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Druckrerler Bisher wurden Strömungsmittelsysteme in Anwendungsfällen,
wie Datenverarbeitung, Raketenziel- bzw. Ilöhensteuerung, automatische Piloten,
Steuerung von Industrieausrtistungen u. dgl. benutzt. Derartige Systeme erfordern
zur einwandfreien Funktion druckgeregelte Strömungsmittelquellen. Denn durch Druckschwankungen
bzw. -abweichungen von eingeregeltem Wert können Fehler hervorgerufen werden, und
im Falle sehwerer Überlastungen kanu es sogar zur Zerstörung der Ausrüstung kommen.
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Das zum Betrieb der vorgenannten Systeme erforderliche Strömungsmittel
wird üblicherweise einer unter hohem Druck stehenden Strömungsmittelquelle entuoflen,
wobei die niedrigeren Bgtriebsdrticke hiervon mittels Druckreglern abgeleitet werden.
Un die gewunschten Eigenschaften zu erreichen, werden ebenso wie aus Gründen langer
Lebensdauer und hoher Zuverlässigkeit Druckregler, welche keine beweglichen Teile
aufweisen, zur Verwendung in diesen Systemen bevorzugt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Druokregler zu schaffen, der keine
beweglichetheile besitzt und während extrem langer Gebrauchsperioden in hohen Nasse
zuverlässig und betriebssicher ist.
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Weiterhin soll mit dem erfindungsgemässen Druckregler ein nahezu konstanter
geregelter Druck über einen weiten Bereich ungeregelter Eingangsdrdcke erreichbar
sein.
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lusserdem soll der Druckregler gemäss der Erfindung einen nahezu konstanten
geregelten Druck über einen weiten Bereich von Belastungsbedingungen liefern.
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Schliesslich wird ein Druckregler angestrebt, der eine schnelle Wiedereinstellung
auf dem eingeregelten Druck beim Auftreten von Änderungen des ungeregelten Eingangsdrucks
oder Änderungen der Belastungsbedingungen ergibt.
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Endlich soll der erfindungsgemässe Druckregler die Auswahl verschiedener
Regeldrttcke gestatten.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Druckregler, der sich erfindmigsgeiäss
auszeichnet durch einen Proportionalverstärkerblock mit wenigstens einer Leistungsstromdllse,
einer ersten und zweiten Steueröffnung und wenigstens einem Ausgangskanal. Zum Verbinden
des Ausgangskanals mit der Last ist eine erste Verbindungseinrichtung vorgesehen.
Eine zweite Verbindungseinrichtung
verbindet die Beistungsstromdüse
mit einer ungeregelten Druckquelle. Zwischen der ersten Verbindungseinrichtung und
der ersten Steueröffnung des strömungsmittelbetriebenen Proportionalverstärkerblocks
ist ein linearer Strömungswiderstand angeordnet, während zwischen der ersten Verbindungseinrichtung
und der zweiten Steueröffnung des strömungsmittelbetriebenen Verstirkerblocks ein
nichtlinearer Strömungswiderstand vorgesehen ist.
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Insbesondere ist der Druckregler nach der Erfindung gekennzeichnet
durch wenigstens einen Proportional-Strömungsmittelverstärker, der eine Leistungsstromdüse,
zwei Steueröffnungen bzw. -düsen und zwei Ausgangskanäle aufweist, wobei die Leistungsstromdüse
mit einer ungeregelten Druckquelle und einer der Ausgangskanäle über eine Verbindung
mit einer Last verbunden ist; ferner einen Rückkopplungspfad mit einem linearen
Strömungswiderstand und einem nichtlinearen Strömungswiderstand, die zwischen die
Verbindung und die eine bzw. die andere Steuer öffnung bzw.--düse eingefügt sind.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Fig. 1 der Zeichnung
dargestellten besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die
Kennlinien-Darstellungen der Fig. 2 bis 4 der Zeichnung näher erläutert, wobei weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung erörtert werden. Die Erfindung ist Jedoch nicht
auf das vorliegende Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern lässt sich unter den
hier gegebenen Richtlinien
sowie im Rahmen des Gegenstandes der
Erfindung und des allgemeinen Brfindungsgedankens in vielfältiger Weise mit Erfolg
zur Ausführung bringen. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen
Druckreglers, Fig. 2 eine Kurvendarstellung, durch welche der zwischen den Leitungen
36 und 38 der Fig. 1 herrschende Druck als Funktion des an der Leitung 26 auftretenden
Druckes Pr veransohaulicht wird, Fig. 3 eine Kurvendarstellung zur Veranschaulichung
des Druckunterschiedes zwischen den Leitungen 36 und 38 der Fig. 1 als Funktion
des Flusses in der Leitung 26, und Fig. 4 eine Kurvendarstellung, die den an der
Leitung 26 der Fig. 1 auftretenden Druck als Funktion des Flusses in dieser Leitung
zeigt.
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In Fig. 1 ist ein aus drei in Kaskade geschalteten Proportionalverstärkern
12, 14 und 16 bestehender Verstärkerblock 10 dargestellt. Die Ausgangskanäle des
Verstärkers 16 sind über Leitungen 18 und 20 mit den zwei Steuerdüsen eines Proportionalverstärkers
22 verbunden. Dieser letztere Proportionalverstärker dient dazu, um die Grösse des
Flusses, der sich an der Last 24, che in einem der Ausgangskanäle der Verstärkers
22 über eine Leitung 26 verbunden ist, ergibt, zu erhöhen. Der andere Auseang4-kanal
des Verstärkers 22 ist mit dem Umgebungsdruck verbunden, wie bei V angedeutet ist.
Die Bezeichnung "Leitung" hat die Bedeutung einer Rohrleitung, eines Kanals, eines
Rohrs, einer
Durchführung oder irgendeiner sonstigen geeigneten
Einrichtung zum uebertragen von Strömungsmittelsignalen.
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Mit den Leistungsstromdüsen der Proportionalverstärker 12, 14, 16
und 22 ist eine ungeregelte Druckquelle P9 verbunden. Der an bzw. in der Leitung
26 herrschende Druck Pr wird über die Leitung 28 sowohl auf ein nichtlineares Widerstandselement
32 als auch auf ein lineares Widerstandselement 34 übertragen, welches, wie angedeutet,
veränderlich ist. Das lineare Widerstandselement 34 kann aus einer Verengung mit
laminarer Strömung bestehen, während das nichtlineare Widerstandselement 32 aus
einer Öffnungsverengung bestehen kann, die dem Strömungsmittelfluss mittels einer
Öffnung oder einer Verminderung des Querschnittsbereichs eines Kanals, durch welchen
das Strömungsinittel fliesst, einen Widerstand entgegensetzt. Eine bevorzugte Einrichtung,
die sich zur Verwendung als nichtlinearer Widerstand eignet, ist eine Durchflussdiode,
wie sie in der deutschen Patentanmeldung P 19 12 070.8, angemeldet am 10. März 1969
beschrieben ist. Die Druck-Durchfluss-Charakteristika dieser Diode sind bis zu 1,05
kg/cm2 (15 psig.) nichtlinear, und sie weist negative Widerstandscharakteristika
zwischen 2,40 und 3,10 kg/cm2 (20 und 30 psig.) auf.
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Ein in der Leitung 28 vorgesehenes Ventil 30 ermöglicht es, die Widerstandselemente
32 und 34 mit einem niedrigeren als dem Druck Pr zu beaufschlagen. Das nichtlineare
Widerstands element 32 ist über eine Leitung 36 mit einer der Steuerdilsen des Proportionalverstärkers
12
verbunden, während das lineare Widerstandselement 34 über die Leitung 38 mit der
gegenüberliegenden Steuerdüse des Proportionalverstärkers 12 verbunden ist. In Reihe
mit dem nichtlinearen Widerstandselement 32 ist ein Ventil 40 eingefügt, um die
Verstärkung des nichtlinearen Wlderstandselements 32 verändern zu können.
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Der Verstärkerblock 10 und der Verstärker 22 können durch einen einzigen
Proportionalverstärker ersetzt werden, der eine mit der nichtgeregelten Druckquelle
P5 verbundene Leistungsstromdüse aufweist sowie ein Paar gegenüberliegender, mit
den Leitungen 36 und 38 verbundene Steuerdüsen und einen mit der Leitung 26 verbundenen
Ausgangskanal. Aus weiter unten naher erläuterten Gründen ist Jedoch diese vereinfachte
Ausführungsform nicht so wirksam zur Erzielung eines geregelten Drucks, wie das
in Fig. 1 dargestellte System.
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Das beim Aufbau von Druckreglern, die keine beweglichen Teile aufweisen,
auftretende Hauptproblem besteht in der Erzeugung eines Referenzdruckes, mit dem
alle anderen Drücke in dem System verglichen werden können. Gemäss der Erfindung
basiert das Verfahren zum Erzeugen des gewünschten Referenzdruckes auf den Durchflusscharakteristika
des linearen Widerstandselemeits 34 und des nichtlineraren Widerstandselements 32.
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Die Wirkungs- bzw. Betriebsweise des in Fig. 1 dargestellten Druckreglers
wird nachstehend anhand der Kurven der Fig. 2 - 4 beschrieben.
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Geht man davon aus, dass die Ventile 30 und 40 vollständig offen sind,
so dass der Druck Pr in der Leitung 26 auf die Widerstandselemente 32 und 34 einwirkt,
dann ergibt sich zwischen den Leitungen 36 und 38 ein Druckunterschied # Pi. Die
Kurve 42 in Fig. 2 veranschaulicht den Druckunterschied A Pi als Punktion des Druckes
Pr. Wenn der Druck Pr über Null anwächst, so ist der Druck in der Leitung 36 grösser
als in der Leitung 38, weil durch das nichtlineare Widerstandselement 32 gegenüber
dem linearen Widerstandselement 34 ein grösserer Strömungsmittelfluss auftritt.
Der Druckunterschied ß po ist daher anfänglich positiv. Wenn P anwächst, wird der
Durchfluss durch beide Druck Widerstandselemente 32 und 34 gleich, und der/Unterschied
wird Null, wenn Pr gleich R ist. Daher ist der rorgenannte Referenzdruck gleich
dem Druckwert, der erforderlich ist, damit der Durchfluss im linearen und nichtlinearen
Widerstandselement gleich ist.
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Wenn Pr weiter anwächst, wird der Druck in der Leitung 38 grösser
als in der Leitung 36 und L1 P. wird negativ. Dieser Bereich, in dem /\ Pi negativ
ist, wird zur Regelung des Drucks in der Leitung 26 benutzt. Wenn der Druck in der
Leitung 28 den Punkt R (Fig. 2) überschreitet, dann wird AP negativ, und dieser
Wert von ß po wird durch den Verstärkerblock 10 verstärkt.
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Der Druck in der Leitung 20 ist bei negativem A Pi grösser als derjenige
in der Leitung 18, und der g ffisste Teil des Leistungsstroms im Verstärker 22 wird
auf das Niveau des Umgebungsdrucks abgeleitet Lediglich derJenige Teil des Leistungsstroms
im
Verstärker 22, der zur Aufrechterhaltung des Regeldruckes Pr
in der Leitung 26 erforderlich ist, wird dieser Leitung zugeführt.
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Zwischen den Drücken P1 und P2 besitzt die Kurve 42 eine Neigung K1,
die durch die Linie 44 dargestellt ist. Der Druckunterschied # Pi wird in dem Fall
Null, wenn der Druck Pr gleich R ist. Für irgendeinen Druck Pa zwischen den Grenzen
P1 und P2 ergibt sich die Druckdifferenz a Pi auf Grund der folgenden Gleichung:
Pi = K1 (R~Pa) (1) Die Beziehung zwischen dem Druckfluss in der Leitung 26 und dem
Druckunterschied zwischen den Leitungen 36 und 38 der Fig.
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1 wird durch die Kurve in Fig. 3 veranschaulicht. Wenn die Neigung
der Linie 48 mit K2 bezeichnet wird, dann erhält man den Differenzdruck AP auf Grund
der Gleichung: - P10 + K2F (2) worin #Pio den Druckunterschied bei Null-Durchfluss-Bedingung
darstellt. Diese Gleichung gilt für alle Durchflusswerte, die kleiner sind als Fmaxg
oberhalb dießes Wertes ist die Beziehung zwischen Durchfluss und Druckunterschied
nicht mehr linear.
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Da Pa irgendein Wert von Pr zwischen P1 und P2 ist, können die Gleichungen
(1) und (2) zu der folgenden Gleichung zasmmenge
fasst werden:
Daher sollte zur Erreichung einer optimalen Druckregelung K1 gross und K2 klein
sein. Die Konstante Ei steht in direkter Beziehung mit der Differenz in den Charakteristika
der nichtlinearen und linearen Widerstände 32 und 34. Die Konstante K2 steht in
umgekehrter Beziehung zur Leistungsverstärkung des Verstärkerblocks 10. Man sieht
also, dass die Regelung durch Hinzufügung eines Verstärkerblocks wesentlich verbessert
wird, obwohl ein Druckregler auch mittels eines einzigen Verstärkers, beispielsweise
mittels des Verstärkers 22 aufgebaut werden kann, der aus einem oder mehreren Proportionalverstärkern
besteht.
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Die Kurve 52 in Fig. 4 veranschaulicht die Beziehung zwischen dem
Strömungsmittelflus zur Last 24 und dem geregelten Druck Pr. Diese kurve 52 ist
im wesentlichen für Durchilusswerte bis zum Wert Fmax linear, während der Druck
Pr oberhalb dieses letztgenannten Wertes schnell abzufallen beginnt. Geht nn davon
aus, dass die Neigung der Kurve 52 gleich K3 ist, kann fln den geregelten Druck
durch die folgende Gleichung definieren: Pr=(Pr)F = 0 #K3F (4) Vergleicht nn dies.
Gleichung itt der Gleichung (3), so erkennt
man, dass K3 = K1/K2
ist. Daher kann der geregelte Druck bei Null-Fluss zur Last wie folgt definiert
werden:
Ein erfindungagemässer Druckregler wurde in Übereinstimmung mit schematischen Darstellung
der Fig. 1 aufgebaut. Der Widerstand 34 war ein Standard-Linearwiderstand, und als
nichtlineares Widerstandselement 32 wurde die voratehend erwähnte Durchflussdiode
verwendet. Mit dieser apeziellen Kombination eines linearen und eines nichtlinearen
Elements wurde eine grosse Konstante K1 erreicht.
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Bs sind mindestens drei Verfahren möglich, um den geregelten Druck
Pr in dem System nach Fig. 1 zu verändern. Beim eraten Verfahren wird ein veränderlicher
linearer Widerstand 34 verwendet. Der Widerstand 34 kann irgendein veränderlicher
linearer Widerstand sein, beispielsweise ein solcher Widerstand, wie er in der parallelen
deutschen Anmeldung der Anmelderin, die unter Inanspruchnabie der Priorität der
US-Patentanmeldung SeriNo. 723,387 vom 23. April 1968 hinterlegt wurde0 beschieben
ist. Das gleiche Ergebnis kann durch Austausch verschiedenwertiger linearer Widerstände
erreicht werden. Ein zweites Verfahren zumfektiven Verändern des Regeldruckes besteht
darin dass man die Verstärkung des nichtlinearen Widerstandseleients durch da. dritt
in Reihe geschaltete Ventil 40 ändert. Bei dem dritten Verfahren wird ein Ventil
30 in der
Leitung 28 vorgesehen, wodurch der auf beide Widerstandselemente
32 und 34 einwirkende Druck herabgesetzt wird. Mit Jedem der vorgenannten Verfahren
kann der Regeldruck deswegen verändert werden, weil hierdurch in Jedem Fall eine
Änderung des Druckes R (siehe Fig. 2), bei dem der Druckunterschied t nP.
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Null ist, bewirkt wird.
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Mit dem vorbeschriebenen Druckregler wurden die folgenden Ergebnisse
erreicht: Die Änderung des geregelten Druckes in Abhängigkeit von Änderungen deQungeregelten
Druckes betrug 2 2 % des geregelten Druckes bei einer Änderung des ungeregel-2 ten
Druckes zwischen 3,80 und 7,65 kg/cm (40 bis 95 psig.).
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Die Ansprechzeit des Systems betrug 0,1 Sekunde für eine Änderung
in der Last und 0,05 Sekunden für eine Änderung im Leistungsstrahl. Der geregelte
Druck war zwischen 1,38 und 4,18 kg/cm² (5 bis 45 psig.) veränderlich, wobei sich
die beste Leistungsfähigkeit zwischen 2,40 und 3,10 kg/cm2 (20 bis 30 psig.) ergab.