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Die Erfindung betrifft einen Fluidstrommesser zum
Messen des Stromes von Flüssigkeiten und für den
Betrieb auf der Grundlage des Fluid-Oszillators.
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Es ist bekannt, daß die Schwingungsfrequenz eines
Fluid-Oszillators (wenngleich nicht
notwendigerweise linear) abhängt von der ihn durchsetzenden
Strömungsmenge. Dies wurde als Grundlage für eine
Strömungsmessung sowohl von Flüssigkeiten als auch
von Gasen vorgeschlagen. Allerdings handelt es sich
nicht um eine ohne weiteres zu verwirklichende
Angelegenheit, insbesondere dann, wenn die Messung
innerhalb eines breiten Bereiches eine Genauigkeit
innerhalb von 1 oder 2 % aufweisen soll und der
Druck des Fluids erheblich schwanken kann. Ein
Beispiel für einen Fluidoszillator ist in der EP-A
0 251 627 dargestellt, dieses Dokument gibt jedoch
keine detaillierte Anweisung, wie die Schwingungen
innerhalb des Oszillators erfaßt werden können.
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Eine Möglichkeit, die Schwingungen zu erfassen,
bestand in früheren Vorschlägen darin,
Drucksensoren oder Wärmesensoren einzusetzen. Die
Drucksensoren können elektromagnetisch arbeiten,
beispielsweise indem sie auf die Bewegung einer
eingeschlossenen Kugel ansprechen, die in einem zwischen
den zwei Fluidkanälen angeordneten Kanal oder
Schlitz zum Schwingen gebracht wird.
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Ein spezielles Problem entsteht bei der Messung des
Wasserverbrauchs, bei der es erforderlich sein
kann, die Meßgenauigkeit über ein so großes
Umlegungsverhältnis wie 200 zu 1 beizubehalten.
Während in einem derartigen Fall sich die
Geschwindigkeit über einen entsprechenden Bereich von 200
bis 1 ändert, ändern sich die zu erfassenden
Druckschwankungen in demselben Strömungsbereich um einen
Faktor von 40.000 zu 1. Es ist fast unmöglich,
irgendein Genauigkeitsmaß innerhalb eines derart
großen Bereiches bei der Druckerfassung unter
Verwendung eines einzelnen Drucksensors beizubehalten.
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Es ist also wünschenswert, die Schwingungen nicht
mit Mitteln zu messen, die auf Druck ansprechen,
sondern irgendeiner anderen Einrichtung, bei der
die Amplitude des Signals von der Geschwindigkeit
und nicht von dem Druck der Änderungen in den
Fluidzuständen abhängt, so daß der dynamische
Bereich des Meßsignals nur in der gleichen
Größenordnung liegt wie derjenige der Fluidströmung.
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Aus beispielsweise der FR-A-2 448 709, der US-A-
3 878 715 und Patent Abstracts of Japan Vol. 9, No.
253 (S. 395) (1976) und JP-A-60/04222 sowie Vol. 9,
Nr. 64 (S. 343) (1987) oder JP-A-59/98317 ist es
bekannt, elektromagnetische Sensoren bei
Wirbelströmungsmessern zu verwenden.
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Ein weiterer Nachteil der bekannten Vorschläge ist
darin zu sehen, daß sie im allgemeinen eine externe
Leistungsversorgung für die Sensoreinrichtung
erfordern, zumindest dann, wenn diese elektrisch
ist.
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Gleichzeitig gibt es starke Bestrebungen, die
existierenden mechanischen Wasserzähler zu
ersetzen, die Verschleißteile enthalten und
korrosionssowie verschleißanfällig sind und darüber hinaus
mit dem zunehmenden Einsatz von Fernablesung den
Anbau separater elektrischer Detektoreinrichtungen,
wie z.B. Reed-Schalter erforderlich machen, die ein
elektrisches Signal erzeugen, welches weiter
verarbeitet werden kann. Derartige Schalter bedingen
eine externe Stromversorgung und einen getrennten
elektrischen Anlagekasten bei und getrennt von dem
mechanischen Zähler.
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Ein weiterer Nachteil der bekannten mechanischen
Zähler ist der Mangel der Linearität bei geringen
Durchsatzraten, wie er z.B. im Haushalt zu
beobachten ist, insbesondere als Ergebnis des
"Haftenbleibens" der beweglichen Teile.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher,
eine verbesserte Form eines
Fluidoszillator-Durchflußmessers anzugeben, der in der Lage ist, einen
sehr breiten Umsetzbereich abzudecken und ein
Minimum an Leistung erfordert. Ein weiteres Ziel
ist die Schaffung einer angemessenen Linearität
über dem vollen Bereich, ohne dabei komplexe
Korrekturschaltungen oder Nachschlagetabellen zu
erfordern.
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Gemäß der Erfindung wird ein Meßgerät zum Messen
des Stroms elektrisch leitender Flüssigkeiten und
betreibbar als Haushalts-Wasserzähler, geschaffen,
welches umfaßt: einen Rückkopplungs - Fluidoszillator
der Art, die eine Einlaßdüse, einen Eintrittskanal,
einen Aufspalter, der den Strom von dem
Eintrittskanal in einen ersten und einen zweiten Hauptkanal
aufteilt, und einen von jedem Hauptkanal zu
entsprechenden gegenüberliegenden Seiten des
Eintrittskanals führenden Rückkopplungskanal aufweist,
wobei weiterhin mindestens einen Permanentmagneten
aufweisende Mittel vorgesehen sind, um ein
Magnetfeld über einem Kanal zu erzeugen, in welchem der
Strom mit einer von dem Strom abhängigen Frequenz
variiert, wobei ein erstes Paar von Elektroden
angeordnet ist, um die sich ergebende
Potentialdifferenz zu erfassen, die der Flüssigkeit in einer
Richtung quer zu dem Strom und dem Magnetfeld
erzeugt wird, und Mittel vorgesehen sind zum Messen
der Frequenz der Potentialdifferenz und/oder zum
Zählen der Schwingungszyklen des Stroms.
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Die Erfindung findet Anwendung beim Messen von
Haushaltswasserversorgungen, was große
Umsetzverhältnisse beinhaltet, und wobei die Meßgenauigkeit
gewissen Richtlinien entsprechen muß. Weitere
Vorteile der Erfindung für diesen speziellen Zweck
sind geringe Kosten, Wartungsfreiheit (es gibt
keine sich bewegenden Teile innerhalb des
Fluidstroms) und minimale Leistungserfordernisse. Es
besteht in der Tat keine Notwendigkeit für
irgendeine Stromversorgung für den Sensor selbst, da die
EMK durch den elektromagnetischen induktiven Effekt
erzeugt wird, so daß die einzige benötigte
Stromversorgung diejenige für eine mögliche Einrichtung
zum Verstärken und Verarbeiten des generierten
Signals ist.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung gibt es
mindestens zwei Paar Elektroden, und diese können
in Gegentaktanordnung verschaltet werden, um das
Signal wirksam zu verdoppeln, während bei ihrer
differentiellen Verschaltung Fehler eliminiert
werden können, die beispielsweise auf Anderungen
der elektrochemischen Potentiale an den Elektroden
bei statischen Druckschwankungen zurückzuführen
sind. Sie können innerhalb der Hauptströmungswege
oder der Rückkopplungswege oder in beiden Wegen
angeordnet sein.
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Der Fluidoszillator kann von an sich bekannter
Bauart sein, obschon vorzugsweise der Aufspalter
eher eine Querwand als eine Messerkante ist, weil
sich zeigte, daß dies eine zuverlässigere
Schwingung innerhalb der berücksichtigten breiten
Strömungsbereiche ergibt.
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Permanentmagnete zum Erzeugen eines magnetischen
Feldes oder magnetischer Felder (die somit keiner
Stromversorgung bedürfen) können in das Gehäuse des
Oszillators im Zuge der Fertigung eingeformt
werden. Bestehen die Magneten aus einem elektrisch
nicht-leitenden Material, beispielsweise mit
Kunststoff verbundenem Ferrit, so können ihre Flächen
Teil der Wandungen der Kanäle sein, um auf diese
Weise die magnetischen Spalte so klein wie möglich
zu halten.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden
Erfindung, die auch bei Fluidstrommessern mit einer
anderen als der oben beschriebenen
elektromagnetischen Sensoreinrichtung verwendet werden kann, wird
die Linearität speziell bei sehr niedrigen Strömen
verbessert durch eine Modifizierung der
Eingangsdüse derart, daß anstelle des üblichen rechteckigen
Querschnitts für die Düse letztere oben oder unten
oder sowohl oben als auch unten aufgeweitet wird
(die Ausdrücke oben oder unten beziehen sich hier
auf eine Betrachtungsweise, gemäß der die
Symmetrieebene des Oszillators vertikal verläuft).
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Die Aufweitung kann stufenförmig sein und zu einem
Gesamtquerschnitt des Profils entsprechend einem
"T" oder einem "I" führen, wie im folgenden noch
deutlich wird.
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In den begleitenden Zeichnungen ist ein Beispiel
für einen Fluidoszillator-Strömungsmesser
dargestellt, der sich für Haushalts-Wasserzähler eignet.
Es zeigen:
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Fig. 1 eine Längsschnittansicht durch das
Meßgerät entlang dessen Hauptachse;
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Fig. 2 eine Querschnittansicht entlang der Linie
A-A in Fig. 1;
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Fig. 3 eine Querschnittansicht entlang der Linie
B-B in Fig. 1;
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Fig. 4 eine Querschnittansicht entlang der Linie
C-C in Fig. 1;
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Fig. 5 eine Querschnittsansicht entlang der
Linie D-D in Fig. 1, wobei eine
modifizierte Version dargestellt ist, und
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Fig. 6 eine grafische Darstellung der
Schwingungsfrequenz gegenüber der Strömung,
wobei die Ergebnisse von
Kalibrierprüfungen dargestellt und die Vorteile der
modifizierten Version nach Fig. 5
veranschaulicht sind.
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Der in Fig. 1 dargestellte Fluidoszillator ist von
an sich bekannter Bauart und besitzt einen Körper
1, der eine Einlaßdüse 2 rechteckigen Querschnitts
aufweist, die in ein Paar von Kanälen 3 und 4
führt, welche von einem Aufspalter 5 voneinander
getrennt sind, der in diesem Fall eine flache
Querwand bezüglich des Stroms ist. Von den
Hauptkanälen ausgehende Rückkopplungswege 6 und 7 führen
zu einander gegenüberliegenden Seiten des Weges des
Fluids benachbart zu der Einlaßdüse 1 zurück. Wie
bekannt ist, haftet aufgrund des Coanda-Effekts der
Fluidstrom selbst an der Wand eines der Kanäle,
aber aufgrund der Wirkung des zurückgeführten
Fluids erfolgt dann eine Umschaltung zu der anderen
Wand, wobei ein wiederholtes Vor- und
Zurückschalten mit einer Frequenz erfolgt, die von dem
Strömungsdurchsatz abhängt. Dies ist ein sogenannter
Rückkopplungs-Oszillator. Eine andere Art ist als
Relaxations-Oszillator bekannt, dessen Betrieb
analog einem elektronischen, freilaufenden
Flipflops oder Relaxations-Oszillators ist, jedoch ist
die vorliegende Erfindung hauptsächlich anwendbar
auf einen Rückkopplungs-Oszillator, da die
bekannten Relaxations-Oszillatoren weniger stabil sind.
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In einem typischen Fall kann die Frequenz in einem
Bereich von 0,15 bis 30 Hz bei einem Durchsatz von
0,15 l pro Minute bis 30 l pro Minute schwanken,
wobei solche Abmessungen und Kennwerte angenommen
werden, die bei jedem durchlaufenden Liter Wasser
60 Zyklen hervorrufen.
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Um das erfindungsgemäße Erfassen zu ermöglichen,
bringen wir Permanentmagneten in den Wänden der
Kanäle an, um Magnetfelder quer zu den Wasser-
Strömungswegen zu erzeugen. In der einfachsten
Version würde es ausreichen, ein einzelnes Feld in
einem einzelnen Kanal zu haben, in der Praxis
jedoch sind es aus den unten angegebenen Gründen mehr
als eins.
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Magnete 8 und 9 bilden Teil der Wände der Kanäle 3
bzw. 4. Zwischen ihnen erzeugen sie ein Feld quer
zu beiden Kanälen, und da der Wasserstrom von einem
Kanal zum anderen umschaltet, erzeugt die
Geschwindigkeitsänderung des Wassers in jedem Kanal
ihrerseits
wiederum eine EMK senkrecht zu dem Strom und
zu dem Feld, wobei diese EMK in dem Kanal 3 durch
ein Paar Elektroden 10 und in dem Kanal 4 durch ein
Paar Elektroden 11 erfaßt wird, deren Anordnung
in Fig. 3 gezeigt ist.
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Man erkennt, daß die an den zwei Elektrodenpaaren
erscheinenden Spannungen wechseln und man durch
eine Gegentakt-Schaltung ein Signal doppelter
Amplitude erhält.
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In dem dargestellten Beispiel haben wir außerdem
weitere Paare von Magneten 12 und 13 zum Erzeugen
von Feldern quer zu den Rückkopplungswegen 6 und 7
vorgesehen, wobei die sich ergebenden EMK's von
zwei Elektrodenpaaren 14 und 15 aufgenommen werden.
Diese lassen sich anstelle derjenigen im Hauptkanal
verwenden, d.h., es ist nicht notwendig, beide
Sätze vorzusehen, sondern man kann dadurch, daß man
beide Sätze vorsieht und dann das Verhältnis der
Größen dieser zwei Signale mißt, zumindest in einer
ersten Näherung Nicht-Linearitäten dem Meßfaktor
als eine Funktion des Durchsatzes kompensieren.
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Die Magnete können von üblicher, kommerzieller Art
sein, beispielsweise Samarium-Kobalt-Magnete, aber
da diese gesinterten Magneten elektrisch leitend
sind, muß man sie von dem vorhandenen Wasser in den
Kanälen isolieren, um zu verhindern, daß sie die
erzeugten EMK's kurzschließen. Wenn der Körper 1
des Meßgeräts aus Kunststoff-Spritzguß besteht, so
ist dies nicht schwierig, da das Kunststoffmaterial
um die Magnete herum geformt werden kann, jedoch
bedeutet dies, daß die magnetischen Spalte breiter
als notwendig sind, so daß die Felder entsprechend
schwächer sind. Deshalb bevorzugen wir den Einsatz
eines elektrisch isolierenden magnetischen
Materials, wie z.B. eines kunststoffgebundenen
Ferrits, wobei die Magnete dem Strom ausgesetzt
werden, um die magnetischen Spalte so groß wie die
Breite der Fluidkanäle zu machen.
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Wenn eine größere Feldstärke erforderlich ist, als
sie von den individuellen, beabstandeten Magneten
erzeugt werden kann, sollten halbgeschlossene
magnetische Kreise gebildet werden, d.h.
Hufeisenmagnete oder extern angeordnete Magnete mit
Polschuhen, die an solchen Stellen der Magnete
angeordnet sind, wie es in den Zeichnungen dargestellt
ist. Die gesamte Zone zwischen jedem Hauptkanal und
der benachbarten Rückkopplungsschleife kann durch
einen Magneten gebildet werden.
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In den Rückkopplungsschleifen liegt die die
Elektroden verbindende Linie in der Mitte des
Strömungswegs, jedoch liegt sie in den Hauptkanälen so
dicht wie möglich an der Wand, wie in Fig.3 gezeigt
ist. Die in der Rückkopplungsschleife erzeugte
Spannung hat die Neigung, kleiner zu sein als
diejenige, die in dem Hauptkanal erzeugt wird, und
zwar deshalb, weil zwar dort ein stärkeres Feld
existiert als in dem Hauptstrahl, was sich aus
einem kürzeren Flußweg ergibt, die Geschwindigkeit
des Hauptstrahls jedoch signifikant höher ist als
die Geschwindigkeit des Fluids in der
Rückkopplungsschleife. Eine Verkürzung des induzierten
Signals in dem Hauptstrahl bedeutet, daß die
erzeugten EMK's im Hauptstrahl typischerweise um
einen Faktor 2 größer sind als diejenigen, die in
der Rückkopplungsschleife induziert werden.
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Beim dargestellten Beispiel gibt es außerdem
Elektroden 16 und Magnetfelder, die von Magneten 17 und
18 am Ausgangsweg des Fluids erzeugt werden. Der
mittlere Magnet 18 bildet einen Teiler, welcher die
zwei Wege auch an diesem Punkt noch getrennt hält.
Dies ist jedoch lediglich eine mögliche Alternative
zu den Sensoren in den Hauptkanälen und/oder
Rückkopplungswegen, und im allgemeinen ist es nicht
notwendig, sämtliche drei Sätze von Elektroden
gleichzeitig vorzusehen. Tatsächlich reicht, wie
bereits oben angegeben wurde, ein einzelnes Feld
sowie ein einzelnes Elektrodenpaar aus, um die
Erfindung in die Praxis umzusetzen.
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Wie aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, werden
die Signale von den zwei Rückkopplungswegen in den
invertierenden bzw. nicht-invertierenden Eingang
eines Differenzverstärkers eingegeben, der sie
effektiv in einer Gegentaktschaltung verarbeitet,
wobei die Signale von den Hauptkanälen an einem
weiteren Operationsverstärker angeschlossen sind.
Die Ausgänge dieser Verstärker können in einer
Weise kombiniert werden, die jeweils als die
günstigte erscheinen mag, wobei beispielsweise das
Verhältnis zwischen ihnen ein Signal ist, welches
von zahlreichen externen Faktoren abhängt.
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Die weitere Verarbeitung der Signale soll uns hier
nicht interessieren. Es reicht aus, festzustellen,
daß wir Signale von einer so großen
Anfangsamplitude, wie es nur möglich ist, erhalten (sie liegt
typischerweise in der Größenordnung von 2 bis 400
Mikrovolt), und wir ihre Frequenz als Anzeige für
die Strömungsgeschwindigkeit messen und/oder wir
die Gesamtanzahl von Zyklen über eine Zeitspanne
zählen, um eine Messung über den Gesamtdurchfluß zu
erhalten. Wenn die Beziehung zwischen der Frequenz
und dem Durchsatz über dem erforderlichen Bereich
nicht ausreichend linear ist, kann das Gerät
kalibriert werden, und das Kalibrierungsergebnis kann
dazu verwendet werden, eine Korrekturschaltung zu
programmieren, wobei es sich tatsächlich um eine
Reihe von Nachschlagetabellen handelt, mit deren
Hilfe das Signal so durchgelassen wird, daß es eine
endgültige Zahl bildet, welche repräsentativ für
den Fluidstrom ist. Diese Anordnung kann in ein
Mikrochip eingebaut werden, welches in oder an dem
Gerätegehäuse montierbar ist, wobei das gesamte
Gerät komplett mit seine elektrischen
Datenaufzeichnungs-Einrichtungen geschlossen ist. Da das
Signal von den Elektroden durch den Strom selbst
erzeugt wird, wird hierfür keine externe
Spannungsquelle benötigt, und die einzige Stromversorgung,
die notwendig ist, ist diejenige für die
signalverarbeitenden Schaltungen. Diese sehr geringe
Anforderung läßt sich durch eine Batterie erfüllen, die
in dem Gerät untergebracht ist und eine Lebensdauer
von Jahren hat.
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Allerdings ist der Einsatz von Korrekturschaltungen
unerwünscht, und es ist, falls möglich, besser,
eine Linearität innerhalb des gewünschten Bereichs
direkt durch spezielle Auslegung zu erzielen. Fig.
6 ist eine grafische Darstellung von Kalibrierungs-
Prüfungen, bei denen die Anzahl von Impulsen oder
Zyklen pro Liter Durchsatz gegenüber der
Durchsatzmenge aufgetragen ist. Die horizontale Achse ist
logarithmisch und reicht von 0,001 l pro Sekunde
bis 1 l pro Sekunde. Im Idealfall sollten die
Punkte auf einer einzelnen horizontalen Linie
liegen. Die Grafik zeigt, daß bei einer Düse mit einer
Breite von 3 mm zumindest bei Strömung von mehr als
0,05 l pro Sekunde die Impulsrate pro Liter
innerhalb von 2 % eines Mittelwerts von 68,165 liegt,
daß aber bei niedrigeren Durchsätzen der Wert in
ungünstiger Weise auf etwa 57 Impulse pro Liter bei
einem Durchsatz von etwa 0,0035 l pro Sekunde
abfällt.
Es muß hier daran erinnert werden, daß wir
uns lediglich mit der Frequenz des Fluidoszillators
befassen, und dies hat nichts zu tun mit der Art
und Weise, wie diese erfaßt wird, sei es
elektromagnetisch (wie oben beschrieben) oder in anderer
bekannter Weise.
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Fig. 5 zeigt einen möglichen Weg, der zum
Verbessern der Ansprech-Linearität. speziell bei
niedrigen Durchsätzen, gefunden wurde. Anstatt die
Einlaßdüse mit durchwegs rechteckigem Querschnitt
auszubilden, wird sie oben und unten verbreitert,
so daß sie einen I-förmigen Querschnitt besitzt. Es
mag ausreichen, sie lediglich an einem Ende zu
verbreitern. Gleichzeitig wird ihre Breite
verringert. Fig. 6 zeigt die nennenswerte Verbesserung,
die man bei einer Düse erhält, die 2 mm breit ist,
jedoch oben und unten seitliche Schlitze in der in
Fig. 5 dargestellten Weise aufweist. Das
Ansprechverhalten ist innerhalb von 2 -% bis hinunter zu
0,04 l pro Sekunde und innerhalb 5 % bis hinunter
zu 0,003 l pro Sekunde linear.
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Der Grund für diese Verbesserung wird derzeit nicht
vollständig verstanden, es wird jedoch angenommen,
daß bei geringen Durchsätzen die Wege oben und
unten in der Düse eine Quelle für zusätzliche
Strömung darstellen, so daß die
Rückkopplungsschleife den Strahl zum Umschalten veranlaßt. Bei
höheren Durchsätzen sind die Widerstände der Wege
oben und unten in der Düse gegenüber schwankenden
Strömungen derart, daß der Weg keine zusätzliche
Strömung zu bilden vermag. Dieser Mechanismus hat
den Effekt, daß die Schaltgeschwindigkeit bei
geringeren Strömungen erhöht wird.