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Elektrische Regeleinrichtung Die Erfindung betrifft eine elektrische
Regeleinrichtung zur Regelung des Wertes einer physikalischen Größe (Temperatur,
Druck, Durchflußmenge od. dgl.) auf einen vorgegebenen Wert durch Überwachung der
Abweichung der physikalischen Größe von diesem Sollwert.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt diese Regeleinrichtung Mittel
zur Erzeugung eines dem Regelwert proportionalen elektrischen Stromes, Mittel zur
Verstärkung dieses Stromes und ein drehbar gelagertes Strahlrohr, das sowohl durch
eine in dem Ausgangskreis des Verstärkers liegende elektromagnetische Einrichtung
als auch durch eine Federkraft beeinflußt ist, wobei die elektromagnetische Einrichtung
bestrebt ist, das Strahlrohr in der einen Richtung zu bewegen, und die Federkraft
bestrebt ist, es in der entgegengesetzten Richtung zu bewegen. Die Anordnung ist
hierbei so getroffen, daß im Gleichgewichtszustand das Strahlrohr sich in seiner
Mittellage befindet, in welcher der aus dem Rohr strömende Strahl gleiche Flächen
der nebeneinanderliegenden Öffnungen bedeckt, die jeweils zu den gegenüberliegenden
Seiten eines Kolbens führen, welcher wenigstens einen der den Wert der zu regelnden
physikalischen Größe beeinflussenden Faktoren regelt.
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Bei verhältnismäßig langsamer Ansprechgeschwindigkeit des Vorganges
ist es empfehlenswert, in das Gerät eine vom Kolben gesteuerte Rückführeinrichtung
einzubauen, die der von der elektromagnetischen Einrichtung auf das Strahlrohr ausgeübten
Kraft
entgegenwirkt, und zwar durch eine dem Zeitintegral derÄnderung
der geregelten physikalischen Größe proportionale Kraft. Die Rückführeinrichtung
wirkt vorteilhaft so, daß sie proportional dem Zeitintegral, bezogen auf die Änderung
der physikalischen Größe, den Strom verringert, der die elektromagnetische Einrichtung
speist, und der steigt oder fällt, je nachdem die physikalische Größe (Temperaturdruck,
Durchflußmenge od. dgl.) steigt oder fällt.
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In den Fig. i bis 4 der Zeichnung sind vier Ausführungsbeispiele der
Erfindung in schematisierter Darstellung wiedergegeben.
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Fig. i zeigt eine Einrichtung zur elektrischen Regelung der Heizleistung
eines Erhitzers in Abhängigkeit von der Temperaturänderung des Stoffes, der geheizt
wird; Fig. 2 zeigt die Einrichtung entsprechend der Fig. i, mit einer Rückführeinrichtung
versehen; Fig. 3 stellt eine Einrichtung zur elektrischen Regelung des Oberdruckes
in einem Feuerraum dar, wobei der Regler eine Rückführeinrichtung enthält; Fig.4
zeigt einen Durchflußregler ohne Rückführung.
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In der Regeleinrichtung gemäß Fig. i hat ein Erhitzer i eine Einlaßleitung
2 für das Heizmaterial und eine Auslaßleitung 3 für den Stoff, der geheizt wird.
In der Einlaßleitung 2 liegt ein Regelventil 4, das betätigt wird in Abhängigkeit
von der Temperaturänderung des Stoffes, der geheizt wird und der durch die Leitung
3 austritt. Die Temperatur wird mit .einem Thermoelement 5 gemessen, dessen Kaltverbindung
6 auf einer konstanten Temperatur gehalten wird. Der Strom, den das Thermoelement
erzeugt, wird in einem Verstärker verstärkt, der einen Eingangkreis mit der Verbindung
7, dem Spiegelgalvanometer 8, dem Normalwiderstand g und der Verbindung io einschließt.
Der Ausgangskreis des Verstärkers enthält die Erregerwicklung ii der elektromagnetischen
Einrichtung 12 zur Erzeugung der elektromagnetischen Kraft. Ein Ende der genannten
Erregerwicklung ii ist mittels Verbindung 13 zu einem Ende des Widerstandes g geführt,
während das andere Ende über die Drossel 14 mit der Sekundärwicklung 15 des Transformators
verbunden ist. Der Ausgangskreis enthält außerdem eine gasgefüllte Triode 16, deren
Kathode 17 von .der Sekundärwicklung 18 des Transformators geheizt wird.
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Ein Steuerkreis enthält eine Photozelle ig, die von der Sekundärwicklung
2o des Transformators gespeist wird. Die Zelle ig ist mittels Verbindung 21 zu dem
Gitter 22 der Triode 16 geführt, während das erwähnte Gitter 22 über den Kondensator
23 ebenfalls mit einem Punkt verbunden ist, der negativer als die Kathode ist. Das
Licht der Lampe 24, die von der Sekundärwicklung 25 des Transformators gespeist
wird, wird von dem Spiegel 26 des Galvanometers 8 auf die Photozelle ig geworfen.
Der oben beschriebene Verstärker wird ausschließlich mit Wechselstrom gespeist.
Die gasgefüllte Röhre 16 ist ein gittergesteuerter Gleichrichter, der nur Anodenstrom
durchläßt, wenn die Gitterspannung weniger negativ ist als eine bestimmte kritische
Spannung, die von der augenblicklichen Anodenspannung abhängt. Die Abhängigkeit
zwischen Gitter- und Anodenspannung in einem derartigen Kreis wird durch die Röhrenkennlinie
bestimmt. Je höher die Gitterspannung ist, um so früher wird die gasgefüllte Triole
in der positiven Halbwelle zünden und um so größer wird der gleichgerichtete Strom
sein, der das Instrument speist. Die Gitterspannung der gasgefüllten Triode r6 wird
durch eine Brückenanordnung bestinunt. Das Gitter ist über einen kleinen Kondensator
23 mit einem Punkt verbunden, der negativer als die Kathode ist. Das Gitter ist
außerdem über die Leitung 21, die Photozelle ig und die Leitung 27 mit der Kathode
verbunden. Die Polarität ist so, daß die Kathode der Photozelle negativ ist, wenn
die Röhrenanode positiv ist, d. h. also, daß das Gitterpotential, bezogen auf die
Katho:le, bestimmt wird durch die jeweilige Impedanz des Kondensators 23 und der
Photozelle ig. Da die Impedanz der Photozelle ig von der Lichtintensität der Lichtquelle
abhängt, die auf die Kathode der Photozelle fällt, so wird die Gitterspannung und
daher auch der gleichgerichtete Anodenstrom durch die gasgefüllte Triode im Ausgangskreis,
der den Normalwiderstand g und die elektromagnetische Vorrichtung 12 enthält, von
der Lichtmenge abhängig sein, die auf die Zelle 19 fällt.
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Zusätzlich tritt ein Phasensteuereffekt auf, da eine Verschiebung
in den Phasenlagen der Anoden- und Gitterspannungen infolge der Kapazitäten des
Kondensators 23 und der Photozelle ig, die den Brückenkreis bilden, zustande kommt.
Dies bedeutet, daß der Anteil der Halbwelle, während der Anodenstrom in der gasgefüllten
Trio=le fließt, weiter beeinflußt wird und der entsprechende Arbeitsstrom unterschiedlich
von dem Wert sein wird, der auftritt, wenn die Photozelle ig und der Kondensator
23 reine Ohmsche Widerstände wären. Der Ausgangsstrom der gasgefüllten Triode 16
wird geglättet durch den Kondensator 28 und die Drossel 14.
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Die Spannung des Therrnoelementes 5, die gemessen wird, bewegt den
Galvanometerspiegel 26 im Eingangskreis, so daß mehr Licht auf die Photozelle ig
fällt und als Folge der Strom im Ausgangskreis ansteigt, bis die Spannung am Normalwiderstand
g gleich, aber entgegengesetzt gerichtet ist der Spannung des Thermoelementes 5.
Im System 12 fließt daher ein Strom, der genau proportional ist der Spannung des
Thermoelementes 5. Der Strom im Ausgangskreis folgt jeder Änderung der Spannung
des Thermoelementes praktisch ohne Verzögerung. Es kann ein sehr kleiner Normalwiderstand
gewählt werden, da der erforderliche Strom im Ausgangskreis, der die Spannung des
Eingangskreises kompensiert, sehr groß sein kann. Die Verstärkung hängt einzig und
allein von der Wahl dieses Normalwiderstandes g ab. Die Genauigkeit des Verstärkers
ist außerordentlich hoch, und auch mit einem Abstand von nur wenigen Zentimetern
zwischen Galvanometer und Photozelle können Spannungen in der Größenordnung von
i mV und weniger praktisch ohne Fehler gemessen werden.
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An der elektromagnetischen Einrichtung 12 greift in der einen Richtung
eine Feder und in der entgegengesetzten Richtung die elektromagnetische Kraft an.
Wenn sie betätigt wird, uni das Strahlrohr 3o um seinen Drehpunkt oder das untere
Strahlrohrlager 31 zu drehen, so geschieht das praktisch reibungslos, da
sein
oberes Lager buchstäblich in Öl schwimmt. Beide Lager befinden sich laufend in einem
Ölbad Und werden fortwährend geschmiert. Eine Reibung an dem Mundstück des Strahlrohres
durch den ausströmenden Strahl tritt nicht auf. Die Gesamtfreiheit des Strahlrohres
ist sehr klein. Das von der Speiseleitung 32 durch das Rohr 33 und das Lager 31
strömende 01 wird von dem Strahlrohr 3o in zwei dicht nebeneinanderliegende
Öffnungen 34, 35 gestrahlt, die sich in einem Kolben 36 befinden, der in einem Zylinder
37 bewegt werden kann. Die Öffnungen 34, 35 führen jeweils durch innere Kanäle 38,
39 im Kolben 36 zu entgegengesetzten Enden des Zylinders 37, so daß das durch die
Öffnung 34 eintretende öl Druck an der Stirnseite 4o des Kolbens erzeugt, das durch
die Öffnung 35 eintretende Öl dagegen an der Stirnseite 41. Eine Bewegung des Strahlrohres
nach links veranlaßt einen Druckanstieg in der linken Off nung 34 und einen Druckabfall
in der rechten Öffnung 35. Der Kolben 36 folgt der Bewegung des Strahlrohres 3o
und bewegt sich ebenfalls nach links, bis der Teil 42 zwischen den beiden Öffnungen
wieder genau vor dem Mundstück des Strahlrohres liegt. Der Kolben betätigt über
die Stange 43 ein Vierwegeventil, das die Kolben 44, 45 enthält, die sich im Zylinder
46 bewegen können und die an der Stange 43 befestigt sind. Die Kolben 44, 45 regeln
die Olzufuhr aus Leitung 32 durch die Rohre 47, 48 auf die gegenüberliegenden Seiten
eines ArbeitskGlbens 49, der innerhalb des Zylinders 50 liegt.
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Das Kolbenventil 44, 45 folgt der geringsten Bewegung des Strahlrohres
30 genau so, als wenn diese beiden Teile ein Stück wären. Da das Strahlrohr
30 und der Kolben 36 nur durch den Ölstrahl verbunden sind, hat die elektromagnetische
Einrichtung 12 keine zusätzlichen Kräfte aufzubringen, das Kolbenventil 44, 45 hat
daher denselben Empfindlichkeitsgrad, weist aber zusätzlich die gewünschte Geschwindigkeit
und Kraft auf. Eine kleine Bewegung des Kolbenventils 44, 45 erzeugt einen Differenzdruck,
der den Arbeitskolben 49 veranlaßt, sich in einem Verhältnis zu bewegen, das der
Strahlrohrbewegung proportional ist.
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Der Kolben 49 betätigt das Ventil 4 durch den Arm 51, der an der Kolbenstange
52 im Punkt 53 so gelagert ist, daß jede Abweichung von dem festgesetzten Wert des
Regelsystems ausgeglichen wird.
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Steigt z. B. die Temperatur des Erhitzers i über seinen Sollwertpunkt,
so wird die vom Thermoelement erzeugte Spannung ansteigen, und der Galvanometerspiegel
26 wird leicht ausgelenkt; der Strom, der durch die Röhre 16 fließt, steigt ebenfalls
und betätigt die Einrichtung 12, wodurch das Strahlrohr 30 bewegt wird, um
wiederum den Kolben 36 zu betätigen.
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Der Kolben 36 betätigt die Ventilkolben 44, 45, die den Arbeitskolben
49 so verstellen, daß die zugeführte Heizleistung verringert wird.
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Die in Fig. 2 dargestellte Einrichtung gleicht der der Fig. i, nur
daß eine Rückführeinrichtung zugefügt ist. Der Kolben 49 betätigt wieder das Ventil
4 über den Arm 51, der an der Kolbenstange 52 im Punkt 53 wieder so befestigt ist,
daß jede Abweichung von dem vorgeschriebenen Wert des Regelsystems ausgeglichen
wird. Der Kolben 4o betätigt gleichzeitig den Schleifer 54, der auf einem Widerstand
55 gleitet, der zu einer von einer Batterie B gespeisten Wheatstoneschen Brücke
gehört. Es ist ein Abgleichwiderstand 57 vorgesehen und außerdem auf der entgegengesetzten
Seite der Wheatstoneschen Brücke ein anderer Schleifer 58, der von einem kleinen
Motor 59 betätigt wird. Die Galvanometerdiagonale der Wheatstoneschen Brücke ist
mit dem Relais 6o verbunden, während ein anderer Widerstand 61 parallel zu dem Relais
liegt, wobei der veränderliche Kontakt 62 des Widerstandes 61 über die Verbindung
63 zu einer zusätzlichen Wicklung 64 der elektromagnetischen Einrichtung 12 geführt
ist; das andere Ende der genannten Wicklung 64 ist durch die Verbindung 65 mit einem
Ende des Widerstandes 61 verbunden. Durch Verändern des Widerstandes 66 kann die
Geschwindigkeit des Motors 59 Justiert werden. Die elektrische Speisung 56 liefert
die Energie für das Motorsystem. Bewegt der Kolben 49 den Schleifer 54, so fließt
ein von der Batterie B kommender Strom nach dem Schleifer 58 oder in entgegengesetzter
Richtung und betätigt das Relais 6o, welches den Motor 59 einschaltet. Ein anderer
Teil des Stromes fließt durch den Widerstand 61 und die zusätzliche Wicklung 64
in die elektromagnetische Einrichtung 12, und zwar in solcher Richtung, daß er dem
Effekt der die Bewegung veranlassenden Stromänderung entgegenwirkt. Diese Gegenkraft,
die als Rückführung bezeichnet wird, wird jedoch stetig verringert durch die Bewegung
des Motors 59, der versucht, den Schleifer 58 in eine Stellung zu bringen, in welcher
kein Strom fließt zwischen den Schleifern 54 und 58 und das Relais 6o dementsprechend
nicht länger arbeitet. Der Rückführvorgang ist beendet. Der Rückführgrad hängt von
der Stellung des Widerstandes 61 ab und ist annähernd proportional dem Zeitintegral
der Temperaturänderung.
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Der Rückführvorgang wird somit ausgeführt von der letzten Stufe des
mechanischen Verstärkers, und zwar durch den Kolben 49. Er verändert die Größe der
Energie, die von dem elektrischen Verstärker erzeugt wird in Abhängigkeit von dem
geregelten physikalischen Wert, der seinerseits durch die vom Thermoelement 5 gemessene
Temperatur dargestellt wird, um die Verbindung zwischen elektrischen und mechanischen
Verstärker, das Strahlrohr also, im Gleichgewicht zu halten. Steigt z. B. die Temperatur
des Erhitzers i über ihren Sollwert, so wird die vom Thermoelement 5 erzeugte Spannung
ansteigen, der Galvanometerspiegel 26 wird leicht ausgelenkt, der durch das Rohr
16 fließende Strom steigt ebenfalls und betätigt die elektromagnetische Einrichtung
12, wodurch das Strahlrohr 3o bewegt wird, um den Kolben 36 zu verschieben. Der
Kolben 36 steuert das Kolbenventil 44, 45 und dieses entsprechend den Arbeitskolben
49, der den Rückführmechanismus in Gang bringt, wie er gerade beschrieben wurde.
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In der Einrichtung gemäß der Fig. 3 wird der Oberdruck eines Feuerraumes
durch Betätigung einer Schornsteinklappe 71 geregelt, die. zwischen dem Feuerraum
72 und Schornstein 73 installiert ist. Der Überdruck wird mittels Regelleitung 75
auf eine Membran 74 übertragen, eine zweite Leitung 76, die auf die andere Seite
der Membran geführt ist, hat Temperaturänderungen zu kompensieren.
Bewegungen
der Membran 74 werden auf einen weiter unten beschriebenen Geber übertragen, der
ein Signal abgibt, das verstärkt wird und eine Wicklung erregt, durch welche die
Membran in die Lage zurückgebracht wird, die sie vor Einleitung der Bewegung innehatte.
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Der Geber besitzt zwei Wicklungen 77 und 78, die gegeneinandergeschaltet
sind und die mit der Erregerwicklung 79 zusammenarbeiten. In den gegeneinandergeschalteten
Wicklungen befindet sich ein Kern 8o, der über eine Stange 81 mit der Membran verbunden
ist und dadurch von dieser bewegt werden kann.
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Ist die Lage des Kernes 8o symmetrisch bezogen auf die gegeneinandergeschalteten
Wicklungen, so fließt kein Strom in diesen, d. h. die Spannungen in den beiden Wicklungen
sind gleich groß. Eine Bewegung des Kernes in der einen oder anderen Richtung gibt
einen Anstieg der Spannung in der einen oder anderen der gegeneinandergeschalteten
Wicklungen 77 und 78, wobei Amplitude und Phase der Spannung von der Größe und Richtung
der Bewegung abhängen. Diese Spannung erzeugt das obenerwähnte Stromsignal.
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Der Kern wird am besten aus Mu-Metall hergestellt. Der Signalstrom
wird über die Leitungen 82, 83 und den nach oben übersetzten Eingangstransformator
84 den Gittern der beiden Leistungspentoden 85, 86 zugeführt. Die Anoden der Röhren
werden gegenphasig vom Speisetransformator 87 versorgt.
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Die Schirmgitter der Pentoden liegen an einer hohen Gleichspannung,
die durch den Brückengleichrichter i2o erzeugt wird, während ein zweiter Brückengleichrichter
122 eine Vorspannung erzeugt, durch die der Arbeitspunkt des Verstärkers eingestellt
werden kann. Durch den Gleichrichter 121 wird eine Kompensation des Einflusses des
Röhrenruhestromes bewirkt, wenn kein Signal auftritt.
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Die Pentoden arbeiten als gittergesteuerte Vollweggleichrichter, deren
Anodenstrom durch die Erregerwicklung 88 fließt. Der bewegliche Kern 89 ist über
die Stange 9o mit der Membran verbunden. Der maximale Anodenstrom hängt von der
Amplitude der Gitterspannung ab.
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Der Ausgangsstrom des Verstärkers betätigt außerdem ein Anzeigegerät
9i und ein Schreibgerät 92, die in Druck und in Zentimeter Wassersäule geeicht sind.
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Das Anzeigegerät und das Schreibgerät sind in Reihe geschaltet mit
einer beweglichen Spule 93, die sich über einem Magneten 94 bewegen kann. Die Spule
ist mittels Stange 95 mit einem drehbar gelagerten Strahlrohr 96 verbunden, das
mit 01 aus dem Behälter 97 gespeist wird, der seinerseits durch eine vom
Motor 99 angetriebene Pumpe 98 versorgt wird. Der Oldruck wird überwacht durch ein
mit einer Feder belastetes Sicherheitsventil ioo.
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Bleibt der Druck konstant, dann befindet sich das Strahlrohr in seiner
Gleichgewichts- oder Mittellage, in welcher das Mundstück des Strahlrohres gleiche
Flächen der aneinanderstoßenden Einlaßöffnungen der Rohre ioi und 102 bedeckt.
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Steigt der Druck an, dann bewegt sich die Spule 93 nach links und
dreht das Strahlrohr 96 entgegen dem Uhrzeigersinn, so daß der Oldruck in der Leitung
_loi ansteigt und den Rückführkolben io3 nach links bewegt. Dadurch wird
01 durch die Leitung 104 in den Zylinder 105 getrieben, der einen Kolben
roh enthält, welcher mit der Schornsteinklappe 71 verbunden ist. Demgemäß bewegt
sich der Kolben roh nach recht, und öffnet die Schornsteinklappe weiter, so daß
mehr Gas durch die Klappe 71 aus dein Feuerraum 72 zu dem Schornstein 73 entweichen
kann, wodurch der Oberdruck fällt.
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Zur gleichen Zeit bewegt der Kolben io3 den Hebel io8, der in dem
festen Punkt iog gelagert ist, gegen den Uhrzeigersinn und wirkt über die Feder
iio auf das Strahlrohr 96, so daß dieses seine Gleichgewichtslage erreicht, ehe
der Oberdruck seinen gewünschten Wert wiedererlangt hat.
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Zur gleichen Zeit treibt außerdem der Kolben 103 0l durch ein Drosselventil
i i i, bis er von der Feder 112 in seine Mittellage zurückgeführt ist. Er wirkt
dadurch als Rückführung, die proportional ist dem Zeitintegral der Änderung des
Oberdruckes.
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Die Ausgleichsleitungen 113, 114 erlauben einen Olfluß vom Zylinder
115 zum Zylinder io5, sobald der Kolben 103 eine seiner Endlagen erreicht
hat. Die Größe des Oberdrucksollwertes kann durch Justieren der Feder iio eingestellt
werden.
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Zweckmäßigerweise werden ein veränderliches Potentiometer 116 und
ein Shunt 117 parallel zur Wicklung 93 geschaltet, durch die ein Einfluß der Temperaturänderung
kompensiert werden kann.
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Bei der Regeleinrichtung gemäß Fig.4 ist in die Flußleitung 13o eine
Lochplatte 131 (Staurand) eingebaut, und die erwähnte Leitung ist an den gegenüberliegenden
Seiten der Lochplatte über die Leitungen 132 und 133 mit den gegenüberliegenden
Seiten der Membran 74 verbunden.
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Die Membran 74 betätigt den Kern 8o des Gebers, der die Wicklungen
77, 78 und 79 enthält, außerdem die Rückführwicklung 88, wie es schon beschrieben
wurde. Der Geber gibt ein Signal ab, das von dem Verstärker verstärkt wird, wie
in der Fig. 3 dargestellt wurde. Der Verstärker ist in der Fig. 4 allgemein mit
r1 bezeichnet.
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Die Bewegung der Wicklung 93 wird, wie in Fig. 3, auf das Strahlrohr
96 übertragen, wobei hier jedoch keine Rückführeinrichtung vorgesehen ist. Das
01 vom Strahlrohr wird in Fig. 4 den Steuerkolben 134 entweder aufwärts oder
abwärts bewegen, um das Flußsteuerventil 135 zu öffnen oder zu schließen.