DE2102197A1

DE2102197A1 - Drucksteuereinrichtung

Info

Publication number: DE2102197A1
Application number: DE19712102197
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-03-06
Filing date: 1971-01-18
Publication date: 1971-09-23
Also published as: DE2102197C3; US3598138A; DE2102197B2; GB1303540A; FR2075816A5

Description

Benjamin H. Hadley ^

Claremont, Calif. / IJSA

Drucksteuereinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Steuerung des Drucks in einer Abgabeleitung auf einen bestimmten Wert. Die Steuereinrichtung arbeitet mit hoher Genauigkeit und Stabilität und stabilisiert sich schnell auf jeden neuen Abgabedruck.

Es stehen heute sehr genaue Manometer zur Verfügung, die die Messung von Druckdifferenzen mit einer Genauigkeit von 0,00125 mm Quecksilbersäule im Bereich von 0^M Hga bis 250" Hga erlauben. Daa Manometer dient zur Einstellung des gewünschten Ausgangs- oder Abgabedrucks der Drucksteuereinrichtung. Die erfindungsgemäase Druckateuerein-

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richtung ist in Genauigkeit und Stabilität an die nun verfügbaren, sehr genauen Manometer angepasst. Stellt man das Manometer auf einen neuen Wert ein, so stabilisiert sich das Instrument auf dem neuen Wert äusserst schnell. Durch die Erfindung wird eine Drucksteuereinrichtung mit neuen Steuerventilen geschaffen, die eine schnelle Veränderung des Abgabedrucks erlaubt, sich auf einem neu eingestellten Druckwert ebenso schnell wie das Manometer stabilisiert und in bestimmten Fällen die Manometereinstellzeit noch beschleunigt.

Es befinden sich bereits die verschiedensten Drucksteuereinrichtungen in der Anwendung, wobei sich besonders der übliche Membrandruckregler besonders gut für die verschiedensten Zwecke eignet. Allerdings besitzen die üblichen Instrumente nicht die Genauigkeit, Stabilität und Ansprechgeschwindigkeit, wie sie für die nun greifbaren Manometer zu wünschen ist. Überdies neigen die Steuerventile der üblichen Instrumente zu Schwierigkeiten durch Klemmen und Haftreibung, wodurch Genauigkeit und Empfindlichkeit dee ganzen Instruments begrenzt werden.

Die erfindungsgemässe Drucksteuereinrichtung umfasst deshalb zwei Steuerventile mit Drosselstellen zur Steuerung der Fluidströ'mung und mit einem nichtmagnetischen Ventilsitz, ein schwebendes, magnetisches Döckehen, einen magnetisch betätigten Döckchenantrieb, eine Verbindung einer Niecferdruckquelle als Eingang mit dem einen Steuerventil und eine Verbindung einer Hochdruckquelle als Eingang zum anderen Steuerventil, eine Verbindung der beiden Ventilausgänge mit der Abgabeleitung und eine Betätigungseinrichtung, der das Manometerfehlersignal eingangssei tig zugeführt wird, zur simultanen Betätigung der Döckchenantriebe, wobei die Ventile und Betätigungen so eingestellt sind, dass im Nullzustand beide Ventile teilweise geöffnet sind. In einer weiteren Ausgestaltung

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sind an jedem Steuerventil Druckregler vorgesehen, die an jedem Ventil einen praktisch, konstanten Druckabfall bewirken.

Zur Erläuterung weiterer Einzelheiten und Vorteile der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen. Darin zeigt:

Fig. 1 ein kombiniertes mechanisch-pneumatisch-elektrisches Schema zur Erläuterung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, ·

Fig. 2 eine Darstellung der Drucksteuerventile nach Fig. 1,

Fig. 3 eine elektrisches Schaltschema des Systems nach Fig. in detaillierterer Darstellung und

Fig. 4 eine grafische Darstellung einer bevorzugten Verstärkungscharakteristik des Systems.

In Fig. 1 erkennt man ein Quecksilbermanometer mit einem festen Behälter 10 und einem beweglichen Behälter 11, verbunden durch eine Quecksilberleitung 12, die durch eine Quecksilberkammer 13 eines Druckfühlers 14 führt. Im Behälter 14 befindet sich über dem Quecksilber eine Kondensatorplatte 15. Ebenso ist eine Kondensatorplatte 16 in Behälter 11 angeordnet. In der oberen Kammer 18 des Fühlers befindet sich eine Kondensatorplatte 17» während die andere Kondensatorplatte 19 an einer Membran 20 bzw. einem beweglichen Wandteil angebracht ist, das die Quecksilberkammer und die Druckkammer 18 trennt. Eine Bezugsvakuumquglle vorzugsweise eine Hochvakuumpumpe, steht mit dem Baum über dem Quecksilberspiegel im Behälter 11 über eine Leitung in Verbindung. Eine Abgabeleitung 26 führt zum Baum über dem Quecksilber im Behälter 10 und zur Druckkammer 18 des Fühlers 14. Der Behälter 11 wird von einer vertikalen Welle 27 getragen und ist über eine Spindel 28 gegenüber de» Behälter 10 vertikal verschiebbar. In der QuecksiIberleitung

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zwischen dem festen Behälter 10 und dem Fühler 14 befindet sich ein Ein- Aus-Ventil 29. Die Kondensatorplatte 19 des Fühlers 14 ist mit Masse verbunden und die Platte 17 steht mit dem Grobmess-System 32 in Verbindung. Ein reränderlicher Kondensator 33 liegt entsprechend zwischen Kasse und dem G-robmess-System 32, beispieleweise einer üblichen Brückenschaltung, die auf der Leitung 34 ein Ausgangssignal liefert, das sich in Abhängigkeit von der Stellung der Kondenaatorplatte 19 im Fühler 14 ändert. Die Kondensatorplatten 15 und 16 der Behälter 10 und 11 sind mit dem Feinmessystem 35 verbunden, wobei die Quecksilberspiegel mit Masse in Verbindung stehen und als Gegenplatte jedes Kondensators wirken. Das Feinmessystem 35 kann ebenfalls eine normale Brtiokenschaltung sein, die auf der Leitung 36 ein Ausgangssignal liefert, das sich in Abhängigkeit von der Differenz des Abstandes zwischen Platte und Quecksilberspiegel in den Behältern 10, 11, verändert.

Typisch für die Arbeitsweise ist der Antrieb der Spindel 28 durch einen Motor oder eine andere Einrichtung, üb dadurch den Behälter 11 in die Höhe zur Erzeugung des gewünschten Druckes zu bringen. Während-sich die Spindel dreht, ist der Fehler la System gross und das Signal auf der Leitung ebenfalls. Das Ventil 29 kann entweder aanuell aufgrund der Anzeige des Grobmessgerätes 37 oder automatisch geschlossen werden, wie in den ÜS-Patentsehriften 5 225 599 und 3 296 867 dargelegt. Beia Rückgang des Fehlersignals unter einen vorgegebenen Wert wird das System von Grobauf Feinmessbetrieb umgeschaltet, das Ventil 29 wird geöffnet und ein Kontaktsatz 38 schaltet von Grob- auf Feinbetrieb ua. Umschalten und Drehen erfolgen gemäes den genannten US-Patentschriften.

Das Systea nach Fig. 1 liefert einen Druok in der Abgabeleitung 26 zum Ausgleich dee Drucke, der Vom vertikalen

Abstand der beiden Behälter 10 und 11 herrührt. Bei einem Bezugsdruck Null in der leitung 25 und einer Vertikalverachiebung der Behälter um 250 mm (10 Zoll) beträgt der Druck in der Leitung 26 250 mm Quecksilbersäule. Erreicht wird dies dadurch, dass in der Leitung 39 von der Eingangsdruckquelle ein höherer als der gewünachte Druck und in der Leitung 39^f von der Steuervakuumquelle ein niedrigerer Druck ala der gewünschte Druck geliefert wird. Die Leitungen 39 und 39' bilden die Eingänge für die Drucksteuerventil 40, die von den Verstärkern 41, 42 und 43 betätigt werden und den gewünschten Druck in der Abgabeleitung 26 erzeugen. Ein Ein-Aus-Ventil 44 erlaubt die Abschaltung der Steuerventile von der Abgabeleitung im Bedarfsfall.

Im dargeatellten Auaführungabeiapiel werden die Steuerventile über elektrische Spulen betätigt, wozu der Verstärker 43 die Energie liefert. Der Veratärker 41 ist ein kapazitiv gekoppelter Veratärker mit einem Eingangakondensator 45 zur Lieferung eines Führungs- oder Vorhaltsignales. Der Verstärker 42 ist ein direkt gekoppelter Verstärker. Die Verstärkung jedes Verstärkers 41 » 42 kann durch eine automatische Verstärkungseinstellung 46 gesteuert werden, mit der Abgabeleitung 26 als Bezugseingang. Im Grobmessbetrieb wird das Signal in der Leitung 34 als Eingang auf die beiden Verstärker 41 und 42 gegeben. Im Feinmessbetrieb ist daa Signal der Leitung 34 als Eingang mit dem Verstärker 41 und das Signal der Leitung 36 als Eingang mit dem Verstärker 42 verbunden.

Die Drucksteuerventile 40 sind in Pig. 2 detailliert dargestellt und umfassen ein Steuerventil 50, ein ebensolches Steuerventil 51, einen Regler 52 und einen weiteren Regler ^Die Regler 52 und 53 können bekannte Druckregler sein und etwa mit Membranen, Kräfteausgleich usw. arbeiten. Der Regler liegt zwischen der Leitung 39' und dem Ein gang dee Ventile

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Der Regler 53 ist ebenso zwischen die Leitung 39 und den Eingang des Ventils 51 gelegt. Die Abgabeleitung 26 ist als Bezugsdruck an jedem Segler 52, 53 angeschlossen, so dass jeder Regler den Druckabfall am zugeordneten Ventil 50, 51 praktisch konstant hält und dadurch bei gegebener Ventilöffnung eine konstantere Massenströmung bewirkt.

Im Regler 52 wird eine Kugel 101 von einer Membran 102 beweglich gegenüber einem Sitz 103 getragen. Eine Feder 104 drückt die Membran nach oben, während der Differenzdruck an der Membran nach unten wirkt. Im Regler 53 wird eine Kugel 105 durch eine Feder 107 nach unten gegen ihren Sitz 106 gedrückt und durch eine Membran 108 und eine Feder 109 nach oben.

Die Ventile 50 und 51 können konstruktiv gleich sein. Ein Döckehen 55 befindet sich in einer öffnung oder einem Sitz 56 und gleitet oder schwebt im Ventilkörpereinsatz 110. Der Einsatz 110 ist in das obere Ventilgehäuse 111 geschraubt und ermöglicht die Einstellung des Sitzes 56. Ein Döckchenantrieb 112 wird von zwei federnden Platten 113» 114 getragen, die eine Bewegung des Antriebs 112 gegenüber dem Sitz 56 gestatten. Der Antrieb 112 trägt eine Spule 58, die sich in einer ringförmigen öffnung eines vom unteren Ventilgehäuse 59 und einem Magneten 57 gebildeten Magnetkerns befindet. Die Spule wird über die Leitungen 61, 62 vom Antriebsverstärker 43 gespeist und bewegt den Antrieb 112 gegen die Wirkung der Trägplatten 113 und 114 vom Sitz 56 nach unten weg.

Der Einsatz 110 besteht aus nichtmagnetischem bzw. nichtmagne ti si erbarem Material, wie etwa Messing oder nichtmagnetisierbarem Chromkarbid, während daa Söckchen 55 aus magnetisierbarer! Material, etwa Eisen, besteht. Ein Schraubbolzen 117 im Antrieb 112 ist magnetisch, etwa durch Aue führung als Permanentmagnet oder durch Ausführung zusanen Mit dem Antrieb 112

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aus magnetischem Material, vom Magnet 57 magnetisiert. Das Döckchen leitet im Einsatz 110 und wird am Kopf 118 des Bolzens 117 magnetisch gehalten. Dadurch bewegt sich das Döckchen mit dem Antrieb 112. Es besteht keine magnetische Anziehung am Ventilsitz 56, wie auch praktisch keine Reibung zwischen Döckchen und Einsatz vorhanden ist. Die magnetische Halterung des Döckchens am Antrieb ist wesentlich für die klemmfreie Führung dee Ventils.

Bei einem positiven Ausgang des Verstärkers 43 wird das Döckchen im einen Ventil gegen den Ventilsitz und gleichzeitig im anderen Ventil vom Ventilsitz wegbewegt, wodurch sich der Druck in der Abgabeleitung 26 ändert. Eine negative Signaländerung erzeugt den entgegengesetzten Effekt. Verstärker und Ventile sind so eingestellt, dass im statischen oder Nullzustand, mit dem gewünschten Druck in der Abgabeleitung 26, die beiden Ventile teilweise offen sind. Diese Anordnung ergibt eine sehr geringe Ansprechschwelle, eine ausgezeichnete, proportionale Steuerfähigkeit im Nullbereich und eine maximale Nachführgeschwindigkeit für alle Zustandsverhältnisse.

Pig. 2a zeigt eine alternative Konstruktion des Döckchens, wobei der obere Teil 120 aus unmagnetischem Material besteht und ein Ring 121 aus magnetischem Material am unteren Ende des Döckchenschachtes angebracht ist.

Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Aueführungsform der elektrischen Schaltung. Der Vorhaltverstärker 41 enthält einen Verstärker 65 mit einer Rückkopplungsschaltung 66 einschliesslich einem Kondensator und mehreren, zum Trimmen erforderlichen Binstellwiderst an den. Vier Kontaktsätze 38·, 36", 38« " und 38" ·^r werden vom Grob- Fein-TJaachaltrelais geschaltet. Der Vorhaltverstärker 41 arbeitet sowohl im Grob- als auch im

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und der Kontaktsatz 38^III! dient zur Veränderung der Widerstände in der Rückkopplungsectialtung 66. Der Kontaktsatz 38* schaltet den Widerstand 67 in den Rückkopplungskreis. Der Widerstand 67 bildet ein Teil der automatischen Verstärkungseinstellung und wird noch detailliert beschrieben.

Der Gleichstromverstärker 42 umfasst einen Verstärker 70 und eine Rückkopplungsschaltung 71 mit einem Kondensator und parallel geschalteten Widerständen. Im Grobmessbetrieb liegt ein Integrierenden sator 72 über den Kontakt 38' ' in der Rückkopplungsschaltung 71. Der Kontaktsatz 38' " verbindet selektiv das Grobmessignal der Leitung 34- und das Feinmessignal der Leitung 36 mit den entsprechenden Eingängen. Die Eingangsschaltung kann konventionell ausgeführt sein und sollte vor allem einen konstanten Eingangswiderstand aufweisen.

Die Ausgänge der Verstärker 65 und 70 sind über Kopplungswiderstände 80 und 81 zusammengeschlossen und liefern den Eingang zum Antriebsverstärker 43» der die Ventilspulen 58 speist.

Eine bevorzugte Aueführungefora der automatischen Verstärkungssteuerung 46 enthält eine geschlossene Kammer 84» mit der Abgabeleitung 26 verbunden. Ein Balg 85 betätigt den beweglichen Arm eines Potentiometers 86 und variiert das Eingangssignal für einen Verstärker 87 in Abhängigkeit vom Druck in der Leitung 26. Der Verstärker 87 speist Glühbirnen 88, 9o, die die lichtempfindlichen Widerstände 67, 91 in den Rückkopplungsschaltungen 66, 71 beleuchten. Bei der bevorzugten Ausführungsform nach der Zeichnung arbeitet die Schaltung so, dass die Verstärkung der Verstärker 41, 42 in einer ereten Zone konstant ist, in einer zweiten Zone logarithmisch ansteigt und in einer dritten Zone wieder auf höherem Wert konstant ist. Einen typischen Druckverlauf in Abhängigkeit von der Verstärkung

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zeigt Fig. 4. Diese Zuordnung lässt sich durch die Schaltung nach Fig. 3 erzielen« indem man das Potentiometer 95 so einstellt, dass es den gewünschten Verlauf bewirkt und indem die veränderlichen Widerstände 96» 97 so reguliert werden, dass das Eingangssignal für den Verstärker 37 bei Drücken unterhalb P₁ kein ausreichend helles Licht der Lampen 88, ergibt, so dass die Widerstandswerte der Widerstände 67, 91 konstant bleiben. Am Eingang des Verstärkers 87 liegt eine Begrenzungsdiode 98, die das maximale Signal beschränkt, so dass Drücke über Pp den Ausgang des Verstärkers 87 und damit auch die Leistung der Lampen 88, 90 nicht mehr erhöhen. Im Druckbereich zwischen P₁ und P2 variiert die Lampenleistung mit dem Druck, wobei sich der Widerstandswert der lichtempfindlichen Widerstände mit dem Ausgang des Verstärkers 87 logarithmisch ändert, infolge der Charakteristik der Lampen 88, 90, so dass man die gewünschte logarithmische Zuordnung von Druck und Veisbärkung erhält.

Die variable Verstärkung der Verstärker ist deshalb von Vorteil, da die Drucksteuereinriehtung in einem weiten, pneumatischen Verstärkungsbereich arbeiten muss. Am unteren Druck, ende des Arbeitsbereiches neigt die Luftströmung dazu, den Gesetzen der molekularen Strömung zu folgen, während am oberen Ende des Druckbereiehes die Luftströmung zur Pluidströmung hin tendiert. Bei einem ausgeführten Instrument, das nach der Kurve gemäss ?ig. 4 arbeitet, wurde P₁ zu 0,5^H Hga und P₂ zu 25" Hga gewählt.

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Claims

Patentansprüche

Drucketeuereinrichtung zur Anwendung bei einem Manometer mit Vorrichtung zur Erzeugung eines Fehlersignals, das sich in Abhängigkeit von der Differenz zwischen einem Bezugsdruck und dem Druck in einer Abgabeleitung ändert, gekennzeichnet durch zwei Steuerventile (Absperrorgane) mit Drosselstellen zur Steuerung der Fluidströmung, wobei jede Drosselstelle einen Ventilsitz aus unmagnetischem Material aufweist, durch ein im Ventil angeordnetes und zum öffnen des Ventils von seinem Sitz abhebbares Döckchen, das mindestens teilweise aus magnetischem oder magnetisierbarem Material besteht, durch einen im Ventil in der Nghe des Döckchens vorhandenen und dessen Bewegung gegenüber diesem und dem Ventilsitz dienenden Antrieb, der das Döckchen magnetisch anzieht, durch eine Verbindung des einen Steuerventils mit einer Niederdruckquelle und des anderen Steuerventils mit einer Hochdruckquelle als Eingang, durch eine Verbindung der Steuerventilausgänge mit der Abgabeleitung und durch eine Ventilbetätigung, der das Fehlersignal eingangeseitig zur Betätigung der Döckchenantriebe zugeführt wird, zur simultanen Erhöhung des Durchflusses durch das eine Ventil und zur Verringerung des Durchflüsse durch das andere Ventil, wenn sich das Fehlereignal ändert, wobei Ventile und Betätigung so eingestellt sind, dass bei der Differenz Null beide Ventile teilweise geöffnet sind.
2. Druekateuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Steuerventil eine in einem Magnetfeld angeordnete elektrische Spule aufweist, die mit

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dem Döckchenantrieb fest verbunden ist, und dass eine flexible Aufhängung fli· den Döckchenan trieb zur Bewegung gegenüber Döckchen und Ventilsitz vorhanden ist.
3. Drucksteuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen ersten Fluiddruckregler zwischen der Niederdruckquelle und dem Eingang des ersten Steuerventils, durch einen zweiten Pluiddruckregler zwischen der Hoehdruckquelle und dem Eingang des zweiten Steuerventils und durch die Verbindung der Abgabeleitung als Zugdruck mit jedem Regler.
4. Drucksteuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilbetätigung einen Verstärker zur Verstärkung des Fehlersignales und eine Vorrichtung zur Veränderung der Verstärkung des Verstärkers in Abhängigkeit des Drucks in der Abgabeleitung umfasst.
5. Drucksteuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung des Verstärkere in einer ersten, unteren Druckzone annähernd konstant ist, in einer zweiten, mittleren Druckzone annähernd logarithmisch ansteigt und in einer dritten, höheren Druckzone auf eines höheren Wert annähernd konstant ist.
6. Drucksteuereinrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass die höhere Verstärkung der dritten Zone etwa das zehntausendfache der Verstärkung in der ersten Zone beträgt.

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7. Drucksteuereinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei untereinander angeordnete Quecksilberbehälter, durch eine mit dem oberen Behälter über dem Quecksilber verbundene Bezugsdruckquelle, durch eine mit dem unteren Behälter über dem Quecksilber verbundene Abgabeleitung, durch einen Druckfühler mit einer· Quecksilberkammer, die mit den Behältern in Verbindung steht, durch eine Druckkammer, die mit der Abgabeleitung und einer beweglichen Wand zwischen den Kammern verbunden ist, durch eine Vorrichtung zur Erzeugung eines ersten Signales, das sich in Abhängigkeit von der Unausgeglichenheit der beiden Behälter verändert und durch eine Vorrichtung zur Erzeugung eines zweiten Signales, das sich in Abhängigkeit von Bewegungen der beweglichen Wand verändert.
8. Drucksteuereinrichtung naeh Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Steuerventil eine in einem Magnetfeld angeordnete elektrische Spule aufweist, die am Döckchenantrieb befestigt ist, und dass eine flexible Aufhängung für den Döckchenantrieb diesen gegen das Döckchen und den Ventilsitz drückt.
9. Drucksteuereinriehtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilbetätigung einen ersten, direkt gekoppelten Verstärker und einen zweiten, kapazitiv gekoppelten Verstärker aufweist, dass die Verstärkerausgänge zur parallelen Betätigung der Spulen der Drosselstellen zusammengefasst sind und dass das erste Signal als Eingang auf den ersten Verstärker und das zweite Signal als Eingang auf den zweiten Verstärker schaltbar ist.
10. Drucksteuereinriehtung nach Anspruch 9» gekennzeichnet durch ein Ein- Aus-Ventil zwischen dem unteren Behälter und der Quecksilberkamaer, das in seiner Aus-Stellung

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den Queeksilberfluss zwischen diesen sperrt, und durch eine Schalteinrichtung zur Verbindung des zweiten Signales als Eingang mit jedem Verstärker, wenn sieh das dritte Ventil in der Aus-Stellung befindet und zur Verbindung des ersten Signales mit dem Eingang des ersten Verstärkers und des zweiten Signales mit dem Eingang des zweiten Verstärkers, wenn sich das dritte Ventil in der Ein-Stellung befindet.
11. Drucksteuereinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, gekennzeichnet durch einen ersten Fluiddruckregler, zwischen der Niederdruekouelle und dem Eingang des ersten Steuerventils, durch einen zweiten Jluiddruckregler zwischen der Hochdruckquelle und dem Eingang des zweiten Steuerventils und durch eine Vorrichtung zur Verbindung der Abgabeleitung als Bezugsdruck mit jedem Hegler, zur Erzeugung eines annähernd konstanten !Druckabfalles am ersten und am zweiten Steuerventil.
12. Druoksteuereinrichtung nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Veränderung der Verstärkung jedes Verstärkers in Abhängigkeit vom Druck in der Ausgangsleitung.

13* DruckstaBreinriohtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung in einer ersten, unteren Druckzone annähernd konstant ist, in einer zweiten, dazwischenliegenden Druekzone annähernd logarithmisch ansteigt und in einer höheren, dritten Druekzone auf eine» höheren Wert annähernd konstant ist.

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