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HINTERGRUND
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen eigensichere Ventile
und insbesondere Ventile, die ein Piezo-Element verwenden, das mit
einer minimalen elektrischen Energie betrieben wird.
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Viele
Industriezweige benutzen und/oder produzieren entflammbare Chemikalien.
Diese Industriezweige müssen
besondere Vorsicht walten lassen, um ein Entzünden dieser Chemikalien zu
vermeiden, um Brände
oder Explosionen zu verhindern. Steuerungssysteme für Chemikalien
erfordern einen erheblichen Aufwand, um das Entzündungspotential dieser Chemikalien
zu minimieren. Steuerungssysteme für Chemikalien sind typischerweise
so ausgelegt, daß Lichtbogenbildung
und Funken, die oft eine Folge des Verbindens und Trennens von elektrischen Schaltkreisen
sind, minimiert werden. Zur Zeit verwenden solche Steuerungssysteme
für Chemikalien kostspielige
Verkabelungen und Schaltelemente, um dieses Ziel zu erreichen.
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Ein
besonderes Beispiel für
ein solches Steuerungssystem für
Chemikalien verwendet Magnetventile, um ein Ventilelement zur Steuerung
des Durchflusses von entflammbaren Chemikalien zu verstellen. Ein
Beispiel aus dem Stand der Technik ist in der
US-5706852 offenbart. Bestehende Systeme setzen
teure funkenarme Installationen ein. Diese Installationen umfassen
funkenlose Verkabelungen und funkenlose Schalter, die wegen der
erheblichen Abschirmung und Abdichtung der Schalter teuer sind.
Obwohl diese Schalter typischerweise auf Signalspannungsniveau statt
auf einem höheren
Arbeitsspannungsniveau betrieben werden, können kleinste Funken in einer
hoch entflammbaren Umgebung zu extrem gefährlichen Situationen führen.
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Es
besteht deshalb ein Bedarf an eigensicheren Ventilen, die die Gesamtkosten
für Ventile
in einem Steuerungssystem für
Chemikalien senken.
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Aus
der
JP 08-226402 ist
ein Ventilregler bekannt, um den Öffnungsgrad eines Steuerventils
zu bestimmen. Der Ventilregler umfasst ein Steuerteil, ein Positionsteil
und eine Batterie. Der Steuerteil umfasst eine Schnittstelle, einen
Mikroprozessor, einen D/A-Wandler, einen elektrisch-pneumatischen
Wandler, einen Rückstellhebel,
einen Winkelmesser und einen A/D-Wandler. Der elektrisch-pneumatischer Wandler
erhält
einen pneumatischen Druck und weist eine piezo-elektrische Prallplatte,
eine Düse
und ein Pilotventil auf.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß der Lehre
der vorliegenden Erfindung wird ein Ventilsystem offenbart, das
ein Niedrigvolt-Element, wie z. B. ein Piezo-Element, zur Aktivierung
eines Fluidströmungsventils
verwendet, so daß eine
minimale Menge an elektrischer Energie gebraucht wird. Das Piezo-Element
aktiviert ein Steuerdruckventil, das es ermöglicht, daß ein Steuerfluid zu einem
Hauptsteuerventil gelangt. Das Steuerfluid bewirkt, daß das Hauptsteuerventil
eine pneumatische drehbare Stelleinheit aktiviert, welche wiederum
das Fluidströmungsventil
ansteuert. Eine Schaltungsanordnung wird eingesetzt, um das Piezo-Element
zu aktivieren. Die Schaltungsanordnung kann verschiedene Arten von
Schaltvorrichtungen umfassen, wie zum Beispiel RF-Schaltvorrichtungen,
optische Schaltvorrichtungen, Infrarot-Schaltvorrichtungen und elektrische
Schaltvorrichtungen auf Niedrigvoltbasis, damit das Ventil von einer
entfernten Stelle aus gesteuert werden kann.
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Für ein besseres
Verständnis
der Erfindung, ihrer Aufgaben und Vorteile sollten die folgende
Beschreibung und die beiliegenden Zeichnungen herangezogen werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Zeichnungen, die einen Bestandteil der Beschreibung darstellen,
sollen zusammen mit dieser gelesen werden, wobei gleiche Bezugsziffern
verwendet werden, um identische Komponenten in den verschiedenen
Ansichten zu bezeichnen.
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1 ist
ein schematisches Blockschaltbild eines eigensicheren Ventils, das
durch ein RF-Signal aktiviert wird;
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2 ist
ein schematisches Blockschaltbild eines eigensicheren Ventils, das
durch ein optisches Signal aktiviert wird;
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3 ist
ein schematisches Blockschaltbild eines Schaltungssystems für eine Ventilanordnung, die
eine optische Schaltervorrichtung verwendet;
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4 ist
ein schematisches Blockschaltbild eines Schaltungssystems für eine Ventilanordnung, die
gemäß einer
Ausführung
der vorliegenden Erfindung eine optische Schaltervorrichtung benutzt;
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5 ist
ein schematisches Blockschaltbild eines Schaltungssystems für eine Ventilanordnung, bei
der eine optische Schaltervorrichtung verwendet wird;
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6 ist
ein schematisches Blockschaltbild eines Schaltungssystems für eine Ventilanordnung, bei
der eine Optokoppler-Schaltervorrichtung eingesetzt wird; und
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7 ist
ein schematisches Blockschaltbild eines Schaltungssystems für eine Ventilanordnung, bei
der eine Infrarot-Schaltervorrichtung benutzt wird.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGEN
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1 ist
eine Draufsicht auf ein eigensicheres Ventilsystem 10.
Das Ventilsystem 10 umfaßt eine Ventilaktivierungsanordnung 12,
einen Fernübertrager 14,
ein Ar beitselement 16 sowie ein Fluidventil 18.
Der Fernübertrager 14 strahlt
ein Signal 24 über
eine Antenne 26 ab, das von einer Antenne 30 aufgenommen
wird, die mit der Ventilanordnung 12 verbunden ist. In
dieser Ausführung
ist das Signal 24 ein RF-Signal, aber, wie nachstehend detaillierter
erörtert
wird, können
auch andere Signale, wie z. B. optische Signale, Infrarotsignale
und Niedrigvoltsignale verwendet werden. Das Signal 24 kann
durch den Fernübertrager 14 kodiert
werden, so daß nur
eine spezielle Ventilanordnung 12 in Reaktion auf das Signal 24 betätigt wird.
Auf diese Weise kann die Ventilanordnung 12 so ansprechbar
sein, daß eine
spezielle Ventilanordnung 12 von anderen Ventilanordnungen
unterscheidbar ist. Wenn die Ventilanordnung 12 das Signal 24 erhält, aktiviert
es das Arbeitselement 16, welches das Fluidventil 18 in
Abhängigkeit
von seinem Normalzustand öffnet
oder schließt.
Das Ventil 18 steuert den Durchfluß von Chemikalien zwischen
einer ersten Seite 20 und einer zweiten Seite 22.
Bei dem Ventil 18 kann es sich um jede beliebige Art von
Betätigungsventil
handeln, das bei Niederspannung betrieben wird. Insbesondere kann
das Ventil 18 jede beliebige Betätigungsvorrichtung sein, die
aus dem hier beschriebenen System Nutzen ziehen kann.
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Der
Empfänger 28 umfaßt einen
Detektor, der das Signal 24 von der Antenne 30 erfaßt. Eine Batterie 32 führt dem
Empfänger 28 elektrische
Energie zu. Der Empfänger 28 umfaßt einen
kontaktlosen Schalter 34, der auf das von der Antenne 30 kommende
Signal 24 anspricht. Wenn der Fernübertrager 14 das Signal
kodiert, reagiert der kontaktlose Schalter 34 nur dann,
wenn der Empfänger 28 der
korrekt angesprochene Empfänger
ist.
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Mittels
des kontaktlosen Schalters 34 gibt der Empfänger 28 ein
elektrisches Signal an ein Schaltventil 36. Das Schaltventil 36 umfaßt eine
Piezo-Schalteranordnung 38, die an einem Ventilkörper 40 des
Ventils 36 angebracht ist. Die Schalteranordnung 38 umfaßt ein Piezo-Element,
dessen Gefügekonfiguration
sich in Reaktion auf eine Spannung ändert, wie es in der Technik
hinreichend bekannt ist. Das Piezo-Element kann jedes beliebige
Piezo-Element sein, das für
die hier beschriebenen Zwecke geeignet ist. In alternativen Ausführungen
kann es sich bei dem Piezo-Element um andere Arten von Niedrigvolt-Elementen
handeln, die für
die hier beschriebenen Zwecke geeignet sind, wie zum Beispiel jene,
die Biegeelement-Technologie ver wenden, z. B. keramische Elemente.
Das Ventil 36 ist ein Ventil mit zwei Stellungen, das Eingangsluft
bei einem Vorsteuerdruck zu einer Vorsteuerleitung 42 liefert.
Die Anordnung 38 umfaßt
ein (nicht dargestelltes) Auslenkblech, welches bei Anlegen einer
Spannung ausgelenkt wird. Die Auslenkung des Auslenkblechs gibt eine
kleine Öffnung
frei, die es erlaubt, daß die
Vorsteuerleitung 42 mit unter Vorsteuerdruck befindlicher
Luft beaufschlagt werden kann, mit der dann ein Haupt-Kolbenventil
oder Tellerventil 44 versorgt wird. Vorzugsweise ist das
Schaltventil 36 als handelsübliches Ventil ausgeführt.
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Das
Hauptventil 44 steuert das Beaufschlagen des Arbeitselements 16 mit
Eingangsluft und deren Auslaß.
Insbesondere wenn der Vorsteuerdruck von der Vorsteuerleitung 42 wirkt,
beaufschlagt das Hauptventil 44 das Arbeitselement 16 mit
Eingangsluft, um es zu verstellen. Das Arbeitselement 16 kann als
pneumatische drehbare Stelleinheit für das Ventil 18 ausgeführt sein.
Dementsprechend kann das Ventil 18 als Klappenventil ausgeführt sein,
so daß eine Verstellung
des Arbeitselements 16 das Ventil 18 öffnet und
schließt.
Bei Wegfall des vom Empfänger 28 produzierten
elektrischen Signals schaltet das Schaltventil 36 die Versorgung
der Vorsteuerleitung 42 mit Vorsteuerdruck ab. Dadurch
wird das Hauptventil 44 in eine nicht-betätigte Position
gefahren, die das Arbeitselement 16 in seine Ausgangsposition verschiebt,
wodurch das Ventil 18 geschlossen wird.
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2 zeigt
ein eigensicheres Ventilsystem 50. Das Ventilsystem 50 ist ähnlich wie
das Ventilsystem 10 angeordnet und es werden gleiche Bezugsziffern
für gleiche
Bauteile verwendet. Diese gleichen Bauteile werden anhand von 2 nicht
beschrieben, da sie so arbeiten, wie unter Bezugnahme auf 1 dargelegt.
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Von
besonderem Interesse im System 50 ist die Betätigungsmethode,
um das Schaltventil 36 zu betreiben. Insbesondere ersetzt
ein optisches Betätigungssystem 52 den
Fernübertrager 14 und
den Empfänger 28 des
Systems 10. Das System 52 umfaßt einen faseroptischen Schalter 54,
der ein optisches Signal in einem Lichtwellenleiterkabel 56 produziert.
Das Lichtwellenleiterkabel 56 legt das optische Signal
an einen faseroptischen Sensor 58 an. Der faseroptische
Sensor 58 wandelt das optische Signal von Schalter 54 in
eine Spannung um, um die Anordnung 38 des Schalt ventils 36 zu
betreiben. Der faseroptische Sensor 58 gibt das elektrische
Signal an die Leiterkabel 60 ab.
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Die
oben beschriebenen Ausführungen
bieten mehrere Vorteile. In konventionellen Systemen, bei denen
ein Betriebsschalter entfernt von dem eigentlichen Ventil angeordnet
ist, muß ein
elektrischer Leiter zwischen dem Schalter und dem Ventil vorgesehen
sein. Die Verlegung dieser elektrischen Leiter kann sowohl zeit-
als auch materialaufwendig sein, da eigensichere Systeme eine explosionsgeschützte Verkabelung
erfordern. Die vorliegende Erfindung beseitigt die Notwendigkeit,
die elektrischen Leiter zu verlegen, weil der Fernübertrager 14 und
der Empfänger 28 nur
elektromagnetisch miteinander in Verbindung stehen müssen, ohne
direkt durch elektrische Leiter verbunden zu sein. Auf diese Weise
bietet die vorliegende Erfindung eine beträchtliche Kostenersparnis.
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Darüber hinaus
beseitigt der Einsatz eines Piezo-Elements und des Schaltventils 36 die
Möglichkeit
zur Lichtbogenbildung, die durch das Verbinden und Trennen von elektrischen
Schaltern entsteht. Nur eine minimale Menge an elektrischer Energie
ist erforderlich, um das Schaltventil 36 zu betätigen, wodurch
ein eigensicheres Ventilsystem bereitgestellt wird. Da ferner der
Empfänger 28 und
die Anordnung 38 nur eine minimale Energiemenge benötigen, verfügt die Batterie 32 über eine
beträchtliche Lebensdauer,
um das Ventilsystem 10 über
eine längere
Zeitdauer zu betreiben. Bezüglich 2 kann die
Batterie 32 entfallen, weil das optische Signal eine genügend hohe
Spannung für
den Betrieb der Anordnung 38 liefert.
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3 ist
ein schematisches Blockschaltbild eines Ventilschaltungssystems 70,
das bestimmte Schaltvorrichtungen der Ventilsysteme 10 und 50, wie
aus der vorliegenden Erörterung
hervorgeht, ersetzen kann. Vornehmlich kann das Ventilschaltungssystem 70 den
Fernübertrager 14 und
den Empfänger 28 im
System 10 und den optischen Schalter 54 und den
faseroptischen Sensor 58 in System 50 ersetzen.
Das Schaltventil 36, das Hauptventil 44, das Arbeitselement 16 sowie
das Fluidventil 18 arbeiten dabei in der gleichen Weise
wie oben beschrieben. Das System 70 umfaßt eine
Steuertafel 72, die das Piezo-Element innerhalb der Anordnung 38 steuert.
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Das
Ventil 18 wird durch ein optisches Signal von einer Lichtquelle 74 geöffnet oder
geschlossen, je nachdem, welches seine normale Position ist. Die Lichtquelle 74 kann
jede selektiv aktivierte Lichtquelle sein, die für die hier beschriebenen Zwecke
geeignet ist. Das von der Lichtquelle 74 erzeugte optische Signal
breitet sich entlang von Lichtleitern 76 aus, die in einem
Faserbündel 78 angeordnet
sind. Das gegenüberliegend
der Lichtquelle 74 von den Enden der Fasern 76 ausgestrahlte
Licht wird von einer Mehrzahl von Solarzellen 80 aufgenommen,
die in einer Zellenreihe 82 angeordnet ist. Die Solarzellen 80 wandeln
die optische Energie in ein elektrisches Signal um, das auf Leitung 84 zur
Verfügung
gestellt wird. Das elektrische Signal auf Leitung 84 wird
von einer Gleichstromwandlerschaltung 86 verstärkt, um den
Signalpegel so zu verstärken,
daß er
für eine
bestimmte Anwendung geeignet ist. In dieser Ausführung verstärkt die Gleichstromwandlerschaltung 86 den
Signalpegel auf 7,5 Volt. Die Wandlerschaltung 86 wird
als nicht einschränkendes
Beispiel dargestellt, in dem Sinne, daß jede beliebige Verstärkerschaltung
verwendet werden kann, die für
die hier beschriebenen Zwecke geeignet ist. Das verstärkte elektrische
Signal auf Leitung 84 wird anschließend zur Steuertafel 72 gesendet,
die das Piezo-Element aktiviert, um das Schaltventil 36 in
der Weise zu schalten, wie es oben beschrieben ist. Die Solarzellen 80,
die Wandlerschaltung 86 und die Steuertafel 72 könnten Bestandteile
der Anordnung 38 sein.
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4 zeigt
ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Ventilschaltungsanordnung 92,
die eine Variante der vorstehend erörterten Anordnung 70 darstellt.
Die Schaltungsanordnung 92 speist eine Steuertafel 94,
um das Piezo-Element
innerhalb der Anordnung 38 zu steuern. In dieser Ausführung wird
ein 1,2-Volt-Signal
verwendet, um das Piezo-Element zu steuern. Das System 92 findet
insbesondere dort Anwendung, wo eine einzelne Lichtquelle viele
Niedrigvolt-Ventilanordnungen versorgt,
wobei ein separates optisches Signal mit geringer Energie verwendet
wird, um jedes einzelne Ventil unabhängig zu steuern.
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In
dieser Ausführung
stellt eine Lichtquelle 96 ein optisches Signal auf einer
Mehrzahl von Lichtleitern 98 und 100 bereit, wobei
der Lichtleiter 98 die Steuertafel 94 versorgt
und das Lichtwellenleiterkabel 100 eine weitere (nicht-dargestellte)
Ventilschaltungsanordnung versorgt. Die Lichtquelle 96 kann jede
beliebige Lichtquelle sein, die in der Lage ist, optische Signale
einer Mehrzahl von Schaltungsanordnungen, die mit denen der vorliegenden
Erörterung übereinstimmen,
zur Verfügung
zu stellen. Die Lichtquelle 96 steuert zwei separate Ventilschaltungssysteme
in dieser Ausführung,
aber, wie der Fachmann versteht, kann eine größere Anzahl von mit der Lichtquelle 96 verbundenen
Lichtwellenleitern vorgesehen sein, um eine größere Anzahl von Ventilschaltungsanordnungen
zu steuern. Die Lichtquelle 96 ist so eingestellt, daß jeder
beliebigen der Mehrzahl von Ventilschaltungsanordnungen, die gerade
optische Energie benötigt,
diese optische Energie kontinuierlich zur Verfügung steht.
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Das
optische Signal auf Lichtleiterkabel 98, das entgegengesetzt
der Lichtquelle 96 aus einem Ende des Kabels 98 austritt,
wird von einer Mehrzahl von Solarzellen 104 aufgefangen,
die in einer Solarzellenreihe 106 angeordnet ist. Die Solarzellen 104 wandeln
die Lichtenergie in elektrische Energie um, die auf Leitung 108 zur
Verfügung
steht. Eine Photodiode 110 ist in der elektrischen Leitung 108 vorgesehen
und ist leitend, wenn sie ein optisches Signal erhält. Wenn
das Ventil 18 angesteuert werden soll, wird ein Lichtwellensender 112,
wie zum Beispiel eine LED, aktiviert, um ein optisches Signal über ein Lichtwellenkabel 114 bereitzustellen.
Die Photodiode 110 erhält
das Licht von einem Ende des Kabels 114, das dem Sender 112 gegenüberliegt,
und ist leitend, so daß das
von den Solarzellen 104 erzeugte elektrische Signal die
Steuertafel 94 aktiviert. Die Steuertafel 94 wiederum
aktiviert das Piezo-Element
in der Anordnung 38, um das Schaltventil 36 anzusteuern, wie
oben erörtert.
Die Solarzellen 104, die Photodiode 110 und die
Steuertafel 94 können
Bestandteile der Anordnung 38 sein.
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5 zeigt
ein schematisches Blockschaltbild eines weiteren Ventilschaltungssystems 120 zur Aktivierung
des Ventils 18 in der hier erörterten Weise. Das System 120 umfaßt eine
Steuertafel 122, die mit einem 1,2-Volt-Signal betrieben
wird, um das Piezo-Element in der Anordnung 38 zu aktivieren.
Das Schaltungssystem 120 umfaßt eine optische Senderschaltung 124,
die einen handbetätigten
Schalter 126, eine Gleichspannungsquelle 128,
zum Beispiel eine 9-Volt-Gleichspannungsquelle,
sowie einen Lichtwellensender 130, wie z. B. ein LED, aufweist. Wenn
der Schalter 126 geschlossen ist, bewirkt die von der Gleichspannungs quelle 128 bereitgestellte Spannung,
daß der
Sender 130 Licht entlang des Lichtwellenkabels 132 überträgt.
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Das
System 120 umfaßt
ferner eine Schalteranordnung 136, die eine Gleichspannungsquelle 138,
wie beispielsweise eine 1,5-Volt-Gleichspannungsquelle, sowie eine
Photodiode 140 enthält. Wenn
die Photodiode 140 von einem Ende des Lichtwellenkabels 132 auf
der dem Sender 130 gegenüberliegenden Seite Licht erhält, ist
sie leitend, wodurch die Gleichspannung von der Gleichspannungsquelle 138 die
Steuertafel 122 mit Energie versorgt. Wie zuvor, aktiviert
die Steuertafel 122 das Piezo-Element in der Anordnung 38,
die das Schaltventil 36 steuert. Die Schalteranordnung 136 und
die Steuertafel 122 können
Bestandteile der Anordnung 38 sein.
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Gemäß einer
weiteren Niedrigvoltanwendung zeigt 6 ein schematisches
Blockschaltbild eines Ventilschaltungssystems 144, das
eine Steuertafel 146 enthält, die identisch ist mit Steuertafel 122, und
eine Schalteranordnung 148, die ähnlich ist zur Schalteranordnung 136.
Die Schalteranordnung 148 umfaßt eine Gleichspannungsquelle 150 und
einen Optokoppler 152, der die Photodiode 140 ersetzt.
Der Optokoppler 152 empfängt ein Niedrigvoltsignal von einer
geeigneten Spannungsquelle 154, das den Optokoppler 152 leitend
macht und die Steuertafel 146 mit Energie versorgt.
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7 zeigt
ein schematisches Blockschaltbild eines Ventilschaltungssystems 158,
das eine Steuertafel 160 enthält, die identisch ist mit den
vorgenannten Steuertafeln 122 und 146, sowie eine Schalteranordnung 162,
die ähnlich
ist zu den Schalteranordnungen 136 und 148. Die
Schalteranordnung 162 weist eine Gleichspannungsquelle 164,
einen Kondensator 166 sowie eine Infrarotquelle 168 auf.
Ein Niedrigvoltsignal wird an die Infrarotquelle 168 angelegt,
wodurch der Kondensator 166 leitend wird, was wiederum
die Steuertafel 160 mit Energie versorgt.
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Obwohl
die Erfindung in ihrer derzeit bevorzugten Form beschrieben wird,
versteht es sich, daß es
zahlreiche Anwendungen und Implementierungen für die vorliegende Erfindung
gibt. Dementsprechend kann die Erfindung Modifikationen und Änderungen unterliegen,
ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen, wie sie in den anlie genden
Ansprüchen
dargelegt ist.