DE2810643A1

DE2810643A1 - Zur ermoeglichung einer impulslaengenmodulation des im einen ausgang eines fluidikelements liegenden strahls vorgesehene anordnung

Info

Publication number: DE2810643A1
Application number: DE19782810643
Authority: DE
Inventors: Per Svante Bahrton
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-03-15
Filing date: 1978-03-11
Publication date: 1978-09-21
Also published as: DK116178A; NO780860L; FI780818A; FR2384142A1

Description

Per Svante Bahrton

Loj ovägen 19

S-181 47 LIDINGÖ

Schweden

Zur Ermöglichung einer Impulslängenmodulation des im einen Ausgang eines Fluidikelements liegenden Strahls vorsehene Anordnung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Ermöglichung einer Impulslängenmodulation des im einen Ausgang eines Fluidikelements liegenden Strahls. Für diesen Zweck sind die zum Fluidikelement gehörenden Umlenkkammern über einen Widerstand mit einander verbunden, um auf diese Weise ein Schlingen des Strahls zwischen den Ausgängen des Fluidikelements zu bewirken. Es sei hier darauf hingewiesen daß bei einer Impulslängenmodulation des einen im Ausgang liegenden Strahls selbstverständlich auch eine Impulslängenmodulation des anderen im Ausgang liegenden Strahls stattfindet. In einem Sonderfall ist die Impulslänge in den beiden Ausgängen gleich groß.

Die vorliegende Erfindung gründet sich somit auf ein rückgekoppeltes Fluidikschwingelement (Fluidikoszillator). Dieses laßt sich in Flüssigkeits- und Gasfördersystemen aller Art als Proportional-Regelventil einsetzen. Als Beispiele für Flüssigkeitsfördersystemen, in denen die vorliegende Erfindung zur Prozeßsteuerung eingesetzt werden kann, sind zu nennen: Raffinerien, chemische Industrien, Wasserumlaufsysteme für Beheizungszwecke. Das Fluidikelement ist bauartgemäß für Medien aller Art, wie Säuren, Öle, Wasser u.dgl., geeignet. Das Fluidikelement läßt sich durch Steuersignale

von geringer Energie beeinflussen, da diese Signale, bedingt durch die Bauweise des Fluidikelements, verstärkt werden und eine Beeinflussung oder Aussteuerung eier ausgehenden Strahlen des Fluidikelements bewirken, so daß eine proportionale Steuerung des Prozesses erhalten wird.

Die vorliegende Erfindung gründet sich somit auf einen rückgekoppelten Fluidikoszillator und dient dem Zweck, bei einem solchen rückgekoppelten Fluidikoszillator eine Impulslängenmodulatxon von äußerst niedriger Energie zu bewirken.

Die in erster Linie kennzeichnenden Eigenschaften einer Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung sind im kennzeichnenden Teil des nachstehend aufgeführten Patentanspruches 1 aufgeführt.

Eine gegenwärtig vorgeschlagene Ausführungsform der Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist mit Hinweis auf die beiliegende Zeichnung veranschaulicht, wobei

Abb. 1 eine Ausführungsform in stark vereinfachter Darstellung zeigt und Abb. 2 eine wahlweise Dichtungsausführung für die in Abb. 1 dargestellte Ausführungsweise zeigt.

In der im Anhang beiliegenden Zeichnung ist in Abb. 1 eine Ausführungsweise der für die Erfindung kennzeichnenden Anordnung dargestellt. Die Erfindung benutzt ein FIuidikelement 1 mit einem Eingangskanal 10 und zwei Ausgangskanälen 11 und 12. Zwischen dem Eingangskanal 10 und dem Ausgangskanal I1 liegt eine erste Umlenkkammer 13, und zwischen Eingangskanal 10 und Ausgangskanal 12 befindet sich eine zweite Umlenkkammer 14. Die Umlenkkammer 13 besitzt einen Anschluß 13a, während der Ausgangskanal II mit einem Anschluß lla versehen ist. Auf gleiche Weise besitzt die Umlenkkammer 14 einen Anschluß I4a, während der Ausgangskanal 12 mit einem Anschluß 12a versehen ist.

Die beiden Anschlüsse 13a und lla stehen in Verbindung mit je einem Eingangsanschluß 21, 22 einer Kapazitanzeinheit 2. An der Kapazitanzeinheit 2 ist steht ein Auagangsanschluß 23 in Verbindung mit dem Eingang 41 einer Resistanzeinheit 4. Auf gleiche Weise stehen die Anschlüsse I4a und 12a über die Anschlüsse 3! und 32 in Verbindung

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mit; u u ι υ i" Kapazitanzeinheit 3. Diese Kapazitanzeinheit 3 hat außerdem einen Ausgangsanschluß 33, der über einen Eingang 42 mit der Resistanzeinheit 4 verbunden ist.

Da die Kapazitanzeinheiten 2 und 3 in ihrer Bauweise völlig identisch ausgeführt sind, wird nachstehend lediglich die Kapazitanzeinheit 2 näher beschrieben.

Die Kapazitanzeinheit 2 enthält eine, wie in Abb. 1 dargestellt, an den gegenüberliegenden Wänden der Kapazitanzeinheit 2 fest angebrachte Membran 24, wodurch die Kapazitanzeinheit 2 in zwei Kammern unterteilt wird. Auf der einen Seite der Membran 24 befindet sich ein fest angebrachter Permanentmagnet 25, der in der in Abb. 1 gezeigten Stellung gegen ein Rohrende oder einen zum Anschluß 21 gehörenden Sitz 26 anliegt. Auf diese Weise kann der Permanentmagnet 25 über das Rohrende 26 eine Abdichtung des Anschlusses 21 bewirken.

Wenn vorausgesetzt wird, daß das das Fluidikelement 1 durchströmende Medium im Ausgangskanal II liegt, entsteht in der Umlenkkammer 13 ein Unterdruck, und das der Permanentmagnet 25 so angeordnet ist, daß er die Öffnung des Anschlusses 21 abdichtet, kann kein Medium in die in der Umlenkkammer 13 auftretende Unterdruckzone einströmen. Über den Anschluß lla und den Anschluß 22 in der Kapazitanzeinheit 2 wird jedoch Medium gegen die eine Seite der Membran 24 der Kapazitanzeinheit 2 gedruckt. Durch diesen Anschluß wird sich die Membran 24 zum Ausgang 23 hin bewegen. Das im Verhältnis zum Anschluß 22 auf der gegenüberliegenden Seite der Membran 24 vorhandene Medium wird nun mit einem dem Differenzdruck ziwschen den Anschlüssen lla und 12a entsprechenden Druck über den Anschluß 23 und den Anschluß 41 über die Resistanzeinheit 4 in die Kapazitanzeinheit 3 gedrückt. Diese Resistanzeinheit 4 kann aus einem sog. Push-pull-geschalteten Ventil bestehen.

In der Umlenkkammer 14 entsteht im Verhältnis zum Druck in der Umlenkkammer 13 ein Überdruck, und dieser Überdruck strömt durch den Anschluß 14a und den Anschluß 31 in die Kapazitanzeinheit 3. Der Differenzdruck zwischen Umlenkkammer 14 und Anschluß lla treibt nun duch die in der Resistanzeinheit 4 angeordnete Drossel ein Medium an. Je nach der Strömungsrichtung nimmt die in der Resistanzeinheit 4'angeordnete Drossel unterschiedliche Werte an, was durch die Einstellung der in der

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Resistanzeinheit 4 angeordneten Rückventile bedingt ist. Durch die aufgrund der Verschiebung der Membran 24 gegen den Anschluß 23 und der Verschiebung der Membran 34 gegen den Anschluß 31 bewirkte Verschiebung des Mediums kommt dann der Permanentmagnet 35 über die Sitzfläche 36 gegen den Anschluß 31 zu liegen. In dieser Phase ist die Membran 24 in der Kapazitanzeinheit 2 gespannt, und die die Membran 24 beaufschlagende Kraft überwindet die aus der Saugkraft der Umlenkkammer 13 und der Zugkraft des Permanentmagneten 25 bestehende Kraft, so daß sich die Membran 24 umgehend vom Anschluß 21 löst. Bei dieser Verschiebung wird Medium über die Anschlüsse 22 und 21 in die Umlenkkammer 13 gesaugt, und hierdurch wechselt die Strömung 10 vom Ausgangskanal 11 in den Ausgangskanal 12 über. Auf entsprechende Weise werden sich nun in Abhängigkeit vom durch den Ausgangskanal 12 strömenden Strahl unterschiedliche Drücke aufbauen, jedoch mit dem einzigen Unterschied, daß eine andere Zeit für den Strahl durch den Ausgangskanal 12 gewählt werden kann, da der Widerstand in der Resistanzeinheit 4 unterschiedlich für unterschiedliche Strömungsrichtungen durch die jeweilige Einheit ist.

Durch die oben beschriebene Rückkopplung wird das Fluidikelement nun in Schwingungen versetzt, und durch eine Veränderung des Widerstandes in der Resistanzeinheit 4 läßt sich die Verweilzeit für den Strahl in den beiden Ausgangskanälen 11 und des Fluidikelements verändern. Die Verweilzeit des Strahls hängt offensichtlich auch von der Stärke des Permanentmagnets 25 und von den sonstigen Parametern in den Kapazitanzeinheiten 2 und 3 ab.

Durch eine Einstellung der Resistanzeinheit 4 kann eine Impulslängenmodulation erreicht werden, und es besteht volle Freiheit, die Verweilzeit im jeweiligen Ausganskanal des Fluidikelements zu wählen.

Die Resistanzeinheit 4 kann i dieser Ausführungsart aus push-pull-geschalteten Drosseln bestehen, so daß die beim Schließen der einen Drossel die andere Drossel öffnet, und mit Hilfe der gem. Abb. 1 angeordneten Rückschlagventile entsteht ein Zustand, bei dem der Widerstand in der einen Richtung des Mediums einen Wert und in der anderen Richtung des Mediums einen anderen Wert annimmt.

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Die Drossel in der Resistanzeinheit 4 kann mit Vorzug unterschiedliche Widerstandswerte in Abhängigkeit von der Strömungsrichtung aufweisen. Wenn die Klappe dem Anschluß 41a näher zugestellt ist als dem Anschluß 42a_s bedeutet dies, daß der Hauptstrahl länger im Kanal 11 verweilt als im Kanal 12, da, dadurch daß die Strömung durch den Anschluß 41a und das Rückschlagventil 42b gelangen muß, der Widerstand in der entgegengesetzten Richtung größer ist.

Durch die oben beschriebene Rückkopplung kommt nun das Fluidikelement in Schwindung, und durch eine Veränderung des Widerstandes in der Resistanzeinheit 4 läßt sich die Verweilzeit des Strahl in den jeweiligen Ausgangskanälen 11 und 12 im Fluidikelement verändern. Die Verweilzeit im jeweiligen Kanal 11 und 12 richtet sich nach der Verdrängung, in der sich die Membran bewegt, und nach der Strömung, die sich gem. nachstehender Formel errechnet als

τ = Verdrängung

Verweilzeit Q„

Strömung

In dieser Formel bezeichnet Q die von den Drosseln in den Anschlüssen 41a und 42a und vom Druckunterschied zwischen den Anschlüssen lla und 12a abhängige Strömung.

Eine Impulslängenmodulation läßt sich somit durch Einstellen der Resistanzeinheit 4 bewirken, und es bestehen keine Grenzen in der Wahl der Verweilzeit in den jeweiligen Ausgangskanälen des Fluidikelements. Zwischen den Membranen 24 und 34 liegt ein Steuermedium eingeschlossen, für dessen Regelung nur geringe Leistung erforderlich ist.

In bezug auf die Bauweise des Fluidikelements gilt, daß das Element mit bistabiler Funktion und zwei Leitkanten 15 und 15' ausgeführt sein muß. Diese beiden Leitkanten sind gegenströmig in den Umlenkkammern 13 und 14 angeordnet. Wenn nachstehend die Parameter W, T, L und B eingetragen werden, sollte folgendes Verhältnis gelten:

T/W ungefähr gleich 0,05 - 0,3
B/L ungefähr gleich 0,05-0,2
S/W ungefähr gleich 1,5 - 3,5.

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Hierbei bezeichnet W den Abstand zwischen den beiden Leitkanten 15 und 15', T den Abstand zwischen dem Wandabschnitt unid der Leitkante 15, B den Abstand zwischen Leitkante 15 und der Kante zwischen der Umlenkkammer und dem Ausgangskanal 12 und S den Abstand zwischen Leitkante 15 und der Teilung zwischen den Ausgangskanälen 11 und 12.

Außerdem ist es notwendig, daß die Kanäle oder Anschlüsse im Fluidikelement ohne die Kapazitanzeinheiten und ohne die Resistanzeinheit einen möglichst geringen Widerstand aufweisen, so daß die für eine Veränderung der Strahlenlage erforderliche Strömung gewährleistet ist.

In Abb. 2 ist eine Dichtung ohne Permanentmagnet dargestellt. Gemäßt dieser Ausführungsform ist auf der Membran 24 eine O-Ring 31 angeordnet, der durch den geringen Unterdruck, der von den Umlenkkammern 13 bzw. 14 erhalten wird, eine Abdichtung bewirkt. Aus natürlichen Gründen muß die Dichtfläche 31a bearbeitet sein, damit der O-Ring 31 seine Dichtwirkung entfalten kann.

Wenn vorausgesetzt wird, daß die Anschlüsse 23 und 33 über eine regelbare Drossel miteinander in Verbindung stehen, ergibt sich für beide Ausgänge die gleiche Verweilzeit, die sich in Abhängigkeit von der Drosselgröße verändert. Eine starke Drosselung ergibt lange Verweilzeiten, während eine geringe Drosselung zu kurzen Verweilzeiten führt. Die Schwingfrequenz steht in direkter Abhängigkeit von der Größe der Drosselung. Außerdem richtet sich diese Frequenz nach der Durchsatzmenge, was bedeutet, daß eine große Durchsatzmenge zu höherer Frequenz führt als eine geringe Durchsatzmenge. Dieses Verhältnis kann man z.B. in einem Wärmemengenmeßgerät ausnutzen, indem man den Temperaturunterschied die Drosselung so steuern läßt, daß ein kleiner Unterschied zu einer starken Drosselung und ein großer Unterschied zu einer geringen Drosselung führt. Die gesamte Frequenz errechnet sich dann als das Produkt von Temperaturunterschied und Durchsatzmenge, die proportional zur Wärmemenge ist.

Die Anordnung gem. Abb. 1 läßt sich selbstverständlich auch in Regelkreisen anordnen.

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Die Erfindung beschränkt sich selbstverständlich nicht auf die oben als Beispiel aufgeführte Ausführungsweise, sondern sie erlaubt Abänderung im Rahmen der nachstehend aufgeführten Patenansprüche.

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Claims

HAUPTANSPRUCH

( 1 J Zur Ermöglichung einer Impulslängenmodulation des im einen Ausgang eines FIuidikelements liegenden Strahls vorgesehene Anordnung, wobei die im Fluidikelement angeordneten Umlenkkammern (13, 14) über eine Resistanzeinheit (4) mit einander in ~ Verbindung stehen, um hierdurch zu bewirken, daß der Strahl zwischen den zum Fluidikelement gehörenden Ausgangskanälen (11, 12) schwingt, wobei zu jedem Ausgang (11, 12) eine Leitung (11a, 12a) und zu jeder Umlenkkammer (13, 14) eine Leitung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Leitungen von den Ausgängen und die beiden Leitungen von den Umlenkkammern an je eine Kapazitanzeinheit (2, 3) angeschlossen sind, die über eine Resistanzeinheit (4) miteinander in Verbindung stehen, und daß das die Resistanzeinheit (4) durchströmende Medium vom Strahlenmedium getrennt ist.

UNTERANSPRÜCHE
2. Anordnung gemäß Patentanspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß das die Resistanzeinheit (4) durchströmende Medium über eine Membran (24, 34) oder auf gleichartige Weise vom Strahlenmedium getrennt ist und die Resistanzeinheit (4) für eine Drosselung des Mediums von einer ersten membranversehenen Kammer (2) zu einer zweiten membranversehenen Kammer (3) oder umgekehrt angepaßt ist.
3. Anordnung gemäß Patentanspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß eine Kapazitanzeinheit (2, 3) direkt mit der jeweiligen Umlenkkammer verbunden ist.'
4. Anordnung gemäß Patentanspruch 1, 2 oder 3,dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitanzeinheit aus einer membranversehen Kammer besteht, deren Membran eine Sitzfläche (26) für geschlossene oder geöffnete Stellung beaufschlagt.
5. Anordnung gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil u.a. aus einem Permanentmagneten (25) besteht.
6. Anordnung gemäß Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz aus einem O-Ring besteht.

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7. Anordnung gemäß einem der aufgeführten Patentansprüche, dadurch geke zeichnet, daß die am Ausgangskanal (lla) und an der Kapazitanzeinheit (2) angeschlossene Leitung neben dem Anschluß mit dem Ventilsitz (26) an der Kapazitanzeinheit (2) angeschlossen ist.
8. Anordnung gemäß einem der aufgeführten Patentansprüche, dadurch geke zeichnet, daß ein zur Umlenkkammer (13) gehörender Anschluß (13a) an der einen Seite der Membran (24) angeschlossen und die andere Seite der Membran (24) mit der Resistanzeinheit (4) verbunden ist.
9. Anordnung gemäß Patentanspruch 8,dadurch gekennzeichnet, daß die Resistanzeinheit (4) aus einem push-pull-geschalteten Ventil besteht.
10. Anordnung gemäß Patentanspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Impulslängenmodulation mit Hilfe von Drosseln in der Resistanzeinheit (4) und mit Hilfe einer mit diesen Drosseln interaktiven Feder geschieht.
11. Anordnung gemäß Patentanspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite membranversehene Kammer je einen Ventilsitz (26, 36) für geöffnete oder geschlossene Stellung beaufschlagt.
12. Anordnung gemäß Patentanspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Resistanzeinheit (4) aus einem Klappenventil besteht.
13. Anordnung gemäß Patentanspruch I,dadurch gekennzeichnet, daß die Impulslängenmodulation für jeden Ausgang gleichgroß gewählt wurde und die Frequenz über eine oder mehrere Drosseln in der Resistanzeinheit (4) regelbar ist.
14. Anordnung gemäß Patentanspruch 13,dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter des Fluidikelements so gewählt sind, daß sich eine zur Drosselungsgröße proportionale Frequenz ergibt.
15. Anordnung gemäß Patentanspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter des Fluidikelements so gewählt sind, daß sich eine zum Durchsatz proportionale Frequenz ergibt.

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