DE2245806C3

DE2245806C3 - Veränderliches pneumatisches Widerstands-Kapazitäts-Verzögerungsglied

Info

Publication number: DE2245806C3
Application number: DE19722245806
Authority: DE
Inventors: Eckhard Ddr 7031 Leipzig Brauns; Manfred Ddr 7101 Baalsdorf Hopp
Original assignee: VEB KOMBINAT MEDIZIN- und LABORTECHNIK LEIPZIG DDR 7033 LEIPZIG DD
Current assignee: VEB KOMBINAT MEDIZIN- und LABORTECHNIK LEIPZIG DDR 7033 LEIPZIG DD
Priority date: 1971-12-23
Filing date: 1972-09-19
Publication date: 1986-01-02
Also published as: DE2245806A1; DD94946A1; DE2245806B2

Description

Die Erfindung betrifft ein veränderliches pneumatisches Widerstands-Kapazitäts-Verzögcrungsglied gemäß dem Oberbegriff des Haupianspruchs. In der pneumatischen Steuerungs- und Regelungstechnik ist dieses pneumatische Widerstands-Speicfcerglied auch als »pneumatisches Verzögerungsglied« bekannt, dessen Elemente (darunter sind sowohl .logische Glieder als auch Zusatzglieder wie Widerstände und Kapazitäten zu verstehen) Grundbausteine zum Aufbau eines Schaltkreises sind. Die Schaltzeit dieser Elemente ergibi

4¹) sich aus der Zcitdiffcrcn/. /.wischen dem Eingangs· und dem Ausgangssignal, gemessen unmittelbar am Element, welche jedoch durch die Größe der Ausgangsbclastung beeinflußt werden kann. Es gibt bereits Geräte, die physikalische Größen wie Druck, Temperatur, Weg,

:Λ Strom usw. in Signale umformen, die vom Schallsystem verarbeitet werden können, und umgekehrt gibt es Geräte, die Signale eines Schaltsystems in die erforderlichen Ausgangssignale umsetzen. So z. B. stehen für die Kopplung von analogen Regelkreisen oder pncuinatisehen Meßeinrichlungen mit Steuerungen sogenannte pneumatische Grenzwertschalter zur Verfügung, die bei einem voreingestellen Druck ein binäres Ausgangssignal liefern (DD-WP 75 592).

Beispielsweise ist es in der pneumatischen Sicue-

rungstechnik üblich,gewünschte Schaltzcitcn oder auch Schaltverzögerungen dadurch zu erzielen, daß man über einen pneumatischen Widerstand (R) ein Volumen (Kapazität C) auflädt und den entstehenden Druckanstieg auf einen vorgenannten Grenzwcrtschaller wirken iäßt. Dabei ist es möglich, jeweils eines der drei Hicmente einstellbar zu gestalten und die anderen auf einen bestimmten Wert festzulegen. Es ist aber auch möglich, eine getrennte l'inslcllbiirkeil bei zwei oder allen drei

Elementen vorzunehmen. Wenn jedoch bei der Benutzung solcher Elemente gefordert wird, die Ausgangsleistung im Verhältnis zur benötigten Steuerleistung des gleichen oder eines beliebig anderen Elementes zu kennen, demgegenüber aber ein erheblicher Aufwand infolge Mehrfachbedienung durch getrennte Einstellmöglichkcii sowie der bestehenden Ausgleichsschwierigkeitcn bei Kopplung untereinander notwendig ist, so kann die Lösung dies=ü Schallsysiems nicht befriedigen.

Bei der zwingenden Notwendigkeit daß die Aufladefunktion oder, was das gleiche ist, die Übergangsfunktion der verwendeten Elemente recht genau einer e-Funktion entsprechen soll, daß fernerhin die Zeitkonsianle der Übergangsfunktion in weiten Grenzen einstellbar sein muß und daß schließlich der voreingestellte Druck eine über die Grenze des Niederdruckbereiches von 100 ms WS hinausgehende Höhe aufzuweisen hat, kann das /?C-Glied nicht durch eine Laminardrossel, Turbulenzdrossel oder Konus-Konusdrossel bzw. Nadeldrossel mit jeweils nachgeschaltetem Energieschalier ersetzt werden.

Nach bisheriger Kenntnis wurden Laminudrosseln nur im Bereich des pneumatischen Niederdrucks (Druckbereich 0 ... 100mm WS) angewendet, da hier DurchfluDmenge und Druckabfall in einem linearen Zusammenhang stehen, und weil sich außerdem die kritische Re-Zahl relativ gut unterschreiten läßt.

Bei den bekannten Elementen wird bei Überschreitung des Niederdruckbereiches, abgesehen vom unlinearen Verhallen, der Einstellbereich stark eingeschränkt und die Nullpunktjustierung sehr schwierig und aufwendig. Ist ein großer Einstellbereich gefordert, wie es beispielsweise bei medizinischen Atemgeräten der Fall ist, so müßte durch stufenweise Veränderung der Speichergrößen eine stufenweise Veränderung der ZsitkoRstantsR vorgesehen werden, während die stetige Einstellung durch Veränderung des Widerstandes erfolgt. Der so erweiterte Einstellbereich mittels kapazitiver Elemente ist zwar leicht erreichbar, doch wird die Einstellgenauigkeit mit wachsendem Einstellbereich geringer.

Auch im Hinblick auf die Verwendung eines Grenzwcrtschaltcrs, der im allgemeinen wegen seiner ungünstigen Einstellbarkeit auf einen bestimmten Wert fest eingestellt ist, sowie den Drosselquerschnitt, dem wegen der Vcrschniutzungsgcfahr nach unten Grenzen gesetzt sind, müßte ein entsprechender Volumenangleich im Sinne einer Vergrößerung angestrebt werden.

Rs sind fernerhin Fluidsysteme bekannt, die besonders für Prozcßsteucrungen in der Verfahrenstechnik und in der Werkzeugmaschinensteuerung verwendet werden und die wegen ihrer relativen Einfachheit, ihrer leichten Wartung und der ihnen eigenen Zuverlässigkeit eine Reihe von Vorteilen bieten. Gegenüber Membranelementen zeichnen sie sich durch unbegrenzte Lagerzeit und Lebensdauer aus, die die des gesteuerten Gerätes bei weitem übertreffen. Obwohl Fluidicsysteme unempfindlich gegen Stöße und Erschütterungen sind, ein verbessertes Zeitverhalten bezüglich der Zeitglieder aufweisen und bei der Möglichkeit der Signalverstärkung von 100 mm WS auf 1 atü einen wesentlich geringeren Energiebedarf benötigen, sind diese logischen Funktionen in umfangreichen Steuerungen zu unhandlich und auch unwirtschaftlich. Beispielsweise erfordern die nach diesen Sysirmen aufgebauten Zählerschaltungcn wie Ringzähler, Binärzähler oder binär codierte De-/iinal/.ählcr eine erhebliiiie Anzahl peripherer Geräte, die im Verhältnis zu den eigentlichen Logikelementen einen breiteren Raum einnehmen. Die bekanntesten Zählerschaltungen sind gewöhnlich aus einen: Binärteiler aufgebaut, dessen Hauptstrahl aus dem nicht aktiven Ausgang Luft ansaugt wodurch eine Zirkulationsströmung in der Eingangsschleife entsteht. Es handelt sich also in Wirklichkeit um die Hintereinanderschaltung eines passiven und eines aktiven Bauteils.

Geht man davon aus, daß die einfachste Form eines Verzögerungsgüedes lediglich aus einem Widerstand und einem Energiespeicher besteht und geht man weiterhin davon aus, daß bei diesem Verzögerungsglied die Aufladefunktion nahezu einer e-Funktion entspricht, dann erscheint zunächst der bereits erwähnte veränderliche Laminarwiderstand mit sich anschließendem Festspeicher, bezüglich der mit ihm erreichbaren Zeitverzögerungen als das geeignetste pneumatische Widerstands-Kapazitäts-Verzögerungsglied.

Der gerätetechnische Aufbau des einstellbaren Laminarwiderstandes ist sehr einfach. Ein Kolben, in den eine gewindeartige Rille eingeschnitten ^?/i, wird mit Hilfe einer Einstellschraube so in einem ZyFkider bewegt daß die zwischen der Ein- und Austrittsöffnung liegende Rille mehr oder weniger von der Zylinderwand abgedeckt wird. Dabei hat die Rille die Eigenschaft eines Kapillar-Widerstandes, dessen Länge in weiten Grenzen veränderlich ist

Das dem Laminarwiderstand nachgeordnete Volumen bzw. die Kapazität C besteht aus einem gleichbleibenden gesonderten Speicherglied und bei nicht vollkommen genutzter Widerstandslänge zusätzlich aus dem im Zylinder vom Kolben nicht eingenommenen Raum. Dieser Raum jedoch beeinflußt die Einstellgenauigkeit und zwar zunehmend mit Verringerung der Widerstandslänge. Das heißt wird der Widerstand kleiner, wird das Volumen größer und umgekehrt. Sollte darüber hinaus die Zeitverzögerung größer als die mit einem Widerstands-Speicherglied erreichbare sein, so ist durch eine stufenweise Veränderung der Speichergrößen eine stufenweise Veränderung der Zeitkonstan- ten vorzunehmen. Die Hinzunahme zusätzlicher Speicherglieder führt einerseits zu einer Erweiterung der Elemente sowie des Schaltsystems insgesamt und verringert infolge des Anwachsens des Einsteilbereiches auch noch die Einstellgenauigkeit (siehe »Strömungsmechanische Logikelemente und -schaltungen — Fluidik«, VDI-Verlag Düsseldorf, Seiten 3 bis 9 und 23 bis 29).

Gegenstand eines älteren Patents (DE-PS 20 50 442) ist ein fluidischer Resonanzkreis nach Art eines Ventils.

dessen Aufgabe es ist, die Übertragungscharakteristik von fluidischen Leitungen für Druckschwankungen möglichst unabhängig von der Frequenz zu gestalten. Das V?n*il besteht im wesentlichen aus einem veränderlichen Laminarwiderstand, bei dem eine nutenförmige, gewendelte VertiefLng in der Zylinderinnenws>nd durch die Verschiebung eines Kolbens mehr oder weniger abgedeckt wird. Der Bewegungsspielraum des Kolbens ist durch einen zylindrischen Hohlraum begrenzt, dessen freies Volumen unabhängig von der Kolbenstellung durch ein Ausgleichsvolumen erhalten bleibt. Damit wird zwar die Justierbarkeit der fluidischen Induktivität und des fluidischen Widerstandes ermöglicht, das Ventil jedoch ist als pneumatisches Widerstands-Speicherglied ungeeignet.

(-.5 Es ist Aufgabe der £rfindung, ein universell anwendbares pneumatisches Widerstands-Kapazitäts-Verzögerungsglied für den Normaldruckbereich von 0,2 bis 1,4 kp/cm³ zu schaffen, bei dem der Einsteilbereich der

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Verzögerungszeit variierbar und das Speicherglied mit einer Kapazitätsreserve versehen ist. Dabei soll des weiteren, außer einer Ausgleichsmöglichkeit für Kapazitätsschwund und Verschleißerscheinungen am Durchflußquerschnitt, mit einer Zunahme der Widerstandslänge eine Vergrößerung der Kapazität und mit einer Reduzierung der Widerstandslänge eine Verkleinerung der Kapazität einhergehen.

Erfiridungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs I angegebene Merkmalskombination gelöst. Durch das beschriebene Abdecken der Rille im Kolben entsteht der wirksame Kapillarwiderstand. Die damit geschaffene Möglichkeit, die Nutzungsverhältnisse von Widerstand und Volumen annähernd proportional zu gestalten, gestattet eine Einstellung des vollen Widerstandswertes bei gleichzeitig voller Wirksamkeit des Volumens bis hin zu deren beiden kleinsten Größen. Auf diese Weise wird der Einstellbereich für die Zeitverzögerung wesentlich erhöht und gleichzeitig die Einstellgenauigkeit verbessert. Außerdem kann mittels nachgeschaltetem Grenzwertbaustein der Zeitbereich in Form einer Zusammendrängung oder Spreizung variiert werden, wenn gleichfalls de. Vordruck konstant festgelegt ist.

Zweckmäßige Weiterbildungen des veränderlichen pneumatischen Widerstands-Kapazitäs-Verzögerungsgliedes nach dem Patentanspruch 1 sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden und ist in der Zeichnung schematisch dargestellt.

Der Zylinder 1 des Laminarwiderstandes umschließt das Volumen 2, in welchem sich der Kolben 3, der ein in axialer Richtung sich erstreckendes Kolbenführungsteil 3a aufweist, axial bewegt. Der Kolben 3 wird in einer elastischen, im Zylinder eingesetzten Buchse 4 geführt, welche, abhängig von der Kolbenstellung, eine schraubenförmig auf dem Umfang des Kolbens 3 angeordnete Rille 5 vollkommen (wie in der Zeichnung dargestellt), teilweise oder gar nicht abdeckt Die Teile 3 bis 5 bilden die Widerstandsleitung. Der Zylinder 1 besteht aus zwei miteinander verschraubbaren Zylinderteilen 6 und 7, von denen der Zylinderteil 6 mit einem festen Anschlußkörper 8 für das Eingangssignal sowie mit einer Kolbenführung und einer Buchsenaufnahme versehen ist. Im Zylinderteil 7 ist in dessen Bohrung ein Verstellkolben 9 und in dessen Wandung ein für das Ausgangssignal bestimmter Anschlußkörper 17 angeordnet. Die Buchse 4 ist im Zyiinderteil 6 konisch gelagert. Das Passungsspiel zwischen der Buchse 4 und dem Kolben 3 wird mit zunehmender Einschraubtiefe des Zylinderteils 7 zunehmend kleiner. Die Geometrie und Elastizität der Buchse

4 sind so bemessen, daß sie bei Verringerung des Passungsspiels die Verschiebbarkeit des Kolbens 3 gewährleisten und dabei eine Querschnittveränderung der Rille

5 ermöglichen. Der mittels einer aus einer im Kolbenführungsteil 3a angeordneten Nut 10 und einem in diese ragenden Gewindestift 11 bestehenden Verdrehsicherung gesicherte Kolben 3 hat in seinem Führungsteil 3a einen axial verlaufenden Kanal 12, der die Verbindung zwischen dem Anschlußkörper 8 und der Rille 5, und damit der Widerstandsleitung, herstellt. Das Kolbenführungsteil 3a und der Verstellkolben 9 sind mit Dichtungsmitteln 13 versehen. Die Zyünderteile 6,7 sind mit Entiüftungsbohrungen 14,18 versehen, die in die Zylinderbohrung 15 in Nähe der Einstellschraube 16 bzw. hinter dem Verstellkolben 9 in den durch ihn abgetrennten Teil des Volumens münden.

Sollen der Widerstandswert des Laminarwiderstandes und gleichzeitig das Volumen 2 verändert werden, so wird der Kolben 3 mittels der an dem Kolbenführungsteil 3a angreifenden Einstellschraube 16 axial bewegt. Dadurch wird entsprechend der Kolbenstellung die Rille S von der Buchse 4 vollkommen (bei größtem Volumen 2, wie in der Zeichnung dargestellt), teilweise (bei reduziertem Volumen 2) oder gar nicht (bei kleinstem Volumen 2) abgedeckt. Dabei ist der über den Anschlußkörper 8 eingegebene Vordruck, der der Geometrie des Laminarwiderstandes, d. h. der Länge und dem Querschnitt der Rille 5, zugrunde gelegt wurde, konstant zu halten. Beispielsweise ist die kür/csic /eil einer Impulsübermittlung erreicht, wenn die Rille 5 von der Buchse 4 gar nicht abgedeckt ist und das Volumen 2 seine kleinste Ausdehnung besitzt, und umgekehrt ist die größte Zeit einer Impulsübcrmittlung erreicht, wenn die Rille 5 von der Buchse 4 vollkommen abgedeckt ist und das Volumen 2 seine größte Ausdehnung besit/i. Durch eine Verschiebung des Verstcllkolbens 9 im Zylinderteil 7 ist die Größe des Volumens 2 und durch Veränderung der Geometrie, der Steigung und der Rillenanzahl ist der Widerstandswert des Laminarwiderstandes und damit der Einstellbcreich des pneumatischen Widerstands-Kapazitäts-Vcr/.ögcrungsgliedes variierbar. Außerdem ist für Justierzwecke ein VoIumenabgleich mittels des Vcrstellkolbens 9 im Zylinderteil 7 möglich.

ω Bezugszeichen:

1 Zylinder

2 Volumen

3 Kolben

3a KolbenfUhrungstcil

4 Buchse

5 Rille

35

40

6 Zyiindertci!

7 Zylinderteil

8 Anschlußkörper

9 Verstellkolben

10 Nut

11 Gewindestift

12 Kanal

13 Dichtungsmittel

14 Entlüftungsbohrung

15 Zylinderbohrung

16 Einstellschraube

17 Anschlußkcrper

18 Entlüftungsbohrung

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Veränderliches pneumatisches Widerstands-Kapazitäts-Verzögerungsglied, bestehend aus einem veränderlichen Laminarwiderstand in Form eines in einem Zylinder angeordneten, mit Hilfe einer Einstellschraube verschiebbaren Kolbens, in den eine gewindeartige Rille eingeschnitten ist, die beim Verschieben des Kolbens mehr oder weniger von dem den Kolben umschließenden Zylinder abgedeckt wird (Widerstandsleitung), und des weiteren bestehend aus einer in Strömungsrichtung hinter dem Laminarwiderstand sich anschließenden zylindrischen Kammer, deren Volumen die Kapazität darstellt, gekennzeichnet durchdie Kombination folgender Merkmale:

daß das die Kapazität darstellende, mit dem Anschlußkörper 17 for das Ausgangssignal verbundene und mittels eines in axialer Richtung verschiebbaren VerstellkclSens (9) veränderbare Volumen (2) einen größeren Durchmesser hat als der Kolben (3) des Laminarwiderstandes und sich in axialer Richtung unmittelbar an den Laminarwiderstand anschließt, der Bewegungsspielraum für die Verschiebung des Kolbens (3) also Teil des Volumens (2) ist; daß im Zylinder (1) des Laminarwiderstandes eine Buchse (4) eingesetzt ist, welche die in den Kolben (3) eingeschnittene Rille (5) je nach dem Grad der Verschiebung des Kolbens (3) abdeckt — vollkommen bei größtem Volumen (2), teilweise bei reduziertem Volumen (2) und gar nicht bei kleinstem Volumen (2)—;

daß der Kolben (3) auf d«r von dem die Kapazität darstellenden Volumen (2) abg wandten Seite ein in axialer Richtung sich erstreckendes Kolbenführungsteil (3a) aufweist, das der Zylinder (1) des Laminarwiderstandes mit umschließt und an dem die Einstellschraube (16) angreift; und
daß das Kolbenführungstei! (3a) an seinem Umfang mit einem axial verlaufenden Kanal (12) verschen ist, der die Verbindung zwischen dem an dem Zylinder (1) des Laminarwiderstandes befestigten AnschluL)-körper (8) für das Eingangssignal und der in den Kolben (3) eingeschnittenen Rille (5) herstellt

2. Pneumatisches Widerstands-Kapazitäts-Verzögerungsglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (1) aus zwei miteinander verschraubbaren Zylinderteilen (6; 7) besteht, von denen das vordere Zylinderteil (6) mit dem Anschlußkörper (8) für das Eingangssignal sowie mit einer Kolbenführung und einer Aufnahme für die Buchse (4) versehen ist und in seiner Axialbohrung außer der Widerstandsleitung (3 bis S) den Kolbenführungsteil (3a) enthält und das hintere Zylinderteil (7) den Anschlußkörper (17) für das Ausgangssignal und in seiner Axialbohrung den Verstellkolben (9) aufweist.

3. Pneumatisches Widerstands-Kapazitäts-Verzögerungsglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Buchse (4) elastisch ausgebildet ist.

4. Pneumatisches Widerstands-Kapazitäts-Verzögerungsglied nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Buchse (4) sowie die Buchsenaufnahme derart konisch ausgebildet sind, daß mit zunehmender Einschraubtiefe des hinteren Zylindcrtcils (7) das Passungsspiel zwischen Buchse (4) und Kolben (3) zunehmend kleiner wird.

5. Pneumatisches Widerstands-Kapazitäts-Verzögerungsglied nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elastizität der Buchse (4) eine Größe aufweist, welche eine Verringerung des Passungsspiels und außerdem auch eine Querschnittsveränderung der Widerstandsleitung (3 bis 5) ermöglicht

6. Pneumatisches Wiiderstands-Kapazitäts-Ver/ögerungsglied nach einem der Ansprüche 1 Sis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (3) mit mehreren Rillen (5) versehen ist und die Steigung derselben entsprechend der erforderlichen Einsteliungsempfindlichkeit gewähla ist

7. Pneumatisches Widerstands-Kapazitäts-Verzögerungsglied nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (3) gegen Verdrehung gesichert ist.

8. Pneumatisches Widerstands-Kapazitäts-Verzögerungsglied nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrehsicherung aus einer im Kolbenführungsicil (3a) angeordneten Nut (10) besteht, in die ein Gewindestift (U) ragt.

9. Pneumatisches Widerstands-Kapazitäts-Verzögerungsglied nach einem der Ansprüche 1 bis 8, cladurch gekennzeichnet, daß der Kolbenführungsteil (3a) und der Verstellkolben (9) mit Dichtungsmitteln (13) versehen sic-d.

10. Pneumatisches Widerstands-Kapazitäts-Verzögerungsglied nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet.daß die Zylinderteile (6; 7) Entlüftungsbohrungen (14; 18) aufweisen.