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Einspritz-Vorrichtung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum
Einspritzen einer bemessenen Menge eines Fluids in die Strömung eines zweiten Fluids.
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Die Erfindung befaßt sich mit der Einspritzung von einer Fluidkomponente
in einen Fluidstrom, insbesondere mit einem pulsierenden Einspritzsystem, sowie
mit einem Impulsströmungsdetektor, der speziell zur Verwendung in zugehörigen Schaltungen
ausgebildet ist.
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Bei der Herstellung von fluidförmigen chemischen Produkten ist es
in vielen Fällen notwendig, daß ein für das Endprodukt notwendiges Additivfluid
in den Hauptstrom eines anderen Fluids eingespritzt wird. Auf dem Gebiet der Petroleum-Brennstoffindustrie
wird eine Fluideinspritzung in einer Anzahl von Bereichen benötigt. Ein Beispiel
ist die Zugabe von Geruchsstoffen, wie beispielsweise Mercaptanen, zu geruchlosen
Gasen, wie beispielshalber flussigem Propan, so daß die Benutzer von gefährlichen
Gasausbrüchen gewarnt werden. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Zugabe von Antioxydationsmitteln
und Farbstoffen zu Benzin.
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In den meisten Fällen muß die Proportionierung des zugegebenen Volumens
zu dem Volumen der Hauptströmung aus zwei Gründen genau gesteuert werden. Der
eine
Grund beruht darin, daß die Zugabe- bzw. Additivfluide üblicherweise teuer sind
und daß sparsam bzw. vorsichtig mit ihnen umgegangen werden muß.
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Der zweite Grund beruht darin, daß ein festgelegtes Minimum der Additiva
zugegeben werden muß, damit die erwünschte Wirkung erzielt wird. Im Falle von flüssigem
Propan fordern die Federal Safety Regulations, d. h. die staatlichen Sicherheitsverordnungen
der USA, ein Minimum von 217 ccm Mercaptane pro 3 11,56 m (100 barrels) Propan.
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Ein Verfahren zur Messung der Additivzugaben beruht auf dem "Prinzip
des Gewichtsverlustes", das beispielshalber in der US-PS 3 452 774 dargestellt ist.
Hierin ist ein Stromungs-Steuer- bzw. -Regelsystem beschrieben, das einen herkömmlichen
Prozeßregler verwendet, der normale Proportional- und Integralfunktionen aufweist,
so daß der Gewichtsverlust in einem Behälter, der das einzuspritzende Fluid enthält,
überwacht wird. Dieses auf dem Prinzip des Gewichtsverlustes basierende Verfahren
erweist sich insbesondere dann als besonders nützlich, wenn hochviskose Fluide dosiert
werden sollen.
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Ein zweites Verfahren zum Bemessen von Zusatz- bzw. Additivfluiden
basiert auf dem "Mengen-Volumen-Prinzip", welches in einem System verwirklicht ist,
das im Handel als "Meco-Pac" bekannt ist. Bei diesem System wird ein frei beweglicher
Kolben verwendet, der im Inneren eines mit Flüssigkeit gefüllten Zylinders von dem
Flüssigkeitsdruck vor und zurück bewegt wird, der von der zu bemessenden Flüssigkeit
selbst geliefert wird. Jeder Kolbenhub liefert eine Flüssigkeitsmenge, die gleich
dem Hubraum des Kolbens ist. Das Meco-Pac-System liefert eine genaue Einrichtung
fur ein Messen bzw. Dosieren des Fluidadditivs. Sie enthält jedoch keine Einrichtung
zur Änderung der Additivmenge im Ansprechen auf Änderungen in der Strömungsgeschwindigkeit
im Hauptstrom.
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Viele Fluide müssen aufgrund ihrer schädlichen bzw. Verschmutzungen
hervorrufenden Wirkung sorgfältig im Inneren der Handhabungs- und Einspritzsysteme
zurückgehalten werden. Flüssigkeiten mit einer niedrigen Viskositãt, wie beispielsweise
die genannten Antioxydationsmittel und die Farbstoffe, die bei der Berstellung von
Benzin verwendet werden, sowie die Geruchsstoffe, wie beispielsweise die Mercaptane,
die zur Geruchsversetzung von gasförmigen
Brennstoffen verwendet
werden, sind nur schwierig zusammen-, d. h. in einem bestimmten Gebiet, zu halten.
Diejenigen Systeme, welche hin- und hergehende Pumpen verwenden, wie beispielsweise
bei dem Verfahren von Stanton, und diejenigen Systeme, bei denen Bemessungs- oder
Dosiervorrichtungen mit freiem Kolben verwendet werden, wie beispielsweise in dem
Meco-Pac-Gerät, enthalten sich drehende oder hin- und hergehende Wellen oder Achsen,
die Dichtungen benötigen, um die Flussigkeitskammer gegenüber der Atmosphäre zu
isolieren.
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Das Auslaufen ist im allgemeinen nicht groß. Dennoch sollte auch ein
kleines Auslaufen der Duftstoffe oder Farbstoffe nicht vorkommen. Darüber hinaus
nutzen sich die Dichtungen ab, was zu einem weiteren Auslaufen fuhrt. Die Dichtungen
müssen ferner häufig ausgewechselt werden.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Überwindung dieser beim Stand
der Technik auftretenden Probleme, wobei sie desweiteren die beschriebenen Erfordernisse
für ein Fluideinspritzsystem erfüllt, indem eine Pumpe vorgesehen wird, die mit
einem kreislaufartigen Transportweg verbunden' ist, durch den sie ein Fluid umpumpt.
Ein Ventil verbindet den kreislaufartigen Weg mit einer Hauptströmung. Ein erster
Impulsgenerator erzeugt eine Reihe von Impulsen, die mit periodischen Impulsen zusammenarbeiten,
welche von einem zweiten Impulsgenerator auf der Pumpe proportional zu dem Pumpenarbeitszyklus
erzeugt werden, um das Ventil zu öffnen und einen Impuls, d. h. einen Strahl des
Fluids, in den Hauptstrom eintreten zu lassen.
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Gemäß einer weiteren Besonderheit der Erfindung ist das Einspritzsystem
gegenüber der Atmosphäre abgedichtet. Zusätzlich zu der Verwendung eines geschlossenen
Transportwegs ist die Pumpe von einer derartigen Bauart, daß ihr Pumpenmechanismus
von ihrer Antriebsquelle durch eine flexible Membran getrennt ist.
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Gemäß einer weiteren Besonderheit enthält die Erfindung einen Impulsstromungsdetektor,
der zwischen dem Ventil und der Hauptströmung angeordnet ist und dazu dient, dann
eine Warnung zu liefern, wenn das Fluid von dem kreislaufartigen Transportweg nicht
in die Hauptströmung eintritt und wenn nicht die Gesamtfluidmenge in die Hauptströmung
eingespritzt wird.
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Gemäß einer weiteren Besonderheit der Erfindung enthält diese ein
Alarmsystem, das die Impulsinformation von dem Impulsströmungsmesser mit derjenigen
vergleicht, die von dem ersten Impulsgenerator erhalten wird, um hierdurch den Ausfall
des Systems anzuzeigen.
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Die beiliegende Zeichnung bevorzugter Ausführungsbeispiele dient der
weiteren Erläuterung der Erfindung.
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Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung von einem Fluideinspritzsystem
gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Fig. 1 A zeigt eine alternative Ausführungsform von einem Teil der
in Fig. 1 gezeigten Anordnung, in der ein Mischratenrechner anstelle einer Meßturbine
verwendet wird.
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Fig. 1 B zeigt eine alternative Ausführungsform von einem Teil der
in Fig. 1 gezeigten Anordnung, wobei ein Ventil mit zwei Öffnungen anstelle eines
Ventils mit drei Öffnungen verwendet wird.
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Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm der elektronischen Schaltung von Fig.
1.
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Fig. 3 zeigt einen Thermistor-Strõmungsfuhler, der in einer Fluidströmung
angeordnet ist.
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Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung von einer elektrischen
Schaltung, welche den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Impulsströmungsdetektor
enthält.
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Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung strömt ein Fluid, wie beispielsweise
flüssiges Propan, das durch einen Pfeil 10 angedeutet ist, in eine Hauptströmung
12. Die Hauptströmung 12 schneidet eine Einspritzströmung 14, welche ein Fluid,
wie beispielsweise Mercaptan, führt, das durch einen Pfeil 16 angedeutet ist und
von einem Vorratstank 18 ausströmt. Das Fluid 10 strömt durch eine Meßturbine 20,
die eine Reihe von Impulsen erzeugt, deren Frequenz der Strömungsgeschwindigkeit
des Fluids 10 proportional ist. Diese Impulse treten in die Steuerschaltung 22 ein,
welche die Strömungsrate regelt, mit der das Fluid 16 in die Hauptströmung 12 einfließt.
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Das Fluid 16 wird aus dem Vorratstank 18 mittels einer Pumpe 24 gepumpt.
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Die Pumpe 24 kann eine hin- und hergehende Verdrängerpumpe mit einem
Membrankopf sein, wie beispielsweise die "Lapp Microflo Pulsafeeder Metering Pump".
Die Membran dichtet den eigentlichen Pumpenmechanismus der Pumpe gegenüber dem Antriebsmechanismus
ab, so daß das Fluid gegenüber der Atmoschare abgedichtet ist. Die Pumpe 24 pumpt
das Fluid in einen pulsierenden Strom von dem Vorratstank 18 auf dem kreislaufförmigen,
von den Pfeilen 32 angedeuteten Strömungsweg um. Das Fluid strömt durch ein Filter
34 bzw. ein Sieb oder einen Reiniger zu einer dauernd offenen Einlaßöffnung 40 von
einem Magnetventil 36. Es fließt dann aus der im Normalfalle offenen AuslaRöffnung42
des Magnetventils 36, durchströmt ein Rückschlagventil 38 und fließt schließlich
zurück zu dem Vorratstank 18. Das Fördervolumen der Pumpe kann durch eine manuelle
Änderung des effektiven Pumpenhubs geändert werden. Das Fluid kann auch in einem
zweiten Strömungsweg durch eine im Normalfalle geschlossene Auslaßöffnung 44 des
Magnetventils 36 fließen, von dort durch einen Impulsströmungsdetektor 50, durch
ein Druckfreigabeventil 52 und schließlich in die Hauptströmung 12.
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Während die Pumpe 24 arbeitet, betätigt ein Nocken 26, der auf einer
Weile 28 in der Pumpe 24 montiert ist, periodisch einen Zeitgeberschalter 30, der
an der Pumpe 24 befestigt ist. Der Nocken 26 und der Schalter 30 können durch irgendwelche
anderen Vorrichtungen ersetzt werden, welche die gleiche Wirkung ausüben, einschließlich
einer Schlitzscheibe, einer Lichtquelle und einer Fotozelle oder eines Magneten
und eines Magnetschalters. Der Schalter erzeugt einen in die Schaltung 22 eintretenden
Impuls zu Beginn des Kompressionshubes und wirkt mit dem Impuls zusammen, der von
der Meßturbine 20 erzeugt wurde.
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Die Schaltung 22 erzeugt im Ansprechen auf die von der Meßturbine
20 und dem Schalter 30 erhaltenen Impulse ein Signal, welches ein Relais 46 betätigt,
sowie ein dem Ventil 36 zugeordnetes Solenoid 48. Wenn das Solenoid 48 betätigt
ist, wird die Auslaßöffnung 42 des Ventils 36 geschlossen, während die Auslaßöffnung
44 für ein impulsartiges Intervall geöffnet wird, so daß ein impulsartiger Fluidstrahl
aus dem Vorratsbehälter 18 durch den Impulsströmungsdetektor 50 in die Hauptströmung
12 eintritt.
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Der Impulsströmungsdetektor 50 ermittelt den Fluidstrahl und leitet
ein Signal zu der Steuer-Schaltung 22 weiter. Die Schaltung vergleicht dieses Signal
von dem Impulsströmungsdetektor 50 mit dem Signal von der Meßturbine 20. Sollte
keine ausreichende Anzeige ufer das Vorhandensein einer Fluidströmung von diesen
beiden Meßinstrumenten vorliegen, betätigt die Steuerschaltung 22 eine Warneinrichtung
40, welche diesen Zustand anzeigt.
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In Fig. 1 A sind als Alternative zu der Meßturbine 20 von Fig. 1 ein
Mischratenrechner 54 und ein Mengenschalter 56 enthalten, der an einem elektronischen
Auslöse- und Zählgerät 60 angeschlossen ist. Der Mischratenrechner 54 erzeugt ein
impulsartiges Signal, das von einer vorbestimmten konstanten Mischrate und nicht
von einer sich möglicherweise ändernden Strömungsgeschwindigkeit abhängt, wie dies
der Fall ist, wenn eine Meßturbine verwendet wird. Der Mischratenrechner 54 kann
die Einspritzung eines Fluids in verschiedene Hauptströme steuern. In diesem Falle
enthält jede Strömung einen Mengenschalter 56 zur Unterteilung der von dem Mischratenrechner
erzeugten Signale, so daß das Einspritzsignal den verschiedenen Einspritzsystemen
gleichmäßig zugemessen wird.
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Jeder der Mengenschalter kann das von dem Mischratenrechner 54 gelieferte
Impulssignal in unterschiedlicher Weise aufteilen, so daß in den einzelnen Einspritzsystemen
unterschiedliche Einspritz- oder Mischungsraten entstehen.
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Fig. 1 B zeigt eine alternative Ausbildung zu dem drei Öffnungen aufweisenden
Magnetventil 36 von Fig. 1. Diese Ausführungsform kann ein zwei Öffnungen aufweisendes
Ventil 57 enthalten. Das Ventil 57 hat eine im Normalfalle geschlossene Einlaßöffnung
58 und eine im Normalfalle geschlossene Auslaßöffnung 59.
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Es wird von dem Solenoid 48 betätigt, das die Stromung des Fluids
zu dem Impulsströmungsdetektor 50 steuert. Der kreislaufartige, von dem in dem Vorratsbehälter
18 befindliche Fluid durchströmte Weg enthält das Ventil 57 nicht. Das Fluid wird
auch in diesem Falle von der Pumpe 24 durch ein Filter 34 und das Rückschlagventil
38 gepumpt.
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Fig. 2 zeigt den Eintritt des von der Meßturbine 20 in der Hauptströmung
12 gelieferten, impulsartigen Signals zu dem elektronischen Auslöse- undZahlgerät
60
in der Schaltung 22. Das Auslöse- und Zählgerät 60 kann ein Teilungszähler sein.
Es erzeugt einen Ausgangsimpuls, so oft die Meßturbine 20 eine feste Anzahl von
Impulsen erzeugt hat. Das Auslöse- und Zählgerät, dessen Teilungsfaktor geändert
werden kann, bestimmt das Mengenverhältnis, mit dem das Fluid aus dem Vorratsbehälter
18 von Fig. 1 in die Hauptströmung 12 eingespritzt wird. Der Ausgangsimpuls von
dem Auslöse- und Zählgerät 60 gelangt sowohl in ein Impulssynchronisiergerät 61
als auch in eine .Strömungswarnschaltung 64.
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Das Impulssynchronisierungsgerät 61 empfängt den Impuls von dem Auslose-
und Zahlgerat und speichert diesen, bis der Zeitgeberschalter 30 auf der Pumpe 24
einen Impuls erzeugt und diesen ebenfalls zu dem Synchronisierungsgerät sendet.
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Das Synchronisierungsgerät 61 kann ein Speicherelement, wie beispielsweise
ein Flip-Flop und ein UND-Gatter enthalten. Immer dann,wenn das Synchronisierungsgerät
61 beide Impulse empfängt, erzeugt es ein Signal, das eine Solenoidsteuerung 62
betätigt. Die Solenoidsteuerung schaltet ein Relais 46 und betätigt das Solenoid
48, so daß die Auslaßöffnung 44 des Ventils 36 geöffnet und die Auslaßöffnung 42
geschlossen wird. Der Zeitgeberschalter 30 ist so eingestellt, daß er einen Impuls
nur dann erzeugt, wenn die Pumpe gerade mit dem Kompressionsteil ihres Arbeitszyklusses
beginnt. Das Synchronisiergerat 61 erlaubt somit einem von dem Auslöse- und Zählgerät
60 gelieferten Impuls lediglich dann das Ventil 36 zu offenen, wenn die Pumpe 24
ihre maximale Strömung liefert. Die Solenoidsteuerung 62 enthält eine Steuerfunktion,
die das Ventil 36 während des gesamten Hubs der Pumpe 24 offenhält. Die Steuerfunktion
kann beispielsweise durch einen Zahlermechanismus durchgeführt werden oder durch
eine R-C-Schaltung oder sie kann in alternativer Ausbildung einen Schaltkreis in
Verbindung mit dem Schalter 30 von Fig. 1 enthalten, sowie einen mit zwei Nockenvorsprüngen
versehenen Nocken anstelle des mit einem Nockenvorsprung versehenen Nockens 28.
Der Hub der Pumpe 24 und damit auch das Volumen der eingespritzten Flüssigkeit werden
so eingestellt, daß das pro Hub geförderte Volumen multipliziert mit der Hubzahl
gleich der erwünschten Einspritzrate ist.
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Der von der Auslaßöffnung 44 des Ventils 36 ausgesandte Flussigkeitsstrahl
wird von dem Impulsströmungsdetektor 50 ermittelt. Der Detektor spricht auf einen
Fluidimpuls bzw. Fluidstrahl an, indem er ein impulsartiges Signal der Strömungswarnschaltung
64 sowie einer Zählerantriebsschaltung 66 zuführt. Die Zählerantriebsschaltung erhöht
die Zählrate eines Zählers 68 jedesmal, wenn sie ein Signal von dem Impulsströmungsdetektor
50 erhält. Da die Auslaßoffnung 44 des Ventils 36 über eine feste Zeitdauer offen
ist, welche dem Zeitraum für den gesamten Pumpenhub entsprechen kann, liefert jedesmal,
wenn das Ventil ein Signal von der Solenoidsteuerung 62 erhält, die von dem Zähler
68 angezeigte Zählrate ein genaues Maß für die Menge des in die Hauptströmung 12
eingespritzten Fluids.
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Die Strömungswarnschaltung 64 empfängt impulsartige Signale sowohl
von dem Auslöse- und Zählgerät 60 als auch von dem Impulsströmungsdetektor 50. Sie
vergleicht das Auftreten der beiden Signale, um festzustellen, ob die Hauptstromung
12 oder die Einspritzströmung 14 mit einem Fehler behaftet sind oder ausfallen.
Wenn die Warnschaltung 64 keine Signale von dem Impulsströmungsdetektor 50 oder
von dem Auslöse- und Zählgerät 60 erhält, betätigt sie ein Warngerät 40, welches
anzeigt, daß das Gerät abgeschaltet werden sollte. Alternativ kann sie auch bewirken,
daß das System den Betrieb automatisch beendet.
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Die Alarmschaltung kann einen additiv und substraktiv wirkenden Zähler
enthalten, der den Überschuß der von dem Impulsströmungsdetektor 50 kommenden Impulse
über die von dem Auslöse- und Zählgerät 60 kommenden Impulse und umgekehrt feststellt.
So bewirkt beispielsweise ein Impuls von dem Auslöse- und Zählgerät 60 eine Zunahme
des Zählers um 1, während ein darauffolgender Impuls von dem Impulsströmungsdetektor
50 eine Abnahme des Zählers um 1 bewirkt.
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Wenn der Fluß des Fluids entweder in der Hauptströmung 12 oder in
der Einspritzströmung 14 ausfällt, beginnt der Zähler mit einer Zunahme, wobei er
sich einer Zahlrate nähert, welche die Warneinrichtung 40 auslöst. Diese Zählrate
wird ausreichend hoch gewahlt, beispielsweise bei 10, so daß eine zufällige, bzw.
versehentliche Unterbrechung der Flüssigkeitsströmung die Warneinrichtung nicht
auslöst.
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Fig. 3 zeigt den Sensorbereich des in Fig. 1 gezeigten Impulsströmungsdetektors
50* Ein Thermistor 140 ist auf einem Träger 142 gehaltert, der mit einem Rohr oder
einer anderen flüssigkeitsführenden Einrichtung 144 verbunden ist. Ein Spitzenbereich
146 des Thermistors 140 steht in die Fluidströmung vor, die durch den Pfeil 148
angedeutet wird. Elektrische Leitungen 150 stellen eine Verbindung mit der dazugehörigen,
in Fig. 4 dargestellten Schaltung her.
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Bei der Schaltung von Fig. 4 kann der Thermistpr 140 über die Leitungen
150 in Reihe mit einem Strombegrenzungswiderstand 152 geschaltet sein. Der Strombegrenzungswiderstand
152 kann auch aus zwei diskreten Widerständen aufgebaut sein, so daß noch immer
ein Widerstand zum Schutze des Thermistors 140 in Bereitschaft steht, wenn einer
der beiden ausfällt.
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Der Thermistor 140 steht mit einem Impuls filter in Verbindung, das
einen Widerstand 154 und einen Kondensator 156'enthalt. Diese beiden Bauelemente
sind so ausgewahlt, daß lediglich Impulse hindurchgelangen, deren Frequenzkomponenten
den von der Pumpe 24 der Fig. 1 gelieferten Impulsen entsprechen.
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Das Ausgangssignal des Impulsfilters ist an einem Verstärker 158 über
einen Widerstand 160 angekoppelt und tritt in den Verstärker über einen Widerstand
166 ein. Ein Rückkopplungswiderstand 168 verbindet den Eingang und den Ausgang des
Verstärkers 158. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers entspricht gemäß allgemein
bekannten Grundsätzen dem Verhältnis aus dem Widerstand 168 und der Summe aus dem
Widerstand 160 und dem Parallelschaltungswiderstand aus den Widerständen 162 und
164.
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Das Ausgangssignal des Verstärkers 158 tritt durch einen Begrenzungswiderstand
170 hindurch und gelangt zu einem Transistor 172, der von einer PNP-Bauart sein
kann und an dem über einen Widerstand 174 eine Vorspannung anliegt. Ein Kollektorwiderstand
176 begrenzt den Strom in der Kollektor-Emitter-Schaltung des Transistors 172. An
dem Transistor 172 liegt eine Vorspannung an und das von dem Verstarker 158 gelieferte
Signal ist groß genug
für einen Sättigungsbetrieb. Der Transistor
172 liefert somit einen rechteckförmigen Strömungsanzeigeimpuls 182 zu einem Ausgangswiderstand
178 für jeden zu dem Thermistor 140 gelangenden Eingangstemperaturstoß. Das Ausgangsimpulssignal
182 am Widerstand 178 steht in Verbindung mit der in Fig. 1 gezeigten Steuer-Schaltung
22, um anzuzeigen, daß ein Fluidstrahl bzw. ein Fluidimpuls in den Hauptstrom eingetreten
ist. Zum Schutze der kleinen Stromniveaus, die dem Thermistorbereich der Schaltung
zugeordnet sind, von den großen Strömen in dem Anzeigerechteckwellenbereich kann
ein Spannungsregler 180 in die Schaltung an der Stelle der Stromzufuhr eingesetzt
sein, welcher dazu dient, die beiden Bereiche voneinander zu trennen.
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Mit der Erfindung wird somit ein Einspritzsystem geschaffen, das eine
bemessene Menge von einem ersten Fluid in eine Hauptströmung eines zweiten Fluids
einspritzt und eine hin- und hergehende Pumpe enthält, welche das erste Fluid in
einem Kreislauf umpumpt. Eine Meßturbine in der Hauptströmung erzeugt Impulse, welche
bewirken, daß ein mit dem Kreislauf verbundenes Ventil offnet, so daß ein Impuls
bzw. ein Strahl des ersten Fluids in die Hauptströmung eintreten kann. Ein Zeitgeberschalter
auf der Pumpe verzögert die Öffnung des Ventils, bis die Pumpe mit dem Kompressionsbereich
ihres Arbeitszyklusses beginnt. Ein Impulsströmungsdetektor, , der zwischen das
Ventil und die Hauptströmung eingebracht ist, erzeugt Impulse und leitet diese zu
einer Warnschaltung, welche diese Impulse mit denjenigen Impulsen vergleicht, die
von der Meßturbine erzeugt wurden, so daß ermittelt wird, ob irgendwo im System
die Stromung des Fluids aufgehört hat. In diesem Falle meldet eine Alarmeinrichtung
diesen Zustand.