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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verschleißkontrolle an Hydrozyklon-Apex- oder Unterlaufdüsen mit einer Düsenwandung, einem Düsenkanal und einer Düsenöffnung, umfassend mindestens einen drahtlos auslesbaren Sensor, welcher im verschleißrelevanten Bereich der Apex- oder Unterlaufdüse angeordnet ist, gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zur Optimierung der Trennwirkung von einzelnen Hydrozyklonen oder Hydrozyklonbatterien gemäß der Lehre nach Anspruch 11.
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Aus der
DE 10 2008 011 744 A1 ist ein Verfahren zum Abscheiden von Schwerteilen aus einer Fasersuspension vorbekannt, wobei die Suspension durch einen Einlauf in einen Hydrozyklon eingeleitet und in Rotation versetzt wird.
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Zur Überwachung des Verschleißzustandes ist in der Wand des Hydrozyklons ein elektrisch leitfähiges Element, insbesondere ein Draht, als Verschleißmelder eingesetzt, dessen elektrische Leitfähigkeit mit Hilfe einer Messvorrichtung überwacht wird. Wird ein Stromfluss aufgrund veränderter elektrischer Leitfähigkeit unterbrochen, erfolgt die Abgabe eines Signals, um einen kritischen Verschleißzustand anzuzeigen.
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Die
US 4 246 576 A offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Überwachen des Betriebs von Zyklonen. Beim Vorliegen abnormaler Zustände wird ein Bediener, der sich an einer entfernteren Station befinden kann, informiert. Diesbezüglich ist eine elektrisch leitende Sonde neben der Unterlauföffnung des Zyklons in einer solchen Position angebracht, dass sie sich innerhalb des Sprühstrahles befindet. Hierdurch stellt das am Unterlauf austretende Material eine leitende Verbindung zur Sonde her. Über eine elektrische Schaltung kann ein Alarm dann ausgelöst werden, wenn eine Erhöhung des spezifischen elektrischen Widerstandes im Messpfad eintritt.
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Auch bei der
US 6 945 098 B2 wird zur Erfassung des Verschleißes in Hydrozyklonen, welche abrasive Substanzen aufnehmen, auf einen Erkennungssensor zurückgegriffen, der als Körper, bestehend aus einem elektrischen Material ausgeführt ist. Wenn durch die abrasiven Materialien sich eine Leitfähigkeitsveränderung des isolierenden Materials im Hinblick auf dort eingebrachte elektrische Leiter ergibt, wird hieraus auf einen eingetretenen Verschleiß geschlussfolgert.
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Bei der Vorrichtung zur Zustandsüberwachung und Erfassung des Verschleißzustandes in Hydrozyklonen gemäß
WO 2012/085549 A1 kommen Vibrations- oder Dehnungssensoren zum Einsatz.
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Bei der gattungsbildenden
WO 2018/029574 A wird einerseits eine Strahlüberwachung am Unterlauf und andererseits eine Verschleißanalyse der Unterlaufdüse vorgenommen. Ein diesbezügliches Hydrozyklon-Managementsystem weist zunächst Piezosensoren auf, die in der Lage sind, ein verändertes Schwingungsverhalten am Unterlauf festzustellen, woraus auf eine Veränderung der Strahlform bzw. einen Strahlumschlag geschlossen werden kann.
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Weiterhin wird in den Düsenbereich am Unterlauf des Hydrozyklons eine Spulenanordnung eingebracht, welche dem abrasiven Strahl des den Unterlauf passierenden Gemenges ausgesetzt ist. Veränderungen der elektrischen Eigenschaften der in den Strahl eingebrachten Spulenanordnung werden erfasst und drahtlos an das Managementsystem weitergeleitet.
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Sowohl die Piezo-Sensorik als auch die Spulenanordnung zur Verschleißbestimmung benötigen eine Stromversorgung, die bei einem Beispiel der dortigen Lehre als Batterie- oder Akkumulatorsystem ausgeführt ist.
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Nachteilig bei diesem vorbekannten Lösungsansatz ist die Notwendigkeit der Stromversorgung für die Sensorik und die Tatsache, dass insbesondere die Sensorik zur Verschleißermittlung ständig dem Unterlaufstrahl ausgesetzt ist. Darüber hinaus ist der Verschleiß der Materialien für die Spulenanordnung nicht unbedingt komplementär und vergleichbar mit dem Verschleiß des Düsenmaterials mit der Folge, dass entweder ein tatsächlicher Verschleiß der Düse zu spät erkannt wird oder bei einer signifikanten Zerstörung der Spulenanordnung auf eine Verschleißsituation der Apexdüse geschlussfolgert wird, die tatsächlich noch nicht gegeben ist.
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Aus dem Vorgenannten ist es Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Vorrichtung und ein zugehöriges Verfahren zur Verschleißkontrolle an Hydrozyklon-Apex- oder Unterlaufdüsen anzugeben, welches die vorstehend geschilderten Nachteile des Standes der Technik nicht mehr aufweist. Insbesondere soll die zu schaffende Vorrichtung auf einer Sensorik basieren, die keiner Stromversorgung bedarf. Darüber hinaus sollen die Kosten für die einzusetzenden Sensoren geringgehalten werden, um auch bei Hydrozyklonbatterien mit einer Vielzahl von Düsenanordnungen den technischen Aufwand zur Verschleißkontrolle überschaubar zu halten.
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Weiterhin soll die Vorrichtung so konzipiert werden, dass auch ein Nachrüsten von Unterlaufdüsen für Zyklone, insbesondere Hydrozyklone, erfolgen kann.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt vorrichtungsseitig durch die Merkmalskombination gemäß Anspruch 1 sowie im Hinblick auf das Verfahren durch die Lehre gemäß Patentanspruch 11, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
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Es ist bekannt, dass an Hydrozyklonen aufgrund der Funktions- und Arbeitsweise alle eingesetzten Bauteile auf Verschleiß beansprucht werden. Insbesondere unterliegt die sogenannte Apex- oder Unterlaufdüse einem erheblichen Verschleiß.
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Im Hinblick auf die industrielle Umgebung an den Einsatzorten, wo Zyklone Anwendung finden, wird in vielen Fällen die notwendige Wartung und Pflege der Düsen unterlassen. Die Folge ist, dass die Trennwirkung des jeweiligen Zyklons nachlässt. Da die Öffnungsfläche einer Apexdüse einen signifikanten Einfluss auf die Trennwirkung des Hydrozyklons hat, kann bei einem erhöhten Verschleiß Wertprodukt im Unterlauf verlorengehen oder es wird das Unterlaufprodukt mit Feinkorn verunreinigt, welches eigentlich am Überlauf abzuziehen wäre.
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Es ist daher zum Betreiben von Zyklonen wünschenswert, eine Information über den Fortschritt des nie zu vermeidenden Verschleißes der Apexdüse zu erhalten, um gegebenenfalls Wartungsmaßnahmen vorzunehmen, insbesondere einen Austausch der entsprechenden Düsen in die Wege zu leiten.
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Diesbezüglich wird eine Vorrichtung zur Verschleißkontrolle an Hydrozyklon-Apex- oder Unterlaufdüsen mit Düsenwandung, einem Düsenkanal und einer Düsenöffnung vorgeschlagen, welche mindestens einen drahtlos auslösbaren Sensor umfasst, welcher im verschleißrelevanten Bereich der Apex- oder Unterlaufdüse angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß ist der mindestens eine Sensor als passiver RFID-Tag ausgebildet.
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Bei RFID-Tags bzw. RFID-Transpondern handelt es sich um ein Bauteil mit einer anwendungsspezifisch integrierten Schaltung und einer Spulenanordnung, die als Antenne agiert. Diese Komponenten werden in ein schützendes Material, insbesondere Kunststoff, eingebettet. Bei den erfindungsgemäß eingesetzten passiven RFID-Tags ist keine integrierte oder externe Stromquelle vorhanden oder notwendig. Vielmehr bezieht ein derartiger Tag seine Energie über die von einem RFID-Leser ausgesendeten elektromagnetischen Wellen. Die elektromagnetischen Wellen induzieren einen Strom in die Tag-Antenne, so dass eine Kommunikation zwischen dem RFID-Tag und der Leseeinrichtung möglich ist.
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Der als passiver RFID-Tag ausgebildete Sensor wird in der Düsenwandung derart im Abstand zum Düsenkanal oder zur Düsenöffnung eingebettet bzw. angeordnet, dass mit zunehmendem Verschleiß und Erweiterung des Düsenkanals oder der Düsenöffnung der RFID-Tag freiliegt und letztendlich durch das abrasive Material, das den Unterlauf passiert, zerstört wird.
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Der eingesetzte RFID-Tag besitzt eine entweder bereits eingeschriebene oder später einschreibbare Kennung, die der betreffenden Unterlaufdüse zugeordnet ist, so dass eine Identifikation der entsprechenden Düse mit Hilfe des beschriebenen RFID-Lesers erfolgen kann.
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Zur Verschleißkontrolle kann zum Beispiel in Betriebspausen durch Annäherung eines an sich bekannten und handelsüblichen RFID-Lesers an die betreffende Hydrozyklon-Unterlaufdüse festgestellt werden, ob auf ein Induzierungssignal hin der RFID-Tag noch antwortet. Im Falle einer vorliegenden Antwort steht dann fest, dass ein über das verträgliche Maß hinausgehender Verschleiß noch nicht eingetreten ist. Wird dann zum Beispiel nach einer definierten Anzahl von Betriebsstunden ein erneutes Auslesen vorgenommen und kein RFID-Tag mehr erkannt, bedeutet dies, dass die maximal mögliche Verschleißgrenze erreicht ist und ein Austausch der Düse erfolgen muss.
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Dadurch, dass handelsübliche RFID-Tags flachbauend und kleindimensioniert sind, ist die Anordnung eines solchen Tags oder einer Gruppe von Tags in der Düsenwandung unproblematisch.
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Die Materialmenge des durch das abrasive Material zerstörten Tags ist außerordentlich gering und kann im Hinblick auf die üblicherweise behandelten Volumina an Suspensionen vernachlässigt werden.
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Wie bereits erläutert, ist über eine RFID-Leseeinheit, die von außen an die jeweilige Düse auch unter einem gewissen Abstand anlegbar oder heranführbar ist, die Möglichkeit gegeben, die An- oder Abwesenheit des jeweiligen RFID-Tags zu prüfen und damit den Verschleißzustand der entsprechenden Düse festzustellen.
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In Weiterbildung der Erfindung können in der Düsenwandung mehrere RFID-Tags eingebettet werden, wobei sich die RFID-Tags ausgehend von der Längsachse des Düsenkanals oder vom Mittelpunkt der Düsenöffnung in unterschiedlichem, radialen Abstand befinden, so dass ein fortschreitender Verschleiß bestimmbar ist. Hier kann die Zuordnung der einzelnen Tags und deren Abstand von der Innenwandung des Düsenkanals im Sinne einer Ampelfunktion festgelegt oder definiert werden. Ist beim Abfragen der Anwesenheit von RFID-Tags eine Signalabgabe „Grün“ gegebenen, ist noch kein nennenswerter Verschleiß festzustellen. Wird bei einer folgenden Abfrage ein Signal „Gelb“ angezeigt, bedeutet dies, dass bei beispielhaft drei im Abstand voneinander angeordneten RFID-Tags der am dichtesten zur Öffnung oder zum Düsenkanal liegende RFID-Tag bereits zerstört und nicht mehr vorhanden ist. Es besteht jedoch noch nicht zwingend die Notwendigkeit, einen Austausch der Düse in die Wege zu leiten, das heißt die entsprechende Anlage mit Hydrozyklon kann noch weiter betrieben werden. Eine Wartung oder ein Austausch sollte bereits planungstechnisch berücksichtigt werden.
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Wenn bei einer weiteren Messung dann „Rot“ signalisiert wird, bedeutet dies, dass auch der zweite RFID-Tag bereits zerstört wurde, und zwar aufgrund eines fortschreitenden Verschleißzustandes im Düseninneren. Eine entsprechende Wartung, das heißt ein Austausch der Düsenanordnung sollte nunmehr erfolgen, um die Trennungswirkung des Hydrozyklons nicht nachteilig zu beeinflussen.
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Weiterhin besteht die Möglichkeit, auch in Längsrichtung des Düsenkanals mehrere, beabstandete RFID-Tags in der Düsenwandung anzuordnen, um beispielsweise einen über den Düsenkanal unterschiedlich verlaufenden Verschleiß bestimmen zu können.
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Wenn mehrere RFID-Tags in der Düsenwandung angeordnet werden, ist es von Vorteil zur Vermeidung einer unnötigen Materialschwächung des Düsenmantels diese RFID-Tags versetzt anzuordnen, zum Beispiel in einer schraubenlinienförmigen Weise.
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Von besonderem Vorteil im Sinne eines unkompliziert und einfachen Auslesens der RFID-Tags hinsichtlich ihrer Identifikationsdaten bzw. der An- und Abwesenheit ist es, wenn die Apex- oder Unterlaufdüse des Hydrozyklons aus einem Kunststoffmaterial, insbesondere Polyurethan oder dergleichen besteht.
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Mit passiven RFID-Tags im Niederfrequenz- bis Hochfrequenzbereich können Distanzen im Wesentlichen um 0,5 m ausgelesen werden. Bei RFID-Tags, welche im Ultrahochfrequenzbereich betrieben werden, sind Abtastmöglichkeiten im Bereich von mehreren Metern realisierbar, wobei die tatsächliche Entfernung auch von der Leistungsfähigkeit des RFID-Lesers abhängt.
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Wenn entsprechend leistungsfähige RFID-Leser Anwendung finden, ist es möglich, die An- oder Abwesenheit der in den entsprechenden Unterlaufdüsen befindlichen RFID-Tags auch festzustellen, ohne in den Sicherheitsbereich einer im Betrieb befindlichen Anlage einzugreifen bzw. ohne diese abschalten zu müssen.
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Zusätzlich besteht die Möglichkeit, im Speicher der eingesetzten passiven RFID-Tags Daten im Sinne von Düsen- oder Anlageparametern sowie zur Identifikation der Düse im Sinne von Material oder Baujahr abzuspeichern, um beim Auslesen und Verarbeiten der entsprechenden Daten eine eindeutige Zuordnung Tag/Düse zu erreichen und zusätzliche Informationen über die Langzeitstabilität der Zyklone nebst Düsen, insbesondere in Abhängigkeit von den Eigenschaften der aufgegebenen Suspension zu gewinnen.
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Die erwähnten RFID-Tags können im Kunststoffmaterial eingebettet, insbesondere eingegossen werden. Dies kann unmittelbar bei der Herstellung der Düsen erfolgen.
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Es sei an dieser Stelle noch einmal deutlich herausgearbeitet, dass die eingesetzten RFID-Tags bis zum Erreichen einer durch Anordnung des Tags in der Düsenwandung vorgebbaren Verschleißgrenze keinen Kontakt mit dem jeweiligen Hydrozyklon-Massenstrom haben. Dies bedeutet, dass die RFID-Tags bis zum Erreichen der relevanten Verschleißgrenze und der Zerstörung des Tags auch weitere Funktionen übernehmen können, beispielsweise die Überwachung der Temperatur oder auch des Druckes im Düsenbereich, wenn insofern, Tags zum Einsatz kommen, die auf ihrem Chip einen temperatur- oder druckempfindlichen Bereich aufweisen.
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Bei einer Nachrüstvariante besteht die Möglichkeit, in die Düsenwandung mindestens eine Sacklochöffnung einzubringen, wobei die Tiefe der Sacklochöffnung, respektive der verbleibende Abstand des Sacklochgrundes zum Düsenkanal die Verschleißgrenze definiert. Nachdem ein RFID-Tag oder -Chip eingesetzt wurde, wird die verbleibende Sacklochöffnung verschlossen.
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Bei dem Verfahren zur Optimierung der Trennungswirkung von Einzelzyklonen oder Hydrozyklonbatterien kommt die oben geschilderte erfindungsgemäße Vorrichtung unter Nutzung passiver RFID-Tags zum Einsatz. Verfahrensgemäß erfolgt eine kontinuierliche oder diskontinuierliche Prüfung der An- oder Abwesenheit des oder der jeweiligen RFID-Tags bezüglich der jeweiligen Düse. Wird durch festgestellte Abwesenheit des entsprechenden RFID-Tags auf das Erreichen einer nicht mehr akzeptablen Verschleißgrenze geschlossen, erfolgt ein Austausch der Düse.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
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Hierbei zeigen:
- 1 eine prinzipielle Darstellung des Unterlaufes eines (nicht gezeigten) Hydrozyklons mit Unterlaufdüse, angedeutetem eingesetzten RFID-Tag sowie RFID-Lesegerät; und
- 2 eine Längsschnittdarstellung durch eine beispielhafte Apexdüse mit eingesetztem bzw. eingebetteten RFID-Tag als Verschleißsensor.
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Gemäß 1 ist am Unterlauf 1 eines nicht dargestellten Hydrozyklons ein Abschnitt vorgesehen, der in eine sogenannte Apex- oder Unterlaufdüse 2 übergeht.
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Ein Schlauch 3 ist über einen Längsaußenabschnitt der Apexdüse 2 geschoben und mit Hilfe einer Schelle 3 fixiert.
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Die Apexdüse 2 ist austauschbar ebenfalls mit Hilfe einer Schelle 4 am Unterlaufrohr 5 befestigt.
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Im Inneren der Apexdüse 2, das heißt in der Düsenwandung ist ein passiver RFID-Tag 6 eingesetzt.
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Dieser RFID-Tag steht nicht in Kontakt mit dem Düsenkanal 7 bzw. der Düsenöffnung 8.
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Mit Hilfe eines RFID-Lesegerätes 9 kann drahtlos die An- oder Abwesenheit des passiven RFID-Tags 6 festgestellt und angezeigt werden.
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Wenn sich mit zunehmendem Verschleiß der Querschnitt des Düsenkanals 7 und damit auch die Düsenöffnung 8 vergrößert, geht dies mit einem Abrieb des Materials der Düse 2 einher.
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Nach signifikanter Zeit ist im Abschnitt A (siehe 2) so viel Düsenmaterial, insbesondere Kunststoffmaterial, abgetragen, dass der RFID-Tag 6 zunehmend freiliegt und letztendlich aufgrund der abrasiven Wirkung des strömenden Materials zerstört wird.
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Infolge dieser Zerstörung ist bei einer kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Prüfung mit Hilfe des RFID-Lesegerätes 9 der Verlust des Tags 6 feststellbar. Hieraus kann auf das Erreichen einer Verschleißgrenze geschlussfolgert werden.
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Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, ausgehend von der Längsachse 10 des Düsenkanals 7 bzw. ausgehend vom Mittelpunkt der Düsenöffnung 8 mehrere RFID-Tags 6 entsprechend radial beabstandet in die Düsenwandung 11 einzubetten, um einen fortschreitenden Verschleiß mit einhergehender fortschreitender Vergrößerung des Querschnittes der Düsenöffnung bzw. des Düsenkanals ermitteln zu können.
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Wenn der oder die RFID-Tags 6 nicht bereits im Herstellungsprozess der entsprechenden Düse 2 eingegossen werden, kann in die Düsenwandung 11 eine Sacklochbohrung eingebracht und in die entstandene Öffnung ein RFID-Tag 6 eingesetzt werden, die anschließend wieder mit einem bevorzugt nicht-ferromagnetischen Material 12, insbesondere mit einem 2-Komponenten-Reparatur Polyurethan, verschlossen wird.
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Bei der Ausbildung mehrerer RFID-Tags 6 in der Düsenwandung 11 werden selbige versetzt eingebracht, um eine Materialschwächung des Düsenmantels 11 auszuschließen.
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Bei einem bevorzugten Beispiel besteht die Apexdüse aus einem Kunststoffmaterial, hier wiederum insbesondere Polyurethan.
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Wenn der Abstand mehrerer, ausgehend vom Düsenkanal radial angeordneter RFID-Tags bekannt ist, besteht die Möglichkeit, über die jeweilige Kennung der RFIDs und das Feststellen eines RFID-Verlustes einen Rückschluss auf die Stärke des Düsenmaterialverschleißes zu ziehen, und zwar ohne dass ein manueller Zugang zur Düse mit entsprechender mechanischer Messung notwendig wird.
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Wie aus der Prinzipdarstellung nach 2 nachvollziehbar, ist der mindestens eine RFID-Tag 6 in Chipform und vorzugsweise flächig ausgebildet, wobei die Längsausdehnung des Tags im Wesentlichen parallel zur Längsachse 10 des Düsenkanals 7 orientiert ist, um eine schnelle Zerstörung beim Erreichen der diesbezüglich relevanten Verschleißgrenze sicherzustellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008011744 A1 [0002]
- US 4246576 A [0004]
- US 6945098 B2 [0005]
- WO 2012/085549 A1 [0006]
- WO 2018/029574 A [0007]
