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Meß- und/oder Überwachungseinrichtung für Bagerverschleiß
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Die Erfindung betrifft eine Meß- und/oder Überwachungseinricltung
für durch eine Relativbewegung zwischen einem Lager und einem vom Lager geführten
Bauelement, insbesondere einer Stelle, hervorgerufenen Lagerverschleiß.
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Die Zuverlässigkeit von Maschinen mit hin- und hergehenden und/oder
sich drehenden Bauelementen, wie z.B. Wellen, hängt in erster Linie vom Zustand
der diese Bauelemente führenden Lager ab. Ein dauerndes Überwachen und Erfassen
des Verschleisses solcher Lager ist daher insbesondere in jenen Fällen erforderlich,
in denen eine hohe Betriebssicherheit gefordert wird und in denen ein nicht rechtzeitig
bemerkter Tagerschaden erhebliche Folgeschäden nach sich ziehen könnte. Dies trifft
insbesondere für Großmaschinen, wie z.B. Turbinen oder Generatoren zu.
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Zur Kontrolle von Wälzlagern ist es bekannt, diese von Horchgeräten
überwachen zu lassen, welche das mit zunehmendem Lagerverschleiß ansteigende Lagergeräusch
erfassen und gs Maß für den Lagerverschleiß ausnutzen. Bei Gleitlagern wird in den
meisten Fällen lediglich Lagertemperatur und Schmieröldruck gemessen, beide Werte
geben jedoch keine definierte Aussage über den augenblicklichen Zustand des Gleitlagers
ab.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, eine Meß- und/oder Überwachungseinrichtung der eingangs genannten Art
anzugeben, die bei einfachem, kostengünstigem Aufbau und universeller Einsetzbarkeit
den Zustand eines Lagers überwacht und auftretenden Lagerverschleiß sicher erfaßt.
Darüberhinaus soll die Einrichtung den betriebsmäßig auftretenden Beanspruchungen
gewachsen sein.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht bei einem von einem Lager geführten
Bauelement erfindungsgemäß darin, daß mindestens ein transparenter Körper derart
das Bauelement berührend angeordnet ist, daß der Körper im Falle eines Lagerverschleisses
einer durch die Relativbewegung verursachten Abnutzung unterworfen ist, wobei zur
Erfassung der Abnutzung wenigstens ein Lichtstrahlenbündel durch den Körper auf
die der Abnutzung unterworfene Fläche des Körpers derart gerichtet ist, daß die
von der Fläche in den Körper reflektierte Lichtstrahlung im Falle einer Abnutzung
eine Belichtungsänderurg mindestens eines lichtempfindlichen Detektors bewirkt.
Es ist also ein für Lichtstrahlung durchlässiger fester Körper vorgesehen, welcher
der gleichen Abnutzung durch das Bauelement wie das Lager unterworfen ist und somit
den Lagerverschleiß abbildet. Die Abnutzung des Körpers wird hierbei durch das Abwandern
* Bichtstrahlung erfaßt, welche innerhalb des Körpers von Jener Fläche reflektiert
wird, die der Abnutzung unterliegt. Die Härte des Körpers muß selbstverständlich
so gewählt sein, daß eine mit dem iagerverschleiß gleichlaufende Abnutzung stattfindet.
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In der Regel ist die reflbktierte Lichtstrahlung ebenfalls als Lichtstrahlenbündel
ausgebildet, da die reflektierende Fläche in neuem Zustand poliert ist und durch
die Relativbewegung des Bauelements auch bei Abnutzung in diesem Zustand * und/oder
durch die Änderung der Intensität der empfangenen
gehalten wird.
Sollte jedoch aus irgendwelchen Gründen die reflektierte Fläche bei Lagerverschleiß
matt werden, so daß die reflektierte Lichtstrahlung nicht gebündelt, sondern diffus
ist, so wird der Lagerverschleiß vom Detektor ebenfalls erfaßt. Denn die in diesem
Falle auftretende diffuse Lichtstrahlung weist eine Intensität auf, die gegenüber
einer gebündelten Lichtstrahlung geringer ist, so daß sich ebenfalls eine Belichtungssnderung
des Detektors ergibt. Vorzugsweise ist hierbei ein Schweliwert für die Intensitätsänderung
vorgesehen, dessen Unterschreiten einen Bagerverschleiß bedeutet.
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Fiir die Reflexion der Lichtstrahlung an der Fläche des transparenten
Körpers, =elche der Abnutzung unterworfen ist, wird das physikalische Gesetz ausgenutzt,
wonach liichtstrahlung an der Grenzfläche zwischen einem dichteren und einem dünneren
Medium reflektiert wird, falls ein bestimmter Einfallswinkel nicht überschritten
wird.
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Neben einfachem, kostengünstigem Aufbau ist ein besonderer Vorteil
der erfindungsgemäßen Einrichtung darin zu sehen, daß die Meß- und/oder Überwachungseinrichtung
auch leicht nachträglich anbringbar ist und keinen Eingriff in das Lagersystem erfordert.
Da für die Messung ein Lichtstrahlenbündel Verwendung findet, ist die Meß- und/oder
Überwachungseinrichtung * unempfindlich gegen elektrische Streufelder, wie sie insbesondere
in elektrischen Maschinen auftreten. Um auch Fremdlichteinflüsse auf die Messung
bzw, Überwachung auszuschalten, empfiehlt es sich, das Lichtstrahlenbündel mit moduliertem
Licht zu bilden und den Detektor bzw. das an den Detektor angeschlossene Meßgerät
selektiv für leicht mit der gewählten Modulationsfrequenz empfindlich zu machen.
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* und/oder magnetische
Unter Licht im Sinne der vorliegenden
Erfindung sollen gegebenenfalls auch unsichtbare Strahlen verstanden sein, die einer
Reflexion an der Trennfläche vom Körper zum Bauelement unterworfen sind.
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Der einfachste und kompakteste Aufbau der Einrichtung ergibt sich
dann, wenn vorteilhaft der Detektor sowie eine für die Aussendung des Lichtstrahls
vorgesehene Lichtquelle im Körper angeordnet sind, wobei dieser vorteilhaft im wesentlichen
aus Gießharz besteht.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung kann darin bestehen, daß
der Körper etwa prismatisch ausgebildet ist, mit vorteilhaft sich zur Abnutzung
unterworfenen Fläche verjüngendem Querschnitt, Diese Ausbildung wird den meisten
Anwendungefällen gerecht.
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Für die Anordnung des Körpers ist allein von Wichtigkeit, daß dieser
der gleichen Abnutzung wie das Lager unterworfen ist. Besonders empfehlenswert hierzu
ist es, den Körper im Lagergehäuse anzuordnen. Soll-mit der erfindungsgemäßen Einrichtung
ein Gleitlager überwacht werden, so kann eine günstige Weiterbildung der Erfindung
darin bestehen, den Körper im tragenden Lagerkörper einzubetten.
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Um eine möglichst große Empfindlichkeit der MeS und/oder Überwachungseinrichtung
zu erzielen, ist vorteilhaft das Lichtstrahlenbündel unter einem möglichst kleinen
spitzen Winkel auf die der Abnutzung unterworfene Fläche gerichtet, d.h. der Einfallswinkel
zwischen Sichtstrahlenbündel und der Fläche, welche der Abnutzung unterliegt, ist
so gewählt, daß mit Sicherheit eine Totalreflexion erfolgt. Das Lichtstrahlenbündel
kann zudem über wenigstens eine in den Strahlengang
eingefügte reflektierende
zweite Fläche geführt sein. Das Sichtstrahlenbündel wird also nicht direkt der Fläche,
welche der Abnutzung unterworfen ist, zugeführt, oder von dieser abgleitet, sondern
über eine zwischengeschaltete reflektierende zweite Fläche geführt. Hierdurch kann
der Strahlengang in manchen Fällen günstiger gestaltet werden. Ist nundie zweite
Fläche einer zweiten Lagerstelle, welche einer Abnutzung unterliegt, zugeordnet,
eo können mit einem Strahlengang gleichzeitig zwei Lagerstellen überwacht werden.
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Zur einfachen Erfassung des Lagerverschleises ist es vorteilhaft,
wenn das Lichtstrahlenbündel im Querschnitt etwa punktförmig ausgebildet und der
Detektor an einer bei unverschlissenem Lager von der reflektierten Lichtstrahlung
getroffenen Stelle angeordnet ist. Hierbei wird bei Lagerverschleiß der Detektor
nicht mehr belichtet, ein Zustand, der von den nachgeschalteten Anzeigegeräten sicher
angezeigt werden kann.
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Soll jedoch zusätzlich dießröße des Lagerverschleisses erfaßbar sein,
so empfiehlt es sich, daß mehrere, bei Lagerverschleiß von der reflektierten Lichtstrahlung
überstrichene Detektoren vorgesehen sind. Hierdurch ist zwar nur eine stufenweise
Änderung erfaßbar, dafür jedoch der Gesamtaufbau der Meßeinrichtung einfach und
übersichtlich. Vorzugsweise wird man die Detektoren sehr eng nebeneinander anordnen,
um den Lagerverschleiß in sehr feinen Stufen erfassen zu können.
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Sehr eng nebeneinander liegende lichtempfindliche Detektoren weisen
Photodioden-Arrays oder Phototransistorzellen auf, so daß die Verwendung solcher
Bauelemente sehr vorteilhaft ist.
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Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der. Erfindung, welche auf
einfache Weise eine stufenlose Messung des Lagerverschleisses gestattet, besteht
vorteilhaft darin, eine bei Lagerverschleiß
von der reflektierten
Lichtstrahlung überstrichene Schottky-Barrier-Photodiode als Detektor vorzusehen.
Solche lichtempfindliche Detektoren geben nämlich ein Signal ab, das von der Position
der auftreffenden Lichtstrahlung abhängig ist. Da Schottky-Barrier-Photodioden den
Mittelpunkt der auftreffenden Lichtstrahlung anzeigen, sind diese Photodioden zur
Erfassung der Lage von gebündelter oder diffuser Lichtstrahlung geeignet. Selbstverständlich
darf hierbei eine gewisse, für das einwandfreie Arbeiten dieser Photodioden erforderliche
Mindestintensität nicht unterschritten werden.
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Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den schematischen Zeichnungen hervor.
Diese zeigen: Fig. 1 einen vertikalen Längsschnitt durch eine Lagerstelle mit einer
Meß- und/oder Überwachungseinrichtung für den Lagerverschleiß, Fig. 2 einen Querschnitt
durch den Gegenstand der Figur 1 gemäß der Schnittlinie II - II, Fig. 3 den transparenten
Körper der Meß- und/oder Überwachungseinrichtung als Einzelheit und gegenüber Fig.
1 in größerem Maßstab, Fig. 4 einen Querschnitt durch den Gegenstand der Figur 3
gemäß der Schnittlinie IV - IV, Fig. 5 eine Ausführungsvariante des Gegenstandes
der Figur 3 mit einem anderen lichtempfindlichen Detektor, Fig. 6 ein kombiniertes
Axial-Radiallager mit eingebauter Meß- und/oder Überwachungseinrichtung und Fig.
7 die Einzelheit VII der Figur 6 in größerem Maßstab.
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Gleiche Teile sind in den einzelnen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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Das in Figur 1 dargestellte Lager 10 ist als Radialgleitlager ausgeführt,
welches ein Bauelement 12 in Form einer Welle führt. In einem axial angeordneten
kreisringförmigen, das Bauelement 12 umgebenden Zwischenraum 14, der vom Lagerkörper
16 und vom Lagergehäuse 18 begrenzt wird, ist der etwa prismatisch ausgebildete,
transparente Körper 20 derart am Lagerkörper 16 befestigt, daß die nach oben zeigende
Fläche 22 des Körpers 20 an der Welle, welche das Bauelement 12 bildet, berührend
anliegt. Wie neben dem Körper 20 im Lagerkörper 16 gestrichelt angedeutet, kann
der Körper auch wahlweise in einer Aussparung des Lagerkörpers 16 angeordnet sein.
Wie weiter aus dem Querschnitt nach Figur 2 zu ersehen, können auch mehrere Körper
20 am Umfang um das Bauelement verteilt angeordnet sein, um einen Verschleiß in
verschiedenen radialen Richtungen zu erfassen.
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Der Körper 20 ist transparent ausgebildet und weist eine eingesetzte
Lichtquelle 24 auf, die ein vorzugsweise moduliertes Lichtstrahlenbündel 26 aussendet.
Dieses Lichtstrahlenbündel 26 ist hierbei unter einem möglichst kleinen spitzen
Winkel auf die Fläche 22 des körpers 20 gerichtet, welche das Bauelement 12 berührt.
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Desweiteren ist im Körper 20 ein lichtempfindlicher Detektor 28 angeordnet,
der von der an der Fläche 22 reflektierten Lichtstrahlung 30 getroffen ist. Der
Detektor 28 ist über eine Leitung 32 an ein Anzeigegerät und/oder Überwachungsgerät
34 angeschlossen, wogegen die Lichtquelle 24 über eine Leitung 36 mit elektrischer
Energie versorgt wird.
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Während des Betriebs wird das von der Lichtquelle 24 ausgesandte Lichtstrahlenbündel
26 an der polierten Fläche 22, welche den Körper 20 nach oben begrenzt, umgelenkt
und als reflektierte Lichtstrahlung 30 auf den lichtempfindlichen Detektor 28 geworfen,
wobei ies im angeschlossenen Überwachungsgerät 34 angezeigt wird. Erfolgt nun eine
Relativbewegung zwischen dem Lager 10 und dem Bauelement 12, die z.B. eine Drehbewegung
und/oder eine axial hin- und hergehende Bewegung sein kann, und unterliegt hierbei
der Lagerkörper 16: einem Verschleiß, so wird durch den Wellenversatz auch der Körper
20 abgenutzt, so daß sich die Lage der polierten Fläche 22 verändert. Die Folge
ist eine Lageveränderung der reflektierten Tichtstrahlung 30, so daß der Detektor
28 nicht mehr belichtet wird und dieser Zustand vom Überwachungsgerät 34 angezeigt
und ggf. Alarm ausgelöst wird. Selbstverständlich muß der Körper 20 durch die Relativbewegung
abnutzbar sein, d?.h. der Körper 20 sollte bezüglich seiner Abnutzungseigenschaften
zumindest etwa dem Lagermaterial entsprechen. Vorzugsweise besteht der Körper 20
aus Gießharz.
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Dies hat den Vorteil, daß die Lichtquelle 24 und der Detektor 28 bzw.
deren Fassungen in das Gießharz eingegossen werden können und somit einfach und
sicher befestigbar sind.
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Normalerweise bleibt die polierte Fläche 22 auch bei Abnutzung in
poliertem Zustand, da die Relativbewegung polierend wirkt.
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Sollte jedoch die Fläche bei Abnutzung matt werden und daher die Lichtstrahlung
nicht mehr gebündelt, sondern diffus reflektiert werden, so ergibt sich eine Verringerung
der Intensität der reflektierten Lichtstrahlung. Diese Intensitätsänderung wird
vom Detektor ebenfalls erfaßt und als Lagerverschleiß angezeigt. Hierbei ist vorteilhaft
ein Schwellwert für die Intensität angegeben, dessen Unterschreiten als Lagerverschleiß
angezeigt wird.
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Da sich zwischen dem Körper 20 und dem Bauelement 12 ein Schmierfiln,
z.B. aus Lagerschmieröl bildet, ist der für eine Reflexion erforderliche Dichteunterschied
mit Sicherheit gegeben.
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In den Figuren 3 und 4 ist der Körper 20 als Einzelheit und in größerem
Maßstab sowie in einer Ausführungsvariante bezüglich des Detektors ausgebildet.
Wie aus dem Querschnitt der Figur 4 ersichtlich, verjüngt sich der obere Teil des
Körpers 20 zur Fläche 22 hin, so daß die Fläche 22 verkleinert ist gegenüber der
unteren Begrenzungsfläche des Körpers 20.
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Der Vorteil dieser verkleinerten Fläche 22 ist darin zu sehen, daß
diese verkleinerte Fläche in besseren Kontakt mit dem Bauelement 12 gebracht werden
kann, wohingegen im dickeren unteren Bereich die Lichtquelle sowie der Detektor
28 zur Befestigung leicht eingebracht bzw. eingegossen werden können.
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Im Körper gemäß der Ausführungsvariante nach Figur 3 sind drei Detektoren
38, 48, 58 nebeneinander angeordnet und jeweils an das Überwachungsgerät 34 angeschlossen.
Bei einem Verschleiß des Lagers und der damit verbundenen Abnutzung des Körpers
20 bzw. der Lageveränderung der Fläche 22 verändert die reflektierte Lichtstrahlung
30 ihre Lage und wandert z.B. vom Detektor 38 zum Detektor 48 und bei weiterem Verschleiß
zum Detektor 58, wobei dieser Fall in Figur 3 gestrichelt eingezeichnet ist. Dieses
Wandern der reflektierten Lichtstrahlung wird vom Überwachungsgerät 34 angezeigt,
das hierzu drei Meßsysteme aufweist. Es kann somit der Verschleiß stufenweise erfaßt
werden. Die Größe dieser Stufen ist abhängig vom horizontalen Abstand der Detektoren
und
ist bei eng nebeneinanderliegenden Detektoren am geringsten.
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Eng nebeneinanderliegende Detektoren weisen z.B. Photodioden-Arrays
oder Phototransistorzeilen auf, so daß diese für den Einsatz im vorliegenden Fall
besonders geeignet sind, Zur stufenlosen Erfassung des Lagerverschleisses ist in
einer bevorzugten Ausführungsvariante gemäß Figur 5 der Detektor 68 als Schottky-Barrier-Photodiode
ausgebildet. Diese Dioden geben nämlich ein Signal ab, das von der Position des
Mittelpunktes der sie belichtenden Lichtstrahlung abhängig ist. Auf diese Weise
kann im angeschlossenen Überwachungsgerät 34 die Lage des Mittelpunktes der reflektierten
Lichtstrahlung 30 stufenlos erfaßt und somit Rückschlüsse auf den Lagerverschleiß
gezogen werden. Hierbei ist es gleichgültig, ob die Reflexion diffus ist oder als
Lichtstrahlenbündel ausgebildet ist, da auch die Intensität erfaßt werden kann.
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In Fig. 6 ist ein Bauelement 42 in Form einer Welle mit einem flachen
Kopf 40 versehen. Zur Führung des Bauelements 42 ist das Lager 44 als Axial-Radiallager
ausgebildet, d.h. das Lager 44 führt einmal unmittelbar das Bauelement 42 in radialer
Richtung und nimmt zum anderen axiale Kräfte auf, die über den Kopf 40 auf das Lager
übertragen werden. Um nun den Lager verschleiß in radialer und axialer Richtung
zu erfassen, wäre es denkbar, sowohl für die Erfassung des radialen als auch des
axialen Verschleisses jeweils einen besonderen transparenten Körper vorzusehen.
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Kommt es jedoch weniger auf die Messung der einzelnen Verschleißarten,
sondern lediglich auf die Überwachung des Axial-Radiallagers an, so kann diese Überwachung
auf sehr einfache Weise gemäß dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 6 und 7 erreicht
werden, Hierzu ist, wie aus Figur 6 ersichtlich, am Übergang vom radial führenden
Bereich 52 zum axial führenden Bereich 54 des Lagers ein Körper 50 derart angeordnet,
daß er vom vertikalen Bereich des Bauelements 42 und vom Kopf 40 im
Falle
von Lagerverschleiß einer Abnutzung unterworfen ist.
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In Figur 6 ist die Lage dieses Körpers 50 nur schematisch angedeutet,
in Figur 7 ist dieser Körper als Einzelheit in größerem Maßstab dargestellt. Danach
ist die Lichtquelle 24 im unteren Bereich des Körpers 50 angeordnet, der ebenfalls
prismatisch ausgebildet ist und etwa quadratische Deckflächen aufweist. Das Lichtstrahlenbundel
26 ist innerhalb des Körpers 50 auf jene Fläche 22 des Körpers gerichtet, welche
den vertikalen Bereich des Bauelementes 42 berührt und somit einer Abnutzung unterworfen
ist, welche einem Verschleiß des radialführenden Bereichs 52 des Lagers 44 entspricht.
Die Lage der Lichtquelle ist nun so gewählt, daß das von der Fläche 22 reflektierte
Lichtstrahlung 56 auf die zweite Fläche 62 geworfen wird, welche den Kopf 40 berührt
und somit bei einem Verschleiß des axialführenden roreichs 54 ebenfalls einer Abnutzung
unterliegt. Der Detektor 28 ist schließlich in einem solchen Bereich des Körpers
angeordnet, daß er von der zweiten Lichtstrahlung 60 getroffen wird, welche durch
Reflexion der Lichtstrahlung 56 an der Fläche 62 entsteht.
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Unterliegt nun das Axial-Radiallager 44 einem axialen und/oder radialen
Verschleiß, so werden die zugeordneten Flächen 22 bzw. 62 abgenutzt und der Strahlengang
der Lichtstrahlung 26, 56, 60 verändert, so daß eine Belichtungsänderung des Detektvrs
28 auftritt, welche vom angeschlossenen Überwachungsgerät 34 angezeigt wird.
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Der Körper 50 sowie der Detektor 28 beim AusfAhrungsbeispit gemäß
der Figuren 6 und 7 können selbstverständlich auch so variiert werden, wie es bei
den anderen Ausführungsbeispielen gezeigt wurde.
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Die Meß- und/oder Überwachungseinrichtung kann für Wälzlager oder
Gleitlager verwendet werden, bevorzugtes Einsatzgebiet sind jedoch Gleitlager.