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Technisches
Gebiet
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Diese Anmeldung betrifft mittels
Fluiddruck betriebene Wandler.
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Ein bekannter Wandler, der auf eine
Fluiddruckdifferenz in einem System reagiert, weist einen Kolben
auf, der in einem Hohlraum zwischen zwei Druckfedern angeordnet
ist, und die Druckdifferenz wird über den Kolben angelegt und
veranlasst ihn, sich aus einer Gleichgewichtsposition, die durch
den ausgeglichenen Zustand der Federn bestimmt ist, zu bewegen.
Die Verschiebung des Kolbens stellt eine Anzeige für die Druckdifferenz
zur Verfügung.
Ein Nachteil dieser Art von Wandler besteht darin, dass die Federn,
die an die Außenflächen des
Kolbens anstoßen,
veranlassen können,
dass sich der Kolben neigt und laterale Kräfte an der Seitenwand des Hohlraums
erzeugt, was zu einem ungenauen Betrieb oder einem ungenauen Erfassen
des Wandlers führt. Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Wandler
zur Verfügung
zu stellen, bei welchem dieser Nachteil reduziert oder überwunden wird.
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PATENT ABSTRACTS OF JAPAN, Vol. 013, no.
465 (M-882), 20. Oktober 1989 und
JP 01 182165 A (JIDOSHA KIKI Co. LTD.), 20.
Juli 1989, zeigt einen Wandler mit einem in einem Hohlraum angeordneten
Kolben, einer Zentriereinrichtung zum Zentrieren des Kolbens in
Längsrichtung
in dem Hohlraum, einer Fluideingabeeinrichtung, welche in den Hohlraum
auf jeder Seite des Kolbens derart einmündet, dass sich der Kolben
in Längsrichtung
im Hohlraum in Abhängigkeit
von einer auf den Kolben über
die Fluideingabeeinrichtung einwirkenden Druckdifferenz bewegt,
und einer Sensoreinrichtung zum Erfassen der Längsverschiebung des Kolbens,
wobei die Zentriereinrichtung eine federnde Einrichtung in der Form
von Federn aufweist, die in Längsrichtung
auf jeder Seite des Kolbens angeordnet sind.
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Offenbarung
der Erfindung
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Gemäß einem ersten Aspekt besteht
die Erfindung aus einem Wandler mit einem Kolben, der in einem Hohlraum
angeordnet ist, einer Zentriereinrichtung zum Zentrieren des Kolbens
in Längsrichtung
in dem Hohlraum, einer Fluideingabeeinrichtung, welche in dem Hohlraum
auf jeder Seite des Kolbens derart einmündet, dass sich der Kolben
in Längsrichtung
im Hohlraum in Abhängigkeit
von einer auf den Kolben über
die Fluideingabeeinrichtung einwirkenden Druckdifferenz bewegt,
und einer Sensoreinrichtung zum Erfassen einer Längsverschiebung des Kolbens,
wobei die Zentriereinrichtung eine federnde Einrichtung aufweist,
die in Längsrichtung auf
jeder Seite des Kolbens angeordnet ist und auf den Kolben über eine
zugeordnete Spannstange einwirkt.
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Ein Wandler von der gerade beschriebenen Art
ist einfacher und stabiler als die Wandler nach dem Stand der Technik.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind
die Spannstangen im Wesentlichen auf der Achse des Kolbens und verlaufen
vom Kolben, um in einem Halteelement zu enden.
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Jede federnde Einrichtung kann eine
Feder sein, die zwischen dem Kolben und dem Halteelement einer jeweiligen
Stange angeordnet ist. Jede federnde Einrichtung kann in Eingriff
mit dem Halteelement ihrer jeweiligen Stange und einer Halteoberfläche sein,
so dass die federnde Einrichtung komprimiert wird, um dadurch die
Stange zu dehnen bzw. zu spannen.
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Für
jede Stange können
das Halteelement, die federnde Einrichtung und die Halteoberfläche alle außerhalb
des Hohlraums sein. Alternativ dazu können diese Komponenten innerhalb
des Hohlraums angeordnet sein.
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In dem Fall, in welchem die federnde
Einrichtung eine Feder ist, kann sie eine schraubenförmige Spule
aufweisen, die um die Stange gewickelt ist, und an das Halteelement
anstößt.
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Die Stangen können Stäbe sein, die sich von jeweiligen
Außenflächen des
Kolbens in axialer Richtung erstrecken.
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Der Kolben kann ein Doppelkolben
sein, der auf jeder Seite des Hohlraums eine unterschiedliche Arbeitsfläche zeigt.
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Bei einem Ausführungsbeispiel erfasst die Sensoreinrichtung
eine Bewegung von einer der Stangen. Ein Teil der Stange erstreckt
sich innerhalb einer Anordnung von Spulen mit primären und
sekundären
Wicklungen, wobei die Stange wie ein Transformatorkern wirkt und
ihre Bewegung die wechselseitige Induktanz zwischen den primären und
sekundären
Spulen beeinflusst, was eine messbare Ladung bezüglich des Stroms in der sekundären Spule erzeugt.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kommen
die über
die Fluideingabeeinrichtung zum Hohlraum gelieferten Drücke von
einer jeweiligen Seite eines Kolbens in einem hydraulischen Stellglied
(wie es beispielsweise zum Positionieren einer Steueroberfläche eines
Luftfahrzeugs verwendet werden kann). In diesem Fall können die
zum Wandler gelieferten Drücke
die Belastung an dem hydraulischen Stellglied oder eine Verschiebung
von diesem anzeigen.
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Beschreibung
der Zeichnungen
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Nun werden zwei Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand nur eines Beispiels und unter Bezugnahme auf
die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, wobei:
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1 einen
Wandler zum Erfassen der Drücke
innerhalb eines hydraulischen Stellglieds mit gleichen Bereichen
auf gegenüberliegenden
Seiten des Kolbens zeigt und
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2 einen
Wandler zum Erfassen der zu einem Stellglied gehörenden Drücke zeigt, welches keine gleichen
Bereiche auf gegenüberliegenden Seiten
des Kolbens hat.
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Beschreibung
einer Art zum Ausführen
der Erfindung
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1 zeigt
ein hydraulisches Stellglied 1, von welchem die Arbeits-
bzw. Betriebsdrücke
durch einen Druck/Bewegungs-Wandler 3 und einen Bewegungs/Spannungs-Wandler 5 erfasst
werden. Das hydraulische Stellglied weist einen Kolben 7 in
einem Gehäuse
auf. Die Drücke
auf jeder Seite des Kolbens 7 können verändert werden, um seine Position
einzustellen, und folglich auch die Position eines Stabs 9, der
mit dem Kolben verbunden ist. Der Stab 9 ist effektiv,
um beispielsweise eine Steuerfläche
eines Luftfahrzeugs zu bewegen. Mehrere hydraulische Stellglieder
von diesem Typ werden manchmal zum Steuern einer Bewegung einer
einzigen Steuerfläche oder
eines anderen Elements verwendet. Die Situation kann dort entstehen,
wo diese hydraulischen Stellglieder gegeneinander wetteifern (Kräftevergleich), und
dies kann in einer unerwünschten
Belastung an der Steuerfläche
resultieren. Daher werden zum Schützen gegenüber solchen Kräftevergleichszuständen die
Drücke
innerhalb der hydraulischen Stellglieder, welche Drücke sich
auf eine Stellgliedbelastung beziehen, erfasst.
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Der Druck/Bewegungs-Wandler 3 wird
zum Erfassen der Drücke
innerhalb des hydraulischen Stellglieds 1 verwendet. Der
Wandler 3 ist in eine Bohrung in einem Körper 4 eingefügt, der
in Fluidkommunikation mit jeder Seite des Kolbens 7 ist.
Die Fluidverbindungen werden später
beschrieben. Der Wandler 3 weist zwei Kammern 11 und 13 auf,
die durch einen Kolben 15 getrennt sind. Die zwei Kammern 11 und 13 sind
teilweise durch die Randoberflächen
der Bohrung im Körper 4 definiert.
Dichtungsringe 6 isolieren die Kammern 11 und 13 voneinander, und
ein Dichtungsring 8 isoliert die Kammer 13 von der
externen Umgebung. Eine Laufbuchse 10 ist im Bereich des
Kolbens 15 vorgesehen. Ein enger Freiraum zwischen dem
Kolben 15 und der Laufbuchse 10 sorgt ohne exzessive
Reibung für
ein ausreichendes Maß an
Abdichtung um den Kolben 15.
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Ein Stab 17 erstreckt sich
von jeder Seite des Kolbens in die Kammern 11 und 13.
Wie es gezeigt ist, öffnet
sich die Kammer 13 nach außen in einen Abschnitt mit
einer größeren Bohrung,
die eine Feder 19 unterbringt. Die Feder 19 wirkt
gegen ein Halteelement 21 am Ende des Stabs 17 in
der Kammer 13 und gegenüber
einer Oberfläche 23 der
Kammer 13. Auf der anderen Seite des Kolbens 15 erstreckt
sich der Stab 17 durch eine Feder 25 in der Kammer 11 und
endet in einer Einstelleinheit 27. Die Feder 25 wirkt
gegen die Innenfläche 29 der
Einstelleinheit 27 und gegen eine Oberfläche 31 des
Gehäuses
des Wandlers 3. Die Federn 19 und 25 sind
effektiv, um die Einstelleinheit 27 und das Halteelement 21 weg vom
Kolben 15 vorzuspannen, was den Stab 19 unter Spannung
setzt und auch dazu neigt, einen Kolben 15 zu einer Gleichgewichtsposition
in der Laufbuchse 10 zwischen den zwei Kammern 11 und 13 zu
zentrieren.
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Die Kammer 13 ist mit einem
Bereich 33 des hydraulischen Stellglieds 1 mittels
einer Fluidleitung 35 in Fluidkommunikation versetzt, und
gleichermaßen
ist ein Bereich 37 des hydraulischen Stellglieds 1 mit
der Kammer 11 des Wandlers 3 mittels einer Fluidleitung 39 in
Fluidkommunikation. Es wird bemerkt werden, dass die Kammer 13 eine
Außenfläche des
Kolbens 15 mittels Löchern 14 im
Gehäuse des
Wandlers 3 gegenüber
dem Druck innerhalb des Bereichs 33 freilegt. Bei diesem
Ausführungsbeispiel zeigen
gegenüberliegende
Außenflächen des
Kolbens 15 den Kammern 11 und 13 gleiche
Bereiche, und zwar auf dieselbe Weise, wie gegenüberliegende Außenflächen des
Kolbens 7 den Bereichen 33 und 37 des
Stellglieds 1 gleiche Bereiche zeigen. Daher wird dann,
wenn der Druck im Bereich 33 des Stellglieds 1 höher als
der Druck im Bereich 37 ist, der Druck in der Kammer 13 des
Wandlers 3 höher
als der Druck in der Kammer 11 sein, und der Kolben 15 wird
sich in der Richtung der Kammer 11 bewegen, bis die Kräfte im Wandler
ein Gleichgewicht erreichen.
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Die Bewegung des Kolbens 15 und
des Stabs 17 wird unter Verwendung des Bewegungs/Spannungs-Wandlers 5 erfasst.
Ein Stab (nicht gezeigt) ist in eine axiale Aussparung 41 im Halteelement 21 geschraubt
und erstreckt sich in den Bewegungs/Spannungs-Wandler 5,
der eine Anordnung mit primären
und sekundären
Spulen aufweist, die auf denselben zuerst genannten gewickelt sind und
die beide koaxial zu dem Stab sind, der von der Aussparung 41 vorsteht.
Eine Bewegung des Kolbens 15 veranlasst eine Bewegung des
Stabs, der in die Aussparung 41 angebracht ist und der
innerhalb des axialen Raums in den primären und sekundären Spulen
liegt. Eine Bewegung des Stabs veranlasst eine Änderung bezüglich der wechselseitigen Induktanz
zwischen den Spulen, was eine Änderung
bezüglich
des Stroms in der sekundären
Spule verursacht, welcher erfasst werden kann. Vorzugsweise ist
der Stab aus magnetisch weichem Eisen hergestellt, um Änderungen
bezüglich
der wechselseitigen Induktanz zu erhöhen. Der Stab erstreckt sich
innerhalb eines Isolationsrohrs (nicht gezeigt), das den Raum um
den Stab mit den anderen Teilen der Kammer 13 in Fluidkommunikation
versetzt und dennoch den Stab vor einer Fluidkommunikation mit dem Raum
innerhalb des Wandlers 5 isoliert, der die primären und
sekundären
Spulen enthält.
Der Stab ist zu einer relativen Bewegung in Bezug auf das Isolationsrohr
fähig.
Die Signalausgabe durch die sekundäre Spule ist auf die Bewegung
des Kolbens 15 bezogen, die wiederum auf die Drücke im hydraulischen Stellglied 1 bezogen
ist.
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Es wird einem Fachmann auf diesem
Gebiet klar werden, dass eine Einrichtung, die eine andere als der
Bewegungs/Spannungs-Wandler 5 ist, zum Messen einer Bewegung
und einer Verschiebung des Kolbens 15 verwendet werden
könnte.
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Beide Wandler 3 und 5 können zur
Kalibrierung oder zu anderen Zwecken eingestellt werden. Eine Einstelleinheit 27 ist
an dem Stab 17 durch eine Anordnung mit Gewinde angebracht,
die zulässt, dass
der Abstand zwischen dem Kolben 15 und der Innenfläche 19 der
Einstelleinheit 27 verändert
wird. Gleichermaßen
ist eine einstellende Ausgleichsscheibe 43 in der Verbindung
zwischen den Wandlern 3 und 5 vorgesehen, welche
eingestellt werden kann, um das Ausmaß zu verändern, bis zu welchem sich
der Stab von der Aussparung 41 in den Wandler 5 erstreckt.
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2 zeigt
ein hydraulisches Stellglied 45, das mit einer Sensoranordnung
verbunden ist, die einen Druck/Bewegungs-Wandler und einen Bewegungs/Spannungs-Wandler
aufweist. Die Anordnung, die in 2 gezeigt
ist, ist der in 1 gezeigten
Anordnung sehr ähnlich,
und nachfolgend sind nur die Hauptunterschiede beschrieben.
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Das hydraulische Stellglied 45 weist
einen Kolben 47 auf, der keine Außenflächen mit gleichem Oberflächenbereich
zeigt. Somit wird sich dann, wenn gleiche Drücke auf jeder Seite des Kolbens 47 wären, der
Kolben 47 derart bewegen, dass sich der Stab 49 vom
Stellglied 45 erstreckt (wobei die Kraft an der Außenfläche eines Kolbens
proportional zu dem Produkt aus dem Arbeitsbereich der Kolbenfläche und
dem Druck an der Kolbenfläche
ist). Daher wird es gesehen werden, dass der Stab 49 und
der Kolben 47 des Stellglieds 45 bei einer Konfiguration ohne
Belastung in einer Ruheposition gehalten werden, wenn sich die Drücke auf
jeder Seite des Kolbens 47 um ein bestimmtes Ausmaß, das nicht
Null ist, unterscheiden (abhängig
von den Dimensionen des Stellglieds 45). Somit muss dann,
wenn es für den
Druck/Bewegungs-Wandler erwünscht
ist, dass er eher seine Gleichgewichtsposition für den Zustand ohne Last als
den Zustand gleichen Drucks annimmt, der Druck/Bewegungs-Wandler 51 die
Tatsache berücksichtigen,
dass die Drücke
innerhalb des Stellglieds 45 im Zustand ohne Last nicht
gleich sind.
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Um dies zu erreichen, ist der Wandler 51 mit einem
kleinen Kolben 53 in einer Hülse versehen, die zu einer
Kammer 11 schaut, und einem großen Kolben 55 in einer
Hülse,
die zur Kammer 13 schaut. Der kleine Kolben 53 zeigt
eine kleinere Arbeitsfläche
zu der Kammer 11, als sie der größere Kolben 55 zur Kammer 13 zeigt.
Da eine Kraft proportional zu dem Produkt aus Arbeitsbereich und
Druck ist, werden die Bereiche der Arbeitsflächen des kleinen und des großen Kolbens 53 und 55 (d.h.
diejenigen Flächen,
die zu den Kammern 11 und 13 freigelegt sind)
so ausgewählt,
dass das Verhältnis
aus dem Arbeitsbereich des Kolbens 53 zu demjenigen des
Kolbens 55 dasselbe wie das Verhältnis des Arbeitsbereichs der
Fläche 46 des
Kolbens 47 zu der Fläche 48 ist.
Somit ergeben die Wandler 51 und 5 ein Maß für die Last
am Stab 49 für
irgendeine Kombination von Drücken
auf jeder Seite des Kolbens 47. Bezüglich anderer Hauptaspekte
ist der in 2 gezeigte
Wandler 52 gleich demjenigen, der in 1 gezeigt ist. Der in 2 gezeigte Wandler 5 kann derselbe
wie der in 1 gezeigte
Wandler 5 sein.
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Die oben beschriebenen Wandler können mit schwebenden
Kolbengehäusen
implementiert sein, um Reibungseffekte zu minimieren.