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Die Erfindung betrifft einen Kolbenspeicher gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Aus der
EP 3 129 661 B1 ist ein Kolbenspeicher bekannt, bei dem die Stellung des Kolbens mittels einer Laserentfernungsmessung ermittelbar ist. Die entsprechende Strahlungsquelle und der entsprechende Strahlungssensor sind dabei außerhalb des Zylinders angeordnet, wobei im Strahlengang ein transparentes Element angeordnet ist, welches einen zweiten Fluidraum im Zylinder abschnittsweise begrenzt.
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Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Füllstandsmessung besonders zuverlässig arbeitet. Weiter kann die entsprechende Sensorbaugruppe besonders einfach am Zylinder montiert werden.
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Gemäß dem selbständigen Anspruch wird vorgeschlagen, dass die erste und/oder die zweite Oberfläche derart geneigt zur Längsachse angeordnet sind, dass die an der ersten bzw. der zweiten Oberfläche reflektierten elektromagnetischen Wellen an der Messfläche des Strahlungssensors und/oder am Reflexionsbereich vorbei laufen. Damit können die genannten reflektierten elektromagnetischen Wellen die Entfernungsmessung nicht mehr stören.
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Die an der ersten Oberfläche reflektierten elektromagnetischen Wellen könnten ohne die erfindungsgemäße Ausbildung des transparenten Elements unmittelbar zur Messfläche laufen und dort die Messung stören. Die an der zweiten Oberfläche reflektierten elektromagnetischen Wellen könnten nach einer weiteren Reflektion an einer Innenoberfläche des zweiten Fluidraums zur Messfläche hin reflektiert werden.
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Der zweite Fluidraum ist vorzugsweise druckdicht verschlossen, wobei das zweite Druckfluid unter einem vorgegebenen Vorspanndruck steht, wenn der zweite Fluidraum ein maximales Volumen aufweist. Die Messfläche ist vorzugsweise die Fläche, an welcher die Messung bzw. die Sensierung der elektromagnetischen Wellen stattfindet. Vorzugsweise ist ein einziges transparentes Element vorgesehen. Es ist aber auch denkbar, dass der Strahlungsquelle und dem Strahlungssensor jeweils ein gesondertes transparentes Element zugeordnet sind. Das transparente Element besteht vorzugsweise aus Glas. Das Glas kann so ausgeführt werden, dass bei paralleler Anordnung der ersten und der zweiten Oberfläche keine störende Reflexion entsteht.
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Bei dem ersten Druckfluid handelt es sich vorzugsweise um eine Flüssigkeit und höchst vorzugsweise um Hydrauliköl. Die elektromagnetischen Wellen haben vorzugsweise eine Wellenlänge im Bereich des sichtbaren Lichts, also zwischen 380 und 750 nm. Vorzugsweise handelt es sich um monochromatische und kohärente elektromagnetische Wellen, insbesondere um Laserstrahlen. Vorzugsweise sind die Strahlenquelle und der Strahlensensor an eine Auswerteeinrichtung angeschlossen, welche so eingerichtet ist, dass unter Verwendung der Strahlenquelle und des Strahlensensors die Stellung des Kolbens im Zylinder ermittelbar ist. Vorzugsweise wird hierbei die Laufzeit der elektromagnetischen Wellen zwischen der Strahlungsquelle und dem Strahlungssensor gemessen.
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Die Oberfläche des Reflexionsbereichs ist vorzugsweise so ausgeführt, dass die elektromagnetischen Wellen gut reflektiert werden. Es kann daran gedacht sein, den Reflexionsbereich zu verspiegeln. Dies ist bei einer auf einem Laserstrahl basierenden Entfernungsmessung aber typischerweise nicht erforderlich. Hier reicht eine farblich helle Oberflächengestaltung aus.
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Der Reflexionsbereich ist der Oberflächenbereich des Kolbens, an dem die für die Entfernungsmessung erwünschte Reflektion der elektromagnetischen Wellen stattfindet. Bei Verwendung einer elektromagnetischen Welle in Form eines Laserstrahls misst der Reflexionsbereich beispielsweise 1 mm im Durchmesser. Bei anderen elektromagnetischen Wellen kann er deutlich größer sein.
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In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung angegeben.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Strahlenquelle, der Strahlensensor und das wenigstens eine transparente Element zu einer Sensorbaugruppe zusammengefasst sind, welche als Ganzes am Zylinder montierbar ist. Die genannten Teile sind vorzugsweise in oder an einem gemeinsamen Gehäuse aufgenommen, wobei das Gehäuse am Zylinder befestigt ist. Damit kann die Sensorbaugruppe besonders einfach am Zylinder montiert werden. Insbesondere im Fall einer Störung kann sie ausgewechselt werden, ohne dass hierbei auf die relative Ausrichtung der genannten Teile Rücksicht genommen werden muss. Vorzugsweise ist die Baugruppe von externen Lichtquellen geschützt.
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Es kann vorgesehen sein, dass ein Abschnitt einer Außenoberfläche der Sensorbaugruppe den zweiten Fluidraum begrenzt, wobei der genannte Abschnitt eine hydraulisch wirksame Fläche definiert, welche höchstens 50% der hydraulisch wirksamen Fläche des Kolbens beträgt. Damit ist die durch den Druck im zweiten Fluidraum auf die Sensorbaugruppe bewirkte Kraft klein. Es versteht sich, dass die hydraulisch wirksame Fläche der Sensorbaugruppe so klein wie möglich sein soll. Dabei soll jedoch genügend Raum für eine ungestörte Führung des Strahlengangs zwischen Strahlungsquelle und Strahlungssensor vorhanden sein. Unter der hydraulisch wirksamen Fläche soll insbesondere die Projektion der entsprechenden Flächen in Richtung der Längsachse verstanden werden, also die Fläche, die für eine in Richtung der Längsachse gerichtete hydraulische Kraft maßgeblich ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Sensorbaugruppe ein Außengewinde umfasst, wobei die Sensorbaugruppe ausschließlich mittels dieses Außengewindes am Zylinder befestigt ist. Der Strahlengang verläuft vorzugsweise innerhalb des Außengewindes. Das Außengewinde ist vorzugsweise so angeordnet, dass dessen Durchmesser die hydraulisch wirksame Fläche der Sensorbaugruppe definiert. Der Zylinder ist vorzugsweise mit einem Innengewinde versehen, in welches das genannte Außengewinde eingeschraubt ist. Vorzugsweise ist dem Außengewinde eine Anschlagfläche an der Sensorbaugruppe zugeordnet, welche mit dem verbleibenden Kolbenspeicher verspannbar ist, indem das Außengewinde in das genannte Innengewinde eingeschraubt wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Mittelachse des Außengewindes parallel zur Längsachse ausgerichtet ist. Die genannte Anschlagfläche ist vorzugsweise senkrecht zur Längsachse ausgerichtet. Die Mittelachse des Außengewindes kann konzentrisch zur Längsachsachse angeordnet sein. Es ist aber auch denkbar, dass die Mittelachse des Außengewindes mit Abstand zur Längsachse bzw. zur Mittelachse des Kolbens angeordnet ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass benachbart zum Außengewinde eine Schlüsselfläche an der Sensorbaugruppe angeordnet ist, welche so angeordnet ist, dass sie von außen zugänglich ist, wenn die Sensorbaugruppe am Zylinder montiert ist. Damit kann die Sensorbaugruppe besonders einfach am Zylinder montiert werden. Die Schlüsselfläche ist bezüglich der Längsachse vorzugsweise zwischen dem Außengewinde und dem wenigstens einen transparenten Element angeordnet.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Sensorbaugruppe ein erstes und ein gesondertes zweites Gehäuseteil umfasst, wobei das erste Gehäuseteil unmittelbar am Zylinder befestigt ist, wobei das wenigstens eine transparente Element zwischen dem ersten und dem zweiten Gehäuseteil aufgenommen ist. Damit kann das transparente Element sehr massiv ausgeführt werden, wobei es dennoch einfach herstellbar sind. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Neigung besonders einfach bereitgestellt werden. Das Außengewinde und/oder die Schlüsselfläche und/oder die Anschlagfläche sind vorzugsweise am ersten Gehäuseteil angeordnet.
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Es kann vorgesehen sein, dass die erste und die zweite Oberfläche am wenigstens einen transparenten Element jeweils eben ausgebildet sind, wobei die erste und die jeweils zugeordnete zweite Oberfläche parallel zueinander angeordnet sind, wobei die die erste und die zweite Oberfläche unter einem von 90° verschiedenen Neigungswinkel zur Längsachse ausgerichtet sind. Der Umriss des wenigstens einen transparenten Elements ist vorzugsweise jeweils kreisrund ausgebildet. Der genannte Neigungswinkel liegt vorzugsweise zwischen 75° und 89°. Wenn mehrere transparente Elemente vorhanden sind, sind vorzugsweise alle ersten und zweiten Oberflächen parallel zueinander angeordnet.
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Es kann vorgesehen sein, dass das erste und das zweite Gehäuseteil an einer ebenen Fügefläche aneinander angrenzen, welche parallel zur ersten und zur zweiten Oberfläche ausgerichtet ist. Das erste und das zweite Gehäuseteil können an der Fügefläche unmittelbar aneinander anliegen. Vorzugsweise ist dort ein enger Spalt vorgesehen, der eine definierte Klemmung des transparenten Elements gewährleistet. Das erste und das zweite Gehäuseteil grenzen vorzugsweise ausschließlich an der Fügefläche aneinander an. Sie sind vorzugsweise miteinander verschraubt.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Fügefläche in einer Flucht entweder mit der ersten oder mit der zweiten Oberfläche angeordnet ist, wobei das eine, erste oder zweite, Gehäuseteil eine ebene Anlagefläche aufweist, an welcher sowohl das wenigstens eine transparente Element als auch das andere, zweite oder erste, Gehäuseteil anliegt. Das wenigstens eine transparente Element ist vorzugsweise in einer angepassten Ausnehmung im anderen, zweiten oder ersten, Gehäuseteil aufgenommen.
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Es kann vorgesehen sein, dass eine Innenoberfläche des zweiten Fluidraums abseits des genannten Reflexionsbereichs so ausgebildet ist, dass sie die elektromagnetischen Wellen absorbiert. Wenn es sich bei den elektromagnetischen Wellen um sichtbares Licht handelt, ist die genannte Innenoberfläche hierfür vorzugsweise dunkel, insbesondere schwarz eingefärbt.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
- 1 einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Kolbenspeichers;
- 2 einen vergrößerten Ausschnitt der 1 im Bereich der Sensorbaugruppe; und
- 3 eine grobschematische Darstellung des Strahlengangs zwischen Strahlenquelle und Strahlensensor.
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1 zeigt einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Kolbenspeichers 10. Der Kolbenspeicher 10 umfasst einen Zylinder 20, in welchem ein Kolben 23 in Richtung einer Längsachse 11 linearbeweglich aufgenommen ist. Die Innenquerschnittsform des Zylinders 20 ist beispielsweise kreisrund bezüglich der Längsachse 11 ausgebildet. Der Kolben 23 grenzt einen ersten und einen zweiten Fluidraum 21; 22 fluid- und druckdicht voneinander ab. Der erste Fluidraum 21 bildet das Speichervorlumen des Kolbenspeichers 10. Über einen Fluidanschluss 26 am Zylinder 20 kann ein erstes Druckfluid in den ersten Fluidraum 21 eingefüllt oder aus diesem entnommen werden. Bei dem ersten Druckfluid handelt es sich vorzugsweise um eine Flüssigkeit und höchst vorzugsweise um Hydrauliköl. Der zweite Fluidraum 22 ist im Normalbetrieb fluiddicht verschlossen, wobei dort ein gasförmiges zweites Druckfluid, beispielsweise Stickstoff, eingefüllt ist. Das zweite Druckfluid kann über ein Füllventil 27 in den zweiten Fluidraum 22 eingefüllt werden, so dass es einen vorgegebenen Vorspanndruck aufweist, wenn der zweite Fluidraum 22 sein größtes Volumen einnimmt. Weiter kann ein Ablassventil 28 vorgesehen sein, über welches das zweite Druckfluid aus dem zweiten Fluidraum 22 entnehmbar ist, um diesen drucklos zu machen. An dem Zylinder 20 ist eine Sensorbaugruppe 30 befestigt.
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2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der 1 im Bereich der Sensorbaugruppe 30. Die Sensorbaugruppe 30 umfasst ein Gehäuse, welches aus einem ersten und einem zweiten Gehäuseteil 40; 50 zusammengesetzt ist. Außen an dem Gehäuse, und somit außerhalb des Zylinders 20, ist mittels eines verstellbaren Halters 38 eine Unterbaugruppe 37 befestigt, welche die Strahlungsquelle und den Strahlungssensor (Nr. 31; 32 in 3) umfasst. Zwischen dem ersten und dem zweiten Gehäuseteil 40; 50 ist ein transparentes Element 60 eingespannt. Das transparente Element 60 besteht aus Glas, wobei es in Form einer ebenen Platte mit konstanter Dicke und mit einem kreisrunden Umriss ausgeführt ist. Es hat dementsprechend eine ebene erste und eine ebene zweite Oberfläche 61; 62, welche parallel zueinander angeordnet sind. Die zweite Oberfläche 62 begrenzt den zweiten Fluidraum 22 abschnittsweise, so dass der im zweiten Fluidraum 22 herrschende Druck auf das transparente Elemente 60 einwirkt. Dieses ist dementsprechend massiv ausgeführt, so dass es diesem Druck dauerhaft stand hält. Die erste Oberfläche 61 ist von der zweiten Oberfläche 62 abgewandt und dementsprechend der Unterbaugruppe 37 zugewandt.
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Das erste Gehäuseteil 40 ist mit einer ebenen Anlagefläche 47 versehen, an welcher sowohl das transparente Element 60 mit der zweiten Oberfläche 62 als auch das zweite Gehäuseteil 50 anliegen. Zwischen der Anlagefläche 47 und dem transparenten Element 60 ist ein Dichtring 35 angeordnet, so dass dort kein zweites Druckfluid aus dem zweiten Fluidraum 22 entweichen kann. Der Neigungswinkel (Nr. 13 in 3) zwischen der Anlagefläche 47 und der Längsachse (Nr. 11 in 1) beträgt vorliegend 80°. Senkrecht zur Anlagefläche 47 und konzentrisch zum transparenten Element 60 ist eine zweite Bohrung 42 im ersten Gehäuseteil 40 angeordnet, welche sich mit einer ersten Bohrung 41 im ersten Gehäuseteil 40 schneidet, die konzentrisch zur Längsachse (Nr. 11 in 1) angeordnet ist. Die erste und die zweite Bohrung 41; 42 bilden einen Freiraum zum transparenten Element 60 hin, in dem sich die elektromagnetischen Wellen 70 ungehindert ausbreiten können. Die Durchmesser der ersten und der zweiten Bohrung 41; 42 sind gerade so groß ausgeführt, dass das erste Gehäuseteil 40 die Messung der Kolbenstellung nicht stört, aber nicht größer. In der Folge bewirkt der Druck im zweiten Fluidraum nur eine vergleichsweise kleine Kraft auf die Sensorbaugruppe 30. Diese wird maßgeblich durch den Durchmesser des Außengewindes 44 an der Außenoberfläche 36 des ersten Gehäuseteils 40 bestimmt. Dort kann eine Öffnung 43 für den Strahlengang angeordnet sein, deren Durchmesser vorliegend 25% des Durchmessers des Kolbens 23 beträgt.
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Im Bereich der Öffnung 43 ist ein Außengewinde 44 am ersten Gehäuseteil 40 vorgesehen, welches in ein angepasstes Innengewinde am Zylinder 20 eingeschraubt ist. Das erste Gehäuseteil 40 ist mit einer ebenen, senkrecht zur Längsachse (Nr. 11 in 1) ausgerichteten Anlagefläche 47 versehen, mit welcher es gegen den Zylinder 20 verspannt wird. Im Bereich der Anlagefläche 47 kann ein (nicht dargestellter) Dichtring angeordnet sein, um dort den Austritt von Druckfluid aus dem zweiten Fluidraum 22 zu verhindern. Unmittelbar benachbart zum Außengewinde 44 ist eine Schlüsselfläche 46 am ersten Gehäuseteil 40 angeordnet, an welcher ein Schraubwerkzeug angesetzt werden kann, um das erste Gehäuseteil 40 in den Zylinder 20 einzuschrauben.
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Das zweite Gehäuseteil 50 ist im Wesentlichen rationssymmetrisch bezüglich der Mittelachse des transparenten Elements 60 ausgeführt. Es ist im Wesentlichen topfartig ausgebildet, so dass es eine Ausnehmung 51 hat, welche an das transparente Element 60 angepasst ist. Im Bereich der ersten Oberfläche 61 des transparenten Elements 60 ist eine dritte Bohrung 52 im zweiten Gehäuseteil 50 angeordnet, so dass die elektromagnetischen Wellen dort ungehindert von und zur Unterbaugruppe laufen können. Das erste und das zweite Gehäuseteil 40; 50 sind fest miteinander verbunden, vorzugsweise miteinander verschraubt.
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Die Fügefläche 34 wird von der Anlagefläche 47 am ersten Gehäuseteil 40 und der angepassten ebenen Gegenfläche am zweiten Gehäuseteil 50 definiert. In diesem Bereich kann ein geringes Spiel vorgesehen sein, so dass eine definierte Klemmung des transparenten Elements 60 durch die oben genannte Verschraubung gewährleistet ist.
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Die Innenoberfläche 25 des zweiten Fluidraums 22 ist abseits des Reflexionsbereichs (Nr. 24 in 3) vorzugsweise dunkel, insbesondere schwarz eingefärbt.
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3 zeigt eine grobschematische Darstellung des Strahlengangs zwischen Strahlenquelle 31 und Strahlensensor 32. Die bereits angesprochene Unterbaugruppe 37 umfasst eine Strahlenquelle 31, einen Strahlensensor 32 und eine Auswerteeinrichtung 12. Die Strahlenquelle 31 sendet eine elektromagnetische Welle 70 in Form eines ersten Laserstrahls 71 aus, welcher im Wesentlichen parallel zur Längsachse 11 ausgerichtet ist. Der erste Laserstrahl 71 wird an einem Reflexionsbereich 24 am Kolben 23 reflektiert und läuft in Form eines zweiten Laserstrahls 72 zum Strahlensensor 32 zurück. Der Strahlensensor 32 spricht dabei ausschließlich auf die solchen Laserstrahlen an, welche auf seiner Messfläche 33 einfallen. Bei dem ersten Lasterstrahl 71 kann es sich um einen gepulsten Laserstrahl handeln. Der zeitliche Abstand zwischen den Pulsen ist dabei vorzugsweise größer als die Laufzeit des Laserstrahls zwischen Strahlungsquelle 31 und Strahlensensor 32, so dass die Laufzeit der einzelnen Pulse durch Vergleich des der Strahlungsquelle 31 zugeführten Signals und dem vom Strahlensensor 32 ausgegebenen Signals ermittelt werden kann. Diese Laufzeit ist proportional zur Stellung des Kolbens 23 im Zylinder 20. Die entsprechende Auswertung wird von der Auswerteeinrichtung 12 durchgeführt, an welche die Strahlenquelle 31 und der Strahlensensor 32 angeschlossen sind. Das Ergebnis der Auswertung wird an dem Messausgang 14 ausgegeben.
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Neben der gewünschten Reflektion im Reflexionsbereich 24 kann der erste Laserstrahl 71 auch an der ersten und der zweiten Oberfläche 61; 62 reflektiert werden. Der entsprechende dritte und vierte Laserstrahl 73; 74 läuft jedoch an der Messfläche 33 des Strahlensensors 32 vorbei. Ursache hierfür ist die erfindungsgemäß gewählte Neigung der ersten und der zweiten Oberfläche 61; 62 relativ zur Längsachse 11. Aus 3 ist ersichtlich, dass bei der Auswahl des entsprechenden Neigungswinkels 13 u. a. der Abstand zwischen Strahlenquelle 31 und Messfläche 33 quer zur Längsachse 11, der Abstand zwischen Strahlenquelle 31 und erster Oberfläche 61 und der Abstand zwischen erster und zweiter Oberfläche 61; 62 berücksichtigt werden. Bei geeigneter Auswahl des entsprechenden Neigungswinkels 13 stören der dritte und der vierte Laserstrahl 73; 74 die Entfernungsmessung nicht.
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Der zweite Laserstrahl 72 kann ebenfalls an der ersten und der zweiten Oberfläche 61; 62 reflektiert werden, wodurch sich ein fünfter und ein sechster Lasterstrahl 75; 76 ergibt. Diese laufen zunächst vom Strahlensensor 32 weg. Es ist aber möglich, dass diese nach einer weiteren Reflexion an der Innenoberfläche (Nr. 25 in 2) des zweiten Fluidraums wieder zurück zum Strahlensensor 32 gelangen. Diese wird vorzugsweise dadurch unterbunden, dass die genannten Innenoberflächen absorbierend ausgeführt, insbesondere dunkel eingefärbt, werden. Dies gilt selbstverständlich nur abseits des Reflexionsbereichs 24, an dem die Reflexion des ersten Laserstrahls 71 gerade erwünscht ist. Die erfindungsgemäße Neigung bewirk, aber, dass der fünfte und der sechste Laserstrahl 75; 76 am Reflexionsbereich 24 vorbei laufen.
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Der Reflexionsbereich 24 ist vorzugsweise klein ausgeführt. Der kleinstmögliche Reflexionsbereich 24 kann erreicht werden, wenn als elektromagnetische Wellen 70 Laserstrahlen verwendet werden, da diese nahezu entfernungsunabhängig auf eine kleine Fläche fokussiert werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kolbenspeicher
- 11
- Längsachse
- 12
- Auswerteeinrichtung
- 13
- Neigungswinkel
- 14
- Messausgang
- 20
- Zylinder
- 21
- erster Fluidraum
- 22
- zweiter Fluidraum
- 23
- Kolben
- 24
- Reflexionsbereich
- 25
- Innenoberfläche des zweiten Fluidraums
- 26
- Fluidanschluss
- 27
- Füllventil
- 28
- Ablassventil
- 30
- Sensorbaugruppe
- 31
- Strahlenquelle
- 32
- Strahlensensor
- 33
- Messfläche
- 34
- Fügefläche
- 35
- Dichtring
- 36
- Außenoberfläche der Sensorbaugruppe
- 37
- Unterbaugruppe
- 38
- Halter
- 40
- erstes Gehäuseteil
- 41
- erste Bohrung
- 42
- zweite Bohrung
- 43
- Öffnung
- 44
- Außengewinde
- 45
- Anschlagfläche
- 46
- Schlüsselfläche
- 47
- Anlagefläche
- 50
- zweites Gehäuseteil
- 51
- Ausnehmung
- 52
- dritte Bohrung
- 60
- transparentes Element
- 61
- erste Oberfläche
- 62
- zweite Oberfläche
- 70
- elektromagnetische Welle
- 71
- erster Laserstrahl
- 72
- zweiter Laserstrahl
- 73
- dritter Laserstrahl
- 74
- vierter Laserstrahl
- 75
- fünfter Lasterstrahl
- 76
- sechster Lasterstrahl
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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