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Verfahren und Vorrichtung zum Steuern des Strömungsmitteldrucks an
einer Druckausgangsleitung Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Steuern des Strömungsmitteldrucks an einer Druckausgangsleitung in Abhängigkeit
von einem am Eingang anstehenden Druck, und insbesoodere eine Wandlervorrichtung,
die digitale Impulse in Druckwerte umsetzt.
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Wandlereinrichtungen, die digitale Impulse in Druckwerte umsetzen,
wurden in Zusammenhang mit -pneumatischen Relais vorgeschlagen, die eine Steuerleitung
an eine Steuerdruckkammer mit einer flexiblen Wand aufweisen, gegen die der Mitnehmer
eines Schrittmotors direkt einwirkt, um eine Düsenaustrittsöffnung zu öffnen oder
zu schließen. In einer anderen, vorgeschlagenen Anordnung wird das Steuerventil
als solches durch eine mechanische Verbindung mit einer betätigten Vorrichtung,
beispielsweise dem mechanischen Betätigungsglied des Hauptventils, bewegt, um eine
Rückkopplungsverbindung zu schaffen und der als Eingangsgröße wirkenden Auslenkung
von dem Schrittmotor entgegenzuwirken, so daß eine mechanische Verbindung in einer
Rückkopplungsschleife angewendet wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mechanische Verbindung
in einer Rückkopplungsschleife und einen Vergleich der Relativbewegung des Schrittmotors
und einer betätigten Vorrichtung zu vermeiden. Insbesondere soll eine einfache,
kompakte
Drehmoment-Ausgleichseinrichtung angegeben werden, um den
Ausgangsdruck durch einen Schrittmotor einstellen zu können, wobei die Grägheitseffekte
auf ein Minimum herabgesetzt werden und nur eine geringe Bewegung einer Ausgleichsstange
bei der Regelung des Drucks stattfindet.
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Eine spezielle Ausführung der Erfindung kann wie folgt zusammengefaßt
werden. Digitale Signale werden in einen gesteuerten, pneumatischen Druck unter
Verwendung eines Schrittmotors umgesetzt, um die auf eine Ausgleichsstange ausgeübte
Kraft einzustellen, wobei die Stange die Wirkung einer Rückkopplungsdruck einrichtwNg,
beispielsweise eines Balges, ausgleicht, der auf den Ausgangsdruck anspricht. Ein
Umkehr-Druckrelais steuert den Aus5-angsdruck in Abhängigkeit von Änderungen in
dem Druck einer Steuerleitung, die eine Druckentlastungsdüse aufweist, die in der
Nähe der Ausgleichsstange montiert ist, so daß die Düse sich schließt, wenn der
Druck übermäßig groß wird, und sich zur Entlastung des Steuerleitungsdruckes weiter
öffnet, wenn der Ausgangsdruck unter den Druck fällt, auf den der Schrittmotor eingestellt
worden ist. Die Drehlage des digitalen Schrittmotors wird in eine Auslenkung einer
Peder umgesetzt, die an einem Ende einer schwenkbar gelagerten Kraft-Ausgleichs
stange befestigt ist. Die resultierende Bewegung der Ausgleichsstange wird von einer
Düsen-Klappenanordnung abgetastet, in der die Klappe von der Ausgleichs stange gebildet
wird, um den Eingangsdruck an ein pneumatisches Relais zu steuern, dessen Ausgangsdruck
an einen Rückkopplungsbalg angelegt wird, der an der Ausgleichsstange zum Kraft-
oder Drehmomentausgleich befestigt ist. Die Eingangsimpulse an die Wandlereinrichtung
stellen den Schrittmotor so ein, daß der Wandlerausgangsdruck, der linear mit der
Motorstellung zusammenhängt, direkt proportional zu dem digitalen Eingang zu der
Wandlereinrichtung ist. In der bevorzugten Ausführung ändern 200oder mehr Eingangsimpulse
an die Wandlereinrichtung den Ausgangsdruck von 0,21 bis 1,05 kg/cm2. Der Schrittmotor
kann auch in Rückwärtsrichtung angetrieben werden, um den Ausgangsdruck herabzusetzen,
so daß eine kontinuierliche Drucksteuereinrichtung geschaffen wird, die mit digitalen
Eingangssignalen
arbeitet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der bei liegenden
Zeichnungen beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung, das zur Darstellung des.Innenaufbaus zum Teil geschnitten gezeigt
ist; Fig. 1 a und 1 b Teildarstellungen der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung, die
die Verbindungen zu dem Schrittmotor und der Ausgleichsstange respektive zeigen;
Fig. 2 eine Seitenansicht des Ausführungsbeispiels von Fig. 1; Fig. 3 ein schematisches
Diagramm, das die Arbeitsweise der Vorrichtung zeigt und die Vorrichtung teilweise
darstellt, wobei ein in diesem Zusammenhang verwendbares Umkehrdruckrelais im einzelnen
gezeigt ist; Fig. 4 eine teilweise, schematische Darstellung eines abgewandelten
Ausführungsbeispiels, welches verwendet wird, wenn ein direkt wirkendes Druckrelais
verwendet wird.
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Die Vorrichtung ist so ausgeführt, daß sie in jeder Lage, beispielsweise
aufrecht oder umgekehrt, auf einer Seite oder unter einem Winkel, montiert werden
kann. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird die Vorrichtung jedoch in der Weise
beschrieben, daß sie aufrecht stehend auf einer kreisförmigen Grundplatte 11 montiert
ist, auf der ein Bügel mit einem nach oben stehenden Arm 12 befestigt ist, der als
Montageplatte für die arbeitenden Teile der Vorrichtung dient. Bei Anwendungsfällen,
wo die Möglichkeit besteht, daß explosive Gase auftreten, wird eine explosionssichere
Konstruktion verwendet, und ein zylindrisches Gehäuse 13 mit einer geschlossenen
Oberseite und einer Öffnung an der Unterseite ist vorgesehen, die dadurch geschlossen
wird,
daß das Gehäuse auf der Grundplatte 11 montiert wird, in der
die erforderliche Belüftungsöffnung 14 vorgesehen ist (Fig. 1).
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An dem aufrecht stehenden Arm 12 sind ein Schrittmotor 15, ein hohler,
eine Düse tragender Block 16, eine Nulleinstellvorrichtung 17 und eine Rückkopplungsdruckeinheit
in Form eines Balges 18 zusammen mit einer Balgreservoiranordnung 19 befestigt.
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Der Schrittmotor 15 hat eine-drehbare Welle 21, die einen mit einem
Außengewinde versehenen Teil 22 trägt. Es ist ein Mitnehmer 23 mit einem Innengewinde
24 vorgesehen, das zu dem Gewinde des Teils 22 paßt. Um den Mitnehmer 23 gegen eine
Drehung zu sichern, hat er eine längliche Zunge 25, die in einen Schlitz 26 (Fig.
1 a) in einem Arm 27 paßt, der an dem unteren Ende in geeigneter Weise schwenkbar
gelagert ist, was beispielsweise dadurch erfolgen kann, daß er durch einen dünnen
Metallstreifen 28 an einem Zapfen 29 befestigt ist, der seinerseits an dem Arm 12
befestigt ist.
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Eine Ausgleichsstange 31 ist schwenkbar neben dem Balg 18 durch eine
geeignete, reibungsfreie, flexible Schwenkeinrichtung gelagert. Die Schwenkeinrichtung
kann auf einem Zapfen 32 getragen werden, der an einem Ende an dem Montagearm 12
befestigt ist und dünne, flexible Streifen an dem gegenüberliegenden Ende trägt,
die an einem Block 33 befestigt sind, der seinerseits an der Ausgleichsstange 31
befestigt ist. Es sind zwei vertikale Streifen 34 vorgesehen, die einen horizontalen
Streifen 35 umgreifen, wobei jeder Streifen an einem Ende mit dem Zapfen 32 und
an dem anderen Ende mit dem Block 33 verbunden ist.
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Der Balg 18 hat einen hohlen Sockel 36, der mit dem Innern des Balges
18 in Verbindung steht und in einer entsprechenden Öffnung in dem Balgreservoir
19 durch einen O-Ring 37 abgedichtet ist. Der Sockel 36 erstreckt sich durch einen
länglichen Schlitz 38 in dem Montagearm 12 (Fig. 1 b), so daß eine Einstellung der
Lage des Balges 18 in Längsrichtung bezüglich des Montagearmes 12 möglich ist. Zu
diesem Zweck ist der Sockel auf
geeignete Weise an der offenen Wand
des Balgreservoirs 19, beispielsweise durch ein Außengewinde, das in ein Innengewinde
in einem Hals 40 der Reservoirwand paß, befestigt, und einstellbare Befestigungsmittel,
beispielsweise ein Innengewinde 39, sind vorgesehen, die auf ein Außengewinde auf
dem Balgeockel 36 passen. Während des Betriebs ist das Sockelende des Balges 13
in seiner Lage ortsfest.
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Das obere Ende 41 des Balges 18, das in Bezug auf das ortsfeste Ende
bewegbar ist, ist an der Ausgleichsstange 31 durch eine geeignete Einrichtung, beispielsweise
eine Schraube 42, befestigt, die sich durch einen länglichen Schlitz 42 in der Ausgleichsstange
31 (Fig. 2) erstreckt. Das obere Ende 41 des Balges 18 ist daher ebenfalls einstellbar
befestigt, so daß seine Lage in Längsrichtung der Ausgleichsstange 31 eingestellt
werden kann. Die Justier-ng des Balges 18 in Längsrichtung der Ausgleichestange
liefert eine grobe Bereichseinstellung für die Vorrichtung.
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In dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 und 2 ist ein Umkehrdruckventil
vorhanden, das Kammern, Kanäle und andere Teile in einem hohlen Block 44 und der
runden Grundplatte 11 aufweist, wobei der hohle Block 44 gegenüber der Grundplatte,
beispielsweise durch einen Dichtring 45, abgedichtet ist. Das Innere und die Luftleitungsanschlüsse
des Umkehrdruckrelais sind in Fig. 3 gezeigt. Eine Schlauchverbindung 46 ist zwischen
einer Öffnung 47 in der Seite des Balgreservoirs 19 und einer Mündung 48 in der
Grundplatte 11 vorgesehen, die mit einem Durchgang in dem Druckrelais in Verbindung
steht.
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Eine Schlauchverbindung 51 ist auch zwischen der seitlichen Öffnung
in dem hohlen Düsenzapfen 16 und einer Mündung 52 in der Grundplatte 11 vorgesehen,
die mit-einem Durchgang in dem Druckventil in Verbindung steht. Eine Düse 53 ist
einstellbar auf dem oberen Ende des hohlen Düsenzapfens 16 in eine solchen Weise
montiert, daß der Zwischenraum zwischen der Spitze der Düse und der schwenkbar gelagerten
Ausgleichs stange 31 eingestellt
werden kann, so daß die Düse je
nach der Winkellage der Ausgleichsstange 31 geöffnet oder geschlossen werden kann.
Der Abschnitt der Oberfläche der Ausgleichsstange 31 neben der Düsenspitze dient
als Düsenklappe.
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Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel, das zur Verwendung mit einem
Umkehrdruckventil bestimmt ist, ist eine geeignete Einrichtung vorgesehen, um den
Klappenabschnitt der Ausgleichsstange 31 von der Düse weg zu drücken, um der von
dem Balg 18 ausgeübten Kraft entgegenzuwirken, so daß, wenn sich der mit dem Innern
des Balgs 18 in Verbindung stehende Ausgangsdruck erhöht, die Düse zum Schließen
neigt. Die Vorspannungseinrichtung weist zwei Federn auf, von denen eine der Wirkung
des Balges 18 entgegenwirkt und die andere der ersten Feder entgegenwirkt und dadurch
den Nettoeffekt der Federeinrichtung einstellt. Wie in dem Ausführungsbeispiel der
Figuren 1 und 2 gezeigt ist, ist eine Nullabgleichsfeder 54 mit der Ausgleichsstange
31 und dem Montagearm 12 verbunden. Ferner ist eine Schrittmotor-Kupplungsfeder
55 vorgesehen, wobei die Kupplungsfeder schwächer als die Nullabgleichsfeder ist.
Wenn die Nullabgleichsfeder 54 von dem Balg 18 aus gesehen auf der gegenüberliegenden
Seite der Schwenkeinrichtung montiert ist, ist sie eine Druckfeder, die an einem
Ende an der Ausgleichsstange 31 und an dem anderen Ende an einem Block 56 befestigt
ist. Der Block 56 hat eine Öffnung mit Innengewinde, in die ein Zapfen 57 paßt,
der an seinem oberen Ende ein Außengewinde hat und an seinem unteren Ende in einer
Nullabgleichseinrichtung 17 montiert ist, um seine Drehlage einstellen zu können.
Damit diese Einstellung von außerhalb der Vorrichtung aus durchgeführt werden kann,
ohne das Explosionsschutzgehäuse 13 abzunehmen, weist die Nullabgleichseinrichtung
17 einen Kegelradantrieb, der den Zapfen 57 mit einer Nullabgleichsstange 58 koppelt,
die sich durch die Grundplatte 11 erstreckt und an ihrem äußeren Ende einen Schlitz
59 hat, an dem ein Schraubenzieher zur Nulleinstellung angesetzt werden kann. Auf
diese Weise kann die auf die Ausgleichsstange 31 durch die Nullabgleichsfeder 54
ausgeübte Kraft zum Nullabgleich der Vorrichtung eingestellt werden.
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Damit diese Kraft dadurch modifiziert werden kann, daß die Winkellage
der Welle 21 des Schrittmotors 15 und die longitudinale Lage des Mitnehmers 23 geändert
wird, der. als Drucksteuerglied wirkt, ist die Kupplungsfeder 55 eine Zugfeder,
die an einem Ende an der Ausgleichsstange 31 und an dem. anderen Ende an dem freien
Ende des schwenkbaren Armes 27 befestigt ist, gegen den der Mitnehmer 23 wirkt.
Eine Gewindeverbindung 61 ist zwischen einem Ende der Kupplungsfeder 55 und dem
Teil vorgesehen, an dem sie befestigt ist, das heißt der Ausgleichsstange 31, um
eine Feinbereichseinstellung der Vorrichtung zu ermöglichen. Um eine zusätzliche
Starrheit bei Wahrung des leichten Gewichtes zu erreichen, sind die Teile 12, 27
und 31 vorzugsweise kanalförmig ausgebildet und haben Flansche 62., 63 bzw. 64.
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Die Druckrelais- oder Verstärkeranschlüsse und die Durchgänge in dem
Block 44 und in der Grundplatte 11 sind schematisch in Fig. 3 dargestellt, die die
arbeitenden- Teile eines pneumatischen Umkehrverstärkers der in der US-PS 3 683
968 beschriebenen Art zeigt. Solch ein Verstärker hat eine Eingangsleitung 65 für
Druckluft unter dem Eingangs- oder Speisedruck, eine Ausgangsleitung 66 für Luft
unter Ausgangsdruck, eine Rückkopplungs-Druckleitung, die durch den Schlauch 46
dargestellt ist, und eine Eingangsleitung 67, die Luft unter einem reduzierten Druck
von einer Zweigleitung 69 der Speisedruckleitung 65 über eine Drossel 68 aufnimmt.
Die Drossel 68 ist vorzugsweise abnehmbar befestigt. Sie kann die Form eines durchbohrten
Edelsteins an dem Ende eines länglichen Zapfens 71 haben, der sich durch die Grundplatte
11 erstreckt und einen Schlitz 72 an dem äußeren Ende hat, so daß die Drossel von
der Außenseite der Vorrichtung her abgenommen werden kann. Dadurch kann sie ohne
Zerlegen des pneumatischen Relais oder des Verstärkers periodisch gereinigt werden.
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Die Anordnung des in Fig. 3 gezeigten, pneumatischen Verstärkers ist
so getroffen, daß der Klappenabschnitt der Ausgleichsstange 31 sich der Düse 53
nähert, wenn der Ausgangsdruck in den Leitungen 46 und 66 steigt, wobei eine teilweise
Drosselung stattfindet,
um diesen Druck zu reduzieren.
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Die Strömungsrate durch die Düse 53 wird durch die relative Lage der
Klappe, die durch die angrenzende Oberfläche der Ausgleichsstange 31 gebildet wird,
und der Düse 53 bestimmt. Diese Position wird durch das Verhältnis zwischen den
Drehmoment, das von dem Balg 13, der eine Druckrückkopplungseinrichtung bildet,
auf die Stange 31 ausgeübt wird, und dem Gegendrehmoment bestimmt, das sich aus
der gemeinsamen Wirkung der Druckfeder 54 und der Zugfeder 55 ergibt. Die Wirkung
der letzteren Feder wird durch das Drucksteuerglied oder den Mitnehmer 23 bestimmt,
der von dem Schrittmotor 15 betätigt wird.
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Unter Norlwalbedingungen ist eine geringe Luftströmung durch die Düse
53 vorhanden, und die Ausgleichsstange 31 bleibt im Gleichgewicht, bis der Schrittmotor
15 in der einen oder anderen Richtung bewegt wird, ufa die gesTunschte Einstellung
des Ausgangsdrucke zu ändern. Wenn der Druck in er Ausgangedruckleitung 66 größer
als der Druck sein sollte, auf den die Vorrichtung eingestellt ist, übt der Druck,
der durch den Schlauch 46 an das Druckreservoir 19 und den Balg 18 zurückgeführt
wird, eine Kraft auf die Ausgleichsstange 31 aus, die versucht, die Düse 53 zu schließen,
wodurch der Druck in der Eingangsleitung 67 erhöht wird, um den Relaisausgangsdruck
an den Balg zu reduzieren, bis die Drehmornente an der Ausgleichsstange 31 ausbalanciert
sind.
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Wenn der Ausgangsdruck in der Leitung 66 unter dem Druck liegen soll,
auf den die Vorrichtung eingestellt ist, bewegt sich die Ausgleichsstange 31 in
der entgegengesetzten Richtung, so daß die Düse 53 geöffnet wird, wodurch der Relaiseingangsdruck
vermindert und der Ausgangsdruck erhöht wird, bis die Ausgleichsstange 31 in einer
Drehmoment-Gleichgewichtslage ist.
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Bei einer typischen Ausführung beträgt der Druck etwa 0,21 kg/cm2
in der Düsenleitung 51, wenn der Speisedruck in der Leitung 65 etwa 1,41 kg/cm2
beträgt. Der Mitnehmer 23 des Schrittmotors ist dann zwischen Positionen einstellbar,
um einen Ausgangsdruck in der Leitung 66 bei Werten aufrechtzuerhalten, die zwischen
0,21
und 1,05 kg/cm2 liegen.
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Wenn Schwankungen in der Last, an die die Ausgangsdruckleitung 66
angeschlossen ist, oder in dem Speisedruck in der Leitung 65 zu einer Schwingung
der Ausgleichastange 31 führen sollten, kann eine geeignete Dämpfung vorgesehen
werden. Beispielsweise kann eine Drossel 84 in dem hohlen Sockel 36 des Balges 18
vorgesehen sein. Es kann auch eine Dämpfungsvorrichtung 85 vorgesehen sein, die
einen mit der Ausgleichsstange 31 verbundenen Kolben 86 aufweist, der in einer Buchse
87 läuft, die in ihrer.
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Lage gegenüber dem Montagearm 12 fest angeordnet ist. Die Buchse 87
ist mit einem geeigneten Strömungsmittel, beispielsweise Öl 88, gefüllt, damit die
Dämpfungsvorrichtung 85 in jeder Lage der Vorrichtung in gleicher Weise arbeiten
kann, ohne daß die Gefahr einer Strömungsmittelleckage besteht, ist die Buchse 87
vorzugsweise durch eine dünne, flexible Wand 89 verschlossen, die an ihrem Umfang
91 an der Buchse 87 und in der Mitte an einer Stange 92 abgedichtet ist, die den
Kolben u6 mit der Ausgleichsstange 31 verbindet.
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Es wurde eine Digital-Druck-Wandlereinrichtung beschrieben, in der
der gewünschte Steuerdruck über Fernbedienung durch digitale Signale an den Schrittmotor
15 eingestellt werden kann. Es ist jedoch zu beachten, daß die neuartige Drehmomentausgleichseinrichtung
nicht auf die Verwendung von Digital-Druck-\tiandlereinrichtungen beschränkt ist
und auch in anderen Einrichtungen verwendet werden kann, bei denen ein Steuerg.lied,
wie der Mitnehmer 23, dazu dient, den gewünschten Ausgangsiruc;s einzustellen, oder
wenn die Einstellung der Kraft eines eine Kraft ausübenden Gliedes, beispielsweise
der Feder 55, dazu dient, den gewiinschten Ausgangsdruck einzustellen.
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Obwohl die klordnv3ng der Teile zur Verwendung mit einem IJlkellrdruckrelais
beschrieben wurde, und obwohl die Arbeitsweise des Umkehrrelais in Zusammenhang
mit der erfindungscfvemaßen Vorrichtung beschrieben wurde, ist es ferner zu beachten,
daß die Erfindung nicht auf die Verwendung mit einem Umkehrrelais beschränkt
ist.
Direkt wirkende Druckrelais können ebenso verwendet werden, wenn man den Ort der
Düse 53 gegenüber dem Punkt in geeigneter Weise wcihlt, an dem durch den Rückkopplungs-Druckbalg
13 ein Drehmoment aufgebracht wird, so daß die Düse 53 bei einem ansteigenden R-ückkopplungsclruck
geöffnet statt geschlossen wird. In der Anordnung gemäß den Figuren 1, 2 und 3 liegen
der Balg 18 und die Düse 53 auf derselben Seite der Ausgleichsstange 31, jedoch
auf gegenüberliegenden Seiten des die Schwenkverbindung tragenden Zapfens 32. Wenn
ein direkt wirkendes Druckrelais verwendet wird, wird die Anordnung gemäß den Figuren
1, 2 und 3 so abgewandelt, daß die Düse 53 und der Balg 18 auf gegenüberliegenden
Seiten der Ausgleichsstange 31 oder auf derselben Seite wie in den Figuren 1, 2
und 3, jedoch an solchen Stellen liegen, daß die Düse 53 und der Balg 18 sich auf
derselben Seite des Zapfens 32 befinden. Solch eine Anordnung ist in Fig. 4 gezeigt.
Die Düse 53 ist danach so angeordnet, daß sie mit dem Ende 93 der Ausgleichsstange
31 jenseits der Stelle zusammenwirkt, an der der Balg 18 liegt.
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In der Anordnung nach Fig. 4 bewirkt ein steigender, an den Balg 18
zurückgeführter Druck, daß das Ende 93 der Ausgleichsstange 31 von der Düse 53 gegen
die Ausgleichskraft der Druckfeder 54 weg bewegt wird, so daß der Druck in der Steuerleitung
57, an die die Düse 53 angeschlossen ist, herabgesetzt wird, weil mehr Luft aus
der Steuerleitung ausfließt. Da in diesem Fall der pneumatische Verstärker ein direkt
wirkender Verstärker ist, wird durch Herabsetzung des Steuerleitungsdrucks auch
der Ausgangsdruck herabgesetzt, und die Ausgleichsstange 31 wird in einen Drehmoment-Gleichgewichtszustand
zurückgeführt, bei dem der gewünschte Ausgangsdruck aufrechterhalten wird.