DE2040166C2

DE2040166C2 - Pneumatische Verstärkeranordnung

Info

Publication number: DE2040166C2
Application number: DE2040166A
Authority: DE
Inventors: Horst Dipl.-Ing. 7000 Stuttgart Bader
Original assignee: Eckardt AG
Current assignee: Eckardt AG
Priority date: 1970-08-13
Filing date: 1970-08-13
Publication date: 1982-08-19
Also published as: GB1354529A; DE2040166A1; FR2102242A1; FR2102242B1

Description

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Die Erfindung betrifft eine pneumatische Verstärkeranordnung, die einem Eingangsdruck einen oder mehrere Ausgangsdrücke zuordnet, bei der die Verstärkung und der Arbeitspunkt einstellbar sind und bei der ein Differenzdruckverstärker vorgesehen ist, der zwei sich gegensinnig ändernde ,Ausgangssignale aufweist und der von der Differenz zweier Steuersignale aus gesteuert wird, wobei das zweite Steuersignal einem an den Ausgangsdruck des Differenzdruckverstärkers angeschlossenen Druckteiler entnommen ist und der oder die Ausgangsdrücke des Differenzdruckverstärkers Ausgangssignale der Anordnung sind.

In der DE-PS 20 14 307 ist eine derartige pneumatische Verstärkeranordnung beschrieben, die als Zweipunktregier arbeitet. Derartige Zweipunktregler arbeiten so, daß sie bei überschreiten und Unterschreiten einer Regelgröße in der Lage sind, Schaltvorgänge auszulösen, welche z. B. ein Ventil öffnen oder schließen. Der Zweipunktregler nach der bekannten Bauart ist: so beschaltet, daß er jeweils dann, wenn das Eingangssignal einen bestimmten Druckwert erreicht, durchschaltet Es wird dabei also ein unstetiges Ausgangssignal erzeugt. Mit einem Druckteiler, der einen variabel verstellbaren Widerstand enthält, lassen sich unterschiedliche Schaltpunkte einstellen.

Da diese bekannte Anordnung ein unstetiges Ausgangssignal erzeugt, läßt sich damit kein stetiges Kennlinienfeld zwischen Eingangs- und Ausgangsdruck erreichen, d. h. es ist nicht möglich, mit einer derartigen Anordnung jedem Eingangsdruck stetig einen Ausgangsdruck zuzuordnen.

Eine Verstärkeranordnung, die dies ermöglicht, ist in der DE-OS 15 23 545 gezeigt Dort wird in einen Eingangsdruckraum ein zu verstärkendes Eingangssignal eingeleitet und in einen zweiten Druckraum der Zuluftdruck, wobei ein Steuerglied (Modulatorschaft) den Durchgang von der Eingangsdruckkammer des Zuluftdruckes zu einem Ausgangskanal in Abhängigkeit des Eingangsdruckes mehr oder weniger frei gibt, so daß der Zuluftdruck entsprechend den Änderungen des Eingangssignales moduliert vorliegt Nachteilig dabei ist, daß sich mit der Änderung der Null-Stellung des Verstärkers auch die Verstärkungsfaktoren verändern, so daß nicht unabhängig vom Arbeitspunkt unterschiedliche Verstärkungsfaktoren erzielt werden können. Die universelle Ersetzbarkeit eines derartigen Verstärkers ist daher sehr eingeengt. So lassen sich beispielsweise auch keine negativen Verstärkungsfaktoren mit derartigen Verstärkern erzielen.

Die US-PS 22 25 950 beschreibt ein Mehrzwecksystem zur Bildung pneumatischer Steueranlagen. Kern des dort beschriebenen Systems ist die Verwendung von sieben verschiedenen Einzelelementen bestimmter Funktion, die in der Art eines Baukastensystems zu dem jeweils gewünschten Gerät zusammenfügbar sind.

Mit den Einzelelementen dieses Systems sind pneumatisch logische Schaltfunktionen realisierbar, wobei sich auch Verstärker aufbauen lassen, die dann allerdings viele Einzelelemente benötigen und daher sehr aufwendig sind.

In der FR-PS 12 44 839 wird ein Verstärker beschrieben, bei dem mit Hilfe eines Düsenprallplattensystems ein Eingangsdruck gesteuert wird, der je nach Größe den Durchsatz eines Zuluftdruckes zum Ausgangskanal vergrößert bzw. verkleinert. Eine Veränderung des Verstärkungsfaktors und des Arbeitspunktes eines derartigen Verstärkers, der nicht als Differenzdruckverstärker arbeitet, ist nur durch bauliche Veränderungen an diesem Verstärker möglich, was sehr umständlich ist und dessen variable Verwendungsmöglichkeit stark einschränkt.

Schließlich beschreibt die DE-OS 15 23 606 einen Verstärker, mit dem sich ebenfalls stetig ein Eingangsdruck in einen verstärkten Ausgangsdruck umwandeln läßt. Jedoch ist auch dessen Einsetzbarkeit eingeschränkt, da sich die Verstärkungsfaktoren nur durch Änderung des Verhältnisses von Kugeln variieren lassen, die den Zuluftdruck mehr oder weniger der Ausgangsöffnung in Abhängigkeit des zu verstärkenden Eingangsdruckes herbeiführen. Für unterschiedliche Verstärkungsfaktoren muß das Verhältnis der Kugeldurchmesser variiert werden, wodurch der ganze Aufbau bzw. die Abmessungen der Kammern, in denen sich die Kugeln befinden, ebenfalls auf die neuen Durchmesser angepaßt werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einer geringen Zahl einfacher Bauelemente eine betriebssichere und raumsparende Verstärkeranordnung zu schaffen, bei der sich verschiedene Verstärkungsfaktoren und Arbeitspunkteinstellungen verwirklichen lassen.

Die Erfindung besteht darin, daß auf den Vergleicher des Differenzdruckverstärkers eine Feder einwirkt, die in einem Eingangsdruckraum angeordnet ist und deren Vorspannkraft einstellbar ist und daß das zweite Steuersignal einem Druckteiler entnommen wird, an

p den das sich gleichsinnig mit dem Eingangssignal

E§[ ändernde Ausgangssignal und ein externer Druck

ρ angelegt sind.

0- Mit Hilfe der in dem Eingangsdruckraum des

M Differenzdruckverstärkers angeordneten Feder, deren

gf Vorspannkraft einstellbar ist, läßt sich atr Arbeitspunkt

p der Anordnung bzw. der Nullpunkt der zu verwirkli-

Mi chenden Kennlinien einfach einstellen. Der Einbau einer

f^:! Feder in einem Eingangsdruckraum ist verbunden mit

■ ί einer Zunahme des Volumens des betreffenden σβ Druckraums. Dies wirkt sich auf das dynamische H; Verhaltec der Anordnung aus. Ist z. B. die Feder in dem

^: Druckraum des Verstärkers angeordnet, der vom

; ;·, Eingangsdruck der Anordnung über den Widerstand

Ϊ; eines Druckteilers angesteuert wird, so ergibt sich im

'■'[ Eingang der Anordnung eine Verzögerung, die sich

nachteilig auf die Grenzfrequenz der Anordnung

;. auswirkt Die Grenzfrequenz wird kleiner. Es ist daher

Q von Vorteil, die Feder in einem nur vom Ausgangsdruck

% oder in einem unmittelbar vom Eingangsdruck der

;■■; Anordnung beaufschlagten Eingangsdt uckraum des

,;' Verstärkers anzuordnen. Dies ist möglich, da mit dem

■:. Wechsel des Druckraumes von einer Zug- auf eine

l| Druckfeder oder umgekehrt übergegangen werden

ύ kann.

'·■·*: Wenn das zweite Steuersignal einem Druckteiler

κ; entnommen wird, an den das sich gleichsinnig mit dem

If Eingangssignal ändernde Ausgangssignal und ein

'/i externer Druck angelegt sind, ergibt sich bei einer

u; gattungsgemäßen Verstärkeranordnung die Möglich-

%,: keit einer verstellbaren Rückkopplung, so daß sich

;-'':■ unterschiedliche Verstärkungsfaktoren durch Ändern

der Widerstandswerte des Druckteilers sehr einfach verwirklichen lassen. Insbesondere läßt sich damit die

'■;. Verstärkeranordnung als Trennverstärker betreiben,

wenn der Druckteiler auf ein Widerstandsverhältnis

* λ = eingestellt ist. Dabei ist mit K die Verstärkung

des Differenzdruckverstärkers bezeichnet. Dieser einzustellende Wert λ gilt für den Fall, daß die Wirkflächen der elastischen Wände in den Eingangsdruckräumen des I Differenzverstiirkers gleich groß sind. Je nach Anwen-

■ dung der Anordnung sind für den externen Druck verschiedene Werte vorgesehen. Im Falle des Trennver-

- stärkers ist dieser externe Druck gleich dem Atmosphärendruck. In einem anderen Fall kann der externe Druck : gleich dem Anisgangsdruck A- der Anordnung sein.

; Weiterhin kann dieser Druck auch als zweites Eingangssignali der Anordnung benutzt werden und zur Verstellung büw. Steuerung des Arbeitspunktes der Anordnung dienen.

Wenn die Vorspannung der Feder von außerhalb des Gehäuses einstellbar ist, kann die Arbeitspunktverstellung in äußerst: einfacher Weise vorgenommen werden.

Vorteilhaft ist es weiterhin, das erste Steuersignal einem Druckteiler zu entnehmen, an dem das Eingangssignal der Verstärkeranordnung und ein Ausgangsdruck des Differenzdruckverstärkers angelegt sind. Durch Ändern des Grades der Gegenkopplung bzw. der Mitkopplung lassen sich Verstärkungsfaktoren in weiten Bereichen verändern. Insbesondere ist die Möglichkeit, gegeben, durch Gegenkopplung des Ausgangsdruckes A- über den Druckteiler einen Umkehrverstärker, auch 1 zu — 1 Relais genannt, zu verwirklichen.

Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der in den F i g. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine erfindungsgemäße Verstärkeranordnung in der allgemein verwendbaren Ausführung,
F i g. 2 die Verstärkeranordnung als Trennverstärker, F i g. 3 gibt für einen Arbeitspunkt die Kennlinien, die mit der Anordnung zu erzeugen sind.

Es sei darauf hingewiesen, deS mit ν die Verstärkung der Anordnung bezeichnet ist, deren Wert einstellbar ist und mit V die Verstärkung des Differenzdruckverstärkers bezeichnet ist, deren Größe als gegeben anzusehen

ίο ist

F i g. 1 zeigt einen Differenzdruckverstärker 1, der innerhalb der Anordnung mit den Druckteilern das wesentliche Bauteil darstellt Der Differenzdruckverstärker 1 ist mit den als Membranen 2 und 3 ausgebildeten elastischen Wänden versehen, die auf den Vergleicher 4 bzw. Steuerteil des Verstärkers einwirken. Auf dem Membranteller 5 der Membrane 3 stützt sich die Feder 6 ab, deren Vorspannung mit der Schraube 7 über den Federteller 8 einstellbar ist Der Vergleicher 4 bzw. Steuerteil ist an den Zuluftdruck p_z angeschlossen. Er weist zwei Ausgangsdruckkanäle auf, denen die Ausgangsdrücke A⁺ und A- entnommen werden. Der Eingangsdruckraum E⁺ des Differenzdruckverstärkers wird vom Signaldruck S\ beaufschlagt, der Eingangsdruckraum E~ vom Signaldruck &. Es gilt die Zuordnung, daß mit steigendem Druck S\ in E⁺ der Ausgangsdruck A⁺ steigt und der Ausgangsdruck A-fällt Das Umgekehrte gilt für einen steigenden Druck Sj im E~ Druckraum des Verstärkers.

Der Signaldruck Si wird einem Druckteiler 9, 10 mit den Drosselwiderständen 9 und 10 entnommen, wobei beispielsweise ein Drosselwiderstand als Kapillare und der andere als Nadelventil ausgebildet ist Diese Drosselwiderstände werden vorteilhaft im Gehäuse des Differenzdruckverstärkers 1 untergebracht, wodurch eine raumsparende Ausführung möglich ist. An den Drosselwiderstand 9 ist das Eingangsdrucksignal E der Anordnung angelegt, dem das Ausgangsdrucksignal A ⁺ oder A- zugeordnet ist. An den Drosselwiderstand 10 ist das Ausgangssignal A - angelegt, das als Gegenkopplung wirkt. Ein weiterer Druckteiler 11, 12 mit den Widerständen U und 12 wird vom Ausgangsdrucksignal A⁺ gespeist Diesem Druckteiler 11, 12 wird das Steuersignal & entnommen, das dem E- Eingangsdruckraum des Verstärkers zugeleitet ist und die Membrane 3 beaufschlagt. An den Widerstand 12 dieses Druckteilers 11,12 ist der Druck pe angelegt

Je nach Anwendung der Anordnung sind für den Gegendruck Pg verschiedene Werte vorgesehen. So ist im Falle des Trennverstärkers pe gleich dem Atmosphärendruck. In einem anderen Fall ist pe gleich dem Ausgangsdruck A- der Anordnung. Weiterhin kann pe auch als zweites Eingangssignal der Anordnung benutzt werden und zur Verstellung bzw. Steuerung des Arbeitspunktes der Anordnung dienen.

Die Wirkungsweise der vollständigen Anordnung nach F i g. 1 wird anhand einiger Anwendungsfälle erläutert. So zeigt Fig.2 eine Ausführungsform der Erfindung, die besonders geeignet ist, den Verstärkungsfaktor zwischen den Werten 1 und der Verstärkung V des Differenzdruckverstärkers einzustellen. Der Eingangsdruck E der Anordnung wird dem E⁺ Eingangsdruckraum unmittelbar zugeleitet Der E- Eingangsdruckraum wird von dem Steuerdruck Si beaufschlagt, der dem Gegenkopplungsdruckteiler, bestehend aus den drosselnden Widerständen 11 und 12 entnommen ist. Der Ausgangsdruck A⁺ des Differenzdruckverstärkers ist der Ausgangsdruck der Anordnung. Im E-

Eingangsdruckraum ist die als Druckfeder ausgebildete Feder 6 angeordnet, die zur Einstellung des Arbeitspunktes der Anordnung dient. Der drosselnde Widerstand 11 des Gegenkopplungsdruckteilers ist an den

1-U

Ausgangsdruck A⁺ und der Widerstand 12 an den Gegendruck pa angelegt. Die Zuordnung zwischen den Drucksignalen -4+ und flautet

Pi,

Es bedeuten

V die Verstärkung des Differenzdruckverstärkers 1, λ das Verhältnis der Widerstände 11, 12 des

Gegenkopplungsdruckteilers, Yo der Arbeitspunkt des Differenzdruckverstärkers 1

und F die Federkraft der Feder 6.

Der Zusammenhang wird gewonnen aus der Verstärkungsgleichung

A" = V[E-S₁±F]+ Yo und der Druckteiler-Gleichung 1

S₂ =

1+Λ

[A⁺ + λ_Ρα]

Die Rechnung geht von der Annahme aus, daß der Durchfluß durch einen der drosselnden Widerstände 11 oder 12 proportional ist der am Widerstand anliegenden Druckdifferenz Δρ.

Die Ausführung eines Trennverstärkers mit A⁺ = E ergibt sich bei dieser Anordnung für

λ =

Gehäusebohrung verschiebbar angeordnet sind. In Höhe der Berührungsstellen dieser Kugeln mündet der Zuluftkanal 14 in die Bohrung, der an den Zuluftdruck pz angeschlossen ist. im Abstand des halben Kugeldurch-

i^r> messers vom Zuluftkanal 14 ist der Ausgangskanal IS angeordnet, dem der Ausgangsdruck A⁺ entnommen wird.

Die Verstärkeranordnung nach der F i g. 2 kann auch als Trennverstärker arbeiten, wenn der drosselnde

2(i Widerstand 12 geschlossen wird. Mit Hilfe des drosselnden Widerstandes 11 wird dann dem Eingangsdruckraum E- ein Druck zugeleitet, der so bemessen wird, daß er geringfügig kleiner ist als der Ausgangsdruck A⁺. Die Abweichung richtet sich nach der Verstärkung Vdes Verstärkers, die begrenzt ist (V* oo). Wenn diese Verstärkung wesentlich größer als 1 ist und der Arbeitspunkt des Verstärkers unter 0,1 liegt kann die Feder 6 vollständig entspannt sein, so daß sie wirkungslos ist. Dieselbe Wirkung kann auch erreicht werden, wenn die wirksame Fläche F3 der Membranen 3 im E- Eingangsdruckraum des Verstärkers kleiner ausgeführt wird als die wirksame Fläche Fi der Membrane 2 im E* Eingangsdruckraum. Eine Überlegung zeigt daß bei einem Flächenverhältnis von

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K-I

12--F-

V-

Pc = l>·

Dies bedeutet daß der Widerstand 12 auf das (V- l)-fache des Widerstandes 11 einzustellen ist Über den Widerstand 12 strömt eine sehr geringe Luftmenge gegen Atmosphäre ab, da die Verstärkung V des Differenzdruckverstärkers nach F i g. 2 Werte zwischen 30 und 60 erreicht

kann

. Yo mit —

► 0

, 1

undp-0 für

die

Wegen V>1

Zuordnung der Drucksigriäie naherungswcisc geschrieben werden

A⁺

50

55

Man erkennt daß zur Einstellung des Arbeitspunktes die Federkraft F und auch das Gegendrucksignal pe verwendet werden kann. Als Steuersignal wirkt pe mit negativer Verstärkung auf den Verlauf des Ausgangsdruckes A ⁺ ein. Das ist der Fall der Umkehrverstärkung. Das Widerstandsverhältnis ist (theoretisch) zwischen O und 00 einstellbar. In der Praxis sind für λ der Bereich 0,05 <λ <50flbBch-

In Fig.2 ist der Differenzdruckverstärker 1 ausgeführt nach dem Gegenstand der Patentanmeldung P19 55 083. Die Membranen 2 und 3 stehen in Wirkverbindung nut zwei Kugeln 13, die in einer auch die Bedingungen für einen Trennverstärker erfüllt (Verstärkung 1) sind. In diesem Fall können die drosselnden Widerstände 11 und 12 geschlossen sein bzw. könnte auf diese Widerstände verachtet werden. Der Ausgangsdruck A⁺ wird dem Eingangsdruck E-unmittelbar zugeleitet Allerdings ist es für die Herstellung nicht vorteilhaft Trenn verstärker dieser Bauart zu fertigen, deren Membranen sich in der Größe ihrer Wirkungsflächen geringfügig unterscheiden müssen. Vielmehr wird vorteilhaft über den variablen Widerstand 11 auch die Korrektur der fertigungsbedingten Abweichungen der wirksamen Flächen vorgenommen.

Eine weitere Betriebsweise der Verstärkeranordnung soll im folgenden anhand der F i g. 1 erläutert werden, durch die eine Einstellung von Verstärkungsfaktoren möglich ist die größer sind als die Verstärkung Vdes verwendeten Differenzdruckverstärkers. Dabei soll der Drosselwiderstand 10 geschlossen sein. Erreicht werden kann diese Verstärkung dann, indem der Ausgangsdruck A~ den Gegendruck pe bildet wie dies durch die gestrichelte linie in Fi g. 1 dargestellt ist Dies wirkt als Mitkopplung, die aber so vorgenommen sein kann, daß die Gegenkopplung über den drosselnden Widerstand 11 überwiegt Für die Verstärkung der Anordnung ergibt sich mit den bereits angeführten Annahmen

A* =

ι+λ

Verstärkungsfaktoren zwischen 0 und +1 lassen sich erzeugen, wenn zwei Gegenkopplungszweige vorgesehen sind:

Der Ausgangsdruck A⁺ wird unmittelbar auf den Eingang E- des Verstärkers geführt und der A--Ausgang an den Drosselwiderstand 10 des Gegenkopplungsdruckteilers, an dessen Drosselwiderstand 9 der Eingangsdruck E der Anordnung angelegt ist. Die gestrichelt dargestellte Verbindung zwischen dem Ausgangsdruck A- und dem externen Druck p_G ist dabei unterbrochen.

Man kann die Verstärkeranordnung dann, wenn der drosselnde Widerstand 11 und der drosselnde Widerstand 12 geschlossen sind, in einem Sonderfall als Umkehrverstärker, auch 1 zu -1 Relais genannt, betreiben. Im E⁺ Eingangsdruckraum wirkt der Steuerdruck Si, der zwischen den Widerständen 9 und 10 entnommen wird. Da der Λ--Ausgang des Verstärkers an den Widerstand 10 und der Eingangsdruck E der Anordnung an den Widerstand 9 angelegt ist, wirkt dieser Druckteiler als Gegenkopplungsdruckteiler. Im E- Druckraum ist die Feder 6 angeordnet, die wiederum zur Einstellung des Arbeitspunktes dient. Bei dieser Ausführung herrscht im E- Druckraum der Atmosphärendruck Po. Als Ausgangsdruck der Anordnung dient der Λ--Ausgangsdruck des Verstärkers. Mit den bereits angeführten Annahmen und Bezeichnungen ergibt sich für die Zuordnung der Drucksignale

γ(\+λ)

E +

1 +/1(1 + V)

[V F+Yo]

λ =

V- 1
V+l

beträgt der Verstärkungsfaktor der Anordnung -1. Der Arbeitspunkt ist mit der Federkraft F auf den geforderten Wert A- =0,6 für £=0,6 einstellbar. Die Ausführungsform des Umkehrverstärkers in der beschriebenen Weise geht von einem Differenzdruckverstärker 1 aus, bei dem der Ausgangsdruckkanal, dem der Druck A- entnommen wird, im Abstand des Kugeldurchmessers vom Ausgangskanal 15 der Fig.2 angeordnet ist.

F i g. 3 zeigt einige Kennlinien der Verstärkeranordnung für einen Arbeitspunkt. Die Gerade A⁺ = E entspricht der anhand der Fig.2 beschriebenen Wirkung eines Trennverstärkers und die Gerade A- = — E+1,2 ist die Kennlinie, wenn die Anordnung als Umkehrverstärker, wie anhand der F i g. 1 beschrieben, arbeitet. Die Betriebsweise, bei der im Sonderfall der Umkehrverstärker, wie ebenfalls anhand der F i g. 1 erläutert, erhalten wird, ermöglicht es, die (negative) Verstärkung zwischen - V < ν < -1 am Drosselwiderstand 10 einzustellen. Der Bereich -1 < ν < + V ist an den Widerständen 11, 12 des Druckteilers der Ausführung nach F i g. 2 einzustellen.

Es lassen sich somit durch eine erfindungsgemäße Verstärkeranordnung in sehr einfacher Weise sehr unterschiedliche Verstärkungswirkungen erzielen, wobei auch die Arbeitspunkte in einfacher Weise variabel einstellbar sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Pneumatische Verstärkeranordnung, die einem Eingangsdruck einen oder mehrere Ausgangsdrücke zuordnet, bei der die Verstärkung und der Arbeitspunkt einstellbar sind und bei der ein Differenzdruckverstärker vorgesehen ist, der zwei sich gegensinnig ändernde Ausgangssignale aufweist und der von der Differenz zweier Steuersignale aus gesteuert wird, wobei das zweite Steuersignal einem an den Ausgangsdruck des Differenzdruckverstärkers angeschlossenen Druckteiler entnommen ist und der oder die Ausgangsdrücke des Differenzdruckverstärkers Ausgangssignale der Anordnung sind, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Vergleicher (4) des Differenzdruckverstärkers (1) eine Feder (6) einwirkt, die in einem Eingangsdruckiaum (E-) angeordnet ist und deren Vorspannkraft (Federkraft) einstellbar ist und daß das zweite Steuersignal (Si) einem Druckteiler (11,12) entnommen wird, an den das sich gleichsinnig mit dem Eingangssignal ändernde Ausgangssignal (A⁺) und ein externer Druck (pe) angelegt sind.

2. Pneumatische Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung der Feder (6) von außerhalb des Gehäuses einstellbar ist.

3. Pneumatische Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Steuersignal (S\) einem Druckteiler (9, 10) entnommen ist, an dem das Eingangssignal (E) der Verstärkeranordnung und ein Ausgangsdruck (A⁺ oder A-) des Differenzdruckverstärkers (1) angelegt sind.

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