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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zum Erfassen von Funktionsstörungen, beispielsweise eines Stick-Slip-Effekts eines hydraulischen Aktors.
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Aus der
WO 2016/096548 A1 der Anmelderin ist es bekannt, einen hydraulischen Aktor, beispielsweise einen Hydrozylinder, mit einer Vielzahl von Sensoren auszuführen, über die Betriebszustände des Hydrozylinders erfassbar sind. Derartige Sensoren können beispielsweise als Beschleunigungssensor, als Drucksensor oder dergleichen ausgeführt sein. Bei dem in der
WO 2016/096548 A1 ausgeführten Lösung sind diese Sensoren in den Hydrozylinder integriert.
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In der
EP 2 138 744 B1 ist eine Einrichtung offenbart, bei der in eine Dichtungsanordnung Sensoren integriert sind, über die der Verschleiß der Dichtungen erfassbar ist.
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Ein insbesondere bei Hydrozylindern auftretendes Problem besteht in dem so genannten Stick-Slip-Effekt - auch Haftgleiteffekt genannt - der ein ruckartiges Gleiten von sich relativ zueinander bewegenden Festkörpern betrifft. Ein derartiger Stick-Slip-Effekt tritt beispielsweise bei ratternden Scheibenwischern oder knarrenden Türen auf. In der Pneumatik und Hydraulik tritt diese Effekt insbesondere dann auf, wenn die Haftreibung größer als die Gleitreibung ist. Dabei können insbesondere im Bereich von Dichtungen an der Kolbenstange und am Kolben eines Hydrozylinders Haftreibkräfte auftreten, die deutlich höher als Gleitreibkräfte sind, so dass insbesondere zu Beginn einer Kolbenbewegung der Stick-Slip-Effekt auftritt, der zu ungewünschten Vibrationen des Systems und damit zu einer vorzeitigen Materialermüdung oder einem vorzeitigen Verschleiß führen kann.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung und ein Verfahren zum Erfassen von Funktionsstörungen von hydraulischen Aktoren zu schaffen, über die der Stick-Slip-Effekt zuverlässig erfassbar ist, so dass aufgrund dieser Auswertung entsprechende Gegenmaßnahmen ergriffen werden können.
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Diese Aufgabe wird im Hinblick auf die Einrichtung durch die Merkmalskombination des Patentanspruchs 1 und im Hinblick auf das Verfahren durch die Merkmalskombination des nebengeordneten Patentanspruchs 9 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung zum Erfassen von Funktionsstörungen zumindest eines hydraulischen Aktors hat eine Vielzahl von Sensoren zum Erfassen von Betriebsparametern, deren Signale über ein Gateway, im Folgenden Auswerteeinheit genannt, auslesbar sind. Als Sensoren sind zumindest zwei Beschleunigungssensoren im Abstand zueinander angeordnet, deren Signale über die Auswerteeinheit ausgewertet werden. Diese ist ausgelegt, um die Beschleunigungssignale der Sensoren zu korrelieren und aus der Abweichung der Signale - beispielsweise von einem vorgegebenen Schwellwert - auf eine ordnungsgemäße Funktion oder eine Funktionsstörung zu schließen.
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Erfindungsgemäß werden somit über die vorinstallierten Beschleunigungssensoren die Vibrationen am oder im Aktor an zueinander beabstandeten Positionen erfasst. Aus einem Vergleich dieser und ggf anderer, beispielsweise von Drucksensoren vermessener, Messsignale lässt sich dann zuverlässig ermitteln, ob eine auf dem Stick-Slip-Effekt basierende Funktionsstörung vorliegt, oder ob diese Vibrationen aus einer ordnungsgemäßen Funktion des Aktors resultieren.
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Durch die erfindungsgemäße Vorinstallation der Sensoren und der Auswerte-/Übertragungseinheit können eventuell während der Nutzung auftretende Funktionsstörungen schnell erfasst und entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Auf diese Weise können Stillstandszeiten des Aktors vermieden werden, wobei die Analyse der Störfunktionen auf einfache Weise erfolgt, ohne das Experten vor Ort sein müssen.
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Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Aktor als Hydrozylinder mit einem Zylindergehäuse und einem darin geführten Kolben ausgeführt, der zumindest eine Kolbenstange hat. Dabei ist ein Beschleunigungssensor kopfseitig, das heißt am kolbenseitigen Endabschnitt des Zylindergehäuses ausgeführt. Zumindest ein weiterer Beschleunigungssensor ist dann bodenseitig oder dazwischenliegend am Zylindergehäuse angeordnet. In dem Fall, in dem der Hydrozylinder als Gleichgangzylinder ausgebildet ist, kann der letztgenannte Beschleunigungssensor auch im mittleren Bereich des Zylindergehäuses oder am Austritt der weiteren Kolbenstange ausgebildet sein.
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Die Messgenauigkeit lässt sich weiter verbessern, wenn ein weiterer Beschleunigungssensor kolbenstangenseitig ausgebildet ist.
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Bei Anwendungen, bei denen ein Hydrozylinder über ein Zylindergelenk schwenkbar gelagert ist und/oder die Kolbenstange über ein Gelenk an einem vom Aktor betätigten Funktionselement angreift, kann ein weiterer Beschleunigungssensor am Zylindergelenk und/oder am letztgenannten Gelenk angeordnet werden.
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Zur Erfassung der Reibkräfte kann der hydraulische Aktor mit zumindest einem weiteren Drucksensor ausgeführt sein. Die Auswerteeinheit ist bei einer derartigen Ausführung dementsprechend ausgelegt, um aus den Drucksignalen der Drucksensoren auf die Aktoren wirkende Kräfte zu ermitteln. Dabei wird es bevorzugt, wenn die Drucksignale mit den Signalen der Beschleunigungssensoren korreliert werden.
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Die Anordnung der Beschleunigungssensoren kann in Radial- oder Axialrichtung mit Bezug zum Zylindergehäuse erfolgen.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung kann auch mit zwei oder mehreren parallel angeordneten Aktoren ausgeführt sein, die jeweils in der vorbeschriebenen Weise mit Druck- und/oder Beschleunigungssensoren ausgeführt sein können. Die Auswerteeinheit ist dann entsprechend ausgelegt, um die einander entsprechenden Signale beider Aktoren zur Auswertung zu korrelieren.
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Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Aktor zum Betätigen eines Tors eines Wehrs vorgesehen.
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Das beanspruchte Verfahren zum Erfassen von Funktionsstörungen eines Aktors weist dementsprechend die folgenden Schritte auf:
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Erfassen der Schwingungen mittels zueinander beabstandeter, am Aktor vorinstallierten Beschleunigungssensoren, Vergleichen/Korrelieren der erfassten Schwingungen und Erkennen auf eine Funktionsstörung, wenn die erfassten Signale der Beschleunigungssensoren Abweichungen aufweisen, die über einem Schwellwert liegen.
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Dieser Schwellwert kann für jede Anwendung individuell vorgegeben sein.
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Wie eingangs erläutert, basieren diese Funktionsstörungen vorzugsweise auf Stick-Slip-Effekten.
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Die Überwachung der Sensorsignale erfolgt vorzugsweise kontinuierlich, sodass Funktionsstörungen schnell erfasst werden.
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Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Auswertung eine Kreuzkorrelation der Signale umfassen, wobei Druck- und Beschleunigungssignale korreliert werden können.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Prinzipdarstellung einer Einrichtung zum Erfassen von Funktionsstörungen;
- 2 ein konkretes Ausführungsbeispiel eines Stauwehrs;
- 3 Messsignale zweier Beschleunigungssensoren eines Hydraulikzylinders eines Stauwehrs gemäß 2;
- 4 eine vergrößerte Detaildarstellung der Messsignale gemäß 3;
- 5, 6 Darstellungen einer statistischen Auswertung der Signale gemäß den 3 und 4 nach der Kreuzkorrelation;
- 7 weitere statistische Auswertungen von Signalen, die bei unterschiedlichen Hüben des Hydraulikzylinders eines Wehrs gemäß 2 erfasst wurden und
- 8 das Grundprinzip der Berechnung der am Zylinder wirkenden Kräfte auf der Basis von mittels Drucksensoren erfassten Signalen.
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1 zeigt das Grundprinzip einer Einrichtung 1 zum Erfassen von Funktionsstörungen, insbesondere von Stick-Slip-Effekten, die an einem Hydrozylinder 2 auftreten. In an sich bekannter Weise hat der Hydrozylinder 2 ein Zylindergehäuse 4, in dem ein Kolben 6 axial verschiebbar geführt ist. Der Hydrozylinder 2 ist als Differenzialzylinder ausgeführt, so dass entsprechend der Kolben 6 eine Kolbenstange 8 aufweist, die einseitig aus dem Zylindergehäuse 4 austritt. Der Kolben 6 unterteilt den Innenraum des Hydrozylinders 2 in einen kolbenstangenseitigen Ringraum 10 und einen bodenseitigen Druckraum 12. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist beispielsweise das Zylindergehäuse 4 mittels eines Zylindergelenks 14 schwenkbar an einem Fundament oder dergleichen gelagert. Die Kolbenstange 8 greift mit einem Gelenk 16 an einem zu betätigenden Funktionselement an.
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Wie in 1 angedeutet, sind im Bereich dieses Gelenks 16, im Bereich des Zylindergelenks 14 oder im Bereich eines Bodens 18 und im Bereich eines Zylinderkopfs 20 des Zylindergehäuses 4 jeweils ein Beschleunigungssensor 22, 24 bzw. 26 angeordnet, über die beim Betrieb des Hydrozylinders 2 Vibrationen erfassbar sind. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind des Weiteren Drucksensoren 28, 30 vorgesehen, über die der Druck im Ringraum 10 bzw. im Druckraum 12 erfassbar ist.
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Die Signale der Sensoren 22, 24, 26, 28, 30 werden, wie in 1 angedeutet, über Signalleitungen zu einem am Hydrozylinder 2 ausgebildeten Gateway geführt. Dieses Gateway kann beispielsweise als Signalspeicher mit einer Einrichtung zur Datenübertragung an eine zentrale Auswerteeinheit oder aber selbst als Auswerteeinheit 32 ausgeführt sein, über die die erfassten Signale gespeichert und verarbeitet werden. Diese verarbeiteten Informationen können dann über eine integrierte Schnittstelle zur Auswertung/Weiterverarbeitung an eine Zentralstation übergeben oder direkt ausgelesen werden.
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Durch die Auswertung der Signale der Beschleunigungssensoren 22, 24, 26 und der Drucksensoren 28, 30 kann mit vergleichsweise geringem Aufwand eine Funktionsstörung, insbesondere aus den Stick-Slip-Effekt resultierende Vibrationen erfasst werden.
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Dies lässt sich besonders vorteilhaft bei Anwendungen mit sehr großen Hydrozylindern 2 realisieren, wie sie beispielsweise bei Staustufen/Wehren eingesetzt werden, die mit Toren (Gates) ausgeführt sind, die mittels der Hydraulikzylinder 2 geöffnet oder geschlossen werden. Eine derartige Lösung ist in 2 angedeutet. Bei diesen Wehr (Sea Barrier) 33 ist zumindest ein Hydrozylinder 2 der vorbeschriebenen Bauart über das Zylindergelenk 14 schwenkbar an einem Fundament 34 gelagert. Die etwa in Vertikalrichtung ein- und ausfahrbare Kolbenstange 8 greift über das Gelenk 16 an einer Konsole 36 eines Tors 38 (Gate) an, das einen Durchfluss absperrt. Der Wasserspiegel ist mit dem Bezugszeichen 40 angedeutet. Zum Öffnen des Wehrs 33 lässt sich das Tor 38 durch Einfahren der Kolbenstange 8 in die gestrichelt angedeutete Stellung nach oben (Ansicht nach 2) verstellen, in der eine Unterkante 42 dann oberhalb des Wasserspiegels angedeutet ist (siehe gestrichelte Darstellung in 2). Aufgrund der leicht gewölbten Ausgestaltung des Tores 38 führt der Hydrozylinder 2 bei dieser Öffnungsbewegung eine leichte Verschwenkung um das Zylindergelenk 14 durch. Das Schließen des Tores 38 erfolgt dann entsprechend wieder durch Ausfahren der Kolbenstange 8.
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Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist dann entsprechend ein Beschleunigungssensor 24 im Bereich des Zylindergelenkes 14 angeordnet. Ein weiterer, in 1 nicht dargestellter Beschleunigungssensor 44 ist am Zylindergehäuse 4 und der Beschleunigungssensor 26 am Zylinderkopf angeordnet. Ein vierter Beschleunigungssensor 22 ist dann - wie in 1 erläutert - am Gelenk 16 vorgesehen, über das die Kolbenstange 8 mit der Konsole 36 verbunden ist. Der Druck innerhalb des Hydrozylinders 2 wird über die in 2 nicht dargestellten Drucksensoren 28, 30 erfasst.
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Bei der Erfassung von Stick-Slip-Effekten wird es bevorzugt, wenn die Beschleunigungssensoren 24, 26, 44 jeweils in Axialrichtung des Zylinders angeordnet sind. Der kolbenstangenseitige Beschleunigungssensor 16 ist in Längsrichtung der Kolbenstange 8 und somit ebenfalls in Axialrichtung des Hydrozylinders 2 orientiert.
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Prinzipiell können die zylinderseitigen Sensoren auch in Radialrichtung angeordnet werden - es zeigte sich jedoch, dass mit einer derartigen Relativpositionierung die Stick-Slip-Effekte nicht so gut wie bei einer Anordnung in Axialrichtung erfassbar sind.
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Stark schematisiert und beispielhaft sind in den 3 und 4 die mit den Beschleunigungssensoren 26 (Zylinderkopf), 24 (Zylindergelenk) und 44 (Zylindergehäuse) erfassten Signale dargestellt, wobei die Beschleunigung (m/s2) über der Zeit aufgezeichnet ist. Man erkennt, dass die Amplitude der vom Sensor 26 erfassten Schwingungen deutlich größer ist als diejenige der über die Sensoren 24 und 44 erfassten Beschleunigungen. Die Periode der Schwingungen ist in etwa gleich. Da diese Messsignale von Störsignalen überlagert sind, werden statistische Methoden angewendet, um die Auswertung zu erleichtern.
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5 zeigt dabei eine Kreuzkorrelation der Beschleunigungswerte, die über die Sensoren 44 (Zylindergehäuse) und 26 (Zylinderkopf) erfasst wurden. Bei einer derartigen Kreuzkorrelation wird - stark vereinfacht gesagt - ein um einen Wert Ƭ verschobenes Signal des einen Beschleunigungssensors mit demjenigen des anderen Sensors multipliziert und das Ergebnis integriert. Wenn beide Signale im Prinzip gleich sind, aber zeitlich um den Wert ΔƬ verschoben sind, so wird die Korrelationsfunktion bei ΔƬ ein Maximum haben.
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5 zeigt eine derartige Kreuzkorrelation über den gesamten Zeitbereich von -5 bis +5 Sekunden. 6 zeigt den in 5 markierten Bereich in einer stark vergrößerten Detaildarstellung, in dem ein Zeitbereich von etwa -5 bis +5 Millisekunden (ms) dargestellt ist. Man erkennt in dieser Darstellung, dass der vorbeschriebene Zeitversatz ΔƬ etwa +0.2 ms beträgt. Das bedeutet, dass die Vibration am Zylindergehäuse (Signal des Beschleunigungssensors 44) der Vibration am Zylinderkopf 20 (Beschleunigungssensor 26) etwas voreilt. Wie insbesondere der Darstellung gemäß 5 entnehmbar ist, nimmt die Korrelation im Bereich der von „0“ entfernten Zeiten stark ab.
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7 zeigt nun der 6 entsprechende Kreuzkorrelationen bei unterschiedlichen Hüben der Kolbenstangen. Man erkennt in dieser Darstellung, dass sich die Signalverschiebung ΔT mit zunehmendem Hub zum Negativen hin verändert. Daraus lässt sich ableiten, dass die resultierenden Schwingungen und die damit einhergehenden Stick-Slip-Effekte vom Hub des Kolbens abhängig sind.
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Falls der Hauptgrund der Störungen im Bereich des Zylinderkopfes 20 angeordnet wäre, so wäre diese Zeitverschiebung ΔT, die durch den Scheitel der Kennlinien gemäß den 6 und 7 wiedergegeben ist, mehr oder weniger konstant und hätte einen negativen Wert. Mit anderen Worten gesagt, aus der vom Hub abhängigen Veränderung der Zeitverschiebung kann ohne weiteres gefolgert werden, dass die Stick-Slip-Effekte aus dem Inneren des Hydraulikzylinders, insbesondere aus der Konfiguration des Kolbens resultieren. Dabei handelt es sich weniger um ein klassisches Stick-Slip-Phänomen sondern eher um Vibrationen aufgrund einer extremen dynamischen Reibung und/oder hoher Adhäsion im Bereich der Anlage des Kolbens an das Zylindergehäuse.
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Diese hochdynamische Reibung kann auch durch eine geeignete Wahl des Druckmittels minimiert werden.
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8 zeigt schließlich noch eine Möglichkeit, wie aus den Signalen der Drucksensoren 28, 30 die im Hydrozylinder 2 wirkenden Kräfte bestimmbar sind. Über die beiden Sensoren 28, 30 wird der Druck pz im Druckraum 12 und der Druck ps im Ringraum 10 erfasst. Die in Öffnungsrichtung Fo und in Schließrichtung Fs wirkenden Kräfte lassen sich dann ohne Weiteres aus dem Druck und den Wirkflächen A (Bodenfläche) und AR (Ringfläche) des Kolbens 6 berechnen. Die von der Kolbenstange 8 zu tragende Last Fgrav entspricht dem in Schwerkraft wirkenden Gewicht des Tors 38. Diese Gewichtskraft summiert sich zur Kraft Fa und wirkt entgegengesetzt zur in Schließrichtung wirkenden Kraft Fs . Die Reibkraft FR errechnet sich dann aus der Differenz zwischen der Kraft Fo und Fs geteilt durch 2 (FR = (Fo + Fs) / 2).
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Diese aus der Reibung resultierende Kraft kann dann ebenfalls bei der Auswertung der Messergebnisse einfließen. Zeigt sich beispielsweise, dass diese Reibkraft im Laufe der Nutzungsdauer des Hydrozylinders 2 steigt, ist ein Problem im Bereich der Dichtung oder aber eine Zunahme der Rauigkeit der Zylinderlaufbahn oder des Kolbens 6/der Kolbenstange 8 aufgrund eines vorzeitigen Verschleißes zu vermuten.
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Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, ohne großen Aufwand Funktionsstörungen eines hydraulischen Aktors, beispielsweise eines Hydrozylinders, zu erfassen und rechtzeitig einzugreifen.
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Dabei wird es bevorzugt, wenn die vorgenannten Kräfte in einem Zustand der Einrichtung aufgenommen werden, bei dem äußere Einflüsse auf die Reibkräfte, beispielsweise das Abgleiten einer Dichtlippe auf dem Fundament oder dergleichen, minimal sind.
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Bei einem derartigen Wehr 33 können aufgrund des hohen Gewichtes des Tors 38 zwei oder mehr Hydrozylinder 2 zum Betätigen verwendet werden. In diesem Fall wird dann vorzugsweise jeder der Hydrozylinder 2 mit einer Sensoranordnung gemäß den vorstehenden Ausführungen ausgeführt, so dass im Betrieb auch die einzelnen, einander entsprechenden Sensorsignale der parallel wirkenden Hydrozylinder 2 verglichen werden können, um Rückschlüsse auf Fehlfunktionen, wie beispielsweise ein Voreilen eines Hydrozylinders oder dergleichen, vornehmen zu können.
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Offenbart sind eine Einrichtung und ein Verfahren zum Erfassen von Funktionsstörungen zumindest eines hydraulischen Aktors, wobei über mehrere Beschleunigungssensoren Schwingungen des Aktors erfasst und mit einander verglichen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2016/096548 A1 [0002]
- EP 2138744 B1 [0003]
