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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Nachweis über die Qualität eines Düsenstrahlkörpers. Ein solcher Düsenstrahlkörper wird mittels eines Bohr- und Düsgestänges hergestellt. Insbesondere wird das Erdreich in einer bestimmten Tiefe mit einem Hochdruckstrahl bearbeitet und mit einer aushärtenden Suspension versetzt. Hierbei soll der Bereich des Erdreichs, in dem der Düsenstrahlkörper entsteht (Düsenstrahlsäule), zur Feststellung der Qualität des herzustellenden Düsenstrahlkörpers untersucht werden.
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Stand der Technik
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Beengte innerstädtische Platzverhältnisse führen bedingt durch die beschränkte Bauhöhe der Neubauvorhaben zu einer immer intensiveren Nutzung des Grundstücks in Form von Untergeschossen und Tiefgaragenebenen. Diese Entwicklungstendenz, den Baugrund in der Tiefe auszunutzen, ist gerade in den letzten Jahren besonders deutlich geworden.
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In diesem Zusammenhang sind sogenannte Trogbaugruben bekannt, mit denen größere Grundwasserabsenkungen vermieden werden können. Diese Trogbaugruben werden mit einer unterirdischen, horizontalen Düsenstrahlsohle geschlossen, um den Auflagen der Baugenehmigungsbehörde nach umweltverträglicher und grundwasserschonender Bauweise zu entsprechen. Dieser Sohlentyp ist ein zweiachsig beanspruchtes Flächentragelement, das die Baugruben horizontal im Fußbereich abstützt und gleichzeitig mit Verpresspfählen gegen Auftrieb sichert.
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Um eine Baugrube auszuheben, gerade in sandigen Böden und hohen Wasserständen, ist die Anwendung der herkömmlichen Methode des Ausbaggerns kaum noch möglich, da es zu großen Grundwasserabsenkungen kommen würde.
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Die jeweiligen Anforderungen an einen herzustellenden Düsenstrahlkörper ergeben sich im Wesentlichen aus der statischen bzw. hydraulischen Funktion und können aus diesem Grund qualitativ sehr weit auseinander liegen. Der Erfolg oder auch Misserfolg von Maßnahmen mit dem Düsenstrahlsäulen-Verfahren hingt daher in erster Linie von der Umsetzung der geforderten Qualitätsrichtlinien zusammen.
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Die Ursachen von Fehlstellen können sowohl in der Planung, als auch in der Ausführung liegen. Aus diesem Grund wird vom Bauherrn ein zunehmend genauerer Nachweis über die Qualität des hergestellten Düsenstrahlkörpers gefordert.
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Insbesondere im Versuchsstadium bei Probesäulen ist die Aufzeichnung, Aufbereitung und Darstellung relevanter Daten notwendig. Dadurch lassen sich erreichte Durchmesser und Festigkeiten der Düsenstrahlsäulen dokumentieren und später mögliche Fehlstellen nachweisen. Durch die Vermischung des anstehenden Bodens mit der Zementsuspension entsteht ein nicht genormter Baustoff. Allerdings muss der Düsenstrahlkörper im Endzustand anspruchsvolle Funktionen wie Dichtigkeit und statische Druckfestigkeit übernehmen.
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Die Druckfestigkeit ist eine wichtige Eigenschaft des Betons. Einschlägige DIN-Normen schreiben eine Beurteilung durch die Prüfung nach 28 Tagen anhand von Würfeln mit 15 cm Kantenlänge (Probewürfeln) oder 30 cm langen Zylindern mit 15 cm Durchmesser vor. Anhand der ermittelten Druckfestigkeit lässt sich der Beton den Festigkeitsklassen zuordnen. Ein C12/15 hat danach die charakteristische Zylinderdruckfestigkeit von 12 N/mm2 sowie eine charakteristische Würfeldruckfestigkeit von 15 N/mm2.
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Bisher wurden aus zuvor aufwändig hergestellten Probesäulen Proben entnommen, in dem mittels Kernbohrungen entsprechende Probekörper entnommen wurden oder Probekörper aus der Zulaufsuspension oder der Rücklaufsuspension hergestellt. Dieses Verfahren ist sehr langwierig und teuer und von der Ergebnisqualität fragwürdig.
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Eine andere Alternative ist die Entnahme von Suspensionsproben aus der Rücklaufsuspension während des Herstellprozesses an der Oberfläche. Allerdings wird die Suspension durch die Vermischung mit dem anstehenden Boden und dem Grundwasser entmischt und die daraus abgeleiteten Materialkennwerte stark verändert.
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Ferner können durch die Entnahme in der ausgehärteten Säule durch eine erneute Bohrkampagne Bohrkerne aus einem Düsenstrahlkörper in der Tiefe entnommen werden. Dabei entstehen jedoch große Verzerrungen, da einerseits durch den Bohrvorgang eine Schädigung des entnommenen Kernes stattfindet und in der Regel keine repräsentativen Kennwerte erreicht werden. Der Bohrkern wird durch die Bohrung beschädigt.
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Gegenstand der Erfindung
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die zuvor genannten Probleme zu lösen, und eine Vorrichtung zur Bewertung einer Düsenstrahlsäule/eines Düsenstrahlkörpers bereitzustellen.
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Eine entsprechende Vorrichtung wird durch den Gegenstand von Anspruch 1 bereitgestellt. Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Hierbei ist es Kerngedanke der vorliegenden Erfindung, eine Entnahmevorrichtung in ein Bohr- und Düsgestänge zu integrieren, insbesondere mittels eines modular einsetzbaren Abschnitts. Die Entnahmevorrichtung soll es dann ermöglichen, während des Betriebs des Bohr- und Düsgestänges eine Probe aus einer Düsenstrahlsäule zu entnehmen, damit diese anschließend analysiert werden kann. Demnach ist es nicht erforderlich, das Bohr- und Düsgestänge aus dem Bohrloch zu entfernen, um eine Probe entnehmen zu können, sondern die Probe kann entnommen werden, während sich das Bohr- und Düsgestänge noch im Bohrloch befindet. Ein „Einbrechen” des Bohrlochs muss somit nicht befürchtet werden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine in ein Bohr- und Düsgestänge integrierbare Entnahmevorrichtung die folgenden Merkmale auf: einen ersten Abschnitt mit einem ein Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit, aufweisenden Hohlraum, in dem eine erste Kammer vorgesehen ist, deren Volumen veränderbar ist und die mit einer Öffnung zur Entnahme einer Probe in Verbindung steht. Ferner umfasst die Entnahmevorrichtung einen weiteren Abschnitt, der zur Aufnahme des Fluids aus dem ersten Hohlraum eingerichtet ist, wobei durch Aufnahme des Fluids in den weiteren Abschnitt das Volumen der ersten Kammer vergrößerbar ist.
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Eine solche Vorrichtung bietet den Vorteil, dass diese direkt in einer Düsenstrahlsäule eine Probe entnehmen kann. Dadurch, dass die Probe direkt aus der Düsenstrahlsäule entnommen wird, können die Eigenschaften des herzustellenden Düsenstrahlkörpers genau gualifiziert werden. Der beschriebene Mechanismus lässt sich in ein Bohr- und Düsgestänge implementieren, und ist darüber hinaus nachrüstbar. Ferner kann durch Festlegung der Menge des zu überführenden Fluids gleichzeitig die Probengröße exakt definiert werden. Auch ist es möglich, die Probe relativ einfach aus der ersten Kammer zu entfernen, indem das Fluid aus dem weiteren Abschnitt wieder in den Hohlraum des ersten Abschnitts überführt wird. Damit die Entnahmevorrichtung in das Bohr- und Düsgestänge integrierbar ist, kann diese in einer Ausführungsform einen zu den anderen Abschnitten des Bohr- und Düsgestänges im Wesentlichen gleichen Außenumfang bzw. Durchmesser aufweisen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung mit einer Pumpe und/oder Ventil versehen, mit der das Fluid vom Hohlraum in den weiteren Abschnitt überführt werden kann. Hierdurch kann die Probengröße exakt definiert werden, und der Zeitpunkt der Probenentnahme kann genau definiert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist im weiteren Abschnitt eine zweite Kammer vorgesehen, die in einen Hohlraum des weiteren Abschnitts aufgenommen ist und deren Volumen veränderbar ist. Somit stellt die zweite Kammer ein zur ersten Kammer komplementäres Bauteil dar, und bei gleicher Dimensionierung der Hohlräume des ersten und weiteren Abschnitts kann durch vollständiges Überführen des Fluids in die zweite Kammer sichergestellt werden, dass die erste Kammer vollständig entfaltet ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die erste Kammer aus einem elastischen Material gefertigt (bspw. Gummiblase). Auch kann es vorgesehen sein, dass die zweite Kammer aus einem elastischen Material besteht (bspw. Gummiblase). Dies hat jeweils den Vorteil, dass sich die jeweilige Kammer an die Gegebenheiten des jeweiligen Hohlraums des ersten und weiteren Abschnitts der Entnahmevorrichtung anpassen kann, wenn das jeweilige Volumen der ersten oder zweiten Kammer einen maximalen Wert erreicht.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere vorgesehen, dass die Entnahmevorrichtung in ein Bohr- und Düsgestänge integrierbar ist, insbesondere mittels einer Schraubverbindung. Hierdurch kann die Entnahmevorrichtung leicht nachgerüstet, und somit auch bei bereits im Einsatz befindlichen Bohr- und Düsgestängen genutzt werden. Die Schraubverbindung ist beispielsweise derart vorgesehen, dass die Entnahmevorrichtung in andere Abschnitte des Bohr- und Düsgestänges eingeschraubt werden kann. Neben der Entnahmevorrichtung selbst betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Bohr- und Düsgestänge mit einer solchen Entnahmevorrichtung. Hierbei ist es vorgesehen, dass die Entnahmevorrichtung zwischen einer Düseneinrichtung zum Erzeugen eines Düsenstrahls und einer Bohrkrone in das Bohr- und Düsgestänge integriert ist. Auf diese Weise ist es möglich, eine repräsentative Probe der Düsenstrahlsäule zu entnehmen.
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In einer besonderen Ausführungsform ist die Entnahmevorrichtung mittels Körperschallimpulsen oder einer Stromversorgung über das Bohr- und Düsgestänge ansteuerbar. Dies stellt eine besonders einfache Kombination mit der Entnahmevorrichtung bereit, damit diese zur Entnahme einer Probe aus einer Düsenstrahlsäule initialisiert werden kann.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur Entnahme einer Probe aus einer Düsenstrahlsäule, wobei zuerst eine Düsenstrahlsäule mit Einbringen einer Suspension hergestellt wird. Anschließend wird ein Fluid, das eine erste Kammer in einem ersten Abschnitt einer Entnahmevorrichtung umgibt, in einen weiteren Abschnitt der Entnahmevorrichtung aufgenommen. Hierdurch wird das Volumen der ersten Kammer vergrößert, und eine Probe kann in die erste Kammer angesaugt werden.
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Da ein Düsenstrahlkörper nur teilweise genormte Materialien aufweist, nämlich die in den Düsenstrahlsäule eingeführte Suspension, kann durch die Entnahme der Probe direkt aus der Düsenstrahlsäule die genaue Zusammensetzung ermittelt werden, also zum einen die Suspension, und zum anderen die Zuschläge bestehend aus dem Erdreich, die sich mit der Suspension vermischen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt schematisch das Einbringen einer Düsenstrahlsäule in einen Untergrund
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2 zeigt eine Detailansicht eines Bohr- und Düsgestänges, das die erfindungsgemäße Entnahmevorrichtung aufweist.
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3 ist eine Detailansicht des Bohr- und Düsgestänges nach 2.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Bohr- und Düsgestänges mit der erfindungsgemäßen Entnahmevorrichtung.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Nachfolgend werden anhand der beigefügten Zeichnungen rein beispielhaft bevorzugte Ausführugsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es ist anzumerken, dass Einzelmerkmale der einzelnen Ausführungsformen auch in Kombination mit Merkmalen anderer Ausführungsformen zur Anwendung kommen können.
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1 zeigt schematisch eine mobile Maschine 1, an der ein Bohr- und Düsgestänge 2 angebracht ist. Hierbei wird in einer bestimmten Tiefe mit Hilfe des Bohr- und Düsgestänges 2 eine Düsenstrahlsäule D in das Erdreich eingebracht, indem durch einen energiereichen Hochdruckstrahl der Boden in seiner ursprünglichen Lagerungsform verändert und zeitgleich oder zeitversetzt mit einer Suspension verfüllt wird. Hierdurch entsteht ein sogenannter Düsenstrahlkörper, der gegenüber dem übrigen Erdreich eine hohe Festigkeit aufweist, und der als Abdichtungselement, als Tragelement oder als eine Kombination hiervon verwendet werden kann.
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2 zeigt eine Funktionalansicht des Bohr- und Düsgestänges 2. Dieses setzt sich hierbei aus verschiedenen Abschnitten zusammen, nämlich einem Anschlussabschnitt 11, einem Zwischenabschnitt 12, einer Düseneinrichtung 13, einer Messeinrichtung 14, einer Entnahmevorrichtung 15 sowie einer Bohrkrone 16. Diese Elemente sind in der entsprechenden Reihenfolge angeordnet, und jeweils mittels Gewinden verbunden.
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Zum Bohr- und Düsgestänge 2 wird eine Hochdrucksuspensionsleitung 3 für die Hochdrucksuspension, eine Leitung 4 für Luft sowie eine Leitung 5 für den Bohrspüler zugeführt.
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Dabei ist die Düseneinrichtung 13 für ein Aufbringen einer Hochdrucksuspension unter Hochdruck eingerichtet, die durch eine Hochdrucksuspensionsleitung 3 zugeführt wird. Als Arbeitsfluid für die Unterstützung der Hochdrucksuspension ist vorzugsweise Luft vorgesehen, die durch eine weitere Leitung 4 zugeführt wird.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind schraubbare Gewindeverbindungen 6–10 vorgesehen. Dichtungsringe steilen sicher, dass keine Verunreinigungen im Betrieb beispielsweise in die Messeinrichtung 14 gelangen. Alternativ zu den Schraubverbindungen 6–10 können jedoch auch einzelne, radial angreifende Schrauben vorgesehen sein. Auch andere Steckverbindungen sind denkbar.
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In der Messeinrichtung 14 wird ein stab- oder kabelförmiges Tastelement 40 mit einem Sensor 40a geführt. Nachdem das Tastelement 40 innerhalb der Messeinrichtung 14 von einer vertikalen Richtung (Verlauf innerhalb der Düseneinrichtung 13) in eine im Wesentlichen horizontale Richtung gebracht ist, erstreckt sich das Tastelement 40 durch ein Ein- und Ausfahrgehäuse 43. Das Ein- und Ausfahrgehäuse 43 weist ein Dichtelement 44 auf, mit dem das Innere der Messeinrichtung 14 gegenüber der Außenseite abgedichtet wird.
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Details zur genannten Messeinrichtung sind in der unveröffentlichten europäischen Patentanmeldung
EP 11 172 830.9 genannt, auf die in diesem Zusammenhang verwiesen wird.
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Ferner weist des vorliegenden Bohr- und Düsgestänge 2 jedoch die Entnahmevorrichtung 15 auf, die in das Bohr- und Düsgestänge 2 integriert ist (siehe hierzu insbesondere 3). Die Entnahmevorrichtung 15 weist einen oberen Abschnitt 15a und einen unteren Abschnitt 15b auf, wobei der Begriff „unten” als in Richtung zur Bohrkrone 16 weisend auszulegen ist, während die Definition „oben” als in Richtung des Anschlussabschnitt 11 weisend zu interpretieren ist.
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Im oberen Abschnitt 15a der Entnahmevorrichtung 15 ist eine Gummiblase 50 aufgenommen, die innerhalb des oberen Abschnitts 15a von einem mit einer Flüssigkeit gefüllten Hohlraum 51 umgeben wird. Eine Öffnung der Gummiblase 50 ist an einen Probennehmer 53 angeschlossen. Der Probennehmer 53 weist eine Ansaugöffnung 52 auf, die sich zu einer Umgebung des Bohr- und Düsgestänges 2 öffnet. Wie später beschrieben wird, kann durch diese Ansaugöffnung 52 eine Probe in den Probennehmer 53 eingeführt werden.
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Im Bereich des unteren Abschnitts 15b der Entnahmevorrichtung 15 ist eine Pumpenventileinheit 54 vorgesehen. An dieser ist eine untere Gummiblase 55 angeschlossen, die sich innerhalb des unteren Abschnitts 15b erstreckt und von einem Hohlraum 56 umgeben wird.
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Die Funktion der erfindungsgemäßen Entnahmevorrichtung 15 stellt sich wie folgt dar.
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Bei der Probenentnahme wird die Flüssigkeit, die sich im Hohlraum 51 des oberen Abschnitts 15a befindet und die obere Gummiblase 50 umgibt, durch eine Pumpe und/oder Ventil 54 in die untere Gummiblase 55 gepumpt. Hierdurch kann sich die obere Gummiblase 50 vergrößern. Weil die obere Gummiblase 50 über den Probennehmer 53 mit der Ansaugöffnung 52 verbunden ist, wird hierdurch eine Probe der Suspension in der Düsenstrahlsäule D eingesaugt. Wurde ein großer Teil der Flüssigkeit 51 in die untere Gummiblase 55 gepumpt, ist somit die obere Gummiblase 50 mit einer entsprechenden Probe gefüllt. Die Größe der Probe kann somit über die zur unteren Gummiblase 55 gepumpten Flüssigkeit 51 gesteuert werden.
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Anschließend wird das Bohr- und Düsgestänge 2 mit der Entnahmevorrichtung 15 an die Oberfläche gehoben. Um die Probe nun aus der oberen Gummiblase 50 zu entnehmen, wird die Flüssigkeit aus der unteren Gummiblase 55 wieder in den Hohlraum 51 des oberen Abschnitts 15a gepumpt. Auf diesem Weg tritt die in der oberen Gummiblase 50 befindliche Probe aus dieser aus, da die obere Gummiblase 50 mittels der Flüssigkeit zusammengedrückt wird. Ist die gesamte Flüssigkeit aus der unteren Gummiblase 55 in den Hohlraum 51 gefördert, ist die Probe vollständig aus der oberen Gummiblase 50 herausgedrückt.
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Es ist nun möglich, an der Ansaugöffnung 52 eine Spüleinrichtung anzuschließen, sodass die obere Gummiblase 50 gespült wird, um sämtliche Suspensionsreste in der Blase zu entfernen. Ein Spülvorgang kann beispielsweise eine Minute andauern.
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Die aus der Entnahmevorrichtung 15 ausgebrachte Probe wird in einem weiteren Schritt analysiert. Wichtige zu überwachende Merkmale sind für die Dauerhaftigkeit des Betons des Düsenstrahlkörpers die Betonzusammensetzung (Wasser/Zementwert, Zementgehalt), die Festigkeitsklasse, die Verdichtung und die Nachbehandlung des Betons.
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Hierzu werden Prüfkörper aus dem aus der Düsenstrahlsäule entnommenen Material hergestellt, das wegen der Entnahme direkt aus der Düsenstrahlsäule der Zusammensetzung des auszubildenden Düsenstrahlkörpers entspricht. Solche Prüfkörper können beispielsweise in sogenannten Würfelkammern hergestellt werden, die dann unter genormten Bedingungen aushärten können.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Bohr- und Düsgestänges 2. Dieses unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen Ausführungsform dadurch, dass die Messeinrichtung 14 bei diesem Bohr- und Düsgestänge nicht vorgesehen ist. Auf diese Weise wird der modulare Aufbau anschaulich gezeigt, und es ist ersichtlich, dass die bereits beschriebenen Abschnitte 11–16 beliebig miteinander kombiniert werden können.
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Ferner kann es vorgesehen sein, weitere Abschnitte ein Bohr- und Düsgestänge 2 anzubringen. In dieser Ausführungsform ist ein weiterer Adapter 17 dargestellt, der über eine Schraubverbindung 10a mit der Bohrkrone 16 und über die Schraubverbindung 10 mit der Entnahmevorrichtung 15 in Verbindung steht.
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Ferner ist es in dieser Ausführungsform vorgesehen, dass die Gummiblasen 50, 55 am Probenentnehmer 53 angeschlossen sind, und an einem jeweils gegenüberliegenden Ende des oberen/unteren Abschnitts 15a, 15b befestigt sind. Mit anderen Worten ist in dieser Ausführungsform die jeweilige Gummiblase 50, 55 an den Seitenwänden der Abschnitte 15a, 15b nicht angebracht.
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Neben der Ausführung der Entnahmevorrichtung 15 mit einer oberen Gummiblase 50 und einer unteren Gummiblase 55 können in den Hohlräumen 51, 56 auch Kolben vorgesehen sein, mit denen im oberen Abschnitt 15a eine Kammer und ein Hohlraum definiert wird und im unteren Abschnitt 15b ebenfalls eine Kammer und ein Hohlraum definiert wird. Diese Kammern entsprechen dann er oberen Gummiblase 50 und der unteren Gummiblase 55.
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Allerdings kann es in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen sein, dass statt der Gummiblase im oberen/unteren Abschnitt 15a, 15b in einem Bereich einer jeweiligen Seitenwand eine elastische Membran angebracht ist. Wird ein Fluid aus einem Hohlraum im oberen. Abschnitt 15a in einen Hohlraum des unteren Abschnitts 15b geführt, so wird die durch die elastische Membran dieser Ausführungsform definierte Kammer im oberen Abschnitt 15a vergrößert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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