DE2919192A1

DE2919192A1 - Durchflussmesseinrichtung

Info

Publication number: DE2919192A1
Application number: DE19792919192
Authority: DE
Inventors: Ronald Bernard Walters
Original assignee: Sperry Rand Corp
Current assignee: Sperry Corp
Priority date: 1978-05-26
Filing date: 1979-05-12
Publication date: 1979-11-29
Also published as: IT7949168A0; US4235105A; FR2426889A1; IT1162320B; JPS55496A; FR2426889B1

Description

Die Erfindung richtet sich auf Flüssigkeitsströmungsmesser.

In unserer UK-PS 13 35 042 ist ein Flüssigkeitsmesser mit einem sehr weiten Ansprechbereich beschrieben. Der Flüssigkeitssensor besitzt ein Gehäuse mit zwei Flüssigkeitsanschlüssen, mit deren Hilfe der Sensor in die Hydraulikleitung eingeschaltet werden kann, deren Durchfluß gemessen werden soll. Eine Haspel ist bewegbar in einer Verengung angeordnet, die zwei Kammern verbindet, mit denen jeweils einer der Flüssigkeitsanschlüsse in Verbindung steht. Die Haspel ist gegen die Wirkung einer Feder durch einen Druckunterschied zwischen den Kammern aus einer Verschluß-Stellung ausrückbar, in der eine Flüssigkeitsverbindung zwischen den beiden Kammern im wesentlichen verhindert ist. Die Verengung ist derart profiliert, daß bei Verlagerung der Haspel aus ihrer Verschlußstellung eine ringförmige

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Flußöffnung mit veränderlichem Flußquerschnitt zwischen einer scharfen Randkante an der Haspel und der Wand der Verengung gebildet wird. Die Profilierung der Verengung ist derart, daß die Druckdifferenz zwischen den Kammern im Wesentlichen proportional zu der .Flußmenge durch die ring.-förmige öffnung ist. Das Gehäuse weist zwei Hilfsanschlüsse auf, die mit jeweils einer Kammer in Verbindung stehen, und die zwischen diesen beiden zusätzlichen Anschlüssen erscheinende Druckdifferenz wird als Maß der Durchflußmenge durch die Hydraulikleitung verwendet.

Der in der oben genannten UK-PS 13 35 042 beschriebene Flüssigkeitssensor kann leicht so entworfen werden, daß er einen Ansprechbereich von 200:1 ergibt. In einem solchen Fall kann die maximale Durchflußmenge 400 l/min sein, was eine Druckdifferenz von 10,6 Kp/cm ergibt. Die minimale Durchflußmenge ist dann 2 l/min, und unterhalb dieser Durchflußmenge wird keine meßbare Reaktion erreicht, da Herstellungstoleranzen bewirken, daß ein radialer Abstand von 0,12 mm zwischen dem scharfkantigen Rand der Haspel und der Wand der Verengung vorhanden ist, wenn sich die Haspel in ihrer Null- oder Verschlußstellung befindet, in der eine geringe Restfederkraft auf die Haspel einwirkt, selbst wenn diese in ihrer Nullstellung ist. Die Durchflußmenge durch eine feste öffnung ist im wesentlichen proportional zu der Quadratwurzel des Druckabfalls längs der öffnung. Wenn daher die öffnung genügend klein gemacht wird, um im unteren Bereich der zu messenden Durchflußmengen eine meßbare Druckdifferenz zu erhalten, wird die Druckdifferenz am oberen Ende des Flußbereiches untragbar hoch. Durch Verwendung einer veränderlichen öffnung, wie sie in UK-PS 13 35 042 beschrieben ist, wird dieses quadratische Gesetz linearisiert, so daß die Druckdifferenz am oberen Ende des Durchflußbereiches wesentlich reduziert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Durchfluß-

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sensor zu schaffen, bei dem der Meßbereich durch ein verbessertes Ansprechvermögen im unteren Durchflußmengenbereich weiter vergrößert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine Vorrichtung der eingangs genannten Art vor, bei der die bewegbare Haspel in ihrer Verschlußstellung auf einem Ventilsitz aufsitzt und bei der eine Durchströmöffnung zwischen den beiden Kammern des Durchflußsensors vorgesehen ist.

Die Durchströmöffnung kann derart ausgebildet sein, daß sie einen viel kleineren Querschnitt als der ringförmige Abstand zwischen der Randkante der Haspel und dem engsten Teil der Verengung aufweist. Mit Hilfe dieser Einrichtung kann eine sehr kleine feste öffnung verwendet werden, um eine meßbare Druckdifferenz bei sehr geringen Durchflußmengen zu erhalten, bei denen die Druckdifferenz zu klein ist, um die Haspel aus dem Ventilsitz gegen die Restfederkraft auszurücken. Bei höheren Durchflußmengen wird die Haspel durch ien Druckunterschied verlagert und der Sensor wirkt in der gleichen Weise, wie der nach UK₁-PS 13 35 042, während der Fluß durch die feste Öffnung unbedeutend wird.

Die feste Öffnung kann klein genug ausgebildet werden, so daß der Sensor eine meßbare Druckdifferenz bei einer Durchflußmenge von nur 15 cm³/min erzeugt, ohne die maximale Durchflußmenge von 400 l/min zu reduzieren. Daher wird der Wirkungsbereich bis auf eine Größe von 26.700:1 vergrößert.

Die feste Öffnung ist fest in dem Sinne, daß sie sich nicht mit der Durchflußmenge verändert. Sie kann voreinstellbar sein, um es zu ermöglichen, daß der Durchflußsensor eingestellt werden kann, um individuelle Erfordernisse zu erfüllen.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung

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ergeben sich aus der folgenden Beschreibung zweier bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigen:

Fig.1 einen Querschnitt eines erfindungsgeirtäßen Durchflußsensors;

Fig.2 eine Einzelansicht des Sensors nach Fig.1 mit größerem Maßstab;

Fig.3 eine Einzelansicht einer veränderten Aus führ ungs form und

Fig.4 eine graphische Darstellung der Durchflußmenge als Funktion des einem Motor zugeführten Stromes, dessen Kraft eine durch den Flüssigkeitsdruckunterschied, wie er von dem Sensor erhalten wird, erzeugten Rückkopplungskraft entgegenwirkt, aufgetragen mit logarithmischen Zahlen.

Fig. 1 zeigt einen Durchflußsensor, der z.B. in einem hydraulischen Betätigungssteuerungssystem verwendet werden kann, wie es in unserer UK-PS 1 406 326 beschrieben ist. Der Durchflußsensor ist in eine Versorgungslinie für ein Hauptsteuerventil eingesetzt, und der Druckunterschied längs des Durchflußsensors wird einem Schaltventil rückgekoppelt, wo es eine der dem Schaltventil durch einen elektrischen Motor angelegten Kraft entgegengesetzte Kraft erzeugt.

Der Durchflußsensor enthält ein Gehäuse 28, in dem eine hohle Haspel 58 derart befestigt ist, daß sie sich durch eine Öffnung oder eine Verengung 60 in einer Öffnungsplatte 56 erstreckt. Die Haspel 58 ist gleitend an Feder-

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Stütz-Unterlegscheiben 62 und 64 montiert, die ihrerseits auf einer Spindel 66 befestigt sind. Eine Feder 68 ist innerhalb der hohlen Haspel angeordnet und bewirkt, daß die Unterlegscheiben 62 und 64 gegen einen voreingestellten Anschlag 7O bzw. eine feste Anschlagschulter 72 an der Spindel 66 drücken. Federringe 74 und 76 in den Enden der Haspel 58 wirken mit den Abstütz-Unterlegscheiben 62 bzw. 64 zusammen.

Die Haspel 58 enthält einen scharfkantigen Ringwulst 80, der mit der Wand der Verengung 60 zusammenwirkt. Die Öffnungsplatte 56 ist im Gegensatz zu der öffnungsplatte des in UK-PS 13 35 042 beschriebenen Durchflußsensors mit einem festen Ventilsitz 57 versehen (siehe Fig.2), gegen den der Ringwulst 80 der Haspel unter der Restkraft der Feder drückt. Die Spindel 66 ist in einen Abschlußstopfen 86 in dem Gehäuse 28 eingeschraubt und kann mit Hilfe eines Schraubenziehers gedreht werden, um die Restfederkraft einzustellen.

Die öffnungsplatte 56 und die Haspel 58 teilen das Innere des Gehäuses 28 in zwei Kammern 88 und 90, die mit Hauptanschlüssen 92 bzw. 94 versehen sind, mit deren Hilfe der Durchflußsensor in die Hauptflußleitung eingesetzt wird, durch die die Hydraulikflüssigkeit fließt, deren Flüssigkeitsmenge gemessen werden soll. Zusätzlich weist jede Kammer 88, 90 einen Hilfs- oder Druckanschluß 96 bzw. 98 auf, die über Rückkopplungsleitungen und ggf. ein Wechselventil mit entsprechenden Druckrückkopplungskammern des oben erwähnten Schaltventils verbunden sind.

Die Haspel 58 besitzt eine kleine Öffnung 89 in ihrer Wand, die eine beschränkte Verbindung zwischen dem Inneren der Haspel und der Kammer 88 herstellt. Sie weist ebenfalls ein Entlüftungsloch 91 in ihrer Wand auf, die eine im wesentlichen unbeschränkte Verbindung des Inneren der

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Haspel mit der Kammer 90 herstellt. Solange der Wulst 80 auf dem Ventilsitz 57 aufsitzt, verläuft im wesentlichen der ganze Fluß zwischen den Kammern 88 und 90 durch die kleine Öffnung 89, wobei Lecken zwischen derScheibe 62, der Haspel 58 und der Spindel 66 vernachlässigbar ist, da es praktisch ist, eine Verbindung mit enger Toleranz zwischen diesen Teilen herzustellen. Die Haspel bleibt so länge auf dem Ventilsitz sitzen, als der Druckunterschied zwischen den Kammern, der auf die Haspel 58 über den Querschnittsbereich des Ventilsitzes 57 einwirkt, ungenügend ist, um die Restfederkraft zu übertreffen. Sobald die Durchflußmenge hoch genug ist, damit der Druckabfall längs der kleinen Öffnung 89 hoch genug ist, um die Wirkung der Feder zu übertreffen, wird die Haspel von dem Ventilsitz 57 angehoben, so daß die Flüssigkeit nun durch eine veränderliche ringförmige Öffnung zwischen der scharfen Außenkante der Ringwulst 80 und einem profilierten oder konturierten Wandabschnitt 61 der Verengung 60 der öffnungsplatte 56 durchfließen kann.

Der Wandabschnitt 61 ist derart profiliert, daß die äußere Kante des Wulstes 80 bei geschlossener oder Nullstellung der Haspel nicht weiter als ungefähr 0,12 mm von dem Wandabschnitt 61 entfernt ist, wie es durch Überlegungen bezüglich der Herstellungstoleranzen erforderlich ist. Daher vergrößert sich die veränderliche ringförmige Öffnung nach und nach, sobald die Haspel gegen die Wirkung der Feder 68 ansteigt. Das Profil des Wandabschnittes 61 ist vorzugsweise so, daß der Druckunterschied zwischen den Kammern 88 und 90 im wesentlichen proportional der Flüssigkeitsmenge durch die veränderliche ringförmige Öffnung ist, wie es in der oben erwähnten UK-PS 13 35 042 beschrieben ist. Ein sich einem proportionalen Verhalten annäherndes Verhalten kann dadurch erreicht werden, daß der Wandabschnitt 61 eine kegelstumpfförmige Konfiguration aufweist, wie gezeigt.

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Die feste öffnung 89 zwischen den Kammern 88 und 90 ist vorzugsweise in die Wand der Haspel 58 gebohrt, wie dargestellt, da dies es leicht macht, die Größe der festen öffnung genau zu bestimmen. Die feste öffnung könnte jedoch auch" durch die öffnungsplatte 56 gebohrt werden oder sie konnte in eine Umgehung zwischen den Kammern 88 und 90 eingefügt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine Nut in dem Ventilsitz 57 oder dem Wulst 80 anzuordnen, so daß das von dem Wulst 80 und dem Sitz 61 gebildete Ventil nicht vollständig geschlossen werden kann. Der dadurch gebildete Leckweg bildet die feste öffnung.

Eine Einrichtung, um die feste öffnung voreinstellbar zu machen, ist in Fig.3 dargestellt. Diese Figur zeigt eine modifizierte Spindel 66a, die eine über eine transversale Bohrung 93a mit der Kammer 88 verbundene Längsbohrung 93 aufweist. Die Längsbohrung 93 besitzt einen vergrößerten Abschnitt 95, in den mehrere in Längsrichtung der Spindel mit Abstand voneinander angeordnete, quer verlaufende und mit der Kamme"¹" 90 in Verbindung stehende Öffnungsbohrungen einmünden. Ein Kolben 99 ist anpassbar in den vergrößerten Bohrungsabschnitt 95 eingeschraubt, um wahlweise eine oder mehrere der Öffnungsbohrungen 97 zu schließen, und dadurch eine Möglichkeit zu geben, den Querschnitt der festen Öffnung insgesamt voreinzustellen.

In der graphischen Darstellung der Fig.4 ist der Fluß durch einen speziellen Sensor in l/min gegen den Strom in Milliampere aufgetragen, der dem Motor zugeführt werden muß, um den von dem Durchflußsensor abgeleiteten und der Schalthaspel angelegten Rückkopplungsdruckunterschied auszugleichen. Es ist zu sehen, daß die Durchflußmenge von 0,027 l/min auf 0,135 1/min ansteigt, bei einer festen öffnung mit einem Durchmesser von 0,38 mm, und daß die Durchflußmenge von 0,115 l/min auf 0,59 l/min mit einer festen Öffnung mit einem Durchmesser von 0,8 mm ansteigt, wenn der dem Motor zugeführte Strom von

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3 Milliampere auf 76 Milliampere anwächst, bevor die Haspel beginnt, sich von dem Ventilsitz abzuheben. Über dieses untere Ende des meßbaren Durchflußbereiches ist der Druckunterschied und daher der Motorstrom proportional der Quadratwurzel der Durchflußmenge. Da die Kurve mit logarithmischen Zahlen aufgetragen ist, erscheint dieser Te;il der Durchflußcharakteristik als eine gerade Linie für jede Größe der festen Öffnung.

Sobald die Haspel abzuheben beginnt, wird die Durchflußmenge ungefähr proportional zu dem Motorstrom und steigt auf 84 l/min bei einem maximalen Motorstrom von 200 Milliampere. Dieser Teil der Durchflußcharakteristika hängt von der Federkonstante ab und das Verlassen einer geraden Linie im logarithmischen Maßstab wird durch die Auswahl eines einfachen kegelstumpfförmigen Ausziehens des Wandabschnitts 61 verursacht, während bei Auswahl einer komplizierter ausgebildeten Form der Flußquerschnitt der veränderlichen ringförmigen Öffnung direkt proportional zu der Verlagerung der Haspel sein würde. Wie zu sehen ist, ist die maximale Durchflußmenge, die der spezielle Sensor in der beschriebenen Umgebung behandeln kann, 84 l/min bei einem Motorstrom von 200 Milliampere. Bei dieser speziellen Ausführungsform ist die Federkonstante der Feder 68 37,5 kp/cm und der Halbkonuswinkel des Wandabschnittes 61 beträgt 3°. Die maximale von dem Motor erzeugte Kraft ist ungefähr 4 kp und sie wird erzeugt bei dem maximalen Motorstrom von 200 Milliampere.

Wenn die feste Öffnung noch kleiner gemacht wird, kann die kleinste steuerbare Flußmenge 0,015 l/min sein. Durch Verwendung einer weicheren Feder und/oder durch Vergrößern des Durchmessers der Haspel und/oder durch Vergrößern des Kegelwinkels bzw. der Divergenz des Wandabschnittes 61 der Verengung kann die größte steuerbare Flußmenge bis zu 400 l/min betragen.

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Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß der Durchflußbereich eines Sensors, wie er in der UK-PS

13 35 042 beschrieben ist, in einer einfachen Weise vergrößert werden kann, indem ein Ventilsitz für die Haspel und eine feste UmgehungsÖffnung vorgesehen wird, wodurch det Sensor auch bei niedrigen Flußmengen wirksam gemacht wird. Selbstverständlich macht die Anordnung des Ventilsitzes 57 in der dargestellten Form den Durchflußsensor nur empfindlich für Fluß in eine Richtung, aber dies spielt keine RoIIe₇ wenn der Durchflußsensor in der Versorgungsleitung für oder in der Rückkehrleitung von dem Hauptventil angeordnet ist, wie es in den Fig,1 und 2 unserer UK-PS

14 06 326 dargestellt ist. Ein Ansprechen in beiden Richtungen, wie es erforderlich wird, wenn der Durchflußsensor in einer Betriebsleitung angeordnet ist, wie es in Fig.3 der UK-PS 14 06 326 dargestellt ist, kann dadurch erreicht werden, daß zwei erfindungsgemäße Durchflußsensoren verwendet werden, die parallel, aber in entgegengesetzten Flußrichtungen wirksam in die Leitung eingeschaltet werden. Wenn es gewünscht .;ird, die Wirkung der festen Öffnung des Sensors während des Nichtbetriebs abzuschalten, kann ein Rückschlagventil in Reihe mit jedem Sensor verwendet werden. Es ist auch denkbar, zwei Haspeln in einem gemeinsamen Gehäuse anzuordnen, die sich von entsprechenden Ventilsitzen in entgegengesetzte . Richtungen öffnen. Es ist leicht zu sehen, daß bei einer solchen Anordnung für beide Haspeln nur eine feste Öffnung'nötig ist.

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Claims

Ansprüche

( 1.j Durchflußsensor mit einem Gehäuse mit zwei Anschlüssen, V ' mit deren Hilfe der Sensor in den zu messenden Hydraulikfluß eingesetzt werden kann, sowie mit einer in einer Verengung bewegbar angeordneten Haspel, wobei die Verengung zwei Kammern, mit denen jeweils einer der Flüssigkeitsanschlüsse in Verbindung steht, verbindet und die Haspel aus einer Verschlußstellung gegen die Wirkung einer Feder durch eine Druckdifferenz zwischen den Kammern ausrückbar ist und die Verengung ein derartiges Profil aufweist, daß eine veränderliche ringförmige Flußöffnung zwischen einer an der Haspel angeordneten ümfangskante und der Wand gebildet wird, sobald die Haspel ihre Verschlußstellung verläßt, wobei die Druckdifferenz zwischen den Kammern ein Maß für den Hydraulikfluß zwischen den Flußanschlüssen darstellt und ein Restfluß-Weg zwischen den Kammern in der Verschlußstellung der Haspel vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet,

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daß die bewegbare Haspel (5 8) in ihrer Verschlußstellung auf einem Ventilsitz (57) aufsitzt und daß der Restflußweg durch eine Durchströmöffnung (89,97) gebildet ist.
2. Durchflußsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Ventilsitz (57) in der Nähe der Verengung (60) angeordnet und der Wulst (80), an dem die mit der Wand (61) der Verengung (60) zusammenwirkende Umfangskante oder -rippe gebildet ist, dem Ventilsitz(57) in der.Verschlußstellung aufliegt.
3. Durchflußsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchströmöffnung (89) in der Wand der hohlen Haspel (58) angeordnet ist.
4. Durchflußsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchströmöffnung (97) voreinstellbar ist.
5. Durchflußsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchströmöffnung mehrere, in Längsrichtung mit Abstand voneinander quer zur Spindel (66a), auf der die Haspel (58) gleitet, angeordnete Öffnungsbohrungen (97) sowie einen einstellbar in Längsrichtung in die Spindel (66a) von deren einem Ende her eingeschraubten Kolben (99) aufweist, der mit einer oder mehreren der Öffnungsbohrungen (97) zusammenwirkt.

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