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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Kupplung für
Koaxialkabel gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Eine derartige Kupplung kann in vielerlei
industriellen Anwendungen bedeutsam sein, bei denen Koaxialkabel
beispielsweise bei Wartungsarbeiten schnell und einfach auseinander-
und zusammengekuppelt werden müssen.
Insbesondere kann eine derartige Kupplung bei starren Koaxialleitern
zum Einsatz kommen, wie sie beispielsweise in einer kerntechnischen
Anlage oder einer Kernkraftwerks-Anlage
zur Übertragung
von elektrischen Signalen oder Impulsen verwendet werden.
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In Kernkraftwerks-Anlagen ist es
erforderlich, den Füllstand
eines Betriebs- oder Kühlmediums in
einem nicht direkt einsehbaren Behälter zu überwachen und gegebenenfalls
nachzuregeln, beispielsweise den Füllstand des Primärkühlmittels
im Reaktordruckbehälter.
Dazu kann das sogenannte TDR-Messprinzip (time-domain-reflectometry)
zum Einsatz kommen, wie es beispielsweise aus der
DE 19958584C1 bekannt ist.
Beim TDR-Messprinzip wird der Effekt genutzt, dass ein in einem
Antennensystem geführter
elektromagnetischer Impuls teilweise reflektiert wird, wenn sich
die Impedanz zwischen beispielsweise einem Zentralleiter der Antenne
und einem diesen in der Art eines Koaxialkabels umgebenden Mantelleiter
abrupt ändert.
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Eine derartige abrupte Änderung
der Impedanz tritt beispielsweise dort auf, wo die solchermaßen gebildete
Antenne aus einer gasförmigen
Umgebung in eine Flüssigkeit
eintaucht, da die Impedanz von der Kapazität zwischen Zentralleiter und
Mantelleiter und somit von der dielektrischen Konstanten des den
Zwischenraum zwischen Zentralleiter und Mantelleiter ausfüllenden
Mediums abhängt.
Ein einer derartigen, in das zu überwachende
Medium getauchten Antenne zugeführter elektromagnetischer Impuls
wird somit an der Oberfläche
des Mediums teilweise reflektiert. Eine weitere Reflektion tritt
am üblicherweise
kurzgeschlossenen Antennenende ein. Da im übrigen die Ausbreitungsgeschwindigkeit des
elektromagnetischen Impulses in der Antenne bekannt ist, kann die
Laufzeitdifferenz zwischen dem an der Grenzschicht reflektierten
Impuls und dem am Antennenende reflektierten Impuls als Maß für die Lage
der Grenzschicht und somit als Mittel zur Ermittlung eines für die Lage
der Grenzschicht charakteristischen Positionskennwertes herangezogen
werden, wobei eine im wesentlichen proportionale Abhängigkeit
zwischen Laufzeitdifferenz und Positionskennwert zugrunde gelegt
werden kann.
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Um dieses Verfahren zur Diagnose
und zur Überwachung
beispielsweise eines Mediums in einem geschlossenen Behälter anwenden
zu können, ist
somit die Übertragung
von elektromagnetischen Impulsen vom Außenbereich in den Innenraum
des Behälters
und umgekehrt erforderlich. Andererseits kann es jedoch je nach
Art und Eigenschaften des im Behälter
vorgehaltenen Mediums zwingend erforderlich oder zumindest von großer Bedeutung
sein, ein besonders hohes Maß an
Dichtigkeit des Behälters sicherzustellen.
Je nach den auslegungsgemäß im Behälter vorherrschenden
Betriebsparametern, wie beispielsweise Druck und Temperatur des
dort vorgehaltenen Mediums, sind somit im Einzelfall besonders hohe
Anforderungen an die zur Ein- und Ausleitung elektromagnetischer
Impulse verwendete elektrische Durchführung zu stellen. Dasselbe
gilt für
die Übertragung
eines elektromagnetischen Impulses aus dem den Reaktordruckbehälter umgebenden Containment
heraus zu einem Pulsgenerator bzw. zu einer Auswertungs- und Steuereinheit
und umgekehrt.
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Zur Übertragung der elektromagnetischen Impulse
zwischen der Containmentwand und dem Reaktordruckbehälter können dabei
beispielsweise starre Koaxialleiter verwendet werden, insbesondere um
die für
eine zuverlässige
Meßwertgewinnung
erforderliche hohe Signalqualität
zu gewährleisten.
Allerdings kann es dennoch, beispielsweise bei Wartungsarbeiten,
erforderlich sein, den Reaktordruckbehälter zugänglich zu machen. Um dies selbst
bei einer Verwendung star rer Koaxialleiter bei nur geringem Aufwand
zu ermöglichen,
ist eine Kuppelvorrichtung wünschenswert,
die es erlaubt, Segmente des Koaxialleiters zwischen den erwähnten beiden Durchführungen
schnell und unkompliziert auseinander- und zusammenzukuppeln.
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Um die Störung und Dämpfung des elektromagnetischen
Impulses in einem derartigen System auch an der Kuppelstelle möglichst
gering zu halten, sollte die Kupplung hohe Anforderungen erfüllen. Insbesondere
sollten die Impedanzen über
die Länge des
Leiters konstant gehalten sein oder sich zumindest nicht unstetig ändern, so
dass für
die Messung störende
Reflexionen an Impedanzsprüngen
bestmöglich
vermieden werden. Besonders wichtig für eine zuverlässige Übertragung
des elektromagnetischen Impulses ist ein hochwertiger elektrischer
Kontakt zwischen durch die Kupplung verbundenen Leitern.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, eine Kupplung der oben genannten Art anzugeben, die sowohl
einfach und schnell bedienbar ist als auch mit hoher Zuverlässigkeit
den elektrischen Kontakt zwischen den zusammengekuppelten Koaxialleitern
gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass das dem Anschlussbereich des zweiten Kupplungsstückes zugewandte
Ende des Verbindungskopfes mit Kontaktfingern versehen ist, die
sich in dafür
vorgesehene Ausnehmungen im Anschlussbereich des zweiten Kupplungsstückes einfügen, wobei
der Anschlussbereich des zweiten Kupplungsstückes mit einem Kontaktstück versehen
ist, das für
den oder jeden Kontaktfinger eine zugeordnete Anschlussfläche aufweist.
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Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus,
dass ein Kupplungsmechanismus für
Koaxialkabel leicht bedienbar sollte, also eine schnelle und einfache
Kopplung und Entkopplung der Kabel ermöglichen sollte. Gleichzeitig
sollte aber auch der elektrische Kontakt zwischen über die
Kupplung verbundenen Koaxialleitern während des Betriebes der Anlage besonders
intensiv sein. Um diese bei den im Prinzip einander widersprechenden
Bedingungen zu erfüllen,
ist die Kupplung mit einer Vorrichtung versehen, die den Kontakt
zwischen den zu koppelnden Leitern in besonderem Maße verstärkt. Hierbei
ist die gezielte Nutzung der Rückstellkraft
eines Federelementes vorgesehen, wobei die Feder beim Zusammenkuppeln
der beiden Koaxialleiter belastet wird und daher ständig eine
den elektrischen Kontakt begünstigende Kraft
auf beide Leiter ausübt.
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Um einen besonders innigen Kontakt
zwischen Verbindungskopf und Anschlussbereich des ersten Kupplungsstückes gewährleisten
zu können, ist
der Verbindungskopf dabei am Anschlussbereich des ersten Kupplungsstückes verschiebbar
gelagert. Dabei ist der Verbindungskopf zweckmäßigerweise bei geöffneter
Kupplung derart positioniert, dass bei der Montage der Kupplung
der Anschlussbereich des ersten Kupplungsstückes den Verbindungskopf auf den
Anschlussbereich des zweiten Kupplungsstückes zu bewegt und dabei das
Federelement spannt. Die dadurch erzeugte Rückstellkraft des Federelements
führt demzufolge
zu einem andauernden Anpressen des Verbindungskopfes an das erste
Kupplungsstück
und somit zu einer besonders zuverlässigen elektrischen Verbindung.
Die Kontaktfinger bewirken sowohl eine Zentrierung des Verbindungskopfes
bezüglich
der Längsachse
der Kupplung als auch die Herstellung des elektrischen Kontaktes
zwischen Verbindungskopf und Anschlussbereich. Durch das Zusammenwirken
der Kontaktfinger mit den zugeordneten Ausnehmungen und insbesondere
mit in diesen angeordneten Kontaktflächen ist auch bei einer Verschiebung
des Verbindungskopfes in Längsrichtung
jederzeit ein ausreichender Kontakt mit dem ihn tragenden Anschlussbereich
sichergestellt.
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Die Kontaktfinger des Verbindungskopfes umschließen ein
am Anschlussbereich des zweiten Kupplungsstückes angebrachtes Kontaktstück, welches
dazu dient, den elektrischen Kontakt zwischen Verbindungskopf und
Anschlussbereich sicherzustellen. Je nach Belastung des dem Verbindungskopf
zugeordneten Federelementes liegen die Kontaktfinger an einer größeren oder
kleineren Fläche
des Kontaktstückes
an. Das Kontaktstück
hat also zusätzlich
die Aufgabe, auch bei variierender Länge der Feder den elektrischen
Kontakt zwischen Verbindungskopf und Anschlussbereich des zweiten
Kupplungsstückes
zuverlässig
aufrecht zu erhalten.
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Vorteilhafterweise fügt sich
der Verbindungskopf in eine im Anschlussbereich des ersten Kupplungsstückes angebrachte
Ausnehmung derart ein, dass er sich dadurch selbst bezüglich der
Längsachse
der Kupplung zentriert. Dabei kann die Form des Verbindungskopfes
insbesondere konvex sein und sich in eine korrespondierende konkave
Ausnehmung im Anschlussbereich des ersten Kupplungsstückes einfügen, wobei
sowohl der Verbindungskopf als auch die Ausnehmung rotationssymmetrisch
um die Längsachse
der Kupplung sind. Damit ist sichergestellt, dass sich der Verbindungskopf
besonders leicht an das zweite Kupplungsstück anfügt und dass sich die Mittelachsen
beider Kupplungsstücke
beim Zusammenkuppeln nicht gegeneinander verschieben können, was
zu unerwünschten
Störungen
des elektromagnetischen Impulses führen und zudem eine Verbindung
der Mantelleiter miteinander unmöglich
machen kann.
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Aus fertigungstechnischen Gründen ist
dabei insbesondere eine konische Ausnehmung im Anschlussbereich
des ersten Kupplungsstückes
vorteilhaft, mit der ein in der Art eines Kegelstumpfes geformter
Verbindungskopf korrespondiert.
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Vorteilhafterweise ist eine Rückhalteschraube
am Anschlussbereich des zweiten Kupplungstückes verankert, hält den Verbindungskopf
am Anschlussbereich und verhindert eine völlige Lösung des Verbindungskopfes
bei geöffneter
Kupplung. Zweckmäßigerweise
ist der Mantelleiter jedes Kupplungsstückes mit einem Montageflansch
ausgestattet, der eine Verbindung der Kupplungsstücke miteinander erlaubt.
Vorteilhafterweise ist dabei zwischen den Montageflanschen eine
umlaufende Dichtung angebracht, welche einen dichten Verschluss
der Kupplung ermöglicht.
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Die sichere Verbindung beider Kupplungsstücke erfolgt
zweckmäßigerweise über ein
Verschlusselement, welches es erlaubt, die beiden Kupplungsstücke fest
zusammenzuhalten. Ein derartiges Verschlusselement ist in seiner
Form und Konturierung derjenigen der Montageflansche angepaßt und umschließt im verbundenen
Zustand die Montageflansche.
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Vorteilhafterweise ist das Verschlusselement ein
Klemmring mit einem Federbügel,
welcher eine besonders einfache und schnelle Bedienung der Kupplung
ermöglicht.
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Eine unerwünschte Dämpfung des elektromagnetischen
Impulses kann dadurch ausgeschlossen oder zumindest gering gehalten
werden, dass sich die Impedanzen über die Länge der Kuppelstelle nicht
oder nur geringfügig ändern. Um
dies zu gewährleisten,
sind die entsprechenden Komponenten, also insbesondere die Anschlussbereiche
und die diese umgebenden Mantelleiter, vorteilhafterweise geeignet
dimensioniert.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile
bestehen insbesondere darin, dass durch die Verwendung eines Federelements
bei der Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen den Zentralleitern der
Koaxialkabel eine besonders einfach und schnell zu bedienende Kupplung
bereitgestellt wird, die zudem sicherstellt, dass die elektrische
Verbindung zwischen den Koaxialleitern besonders hochwertig ist.
Dadurch wird die Verwendung der Kupplung auch bei empfindlichen
Messungen ermöglicht,
die eine hohe Signalqualität
erfordern. Die Kupplung ist somit besonders geeignet für den Einsatz
an Signale für TDR-Messungen übertragenden
Koaxialleitern in Kernkraftwerken.
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Ein Ausführungsbeispiel wird anhand
einer Zeichnung näher
erläutert.
Darin zeigen:
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1 schematisch
ein System zur Überwachung
des Füllstandes
in einem geschlossenen Reaktordruckbehälter,
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2 im
Querschnitt eine Kupplung für
Koaxialkabel,
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3 im
Querschnitt die Mantelleiter der Koaxialkabel mit einem Verschlusselement,
und
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4 im
Querschnitt dieselben Mantelleiter der Koaxialkabel mit einem Verschlusselement
und einer Dichtung.
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Gleiche Teile sind in allen Figuren
mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Das System 1 nach 1 ist zur Überwachung
eines Mediums M innerhalb des angeschlossenen Reaktordruckbehälters 2 einer
kerntechnischen Anlage vorgesehen. Der Reaktordruckbehälter 2 ist
innerhalb eines geschlossen ausgeführten und in 1 lediglich andeutungsweise gezeigten Containments 4 angeordnet.
Zum geeigneten Austausch von Signalen S ist der Reaktordruckbehälter 2 über eine
Signalleitung 6, die über
eine Durchführung 8 durch
das Containment 4 geführt
ist, mit einer Kommunikationsschnittstelle 10 des Systems 1 verbunden.
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Als Medium M ist im Ausführungsbeispiel
im Reaktordruckbehälter 2 Wasser
W vorgehalten, das als Primärkühlmittel
der kerntechnischen Anlage dient. In einem unteren Raumbereich liegt
das Wasser W im sogenannten unterkühlten Zustand unvermischt vor.
In einem darüberliegenden
Raumbereich, in dem eine Beheizungswirkung der im Reaktordruckbehälter 2 angeordneten
nuklearen Brennelemente vorliegt, befindet sich hingegen ein Phasengemisch
W,D zwischen Wasser W und sich darin bildenden Dampfblasen D. In
einem noch weiter darüber liegenden
Bereich liegt hingegen ausschließlich verdampftes Primärkühlmittel,
also ausschließlich Dampf
D, vor. Das im Behälter 2 vorgehaltenen
Medium M weist somit eine erste Grenzschicht 12 zwischen
Wasser W und dem Phasengemisch W,D und eine zweite Grenzschicht 14 zwischen
dem Phasengemisch W,D und dem Dampf D auf.
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Beim Betrieb der kerntechnischen
Anlage ist die Überwachung
einer großen
Anzahl von Betriebsparametern vorgesehen. Unter anderem kann es dabei
wünschenswert
oder erforderlich sein, die Lage der Grenzschichten 12, 14 zu überwachen.
Beispielsweise kann dabei die Lage der Grenzschicht 14 über eine
Füllstandsmessung
erfolgen.
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Das System 1 ist zur zeitnahen
Ermittlung und Überwachung
von Positionskennwerten der Grenzschichten 12, 14 vorgesehen.
Dazu ist das System 1 für
die Nutzung des sogenannten TDR-Messprinzips (time-domain-reflectometry)
ausgestaltet. Für
eine derartige TDR-Messung ist innerhalb des Reaktordruckbehälters 2 ein
im wesentlichen senkrecht angeordnetes, als Antenne dienendes Koaxialkabel 16 vorgesehen.
Das Koaxialkabel 16 ist über eine elektrische Durchführung 18 aus
dem Reaktordruckbehälter
herausgeführt
und an die Signalleitung 6 angeschlossen. Die mit der Signalleitung 6 verbundene
Kommunkationsschnittstelle 10 ist ihrerseits mit einen
die elektromagnetischen Impulse erzeugenden Pulsgenerator 20 und
mit einer Auswerte- und Steuereinheit 22 mit Ausgabemodul 24 und
Speichermodul 26 verbunden. Selbstverständlich ist die Auswerte- und
Steuereinheit 22 noch mit weiteren, für einen ordnungsgemäßen Betrieb
erforderlichen Komponenten wie beispielsweise einer Eingabevorrichtung
verbunden.
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Das System 1 ist mit seinen
Komponenten gezielt auf den Einsatz des TDR-Messprinzips ausgerichtet.
Dazu ist unter anderem ein qualitativ besonders hochwertiger Signaltransport
in den dazu vorgesehenen Leitungen wie insbesondere der Signalleitung 6 gewünscht. Um
dies besonders zu begünstigen,
ist die Signalleitung 6 ihrerseits als starr ausgeführtes Koaxialkabel
ausgebildet.
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Um aber Wartungsarbeiten am Reaktordruckbehälter 2 zu
ermöglichen,
kann es erforderlich sein, die Signalleitung 6 bedarfsweise
in einzelne Teilstücke
zu zerle gen und wieder zusammenzufügen und beispielsweise an verschiedenen
Stellen zwischen der Durchführung 8 und
der Durchführung 18 auseinander-
und nach abgeschlossenen Wartungsarbeiten schnell und einfach wieder
zusammen zu kuppeln. Dazu ist die Signalleitung 6 aus mehreren
Koaxialkabeln 30, 32 zusammengesetzt, die über eine
Kupplung 33 lösbar
miteinander verbunden sind.
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Um den insgesamt hohen Anforderungen
an die Übertragungsqualität gerecht
zu werden, ist auch die Kupplung 33 gezielt für dieses
Auslegungsziel ausgestaltet. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass
die Kupplung 33 bei insgesamt einfacher Bedienbarkeit einen
besonders innigen elektrischen Kontakt zwischen den Zentralleitern 34 bzw. 35 der
zu verbindenden Koaxialkabel 30, 32 herstellt.
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Wie in 2 dargestellt,
weisen das Koaxialkabel 30 und das Koaxialkabel 32 einen
Mantelleiter 36 bzw. 37 und einen Zentralleiter 34 bzw. 35 auf.
Die zur Verbindung der Koaxialkabel 30, 32 miteinander vorgesehene
Kupplung 33 besteht dementsprechend aus einem ersten Kupplungsstück 38 und
einem zweiten Kupplungsstück 39,
wobei das Koaxialkabel 30 fest mit dem ersten Kupplungsstück 38 und
das Koaxialkabel 32 fest mit dem zweiten Kupplungsstück 39 verbunden
ist. Das erste Kupplungsstück 38 umfasst
einen Anschlussbereich 40, der mit dem Zentralleiter 34 verbunden
ist. Das zweite Kupplungsstück 39 umfasst
ebenfalls einen Anschlußbereich 41,
der entsprechend mit dem Zentralleiter 35 des zweiten Kupplungsstückes 39 verbunden
ist.
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Zur Herstellung eines besonders innigen Kontaktes
ist der Anschlussbereich 41 mit einem mit dem Anschlussbereich 40 in
Kontakt bringbaren Verbindungskopf 42 ausgerüstet, der
am eigentlichen Anschlussbereich 41 über ein Federelement 43 federnd
abgestützt
ist. Die Feder des Federelements 43 wird beim Schließen der
Kupplung 33 gespannt und presst durch ihre Rückstellkraft
den Verbindungskopf 42 ständig an eine entsprechende
Kontaktfläche
des Anschlussbereiches 40 des ersten Kupplungsstückes 38 an
und gewährleistet
somit eine besonders zuverlässige
elektrische Verbindung. Geeignete Federn sind beispielsweise Spiral federn, Tellerfedern,
Blattfedern oder Schraubenfedern wie im Ausführungsbeispiel.
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Um ein besonders leichtes Zusammenfügen des
Verbindungskopfes 42 und des Anschlussbereiches 40 und
ein Selbstzentrieren des Verbindungskopfes 42 zu erreichen,
ist der Verbindungskopf 42 mit einer beispielsweise konvexen,
im Ausführungsbeispiel
in der Art eines Kegelstumpfes geformten Spitze 44 ausgestattet,
die sich in eine dafür
vorgesehene, beispielsweise konkave Ausnehmung 45 im Anschlussbereich 40 einfügt. Die
Ausnehmung 45 ist im Ausführungsbeispiel konisch und
somit hinsichtlich ihrer Konturierung an die Spitze 44 des
Verbindungskopfes 42 angepasst. Ein hochwertiger elektrischer
Kontakt zwischen dem Verbindungskopf 42 und dem diesen
tragenden Anschlussbereich 41 des zweiten Kupplungsstückes 39 wird
durch am Verbindungskopf 42 angebrachte Kontaktfinger 46 ermöglicht.
Diese umschließen
ein am Anschlussbereich 41 angebrachtes Kontaktstück 47 und
liegen je nach Belastung des Federelementes 43 an einer
größeren oder
kleinere Fläche
des Kontaktsstückes 47 an.
Die Kontaktfinger 46 können
am Kontaktstück 47 entlang gleiten,
wobei in jeder Position der Kontaktfinger 46 der elektrische
Kontakt zwischen dem Verbindungskopf 42 und dem Anschlussbereich 41 des
zweiten Kupplungsstückes 39 sichergestellt
ist. Damit ist auch bei variierender Länge der Feder ein hochwertiger
elektrischer Kontakt zwischen dem Verbindungskopf 42 und
dem Anschlussbereich 41 gewährleistet. Der Verbindungskopf 42 wird
durch eine Rückhalteschraube 50 am
Anschlussbereich 41 gehalten. Dadurch wird eine völlige Lösung des
Verbindungskopfes 42 selbst bei geöffneter Kupplung 33 sicher
vermieden.
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Die die Anschlussbereiche 40 bzw. 41 der Kupplungsstücke 38 und 39 umgebenden
Mantelleiter 36 bzw. 37 sind jeweils mit einem
Montageflansch 52 versehen, der die Verbindung der Kupplungsstücke 38 und 39 miteinander
erlaubt.
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3 zeigt
einen Querschnitt durch die Mantelleiter 36 bzw. 37 der
Kupplungsstücke 38 und 39 mit
einem die Flansche 52 umschließenden und dadurch die Kupplungstücke 38 und 39 miteinander
verbindenden Verschlusselement 54, bei spielsweise einem
Klemmring, der durch einen nicht dargestellten Federbügel zusammen
gehalten wird.
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4 zeigt
ebenfalls einen Querschnitt durch die Mantelleiter 28 der
Kupplungsstücke 38 und 39 mit
einem die Montageflansche 52 umschließenden und dadurch die Kupplungstücke 38 und 39 verbindenden
Verschlusselement 54, welches mit einer umlaufenden Dichtung 56 ausgestattet
ist. Die Dichtung 56 erlaubt einen besonders dichten und
sicheren Verschluß der
Kupplung 33 durch das Verschlusselement 54.
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- 1
- System
- 2
- Reaktordruckbehälter
- 4
- Containment
- 6
- Signalleitung
- 8
- Durchführung
- 10
- Kommunikationsschnittstelle
- 12
- Grenzschicht
- 14
- Grenzschicht
- 16
- Antenne
- 18
- Durchführung
- 20
- Pulsgenerator
- 22
- Auswerte-
und Steuereinheit
- 24
- Ausgabemodul
- 26
- Speichermodul
- 30
- Koaxialkabel
- 32
- Koaxialkabel
- 33
- Kupplung
- 34
- Zentralleiter
- 35
- Zentralleiter
- 36
- Mantelleiter
- 37
- Mantelleiter
- 38
- Erstes
Kupplungsstück
- 39
- Zweites
kupplungsstück
- 40
- Anschlussbereich
- 41
- Anschlussbereich
- 42
- Verbindungskopf
- 43
- Federelement
- 44
- Spitze
- 45
- Ausnehmung
- 46
- Kontaktfinger
- 47
- Kontaktstück
- 50
- Rückhalteschraube
- 52
- Montageflansch
- 54
- Verschlusselement
- 56
- Dichtung
- S
- Signale
- W
- Wasser
- D
- Dampf
- M
- Medium