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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Stosswellen,
insbesondere für die medizinische Anwendung, über
eine Funkenentladung zwischen zwei Elektroden in einem flüssigen
Medium mit Mitteln zum Verfahren mindestens einer Elektrode entlang
einer Bewegungsrichtung, eine Elektrodeneinheit zur Erzeugung von
Stosswellen mit zwei in einem flüssigen Medium angeordneten
Elektroden, an welche eine Hochspannung zur Erzeugung eines elektrischen
Durchbruchs, also einer elektrischen Entladung über die
Elektrodenspitzen, anlegbar ist, ein Verfahren zur Abstandskalibrierung
an einem Elektrodenpaar zur Erzeugung von Stosswellen mittels einer
Unterwasserfunkenentladung und ein Verfahren zur Erzeugung von Stosswellen
mittels einer Unterwasserfunkenentladung zwischen zwei Elektroden.
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Aus
dem Stand der Technik sind Geräte bekannt, bei denen zur
Erzeugung von Stosswellen eine elektrische Unterwasserfunkenentladung
eingesetzt wird, zum Beispiel zur berührungsfreien Zerstörung
von Konkrementen in Körpern von Lebewesen. Die Entladung
erfolgt über eine Funkenstrecke zwischen zwei Elektroden,
die sich im Fokus eines Reflektors befinden. Um den Abbrand der
Elektroden bei jeder Entladung zu kompensieren, sind Einrichtungen
zur Erzeugung von Stosswellen mittels einer Funkenstrecke bekannt,
bei denen sich die Elektroden nachführen lassen. Beispielsweise
ist in
DE 33 16 837
C2 eine Einrichtung gezeigt, bei der sich die Elektroden
durch Verdrehen einer Hülse gegeneinander verschieben lassen.
Aus
US 4,868,791 und
US 5,208,788 sind Verfahren
bekannt, mit denen sich Elektrodenspitzen in einen vorgewählten
Abstand bringen lassen. Dazu werden die Elektrodenspitzen jeweils
zunächst an einen Kontaktfühler geführt,
der zur Justierung an den Brennpunkt des Reflektors gebracht wird,
und von diesem um eine vorbestimmte Länge entfernt.
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In
EP 0 911 804 ist ausserdem
ein Verfahren gezeigt, mit welchem sich der Elektrodenabstand während
des Betriebs in Abhängigkeit von der Entladungscharakteristik
regeln lässt.
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Bei
Vorrichtungen mit Elektroden ohne Abstandsnachführung ist
die Standzeit erreicht, wenn der Elektrodenabstand zu gross wird
und es bei einer angelegten Spannungen nicht mehr zu einer Entladung
kommt. Hingegen bestimmt sich die Standzeit bei Vorrichtungen, die
eine Elektrodennachführung vorsehen, durch die mechanisch
mögliche maximale Vorschublänge und/oder die Menge
des Elektrodenmaterials, das nachführbar ist.
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In
jedem Fall wird das Ende der Standzeit dem Benutzer dadurch deutlich,
dass der bestimmungsgemässe Gebrauch nicht mehr möglich
ist, wenn es beispielsweise vermehrt zu Fehlzündungen aufgrund
eines zu grossen Elektrodenabstandes kommt.
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Da
es, insbesondere bei der medizinischen Verwendung von Stosswellen,
nicht erwünscht ist, in den Bereich mit verminderter Stosswellenqualität oder
Konstanz zu kommen, muss der Betrieb der Elektroden ständig
kontrolliert werden. Die Stosswellequalität kann zum Beispiel über
die das Druckprofil, insbesondere die Steilheit des Druckanstiegs
oder die Verteilung von Druck- und Zuganteil charakterisiert werden.
Die Konstanz der Stosswellen bezieht sich auf eine Reproduzierbarkeit
des Druckprofils von Schuss zu Schuss und die Streuung der Druckprofilparamter.
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Die
Qualität und die Konstanz können sicher gestellt
werden, indem Elektrodenpaare nur für eine bestimmte Anzahl
von Entladungen, auch Schusszahl genannt, benutzt werden. Die Elektrodenpaare werden
dann in der Regel nur unvollständig verbraucht.
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Ein
Problem kann auch entstehen, wenn der Betrieb, beispielsweise durch
das Ende einer medizinischen Behandlung eines Patienten, unterbrochen wird
und später mit dem bereits angebrauchten Elektrodenpaar
wieder aufgenommen wird. Die Schusszahl kann zwar pro Elektrodenpaar
gespeichert werden, aber eine objektive Ermittlung des Verbrauchzustandes
im eingebauten Zustand ist mit den aus dem Stand der Technik bekannten
Vorrichtungen nicht möglich.
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Die
Speicherung der Schusszahl liefert keine Möglichkeit, während
des Stosswellenbetriebes und solange das Elektrodenpaar überhaupt
zündet, festzustellen, ob die Elektrodenspitze beschädigt,
zum Beispiel abgebrochen, ist.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Bekannten zu überwinden
und Vorrichtungen sowie Verfahren vorzustellen, mit denen geeignete
Elektrodenabstände in einem vordefinierten Rahmen festlegbar
sind.
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Die
Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung und ein Verfahren
mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.
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Die
Aufgabe wird zunächst gelöst durch eine Vorrichtung
mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Vorrichtung weist dabei Mittel
zum Begrenzen des Verfahrweges mindestens einer Elektrode zwischen einem
ersten Grenzzustand, der einem kleinsten möglichen einstellbaren
Abstand zwischen den Elektroden entspricht, und einem zweiten Grenzzustand, der
einem grössten möglichen einstellbaren Abstand zwischen
den Elektroden entspricht, auf. Die mindestens eine Elektrode kann
also nur auf einer Strecke zwischen den Grenzzuständen
bewegt werden, somit definieren die Grenzzustände den Rahmen
für den Verfahrweg und die möglichen einstellbaren Elektrodenabstände.
Bevorzugt hat der Abstand bei der Bewegung der mindestens einen
Elektrode einen monotonen Verlauf.
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Durch
die Begrenzung des Verfahrweges kann im Betrieb vermieden werden,
dass eine Elektrode aus dem Reflektor herausgezogen wird, dass die
Elektroden komplett getrennt werden, dass die Elektroden kollidieren
oder aneinander vorbei geschoben werden.
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Die
Elektroden haben in der Regel eine stift- oder drahtartige Form
und sind axial angeordnet, sodass sich zwei Elektrodenspitzen gegenüberliegen. Als
Abstand der Elektroden wird dann der Abstand der Elektrodenspitzen
verstanden.
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Kann
beliebig Elektrodenmaterial herangeführt werden, so lassen
sich über eine grosse Betriebsdauer hinweg die anfangs
möglichen Elektrodenabstände herstellen. In der
Regel ist jedoch die Elektrodenlänge begrenzt. Durch den
Abbrand verkleinert sie sich weiter, was dazu führt, dass
sich im Laufe der Betriebsdauer die möglichen einstellbaren Abstände
und damit die möglichen Grenzzustände verändern.
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Je
nach der Anordnung und der Verfahrmechanik der Elektroden im Reflektor
kann es sein, dass durch den Abbrand die möglichen kleinsten
Abstände oder die möglichen grössten
Abstände immer grösser werden. In beiden Fällen
ist die Länge des möglichen Verfahrweges ein Mass
für den Verbrauch oder das „Alter" der Elektrode.
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Ein
Grenzzustand kann dadurch definiert sein, dass ein Referenzpunkt
auf der Elektrode oder auf dem Elektrodenhalter eine bestimmte Position bezüglich
der anderen Elektrode oder des Reflektors erreicht. Ein Grenzzustand
kann beispielsweise bestimmt sein, indem ein Referenzpunkt eine
Lichtschranke passiert, eine elektrische Verbindung schafft, unterbricht
oder messbar verändert.
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Bevorzugt
ist ein Referenzpunkt variabel und verändert seine Position
mit abnehmender Länge der Elektrode. Er kann zum Beispiel
durch die äusserste Spitze der Elektrode definiert sein.
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In
einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind der erste
Grenzzustand und/oder der zweite Grenzzustand durch einen mechanischen
Anschlag bestimmt.
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Das
Erreichen des mechanischen Anschlags kann auf verschiedene Weisen
detektiert werden, beispielsweise über ein elektrisches
Signal.
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Der
Anschlag kann auch mechanisch eine weitere Verfahrung blockieren.
Ein mechanischer Anschlag kennzeichnet nicht nur den Grenzzustand,
er kann auch verhindern, dass die Verfahrung über den Grenzzustand
hinweg fortgesetzt wird.
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Besonders
vorteilhaft ist eine Verfahranordnung, in welcher der erste Grenzzustand
durch eine Berührung der Elektrodenspitzen, insbesondere über die
gesamte Lebensdauer der Elektrode, gegeben ist.
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Der
Abstand, der im ersten Grenzzustand eingenommen wird, kann dann
als Referenzabstand und als Nullpunkt einer Abstandsauswertung verwendet
werden.
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Grundsätzlich
ist eine Elektrodenanordnung vorteilhaft, in der sich die Elektroden über
die gesamte Betriebsdauer beliebig aneinander annähern
lassen, da nur bei kleinen Abständen mit kleineren Spannungen
gearbeitet werden kann, während grössere Entladespannungen
auch mit grösseren Elektrodenabständen erzeugt
wer den können. Die Intensität der Stosswelle,
die unmittelbar mit der Entladespannung zusammenhängt,
ist somit über die gesamte Betriebsdauer gut dosierbar,
wenn stets auch kleine Abstände einstellbar sind.
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In
einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst die
Vorrichtung Mittel zur Längenerfassung des Verfahrwegs.
Die Länge kann zum Beispiel aus der Zeit, die für
die Verfahrung bei konstanter Geschwindigkeit zwischen den Grenzzuständen
gebraucht wird, ermittelt werden, aus einer Zahl von Umdrehungen
eines Antriebes, aus der Zahl von Impulsen eines Inkrementalgebers
oder mittels einer Längenmessung zwischen den Positionen
an den Grenzzustände eines Referenzpunktes.
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Die
aktuelle Länge des Verfahrweges kann vom Benutzer in Bezug
zu der Elektrodenlänge und zu dem noch verfügbaren
Elektrodenmaterial gesetzt werden. Die Längenänderung
des Verfahrweges über die Betriebsdauer ist ein Mass für
die Abnutzung der Elektroden. Aus der Länge des Verfahrweges
ergeben sich ausserdem die möglichen einstellbaren Abstände
der Elektroden. Aus diesen kann der Benutzer Rückschlüsse
auf die Spannungen ziehen, die er anlegen muss, um einen Durchschlag
zu erzielen.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung besteht darin, dass
die Vorrichtung Mittel zum Ermitteln des Elektrodenabstandes umfasst. Dies
ist insbesondere vorteilhaft, wenn ein Elektrodenpaar wieder in
Betrieb genommen wird, nachdem es bereits in Gebrauch war, da sich
der Elektrodenabstand durch den Gebrauch verändert. Es
kann zum Beispiel festgestellt werden, ob der Abbrand in erwartetem
Umfang stattgefunden hat.
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Die
Ursache für eine Abweichung vom erwarteten Verhalten kann
beispielsweise in einer Beschädigung einer Elektrode liegen,
die mit einer Abstandsmessung festgestellt werden kann.
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Wird
der erste Grenzzustand durch den Kontakt der Elektrodenspitzen bestimmt,
so kann der Elektrodenabstand in einer Ist-Position ermittelt werden,
indem ein Teil des gesamten möglichen Verfahrweges, nämlich
die Verfahrlänge von der Ist-Position bis zum ersten Grenzzustand
erfasst wird.
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In
einer vorteilhaften Ausführung umfasst die Vorrichtung
Mittel zum Ermitteln der verbleibenden Elektrodenlänge.
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Aus
der Montage der Elektroden ergibt sich, welche Verfahrwege maximal
bei unbenutzten Elektroden möglich sind. Die Differenz
zwischen einer zu einem bestimmten Zeitpunkt ermittelten maximalen Länge
des Verfahrweges und der maximalen Länge des Verfahrweges
bei unbenutzten Elektroden kann zur Bestimmung des Abbrandes oder
der verbleibenden Elektrodenlänge herangezogen werden.
Aus diesen Grössen kann wiederum auf die Anzahl von Entladungen
geschlossen werden, die noch mit dem Elektrodenpaar erzeugt werden
kann. Diese Grösse wird auch Restschusszahl genannt.
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Der
Abbrand der Elektroden und damit die mögliche Schusszahl
hängt von dem Elektrodenmaterial ab, insbesondere von der
Zusammensetzung der Legierung, der Härte, der Leitfähigkeit
der Elastizität etc.. Der Abbrand hängt auch von
der Flüssigkeit ab, in welcher die Elektroden sich befinden.
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Die
Elektrodenlänge oder die Restschusszahl werden bevorzugt
mittels einer Auswertungseinheit automatisiert bestimmt.
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Die
verbleibende Elektrodenlänge in Abhängigkeit von
der abgegeben Schusszahl lässt sich nutzen, um festzustellen,
ob der Abbrand den Erwartungen entspricht oder ob eine Beschädigung
der Elektroden vorliegt.
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Die
Erfindung ist vorteilhaft weitergebildet, wenn die Vorrichtung Mittel
zur Einstellung eines vorbestimmten Elektrodenabstandes umfasst.
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Der
Elektrodenabstand ist mit dem Abstand eines Referenzpunktes von
einem der Grenzzustände korreliert. Besonders einfach ist
die Abstandseinstellung, wenn der erste Grenzzustand durch die Berührung
der Elektroden bestimmt ist. Die mindestens eine verfahrbare Elektrode
ist dann nur um die gewünschte Länge von dem ersten
Grenzzustand zu entfernen.
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Zuvor
kann durch eine Ermittlung des gesamten möglichen Verfahrweges
festgestellt werden, ob der gewünschte Elektrodenabstand überhaupt
bei gegebenem Abbrand realisierbar ist. Ist dies nicht der Fall,
so kann eine entsprechende Signalausgabe erfolgen.
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Mit
der Abstandseinstellung kann vom Benutzer gezielt ein optimaler
Abstandswert für die Erzeugung einer Druckwelle mit bestimmter
Energie oder für eine Entladung bei einer bestimmten Entladespannung
vorgewählt werden. Die Abstandseinstellung kann auch im
Zusammenhang mit einer automatisierten Elektrodennachregelung verwendet werden.
Die Abstandseinstellung kann dazu dienen, eine Grobeinstellung vorzunehmen
und/oder kann ein Teil des Regelungsmechanismus sein.
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Die
Auswahl von optimierten Elektrodenabständen erfolgt zum
Beispiel über eine Auswertung der Entladekurve oder des
Druckprofils. Es kann eine Tabelle erstellt werden, in welcher die
optimalen Abstände zu jeder Spannung hinterlegt sind. Bei
Beginn einer Entladeserie kann ein entsprechender Wert aus der Tabelle
entnommen werden. Während des Betriebs kann der Abstand
aufgrund einer Kontrolle der Entladekurve nachgeregelt werden. Über
die Mittel zur Längenerfassung des Verfahrweges kann auch während
der Nachregelung ständig überprüft werden,
ob durch das Nachre geln einer der Grenzzustände erreicht
wird und weiter Entladungen möglich sind.
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Eine
bevorzugte Ausführung der Erfindung ergibt sich, wenn ein
Antrieb, insbesondere ein Motor oder Schrittmotor, zur Verfahrung
der mindestens einen Elektrode vorgesehen ist. Ein Antrieb mit einer messbaren
Bewegung erlaubt eine reproduzierbare und genaue Einstellung der
Elektrodenposition.
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Als
Antrieb kann beispielsweise ein Schrittmotor, ein Linearmotor, ein
Servomotor, ein Piezomotor, eine Pneumatik, eine Hydraulik oder
ein sonstiger Antrieb oder Verstellmechanismus verwendet werden.
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Vorteilhafterweise
ist ein Inkrementalgeber, ein Resolver oder ein Absolutgeber zur
Ansteuerung des Antriebs vorgesehen.
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Die
Steuersignale, zum Beispiel die Anzahl der Inkremente bis zum Erreichen
eines mechanischen Anschlages, können als Mass für
die verfahrene Länge verwendet werden.
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Bevorzugt
ist der Antrieb über ein Getriebe an die mindestens eine
Elektrode koppelbar. Wird beispielsweise der Elektrodenvorschub über
eine Drehbewegung eines Gewindes gegenüber einem Gegengewinde
erreicht, so kann das Getriebe die Motordrehung an die Elektrodenumdrehung
anpassen.
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Die
von der Rotation des Motors angetriebene Innenleiterelektrode dreht
sich entsprechend der Gewindesteigungen, der Motordrehzahl und der
Getriebeauslegung.
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Alternativ
können Innenleiter und Aussenleiter über ein Gewinde
gekoppelt sein und sich gleichzeitig gegeneinander bewegen. Unterschiedliche
Abbrandeigenschaften der beiden Elektrodenspitzen können
durch unterschiedliche Gewindeübersetzungen ausgeglichen
werden.
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In
einer vorteilhaften Ausführung der Vorrichtung sind Mittel
zum Abgeben einer Meldung über den Verfahrweg, die möglichen
Elektrodenabstände und/oder die Funktionstüchtigkeit
des Elektrodenpaares vorgesehen.
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Dabei
kann es sich lediglich um ein optisches oder akustisches Warnsignal
handeln, das abgegeben wird, wenn ein vor eingestellter Grenzwert
erreicht oder überschritten ist. Beispielsweise kann ein gewählter
Elektrodenabstand nicht eingestellt werden, wenn der mögliche
Verfahrweg einen bestimmen Wert unter- oder überschreitet,
oder die ermittelte Elektrodenlänge einen Grenzwert unterschreitet. Es
kann sich auch um die Anzeige eines oder mehrerer gemessener oder
ermittelter Werte auf einem Display handeln, wie zum Beispiel die
verbleibende Elektrodenlänge, die Restlebensdauer der Elektrode, gemessen
in einer noch zu erwartenden Schusszahl. Alternativ oder zusätzlich
kann eine Empfehlung für einen bestimmten Spannungsbereich
der Entladespannung zwischen den Elektroden angezeigt werden.
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Die
Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Elektrodeneinheit,
insbesondere für die medizinische Anwendung, mit zwei,
insbesondere in einem flüssigen Medium, angeordneten Elektroden,
an welche eine Hochspannung zur Erzeugung eines elektrischen Durchbruchs
anlegbar ist. Mindestens eine Elektrode ist zwischen einem Grenzzustand,
der dem kleinsten möglichen Abstand zwischen den Elektroden
entspricht, und einem zweiten Grenzzustand, der dem grössten
möglichen Abstand zwischen den Elektroden entspricht, verfahrbar,
und die Vorrichtung weist Mittel zur Festlegung des ersten und zweiten
Grenzzustands auf.
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Das
Elektrodenpaar kann insbesondere in einer wie oben beschriebenen
Vorrichtung zur Erzeugung von Stosswellen eingesetzt werden.
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Die
Verfahrbarkeit zwischen zwei Grenzzuständen stellt sicher,
dass die Elektroden nicht beliebig voneinander entfernt werden,
also das Elektrodenpaar getrennt wird.
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Die
Vorrichtung weist ausser den beiden Elektroden Mittel zur Festlegung
der Grenzzustände auf. Die Elektroden können so
angeordnet werden, dass die Grenzzustände, zwischen denen
sich mindestens eine der Elektroden verfahren lässt, unabhängig
von dem Reflektor, an welchem das Elektrodenpaar montierbar ist,
festliegen. Das nachführbare Elektrodenpaar kann also in
verschiedenen Geräten, bzw. verschiedenen Reflektoren angebracht
werden, wobei die mögliche Verfahrlänge eine Eigenschaft des
Elektrodenpaares und dessen Verbrauch ist, und nicht von dem Gerät
oder Reflektor abhängt.
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Falls
nötig, können die Grenzzustände auch so
festgelegt werden, dass sie an eine bestimmte Geräte- oder
Reflektorgeometrie angepasst sind.
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Wie
weiter oben erläutert wurde, kann die Festlegung eines
Grenzzustands über die Detektierung eines ersten Referenzpunktes
in Bezug auf einen zweiten Referenzpunkt erfolgen.
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Vorteilhafterweise
sind der erste Grenzzustand und/oder der zweite Grenzzustand durch
einen mechanischen Anschlag gegeben. Ein mechanischer Anschlag dient
als Signal für den Grenzzustand und kann gleichzeitig die
Fortsetzung der Verfahrung blockieren.
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Alternativ
kann der Grenzzustand durch das Auslösen eines elektrischen
oder optischen Schalters definiert sein oder durch das Signal einer
Lichtschranke, eines Pneumatikzylinders, eines Drucksensors oder
eines Induktionsschalters.
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Der
Grenzzustand, der dem kleinsten möglichen Elektrodenabstand
entspricht, ist bevorzugt durch eine Berührung der Elektrodenspitzen
definiert. Die Begrenzung des Verfahrweges an diesem Grenzzustand
verhindert, dass die Elektroden beschädigt werden oder
dass die Elektroden aneinander vorbei geschoben werden. Gleichzeitig
entspricht die Berührung der Elektrodenspitzen dem kleinsten denkbaren
Abstand zwischen den Elektroden und kann somit als Nullpunkt einer
Abstandsbestimmung verwendet werden.
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Die
Spannungsversorgung der Elektroden erfolgt in der Regel über
ein Koaxialkabel, wobei eine der Elektroden mit dem Aussenleiter
und eine der Elektroden mit dem Innenleiter verbunden ist. In einer vorteilhaften
Ausführung der Erfindung ist die mit dem Innenleiter verbundene
Elektrode beweglich und nachführbar angeordnet.
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Die
Elektrode ist an einem Innenleiterbolzen befestigt.
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Der
zweite Grenzzustand ist vorzugsweise durch einen Anschlag des Innenleiterbolzens
auf einer Anschlagfläche bestimmt. Die Anschlagfläche hat
eine definierte Position bezüglich eines Referenzpunktes
auf der anderen Elektrode oder bezüglich des Aussenleiteranschlusses.
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Die
Elektrodeneinheit kann selbst mit Antriebsmittel zum Verfahren der
mindestens einen Elektrode ausgestattet sein. In einer vorteilhaften Ausbildung
umfasst die Elektrodeneinheit eine Kuppeleinrichtung zum Ankoppeln
an eine Vorrichtung mit Mitteln zum Verfahren mindestens einer Elektrode,
insbesondere an eine Vorrichtung, wie sie weiter oben beschrieben
wurde.
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Die
Mittel zum Festlegen der Grenzzustände können über
die Kuppeleinrichtung auf die Antriebsmittel wirken.
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Die
Aufgabe wird ausserdem gelöst durch ein Verfahren zur Abstandskalibrierung
an einem Elektrodenpaar zur Erzeugung von Stosswellen mittels einer
Unterwasserfunkenentladung, insbesondere in einer wie oben beschriebenen
Vorrichtung, mit den folgenden Verfahrenschritten. Zunächst
erfolgt eine Verfahrung mindestens einer Elektrode bis zu einem
minimalen Abstand zwischen den Elektroden. Daraufhin wird mindestens
eine Elektrode bis zu einem maximalen Abstand zwischen den Elektroden verfahren.
Dabei wird gleichzeitig die Länge des Verfahrweges erfasst.
Die Verfahrensschritte können auch in umgekehrter Reihenfolge
vorgenommen werden, also zunächst der grösste
Abstand und daraufhin der geringste Abstand eingenommen werden.
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Die
Länge des Verfahrwegs ist ein Mass für den aktuellen
Zustand des Elektrodenpaares. Der Verfahrweg vom kleinsten bis zum
grössten möglichen Abstand umfasst alle möglichen
aktuell einstellbaren Abstände.
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In
einem nachfolgenden Schritt kann ein bestimmter vorgewählter
Abstand eingestellt werden, wenn dieser in dem Intervall liegt.
Dabei ist es günstig, wenn der minimal mögliche
Abstand mit einer Berührung der Elektrodenspitzen zusammenfällt.
Die Verfahrlänge kann dann dem gewählten Abstand
entsprechen. Andernfalls muss die Länge des minimal möglichen
Abstandes zwischen den Elektroden mitberücksichtigt werden.
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Die
Abstandskalibrierung kann zudem dafür verwendet werden,
in einem nachfolgenden Schritt die verbleibende Elektrodenlänge
und insbesondere die Restschusszahl zu ermitteln. Dazu wird die
maximale Länge des Verfahrweges mit der entsprechenden
maximalen Länge des Verfahrweges eines gleichartigen verbrauchten
Elektro denpaares oder mit der theoretisch möglichen maximalen
Länge des Verfahrweges verglichen. Da bei jeder Entladung
mit einem bestimmten Abbrand der Elektroden zu rechnen ist, stehen
die verbleibenden Elektrodenlängen in direkter Relation
zu der verbleibenden Anzahl der noch möglichen Entladungen,
also der Restschusszahl.
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Wird
die Benutzung eines Elektrodenpaares aufgenommen, so kann durch
die Bestimmung der maximalen Länge des Verfahrweges festgestellt
werden, ob es sich um neues Elektrodenpaar oder ein bereits benutztes
Elektrodenpaar handelt.
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Da
die Abstandskalibrierung ein Ergebnis über Zustand des
Elektrodenpaares liefert, ist es von Vorteil, wenn in einem nachfolgenden
Schritt eine Meldung über die Funktionstüchtigkeit
des Elektrodenpaares abgegeben wird. Insbesondere kann der Benutzer
gewarnt werden, wenn die Lebensdauer des Elektrodenpaares sich dem
Ende zuneigt, das Ende der Lebensdauer bereits erreicht ist, gewisse Abstände
noch nicht oder nicht mehr eingestellt werden können oder
ein Hinweis auf eine Beschädigung des Elektrodenpaares
vorliegt. Die Meldung kann über eine Anzeige eines Messwerts
erfolgen oder über die Ausgabe eines optischen oder akustischen Signals.
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Die
Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Erzeugung
von Stosswellen mittels einer Unterwasserfunkenentladung zwischen
zwei Elektroden, insbesondere in einer Vorrichtung wie weiter oben
beschrieben, mit den folgenden Verfahrenschritten.
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Zunächst
wird eine Abstandskalibrierung durchgeführt und die Restschusszahl
der Elektroden ermittelt, insbesondere wie in einem oben beschrieben
Verfahren. Danach erfolgt ein Einstellen der gewünschten
Energiestufe und der gewünschten Schusszahl. Die Energiestufe
wird in der Regel durch das Bestimmen einer Span nung festgelegt,
die für die Entladung an den Elektroden angelegt werden soll.
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Es
wird der dazu passende Elektrodenabstand bestimmt, worauf geprüft
wird, ob der Elektrodenabstand und die gewünschte Schusszahl
kompatibel mit der bei der Abstandskalibrierung ermittelten Restschusszahl
sind. Gegebenenfalls folgt die Abgabe einer Fehlermeldung und/oder
der Abbruch des Verfahrens. In einem nachfolgenden Schritt wird
der Abstand zwischen den beiden Elektroden eingestellt. Nun kann
die gewünschte Anzahl der Entladungen erzeugt werden. Die
Verfahrensschritte werden entweder ab der Abstandskalibrierung oder
ab der Auswahl der Energiestufe wiederholt.
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Zusätzlich
kann nach jeder Entladung oder nach einer Serie von Entladungen
eine Nachregelung des Abstandes zwischen den beiden Elektroden erfolgen.
Der Nachregelprozess kann von charakteristischen Eigenschaften der
Entladekurve beeinflusst werden, zum Beispiel von der Zündverzugszeit, von
der Durchschlagspannung, von der Menge der geflossenen Ladung, den
Maxima der Strom- und/oder Spannungskurve, den Nulldurchgängen
der Strom und/oder Spannungskurve, dem Druckprofil und/oder anderen
gemessene Werten bei dem elektrischen Durchschlag oder aufgrund
des elektrischen Durchschlags. (Beobachtung der Entladung)
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Die
Nachregelung kann entweder ausschließlich aufgrund einer
Tabelle erfolgen, in der der Abbrand der Elektroden unter Berücksichtigung
der verwendeten Energiestufen und der Qualität der Elektroden
statistische hinterlegt ist, oder aber ausschließlich aufgrund
der Beobachtung der Entladung. Die beiden Verfahren zur Nachregelung
können kombiniert werden, so kann z. B. die Nachregelung
mittels statistischer Verbrauchserfassung über die Beobachtung
der Entladung überwacht und korrigiert werde.
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Insbesondere
bei der Erzeugung längerer Serien von Entladungen ist es
sinnvoll, nicht nur zwischen einzelnen Entladungsserien sondern
auch während der Serien die Funktionstüchtigkeit
des Elektrodenpaares nachzuprüfen. Vorteilhafterweise wird
daher nach einer vorbestimmten Anzahl von Entladungen eine Abstandskalibrierung,
beispielsweise regelmässig nach jeweils derselben Anzahl von
Entladungen, durchgeführt. Die Abstandskalibrierung erfolgt
insbesondere nach einem wie oben beschriebenen Verfahren.
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Die
Erfindung, deren Zweckmässigkeit und weitere Vorteile werden
anhand der nachfolgend beschriebenen Zeichnungen näher
erläutert.
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Es
zeigen
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1a eine
schematische Darstellung eines ungebrauchten Elektrodenpaares mit
maximal möglichem Abstand der Elektrodespitzen;
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1b eine
schematische Darstellung des ungebrauchten Elektrodenpaares mit
minimal möglichem Abstand der Elektrodespitzen;
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2a eine
schematische Darstellung eines gebrauchten Elektrodenpaares, das
bereits einen gewissen Abbrand erfahren hat, mit maximal möglichem
Abstand der Elektrodespitzen;
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2b eine
schematische Darstellung des gebrauchten Elektrodenpaares, das bereits
einen gewissen Abbrand erfahren hat, mit minimal möglichem Abstand
der Elektrodespitzen;
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3 eine
schematische Darstellung eines Elektrodenpaares mit Mitteln zum
Begrenzen des Verfahrweges und Antriebsmitteln;
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4a eine
Schnittdarstellung eines ungebrauchten Elektrodepaares mit bewegbarer
Innenleiterelektrode;
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4b eine
Schnittdarstellung eines gebrauchten Elektrodepaares mit bewegbarer
Innenleiterelektrode;
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5a eine
Schnittdarstellung eines ungebrauchten Elektrodepaares mit bewegbaren
Elektroden;
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5b eine
Schnittdarstellung eines gebrauchten Elektrodepaares mit bewegbaren
Elektroden.
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1a und 1b zeigen
schematische Darstellungen eines neuen Elektrodenpaares 1 mit maximal
möglichem Abstand 2 und minimal möglichem
Abstand 3 der Elektrodespitzen 4, 5.
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In
dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine der Elektroden 6 fest
angeordnet. Diese Elektrode 6 ist bevorzugt mit dem in
der Figur nicht gezeigten Aussenleiter verbunden. Die andere Elektrode 7 ist
beweglich gelagert, sie ist über den Innenleiterbolzen 8 mit
dem in der Figur nicht explizit gezeigten Innenleiter verbunden.
Der maximal mögliche Abstand 2 zwischen den Elektroden 6, 7 wird
dann eingenommen, wenn der Innenleiterbolzen 8 an einer
Anschlagfläche 9 anliegt. Der kleinste mögliche
Abstand 3 zwischen den Elektroden 6, 7 ist
durch die Berührung der Elektrodenspitzen 4, 5 vorgegeben, der
Abstand ist in diesem Fall also null. Die beweglichen Elektrode 7 kann
zwischen zwei Grenzzustände 11, 12 bewegt
werden, wobei der eine Grenzzustand 11 durch die Berührung
der Elektrodenspitzen 4, 5 definiert ist, und
der andere Grenzzustand 12 durch den mechanischen Anschlag
des Innerleiterbolzens 8 an der Anschlagfläche 9.
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Vor
einer erstmaligen Benutzung haben die Elektroden 6, 7 eine
Anfangslänge 13. Die Elektroden 6, 7 sind
so angeordnet, dass sich zu Anfang der Brennpunkt 14 des
in der Zeichnung nicht gezeigten Reflektors innerhalb der Elektrode 6, 7 oder
dem Abstand 2 befindet. Beispielhaft befindet er sich in 1a innerhalb
der unbewegten Elektrode 6.
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Nach
Benutzung werden die Elektroden 6, 7 durch den
Abbrand kleiner.
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2a und 2b zeigen
eine schematische Darstellungen eines gebrauchten Elektrodenpaares 101,
das bereits einen gewissen Abbrand erfahren hat, mit maximal möglichem
Abstand 102 und minimal möglichem Abstand 3 der
Elektrodespitzen 104, 105.
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Die
Elektrodenlänge 113 hat sich um den Abbrand reduziert,
sodass beispielhaft der Brennpunkt 14 nun ausserhalb der
Elektrode 6 liegen kann. Während der Lebensdauer
des Elektrodenpaares 1 erfolgt die Entladung also stets
in unmittelbarer Nähe des Brennpunktes 14.
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Die
Verkürzung der Elektroden 6, 7 führt
zu einem grösseren maximalen Abstand 102 der Elektrodenspitzen 104, 105 und
somit zu einem grösseren Verfahrweg 110. Der Verfahrweg 110 vergrössert sich
gegenüber dem ursprünglich möglichen
Verfahrweg 10 um die Abbrandlänge der einen Elektrode 6 und
die Abbrandlänge der anderen Elektrode 7. Da davon
ausgegangen wird, dass beide Elektroden 6, 7 gleichmässig
abbrennen, kann umgekehrt aus der Veränderung des maximalen
Verfahrwegs 110 auf die Länge 113 der
Elektroden 6, 7 und damit auf die Anzahl der noch
möglichen Entladungen geschlossen werden.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung eines Elektrodenpaares 201 mit
Mitteln 209, 215 zum Begrenzen des Verfahrweges 210 und
Antriebsmitteln 216.
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Die
mit dem Innenleiter verbundenen Elektrode 7 ist beweglich
angeordnet. Der Verfahrweg 210 wird auf der einen Seite
dadurch begrenzt, dass der Innenleiterbolzen 208 an der
hinteren Anschlagfläche 209 anschlägt,
auf der anderen Seite dadurch, dass die bewegliche Elektrode 7 einen
mechanischen Anschlag 215 an der unbeweglichen Elektrode 6 erfährt.
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Die
unbewegliche Elektrode ist mit dem Aussenleiter 217 verbunden.
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Der
Antrieb der auf dem Innenleiterbolzen 208 angebrachten
Elektrode 7 erfolgt über eine Gewindestange 218,
die über ein Getriebe 219 mit einem Motor 220 verbunden
ist. Der Motor wird seinerseits durch einen Impulsgeber 221 (i.
e. Impulsgeber, Resolver, Inkrementalgeber etc.) überwacht.
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Schlägt
die Elektrode 7 an dem mechanischen Anschlag 215 an,
so steigt die Stromaufnahme des Motors 220 an. Überschreitet
die Stromaufnahme einen vorher festgesetzten Schwellwert, so wird der
Antrieb gestoppt.
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In
einer beispielhaften Anordnung gibt der Impulsgeber 220 2 × 16
Impulse aus, die jeweils eine Phasenverschiebung aufweisen. Es wird
die steigende und die fallende Flanke erkannt, sodass pro Impuls
zwei Inkrementschritte erfolgen. Pro Motorumdrehung ergeben sich
somit 64 (= 16 × 2 × 2) Inkrementschritte. Das
verwendete Getriebe 219 besitzt ein Untersetzungsverhältnis
von 152:1.
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Der
Innenleiterbolzen 208 besitzt eine M5 Gewinde, das eine
Steigung von 0.8 mm pro Umdrehung aufweist.
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Pro
Motorumdrehung erfolgt ein Vorschub von 0,8 mm, welcher einer Zahl
von 9728 Inkrementschritten entspricht. Umgekehrt entsprechen 12169 Inkrementschritte
einem Vorschub von 1 mm.
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Bei
einem anfänglichen maximalem Abstand zwischen den Elektrodenspitzen
von 1,85 mm und einem maximal zulässigen Abbrand einer
Elektrode von 4 mm muss die Innenleiterelektrode einen maximalen Verfahrweg
von 9,85 mm aufweisen, welcher durch 123125 Inkrementschritte erzeugt
wird.
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Aus
der Anzahl der Inkrementschritte bei einer Verschiebung der Innenleiterelektrode
von einem Endpunkt bis zum gegenüberliegenden Anschlag kann
der Verfahrweg bestimmt werden, und daraus auf die verbleibende
Elektrodenlänge geschlossen werden.
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Es
kann beispielsweise ein Warnsignal abgegeben werden, wenn der Verfahrweg
grösser oder gleich 9.85 mm ist, also der maximal zulässige
Abbrand erreicht ist.
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4a zeigt
eine Schnittdarstellung eines ungebrauchten Elektrodepaares 301 mit
bewegbarer Innenleiterelektrode 307. Die Innenleiterelektrode 307 ist
leitfähig mit dem Innenleiterbolzen 308 verbunden.
Dieser ist verfahrbar in einem feststehenden Isolator 322 gelagert.
Der Isolator 322 sowie der Aussenleiter 323 für
die Aussenleiterelektrode 306 befinden sich gegenüber
dem in der Zeichnung nicht gezeigten Reflektor in einer ortsfesten
Position. Die Innenleiterelektrode 307 kann über
eine Bewegung des Innenleiterbolzens 308 verfahren werden.
Solange die Elektroden 306, 307 nicht vollständig
abgebrannt sind, wird der erste Grenzzustand, entsprechend dem kleinsten
möglichen Abstand zwischen den Elektroden, durch einen
in der Zeichnung nicht explizit gezeigten Anschlag bei der Berührung
der Elektrodenspitzen 304, 305 erreicht. Sind
die Elektroden 306, 307 jedoch, wie in 4b gezeigt
vollständig abgebrannt, wird der erste Grenzzustand durch einen
Anschlag des Innenleiterbolzens 308 an einer Anschlagfläche 324 des
Isolators 322 erreicht.
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Der
zweite Grenzzustand, in welchem die Elektrodenspitzen den grössten
möglichen Abstand einnehmen, ist durch einen Anschlag des
Innenleiterbolzens 308 an einer Anschlagfläche 309 im
Füllstück 325 des Hochspannungsanschlusses 326 definiert.
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Durch
die beschriebenen Anschläge, die jeweils den minimalen
und maximal möglichen Abständen der Elektrodenspitzen 306, 307 entsprechen, wird
der Verfahrweg des Innenleiterbolzens 308 begrenzt.
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Der
Antrieb des Innenleiterbolzens 308 erfolgt über
einen Getriebemotor 320.
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In
einer alternativen Ausführungsform sind, wie in den 5a und 5b gezeigt,
beide Elektroden 406, 407 bewegbar. In diesem
Fall sind die Aussenleiterelektrode 406 und der Aussenleiter 423 nicht ortsfest
bezüglich des in der Figur nicht gezeigten Reflektors,
sondern können gegenüber dem Elektrodensockel 427 verfahren
werden.
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Die
Innenleiterelektrode 407 ist am Innenleiterbolzen 408 befestigt,
der zusammen mit dem Isolator 422 gegenüber dem
Aussenleiter 423 bewegbar ist. Wird der Innenleiterbolzen 408 vom
Getriebe 420 wegbewegt, so sorgt eine Gewindeverbindung 428 und
eine Verdrehsicherung 429 zwischen Aussenleiter 423 und
Elektrodensockel 427 dafür, dass sich gleichzeitig
der Aussenleiter 423 in Richtung des Elektrodensockels 427 bewegt.
Auf diese Weise nähern sich die Elektroden 406, 407 aneinander
an.
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Der
Innenleiterbolzen 408 kann soweit in Richtung Getriebemotor 420 bewegt
werden, bis er an eine Anschlagfläche 409 im Füllstück 425 des Hochspannungsanschlusses 426 anschlägt.
Bei der Verfahrung des Innenleiterbolzens 408 in Richtung Getriebemotor 420 wird
durch die Gewindeverbindung 428 der Aussenleiter 423 von
dem Elektrodensockel 427 wegbewegt, dadurch bewegt sich
auch die Aussenleiterelektrode 406. Schlägt der
Innenleiterbolzen 408 and der Anschlagfläche 409 an,
so haben die Elektroden 406, 407 also ihren maximal
möglichen Abstand.
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Sind
die Elektroden 406, 407 noch nicht abgebrannt,
so können sie soweit zusammengeführt werden, bis
es durch eine Berührung der Elektrodenspitzen zu einem
Anschlag kommt. Sind die Elektroden 406, 407 hingegen
abgebrannt, so wird die gegenseitige Verfahrung von Innenleiterbolzen 408 und Aussenleiter 423 gestoppt,
wenn der mit dem Innenleiterbolzen 408 bewegte Isolator 422 an
dem Elektrodensockel 427 anschlägt. In beiden
Fällen wird der erste Grenzzustand, der bei gegebener Länge
der Elektroden 406, 407 dem minimal einstellbaren
Abstand zwischen den Elektroden 406, 407 entspricht, erreicht.
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- 1;
101; 201
- Elektrodenpaares
- 3;
103
- minimal
möglichen Abstand
- 2;
102
- maximal
möglichem Abstand
- 4,
5; 104, 105; 304, 305
- Elektrodespitzen
- 6;
306; 406
- eine
der Elektroden
- 7;
307; 407
- andere
Elektrode
- 8;
208; 308, 408
- Innenleiterbolzen
- 9;
209, 309; 409
- Anschlagfläche
- 10;
110; 210
- Verfahrweg
- 11,
12
- Grenzzustände
- 13
- Anfangslänge
- 14
- Brennpunkt
- 215
- Mittel
zum Begrenzen des Verfahrwegs
- 216
- Antriebsmitteln
- 217
- Aussenleiter
- 218
- Schraubendreher
- 219
- Getriebe
- 220
- Motor
- 221
- Geber
- 322
- Isolator
- 323
- Aussenleiter
- 324
- Anschlagfläche
- 325
- Füllstück
- 326
- Hochspannungsanschluss
- 427
- Elektrodensockel
- 428
- Gewindeverbindung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 3316837
C2 [0002]
- - US 4868791 [0002]
- - US 5208788 [0002]
- - EP 0911804 [0003]