DE2348308A1 - Elektrofluidischer wandler - Google Patents

Description

Messerschmitt-Bölkow-Blohra Ottobrunn, 8.09.1973

Gesellschaft mit 7591

beschränkter Haftung BS61 Cz/gö München

Elektrofluidischer Wandler

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrofluidischen Wandler mit einem druckmittelbetriebenen bistabilen Fluidelement, das einen in 'eine Wechselwirkungskanuner mündenden Versorgungseingang für das Druckmittel, zwei stromabwärts unter einem spitzen Winkel aus der Wechselwirkungskanuner führende Ausgänge sowie zwei Steuereingänge aufweist, in denen der Steuerdruck mit Hilfe eines mit den elektrischen Eingangssignalen beaufschlagten Magnetsystems zur Umlenkung

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des Druckmittels aus dem einen in den jeweiligen anderen Ausgang beeinflußbar ist.

Derartige elektrofluidische Wandler werden beispielsweise in Regel- oder Steuerschaltungen verwendet, bei denen die Eingangsgröße ein elektrisches Signal, hingegen die Stellgröße ein Fluidsignal ist. So ist aus der DT-OS 1 817 651 ein elektrofluidischer Wandler der beschriebenen Art bekannt, der in Haushaltsgeräten, z.B. in Wasch- oder Geschirrspülmaschinen als Wasserweiche verwendet werden kann. Die Steuerleitungen des bistabilen, als Wandstrahlelement ausgebildeten Fluidelementes werden wechselseitig durch eine elektromagnetisch verstellbare Zunge verschlossen. In dem gerade verschlossenen Steuereingang ist der Druck durch die Saugwirkung des durch das bistabile Wandstrahlelement strömenden Druckmittels geringer als in dem offenen, so daß durch die Differenz der Steuerdrücke das Druckmittel in den dem verschlossenen Steuereingang zugeordneten Ausgang umgelenkt wird.

Nun ist ein Umschaltvorgang, der durch die Saugwirkung des bistabilen Fluidelementes bewirkt wird, generell langsamer als einer, der durch einen sich in den Steuereingängen rasch fortbewegenden Druck- bzw. Leistungsimpuls ausgelöst wird. Die Grenzfreguenz dieses elektrofluidischen Wandlers ist daher verhältnismäßig niedrig und wird ferner auch durch die Trägheit und die Federkonstante der Federzunge sowie durch die verhältnismäßig großen Luftspalte zwischen Federzunge und Magnetsystem begrenzt.

Die Grenzfrequenz einer Regel- oder Steuerschaltung mit einem elektrofluidischen Wandler ist jedoch durch dessen Grenzfrequenz festgelegt, auch wenn diejenige des elek-

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trischen Teiles der gesamten hybriden Steuer- oder Regelschaltung ohne große Schwierigkeiten sehr ho^h gewählc werden kann. Um die Güte der gesamten Hybridschaltung nicht unnötig zu verschlechtern, muß angestrebt werden, die Grenzfrequenz des elektrofluidischen Wandlers so hoch wie möglich festzusetzen« Gleichzeitig sollte der elektro— fluidische Wandler so ausgebildet sein, daß mit verhältnismäßig geringen elektrischen Eingangssignalen gearbeitet werden kann.

Hier setzt nun die Erfindung ein, deren Aufgabe es ist, den Steuermechanismus eines elektrofluidischen Wandlers der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß der Verstärkungsfaktor des Wandlers und die Grenzfrequenz sehr hoch wird.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das bistabile Fluidelement des Wandlers ein Fluidoszilla— tor ist, bei dem von jedem Ausgang eine Rückkopplungslei— tung zu dem entsprechenden Steuereingang abzweigt, und daß die beiden Rückkopplungsleitungen durch ein von dem Magnetsystem betätigtes Ventil jeweils absperrbar bzw. freizugeben sind.

Vorzugsweise sind dabei die Ventile als Sitzventile ausgebildet, deren Sitzkörper Anker für das jeweilige Magnetsystem sind, wobei die Öffnungsrichtung des Sitzkörpers mit der Flußrichtung des Druckmittels durch die jeweilige Rückkopplungsleitung zusammenfällt.

Bei einem elektrofluidischen Signalumformer gemäß der Erfindung wird das Umschalten wie bei einem rückgekoppelten Fluidoszillator durch einen leistungsstarken Druckimpuls

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ausgelöst, der sich in den Rückkopplungsleitungen mit Schallgeschwindigkeit fortpflanzt. Die Frequenz derartiger Fluidoszillatoren liegt bei entsprechender Dimensionierung der Rückkopplungsleitungen bei etwa tausend Hertz,

Das Schalten des elektrofluidischen Wandlers geschieht dadurch, daß die Schwingung des Fluidoszillators durch Absperren einer Rückkopplungsleitung unterbrochen wird. Umgeschaltet wird dadurch, daß die gerade verschlossene Rückkopplungsleitung durch den Magnetanker des Sitzventiles freigegeben wird und die bisher offene gesperrt wird. Der Umschaltvorgang des Ventiles wird durch das durch die Rückkopplungsleitung strömende Druckmittel erheblich unterstützt und zwar bei entsprechender Dimensionierung des Fluidelementes und bei entsprechendem Versorgungsdruck derart, daß die Trägheit des Ventiles nur gering in die Frequenz des elektrofluidischen Wandlers eingeht. Aus diesen Gründen können auch Schaltzeiten von einer Millisekunde mit einem elektrofluidischen Signalumformer gemäß der Erfindung erreicht werden.

Die erwähnte Unterstützung des Umschaltvorganges durch das Druckmittel selbst bringt es auch mit sich, daß von dem Magnetsystem lediglich die Haltekräfte für den Magnetanker des Ventiles in der Schließstellung aufzubringen sind, die bei kleinen und hier ohne weiteres zu erzielenden Luftspalten nur sehr gering sind.

Der Verstärkungsfaktor des elektrofluidischen Signalumformers ist aus den aufgezeigten Gründen sehr hoch, so daß die elektrischen Eingangssignale in vielen Fällen direkt, d.h. ohne Vorverstärkung an die Magnetsysteme gelegt werden können.

⁴VgI.MULTRUS,Pneumatische Logikelemente ~⁵~

und Steuerungs-Systeme, Krausskopf-Verlag GmbH,Mainz, 1970 Seite 198.

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Eine Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der elektrofluidische Wandler einen Steuerblock mit zwei Kammern aufweist, die untereinander durch einen geraden Kanal verbunden sind, in dem seinerseits ein gegenüber der Kanalwand abgedichteter und als Anker für das Magnetsystem ausgebildeter Schließkörper verschiebbar gelagert ist, und daß ferner in jede Kammer ein Steuereingang sowie eine Rückkopplungsleitung führt, die in der Verschiebungsrichtung des Ankers in die Kammer mündet und an ihrer Mündung von dem Anker verschließbar ist.

Bei dieser Ausführungsform ist der Anker Schließkörper für beide Rückkopplungsleitungen. Beim Umschalten des Magnetsystems wird der Anker mittels Magnetkraft von seinem bisherigen Sitz abgehoben und in Richtung zu seinem zweiten die weitere Rückkopplung verschließenden Sitz beschleunigt. Dieser Vorgang wird gleichzeitig durch das in die Kammer strömende Druckmittel unterstützt. Bei dieser Ausführungsform muß Vorsorge getroffen werden, daß der Anker innerhalb der Umschaltzeit für das Fluidelement bereits die andere Rückkopplungsleitung verschließt, um zu verhindern, daß das bistabile Fluidelement bereits umschaltet, wenn sich der Anker nur wenig von dem die Rückkopplungsleitung verschließenden Sitz gehoben hat. Dieses kann dadurch erreicht werden, daß mit den Rückkopplung^— leitungen jeweils eine Kapazität verbunden ist, so daß die Strömung in den Rückkopplungsleitungen eine längere Zeit auf den Anker wirkt.

Die technische Konstruktion dieses elektrofluidischen Signalumformers, bei der beispielsweise die Abdichtung des Ankers in dem die beiden Kammern verbindenden Kanal so aus-

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geführt sein muß, daß der Anker gleichwohl annähernd reibungslos bewegt werden kann, ist weiter dadurch zu vereinfachen, daß für jede Rückkopplungsleitung ein eigenes Ventil vorgesehen wird. Dies geschieht bevorzugt dadurch, daß der Anker als Sitzkörper eines Sitzventils direkt in der Rückkopplungsleitung angeordnet ist und in seiner Schließstellung durch das Magnetsystem und eine Feder gehalten ist.

Die Erfindung ist in zwei Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen stellen dar:

Figur 1 eine Aufsicht auf einen elektrofluidischen Wandler gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Figur 2 eine Aufsicht auf einen elektrofluidischen Wandler gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Figur 3 einen Schnitt durch ein in einer Rückkopplungs— leitung des in Figur 2 dargestellten Wandlers angeordnetes Ventil.

Ein elektrofluidischer Wandler gemäß der Figur 1 ist in einer Platte 1, beispielsweise aus durchsichtigem Kunststoff angebracht, die ihrerseits aus drei Teilplatten lol, Io2 und Io3 besteht. Die Platte lol dient dabei als Grundplatte; in der Platte Io2 sind die einzelnen weiter unten zu beschreibenden Kanäle für den Wandler eingeschnitten; die Platte Io3 dient als Deckplatte.

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Im einzelnen besteht der elektrofluidische Wandler aus einem bistabilen Wandstrahlelement W, das einen in eine Wechselwirkungskammer WK mündenden Verso*tvagseingang E, zwei Ausgänge A. und Ap sowie zwei Steuerexngänge S^ und S₂ aufweist.

Der Steuermechanismus für den Wandler ist in einem Teil der Platte 1 angeordnet und hier mit Steuerblock I bezeichnet. Der Steuerblock weist zwei Kammern K. und K„ auf, die durch einen Kanal 2 miteinander verbunden sind. In diesem Kanal ist, gegen die Kanalwand abgedichtet, ein Magnetanker 3' verschiebbar gelagert, der durch zwei Magnetsysteme M. und Mp bewegbar ist. Den Magnetsystemen werden die elektrischen Eingangssignale einer elektrischen Schaltung 4 über Leitungen zugeführt, die durch Muffen 5 und aus der Grundplatte herausgeführt sind. Die Magnetsysteme M_-1 und Mp können dabei wechselseitig von der elektrischen Schaltung 4 über einen Schalter 7 erregt werden, so daß der Anker 3 in der Zeichnung gesehen nach links bzw. rechts verschoben wird.

In die Kammern K. und Kp münden in Verschiebungsrichtung des Ankers 3 zwei Rückkopplungsleitungen R^ bzw. Rp, die von den Ausgängen A^ bzw. Ap des Wandstrahlelementes W abgezweigt sind. Die Mündungen der Rückkopplungsleitungen R₁ und Rp können in den Kammern K. bzw. Kp durch den Anker 3 verschlossen werden. Der Anker wirkt demnach als Schaltkörper eines Sitzventils.

Die Funktionsweise des elektrofluidischen Wandlers ohne Betätigung der Magnetsysteme M. und Mp ist folgende: Wird das bistabile Wandstrahlelement W durch den Versorgungseingang E mit Druckmittel versorgt, so wird sich der aus der Wechselwirkungskammer WK strömende Druckmittel-

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strahl, bedingt durch den Coandaeffekt, beispielsweise an die Außenwand des Ausganges A. anlegen und durch diesen das Wandstrahlelement verlassen. Ein Teil dieses Druckmittelstrahles wird in die Rückkopplungsleitung R^ abgezweigt, so daß sich in diese^ein Druckimpuls mit Schallgeschwindigkeit ausbreitet, der den Anker .3 in der Zeichnung gesehen nach links drückt. Zum einen wird damit die Mündung der Rückkopplungsleitung R₂ verschlossen und des weiteren, da nun der Druckimpuls in die Steuerleitung S. läuft, der Druckmittelstrahl in den Ausgang A„ des Wandstrahlele— mentes umgelenkt. Hier wird wiederum ein Teil dieses Druckmittelstrahls in die Rückkopplungsleitung Rp geführt, so daß durch den entstehenden Druckimpuls der Anker 3 in der Zeichnung gesehen nach rechts verschoben, die Mündung der Rückkopplungsleitung R. verschlossen und der Druckmittelstrahl zurück in den Ausgang A, gelenkt wird. Die beschriebene Anordnung wirkt wie ein Pluidoszillator. Wird jedoch jetzt das Magnetsystem M^ erregt, so wird der Anker 3 in der die RückkopplungsleitungRl verschließenden Stellung festgehalten. Das Druckmittel im Wandstrahlelement tritt aus dem Ausgang A. aus. Sobald durch Umschalten des Schalters 7 das Magnetsystem M,. entregt und das Magnetsystem Mp erregt wird, hebt sich der Anker 3 von der Mündung der Rückkopplungsleitung R₁ ab. Damit wirken auf den Anker 3 die Magnetkräfte des MagnetsystemsM2 und gleichzeitig der in der Rückkopplungsleitung R^ herrschende statische Druck, der nun auf die volle Fläche des Ankers 3 wirkt. Der Umschaltvorgang des Ankers 3 wird hierdurch merklich unterstützt..

Nach dem Abheben des Ankers 3 von der Mündung der Rückkopplungsleitung wird, wie vorhin erwähnt, der Druckmittel-

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strahl aus dem Ausgang A^ in den Ausgang A_? umgelenkt.

Wird in einem erneuten Schaltvorgang das Magnetsystem M₂ entregt und das Magnetsystem M erregt, so läuft der geschilderte Umschaltvorgang in umgekehrter Richtung ab.

Der Schaltvorgang kann noch durch folgendes optimiert werden:

Wie bereits oben erwähnt', schaltet das bistabile Fluidele— ment bereits um, wenn sich der Anker 3 nur geringfügig von seinem Sitz gehoben hat. Um nun zu verhindern, daß das Wandstrahlelement W erneut umschaltet, bevor der Anker 3 die andere Rückkopplungsleitung verschlossen hat, sind die Rück— kopplungsleitungen jeweils mit Kapazitäten C^ bzw. C₂ versehen, so daß die Unterstützung des Umschaltvorganges durch das auf den Anker wirkende Druckmittel längere Zeit aufrecht erhalten wird.

Strömt das Druckmittel aus dem Versorgungseingang in die Wechselwirkungskammer mit hoher Geschwindigkeit ein, so würde durch die sich dabei ausbildenden Unterdruckgebiete zu beiden Seiten des Druckmittelstrahles zumindest ein Teil des in den Steuerleitungen S^ und S„ befindlichen Druckmittels abgesaugt und damit die Totzeit des Wandstrahlelementes durch diesen Effekt erhöht. Um dieses zu verhindern, werden die beiden Steuerleitungen S. und S₂ über Stichleitungen 9, die jeweils ein Rückschlagventil Io enthalten, z.B. mit der Atmosphäre oder mit einem Druckmitteltank verbunden.

Das in den Figuren 2 und 3 gezeigte weitere Ausführungsbei— spiel unterscheidet sich im wesentlichen von dem in Fig. 1 gezeigten dadurch, daß nunmehr in jeder Rückkopplungsleitung

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R bzw. R_ ein elektromagnetisch betätigbares Sitzventil V angeordnet ist. Durch eine hier nicht gezeigte elektrische Schaltung wird sichergestellt, daß die elektrischen Eingangssignale wechselweise die Sitzventile schließen.

Das Sitzventil ist rotationssymmetrisch und, vgl. die Figur 3, aus mehreren rotationssymmetrischen Einzelteilen aufgebaut. Ein Tragkörper 11 aus isolierendem Material, z.B. aus gespritztem Kunststoff, trägt zwischen zwei Stegen die Magnetspule M und dient gleichzeitig als Aufsteckmuffe für 'eine der Steuerleitungen S. Gegenüber der Steuerleitung S ist in diesen Tragkörper 11 eine' ebenfalls mit einem Steg versehene Muffe 12 aus Magnetmaterial eingeschoben und verklebt. Mit dem Schenkel der Muffe 12 ist eine im Querschnitt L-förmige Haube 13 ebenfalls aus Magnetmaterial verbunden, so daß der magnetische Kreis durch die Muffe 12 mit ihrem Steg sowie die Haube 13 gebildet ist. Auf die Muffe 12 ist eine der RückkopplungsleitungenR geschoben. In diesem so gebildeten Ventilgehäuse ist ein als Magnetanker 14 ausgebildeter Kolben mittels einer in einer Führungsmuffe 15 lose geführten Kolbenstange 16 gelagert. Zwischen Anker 14 und Führungsmuffe 15 ist ferner eine Druckfeder 17 vorgesehen, die den Anker 14 auf den oberen als Sitzfläche ausgebildeten Rand der Muffe 12 drückt und somit die Verbindung zwischen der Rückkopplungsleitung und der Steuerleitung S absperrt.

Die Fläche des Ankers 14 nimmt nicht den gesamten Querschnitt des Tragkörpers 11 einj ebenso ist die Führungsmuffe 15 mit Durchbrüchen 18 versehen, so daß bei abgehobenem Anker 14 das Druckmittel von der Rückkopplungsleitung R in die Steuerleitung S fließen kann.

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Sind die Magnetsysteme der so ausgebildeten Rückschlagventile in dem elektrofluidisehen Wandler nicht erregt, so arbeitet der Wandler, wie bereits beim ersten Ausfüh— rungsbeispiel beschrieben, wie ein Fluidoszillator. Strömt somit beispielsweise das Druckmittel aus dem Versorgungseingang E durch den Ausgang A., so wird ein Teil dieses Druckmittels in die Rückkopplungsleitung R. geleitet. Der dabei auftretende Druckimpuls hebt den Anker 14 entgegen der Kraft der Feder 17 von seinem Sitz ab und läuft in den Steuereingang S₁, wodurch der Druckmittelstrahl aus dem Ausgang A. in den Ausgang Ap umgeleitet wird. Sobald das bistabile Fluidelement W umgeschaltet hat, wird der Anker 14 durch die Feder 17 wiederum auf seinen Sitz gedrückt.

Strömt das Druckmittel nach dem Umschalten des Fluidelementes W durch den Ausgang Ap, so wird wiederum ein Teil in die Rückkopplungsleitung R₂ geleitet, wodurch das Sitzventil 11 in der Rückkopplungsleitung 12 geöffnet wird, und das Fluidelement wiederum umschaltet.

Sobald nun eine der Magnetspulen M erregt wird, wird der Anker 14 auf seinem Sitz an der Muffe 12 gehalten und damit die jeweilige Rückkopplungsleitung R verschlossen. Das Druckmittel strömt jetzt durch den Ausgang, der der verschlossenen Rückkopplungsleitung zugeordnet ist. Sobald das Magnetsystem M entregt wird, wirkt der volle statische Druck der Rückkopplungsleitung auf den Anker 14, so daß dieser von seinem Sitz abgehoben wird und ein Teil des Druckmittels in die Steuerleitung S₁ strömt. Wie erwähnt schaltet das Fluidelement W um. Wenn das Magnetsystem des in der Rückkopplungsleitung R₂ liegenden Sitzventiles 11 erregt und damit die Rückkopplungsleitung R₂ verschlossen

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ist, findet ein erneuter Umschaltvorgang erst dann statt, wenn dieses Magnetsystem entregt wird und der danach durch die Steuerleitung Sp laufende Druckimpuls auf den Druckmittelstrahl in der Wechselwirkungskammer trifft.

Das hier geschilderte Ausführungsbeispiel eines elektrofluidmechanischen Wandlers ist konstruktiv besonders einfach, da bis auf eine genaue Passung des Sitzes des Ankers 14 auf der Muffe 12 keine konstruktiven Probleme auftreten. Ferner können die Rückkopplungsleitungen und die Steuerleitungen S^ als Schläuche ausgebildet sein, die auf je eine Seite des Sitzventiles gesteckt werden. Der so aufgebaute elektrofluidische Wandler wird vorteilhaft in Kunststoff eingegossen.

Patentansprüche -13-

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Claims (6)

1. Messerschmitt-Bölkow-Blohm Ottobrunn, 08.09.1973

   Gesellschaft mit 7591

   beschränkter Haftung BS61 Cz/gö München

   Patentansprüche

   Elektrofluidischer Wandler mit einem druckmittelbetriebenen bistabilen Pluidelement, das einen in eine Wechselwirkungskammer mündenden Versorgungseingang für das Druckmittel, zwei stromabwärts unter einem spitzen Winkel aus der Wechselwirkungskammer führende Ausgänge sowie zwei Steuereingänge aufweist, in denen der Steuerdruck mit Hilfe eines mit den elektrischen Eingangssignalen beaufschlagten Magnetsystems zur Umlenkung des Druckmittels aus dem einen in den jeweiligen anderen Ausgang beeinflußbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das bistabile Fluidelement als ein Fluidoszillator ausgebildet ist, bei dem von jedem Ausgang (Α., A„) eine Rückkopplungsleitung (R^, R₂) zu dem entsprechenden Steuereingang (S^jS₂) abzweigt, und daß die beiden Rückkopplungsleitungen (R^₁R₂) durch ein von dem Magnetsystem (M₁,M₂) betätigtes Ventil (K_ltK₂, ^K3» ^v) jeweils absperrbar bzw. freizugeben sind.
2. 2. Elektrofluidischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile (K_lfKp, K₃; v) als Sitzventile ausgebildet sind, deren Sitzkörper Magnetanker (3$14) für das jeweilige Magnetsystem (Μ.,Μ,,) sind, und daß die Öffnungsrichtung des Sitzkörpers (3jl4) mit der Flußriehtung des Druckmittels durch die Rückkopplungsleitungen (R₁^R₂) zusammenfällt.

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3. 3. Elektrofluidischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Steuerblock (I) mit zwei Kammern (K.,K₂) aufweist, die untereinander durch einen geraden Kanal (2 ) verbunden sind, in dem seinerseits ein gegenüber der Kanalwand.abgedichteter und als Magnetanker (3) für das Magnetsystem (M.,M₂) ausgebildeter Schließkörper verschiebbar gelagert ist, und daß ferner in jede Kammer (K ,Kp) ein Steuereingang (S.,Sp) sowie eine Rückkopplungsleitung (R.,R~) führt, die in der Verschiebungsrichtung des Ankers (3) in die Kammer (K.,Kp) mündet und an ihrer Mündung von dem Anker (3) verschließbar ist.
4. 4. Elektrofluidischer Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Rückkopplungs— leitungen (R.,Rp) jeweils mit einer fluidischen Kapazität (C ,Cp) verbunden sind.
5. 5. Elektrofluidischer Wandler nach A spruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Magnetanker (14) als Sitzkörper eines Sitzventiles (V) direkt in der Rückkopplungsleitung (R..,Rp) angeordnet ist und in seiner Schließstellung durch das Magnetsystem (M.,Mp) und eine Feder (17) gehalten ist.
6. 6. Elektrofluidischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Steuereingänge (S.,Sp) des bistabilen Fluidel ententes (W)über Stichleitungen (9) mit einer Druckquelle verbunden sind.

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