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Die
Erfindung betrifft einen elektrischen Schaltsensor und -aktor bei
maritimen Schaltapparaten, insbesondere den Bereich der Energieversorgung
von Schiffs-Containern über schaltbare
Container-Steckdosen.
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Bei
der elektrischen Energieversorgung und elektronischen Überwachung
von im besonderen Kühl-Containern
an Bord von Schiffen oder an Land im Verladebereich ist es üblich, Einzelsteckverbindungen
für beide
Funktionen an geeigneter Stelle zu positionieren. In einer nächsten Entwicklungsstufe werden
die Einzelsteckdosen in schutzart- und -klassegeeigneten Gehäusen in
Mehrfachsteckdosen zusammengefaßt
und im Bereich des Container-Aufstellungsbereichs vorgehalten.
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Auf
Grund von internationalen Normen und Bestimmungen unterliegt die
elektrische Steckverbindung zur Energieversorgung speziellen Vorschriften,
die u.a. besagen, daß die
Steckverbindung nur lastfrei getrennt werden darf, d.h. daß während des Steckens
oder des Trennens der Steckverbindung der Energiefluß nicht
durch die Steckerkontakte derselben beeinflußt wird, sondern die Schalthandlung in
einem schaltverhaltenangepaßten
Schalter erfolgt, der über
die Steckeinrichtung elektrisch und mechanisch verriegelt ist. Vorzugsweise
wird als Schalter ein elektrischer Leistungsschalter eingesetzt,
der auch einen Überlast-
und/oder Kurzschlußschutz aufweisen
kann.
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Weitergehende
Entwicklungen bei Container-Steckdosen sehen vor, daß eine mechanische Betätigungsvorrichtung
die Schalthandlung bewirkt. Eine mechanische, meist drehbar gelagerte
Betätigungsvorrichtung
besitzt an den Enden je einen Hebel, der einerseits im Innengehäuse auf
die Betätigung
des Leistungsschalters wirkt und – nach außen geführt – auf die Verriegelung des
Steckers in der Steckdose, so daß der Stecker nicht unter Last
gezogen werden kann.
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Eine
weitere Ausführungsform
integriert den außen
wirkenden Hebel in die Steckvorrichtung derart, daß der gesteckte
Stecker in eine Kontaktierungsposition – Schalthandlung – gedreht
werden muß und
diese Drehung über
Gestänge
die Freischaltung des Leistungsschalters bewirkt; eine optische
Schaltstellungserkennung ist nicht mehr gegeben.
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Eine
weitere Modifikation erfährt
die Vorrichtung dadurch, daß – bei Mehrfach-Anordnung der Steckdosen – diese
modulartig aufgebaut ist, wobei ein Modul aus Steckdose, Leistungsschalter
und mechanischem Schalter gebildet wird.
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Nach
dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Anwendungen bekannt
geworden, die sich dem Thema 'Schaltbare
Container-Steckdose' widmen. Bezüglich der
Würdigung
des Stands der Technik wird auf die ausführliche Darstellung in der
Hauptanmeldung verwiesen und sich im folgenden auf die Beschreibung
der verbesserten Schalthandlung beschränkt.
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Gemäß Hauptpatent 'Elektrische Zustandsanzeige
bei maritimen Schaltapparaten',
Patentanmeldung Nr.
DE
10 2007 010 193.9 , wird eine elektrische Zustandsanzeige
bei maritimen Schaltapparaten, insbesondere den Bereich der Energieversorgung
von Schiffs-Containern über
schaltbare Container-Steckdosen betreffend, vorgestellt.
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An
dem mehrphasigen elektrischen Aufbau der Container-Steckdose – bestehend
aus den Meß- und
Prüfpunkten
Eingangsspannung, Leistungsschalter und Ausgangsspannung – wird der
elektrische Zustand jeder der Phasen an den Meß- und Prüfpunkten oder der zusammengefaßte elektrische Zustand
der Phasen an den Meß-
und Prüfpunkten 1-phasig
abgefragt, verarbeitet und optisch und ggf. akustisch zur Anzeige
gebracht.
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Im
folgenden wird der Stand der Technik bezogen auf die Schalthandlung
der Container-Steckdose gewürdigt.
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Das
deutsche Gebrauchsmuster
DE
20 2004 010 818 /internationale Veröffentlichung WO 2006 005 485
stellt eine Vorrichtung zur Betätigung
eines in einem Gehäuse
angeordneten Leistungsschalters derart vor, daß die Steckeraufnahme einen
drehbaren Teil besitzt, der bei Drehbewegung – nur bei eingestecktem mehrpoligen
Stecker – über ein
Kupplungsstück
auf die Schalteinrichtung des Leistungsschalters wirkt. Bei dieser
vorgeschlagenen Anordnung entfällt
der bisher angewendete zusätzliche, meist
als Kipp-/Drehhebel ausgeprägte
Schalt- und Kupplungsmechanismus vollständig. Der Stecker kann nur
in einer bestimmten Drehlage eingesteckt oder entfernt werden.
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Nur
aus der Drehlage des gesteckten Steckers kann auf den Schaltzustand
des Leistungsschalters geschlossen werden; es erfolgt keine weitere
Anzeige des Schaltzustands. Weiterhin bleibt es bei einer mechanisch
anspruchsvollen Lösung
eines auf den Leistungsschalter wirkenden Schalthakens, dessen eine
Seite den Kipphebel des Leistungsschalters umfaßt und dessen andere Seite
die Kugelschale eines Kugelgelenks bildet. Über die Drehbewegung des Steckers
in der Steckeraufnahme vollführt
der Schalthaken eine auf den Leistungsschalter wirkende Längsbewegung,
die eine Schalthandlung auslöst.
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Die
Lösung
setzt weiterhin eine exakte dreidimensionale Anordnung der die Mechanik
ausführenden
elektrischen Komponenten Steckeraufnahme und Leistungsschalter voraus.
Bei der dem Verschleiß unterliegenden
mechanischen Verbindung 'Schalthaken', bei einem Verklemmen,
Verstauchen oder Verbiegen kommt es zum Erliegen der Ausführung der
Schalthandlung.
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Die
französische
Anmeldung
FR 2 734 668 offenbart
eine hochstromige Steckdose mit einem integrierten als Unterbrecher
ausgeführten
Schutzschalter, wobei die Stromdurchlaßschaltung durch Drehen in
Position gebracht wird.
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Die
vollständige
Schutzschaltung der Hauptstromleitung ist in der Steckdose verbaut
und wird durch Drehen aktiviert.
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Ein
ebensolche Vorrichtung ist in der französischen Anmeldung
FR 2 253 292 vorgestellt, jedoch wird
hier die Lage des Steckers zwecks Schattens in der Längsachse
versetzt.
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Der
Kontaktsatz für
die Hauptstromleitung ist hier ebenfalls in der Steckeraufnahme
integriert.
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Die
deutsche Offenlegungsschrift
DE
2 104 364 offenbart eine elektrische Rundsteckvorrichtung, bestehend
aus Stecker und Steckdose mit zugeordneter Schalteinrichtung und
Schalter. Die Steckdose ist als drehbar gelagerte Steckdose und
zugleich als Drehschalter ausgebildet. Unterhalb der Steckdose ist
ein mehrphasiger Stufenschalter angeordnet, wobei über den
gesteckten und drehbar gelagerten Stecker ein Mitnehmer auf die
Schaltachse des mehrphasigen Stufenschalters wirkt.
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Der
Stufenschalter liegt in der Hauptstromleitung zwischen Zuleitung
und Verbraucher.
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Allen
vorgestellten Container-Steckdosenlösungen gereicht zum Nachteil,
daß die
elektrische Zustandsanzeige nur unzureichend ausgeprägt ist – sowohl
auf der Primär-
als auch auf der Sekundärseite
der Container-Steckdose. Alle vorgestellten Veröffentlichungen eignen sich
nur bedingt oder gar nicht für
den spezifischen Einsatz als Container-Steckdose mit elektrischer
Schalthandlung und Zustandsanzeige.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Einrichtung nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 – eine Container-Steckdose
mit elektrischem Schaltsensor und -aktor – unabhängig, für möglichst universellen Einsatz
zu schaffen, die obigen Nachteile zu verbessern, die Vielzahl möglicher Ausführungen
zu reduzieren und damit die Herstellung und die Lagerhaltung zu
vereinfachen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst; die Steckeraufnahme wird
um einen Anschläge und/oder
Stecker erfassenden Schaltsensor ergänzt, der über einen dem Leistungsschalter
vorgeschalteten Schaltaktor auf den Leistungsschalter wirkt.
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Ein
weiterer Vorteil der erfinderischen Neuheit ist dadurch gegeben,
daß die
drehbare Steckeraufnahme um einen die Anschläge und den Stecker erfassenden
Schaltsensor ergänzt
wird, der direkt auf den Leistungsschalter wirkt.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die drehbare
Steckeraufnahme um einen die Anschläge und den Stecker erfassenden Schaltsensor
ergänzt
wird und eine optische und/oder akustische Zustandsanzeige der elektrischen
Größen vorsieht.
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Der
vorgestellten Erfindung gereicht gegenüber den oben vorgestellten
Applikationen zum Vorteil, daß dem
Bedienpersonal vor der Einleitung einer Schalthandlung die Möglichkeit
gegeben wird, seine eigenen Maßnahmen
vor, während
und nach Einleitung der Schalthandlung zu prüfen. Der elektrische Schaltsensor
und -aktor schließt
die Nachteile der mechanischen Lösung
aus, die geometrische Anordnung der elektrischen Komponenten ist
nicht mehr von der Mechanik abhängig
und kann wahlfrei im Gehäuse
plaziert werden.
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Die
elektrische Zustandsanzeige ist ergonomisch so gestaltet, daß sie von
dem zuständigen Schiffspersonal
leicht erlernt und bedient werden kann.
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Ein
weiterer Vorteil der erfinderischen Neuheit ist dadurch gegeben,
daß der
Bediener nach Inbetriebnahme der Container-Steckdose eine leichte Übersichtlichkeit über das
Gesamtsystem behält, was
insofern von besonderer Bedeutung ist, da sich bei den elektrisch
versorgten, zu überwachenden Containern
um Transporte mit sensiblem Transportgut handelt und andererseits
das Schiffspersonal international besetzt ist.
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Die
elektrisch optische und/oder akustische Zustandsdarstellung hat
gegenüber
der mechanischen den Vorteil, daß sie auch bei schlechter Sicht oder
Dunkelheit wahrnehmbar ist.
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Die
Anwendung der Erfindung hat allgemeingültigen Charakter und eignet
sich für
alle leistungs- und/oder schutzgeschalteten elektrischen Systeme.
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Die
Herstellbarkeit der Container-Steckdose mit elektrischer Schalthandlung
und Zustandsanzeige mit branchenüblichen
Technologien, Betriebsmitteln und Anlagen, Einrichtungen und Werkzeugen
ist gegeben. Die Herstellkosten der erfindungsgemäßen Container-Steckdose
liegen deutlich unter den Herstellkosten vergleichbarer mechanisch
geschalteter Container-Steckdosen.
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Unabhängig von
den charakteristischen Forderungen an Komponenten elektrischer Schiffsausrüstung wie
Temperaturstabilität – auch bei
Wechseleinsätzen – Einsatz
selbstverlöschender
Materialien – über die
Schwerentflammbarkeit hinaus – vibrationsfeste
Werkstoffe und Verbindungstechnik – sind die Drehstromnetze vom
Generator kommend 3-phasig mit oder ohne Nulleiter mit oder ohne
Schutzleiter verlegt. Die Netze werden erdschlußüberwacht; meßtechnische
Einrichtungen dürfen
einen Fehlerstrom von < 30
mA nicht überschreiten.
Der Abgriff von Spannungen wie Phase gegen Phase im Drei-Leiter-Netz
und 230 V gegen den künstlichen Sternpunkt
sind möglich.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
des Erfindungsgegenstands werden im folgenden näher erläutert.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der elektrische Schaltsensor
aus einem Reed-Relais in Verbindung mit einem Permanentmagneten
besteht. Das bewegliche Drehteil der Steckeraufnahme wird mit dem
Permanentmagneten dauerhaft ausgestattet; wird das Drehteil mit
Hilfe des mehrpoligen Steckers in Richtung 'Ein – 1' gedreht, wirkt der Permanentmagnet
auf das Reed-Relais und bewirkt dessen Schalten. Diese Einschaltschwelle wirkt
direkt oder über
einen Schaltaktor indirekt auf den Leistungsschalter, mit oder ohne
Selbsthaltung.
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Bei
der 'Aus – 0'-Schaltung wird das
magnetische Feld des Dauermagneten durch Zurückdrehen dem Reed-Kontakt entzogen;
der Kontakt öffnet
sich und wirkt direkt oder indirekt auf den Leistungsschalter.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht den Einsatz eines Stecker-Zusatzkontakts
vor. Der Stecker-Zusatzkontakt wirkt mechanisch – durch Öffnen und/oder Schließen eines
mechanischen Kontakts der Steckeraufnahme – oder elektrisch – über eine
elektrische Verbindung zwischen Stecker und Steckeraufnahme direkt
oder indirekt auf den Leistungsschalter. Der Zustand 'Steckeraufnahme mit
oder ohne Stecker' wird
detektiert und bewirkt direkt oder indirekt über den Schaltaktor das 'Ein – 1'- oder 'Aus – 0'-Schalten des Leistungsschalters.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung wirkt das bewegliche elektrisch
leitende Drehteil der Steckeraufnahme wie eine Kurzschlußbrücke auf
die Widerstandskombination einer Brückenschaltung, wobei ein Brückenzweig
durch einen Widerstands-Bahnsensor abgebildet wird. Die Verstimmung
der elektrischen Brücke
ist ein Maß für die Winkelposition
des Drehschalters und somit ein Maß für die Einleitung der Schalthandlung über den
Leistungsschalter.
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Beim
Wienbrücken-RC-Oszillator – Widerstands-Frequenz-Wandlung – ist der
Sensor als Widerstandsbrücke
geschaltet, die die Frequenz des Oszillators bestimmt. Die Schwingfrequenz
ist von der Brückenverstimmung ΔR abhängig, also
f[Hz] = f1 (φ)
= f1'(ΔR).
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Das
beweglich gelagerte Drehteil der Steckeraufnahme ist mit einem optischen
Spiegel ausgerüstet
und wirkt auf die je statische Sende- und Empfangsdiode eines optischen
Systems sichtbaren oder nicht sichtbaren Lichts. Hat die gedrehte
Steckeraufnahme eine bestimmte Position erreicht – die Schaltposition – schaltet
die Empfängerdiode
durch und bewirkt direkt oder indirekt die Schalthandlung.
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Eine
weitere Ausprägungsform
der erfinderischen Neuheit ist dadurch gegeben, daß der Empfänger statt
einzeln mehrfach und/oder differential angeordnet wird, dadurch
ist durch Auswertung der Mehrinformation – nicht nur die Schalthandlung selbst – sondern
auch die Feststellung der Drehrichtung möglich.
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Eine
weitere Ausprägung
der Erfindung sieht vor, daß die
Oszillator-Brücke
induktiv, kapazitiv und/oder optisch abgeglichen werden kann.
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Als
Geber für
den induktiven RL-Abgleich – Widerstands/Induktivitäts-Frequenz-Wandlung – kommen
die Magnetosensoren Hallelement, Feldplatte, Magnetodiode, oder
Magnetotransistor oder Kupfer (Cu)-Spule zum Einsatz.
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Die
Hallspannung UH ist in erster Näherung linear
von der Größe des Magnetfelds
B abhängig, wobei
bei Richtungsumkehr auch die Hallspannung ihr Vorzeichen wech selt.
Die Temperaturabhängigkeit
ist durch den Hallkoeffizienten RH gegeben,
der bei größer werdender
Temperatur fällt.
Bei Annäherung
eines Eisen (Fe)-Stücks
oder eines Magneten an ein Hallelement sind bei Einzel- oder Differentialanordnung über die
Hallspannungsänderung
eindeutige Signale auszuwerten. Mittels über der Drehachse mit ausgeprägt geformten
Zähnen
angeordneten Hallelementen wird die sinusförmige Hallspannung durch einen
Schmitt-Trigger in Rechtecksignale umgeformt, die eine eindeutige
Stellungsbeschreibung abgeben und eine Schalthandlung veranlassen.
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Der
Widerstand RB eines Halbleiterplättchens
wird durch ein transversal zum Stromfluß 1 angelegtes Magnetfeld B
vergrößert, wobei
die Richtung des Magnetfelds nicht berücksichtigt wird. Das Magnetfeld
steht senkrecht zu den Strombahnen und erreicht dann eine maximale Änderung
des elektrischen Widerstands. Während
beim Hallelement die Struktur möglichst
lang und schmal sein soll, muß bei der
Feldplatte für
eine große
Widerstandsänderung bei
Anlegen eines Magnetfelds der Halbleiter möglichst kurz und breit sein.
Der Verlauf der Widerstandsänderung
RB/R0 in Abhängigkeit
von einem Verdrehungswinkel zu einem Magnetfeld B ist nahezu sinusförmig; dadurch
ist die Position zur Einleitung einer Schalthandlung eindeutig gegeben.
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Die
Magnetodiode nutzt die Ablenkung von Ladungsträgern eines i-leitenden Bereichs
einer Halbleiterdiode in Gebiete niedriger und hoher Rekombination
durch ein Magnetfeld aus. Bei positivem Magnetfeld +H werden die
Ladungsträger
nach Injektion durch den p+, i-Kontakt in
das i-Gebiet zur Oberfläche
abgelenkt und haben dort eine geringere Lebensdauer – höhere Rekombination – was zu
einer Stromerhöhung
führt.
Durch Umdrehen des Magnetfelds auf -H wird der Vorgang umgekehrt.
Die Magnetodiode spricht auf die Richtung des Magnetfelds an, in
dem die Durchlaßkennlinie
nach größeren oder kleineren
Strömen
verschoben wird. Die Empfindlichkeit der Magnetodiode erhöht sich
bei hohen Strömen
und ist bei unterschiedlicher Richtung des Magnetfelds auch unterschiedlich.
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Ladungsträger erfahren
im Magnetfeld eine Ablenkung, wenn Magnetfeld und elektrisches Feld nicht
in eine Richtung wirken. Das wird für den Magnetotransistor, der
in Bipolar- oder Unipolarbauweise ausgeführt sein kann, ausgenutzt,
in dem der Emitterstrom in Richtung Kollektor bzw. der Drainstrom
in Richtung Source durch das Magnetfeld B abgelenkt wird. Liegt
das elektrische Feld in x-Richtung, das magnetische Feld in z-Richtung,
werden die Ladungsträger
in y-Richtung abgelenkt – Lorentz-Kraft. Der
Ablenkwinkel Θ hängt dabei
von den Strömen
Iy und Ix sowie
von der Flußdichte
Bx des Magnetfelds in z-Richtung ab tan Θ ∼ Bz.
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Der
induktive Sensor ist derart gestaltet, daß durch die Drehbewegung der
Steckeraufnahme magnetische Feldlinien geschnitten werden oder die
Induktivität/Permeabilität geändert wird.
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Das
Schneiden von magnetischen Feldlinien setzt ein magnetisches Feld
voraus, welches entweder durch eine stromdurchflossene Spule oder
durch einen Permanentmagneten erzeugt wird, wobei der Permanentmagnet
Teil der drehbaren Steckeraufnahme sein kann. Die magnetischen Feldlinien
des Permanentmagneten schneiden die Windungen der Cu-Spule und induzieren
in derselben eine elektrische Spannung, die als Schaltsignal ausgewertet wird.
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Umgekehrt
kann auch das Drehteil Träger
einer messenden Cu-Spule sein. Weiterhin kann ein mit der drehbaren
Steckeraufnahme verbundenes Fe-Stück durch die Drehbewegung die
Induktivität
einer Cu-Spule verändern,
wobei die Induktivitätsänderung
als Schalthandlung verstanden und dieselbe eingeleitet wird.
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Der
kapazitive Sensor ist derart gestaltet, daß durch die Drehbewegung der
Steckeraufnahme elektrische Feldlinien geschnitten werden oder die Kapazität/Dielektrizität geändert wird.
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Das
elektrische Feld baut sich zwischen den Platten beliebiger Geometrie
eines Kondensators auf. Änderungen
dieses Feldes auf Grund von äußerlichen
Einwirkungen bedeuten eine Verstimmung eines eingeschwungenen Zustands,
der meßtechnisch erfaßt und als
Schalthandlung ausgewertet werden kann.
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Wird
das Drehteil der Steckeraufnahme Teil des Kondensators – als Elektrode
oder als Dielektrikum – so
bewirkt eine Lageänderung
des Drehteils eine meßtechnisch
erfaßbare
und die Schalthandlung anstoßende
Kapazitätsänderung
oder Änderung des
Dielektrikums.
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Eine
weitere Möglichkeit
der Ausführung
der Schalthandlung ist mit Hilfe der Optik gegeben, z.B. in Form
einer Reflex-Lichtschranke. Dabei gehen von einer Lichtquelle sichtbaren
oder nicht sichtbaren Lichts optische Signale auf einen Empfänger, der
je nach Auswertung eine Schalthandlung auslöst. Der Weg vom Sender zum
Empfänger
kann über
Spiegel erfolgen, die wiederum Teil der drehbaren Steckeraufnahme
sind und erst im gedrehten Zustand das Signal reflektieren und die
Schalthandlung freigeben.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche; die
zahlreichen Möglichkeiten
und Vorteile der Ausgestaltung der Erfindung spiegeln sich in der
Anzahl der Schutzrechtsansprüche
wider.