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Axiales Bewegungsglied
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Die Erfindung bezieht sich auf ein axiales Bewegungsglied bei einer
Rohranordnung mit einem in einem Außenrohr angeordneten Innenrohr, das von einem
unter Druck stehenden Medium durchströmt wird.
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In der Technik besteht häufig die Forderung, Kräfte die auf ineinandergeschobene
Rohrsysteme wirken, aufzufangen oder zu regeln. Solche Kräfte können Stoßkräfte
sein, welche axial auf die Rohranordnung wirken, es können Jedoch auch Druckkräfte
sein, welche von einem die Rohranordnung durchströmenden Medium von innen auf die
Rohrwände aufgebracht werden.
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Das Problem, Stoßkräfte, welche axial auf derart angeordnete Rohrsysteme
wirken, zu vernichten, tritt vorwiegend im Rohrwaffenbau auf.
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Rohr und Rohrlagerung bilden hier die teleskopartige Rohranordnung,
der nach Abfeuern der Rohrwaffe auftretende Rückstoß die axial wirkende Kraft. Gegenwärtig
werden diese Rdckstoßkräfte durch komplizierte und schwere Bauteile aufgefangen.
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In der Regel bestehen diese Bauelemente aus einem Kolben nebst Kolbenstange,
einem Zylinder und einem darin befindlichen flüssigen oder gasförmigen Medium. Aufgabe
solcher Stoßkraft auffangenden Bauteile ist es, eine auf die Kolbenstange wirkende
Kraft abzubremsen.
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Hierbei legt die Kolbenstange mit Kolben eine nicht unerheblich große
Wegstrecke zurück welche als Bremsweg bezeichnet wird.
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Durch die großen Bremswege ist man gezwungen das Bauvolumen entsprechend
groß zu halten, was wiederum zu einer großen Masse führt.
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Ferner ist eine präzise Bearbeitung der Bauteile notwendig, was wiederum
zu hohen Kosten führt.
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Druckkräfte, wie sie in Pipelines auftreten, werden heute meist durch
eine aufwendige Elektronik überwacht, welche die von komplizierten und teuren Druckwertaufnehmern
ermittelten Druckwerte aufnimmt und nach einem Soll-Ist-Wert Vergleich über Regel
und Stellglieder, wenn notwendig eine Nachregelung vornimmt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein axiales Bewegungsglied
zu schaffen, welches geeignet ist, die bei derartigen Rohranordnungen auftretenden
Stoß- und Druckkräfte aufzufangen oder zu regeln, dabei möglichst einfach aufgebaut
ist, nahezu wartungsfrei arbeitet und vom Prinzip her vielseitig verwendbar ist.
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Die Aufgabe wird ausgehend von den Merkmalen des Oberbegriffs des
Hauptanspruches durch die Merkmale seines kennzeichnenden Teiles gelöst.
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Das axiale Bewegungsglied zeichnet sich durch seine höchst einfache
Konstruktion aus. Komplizierte und teure Bauteile wie Kolbenstangen, Federelemente
o. ä. können entfallen, ebenso koaplizierte Arbeitsvorgänge bei der Herstellung.
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Dadurch arbeitet das axiale Bewegungsglied nahezu wartungsfrei und
weist einen geringen Verschleiß auf. Je nach Art des Mediums - gasförmig oder flüssig
- arbeitet das axiale :Bewegungsglied gasfederartig oder hydraulikfederartig, wenn
es darum geht, Stoßkräfte aufzufangen.
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Die federartig arbeitende Konstruktion gestattet zu Beginn des Abbremsvorgangs
bei noch von der Rohrwand des Außenrohres unbedeckten öffnungen ein sanftes Einfedern
der abzubremsenden Masse, da ein Ausweichen des Mediums bei der einsetzenden Kompression
durch die Öffnungen noch möglich ist. Nach der völligen Schließung der dffnungen
durch die Rohrwand des Außenrohrteils wird der Abbremsvorgang wegen des nun auf
den Zylinderraum beschränkten#Kompressionsraum wesentlich härter. Anfänglich weist
das axiale Bewegungsglied also ein degressives Federkennlinienverhalten auf, nach
dem Schließen der Öffnungen dann ein progressives.
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So gesehen können mit dieser einfachen Konstruktion eine Vielzahl
von Federkennlinien realisiert werden, deren Verlauf von der Menge der Möglichkeiten
der verschiedenartig geometrisch ausgebildeten Öffnungen und den geometrischen Abmessungen
des Zylinderraumes aber auch der Kompre#sibilität des Mediums abhängen.
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Von der Konstruktion her eignet sich der Axialbewegungskompensator
auch als Meßwertaufnehmer bei von gasförmigen oder flüssigen Medien durchströmten
Rohrleitungen.
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Bei Überdruck des Mediums wird dabei über die Öffnungen im Zylinderraum
ein Druck aufgebaut, welcher, sich auf der Stirnfläche der Rohrwand des Außenrohrteils
abstützend, das Innenrohr axial verschiebt. Dieser Vorgang wird zu Regelungsvorgängen
oder Meßvorgängen genutzt, indem am Zylinderraum eine Mechanik angebracht wird,
die ihrerseits abhängig von der Bewegung des Innenrohres ein Stellglied bewegt,
welches den gewünschten Druck cinst#llt.
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Der Erfindungsgedanke läßt ferner den Bau eines durchstimmbaren Schwingkreises
großer Stabilität zu und kann so für die Sende- und Empfangstechnik nutzbar gemacht
werden.
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Er gestattet ferner den Bau eines als Beschleunigungswertaufnehmer
wirkenden dynamischen Gebers.
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Solche Möglichkeiten unterstreichen die Vielseitigkeit des Anmeldegegenstandes.
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Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele, nämlich für Rohrwaffen, Pipelines,
Schwingkreisen und Meßwertaufnehmern soll die Erfindung in der Zeichnung dargestellt
näher erlautet werden.
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Es zeigen Figur 1: Axiales Bewegungsglied Figur 2: Axiales Bewegungsglied,
eingesetzt als Rückstoßkompensation bei Rohrwaffen Figur 3: Durchstimmbarer Schwingkreis
großer Stabilität aufgebaut auf dem Prinzip des axialen Bewegungsgliedes.
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Figur 4: Dynamischer Geber aufgebaut auf dem Prinzip des axialen
Bewegungsgliedes.
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Figur 1 Das axiale Bewegungsglied besteht aus einer Manschette 3,
welche eine teleskopartige Rohranordnung an der Übergangsstelle Innenrohr 1 und
Außenrohr 2 in Form eines Zylinders ummantelt. Anstelle der teleskopartigen Rohranordnung
kann auch jede andere Rohrkonstruktion treten bei welcher ein Innenrohr 1 in ein
Außenrohr 2 axial beweglich steckbar ist.
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Die Manschette 3 besitzt neben ihrer eigentlichen Mantelfläche eine
Stirnwand 5 sowie eine kurze Rückwand 4, welche das Außenrohr 2 übergreifend gasdicht
umschließt.
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Qie Stirnwand 5 der Manschette 3 ist gasdicht und fest auf dem gesamten
Umfang des Innenrohres 1 befestigt.
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Es ist jedoch auch möglich, die Stirnwand 5 der Manschette 3 axial
verschiebbar auf dem Innenrohr 1 gasdicht anzuordnen und mit einer Feststellvorrichtung
auszurüsten.
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Der Innenraum der Manschette 3 und der Innenraum des Innenrohres
1 sind durch innere Öffnungen 6 in der Rohrwand des Innenrohres 1 verbunden. Diese
innere Öffnungen 6 können am Umfang des Innenrohres 1 gleichmäßig oder ungleichmäßig
verteilt sein.
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Das Innenrohr 1 ist in das Außenrohr 2 steckbar wobei die Rohrwand
des Außenonhres 2 durch eine Öffnung, welche sich zwischen der Rohrwand des Innenrohres
1 und der kurzen Rückwand 4 des Manschetteninnenraumes 3 befindet, in den Manschetteninnenraum
3 axial beweglich einführbar ist.
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Die Passungen sind so gewählt, daß zwar ein leichtgängiges Verschieben
des Innenrohres 1 mit dem Manschettenraum 3 im Außenrohr 2 möglich ist, auf der
anderen Seite die Manschette 3 an der Berührungsstelle der kurzen Rückwand 4 druckfest
nach außen abgedichtet ist.
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Ferner ist Innenrohr 1 gegen Herausrutschen aus dem Außenrohr 2 gesichert.
Das Außenrohr 2 ist entweder in einem festen Lager 7 befestigt, es kann aber auch
frei axial beweglich sein.
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Das Funktionsprinzip des Axialbewegungskompensators läßt sich aus
dem Impulserhaltungssatz der Mechanik herleiten.
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Gase, Flüssigkeiten und Festkörper, die sich mit der Masse m und
der Geschwindigkeit V in Rohren bewegen oder aus diesen ausströmen, üben auf diese
einen Impuls aus. Aufgrund des Impulserhaltungssatzes der Mechanik gilt: m . VB
= mR ~ VRV B R~ R m B : sich bewegende Masse VB : Geschwindigkeit der sich bewegenden
Masse m R Masse des Innenrohres 1 VR x Geschwindigkeit des Innenrohres 1 Es ist
offensichtlich, daß Je nach Größe der sich bewegenden Masse und ihrer Geschwindigkeit
das Innenrohr 1 erhebliche Wege zurücklegen kann bzw. große Lagerkräfte auftreten
können.
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In der Manschette 3 baut sich durch das eintretende Medium ein allseitig
wirkender Druck auf.
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Durch Multiplikation dieses Druckes mit der jeweiligen Fläche, auf
welche er wirkt, ergibt sich die zugehörige Druckkraft.
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Da jedoch die Stirnseite 5 und die kurze Rückwand 4 hinsichtlich ihrer
vom Druck beaufschlagten Fläche unterschiedlich groß sind, ergeben sich folglich
auch unterschiedliche Druckkräfte.
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Das hat jedoch zur Folge, daß in axialer Richtung eine Differenzkraft
auftritt, welche das Innenrohr 1 an seiner Rückwärtsbewegung, also an seiner Bewegung
in das Außenrohr 2 hindert.
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Diese Differenzkraft ist durch Variation der betreffenden Flächen,
in Verbindung mit der Fläche des kolbenartis ausgebildeten Anfangsteiles des Außenrohres
2 in weiteren Grenzen variierbar. Ein gleicher Effekt ist durch Ansetzung von Düsen
in der kurzen Rückwand 4 erreichbar.
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Gleiches gilt für die Lagerrohrkraft, die über Variationen der druckbeaufschlagten
Fläche weitgehend variiert werden kann.
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Die Vorrichtung funktioniert überall da, wo in einem Medium ein Druck
vorhanden ist bzw. in einem Zylinder ein Druck durch Aufstauen erzeugt werden kann.
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Bei sich bewegenden Festkörpern müssen diese durch Gase oder Flüssigkeiten
bewegt werden, wie dies beispielsweise in Waffen, speziell in Waffenrohren, der
Fall ist.
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Stellt Innenrohr 1 ein Geschützrohr, Außenrohr 2 ein in einer Lafette
befestigtes Rohrteil und Pulvergase das das Innenrohr 1 durchströmende Medium dar,
so ist die Funktion des axialen Bewegungsgliedes folgende: Nach Abfeuern des Geschosses
treiben die sich entwickelnden und unter Druck stehenden Pulvergase das Projektil
in PfeiLrichtung durch das Innenrohr 1.
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Wenn das Geschoß die inneren Öffnungen 6 passiert hat, dringen durch
diese Pulvergase in den Manschetteninnenraum 3. Durch den Rückstoß, also durch eine
in axialer Richtung der Rohranordnung wirkenden Kraft, welcher bei jeder Rohrwaffe
beim Abschuß zwangsläufig auftritt, wird das Innenrohr 1 gegen die Pfeilrichtung
bewegt.
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Das hat zur Folge, daß die Rohrwand des Außenrohres 2 weiter in den
Manschetteninnenraum 3 eindringt und zwar dadurch, daß der Manschetteninnenraum
3 weiter über die Rohrwand des Außenrohres 2 geschoben wird. Hierbei nimmt die Rohrwand
des Außenrohres 2 eine Doppelfunktion wahr.
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Zum einen verschließt sie die inneren Öffnungen 6 gegen den Innenraum
des Innenrohres 1, zum anderen komprimiert ihre nun als Kolben ausgebildeter Anfangsteil
die im Manschetteninnenraum 3 befindlichen Treibgase.
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Die zu diesem Kompressionsvorgang erforderliche Energie wird der Energie
der rücklaufenden Teile der. Rohrwaffe entnommen, was zur Folge hat, daß die rücklaufenden
Teile abgebremst werden.
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Das Abbremsen der rücklaufenden Teile geschieht bei noch nicht verschlossenen
Öffnungen 6 sehr sanft und langsatin, da hier der durch das Kompremieren im Manschetteninnenraum
3 entstehende Druck die ebenfalls unter Druck stehenden Pulvergase durch die inneren
Öffnungen 6 in den Rohrinnenraum des Innenrohres 1 zurückdrücken kann. Nach dem
Schließen der inneren öffnungen 6 durch die Rohrwand des festen Rohrteils 2 ist
dies nicht mehr möglich, was zur Folge hat, daß die Abbremsung der rücklaufenden
Teile unverhältnismäßig stärker und schneller vor sich geht, da die restliche Stoßkraft
ausschließlich zur Kompression der
nunmehr hermetisch abgeschlossenen
Pulvergase verwandt wird und ein Ausweichen der Pulvergase nicht mehr möglich ist.
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Da der Axialbewegungskompensator ähnlich einer Gasfeder arbeitet,
kann man sagen, daß er anfänglich ein degressives Verhalten seiner Federkennlinie
aufweist, welches jedoch nach dem Schließen der inneren Öffnungen 6 stark progressiv
wird. Sowohl die Länge des degressiven und progressiven Federvorgangs als auch-die
Art deren Überleitung, also ob schnell oder weniger schnell, ist abhängig von den
baulichen Abmassen der Manschette 3 sowie der Geometrie der inneren Öffnungen 6
und deren Einbauort.
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Nach Abschluß des Einfedervorgangs und dem damit verbundenen völligen
Abbremsen der rücklaufenden Waffenteile kann das kompremierte Gas aufgrund seiner
nun gespeicherten Energie das Innenrohr 1 wieder in seine Ausgangsstellung zurückbringen
und-dann durch die wieder freigewordenen inneren Öffnungen 6 in den Innenraum des
Innenrohres 1 und damit auch in die Umgebung entweichen.
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Figur 2 Neben den bereits aus Figur 1 bekannten Merkmalen weist das
in Figur 2 dargestellte axiale Bewegungsglied zudem den diferentialkobbenartig ausgebildeten
Anfangsteil und die am Umfang verteilten äußeren Öffnungen 8 am Außenrohr 2 auf.
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Das Innenrohr 1 und das Außenrohr 2 müssen dabei so angeordnet sein,
daß bei einem axialen Bewegungsvorgang beider Rohre sowohl die inneren Öffnungen
6 als auch die äußeren Öffnungen 8 so übereinander geschoben werden, daß ein optimaler
Durchtritt des Mediums gewährleistet ist. Eine hier#u erforderliche Führungsmöglichkeit
ist in der Figur nicht näher
dargestellt. Eine derartige Führungemöglichkeit
kann Jedoch auch so ausgebildet sein, däß aufgrund ihrer Führungsgeometrie die inneren
Öffnungen 6 und die äueren Öffnungen 8 während des axialen Bewegungsvorgangs beim
Ubereinanderschieben gegeneinander so bewegt werden, daß hierbei eine Regulierung
des durchtretenden Mediumstromes möglich ist.
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Das Innenrohr 1 ist am hinteren Teil verschlossen. Das Außenrohr 2
braucht jedoch nicht verschlossen zu sein.
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Den Abschluß des Innenrohres 1 bildet ein an sich bekannter Verschluß,
welcher jedoch in der Figur 2 nicht eingezeichnet wurde. Ferner befindet sich im
Manschetteninnenraum 3 zwischen der vorderen Rückwand 5 und der großen Kolbenfläche
10 ein Federelement 12. Das Federelement kann durch jedes bekannte Federelement
dargestellt werden. Es kann aber auch durch das durchströmende Medium gasfederartig
durch nochmaliges Anwenden des Funktionsprinzips des axialen Bewegungsgliedes dargestellt
werden.
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Aus Gründen der einfacheren Konstruktion wird die Manschette 3 hierzu
in zwei Teilen hergestellt, welche sich jedoch gas- und druckfest verbinden lassen.
Die Zweiteilung ist in der Figur 2 nicht ausdrücklich mit eingezeichnet, da sich
eine derartige Teilung an verschiedenen Stellen der Manschette 3 vornehmen läßt
und dieses von der jeweiligen Konstruktion abhängig ist. Auch ist praktisch jedes
Verbindungselement einsetzbar.
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Nach erfolgter Anzündung der Treibladung treten die Pulvergase mit
dem ihnen aufgeprägten Druck P über die inneren und äußeren Öffnungen 6 und 8 in
den Manschetteninnenraum 3 ein und beaufschlagen die kleine Kolbenfläche 9 am Außenrohr
2.
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Dadurch wird eine nach vorn gerichtete Kraft Fz = P x Fk erzielt,
die dem Rückstoß entgegenwirkt. Das aufgrund des Rückstoßimpulses mit der kinetischen
Energie E zurücklaufende Innenrohr 1 mit der daran befestigten Manschette 3 wird
durch die Feder 12 auf einem vorher festgelegten Weg S gebremst.
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Dabei tritt eine Federkraft F F auf, die sich wie folgt ergibt:
und die der Kraft F an der kleinen Kolbenz fläche 9 des Außenrohres 2 entgegengerichtet
ist. Bei Gleichheit von F F und F ist das Innenrohr 1 rückstoßfrei.
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z Die Konstruktion des axialen Bewegungsgliedes bringt eine weitere
Einsatzmöglichkeit mit sich, welche auf dem Rohrleitungsbau Anwendung findet.
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Wird das Innenrohr 1 von einem flüssigen oder gasförmigen Medium durchströmt,
so kann bei nicht verschlossenen inneren öffnungen 6 ein evtl. auftretender Überdruck
über die inneren öffnungen 6 den kolbenartig ausgebildeten Anfangsteil des Außenrohres
2 beaufschlagen. Das Innenrohr 1 wird dadurch in Pfeilrichtung bewegt. Ein am Innenrohr
1 oder an der Manschette 3 befestigter Mechanismus wird zum Nachregeln des Druckes
benutzt.
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Das innenrohr 1 wird nach Druckabfall durch eine Gegenkraft wieder
in seine ursprüngliche Lage gebracht.
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Figur 3 Die Figur 3 zeigt aufgebaut aus den merkmalsgleichen Bauteilen
des axialen bewegun#sgliedes einen durchstimmbaren Schwingkreis großer Stabilität.
Der Schwingkreis ist mit einer Verstellstange 16 mit einem im Durchmesser kleineren
an dem Verstellrad 20 entgegengesetzten Ende angebrachten Stift 14 versehen.
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Sie kann über ein Gewinde in dem Innenrohr 1 axial bewegt werden.
Angetrieben wird die Verstellstange 16 dabei mittels eines mit ihr verbundenen Verstellrades
20. Anstelle des Verstellrades 20 kann# auch eine Vorrichtung angebracht werden,
welche den Antrieb der Verstellstange automatisch in Abhängigkeit von anderen Größen
ermöglicht. Das Gewinde kann unterschiedliche Gewindeateigungen und Anzahlen von
Gewindegängen besitzen.
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In der Manschette 3 sind eine Anzahl von Kondensatorplatten 13 und
Federelemente 12 in Reihe liegend angeordnet.
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Das Außenrohr 2 ist auf dem Innenrohr 1 axial beweglich angeordnet.
Die axiale Bewegung wird durch ein Gewinde auf der Außenhaut des Innenrohres 1 und
daraufgeschraubte Stelimuttern 15 bewirkt.
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Das Außenrohr 2 kann jedoch auch fest mit dem Innenrohr 1 verbunden
werden, Das untere Ende 14 der Verstellstange 16 ragt in eine Spul# 17 hinein. Die
Spule 17 befindet sich am Ende des Innenrohres 1. Sie kann fest mit dem Innenrohr
1 verbunden sein, es besteht aber auch die Möglichkeit beide Bauteile getrennt anzuordnen.
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Durch Drehung des Verstellrades 2Q wird die Verstellstange 16 in Richtung
auf die Spule 17 bewegt. Dabei wird das Medium Oel 18 durch die inneren Öffnungen
6 gedrückt und
druckbeaufschlagt so eine der Kondensatorplatten
13 in der Manschette 3. Die Kondensatorplatten 13 werden dadurch in Richtung auf
die große Kolbenfläche 10 bewegt. Bei diesem Vorgang wire der ÅD3tand der Kondensatorplatten
13 zueinander gegen die Kraft von Federelementen 12 variiert, was zu einer Kapazitätsänderung
führt. Es können dabei mehrere Kondensatorplatten 13 hintereinander angeordnet und
von Federelementen 12 getrennt werden.
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Auch kann die groBe Kolberifläche 10 selber als Kondensatorplatte
genutzt werden.
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Als Federelemente 12 werden federnde nicht leitende Stoffe verwandt.
Auch kompressible Gase oder Flüßigkeiten können verwendet werden, welche sowohl
als Federelement als auch als Dielektrium wirken.
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Die Kapazität der als Quetschkondensator arbeitenden Kondensatorplatten
13 läßt sich so in weiten Grenzen variieren, zumal die Federkonstanten der Federelemente
12 unterschiedlich wählbar sind und so der Plattenabstand beeinflußbar ist.
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Gleichzeitig mit dieser Kapazitätsänderung bewirkt das Eindringen
des Stiftes 14 der Verstellstange 16 in die Spule 17 eine induktive Xnderung.
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Somit kann mit Hilfe des durchstimmbaren Schwingkreises sowoh die
Kapazität C als auch gleichzeitig die Induktivität L beeinflußt werden.
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Durch diese Xnderung von C und L läßt die Eigenfrequenz f des Schwingkreises
nach der Formel
beeinflussen.
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Aufgrund der mechanischen stabilen Anordnung bleibt die gewählte
Frequenz fest eingestellt.
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Die gesamte Anordnung kann in einem Dewargefäß untergebracht werden,
wodurch sich ein mechanisch stabiler, verlustarmer in weitesten Grenzen variierbarer
Schwingkreis für große Leistungen aufbauen läßt.
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Figur 4 Die Figur 4 zeigt einen dynamischen Geber, welcher durch
die Merkmale des Erfindungsgegenstandes realisiert werden kann.
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Die Verstellstange 16 ist mit einer seismischen Masse 21 ausgerüstet.
Auftretende Beschleunigungskräfte setzen die seismische Masse 21 in axiale Bewegung.
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Diese Bewegung wird durch das Medium Oel 18 über die Öffnungen 6
auf eine ringförmige Platte 23 übertragen, welche durch ein Federelement 12 gestützt
ist. Gleichzeitig wird der untere Teil der Verstellstange in die Spule 17 eingeführt,
wobei eine Spannung erzeugt wird, welche abgreifbar ist.
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Bezugszeichenliste 1 Innenrohr 2 Außenrohr 3 druckfeste Manschette
(zylindrisch) 4 kurze Rückwand 5 Stirnwand 6 innere Öffnungen 7 festes Lager
8
äußere Öffnungen 9 kleine Kolbenfläche 10 große-Kolbenfläcne 11 kleine ZylinderrauminrlenCldchre
12 Federelement 13 Kondensatorplatte 14 Stift 15 Stellmutter 16 Verstellstange 17
Spule 18 Medium Oel 19 Eisenkern 20 Verstellrad 21 Seismische Masse 22 Deckel 23
ringförmige Platte F F Federkraft Fk Kraft, die auf die kleine Kolbenfläche wirkt
FR Rückstoßkraft F Kraft, die dem Rückstoß entgegenwirkt z P Gasdruck S Bremsweg
der rücklaufenden Teile