DE2641101A1

DE2641101A1 - Einrichtung zum regeln des ph-wertes oder eines vergleichbaren wertes einer loesung

Info

Publication number: DE2641101A1
Application number: DE19762641101
Authority: DE
Inventors: Viktor Dulger; Franz Ernst
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-09-13
Filing date: 1976-09-13
Publication date: 1978-03-16
Also published as: NL168636B; NL7613748A; FR2364506B1; FR2364506A1; GB1537652A; DE2641101C3; JPS5334671A; JPS5847045B2; US4066092A; NL168636C; DE2641101B2; CH614540A5

Description

Einrichtung zum Regeln des pH-Wertes oder eines vergleichbaren

Wertes einer Lösung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Regeln des pH-Wertes oder eines vergleichbaren Wertes einer Lösung, mit einem Istwertgeber, einem Sollwertgeber, einem durch die Geber beaufschlagten Regler und einem von diesem beaufschlagten Stellglied, das der Lösung ein die Regelgröße beeinflussendes Zusatzmittel zuführt.

Es sind pH-Wert-Regeleinrichtungen zur Neutralisierung des Abwassers bekannt, bei denen in das Abwasser getauchte pH-Wert-Meßelektroden einen elektrischen Regler beaufschlagen, der ein Stellglied in Form eines Rotations-Elektromotors mit einem durch diesen einstellbaren Regelventil in der Zuleitung der Neutralisationslösung zum Abwasser-Kanal steuert. Eine solche Einrichtung ist aufwendig, verhältnismäßig träge und ungenau.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die bei einfacherem Aufbau eine schnellere und genauere Ausregelung von Regelabweichungen ermöglicht.

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Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Stellglied eine durch die Impulse eines Impulsgenerators antreibbare Dosierpumpe für das Zusatzmittel aufweist und die Impulsfolgefrequenz logarithmisch von der Regelabweichung abhängig ist.

Eine durch Impulse angetriebene Dosierpumpe ist in der Lage, mit jedem Impuls einen Hub auszuführen und der Lösung eine gewünschte Menge an Zusatzmittel sehr schnell zuzusetzen. Sie erspart eine getrennte Druckquelle für das Zusatzmittel, da sie selbst dessen Beschleunigung bewirkt, wobei die Beschleunigung entsprechend hoch gewählt werden kann. Ein Rotations-Stellmotor entfällt. Stattdessen, kpopit man mit

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einem einfachen Impulsgenerator aus. Die/logarithmische Abhängigkeit der Impulsfolgefrequenz des Impulsgenerators von der Regelabweichung ermöglicht eine genaue Dosierung und Ausregelung von Regelabweichungen entsprechend der logarithmischen Abhängigkeit des pH-Wertes oder einer vergleichbaren Regelgröße von der Konzentration des zugesetzten Mittels in der Lösung. Hierbei folgt auch die Dosierpumpe den Frequenzänderungen sehr schnell, so daß letztlich eine schnelle und genaue Ausregelung von Regelabweichungen sichergestellt ist.

Vorzugsweise ist dafür gesorgt, daß der Impulsgenerator einen spannungsgesteuerten Oszillator und der Regler einen die Steuerspannung des Oszillators bildenden, von Soll- und Istwertspannungen beaufschlagten Differenzverstärker aufweist. Ein spannungsgesteuerter Oszillator läßt sich mit sehr einfachen Mitteln ausbilden und Differenzverstärker sind - da sie in großen Stückzahlen in der Industrie benötigt werden - preiswert erhältliche Bauteile mit einem für Regelzwecke günstigen, hohen Verstärkungsfaktor und vielseitigen Anpassungsmöglichkeiten. Der Differenzverstärker kann unmittelbar die Steuerspannung für den Oszillator liefern, erforderlichenfalls noch unter Zwischenschaltung eines einfachen Impedanzwandlers in Form eines gegengekoppelten Differenzverstärkers. Sowohl der Soll-Istwert- Vergleich als auch die in Abhängigkeit davon erfolgende

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Neueinstellung der Frequenz des Oszillators kann im Vergleich zur Verteilungsgeschwindigkeit des Zusatzmittels in der Lösung praktisch verzögerungsfrei erfolgen.

Ein besonders einfacher Aufbau ergibt sich, wenn der Oszillator ein Unijunction-Transistor-Oszillator ist. Dieser benötigt im einfachsten Falle nur einen Transistor, einen Kondensator und zwei Widerstände.

Sodann ist es günstig, wenn die Oszillatorimpulse dem Steueranschluß eines aus einer WechselSpannungsquelle gespeisten Thyristors über ein Zeitglied zuführbar sind, im Arbeitskreis des Thyristors ein Betätigungs-Elektromagnet für eine Hubmembran der Dosierpumpe liegt, und die Frequenz der von der Wechselspannungsquelle abgegebenen Wechselspannung höher als die der Oszillatorimpulse ist. Auf diese Weise erhält man mit ebenfalls nur wenigen Bauelementen sehr leistungsstarke Impulse zur Betätigung der Dosierpumpe, die in Verbindung mit der trägheitsarmen Hubmembran ein sehr schnelles Ansprechen der Dosierpumpe und eine entsprechend hohe Beschleunigung des Zusatzmittels ermöglichen.

Bei dem Thyristor kann es sich um eine Zweirichtungs-Thyristortriode handeln, und der Betätigungs-Elektromagnet kann im Gleichstromkreis eines wechselstromseitig in Reihe mit dem Thyristor an der Wechselspannungsquelle angeschlossenen Brückengleichrichters liegen. Der Betätigungs-Elektromagnet erhält auf diese Weise während jedes Impulses des Impulsgenerators eine lückenlose Folge gleichgerichteter Erregungsimpulse, deren Folgefrequenz doppelt so hoch wie die der Wechselspannung ist, so daß auch bei Verwendung der Netzwechselspannung zur Speisung des Thyristors eine sehr viel höhere Frequenz der mit jedem Generatorimpuls erzeugten Erregungsimpulse sichergestellt ist als es der normalen Netzspannungsfrequenz entspricht. Entsprechend hoch kann auch die Maximalfrequenz der Impulse des Impulsgenerators und damit der Dosierpumpe gewählt werden. Dies steigert mit geringen Mitteln die Regel-

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empfindlichkeit.

Vorzugsweise sind die Verbindungen der Geber mit dem Regler mittels eines Schalters vertauschbar. Dies gestattet bei Durchlaufen des Neutralpunktes der Lösung durch einfaches Umschalten dieser Verbindungen wieder eine Steigerung der Impulsfolgefrequenz, um die Konzentration des Zusatzmittels über den Neutralpunkt hinaus zu erhöhen.

Ferner ist es günstig, wenn jeder Regelabweichung, die größer als ein vorbestimmter Grenzwert ist, der wesentlich kleiner als der Einstellbereich der Regelgröße ist, die Maximalfrequenz des Impulsgenerators zugeordnet ist. Bei dieser Ausbildung der Regeleinrichtung wird eine Regelabweichung, die größer als der vorbestimmte Grenzwert ist, bis zum Erreichen dieses Grenzwertes mit der Maximalfrequenz der Dosierpumpe bis zum Erreichen dieses Grenzwertes verringert und erst dann mit allmählich abnehmender Pumpenfrequenz weiter bis auf Null verringert. Auf diese Weise läßt sich einerseits ein Überschwingen der Regelgröße über den Sollwert hinaus vermeiden und andererseits dennoch eine hohe Regelgeschwindigkeit sicherstellen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einer schematischen Zeichnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, bei dem es sich um eine pH-Wert-Regeleinrichtung für das Abwasser in einem Abwasserkanal handeln kann.

Die dargestellte Regeleinrichtung enthält einen Istwertgeber 1, einen Sollwertgeber 2, einen Umschalter 3, einen Regler 4, einen Impulsgenerator 5 und ein Stellglied 6.

zwe i.

Der Istwertgeber 1 enthält / in das Abwasser getauchte pH-Wert-Meßelektroden, und zwar eine Glaselektrode 7 und eine Bezugselektrode 8, sowie einen als Impedanzwandler dienenden, direkt gegengekoppelten Differenzverstärker 9, dessen nicht umkehrender Eingang über einen hochohmigen Widerstand 10 mit der Glas-

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elektrode 7 und über einen Glättungskondensator 11 mit Masse verbunden ist.

Der Regler 4 enthält einen Differenzverstärker 12, der einen mit seinem umkehrenden Eingang verbundenen RUckführwiderstand 13, zwei Eingangswiderstände 14 und 15 und am nicht umkehrenden Eingang einen Ableitwiderstand 16 aufweist. Ein direkt gegengekoppelter Differenzverstärker 18 dient als Impedanzwandler auf der Ausgangsseite des Reglers.

Die Ausgangsspannung des Reglers 4 steuert den Impulsgeber 5. Dieser enthält einen spannungsgesteuerten Oszillator 19, dessen Frequenz eine logarithmische Funktion der Steuerspannung ist. Der Oszillator 19 enthält eingangsseitig einen Spannungsteiler aus einem einstellbaren Widerstand 20 und einem festen Widerstand 21. Der Spannungsteilerabgriff ist über einen einstellbaren Widerstand 22 und einen in Reihe dazu liegenden Kondensator 23 mit Masse verbunden. Der Verbindungspunkt von Widerstand 22 und Kondensator 23 ist mit dem Emitter eines Unijunction-Transistors 24 verbunden. Die eine Basis des Unijunction-Transistors 24 ist über einen niederohmigen Widerstand 25 mit Masse und die andere Basis mit dem Abgriff eines einstellbaren Spannungsteiler-Widerstands 26 verbunden, der einerseits mit dem positiven Pol (+) der Betriebsgleichspannungsquelle und andererseits über einen festen Widerstand 27 mit Masse verbunden ist. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß alle mit (+) bezeichneten Anschlüsse mit dem positiven Pol, alle mit (-) bezeichneten Anschlüsse mit dem negativen Pol und alle Masseanschlüsse mit dem Nullpunkt einer vorzugsweise durch Zener-Dioden stabilisierten, nicht dargestellten Betriebsgleichspannungsquelle verbunden sind.

Der Ausgang des Oszillators 19 ist über eine Leitung 28 mit dem Eingang eines einstellbaren Zeitgliedes 29 in Form eines monostabilen Kippgliedes verbunden. Dessen Ausgang ist mit dem Steueranschluß eines bidirektionalen Thyristors 30, auch Zweirichtungs-Thyristortriode genannt, verbunden. Der Thyristor

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30 liegt in Reihe mit dem Wechselstromkreis eines Brückengleichrichters 31 an einer Wechselspannungsquelle 32 in Form des 220-Volt-50Hz-Wechselstromnetzes. Im Gleichstromkreis des Brückengleichrichters 31 liegt der Betätigungs-Elektromagnet 33 einer im Stellglied 6 enthaltenen Dosierpumpe 34. Der Pumpenhubraum 35 ist durch eine Membran 36 und Rückschlagventile 37, 38 abgeschlossen. Der Elektromagnet 33 betätigt die Membran 36.

Die Spannung zwischen den Elektroden 7 und 8 ändert sich bei einer Temperatur von 24° C um 57mV, wenn sich der pH-Wert um eine Einheit ändert. Die vom Istwertgeber 1 abgegebene Spannung ist daher proportional dem pH-Wert des Abwassers. Sie wird im Regler 4 mit einer an dem Sollwertpotentiometer im Sollwertgeber 2 eingestellten Sollwertspannung verglichen. Wenn eine Regelabweichung auftritt, wird sie im Regler 4 verstärkt und vom Reglerausgang über den Spannungsteiler 20, 21 dem Widerstand 22 als Steuerspannung U zugeführt. Der Kondensator 23 ist bestrebt, sich auf diese Spannung U als Endwert aufzuladen. Liegt der Endwert U höher als die Höckerspannung !Lr des UniJunction-Transistors 24, das ist die Spannung am Emitter des Unijunction-Transistors, bei der er plötzlich zwischen Emitter und der unteren Basis leitend wird, dann entlädt sich der Kondensator 23 jedesmal, wenn seine Spannung u die Höckerspannung U„ erreicht, sehr rasch über diese Emitter-Basis-Strecke und den Widerstand 25, um sich anschließend sofort wieder bis auf die Höckerspannung U_R aufzuladen. Bezeichnet man die Ladezeitkonstante des Kondensators 29 mit T, dann gilt für die Spannung am Kondensator 23 in Abhängigkeit von der Zeit t

-t
u = U (1 - e ^T) (1)

Die Zeit t = t_H, innerhalb der sich der Kondensator 23 auf die Höckerspannung U_H aufgeladen hat, bestimmt die Frequenz f = 1/tjj des Oszillstors 19. Damit erhält man

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= U₁T = U(1 - e =x_TT ti

Mit den normierten Abkürzungen

^UH

erhält man durch Einsetzen von (3) und (4) in (2)

r-i-* (5)

Nach Gleichung (5) ist mithin die zu "^proportionale Frequenz f des Oszillators 19 umgekehrt logarithmisch von der zu X" proportionalen Steuerspannung U abhängig. Die Funktion im doppelt logarithmischen Maßstab im kartesischen Koordinatensystem dargestellt, ergibt eine geradlinige Kurve für den hier interessierenden Bereich X^ 1. Bei ^<1, also wenn die Steuerspannung U die Höckerspannung U_H unterschreitet, setzen die Impulse des Oszillators 19 aus. Der Regler 4 und das Verhältnis der Widerstandswerte der Widerstände 20 und 21 sind so eingestellt, daß der Oszillator 19 bei Regelabweichung Null gerade keine Impulse mehr erzeugt. Beim Auftreten einer Regelabweichung gibt der Oszillator 19 mithin Impulse mit einer Folgefrequenz nach Maßgabe der Gleichung (5) ab. Diese Impulse werden dem Zeitglied 29 zugeführt, das sie in Rechteckimpulse vorbestimmter, einstellbarer Dauer umformt. Während der Dauer jedes dieser Rechteckimpulse ist der Thyristor 30 praktisch durchgehend, abwechselnd in beiden Richtungen leitend, da die Frequenz der von der Wechselspannungsquelle 32 abgegebenen

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Wechselspannung wesentlich größer als die Maximalfrequenz der Oszillatorimpulse ist. Der Thyristor 30 wird während der Dauer eines seinem Steueranschluß zugeführten rechteckförmigen Zündimpulses nur kurzzeitig während der Nulldurchgänge der von der Wechselspannungsquelle 32 abgegebenen Wechselspannung gesperrt. Erst nach dem ersten Nulldurchgang dieser Wechselspannung, der nach dem Verschwinden eines Rechteck-Zündimpulses auftritt, bleibt der Thyristor 30 bis zum nächsten Rechteck-Zündimpuls gesperrt. Der in leitendem Zustand des Thyristors 30 über ihn fließende Wechselstrom wird vom Brückengleichrichter 31 gleichgerichtet, so daß der Elektromagnet 20 während der Dauer eines Rechteckimpulses des Zeitgliedes 29 durch eine verhältnismäßig hochfrequente (100 Hz) Folge gleichgerichteter Halbwellen erregt wird, die wegen der Trägheit des Elektromagneten 33 auf ihn wie ein Impuls wirken. Die Dauer und Frequenz der Rechteckimpulse des Zeitgliedes 29 bestimmen mithin die Dauer und Frequenz der Pumpenhübe. Mit zunehmender Regelabweichung erhöht sich die Folgefrequenz der Pumpenhübe nach Gleichung (5) mehr als proportional, und umgekehrt, wie es dem logarithmischen Zusammenhang zwischen dem pH-Wert und der H,0°-Konzentration der Lösung, hier des Abwassers, entspricht. Entsprechend wird die Menge des der Lösung über die Pumpe 34 aus einem nicht dargesbellten Vorratsbehälter in Pfeilrichtung zugesetzten Mittels geändert. So benötigt man zu Beginn einer Neutralisation einer sauren Lösung für eine bestimmte relative Änderung der H,0°-Konzentration, z. B. auf den zehnten Teil, eine große, mit fortlaufender Neutralisation der Lösung ständig abnehmende Menge an Zusatzmittel in Form von Alkali; nach Erreichen des Neutralpunktes, also bei pH = 7, wächst umgekehrt die Menge des zuzugebenden Alkali wieder ständig an, um die OH-Konzentration zu erhöhen. Entsprechendes gilt, wenn der pH-Wert einer alkalischen Lösung durch Zugeben einer Säure geregelt werden soll.

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Je nach dem, ob eine Base oder eine Säure der Lösung zugesetzt werden soll, kann der Schalter 3 in die eine oder andere Stellung gebracht werden, so daß die Verbindungen zwischen den Gebern 1, 2 einerseits und dem Regler 4 andererseits vertauscht werden, um eine Änderung des pH-Wertes im richtigen Sinne zu erreichen. Ebenso kann die Umschaltung beim Durchlaufen des Neutralpunktes erfolgen, wenn der pH-Wert über den Neutralpunkt hinweg geändert werden soll.

Mit Hilfe des einstellbaren Widerstands 22 ist die Zeitkonstante der Ladegeschwindigkeit des Kondensators 23 und damit die Frequenz des Oszillators 19 bzw. der Pumpe 34 nachstellbar. Der einstellbare Widerstand 26 ermöglicht eine Einstellung der Höckerspannung Ujt des Unijunction-Transistors 24, wodurch ebenfalls die Frequenz beeinflußt werden kann.

Die Verstärker und der Widerstand 20 sind vorzugsweise so eingestellt, daß die Regelung erst bei einem bestimmten pH-Wert einsetzt und die Pumpe oberhalb dieses Wertes mit konstanter Maximalfrequenz arbeitet.

Es soll beispielsweise Abwasser mit einem pH-Wert von beispielsweise 10 auf pH = 7 neutralisiert werden. Dann kann die Verstärkeranordnung so eingestellt sein, daß sie bei einer pH-Wert-Änderung von pH = 7 auf pH = 8 voll ausgesteuert ist, d. h. die ausgangsseitige Steuerspannung U bei pH = 8 ihren Maximalwert erreicht. Die Dosierpumpe 34 läuft dann bis pH = 8 mit voller Geschwindigkeit, z. B. 6000 Hübe pro Stunde. Wenn durch die Zugabe von Neutralisationsmittel pH = 8 erreicht ist, setzt die Regelung ein, bis die Dosierpumpe bei pH = 7 anhält. Auf diese Weise ist auch jeder andere pH-Wert, bei dem die Regelung einsetzen soll, einstellbar, beispielsweise wenn die Eingangs- und/oder Rückführwiderstände des Verstärkers 12 einstellbar und/oder einstellbare Widerstand-

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-ISL-

Diοden-Begrenzer in die Verstärkerkreise eingeschaltet sind. Desgleichen können auch die Verstärker 9 und 18 einstellbare Eingangs- und Rückführwiderstände aufweisen.

Bei großer Regelabweichung erfolgt daher zunächst eine schnelle Verringerung der Regelabweichung bis auf eine Einheit, die dann mit langsamer werdender Frequenz ausgeregelt wird. Insgesamt ergibt sich auf diese Weise eine sehr empfindliche und schnelle Regelung bei geringem Aufwand.

Das zum Thyristor 30 parallel geschaltete Reihen-RC-Glied dient der Verringerung der bei induktiver Belastung gegebenenfalls zu hohen Änderungsgeschwindigkeit der Spannung am Thyristor 30 und damit der Gefahr einer Zündung des Thyristors 30 über seine Hauptanschlüsse.

Abweichungen von dargestellten AusfUhrungsbeispiel liegen im Rahmen der Erfindung. So kann anstelle des Unijunction-Transistor-Oszillators 19 auch ein astabiler Multivibrator eingesetzt werden. Der Aufwand bei einem Unijunction-Transistor-Oszillator ist jedoch geringer. Eine andere Anwendungsmöglichkeit ist die Regelung des rH-Wertes bei einer Redoxreaktion, der ebenfalls eine logarithmische Abhängigkeit aufweist.

In einer Ausführung der Regeleinrichtung waren für die nachstehenden Bauelemente und Größen die nebenstehenden Werte gewählt:

Widerstand	Kondensator	Spannung	0hm	Farad	Volt
10			1 M
	11			100-50Op
13			100K
14			2,7K
15			2.7K

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Widerstand	Kondensator	Spannung	Ohm	Tarad	Volt
16			100K
20			O...4,7
21			1OK
22			0...100K
	23			47 Mikro
25			150
26			0... 1K
27			1,5K
		^UB			7
		U			5,8...13,8

Mit den angegebenen Werten lag die Impulsfolgefrequenz zwischen 10 und 102 Impulsen pro Minute.

Die logarithmische Abhängigkeit der Impulsfolgefrequenz von einer Regelabweichung läßt sich auch durch andere, z. B. eine nichtlineare Kennlinie aufweisende Übertragungsglieder, zumindest angenähert erzielen.

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Claims

Patentansprüche

1. Einrichtung zum Regeln des pH-Wertes oder eines vergleichbaren Wertes einer Lösung, mit einem Istwertgeber, einem Sollwertgeber, einem durch die Geber beaufschlagten Regler und einem von diesem beaufschlagten Stellglied, das der Lösung ein die Regelgröße beeinflussendes Zusatzmittel zuführt, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (6) eine durch die Impulse eines Impulsgenerators (5) antreibbare Dosierpumpe (34) für das Zusatzmittel aufweist und die Impulsfolgefrequenz logarithmisch von der Regelabweichung abhängig ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator (5) einen spannungsgesteuerten Oszillator (19) und der Regler (4) einen die Steuerspannung (U) des Oszillators (19) bildenden, von Soll- und Istwertspannungen beaufschlagten Differenzverstärker (12) aufweist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (19) ein Unijunction-Transistor-Oszillator ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatorimpulse dem Steueranschluß eines aus einer WechselSpannungsquelle (32) gespeisten Thyristors (30) über ein Zeitglied (29) zuführbar sind, im Arbeitskreis des Thyristors (30) ein Betätigungs-Elektromagnet (33) für eine Hubmembran (36) der Dosierpumpe (34) liegt, und die Frequenz der von der Wechselspannungsquelle (38) abgegebenen Wechselspannung höher als die der Oszillatorimpulee ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristor (30) eine Zweirichtungs-Thyristortriode ist und der Betätigungs-Elektromagnet (33) im Gleichstromkreis eines wechselstromseitig in Reihe mit dem Thyristor (30) an der Wechselspannungsquelle (32) angeschlossenen Brückengleich-

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ORIGINAL INSPECTED

richters (31) liegt.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen der Geber (1, 2) mit dem Regler (4) mittels eines Schalters (3) vertauschbar sind.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Regelabweichung, die größer als ein vorbestimmter Grenzwert ist, der wesentlich kleiner als der
Einstellbereich der Regelgröße ist, die Maximalfrequenz des
Impulsgenerators (5) zugeordnet ist.

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