreckt sich entlang der Achse der Wirbelslromkammer 2 durch eine axiale öffnung in dem Gehäuse 1 und durch die Wirbelstromkammer 2 hindurch konzentrisch in den Ausgangskanal 7 hinein. Das Meßrohr 11 innerhalb des Ausgangskanals 7 begrenzt einen Ringspalt 10 zur Wirbelstromkammer 2. Das eine Ende des Meßrohres 11, das sich in dem Ausgangskanal 7 befindet, schneidet gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mit dem Ende des Vorsprunges 6 ab. Das Meßrohrende kann auf Grund von noch zu beschreibenden Erfordernissen auch in anderer Weise enden.

Das entgegengesetzte andere Ende des Meßrohres Il enthält eine Drossel 12. Durch die Wandun." des Meßrohres 11 erstrecken sich zusätzlich in einer Ebene vier Ansaugöffnungen 13 zur Verbindung der Strömung in der Wirbelstromkamn.er 2 und dem Inneren des Meßrohres 11.

Der niedrige statische Druck saugt bei unbeeinflußter Wirbelströmung Strömungsanieile aus der Kammer 2 durch die Ansaugölfnungen 13 an und gibt diese über das Meßrohr ίΐ in das Innere der Wirbelströmung ab. Die Strömungsameile, die dabei aus der Kammer 2 angezapft und in das Innere des austretenden Wirbelstromes geführt werden, erhöhen den statischen Druck im Innern der Wirbelströmung, wodurch der Punkt, in dem die Wirbelströmung konvergiert, weiter stromabwärts verschoben wird.

Dabei sind eine Reihe von Parametern zu beachten, die für eine befriedigende Arbeitsweise der Näherungsmeßvorrichtung nach den F i g. 1 und 2 verantwortlich sind. Zum einen ist es wesentlich, daß die durch die Ansaugöfinungen 13 abgesaugte Strömungsmenge ausreicht, den statischen Druck in der austretenden Wirbelströmung derart zu erhöhen, daß ein vorzeitiger Zusammenbruch der Wirbelströmung, wie vorstehend beschrieben, vermieden wird. Andererseits bewirkt eine zu große Menge an durch die Ansaugöfinungen 13 abgesaugter Strömungsmenge ein Anwuchsen des statischen Druckes innerhalb der Wirbelströmung auf eine Höhe, bei der die Wirbelströmung nicht mehr zusammengehalten wird und in dem Ringspalt 10 auseinanderreißt, wodurch eine Undefinierte unregelmäßige Strömung austritt, die sich für Näherungsschaltzwecke nur wenig eignet. Weiterhin muß die aus dem Ringspalt 10 austretende Strömungsmenge ausreichen, um eine bestimmte Wirbelströmung aufrechtzuerhalten. Die Parameter, welche gegenseitig die Absaugung des Strömungsmittels und die Wirbelströmung beeinflussen, sind folgende:

(1) Der gesamte Querschnitt der Eingangsdüsen 4, der weiterhin als A₁ bezeichnet wird,

(2) der Querschnitt des Ringspaltes 10, der weiterhin mit A_n bezeichnet wird, und der gesamte Querschnitt der Ausgangsöffnungen 13, der bei einem gegebenen Druck in dem Kanal 9 mit A_u bezeichnet wird.

Bei einem bestimmten Druck im Kanal 9 kennzeichnet A₁ die Strömungsmenge in der Kammer und damit im wesentlichen den radialen Druckgradienten quer zur Kammer 2. A₀ bestimmt die aus der Kammer 2 austretende Strömungsmenge und A₁ den radikalen Druckgradienten quer zur Kammer Wenn ein ungenügender radialer Druckgradient in der Kammer 2 vorhanden ist, ist die aus dem Ring- :nalt 10 ausströmende Wirbelströmung nicht regelmäßig genug.

A_B bestimmt im wesentlichen die in das Meßrohr 11 abgesaugte Strömungsmenge. Die abgesaugte Strömungsmenge ist bei einem gegebenen Druck im Kanal 9 außerdem abhängig vom Querschnitt A_h da die abgesaugte Strömungsmenge abhängt von der Zuströmmenge in die Wirbelslromkammer 2. Wenn A_n bei einem vorgegebenen A₁ zu groß ist, wird eine zu große Strömungsmenge abgesaugt, und die aus dem Ringspalt 10 austretende Wirbelströmung neigt

zum Auseinanderplatzen oder Auseinanderreißen, wie vorstehend beschrieben. Wenn A_n zu klein ist, wird eine zu geringe Strömungsmenge abgesaugt, um ein wesentliches Ziel der Erfindung zu erreichen, den Druck in der Wirbelströmung zu erhöhen um den Punkt, an dem die Wirbelströmung konvergiert, weiter stromabwärts zu verschieben.

Die optimalen Werte für die vorstehenden Parameter zur Erlangung optimaler Bedingungen wurden erhalten, wenn der statische Druck an der Drossel 12 bei Abwesenheit eines Gegenstandes etwa gleieh dem Umgebungsdruck (Atmosphäre) ist und der statische Druck am Meßende des Meßrohres 11 etwas niedriger ist. Eine vorteilhafte Ausbildung einer Näherungsmeßvorrichtung nach den F i g. 1 und 2, bei der solche Bedingungen erfüllt werden, hat die folgenden Abmessungen: Die vier Eingangsdüsen 4 haben jeweils Querschnitte von 0,050" X 0,050" bzw. 1,27 X 1,27 mm mit einem Gesamtquerschnitt von 0,01 Quadratzoll bzw. 6 qmm. Der Ringspalt 10 weist einen Querschnitt A_a = 0,0041 Quadratzoll bzw. 2,67 qmm auf, und der Gesamtquerschnitt A _R der Ansaugöflnungen 13 beträgt 0,00052 Quadratzoll bzw. 3,36 qmm. Es ist beachtlich, daß die Summe des Gesamtquerschnittes der Ansaugöffnungen 13 und des Querschnittes des Ringspaltes 10 bei dieser Ausführung im wesentliehen gleieh dem Gesamlquerschnitt A_t der Eingangsdüsen 4 ist. Die abgesaugte Strömungsmenge und die aus der Wirbelstromkammer 2 in den Ringspalt 10 austretende Wirbelstrommenge sind etwa gleieh groß.

4i Ar

Es zeigte sich, daß die Verhältnisse ' und , zur

" A₀ Ab

Bestimmung der Abmessungen einer erfindungsgemäßen Näherungsmeßvorrichtung beachtlich sind.

^Al > 2,4 und-^-> 1,9.
A₀ Ab

Dabei werden besonders günstige Ergebnisse erzielt, wenn im wesentliehen
sind.

Die Empfindlichkeit der Näherungsmeßvorrichtung kann bei verändertem Versorgungsdruck etwas reduziert werden, indem die Wirbelstromkammer 2

ίο wenigstens in der Tiefe, wenn nicht im Durchmesser etwas größer ausgebildet wird. Hierdurch ist ein größerer Vorrat an Fluid erforderlich, so daß eine größere Trägheit erreicht wird, der eine geringere Empfindlichkeit gegenüber kleinen Veränderungen im Versorgungsdruck innewohnt. Zur Anwendbarkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist hervorzuheben, daß die Annäherung eines Meßgegcntaandes nicht der einzige Meßwert ist, der gemessen werden kann. Die Vorrichtung kann auch zur Abtastung der Abmessungen eines Körpers verwendet werden, der unterhalb der Vorsprünge 6 rechtwinklig zur Achse der Wirbclstromkammer 2 bewegt wird. Wenn der Körper sich direkt unter dem Abtastbereieh befindet und seine Höhe oberhalb einer festen Unterlage nicht ausreicht, einen starken Druckanstieg in dem Meßrohr zu bewirken, wird kein Ausgangssignal von dem Meßrohr 11 in Fig. 1 abgegeben. Befindet sich andererseits der Körper auf einer ausreichenden Höhe oder darüber, steigt in dem Meßrohr 11 der Druck rasch an, so daß er als Steuersignal verwendbar ist. 1st die Messung eines Körpers zwischen zwei Grenzlagen gewünscht, dann lassen sich zwei erfindungsgemäße Näherungsmeßvorrichtungen verwenden, um zu bestimmen, ob der Körper oberhalb oder unterhalb oder zwischeen den beiden Grcnzlagen liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Fliiidische Näheriingsmeßvorrichtung mit einer Wirbelstromkammer, die radiale Eingangsdüsen und einen axialen Ausgangskanal mit einem koaxialen Meßrohr enthält, das die Wirbelstromkammer axial durchsetzt und im Bereich des Ausgangskanals endet, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelstromkammer (2) und das Meßrohr(ll) über einen gedrosselten Strömungsweg miteinander verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßrohr (11) innerhalb der Wirbelstromkammer (2) wenigstens eine AnsaugöiTpung (13) aufweist.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Gesamtquerschnittes (A₁) der Eingangsdüsen (4) in die Wirbelstromkammer (2) zu dem Gesamtquerschnitt (A _tt) der AnsaugöiTnung (13) wenigstens 1,9 ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Gesamtquerschniucs (A₁) zum Querschnitt (A _(l) des Ausgangskanals (7) wenigstens 2,4 ist.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der kreisförmige Ausgangskanal (7) und das Meßrohr (It) einen koaxialen Ringspalt bilden. 3^

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspalt von einer zentralen zylindrischen Ausnehmung in einem Gehäuscvorsprung und dem koaxial in die Ausnehmung sich erstreckenden Meßrohr (11) gebildet ist, dessen eines Ende mit der Stirnfläche des Gehäusevorsprungcs (6) abschließt.