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Die Offenbarung der US-Patente Nr. 4,508,127
Thurston und 4,930,357 Thurston et al. wird durch
Bezugnahme hier aufgenommen.
ERFINDUNGSGEBIET
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Diese Erfindung betrifft allgemein die
Flussigkeitsdichtemessung und insbesondere die
Flüssigkeitsdichtemessung durch elektrofluidische Mittel.
STAND DER TECHNIK
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Bei einem Fluidoszillator hängt die
Schwingungsfrequenz des Fluidstrahls direkt von der Geschwindigkeit
des Fluids im Strahlstrom ab. Wenn der Differenzdruck
über dem Oszillator konstant gehalten wird, ist die
Dichte des Fluids direkt proportional zu einer durch das
Quadrat der Schwingungsfrequenz geteilten Konstante.
Derartige Oszillatoren sind in den Patenten offenbart,
auf die oben Bezug genommen wird.
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Bei Einsatz als Dichtesensoren werden diese
Oszillatoren mit Druckreglern (wie zum Beispiel dem in
Figur 2 des Patents 4,508,127 dargestellten Regler 42)
kombiniert, um den erforderlichen konstanten
Differenzdruck bereitzustellen. Die Druckregler sind allerdings
bei einem Anteil von uber 90% am Gewicht des
Dichtemessers relativ massig. Bei Anwendungen wie zum Beispiel
bei Flugzeugen, wo Gesichtspunkte wie Gewicht und Volumen
möglicherweise die Auswahl aus verschiedenen
Dichtemeßverfahren bestimmen, schafft dies Probleme.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht
darin, ein Verfahren zur elektrofluidischen
Flüssigkeitsdichtemessung bereitzustellen, das der Bedingung
variierenden Differenzdrucks über den Oszillator Rechnung
trägt.
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Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Gerät mit
relativ niedrigem Gewicht und relativ kleinem Volumen
bereitzustellen, das sich zur Verwendung mit dem oben
erwähnten Verfahren eignet.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung löst die oben erwähnten
Aufgaben, indem sie die Verwendung eines fluidischen
Strahloszillators als Dichtemesser ohne das Erfordernis
für einen herkömmlichen Hochpräzisions-Druckregler
ermöglicht.
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Bei der erfindungsgemäßen
Flüssigkeitsdichteüberwachung fließt die Flüssigkeit durch einen
Druckteiler und wird unter Druck durch den Fluidoszillator
gezwungen. Als Reaktion gibt der Oszillator ein
Frequenzsignal ab, das die Dichte der Flüssigkeit anzeigt, aber
immer dann fehlerhaft ist, wenn der Differenzdruck über
den Oszillator von einem vorbestimmten Wert abweicht. Der
Differenzdruck wird entweder von zwei getrennten Wandlern
oder einem einzelnen Differenzdruckwandler gemessen, um
ein Differenzdrucksignal zu erzeugen.
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Obwohl aufgrund des Austauschs eines
Präzisionsdruckreglers gegen einen Druckteiler der Differenzdruck
variiert, können die Frequenzsignale als fehlerhaft
behandelt werden, wenn das Differenzfrequenzsignal nicht
im wesentlichen mit dem vorbestimmten Wert übereinstimmt.
Durch Einsatz der Differenzdrucksignale als
Freigabesignale in einem gategesteuerten Steuersystem, das auf
die Frequenzsignale nur dann mit einer Handlung reagiert,
wenn die Differenzdrucksignale im wesentlichen mit dem
vorbestimmten Wert übereinstimmen, kann man daher die
Dichte einer Flüssigkeit durch die Verwendung eines
Fluidoszillators in Kombination mit einem Druckteiler und
einem Differenzdruckwandler genau überwachen. Wird
lediglich ein Druckteiler zusammen mit einem
Differenzdruckwandler als Ersatz für einen
Hochpräzisions-Druckregler verwendet, so gestattet dies eine
Gewichtsverringerung, die über 90% hinausgeht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNNNGEN
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Figur 1 ist eine schematische Darstellung eines
die Erfindung miteinbeziehenden Flugzeughydrauliksystems.
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Figur 2 ist eine perspektivische Ansicht eines in
Betracht gezogenen elektrofluidischen
Schaltkreiselements,
das zur Verwendung mit der Erfindung geeignet
ist.
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Figur 3 ist, teilweise im Querschnitt, eine
allgemein schematische Darstellung des in Figur 2 gezeigten
Geräts.
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Figur 4 ist eine schematische Darstellung eines
gategesteuerten elektronischen Steuersystems, das zur
Verwendung mit der Erfindung geeignet ist.
BESTE ART, UM DIE ERFINDUNG AUSZUFÜHREN
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Figur 1 ist eine schematische Zeichnung, die ein
Flugzeughydrauliksystem 10, das die Grundsätze der
vorliegenden Erfindung verkörpert, teilweise darstellt.
Hydrauliköl von einem Behälter 12 wird über eine Pumpe 14
entlang einer Hauptversorgungsleitung 16 und durch einen
Hochdruckfilter 18 zugeführt.
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Ein Luft-in-Öl-Sensor 20 erhält das Öl entlang
einer Versorgungszweigleitung 22 und führt selbiges über
eine Auslaßzweigleitung 24 zum Behälter 12 zurück. Der
Sensor 20 umfaßt einen Fluidstrahloszillator 26, einen
Druckteiler 28 und einen Differenzdruckwandler 30. Der
Fluidoszillator 26 hat einen herkömmlichen Aufbau und
kann ein die Dichte des Öls anzeigendes Ausgangssignal
erzeugen. Der Oszillator 26 ähnelt dem Gerät, das in den
Patenten, auf die oben Bezug genommen wurde, beschrieben
ist, mit dem Unterschied, daß er so ausgelegt ist, daß
seine beiden Druckübertragungskanäle zu
gegenüberliegenden Seiten eines einzelnen piezoelektrischen Wandlers 32
führen, anstatt zu getrennten Wandlern, und daß er einen
Heißleiter 34 aufweist, um die Temperatur des Öls zu
überwachen. Dementsprechend erzeugt der Oszillator 26 bei
Betrieb Druckwellen, die die Dichte des
hindurchfließenden Öls anzeigende Informationen tragen. Diese
Informationen werden über den Wandler 32 als elektrisches
Frequenzsignal entlang einem Draht 36 einem externen
elektronischen Prozessor 38 übermittelt. Der
Differenzdruckwandler 30 und der Heißleiter 34 sind Elemente
(durch Linien 40, 42 angedeuteter) externer
Schaltkreiszweige, die an den Prozessor 38 angeschlossen sind, um ihm
Differenzdruck- und Temperatursignale zu liefern. Der
Prozessor 38 reagiert nur dann mit einer Handlung auf die
Frequenzsignale (wie zum Beispiel durch Übermitteln einer
Zustandsveränderung entlang einer Ausgangsleitung 44),
wenn die Differenzdrucksignale im wesentlichen mit einer
vorbestimmten Amplitude oder einer vorbestimmten Frequenz
übereinstimmen.
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Weiterhin ist in Figur 3 der Sensor 20
dargestellt, wobei der Druckteiler 28 näher gezeigt wird. Der
Teiler 28 ist durch ein zylindrisches Gehäuse 46 und eine
zylindrische Spule 48 gebildet. In dem Gehäuse 46 ist
eine sich in axialer Richtung erstreckende abgestufte
Bohrung 50 ausgebildet. Wie dargestellt, weist die Spule
48 zwei mit Gewinde versehene Endteile 52, 54 mit
größerem Durchmesser auf, die durch einen Mittelteil 56
mit kleinerem Durchmesser getrennt sind. Die Endteile 52,
54 wirken mit der Innenfläche des Gehäuses 46 zusammen,
um zwei beabstandete Durchflußbegrenzer festzulegen. Drei
sich von der Außenfläche des Gehäuses 46 zu der
abgestuften Bohrung 50 erstreckende Querbohrungen stellen
Öffnungen 58, 60, 62 bereit, durch die der Druckteiler 28
mit der Auslaßzweigleitung 24 in Fluidverbindung steht,
wobei ein dazwischenliegender Versorgungskanal 64 zu der
Versorgungsöffnung des Oszillators 26 beziehungsweise zu
der Versorgungszweigleitung 22 führt. Wie angedeutet, ist
die Spule 48 in einem Teil der abgestuften Bohrung 50 mit
kleinerem Durchmesser gleitend angeordnet, so daß der
Mittelteil 56 die Mittelöffnung 60 überbrückt. Eine
Vorspannfeder 66 ist an einer Einstellschraube 68, die in
Gewindeeingriff mit dem Gehäuse 46 steht, fest
angebracht. Die Feder 66 ist nicht vorbelastet. Die Spule 48
wird somit als Reaktion auf das durch die
Hochdrucköffnung 62 empfangene und unter Versorgungsdruck stehende
Öl gegen die Feder 66 gedrängt. Während des Betriebs des
Sensors 20 sorgt die Jeder 66 für eine begrenzte
Druckregelung.
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In Figur 2 wird der Sensor 20 so dargestellt, wie
er gegenwärtig in Betracht gezogen wird. Eine
Befestigungsplatte 70 ist so ausgelegt, daß sie an einem
Verteilerstück 71 des Hydrauliksystems 10 angebracht
werden kann (Figur 1). Auf einer Seite der Platte 70 ist
eine Schichtstruktur 72 fest angebracht, die aus mehreren
dünnen Schichten 74, die zusammen den Oszillator 26
bilden, und einer dicken Basisschicht oder Basisblock 76
besteht. Die Basisschicht 76 kann aufgrund der
Bereitstellung einer Erstbohrung 78 den Druckteiler 28 und
aufgrund der Bereitstellung einer zweiten Bohrung 80 den
Heißleiter 34 und den Differenzdruckwandler 30 empfangen.
Der Differenzdruckwandler 30, der Heißleiter 34 und der
Druckteiler 28 werden in die angedeuteten Bohrungen 78,
80 eingeführt und mit geeigneten Mitteln innerhalb der
Struktur 72 fest angebracht, so daß der Sensor 20 als
integrales elektrofluidisches Schaltkreiselement
ausgebildet ist. Auf entsprechende Weise ist die
Schichtstruktur 72 durch die Bereitstellung von (nicht
gezeigten) Durchgängen darin dafür ausgelegt, für die durch
Figuren 1 und 2 angedeutete erforderliche Fluidverbindung
zu sorgen. Auf gleiche Weise sind die Schichtstruktur 72
und die Befestigungsplatte 70 dafür ausgelegt, für eine
elektrische Verbindung von dem Differenzdruckwandler 30
und dem Heißleiter 34 zu einem zylindrischen Vorsprung 82
zu sorgen, der an der Befestigungsplatte 70 fest
angebracht ist und an den Prozessor 38 elektrisch
angeschlossen werden kann (Figur 1).
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Im Betrieb wird unter Hochdruck stehendes Öl von
der Versorgungszweigleitung 22 an die Hochdrucköffnung 62
des Druckteilers 28 geliefert. Der Öldruck ist durch den
Druckteiler 28 herabgesetzt, und ein Teil des Öls fließt
mit einem geringeren Druck durch die Mittelöffnung 60,
entlang dem Versorgungskanal 64 und zur
Versorgungsöffnung des Oszillators 26. Während das Öl durch den
Oszillator 26 zum Auslaßkanal 24 fließt, erzeugt der
Oszillator einen fluidischen Wellenzug mit einer
Frequenz, die von der Dichte des Öls und von der
Druckdifferenz zwischen dem Versorgungskanal 64 und dem
Auslaßkanal 24 abhängt. Die fluidischen Frequenzsignale
werden in elektrische Frequenzsignale umgewandelt, die
dem Prozessor 38 übermittelt werden. Der
Differenzdruckwandler
30 ist fluidisch parallel zum Oszillator 26
angeschlossen wie in Figur 3 gezeigt, und ist an den
Prozessor 38 elektrisch angeschlossen, um als ein auf
Druckdifferenz reagierender Oszillator zu wirken. Auf
entsprechende Weise stellt der Differenzdruckwandler 30,
in Abhängigkeit von der ausgewählten
Schaltkreisanordnung, Amplituden oder Frequenzsignale bereit, die mit
der Druckdifferenz zwischen dem Versorgungskanal 64 und
dem Auslaßkanal 24 schwanken. Diese Signale werden dem
Prozessor 38 übermittelt, und letzterer beinhaltet einen
von vielen Schaltkreisen, die die von dem
Differenzdruckwandler 30 empfangenen Signale dazu verwenden, eine
Steuerreaktion, die eine Handlung umfaßt, nur dann
freizugeben, wenn die Amplitude oder die Frequenz des
Signals im wesentlichen mit einer einem vorbestimmten
Differenzdruck zugeordneten Amplitude oder Frequenz
übereinstimmt.
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Figur 4 stellt ein beispielhaftes gategesteuertes
Abtast- und Steuersystem 84 dar. Das System 84 ist in
integrierten Mikroschaltungsbausteinen ausgeführt, die
eine CMOS-Bausteinarchitektur beinhalten, und umfaßt
einen Mikroprozessor 86, ein Speicherregister 88 und
einen strombegrenzenden Leitungstreiber 90.
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Ein Pufferverstärker 92 und ein
Akkumulatorregister 94 bilden ein Differenzzählregister, das von dem
Fluidoszillator 26 und einem Bezugsoszillator 100 die
Frequenzeingangssignale 96, 98 empfängt. Der
Bezugsoszillator 100 kann eine vorbestimmte Bezugsfrequenz
bereitstellen, die der von dem Fluidoszillator 26
abgegebenen Frequenz gleichwertig ist, wenn letzterer beim
vorbestimmten Differenzdruck mit 0% Luftgehalt im Öl
betrieben wird. Um für eine erste Rauschfestigkeit zu
sorgen, werden die Differenzfrequenzen auf einer
kontinuierlichen Basis synchron in das Akkumulatorregister 94
gategesteuert. Das Akkumulatorregister 94 empfängt die
Differenzfrequenzzählung, und von dem Heißleiter 34
empfängt es das Temperatursignal. Letzteres Signal wird
im Akkumulatorregister 94 dazu verwendet, das
niedrigstwertige Bit vorzuspannen und Frequenzverschiebungen
aufgrund von Temperaturdifferenzen zwischen dem
Bezugsoszillator 100 und dem Fluidoszillator 26 zu
kompensieren. Der synchron gatesteuernde Schaltkreis 102 ist dafür
ausgelegt, nur diejenigen Frequenzen durchzulassen, die
den Luftgehalt über den Luftgehaltbereich, für den das
System ausgelegt ist, genau darstellen. Um beim Anlaufen
Unregelmäßigkeiten zu verhindern, sperrt eire
Zeitablaufsschaltung 104 den Betrieb des Systems 84
während einer vom Benutzer vorgeschriebenen Zeitdauer, so
daß das Hydrauliksystem 10 (Figur 1) hinsichtlich Fluß
und Luftgehalt Stabilität erzielen kann. Nach dieser
Zeitdauer wird das System 84 angeschlossen, und der
Haupttaktgeber 106 startet den Mikroprozessor 86. Vom
Ausgang des Haupttaktgebers 106 aus wird über einen
Frequenzteiler 110 ein Freigabetaktgeber 108
bereitgestellt. Der Freigabetaktgeber 108 stellt für das
Akkumulatorregister 94 eine Abtastdauer ein und setzt das
Register am Ende der Zeitdauer zurück. Vor dem Rücksetzen
wird die Datenzählung des Akkumulatorregisters 94 mit
einer Bezugszählung von einem Bezugsregister 112 durch
Eintakten beider in einen digitalen Vergleicher 114
verglichen. Das Ausgangssignal von dem Bezugsregister 112
ist eine dem Frequenzausgangssignal von dem
Fluidoszillator 26 zugeordnete Zählungsgrenze, wenn letzterer
mit dem vorbestimmten Differenzdruck und mit Öl mit einem
maximalen Prozentsatz an Luftgehalt, wie von dem Benutzer
vorgeschrieben, betrieben wird. Das Ausgangssignal des
Vergleichers 114 ist ein Eingangssignal für eine in den
Mikroprozessor 86 programmierte Menge von
Steueralgorithmen 116. Das digitale Ausgangssignal eines zweiten
Vergleichers 118 ist ein Eingangssignal für die gleiche
Menge von Algorithmen. Die Eingangssignale für den
zweiten Vergleicher 118 sind ein von dem
Differenzdruckwandler 30 empfangenes Spannungssignal 120 und ein der
Amplitude des Spannungssignals 120 bei dem vorbestimmten
Differenzdruck entsprechender Bezugsspannungspegel 122.
Wenn das Eingangssignal 120 im wesentlichen mit dem
Eingangssignal 122 übereinstimmt, gibt das Ausgangssignal
des zweiten Vergleichers den Mikroprozessor 86 frei, um
dem Freigabetaktgeber 108 einen Abtastbefehl 124 zu
übermitteln. Die Steueralgorithmen 116 beinhalten ein
herkömmliches Wiederholungssystem mit sieben Abtastungen,
um diejenigen Daten auf Gültigkeit zu prüfen, die einen
zu hohen Luftgehalt anzeigen. Wenn die Zählungen des
Akkumulatorregisters 94 und des Bezugsregisters 112
genügend voneinander differieren, um am Ausgang des
ersten Vergleichers 114 anzuzeigen, daß der Luftgehalt zu
hoch liegt, werden sieben Abtastperioden verwendet, um
die Gültigkeit der Daten zu prüfen. Falls irgendeine der
sieben Abtastperioden kein stimmiges Ausgangssignal vom
Vergleicher 114 ergibt, werden die Daten als ungültig
zurückgewiesen. Falls alle sieben Abtastperioden
hinsichtlich ihres Ausgangssignals stimmig sind, wird ein
Befehlssignal 126 dem Leitungstreiber 90 übermittelt, der
auf das Befehlssignal mit einer Handlung reagiert, indem
er einer Cockpitanzeige oder einem
Fahrzeugmanagementsystem ein Signal 128 übermittelt, das auf eine
Zustandsänderung hinweist. Vorzugsweise wird ein zusätzlicher
Algorithmus dazu verwendet, einen sich langsam
verändernden Luftgehalt zu erfassen, der möglicherweise dazu
führen kann, daß das Akkumulatorregister 94 über eine
Abtastperiode mit siebzig Einheiten eine Restzählung
enthält. Falls während siebzig Abtastperioden beständig
eine erfaßbare Zählungsakkumulierung registriert wird,
die die Zählung des Bezugsregisters 112 übersteigt,
übermittelt der Mikroprozessor 86 dem Leitungstreiber 90
das Befehlssignal 126.
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Die Erfindung sollte so weit wie möglich und in
Übereinstimmung mit den nachfolgenden Ansprüchen
ausgelegt werden.