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Dosiereinrichtung für Flüssigkeiten Die Erfindung betrifft eine automatische
Dosiereinrichtung für Flüssigkeiten mit einem die Dosierung bewirkenden, in einem
zylindrischen Gehäuse gleitend angeordneten Tauchkolben, einem mit dem Tauchkolben
kraftschlüssig verbundenen hydraulischen Motor, der an ein Umschaltventil angeschlossen
ist, durch welches die Bewegungsrichtung des Motors bestimmt wird, sowie eine Schaltvorrichtung,
die den Vorschub des Motors begrenzt und bei Erreizen der Grenzstellung das Umschaltventil
betätt Derartige Dosiereinrichtungen für Flüssigkeiten dienen zur Einführung von
bestimmten Mengen einer Fllissigkeit in ein Gefäß, und zwar insbesondere in die
in der chemischen Industrie, in einer Kernenergieanlage usw. verwendeten Reaktionsgefäße.
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13is sind Dosiereinrichtungen bekannt, die aus einem: vorzugsweise
von einem Kurbelgetriebe oder einer Steuerkurve angetriebenen Kolben bestehen.
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Die Einstellung der dosierten Volumina erfolgt dabei entweder durch
Veränderung der Geschwindigkeit des die Kolbensteuerung antreibenden Motors oder
mittels mechanischer Vorrichtungen zur Veränderung des Kolbenhubs.
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Es ist auch bekannt, den Kolben nicht direkt auf die ZLI dosierende
Flüssigkeit einwirken zu lassen, sondern die Bewegungen des Kolbens im Falle korrodierender,
radioaktiver oder gefährlicher Flüssigkeiten auf eine verformbare Membran zu übertragen,
die allein mit der zu dosierenden Flüssigkeit in Bo rührung steht.
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Ferner ist eine handgesteuerte Dosiereinrichtung für Flüssigkeiten
bekannt, bei der ein in einem Zylinder gleitender Tauchkolben von einem durch einen
Verteiler gesteuerten Druckluftmotor angetrieben wird Diese handgesteuerte Einrichtung
eignet sich insbesondere zur Abgabe vorbestimmter Wassermengen.
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Der Nachteil dieser Vorrichtung besteht unter anderem darin, daß
die Betätigung von Hand erfolgt.
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Des weiteren weisen die bekannten Vorrichtungen vor allem den Nachteil
auf, daß die abzugebende Flüssigkeitsmenge oder die zeitliche Aufeinanderfolge der
abzugebenden Mengen nicht exakt vorbestimmt werden kann. Ferner erfolgt bei bekannten
Vorrichtungen die Regelung der zeitlichen Aufeinanderfolge der abzugebenden Flüssigkeitsmengen
durch Veränderung der Geschwindigkeit des den Kolben antreibenden Motors Dies führt
zu dem Nachteil, daß die elektronischen Steuereinrichtungen proportional zur Leistungsaufnahme
des Motors dimensioniert werden müssen.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer automatischen Dosiervorrichtung
für Flüssigkeiten, die es gestattet, sowohl die Menge der zu dosierenden Flüssigkeit
als auch die zeitliche Aufeinanderfolge der abzugebenden Flüssigkeitsmengen sehr
genau vorherzubestimmen und nach Wunsch einzustellen.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Umschaltventil
mittels eines durch die Schalteinrichtung in Tätigkeit gesetzten elektrohydraulischen
Relais umschaltbar ist und daß der vorherbestimmbare Wiederholungszeitpunkt der
Umschaltung durch ein ebenfalls durch die Schalteinrichtung in Lauf gesetztes elektronisches
Zeitgebergerät gegeben ist.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Schalteinrichtung
ein in an sich bekannter Weise von dem Kolben des hydraulischen Motors betätigter
Endschalter.
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Eine weitere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß das
elektronische Zeitgebergerät eine stabilisierte Spannungsquelle, einen Zeitgeber
mit einem Differentialverstärker und einer bistabilen Kippstufe und einen mit zwei
Thyratrons bestückten Gleichrichter umfaßt und daß die Öffnung des Endschalters
die Auslösung der Kippstufe und das Schließen des Endschalters das Löschen der Thyratrons
bewirkt, so daß das Relais stromlos wird.
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In einer anderen Ausführungsform, bei welcher der hydraulische Motor
zwei gegenüberliegend angeordnete
Tauchkolben betätigt, ist für
jede Bewegungsrichtung des hydraulischen Motors ein gesonderter Endschalter vorhanden,
und das Umschaltventil weist drei Schaltstellungen auf.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß
die Dosierung einer beliebigen Variablen, wie beispielsweise dem Fluiddruck, der
Temperatur bei einer beliebigen Phase der Anwendung des dosierten Fluids, dem Säuregehalt,
usw. unterworfen werden kann Diese Variablen können auch elektrisch übertragen werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich außerdem zur Durchführung einer Dosierung
nach einem vorherbestimmten Programm. Ferner kann die Dosiereinrichtung mit Hilfe
von handelsüblichen Bauteilen für hydraulische Übertragungen (Pumpen, hydraulische
Motoren, Schieber) ausgeführt werden und weist deren Vorteile der Robustheit, des
lautlosen Arbeitens und der großen Leistung auf. Des weiteren erfolgt die Steuerung
der Dosiereinrichtung mittels elektronischer Standardeinrichtungen, die unabhängig
von den verwendeten Drücken und den dosierten Mengen zur Ausführung der Steuerung
nur geringe Energie benötigen.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher beschrieben.
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Fig. 1 stellt einen Längsschnitt durch eine Dosiereinrichtung gemäß
der Erfindung dar; F i g. 2 zeigt in schematischer Weise den hydraulischen Teil
der erfindungsgemäßen Vorrichtung; F i g. 3 ist ein Schaltbild des elektronischen
Teiles der erfindungsgemäßen Vorrichtung; F i g. 4 zeigt schematisch eine andere
Ausführungsform.
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Die dargestellte Dosiereinrichtung umfaßt im wesentlichen einen Tauchkolben
1, der in dem Gehäuse 2 gleitet. Der Kolben 1 kann direkt auf die zu dosierende
Flüssigkeit wirken, jedoch ist es in vielen Fällen vorteilhafter, das Gehäuse 2
- wie dargestellt - mit einem Hohlraum 3 zu verbinden. In diesem Hohlraum 3 befindet
sich eine biegsame Membrane 4, die die gemeinsame Wand des Hohlraumes 3 und des
eigentlichen Dosierraumes 5 bildet.
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Der Dosierraum s ist mit Klappen 6 und 7 für das Ansaugen und Ausstoßen
der zu dosierenden Flüssigkeit versehen. Gehäuse 2 und Hohlraum 3 sind durch ein
Rohr 8 verbunden; das Volumen von 2, 3 und 8 ist mit Flüssigkeit ausgefüllt. Das
Rohr 8 kann jede gewünschte Länge haben. Man kann auch den Dosierraum 5 in einer
beliebigen Entfernung von der übrigen Dosiereinrichtung anordnen. Das wird besonders
dann geschehen, wenn der Dosierraum und die übrige Dosiereinrichtung durch eine
oder mehrere Schutzwände getrennt werden sollen; eine solche Anordnung findet besonders
in Anlagen Verwendung, die gefährliche Flüssigkeiten benutzen, insbesondere in nuklearen
Anlagen.
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Der Antrieb des Tauchkolbens wird durch eine hydraulische Anlage
bewirkt. Die Bewegungen des Kolbens 1 werden durch einen hydraulischen Motor 10
hervorgerufen, der von einem Umschaltventil 11 Flüssigkeit unter Druck erhält. Dieses
Umschaltventil 11 wird durch ein hydraulisches, elektrisch gesteuertes Relais 12
geregelt, welches an ein elektronisches ZeitgebergerätP3 angeschlossen ist. Das
elektronische Zeitgebergerät 13 liefert Schaltimpulse vorbestimmbarer Frequoellz
und Länge für das Relais 12, um den Bewegungelr tdes Umschaltventils und damit
des
Kolbens 15 eine gewünschte Frequenz zu geben Das elektronische Zeitgebergerät 13
ist mit dem einstellbaren Kontakt 14 verbunden, welcher durch der hydraulischen
Motor 10 betätigt wird.
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Der Kolben 1 und der hydraulische Motor 10 können baulich zu einer
einzigen Einrichtung zusammengefaßt sein; hierzu wird der Kolben 1 mit der Stange
17 und das Gehäuse 2 mit dem Gehäuse 10 vereinigt.
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Der hydraulische Motor 10 kann auf verschiedene Weise ausgebildet
sein. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Kolben 15 mit zwei Stangen 16
und 17 verschiedenen Durchmessers versehen. Die verschiedenen Stangendurchmesser
führen zu verschiedenen Größen der beiden Kolbenflächen, so dae bei gleichem Druck
unterschiedliche Kräfte auf beide Seiten wirken. Diese Tatsache ist für die Wirkungsweise
der Einrichtung von erheblicher Bedeutung Die Stange 17 ist über die Stange 9 fest
mit dem Tauchkolben 1 verbunden. Das äußere Ende 18 del Stange 17 betätigt den Kontakt
14. Dieser sitzt aui einem Träger 19, welcher sich mittels einer Schraube 20, die
durch eine Kurbel 21 betätigt wird, längs verschieben läßt.
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Die Druckflüssigkeit zur Betätigung des hydraulischen Motors 10 wird
von der Pumpe 24 geliefert welche vorzugsweise eine konstante Leistung hat und die
Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsgefäß 26 in das Rohr 25 zum Umschaltventil 11 drückt.
Das Flüssigkeitsgefäß 26 ist außerdem über das Rohr 27 mil dem Umschaltventilll
verbunden. Über das Rohr 23 ist das Umschaltventil 11 an die linke Seite des Motors
10 angeschlossen, die rechte Seite des Motors 10 ist über die Leitung 22 mit der
Druckseite der Pumpe 24 verbunden.
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Das hydraulische, elektrisch gesteuerte Relais 12 ist einerseits
über das Rohr 28 mit der Abgabeseite der Pumpe 24 und andererseits über das Rohr
29 mit dem Flüssigkeitsgefäß 26 verbunden. Der hydraulische Teil dieses Relais steuert
den Verteiler 11 bei Erregung des elektrischen Teiles, welcher beispielsweise aus
einem Elektromagneten besteht und selbst durch das elektronische Zeitgebergerät
13 betätigt wird. Je nachdem, in welcher seiner beiden Stellungen sich das Relais
12 befindet, ist das Rohr 23 entweder mit dem Druckrohr 25 oder dem Rückführungsrohr
27 verbunden, was durch gestrichelte Linien angedeutet ist.
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Ist das Rohr 23 mit dem Druckrohr 25 verbunden, so wird der Kolben
15 des hydraulischen Motors 10 auf Grund der größeren Fläche der linken Kolbenseite
und der daraus resultierenden Kraft nach rechts gestoßen; dadurch bewegt sich auch
der Tauchkolben 1 nach rechts, so daß die Flüssigkeit in den Räumen 2 und 3 unter
Druck gesetzt, die biegsame Membran 4 durchgedrückt und die im Raum 5 enthaltene
Flüssigkeit durch die Klappe 7 ausgestoßen wird. Sobald die Stange 17 den Kontakt
14 erreicht, schließt sich dieser, was auf Grund der elektrischen Schaltung zur
Erregung des Relais 12 führt. Dadurch wird das Umschaltventil 11 umgeschaltet, d.
h. die Verbindung der Rohre 23 und 25 unterbrochen, und es werden die Rohre 23 und
27 miteinander verbunden, so daß der linke Zylinderraum des hydraulischen Motors
10 mit dem Flüssigkeitsvorratsgefäß. 26 in Verbindung besteht. Der Kolben 15 des
Motors verschiebt sich dann nach links und nimmt den Tauchkolben 1 mit.
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Jetzt wird durch die Klappe 6 eine neue Flüssigkeitsmenge in den
Raum 5 angesaugt, bis der Kolben 15 das Ende seines Hubes erreicht hat. Das elektronische
Zeitgebergerät 13 hat die Aufgabe, die Zeit zu bestimmen, während der das Relais
12 erregt bzw. nicht erregt ist. Die Zeiten sind mittels des elektronischen Zeitgebergerätes
13 einstellbar.
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Die Menge der dosierten Flüssigkeit hängt also einmal von dem durch
die Stellung des Kontaktes 14 bestimmten Hub des Tauchkolbens 1 und zum anderen
von der Frequenz der Kolbenbewegung ab. Diese beiden Größen lassen sich unabhängig
von den benutzten Kräften oder dem dosierten Volumen einstellen.
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Der hydraulische Kreis ist mit mehr Einzelheiten in F i g. 2 dargestellt.
In diesem Schema sind das Umschaltventil 11 und das Relais 12 zu einer Einheit verbunden.
In der Abgabeleitung 25 der Pumpe 24 ist ein Kreuzstück 30 vorgesehen, von dem drei
Abzweigungen ausgehen. Die eine Abzweigung 28 versorgt das Relais 12 über die Drossel
31. Die andere Abzweigung 32 führt über den die Rückkehrgeschwindigkeit des Kolbens
des Motors 10 bestimmenden Begrenzer 33 zum Umschaltventil 11.
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Im Anschluß an diesen Begrenzer33 zweigt das Rohr 22 ab, welches
die rechte Seite des hydraulischen Motors speist. Die dritte Abzweigung 34 führt
über den Sicherheitsbegrenzer 35 zum Vorratsgefäß 26 zurück. Das Rohr 22 enthält
eine Drossel 36, die die Kolbengeschwindigkeit des Motors 10 bestimmt.
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Das von der linken Motorseite abzweigende Rohr 23 dient je nach der
Stellung des hydraulischen Relais 12 und des Umschaltventils zur Zu- oder Abführung
von Flüssigkeit und ist ebenfalls mit einer Drossel 37 zur Begrenzung der Strömungsgeschwindigkeit
versehen. Wie bereits erwähnt, beruht die Bewegung des Kolbens 15 nach der einen
oder anderen Seite auf der unterschiedlichen Größe der beiden Kolbenflächen, auf
Grund der auch bei gleichen Drücken verschiedene Kräfte auf beide Seiten wirken
können.
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Das Umschaltventil 11 ist ein elektro-hydraulisch betriebener Dreiwegehahn
beliebiger Art, beispielsweise mit Schieberküken od. dgl.
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Die Betätigung des hydraulischen Relais 12 kann auf verschiedene
Weisen geschehen, z. B. mittels Drehkontakten, die von einem Synchronmotor angetrieben
werden, oder mit einer thermischen Anordnung.
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Eine der bei Verwendung solcher Anordnungen auftretenden Schwierigkeiten
liegt bei den elektrischen Kontakten, welche mehrere Millionen von Schaltvorgängen
aushalten können müssen. Dieser Schwierigkeit wird dadurch abgeholfen, daß die Betätigung
des Relais 12 durch das elektronische Zeitgebergerät 13 erfolgt. Der Kontakt 14
betätigt hierbei den Gitterstromkreis einer Thyratronröhre. Dadurch unterliegt der
Kontakt 14 praktisch keiner Abnutzung.
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Das elektronische Zeitgebergerät 13 umfaßt einen elektronischen Zeitgeber
herkömmlicher Art, beispielsweise einen Miller-Integrator. Bei diesem wird die Frequenzänderung
durch Änderung der Anoden-Gitterspannung erreicht.
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F i g. 3 zeigt ein Beispiel für eine Schaltung, welche die oben beschriebene
Zeitregelung durchzuführen gestattet. Sie umfaßt als Teil A eine stabilisierte Spannungsquelle,
als Teil B den Zeitgeber und als Teil C einen Thyratron-Gleichrichter.
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Der Teil A liefert eine Gleichspannung von 250 Volt, die für Spannungsschwankungen
von +10°/o im Netz 39 bei einer Stromstärke von 20 Milliampere auf +0,4 ovo stabilisiert
ist. Diese stabilisierte Spannung speist den Zeitgeber, welcher durch das Öffnen
des Kontaktes 14 ausgelöst wird.
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Durch diesen Zeitgeber wird die Frequenz bestimmt, mit der die Ladespannung
der Anoden-Gitterkapazität variiert wird. Der Differentialverstärker 40 bewirkt
das Kippen des Zeitgebers bei einer vorgeregelten Amplitude der Anoden-Sägezahnspannung.
So ist der Einfluß des Alterns der Röhre 40 praktisch ausgeschlossen. Das durch
die plötzliche Entladung der Anoden-Gitterkapazität erzeugte Signal wird an das
Gitter einer bistabilen Kippstufe 41 angelegt.
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Der Gleichrichter C arbeitet mit Thyratrons und empfängt die Impulse
des Zeitgebers B, welche über den Gleichrichter C das Ventil des Relais 12 betätigen.
Dieses Ventil betätigt wiederum das Umschaltventil 11 und bewirkt schließlich die
Schließung des Kontaktes 14, welcher die Thyratrons löscht, worauf die Rückkehr
des Kolbens in seine Ausgangsstellung erfolgt. Dort verbleibt der Kolben bis zum
folgenden Signal, das einen neuen Steuerzyklus auslöst.
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Mit der in den F i g. 1 und 2 beschriebenen Dosiereinrichtung wird
während der Phase der Rückkehr des Kolbens 15 des Motors 10, d. h. während der Phase,
die dem Fördern der Dosiereinrichtung entgegengesetzt ist, die unter Druck stehende
Flüssigkeit über einen Druckbegrenzer abgezogen, der ihre Energie absorbiert und
in Wärme umwandelt. Diese Energieabsorption bedeutet nutzlose Arbeit des Motors,
und die Wärmeentwicklung kann störend wirken, besonders in Anlagen hoher Leistung.
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Dieser Nachteil wird in der Einrichtung nach F i g. 4 vermieden,
bei welcher die Steuerung durch ein elektrisch betätigtes Ventil 42 mit drei Schaltstellungen
durchgeführt wird statt durch ein Ventil 11, 12 mit nur zwei Stellungen.
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In dieser Ausführungsform ist ein doppeltwirkender hydraulischer
Motor 10 vorgesehen. In der dargestellten Anordnung ist der Kolben 15 mit zwei Stangen
17 und 17' gleichen Durchmessers versehen.
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Die Stangen 17 und 17' sind fest mit den Tauchkolben 1 und 1' verbunden.
Die Kontakte 14 und 14' werden von den äußeren Enden 18 und 18' der Stangen 17 und
17' betätigt. Diese Schalter 14 und 14' werden von den Trägern 19 und 19' gehalten,
die in der Längsrichtung mit Hilfe von zwei Spindeln 20 und 20' verschoben werden
können. Diese Spindeln 20 und 20' werden durch Kurbeln 21 und 21' betätigt.
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Zu- und Rücklauf der Flüssigkeit in dem hydraulischen Motor 10 werden
durch das Umschaltventil 11 sichergestellt, das mit diesem Motor 10 über Leitungen
22 und 22' verbunden ist.
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Die unter Druck stehende Flüssigkeit wird durch die Pumpe 24 geliefert,
die vorzugsweise eine konstante Leistung hat und in das Rohr 25 fördert. Das Vorratsgefäß
26 ist über die Leitung 27 mit dem Verteiler verbunden.
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Das elektro-hydraulische Relais 42 steht einerseits über das Rohr
28 mit der Abgabeseite der Pumpe 24 und andererseits über das Rohr 29 mit dem Vorratsgefäß
26 in Verbindung. Es betätigt das Umschaltventil 11 durch Auslösen eines üblichen
elektrisch betätigten Ventils mit drei Schaltstellungen und wird
durch
das elektronische Zeitgebergerät 13 ausgelöst.
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Wenn der Kolben 15 des Motors 10, durch das Umschaltventil 11 veranlaßt,
nach rechts geschoben wird, bewegt sich auch der Tauchkolben 1 in gleicher Weise.
Dieser komprimiert die Flüssigkeit in den Hohlräumen 2 und 3, drückt die nachgiebige
Membran 4 durch und bewirkt das Ausstoßen der in 5 enthaltenen Flüssigkeit durch
die Klappe 7. Wenn der Kolben 1' den Kontakt 14' erreicht, schließt dieser sich;
dadurch schließt sich der zweite Kreis des Relais 42, während sich der erste öffnet.
Dieser wirkt auf das Umschaltventil 11 derart, daß die Leitung 25 mit der Leitung
22 verbunden wird. Der Kolben des hydraulischen Motors verschiebt sich nach links
und nimmt den Tauchkolben 1 mit, so daß eine neue Flüssigkeitsmenge durch die Klappe
6 in den Raum 5 angesaugt wird..Der fest verbundene Tauchkolben 1' wird gleichzeitig
bewegt und komprimiert die Flüssigkeit in den Hohlräumen 2' und 3', die die Membran
4' durchdrückt und das Ausstoßen der im Raum 5' enthaltenen Flüssigkeit durch die
Klappe 7' bewirkt.
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Wenn der Kolben 1 den Kontakt 14 erreicht, schließt dieser sich und
damit auch den ersten Kreis des Relais 42. Das Umschaltventil wird durch eine Feder
in seine Mittelstellung geführt und verbindet die Leitung 25 mit der Leitung 27;
die von der Pumpe geförderte Flüssigkeit kehrt zum Vorratsgefäß zurück Auch hier
wird durch das elektronische Gerät 13 eine einstellbare Grundzeit festgelegt, nach
der der zweite Kreis des Relais 42 von neuem betätigt wird, um das Umschaltventil
11 in Betrieb zu setzen und einen neuen Zyklus von Ausstoßen und Ansaugen in der
rechten Dosiereinheit und von Ansaugen und Ausstoßen in der linken Dosiereinheit
zu bewirken.
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Die dosierte Flüssigkeitsmenge ist somit einmal durch den Hub der
Tauchkolben 1 und 1t, der durch die Stellungen der Kontakte 14 und 14' bestimmt
wird, und zum anderen durch die Frequenz der Kolbenbewegungen einstellbar, die sich
aus der Zeit ergibt, welche durch das elektronische Gerät 13 gegeben ist.
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In der vorstehenden Beschreibung ist die hydraulische und elektronische
Steuerung eines oder gegebenenfalls zweier Tauchkolben vorgesehen, jedoch könnte
eine einheitliche Steuerung, wie sie im vorstehenden definiert ist, mehrere Dosierkolben
einer raehr oder weniger komplizierten Anlage betätigen.