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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Druckregler, der insbesondere
in Transport- und Verteilungsanlagen für Erdgas eingesetzt werden
kann.
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Es
ist bekannt, dass Erdgas, das mit hohem Druck aus Reservoiren an
die Oberfläche
gebracht wird, zu dem Anschluss eines Verbrauchers durch geeignete
Transport- und Verteilungsanlagen zugeführt wird.
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Diese
Anlagen sorgen für
eine sichere Verteilung des brennbaren Gases und garantieren gleichzeitig
eine kontinuierliche Ausgabe und eine Steuerung des Ausgabedruckwertes.
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Derartige
Anlagen umfassen eine Sicherheitseinrichtung, die einen gesteuerten
Druckreduzierer vom Typ Ausfall-beim-Schließen (Fail to Close FTC) aufweist,
der ebenfalls Monitor genannt wird, dem ein Druckregler vom Typ
Ausfall-beim-Öffnen (Fail
to Open FTO) nachgeschaltet ist.
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Diese
Konfiguration erlaubt es, Gas dem Verbraucher zu liefern, selbst
wenn der FTO-Regler ausfällt.
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Bei
einem solchen Zustand hält
der FTO-Regler den Gaseinlasskanal offen, wobei dem FTC-Monitor
das Ziel übertragen
wird, den Gasausgabedruck genau zu regeln, welcher hierbei gerade oberhalb
des für
den FTO-Regler gesetzten Druckes gehalten wird, jedoch in jedem
Falle innerhalb der Sicherheitsgrenzen.
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Wenn
der Monitor ausfällt,
wird die Hochdruck-Druckeinlassleitung zu dem Verbraucher geschlossen,
um Unfälle
zu verhindern.
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Ein
bekannter FTO-Druckregler ist in 1 dargestellt
und weist, wie ersichtlich, eine Zuleitung I für das unter hohem Druck stehende
Gas und eine Ausgabeleitung M für
das unter niedrigem Druck stehende Gas auf, ferner einen Regelschieber
O der dazwischen angeordnet ist und den Gasfluss von der Zuleitung
I und damit den Gasabgabedruck steuert.
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Der
Regelschieber O ist gleitend abgestützt von einem Stab A, der mit
einer elastischen Membran E befestigt ist, die zu dem Steuerkopf
T gehört,
in dem die Membrane eine untere Kammer Ci von einer oberen Kammer
Cs trennt, wobei die letztere mit der Ausgabeleitung M verbunden
ist.
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Die
Bewegung des Regelschiebers O wird durch einen Hilfsregler Ra gesteuert,
der einen Einlass V, der mit einer das Gas unter einem Zwischendruck
zwischen Hochdruck und Niederdruck enthaltenden Leitung F verbunden
ist, und einen Auslass U aufweist, der über eine Verbindungsleitung
G mit der unteren Kammer Ci des Steuerkopfes T kommuniziert, die
den Referenzdruck des Reglers R liefert.
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Die
Arbeitsweise des Reglers sieht vor, dass der Schieber O bewegt wird,
um den Gasausgabefluss als Funktion der Differenz zwischen den Gasausgabedruck
und dem Gasreferenzdruck zu verändern,
der in der unteren Kammer Ci vorliegt.
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Um
das System zu kalibrieren, wird der Gasdruck in der unteren Kammer
des Steuerkopfes festgesetzt, und eine Bedienungsperson verstellt
den Hilfsregler Ra so, dass der Schieber stationär verbleibt, wenn der Ausgabedruck
mit dem gewünschten
Druck zusammenfällt.
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Auf
diese Weise arbeitet das System so, dass dann, wenn die auf den
Steuerkopf wirkenden Kräfte
gleich sind, der Schieber stationär verbleibt, während dann,
wenn die durch den Gasausgabedruck ausgeübte Kraft kleiner als der gewünschte Wert
ist, der Schieber öffnet,
wodurch der Fluss des unter hohem Druck stehenden Gases erhöht und damit
der Gasausgabedruck erhöht
wird, bis die beiden gegeneinander gerichteten Drücke wieder
ausgeglichen sind.
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In
umgekehrter Weise wirkt eine Erhöhung des
Gasausgabedruckes auf den Steuerkopf so, dass dem Regelschieber
eine Bewegung zum Schließen
der Zuführleitung
für das
unter hohem Druck stehende Gas mit einer darauf folgenden Verringerung
des Gasausgabedruckes aufgezwungen wird.
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Ein
erster Nachteil des oben erwähnten
Reglers R besteht darin, dass bei einer Änderung der Temperatur die
Gasmenge in der Verbindungsleitung G zwischen dem Hilfsregler Ra
und der unteren Kammer Ci des Steuerkopfes T verändert wird, wodurch eine Änderung
des Gasausgabedruckes verursacht wird.
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Tatsächlich begrenzen
die Leitung G und die untere Kammer Ci ein abgeschlossenes Volumen,
in dem Gas enthalten ist, und es ist wohlbekannt, dass dann, wenn
die Temperatur ansteigt, ebenfalls der gaseigene Druck ansteigt,
sodass falsche Öffnungsbewegung
des Regelschiebers O verursacht wird und damit der Gasabgabedruck
ansteigt.
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Im
Stand der Technik wird, um dieses Problem zumindest teilweise zu
lösen,
vorgesehen, einen in gestrichelten Linien dargestellten Hilfstank
S vorzusehen, der mit der Verbindungsleitung G verbunden ist und
ein Volumen zur der thermischen Dispersion bildet.
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Um
die Probleme weiter zu reduzieren, die von einer Temperaturdrift
stammen, wird im Stand der Technik vorgesehen, die Verbindungsleitung
G und den Hilfstank S thermisch zu isolieren.
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Ein
weiterer Nachteil des beschriebenen Standes der Technik liegt darin,
dass der Druck auf einen solchen Wert ansteigen kann, der gefährlich für die abgeschlossene
Kammer sein kann.
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Um
einen solchen Nachteil zu vermeiden, wird im Stand der Technik vorgesehen,
ein Überdruckventil
D vorzusehen, das in gestrichelten Linien dargestellt und an der
Verbindungsleitung G angeschlossen ist, welches automatisch betätigt wird, wenn
der Gasdruck innerhalb der Leitung G einen vorbestimmten Schwellendruck überschreitet.
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Diese
Lösung
hat jedoch einen weiteren Nachteil in sofern, als dabei Gas in die
Atmosphäre abgelassen
wird, wobei das Risiko eines Feuers oder einer explosionsartigen
Verbrennung gegeben ist und gleichzeitig der wirtschaftliche Verlust
aufgrund des Gasverlustes hinzukommt.
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Ein
weiterer Nachteil der erwähnten
beiden Lösungen
gemäß dem Stand
der Technik liegt darin, dass bei einer Temperaturdrift häufig eine
neue Kalibrierung erforderlich ist.
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Um
die oben erwähnten
Nachteile zu überwinden,
wird im Stand der Technik vorgesehen, einen unterschiedlichen Regler
der FTO-Art gemäß 2 zu
verwenden, der gegenüber
dem vorhergehenden sich durch eine unterschiedliche Rückführung bei dem
Regelventil R unterscheidet.
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Gemäß diesem
System wird insbesondere vorgesehen, ein Verbundventil Va mit einer
Zuleitung Vi für
das unter hohem Druck stehende Gas und zwei Auslasswegen U1 und
U2 zu verwenden: Der erste Weg U1 ist mit der oberen Kammer Cs des
Regelventiles R1 verbunden, während
der zweite Weg U2 mit dem Einlass Pi eines Vorsteuerventiles P verbunden ist.
In dem Vorsteuerventil P ist eine erste Kammer B 1, die mit dem
Einlassweg Pi verbunden ist, und eine zweite Kammer B2 vorgesehen,
die mit einer Ausgabeleitung M für
das unter niedrigem Druck stehende Gas verbunden ist, in der ein
Sperrschieber OP angeordnet ist, der den Zuführweg Pi öffnet oder schließt.
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Die
erste Kammer B1 hat ebenfalls einen Auslassweg U3, der mit der Ausgabeleitung
M über eine
Verbindungsleitung G1 kommuniziert.
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Wesentlich
ist, dass auf die Membran E Kräfte
durch den Druck des unter hohem Druck stehenden Gases und des Gases
in dem Auslass U1 des Verbundventiles Va wirken.
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Die
Arbeitsweise des FTO-Reglers sieht vor, dass dann, wenn der stromabwärtige Druck über den gewünschten
Grenzwert steigt, das Steuerventil P den Einlassweg Pi verschließt, um einen
Gasverlust über
das Verbundventil Va zu verhindern. Dies verursacht ein Hineinfließen des
unter hohem Druck stehenden Gases in die obere Kammer Cs des Steuerkopfes
T und schließt
denEinlassweg I des Regelventiles R, um so den stromabwärtigen Druck
zu erniedrigen.
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Wenn
andererseits der Gasausgabedruck sich erniedrigt, öffnet der
Schieber OP, um ein Hineinfließen
von Gas in die Ausgabeleitung M zu ermöglichen, das von dem Einlassweg
Pi des Vorsteuerventiles P herkommt.
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Dies
ermöglicht
einen Gasverbund in dem Verbundventil Va und damit eine Druckerniederung innerhalb
der oberen Kammer Cs des Steuerkopfes. Demzufolge wird der Schieber
O des Regelventiles R geöffnet,
wodurch der Gasausgabedruck erhöht
wird.
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Ein
Nachteil bei dem beschriebenen Stand der Technik besteht darin,
dass die Regeleinheit und der stromaufwärtige Regler des FTC-Monitors
voneinander unterschiedlich sind, sodass sie keine austauschbaren
Elemente aufweisen und keine gemeinsamen Ersatzteile verwenden können. Daher
muss ein Anwender ein Lager für
eine Vielzahl von Ersatzteilen halten und das Bedienungspersonal
für die Wartung
häufig
und differenziert unterrichten.
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu überwinden.
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Insbesondere
ist es eine erste Aufgabe, einen Druckregler mit Komponenten anzugeben,
die mit Komponenten des stromaufwärtigen Druckreglers des Monitors
nach dem FTC-Typ austauschbar sind.
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Eine
weitere Aufgabe ist es, einen Druckregler anzugeben, der den Gasausgabedruck
konstant hält,
wenn die Arbeitstemperaturen der Regeleinheiten variieren.
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Eine
weitere Aufgabe ist es, einen Regler anzugeben, mit dem die Kalibrierung
leicht ausgeführt werden
kann und nur einmal beim ersten Start des Systems ausgeführt werden
muss.
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Eine
weitere Aufgabe ist es, das Risiko eines Feuers oder einer Verpuffung
aufgrund eines Ansteigens der Temperatur der gesamten Regeleinheit
zu beseitigen.
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Eine
weitere, jedoch nicht unwichtige Aufgabe ist es, einen Regler anzugeben,
der insbesondere einfach anzuwenden und zu installieren ist.
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Die
genannten Aufgaben werden durch einen Gasdruckregler gelöst, der
gemäß dem Hauptanspruch
aufweist:
- – wenigstens
ein Ventil mit einer Zuleitung für
unter Hochdruck stehendes Gas, wenigstens eine Ausgabeleitung für unter
niedrigem Druck stehendes Gas und einen Regelschieber für den Gasausgabefluss,
der gleitend gehalten ist durch einen Stab, welcher an einer elastischen
Membran befestigt ist, die zu einem Steuerkopf des Ventils gehört und in
dem Ventil eine obere Kammer und eine untere Kammer definiert;
- – wenigstens
ein Vorsteuerventil zur Kontrolle der Bewegung des Regelschiebers,
wobei dieses Vorsteuerventil eine erste Kammer definiert mit einem
Einlassweg, einem ersten Auslassweg, der mit der Ausgabeleitung
kommuniziert, sowie eine zweite Kammer, die mit der Ausgabeleitung
verbunden ist, in welcher sich der Körper eines Sperrschiebers zum Öffnen oder
Schließen
des Einlassweges befindet;
wobei dieser Regler dadurch
gekennzeichnet ist, dass die erste Kammer wenigstens einen zweiten Auslassweg
aufweist, der mit der unteren Kammer kommuniziert, und dass die
obere Kammer und der Einlassweg miteinander verbunden sind über eine Zusatzleitung,
die Gas mit einem mittleren Druck Pm zwischen dem hohen Druck Pa
und dem niedrigen Druck Pb enthält.
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Vorteilhafterweise
erlaubt es der Regler gemäß der Erfindung,
in die Ausgabeleitung das überschüssige Gas
mit hohem Druck, das innerhalb der Vorsteuerleitung sich entwickelt,
einzuleiten.
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Die
erwähnten
Aufgaben und Gegenstände werden
aus der folgenden Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispieles
verständlicher,
welches beispielhaft und nicht beschränkend ist, und zwar in Verbindung
mit der begleitenden Zeichnung, in der:
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1 ein
schematischer Querschnitt eines Reglers gemäß dem Stand der Technik ist;
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2 ein
schematischer Querschnitt eines weiteren Reglers gemäß dem Stand
der Technik ist;
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3 ein
schematischer Querschnitt eines Reglers gemäß der vorliegenden Erfindung
ist;
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4 und 5 Querschnitte
eines Details der Einheit in 3 in zwei
unterschiedlichen Arbeitspositionen sind;
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6 und 7 Querschnitte
eines weiteren Details der Einheit in 3 in zwei
verschiedenen Arbeitspositionen sind;
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8 ein
Querschnitt eines weiteren Elementes der Einheit in 3 ist.
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Der
Regler gemäß der Erfindung
ist in 3 gezeigt und dort allgemein mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet;
der Regler weist ein Ventil 2 mit einer Zuleitung 3 für das unter
hohem Druck stehende Gas Pa auf, eine Ausgabeleitung 4 für das unter
niedrigem Druck stehende Gas Pb und einen Regelschieber, der allgemein
mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnet ist, um den Gasausgabedruck
zu reduzieren und zu regeln. Der Schieber 5 ist gleitend
durch einen Stab 6 gehalten, der mit einer elastischen
Membran 7 verbunden ist, die zu dem Steuerkopf 8 des
Reglers 2 gehört.
Die Membran trennt innerhalb des Kopfes 8 eine obere Kammer 9 von
einer unteren Kammer 10, wobei letztere über ein
Rohr 10a mit einem ersten Auslassweg 11 eines
Vorsteuerventiles 12 zur Steuerung der Bewegung des Schiebers 5 verbunden
ist.
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Das
Vorsteuerventil 12, das im Detail in den 6 und 7 gezeigt
ist, dient zur Steuerung der Bewegung des Regelschiebers 5 und
weist eine erste Kammer 13 mit einem ersten Einlass 14,
einen ersten Auslass 18, der mit der Ausgabeleitung 4 kommuniziert,
und eine zweite Kammer 16 auf, die mit der Ausgabeleitung 4 verbunden
ist.
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Näher gesagt
ist in der zweiten Kammer 16 der Körper eines Absperrschiebers
angeordnet, der mit dem Bezugszeichen 17 versehen und ausgelegt ist,
um den Einlass 14 zu öffnen
und zu schließen,
um es dem aus der Hilfsleitung 15 kommenden Gas zu gestatten,
in die erste Kammer 13 einzutreten.
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Gemäß der Erfindung
ist vorgesehen, dass die erste Kammer 13 einen zweiten
Auslass 11 aufweist, der über ein Rohr 10a mit
der unteren Kammer 10 kommuniziert, wobei die obere Kammer 9 und
der Einlass 14 miteinander durch ein Rohr 9a mit
einer Hilfsleitung 15 verbunden sind, die Gas bei einem Zwischendruck
Pm zwischen dem hohen Druck Pa und dem niedrigen Druck Pb enthält.
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Näher gesagt
ist der Regelschieber 5, der im Detail in 5 gezeigt
ist, in einer Kammer 20 angeordnet, die auf der Haube 2a des
Reglers 2 angeordnet ist und eine zylindrische bewegliche
Drossel 21 aufweist, die mit dem Stab 6 verbunden
ist und mit einer elastischen Einrichtung, die aus einer Schraubenfeder 22 besteht,
zusammenarbeitet, so dass der Schieber elastisch beweglich längs der
vertikalen Richtung, die mit dem Bezugszeichen 23 angegeben ist,
verschoben werden kann, um einen Fluss des unter hohem Druck stehenden
Gases Pa zu der Ausgabeleitung 4 zu erlauben oder zu unterbinden.
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Wie
bereits erwähnt,
wird die vertikale Bewegung des Schiebers durch die elastische Membran 7 gesteuert,
die in dem Steuerkopf 8 angeordnet und zwischen zwei Scheiben 71 und 72 eingeschlossen ist,
auf die der Zwischendruck Pm beziehungsweise der Vorsteuerdruck
Pp wirken.
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Wenn
tatsächlich
die Kraft, die durch das Gas bei dem Druck Pm auf die obere Scheibe 71 wirkt,
größer ist
als die Summe der Kraft, die von dem Gas bei dem Druck Pp und die
elastische Kraft durch die Feder 22 erzeugt wird, wird
die zylindrische Drossel 21 abwärts geschoben, wie dieses im
Detail in 4 gezeigt ist, sodass der Fluss
von unter hohem Druck stehenden Gas Pa in die Ausgabeleitung 4 verhindert
wird.
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Wenn
andererseits die Summe der durch das Gas bei dem Druck Pp ausgeübten Kraft
und der elastischen Kraft der Feder kleiner ist als die durch das
Gas bei dem Druck Pm ausgeübte
Kraft, bewegt sich die Drossel 21 aufwärts in die in 5 gezeigte Position,
sodass der Fluss eines unter hohem Druck stehenden Gases Pa in die
Ausgabeleitung 4 erlaubt wird.
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Hinsichtlich
des bereits erwähnten
Körpers des
Absperrschiebers 17, der im Detail in den 6 und 7 dargestellt
ist, ist dieser in einer zweiten Kammer 16 angeordnet,
die durch das Gehäuse 12a des
Vorsteuerventiles 12 begrenzt ist, und weist eine schwingende
Einheit 17a auf, die in der Kammer 16 vertikal
beweglich ist und mit dem Körper 12a über zwei
ringförmige
elastische Membranen 32 und 33 verbunden ist.
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An
dem oberen Ende ist der Körper
durch obere elastische Einrichtungen aus einer Schraubenfeder 34 und
am unteren Ende durch untere elastische Einrichtungen aus einer
zweiten Schraubenfeder 31 gehalten, deren Kompressionskraft über eine Stellschraube 35 einstellbar
ist, um auf diese Weise die auf den Schieberkörper 17 wirkende Kraft
verändern
zu können.
Dieser Körper
hat auch ein Kissen 30, das einen dichten Verschluss gewährleistet, wenn
die durch den Druck Pb des Ausgabegases in der Kammer 16 ausgeübte Kraft
größer ist
als die Kraft, die durch die Schraubenfeder 31 erzeugt
wird.
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Wesentlich
ist, dass in dem ersten Weg 18 eine Engstelle 18b vorhanden
ist, die einen Gasfluss aus der ersten Kammer 13 zu der
Ausgabeleitung 14 in dem Falle erlaubt, wenn der Druck
Pp überdurchschnittlich
ansteigt, zum Beispiel wegen des Anstieges der Temperatur der Leitung 10a.
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Eine
Konstruktionsvariante kann unterschiedlich von der vorherigen sein,
indem eine Engstelle 18 in der Leitung 18a anstatt
in dem Auslass 18 vorgesehen ist.
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Für eine korrekte
Arbeitsweise des Vorsteuerventiles 12 ist es notwendig,
eine Kalibrierung durch Verstellen der Schraube 35 auszuführen, sodass
der Einlass 14 durch den Schieber 17 unterbrochen
wird, wenn der Druck Pb innerhalb der zweiten Kammer 16 mit
dem vorbestimmten Wert des Ausgabedruckes Pb zusammenfällt.
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Auf
diese Weise verursacht ein mögliches Absinken
des Druckes Pb innerhalb der Kammer 16 aufgrund eines größeren Bedarfes
der Ausgabe von Gas ein Öffnen
des Einlasses 14 und erlaubt den Eintritt von Gas bei dem
Zwischendruck Pm in die erste Kammer 13.
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Da
der Druck Pm immer größer ist
als der Druck Pb, ist der Druck Pp des Gases in dem Auslassweg 11 im
Wesentlichen gleich dem Druck Pm, und Gas in der Kammer 13 kann
durch die Engstelle 18b zu der Ausgabeleitung 4 strömen.
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Daher
verursacht ein Absinken des Druckes Pb des abgegebenen Gases ein
Abfließen
von Gas über
die Leitung 10a mit einem Druck Pp, der im Wesentlichen
gleich dem Druck Pin ist, der, wenn er die untere Kammer 10 des
Steuerkopfes 8 erreicht, ein Öffnen des Regelschiebers 5 und
in Folge ein Ansteigen des Druckes Pb des abgegebenen Gases verursacht.
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Andererseits
wird ein Ansteigen des Druckes Pb des abgegebenen Gases das Gas,
das in dem Auslassweg 11 enthalten ist, auf einem Druck
Pp halten, der gleich dem Druck des abgegebenen Gases Pb ist, der,
sobald erdie untere Kammer 10 des Steuerkopfes erreicht,
niedriger ist als der Druck Pm, der oberhalb der Membran herrscht,
und ein Schließen des
Regelschiebers 5 und in Folge dessen ein Absinken des Druckes
Pb des abgegebenen Gases verursacht.
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Es
sei ausdrücklich
bemerkt, dass ein möglicher
Anstieg der Temperatur des gesamten Reglers 1 und insbesondere
der Leitung 10a, die die erste Kammer 13 und die
untere Kammer 10 verbindet, keine Veränderung des Druckes Pb des
abgegebenen Gases nach sich zieht.
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In
dem Falle eines Anstieges der Temperatur des Gases in der Leitung 10a erfolgt
nämlich
in der Leitung 10a ein Anstieg des Druckes Pb, der durch das
Volumen des stromabwärtigen
Gases durch einen spontanen Leckfluss durch die Engstelle 18b absorbiert
wird.
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Auf
diese Weise wird kein Gas in die Atmosphäre abgelassen, wie dieses bei
dem Stand der Technik erfolgt.
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Darüber hinaus
reduziert die Erfindung auch die Kosten, die durch dem Gasverlust
beim Stand der Technik auftreten, da ein Gasleckfluss immer dem Verbraucher
angerechnet wird.
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Hinsichtlich
der Hilfsleitung 15, die Gas bei einem Zwischendruck Pm
führt,
ist diese Leitung mit dem Auslass eines Hilfsreglers verbunden,
der mit dem Bezugszeichen 40 in 3 bezeichnet
und im Detail in 8 dargestellt ist.
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Der
Regler 40, der als Typ per sé bekannt ist, veranlasst
ein Schließen
des Sicherheitsventiles 41, wenn der Druck Pm in der Hilfsleitung 15 einen Schwellenwert übersteigt,
der bei der Kalibrierung des Reglers 40 festgesetzt wurde.
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Insbesondere
wird ein übermäßiges Absinken
der Differenz der Drücke
zwischen Pm und Pb ein Öffnen
des Sicherheitsventiles 41 veranlassen, sodass Gas von
der Einlassleitung 3 zur Leitung 15 angegeben
wird.
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Auf
diese Weise wird die Differenz der Druckwerte Pm und Pb stets innerhalb
eines gewünschten Intervalles
gehalten, sodass die Membran 7 des Steuerkopfes 8 im
Falle von falschen Manipulationen, einem Leckfluss oder einem Temperaturanstieg, nicht
beschädigt
wird.
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Aus
dem Vorhergehenden ist es klar, dass die Erfindung die beabsichtigten
Aufgaben löst.
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Obwohl
die Erfindung in Zusammenhang mit den anhängenden Zeichnungsblättern beschrieben wurde,
können
in der Konstruktion mögliche
Modifikationen vorgenommen werden, die in den Gegenstand der Erfindung
fallen und daher berücksichtigt werden
müssen,
soweit sie durch das vorliegende Patent entsprechend den anhängenden
Ansprüche abgedeckt
sind.