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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Anzeige des Abriebes von
Schleifkontakten bzw. Schleifkohlen, insbesondere von Bürsten für Schleifringe.
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Stand der Technik
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Bei
Schleifkontakten, insbesondere bei Bürsten von Schleifringen bzw.
Kollektoren ist es wichtig, sicherzustellen, dass die Bürste noch
hinreichend viel Kohlematerial aufweist. Abgeriebene Bürsten können zu
Kontaktunterbrechungen oder auch zur Zerstörung von Schleifbahnen führen. Wird
beispielsweise bei Schleifringen die Bürste so weit abgerieben, dass
kein sicherer Kontakt mehr gewährleistet ist,
so entstehen durch die Kontaktunterbrechungen Funken, welche zu
einem erhöhten
Verschleiß von Bürste und
Schleifbahn führen.
Somit kann auch nur bei kurzer Betriebsdauer mit verschlissenen
Bürsten eine
wesentlich höherer
Verschleiß der
Schleifbahn auftreten, als während
der restlichen Lebensdauer der Bürste.
Dieser Fall ist bei Kommutatoren von Elektromotoren weniger kritisch,
da hier ohnehin permanent Funken auftreten und der Motor bei zu
großen Übergangswiderstand
zum Stillstand kommt.
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Um
einen fortgeschrittenen Verschleiß von Kohlebürsten zu
erkennen, gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Lösungen.
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So
sind beispielsweise mechanische Schalter, welche die Position des
Bürstenendes
erkennen aus der
DE
199 32 024 A1 , der
DE 196 49 212 A1 bekannt. In der
US 4,918,348 ist eine Kontaktanordnung
beschrieben, bei der die Andruckfeder einen Kontaktteil darstellt.
Diese Vorrichtungen mit mechanischen Kontakten zeichnen sich dadurch
aus, dass sie relativ preiswert und einfach herstellbar sind. Allerdings
sind Sie nicht besonders robust, da hier aufgrund der Anforderungen
an die Baugröße nur relativ kleine
und damit filigrane Kontakte verwendet werden können. Damit besteht die Gefahr,
dass diese Kontakte insbesondere beim Auswechseln der Kohlebürsten mechanisch
beschädigt
werden und eine abgeriebene Bürste
nicht mehr sicher anzeigen. Weiterhin können diese Kontakte durch Kohlestaub
beziehungsweise anderes Abriebmaterial verschmutzt und damit in
ihrer elektrischen bzw. mechanischen Funktion gestört werden.
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Weitere
Lösungen
beschäftigen
sich mit relativ komplexen mechanischen Vorrichtungen, welche im
Falle eines fortgeschrittenen Kontaktabriebs einen Schaltkontakt
betätigen.
Derartige Vorrichtung sind beispielsweise in der
DE 82 11 804 , der
DE 198 32 617 A1 oder auch
in der
DE 89 13 117 offenbart.
Diese Vorrichtungen zeichnen sich gegenüber dem zuvor genannten Vorrichtungen
dadurch aus, dass sie mechanisch wesentlich robuster sind und damit
insbesondere beim Austausch der Bürsten nur schwer beschädigt werden
können.
Weiterhin ist das elektrische Kontaktsystem von der mechanischen
Betätigungseinrichtung
getrennt. Damit reduziert sich die Gefahr einer Funktionsstörung durch
Abriebpartikel wesentlich. Allerdings sind diese Lösungen aufgrund der
hohen Komplexität
sehr teuer und in der Bauform groß. Daher eignet sich diese
Vorzugsweise für
große
elektrische Maschinen, nicht aber für moderne Schleifringsysteme,
welche meist in einen äußerst beengten
Einbauraum zu integrieren sind.
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Eine
Verbesserung gegenüber
diesen bieten elektrische Systeme, wie sie beispielsweise in der
DE 84 33 023 , der
US 5,509,625 und in der
US 5,870,026 beschrieben
sind. Hierbei ist ein Leiter isoliert in der Bürste angebracht. Bei fortgeschrittenem Abrieb
der Bürste
wird die Isolation des Leiters abgerieben und der Leiter selbst
kommt in Kontakt mit der Schleifbahn. Die nun geschlossene elektrische
Verbindung zwischen dem Leiter und der Schleifbahn kann zur Anzeige
eines bestimmten Abriebszustandes herangezogen werden. Diese Systeme
zeichnen sich durch relativ einfache mechanische Gestaltung aus,
allerdings ermöglichen
Sie keine Potentialtrennung.
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Eine
weitere Verbesserung stellen kontaktlose optische Systeme wie in
der
US 4,761,594 dar. Hiermit
kann eine bestimmte Position der Bürstenrückseite erkannt werden. Durch
die optische Abtastung ergibt sich eine Potenzialtrennung.
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Alle
die hier beschriebenen Systeme haben den Nachteil, dass sie aufwändig und
damit teuer in der Herstellung sind. Weiterhin weisen sie meist
eine Reihe komplizierter elektrischer und optischer Komponenten
auf, welche Fehleranfällig
sind.
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Darstellung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Ermittlung
des Abriebszustandes von Bürsten
für Schleifbahnen
vorzustellen, welche die zuvor genannten Nachteile nicht aufweist
und robust und einfach im Aufbau sowie kostengünstig herstellbar ist.
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Eine
erfindungsgemäße Lösung dieser
Aufgabe ist in dem unabhängigen
Patentanspruch angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand
der abhängigen
Ansprüche.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
umfasst wenigstens einen pneumatischen Sensor, welcher in mechanischer
Verbindung mit einer zu überwachenden
Bürste
angeordnet ist. Pneumatische Sensoren werden Vorzugsweise von einer
Druckquelle mit Gas, welches gegenüber der Umgebung unter einem erhöhten Druck
steht, versorgt. Derartige Druckquellen können beispielsweise Druckpumpen
oder auch Druckbehälter
sein. Als Gas wird vorteilhafterweise Luft eingesetzt. Ebenso kann
selbstverständlich
auch Stickstoff oder jedes andere vorzugsweise inerte Gas eingesetzt
werden. Entsprechend der Position des Sensors ergibt sich ein Druckabfall,
welcher nun entsprechend ein Maß für die Länge der
Bürste
darstellt. Ein solcher Druckabfall kann nun beispielsweise direkt
als Druckwert an eine pneumatische Steuerung weitergegeben werden.
Eine solche pneumatische Steuerung könnte beispielsweise selbst
wieder eine verschlissene Bürste
auf pneumatischem Wege nachführen.
Alternativ hierzu kann der Druckwert auch in elektrische oder andere
mechanische werte übertragen
werden. Durch den Einsatz eines pneumatischen Sensors kommt nun
ausschließlich ein Gas
mit der Bürste
in Kontakt bzw. in die Nähe
der Bürste.
Dadurch ergibt sich automatisch eine galvanische Trennung. Zudem
kann durch den Gasstrom eine Selbstreinigung des Systems erreicht
werden. Dadurch, dass das gesamte System unter Überdruck steht, kann kein Abrieb
von Bürste
bzw. Schleifbahn in das Sensorsystem eindringen. Somit ergibt sich eine
hohe Lebensdauer und Zuverlässigkeit.
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Das
Drucksignal des Sensors kann mit einfachsten Mitteln, nämlich durch
einfache Schläuche beziehungsweise
Rohre zu von der Messstelle entfernten Auswerteeinheiten geleitet
werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens
ein pneumatischer Sensor über
Hebel bzw. Gestänge
mit der zu überwachenden
Bürste
verbunden. Der pneumatische Sensor kann hier beispielsweise als
Sensor selbst auf eine hohe Linearität des Druckabfalls als Funktion des
Weges optimiert sein. Ein für
die jeweilige Aufgabenstellung optimierter Sensor wird dann mittels
mechanischer Mittel an das zu messende Objekt, nämlich die Bürste angekoppelt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens
ein pneumatischer Sensor in einen Bürstenhalter zur Aufnahme der
Bürste integriert.
Durch diese funktionale Integration lässt sich eine besonders kompakte
und preisgünstige
Lösung
erreichen. Weiterhin lässt
sich dadurch, dass die Aufnahme der Bürste mit einem Gas durchströmt wird,
eine Reinigung dieser Aufnahme erreichen. Zur Ausbildung des Bürsten halters
als pneumatische Sensor wird Gas Vorzugsweise in den Innenraum des
Bürstenhalters
selbst eingeblasen.
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In
einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist wenigstens
ein Bürstenhalter
wenigstens einen parallel zu einer Bürste verlaufenden Strömungskanal
auf. Ein solcher Strömungskanal kann
nun beispielsweise durch die Bürste
abgedeckt sein, sodass das Gas durch die Strömungskanal seitlich an der
Bürste
vorbei entweichen kann. Bei einer größeren Länge der Bürste wird eine längere Fläche abgedeckt.
Somit ist auch die Länge
des Strömungskanals
größer. Entsprechend
größer ist
auch der Strömungswiderstand.
Dies ergibt einen kleineren Druckverlust. An Stelle eines Strömungskanals
können
selbstverständlich
auch mehrere, kleinere Strömungskanäle parallel
geschaltet sein. Ein Strömungskanal
kann wahlweise einen konstanten oder aber auch einen ortsabhängigen Querschnitt
haben. Dadurch lässt
sich die Kennlinie des Sensors optimieren.
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Zur
Erkennung einer bestimmten Bürstenlänge kann
auch eine seitliche Bohrung in einem Bürstenhalter vorgesehen sein.
Eine intakte Kohle deckt diese Bohrung ab, so dass durch diese keine Luft
entweichen kann. Durch zunehmenden Abrieb der Kohle verringert sich
deren Länge,
so dass sie ab einer bestimmten Länge nicht mehr in der Lage
ist, die Bohrung abzudecken. Nun kann durch diese Bohrung Gas entweichen.
Somit weist ein Bürstenhalter mit
verschlissener Kohle einen wesentlichen niedrigeren Strömungswiderstand
und damit einen höheren Druckabfall
als ein Bürstenhalter
mit intakter Kohle auf.
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Vorteilhafterweise
wird zur Umsetzung der Signale von pneumatischen Sensoren wahlweise wenigstens
ein Drucksensor bzw. wenigstens ein Strömungssensor eingesetzt. Drucksensoren
sind besonders einfach und preisgünstig und daher bei den meisten
Anwendung zu bevorzugen. Der Nachteil einer Druckmessung ist, dass
auch Strömungswiderstände in anderen
Teilen des Systems eine Druckmessung verfälschen können. Eine Strömungsmessung
(Volumen bzw. Geschwindigkeit) liefert präzisere Ergebnisse, ist aber
in der Realisierung aufwändiger.
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Weiterhin
ist wahlweise ein Verteiler vorgesehen, welcher das Gas von der
Druckquelle an mehrere pneumatische Sensoren verteilt. Ist der Verteiler
ein einfaches Rohrsystem mit mehreren Anschlüssen, so sind alle daran angeschlossenen pneumatischen
Sensoren parallel geschaltet. Es kann hier vorteilhafterweise mit
einer einfachen Druckmessung der Druck im Verteiler gemessen und somit
ein Maß für das durch
alle pneumatischen Sensoren in der Summe entweichende Gas ermittelt
werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Verteiler eine
Schaltfunktion auf. Somit sind die einzelnen pneumatischen Sensoren
nicht einfach parallel geschaltet. Vielmehr kann ausgewählt werden,
welcher pneumatische Sensor mit der Druckquelle verbunden sein soll.
Dadurch ist eine selektive Bestimmung des Bürs tenabriebes einzelner Bürsten oder
einzelner Bürstengruppen
möglich.
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Eine
andere Ausgestaltung der Erfindung sieht eine getaktete Druckquelle
vor. Die Lebensdauer normaler Bürsten
liegt in der Größenordnung
einiger 1000 bis 100.000 Betriebsstunden. Daher ist es ausreichend,
Messungen in größeren Zeitintervallen vorzunehmen.
Beispielsweise könnten
beim Einsatz in Computertomografen die Messungen einmal am Tag beim
Einschalten des Gerätes
vorgenommen werden. Hierzu ist im Falle einer Druckpumpe vorteilhafterweise
eine Steuereinheit vorgesehen, welche beispielsweise von einer Messeinrichtung
oder von einem einfachen Zeitgeber gesteuert wird und zu den gewünschten
Messzeitpunkten die Pumpe kurzzeitig für die Durchführung der
Messung mit Strom versorgt. Im Falle eines Druckbehälters kann
die Druckabgabe durch ein Ventil gesteuert werden. Somit lässt sich
mit kleinen Druckbehältern
bzw. Kapseln eine Messdauer entsprechend der Lebensdauer der Bürsten erreichen.
Die Druckbehälter
können
dann mit den Bürsten
ausgetauscht werden.
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Eine
andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Druckquelle
zur Abgabe von Druckimpulsen ausgelegt ist. Somit lässt sich
anstatt der statischen Druck- bzw.
Strömungsmessung
eine dynamische Messung durchführen.
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In
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist das gesamte pneumatische
System zur Reinigung der Bürstenhalter
mit einem erhöhten
Druck beaufschlagbar. So kann durch diesen erhöhten Druck das System von eventuell
eingedrungenen Verunreinigungen, wie beispielsweise Kohlestaub gereinigt
werden. Gleichzeitig kann damit auch eine Schleifbahn unter den
entsprechenden Bürsten
von Verunreinigungen befreit werden.
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Neben
der Ermittlung des Kohleabriebs kann auch durch eine dynamische
Messung auf Rundlauftoleranzen bei Schleifringen geschlossen werden.
So sind die Bürsten
im Idealfall in kontinuierlichem Kontakt mit der Schleifbahn. Durch
Messung der Bürstenhöhe während der
Drehung oder zumindest an mehreren Positionen des Umfangs kann nun
die Bahnhöhe
bzw. Schwankungen der Bahnhöhe
ermittelt werden.
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Durch
die Messung der Bürstenhöhe kann auch
eine einfache Anzeige der exakten Justage bzw. Ausrichtung von Bürstenblöcken mit
einer Vielzahl von Bürsten
erfolgen. So kann beispielsweise bei einem großen Bürstenblock an jedem Ende eine Bürste mit
Längenmessung
vorgesehen sein. Bei der Montage bzw. Justage des Bürstenblocks
können
die Messwerte oder Grenzwerte angezeigt werden. Damit kann der Bürstenblock
exakt parallel zur Bahn justiert werden. Somit ergeben sich gleichmäßige Anpresskräfte und
eine höhere
Lebensdauer.
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Weiterhin
kann entsprechend den Messwerten der Bürstenabriebsmessung eine Nachstellung einzelner
Bürsten
oder eines ganzen Bürstenblockes mit
einer Vielzahl von Bürsten
erfolgen. Damit ist der Federweg und folglich auch der Anpressdruck
einzelner Bürsten
immer konstant. Die Verstellung kann beispielsweise durch verschieben zweier
keilförmiger Teile
gegeneinander oder durch einen an zwei parallelen Balken aufgehängten Bürstenblock
erfolgen. Der Antrieb zu Verstellung erfolgt hier vorteilhafterweise
mittels einer Spindel. Hier sind keine hohen Verstellgeschwindigkeiten
notwendig, aber eine Beibehaltung der Position ohne Speisung eines
Antriebsmotors ist vorteilhaft.
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Weiterhin
kann mittels einer Auswerteeinheit eine Auswertung der Sensorsignale
erfolgen. Als Ergebnis dieser Auswertung kann beispielsweise die noch
verbleibende Betriebsdauer bzw. Weglänge bei Schleifbahnen oder
auch Anzahl von Umdrehungen im Falle von Schleifringen ausgegeben
werden. Ebenso kann auch die relative Abnutzung der Bürsten angezeigt
werden.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
zu Ermittlung der Länge
von Bürsten
(12) in Schleifbahnanordnungen beziehungsweise Kollektoren
umfasst die folgenden Schritte: Einspeisen eines Gases in einen pneumatischen
Sensor, welcher vorzugsweise in einen Bürstenhalter zur Aufnahme der
Bürste
integriert ist, Messen von Volumen bzw. Geschwindigkeit des durchströmenden Gases
bzw. des Druckabfalls.
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Die
hier bevorzugt einsetzbaren pneumatischen Sensoren sind in der vorhergehenden
Beschreibung dargestellt.
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Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.
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1 zeigt in allgemeiner Form
schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
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2 zeigt in perspektivischer
Darstellung zwei auf eine gemeinsame Trägerplatte montierte köcherförmige Bürstenhalter.
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3 zeigt in seitlicher Ansicht
einen auf eine Trägerplatte
montierten köcherförmigen Bürstenhalter.
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4 zeigt einen Schnitt entlang
der senkrechten Linie aus 3.
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1 zeigt in schematischer
Form eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
Eine Druckquelle (2), welche beispielsweise als Druckpumpe
ausgebildet ist, liefert über
die Druckleitung (6) unter Druck stehendes Gas an einen
Verteiler (3). Von diesem Verteiler aus wird das Gas über wenigstens
eine weitere Druckleitung (7) an wenigstens einen Bürstenhalter (1)
weiter verteilt. vorteilhafterweise stehen noch weitere Anschlüsse (10)
zum Anschluss weiterer Bürstenhalter
zur Verfügung.
Weiterhin ist ein Drucksensor (4) vorgesehen, welcher mittels
einer Messleitung an das pneumatische System angeschlossen ist.
Der Anschluss kann hierbei wahlweise unmittelbar an der Pumpe, an
den Verteiler, an einen oder mehrere Bürstenhalter oder an beliebigen
anderen Punkten des Systems erfolgen. Das Ausgangssignal des Drucksensors
wird durch eine Signalleitung (9) an eine Auswerteeinheit
(5) weiter übermittelt.
In diesem Beispiel sind die Bürstenhalter
(1) selbst als pneumatische Sensoren ausgebildet. Entsprechend der
Bürstenlänge nimmt
der Strömungswiderstand der
pneumatischen Sensoren ab, so dass entsprechend im pneumatische
System mit zunehmendem Bürstenabrieb
der Druck sinkt. Dieser kann nun durch den Drucksensor ausgewertet
werden.
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In 2 sind in perspektivischer
Darstellung zwei auf eine gemeinsame Trägerplatte montierte köcherförmige Bürstenhalter
dargestellt. Diese Bürstenhalter
sind gleichzeitig als pneumatische Sensoren ausgebildet.
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3 zeigt einen solchen köcherförmigen Bürstenhalter
(1) in seitlicher Ansicht. Am unteren Ende des Bürstenhalters
ragt die Bürste
(12) heraus. Eine solche Bürste wird vorteilhafterweise
aus einem Gemisch umfassend Graphit und andere Komponenten gepresst.
Sie kann wahlweise eine runde oder eckige Form haben. Die Einspeisung
von unter Druck stehendem Gas erfolgt vorzugsweise über einen
Anschlussstutzen (15. Zum Gasaustritt ist eine Bohrung (11)
vorgesehen. Diese Bohrung wird normalerweise durch die Bürste abgedeckt,
so dass nur wenig Gas austreten kann. Ist die Bürste stark verschlissen, so ist
sie zu kurz, um diese Bohrung abzudecken. Es kann nun das Gas, welches
durch den Anschlussstutzen (15) einströmt durch die Bohrung (11)
wieder entweichen. Dadurch ergibt sich ein starker Druckabfall im
System, welcher durch den Drucksensor (4) gemessen werden
kann. Zusätzlich
kann am oberen Ende de Bürste
noch eine Dichtung vorgesehen sein.
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Ohne
den Grundgedanken der Erfindung zu ändern, können selbstverständlich Gaseintritt
und Gasaustrittöffnung
miteinander vertauscht werden. Auch kann an Stelle von Überdruck
ebenso mit Unterdruck gearbeitet werden. Die Position der Bohrung (11)
bestimmt nun bei welcher Länge
der Bürste
eine Verschleißanzeige
erfolgt. An Stelle einer Bohrung können auch mehrere Bohrungen,
beispielsweise auch mit unterschiedlichen Querschnitten vorgesehen
werden. Damit ist eine mehrstufige Anzeige realisierbar.
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In 4 ist ein Schnitt entlang
der senkrechten Linie von 3 dargestellt.
Dies entspricht einem Schnitt durch die perspektivisch dargestellte
Anordnung aus 2. Ergänzend zu
den anderen Figuren ist hier noch die Schleifbahn (13),
auf welcher die Bürste
(12) schleift zu erkennen. Die Bürste wird mittels einer Feder
auf die Schleifbahn gedrückt.
In einem nur wenig verschlissenen Zustand, wie auf der linken Seite
der 4 dargestellt, ist
durch die Bürste die
Bohrung (11) verschlossen. Auf der rechten Seite ist eine
stärker
verschlissene Bürste
dargestellt, welche nun so kurz ist, dass sie die Bohrung (11,
rechts) nicht mehr abdecken kann. Somit kann durch diese Bohrung
Gas entweichen.
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- 1
- Bürstenhalter
- 2
- Druckpumpe
- 3
- Verteiler
- 4
- Drucksensor
- 5
- Auswerteeinheit
- 6
- Druckleitung
Pumpe-Verteiler
- 7
- Druckleitung
zu einem Bürstenhalter
- 8
- Messleitung
zum Drucksensor
- 9
- Signalleitung
- 10
- Anschlüsse für weitere
Bürstenhalter
- 11
- Bohrung
- 12
- Bürste
- 13
- Schleifbahn
- 14
- Befestigung
des Bürstenhalters
in einer Träger
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- platte
- 15
- Anschlussstutzen
- 16
- Zuleitungsschlauch