DE2447023A1

DE2447023A1 - Servomechanismus

Info

Publication number: DE2447023A1
Application number: DE19742447023
Authority: DE
Inventors: Michael T Hammond; Norman R Westfall
Original assignee: Sybron Corp
Current assignee: Sybron Transition Corp
Priority date: 1973-12-03
Filing date: 1974-10-02
Publication date: 1975-06-05
Also published as: CA1015618A; US3915062A; JPS5084787A; IN143532B; JPS6029002B2

Description

DIPL.-PHYS. F. ENDLTCH

PATENTANWALT

UNTERPFAFFENHOFEN

POSTFACH

18. 9. 7^ d/s

Betrifft: S 5587 Anmelder: Sybron Corp. Rochester, U. S. A.

Servomechanismus

Die Erfindung betrifft einen Servomechanismus gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches. Die Erfindung befaßt sich mit Instrumenten, insbesondere mit Relais und Servomechanismen, welche Fluiddrucke und einen Kräfteabgleich zur Herstellung einer Ausgangskraft, eines Fluiddruckes oder einer Bewegung verwenden, welche eine Eingangskraft, einen Fluiddruck oder eine Bewegung wiedergeben.

Relais und Servemechanismen der vorstehend beschriebenen Art sind allgemein bekannt. Im folgenden soll eine beispielsweise

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Aufzählung von derartigen Vorrichtungen aus der Patentliteratur gegeben werden, bei denen einzelne Bauelemente verwendet sind, die auch bei der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommen. Es sind dies:

die US-PS 3 574 486, die US-PS 3 472 257, die US-PS 3 403 598, die US-PS 3 285 07I, die US-PS 3 239 I39, die US-PS 2 978 908, die US-PS 2 7β1 317, die DT-PS 879 466,

die DT-PS 567 300, '

die GB-PS 567 300, und das russische Patent I98 OI3.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine weiterverbesserte Form eines Servomechanismus zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Hauptanspruches gelöst.

Mit der Erfindung wird ein Servomechanismus geschaffen, bei dem ein Fluiddruck zur Anwendung kommt, wobei eine ejektorartige Düsenvorrichtung verwendet wird, um den Druck in einem Bereich zu regeln, der Unterdrucke und Überdrucke enthält.

Mit der Erfindung werden des weiteren ein neuer und verbesserter Servomechanismus oder ein Relais geschaffen, welche ein Fluiddruck verwenden, wobei eine expandierbare und eine kontrahierbare Kammervorrichtung oder eine ähnliche Vorrichtung verwendet wird, um in nicht reaktiver Weise Lagenänderungen im Ansprechen auf den Fluiddruck hervorzurufen·

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Mit der Erfindung werden des weiteren eine verbesserte Form eines Servomechanismus oder eines Relais geschaffen, bei der ein Fluiddruck verwendet wird, wobei eine nicht reaktive, einstellbare Federvorrichtung verwendet wird, um eine Kraft auf einen Balken auszuüben, der. in dem Servomechanismus oder Relais enthalten ist.

Mit der Erfindung wird auch eine neuartige und verbesserte Form eines Servomechanismus geschaffen, bei der Fluiddruck zur Anwendung kommt und bei der die drei vorstehend genannten Vorrichtungen so kombiniert werden, daß eine Ausgangsbewegung im Ansprechen auf eine Kraft hervorgerufen wird, welche eine veränderliche Zustandsgröße wiedergibt.

Mit der Erfindung wird schließlich eine neuartige und verbesserte Form eines Relais geschaffen, welches einen Fluiddruck verwendet und bei dem die nicht reaktiv wirkende, einstellbare Federvorrichtung dazu dient, einen Fluiddruck zu erzeugen, welcher der Einstellung der Federvorrichtung entspricht. ■ . -

Wesentliche , Merkmale der Erfindung sind somit in einem Servomechanismus oder in einem Relais zu sehen, die von pneumatischer Bauart sind, und bei denen eine expandierbare und kontrahierbare Kammer zur Anwendung kommt, die aus einem flexiblen, mehr oder weniger nicht elastischen Material gebildet ist, sowie eine ejektorartige Düse und ein Balken, auf den eine Kraft wirkt, wobei eine Feder zwischen einem Ende des Balkens und einer Basis angebracht ist, wobei das an der Basis befindliche Ende der Feder an dem freien

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Ende eines Hebels befestigt ist, dessen anderes Ende um eine feste Achse verschwenkt werden kann, welche durch den Befestigungspunkt der Feder an dem Balken hindurchgeht. Die genannten Elemente werden miteinander in einer Vielzahl von bekannten Kombinationen zusammengesetzt, so daß sie als Relais und Servomechanismen wirken.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Gummibalgen oder eine äquivalente Vorrichtung mit einer ejektorartigen Düse derart verbunden, daß der Balgen expandiert und kontrahiert werden kann. Eine derartige Expansion und Kontraktion dient zur Einstellung der Lage von einer Federvorrichtung, die mit einem Balken verbunden ist, auf den Kräfte einwirken. Die Federvorrichtung ist so ausgebildet, daß eine derartige Einstellung, die von der Federvorrichtung auf den Balken ausgeübte Kraft verändert, ohne hierbei die gegen den Balken wirkende Reaktionskraft zu ändern. Dieser Kraft ist eine zweite Kraft entgegengesetzt, welche auf den Balken wirkt und die Düse steuert, so daß sich der Balken in derartiger Weise expandiert oder kontrahiert, daß die Änderung in der zweiten Kraft" eine derartige Änderung in der ersten Kraft bewirkt, so daß die zuerst genannte diese Änderung ausgleicht·

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung stellt eine Eingangsbewegung die Federvorrichtung zur Änderung der auf einen Balken wirkenden Kraft ein. Der Balken steuert einen Fluiddruck, der in eine zweite Kraft umgewandelt wird, welche auf den Balken in entgegengesetzter Richtung zu der von der Federvorrichtung hervorgerufenen Kraft wirkt, wobei eine derartige Anordnung getroffen ist, daß die Änderung in der Kraft der Federvorrichtung zu einer einen Abgleich hervorrufenden Änderung der zweiten Kraft führt.

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Die beiliegende Zeichnung bevorzugter Ausführungsbeispiele dient der weiteren Erläuterung der Erfindung.

Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Servomechanismus. Figur 2 zeigt ein Kräftediagramm entsprechend Figur 1.

Figur 3 zeigt ein Beispiel von einem erfindungsgemäßen Relais.

In Figur 1 wird zum Zwecke einer Darstellung (beispielsweise einer Aufzeichnung, einer Anzeige.oder zu ähnlichen Zwecken) eine Kraft mit einer bestimmten Größe an einen Balken 1 angelegt. Diese Kraft wird von einem Balgen 22 ausgeübt, der zwischen einem mechanisch starren, bzw. festgehaltenen Boden G und dem Balken befestigt ist.Der Balgen 22 nimmt einen Fluiddruck auf,der hinsichtlich seiner Größe, irgendeiner "Variablen,wie beispielsweise der Temperatur,einem Druckabfall'an einer Öffnung von einer Fluidstromungslei-. tung oder einer ähnlichen Zustandsgröße entspricht. Die Größe von der sich in der Kraft äußernden Zustandsgröße soll durch die Bewegung eines Schreibstiftes 2 wiedergegeben werden. Der Schreibstift 2 bewegt sich nach oben und unten auf einer Führungsstange 3* so daß der Schreibstift auf. einem Registrierstreifen eine Spur 4 hinterläßt. Der Schreibstift wird von einem Arm 5 bewegt. Der Arm 5 trägt an seinem Ende einen krummlinig verlaufenden Schlitz 6. In den Schlitz 6 gleitet eine Nase 7, die an einer Hülse 8 befestigt ist. Die Hülse 8 trägt den Schreibstift. Des weiteren geht durch die Hülse 8 die Führungsstange hindurch. Dies ist. eine herkömmliche Anordnung, die des

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weiteren nicht näher beschrieben werden braucht. Es genügt lediglich, darauf hinzuweisen, daß bei der hier verwendeten Instrumentierung der Schreibstift eine etwas beanspruchende Belastung darstellt, zu groß um direkt von dem Druck in dem' Balg an 1 gehandhabt zu werden, abgesehen von der Zustandsgröße, die von dem Druck wiedergegeben wird.

Der Balken 1 ist an dem festen Boden schwenkbar angelenkt, was mittels herkömmlicher Querschienen-Schwenkverbindungen P (crossed-strip pivot ) erfolgt, deren Schwenkachse senkrecht zur Zeichenebene verläuft.

Eine Auslenkung des Balkens 1, das heißt eine Verschwenkung desselben um diese Drehachse wird von einer Ejektordüse 9 ermittelt. Die Düse 9 besteht im wesentlichen aus einem Leitungsstück, das eine Einschnürung 10 zwischen einem Einlaßende 11 und einem Auslaßende 12 aufweist, wobei des weiteren ein kleines Stückchen rechts von der Einschnürung eine Verzweigung 15 einmündet. Die Verzweigung 15 öffnet sich in den Auslaßbereich der Düse über eine Einschnürung 14.

Das Einlaßende 11 ist, wie aus dem Text der Zeichnung hervorgeht, mit einer Luftzuführung verbunden. Der Vorrat für die Luft steht unter einem bestimmten Druck, typischerweise 1,462 atü (20 psig), wobei die Luft wie üblicherweise gefiltert, getrocknet und reguliert ist.

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Die Öffnung an dem Auslaßende 12 der Düse ist so angebracht, daß die Oberfläche von dem Ende des Balkens 1 als Staukörper dient. Die Dimensionierung der Düse ist derart gewählt, daß dann, wenn das Ende des Balkens weit genug von dem Auslaßende 12 entfernt ist, eine Luftströmung davon austritt, welche Luft von der Verzweigung 13 in einem derartigen Ausmaße ansaugt, daß der Druck in der Verzweigung 13 deutlich unter den Atmosphärendruck,der in dem Außenbereich der Düse herrscht,abfällt,beispielsweise auf Unterdrucke von bis zu ungefähr -0,731 atü (-10 psig), in typischeren Beispielen auf-0,2824 atü bis -0,3β55 atü (-5 bis -5 psig).Umgekehrt sollte die Oberfläche des Balkens in der Lage sein,so nahe an das Auslaßende 12 heranzutreten,daß der Druck in der Verzweigung 13 bis auf wesentlich den vollen Vorratsdruck, im dargestellten Beispiel 1,462 atü (20 psig) angestiegen ist.

Die Verzweigung 13 ist mit keiner Druckluftquelle verbunden, sondern lediglich mit einer Luftkammer, wobei im vorliegenden Falle diese Luftkammer von einem Rohr 15* einer Kammer 17 und einem Balgen 16 gebildet wird, die T-förmig, wie mit dem Bezugszeichen 18 dargestellt, verbunden sind. Die Verbindung 18 und die Kammer 17 werden von einem starren Gehäuse 19 gebildet. Das Gehäuse 19 enthält einen offenen Bereich 20, der eine annähernde Führung und einen Schutz für den Balgen 16 liefert. Der Balgen 16 besteht vorzugsweise .aus einem Gummi., der eine ausreichende Flexibilität hat, so daß er eine schlechte Formstabilität und eine große Federkonstänte aufweist. Der Balgen 16 ist außerhalb einer sehr schwacken Druckfeder 21 angebracht, die in Längs- und in radialer Richtung gerade steif genug ist,' daß sie im Falle der Anlegung

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einer Unterdruckes an dem Balgen 16 in axialer Richtung zusammenklappt, wie dies bei Balgen in.üblicher Weise der Fall ist, und nicht auf irgend eine andere Art. Wenn in entsprechender Weise ein Überdruck im Inneren des Balgens 16 herrscht, verhindert die Führung 20, daß sich dieser in unerwünschter Weise nach außen von den Rippen aus entfaltet. Die Überlegung, einen Gummibalgen zu verwenden, bezweckt mit anderen Worten ausgedrückt, die Wirkungen von einem Kolben zu erreichen, der in einem Zylinder ohne Reibung und abgedichtet gegen' dieses gleitet· Die Form des Balgens ist dementsprechend so instabil, daß in radialer Richtung Begrenzungen für den Balgen benötigt werden, welche seine Ausdehnung derart einschränken, daß sich der Balgen im wesentlichen genau in axialer Richtung ausdehnt und zusammenzieht. Vorzugsweise ist ein Paar von einstellbaren Anschlägen, die kurz und allgemein mit S wiedergegeben sind, so angebracht, daß diese die axiale Ausdehnung und Zusammenziehung des Balgens 16 begrenzt. Die Anschläge S und das Gehäuse 19 sind selbstverständlich mit dem starren Boden oder der starren Basis verbunden. Im Gegensatz zu dem Balgen 16 kann der,Eingangsbalgen 22 ein herkömmlicher, metallischer Balgen sein.

Die Ausdehnung und das Zusammenziehen des Bälgen 22 im Ansprechen auf Änderungen des Innendruckes von dem in ihm enthaltenen Fluid werden bei der vorliegenden Erfindung durch eine Feder 23 ausgeglichen. Die Wirkung der Feder wird durch den Balgen 16 in Ansprechen auf einen Überdruck oder einen Unterdruck eingestellt, der durch das Ende des Balkens 1 hervorgerufen wird, wenn sich dieses in Richtung auf die Düse 9 oder von dieser hinweg bewegt. Dies wird dadurch erreicht, daß man die Feder 25 um eine Achse dreht,

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welche durch denjenigen Punkt des Balkens hindurchgeht, an dem die Feder befestigt ist, wobei jedoch die Spannung der Feder nicht geändert wird. Zu diesem Zwekke ist ein Hebel 24 mit einem Arm 124 versehen. Das freie Ende des Balgens 16 ist mit einer Stange 116 verbunden. Der Arm 124 und die Stange 116 sind so miteinander verbunden, daß sie die Verschiebungen der Stange 116 in Drehungen bzw. VerSchwenkungen des Hebels 24 umsetzen. Da die Verbindung zwischen der Stange 116 und dem Arm 124 in einem Bogen verlaufen muß, muß für die Stange 116 zumindest ein gewisses seitliches Spiel vorgesehen sein, so daß der Balgen den Hebel 24 frei verschieben kann.

Die einstellbare Spannung in der Feder 23 wird konstant gehalten, da.der Hebel 24 an einem Punkt der vorgenannten Achse schwenkbar angelenkt ist, welche durch den Punkt des Balkens 1 hindurchgeht, an dem die Feder 23 befestigt ist. Die Feder ist mit einem Arm 25 des Hebels verbunden, was mittels einer Justiereinrichtung geschieht, welche die Federlänge verändert, um damit die Spannung in der Feder auf einen vorbestimmten Wert einzustellen, j Hierbei nimmt insbesondere ein Stift 26, der koaxial zu der Achse angeordnet ist - die Achse verläuft senkrecht zu der Zeichnungsebene - eine drehbare Befestigung von einem Ende der Feder an der Achse und an dem Balken. Das andere Ende der Feder ist an einem justierbaren Gegenlager 27 befestigt. Das Gegenlager 27 ist auf eine Schraube 28 auf- . geschraubt. Die Schraube 28 ist an dent Arm 25 des Hebels an einem Paar von Streben 29 und 30 ^befestigt. Die Streben 29 und 30 erlauben ein Verdrehen der Schraube , halten sie

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Jedoch ansonsten fest. Es sei angenommen, daß die Schraube 28 gedreht wird. Dann bewegt sich das Gegenlager 27 derart, daß die Feder verkürzt oder verlängert wird. Im vorliegenden Falle ist die Feder von einer Zugfeder gebildete Es ist jedoch selbstverständlich auch möglich, sie als Druckfeder auszubilden, wobei in beiden Fällen eine Änderung von ihrer Länge, eine Einstellung ihrer Spannung ermöglicht.

Der Hebel 24 ist an der Bodenplatte· oder dem Boden mittels eines Schwenkzapfens 127 drehbar angelenkt. In der Zeichnung ist aus Gründen der Übersichtlichkeit der Schwenkzapfen 127 versetzt gegenüber dem unteren Ende des Balkens dargestellt. Bei einer tatsächlichen Ausbildung würde jedoch der Schwenkzapfen 127 über oder unter dem unteren Ende des Balkens 1 liegen, da die durch den Stift 26 hindurchgehende Achse auch die Schwenkachse für den Hebel 24 bildet.

Es versteht sich jedoch in jedem Falle, daß immer dann, wenn die Drehachse des Schwenkzapfens 127 durch den Punkt hindurchgeht, an dem die Kraft der Feder 2^ an dem Balken 1 angreift und wenn die Befestigung der Feder eine Drehung derselben um diesen Punkt ermöglicht, der Arm 24 gedreht werden kann, ohne daß dabei eine Arbeit geleistet werden muß. Bei der Drehung des Armes 24 müssen zwar Reibungsund Trägheitskräfte überwunden werden. Es bestehen auch Reibungs- und Trägheitskräfte, die von der Schreibst! ft anordnung, dem Arm 5 usw. herrühren. Dieser Widerstand ist jedoch in keinem Falle eine Reaktionskraft, welche auf die Einstellung der Kraft der Feder 23 zurück-

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geht, da die Federspannung sich nicht wesentlich ändert. (Die Federspannung ändert sich tatsächlich ein klein wenig, aus wohlbekannten Gründen, da der Balken 1 während des Betriebes leicht verbogen werden muß, sowie aus weiteren entsprechenden Gründen) Das gleiche trifft selbstverständlich auch zu, wenn als Feder anstelle einer Zugfeder eine Druckfeder verwendet wird.

Man kann jedoch aus dem in Figur 2 dargestellten Vektordiagramm ersehen, daß sich das Drehmoment, das an dem Balken 1 angreift, ändert, da es dem Sinus von dem Winkel proportional ist, den die effektive Länge des Armes 25 mit dem effektiven Hebelarm la des Hebels 1 einschließt.

Durch ein Verstellen des Gegenlagers 27 längs des Armes 25 kann man die Spanne, das heißt den Bereich einstellen· Eine Feder Jl für eine Nullpunktseinstellung bzw. einem Ablgeich auf 0 wird einstellbar zwischen einem im mechanischen Sinne starren Boden bzw. einer solchen Basis und dem oberen Ende des Balkens mit Hilfe einer Justierschraube 32 gehalten. Die Feder 31 liefert einen Nullabgleich. Man erkennt aus den Figuren, insbesondere aus Figur 2, daß im. Falle eines Angreifens von verschiedenen Kräften auf den Hebel und bei Erfüllung der folgenden Bedingungen:

1· Der Punkt 33 von Figur 2 ist der Ort, an dem sowohl die Feder 23 an der wirksamen Länge des Balkens 1 angreift und durch den die Schwenkachse ( 127) hindurchgeht

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2. Der Punkt 34 ist die Drehachse des Querschienenlagers P

3. Die effektive Länge des Balkens 1 wäre durch la wiedergegeben

4. Die verschiedenen Kräfte, Verschiebungen und effektiven Längen verlaufen senkrecht zu den beiden Achsen und in der Zeichenebene

daß die Summe der Bewegungen von allen auf den Balken wirkenden Kräften O sein muß, damit die Konfiguration von Figur 2 besteht. Man erkennt bei dieser Konfiguration, daß die vertikale Komponente von der Kraft der Feder 23 von der Reaktionskraft des Lagers P aufgenommen wird. Der Abgleich der Drehmomente hängt daher lediglich von der Feder 31* der horizontalen Komponente der von der Feder 23 ausgeübten Kraft und der von dem Balgen 22 ausgeübten Kraft ab. Bei dieser Konfiguration wirken die Nullpunktseinstellung und die Bereichseinstellungen nicht aufeinander ein.

Die Verwendung der Düse 9 dient selbstverständlich dazu, eine Abweichung des Balkens 1 von der vorgenannten Konfiguration zu ermitteln und im Ansprechen auf diese Abweichung je nach Erfordernis einen Über- oder einen Unterdruck an dem Balgen 16 anzulegen, so daß der Balgen in die vorgenannte Lage zurückkehrt, wobei insbesondere der Befestigungspunkt der Feder 23 an dem Balken 1 mit der Achse des Schwenkzapfens 127 zusammenfällt. Wenn das untere Ende des Balkens sich weit genug von der Auslaßöffnung 12 hinwegbewegt, nimmt die Ausströmge-

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schwindigkeit aus der Düse einen Wert an, der groß genug ist, daß in der Verzweigung 18 ein relativer Unterdruck entsteht, so daß Luft aus dem Balgen 16 über die Leitung- 15 herausgesaugt wird. Diese Luft wird von dem Luftstrahl mitgerissen, der von der Einschnürung 10 ausgeht und durch die Auslaßöffnung 12 abgegeben wird. Der Balgen 16 versucht sich nun in axialer Richtung zusammenzuziehen, da in seinem Inneren im Vergleich zum Außenraum ein Unterdruck besteht. Hierbei dreht der Balgen 16 den Arm 25 im Gegen-Uhrzeigersinne und die horizontal verlaufende Komponente, von der Kraft der Feder 23 nimmt ab. Die Richtung, mit der die Kraftkomponente auf den Balken 1 wirkt, ist derart, daß sie ihn von der Düse hinwegzuziehen versucht. Was auch immer versuchte, den Balken von der Düse in der ersten Lage hinwegzuführen, wird nunmehr von der Feder 23 in diesem Bestreben weniger unterstützt. Im vorliegenden Falle wird eine Situation in Betracht gezogen, bei der die ursprüngliche Auslenkung des Hebels durch eine Änderung in der von dem Baigan 22 oder von der Feder 31 hervorgerufenen Kraft bewirkt wurde. Eine derartige Änderung' würde das auf den Balken 1 wirkende Drehmoment lediglich um einen derartigen Betrag ändern, daß die anschließende Drehung des Armes 25 ausreicht, um eine derartige Änderung in der horizontalen Komponente der Kraft von der Feder 23 zu bewirken, das eine gleiche und entgegengesetzte Änderung in dem auf den Balken 1 wirkenden Drehmoment erzeugt wird.

Der Balgen 16 verschwenkt den Arm 25 solange weiter, bis die resultierende, auf den Druck zurückzuführende Kraft, welche der Differenz zwischen den absoluten

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Drucken im Inneren und im Äußeren des Balgens proportional ist, kleiner w.ird als diejenige Kraft, welche auf die kleinste, ermittelbare Verschiebung des Balkens zurückzuführen ist. Die kleinste feststellbare Verschiebung hängt in der Hauptsache von dem Reibungswiderstand ab, der bei der Verschiebung des Hebels 24 auftritt, das heißt von der Reibung des Stiftes 7 in dem Schlitz 6, von der Reibung der Hülse 8 auf der Führungsstange 3 und der Reibung, die bei der Drehung des Endes der Feder 23 an der Stelle 26 entsteht. Der Schwenkzapfen 127 würde ebenfalls zu der Reibung beitragen, falls er nicht von einer Querschienenlager-Bauart ist, welche friktionsfrei ist.

Der Druck in dem Balgen 16 kann absolut gerechnet, zwischen o, 731 at und 2,193 at (10-30 psia) variieren. Diesem Druck steht ein Außendruck von der umgebenden Atmosphäre entgegen, der annähernd 1,1 at ( 15 psia) beträgt. Dieser Druckbereich wird von einem Bewegungsbereich des Balkens 1 hervorgerufen, bei dem der Abstand von der Auslaßöffnung 12 von wesentlich 0 bis zu einem Abstand von einigen Tausendstel Zentimetern (genauer gesagt einige Tausendstel von 2,54 cm, dh. einigen Tausendstel inch) reicht. Es ist sehr leicht, den oben erwähnten Reibungswiderstand auf ein Niveau herabzusetzen, das kleiner ist als derjenige Bereich, der leicht durch Änderungen von einigen Zehnteln von 0,07031 at (einige Zehntel von einem psia) in der Druckdifferenz, die an dem Balgen-16 anliegt, gehandhabt werden kann.

Die Feder 21 erhöht die sehr geringe Federkonstante des Balgens 16. Die effektive Federkonstante des Balgens

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ist jedoch noch immer klein im Vergleich zu den Kräften, die von dem Balgen 22 oder von der Feder 23 auf den Balken 1 ausgeübt werden. Es wird daher nur eine sehr geringe Energie bei dem Expandieren des Balgens 16 absorbiert oder bei den Kontrahieren desselben wieder freigesetzt. Die wirksame Federkonstante des Balgens 16 kann in der Tat kleiner gemacht werden als der Reibungswiderstand von der Belastung, welche ihn bewegt. Wenn daher die an dem Balken 1 angreifenden Drehmomente abgeglichen sind (dh. wenn ihre Summe O ergibt) kann die Luftzuführung zu der Düse 9 unterbrochen werden, ohne daß der Balgen 16 dies bemerkt, da zu diesem Zeitpunkt sein Innendruck annähernd dem Atmosphärendruck entsprechen kann. So· weit dies nicht der Fall ist, besteht ein Reibungswiderstand zur Verschiebung des Hebels 24. Der Schreibstift 2 bleibt somit in der Lage, die er eingenommen hat,wenn der Druck nicht mehr vorhanden ist. Der Servomechanismus merkt sich somit sozusagen die Lage, die er eingenommen hat, wenn seine Druckzufuhr unterbrochen wird.

Der Widerstand, den der Hebel 24 einer Verschiebung entgegensetzt, kann klein genug sein, um den grundsätzlichen Mechanismus der Figur 1 als Relais mit einem Fluiddruckausgang zu verwenden, anstatt als Servomechanismus, der ein Ausgangssignal in Form einer Bewegung oder einer Lageänderung liefert. In Figur J5 ist beispielsweise ein Quecksilbermanometer 40 dargestellt. Das Quecksilbermanometer 40 enthält die üblichen Schenkel 41 und 42, die an dem Boden über eine Leitung 4j verbunden sind. Es enthält des weiteren ein als Einlaß dienendes Rohrverbindungsstück 44, das mit dem zu messenden Fluiddruck

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verbunden wird, sowie eine Quecksilberfüllung 45 und einen Schwimmer 46, der teilweise in das Quecksilber im Schenkel 42 eintaucht.Der Schwimmer 46 enthält eine Pührungsstange 47, welche durch eine Führung 48 hindurchläuft. Die Führung 48 bildet das Ende des Schenkels 42. Der Schwimmer 64 bewirkt über die Führungsstange die Aufzeichnung von Änderungen in dem Quecksilberniveau auf einem Registrierstreifen 49 mittels eines Schreibstiftes'50. Der Schreibstift 50 ist auf einem Schlitten 51 gelagert, der an dem Ende der Führungsstange 47 befestigt ist. Es sei angenommen, daß die Umgebungsluft einen freien Zugang zu dem Bereich oberhalb des Quecksilbers in dem Schenkel 42 hat. Das Manometer zeigt somit den Überdruck oder Unterdruck an, mit dem der in dem Schenkel 41 über dem Quecksilber liegende Raum durch das als Einlaß dienende Rohrverbindungsstück 44 beaufschlagt ist.

Das vorstehend beschriebene Manometer ist als solches von herkömmlicher Bauart. In einigen Fällen ist es jedoch erwünscht, den hiermit festgestellten Meßwert an eine Stelle zu übertragen, die in einer größeren Entfernung von dem Manometer liegt und/oder die Änderungen in der vertikalen Lage des Schwimmers 46 in einen entsprechenden Fluiddruck umzusetzen. Erfindungsgemäß läßt sich diese Aufgabe dadurch bewältigen, daß man den Schwimmer mit einer Abwandlung des erfindungsgemäßen Servomechanismus koppelt. Man erkennt aus Figur 5, daß diese Abwandlung im wesentlichen darin besteht, daß man den Balgen 16, die Düse 9 und die dazugehörige Struktur wegläßt und die Düse 9 durch eine Düse 52 ersetzt, die über

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eine Leitung 53 niit dem Balgen 22 verbunden ist. Der Balgen 22 enthält eine Leitung 54, welche dazu dient, diesen mit einem geeigneten Empfänger, wie einem Druckanzeigegerät, einem Regler usw. zu verbinden oder mit einem Balgen 22 von einem erfindungsgemäßen Servomechanismus. Die Düse ist des weiteren mit der üblichen Luftzufuhr über eine öffnung 55 verbunden. Die Luftzufuhr kann die gleiche sein, wie bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung. Die Düse 52 unterscheidet sich von der Düse 9 .dadurch, daß sie in stärkerem" Maße von herkömmlicher Bauart ist, wobei der rückwärtige Druck nicht kleiner werden kann, als der Atmosphärendruck, in welchen die Düse das Fluid austreten läßt.

Der Betrieb' von der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform der Erfindung versteht sich im wesentlichen von selbst. Immer dann, wenn sich der Schwimmer 46 nach oben und unten bewegt, wird nicht lediglich eine Kraft zur Verschiebung des Schreibstiftes 50 geliefert, sondern es erfolgt vielmehr auch eine Verschwenkung des Armes 5 und 25 mittels eines Zapfens 56, der an dem Schlitten befestigt ist. Der Zapfen 56 gleitet in den Schlitz 6 des Armes 5· Der Schwimmer 46 übt somit die gleiche Wirkung aus, wie der Balgen 16 von Figur 1. Wenn sich daher der Schwimmer 46 nach oben bewegt, erfolgt eine Drehung der Feder 23 im Uhrzeigersinne, wodurch der Balken 1 im Gegen-Uhrzeigersinne verschwenkt wird. Hierdurch wird die Oberfläche des Balkens 1 näher an die Düse52 herangebracht. Dieser Vorgang drosselt die Düse, so daß ein Druckanstieg in dem Balgen 22 erfolgt. Der Balgen 22 verschiebt daher den Balken 1 im Uhrzeigersinn im wesentlichen nach rückwärts in seine Ausgangslage zurück,was aus den

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wohlbekannten Prinzipien von Kraftausgleichinstrümenten der verschiedensten Arten verständlich wird. Der Druck in dem Balgen 22 breitet sich über die Leitung 54 aus und gelangt somit an irgend ein weiteres Gerät, das damit verbunden ist, das beispielsweise ein Balgen oder eine äquivalente Anordnung sein kann. Hierdurch gelingt es, die vertikale Lage des Schwimmers 46 in einen Fluiddruck von entsprechender Größe umzusetzen.

In den folgenden Patentansprüchen wurde die Bezeichnung "nicht reaktiv" zur Abgrenzung der Ansprüche verwendet. Es ist nicht notwendig, einen Stand der Technik zu zitieren, um festzustellen, daß die grundsätzliche Idee einer expandierbaren und kontrahierbaren Kammer mit "einer Federkonstanten 0", das heißt, welche gegenüber einem Expandieren und Zusammenziehen keinen Widerstand ausübt, gut bekannt ist und daß sich eine derartige Vorrichtung auch in der Praxis in ausreichend guter Näherung durch Gummibalgen, Kolben, lose bzw. lockere Membrandosen und weitere Vorrichtungen verwirklicht ist. Auch die spezielle mechanische Anordnung der Feder 25 ist, wie aus dem eingangs der Anmeldung aufgeführten Stand der Technik hervorgeht, ein gut bekanntes, nicht selten verwendetes Mittel, wobei dieses ebenfalls bei der vorliegenden Erfindung zwecks ihrer nicht reaktiven Eigenschaft verwendet wird. Die Bezeichnung " nicht reaktiv" wird somit in den Patentansprüchen ordnungsgemäß dafür verwendet, um die entsprechende Struktur festzulegen, nicht nur weil diese Strukturen als,solche nicht neu sind, sondern auch und dies ist der wesentliche Grund -aus Gründen einer größeren Klarheit und einer gestrafften Darstellung.

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In der vorstehenden Beschreibung war die Erfindung anhand von aus bestimmten Bauelementen aufgebauten Ausführungsformen beschrieben worden. Der Grundgedanke der Erfindung beruht jedoch in der Art der Zusammenwirkung dieser Elemente. Es sind daher verschiedene Anwendungszwecke und strukturelle Abwandlungen möglich, .ohne daß hierbei der Grundgedanke der Erfindung verlassen wird. So könnte beispielsweisebei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung der Hebel 5 direkt von Hand in seine Lage gebracht werden, .oder durch einen handbetätigten Justiermechanismus (der nicht dargestellt ist) so daß ein Ausgangsdruck entsteht, der der Lage des Hebels 5 proportional ist oder der jeweiligen Einstellung eines derartigen Mechanismus.

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Claims

P_a_t_e_n_t_a_n_s_g_r_ü_c_h_e

l.j Servomechanismus gekennzeichnet durch die Kombination von

einer ersten Einrichtung (2j5, 5, 25) zur Erzeugung einer veränderlichen ersten Kraft und mit einem Element (5* 25)* welches dazu dient, diese erste Kraft nicht reaktiv zu ändern, sowie in Übereinstimmung mit einer Lagenänderung des· Elementes (5, 25);

einer zweiten Einrichtung (1,22),welche dazu dient, eine veränderliche zweite Kraft zu erzeugen, die eine veränderliche Zustandsgröße wiedergibt;

einer dritten Einrichtung (16-21), welche dazu dient, nicht reaktiv eine Lagenänderung hervorzurufen, welche bezüglich ihres Sinnes einem Fluiddruck entspricht, der an die dritte Einrichtung angelegt ist;

einer vierten Einrichtung (9-1¹O* welche dazu dient, einen Fluiddruck zu erzeugen, der hinsichtlich seines Sinnes der Änderung in der veränderlichen Zustandsgröße entspricht

wobei die dritte Einrichtung mit der ersten Einrichtung über das Element (5* 25) zur Erzielung der Lagenänderung verbunden ist und wobei die vierte Einrichtung mit der dritten Einrichtung verbunden ist, um den Fluiddruck auf diese wirken zu lassen, wobei schließlich

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die erste und die zweite Einrichtung derart miteinander verbunden sind, daß die ersten und die zweiten Kräfte in entgegengesetzte Richtung wirken;

und wobei ferner die zweite Einrichtung mit der vierten Einrichtung verbunden ist, um zu bewirken, daß die letztere den Fluiddruck in einem derartigen Sinne erzeugt, daß die erste veränderliche Kraft ihre Richtung und Größe derart umkehrt, daß die zweite veränderliche Kraft abgeglichen wird.

2. Servomechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung eine unter Spannung stehende Feder (23).enthält, die mit einem Ende an einem Punkt ("26, 33) der zweiten Einrichtung (.1, 22) verbunden und so angeordnet ist, daß sie von dem Element (5> 25) um den Punkt (26, 33) gedreht werden kann, so daß hierdurch die erste Kraft als Funktion der Drehlage und der Spannung der Feder (23) geändert wird, ohne hierbei die Spannung zu ändern; ;

daß die erste Einrichtung einen Verstellmechanismus (27 - 30) enthält, welcher dazu dient, die Spannung der Feder (23) einzustellen, und daß eine Nullabgleichseinrichtung (31* 32) vorgesehen ist, welche dazu dient, eine einstellbare feste Kraft zu erzeugen, wobei die Nullabgleichseinrichtung betriebsmäßig mit der ersten und zweiten Einrichtung verbunden ist, um den Abgleich der hiervon ausgeübten Kräfte entsprechend der festen Kraft zu ändern.

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Servomechanismus nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß .die ersten Einrichtung ein Hebel ( 5* 25) enthält, wobei das eine Ende desselben den Punkt trägt und das andere Ende bezüglich einer gegebenen Achse (127) verschwenkt werden kann, die einen Punkt auf der zweiten Einrichtung (1, 22) hat und wobei die Feder (25) zwischen den Punkten (26,27) befestigt ist, so daß sie auf Grund ihrer Spannung eine Kraft in Richtung der Verbindungsgeraden zwischen . den Punkten ausübt; und daß der Hebel das Element (5* 25) bildet, wobei eine einstellbare Justiereinrichtung (27-30) die Feder (23) mit dem Element (5,25) verbindet, um die Spannung der Feder zu ändern.

4. Servomechanismus nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Einrichtung eine nicht reaktive expandierbare und kontrahierbare kammerartige Einrichtung (l6- 21) enthält, die mit der vierten Einrichtung (9- 1^) verbunden ist, so daß der an ■ diese angelegte Fluiddruck die Kammereinrichtung expan- ; diert und kontrahiert,und daß die Kammereinrichtung mit dem Element (5, 25) verbunden ist, um . dieses entsprechend dem Fluiddruck zu verstellen.

5. Servomechanismus nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Einrichtung eine Düse (9) enthält, die mit einer Verzweigung (13) versehen ist, aus der ein Fluid strömt, das von dem durch die Düse (9) strömenden Fluid mitgerissen wird, wenn diese Strömungsgeschwindigkeit größer ist als eine

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vorgegebene Geschwindigkeitj sowie daß die vierte Einrichtung einen Widerstandskörper enthält, der so: mit ihr zusammenarbeitet, daß die Strömung die gegebene Geschwindigkeit überschreiten kann oder daß die Strömung ausreichend zugesetzt wird, so daß das Fluid in dieser Strömung zu der Verzweigung (I3) fließt; und daß die dritte Einrichtung mit der Verzweigung (13) verbunden ist so daß die Strömung von der Verzweigung oder in die Verzweigung erfolgen kann, welche hieran als Fluiddruck für ein Expandieren oder Kontrahieren der Kammereinrichtung angelegt wird, wobei der Widerstandskörper wirksam mit der zweiten Einrichtung (1,22) verbunden ist, um hierdurch derart betätigt zu werden, daß die zuletzt genannte Strömung der Änderung der Zustandsgröße entspricht.

6. Servomechanismus, insbesondere als Relais, insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:

eine auf eine Zustandsgröße ansprechende Vorrichtung (40), welche dazu dient, eine Ausgangsbewegung zu erzeugen, die der Zustandsgröße proportional ist;

einen Hebel (5, 25) der mit der Vorrichtung (40) verbunden ist, so daß der Hebel um eine erste feste Achse (127) proportional zu der Ausgangsbewegung verschwenkt werden kann;

einer zu dem Hebel (5, 25) gehörigen Feder (23), deren eines Ende mit einem Punkt (27) auf dem Hebel verbunden ist, der in einem Abstand von der gegebenen

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Achse (127) liegt;

einem Balken (l), der um eine zweite feste Achse schwenkbar verschieblich angebracht ist, die parallel zu der ersten gegebenen Achse (127) verläuft;

eine Kraftausgleichseinrichtung (22,52,53), die betriebsmäßig mit dem Balken (l) verbunden ist, um eine Abweichung desselben aus seiner gegebenen Lage zu ermitteln und im Ansprechen auf diese Abweichung eine Auslenkung des Balkens in die entgegengesetzte Richtung hervorzurufen; sowie

einer Befestigung des anderen Endes der Feder (23) an einem Punkt (26) auf dem Balken (1) im Abstand von der zweiten gegebenen Achse, wobei die gegebene Lage der auf der ersten gegebenen Achse (127) liegt, wobei die Verbindung der Feder (2j) mit dem Balken (1) um eine Achse verdrehbar ist, die mit der zweiten gegebenen Achse zusammenfällt, wenn der Balken die gegebene Lage einnimmt und wobei die Feder so angebracht ist, daß sie eine Kraftwirkung in Richtung der Verbindungsgeraden zwischen den beiden Punkten (27, 26) entfaltet.

Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftausgleichseinrichtung eine Widerstandskörper-Düseneinrichtung (52) und eine Balkeneinrichtung (22) ist, wobei die Widerstandskörpereinrichtung auf eine Auslenkung des Balkens (1) aus der gegebenen Lage anspricht, um den Fluiddruck in dem Balgen (22) in einem Sinne zu ändern, der dem Sinne der Auslenkung

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entspricht, wobei die Balgeneinrichtung (22) betriebsmäßig mit dem Balken (l) verbunden ist, um eine Kraft darauf wirken zu lassen, welche der von der Feder (23) ausgeübten Kraft entgegengerichtet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder J, dadurch gekennzeichnet, daß eine Justiereinrichtung (27-30) vorgesehen ist, mit der die Länge der Feder (23) verstellt werden kann, wobei die Federkraft eine Funktion der Länge der Feder ist und daß eine verstellbare NuIlpunktseinsteliungs-Federeinrichtung (31) vorgesehen ist, welche auf den Balken (l) wirkt.

9. Vorrichtung insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hebel (5*25) vorgesehen ist, der um eine erste gegebene Achse (127) verschwenkt werden kann;

daß der Hebel (5, 25) eine Feder ( 23) enthält, wobei das eine Ende der Feder mit einem Punkt (27) an dem Hebel verbunden ist, der in einem Abstand von der gegebenen Achse (127) liegt, daß ein Balken (l) zum Zweck einer Auslenkung schwenkbar an einer zweiten gegebenen Achse gelagert ist, die parallel zu der ersten Achse verläuft und daß eine Kraftausgleichseinrichtung (22,52) betriebsmäßig mit dem Balken (l) verbunden ist, um dessen Auslenkung aus der gegebenen Lage festzustellen und um im Ansprechen auf diese Auslenkung eine Auslenkung des Balkens in entgegengesetzter Richtung zu bewirken, wobei die Feder (23) mit ihrem anderen Ende

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mit einem Punkt (26) auf dem Balken (l) verbunden ist, der in einem Abstand von der zweiten Achse liegt und wobei die gegebene Lage eine derartige ist, bei der der Punkt (26) auf der ersten Achse (12J) liegt und wobei schließlich der Verbindungspynkt der Feder (23) mit dem Balken (l) um eine Achse verdrehbar ist,die mit der zweiten gegebenen Achse zusammenfällt, wenn der Balken die gegebene Lage einnimmt und wobei ächließlich die Feder (23) so angeordnet ist, daß sie eine Kraftwirkung ausübt, die längs der Verbindungsgerade zwischen den Punkten (26, 27) verläuft.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9* dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftausgleichseinrichtung eine Widerstandskörper-Düseneinrichtung (52) und eine Balgeneinrichtung (22) enthält, wobei die Widerstandskörpereinrichtung auf die Auslenkung des Balkens von der gegebenen Lage anspricht, um den Fluiddruck in dem Balgen (22) in einer Richtung zu ändern, welche der Richtung der Auslenkung entspricht, wobei die beiden Einrichtungen (22) betriebsmäßig mit dem 'Balken (l) verbunden ist, um eine Kraft daran anzulegen, die entgegengesetzt zu der Kraft der Feder (23) verläuft.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch eine Justiereinrichtung (27-30) für die Beeinflussung der Länge der Feder (23), wobei die Feder-

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kr'af t eine Punktion der Federlänge, ist und daß eine Nullabgleichs-Federeinrichtung (3I) vorgesehen ist, welche auf dem Balken (1) wirkt.

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