DE2237722C3 - Pneumatische PositlonsmeBvorrlchtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine pneumatische Positionsmcßvorrichtung, bei der die Relativlage eines verschiebbaren Positionsgeber durch die Messung des Druckes in zwei Bohrungen erfolgt, die an verschiedenen Stellen entlang der Verschicberichtiing des Positionsgebers angeordnet sind, und der Positionsgeber bezüglich einer senkrecht zur Vcrschieberichtung liegenden Ebene derart symmetrisch ausgebildet ist, daß in einer definierten Stellung desselben vor den beiden Öffnungen in diesen gleiche Drucke entstehen, die bei einer Verschiebung des Positionsgebers ungleich verändert werden, so daß in den Bohrungen dann eine Druckdifferenz entsteht.

Derartige pneumatische Posit ionsmeßvorrichtungen sind bekannt (Lo I ze, W., Fciugcrätclcchuik, 17. .Ig., Heft IO/1 MoS. S. 463, Bild I). Aus beiden Bohrungen Irin dabei Strömungsmittel aus und trifft auf die beiden jeweils gegenüberliegenden Bereiche des Positionsgeber·) auf. die als Prallflächc wirken. In einer definierten Stellung ist die Rückwirkung, die durch das Auftrcffeii der mis den Auslritlsöffnungen der Bohrungen austretenden Strömung auf die Prallfläclien in den Bohrungen entsteht, in beiden Bohrungen gleich, so daß keine Druckdifferenz auftritt. Auf diese Weise kann eine bestimmte Rclativlagc des Positionsgebers gegenüber den beiden Bohrungen festgestellt werden. Der Positionsgeber wird dabei, wie auch bei anderen ähnlichen Systemen (Sharp et al., A Fluidic Absolute Measuring System, Instrument Practice, Januar l%8, S. 43, Fig. 1) durch Nocken gebildet.

Zum Messen tier Umlaufgeschwindigkeit einer rotierenden Zylinderflache ist ferner vorgesehen worden, entlang des Urnfangs des rotierenden Zylinders in der Grenzschicht in einer tangential zum Umfang der rotierenden Zylinderflüche angeordneten Flüche _zWei öffnungen vorzusehen. Die Anordnung hezüglich einer Mantelhnie der rotierenden Zylinderfläche ist derart, daß in der einen Bohrung der sich vor der Mantellinie aufbauende Druck und in der anderen Öffnung das hinter der Mantellinie entstehenden Teilvakuum aufgenommen wird. Heide Öffnungen werden einem Differenzdruekmeßgerät zugeführt daß ein der Umdrehungsgeschwindigkeit der rotierenden Zylinderfläche proportionales Signal abgibt (deutsches Patent 1 498 096). Diese Anordnung geht jedoch vom Druckaufbau durch die Grenzschicht eines rotierenden Körpers aus und gibt ein der Geschwindigkeit, nicht der Lage dts der Meßvorrichtunu gegenüberliegenden Körpers proportionales Signal ab. "

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine pneumatische Posilionsmeßvorrichiung zu schaffen. bei der ein wesentlich genauerer Abgleich, insbesondere aber ein genauerer Symmetrieabüleich möglich ist. ~

Erfindungsgemaß ist eine pneumalische Posiiionsmeßvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, daß durch die al* Sonden ausgebildeten Bohrungen (Sonderbohrungen) die DruckveihültnisseeinerSlrömungabgetastet werden, die durch Austreten eines Strömlingsmittels aus einer zwischen den Sondeiibohrungen senkrecht zur Verschieberichtung angeordneten Diise entsteht.

Ausfiihrungsbeispicle der Erfindung werden im folgenden an Hand der Figuren erläutert. Es stellen dar

Fig. 1 eine .schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Fig. 2eine .schematische Darstellung eines zweiten Ausführungt.neispiels der Erfindung.

Fig. 3 eine Darstellung der Abhängigkeit der Differenz des Druckes in den Sondenbohrungen win einer Verschiebung des Positionsgebers bei einer Anordnung nach Fig. 1,

Fig. 4a eine Darstellung der Abhängigkeit der Differenz des Druckes in den Sondenbohrungen von einer Verschiebung des Positionsgebers bei einer Anordnung nach Fig. 2, bei der die Breite des Nockens gleich dem Abstand der beiden .Sondenbohrungen voneinander ist, *

Fig. 4b eine Darstellung der Abhängigkeit der Differenz des Druckes in den Sondenbolmiimen von einer Verschiebung des Positionsgebers bei einer Anordnung nach Fig. 2, bei der die Breite des Nockens größer als der Absland der Sondenbohrimgen voneinander ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Fig. I ist in einem Block 1 eine Diise 2 vorgesehen, Üurch deren Auslritlsöffnung 3 Strömungsmittel austritt, das ihr über die Strömungsmittelzuführung 4, in der ein Speisedruck l\ herrscht, zugeführt wird.

Die aus der Austrittsöffnimg 3 der Düse 2 austretende Strömung trifft auf die Prallplatte 5, die in Richtung des Pfeiles .« verschiebbar ist und in der in Fi g. 1 gezeigten Stellung dera't gegenüber der Austrittsöffnung3 angeordnet ist, d-jß die Achse der Düse 2 in einer Symmetrieebene der Prallplatte 5 liegt.

Links und rechts von der Diise 2 sind in dem Block 1 zwei Sondenbohrimgen 6 und 7 vorgesehen. Ihr Alistand gegenüber der Achse der Düse 2 ist gleich.

Tritt nun Stromungsmittel aus der Düse 2 a.js und auf die Prallplatte 5 auf, und ist ferner die Prallplatte 5 gegenüber der Düse 2 so angeordnet, daß die Achse der Düse 2 in eine Symmelrieebene der Prallplatte 5 fallt, dann wird die aus der Düse 2 austretende Strömunggleichmäßig nach beiden Seiten umgelenkt, und es entsteht im Bereich der beiden Sondenbohrungen 6 und 7 ein Unterdruck, der - infolge der vorausgesetzten Symmetrie der Prallplatte im Verhältnis zu der auf sie auftreffenden Strömung - gleich ist.

Die Sondenbohrungen 6 und 7 sind mit Leitungen 11 und 12 verbunden, die ihrerseits mit Zuleitungen 9 und 10 verbunden sind, zwischen denen ein Druckmeßgerät 8 vorgesehen ist. das den Unterschied Δρ der Drücke in den Zuleitungen 9 und 10 mißt. In der soeben beschriebenen symmetrischen Stellung der Prallplatte 5 gegenüber der Düse 2 wird also eine Druckdifferenz von Ap = (I angezeigt.

Verschiebt man nun die Prallplatte 5 in Richtung des Pfeiles v, so fällt die Achse der Düse 2 nicht mehr in die S\mmeirieebene der Prallplatte 5 und demzulolge sind die Slromungsverhaltnis.se an den Bereichen des Blockes 1. an denen die Sondenbohrungen 6 und 7 austreten, nicht mehr gleich, so daß auch die durch sie abgetasteten Druckverhältnisse ungleich sind. Demgemäß bildet sich in den Leitungen 11 und 12 ein unterschiedlicher Unterdruck aus. der dann entsprechend durch das Druckmeßgerät 8 angezeigt wird. Der vom Driickmeßgerät 8 angezeigte Druck Ap isi somit ein MaB für die Verschiebung der Prallplatte 5 entlang der Richtung des Pfeiles s aus einer genau definierten Stellung.

Die Sondenbohrungen 6 und 7 dienen dazu, den sich vor ihren Austrittsöffnimgeii gegenüber der Prallplatte 5 ausbildenden Unterdrück in der durch den Austritt von Stromungsmittel aus der Diise 2 entstandenen Strömung zu messen.

Stehen die beiden Sondenbohrungen 6 und 7 mil einem abgeschlossenen Volumen in Verbindung, so entstehen um den Bereich ihrer Aus'.rittsöffnungen Wirbelablösungen, d. h.der Unterdruck fällt zunächst exponentiell ab und steigt dann schlagartig - bei einer Wirbelablösung wieder an: dieser Vorgang wiederhol! sich dann fortlaufend: die Frequenz dieser Schwingung hängt neben einer Reihe von anderen Parametern (z. B. an die Sondenbohrimgen angeschlossenes Volumen) 11. a. von der Geometrie ab, in der sich die Strömung vor der Aiistrittsöffnung der Sondenbohrungcn ausbilden kann. Das bedeutet bei der in Fig. 1 gegebenen Geometrie der Prallplatte 5, daß die Frequenz '.on der Stellung der Prallplatte 5 in Richtung des Pfeiles ν abhängt. Bei genau symmetrischer Ausbildung der Düse 2 und der Sondenbohrungen <) und 7 könnte also ein Symmetrieabglcich und damit die Feststellung einer definierten Stellung der Prallplatte 5 in der obenerwähnten Weise durch einen Vergleich von Frequenz und Phase der sich in den Sondeiibohrungen 6 und 7 und dem ihnen angeschlossenen Volumen ausbildenden Druckschwingung erfolgen. Diese Methode stößt jedoch auf schwierige fertigungstechnische Probleme.

Verbindet man hingegen das Volumen der beiden Sondenbohrungen 6 und 7 mit der Atmosphäre, so entsteht durch den Unterdruck in ihnen eine Saugströmung. Schaltet man nun in die Leitungen 11 und

12 Vordrossclii 13 und 14 ein. und greift hinter ihnen (in Richtung der Saugströmungj den statischen Wanddruck ab, so zeigt das Druckmeßgerät die Differenz /\p der statischen Wanddrückc. Die Empfindlichkeit der Anordnung hängt im wesentlichen von den Geometrien der Sondenbohrungen 6 und 7 einerseits und der Vordrosscln 13 und 14 andererseits und ihrem Verhältnis zueinander ab. Der an den Druckteilern 15 und 16 abgegriffene Druck, der über die Zuleitungen 9 und 10 dem Druckmeßgerät 8 zugeführt wird, kann dadurch vergrößert werden, daß der Drucktciler mit tiberdruck anstatt mit Unterdruck betrieben wird. Die Vordrosseln 13 und 14 sind dann an eine Druckquellc 17 angeschlossen.

An Stelle der Prallplatte 5 kann auch ein Zylinder vor der Düse 2 und den Sondenbohrungen 6 und 7 angeordnet sein, dessen Achse senkrecht zur Achse der Düsenbohrung 2 verläuft, so daß symmetrische Strömungsverhältnisse vor den Sondenbohrungen 6 und 7 und damit eine Anzeige Ap = 0 entsteht, wenn die Achse der Düse 2 und eines davor angeordneten Zylinders in einer Ebene liegen. Wichtig dafür, daß jede Verschiebung der Prallplatte 5 in Richtung des Pfeiles s zu einer Änderung der Druckdifferenz Ap führt, ist, daß sich die Geometrie des Raumes zwischen Prallplatte 5 und der Stirnfläche des Blockes 1. in den die Düse 2 und die Sondenbohrungen 6 und 7 münden, in dem sich die Strömung ausbildet, mit der Verschiebung der Prallplatte 5 in Richtung des Pfeiles s ändert, wie das bei der in Fig. 5 gezeigten. leicht gekrümmten Oberfläche der Prallplatte 5 der Fall ist. Die Prallplatte 5 kann also auch beispielsweise durch ein Dachkantprisma mit sehr kleinen Neigungen ersetzt werden.

Die Prallplatte 5 in der Anordnung nach Fi g. 1 ist unter den dargestellten Voraussetzungen ein Positionsgeber, bei dem jeder Position eine bestimmte Druckdifferenz Ap entspricht.

Der Positionsgeber kann auch, wie in F i g. 2. durch einen entlang der Richtung des Pfeiles j verschiebbaren Nocken 18 gebildet werden. Einen besonders genauen Abgleich erhält man. wenn die Breite B des Nockens gleich dem Abstand der beiden Sondenbohrungen 6 und 7 voneinander ist.

Die Genauigkeit der Feststellung des Symmetrieabgleichs kann durch die Wahl des Speisedruckes /',. sowie durch das Verhältnis der Sündenbohrungen zu der Bohrung der Düse 2 in weiten Bereichen variiert werden. In Versuchen wurden Empfindlichkeiten von 70 bis 80000 mm WS/mm erzielt. Bei einer Ableseunsicherheit von ± 1 mm WS entspricht das einer Einfangunsicherheit von etwa 0,01 μχη. Die Reproduzierbarkeit liegt in derselben Größenordnung. Die Anordnungund ihr Betrieb ist mit einer geringen Umkehrspannung behaftet, die aber nur zum Teil auf strömungsdynamischen Effekten beruht. Bei Versuchen wurde eine Umkehrspanne von 6 σ ^k ± 0,1 μιη erzielt.

Gegenüber geringen Späh änderungen, also Änderungen des Abstandes Λ (vgl. Fi g. 1 und Fi g. 2) zwischen der Stirnfläche des Blockes 1 und der Prallplatte 5 bzw. dem Nocken 18 ist das System beim Symmetrieeinfang unempfindlich. Die günstigsten Ergebnisse werden bei sehr kleinem Abstand h = 10 bis 30 /im erzielt. Durch die kleinen Unsymmetricn im Aufbau wandert der Punkt, für den der Nullabgleich erfolgt, abhängig von Speisedruck P_x und Ahstand Ii aus. Man kann die Fehler jedoch vemachlassigbar klein halten, wenn der Speisedruck /', geregelt wird.

ίο Die F i g. 3. 4 a und 4 b zeigen die Kennlinien, d. h. die Abhängigkeit des am Oruckmeßgcrät 8 gemessenen Druckunterschiedes Δρ (mm WS) von der Verschiebung der Positionsgeber entlang der Richtung des Pfeiles s (/<m). Als Parameter sind verschiedene Speisedruckc P, eingezeichnet. Fig. 3 zeigt die Kennlinie einer Anordnung nach F i g. 1. F i g. 4 a zeigt die Kennlinie einer Anordnung nach Fig. 2. d. h. einer Anordnung, bei der die Breite des Spaltes B gleich dem Abstand der Sondenbohrungen 6 und 7 ist.

so Fig. 4b zeigt die Kennlinie einer Anordnung nach Fig. 2, bei der die Breite R des Nockens 18 größer als tier Abstand der beiden Sondenbohrungen ist.

Für die erfindungsgemäße Positionsmeßvorrichtung ergeben sich eine Reihe von Anwendungsmög-

^5 lichkciien. Sie stellt einen bcrührungslosen Fuhlcrdar, der einerseits zur Positionierung eingesetzt werden kann, um Bauteile, so z. B. Werkstückträger nach einer an diesem Bauteil anzubringenden Marke sehr genau zu positionieren. Dieselbe Anwendungsmöglichkeil ergibt sich im Prinzip beim Einsatz in Meßvorrichtungen, bei denen z. B. zylindrische Teile relativ zu einem Meßfühler ausgerichtet werden müssen. In diesem Fall kann der eigentliche Meßfühler direkt von der Düse 2 dargestellt worden. Ferner cignet sich die beschriebene pneumatische Positionsmeßvorrichtung zum Einfangen von Marken oder Nocken, die als Maßvcrkorperung auf einem Maßstab angebracht sind. Der lineare Zusammenhang zwischen dem Druck Ap und der Verschiebung des Nokkcns kann dabei gleichzeitig zur Interpolation von Zwischenwerten herangezogen werden.

Ferner läßt sich die erfindungsgemäße Positionsmeßvorrichtung als analoger Wegaufnehmer mit fliiidischem Ausgangssignal einsetzen. Eine zylindrische Prallplatte bzw. ein Dachkantprisma oder auch der Nocken werden dabei mit einer spielfreien Lagerung, so. "twa durch Plattfedcrn, senkrecht zur Achse der Düse geführt. Die Prallplatte wird dann mit einem mechanischen Taster versehen.

Wird eine ebene oder prismatische Prallplatte unter der Düse 2 schief angestellt, so wird in den beiden Sondenbohrungen ebenfalls ein Differenzdruck abgegriffen. Liegt die Drehachse der Prallplatte in einer Ebene mit der Achse der Düse 2, so ist eine solche Anordnung geeignet, kleine Winkeländerungen sehr genau aufzulösen. Die Prallplatte selber kann nun aul einen mechanischen Winkeltaster bzw. in vertikalei Anordnung auf ein Pendel aufgesetzt werden. Dei Fühler läßt sich derart als Meßgrößenumformer in ei nen Winkeltaster bzw. einer pneumatischen Libelli einsetzen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. Pneumatische Positionsmeßvorriehiung, hei der die Relativlage eines verschiebbaren Posi- s tionsgebers durch die Messung des Druckes in zwei Bohrungen erfolgt, die an verschiedenen Stellen entlang der Verschieberichtung des Positionsgebers angeordnet sind, und der Positionsgeber bezüglich einer senkrecht zur Verschieberichtung liegenden Ebene derart symmetrisch ausgebildet ist, daß in einer definierten Stellung desselben vor den beiden Öffnungen der beiden Bohrungen gleiche Drücke entstehen, die bei einer Verschiebung des Positionsgebcrs ungleich verän- '5 dert werden, so daß in den Bohrungen eine Druckdifferenz entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß durch die als Sonden ausgebildeten Bohrungen (6, 7) (Sondeiibohrungen) die Druckverhälinisse einer Strömung abgetastet werden, die durch Austreten eines Strömungsmil-IeIs aus einer zwischen den Sondeiibohrungen (ft,

   7) senkrecht zur Verschieberichiung (ν) angeordneten Düse (2) entsteht.

   2. Pneumatische Positionsnießvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsgeher (5,18) über den gesamten in der definierten Stellung zwischen den Sondeiibohrungen (6,7) liegenden Bereich als Prallfläche ausgebildet ist. " 3"

   3. Pneumatische Positionsnießvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der einem Druckdifferenz-Meßgerät (8) zugeführte Druck in den Sondcnhohruugci (6, 7) an einem Druckteiler (15, 16) abgegriffen wird, der durch die Verbindung der Sondeiibohrungen (6, 7) mit einer Vordrosscl (13, 14) gebildet wird.

   4. Pneumatische Positionsnießvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingänge der den Sondenbohrungen (6, 7) vorgeschalteten Vordrosseln (13. 14) mit einer Quell·· (17) eines unter Druck stehenden Mediums verbunden sind.

   5. Pneumatische Positionsmeßvorrichtung nach Anspruch !.dadurchgekennzeichnet,daß der Pt)-sitionsgeber durch eine Prallplatte (5) gebildet wird, deren Oberfläche beiderseits einer Symme-Iriccbene, die parallel zur Achse der Düse (2) verläuft, symmetrisch geneigt ist.

   6. Pneumatische Positionsmeßvorrichtung nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsgeber durch einen Zylinder gebildet wird, dessen Achse senkrecht zur Achse der Diise (2) verläuft.

   7. Pneumatische Positionsmcßvorriehtung nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsgeber durch einen Nocken (18) gebildet wird.

   iS. Pneumatische Positionsmeßvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (B) des Nockens (18) gleich dem Abstand der Sondenbohrungen (6, 7) voneinander ist.

   9. Pneumatische Positionsmeßvorrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsgeber bezüglich einer Achse rotalKtnssymmetrisch ausgebildet ist, die senkrecht zur Richtung (s) der Verschiebung des Positionsgeber verläuft.

   K). Pneumatische Positionsmeßvorrichtiing nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, da» der Speisedruck (P,) der Düse (2) geregell

   wird. . ,

   11. Pneumatische Positionsmeßvorrichtung, bei der die Relativlage eines Positionsgebers durch die Messung des Druckes in zwei Bohrungen erfolgt, die an verschiedenen Stellen gegenüber dem Positionsgeber angeordnet sind, und der Positionsgeber derart symmetrisch ausgebildet ist.da^ineiner definierten Stellung desselben vor den beiden Öffnungen der beiden Bohrungen gleiche Drucke entstehen, so daß eine Veränderung der Lage des Positionsgebers die Drücke ungleich verändert und dadurch in den Bohrungen eine Druckdifferenz entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß durch die als Sonden ausgebildeten Bohrungen (6, 7) (Sondenbohrungen) ('ic Druckverhältnisse einer Strömung abgetastet werden, die rl·irrh \ustrcien eines Strömungsmittel·; aus einer zwischen den Sondeiibohrungen (6, 7) angeordneten Düse einstellt.

   12. Pneumatische Positionsmeßvorrichiung nach Anspruch 1 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsgeber senkrecht zur Achse der Düse (2) durch eine Lagerung geführt und zum Zwecke der analogen VVc-gaufnahme mit einem Taster versehen ist.

   13. Pneumatische Positionsmeßvorrichiung nach Anspruch I I. dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsgeber um eine Achse drehbar gelagert ist,die mil der Achse der Düse (2) eine Ebene bildet.'