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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose des Betriebszustandes
einer Ventilanordnung zur Steuerung eines Prozessmediumflusses durch
eine Rohrleitung, deren in einem Ventilgehäuse untergebrachtes
und den Durchfluss des Prozessmediums schaltendes Ventilglied über
einen pneumatischen Stellantrieb mit einem in einer Antriebskammer
zumindest einseitig steuerdruckbeaufschlagten Steuerkolben nach
Maßgabe einer Positionierregelung bewegt wird, wobei über
eine hieran angeschlossene elektronische Auswerteeinheit der Betriebszustand überwacht
wird. Weiterhin umfasst die Erfindung auch eine Ventilanordnung
mit einer elektronischen Auswerteeinheit, die ein derartiges Verfahren
durchführt.
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Der
in dieser Offenbarung verwendete Begriff „Positionierregelung” steht
für ein mechatronisches System, das entsprechend einem
oder mehreren Eingangssignalen die Hilfsenergie eines pneumatischen
Stellantriebs steuert, um das Ventilglied in eine bestimmte Position
zu bringen. Zur Funktion benötigt die Positionierregelung
unter Druck stehendes Gas, meist Druckluft, als Hilfsenergie sowie
auch elektrische Energie.
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Der
allgemein bekannte pneumatische Stellungsregler weist mindestens
die im Folgenden näher bezeichneten Kernkomponenten auf.
Mit einem pneumatischen System werden in Abhängigkeit von ein
oder mehreren Eingangssignalen die Antriebskammern eines einfach
oder doppeltwirkenden pneumatischen Stellantriebes gezielt be- oder
entlüftet. Das pneumatische System besteht üblicherweise aus
Hilfsenergiezuleitung, einem oder mehreren Pilotventilanordnungen
und Steuerdruckzuleitungen zu den Antriebskammern zur Steuerung
der Belüftung und/oder Entlüftung der Antriebskammern.
Mit Hilfe eines Positionssensors als Stellungsrückmeldungssensorik
werden die Bewegungen und Positionen des Ventilgliedes als ein oder
mehrere Signale dargestellt. Darüber hinaus ist eine Steuerelektronik
vorhanden, die einen Microcontroller aufweist und ein oder mehrere
Eingangsignale empfängt. Die Firmware in der Steuerelektronik
verarbeitet die Eingangssignale und die Signale des Positionssensors zu
Ausgangssignalen welche als Eingangssignale des pneumatischen Systems
dienen.
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Die
Firmware der Positionierregelung implementiert eine Funktion, welche
die dynamischen Eigenschaften des angeschlossenen pneumatischen Stellantriebes
analysiert. Bei der Inbetriebnahme wird während eines Initialisierungsprozesses
einmalig der Stellbereich des Ventilgliedes durchfahren und der
Anfangs- und Endwert des Stellbereichs aufgenommen.
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Stellantriebe
werden in Schwenk- und Hubantriebe unterschieden. Beim Hubantrieb
wird die lineare Bewegung des Abtriebs des Stellantriebs unmittelbar
auf ein linear betätigtes Stellorgan übertragen.
Demgegenüber wird beim Schwenkantrieb die lineare Bewegung
des Abtriebs des Stellantriebs mit geeigneten Mitteln in eine Drehbewegung
umgesetzt.
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Der
pneumatische Stellantrieb und die Positionierregelung werden mittels
eines Anbausatzes verbunden. Der Anbausatz umfasst Komponenten, welche
die Bewegung und Position des Stellantriebes zur Stellungsrückmeldungssensorik
an die Positionierregelung überträgt.
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Insbesonders
dynamische Dichtringe innerhalb des pneumatischen Stellantriebs,
welche gewöhnlich aus einem Elastomermaterial bestehen, verschleißen
im Laufe der Lebensdauer und erfordern einen entsprechenden Wartungsaufwand.
So kann es insbesondere zu Undichtheiten kommen, was einen Dichtungstausch
als Wartungsmaßnahme erforderlich macht.
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Aus
der
EP 0 739 503 B1 geht
eine Ventilanordnung mit einer derartigen Positionierreglung hervor,
welche darüber hinaus Diagnosemittel zur Betriebszustandsüberwachung
umfasst. Die Positionierreglung des Ventilgliedes, welches hier
ein Schließkörper für einen Ventilsitz
ist, arbeitet nach Maßgabe eines von außen her
vorgegebenen elektrischen Stellsignals. Innerhalb der Positionierreglung wird
durch entsprechende Sensorik die aktuelle Stellung des Ventilgliedes
gemessen und es wird der Steuerdruck zu und von der Antriebskammer
geregelt, um das Ventilglied in die gewünschte Position
zu bringen. Der Steuerdruck wird von einer externen Steuerdruckquelle
bereitgestellt und von einer innenliegenden Pilotventilanordnung
je nach Stellsignal der Antriebskammer zugeführt, oder
es findet eine Entlüftung der Antriebskammer statt, um
das Ventilglied in die richtige Richtung zu bewegen. Hierbei wird
die Bewegung durch eine integrierte Rückstellfeder aufgebracht.
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Wegen
der normalerweise recht geringen Bauteileabmessungen und hohen Schaltfrequenzen ist
die Ventilmechanik einer Pilotventilanordnung meist besonders empfindlich
gegenüber verschleißverursachender Verschmutzung,
die insbesondere durch die Druckluft in dem Bereich der empfindlichen Pilotventilanordnung
transportiert werden kann. Ein Ausfall der Pilotventilanordnung
führt zu einem Defekt des pneumatischen Systems, was einen
Stillstand der gesamten Ventilanordnung zur Folge haben kann. Neben
einer Verschmutzung sind auch Leckagen, insbesondere im Bereich
der Pneumatikleitungen zwischen dem pneumatischen Ventil und dem angeschlossenen
Aktuator zu vermeiden.
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Aus
der
WO2005/109140
A1 geht eine elektronische Auswerteeinheit zur Überwachung
des Betriebszustandes einer Ventilanordnung hervor. Hierfür
wird der Druck vor und hinter dem Ventilglied eines pneumatischen
Ventils gemessen. Weiterhin wird der Öffnungsquerschnitt
des Ventilgliedes durch eine Positionssensorik bestimmt. Mit diesen
Daten wird der Gasdurchfluss durch das Pilotventil berechnet. Durch
Analyse des Gasdurchflusses bei tatsächlichen Betriebsbedingungen
können Rückschlüsse auf den Betriebszustand
des pneumatischen Ventils gezogen werden. So können Hinweise
auf einen normalen Betriebszustand oder einen Fehlerzustand gewonnen
werden, um rechtzeitig Wartungsmaßnahmen zu ergreifen.
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Nachteilhaft
bei dieser elektronischen Auswerteeinheit zur Diagnose des Betriebszustandes wirkt
sich der recht hohe sensortechnische Aufwand aus, denn verschiedene
Drucksensoren und zusätzliche Sensoren sind erforderlich
und detaillierte Informationen über das pneumatische System
müssen vorliegen, um eine Fehlfunktion im System feststellen zu
können.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur
Diagnose des Betriebszustandes einer Positionierregelung für
eine Ventilanordnung mit Positionierreglung zu schaffen, welches
mit einfachen technischen Mitteln eine zuverlässige Überwachung
gestattet.
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Die
Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren gemäß dem
Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden
Merkmalen gelöst. Hinsichtlich einer Positionierregelung
für eine Ventilanordnung, deren elektronische Auswerteeinheit
ein solches Verfahren durchführt, wird auf Anspruch 5 verwiesen.
Die jeweils abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Die
Erfindung schließt die verfahrenstechnische Lehre ein,
dass über einen Drucksensor der Druck in der Antriebskammer
oder in einem mit ihr in direkter wirkverbindungstehendem pneumatischen Teil
gemessen wird, wonach der Messwert über die Auswerteeinheit
hinsichtlich des Drucks p sowie der Druckänderung dp(t) über
die Zeit analysiert wird, um den Gasdurchfluss in/von der Antriebskammer und/oder
das Verhältnis A/V des Antriebskammervolumens V zum wirksamen Öffnungsquerschnitt
A des pneumatischen Systems (im allg. bestimmt durch den Öffnungsquerschnitt
der Pilotventilanordnung) als Maß für den Betriebszustand
zu bestimmen. Der Öffnungsquerschnitt A ist unabhängig
von der Antriebskammer der engste Querschnitt, durch den die Luft
strömt, d. h. der Öffnungsquerschnitt im Pilotventil.
Es ist daher ein Mass für dieses pneumatische Ventil und
unterschiedliche Öffnungsquerschnitte A geben damit unterschiedliche
Zustände dieses pneumatischen Ventils und damit auch dessen
Fehler an. Das Antriebskammervolumen V hingegen beschreibt die Antriebskammer,
so dass dies ein Mass für den Zustand der Antriebskammer
ist. Die beiden Größen Öffnungsquerschnitt
A und Antriebskammervolumen V können nicht unabhängig
aus nachfolgender Gleichung bestimmt werden.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt
insbesondere darin, dass die Betriebszustandsüberwachung
ohne zusätzliche Informationen über das pneumatische
System und ohne die von einer Positionssensorik im Pilotventil gelieferten
Messwerte auskommt.
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Für
ein konstantes Antriebskammervolumen V wird der Gasdurchfluss dm/dt
durch die elektronische Auswerteeinheit vorzugsweise ausgehend von der
Druckänderung dp(t) auf Basis folgender Formel bestimmt: dm/dt = A·psi(p1, p2)·p1·sgrt(2/R/T)
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Ein
konstantes Antriebskammervolumen V bedeutet eine feste Position
der Ventilanordnung, d. h. das Prozessventil bewegt sich nicht.
Dies ist sehr vorteilhaft für ihre Anwendung in einer Prozesssteuerung.
Hier soll die Diagnose möglichst so vorgenommen werden,
ohne dass es einen Einfluss auf die Ventilbewegung gibt, die sich
möglichst nur nach den Vorgaben des Sollwertes bewegen
soll. Bewegungen zum Zwecke der Diagnose können nur unter
bestimmten Bedingungen, wenn überhaupt, durchgeführt
werden. Diese Diagnose hier sollte dagegen ohne eine Bewegung des
Prozessventils durchgeführt werden, damit die Gleichungen
ihre Gültigkeit behalten.
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Um
nun dafür zu sorgen, dass sich das Prozessventil während
der Diagnose nicht bewegt, wird die Diagnose vorzugsweise dann durchgeführt,
wenn sich das Ventil an einem seiner Endanschläge befindet.
In diesem Zustand kann der Druck in der Antriebskammer in einem
grösseren Bereich variiert werden, ohne dass sich das Ventil
bewegt, solange ein gewisser Mindest- oder Maximaldruck nicht über-/unterschritten
wird. Oder die Diagnose wird durchgeführt, wenn das Prozessventil
fest in einer Mittenposition steht. Hier kann der Druck auch in
einem engen Bereich variiert werden, innerhalb dessen das Ventil
noch weiterhin von der Haftreibung gehalten wird. Beispielsweise
wird die Diagnose solange durchgeführt, bis sich die Ventilmechanik
plötzlich anfängt zu bewegen und dann die Diagnose
sofort beendet wird.
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Das
Verhältnis des Antriebskammervolumens V zum wirksamen Öffnungsquerschnitt
A des pneumatischen Systems kann bei konstantem Steuerdruckvolumen
ausgehend von der Druckänderung dp(t) auf Basis folgender
Formel bestimmt werden: V/A = p1/(dp/dt)·psi(p1,
p2)·gamma·sqrt(2·R·T)wobei
p1 den Druck auf der Hochdruckseite und p2 den Druck auf der Niederdruckseite
angibt, gamma den adiabatischen Exponenten darstellt, R die spezifische
Gaskonstante und T die Temperatur der Druckluft bezeichnet. Ferner
ist dp(t) die Ableitung des Druckes nach der Zeit t. Der Parameter
psi bezeichnet die Durchflussfunktion, welche für einen
unterkritischen Durchfluss (p2/p1 über einem kritischen p2/p1
crit.) eine Funktion der beiden Drücke und des adiabatischen
Exponenten und für einen überkritischen Durchfluss
(p2/p1 unterhalb des kritischen p2/p1 crit.) vom Druck quasi unabhängig
ist, mit einer Abhängigkeit lediglich vom adiabatischen
Exponenten.
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Somit
kann der Durchfluss und das Verhältnis (V/A) des Antriebskammervolumens
zum wirksamen Öffnungsquerschnitt des pneumatischen Systems
allein über den Druck bestimmt werden, lediglich abhängig
von der Zeit und einigen Gasparametern.
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Insbesondere
der überkritische Zustand ist von Interesse, da die Messung
mit nur einem Drucksensor durchgeführt werden kann. Ob
das System in einem überkritischen Zustand ist oder nicht,
kann aus der Charakteristik des Druckverlaufes bestimmt werden oder
durch Berechnung ausgehend von einem grob geschätzten Druckwert
des Entlüftungsdrucks oder Speisedrucks. Insbesondere das
Verhältnis V/A ist von Interesse für die Ermittlung
des Zustands des Ventilsystems. Dieses Verhältnis beinhaltet
bereits alle Werte, welche relevant sind für die Diagnose. Der
Durchfluss ist lediglich ein Hilfswert und kann zusätzlich
hieraus bestimmt werden. Mit diesem Verhältnis kann sowohl
das Volumen der Antriebskammer bestimmt werden oder der Querschnitt
des Ventilschiebers in dem pneumatischen System, wenn einer der
Werte bekannt ist. Insbesondere die Bestimmung des Antriebskammervolumens
ist von Interesse während des Initialisierungsprozesses
der Positionierreglung bei der Inbetriebnahme.
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Während
der Initialisierung wird das Verhältnis V/A gemessen durch
Ent- und Belüftung des Aktuators mit voll geöffnetem
Ventilglied. Mit bekanntem Öffnungsquerschnitt des pneumatischen
Systems kann das Volumen über die Relation V/A berechnet werden.
Ausgehend vom Antriebskammervolumen kann bestimmt werden, ob ein
langsam reagierender Aktuator mit riesigem Volumen oder ein sehr
schneller Aktuator mit geringem Volumen vorliegt. Mit Hilfe dieser
Information kann der Steuerungsalgorithmus entsprechende Anpassungen
vornehmen.
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Andererseits
kann über ein bekanntes Antriebskammervolumen, z. B. wenn
die Ventilanordnung in einer Endposition steht, welches sich bei
gleicher Ventilposition normalerweise über die Lebenszeit
des Ventils nicht ändert, der Querschnitt des Ventilgliedes,
also der Öffnungsquerschnitt des pneumatischen Systems,
aus der Beziehung V/A berechnet werden. Eine Änderung des
Querschnitts des Ventilgliedes kann durch Ablagerungen am Ventilglied oder
anderen Störungen des pneumatischen Ventils verursacht
werden. Für ein feststehendes elektrisches Ansteuersignal
der Pilotventilanordnung ist normalerweise mit einem konstanten
Querschnitt für das Ventilglied zu rechnen. Wenn eine Änderung
des Querschnitts zu beobachten ist, kann davon ausgegangen werden,
dass Maßabweichungen oder ernsthaftere Fehler im Rahmen
der Vorsteuerung vorliegen. Eine Änderung des Verhältnisses
V/A für ein konstantes elektrisches Ansteuersignal der
Pilotventilanordnung lässt sich in Folge dessen als Fehler
am pneumatischen Ventil interpretieren.
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Wenn
davon ausgegangen werden kann, dass der Öffnungsquerschnitt
A bekannt ist oder sich nicht verändert hat, kann aus dem
Wert V/A auch der Positionssensor auf grobe Fehler untersucht werden. Wird
einmal der Wert V/A in einer Endposition der Ventilanordnung bestimmt
und damit der Öffnungsquerschnitt A überprüft,
so kann in einem nächsten Schritt das Prozessventil in
eine mittlere Position gefahren werden und hier wiederum der Wert
V/A an dieser neuen Position bestimmt werden. Aus diesem Wert wird
mit dem zuvor kontrollierten Öffnungsquerschnitt A das
Antriebskammervolumen V bestimmt und dies mit dem Antriebskammervolumen
V von einer früheren Vergleichsmessung verglichen. Weichen
diese Werte voneinander ab, so liegt ein Fehler bei der Positionsmessung
vor.
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Die
die Ventilanordnung vorsteuernde Pilotventilanordnung verfügt
zur Be- oder Entlüftung der Antriebskammer über
einen äußeren Speisedruckanschluss zur Druckzufuhr
sowie einen Entlüftungsanschluss zur Ableitung des aus
der Antriebskammer entweichenden Drucks und kann aus einem digital schaltenden
Wegeventil bestehen, welches als 3/2-Wegeventil ausgebildet ist.
Alternativ hierzu ist es auch denkbar, für die Belüftung
und die Entlüftung je eigene Wegeventile vorzusehen, welche
dann jeweils als 2/2-Wegeventil ausgebildet sind. Vorzugsweise wird
vorgeschlagen, eine Pilotventilanordnung aus einem analogen Stellglied
zu bilden, welches nicht allein binäre Funktionen hat,
sondern einen Öffnungsquerschnitt ausgehend von einer Schließstellung
bis zu einer maximalen Offenstellung stufenlos realisiert. Ein derartiges
Stellglied kann beispielsweise nach Art eines elektropneumatischen
Proportionalventils ausgebildet sein. Im Allgemeinen werden solche
analogen pneumatischen Ventile eingesetzt, welche feiner und präziser
zu regeln sind.
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Weitere,
die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend
gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung einer Ventilanordnung mit pneumatischem
Stellantrieb, der neben einer Positionsregelung auch eine elektronische
Auswerteeinheit zur Betriebszustandsüberwachung umfasst,
und
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2 ein
Flussdiagramm zur Veranschaulichung des Verfahrens zur Diagnose
des Betriebszustandes, welches durch die elektronische Auswerteeinheit
nach 1 durchgeführt wird.
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Gemäß 1 ist
in einer fragmentarisch angedeuteten Rohrleitung 1 einer
nicht weiter dargestellten verfahrenstechnischen Anlage ein Ventilgehäuse 2 eines
Prozessventils eingebaut. Dieses weist in seinem Inneren einen mit
einem Ventilsitz 3 zusammenwirkenden Schließkörper 4 zur
Steuerung der Menge durchtretenden Prozessmediums 5 auf. Der
Schließkörper 4 wird von einem pneumatischen Stellantrieb 10 über
eine Hubstange 7 linear betätigt. Der pneumatische
Stellantrieb 10 ist über ein Joch 6 mit
dem Ventilgehäuse 2 des Prozessventils verbunden.
An dem Joch 6 ist ein digitaler Stellungsregler mit einer
Positionierregelung 13 angebracht. Über einen
Positionssensor 12 wird der Hub der Hubstange 7 in
den Bereich des Stellungsreglers gemeldet. Der erfasste Hub wird
innerhalb der Positionierregelung 13 mit einem vorgegebenen
Sollwert verglichen und der pneumatische Stellantrieb 10 in
Abhängigkeit von der ermittelten Regelabweichung angesteuert.
Der pneumatische Stellantrieb 10 umfasst eine Pilotventilanordnung
(z. B. einen elektro-pneumatischen I/P-Umsetzer) zur Umsetzung des
elektrischen Regelsignals der ermittelten Regelabweichung in einen adäquaten
Steuerdruck. Der Steuerdruck wird über eine Druckmittelzuführung 14 in
eine Antriebskammer 11 des pneumatischen Stellantriebs 10 geleitet.
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Über
einen ebenfalls dem pneumatischen Stellantrieb 10 zugeordneten
Drucksensor 16 wird der Druck in der Antriebskammer 11 im
Vergleich mit dem Atmosphärendruck gemessen, wonach der Messwert über
eine Auswerteeinheit 15 hinsichtlich des absoluten Drucks
p sowie der Druckänderung dp(t) über die Zeit
analysiert wird. Hieraus bestimmt die Auswerteeinheit 15 den
Durchfluss in/von der Antriebskammer 11 sowie auch das
Verhältnis des Antriebskammervolumens zum wirksamen Öffnungsquerschnitt
des pneumatischen Systems als Maß für den Betriebszustand
des pneumatischen Stellantriebs 10.
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Gemäß 2 umfasst
das Verfahren zur Diagnose des Betriebszustandes eines vorstehend
beschriebenen pneumatischen Ventils im Schritt a) die Erzeugung
von Steuerdruck durch die Pilotventilanordnung des Stellantriebes
nach Maßgabe einer Positionierregelung. Für den
erwähnten Drucksensor wird der Druck zwischen einen Arbeitsanschluss
und der Antriebskammer im Schritt b) gemessen. Danach wird dieser
Druckmesswert durch die Auswerteeinheit hinsichtlich des Druckwertes
p sowie der Druckänderung dp(t) über die Zeit
in Schritt c) analysiert. Hierdurch kann schließlich über
die Ermittlung des Verhältnises des Antriebskammervolumens
zum wirksamen Öffnungsquerschnitt des pneumatischen Systems
und/oder des Gasdurchflusses in/von der Antriebskammer in Schritt
d) ein Rückschluss auf den Betriebszustand getroffen werden.
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- 1
- Rohrleitung
- 2
- Ventilgehäuse
- 3
- Ventilsitz
- 4
- Ventilglied
- 5
- Prozessmedium
- 6
- Joch
- 7
- Hubstange
- 10
- Stellantrieb
- 11
- Antriebskammer
- 12
- Positionssensor
- 13
- Positionierregelung
- 14
- Druckmittelzuführung
- 15
- Auswerteeinheit
- 16
- Drucksensor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0739503
B1 [0008]
- - WO 2005/109140 A1 [0010]