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Die Erfindung betrifft einen mechanisch-pneumatischen Wandler mit
einem Element zur analogen Darstellung von Betriebszuständen, durch das eine schwenkbar
gelagerte, ständig mit einem Druckerzeuger verbundene Düse zur Ausrichtung auf eine
von mehreren, in einem der Düse zugeordneten Aufnahmekörper angeordneten Ausgangsöffnungen
in entsprechende Lagen verstellbar ist.
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Mittels solcher Wandler können physikalische Zustände, z. B. Druck-
und Temperaturverhältnisse, oder auch analoge elektrische Größen in digitale Werte
verwandelt werden, wie sie beispielsweise zur Regelung von Verfahrensabläufen und
Fertigungsprozessen erforderlich sind, bei denen eine Recheneinrichtung die jeweiligen
Betriebsverhältnisse unmittelbar auswertet und den weiteren Betriebsablauf steuert.
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(fegen ihrer einfachen Herstel_lbarkeit und zuverlässigen Arbeitsweise
bevorzugt man für solche Regelungsvorgänge häufig pneumatische Steuerschaltungen,
die analog zu den elektromechanisch oder elektronisch arbeitenden Einrichtungen
bei sehr kurzer Ansprechzeit logische Entscheidungen treffen und Steuervorgänge
auslösen können. Bei den genannten Anwendungen von solchen Rechnern sind aber besondere
Einrichtungen erforderlich, um die verschiedenen Parameter, die den jeweiligen Betriebszustand
darstellen und beeinflussen, so umzuwandeln, daß die festgestellten Größen dem Rechner
eingegeben werden können. Die zu überwachenden Parameter können beispielsweise Drücke,
Ströme, Spannungen, Kräfte oder Temperaturen sein, die als Analoggrößen ermittelt
werden. Zur Errechnung der Steuerwerte sind aber diese Größen der auswertenden Recheneinheit
in Form digitaler Werte zuzuführen.
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Es sind bereits Wandler mit einem durch Eingangsimpulse verdrehbaren
Düsenkörper bekannt, bei denen eine radial zur Drehachse des Düsenkörpers gerichtete
Düse ständig mit einem Druckerzeuger verbunden ist; konzentrisch dazu sind mehrere,
der Düse zugeordnete Ausgangsöffnungen enthaltende Aufnahmekörper s',ationär angeordnet.
Entsprechend dem zugeführten Signal erfolgt jeweils die Ausrichtung der Düse auf
eine der Ausgangsöffnungen, und der dieser zugeführte pneumatische Impuls stellt
einen definierten digitalen Ausgangswert dar. Eine solche Anordnung ist beispielsweise
in der deutschen Patentschrift 577 017 beschrieben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von der bekannten
Anordnung sowohl die Ansprechzeit als auch die Empfindlichkeit erheblich zu erhöhen,
indem die Verstellung des Düsenkörpers nahezu verlustfrei vor sich geht.
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Diese Aufgabe ist nach der Erfindung dadurch gelöst worden, daß das
die Betriebszustände durch lineare Verstellung anzeigende Element ausgangsseitig
mit dem einen Ende eines an sich bekannten, von der Mitte nach seinen Enden entgegengesetzt
bleibend verdrillten, jedoch beiderseits unverdrehbar eingespannten metallischen
Bandes verbunden ist, an dessen die Längenänderungen als Winkelausschläge anzeigendem
Mittelteil die Düse befestigt ist, und daß der der Düse zugeordnete Aufnahmekörper
eine Vielzahl von je einen digitalen Wert darstellenden Ausgangsöffnungen aufweist.
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Die Erfindung hat sich dabei die vorteilhaften Eigenschaften des verdrillten
metallischen Bandes zunutze gemacht, das beispielsweise aus der USA-Patentschrift
2 768 350 bekannt ist, jedoch in einer anderen Anwendung. Die kurze Ansprechzeit
und große Empfindlichkeit des vorgeschlagenen Wandlers beruhen darauf, daß er nur
eine sehr geringe Drehmassenträgheit aufweist und praktisch keine Reibung zwischen
den bewegten Teilen auftritt. Der Aufbau des Wandlers nach der Erfindung ist äußerst
einfach, außerdem zeichnet er sich durch zuverlässige Arbeitsweise aus. Da für die
angeschlossene pneumatische Recheneinrichtung ohnehin ein Druckerzeuger benötigt
wird, ist für den erfindungsgemäßen Wandler keine besondere Energiequelle erforderlich;
er liefert vielmehr dem pneumatischen Rechner unmittelbar auswertbare pneumatische
Impulse. Der erfindungsgemäße Wandler kann hierbei gleichzeitig als Verstärker wirken.
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Bei einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform gemäß der Erfindung
ist die Düse in einem zylindrischen Düsenkörper angeordnet, der über zwei Druckleitungen
an den Druckerzeuger angeschlossen ist, deren Mündungen in der Drillachse des Bandes
entgegengesetzt zueinander gerichtet beiderseits mittels eines unter dem Mediumdruck
gehaltenen Ringspaltes berührungsfrei in eine axiale Bohrung des Düsenkörpers ragen.
Zweckmäßig weist der Düsenkörper zwei entgegengesetzt wirksame Düsen auf, wodurch
die Lagerbelastung weiter verringert ist.
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Für die Anordnung der Aufnahmekörper sind gemäß weiterer vorteilhafter
Ausgestaltung der Erfindung mehrere Möglichkeiten gegeben: Der Aufnahmekörper kann
entweder zwei parallele Reihen von Ausgangsöffnungen aufweisen, wobei die Düse des
Düsenkörpers erweitert ausgebildet ist, oder es werden zwei Aufnahmekörper diametral
entgegengesetzt angeordnet, die gegeneinander versetzte Ausgangsöffnungen haben.
Im letzteren Fall werden beide Düsen des Düsenkörpers ausgenutzt.
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Für ein genaues Arbehen besteht eine vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung darin, das Element zur analogen Darstellung der Betriebszustände und
deren Änderungen durch lineare Verstellung, das verdrillte Band und den Rahmen aus
Werkstoffen mit gleichem linearem Ausdehnungskoeffizienten herzustellen.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen in mehreren
Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt F i g. 1 schematisch eine Anordnung zur
Durchführung eines Herstellverfahrens zur Verdeutlichung der Anwendungsmöglichkeiten
der Erfindung, F i g. 2 schaubildlich eine Ausführungsform eines Wandlers zur Ermittlung
digitaler Werte, die unmittelbar einem pneumatischen Rechner eingegeben werden können,
F i g. 3 einen Schnitt durch den Düsenkörper in der Linie 3-3 gemäß F i g. 2, F
i g. 4 einen Schnitt durch den Düsenkörper und den Aufnahmekörper in der Linie 4-4
der F i g. 2, F i g. 5 einen Schnitt ähnlich dem in F i g. 4 gezeigten durch eine
andere Ausführungsform der Aufnahmekörper und F i g. 6 eine schaubildliche Darstellung
einer weiteren Ausführungsform von Düsenkörper und Aufnahmekörper in einem Wandler
ähnlich F i g. 2.
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Das Ausführungsbeispiel wird in der Verwendung beim Haber-Verfahren
für die kommerzielle Herstellung von Ammoniak gezeigt, dessen Ablauf weitgehend
gesteuert wird. Dieses Verfahren umfaßt gemäß
F i g. 1 die Verdichtung
von Stickgas und Wasserstoff-Gas im Volumenverhältnis 1:3 in einer Druckkammer 10,
von der die verdichtete Mischung in eine Reaktionskammer 12 und von dort an einem
Satz Heizspiralen 14 vorbei zu einem Katalysator 16, z. B. mit Tonerdekali vermischtem
Eisenoxyd, gelangt. Durch die Wirkung des Katalysators in Verbindung mit der Wärme
und dem Druck ist die Reaktion, daß Teile des Wasserstoffes und Stickstoffes Ammoniak
bilden. Eine ausgeglichene Mischung, bestehend aus Wasserstoff, Stickstoff und Ammoniak
läuft daher durch eine Leitung 18 in eine Kondensationskammer 20, wo das
Ammoniakgas herauskondensiert wird, während das Ammoniak-Kondensat 22 sich in einem
Kessel 24 sammelt und aus der Anlage durch ein Ventil 26 und eine Auslaßleitung
28 entnommen werden kann. Das ungebundene Stickstoff- und Wasserstoff-Gas wird aus
dem Kessel über eine Leitung 30 in die Reaktionskammer zurückgeführt und erneut
dem Kreislauf des Reaktionsprozesses zugeführt.
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Die Volumenprozente des Ammoniaks in seiner durch die Leitung 18 in
die Kondensationskammer strömenden ausgeglichenen Mischung ändern sich sehr stark
in Abhängigkeit von der Temperatur und vom Druck der reaktanten Gase in der Reaktionskammer.
Je höher nämlich dort die Tempera-#ur ist, desto niedriger ist der Ammoniakgehalt,
während er bei höherem Druck steigt. Bei einer Temperatur von beispielsweise 500°
C und einem Druck von einer Atmosphäre in der Reaktionskammer ergibt sich ein Ammoniak-Anfall
von 0,2 Prozent. Verringert man die Reaktionstemperatur auf 200° C und erhöht den
Druck auf 100 Atmosphären, so beträgt der Ammoniak-Anfall mehr als 80 Prozent.
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Für einen kontinuierlichen Verfahrensablauf ist es erwünscht, das
Ammoniak-Kondensat mit der gleichen Geschwindigkeit dem Kessel 24 zu entnehmen,
mit der es sich dort ansammelt. Diese Geschwindigkeit zu einem gegebenen Zeitpunkt
hängt aber unmittelbar von dem jeweils durch den Reaktionsprozeß erzeugten Ammoniak-Anteil
ab. Daher wird vorteilhaft das Ventil 26 in Abhängigkeit von der Höhe des
Ammoniak-Anteiles gesteuert. Eine nach den Regeln der pneumatisch-hydraulischen
Logik arbeitende Steuereinheit 32 dient daher entweder zur ständigen oder zur zeitweisen
Messung der Temperatur und des Druckes in der Reaktionszone, errechnet aus diesen
Eingangsdaten den resultierenden Ammoniak-Anfall und betätigt demgemäß das Ventil
26. Dies hält somit den Ammoniak-Rückstand im Kessel auf gleicher Höhe sowie
das Gesamt-Gasvolumen in der Einrichtung konstant und schützt vor den mit einer
überfüllung des Kessels oder mit dessen vollständiger Entleerung verbundenen Gefahren.
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Der Wandler als Bestandteil der Steuereinheit 32 dient dazu, bestimmte
Parameter des Prozesses zu überwachen und die jeweiligen Werte dieser Parameter
in gewandelter Form, und zwar entsprechend den für die pneumatische Recheneinrichtung
erforderlichen digitalen Signalen der Steuereinheit einzugeben. Die physikalischen
Verhältnisse werden also quantitativ gemessen und diesen Ergebnissen entsprechende
pneumatische logische Eingangssignale erzeugt.
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Die Einrichtung gemäß F i g. 2 überwacht - als Beispiel - von den
verschiedenen Parametern den jeweils in der Reaktionskammer 12 herrschenden Druck.
Eine Druckleitung 34 führt von der Reaktionskammer 12 (F i g. 1) zu einer barometerartigen
Kammer 40, deren obere Seite an dem oberen horizontalen Teil 43 eines C-förmigen
Rahmens 42 befestigt ist. Die Kammer 40 dehnt sich im Ansprechen auf Änderungen
ihres inneren Druckes um geringe Längen in ihrer Längs-, also in vertikaler Richtung.
Da die Kammer 40 durch die Druckleitung 34 ein Teil des Drucksvstems
der Reaktionskammer 12 ist, stellt die vertikale Lage der Kammerunterseite die Druckhöhe
in der Reaktionskammer dar.
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In der Kammer 40 befindet sich ein zylindrischer Körper 47, der das
wirksame Volumen der Kammer stark verringert, so daß die Ansprechzeii der Kammer
40 auf Druckänderungen bedeutend reduziert ist. Eine zentrale Bohrung 49 im Zylinder
47 dient der Verbindung der Druckleitung 34 mit der Kammer 40.
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Ein verdrilltes Band 50 aus Metall ist mit seinen Enden an der unteren
Fläche der Kammer 40 und am unteren horizontalen Teil 45 des Rahmens 42 befestigt.
Die Funktion des Bandes 50 liegt darin, daß sich auch bei sehr geringen axialen
Verstellungen des einen Endes des Bandes dessen mittlerer Teil 55 um seine
Längsachse dreht. Eine vertikale Lageänderung des Bodens der Kammer 40 wird also
in eine Winkelbewegung des mittleren Teiles 55 des Bandes 50 umgewandek, und zwar
infolge der entgegengesetzten Verdrillungen 52 und 54 des Bandes 50.
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Bei der Herstellung des Bandes 50 in seine verdrillte Form werden
in bekannter Weise die Enden des Bandes festgeklemmt und der mittlere Teil
55
um die Längsachse des Bandes über dessen elastische Dehnungsgrenze hinaus
gedreht, so daß sich eine bleibende Verformung ergibt. Beispielsweise Abmessungen
für das Band sind eine Breite von 6 bis 7 mm und eine Dicke zwischen 0.4 bis 0.6
mm. Bei der Befestigung gemäß F i g. 2 hat das Band eine gewisse Vorspannung, um
ein Ausknicken des Bandes bei einer Abwärtsbewegung des Kammerbodens 40 zu verhindern.
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Schon sehr geringe lineare Verstellungen am Ende des Bandes 50 ergeben
relativ große Winkelbewegungen seines mittleren Teiles 55. Nimmt man an, die Verdrillungen
52, 54 des Bandes betrügen an Stelle der in F i g. 2 dargestellten halben Windungen
vier volle Windungen, so bewirkt ein Verstellweg des Bodens der Kammer 40 von 0,25
bis 0,30 mm einen Winkelausschlag des Mittelteiles 55 um annähernd 90°. Durch diese
Verstärkung erreicht man eine äußerst empfindliche Anzeige.
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In einer Aussparung 56 im mittleren Teil 55 des Bandes 50 ist ein
zylindrischer Düsenkörper 60 mit zwei sich kreuzenden Bohrungen 62 und 63 (F i g.
3) angeordnet und mit dem Mittelteil 55 fest verbunden. An die Bohrung 63 sind zwei
Druckleitungen 65 und 67 angeschlossen, die über einen Verteiler 68 und eine weitere
Druckleitung 69 mit einem Druckerzeuger verbunden sind, vorzugsweise dem Druckerzeuger
für die pneumatische Recheneinrichtung der Steuereinheit 32.
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Wie aus der F i g. 3 ersichtlich ist, schneiden sich die Bohrungen
62 und 63 im rechten Winkel; die Bohrung 63 verläuft axial durch den Düsenkörper
und somit konzentrisch zur Längsachse des Bandes 50. Die Enden der Druckleitungen
65 und 67 ragen etwas in die Bohrung 63 hinein, haben aber keine Berührung mit der
Wandung der Bohrung 63, so daß bei der Drehbewegung des mittleren Teiles 55 des
Bandes 50 mit dem Düsenkörper 60 zwischen dem
Düsenkörper
60 und den Druckleitungen 65, 67 keine Reibung auftritt. Der Außendurchmesser der
Druckleitungsenden ist daher kleiner als die lichte Weite der Bohrung 63. Der Verteiler
68 ist mittels Trägern 66 am Mittelteil 44 des Rahmens 42 befestigt,
so daß die Druckleitungen 65 und 67, wenn sie einmal bezüglich der Bohrung 63 justiert
sind, unbewegbar starr angeordnet sind.
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Das durch die Leitungen 65 und 67 unter Druck zugeführte Medium, z.
B. Luft, tritt aus dem Düsenkörper 60 über die als Düse ausgebildete Bohrung 62
aus, wodurch zwei radial zur Achse des Bandes 50 austretende Strahlen entstehen.
Durch die Spalte zwischen der Wand der Bohrung 63 und den Außenseiten der Leitungen
65, 67 entstehen nur sehr geringe Leckverluste, da die Spaltbreite auf etwa 0,25
mm begrenzt werden kann. Wegen der beiden entgegengesetzt gerichtet aus dem Düsenkörper
60 austretenden Strahlen sind die auf das Band 50 wirkenden seitlichen Kräfte ausgeglichen,
so daß eine seitliche Verstellung des Bandes 50 vermieden ist. Eine etwaige seitliche
Bewegung des Düsenkörpers 60 wird außerdem durch das zwischen den Außenwänden der
Leitungen 65 und 67 und der Innenwand der Bohrung 63 aufrechterhaltene Luftkissen
vermieden, mindestens aber wirksam gedämpft. Aus diesen Gründen ist jede Berührung
zwischen den Leitungen 65 und 67 und dem Düsenkörper 60 ausgeschlossen. Außerdem
werden zweckmäßigerweise die Kammer 40, das Band 50 und der Rahmen 42 aus Werkstoffen
mit möglichst gleichen linearen Ausdehnungskoeffizienten hergestellt, so daß auch
thermisch bedingte Veränderungen der Spannung des Bandes 50 sich nicht auswirken.
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Gemäß F i g. 2 ist ein Aufnahmekörper 70 stationär so angeordnet,
daß jeweils eine seiner Ausgangsöffnungen 72 von dem aus dem Düsenkörper 60 austretenden
Strahl beaufschlagt wird. Nach F i g. 4 sind im Aufnahmekörper 70 acht Ausgangsöffnungen
72 auf einem Bogen von etwa 90° angeordnet, so daß für je etwa 131 der Drehung
des Düsenkörpers 60 eine Ausgangsöffnung vorgesehen ist. Mit den Ausgangsöffnungen
72 sind Ausgangsleitungen 74 verbunden, die zu verschiedenen Eingängen der pneumatischen
Recheneinrichtung der Steuereinheit 32 führen. Bei den Drehbewegungen des Düsenkörpers
60 um die Längsachse des Bandes 50 wird somit ein Strahl gegen den Aufnahmekörper
70 gerichtet und für je 13° Drehung ein Drucksignal in einer der Ausgangsöffnungen
72 erzeugt und über die entsprechende Ausgangsleitung 74 der Steuereinheit 32 zugeführt.
Die in der Steuereinheit angeordnete Recheneinrichtung erhält also den jeweiligen
Druck in der Reaktionskammer 12 darstellende Signale, die zwar einheitliche Stärke
aufweisen, aber an verschiedenen Eingängen ankommen.
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Im folgenden wird die Arbeitsweise der beschriebenen Einrichtung erläutert.
Wenn der Druck in der zu regelnden Anlage, z. B. bei dem Ammoniak-Herstellungsprozeß
nach F i g.1, ansteigt, dehnt sich die Kammer 40 um ein entsprechendes Maß und bewirkt
dadurch eine Drehbewegung des Düsenkörpers 60 im Uhrzeigersinn (F i g. 2) um einen
bestimmten Winkel. Dadurch ändert sich die Richtung des aus der als Düse wirksamen
Bohrung 62 austretenden Strahles, so daß dieser über eine oder mehrere der Ausgangsöffnungen
72 im Aufnahmekörper 70 hinwegstreicht. In jeder der dabei getroffenen
Ausgangsöffnungen 72 wird somit ein Druckimpuls induziert und durch die zugehörige
Ausgangsleitung 74 der pneumatischen Recheneinrichtung zugeführt.
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Infolge der Verteilung einzelner Ausgangsöffnungen 72 im Aufnahmekörper
70 erhält die pneumatische Recheneinrichtung digitale Eingangswerte. Es werden also
Analogwerte in Ziffernwerte umgewandelt.
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Aus den F i g. 2 und 4 ist ersichtlich, daß für einen möglichst empfindlichen
Eingang zum Rechner die Ausgangsöffnungen 72 möglichst nahe nebeneinander angeordnet
werden müssen. Begrenzt ist die Anzahl der Öffnungen aber durch den möglichst gering
zu haltenden Abstand zwischen Düsenkörper 60 und Aufnahmekörper 70. Auf dem zur
Verfügung stehenden Bogen von 90° am Körper 70 sind also möglichst viele Öffnungen
72 unterzubringen. Wie das zur Verbesserung der Anordnung gemäß den F i g. 2 und
4 erreicht werden kann, zeigen die in den F i g. 5 und 6 dargestellten Anordnungen.
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Gemäß F i g. 5 ist ein zusätzlicher Aufnahmekörper 75 an der anderen
Seite des Düsenkörpers 60 gegenüber dem Körper 70 angeordnet, dessen Ausgangsöffnungen
77 zwar den gleichen Abstand voneinander haben wie die Bohrungen 72, doch gegenüber
diesen versetzt angeordnet sind. Auf diese Weise ist der Winkelabstand der aufeinanderfolgenden
vom Strahl beaufschlagten Öffnungen von 13° auf 61/2° verringert, da bei der Drehung
des Düsenkörpers 60 im Uhrzeigersinn zunächst ein Drucksignal in der ersten Ausgangsöffnung
72, dann, nach einer weiteren Drehung von 61/2° in der ersten Öffnung 77, nach einer
weiteren Drehung um 61/2° in der zweiten Öffnung 72 erzeugt wird usw. Der Grad der
Empfindlichkeit der Einrichtung wird also auf diese Weise um den Faktor zwei erhöht,
ohne daß der Abstand der Öffnungen verringert werden muß. Entsprechend kann auch
die Zahl der Aufnahmekörper weiter erhöht und der Düsenkörper mit zusätzlichen Bohrungen
versehen werden.
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Die gleiche Wirkung wie mit der Anordnung nach F i g. 5 ist auch mit
der in F i g. 6 dargestellten Anordnung erzielbar. Hier ist wieder nur ein Aufnahmekörper
80 vorgesehen, der aber Ausgangsöffnungen 82 in zwei parallel übereinanderliegenden
Reihen enthält, wobei die Öffnungen beider Reihen gegenseitig versetzt sind. Der
Düsenkörper 60 hat an der Mündung seiner Bohrung eine Erweiterung 84, durch die
ein beide Reihen beaufschlagender breiterer Strahl austritt. Stattdessen können
auch im Düsenkörper zwei Bohrungen übereinander angeordnet werden. In beiden Fällen
werden bei der Drehung des Düsenkörpers 60 abwechselnd in den Öffnungen 82 der oberen
und der unteren Reihe Drucksignale erzeugt.
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Die Anordnung eines Dehnungskörpers, wie der Kammer 40, dient speziell
zur Messung der Druckverhältnisse in der zu überwachenden Anlage. Für andere Parameter
werden zweckmäßig an Stelle der Kammer 40 andere Umwandlungselemente angewendet,
z. B. eine mit Gleichstrom gespeiste elektrische Spule, die bei Änderungen des durchfließenden
Stromes die axiale Spannung des Bandes ändert, wie an Hand von Fig. 2 beschrieben.
Während eine solche Anordnung elektrische Meßergebnisse als Analogwerte umwandelt,
würde man für die Auswertung thermischer Analogwerte, z. B. Temperaturwerte, an
Stelle der Spule bzw. der Druckkammer ein Bimetallelement anwenden.