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"Vorrichtung zur wahlweisen Messung
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einer Flüssigkeitsströmung oder eines Flüssigkeitsdruckes
Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur wahlweisen Messung eines Flüssigkeitsdruckes
oder einer Flüssigkeitsströmung.
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Es ist bekannt, im Hauptstrom, d.h. zwischer Druckerzeuger und Verbraucher,
den Volumenstrom des zu dem Verbraucher strömenden Fluids meßtechnisch zu erfassen.
Dazu können beispielsweise Durchflußmeßsysteme, die nach dem Schwebekörper-Prinzip
arbeiten, verwandt werden. Hierbei wird ein elektrischer Meßwert beispielsweise
dadurch erzeugt, daß die Bewegung des Meßfühlers erfaßt und in ein elektrisches
Ausgangssignal umgewandelt wird, dessen Größe dem Volumenstrom entspricht. Hierzu
ist es wichtig, daß der Meßfühler von dem zu messenden Fluid vollständig umschlossen
wird und damit unabhängig vom jeweiligen statischen Druck arbeitet.
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Des weiteren ist es bekannt, den jeweils herrschenden Druck im Fluid
zu bestimmen. Um Druckmessungen vornehmen zu können, kommen vorwiegend elektrisch
arbeitende Druckmeßgeräte in Frage. Dazu wird beispielsweise eine Membran einseitig
druckbeaufschlagt. Ihre druckproportionale, elastische Durchbiegung wird elektrisch
erfaßt und in ein Meßsignal umgeformt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Meßeinrichtung bereitzustellen,
mit der wahlweise entweder der Druck oder der Volumenstrom eines Fluids erfaßt werden
kann.
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Die Lösung der Aufgabe ergibt sich dadurch, daß die meßseitige Kolbenfläche
einen von praktisch "0" an stetig zunehmenden Abflußquerschnitt gegen die auf den
Kolben einwirkende Kraft freigibt und daß die gegenüberliegende Kolbenfläche wahlweise
mit dem statischen Druck der Flüssigkeit oder mit einem Referenzdruck beaufschlagbar
ist. Die Lösung zeichnet sich dadurch vorteilhaft aus, daß mit ein und derselben
Vorrichtung einmal
der Volumenstrom und ein anderes Mal der Druck
erfaßt werden kann. Hierzu ist es lediglich erforderlich, ein handelsübliches Wegeventil
zu betätigen. Damit entfällt der gerätetechnische Mehraufwand für zwei separate
Meßeinrichtungen.
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Ein weiterer Vorteil dieser Vorrichtung ist es, daß sie in jeder Einbau-
und Betriebslage sicher und zuverlässig arbeitet. Unter Referenzdruck wird ein Druck
verstanden, dessen Größe bekannt ist. Er hat die Aufgabe, den Meßbereich der erfindungsgemäßen
Vorrichtung bei einer Druckmessung festzulegen.
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Durch die Ansprüche 2 und 3 werden technisch besonders einfach zu
verwirklichende Ausführungsformen beschrieben. Die Lösung nach Anspruch 2 ist besonders
dann vorteilhaft, wenn eine Druckmessung am Einlaß in die Vorrichtung gefordert
wird, wohingegen mit der Vorrichtung nach Anspruch 3 der Druck in dem Leitungssystem,
in dem sie eingebaut ist, bestimmt werden kann. Durch die Ausbildung als Zweistufenkolben
wird erreicht, daß mit ein und derselben Feder eine Strömungsmessung mit geringem
Druckabfall am Meßfühler und eine Druckmessung mit großem Meßbereich vorgenommen
werden kann.
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Die Ansprüche 4 und 5 lösen die Aufgabe, den jeweiligen vorliegenden
Meßwert sichtbar zu machen. Mit dieser Ausbildung ist eine einfache optische Überwachung
des jeweiligen Meßwertes erreichbar.
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Die Ansprüche 6 und 7 geben eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung
wieder, bei der der Meßwert als elektrisches Signal zur Verfügung steht. Diese Ausbildungsform
eignet sich besonders zur Fernanzeige und zur automatischen Überwachung.
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Durch Anspruch 8 wird ein vorteilhaftes Umschaltelement vorgeschlagen.
Dieses Element besitzt den Vorteil, daß es ein handelsübliches Produkt ist, so daß-
keine spezielle Anfertigung erforderlich ist.
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Durch Ansprüche 9 und 10 wird der Einsatz der erfindungsgemäßen
Vorrichtung
in einem elektro-hydraulisch arbeitenden Regelkreis wiedergegeben. Damit ist es
möglich, die erfindungsgemäße Meßeinrichtung in eine Regelanlage einzubauen, mit
der wahlweise entweder der Durchfluß oder der Druck geregelt werden kann.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Kolbens wird in Anspruch
11 wiedergegeben. Dabei gibt Anspruch 12 eine Möglichkeit an, wie der Kolben auszubilden
ist, um eine hohe Empfindlichkeit und geringe Viskositätsabhängigkeit zu erreichen.
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Die hydrostatische Lagerung nach den Ansprüchen 13 bis 15 bietet den
Vorteil, daß dadurch eine Selbstzentrierung der Führungsstange erreicht wird und
daß sie nahezu reibungsfrei in ihrer Führung gleiten kann. Dadurch werden eventuell
auftretende Hysteresefehler vermieden und die gewonnenen Meßwerte erheblich zuverlässiger.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand eines ausgewählten Beispiels
näher erläutert: Es stellen dar: Fig. 1 eine Schemaskizze der Erfindung; Fig. 2
eine schematische Ausführungsform im Querschnitt durch die erfindungsgemäße Meßelnrichtung
mit optischer Meßwertanzeige; Fig. 3 eine Ausführungsform der Meßeinrichtung mit
elektrischer Anzeige der Meßwerte; Fig. 4 eine Möglichkeit der Ausbildung der hydrostatischen
Lagerung der Meßstange; Fig. 5 ein Beispiel eines elektro-hydraulischen Regelkreises
mit der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Regelung des Durchflusses oder Druckes.
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In Fig. 1 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in vereinfachter Form dargestellt. Der Kolben 1 ist in dem Gehäuse 7 bewegbar. Er
trennt mit seiner zeßseitigen Kolbenfläche 2 den Zylinderraum 8, in den eine Leitung
einer hier nicht dargestellten Druckquelle mündet, von dem Abflußraum 4.
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Der Abf lußraum 4 wird im Gehäuse 7 zwischen den Kolbenflächen 2 und
5 gebildet und ist mit einer weiteren Leitung - üblicherweise einer Verbraucherleitung
- verbunden.
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Die Kolbenfläche 5 trennt den Zylinderraum 6, in dem eine Feder 3
angeordnet ist, vom Abf lußraum 4. Die Feder 3 drückt den Kolben 1 in seine unterste
Stellung, solange keine Flüssigkeit strömt.
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Der Zylinderraum 6 ist über einen Kanal 9 mit einem Wegeventil 10
verbunden. Dieses Wegeventil schaltet den Zylinderraum 6 entweder auf den Auslaßraum
4 oder auf Atmosphärendruck.
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Es ist selbstverständlich auch möglich, anstelle des Atmosphkrendruckes
jeden anderen Referenzdruck zu verwenden.
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Um die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchflußmessung zu verwenden,
wird das Ventil 10 in seiner skizzierten Stellung belassen. Dadurch sind sowohl
die meßseitige Kolbenfläche 2 als auch die gegenüberliegende Kolbenfläche 5 mit
der Meßflüssigkeit beaufschlagt. Entsteht nun eine Strömung in dieser Meßflüssigkeit,
so wird der Kolben 1 von dieser über die Länge der Hubstrecke I angehoben. Eine
weitere Anhebung des Kolbens 1 ergibt einen Abflußquerschnitt 4.1 aus dem Zylinderraum
8 zu dem Auslaßraum 4. Die Größe des Abflußquerschnittes 4.1 wird von der Stellung
des Kolbens 1 bestimmt, die wiederum von der Höhe der vorherrschenden Strömung abhängt.
Damit ist die Stellung des Kolbens ein Maß für die Größe der Strömung. Zu jeder
Strömung wird der Kolben 1 innerhalb der Hubstrecke I1 eine genau definierte Stellung
einnehmen.
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Eine Druckmessung ist mit dieser Vorrichtung nach Umschalten des Wegeventiles
in seine andere Schaltstellung möglich.
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Durch die Umschaltung wird der Zylinderraum 6 in diesem Beispiel auf
Atmosphärendruck geschaltet. Damit wirkt auf die Kolbenfläche 5 nun nicht mehr der
statische Druck der Meßflüssigkeit, so daß die Feder 3 voll wirksam wird. Die Federkennlinie
wird hierbei so gewählt, daß sie im Meßbereich, d.h. im maximal möglichen Hubbereich
des Kolbens 1 linear verläuft. Ist der zu messende Druck in der Meßflüssigkeit größer
als der von der Feder 3 ausgeübte Druck, so ist es möglich, anstelle der Verbindung
des Zylinderraumes 6 mit der Atmosphäre diesen mit irgendeinem Referenzdruck zu
verbinden.
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Dadurch wird die Wirkung der Feder unterstützt, wodurch der Meßbereich
der Vorrichtung verlegt wird.
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Entsprechend dem in dem Zylinderraum 6 wirkenden Druck und der Federkennlinie
der Feder 3 wirkt auf den Kolben 1 ein dem in der Meßflüssigkeit herrschenden Druck
entgegenwirkender Druck. Damit wird der Kolben 1 sich in dem Hubbereich I auf eine
entsprechende Druckhöhe einstellen.
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Aufgrund dieser Aufteilung in zwei Hubstrecken und der damit verbundenc
Meßbereichsteilung eignet sich diese Vorrichtung besonders zur Druckmessung im Zulauf
zu dem Zylinderraum 8.
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In Fig. 2 ist eine weitere Vorrichtung mit optischer Anzeige des Meßwertes
dargestellt. Sie besteht aus dem im Gehäuse 7 gegen die Kraft der Feder 3 verschiebbaren
Zweistufenkolben 1.1, der in seiner untersten Stellung den Zylinderraum 8 verschließt.
Die erste, größere Kolbenfläche 2 öffnet den Durchfluß zu dem Abf lußraum 4, an
dem beispielsweise eine Verbraucherleitung angeschlossen ist.
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Hier wird der Zylinderraum 6 von der Führung des Zweistufenkolbens
1.1 gebildet und von dessen zweiter Kolbenfläche 5 abgeschlossen. Der Zylinderraum
6 ist auch hier wie bei der Vorrichtung nach Fig. 1 über den Kanal 9 und ein 3/2-Wegeventil
mit
entsprechenden Druckquellen verbunden. Das 3/2-Wegeventil ist im einfachsten Fall
von Hand schaltbar.
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Bei der Durchflußmessung arbeitet die erfindungsgemäße Vorrichtung
gemäß Fig. 2 genau wie die in Fig. 1 beschriebene, nur mit dem Unterschied, daß
der Zweistufenkolben 1.1 sofort einen Abflußquerschnitt 4.1 freigibt. Um die Stellung
des Kolbens zu erfassen, ist deshalb in dem Gehäuse 7 ein Schaufenster mit einer
Meßskala 11 angebracht. Zur Druckmessung wird genauso,wie in Fig. 1 beschrieben,
verfahren. Da hierbei sofort ein Abflußquerschnitt 4.1 freigegeben wird, ist es
wichteig; daß im Abflußraum 4 ebenfalls der zu messende Druck herrscht. Auch hierbei
ist die Stellung des Zweistufenkolbens 1.1 durch das Schaufenster sichtbar, wobei
es möglich sein kann, daß für die Druckmessung eine weitere Skala verwendet werden
muß.
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In Fig. 3 ist eine nach den Lehren der Erfindung arbeitende Vorrichtung
mit einem elektrischen Meßwertgeber dargestellt.
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Der Zweistufenkolben 1.1 ist hier abgewandelt worden. Er besteht aus
dem Meßfühler 12, der tellerförmig ausgebildet ist und eine umlaufende Steuerkante
12.1 aufweist. Der Meßfühler 12 wird von der Führungsstange 13 im Gehäuse 7 geführt
und durch die Feder 3 in seiner Ruhestellung gehalten. Hier wird der Zylinderraum
6 von der Führung der Führungsstange 13 gebildet und von dem oberen Ende der Führungsstange
abgeschlossen.
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An dem oberen, freien Ende der Führungsstange 13 ist - im Gegensatz
zu Fig. 1 und 2 - eine querschnittskleinere Meßstange 14 angebracht, die den Zylinderraum
6 durchquert und in die Kammer 15 ragt. Diese Kammer steht über eine Verbindungsleitung
18 mit dem Abflußraum 4 in ständiger Strömungsverbindung. Deshalb erhält man hier
die druckwirksame Kolbenfläche 5 als Differenz fläche der oberen Stirnfläche der
Führung stange 13 zu der Meßstange 14.
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Der Zylinderraum 6 ist auch hier über den Kanal 9 mit dem
Wegeventil
10 verbunden, welches wie in den Fig. 1 und 2 beschrieben, angeschlossen ist.
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In der Kammer 15 ist ein Potentiometer 17 ortsfest angeordnet, dessen
Spannung über einen Schleifer 16, der an dem Ende der Meßstange 14 befestigt ist,
abgegriffen werden kann.
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Sowohl zur Durchfluß- wie auch zur Druckmessung arbeitet die hier
(in Fig. 3) wiedergegebene Meßeinrichtung analog zu der in Fig. 2 dargestellten.
Im Unterschied zu Fig. 2 ist hier allerdings kein Schaufenster mit einer Meßskala
angebracht, sondern die jeweilige Stellung des Meßfühlers läßt sich als elektrischer
Spannungswert an den Anschlüssen des Schleifers 16 abgreifen.
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In Fig. 4 ist eine besondere Ausführungsform der Führung stange 13
dargestellt. Sie besteht hier - im Gegensatz zu ihrem korrespondierenden Abschnitt
in Fig. 3 - aus den querschnittskonstanten Abschnitten 13.1, 13.2 und 13.3 und den
Kegelstümpfen 19 und 20.
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Der Zylinderraum 6 wird auch hier in dem Gehäuse 7 von der Führung
der Führungsstange 13 gebildet. Er wird jedoch nach unten durch die querschnittsgrößere
Fläche des Kegelstumpfes 19 begrenzt. Zur Kammer 15 hin begrenzt die größte Querschnittsfläche
des Kegelstumpfes 20 den Zylinderraum 6. Es ist jedoch zu beachten, daß die Grundfläche
des Kegelstumpfes 20 geringer ist als die des Kegelstumpfes 19, so daß die Kolbenfläche
5 sich als Differenzfläche der beiden Grundflächen ergibt. Die Grundflächen der
Kegelstümpfe sind einander zugewandt und über den Führungsstangenabschnitt 13.2
miteinander verbunden.
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Diese Ausbildung der Führungsstange 13 bildet eine hydrostatische
Lagerung. Durch die Druckdifferenz zwischen den Räumen 4 und 6 und den Räumen 15
und 6 entsteht eine Leckströmung zum Kanal 9. Diese Leckströmung bewirkt durch die
sich in Strömungsrichtung verjüngende Spalte eine Selbstzentrierung der Führungsstange
13
und eine reibungsarme Lagerung mit dem Vorteil, daß Hystereseerscheinungen beim
Aufwärts- bzw. Abwärtshub des Meßelementes vermieden werden.
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In Fig. 5 ist mit den zum Verständnis notwendigen Bauelementen ein
elektrischer Regelkreis zur Durchfluß- bzw. Druckregelung aufgebaut. Er besteht
aus der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung, einem Vergleicher und Verstärker 21, einem
Sollwertgeber 22, einem 2/2-Wegeventil 23 im Bypass zum Tank, einer Pumpe 24, einem
Verbraucher 25 und einem Betätigungsorgan 26 zur Betätigung des Wegeventiles 10.
Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung ist zwischen der Pumpe 24 und dem Verbraucher
25 in Reihe eingebaut. Der Verbraucher besteht in diesem Fall aus einer Zylinder-Kolben-Einheit,
die einseitig mit einer äußeren Last beaufschlagt ist.
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Um den Verbraucher mit einer vorbestimmbaren Geschwindigkeit zu verfahren,
wird die Meßeinrichtung auf Strömungsmessung geschaltet. Dazu verbleibt das Wegeventil
10 in seiner dargestellten Stellung, d.h. das Betätigungsorgan 26 ist geöffnet.
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An dem Sollwertgeber 22 wird ein gewünschter Sollwert vorgegeben.
Der Sollwert kann entweder manuell oder von einem Programm eingestellt werden.
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Da bei ruhendem Verbraucher kein Signal von dem Meßwertgeber geliefert
wird, an der Regeleinrichtung 21 allerdings ein Sollwert von dem Sollwertgeber 22
vorliegt, wird ein Steuersignal gebildet, das das Wegeventil 23 im Schließsinne
bewegt. Damit wird der von der Pumpe 24 gelieferte Volumenstrom durch die Meßeinrichtung
zu dem Verbraucher 25 gefördert. Aufgrund des Volumenstromes wird der Meßfühler
12 bzw. der Zweistufenkolben 1.1 angehoben. Dadurch wird der Schleifer 16 des Potentiometers
17 verschoben, so daß ein der Stellung des Meßfühlers 12 proportionaler Spannungswert
in die Vergleichseinrichtung 21 geliefert wird.
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Solange der Istwert kleiner als der Sollwert ist, wird das Ventil
23 weiter geschlossen, so daß ein noch größerer Volumenstrom zu dem Verbraucher
25 strömt.
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Ist hingegen der Istwert größer als der Sollwert, so wird das Ventil
23 weiter geöffnet, so daß ein Teil des Volumenstromes zum Tank abströmen kann.
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Liegt keine Differenz zwischen dem Soll- und dem Istwert vor, so wird
das Ventil 23 in seiner augenblicklichen Stellung gehalten.
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Zur Druckregelung wird das Betätigungsmittel 26 geschaltet. Dadurch
wird das Wegeventil 10 in seine zweite Stellung verschoben. Damit ist der Zylinderraum
6 druckentlastet, so daß die Kraft der Feder 3 allein wirksam wird. An dem Sollwertgeber
22 wird jetzt der gewünschte Druckwert eingestellt. Der Druck- Istwert wird - wie
eingangs beschrieben - über das Potentiometer 17 und den Schleifer 16 entsprechend
der Stellung des Meßfühlers 12 bzw. des Zweistufenkolbens 1.1 abgegriffen und der
Regeleinrichtung 21 zugeführt. Die Regeleinrichtung 21 arbeitet wie bereits bei
der Volumenstromregelung beschrieben.
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Ist also beispielsweise in Fig. 5 der von der Meßeinrichtung ermittelte
Druck zu hoch, so wird das 3/2-Wegeventil 23 geöffnet, so daß ein größerer Abfluß
zum Tank entsteht. Damit wird der Druck der Verbraucherleitung so lange sinken,
bis keine Differenz mehr zwischen Soll- und Istwert vorliegt.