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Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Erzeugung eines einstellbaren Differenzdruckes eines kompressiblen Mediums bei Durchströmung einer Fluidführung.
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Durch die Druckschrift
DE 26 25 561 A1 ist ein Regelkreis zur Durchflussregelung eines flüssigen oder gasförmigen Mediums bekannt. Dieser dient dazu, einer physikalischen Größe ein flüssiges oder gasförmiges Medium mit genau bestimmbaren Volumen zuzuführen, um beispielsweise zwei gleichartige Medien verschiedener Temperatur miteinander zu mischen, um eine bestimmte Endtemperatur zu erreichen. Ein derartiger Regelkreis besteht bekannterweise aus einem Messfühler, einem Stellmotor und einem Stellglied. Durch ein elektrisches Schaltglied wird ein temperaturabhängiges Antriebselement eines Stellmotors betätigt, der ein das Durchflussvolumen des Mediums steuerndes Stellglied betätigt. Dazu wird ein bewegbares Stellelement verwendet. Die Stellung des Stellelements ist in seiner Wirkung auf den Differenzdruck bei Durchströmung insbesondere durch Gase stark nichtlinear.
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Die Druckschrift
DE 31 14 119 A1 beinhaltet einen Regelkreis zur Regelung des Druckes in Vakuumanlagen, bei dem am evakuierten Raum angeschlossene Druckaufnehmer in Wirkverbindung mit Stellgliedern zum Einleiten oder Absaugen von Gas in oder aus dem evakuierten Raum stehen. Kurzzeitige Druckschwankungen werden im Wesentlichen mittels eines ersten Druckaufnehmers gesteuert, während ein zweiter Druckaufnehmer im Wesentlichen dem Ausgleich langsamer Druckschwankungen dient. Für den Regelkreis sind zwei Druckaufnehmer und zwei Stellglieder notwendig.
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Die Druckschrift
DE 29 02 356 A1 offenbart ein Ventil. Dazu ist in die Leitung des strömenden Mediums ein elastisches Schlauchstück eingefügt. Weiterhin ist eine Einrichtung mit einer Rolle vorgesehen, die die Rolle gegen das Schlauchstück drückt und dabei den Innenquerschnitt des Schlauchstückes bis auf null verändert.
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Durch die Druckschrift
DE 297 10 248 U1 ist eine Vorrichtung zur Wärmeverbrauchsmessung und zur Regelung der Heizleistung eines einzelnen Heizkörpers für die Raumtemperaturregelung bekannt. Diese weist zur Erzeugung eines einstellbaren Differenzdruckes eines kompressiblen Mediums ein Ventil in Kopplung mit einem Differenzdrucksensor über eine Steuereinrichtung auf.
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Die Druckschrift
DE 10 2009 012 405 A1 beinhaltet einen Ventilantrieb für Gasventile. Dieser weist zumindest einen Antriebsmotor auf, der über ein Getriebe mit einem Ventilverschlussglied des Ventils verbunden ist. Das Getriebe enthält einen in Schließrichtung des Ventils wirksamen Freigang, so dass der Antriebsmotor beim Schließen des Ventils nach dem Aufsetzen des Ventilverschlussglieds auf seinen Ventilsitz in gleicher Schließrichtung weiter bewegbar ist.
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Durch die Druckschrift
WO 2011/047 488 A1 ist ein bürstenloser Gleichstrommotor mit stromloser Hemmung bekannt.
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Darüber hinaus ist bei Einsatz von bekannten Ventilen, die aus Ventilkörper und Absperrkörper sowie Stellantrieb bestehen (beispielsweise Sitzventile oder Nadelventile), die Position des Absperrkörpers proportional mit der Position des Stellantriebes gekoppelt. Kombiniert mit der nichtlinearen Kennlinie des Strömungswiderstandes des Ventils als Funktion der Position des Absperrkörpers hat dieses lineare Verhalten des Stellantriebes zur Folge, dass insbesondere hohe Strömungswiderstände und damit hohe Differenzdrücke bei Durchströmung bei kompressiblen Medien nicht optimal einzustellen sind.
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Zur Einstellung geringer Strömungswiderstände und damit geringer Wege des Zusammendrückens ist eine schnelle, örtlich nicht so hoch auflösende Verstellung des Absperrkörpers erforderlich.
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Im Gegensatz dazu erfordert die Einstellung großer Strömungswiderstände und damit großer Wege des Absperrkörpers eine langsame, örtlich hoch auflösende Verstellung des Absperrkörpers.
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Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen bestimmten Differenzdruck und damit einen bestimmten Strömungswiderstand eines kompressiblen Mediums bei Durchströmung einer Fluidführung einfach zu erzeugen.
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Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
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Die Einrichtungen zur Erzeugung eines einstellbaren Differenzdruckes eines kompressiblen Mediums bei Durchströmung einer Fluidführung zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass ein bestimmter Differenzdruck und damit ein bestimmter Strömungswiderstand eines kompressiblen Mediums bei Durchströmung einer Fluidführung einfach zu erzeugen ist.
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Dazu weist die Einrichtung
- – eine Ventilanordnung als eine Einrichtung zur Erzeugung eines variablen Strömungswiderstandes des Mediums,
- – einen mit Messstellen in Strömungsrichtung des Mediums vor und nach der Rolle oder der Scheibe verbundenen Differenzdrucksensor und
- – eine mit dem Differenzdrucksensor und dem Drehantrieb zusammengeschaltete Steuereinrichtung auf.
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Die Ventilanordnung besitzt
- – eine Schlauchleitung als Teil der Fluidführung,
- – eine Druckplatte als Anschlag und
- – einen Drehantrieb mit einem als Kurbeltrieb ausgebildeten Drehhebel mit einer Rolle oder Scheibe als Aktor korrespondierend zur Druckplatte, wobei die Drehachse der Rolle oder der Scheibe rechtwinklig zur Symmetrieachse der Schlauchleitung angeordnet ist, die Rolle oder die Scheibe gegenüber der Druckplatte zur Änderung des Strömungswiderstandes des Mediums bewegt wird und die Druckplatte geführt verschiebbar und in verschiedenen Positionen feststellbar ist, so dass die Schlauchleitung durch die an den Drehanrieb gekoppelte Rolle oder Scheibe nicht verschließbar ist.
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So ist mittels des Differenzdrucksensors, des Drehantriebs und der damit zusammengeschalteten Steuereinrichtung eine dem Stellsignal der Steuereinrichtung proportionale Wirkung auf den Differenzdruck des strömenden Mediums vorhanden.
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Vielfältige Anwendungen in der Fluidtechnik erfordern das Bereitstellen eines bestimmten, einstellbaren Strömungswiderstandes in einer Fluidführung. Ein anschauliches Beispiel dafür ist der Wasserhahn einer Hauswasserversorgung.
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Mittels eines einstellbaren Drosselorgans wird bei gegebenem Differenzdruck (in diesem Beispiel der Leitungsdruck der Wasserversorgung) mittels dem Drosselorgan der Durchfluss reguliert. Dieses Prinzip wird in der Fluidtechnik auch häufig umgekehrt verwendet, so dass für einen gegebenen Durchfluss in der Fluidführung mit einem Drosselorgan ein bestimmter, einstellbarer Differenzdruck hervorgerufen werden soll.
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Die Einrichtung erlaubt über die einfache Einstellung des Differenzdruckes eine Regelung desselben. Das erfolgt auch gegen die Wirkung von Störgrößen. Die Einrichtung zeichnet sich durch ihre hervorragende Wirtschaftlichkeit und sehr gute Regelcharakteristik und Überlastsicherheit aus.
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Die einzelnen Komponenten der Einrichtung bilden einen Regelkreis, wobei der an der Fluidführung auftretende Differenzdruck an den Messstellen für den Differenzdruck abgenommen wird. Dieser wird zum Differenzdrucksensor weitergeleitet und in der Steuereinrichtung beispielsweise als Datenverarbeitungssystem erfasst. In dieser wird der so gemessene Istwert des Druckes mit einem eingebbaren Wert für den Sollwert verglichen. In einem in dieser Komponente implementierten Regelalgorithmus wird das Stellsignal für die Ventilanordnung ermittelt und diese angesteuert.
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Die Qualität der Regelung ist dann besonders hoch, wenn das Stellorgan, in diesem Fall die Ventilanordnung, eine dem Stellsignal möglichst proportionale Wirkung auf den Differenzdruck der Einrichtung bei Durchströmung hat.
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Bekannte Ventile wandeln ein Signal für die Ventilstellung in eine proportionale Position eines Absperrkörpers um, so beispielsweise Ventilschieber bei Schieberventilen oder Ventilnadeln bei Nadelventilen. Die Stellung des Absperrkörpers ist jedoch in ihrer Wirkung auf den Differenzdruck bei Durchströmung insbesondere durch Gase stark nichtlinear. Dies bedeutet in der Praxis für das Verhalten des Ventils als Stellorgan, dass der Einfluss, den eine bestimmte Änderung der Stellgröße auf den Differenzdruck ausübt, sehr stark vom aktuellen Bereich der Position des Absperrkörpers abhängt. Ist das Ventil zum Beispiel nahe dem Zustand „geschlossen“, so bewirkt eine bestimmte Änderung der Position des Absperrkörpers eine weitaus größere Veränderung des Differenzdruckes bei Durchströmung als nahe dem Zustand „voll geöffnet“.
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In Bereichen in denen kleine Änderungen der Position des Absperrkörpers große Auswirkung auf den Differenzdruck bewirken, bei bekannten Ventilen nahe der ZU-Position, wirkt sich die naturgemäß begrenzte Auflösung der Wirkkette Stellsignal und Positionierung des Absperrkörpers problematisch aus. Daraus folgend wird eine Regelung in diesem Bereich erschwert oder wird ihre Güte erheblich gemindert.
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Zur Verbesserung der Regelgüte wird in den Regelkreis die Ventilanordnung integriert, die den gewünschten, möglichst linearen Zusammenhang zwischen dem Stellsignal und der Wirkung auf den Differenzdruck bei Durchströmung ermöglicht.
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Die Vorteilhaftigkeit der angegebenen Einrichtung ergibt sich aus der Kombination der Regelung des Differenzdruckes mit der speziellen Ventilanordnung.
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Die Ventilanordnung dient der Erzeugung eines zusätzlichen, variablen Strömungswiderstandes in der Fluidführung. Der Strömungswiderstand wird durch den Druckabfall eines technischen Bauteils bei einem bestimmten Volumenstrom des durchströmenden Fluids bestimmt.
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Durch Verändern des Strömungswiderstandes eines technischen Bauteils kann der Zusammenhang zwischen Volumenstrom des durchströmenden Mediums und dem dabei auftretenden Differenzdruck verändert werden. Zum Beispiel kann für einen gegebenen und konstanten Druckabfall auf diese Weise der Volumenstrom eingestellt oder bei gegebenem konstantem Volumenstrom der Druckabfall eingestellt werden. Je nach Umgebungsbedingungen tritt ein bestimmter Zustand zwischen diesen beiden Grenzfällen ein.
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Schlauchleitungen weisen bei gegebenem Durchmesser je Längeneinheit einen bestimmten Strömungswiderstand auf. Dieser Strömungswiderstand kann durch Zusammendrücken des Schlauches aufgrund des damit verringerten Strömungsquerschnittes erhöht werden. Bei ausreichendem Zusammendrücken wird der resultierende Strömungswiderstand des Bauteils durch den Widerstandsanteil der zusammengedrückten Teillänge festgelegt.
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Die vorteilhafte Funktion der Ventilanordnung ergibt sich aus der Kennlinie eines Schlauches als Zusammenhang des Weges des Zusammendrückens und der daraus resultierenden Erhöhung des Strömungswiderstandes. Deshalb weist die Ventilanordnung vorteilhafterweise eine Schlauchleitung als Teil der Fluidführung auf.
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Der Weg des Zusammendrückens korrespondiert mit der Verkleinerung des offenen Querschnittes des Schlauches, der noch für die Durchströmung zur Verfügung steht. Je mehr sich der Schlauch dem Zustand Verschlossen beim Zusammendrücken nähert, umso steiler ist der Anstieg des Strömungswiderstandes als Funktion des Weges des Zusammendrückens. Das heißt, der Anstieg des Strömungswiderstandes ist überproportional zum Weg des Zusammendrückens.
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Durch die Ventilanordnung wird vorteilhafterweise die nichtlineare Kennlinie des Strömungswiderstandes des Schlauches mit einer weiteren nichtlinearen Kennlinie der Wirkkette aus Antrieb-Übertragungsglieder-Element zum Zusammendrücken des Schlauches kombiniert. Die Nichtlinearitäten wirken entgegengesetzt, so dass mindestens ein teilweiser Ausgleich stattfindet.
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Das basiert auf dem Zusammendrücken der Schlauchleitung mittels der Rolle oder der Scheibe. Letztere kann günstigerweise auch gelagert sein, wobei die Rolle um eine durch den Kurbeltrieb verursachte außermittige und ortsfeste Achse rotiert.
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Bei kleinen, noch offenen Durchströmquerschnitten ist bei der Ventilanordnung die Abhängigkeit des Strömungswiderstandes vom Weg des Zusammendrückens am stärksten. Die für eine technisch sinnvolle Einstellung des Strömungswiderstandes erforderlichen kleinen Weginkremente sind über das Verhalten des Kurbeltriebes in der Nähe des Totpunktes erreichbar. Im Gegensatz dazu entspricht bei geöffneter Einrichtung, wobei der Kurbeltrieb vorteilhafterweise in der Position 90° versetzt zum Totpunkt der Position geschlossen steht, jede Bewegung einem größeren Weginkrement.
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Beim Zusammendrücken im Bereich höherer Querschnitte des Schlauches wird bei konstanter Drehgeschwindigkeit des Drehantriebes schnell und mit geringer Auflösung zusammengedrückt. Hier ist jedoch die Abhängigkeit des Strömungswiderstandes vom Weg des Zusammendrückens schwächer.
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Im Bereich geringer Querschnitte wird unter gleichen Umständen langsam und mit hoher Auflösung zusammengedrückt. In diesem Bereich ist jedoch die Abhängigkeit des Strömungswiderstandes stärker.
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Die Druckplatte ist ein geführt verschiebbarer und in verschiedenen Positionen feststellbarer Anschlag, so dass die Schlauchleitung durch die an den Drehantrieb gekoppelte Rolle oder Scheibe nicht verschließbar ist.
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Das führt vorteilhafterweise dazu, dass ein Schutz der Einrichtung vor zu hohem Differenzdrücken bei Durchströmung als Überlastschutz erreichbar ist.
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Beim Betrieb der Einrichtung als ein Regelkreis kann es nicht ausgeschlossen werden, dass durch eine ungünstige Kombination von Reglerparametern und Verhalten des zu regelnden Prozesses das Stellsignal Bereiche überschreitet, in denen der Prozess sicher ist. Bei der Einrichtung bedeutet dies, dass durch zu weites Schließen der Ventilanordnung bei vorgegebenem Durchfluss durch die Einrichtung ein solch hoher Differenzdruck hervorgerufen wird, dass der angeschlossene Drucksensor oder andere Komponenten überlastet werden.
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Die Ventilanordnung ist deshalb mit der zusätzlich verschiebbaren und arretierbaren Druckplatte ausgerüstet. Diese wird so eingestellt, dass bei gegebenem Durchfluss selbst bei voll geschlossenem Ventil noch ein so großer Querschnitt im Schlauch für die Durchströmung freigegeben ist, dass dies nicht zur Überlastung des Drucksensors oder anderer Komponenten führt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 8 angegeben.
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Der Drehantrieb weist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 einen Positionsgeber für die Position der Rolle oder der Scheibe auf. Darüber hinaus sind der Drehantrieb und der Positionsgeber mit der Steuereinrichtung verbunden, so dass ein bestimmter Strömungswiderstand des Mediums einstellbar ist.
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Der Drehantrieb ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 ein Elektromotor. Dieser und eine Einrichtung zur Bestimmung der Rotorlage des Elektromotors als Positionsgeber sind mit der Steuereinrichtung so verbunden, dass eine bestimmte Rotorlage und damit über die Position der Rolle ein bestimmter Strömungswiderstand einstellbar ist.
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Der Drehantrieb ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 ein Schrittmotor. Dieser und der Positionsgeber für die Drehlage des Schrittmotors sind mit der Steuereinrichtung so verbunden, dass bestimmte Drehlagen und damit über die Position der Rolle bestimmte Strömungswiderstände einstellbar sind.
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Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 sind der Positionsgeber als ein Positionsgeber für die Kurbel des Kurbeltriebs und der Drehantrieb so mit der Steuereinrichtung verbunden, dass bestimmte Positionen der Kurbel und damit über die Position der Rolle bestimmte Strömungswiderstände einstellbar sind.
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Der Drehantrieb ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 ein selbsthemmender Drehantrieb, wobei die Rückstellkraft der Schlauchleitung die Position der Rolle bei nicht angesteuertem Drehantrieb nicht verändert. Damit wird ein bestimmter Strömungswiderstand auch bei nicht angesteuertem Drehantrieb gewährleistet. Dies wirkt sich positiv auf den Energieverbrauch aus, der insbesondere bei portablem Betrieb von Bedeutung ist.
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Die Druckplatte ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 an einen Antrieb gekoppelt. Weiterhin ist der Antrieb mit der Steuereinrichtung verbunden, so dass die Schlauchleitung durch den Drehantrieb nicht verschließbar ist.
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Die Steuereinrichtung ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 eine den mit dem Differenzdrucksensor gemessenen Druck mit einem vorgebbaren Druck vergleichende Steuereinrichtung. Weiterhin ist diese Steuereinrichtung mit dem Drehantrieb so gekoppelt, dass der Drehantrieb der Ventilanordnung entsprechend dem vorgegebenen Druck angesteuert wird. Die Steuereinrichtung kann dazu vorteilhafterweise ein Datenverarbeitungssystem in Form eines Mikrocomputers sein.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigt die
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1 eine Einrichtung zur Erzeugung eines einstellbaren Differenzdruckes eines kompressiblen Mediums bei Durchströmung einer Fluidführung.
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Eine Einrichtung zur Erzeugung eines einstellbaren Differenzdruckes eines kompressiblen Mediums bei Durchströmung einer Fluidführung 1 besteht im Wesentlichen aus einer Ventilanordnung 5 für die Fluidführung 1, Messstellen 2 für den Differenzdruck, einem Differenzdrucksensor 3 und einer Steuereinrichtung 4.
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Die 1 zeigt eine Einrichtung zur Erzeugung eines einstellbaren Differenzdruckes eines kompressiblen Mediums bei Durchströmung einer Fluidführung 1 in einer prinzipiellen Darstellung.
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Die Ventilanordnung 5 ist eine Einrichtung zur Erzeugung eines variablen Strömungs widerstandes des Mediums und besteht im Wesentlichen aus einer Schlauchleitung 1 als Teil der Fluidführung 1, einer Druckplatte 6 als Anschlag 6 und einem Drehantrieb 9 mit einem als Kurbeltrieb 8 ausgebildeten Drehhebel mit einer Rolle 7 oder Scheibe als Aktor korrespondierend zum Anschlag 6. Die Drehachse der Rolle 7 oder der Scheibe ist rechtwinklig zur Symmetrieachse der Schlauchleitung 1 angeordnet. Die Rolle 7 oder die Scheibe wird gegenüber der Druckplatte 6 als Anschlag 6 zur Änderung des Strömungswiderstandes des Mediums bewegt.
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Die Messstellen 2 für den Differenzdruck sind in Strömungsrichtung des Mediums vor und nach der Rolle 7 oder der Scheibe und damit der Ventilanordnung 5 angeordnet. Die Messstellen 2 sind mit dem Differenzdrucksensor 3 verbunden. Dieser und der Drehantrieb 9 sind mit der Steuereinrichtung 4 zusammengeschaltet, so dass eine dem Stellsignal der Steuereinrichtung 4 proportionale Wirkung auf den Differenzdruck des strömenden Mediums vorhanden ist.
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Die Steuereinrichtung 4 kann eine den mit dem Differenzdrucksensor 3 gemessenen Druck mit einem vorgebbaren Druck vergleichende Steuereinrichtung 4 sein. Die Steuereinrichtung 4 ist dazu so mit dem Drehantrieb 9 gekoppelt, dass der Drehantrieb 9 der Ventilanordnung 5 entsprechend dem vorgegebenem Druck angesteuert wird.
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Der Anschlag 6 ist ein geführt verschiebbarer und in verschiedenen Positionen feststellbarer Anschlag 6 oder an einen Antrieb gekoppelt. Der Anschlag 6 ist dazu vorteilhafterweise so fixiert, dass die Schlauchleitung 1 durch die an den Drehantrieb 9 gekoppelte Rolle 7 oder Scheibe nicht verschließbar ist. Dazu ist der Anschlag 6 entweder per Hand bewegt und fixiert oder der Antrieb mit der Steuereinrichtung 4 verbunden.
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Die Ventilanordnung 5 kann darüber hinaus einen Positionsgeber aufweisen, der mit der Steuereinrichtung 4 verbunden ist. Die mit dem Drehantrieb 9 und dem Positionsgeber für die Position der Rolle 7 oder der Scheibe verbundene Steuereinrichtung 4 ist eine Steuereinrichtung 4 zur Erzeugung eines bestimmten Strömungswiderstandes des Mediums in der Schlauchleitung 1.
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Der Drehantrieb 9 ist in einer Ausführungsform ein Elektromotor 9. Dieser und eine Einrichtung zur Bestimmung der Rotorlage des Elektromotors 9 als Positionsgeber ist mit der Steuereinrichtung 4 so verbunden, dass eine bestimmte Rotorlage und damit über die Position der Rolle 7 oder der Scheibe ein bestimmter Strömungswiderstand einstellbar ist.
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Der Drehantrieb 9 kann in einer weiteren Ausführungsform ein Schrittmotor 9 sein. Dieser und der Positionsgeber für die Drehlage des Schrittmotors 9 sind mit der Steuereinrichtung 4 so verbunden, dass bestimmte Drehlagen und damit über die Position der Rolle 7 oder Scheibe bestimmte Strömungswiderstände einstellbar sind.
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In einer weiteren Ausführungsform kann der Positionsgeber als ein Positionsgeber für die Kurbel des Kurbeltriebs 8 und der Drehantrieb 9 so mit der Steuereinrichtung 4 verbunden sein, dass bestimmte Positionen der Kurbel und damit über die Position der Rolle 7 oder Scheibe bestimmte Strömungswiderstände einstellbar sind.
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Der Drehantrieb 9 ist günstigerweise als ein selbsthemmender Drehantrieb 9 ausgeführt, wobei die Rückstellkraft der Schlauchleitung 1 die Position der Rolle 7 oder Scheibe bei nicht angesteuertem Drehantrieb 9 nicht verändert. Dazu kann der Drehantrieb 9 ein Schneckengetriebe aufweisen.
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Der Drehantrieb 9 kann aber auch eine Bremse aufweisen, die zu deren Betätigung mit der Steuereinrichtung 4 verbunden ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fluidführung, Schlauchleitung
- 2
- Messstellen
- 3
- Differenzdrucksensor
- 4
- Steuereinrichtung
- 5
- Ventilanordnung
- 6
- Druckplatte, Anschlag
- 7
- Rolle
- 8
- Kurbeltrieb
- 9
- Drehantrieb, Elektromotor, Schrittmotor, Stellmotor
