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Die Drosselklappe hat zwar einige Nachteile, wird jedoch wegen ihres
einfachen Aufbaus häufiger eingesetzt als der Drosselschieber.
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Die Betätigung der Stellorgane erfolgt im allgemeinen durch einen
Stellantrieb, der in Abhängigkeit von der Art der verwendeten Hilfsenergie elektromechanisch,
hydraulisch oder pneumatisch sein kann.
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Zur Regelung und Steuerung des Stellorgans und zur Grenzwertmeldung
wird häufig eine Rückkopplung des Stellhubes durchgeführt, wobei als Stellungsgeber
induktive Geber oder Potentiometergeber eingesetzt werden.
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Sollen Mengenströme von fluiden Medien gleichzeitig gemessen und
auf einen bestimmten Mengenstrom eingeregelt werden, so liegt es nahe, den als Drosselorgan
üblicherweise verwendeten Schieber gleichzeitig auch als Meßorgan einzusetzen. Ein
solches Gerät wird in dem Artikel »Segmentblendenschieber für extreme Durchfluß-Meßbereiche«
in der Zeitschrift »Regelungstechnische Praxis«, Heft 11 (1975), Seite 356, 357,
beschrieben.
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Durch die Zusammenfassung des Stellorgans »Schieber« und Meßorgans
»Segmentblende« ergibt sich ein dem Mengenstrom angepaßtes Öffnungsverhältnis, wobei
die als Meßsignal erfaßte Druckdifferenz bzw.
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der Wirkdruck günstiger als bei einer Blende mit festem Öffnungsverhältnis
ist Bei der Verwendung als Regelorgan ergibt sich ein großer Stellbereich des Mengenstromsollwertes,
der mit Drosselmeßgeräten mit festem Drosselquerschnitt nicht erreicht werden kann,
da in einem kontinuierlichen Betrieb der zur Einhaltung der Meßgenauigkeit notwendige
Wechsel der Blendenscheibe nicht vorgenommen werden kann. Durch den Fortfall des
sonst üblicherweise verwendeten Stellorgans entstehen keine zusätzlichen Druckverluste
im Rohrleitungssystem.
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Der bekannte Segmentblendenschieber weist einen elektrohydraulischen
Stellantrieb mit elektromechanischer Rückmeldung des Stellhubes auf. Daraus wird
die für die Volumenstrommessung notwendige funktionelle Beziehung zwischen dem Öffnungsverhältnis,
der Durchflußzahl und dem Stellhub hergestellt und als elektrisches Signal für den
radizierten Wirkdruck in einem nachgeschalteten Gerät multipliziert, dessen Ausgangssignal
dem Ist-Volumenstrom verhältnisgleich ist. Das Ausgangssignal wird einem kontinuierlich
arbeitenden Festwert-Regler zugeführt, der den Segmentblendenschieber mittels des
Stellantriebs so lange verstellt, bis der gemessene Istwert mit dem vom Regler eingestellten
Volumenstrom-Sollwert übereinstimmt Dieser bekannte Segmentblendenschieber arbeitet
also analog, wobei die Stellung des Schiebers und der Wirkdruck berücksichtigt werden.
Dichteänderungen auf Grund von Temperatur- und Druckänderungen, sowie Einflüsse
der Reynolds- und Expansionszahlen können nicht berücksichtigt werden. Außerdem
läßt sich dieses bekannte Gerät nicht ohne weiteres für die immer mehr verwendete
sequentielle digitale Programmsteuerung und direkte digitale Regelung (DDC) mit
Hilfe von Prozeßrechnern verwenden, da das für die Ansteuerung des Servosystems
(oder Folgesystem) notwendige analoge Signal erst mit Hilfe eines Digital-Analog-Umwandlers
umgesetzt werden muß.
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Bei der Verwendung zur direkten digitalen Regelung müssen außerdem
die analogen Signale des Stellhubes und des Wirkdruckes zur Verarbeitung im Prozeßrechner
mittels eines Analog-Digital-Wandlers umgesetzt werden. Dieses erfordert insgesamt
einen hohen baulichen Aufwand.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
zum Messen und Regeln der Mengenströme von fluiden Medien zu schaffen, bei der die
obenerwähnten Nachteile nicht auftreten.
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Insbesondere soll eine Vorrichtung vorgeschlagen werden, die für
die sequentielle digitale Programmsteuerung und die direkte digitale Regelung (DDC)
mit Hilfe von Prozeßrechnern geeignet ist Dies wird durch die im Kennzeichen des
Anspruchs 1 angegebenen Merkmale erreicht Die mit der Erfindung erzielten Vorteile
beruhen insbesondere darauf, daß die wesentlichen Eingangs-und Ausgangssignale digitale
Signale sind. So wird der Schrittmotor in Abhängigkeit von dem Wirkdruck durch elektrische
Impulse angesteuert, deren Anzahl die Hubhöhe und deren Frequenz die Hubgeschwindigkeit
der Segmentblende festlegt. Durch diese digitale Steuerung sowie die schlupffreie
Übertragung der Drehbewegung des Schrittmotors auf die Hubbewegung der Segmentblende
ist keine Rückmeldung des Stellhubes mehr erforderlich, da die Stellung des Schrittmotors
ein direktes, exaktes Maß für den Stellhub ist Außerdem ist diese Vorrichtung für
die sequentielle digitale Programmsteuerung und die direkte digitale Regelung mit
Hilfe von Prozeßrechnern geeignet, ohne daß die sonst üblichen Analog/Digital-Umsetzer
verwendet werden müssen.
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Zweckmäßigerweise wird die Drehbewegung der Segmentblende mittels
eines Zahnriementriebs und einer Spindel in die Hubbewegung für die Segmentblende
umgesetzt Durch eine solche schlupffreie Übertragung ist ohne Änderung der Steigung
der Spindel durch Anderung des Übersetzungsverhältnisses eine einfache Anpassung
an die Gegebenheiten der Regelstrecke unter Berücksichtigung der Digitalisierung,
der Stellgeschwindigkeit und der erforderlichen Drehmomente möglich. Im Vergleich
mit einem Rädergetriebe ergeben sich unabhängig von der Einbauanordnung kleinere
Trägheitsmomente. Dadurch kann wiederum der Schrittmotor neben und parallel zu der
Spindel so angeordnet werden, daß noch Raum für andere Bauteile zur Verfügung steht
und die gesamte Vorrichtung einen sehr kompakten Aufbau hat.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Spindel in einer drehbar
gelagerten Spindelmutter geführt, welche die Verbindung mit dem Zahnriementrieb
herstellt und die Drehbewegung des Schrittmotors in die Hubbewegung für die Segmentblende
umsetzt Diese Spindelmutter läuft in einem Wälzlager, wobei durch eine leichte Vorspannung
von Spindelmutter und Wälzlager die spielfreie Übertragung der Bewegung ohne Hysterese
möglich ist Dadurch sind die Stellhöhen auch nach einer Umkehr der Drehrichtung
reproduzierbar.
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Zweckmäßigerweise ist eine Gegenmutter vorgesehen, die mittels einer
Feder gegen die Spindelmutter verspannt ist Dadurch fixiert einerseits die Vorspannung
die Spindel aufgrund des Flankenwinkels des Gewindes in drei Ebenen, da die Flanken
der Spindel immer in der Führung anliegen, und andererseits lassen sich die Vorspannung
und die Reibung genau einstellen, so daß mit Hilfe der kontrollierten Reibung die
Schwingungen der Drehwinkelübertragung weitgehend gedämpft werden Denn durch die
Verspannung der beiden Muttern wird während ihrer Drehung an den Spindelfianken
eine Reibungskraft erzeugt, deren Größe eingestellt werden kann; dadurch lassen
sich die sonst bei dem impulsweisen Antrieb des Schrittmotors auftretenden Schwingungen
so weit dämpfen, daß die gesamte Vorrichtung im wesentlichen schwingungsfrei
ist.
Außerdem entfällt die sonst notwendige Lagerung der Führung für die Segmentblende,
die bei den herkömmlichen Vorrichtungen aufgrund von Fluchtungsfehlern noch zusätzliche
Reibungskräfte erzeugte.
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Auch verringert sich die Bauhöhe der Segmentblende erheblich, so daß
auf die sonst übliche Teilung des Gehäuses verzichtet werden kann.
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Um zusätzliche Reibungskräfte bei der Hubbewegung zu verhindern,
die sonst durch Fluchtungsfehler zwischen der Spindelmutter und der Segmentblendenführung
auftreten können, ist zwischen der Spindel und der Segmentblende ein elastisches
Federelement vorgesehen, das aus Kunststoff, Gummi oder Metall bestehen kann. Zweckmäßigerweise
wird eine Blattfeder verwendet Um die exakte Drehwinkelübertragung von dem Impulsgeber
für den Schrittschaltmotor auf die Spindel kontrollieren und gegebenenfalls korrigieren
zu können, sollte die Zahl der Umdrehungen der Spindel, beispielsweise elektrooptisch
oder induktiv, festgestellt werden. Dadurch läßt sich auf einfache Weise die Synchronisation
von Stellhub und Schrittmotorimpulsen überprüfen, so daß Abweichungen der Synchronisation
leicht elektronisch korrigiert werden können.
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In Verbindung mit mechanischen Anschlägen läßt sich auch eine automatische
Nullpunktfixierung und Funktionsüberprüfung durchführen.
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Die Abdichtung des fluiden Mediums gegenüber der Umgebung wird im
allgemeinen mit Rundschnurringen oder Stopfbuchsen durchgeführt Bei Verwendung einer
solchen reibflüssigen Verbindung ist jedoch eine zusätzliche Dichtfläche in Form
einer Schieberstange erforderlich, so daß zusätzliche Reibungskräfte entstehen.
Erfolgt statt dessen die hermetische Abdichtung durch nichtreibschlüssige Dichtungen,
wie beispielsweise einen Faltenbalg, einen Rollenbalg oder ein gasdichtes Gehäuse,
so können diese zusätzlichen Reibungskräfte nicht auftreten.
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Damit die Vorrichtung an beliebige Rohrquerschnitte angepaßt werden
kann, lassen sich ohne Änderung des Grundaufbaus Reduzierstücke vor und hinter der
Segmentblende einsetzen. Auf diese Weise können Fluchtungsfehler zwischen der Spindelmutter
und der Segmentblendenführung in Rohrachsrichtung ausgeglichen und in einfacher
Weise das Spiel der Segmentblendenführung und damit die Abdichtung eingestellt werden.
Eine zusätzliche Teilung des Gehäuses in der Ebene der Segmentblende wird vermieden.
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Zweckmäßigerweise sind die Reduzierstücke stirnseitig mit Drosselnuten
versehen, damit keine Leckverluste auftreten. Durch geeignete Auswahl der Materialien
für die Segmentblende und die Reduzierstücke kann die Gleitreibung ve.-ringert werden.
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Zweckmäßigerweise enthalten die Reduzierstücke Druckentnahmenuten,
-bohrungen und -rillen für die Ableitung des Drucks im Innern des Gehäuses. Dadurch
kann die Verbindung mit dem Druckwandler entweder gehäuseseitig oder über außen
liegende Leitungen erfolgen. Bei Verwendung der Druckentnahmenuten können die Druckentnahmeöffnungen
nicht so leicht verstopft werden. Und schließlich lassen sich die Reduzierstücke
leicht ausbauen und reinigen, wodurch die Funktionssicherheit der Vorrichtung erhöht
wird.
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Der Drucktransmitter besteht aus einer Membran, deren Auslenkung
eine elektrische Größe in einem Schwingkreis ändert.
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Die Frequenz des elektrischen Schwingkreises hängt also von der Druckdifferenz
an der Membran ab, so daß die Frequenz wiederum ein Maß für den Wirkdruck darstellt,
wenn die beiden Seiten der Membran in üblicher Weise durch die den Wirkdruck definierenden
Drücke beaufschlagt werden. Diese Frequenz wird nicht wie üblich in ein Analog-Signal
umgewandelt, sondern mittels eines elektrischen Zählers direkt in ein digitales
Signal umgesetzt Zweckmäßigerweise wird der Druckwandler so ausgelegt, daß er nicht
nur den Wirkdruck, sondern auch die Vordruckdifferenz, also die Differenz zwischen
der stromaufwärts liegenden Seite der Segmentblende und dem Umgebungsdruck, messen
kann. Die Messung der jeweils gewünschten Größe kann durch Umschalten eines Dreiwegeventils
eingestellt werden Mißt man noch zusätzlich die Temperatur des fluiden Mediums,
so kann aus den digital angegebenen Werten für den Wirkdruck, den Vordruck und die
Temperatur der Mengenstrom bestimmt werden.
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Zweckmäßigerweise werden der Schrittmotor, der Stellantrieb, der
Druckwandler, das Dreiwegeventil und der Temperaturfühler zu einer Einheit zusammengefaßt,
so daß die Anzahl der Konstruktionselemente, wie beispielsweise Leitungen, Dichtungen
und Abdeckungen und Halterungen, verringert werden kann. Dadurch wird die Vorrichtung
äußerst kompakt, wartungsfreundlich, übersichtlich, schmutzempfindlich und zuverlässig.
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Das Gehäuse sollte so konstruiert sein, daß es zwischen zwei Flanschen
in die Rohrleitung eingebaut werden kann.
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Wird das Gehäuse mit einem gasdichten Fensterschlitz versehen, so
kann die Stellung des Segmentschiebers von außen beobachtet werden. Dies ist insbesondere
für den Fall wesentlich, daß die elektrische Energieversorgung ausfällt Ist das
gesamte Gehäuse gasdicht abgekapselt, so daß keine nichtreibschlüssige Dichtung
erforderlich ist, so kann für die Handbetätigung eine gasdichte Kupplung vorgesehen
werden. Damit läßt sich auch nach Ausfall der elektrischen Stromversorgung die Segmentblende
in die gewünschte Lage bringen.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird also eine Vorrichtung zum Messen
und Regeln der Mengenströme von fluiden Medien geschaffen, die einen einfachen,
kompakten Aufbau mit nur wenigen Bauteilen hat. Sie kann leicht an die Rohrleitung
angepaßt sowie eingebaut werden. Durch die Hysterese-Freiheit der Übertragungselemente,
durch die geringen und genau einstellbaren Reibungskräfte, durch die Synchronisation
zwischen Schrittmotor und Stellhub sowie die Nullpunktfixierung des Schrittmotors
ergibt sich eine hohe Funktionssicherheit des Antriebs und damit eine hohe Meß-
und Regelgenauigkeit Die Vorrichtung läßt sich ohne zusätzliche Halterungen in nahezu
jeder Lage einbauen und ist schmutzunempfindlich sowie wartungsfreundlich. Im DDC-Betrieb
lassen sich Dichteänderungen aufgrund von Druck- und Temperaturänderungen in der
Rohrleitung sowie Einflüsse aufgrund unterschiedlicher Reynolds- und Expansionszahlen
erfassen.
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Dabei sind mit Hilfe eines mathematischen Modells sehr schnelle Sollwertänderungen
möglich.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt F i
g. 1 einen Schnitt durch eine Vorrichtung zur Messung und Regeln von Mengenströmen
nach der vorliegenden Erfindung, Fig.2 einen Schnitt längs der durch den Pfeil in
F i g. 1 angedeuteten Linie, und
F i g. 3 einen Wirkplan der Vorrichtung
nach der Erfindung Ein Untergehäuse 26 ist zwischen zwei Rohrleitungen 20 angebracht,
beispielsweise angeschraubt; durch eine Nute im Untergehäuse kann eine Segmentblende
1 zwischen Reduzierstücke 17 geschoben werden und damit in Abhängigkeit von ihrem
Stellhub eine genau definierte Öffnung, also einen bestimmten Drosselquerschnitt,
für das durch die Rohrleitung 20 strömende fluide Medium, also Flüssigkeiten, Gase
oder Dämpfe, bilden.
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Vor und hinter der Segmentblende 1 sind in dem Untergehäuse 26 die
Reduzierstücke 17 zur Führung und Abdichtung der Segmentblende und zur Anpassung
an gewünschte Rohrquerschnitte eingesetzt Der Innendurchmesser der Reduzierstücke
17 und des Rohres muß in jedem Fall gleich sein. Diese Reduzierstücke 17 sind mit
Druckentnahmenuten 18 (siehe F i g. 2) versehen, in denen die Druckentnahmebohrungen
münden. Die Weiterleitung der Drücke erfolgt entweder durch Bohrungen in dem Untergehäuse
26 oder in außen liegenden Leitungen zu einem Dreiwegeventil 15 und zu einem Druckwandler
14 (siehe F i g. 3).
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Der Druckwandler 14 weist eine Membran auf, deren Auslenkung eine
elektrische Größe z. B. eine Kapazität, eine Induktivität oder einen Widerstand,
in einem elektrischen Schwingkreis ändert. Die Frequenz dieses elektrischen Schwingkreises
hängt von der Druckdifferenz auf den beiden Seiten der Membran ab und wird mittels
eines elektronischen Zählers direkt in ein digitales Signal umgewandelt Auf der
einen Seite der Membran befindet sich immer fluides Medium von der stromaufwärts
gelegenen Seite der Segmentblende 1, während zu der anderen Seite der Membran wahlweise
mittels des Dreiwegeventils 15 fluides Medium von der stromabwärts gelegenen Seite
der Segmentblende 1 oder unter dem üblichen Atmosphärendruck stehende Luft gebracht
werden kann.
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Dadurch kann also mittels des Druckwandlers 14 entweder der Wirkdruck
AP oder der Vordruck p des fluiden Mediums gemessen werden.
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Darüber hinaus wird noch die Temperatur # des fluiden Mediums vor
der Drosselstelle gemessen, so daß aus dem Stellhub und den Ausgangssignalen für
dP, p und 6 die Durchflußmenge bestimmt werden kann.
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Da der Mengenstrom im wesentlichen von der durch die Segmentblende
1 gebildeten Öffnung abhängt und damit durch den Stellhub der Segmentblende beeinflußt
werden kann, läßt sich mittels dieser digitalen Signale für den Mengenstrom der
Stellhub der Segmentblende 1 so steuern, daß sich eine gewünschte Durchflußöffnung
und damit der angst! ebte Mengenstrom ergeben.
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Zu diesem Zweck werden die digitalen Signale entweder in einem Mikroprozessor
oder bei direkter digitaler Regelung mittels Prozeßrechner verarbeitet, dessen Ausgangssignale
einen Schrittmotor 13 ansteuern. Dabei wird die Hubhöhe der Segmentblende durch
die Zahl der an den Schrittmotor 13 angelegten Impulse definiert, während die Hubgeschwindigkeit
der Segmentblende 1 von der Frequenz dieser Impulse abhängt Der Schrittmotor 13
ist außen an einem Obergehäuse 10 angebracht; seine Abtriebswelle 19 trägt ein Zahnrad
21, über das ein Zahnriemen 11 geführt ist. Außerdem verläuft der Zahnriemen 11
über ein weiteres Zahnrad 22, das starr mit einer drehbar in einem Wälzlager 5 gelagerten
Spindelmutter 6 verbunden ist. Aufgrund einer leichten Verspannung des Wälzlagers
5 mit Hilfe eines Stellringes 24 in bezug auf die Spindelmutter 6 gegen ein Federelement
25 arbeitet diese gegenüber dem Obergehäuse 10 und Untergehäuse 26 spielfrei.
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Die Spindelmutter 6 ist teilweise hohl und nimmt in ihrem oberen
Ende eine ebenfalls drehbar gelagerte, einstellbare Gegenmutter 7 auf, während sich
im unteren Bereich des Hohlraums der Spindelmutter 6 eine Schraubenfeder 23 befindet,
die einerseits an der unteren Endfläche der Gegenmutter 7 und andererseits an der
unteren Bodenfläche des Hohlraums der Spindelmutter 6 anliegt Die Gegenmutter 7
kann sich in axialer Richtung im Hohlraum der Spindelmutter 6 frei bewegen. Beide
Muttern 6 und 7 laufen mit gleicher Drehzahl und stützen sich auf den Gewindeflanken
der Spindel 4 ab. Dadurch sind die beiden Muttern 6 und 7 mittels der Schraubenfeder
23 gegeneinander verspannt Die Gegenmutter 7 sowie der untere Teil der Spindelmutter
6 sind über Gewinde mit einer längsverschiebbaren Spindel 4 gekoppelt, die an ihrem
unteren Ende die Segmentblende 1 trägt Um ein Verklemmen bei der Hubbewegung in
der Führung der Segmentblende 1 zu vermeiden, ist zwischen die Spindel 4 und die
Segmentblende 1 ein kraftübertragendes Federelement 2, beispielsweise eine Blattfeder,
eingesetzt Dreht also der Schrittmotor 13 seine Abtriebswelle 19, so wird über die
Zahnräder 21 und 22, den Zahnriemen 11 und die durch die Feder 23 gegeneinander
verspannten Muttern 6 und 7 die Spindel 4 um eine Strecke verschoben, die exakt
der Drehung der Abtriebswelle entspricht Dadurch bewegt sich wierierum die Segmentblende
1 bei jeder schrittweisen Drehung der Abtriebswelle 19 des Schrittmotors 13 um eine
genau definierte Strecke gemäß der Darstellung in F i g. 1 nach oben oder nach unten.
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An der Spindelmutter 6 ist eine Schlitz- oder Lochscheibe 9 angebracht,
mit deren Hilfe über eine schematisch bei 9 angedeutete Lichtschranke die Synchronisation
zwischen dem Stellhub und den von dem Schrittmotor 13 gelieferten Bewegungsimpulsen
überprüft werden kann. Dabei wird die Zahl der Umdrehungen der Spindelmutter 6 oder
ein Vielfaches davon gezählt, wodurch die Drehwinkelübertragung von dem Schrittmotor
13 gesteuert und gegebenenfalls korrigiert werden kann.
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Durch an entsprechenden Stellen vorgesehene mechanische Anschläge,
die beispielsweise mit der Spindelmutter 6 zusammenwirken, kann der Nullpunkt der
Bewegung der Segmentblende 1 automatisch fixiert sowie eine Funktionsüberprüfung
vorgenommen werden.
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An der Seite des Untergehäuses 26 (siehe F i g. 2) ist ein gasdichter
Fensterschlitz 16 ausgebildet, so daß die Stellung der Segmentblende 1 von außen
beobachtet werden kann.
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Die Abdichtung des fluiden Mediums in der Rohrleitung 20 gegen das
Innere der Vorrichtung erfolgt mittels eines Faltenbalges 3, der am unteren Ende
des Gehäuses angebracht ist, die Spindel 4 umgibt, und, wie in F i g. 1 dargestellt
ist, mit dem unteren Ende des Übertragungsmechanismus verbunden ist Als Alternative
hierzu kann auf den Faltenbalg 3 verzichtet werden, wenn das gesamte Gehäuse gasdicht
ausgebildet ist.
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Ein mit der Abtriebswelle 19 des Schrittmotors 13 verbundener Handgriff
mit Kupplung 12, der bei gasdichter Ausgestaltung des Obergehäuses 10 eine
gasdichte
Verbindung aufweisen muß, ragt aus dem Obergehäuse 10 heraus, so daß die Abtriebswelle
19 des Schrittmotors 13 und damit auch die Spindel 4 mit der Segmentblende 1 von
Hand verstellt werden können.
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In Abhängigkeit von den obenerwähnten Ausgangssignalen für AP, p
und 6 kann also die Durchflußmenge bestimmt und der Schrittmotor durch zugeführte
Impulse um einen solchen Winkel gedreht werden, daß sich eine genau definierte Hubbewegung
der Segnientblende und damit eine bestimmte Drosselöffnung ergibt Gleichzeitig können
die gemessenen Größen AP, p und 6 auf die übliche Weise angezeigt werden.