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Strömungstaktimpulsgeber Die Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung
zur Erzeugung pneumatischer oder hydraulischer Signale, welche in bekannten, mit
Strömungsverstärkern ausgerüsteten logischen Systemen zur Datenverarbeitung angewendet
werden kann. Es sind bereits Schalteinrichtungen zur Erzeugung von Strömungssignalen
mittels einer schwenkbaren Strahldüse bekannt. Bei diesen bekannten Anordnungen
ist die Frequenz des Ausgangssignales begrenzt durch die Trägheit des Strahlrohres.
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Dieser Nachteil wird durch die reinen Strömungsgeräte vermieden, die
als mono- und bistabile Flip-Flop-Schalter und frei schwingende Multivibratoren
Verwendung finden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ebenfalls ein reines Strömungsgerät
zu schaffen, das jedoch als Strömungstaktimpulsgeber arbeitet. Dies wird dadurch
erreicht, daß bei einem Strömungstaktimpulsgeber ein Eingangskanal für den Kraftstrom
und zwei Abzweigkanäle vorhanden sind, in welche der Kraftstrom durch über Steuerdüsen
abwechslungsweise angelegte Steuersignale ablenkbar ist, wobei von jedem Abzweigkanal
ein Rückkopplungskanal zu einer Steuerdüse führt, und der Rückkopplungskanal zusätzlich
an einen Druckspeicher angeschlossen ist, der einen Ruhedruck von bestimmtem Wert
erzeugt und die Zeit bestimmt, innerhalb welcher das als Steuersignal wirkende Rückkopplungssignal
wirksam wird, um den Kraftstrom von einem Abzweigkanal in den anderen zu lenken.
Dadurch wird der zwischen den Abzweigkanälen angeordnete Ausgangskanal kurzzeitig
durch den Kraftstrom beaufschlagt und in diesem ein Impuls erzeugt.
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Diese Ausbildung eines Strömungstaktimpulsgebers nach der Erfindung
hat den Vorteil, daß die Taktwechselgeschwindigkeit geändert werden kann, ohne daß
die physikalische Bemessung des Gerätes verändert zu werden braucht. Ferner ermöglicht
die Ausbildung nach des Erfindung, das Strömungsimpulsverhältnis auf beiden Abzweigkanälen
beliebig und unterschiedlich einzustellen, so daß der Kraftstrom in dem einen Abzweigkanal
länger verbleibt als in dem anderen. Die Zwischenräume zwischen aufeinanderfolgenden
Ausgangsimpulsen werden hierbei entsprechend unterschiedlich lang.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt.
In diesen ist F i g.1 a ein Querschnitt eines Ausführungsbeispiels nach der Erfindung,
F i g. 1 b eine Seitenansicht des Gerätes nach Fig. 1a, F i g. 2 a ein Querschnitt
eines anderen Ausführungsbeispiels nach der Erfindung, F i g. 2 b eine Seitenansicht
des Beispiels nach F i g. 2 a und F i g. 3 zeigt verschiedene Druckwellenformdiagramme,
die die verschiedenen Arbeitsweisen der Erfindung darstellen.
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Die F i g. 1 a und 1 b zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,
das den allbekannten Grenzschichteffekt zum Konstanthalten eines Kraftstromes bei
einem Ausgangskanal bis zum Erreichen des Schwelldruckes in diesem Kanal benutzt.
Das Bezugszeichen 10 bezieht sich im allgemeinen auf den Körper des Gerätes, das
ein untereinander verbundenes System von Strömungsleitungen in gezeigter Weise enthält.
Das Strömungsmittel kann in. das Gerät -über einen Eingangskanal 11 mittels einer
Pumpe oder Kompressors eingeführt werden (in den Figuren nicht dargestellt). Das
eintretende Strömungsmittel im Kanal 11 gelangt über eine Düsenöffnung 13 in eine
Kammer 12. Die Kammer 12 wird durch zwei divergierende Außenwände 14 und 15 der
-entsprechenden Abzweigkanäle gebildet, die allgemein mit 16 und 17 bezeichnet sind.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann jede Außenwand 14 oder 15 eine scharfe
Änderung des Anstiegs in den Bereichen
von 18 oder 19 besitzen,
so daß der Abzweigkanalquerschnitt größer wird, bis er durch die Stirnwände 20 und
21 begrenzt wird. Es ist jedoch nicht wesentlich, daß solche steile Anstiegsänderungen
vorgesehen werden, noch ist es notwendig, daß die Abzweigkanäle 16 und 17 innerhalb
des Körpers enden.
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Verbunden mit jedem Abzweigkanal 16 oder 17 ist ein entsprechender
Rückkopplungskanal 23 und 24, der seinen zugehörigen Abzweigkanal mit einer
entsprechenden Düse 22 oder 25 verbindet, die wiederum in den Seitenwänden 14 und
15 der Kammer 12 angeordnet ist. Es sei bemerkt, daß jede Wand 14 und 15 in bezug
auf die Kraftstrommündung 13 zurückgesetzt ist. Diese Formgebung verhindert den
Kraftstrom, um zu einer Wand 14 oder 15 des Abzweigkanals zu gelangen, bis der Schwelldruck
im Ausgangskanal erreicht ist. Dieser Vorgang wird im folgenden im einzelnen beschrieben.
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An jedem Abzweigkanal 16 oder 17 liegt ein entsprechender Druckregler
26 oder 27. Die Verbindungen werden mittels der Leitungen 28 oder 29 hergestellt,
die in entsprechenden öffnungen 31 oder 32 der Abzweigkanäle 16 oder 17 einmünden.
Jeder Druckregler 26 oder 27 kann so eingestellt sein, daß er einen Ruhedruck in
seinem zugehörigen Abzweigkanal konstant hält. Der Ruhedruck ist niedriger als der
Schwellwert, der zum Schalten des Kraftstromes notwendig ist. Die Druckregler 26
und 27 regulieren den Impulsumlauf entweder durch Verlangsamen oder Beschleunigen
des Druckaufbaues in ihren zugehörigen Abzweigkanälen.
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Zwischen den Abzweigkanälen 16 und 17 befindet sich ein Kanal 32,
der aus der Kammer 12 an der Kreuzung der Innenwände der Abzweigkanäle beginnt.
Wenn der Kraftstrom aus der Mündung 13 von einem Abzweigkanal zu dem anderen umschaltet,
fließt er zeitweilig durch den Kanal 32. Der Ausgang des Kanals 32 kann an ein Arbeitsgerät
angeschlossen werden, das durch die Ausgangssignale gesteuert wird.
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Wie ausgeführt, ist die physikalische Geometrie des Gerätes nach F
i g. 1 so, daß es den Kraftstromfluß im Abzweigkanal konstant hält, zu dem er abgelenkt
ist, - auch nachdem das anfängliche Ablenkungssignal beendet worden ist. Zum Beispiel
ist seine Geschwindigkeit, wenn der Kraftstrom von der Mündung 13 so abgelenkt wird,
daß er in den Ab-
zweigkanal 16 fließt, so daß er einen Grenzschichtbereich
niedrigen Druckes zwischen sich und der Außenwand 14 des Kanals 16 erzeugt. Das
Grenzschichtphänomen ist in der Strömungsverstärkertechnik allgemein bekannt. Das
Gebiet niedrigen Drucks bewirkt dadurch, daß der Kraftstrom sich an die Wand des
Kanals 16 anschließt, bis ein Zustand erreicht ist, durch den die Grenzschicht zerstört
oder zerrissen wird, so daß der Kraftström zum anderen Abzweigkanal 17 gedrängt
wird. Beim Ablenken in den Kanal 17 erzeugt jetzt der Kraftstrom zwischen sich und
der Außenwand 15 eine Grenzschicht, um seinen Fluß innerhalb dieses Abzweigkanals
bis zum Erreichen eines Zustandes konstant zu halten, durch den seine Grenzschicht
zerstört wird, also der Kraftstrom in -den Kanal 16 abgelenkt wird. Stets,
wenn der Kraftstrom vom Kanal 16 auf Kanal 17 oder umgekehrt umgesteuert wird, fließt
er zeitweilig in den Kanal 32, wobei er in den Nutzkreis als Impulsausgang
gerichtet ist. Der Zustand, unter dem die Kraftstromschicht zerrissen wird, ist
der folgende: Es wird angenommen, daß der Kraftstrom in den Abzweigkanal 16 mit
einem Ruhedruck, der durch den Druck der Quelle 26 bestimmt wird, abgelenkt worden
ist. Sobald der Kraftstrom beginnt, in den Kanal 16 zu fließen, beginnt der
Druck in ihm infolge des ansteigenden Volumens des in ihm gefangenen Strömungsmittels
zu wachsen. Die Größe des Drucks im Kanal 16 bestimmt den Druck im Rückkopplungskanal
24. Der Kanal 24 und die Steuermündung 22 besitzen solche physikalischen
Abmessungen, daß bei einem bestimmten Schwelldruck, der im Kanal 16 erreicht
wird, der über den Pfad 24 zu Mündung 22 übertragene Druck zum Zerreißen des Grenzschichtbereichs
entlang der Wand 14 ausreicht. In diesem Fall wird der Kraftstrom abgelenkt, er
ändert seine Richtung und fließt jetzt in den Abzweigkanal 17.
Sobald der
Kraftstrom also vom Abzweigkanal 16
abgelenkt wird, beginnt der Druck bis
zum Ruhewert abzunehmen, so daß die Steuermündung 22 hierauf keine weitere Wirkung
auf den Kraftstrom ausübt. Wird der Kraftstrom einmal in den Abzweigkanal 17 abgelenkt,
so wird an der Wand 15 ein Grenzschichtzustand erzeugt. Der Kraftstrom verbleibt
also im Abzweigkanal 17, wo er daraufhin den Druck vom Ruhewert zum Schwellwert
ansteigen läßt, der ausreicht, um das Grenzschichtgebiet an der Wand 15 zu zerstören.
In diesem Fall beginnt der Kraftstrom wieder, in den Abzweigkanal 16 zu fließen,
und der Zyklus wiederholt sich.
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Die Arbeitsweise des Taktimpulsgenerators in F i g. 1 ist in F i g.
3 graphisch dargestellt. Das Gerät kann symmetrisch aufgebaut sein, so daß derselbe
Schwelldruck in jedem Abzweigkanal notwendig ist, um das Grenzschichtgebiet entlang
der entsprechenden Seitenwände zu zerreißen.
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Ferner können die Druckregler 26 und 27 so eingestellt sein, daß die
Ruhedrücke in den Abzweigkanälen gleich sind. . Diese Arbeitsweise wird in F i-g.
3 a gezeigt, in der zu sehen ist, daß die Drücke in den Kanälen 16 bzw.
17, die durch die gestrichelten und durch die Strich-Punkt-Linien dargestellt
sind, zwischen demselben Ruhedruckwert Q und demselben Schwellwert T schwanken.
Zum Beispiel ist unter der Annahme, daß der Druck des Kraftstromes verhältnismäßig
konstant bleibt, gleichgültig, durch welchen Abzweigkanal er fließt, zu sehen, daß
der Kraftstromfluß in den Kanal 16 den Druck vom Ruhewert Q auf den Schwellwert
T in einer endlichen Zeitspanne vergrößert. Bei Erreichen dieses Grenzwertes
durch den Druck im Kanal 16 reicht der jetzt an der Steuermündung 22 bestehende
Druck aus, um das Grenzschichtgebiet an der Wand 14 zu zerreißen. Der Kraftstrom
wird deshalb vom Abzweigkanal 16 mit einem zeitweisen Fließen des Kraftstromes im
Kanal 32 während dieser Schaltzeit in den Kanal 17
gelenkt. Ein Taktimpuls
(gezeigt durch den ausgezogenen Kurvenzug in F i g. 3 a) wird also im Kanal 32 erzeugt.
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Beim Schalten des Kraftstromes vom Kanal 16
zum Kanal 17 beginnt
der Druck im Kanal 16 rasch auf seinen Ruhewert Q zu fallen, während der
Druck im Kanal 17 vom selben Ruhewert Q auf denselben Schwellwert T anzusteigen
beginnt. Bei Erreichen des Schwellwertes T im Kanal 17 ist der Druck auf
dem Kanal 23 und an der Steuermündung 25 so, daß er das Grenzschichtgebiet entlang
der Wand 15 zerstört
und den Kraftstrom in den Kanal
16 drängt. Dieses Schalten vom Kanal 17 zum Kanal 16 bewirkt auch
ein zeitweiliges Fließen des Strömungsmittels im Kanal 32 und damit das Erzeugen
eines anderen Taktimpulses. Die Zeiten t1 und t2 zwischen nebeneinanderliegenden
Impulsen sind somit gleich und die Taktimpulse selbst sind von gleicher Größe. Diese
Arbeitsweise wird wegen der gleichen Zwischenräume zwischen den erzeugten gleich
langen Taktimpulsen im Zuge mit »symmetrisch« bezeichnet.
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Durch Verändern der Ruhedrücke, die an den Abzweigkanälen 16 und 17
konstant gehalten werden, werden auch die zeitlichen Zwischenräume t1 und t2 geändert
werden. Beispielsweise werden in F i g. 3 b gleiche Schwelldrücke und gleiche Ruhedrücke
in den Abzweigkanälen konstant gehalten, aber der Ruhedruck Q ist größer als der
Ruhedruck in F i g. 3 a. Wenn deshalb der Kraftstrom in einen der Ausgangskanäle
geschaltet wird, wird weniger Zeit für das Erreichen des Schwelldruckes als im Fall
nach F i g. 3 a erforderlich sein. Diese Arbeitsweise ist ebenfalls symmetrisch,
weil sich dort gleiche Zeitabstände zwischen benachbarten gleich langen Ausgangstaktimpulsen
befinden. Die Frequenz des erzeugten Zuges von Taktimpulsen ist somit in F i g.
3 b größer als in F i g. 3 a. Die Erfindung bietet also die Möglichkeit zum Verändern
der Frequenz des Oszillators durch alleiniges Andern des Ruhedruckes in den Abzweigkanälen.
Es ist also möglich, die Frequenz stufenlos zu ändern. Auch keine Änderung der physikalischen
Bemessung des Gerätes ist notwendig. Deshalb führt die Erfindung zum Gebrauch in
einem vollständig reinen Strömungssystem, in dem ein veränderlicher Frequenzoszillator
enthalten sein muß, dessen Frequenz in übereinstimmung mit dem Druck des Strömungssignals
geändert werden kann. In F i g. 1 ist somit zu erkennen, daß eine einzige Ruhedruckquelle
für beide Abzweigkanäle 16 und 17 in dem Fall vorgesehen sein kann, daß der Ruhedruck
in jedem gleich sein muß.
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Die Formen der Abzweigkanäle 16 und 17, der Rückkopplungskanäle
23 und 24 und der Steuermündungen 22 und 25 können ebenfalls so konstruiert
sein, daß ein abweichender Schwelldruck in jedem Abzweigkanal notwendig ist, um
die Grenzschicntgebiete zu zerstören. Wenn dies der Fall ist, zeigt F i g. 3 c die
Situation, in der angenommen wird, daß derselbe Ruhedruck in jedem Abzweigkanal
16
und 17 konstant gehalten wird. Ein Schwelldruck von der Größe T2 muß somit
im Kanal 16 verglichen mit einem unvergleichlich höheren Schwelldruck T1 im Kanal
17 erreicht werden. Eine längere Zeit ist jetzt erforderlich für den Druck
im Kanal 17, damit er vom gemeinsamen Ruhewert Q auf seinen Schwellwert T1 ansteigt.
Die Zwischenräume t1 und t2 zwischen benachbarten Taktimpulsen sind nicht gleich,
weil der Kraftstrom ungleiche zeitliche Perioden in den verschiedenen Kanälen verwendet.
Diese Arbeitsweise kann deshalb als asymmetrisch bezeichnet werden.
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F i g. 3 d zeigt einen Fall, in dem die Schwelldrucke gleich sind,
der Ruhedruck aber in dem einen Kanal von dem des anderen abweicht. Beispielsweise
wird angenommen, daß der Ruhedruck, der im Kanal 16 konstant gehalten wird, den
Wert Q1 besitzt, während der im Kanal 17 konstant gehaltene den Wert Q2 einnimmt,
wobei Q1 < Q2 ist. Wie F i g. 3 d zeigt, ist für den Schwelldruck, der
im Kanal 16 erreicht werden soll, eine längere Zeit notwendig als für den
Kanal 17. Deshalb sind die Zwischenräume t1 und t2 zwischen benachbarten Ausgangstaktimpulsen
ungleich, was somit die asymmetrische Arbeitsweise bezeichnet.
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F i g. 3 e zeigt eine symmetrische Arbeitsweise, obwohl auch sowohl
der Schwell- als auch der Ruhedruck bei jedem Ausgangskanal schwanken. Es wird angenommen,
daß der Ruhedruck im Kanal 16 den Wert Q1 besitzt, während der im Kanal 17
den Wert Q2 einnimmt. Jeder Ausgangskanal und die zugehörigen Rückkopplungskanäle
und die Steuermündungen werden ebenfalls als so beschaffen angenommen, daß ein unterschiedlicher
Schwelldruck T1 und T2 zum Schalten des Kraftstromes von einem Kanal zum anderen
notwendig ist. Die Schwelldrücke T1 und T2 sind hinsichtlich der Ruhedrücke Q1 und
Q2 so bemessen, daß der Kraftstrom für dieselbe zeitliche Länge in jedem der Ausgangskanäle
16 oder 17 konstant gehalten wird. F i g. 3 e zeigt also die Situation, in der gleiche
zeitliche Abstände t1 und t2 zwischen benachbarten erzeugten Taktimpulsen auftreten.
Andererseits können die Schwelldrücke t1 und t2 unterschiedlich sein, so daß die
asymmetrische Arbeitsweise auftritt, wie in F i g. 3 f gezeigt wird. In diesem Fall
und bei denselben Ruhedrücken Q1 und Q2 nach F i g. 3 e sind die zeitlichen Abstände
t1 und t2 zwischen benachbarten Taktimpulsen ungleich. Da die Schwelldrücke normalerweise
durch die physikalische Formgebung des Gerätes bestimmt werden und somit nicht leicht
geändert werden können, kann auch die Arbeitsweise nach den F i g. 3 e und 3 f ebenfalls
durch selektives Andern der Ruhedrücke Q1 und Q2 erhalten werden, so daß der Kraftstrom
eine gleiche Zeitdauer in jedem Abzweigkanal einnehmen kann.
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In allen vorherigen Beispielen nach den F i g. 3 a und 3 f wurde der
Druck des Kraftstromes selbst als über den ganzen Umlauf konstant bleibend angenommen.
Wenn der Druck des Kraftstromes als sich verändernd angenommen wird, können benachbarte
erzeugte Taktimpulse eine ungleiche Größe besitzen. Dies zeigt F i g. 3 g. Die Ruhedrücke
Q1 und Q2 wie auch die Schwelldrücke T1 und T2 können somit noch so beschaffen sein,
daß dort gleich zeitliche Zwischenräume zwischen benachbarten Taktimpulsen trotz
des Umstandes bestehen können, daß der Druck des Kraftstromes schwankt.
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F i g. 2 ist ein gering abgeändertes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
bei dem ein positiver Rückkopplungskanal 42, 43 von jedem Abzweigkanal vorgesehen
ist, um den Kraftstrom in demjenigen Abzweigkanal konstant zu halten, zu dem er
abgelenkt wird, bis der Schwelldruck erreicht ist. In dieser Darstellung wird das
Prinzip des großen Austausches zwischen einem Steuerstrom und einem Kraftstrom benutzt.
Das Bezugszeichen 35 bezieht sich im allgemeinen auf einen Körper aus Material mit
einem Strömungsführungen enthaltenden System mit einem Eingangskraftkanal 36, der
an einer Strömungsmittelquelle zum Erzeugen eines Kraftstromes aus der Kraftdüsenöffnung
37 in die Kammer 38 liegt. Die Abzweigkanäle 39 und 40 divergieren von der Kammer
38 aus, und ein dazwischen liegender Kanal 41 dient als Impulsausgang.
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Mit jedem Abzweigkanal 39 oder 40 ist ein positiver Rückkopplungskanal
42 bzw. 43 verbunden. Wie F i g. 2 a zeigt, wird der positive Rückkopplungskanal
42 von einer Seitenwand des Abzweigkanals 39 abgezweigt
und zur
Steuermündung 44 an der Seite des Kraftstromes entgegengesetzt dem des vorderen
Abzweigkanals zurückgeschaltet. In ähnlicher Weise wird der positive Rückkopplungspfad
43 vom Ab-
zweigkanal 40 abgegriffen und an die Steuermündung 45 an
der Seite des Kraftstromes gegenüber dem vorderen Kanal 40 gelegt. Wenn beispielsweise
der Kraftstrom in den Kanal 39 abgelenkt wird, wird ein Teil seiner Energie über
den Pfad 42 zurückgeführt und geht aus der Mündung 44 als ein Steuerstrom in einer
Richtung hervor, die den Kraftstrom in den Abzweigkanal 39 konstant zu halten versucht.
Wenn der Kraftstrom in den. Abzweigkanal 40 gelenkt wird, wird ein Teil seiner Energie
über den Pfad 43 zurückgeführt, um gegen den Kraftstrom in einer Richtung zu stoßen,
in der dieser in den Kanal 40 fließende Strom konstant gehalten wird. Dieses Prinzip
des großen Austauschs ist in der Strömungsverstärkertechnik allgemein bekannt und
ist nur ein anderer Weg zum Erlangen der bistabilen Charakteristik.
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Nach F i g. 2 wird ein Ruhedruck in den Abzweigkanälen 39 und 40 durch
Druckregler konstant gehalten, die mit diesen Kanälen über Leitungen 46 und 47 und
Öffnungen 48 und 49 verbunden sind. Wenn ein Kraftstrom so gelenkt wird, daß er
in einen der Abzweigkanäle -fließt, steigt der Druck in diesem Kanal von seinem
Ruhewert an und wird über Rückkopplungskanäle 50 oder 51 zurückgeführt.
Diese negativen Rückkopplungspfade 50 oder 51 enden in Steuermündungen 52 bzw. 53,
so daß die Steuerströme .aus diesen eine Richtung besitzen, in der sie gegen den
Kraftstrom stoßen und ihn in den Abzweigkanal lenken, der ein anderer ist als der,
aus dem der Steuerstrom stammt. Die Steuerströme aus den Mündungen 44 und 52 stehen
deshalb gegeneinander,-wie es die Steuerströme aus den Mündungen 45 und 53 tun.
Die Schwelldrücke in den Abzweigkanälen sind somit derart, daß ein Steuerstrom an
den Mündungen 52 und 53 den gleichzeitig auftretenden Steuerstrom aus der Mündung
45 bzw. 44 überrennt,. so daß der Kraftstrom aus einem Ausgang zum anderen gelenkt
wird. Es wird beispielsweise angenommen, daß der Kraftstrom im Ausgangskanal 39
so fließt, daß der Druck in ihm aus dem Ruhewert sich zum beabsichtigten Schwellwert
ausbildet. Sobald der Kraftstrom in den Kanal 39 gelenkt wird, tritt ein Steuerstrom
aus der Mündung 44 heraus, die eine ausreichende Energie besitzt, um den Kraftstrom
im Kanal 39 konstant zu halten. Wenn der Druck im Kanal 39 ansteigt, steigt
somit auch der Steuerstrom aus der Mündung 52 an; bis gegebenenfalls ein Schwelldruck
im Kanal 39 erreicht ist und dadurch die Energie des Steuerstromes aus der
Mündung 52 größer ist als die Energie des Steuerstromes aus der Öffnung 44. In diesem
Fall wird der Kraftstrom in den Kanal 40 umgesteuert. Beim Ablenken in den Kanal
40 hält der positive Rückkopplungssteuerstrom aus der Mündung 45 den Kraftstrom
in.diesem Ausgangskanal konstant, bis der geplante Schwelldruck erreicht ist - und
dadurch der Steuerstrom aus der Mündung 53 in seiner Energie größer wird, um den
Kraftstrom in den Kanal 39 zurückzudrängen. Deshalb unterscheidet sich das
Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 von dem nach F i g. 1 nur in der Weise, in der
der Kraftstrom in einem Ausgangskanal konstant gehalten wird, bis der Schwellwert
erreicht ist. Andererseits sind die neuen Prinzipien dieselben und die Arbeitsweise
nach den F i g. 3 a bis 3 g kann auch auf F i g. 2 angewendet werden.