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Die
Erfindung betrifft ein Gasleitungssystem gemäß dem Titel von Anspruch 1
und insbesondere eine Pulversprühbeschichtungsvorrichtung,
welche ein solches Gasleitungssystem enthält. Gas bedeutet hier Druckgas,
insbesondere Druckluft, welches einen höheren Druck als Atmosphärendruck
hat.
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Pulversprühbeschichtungsvorrichtungen
mit Luftleitungssystemen sind beispielsweise aus folgenden Dokumenten
bekannt: WO 00/10725, WO 00/10726, WO 00/10727,
EP 0 636 420 A2 ,
US 4,284,032 ,
US 5,131,350 ,
DE 44 09 493 A1 ,
US 3,625,404 ,
GB 2 029 271 A ,
DE 42 39 496 A1 . Die Erfindung
ist bei allen derartigen Pulversprühbeschichtungsvorrichtungen
des Standes der Technik verwendbar, wobei anstelle der dort erwähnten Druckregler
eine steuerbare Drossel verwendbar ist gemäß der Erfindung.
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Die
Genauigkeit der Druckluft-Durchfluassrate (Volumendurchfluss pro
Zeiteinheit) einer Drossel, beispielsweise in einer Pulversprühbeschichtungsvorrichtung
gemäß den WO
00/10725, WO 00/10726, WO 00/10727, hängt wesentlich von der Konstantheit
des Luftdruckes ab, welcher vor der Drossel herrscht (Eingangsdruck
der Drossel). Damit die für
Pulversprühbeschichtungsvorrichtungen
erforderliche Genauigkeit der Luftdurchflussrate ertüllt werden
kann, werden heute in der Praxis präzise mechanische Druckregler
eingesetzt, wie dies beispielsweise in
EP 0 636 420 A2 ,
US 4,284,032 und
US 5,131,350 beschrieben
ist. Solche Druckregler sind relativ teuer und benötigen auch
viel Platz in dem zu ihrer Steuerung ertorderlichen Steuergerät. Die Luftleitungssysteme
mit steuerbaren Drosseln gemäß den genannten
drei WO-Dokumenten können
je als ein System angesehen werden, in welchem eine Liniearisierung
mit einer Unbekannten stattfindet (der Einstell-Drehwinkel der Drossel als eine Funktion
des Luftdurchflusses). Die Luftdurchflussrate ist auch vom Strömungswiderstand
stromabwärts
der Drossel abhängig.
Dieser Strömungswiderstand
ist jedoch für jedes
Gasleitungssystem berechenbar und in den meisten Fällen konstant.
Die zur Erzielung einer bestimmten Gasdurchflussrate erforderliche
Einstellung der Drossel kann durch Versuche ermittelt werden.
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Die
Gas- oder Luftdurchflussrate kann in l/min. (liter/Minute) oder
in Nm3/j (Normkubikmeter/Stunde) oder in
einer anderen Einheit definiert werden.
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Durch
die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, Schwankungen der
Gasdurchflussrate in einem Gasleitungssystem, insbesondere in einer Pulversprühbeschichtungsvorrichtung,
in den Fällen zu
reduzieren oder zu vermeiden, wo sich der Gasdruck einer Gasquelle ändert, ohne
dass zur Lösung dieser
Aufgabe ein Druckregler benötigt
wird.
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Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch
die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
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Demgemäss betrifft
die Erfindung ein Gasleitungssystem, enthaltend eine steuerbare
Drossel in mindestens einer Gasleitung; einen Stellantrieb zum Einstellen
der Drossel, so dass sich bei einem bestimmten Eingangsdruck des
Gases eine bestimmte Ist-Gasdurchflussrate ergibt; eine Steuereinrichtung zum
Einstellen des Stellantriebes der Drossel in Abhängigkeit von einer an der Steuereinrichtung
eingestellten oder einstellbaren Soll-Gasdurchflussrate; einen Drucksensor
stromaufwärts
der Drossel zum Messen des Ist-Eingangsdruckes der Drossel und zur Übertragung
von dem Ist-Eingangsdruck entsprechenden Signalen an die Steuereinrichtung;
einen Speicher in der Steuereinrichtung, in welchem, für einen vorbestimmten
Strömungswiderstand
stromabwärts
der Drossel, eine gegenseitige funktionelle Abhängigkeit von Einstellpositionen
der Drossel, Eingangsdrücken
der Drossel und Gasdurchflussraten der Drossel gespeichert ist;
einen Prozessor in der Steuereinrichtung, welcher in Abhängigkeit
von der jeweils an der Steuereinrichtung eingestellten Soll-Gasdurchflussrate
und gleichzeitig in Abhängigkeit
von den Signalen des Drucksensors, welche dem jeweiligen Ist-Eingangsdruck
der Drossel entsprechen, anhand der gespeicherten gegenseitigen
funktionellen Abhängigkeit
ein Stellsignal für
den Stellantrieb erzeugt, durch welches der Stellantrieb die Drossel
einstellt, so dass auch bei sich änderndem Eingangsdruck die
Ist-Gasdurchflussrate mindestens ungefähr der Soll-Gasdurchflussrate
entspricht.
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Insbesondere
betrifft die Erfindung eine Pulversprühbeschichtungsvorrichtung,
welche ein solches Gasleitungssystem enthält zur pneumatischen Förderung
von Beschichtungspulver oder zum Fluidisieren von Beschichtungspulver
oder zur pneumatischen Förderung
und zur Fluidisierung von Beschichtungspulver mittels Druckgas,
vorzugsweise mittels Druckluft.
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Weitere
Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Vorteile der Erfindung:
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Bei
der Pulversprühbeschichtungsvorrichtung
nach dem Stand der Technik WO 00/10725 erfolgt eine Liniearisierung
der Funktion der Drossel mit einer Unbekannten (der Drehwinkel der
Drossel als Funktion der Gasströmungsrate).
Demgegenüber bietet
die neue Erfindung eine Liniearisierung mit zwei Unbekannten, wobei
die jeweilige Einstellposition (z. B. Drehwinkel) der Drossel eine
Funktion der gewünschten
(Soll-)Gasströmungsrate
und des Eingangsdruckes der Drossel ist.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass der gesamte an
der Gasquelle, z. B. Druckluftquelle, herrschende Gasdruck für den Sprühbeschichtungsbetrieb
ausgenutzt werden kann. Bei Verwendung eines mechanischen Druckreglers
nach dem Stand der Technik ist der Druck auf einen Wert von z. B.
5 Bar begrenzt, welcher maximal so hoch sein kann wie der bei Druckschwankungen
des Druckluftnetzes entstehende niedrigste Druck des Druckluftnetzes.
Damit ist auch der maximal mögliche
Pulverausstoß von
Beschichtungspulver aus einer Sprühvorrichtung auf die Einstellung
des Druckreglers begrenzt. Das Beschichtungspulver wird normalerweise
durch einen Injektor als Förderpumpe
zu der Sprühvorrichtung
gefördert.
Hierbei wird von einem Druckluftstrom von z. B. 5 Bar in dem Injektor Beschichtungspulver
aus einem Pulverbehälter
ansaugt. Damit der Druckregler in allen Druckbereichen arbeiten
kann, muss er auf einen Druck eingestellt werden, welcher maximal
so hoch ist wie der niedrigste Druck des Druckluftnetzes. Stattdessen
kann gemäß der Erfindung
der jeweils höchste
vorhandene Luftdruck des Druckluftnetzes ausgenutzt werden (z. B.
bis zu z. B. 10 Bar) und zur Sprühvorrichtung übertragen
werden. Dadurch kann der Pulverausstoß (gefördertes Pulvervolumen pro Zeiteinheit)
signifikant gesteigert werden.
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Die
Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen anhand
einer bevorzugten Ausführungsform
als Beispiel beschrieben. In den Zeichnungen zeigen
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1 ein
Diagramm, welches in einem lesbaren Speicher einer Steuereinrichtung
eines Gasleitungssystems gespeichert ist und auf der Horizontalachse
Einstellpositionen einer Drossel, z. B. Drehwinkelschritte eines
Schrittmotors, auf der Horizontalachse Drossel-Durchflussraten von
Druckgas, z. B. in l/min., und eine Schar von mindestens zwei Diagrammkurven
von verschiedenen Eingangs-Gasdrücken der
Drossel enthält,
beispielsweise je eine Diagrammkurve für 5 Bar, 6 Bar, 7 Bar, 8 Bar,
9 Bar und 10 Bar,
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2 schematisch
eine Pulversprühbeschichtungsvorrichtung
nach der Erfindung,
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3 schematisch
einen Axialschnitt des vorderen Endabschnittes einer Sprühvorrichtung, welche
in 2 stark verkleinert gezeigt ist.
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1 zeigt
in Form eines Diagramms die gegenseitige funktionelle Abhängigkeit
der drei Parameter einer Drossel: Durchflussrate l/min. (oder in Nm3/h) auf einer z. B. vertikalen Achse, mehrere (mindestens
zwei) Eingangsdruck-Diagrammkurven betreffend Eingangsdrücke der
Drossel, und mögliche
(analoge oder digitale) Einstellpositionen der Drossel, z. B. in
Form von Einstellschritten, z. B. Drehwinkelschritten. Dadurch kann
eine gewünschte Durchflussrate
von z. B. 100 l/min. bei einem aktuellen Drossel-Eingangsdruck von
z. B. 8 Bar dadurch erreicht werden, dass die Drossel auf eine bestimmte Einstellposition
eingestellt wird, z. B. auf einen Winkelschritt Nr. 96 eines Schrittmotors,
der als Stellantrieb der Drossel vorgesehen ist. Wenn sich der Eingangsdruck
der Drossel z. B. von 8 Bar auf 10 Bar ändert, dann ergibt sich die
gleiche Durchflussrate 100 l/min., wenn die Drossel automatisch
auf eine angepasste Einstellposition, z. B. einen Winkelschritt
Nr. 80 eingestellt wird. Wenn dagegen der Eingangsdruck von z. B.
8 Bar auf z. B. 6 Bar abfällt,
ergibt sich die gewünschte
Durchflussrate 100 l/min., indem die Drossel auf eine daran angepasste
Einstellposition, z. B. einen Winkelschritt Nr. 116, automatisch
eingestellt wird. Entsprechend diesen Beispielen ergeben sich auch
für gewünschte andere
Durchflussraten in Abhängigkeit
von dem Eingangsdruck der Drossel die erforderliche Einstellposition
der Drossel.
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2 zeigt
ein Beispiel der Erfindung in Form einer Ausführungsform, von vielen möglichen Ausführungsformen,
einer Pulversprühbeschichtungsvorrichtung.
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Die
Daten des Diagramms von 1 sind in einem Speicher 2 eines
Steuergerätes 4 gespeichert. Die
gewünschte
Durchflussrate in l/min. oder in Nm3/h (oder
in einer anderen Maßeinheit),
ist an einem Einstellelement 8 der Steuereinrichtung 4 je nach
Ausführungsform
der Steuereinrichtung und je nach Anwendung der Pulversprühbeschichtungsvorrichtung
unveränderbar
vorgegeben oder variabel manuell einstellbar oder durch eine übergeordnete Steuereinrichtung
in Abhängigkeit
vom Transport von zu beschichtenden Gegenständen oder in Abhängigkeit
von anderen Kriterien, z. B. der jeweiligen Pulversorte, einstellbar.
Ein Prozessor 6 der Steuereinrichtung 4 ermittelt
aus dem Diagramm von 1 anhand einer am Einstellelement 8 eingestellten Soll-Durchflussrate
und in Abhängigkeit
vom Ist- Eingangsdruck
der Drossel, welcher von einem Drucksensor 8 gemessen wird
und der Steuereinrichtung 4 mitgeteilt wird, die zur Erzielung
der eingestellten Soll-Durchflussrate
erforderliche Einstellposition der Drossel. Die Steuereinrichtung 4 erzeugt
ein der erforderlichen Einstellposition entsprechendes Stellsignal,
durch welches die Drossel auf die erforderliche Einstellposition
eingestellt wird.
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Das
Gas ist normalerweise Druckluft, kann jedoch auch ein anderes Druckgas
sein. Bei Pulversprühbeschichtungsvorrichtungen
wird normalerweise Druckluft verwendet, weshalb im Folgenden lediglich
der Begriff Luft verwendet wird.
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Die
Drossel kann eine in einer Förderluftleitung 10 befindliche
Drossel 10 und/oder eine in einer Zusatzluftleitung 14 befindliche
Drossel 16 und/oder eine in einer Fluidisierluftleitung 18 befindliche
Drossel 20 und/oder eine in einer Elektrodenspülluftleitung 22 befindliche
Drossel 24 sein. In der einen oder anderen dieser Leitungen
kann anstelle einer steuerbaren Drossel eine fest eingestellte Drossel
sein, beispielsweise die Drossel 24 der Elektrodenspülluftleitung 22,
oder keine Drossel enthalten sein, beispielsweise in der Fluidisierluftleitung 18.
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Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform der
Erfindung ist jedoch sowohl in der Förderluftleitung 10 eine
gemäß der Erfindung
steuerbare Drossel 12 und in der Zusatzluftleitung 14 eine
gemäß der Erfindung
steuerbare Drossel 16. Gemäß einer anderen, nicht gezeigten
Ausführungsform
ist keine Zusatzluftleitung 14 vorhanden, da zur Grundfunktion eines
Injektors 26 nur Druckluft in der Förderleitung 10 erforderlich
ist. Die Förderluft
erzeugt im Injektor 26 einen Unterdruck, saugt dadurch über eine
Saugleitung 28 Beschichtungspulver 30 aus einem
Pulverbehälter 32 und
fördert
das angesaugte Pulver pneumatisch durch eine Sprühvorrichtung 34, von
welcher es mittels einer oder mehrerer Elektroden 36 elektrostatisch
aufgeladen und auf einen zu beschichtenden Gegenstand (nicht dargestellt)
gesprüht
wird. Das auf dem Gegenstand befindliche Beschichtungsmaterial wird
anschließend
in einem Ofen auf den Gegenstand aufgeschmolzen.
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Die
Druckluft wird einem Druckluftnetz 40 entnommen und über steuerbare
Ventile 42, 44, 46 der Förderluftleitung,
der Zusatzluftleitung 14, der Elektrodenspülluftleitung 22 und
der Fluidisierluftleitung 18 zugeführt.
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Die
mindestens eine Elektrode 36 ist an Hochspannung einer
Hochspannungsquelle 48 angeschlossen, welche innerhalb
oder extern von der Sprühvorrichtung 34 angeordnet
sein.
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Die
Fluidisierluftleitung 18 kann an ihrem stromabwärtigen Ende
an einen Fluidisierkanal 52 angeschlossen sein, welcher
mit dem Saugrohr 28 und dem Injektor 26 eine Baueinheit
bildet und am unteren Ende einen Fluidisierluftauslass 54 benachbart
zum Saugeinlass 56 des Saugrohres 28 aufweist.
Aus dem Fluidisierluftkanal 52 ausströmende Fluidisier-Druckluft
fluidisiert das Pulver 30 im Pulverbehälter 32 im Bereich
des Saugeinlasses 56 des Saugrohres 28, so dass
es pneumatisch leichter förderbar
ist. Alternativ oder zusätzlich
zum Fluidisierluftkanal 52 kann der Pulverbehälter 32 einen
luftdurchlässigen
Zwischenboden enthalten und die Fluidisierluftleitung 18 an
den Bodenzwischenraum angeschlossen sein, so dass Fluidisierluft
durch den Zwischenboden hindurch in den Pulverbehälter 32 gelangen
und darin das Beschichtungspulver 30 fluidisieren kann,
wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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Die
Stellantriebe 60 der Drosseln 12, 16, 20 und 24 sind
in 2 nur schematisch als Pfeile dargestellt und enthalten
vorzugsweise einen elektrischen Schrittmotor als Stellantriebsmotor.
Jedoch sind auch andere bekannte Antriebe als Stellantrieb möglich, beispielsweise
elektromagnetische, pneumatische oder hydraulische Stellantriebe.
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In
dem Diagramm von 1 bedeutet eine kleinere Anzahl
von Schritte ein kleinerer Öffnungsquerschnitt
der Drossel. Je höher
die Anzahl der dargestellten Schritte oder Einstellpositionen der
Drossel ist, desto größer ist
der Öffnungsquerschnitt
der Drossel, durch welchen Druckluft hindurchströmen kann.
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Die
Steuereinrichtung 4 ist vorzugsweise eine Geräteeinheit,
relativ zu welcher der Injektor 26 positionsunabhängig ist.
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Die
Eingangsdruckkurven von 5 Bar bis 10 Bar sind in 1 nur
als Beispiele zu verstehen. Es sind mindestens zwei solche Eingangsdruckkurven erforderlich
um Schwankungen des Eingangsdruckes der Drossel entgegen zu wirken.
Je mehr Eingangsdruckkurven gespeichert sind, desto genauer ist
die . Einstellung der Drossel. Mit anderen Worten, je mehr Eingangsdruckkurven
gespeichert sind, desto genauer entspricht die tatsächliche
Durchflussrate der Drossel der am Steuergerät eingestellten Durchflussrate.
Das Diagramm kann durch Analogwerte oder durch Digitalwerte gespeichert
sein.
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Gemäß einer
besonderen Ausführungsform der
Erfindung ist im Speicher 2 der Steuereinrichtung 4 nicht
ein Diagramm entsprechend 1 gespeichert,
sondern ein Algorithmus, anhand von welchem der Prozessor 6 in
Abhängigkeit
von der jeweils am Einstellelement 8 eingestellten Soll-Gas-Durchflussrate
und dem jeweils vom Drucksensor 8 gemessenen Ist-Eingangsdruck
der Drossel das Stellsignal für den
Stellantrieb 60 zur Einstellung einer entsprechenden Einstellposition
der Drossel errechnet.
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Die
gesuchte Größe ist somit
die Einstellposition der Drossel, beispielsweise bei Verwendung
eines elektrischen Schrittmotors der Winkelschritt (Drehwinkel),
bei welchem sich die von einem Benutzer gewünschte, am Einstellelement 8 eingestellte Durchflussrate
(m) einstellt. Der Eingangsdruck (p) wird mittels des Drucksensors 8 gemessen.
Dies kann mathematisch so formuliert werden: s
= f(m, p).
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Damit
der richtige Winkelschritt (Drehwinkel) des Schrittmotors von dem
Prozessor 6 ermittelt werden kann, gibt es zwei Möglichkeiten:
- 1) Das genannte Diagramm von 1 oder
ein ähnliches
Diagramm wird als Matrix abgespeichert. Der Prozessor 6 sucht
dann aufgrund des Eingangsdruckes, welcher vom Drucksensor 8 ermittelt
wird, und der gewünschten
Soll-Durchflussrate, welche von einem Benutzer oder einer übergeordneten
Hauptsteuerung am Einstellelement 8 einstellbar ist oder
fest vorgegeben ist, den richtigen Drehwinkel des Schrittmotors
heraus. Der Nachteil hierbei ist, dass im Speicher 2 viel
Speicherplatz für
das Diagramm benötigt wird.
Der Vorteil ist jedoch, dass eine sehr hohe Einstellgenauigkeit
der Drossel erreicht wird.
- 2) Das Diagramm von 1 oder ein ähnliches Diagramm wird mathematisch
mit Polynomen x-ter Ordnung näherungsweise
definiert. Dabei gilt ganz allgemein: n, l: Ordnung des Polynoms;
aij: Polynomkoeffizienten; p: Vordruck;
m:
Durchfluss; s: Winkelschritt (Drehwinkel).
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Der
Vorteil der Berechnung des richtigen Drehwinkels bzw. der Drehwinkelschritte
anhand eines solchen Algorithmus ist, dass die Implementierung von
so einer Formal nur wenig Platz im lesbaren Speicher 2 beansprucht.
Der Nachteil der Verwendung eines solchen Algorithmus ist, dass
die Genauigkeit etwas geringer ist als bei Verwendung eines Diagramms
von 1 und dass viel Rechenkapazität benötigt wird.
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Die
Koeffizienten sind von der Geometrie der Drossel abhängig.
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Die
Verwendung von einem oder mehreren Diagrammen entsprechend 1 oder
die Berechnung der Drosseleinstellung anhand eines gespeicherten
Algorithmus ist für
alle genannten Drosseln 12, 16, 20 und 24 anwendbar.
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Bei
allen Ausführungsformen
der Erfindung wird die Einstellung (z. B. Drehwinkelposition) der Drossel
gegebenenfalls entstehenden Änderungen des
Drossel-Eingangsdruckes nachgeführt,
wobei bei einer Erhöhung
des Eingangsdruckes die Drossel auf einen kleineren Durchflussquerschnitt
automatisch eingestellt wird, während
bei abfallendem Eingangsdruck die Drossel auf einen größeren Durchflussquerschnitt
automatisch eingestellt wird. Mit anderen Worten, die Einstellung
der Drossel wird automatisch an Änderungen
des Eingangsdruckes angepasst. Diese Anpassung kann analog oder
vorzugsweise digital, kontinuierlich oder stufenweise erfolgen.
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Für den Fachmann
ist es selbstverständlich, dass
die genannten Einstellungen der Drossel nur dann die gewünschte Durchflussrate
an Gas oder Druckluft ergeben, wenn der Strömungswiderstand des Gases stromabwärts der
betreffenden Drossel mindestens ungefähr konstant bleibt. Es können mehrere
Diagramme gemäß 1 oder
mehrere Algorithmen gespeichert sein, die je einem anderen Strömungswiderstand
zugeordnet sind, welcher stromabwärts der Drossel herrscht.
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Der
Speicher 2 ist lesbar. Er ist vorzugsweise auch schreibbar.
Bei Verwendung eines schreibbaren Speichers 2 besteht die
Möglichkeit
das Diagramm oder die Daten und Kurven des Diagramms von 1 oder
die Daten des Algorithmus, oder den Algorithmus, zu Ändern und
dadurch sich ändernden Betriebsbedingungen
anzupassen, z. B. verschiedenen Sprühbeschichtungsverfahren, verschienen
Arten von zu beschichtenden Gegenständen und verschiedene Arten
von Beschichtungspulver.
