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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, ein Verfahren zur Ermittlung des Verbrauchszustandes der Elektroden in einer Vorrichtung zum 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 A und
US 5 208 788 A 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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Axial translatorisch verschiebbare und drehbare Elektroden sind ausserdem aus
DE 691 23 351 T2 bekannt. Die Elektroden können einen bestimmten Abstand gebracht werden, um eine optimale Druckwelle zu erzeugen.
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In
EP 0 911 804 A2 ist ausserdem ein Verfahren gezeigt, mit welchem sich der Elektrodenabstand während des Betriebs in Abhängigkeit von der Entladungscharakteristik regeln lässt.
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Aus der
US 2006/0 036 168 A1 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von Stosswellen bekannt, die innerhalb des Reflektors verfahrbare Elektroden aufweist. Mit einer hochsensitiven Kamera, die auf den Fokus des Reflektors gerichtet ist, kann der Abstand zwischen den Elektroden kontrolliert werden und unter der Kontrolle der Kamera kann der Elektrodenabstand justiert werden.
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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 Spannung 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 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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Erfindungsgemäss 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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Erfindungsgemäss ist der erste Grenzzustand durch eine Berührung der Elektrodenspitzen, insbesondere über die gesamte Lebensdauer der Elektrode, gegeben.
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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 werden 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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Erfindungsgemäss 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 Nachregeln 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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Bevorzugt umfasst die Vorrichtung 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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Der erste Grenzzustand und/oder der zweite Grenzzustand sind 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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Der Grenzzustand, der dem kleinsten möglichen Elektrodenabstand entspricht, ist 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 Ermittlung des Verbrauchszustandes der Elektroden in einer Vorrichtung zum Erzeugung von Stosswellen mittels einer Unterwasserfunkenentladung, 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 Elektrodenpaares 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 die Ermittlung des Verbrauchszustandes der Elektroden wie in einem oben beschrieben Verfahren durchgeführt. Es kann eine Abstandskalibrierung durchgeführt und die Restschusszahl der Elektroden ermittelt werden. Danach erfolgt ein Einstellen der gewünschten Energiestufe und der gewünschten Schusszahl. Die Energiestufe wird in der Regel durch das Bestimmen einer Spannung 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.
