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Die
Erfindung betrifft einen elektrischen Stromwandler und ein Verfahren
zum Überprüfen eines
elektrischen Stromwandlers.
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Derartige
Stromwandler werden in der Regel benutzt, um elektrische Ströme in einem
elektrischen Leiter bzw. Primärleiter
zu messen. Im Gegensatz zu einem herkömmlichem Amperemeter, welches
in Reihe mit dem Leiter zu schalten ist, d.h. der entsprechende
Leiter ist an der Messstelle aufzutrennen, ist dies bei Stromwandlern
nicht erforderlich. Diese erfassen eine mit dem zu messenden Strom
zusammenhängende
Größe, z.B.
das von diesem erzeugte magnetische Feld, um hieraus auf den im
Leiter fließenden
Strom zurückzuschließen.
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Stromwandler
werden z.B. zur Messung sehr hoher Ströme in Schaltanlagen, bei elektrischen
Antrieben oder anderen elektrischen Einrichtungen eingesetzt. Häufig finden
hierzu sogenannte Durchsteck-Stromwandler Verwendung, die einen
bis auf eine z.B. spaltähnliche Öffnung oder
gänzlich
geschlossenen bzw. nicht teilbaren bzw. nicht zu öffnenden
Ferritring oder ähnliche
Ferromagnetica enthalten. Der elektrische Leiter, welcher den zu
messenden Strom führt,
wird durch diesen Stromwandler hindurchgesteckt. Derartige Durchsteck-Stromwandler sind
in der Regel mit dem Leiter fest verdrahtet, z.B. in einem Einschub
oder Schaltschrank eines elektrischen Antriebs.
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Stromwandler
müssen
immer wieder überprüft bzw.
kalibriert werden. Hierzu ist es notwendig, dem Stromwandler anstelle
des im Betrieb zu messenden Primärstroms
im Leiter einen bekannten Referenzstrom zuzuführen und dabei das Ausgangssignal
des Stromwandlers, z.B. dessen angezeigte Stromstärke, zu überprüfen. So
kann gewährleistet werden,
dass der Stromwandler im Betrieb korrekte Werte des zu messenden
Stromes anzeigt.
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Insbesondere
bei den erwähnten
Durchsteck-Stromwandlern ist hierbei eine Bestromung des Primärleiters
mit einem Referenzstrom oft nur mit großem Aufwand realisierbar. In
der Regel muss der Primärleiter
hierbei von seinen fest verdrahteten Anschlüssen gelöst werden, um den Referenzstrom
in den Primärleiter
einspeisen zu können.
Hierzu ist es in der Regel auch notwendig, die gesamte Anlage oder
zumindest, den entsprechenden vom Primärleiter versorgten Verbraucher
abzuschalten, damit der Primärleiter
stromfrei ist. Die Überprüfung eines
derartigen Stromwandlers ist daher kosten- und zeitintensiv
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Überprüfen eines elektrischen
Stromwandlers und einen entsprechend verbesserten Stromwandler anzugeben.
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Hinsichtlich
des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch
1. Der elektrische Stromwandler ist also dahingehend zu überprüfen, wie
und ob die Messgröße am Messausgang
des Stromwandlers bei dessen Betrieb mit dem im Primärleiter
fließenden
Primärstrom
korreliert ist. Erfindungsgemäß wird dem
Stromwandler hierzu im eingebauten Zustand, also ohne Lösen des
Primärleiters
oder ähnliches,
neben dem Primärstrom im
Primärleiter
der Referenzstrom im Referenzleiter zugeführt. Die Zuführung erfolgt
derart, dass entspre chend zum Primärstrom auch der Referenzstrom
am Messausgang die entsprechend auch mit diesem korrelierte Referenzmessgröße verursacht.
Diese Referenzmessgröße wird
erfindungsgemäß erfasst und
der Stromwandler anhand der Referenzgröße überprüft.
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Im
Gegensatz zum Stand der Technik wird also der Referenzstrom nicht
durch den Primärleiter, sondern
durch den Referenzleiter zugeführt.
Hierdurch muss der Primärleiter
nicht verändert,
stromfrei geschaltet, ausgebaut oder modifiziert werden. Die gesamte Überprüfung des
Stromwandlers kann also in dessen eingebautem Zustand erfolgen.
Der Primärstrom
muss auch nicht abgeschaltet werden, da der zusätzliche Referenzstrom neben
der mit dem Primärstrom
korrelierten Messgröße die zusätzliche Referenzmessgröße erzeugt
und sich diese z.B. additiv überlagern.
Durch geeignete bekannte Maßnahmen
kann erreicht werden, dass die additive Referenzmessgröße von der
mit dem Primärstrom
korrelierten Messgröße eindeutig
unterscheidbar ist.
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Der
Stromwandler kann im Rahmen der Überprüfung auch
kalibriert werden. Hierzu ist in der Regel zwar eine Abschaltung
des Primärstroms
notwendig, jedoch bleibt der weitere Vorteil erhalten, dass nämlich der
Primärleiter
weder ausgebaut noch modifiziert noch vom Referenzstrom durchflossen werden
muss.
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Der
Stromwandler kann eine vom Primärleiter
im eingebauten Zustand durchsetzte Messöffnung aufweisen. Dies ist
insbesondere bei den oben erwähnten
Durchsteck-Stromwandlern der Fall, bei welchen der Primärleiter
durch eine zentrale Öffnung im
Ferritring des Stromwandlers geführt
ist. Vor dem erfindungsgemäßen Schritt
a) kann dann zusätzlich der
Referenzleiter in die Messöffnung
eingebracht werden. Somit ist sichergestellt, dass der Referenzstrom
nahezu am gleichen Ort wie der Primär strom fließt und somit eine zuverlässige und
aussagekräftige Überprüfung bzw.
Kalibrierung des Stromwandlers erfolgen kann. Bei allen nachdem
Induktionsgesetz arbeitenden Stromwandlern ist ja bekannterweise
lediglich ausschlaggebend, dass eine bestimmte Kontrollfläche, hier
z.B. die Messöffnung,
vom zu wandelnden Strom durchsetzt ist, egal an welcher Stelle.
Der Referenzleiter muss somit nicht dauerhaft oder bereits bei der
Installation des Stromwandlers vorgesehen sein, sondern kann lediglich
zum Durchführen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
in den Stromwandler eingebracht werden.
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Weist
der Stromwandler eine Messöffnung wie
eben beschrieben auf, so kann nach Ausführung des erfindungsgemäßen Schrittes
b) der Referenzleiter aus der Messöffnung des Stromwandlers entnommen
werden. Der Referenzleiter stört
somit nach der Überprüfung des
Stromwandlers dessen normalen Betrieb nicht.
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Als
Referenzleiter kann eine Parallelschaltung mehrerer Teilleiter benutzt
werden. Stromwandler sind oft derart dimensioniert, dass sie lediglich
den Primärleiter
aufnehmen können
und für
die Anbringung zusätzlicher
Leiter in dessen Bereich kaum Platz besteht. Ein Referenzleiter
mit nennenswertem Querschnitt ist z.B. dann nicht mehr derart am
Stromwandler platzierbar, dass der Referenzstrom ebenfalls auf die
Referenzmessgröße bzw.
den Stromwandler einwirkt. Durch die Verwendung einer Mehrzahl von
Teilleitern, welche somit entsprechend kleineren Querschnitt besitzen
dürfen,
können
eventuell Platzprobleme beim Anbringen des Referenzleiters vermieden
werden.
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Weist
der Stromwandler ein Gehäuse
mit einer Gehäuseöffnung zur
Aufnahme des Primärleiters auf,
so kann der Referenzleiter auch durch die Gehäuseöffnung geführt werden.
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Im
Gegensatz zur Messöffnung,
welche z.B. bei einem Durchsteck-Stromwandler dem Innendurchmesser
des entsprechenden Ferritringes entspricht, kann die Gehäuseöffnung entsprechend
kleiner ausgeführt
sein, da z.B. der Ferritring im Gehäuse entsprechend eingeschäumt ist.
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Besteht
bei eingesetztem Primärleiter
in der Gehäuseöffnung noch
genügend
Platz, so ist die eben erwähnte
Alternative, den Referenzleiter auch durch die Gehäuseöffnung zu
führen,
die einfachste Variante zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Alternativ
kann jedoch zur Aufnahme des Referenzleiters auch eine separate
Prüföffnung im Gehäuse vorgesehen
sein, in welche dann der Referenzleiter eingebracht wird. Das Einbringen
des Referenzleiters ist durch die Vorsehung einer speziellen Prüföffnung im
Gehäuse
entsprechend optimiert und in der praktischen Anwendung günstiger.
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Wie
bereits oben erwähnt,
kann vor Ausführung
des erfindungemäßen Schrittes
a) der Primärstrom
abgeschaltet werden. Neben den bereits erwähnten Vorteilen ist hierbei
z.B. auch ein generell risikoloseres Arbeiten an den betroffenen
Anlagenteilen (Personenschutz) am elektrischen Stromwandler bei
dessen Überprüfung möglich.
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Hinsichtlich
des Stromwandlers wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung gelöst durch
einen elektrischen Stromwandler gemäß Patentanspruch 9. Erfindungemäß weist
dieser eine Aufnahme oder Aussparung für einen Referenzleiter zur
Führung
des Referenzstromes auf. Im einfachsten Fall kann eine entspre chende
Aussparung oder Aufnahme einfach dadurch gebildet sein, dass z.B.
im Bereich des Primärleiters
am Stromwandler genügend
Platz gelassen ist, um einen Referenzleiter anzubringen. Z.B. kann
eine entsprechende Gehäuse-
oder Messöffnung
im Stromwandler groß genug
ausgeführt
werden, um Primärleiter
und Referenzleiter aufnehmen zu können.
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Der
Referenzleiter kann hierbei fest in die Aufnahme oder Aussparung
eingebracht sein. Zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist somit nicht erst eine spezielle Anbringung eines Referenzleiters
notwendig. Am Stromwandler können z.B.
direkt Speiseklemmen zum Anschluss des Referenzleiters bzw. dessen
Bestromung vorgesehen sein. Die Überprüfung bzw.
Kalibrierung des Stromwandlers wird dabei besonders einfach durch
z.B. Anschluss einer Referenzstromquelle an den Speiseklemmen.
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Wie
bereits erwähnt,
kann der Stromwandler neben der Gehäuseöffnung zur Aufnahme des Primärleiters
eine zusätzliche
Prüföffnung zur
Aufnahme des Referenzprimärleiters
aufweisen.
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Der
Referenzprimärleiter
kann auch fest in einem Gehäuse
des Stromwandlers angeordnet sein. Die erfindungsgemäße Aufnahme
oder Aussparung für
den Referenzleiter entartet somit z.B. zu einem Ort, an welchem
der Referenzleiter fest im Gehäuse
angeordnet, z.B. dort eingegossen ist.
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Wie
erwähnt,
kann der Referenzleiter eine Parallelschaltung mehrerer Teilleiter
sein.
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Der
Referenzleiter kann auch eine den Primärleiter in dessen eingebautem
Zustand zumindest teilweise umfassende Hülse sein.
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Die
Hülse kann
hierbei z.B. zusätzlich
zum Primärleiter
durch die Gehäuse-
oder Messöffnung geführt sein.
Sie kann aber auch im Gehäuse
fest oder lösbar
eingebracht sein. Eine Hülse
kann generell bei entsprechend geringer Wandstärke auch hohe Referenzströme führen und
ist damit besonders platzsparend ausführbar, falls der Primärleiter
kaum Platz zur Anbringung des Referenzleiters lässt.
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Der
Referenzleiter kann zumindest im elektromagnetisch bzw. magnetisch
aktiven, also Wandlerbereich des Stromwandlers, aus elektromagnetisch
bzw. magnetisch passivem Material bestehen. Im Normalbetrieb, d.h.
während
keine Überprüfung durch
einen Referenzstrom im Referenzleiter erfolgt, stört dieser
daher den Stromwandler in elektromagnetischer bzw. magnetischer
Hinsicht nicht, so dass dieser in gewohnter Weise funktioniert.
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Der
Referenzprimärleiter
kann dort daher insbesondere aus Kupfer bestehen.
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Für eine weitere
Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen.
Es zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
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1 einen
in einem Schaltschrank eingebauten Stromwandler mit einem Referenzstromkreis zu
dessen Überprüfung im
Querschnitt,
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2 ein
elektrisches Schaltbild zu 1
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3 den
Stromwandler aus 1 in einer alternativen Ausführungsform
in perspektivischer Darstellung.
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1 zeigt
einen Stromwandler 2 zur messtechnischen Erfassung eines
Primärstromes
Ip in einer Anschlussleitung 4,
die zu einem elektrischen Verbraucher, im vorliegenden Beispiel
einem Elektromotor 6 führt.
An dem, dem Elektromotor 6 gegenüberliegenden Ende ist die Anschlussleitung 4 mit
einer den Primärstrom
Ip liefernden elektrischen Versorgung 8 verbunden.
Sowohl der Stromwandler 2 als auch die Anschlussleitung 4 sind über Halterungen 10 fest
oder temporär
in einem Schaltschrank 12 installiert. Die Halterungen 10 für die Anschlussleitung 4 sind
so zu verstehen, dass sie deren Fixierung andeuten. Die elektrischen
Leitungen können
z.B. auf Kabeltrassen oder ähnliches
verlegt sein. Eine spezifisch für
die Kabelführung
verwendete Halterung gibt es in der Praxis nur in Ausnahmefällen.
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2 zeigt
das Prinzipschaltbild des Stromwandlers 2, der Anschlussleitung 4 und
der Referenzleitung 24.
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Der
Stromwandler 2 umfasst ein in sich geschlossenes, massives
oder segmentiertes, die Anschlussleitung 4 umfassendes
Ferromagneticum, im Beispiel einen Ferritring 14, der wiederum
von einer Wicklung 16 umgeben ist. Die beiden Enden der Wicklung 16 sind
aus dem Stromwandler 2 zu Anschlüssen 18a, b herausgeführt. Der
Ferritring 14 mit seiner Wicklung 16 ist fest
in einem Gehäuse 20 des Stromwandlers 2 mechanisch
fixiert (siehe hierzu auch 3). Das
Gehäuse 20 weist
eine durchgehende Gehäuseöffnung 22 auf,
innerhalb welcher die Anschlussleitung 4 das Gehäuse 20 und
damit den Ferritring 14 bzw. die Wicklung 16 und
den gesamten Stromwandler 2 durchsetzt.
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Im
Betrieb erzeugt der Primärstrom
Ip über sein
nicht dargestelltes magnetisches Feld, den Ferritring 14 und
die Wick lung 16 eine Messspannung Um zwischen
den Anschlüssen 18a,
b, welche mit dem Primärstrom
Ip korreliert ist. Aus dem über ein Messgerät 15 fließenden Messstrom
Im kann also bei Kenntnis der Korrelation
auf die absolute Größe des Primärstroms
Ip geschlossen werden. Diese Korrelation
muss bei einem Stromwandler 2 turnusmäßig geprüft bzw. kalibriert werden.
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Hierzu
wird eine Referenzleitung 24 zur Führung eines Referenzstromes
Ir durch den Ferritring 14 und
damit eine von diesem umschlossene Kontrollfläche 26 geführt. Der
Referenzstrom Ir wird hierbei von einer
Quelle 28 in Form einer elektrischen Referenzquelle erzeugt.
An welcher Stelle die Referenzleitung 24 hierbei die Kontrollfläche 26 durchstößt, ist unwesentlich,
da sämtliche
die Kontrollfläche 26 durchtretenden
Ströme
gleichermaßen
in den elektrischen Sekundärstrom
Im umgesetzt werden, unabhängig vom
Durchtrittsort.
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Der
Referenzstrom Ir verursacht hierbei einen
Referenzstrom Im,ref, der sich dem Strom
Im überlagert.
Da nun zu jeder bekannten Größe des Referenzstroms
Ir der entsprechende Referenzstrom Im,ref gemessen werden kann, kann hierdurch
eine Kalibrierung bzw. Überprüfung des
Stromwandlers 2 erfolgen, um für den Betriebsfall bei bekanntem
Messstrom Im auf dem unbekannten Primärstrom Ip rückschließen zu können. Besonders
einfach ist dies, falls der Primärstrom
Ip = Ø ist,
damit ist dann auch Im = Ø.
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Für die Durchführung der
Referenzleitung 24 durch die Kontrollfläche 26 sind in 1 mehrere Ausführungsbeispiele
alternativ dargestellt. Die Referenzleitung 24a ist hierbei
beispielsweise fest im Gehäuse
eingearbeitet, z.B. mit diesem vergossen. Alternativ kann sie jedoch
auch durch eine entspre chende, gestrichelt dargestellte Bohrung 30 neben der
Gehäuseöffnung 22 bzw.
parallel zu dieser, geführt
sein. So ist sie bei Bedarf dem Stromwandler 2 entnehmbar.
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In
Form der Referenzleitung 24b kann diese auch zusätzlich zur
Anschlussleitung 4 durch die Gehäuseöffnung 22 geführt sein.
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Als
Referenzleitung 24c kann sie auch alternativ im Bereich
des Stromwandlers 2 als zylindrische, die Anschlussleitung 4 umfassende
Hülse 32 ausgebildet
sein.
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In 1 ist
die Hülse 32 mit
ihrem Außendurchmesser
passend in die Öffnung 22 eingeführt. So
bleibt genügend
Platz für
die Anschlussleitung 4.
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Mit
Ausnahme der oben erwähnten
zwangsweise dauerhaft fest vergossenen Alternative kann die Referenzleitung 24 wahlweise
dauerhaft oder lösbar
am Stromwandler 2 angebracht sein. Insbesondere die Alternativen
der Referenzleitung 24b, c können auch bei Stromwandlern
gemäß Stand
der Technik, welche eine ausreichend große Gehäuseöffnung 22 aufweisen,
eingesetzt werden. Allen Lösungen
ist jedoch gemein, dass weder die Anschlussleitung 4 noch
der Stromwandler 2 von seiner mechanischen und elektrischen
Anordnung entfernt oder verändert, also
im Beispiel z.B. den Halterungen 10 gelöst werden müssen, um die Überprüfung bzw.
Kalibrierung durchzuführen.
Je nach Überprüfungs- bzw.
Messaufgabe des Stromwandlers 2 muss hierbei nicht einmal
der Primärstrom
Ip abgeschaltet werden, so dass z.B. der
Elektromotor 6 auch während
der Überprüfung bzw.
Kalibrierung im Betrieb bleiben kann. In diesem Falle wird lediglich
die Überlagerung
von primärseitigem
Strom Ip und dem Referenzstrom Ir zur Überprüfung bzw.
Kalibrierung verwendet.
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In 1 ist
es auch möglich,
die Referenzleitung 24 zumindest im Bereich der Öffnung 22 als
Parallelschaltung mehrerer Einzelleiter (nicht dargestellt) auszuführen, die
dann parallel zur Anschlussleitung 4 diese ringförmig einschließen. Bei
genügend
vielen Einzelleitern entspricht dies in etwa der Stromverteilung
bei Einsatz der Hülse 32.
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3 zeigt
eine räumliche
Darstellung des Stromwandlers 2 in einer Ausführungsform,
bei der die Hülse 32 einen
größeren Innendurchmesser
als die Gehäuseöffnung 22 aufweist
und im Gehäuse 20 fest
mechanisch verbunden, z.B. vergossen ist. In 3 ist die
Anschlussleitung 4 von derart großem Durchmesser, dass sie die
Gehäuseöffnung 22 vollständig ausfüllt. Für die in 1 dargestellten
Alternativen der Referenzleitungen 24b, c, die zusätzlich durch
die Gehäuseöffnung 22 geführt sind,
ist in 3 nicht mehr ausreichend Platz, um Referenzleitungen
entsprechend ausreichenden Durchmessers zur Führung ausreichend großer Referenzströme Ir aufzunehmen.
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Im
Falle der fest mechanisch fixierten Hülse 32 in 3 ist
deren Anschlussleitung in Form der Referenzleitung 24 auf
Anschlüsse 34a,
b geführt,
an welchen wiederum eine beliebige Quelle 28 zur Einspeisung
des Referenzstromes Ir anschließbar ist.
Alternativ ist in 3 nochmals die Ausführungsvariante
der Referenzleitung 24a aus 1 dargestellt, welche
in der separaten Bohrung 30 entnehmbar einliegt.