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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zur Bestimmung der Restlebensdauer eines Schaltgerätes, gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1. Daneben bezieht sich die Erfindung auch
auf eine zugehörige
Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruches 10.
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Für
die Betriebssicherheit von Schaltanlagen ist es wichtig, die Restlebensdauer
von Kontakten in Schaltgeräten,
insbesondere von Schützkontakten, zu
kennen, um durch rechtzeitige Wartungsmaßnahmen, z.B. bei Schützen durch
Austausch der Kontakte, Betriebsstörungen zu vermeiden. Zur Erfassung des
Abbrandes kann hierbei bekanntermaßen als Ersatzkriterium für den Abbrand
der sogenannte Kontaktdurchdruck verwendet werden, wobei in der
Praxis Änderungen
des Durchdruckes erfasst werden.
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Die Durchdruckänderung setzt sich aus dem Kontaktabbrand
des Schaltstückes
und aus dem mechanischen Abrieb zusammen. Insbesondere bei Schaltgeräten mit
sehr hoher Lebensdauer der Schaltkontakte wird bisher der Einfluss
der Abriebe nicht erfasst. Um eine höhere Ausnutzung des Kontaktmaterials
zu erreichen muss der Kontaktdurchdruck direkt an den Bauteilen
die ihn erzeugen gemessen werden.
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Beim Stand der Technik wird bisher
die zeitliche Abfolge während
des Ausschaltvorganges ausgewertet. Speziell für Luftschütze wurde ein Verfahren zur
Restlebensdauererkennung des Kontaktabbrandes entwickelt, bei dem
durch Messung des Zeitintervalls zwischen Ankeröffnung – gekennzeichnet durch einen
charakteristischen Peak in der Spulenspannung – und Kontaktöffnung – gekennzeichnet durch
das Auftreten einer Schalt streckenspannung – der Abbrand und damit die
Restlebensdauer gemessen wird.
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Das Verfahren zur Erfassung der Durchdruckänderung
als Ersatzkriterium für
den Kontaktabbrand ist mit der
EP 0 694 937 B1 unter Schutz gestellt. Spezifische
Methoden zur Anwendung bei Schaltgeräten sind im Einzelnen in der
EP 0 878 016 B1 ,
der
EP 0 878 015 B1 und
der
EP 1 002 325 B1 beschrieben.
Dabei wird durchweg darauf abgestellt, dass die Durchdruckänderung
beim Ausschaltvorgang, d.h. beim Öffnen der Schaltkontakte durch
einen elektromagnetischen Antrieb, erfasst werden, woraus speziell
der Abbrand an den Schaltkontakten ermittelt und daraus die Restlebensdauer
des Schaltgerätes
berechnet wird.
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Bei Luftschützen sind die Abriebe durch
den starr gekoppelten Aufbau und der Verwendung von verschleißfesten
Materialpaarungen im Allgemeinen so gering, dass sie als vernachlässigbar
gelten.
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Für
Schaltgeräte
allgemein, insbesondere für
Vakuumschütze,
ist ein Verfahren der eingangs genannten Art, das mit Sensoren arbeitet,
Gegenstand einer Parallelanmeldung der Anmelderin. Dieses Verfahren
beruht ebenfalls auf einer Δt-Zeitmessung,
die als Ersatzkriterium zur Bestimmung des Durchdrucks der Schaltkontakte
herangezogen wird und benötigt
zur Erfassung des Kontaktdurchdrucks mittels Zeitmessung eine mikroprozessorgesteuerte Auswerteelektronik.
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Bei Schaltgeräten, insbesondere bei Schützen mit
Vakuumschaltröhren,
ist eine optische Kontrolle der Kontakte nicht möglich und es kann derzeit der
Kontaktabbrand nur über
Markierungen oder Abbrand-Lehren im eingeschalteten Zustand kontrolliert werden.
Der Abrieb in der Antriebseinheit bzw. in der Schaltgerätemechanik,
z.B. am Umlenkhebel, wird dabei nicht erfasst.
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Ausgehend von letzterem Sachverhalt
ist es Aufgabe der Erfindung, ein vereinfachtes Verfahren zur Restlebensdauerbestimmung
von Schaltgeräten anzugeben
und die zugehörige
Vorrichtung zu schaffen.
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Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Verfahren
der eingangs genannten Art durch die Maßnahmen des Patentanspruches
1 gelöst.
Eine zugehörige
Vorrichtung ist durch die Merkmale des Patentanspruches 10 gekennzeichnet.
Weiterbildungen des Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung sind Gegenstand
der jeweils abhängigen
Patentansprüche.
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Bei der Erfindung wird vorteilhafterweise
im statischen Zustand, d.h. im Einschaltzustand bei geschlossenen
Kontakten, gemessen. Es wurde erkannt, dass damit nicht nur der
eigentliche Kontaktabbrand, sondern auch der Verschleiß an der
Schaltgerätemechanik
erfasst werden kann. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei der Überwachung
eines Vakuumschützes,
bei dem durch die Kraftumlenkung und dadurch vergleichsweise kompliziert
aufgebaute Schaltgerätemechanik
der Verschleiß der
beweglichen Komponenten in der Mechanik nicht vernachlässigbar
ist. Da zudem der Kontakthub bei Vakuumschützen vergleichsweise gering
ist, muss bei der Betrachtung der Durchdruckänderungen der Anteil des mechanischen
Verschleißes
der Komponenten berücksichtigt
werden. Gleichermaßen
kann das beschriebene Verfahren natürlich auch bei Luftschützen eingesetzt
werden, wobei es hier aufgrund der einfacheren mechanischen Kopplung
im Wesentlichen um den Schaltkontaktabbrand geht.
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Bei der zugehörigen Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens werden Sensoren für
Relativweg-Messungen, insbesondere zur Abstandsmessung, verwendet.
Vorteilhafterweise können
diese Sensoren aufgrund der statischen Messung einfache Meldeschalter
sein. Dadurch ergibt sich insgesamt ein einfacher Aufbau der jeweiligen
Vorrichtung.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile
der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung
von Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es
zeigen
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1 eine
schematische Darstellung eines Vakuumschützes mit zugehörigem Antrieb
einschließlich
der schaltmechanischen Komponenten,
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2 schaltbildmäßig ein
erstes Ausführungsbeispiel,
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3 die
zu 2 zugehörige Schaltmechanik
als Einzelheit aus 1,
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4 schaltbildmäßig ein
zweites Ausführungsbeispiel
und
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5 die
zu 4 zugehörige Schaltmechanik
als Einzelheit aus 1.
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Die nachfolgend im Einzelnen beschriebenen
Verfahren, zur Ermittlung des Durchdrucks beruhen auf einer Abstandsmessung
durch Sensoren. Dabei wird aber nur eine relative Abstandsänderung zwischen
mindestens zwei Komponenten der den Durchdruck erzeugenden Bauelementen
bzw. Baugruppen, unabhängig
von der Zusammensetzung durch Kontaktabbrand und Abrieb, erfasst.
Abhängig von
Anzahl und Ausprägung
der Sensoren können damit
eine oder mehrere Meldegrenzen ermittelt und zur Anzeige, Meldung
oder Signalverarbeitung herangezogen werden. Anordnung, Ausprägung und Anzahl
der Sensoren sind abhängig
vom Aufbau der Schaltgeräte,
der gewünschten
Meldegenauigkeit und der Weiterverarbeitung des Meldesignals. Im Einzelnen
ergeben sich eine Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten.
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1 zeigt
einen typischen Aufbau eines Vakuumschützes mit zugehörigem Antrieb.
Die den Durchdruck erzeugenden Bauelementen/Baugruppen sind: Der
Umlenkhebel, die Federauflage und der bewegliche Röhrenbolzen
mit den Anbauteilen wie Strombandanschluss, Hebelauflage, Schaltstellungsanzeige
sowie den zugehörigen
Befestigungsteilen. An den mit Buchstaben A bis G gekennzeichneten
Stellen können
Abriebe oder plastische Ver formungen auftreten, die sich entweder
durchdruckerhöhend
oder durchdruckverringernd auswirken können.
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Nachfolgend wird zunächst der
Aufbau eines Vakuumschützes
mit zugehörigem
elektromagnetischem Antrieb und damit verbundener Schützmechanik
beschrieben, das zum Schalten eines ein- oder mehrpoligen Netzes
dient. Es wird lediglich eine Phase eines Drehstromnetzes mit einer
einzigen Vakuumschaltröhre
betrachtet.
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Gemäß 1 umfasst letzterer Teil eines Vakuumschütz 1 eine
Vakuumschaltröhre 10,
die Schützmechanik 20, 30, 40 und
den Antrieb 100. Im Einzelnen ist eine Vakuumschaltröhre 10 an
einem Widerlager 3 mit Ausleger 4 befestigt. Der
Ausleger 4 trägt
die Vakuumschaltröhre 10,
wozu ein Festkontaktbolzen 15 der Schaltröhre 10 im
Ausleger 4 eingespannt ist.
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Die Vakuumschaltröhre 10 besteht aus
hohlzylinderförmigen
Bauteilen 11 bis 13, wobei die Hohlzylinder 11 und 13 durch
einen linear federnden Metallbalg 12 gegeneinander axial
verschiebbar angeordnet sind. Die Bauteile 11 und 13 sind
gegeneinander elektrisch isoliert, wozu eines der Bauteile beispielsweise
aus keramischem Material bestehen kann.
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In der Vakuumschaltröhre 10 befinden
sich unter Vakuum zwei Schaltkontakte 17 und 18 axial gegeneinander
beweglich, wobei der Schaltkontakt 17 als Festkontakt mit
dem fest stehenden Bolzen 15 verbunden und der Schaltkontakt 18 als
Bewegkontakt mit einem in Achsrichtung beweglichen Bolzen 16 verbunden
ist.
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Die Schaltkontakte 17 und 18 der
Vakuumschaltröhre 10 werden
mittels des elektromagnetischen Antriebes 100 betätigt, wozu
ein Aufbau aus Magnetjoch 101, Magnetanker 102 und
zugehörigen Spulen 105, 105' zur elektromagnetischen
Erregung vorhanden ist. Das Magnetjoch 101 ist in einer
Halterung 110 gela gert. Der Magnetanker 102 hat
eine Aussparung 103 mit Befestigung 105 für einen
Kontaktträger 30 (?).
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Durch den elektromagnetischen Antrieb 100 ist
der Anker 102 in zwei vertikal unterschiedliche Positionen
bringbar, von denen die untere der „Schließ"-Stellung des Vakuumschützes 10 und
die obere der „Öffnungs"-Stellung des Vakuumschützes 10 entsprechen.
Dazu muss in 1 die Vertikalverschiebung
in eine Horizontalverschiebung umgesetzt werden, wozu eine Umlenkeinrichtung 20 vorhanden ist.
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Im Einzelnen ist in der 1 der Bewegkontaktbolzen 16 außerhalb
der Schaltröhre 10 gegen den
Druck einer Feder 21 gelagert, wobei sich die Feder 21 auf
einer Federauflage 22 abstützt. Es ist ein L-förmiger Umlenkhebel 25 vorhanden,
der mit einer Achse 26 im Knickpunkt gelagert ist. Der
kurze Hebelarm des Umlenkhebels 25 drückt mit einem ersten Endelement 27 auf
die Federauflage 22, während
der lange Hebelarm mit einem zweiten Endelement 28 in einer
Aussparung 31 des Kontaktträgers 30, der – wie bereits
erwähnt – mit dem
Anker 102 des Magnetantriebes 100 verbunden ist,
geführt
wird. Es ist eine Auflageplatte 35 für den Kontaktträger 30 vorhanden.
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Mit dem L-förmig ausgebildeten Umlenkhebel 25 lässt sich
ein vergleichsweise großer
Verschiebeweg in vertikaler Richtung in einen kleineren Verschiebeweg
in horizontaler Richtung unter entsprechender Kraftbeaufschlagung
umsetzen. Dies ist für die
Betätigung
des Vakuumschützes 10 notwendig, bei
dem insbesondere ein hinreichender Kontaktdruck zwischen den Kontaktflächen der
Schaltkontakte 17 und 18 erzeugt werden muss.
Dazu wird die Feder 21 für die Schließstellung
mittels eines vorgebbaren Durchdruckes gespannt und eine für die Schließstellung
der Schaltkontakte 17, 18 hinreichende Kontaktkraft
erzeugt. Der Durchdruck wird in der 1 dadurch
verdeutlicht, dass bei geöffneter Schaltstellung
des Endelementes 26 am kurzen Hebelarm des Umlenkhebels 25 durch
eine hintere Hebelauflage 24 abgestützt wird.
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In der 1 sind
als mechanisch bewegte Teile der Anzeige 40 weiterhin eine
Schaltstellungsanzeige 41, ein Strombandanschluss 42 und
ein Stromband 44 vorhanden, das mit der Anschlussschiene 45 verbunden
ist.
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Bei der in der 1 dargestellten Anordnung ist im Allgemeinen
der Schaltweg der Kontaktanordnung vergleichsweise gering, beispielsweise < 2 mm. Daraus ergibt
sich, dass das im Schaltgeräteantrieb mit
der zugehörigen
Umlenkung bei häufiger
Aktivierung auftretende Spiel der einzelnen Bewegungen nicht vernachlässigt werden
kann. Bei der Konstruktion von Schaltgeräten mit derartigen Antriebs-
und Kraftübertragungseinrichtungen
sind diese Gegebenheiten zu berücksichtigen.
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Die Lebensdauer eines Schaltgerätes wird durch
den Verschleiß aller
mechanisch bewegten Teile beeinflusst. Dieser Verschleiß wird in
bekannter Weise einerseits durch den Abbrand der elektrischen Schaltkontakte
an den Kontaktflächen
A bewirkt. Wenn sich die Dicke der Kontaktstücke infolge eines Abbrandes
verringert, muss der Federdruck zur Generierung der Kontaktkraft
erhöht
werden.
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Aus der 1 ergibt sich aber weiterhin, dass andererseits
der mechanische Verschleiß der beweglichen
Antriebskomponenten ebenfalls ein Einfluss für die Lebensdauer des gesamten
Schaltgerätes
haben kann, Ein solcher Verschleiß sind insbesondere Abriebe
bei Lagern oder aber auch plastische Verformungen, die sich einzeln
entweder durchdruckerhöhend
oder aber durchdruckverringernd auswirken können. Im Idealfall kompensieren
sich solche Einflüsse
an den verschiedenen Stellen der Schaltgerätemechanik.
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Im Einzelnen sind in der 1 neben den Kontaktflächen weiterhin
die Stellen B bis H, an denen ein Verschleiß auftreten kann, eingetragen.
Es bedeuten B die Auflage des Endelementes 26 an der Federauflage 22,
C dessen Auflage an der hinteren Hebelauflage 23, E die
mechanische Beanspruchung des anderen Endelementes 27 in
der Mitnehmernut 31 des Kontaktträgers 30, F die Auflage
des Kontaktträgers
im Magnetanker, G/G' die
Auflage von Magnetanker 102 auf dem Magnetjoch 101 an
dessen Polflächen
sowie H/H' die Halterung 110 des
Magnetantriebes 100 in einer Grundplatte.
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In 2 ist
schaltbildmäßig das
Vakuumschütz
gemäß 1 mit Beschattung dargestellt.
Im Einzelnen ist im positiven Signalzweig eine Polungsdiode 201 geschaltet
und sind drei Meldeschalter 211 bis 213 vorhanden. 202 und 203 bedeuten
Schaltungswiderstände, 204 eine
Kapazität
und 205 einen optischen Signalgeber. Weiterhin ist eine
elektronische Einheit 210 zur Entprellung beim Schließen der Schaltkontakte
des Vakuumschützes
vorhanden. Die Einrichtung zum Entprellen ist vorteilhaft, um Fehlsignale
bei der Auswertung auszuschalten. Es ist möglich, dass das Signal vor
bzw. nach der Einheit zur Entprellung 210 zu einer speicherprogrammierbaren Steuerung
(SPS) weitergeleitet wird.
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Der mechanische Aufbau ist in 3 realisiert, wobei in 3 die Schaltelemente aus 2 in den Aufbau aus 1 integriert sind.
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Durch den Umlenkhebel 25 wird
ein justierbares Schaltelement S1, S2, S3, der einen Meldeschalter
mit Schließerkontakt
realisiert und fest mit der Hebelauflage verbunden ist, im eingeschalteten Zustand
beim Erreichen einer fest eingestellten Meldegrenze betätigt. Der
Meldepunkt wird über
das Öffnungsmaß des Meldeschalters
eingestellt. Die Messung kann sowohl an nur einer als auch an allen Strombahnen
eines Schaltgerätes
erfolgen. In diesem Fall können
alle Schaltelemente parallel geschaltet werden. Demzufolge wird
das Meldesignal von dem Kontakt ausgelöst, der als erstes die Meldegrenze
erreicht hat. Die Signalbereitstellung kann direkt dem Kunden zur
Verarbeitung bereitgestellt werden.
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Beim Beispiel aus 2 und 3 ergibt sich
vorteilhafterweise eine direkte Erfassung bei Erreichen der Meldegrenze.
Damit können
für die
Restlebensdauererfassung neben dem Kontaktabbrand auch die Abriebe
und Verformungen von der Antriebsseite des Schaltgerätes berücksichtigt
werden. Vorteilhafterweise ist weiterhin das potentialfreie Meldesignal,
das insbesondere zur Weiterverarbeitung in einer SPS od. dgl. geeignet
ist. Bei der Durchführung des
Verfahrens muss allerdings die hohe Betätigungsgeschwindigkeit des
Meldekontaktes, der Abrieb an der Berührstelle zwischen Meldekontakt
und Hebelansteuerung berücksichtigt
werden, wobei eine Ansteuerung über
einen Kreisbogen vorliegt. Sofern in 2 auf
eine elektronische Entprellung verzichtet wird, ergeben sich weiterhin
Prellsignale während des
Einschaltvorganges.
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In einem Ausführungsbeispiel entsprechend den 4 und 5 ergibt sich eine Zustandsabfrage an den
Schaltkontakten der Meldeschalter an den einzelnen Strombahnen des
Schaltgerätes.
Dazu enthält
die Schaltung in 4 eine
Polungsdiode 401, drei Meldeschalter 411 bis 413 mit
zugehörigen
Impedanzen 414 bis 416 und jeweils separate Meldekreise 420, 430 und 440.
Eine Einrichtung zur Entprellung ist mit 410 bezeichnet,
wobei hier die Signale der einzelnen Meldeschalter verarbeitet werden.
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Letzteres wird anhand der mechanischen Darstellung
gemäß 5 verdeutlicht, wobei insbesondere
das Öffnungsmaß des Meldekontaktes
exakt vorgebbar ist.
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Durch ein justierbares Schaltelement
des Meldeschalters mit Schließerkontakt,
das fest mit der Federauflage verbunden ist und durch eine fest
mit den beweglichen Hauptkontakt verbundene Betätigung wird der Wegpunkt im
eingeschalteten Zustand des Schützes
abgefragt. Der Meldepunkt wird über das Öffnungsmaß des Meldekontaktes
eingestellt.
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Die Messung kann sowohl an nur einer
als auch an allen Strombahnen eines Schaltgerätes erfolgen. In diesem Fall
können
alle Schaltelemente parallel geschaltet werden. Dadurch wird das
Meldesignal von dem Kontakt ausgelöst, der als erstes den Meldepunkt
erreicht hat.
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Bei den Beispielen gemäß 2 / 3 oder 4 / 5 wird mindestens ein Schaltkontakt
pro Strombahn benötigt.
Abhängig
von der gewünschten oder
benötigten
Anzeigegenauigkeit und der Anzahl der Meldegrenzen werden, können auch
mehrere Meldeschalter in einer Strombahn verwendet werden. Möglich sind
drei Kontakte für
Meldegrenze 80%, 50% und 20% Als Schaltelemente können Schalter
mit Schließer-, Öffner- sowie Wechslerkontakte
verwendet werden. Durch die Messstrecke, d.h. die Anordnung von
Federauflage bis Hebelauflage, kann insbesondere der Verschleiß am Umlenkhebel 25,
der sich durchdruckerhöhend
auswirkt, mit erfasst werden. Dadurch ist beim höheren Schaltern (beim Laufzeitbetrieb)
des Schützes
eine höhere Ausnutzung
der Schaltkontakte 17, 18, insbesondere bei reduzierter
Schaltleistung, möglich.
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Entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel
ist wiederum eine direkte Erfassung von Restlebensdauerwerten bei
Erreichen der Meldegrenze möglich,
wobei der Einfluss der Abriebe von der Antriebsseite des Schaltgerätes berücksichtigt
ist. Insbesondere können
hier durchdruckvergrößernde Abriebstellen
miterfasst werden. Für
die weiteren Eigenschaften gilt das bereits oben im Einzelnen für das erste
Ausführungsbeispiel
Ausgeführte.
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In einer Ergänzung der Ausführungsbeispiele
entsprechend den 2 / 3 oder 4 / 5 kann
die Zustandsabfrage mit den Sensoren verbessert werden, so dass
im Einzelnen eine Weiterverarbeitung der Signale möglich ist.
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Nach einer Signalvorverarbeitung
durch eine geeignete Beschaltung können alle Signale beliebig weiterverarbeitet
werden, wozu sich neben der bereits genannten SPS ein Mikroprozessor
eignet. Damit ergibt sich z.B. die Möglichkeit die Abtastung durch
mehrere Sensoren je Strombahn für
mehrere Meldesignale (z.B. 90%, 80%) auszuwerten, oder die auslösende Strombahn
zu ermitteln. Es können
alle geeigneten Sensoren verwendet werden.
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Bei vorstehend beschriebener Weiterbildung ergibt
sich vorteilhafterweise eine direkte Signalerfassung bei Erreichung
einer oder mehrerer Meldegrenzen, womit insbesondere die durchdruckvergrößernden
Abriebstellen der beweglichen Komponenten der Gerätemechanik
erfasst werden können.
Die potentialfreien Meldesignale können dabei analog oder digital
weiterverarbeitet werden. Gegebenenfalls ist bei Verwendung geeigneter
Sensoren auch eine berührungslose
Messwerterfassung möglich.