DE2038424B2 - Pneumatischer oszillator - Google Patents

Description

sgkeit des Oszillators \uriierl. Darüber hinaus I.mn der Oszillator nach der vorliegenden IZrl'indung etfekiiv als ein Ana'og-zii-Frequenz-Konverter über einen begrenzten Bereich des Eingangsdruekes arhei- \.-w. da Änderungen im Eingangstiruck eine Änderung in der Frequenz des Oszillators an den Ausgängen zur f.-Ige hat.

im folgenden wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Hinweis auf die Zeichnung ι .iiier erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Schnittdarstellung einer Ausführungs- ! rni des Oszillators nach der vorliegenden Erfindung. I- i g. 2 ein Blockdiagramm des Systems, bei dem <;_t Oszillator gemäß F i g. 1 als ein Beschleunigungsij^ser zur Anwendung gelangt,
!"ig. l zeigt einen als Zylinder ausgebildeten bewegbaren Körper 20 der innerhalb eines Gehäuses 10 angeordnet ist. Der Zylinder 20 weist eine bevorzugte Form auf, es sind jedoch auch andere Formen z. B. eine rechteckige Form möglich und könrsn verwendet ν erden, und dieser Zylinder weist einen ersten Kanal (radialer Kanal 22) zur Aufnahme eines Mediums auf und dieser Kanal erstreckt sich über die Breite des Zylinders 20, vorzugsweise entsprechend seinem Durchmesser, und ein zweiter Kanal (axialer Kanal 21) ist zum Auslassen des Mediums vorgesehen und erstreckt sich durch die Länge des Zylinders, in bevorzugter Weise längs der Achse des Zylinders. Der axiale Kanal 21 endigt an den Enden des Zylinders 20 in Öffnungen 23 und 24. Die Querschnitte der öffnungen 23 und 24 haben dieselbe Form wie die Kanäle. weisen jedoch einen kleineren Durchmesser auf und sind so ausgelegt, daß sie eine Strömungsgeschwindigkeit, die von dem axialen Kanal 21 gefordert wird, zulassen. Der Zylinder 20 schwimmt auf einem Mediiimstufenlager 26 (dieses hat eine Länge D). wenn Medium am Einlaß 16 des Gehäuses eingeführt vird. und dieser Zylinder kann axial schwingen und ;"..,i auf Grund der Kräfte, die durch das Medium Il:¹, orgerufen werden, das durch die Öffnungen 23. 24 in die Kammern 11, 12 strömt. Um eine richtige Verteilung des Mediums um den Zylinder 20 zu erzielen, ist in bevorzugter Weise vorgesehen, daß der Zylinder eine gleichmäßige Rille 25 aufweist, die sich um seine äußere Fläche herum erstreckt. Die Rille 25 weist eine rechtecki5e Form auf, sie kann jedoch auch eine andere Form aufweisen. Der radiale Kanal 22, der durch den Zylinder 20 verläuft, steht strömungsmäßig mit der Rille 25 in Verbindung. Das Gehäuse 10 weist eine Ausnehmung oder innere Kammer 13. eine Einlaßöffnung 16 zur Aufnahme des Mediums, und eine erste und zweite Auslaßöffnung 14. 15 auf, die in bevorzugter Weise denselben Durchtrittsdurchmcsseri/ zum Auslaß des Mediums aufweist. Die Einlaßöffnung 16 ist im Gehäuse 10 zentriert gelegen und steht strömungsmäßig mit dem radialen Kanal 22 des Zylinders 20 in Verbindung. Um eine richtige Verteilung des Mediums an dem Medium-Stufenlager 26 und dem radialen Kanal 22 zu erzeugen, weist das Gehäuse 10 eine Rille 19 auf, die sich innerhalb der Kammer erstreckt und um diese herum reicht und diese Rille ist ähnlich der Rille 25 und ist mit dieser ausgerichtet, wenn sich der Zylinder in der Mitte des Gehäuses 10 befindet. Die Gehäuscrille 19 ist strömungsmäßig mit der Einlaßöffnung 16 verbunden. Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Gehäuse Rillen 17 und 18 auf, die mit den Öffnungen der Auslässe IS und 14 ausgerichtet sind. Die Auslaßöffiumgen 14. 15 weisen einen Abstand zueinander auf, und die zwei Ausgangsgrößen sind um IM¹ zueinander verschoben. Bei diesem bevorzugten Ausl'ülirungsbeispiel ist jede Auslaßöffnung 14. 15 in

gleichem Ahstand von der Einlaßöffnung 16 angeordnet, wobei der Abstand zwischen den Mittellinien der zwei Auslaßöffiuingen 14. 15 gleich der Länge des Zylinders 20 ist. so daß die effektive Große der Öffnungen der Einlasse 14, 15 entsprechend der Schwingung

ίο des Zylinders 20 verändert wird.

Der Raum 13 ist weiter durch den Zylinder 20 in zwei Kammern 11. 12 geteilt Die erste Kammer 11 steht strömungsmäßig mit der ersten Auslaßöffnung 14 und der Öffnung 23 des axialen Kanals 21 in Verbin-

dung. Die zweite Kammer 12 ist mit der zweiten AusTaßöffnung 15 und der Öffnung 24 im axialen Kanal 21 verbunden. Beide Kammern 11 und 12 weisen ein Vulumen auf und ebenso einen Druck, die sich umgekehrt bzw. entgegengesec : ändern und zwar bei einer axialen Bewegung des Zylinders 20.

Die Abstände A und B zwischen den Seitenwänden des Gehäuses 10 und den Enden des Zylinders 20 ändern sich entsprechend den Schwingungen des Zyiinders. Demzufolge ändern sich auch die Volumina der Kammern 11 und 12. Der Zylinder 20. der einen kleineren Durchmesser als der Durchmesser des Raumes 13 aufweist (oder eine kleinere Querschnittsfläche bei anderen Formen), kann iängs seiner Achse schwingen, wodurch die Volumina der Kammern 11.

12 entsprechend geändert werden. Der axiale Kanal 21 des Zylinders ist mit dem radialen Kanal 22 des Zylinders verbunden, und die erste und zweite Auslaßöffnung 14. lii des Gehäuses 10 steht strömungsmäßig mit den Kammern 11 und 12 in Verbindung. Die Symmetrie der Oszillatorkonstruktion sieht zwei Ausgangssignale vor, die an den Auslaßöff Hingen 14. 15 erscheinen und um 180° phasenverschoben sind.

Die F i g. 2 zeigt ein Blockdiagramm eines Systems, das zum Bestimmen einer Beschleunigung bestimmt ist und einen seismischen Oszillator 30 enthält und von demjenigen Typ ist, der in F i g. 1 veranschaulicht ist (ändert die Frequenz entsprechend der Geschwindigkeitsänderung) und enthält eine Ziffernanzeigevorrichtung 40. die eine Einrichtung enthält, um eine

•*5 Anzeige der Beschleunigung aus der Frequenzänderung des Oszillators vorzusehen.

Die Funktionsweise des Anineldungsgegcnstandes ist wie folgt:

Das beschriebene Gerät gemäß F i g. 1 arbeitet in

so Form eines Fluidoszillators in folgender Weise: Ein Medium gelangt zur Einlaßöffnung 16. strömt um den Zylindei oder Kolben 20 herum, so daß dadurch der Zylinder auf dem Mediumlager 26 zu schwimmen anfängt, und strömt dann in den radialen Kanal 22

des Kolbens 20, weiter durch die Öffnungen 23, 24 des axialen Kanals 21. und gelangt in die Kammern 11 und 12 und aus den Auslaßöffiuingcn 14. 15 heraus. Wenn das Medium in die Gehäuseeinlaßöffnung 16 eindringt, dann wird der Kolben 20 in einer Richtung bewegt, die einer Abnahme der Größe einer der Kammern Ij entspricht und ebenso die effektive Öffnung in einem der Auslässe 14 vermindert und den Druck in der Kammer 11 erhöht. Gleichzeitig nimmt die Größe der anderen Kammer 12 zu und der Druck

in dieser Kammer nimmt ab, da die effektive Öffnung am Einlaß IS zunimmt. Der Druck in der ersten Kammer 11 nimmt so lange zu. bis eine ausreichende Kraft aufgebaut ist, um die Bewegungsrichtung des

Kolbens 20 umzukehren. Die Umkehr der Bewegungsrichtung des Kolbens 20 bewirkt nun. daß die Größe der anderen Kammer 12 abnimmt, und dieser Vorgang wiederholt sich in der beschriebenen Weise, so daß der Kolben schwingt. Die Schwingung des Kolbens 20 ist demnach eine Funktion der Kräfte, die durch die Strömung des Mediums erzeugt werden, und zwar der Strömung durch die Öffnungen 23. 24. was vom Eingangsdruck an der Einlaßöffnung 16 abhängig ist: das Volumen des Mediums in den Kammern 11 und 12: der Masse des Zylinders 20; der effektiven Öffnung oder Öffnungsquerschnitt der Auslässe 14. 15. Da die Schwingungen eine Funktion des Eingangsdruckes am Einlaß 16 sind, bewirkt eine Änderung im Eingangsdruck eine Änderung der Schwingungen, so daß der Oszillator als Analog-zu-Frequenz-Konverter verwendet werden kann.

Die mittlere Frequenz (/V). d. h. die Frequenz der Schwingungen des Kolbens 20, wenn sich das Gehäuse in Ruhe befindet und sich der Kolben 20 inmitten des Raumes 13 des Gehäuses in Schwingung befindet, läßt sich durch folgende Gleichung annähern:

fr -

M'A (/, - I₂)

hierbei bedeutet:

M die Masse des Zylinders 20;
A die Fläche der Zylinderenden, die in Berührung mit den Kammern 11 und 12 stehen;
/>, und b₂ sind Funktionen des Ruhedruckes und der Zylinderverschiebung relativ zu den Kammern 11 und 12.

/, die zum Füllen des Volumens, bewirkt durch die Verschiebung des Zylinders 20. erforderliche Zeit.

f, die zum Komprimieren des Mediums, als Folge der Verschiebung des Zylinders 20, erforderliche Zeit.

/, und /, stellen eine Funktion der Größe (L, nicht gezeigt) der Verschiebung des Zylinders 20 dar; der Öffnung der Gehäuseauslässe 14. 15: des Volumens des Mediums in den Kammern 11. 12. und zwar unter Druck; und des Ruhedruckes des Mediums in den Kammern 11, 12.

Der Oszillator kann ebenso als ein Beschleunigungsmesser verwendet werden, wenn man diesen Oszillator so auslegt, daß der Zylinder 20 auf Außenkräfte anspricht, z. B. eine Beschleunigung des Gehäuses. Die dynamischen Eigenschaften des Oszillators, wenn dieser als Beschleunigungsmesser verwendet wird, lassen sich dann durch die folgende Gleichung vierten Grades annähern:

Frequenz _ M A(I - T₁S)(I - t,S)

Tast(g) ~ A₄S'-. A₃S³- A₂S- -A₁S-,A₀

Hierbei sind die Koeffizienten der .V-Ausdrücke A_n, Λ,. /I₂. Λ_:, und .4, ebenso Funktionen von /,. /₂. M und den Ruhewerten des Druckes.

j Ausführiingsbeispiel

Eine nach den zuvor angegebenen Richtlinien ausgebildete Vorrichtung wurde bekannten Werten einer Beschleunigung ausgesetzt und eine charakteristische Kurve entsprechend der Frequenz gegenüber dei

ίο Schwere oder Gravitation wurde aufgenommen. Aul Grund dieser Information war es dann möglich, die Beschleunigung eines sich bewegenden Körpers zu bestimmen (an welchen die Vorrichtung angebracht war), und zwar auf Grund einer Frequenzmessung und auf Grund der graphischen Darstellung läßt sich die Beschleunigung bestimmen.

Im folgenden sollen einige wichtige Betrachtungen hinsichtlich der Auslegung und Konstruktionsweise eines Oszillators aufgestellt werden, der als Beschleunigungsmesser verwendet werden soll.

Um zunächst sicherzustellen, daß der Oszillator auch fortfährt zu schwingen, wenn er Kräften, du von außerhalb wirken, ausgesetzt wird, wurde die Verscaiebungszeitkonstante (/,) kleiner ausgeführt als

»5 die Kompressionszeitkonstante (Z₂). Dies wurde dadurch erreicht, daß man die Öffnungsdurchmesser (d der Auslaßöffnungen 14 und 15 verglichen zur Lager länge D klein ausführte. Das Verhältnis der Auslaßöffnung, die zum Lagerabstand D richtig ausgelegt ist sollte nicht weniger als 0.01 (in bevorzugter Weise d,L ungefähr =- 1/150) sein. Zweitens wurde der Oszillatoi ebenso leicht unsymmetrisch ausgeführt, um einer Anfang der Schwingungen sicherzustellen.

Der Fluidoszillator. der mit diesen Parameterr ausgestattet ist bzw. arbeitet, arbeitet als Beschleunigungsmesser in folgender Weise: Wenn der Oszillatoi in einer Richtung parallel zur Achse des Zylinders 2t (seismische Masse) beschleunigt wird, dann wird dei Zylinder aus seiner zentrierten Lage verschoben, wodurch sich die effektiven Volumina der Kammern 11 und 12 ändern und weiterhin bewirkt wird, daß sich die Frequenz der Schwingungen ändert. Diese Frequenzänderung (Af) ist eine Funktion der Verschiebungsgröße (L, nicht gezeigt) des Zylinders 20 entsprechend der Beschleunigung: ebenso der nominellen oder effektiven Öffnungsgröße (d) der Auslässe 14, If und kann in folgender Weise ausgedrückt werden J/ = Ld. Typisch beträgt die Frequenzänderung (J /') entsprechend der Beschleunigung nahezu eir Fünftel bis die Hälfte der Mittenfrequenz [f_r. Gleichung 1).

Obwohl die gezeigte Vorrichtung allgemein symme trisch aufgebaut ist. um eine symmetrische Ausgangs größe zu erhalten, kann die Vorrichtung auch asym metrisch ausgeführt werden (so daß eine eingebaut« Vorspannung vorhanden ist), so daß das Frequenz ansprechverhalten auf gleiche, jedoch entgegengesetzt* BeschJeunigungskräfte nicht gleich ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 2 einer Vielzahl von Kanälen und Kanalsystemen Patentansprüche: ausgestattet ist, als auch der bewegbare Körper seihst eine schwer herzustellende Form aufweist. Das Ge-

1. Pneumatischer Oszillator mit einem Gehäuse häuse ist beispielsweise allein mit vier Beliiftung*- mit einem Hohlraum, in den eine Einlaßöffnung 5 öffnungen ausgestattet, von denen zwei in die erste zum Zuführen eines Mediums mündet, und mit und zweite Kammer jeweils münden und weitere zwei einer ersten und einer zweiten Auslaßoffnung zum Belüftungsöffnungen oder Belüftungskanäle radial in Auslassen des Mediums aus dem Hohlraum, weiter das Gehäuse münden und den Hohlraum in diesem mit einem bewegbaren Körper in dem Hohlraum. Gehäuse zur Atmosphäre hin belüften. Darüber der diesen Hohlraum in eine erste und eine zweite io hinaus sind für den Betrieb dieses bekannten pneu-Kammer teilt, wobei die erste Kammer mit der matischen Oszillators zwei unterschiedliche Druckersten Auslaßoffnung und die zweite Kammer mit quellen erforderlich, von denen die eine dazu dient, der zweiten Auslaßoffnung strömungsmäßig in den im Hohlraum des Gehäuses bewegbaren Körper Verbindung steht, dadurch gekenn zeich- in schwimmendem Zustand zu halten, und die andere net. daß der bewegbare Körper (20) einen ersten 15 Druckquelle für den eigentlichen Betrieb des Oszilla-Kanal (22) aufweist, der mit der Einlaßöffnung (16) tors dient (USA.-Patentschrift 3 315 531).
strömungsmäßii, in Verbindung steht, und einen Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe zweiten Kanal (.21) aufweist, der mit dem ersten besteht darin, einen pneumatischen Oszillator zu Kanal (22) und der ersten (11) und der zweiten (12) schaffen, der vergleichsweise äußerst einfach aufge-Kammer in Verbindung steht. 20 baut ist, nur eine einzige Druckquelle benötigt.

2. Pneumatischer Oszillator nach Anspruch 1, einfach hergestellt werden kann und sicher arbeitet,
dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kanal (22) Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfindungsdes bewegbaren Körpers (20) ein sich in diesem gemäß der bewegbare Körper einen ersten Kanal radial erstreckender Kanal, und der zweite Kanal aufweist, der mit der Einlaßöffnung strömungsmäßig (21) in dem bewegbaren Körper (20) ein sich in 25 in Verbindung steht, und einen zweiten Kanal aufdiesem axial erstreckender Kanal ist. weist, der mit dem ersten Kanal und der ersten und

3. Pneumatischer Oszillator nach Anspruch 1, der zweiten Kammci in Verbindung steht.

dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Im Gegensatz zum Bekannten wild also der wesent-

Auslaßöffnung Γ14, 15) einen soJ-.hen Abstand zu- liehe Teil des Strömungssystems nicht in das Gehäuse einander haben, daß die an c'iesen Auslaßöffnungen 3° des pneumatischen Oszillators, sondern in den beerscheinenden Ausgangssignale ;..ne Phasenver- wegbaren Körper, der also im Hohlraum des Geschiebung von 180° zueinander haben. häuses schwingt, verlegt, wodurch die gesamte

4. Pneumatischer Oszillator nach Anspruch 1, Konstruktion äußerst vereinfacht wird.

dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel kann

bewegbaren Körpers (20) so auf den Abstand 35 der erste Kanal des bewegbaren K "rpers ein sich in

zwischen der ersten (14) und der zweiten (15) diesem radial erstreckender Kanal sein und der

Auslaßoffnung bezogen ist, daß sich die Form zweite Kanal in dem bewegbaren Körper ein sich in

bzw. Größe der ersten und zweiten Auslaßoffnung diesem axial erstrecker der Kanal sein. Zweckmäßig

(14. 15) mit der Bewegung des Körpers (20) ändern haben dabei die erste und die zweite Auslaßoffnung

kann. 40 einen solchen Abstand zueinander, daß die an diesen

5. Pneumatischer Oszillator nach Anspruch 1, Auslaßöffnungen erscheinenden Ausgangssignalc eine dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kanal (21) Phasenverschiebung von 180° zueinander haben.

des bewegbaren Körpers (20) an den Enden des Eine Verbesserung der Schwingneigung des pneu-

Körpers (20) in zwei Öffnungen (23. 24) derselben matischen Oszillators kann auch dadurch erreicht Form endigt, wobei die letzteren Öffnungen (23, 24) 45 werden, daß die Länge des bewegbaren Körpers so kleiner als der zweite Kanal (21) sind. auf den Abstand zwischen der ersten und der zweiten

Auslaßoffnung bezogen ist, daß sich die Form bzw. Größe der ersten und zweiten Auslaßöffnung mit der

Bewegung des Körpers ändern kanu. Der im Hohlraum

50 des Gehäuses schwingende Körper vermindert also abwechselnd den Durchtrittsquerschnitt der einen

Die Erfindung betrifft einen pneumatischen Oszilla- Auslaßoffnung, bei Vergrößerung des Durchlaßquertor mit einem Gehäuse mit einem Hohlraum, in den schnittes der anderen Auslaßoffnung und dann den eine Einlaßöffnung zum Zuführen eines Mediums Durchlaßquerschnitt der anderen Auslaßoffnung bei mündet, und mit einer ersten und einer zweiten 55 gleichzeitiger Vergrößerung des Durchlaßquerschnittes Auslaßoffnung zum Auslassen des Mediums aus dem der einen Auslaßöffnung. Dadurch wird die Schwing-Hohlraum, weiter mit einem bewegbaren Körper in neigung des Oszillators effektiv vergrößert,
dem Hohlraum, der diesen Hohlraum in eine erste Bei diesem Ausführungsbeispiel ist weiter vorge-

und eine zweite Kammer teilt, wobei die erste Kammer sehen, daß der zweite Kanal des bewegbaren Körpers mit der ersten Auslaßöffnung und die zweite Kammer ^6o an den Enden des Körpers in zwei Öffnungen dermit der zweiten Auslaßöffnung strömungsmäßig in selben Form endigt, wobei die letzteren Öffnungen Verbindung steht. kleiner als der zweite Kanal bzw. als die Querschnitts-

Ein derartiger pneumatischer Oszillator kann bei- fläche dieses zweiten Kanals sind,
spielsweise zum Messen von Beschleunigungskräften Durch eine geeignete Auswahl der Begrenzungen,

oder Gravitationskräften verwendet werden und ist 65 Volumina und Strömiingsquerschnitte läßt sich der bereits bekannt. Diese bekannte Konstruktion ist Oszillator als Beschleunigungsmesser verwenden, da jedoch vergleichsweise sehr aufwendig, da sowohl das die Frequenz des Oszillators so eingestellt werden del) bewegbaren Körper aufnehmende Gehäuse mit kann, daß sie hinsichtlich der Änderungen der Ge-