DE1523542B2 - Stroemungsmittel-operationsverstaerker - Google Patents
Stroemungsmittel-operationsverstaerkerInfo
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- DE1523542B2 DE1523542B2 DE1965J0029744 DEJ0029744A DE1523542B2 DE 1523542 B2 DE1523542 B2 DE 1523542B2 DE 1965J0029744 DE1965J0029744 DE 1965J0029744 DE J0029744 A DEJ0029744 A DE J0029744A DE 1523542 B2 DE1523542 B2 DE 1523542B2
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Description
45
Die Erfindung bezieht sich auf einen Strömungsmittel-Operationsverstärker
mit mehreren, hintereinandergeschalteten und an eine Strömungsmittelquelle angeschlossenen
Strömungsmittelverstärkern sowie mit einem, dem ersten Strömungsmittelverstärker vorgeschalteten
Vorstufen-Strömungsmittelverstärker, in welchen eine Rückkopplungsleitung mit einem Strömungsmittelwiderstand,
ausgehend vom Ausgang des letzten Strömungsmittelverstärkers, und Signalleitungen
einmünden, wobei als Vorstufe ein Gegenstrahlverstärker mit zwei Düsen angeordnet ist, an deren eine die
Rückkopplungsleitung angeschlossen ist.
Ein Operationsverstärker dieser Art ist in dem ein älteres Recht darstellenden deutschen Patent 15 23 537
beschrieben, wobei an die eine der beiden Düsen der Vorstufe der Speisedruck über einen Strömungsmittelwiderstand
angelegt ist, während die zweite, entgegengesetzte Düse über je einen Strömungsmittelwiderstand
von einer oder mehreren Signalquellen und von der Rückkopplung beaufschlagt wird. Bei dieser Ausführung
wird der Vorteil erreicht, daß hoher Widerstand an der Signaleingangsleitung erhalten werden kann, so daß bei
Signaldruckänderung die Änderung der Durchflußmenge klein ist, was erwünscht ist. Andererseits ist mit einer
solchen Ausführung nur eine negative Verstärkung möglich. Will man beispielsweise die Differenz zweier
Signale bilden, so muß zunächst das eine der beiden Signale über einen separaten Verstärker invertiert
werden. Damit verliert man an Genauigkeit und erhöht den Aufwand.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Strömungsmittel-Operationsverstärker
so auszuführen, daß bei Beibehaltung des Vorteils hohen Eingangswiderstandes sowohl
positive als auch negative Verstärkung möglich sind. Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung
dadurch, daß jede der beiden Düsen des Gegenstrahlverstärkers über einen Vorspannwiderstand mit der
Strömungsmittelquelle verbunden und an mindestens eine Signalleitung über einen Strömungsmittelwiderstand,
dessen Wert wesentlich größer als der Widerstandswert der Düse ist, angeschlossen ist.
Durch die Erfindung ist es ermöglicht, mit negativer und positiver Verstärkung zu arbeiten, und zwar mit
großer Genauigkeit und ohne großen konstruktiven Aufwand, wobei gleichzeitig bei Signaldruckänderung
die Änderung der Durchflußmenge klein ist und wobei eine sichere Entkopplung der Signalquellen gewährleistet
ist.
Weitere Ausgestaltungen der" Erfindung sind in^
weiteren Ansprüchen unter Schutz gestellt. · r.j?
Die Erfindung wird nachstehend an - Hand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Strömungsmittel-Operationsverstärkers
gemäß der Erfindung,
Fig.2 einen Querschnitt durch den Vorstufen-Gegenstrahlverstärker-Modulator,
der schematisch in F i g. 1 dargestellt ist,
F i g. 3einegraphischeDarstellungeiner Eingangs-Ausgangs-Charakteristik
des Gegenstrahlverstärkers,
F i g. 4 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Vergleichsvorganges im Verstärker nach F i g. 1,
F i g. 5 eine graphische Darstellung der negativen und positiven Verstärkungskennlinien des Verstärkers, der
für den Empfänger nach F i g. 1 um einen ausgewählten höchsten Eingangssollwert arbeitet,
Fig.6 eine der Fig.5 ähnliche graphische Darstellung,
die positive und negative Verstärkungskennlinien beim Arbeiten um einen mittleren Eingangsdrucksollwert
zejgt,
Fig. 7 eine schematische Darstellung, die einen die Erfindung anwendenden Universalverstärker zeigt, der
als Teil einer Temperatursteuerungseinheit angeschlossen ist.
In F i g. 1 ist eine Ausführungsform eines Strömungsmittel-Operationsverstärkers
dargestellt, der einen Vorstufen-Gegenstrahlverstärker hat, dessen Aufbau in F i g. 2 dargestellt ist.
Bei der Darstellung gemäß Fig. 1 sind die in den verschiedenen Leitungen angeordneten Strömungsmittelwiderstände
als einstellbare Strömungsmittelwiderstände dargestellt.
In der Praxis kann jeweils ein nicht einstellbarer Strömungsmittelwiderstand in Reihe mit einem feineinstellbaren
Strömungsmittelwiderstand verwendet werden. Wenn eine einzige nicht einstellbare Ausführung
vorgesehen ist, können nicht einstellbare Strömungsmittelwiderstände verwendet werden. Allgemein weist ein
Verstärker gemäß F i g. 1 in den verschiedenen Eingangsleitungen nicht dargestellte Filter auf, wie es
üblich ist.
Der Vorstufen-Gegenstrahlverstärker 1 weist zwei Düsen 17 und 16 auf. Die Düse 17 ist über einen
Vorspannwiderstand 4 und einen Druckregler 5 mit einer Strömungsmittelquelle verbunden. Außerdem ist
die Düse 17 an zwei Signalleitungen geschaltet, deren jede einen positiv verstärkenden Strömungsmittelwiderstand
2 bzw. 3 enthält. Die Strömungsmittelwiderstände 2,3 und 4 liegen alle parallel.
Die gegenüberliegende Düse 16 ist über einen Strömungsmittelwiderstand 8 und den Druckregler 5 an ι ο
die Strömungsmittelquelle, und weiterhin an zwei Signalleitungen geschaltet, deren jede einen negativ
verstärkenden Strömungsmittelwiderstand 7 bzw. 6 enthält. Die Strömungsmittelwiderstände 6, 7 und 8
liegen alle parallel.
Das Ausgangssignal des Vorstufen-Gegenstrahlverstärkers 1 ist gleich seinem Verstärkungsfaktor,
multipliziert mit der Differenz der absoluten Gesamtdrücke an den beiden Düsen 16,17, wobei die absoluten
Gesamtdrücke auf ein Bezugsniveau bezogen sind, wie es nachstehend beschrieben ist.
Der Ausgang 24 des Vorstufen-Gegenstrahlverstärkers ist an einen mit Vorwärtsverstärkung arbeitenden
Verstärker angeschlossen, der allgemein irgendein geeigneter Verstärker sein kann, der auf das vom
Vorstufen-Gegenstrahlverstärker 1 kommende Signal mit niedrigem Niveau anspricht. Der in Fig. 1
dargestellte Verstärker weist zwei in Kaskade geschal- ^.
tete Gegenstrahlverstärker 9 und 10 auf, welche Wrfie
geeignete Verstärkung bewirken, um eine Leistungsstufe 11 zu betreiben, die irgendeine geeignete Einrichtung
sein kann, die zur Verstärkung eines Signals auf einen solchen Wert dient, bei welchem eine pneumatische
Betätigungsvorrichtung od. dgl. betrieben werden kann. Eine solche Betätigungsvorrichtung kann ein Strömungsmittel-Leistungsverstärker,
ein pneumatisches Relais gemäß Fig. 7 oder eine ähnliche Vorrichtung sein.
Die Leistungsstufe 11 ist gemäß Fig. 1 ein Strömungsmittelverstärker
und weist zwei Gegenstrahlverstärker 12 und 13 auf, die parallel geschaltet sind, um auf
einer Ausgangsleitung 14 ein Ausgangssignal mit verhältnismäßig hoher Energie zu liefern. Ein Rückkopplungs-Strömungsmittelwiderstand
15 verbindet die Ausgangsleitung 14 mit dem Vorstufen-Gegenstrahlverstärker 1. Der Rückkopplungs-Strömungsmittelwiderstand
15 ist an die Düse 16 des Vorstufen-Gegenstrahlverstärkers 1 geschaltet, da der Vorwärtsverstärker
negativen Verstärkungsfaktor hat und einen Operationsverstärker zur Addition oder Subtraktion einer
Mehrzahl von Eingangssignalen an einem oder beiden der Eingänge bildet.
Aus F i g. 2 ist ersichtlich, daß die Düsen 16 und 17 des Vorstufen-Gegenstrahlverstärkers 1 von einem konzentrischen
Gehäuse 18 umgeben sind, welches eine Querwand 19 hat, die mit Bezug auf die Düsen 16 und 17
mittig angeordnet ist. Die Wand 19 enthält eine Steueröffnung 20 in Ausrichtung mit den Düsen 16 und
17. Die Steueröffnung 20 hat vorzugsweise V-förmigen Querschnitt, so daß entsprechend geformte Flächen auf
gegenüberliegenden Seiten der öffnung 20 und eine scharfe Kante an der öffnung vorhanden sind. Die
Querwand 19 begrenzt eine erste Kammer 21, welche die Düse 16 umgibt und konzentrisch zu dieser liegt
sowie mit einer Strömungsmittelabnahmeöffnung 22 versehen ist. Die Querwand 19 begrenzt weiterhin eine
ähnliche Kammer 23, welche die Düse 17 umgibt und konzentrisch zu dieser liegt sowie mit der Ausgangsöffnung
24 versehen ist. Der Vorstufen-Gegenstrahlverstärker 1 ist symmetrisch ausgebildet, was von
Bedeutung ist, da beide Kammern 21, 23 als Bezugskammer oder als Ausgangskammer verwendet
werden können, wenn sie in entsprechender Weise in den Strömungsmittelkreislauf geschaltet werden.
Gemäß F i g. 1 ist die Strömungsmittelöffnung 22 so angeschlossen, daß sie in der Kammer 21 einen
Bezugsdruck liefert. Bei der dargestellten Ausführung ist der Atmosphärendruck der Bezugsdruck. Es kann
jedoch auch ein anderer Druck als Bezugsdruck verwendet werden.
Die öffnung 24 dient als Ausgangsöffnung des Vorstufen-Gegenstrahlverstärkers 1, und der Ausgangsdruck
wird in der Kammer 23 gebildet.
Zufolge der in F i g. 1 dargestellten Ausführung und Schaltung des Vorstufen-Gegenstrahlverstärkers 1 ist
das gesamte an der Düse 17 auftretende Signal die algebraische Summe der Signaldrücke oder Strömungsmitteldrücke,
die durch die Signale an den Strömungsmittelwiderständen 6 und 7 und das Vorspannsignal der
Strömungsmittelwiderstände 8 und 4 gebildet werden. Die Ausführung ist dabei so getroffen, daß der
Gleichgewichtsjjunkt der aus den Düsen 16 und 17 austretenden Ströme, gewöhnlich im Bereich der
Öffnung 20 liegt. Falls im Betrieb der aus der Düse 17 austretende Strahl' ausreichend größer als der aus der
^ Düse 16 austretende Strahl wird, verschiebt sich die Gleichgewichtsstelle in die Kammer 21 hinein, wobei
dann ein Ausgangssignal Null erhalten wird.'Falls 'der aus der Düse 16 austretende Strahl -entsprechend
stärker wird als der aus der Düse 17 austretende Strahl, verschiebt sich die Gleichgewichtsstelle in die Kammer
23 hinein (siehe Fig.2), und es wird ein maximales Ausgangssignal erhalten. Für praktische Zwecke wird
der Verstärker so ausgeführt, daß er im Bereich eines mittleren Ausgangsdruckes in der Leitung 14 arbeitet,
der ein Null-Niveau bildet, so daß sowohl positive als auch negative Signale erhalten werden können. Der
Vorstufen-Gegenstrahlverstärker 1 ist daher so ausgeführt, daß er ein Ausgangssignal liefert, welches auf ein
angehobenes Bezugsniveau in der Ausgangsleitung 14 bezogen ist, und daß dieses Ausgangssignal um das
Bezugsniveau schwankend moduliert wird.
Der Vorstufen-Gegenstrahlverstärker ist so ausgeführt, daß das Ausgangssignal (POSin) gleich dem
Verstärkungsfaktor (K.sjm) des Gegenstrahlverstärkers
1, multipliziertjnit der Differenz der Drücke P\ an der
Düse 16 und P2 an der Düse 17 ist, wobei die Drücke P\
und Pi höher als der Bezugsdruck sind, der in der
Kammer 21 herrscht. Der Druck Posim des Ausgangssignals
ist allgemein niemals kleiner als der Bezugsdruck Pref. Diese Beziehung ist in F i g. 3 für drei verschiedene
unveränderliche Drücke Pi an der Düse 17 bei veränderlichem Druck Pi an der Düse 16 dargestellt,
wobei P\ größer als P2 ist. Der Ausgangsdruck POSim ist
auf der senkrechten Achse, und die Differenz P\—Pi ist
auf der horizontalen Achse aufgetragen. Die drei Kurven 25, von denen je eine für jeden unveränderlichen
Druck Pi gezeichnet ist, enthalten jeweils einen
gleichen positiven Anstieg zu dem höchsten verfügbaren Ausgangsdruck, der durch Pz geliefert wird.
Der Vorstufen-Gegenstrahlverstärker 1 ist so ausgeführt, daß geringer Strömungswiderstand geschaffen ist,
so daß ein merklicher Druckabfall gegenüber dem Bezugsdruck nicht hervorgerufen wird. Der Vorstufen-Gegenstrahlverstärker
1 arbeitet demgemäß mit Leistungsstrahlen mit verhältnismäßig niedrigem Druck,
von denen jeweils einer oder beide mit einem oder mehreren Signalen moduliert werden.
Der Vorstufen-Gegenstrahlverstärker 1 erzeugt ein verstärktes Ausgangssignal, welches für Änderungen
des Gesamtdrucks an der Düse 17 umgekehrtes Vorzeichen hat, und welches für Änderungen des
Gesamtdrucks an der Düse 16 gleiches Vorzeichen hat. Demgemäß kann ein Eingangssignal positiv oder
negativ verstärkt werden.
Wie bereits erwähnt, ist das Ausgangssignal in der Ausgangsleitung 14 auf ein willkürlich angenommenes
oder Bezugs-Nullniveau angehoben, und der Vorstufen-Gegenstrahlverstärker 1 muß ein darauf bezogenes
Ausgangssignal mittlerer Stärke haben. Dieses wird durch die Verstärkung der Operationsverstärkerstufen
bestimmt, die von den Gegenstrahlverstärkern 9, 10,12 und 13 gebildet sind.
Die in Kaskade geschalteten Gegenstrahlverstärker 9 und 10 und die parallel geschalteten Gegenstrahlverstärker
12 und 13 kehren jeweils das Vorzeichen des an sie angelegten Eingangssignals um. Demgemäß führt
eine Signaländerung an der Düse 17 zu einer proportionalen Änderung des Ausgangsdrucks mit
gleichem Vorzeichen, und die Strömungsmittelwiderstände 2 und -3 schaffen posititive Verstärkung.
Umgekehrt führt eine Signaländerung an der Düse 16 zu einer porportionalen Änderung des Ausgangsdrucks,
jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen, und^Jie STrömungsmittelwiderstände
6 und 7 schaffen negative Verstärkung. Der Druck in der Ausgangsleitung 14 erhöht sich bzw. erniedrigt sich entsprechend.
Die Gegenstrahlverstärker 9 und 10 arbeiten mit negativer Verstärkung. Jeder dieser Gegenstrahlverstärker
9 und 10 weist zwei gegenüberliegende Strahldüsen 27 und 28 auf, die relativ zu einer
schematisch bei 29 dargestellten Ausgangskammer aufeinandertreffen. Die Gegenstrahlverstärker 9 und 10
sind vorzugsweise so ausgeführt, daß die Bezugskammer geschlossen ist, mit der eine Bezugsleitung 30
verbunden ist, so daß ein Bezugsdruck ausgewählt werden kann, der gemäß der Darstellung Umgebungsbzw. Atmosphärendruck ist. Die Bezugsöffnung 30 ist
vorgesehen, da bei gewissen Ausführungen ein anderer Bezugsdruck als der Umgebungs- bzw. Atmosphärendruck
erwünscht sein kann.
Eine quer zu den Düsen 27 und 28 angeordnete Steuerdüse 31 ist der Düse 27 benachbart in der
Bezugskammer angeordnet und mit dem Ausgang 24 des Vorstufen-Gegenstrahlverstärkers 1 verbunden, so
daß der aus der Düse 27 austretende Strahl entsprechend dem Ausgangssignal des Vorstufen-Gegenstrahlverstärkers
1 abgelenkt wird.
Die Düse 27 ist über einen einstellbaren Strömungsmittelwiderstand
32 mit der Strömungsmittelquelle verbunden. Zusätzlich ist eine einen einstellbaren
Strömungsmittelwiderstand 33 enthaltende Leitung vorgesehen, welche die Düse 28 mit der Düse 27 und
demgemäß mit der Ausgangsseite des Strömungsmittelwiderstandes 32 verbindet. Der Ausgang 34 des
Gegenstrahlverstärkers 9 wird als Eingang an den Gegenstrahlverstärker 10 angelegt, in welchem das
Signal mit einer weiteren Vorzeichenumkehrung verstärkt und in den Leistungsverstärker 11 eingespeist
wird.
Der Leistungsverstärker 11 enthält die parallel angeordneten Gegenstrahlverstärker 12 und 13, die in
gleicher Weise wie die Gegenstrahlverstärker 9 und 10 ausgeführt und in ähnlicher Weise an die Strömungsmittelquelle
angeschlossen sind. Zusätzlich weisen sie eine gemeinsame Eingangsleitung 35 auf, die mit den
entsprechenden quer angeordneten Steuerdüsen verbunden ist. Eine gemeinsame Ausgangsleitung 36
verbindet die Ausgänge der Gegenstrahlverstärker 12 und 13 mit der Ausgangsleitung 14. Der Leistungsverstärker
11 kehrt das Vorzeichen des Eingangssignals wiederum um und liefert ein entsprechend bezogenes
verstärktes Ausgangssignal. Der in die Rückkopplungsleitung geschaltete Strömungsmittelwiderstand 15 verbindet
die Ausgangsleitung 14 mit der Düse 16 des Vorstufen-Gegenstrahlverstärkers 1, um negative Rückkopplung
zu erzeugen.
Die Arbeitsweise des Operationsverstärkers wird nachstehend beschrieben.
Das Ausgangssignal Po™, des Vorstufen-Gegenstrahlverstärkers
1 bildet das Eingangssignal für den mit negativer Verstärkung arbeitenden Operationsverstärker,
der die Gegenstrahlverstärker 9, 10, 12 und 13 aufweist. Das Ausgangssignal Po in der Ausgangsleitung
14 ist daher gleich (P\-P2) KSim (den Eingangssignaldrücken
an den Düsen 16 und 17), multipliziert mit dem negativen Verstärkungsfaktor (- K) des mit Vorwärtsverstärküng
arbeitenden Verstärkers.
Die Gleichung kann wie folgt geschrieben werden: <
Po= 'K (P1 -P2),- '-'-
wobei K beide obenerwähnten Verstärkungen enthält.
Ferner ist in Summenform das
Signal
wobei P\j sich auf die entsprechenden Eingangssignale 4c der Strömungsmittelwiderstände 6 und 7 und aller
übrigen Strömungsmittelwiderstände bezieht, die an der Düse 16 vorgesehen sind. R\j bezieht sich auf den
Widerstandswert der Strömungsmittelwiderstände 6 und 7 und aller übrigen Strömungsmittelwiderstände,
die vorgesehen sein können. Rf sich auf den Widerstandswert des in der Rückkopplungsleitung vorgesehenen
Strömungsmittelwiderstandes 15. Für den Durch-■gangswiderstand
GVi gilt:
Gn =
Nl
R,
"R1n
R1
wobei Rni der Strömungsmittelwiderstand der öffnung
der Düse 16 ist. Gleichfalls ist in Summenform das Signal
wobei für den Durchgangswiderstand
Rm R21 Rzn R/a
Das Einsetzen der Gleichungen für P\ und P2 in die
Gleichung für Po ergibt die Formel für das Arbeiten des
Operationsverstärkers, ausgedrückt durch die Eingangssignale
an den Anschlüssen des Operationsverstärkers und der bezeichneten passiven Elemente.
Rf ρ _
K
2J
Po =
LL
R1G
+ 1
Durch Verwendung eines Verstärkers mit Vorwärtsverstärkung und einem ausreichend hohen Verstärkungsfaktor
K ergibt die Arbeitsgleichung mit der Annäherung oder dem Regelkreisfehler, die bzw. der
unmittelbar in Beziehung steht zu der Genauigkeit, die durch die Vereinfachung des Nenners bedingt ist, die
Arbeitsgleichung
2J
ρ _
r0 —
R,
Nl
Κλ
sehr groß gemacht werden mit Bezug auf die Summe der Durchgangswiderstandswerte der Eingangsströmungsmittelwiderstände
R,
■21
Es kann gleichfalls gezeigt werden, daß mit dem Vorstufen-Gegenstrahlverstärker 1 und einem Verstärker
mit Vorwärtsverstärkung und einem positiven Verstärkungsfaktor und' durch Anschließen des in der
Rückkopplungsleitung vorgesehenen Strömungsmittelwiderstandes an die Düse 17 zur Aufrechterhaltung der
negativen Rückkopplung eine ähnliche Leistungsgterchung folgende Form hat:
Gemäß den vorstehenden Gleichungen ist die Gesamtleistung nur durch die passiven Elemente
bestimmt. Auf Grund der besonderen Bauweise des Vorstufen-Gegenstrahlverstärkers 1 können die Leistungsgleichungen
weiter vereinfacht werden durch Ausschaltung oder Vereinfachung der Ausdrücke für
den Durchgangswiderstand in den Gleichungen. Wie oben festgestellt, ist der Vorstufen-Gegenstrahlverstärker
1 so ausgeführt, daß der Strömungsmittelwiderstand an seinen Eingangsöffnungen sehr klein ist. Infolgedessen
kann der Durchgangswiderstand
für eine akzeptable begrenzte Anzahl von Eingängen. Die Durchgangswiderstandswertverhältnisse in den
vorstehenden Gleichungen können daher eng angenähert reduziert werden auf
'Tl
N2
JT2
Nl
und
Tl
7Tl
Κ»
und, wenn die Öffnungen des Vorstufen-Gegenstrahlverstärkers 1 gleichgemacht werden, dann wird das
Durchgangswiderstandsverhältnis gleich 1 und ist dadurch aus der Leistungsfunktion eliminiert, die dann
durch die entsprechenden positiven und negativen Verstärkungswiderstandsverhältnisse der Strömungsmittelwiderstände
in der Rückkopplungsleitung und in den Eingangssignalleitungen bestimmt ist.
Die Arbeitsweise des Operationsverstärkers wird nachstehend durch Beschreibung verschiedener Anschlüsse
erläutert, die hergestellt werden können. Die graphischen Darstellungen in den Fig.4 bis 6 sind
vereinfachte Linienzeichnungen tatsächlicher Diagramme, die an einem Operationsverstärker gemäß Fig. 1
aufgenommen sind, wobei das Strömungsmittel Luft ist. In der nachfolgenden Beschreibung sind die verschiedenen
Signaldrücke und Widerstandswerte durch einen ndex gekennzeichnet, der dem Bezugszeichen des
Strömungsmittelwiderstandes entspricht. Beispielswei-· se ist das Eingangssignal am Strömungsmittehviderstand
3 als P3, und der entsprechende Strömungsmittelwiderstandswert
als R3 bezeichnet.
Wenn ein Strömungsmittelwiderstand 3 mit positiver Verstärkung und ein Strömungsmittelwiderstand 6 mit
negativer Verstärkung zusammengeschlossen und mit einer gemeinsamen Signalquelle 37 verbunden werden,
sind die Strömungsmittelwiderstände 2 und 7 geschlossen oder an geeignete unveränderliche Sollwertdrücke
angeschlossen, und der Widerstandswert des Strömungsmittelwiderstandes 3 ist gleich demjenigen des
Strömungsmittelwiderstandes 6, so daß sie dieselben Verstärkungen haben. Das Ausgangssignal in der
Leitung 14 bleibt bei Änderungen des aus der gemeinsamen Quelle 37 kommenden Signals konstant,
was bedeutet, daß der Unterschied zwischen den beiden Ausgangssignalen Null bleibt. Die Wirkung einer
solchen Ausführung ist in F i g. 4 gezeigt, in welcher die Eingangssignaldrücke, ausgedrückt in kg/cm2 auf der
waagerechten Achse, und die Ausgangssignaldrücke, ebenfalls ausgedrückt in kg/cm2, auf der senkrechten
Achse aufgetragen sind. Zwei Linien 38 konstanten Ausgangsdrucks für sich ändernde Eingangssignaldrükke
sind dargestellt und sie entsprechen verschiedenen Einstellungen der Strömungsmittelwiderstände 4 und 8
und/oder der Strömungsmittelwiderstände 2 und 7, wenn diese nicht geschlossen sind, wobei durch diese
Einstellungen die anfänglichen Sollwertdrücke für die Düsen 16 und 17 geliefert werden.
Das Ausgangssignal nach F i g. 4 ergibt sich auch aus der folgenden Ausgangsgleichung
R1
Rf
-P6K6
Die Indices beziehen sich auf entsprechende Elemente. Es ist ersichtlich, daß K6 = K3,aaRe = A3 ist. Daher ist
= K3(P3-P6).
609 540/4
Da die Signaleingänge zusammengeschlossen sind, ist der Unterschied Null, und Po bleibt auf dem vorher
eingestellten Wert, wie es in Fig.4 durch die waagerecht verlaufenden Linien 38 angezeigt ist.
Falls andererseits die Strömungsmittelwiderstände 3 und 6 gemäß der Darstellung an einen gemeinsamen
Eingang angeschlossen sind, der positive Verstärkungsfaktor K3 oder der negative Verstärkungsfaktor K6
jedoch durch entsprechende Einstellung des Strömungsmittelwiderstandes 3 bzw. 6 vorherrschend ist, ergibt
sich eine Ausgangscharakteristik, die durch die positiv geneigte Linie 40 bzw. die negativ geneigte Linie 39 in
F i g. 4 dargestellt ist.
Der Vorstufen-Gegenstrahlverstärker 1 wird durch die Vorspannwiderstände 4 und 8 oder durch Verwendung
der Strömungsmittelwiderstände 2 und 7 als Sollwertsteuerung eingestellt derart, daß für einen
ausgewählten Eingangsdruck ein bestimmtes Ausgangsniveau erhalten wird. Das von der Signalquelle 37
kommende Eingangssignal wird als um diesen Sollwert schwankend angenommen. Falls der Widerstandswert
des Strömungsmittelwiderstandes 6 kleiner wird, vergrößert sich sein Verstärkungsfaktor
und der negative Abfall, Linie 39, durch derxjSollwertpunkt
ist dann typisch für die Leistung des Operationsverstärkers.
Falls der Widerstandswert des Strömungsmittelwiderstandes 2 verringert wird oder der Widerstandswert
des Strömungsmittelwiderstandes 6 erhöht wird, herrscht positive Verstärkung vor, und die Linie 40 des
Verstärkungsfaktors mit positiver Steigung bestimmt in entsprechender Weise die Charakteristik.
Die Steigungen der Linien 39 und 40 ergeben sich auch aus einer Analyse der obenerwähnten Leistungsgleichung
P0 = P3K3-P6K6.
P6 und P3 sind auf Grund des Anschlusses an eine
gemeinsame Signalquelle gleich. Daher ist
P0= P6(K3-K6).
Falls K6 größer wird und überwiegt, ergibt sich eine
negative Verstärkungskennlinie. Falls K3 zunimmt und
überwiegt, ergibt sich eine positive Verstärkungskennlinie.
F i g. 5 zeigt die Charakteristik des Operationsverstärkers, wobei die Eingangssignale zu dem Druck an
der Düse 17 beitragen und das Signal an der anderen Düse 16 auf Grund von von den entsprechenden
Strömungswiderständen kommenden Signalen variiert. Die Kennlinie ist für den Fall dargestellt, in welchem der
Ausgangsdruck gemäß der Sollwerteinstellung erreicht ist, wobei ein oder mehrere Eingangssignale zu dem
Druck an der Düse 17 beitragen. In F i g. 5 sind negative Verstärkungskennlinien 41 und positive Verstärkungskennlinien 42 dargestellt. Für die negativen Verstärkungskennlinien
gilt, daß bei abnehmendem Signaldruck der Ausgangsdruck ansteigt, wobei das Ausmaß des
Wechsels durch das Verhältnis des Widerstandswertes des in der Rückkopplungsleitung angeordneten Strömungsmittelwiderstandes
zu dem Widerstandswert des Eingangsströmungsmittelwiderstandes bestimmt ist.
Wenn zur Vereinfachung der Gleichung angenommen wird, daß Signale nur an den Strömungsmittelwiderständen
3 und 6 vorhanden sind, definiert die Ausgangsgleichung
P0=P3K3-P6K6
wieder die beiden Gruppen von Kennlinien 41 und 42. Für den Fall, daß die Drücke, welche zu dem Druck P6
beitragen, als unveränderliche Werte ausgewählt sind und das veränderliche Signal in den Strömungsmittelwiderstand
3 eingespeist wird, sind die Verstärkungskennlinien durch die positiv geneigte Linie 42
dargestellt. Wenn P3 beispielsweise abnimmt, nimmt der
Ausgangsdruck Po ebenfalls ab. Falls umgekehrt die Drücke P3 unveränderlich sind, um einen gewünschten
Sollwertausgangsdruck zu bestimmen, wird die Verstärkerleistung durch die negativ geneigten Verstärkungskennlinien 41 definiert. Daher erhöht sich der
Ausgangsdruck Po, wenn sich P6 verringert.
F i g. 6 zeigt eine der F i g. 5 ähnliche Arbeitsweise mit der Ausnahme, daß der Einstellpunkt, bei welchem der
mittlere Ausgangsdruck erhalten wird, einem Zwischenwert des Eingangsdrucks entspricht. Der Einstellpunkt
kann durch richtige Einstellung der Vorspann-Strömungsmittelwiderstände 4 und 8 sowie auch durch das
Anlegen eines oder mehrerer unveränderlicher Ejiirgangssignale
an die Eingangsströmungsmittelwiderstände des Gegenstrahlverstärkers 1 erzierf wdrden.
Der Operationsverstärker arbeitet dann gemäß Kennlinien, die negativ geneigte Linien 43 und positiv
geneigte Linien 44 umfassen, und zwar in Abhängigkeit von den Verstärkungsfaktoren und den Drücken, die
durch die allgemeine Gleichung bestimmt sind. Dabei wird zum Zwecke der Vereinfachung wieder angenommen,
daß nur die Strömungsmittelwiderstände 3 und 6 vorhanden sind:
Po= P3K3-P6K6.
40 Falls P3 unveränderlich ist und nur P6 schwankt,
bestimmen die positiv geneigten Kennlinien 43 die Charakteristik. Wenn dagegen P3 schwankt und P6
unveränderlich ist, wird die Charakteristik durch die negativ geneigten Kennlinien 44 bestimmt.
In F i g. 7 ist eine besondere Ausführungsform des "Operationsverstärkers dargestellt, der in eine Heißwasserheizanlage
zur Steuerung der Wassertemperatur eingebaut ist. Gemäß F i g. 7 ist der Operationsverstärker
60 mit seinem Ausgang so angeschlossen, daß er ein Dampfventil 61 steuert, welches seinerseits den
Durchfluß von Dampf durch eine Dampfeingangsleitung 62 zu einem Wärmeaustauscher 63 irgendeiner
bekannten Bauart steuert, welcher Heißwasser an eine Heißwasser-Ausgangsleitung 64 liefert. Die Heißwasserleitung
64 ist in einer geschlossenen Heizschleife mit einem Paar Heizkörper 65 verbunden. Eine Pumpe 66 ist
in der Leitung 64 vorgesehen, um das Wasser durch die Heizkörper 65 umzuwälzen und den daran anschließenden
Bereich zu heizen. Wasserventile 67 sind jeweils in Reihe mit jedem der Heizkörper 65 verbunden und
werden durch einen gesonderten Steuerungsthermostaten 68 gesteuert, um den Wasserumlauf zu überwachen.
Die Temperatur des Wassers in der Leitung 64 wird durch Verwendung eines Temperaturfühlers 69 gesteuert,
der als Eingang an den Verstärker 60 angeschlossen ist, um ein Fehlersignal zu erzeugen,
welches am Ausgang des Verstärkers 60 abgegeben wird, um wahlweise und richtig das Dampfventil 61
einzustellen und die Temperatur der Wasserleitung auf einem Sollwert zu halten.
Gemäß Fig.7 enthält der Verstärker 60 einen Vorstufen-Gegenstrahlverstärker 70, der in seiner
Ausführung dem Vorstufen-Gegenstrahlverstärker 1 gemäß F i g. 1 entspricht, so daß für gleiche Bauteile
gleiche Bezugszeichen verwendet sind. Ein drei Anschlüsse aufweisender Strahlverstärker 71 verbindet ι ο
den Ausgang des Gegenstrahlverstärkers 70 mit zwei Gegenstrahlverstärkern 72 und 73, die den Gegenstrahlverstärkern
9 und 10 gemäß Fig. 1 entsprechen. Der Strahlverstärker 71 hat eine Leistungsdüse 74, die über
einen Strömungsmittelwiderstand 75 an eine Strömungsmittelquelle angeschlossen ist, sowie eine gegenüberliegende
Ausgangsdüse 76, die mit der Steuerdüse des Gegenstrahlverstärkers 72 verbunden ist. Eine quer
angeordnete Steuerdüse 77 lenkt den Leistungsstrahl, der aus der Düse 76 austritt, zur Modulierung des
Ausgangsdrucks ab.
Der Strahlverstärker 71 bildet eine Pufferstufe, um die Kennlinie des Gegenstrahlverstärkers 70 derjenigen
des Gegenstrahlverstärkers 9 anzupassen. Der Ausgang des Gegenstrahlverstärkers 73 der zweiten Stufe ist
direkt mit dem Eingang eines an sich bekannten pneumatischen Relais 78 verbunden, dessen Ausgang
wiederum zur Steuerung des Dampfventils 61 und des Rückkopplungsströmungswiderstandes
15 angescWos- *~* sen ist. Das pneumatische Relais enthält ein Gehäuse
mit einer Hauptluftkammer 79, die mit einer Luftquelle verbunden ist. Ein Klappenventil 80 ist so vorgespannt,
daß es gewöhnlich eine öffnung von der Kammer 79 zu einer Ausgangskammer 81 schließt. Das Klappenventil
wird wahlweise durch ein membranbetätigtes Glied 82 eingestellt, welches nach oben durch eine Bezugskammer
83 und die Ausgangskammer 81 hindurchgeht. Das Glied 82 ist im Querschnitt abgestuft und weist einen
verhältnismäßig großen Bodenteil auf, der an einer Membran 84 befestigt ist, welche die obere Wand einer
Steuerkammer 85 bildet. Eine Membran 86 bildet die Unterwand der Kammer 81 und ist mit einem Abschnitt
verringerten Querschnitts des Gliedes 82 verbunden. Der Ausgang des Gegenstrahlverstärkers 73 der
Endstufe ist mit der Steuerkammer 85 verbunden, um darin einen Vorspanndruck zu schaffen, der dem
Ausgangssignal des Gegenstrahlverstärkers 70 proportional ist. Wie dargestellt, ist die wirksame Fläche des
Gliedes 82 an der Membran 84 merklich größer als die wirksame Fläche, die an der Ausgangskammer-Membran
86 befestigt ist. Infolgedessen kann allgemein eine Verstärkung im Verhältnis dieser wirksamen Flächen
mit Bezug auf den Eingangs-(Vorspann-)Steuerdruck und den Ausgangsdruck erzielt werden.
Demnach hält der mittlere Ausgangsdruck das Glied 82 nach oben in Berührung mit dem Klappenventil 80, so
daß die Zufuhr von Luft durch die Ausgangskammer 81 zum Dampfventil 61 gedrosselt wird. Dadurch wird der
gewünschte Zustrom von Dampf zum Wärmeaustauscher für einen gegebenen normalen Heizungszustand
gewährleistet und unmittelbar der Wärmeverlust in der Heißwasserleitung 64 entsprechend den vorbestimmten
Bedingungen ausgeglichen. Falls die Temperatur des Wassers abnimmt oder sich erhöht, erzeugt der Fühler
69 ein Signal, welches an den Verstärker 60 angelegt wird. In Fig.7 sind drei Eingangs-Strömungsmittelwiderstände
87, 88 und 89 als parallele Eingänge mit einer einzigen Eingangsleitung 90 verbunden, die
wahlweise durch ein pneumatisches Ableitungsventil oder eine Kupplung 91 mit der Düse 16 oder 17 des
Gegenstrahlverstärkers 70 verbunden wird. Mit der Kupplung 91 ist eine zweite Kupplung verbunden, die an
einer Seite in Reihe mit einem Vorspannströmungsmittelwiderstand 93 an einen Druckregler 94 angeschlossen
ist. Die gegenüberliegende Seite wird wahlweise an die Düse 16 oder an die Düse 17 umgekehrt zu der ersten
Kupplung 91 angeschlossen. Wenn daher mit der ersten Kupplung die Strömungsmittelwiderstände 87 bis 89 an
die Düse 17 angeschlossen werden, wie es in ausgezogenen Linien dargestellt ist, verbindet die
Kupplung 92 die gegenüberliegende Düse 16 mit dem Vorspann-Strömungsmittelwiderstand 93, um einen
Ausgleich zwischen den Eingangssignalen und dem Vorspannsignal bzw. Eichsignal herzustellen. Die eine
Strömung ist dann eine künstlich erzeugte Strömung durch den Vorspann-Strömungsmittelwiderstand 93
hindurch und wirkt der Summe der Eingangssignalströme entgegen, die über die drei parallelen Strömungsmittelwiderstände
87 bis 89 anliegen.
Der Strömungsmittelwiderstand 89 wird nachfolgend als Istwert-Strömungsmittelwiderstand bezeichnet und
er liegt in Reihe mit einem pneumatischen Übertrager, der an den Fühler 69 angeschlossen ist und durch diesen
betätigt wird, um das Signal für den Strömungsmittelwiderstand 89 entsprechend der Temperatur in der
Heißwasserleitung 64 abzuwandeln.
Der Strömungsmittelwiderstand 88 kann als Sollwert-'
Strömungsmittelwiderstand bezeichnet werden'und er liegt in Reihe mit einem pneumatischen .Stufenschalter
96, der einen einstellbaren regulierten Eingangsdruck liefert, um die Einstellung eines Sollwertsignals zu
ermöglichen.
Der Strömungsmittelwiderstand 87 ist ein Hauptsignal-Strömungsmittelwiderstand
und über einen Verhältniseinstell-Strömungsmittelwiderstand 97 mit einem
pneumatischen Übertrager verbunden, der an einen entfernt liegenden Temperaturfühler 99 angeschlossen
ist, der entweder die Außentemperatur oder die Raumtemperatur feststellt.
Der Sollwert wird eingestellt, um ein Signal zu liefern,
welches bei Addition zu den Signalen an den Strömungsmittelwiderständen 89 und 97 die Heißwassertemperatur
in Übereinstimmung mit diesem Sollwert und der Außentemperatur auf einen bestimmten Wert
hält. Dieser Wert ist teilweise einstellbar durch den einstellbaren Strömungsmittelwiderstand 97, und teilweise"
einstellbar durch das Verhältnis der Empfindlichkeiten der Temperaturübertrager 95 und 98. Der
Vorspann- bzw. Eich-Strömungsmittelwiderstand 93, der die Düse 16 mit der Strömungsmittelquelle
verbindet, wird so eingestellt, daß er den gewünschten Ausgleich durch Vergleichswirkung herstellt, so daß das
Ausgangssignal für eine gegebene Gruppe von Signalen bei 98, 96 und 95 einen vorbestimmten gewünschten
Wert hat.
Die Ausführung gemäß F i g. 7 zeigt deutlich die Vielseitigkeit des Operationsverstärkers. Er ermöglicht
nicht nur einstellbare Vorwärtsverstärkung der Servo-Einrichtung, die durch Änderung des Rückkopplungs-Strömungsmittelwiderstandes
15 herbeigeführt wird, sondern er dient auch als Systemfehlerknotenpunkt, indem das Rückkopplungssignal über den Strömungsmittelwiderstand
89 zu dem Sollwert und die Eingangssignale über den Strömungsmittelwiderstand 88 bzw. 87
addiert werden.
Die Ausführungsform gemäß Fig.7 kann stets das
richtige Schleifenvorzeichen des Steuerstromkreises mittels der Schaltvorrichtung oder Kupplung 91 und 92
gewährleisten, wie es oben beschrieben wurde.
In der dargestellten Ausführungsform, die als steuernder Empfänger in F i g. 7 bezeichnet worden ist,
handelt es sich um eine umgekehrt wirkende Temperatur-Servo-Einrichtung,
da bei absinkender Außen- oder Raumtemperatur das Ausgangssignal des Relais vergrößert
wird, um das Ventil 61 zu schließen. Die negative Rückkopplung der Einrichtung wird hier durch den ι ο
steuernden Empfänger in der Weise geschaffen, daß ein anwachsendes Signal an irgendeinem der Strömungsmittelwiderstände
87 bis 89 das Ausgangssignal des Relais verringert. Nach der dargestellten Ausführungsform kann eine unmittelbare Wirkung dadurch erzielt
werden, daß nur die Verbindung der Kupplungen 91 und 92 umgetauscht wird; in diesem Fall muß für die
negative Rückkopplung durch andere Schaltungselemente wie entweder das Ventil 61 oder den Temperaturübertrager
95 gesorgt werden.
In automatischen Steuerungseinrichtungen kann die Vergleichswirkung des Verstärkers mit großem Nutzen
verwendet werden, um »Fehler«-Signale durch Signal-Subtraktion, wie oben beschrieben, zu erzeugen. Dabei
können, falls erwünscht, zahlreiche Schleifenverstärkungen in der Einrichtung einfach durch eine einstellbare
bewertete Subtraktion erzielt werden.
Im allgemeinen macht eine solche Servo-Eißr-ichfOTTg
Ausgleichswirkungen erforderlich, wie Rückstellung, Bewertung oder eine Kombination von diesen, die durch
den Verstärker erreicht werden. Die parallel liegenden Gegenstrahlverstärker 12 und 13 gemäß Fig. 1 können
durch ein pneumatisches Relais ersetzt werden, welches der Leistungsstufe des steuernden Empfängers entspricht,
während alle anderen Funktionen beibehalten werden, die in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben
worden sind.
Der Vorstufen-Gegenstrahlverstärker 1 kann in irgendeiner geeigneten Anordnung gebaut werden. Eine
Ausführungsform, die tatsächlich als Teil eines Operationsverstärkers befriedigend gearbeitet hat, enthält
gleiche Strahldüsenöffnungen von 0,406 mm, die von einer Steueröffnung von 0,457 mm jeweils gleichen
Abstand von 0,127 mm haben. Dieser Gegenstrahlverstärker 1 hat allgemein zufriedenstellend gearbeitet,
wenn der Düseneingangsdruck in der Größenordnung von 0,0000232 bis 4,2 kg/cm2 über dem Bezugsdruck lag.
Für jeden nachfolgenden Gegenstrahlverstärker bzw. Strahlverstärker wurde der Bezugsdruck so gewählt,
daß er um wenigstens eine gleiche Druckdifferenz kleiner als sein vom vorhergehenden Strahlverstärker
kommender Eingangsdruck war. Eine tatsächlich gebaute Ausführung eines Gegenstrahlverstärkers hatte
die folgenden Hauptabmessungen. Die Speiseöffnungen hatten eine Abmessung von 0,178 mm, die Steueröffnung
eine Abmessung von 0,203 mm, und die quer angeordnete Steüerdüsenöffnung eine Abmessung von
0,254 mm. Die Steueröffnung hatte Von der Düse in der AusgangsRammer einen'Abstand von 0,127 mm, und"
von der gegenüberliegenden Düse einen Abstand von 1,397 mm. Die Querdüse war mit ihrer^Mittellinie um
0,127 mm von der benachbarten Düse«htfernt, während
die Mittellinie ebenfalls um 0,127 mm vom Ende der quer angeordneten Düse enfernt lag.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Strömungsmittel-Operationsverstärker mit mehreren hintereinander geschalteten und an eine
Strömungsmittelquelle angeschlossenen Strömungsmittelverstärkern sowie mit einem dem ersten
Strömungsmittelverstärker vorgeschalteten Vorstufen-Strömungsmittelverstärker, in welchem eine
Rückkopplungsleitung mit einem Strömungsmittelwiderstand, ausgehend vom Ausgang des letzten
Strömungsmittelverstärkers, und Signalleitungen einmünden, wobei als Vorstufe ein Gegenstrahlverstärker
mit zwei Düsen angeordnet ist, an deren eine die Rückkopplungsleitung angeschlossen ist, d a durch
gekennzeichnet, daß jede der beiden Düsen (16, 17) des Gegenstrahlverstärkers (1) über
einen Vorspannwiderstand (8 bzw. 4) mit der Strömungsmittelquelle verbunden und an mindestens
eine Signalleitung über einen Strömungsmittelwiderstand, dessen Wert wesentlich größer als der
Widerstandswert der Düse (16 bzw. 17) ist, angeschlossen ist.
2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an jede Düse mehrere Signalleitungen
mit Strömüngsmittelwiderständen angeschlossen sind.
3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an beide Düsen eine*Rückkopplungsleitung
angeschlossen ist und einer Düse ein /?-C-Netzwerk vorgeschaltet ist.
4. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an eine Rückkopplungsleitung
eine Strömungsmittelkapazität angeschlossen ist.
5. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Strömungsmittelwiderstand
in einer Signalleitung einstellbarist.
6. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannwiderstände
einstellbar sind.
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