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"Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Veränderungen des u einen
bergmännischen Hohlraum anstehenden Gebirges mit Hilfe von Meßankern" Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zu Messen der Veränderungen des un einen bergmännischen Hohlraum
anstehenden Gebirges mit Hilfe von Neßankern.
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Im Bergbau und beim Bau von unterirdischen Räumen, z.B. Tunnel, Wasserstollen
u.dgl., interessiert das Verhalten des den Hohlraum umgebenden Gebirges aus den
verschiedensten Gründen, vor allem aber im Hinblick auf die Stärke des Ausbaues
für den betreffenden Hohlrawn, mit der das Gebirge sicher und dauerhaft beherrscht
werden kann. Dabei kommt es darauf an, die verschiedenen Sinflisse zu erfassen,
die das Gebirgsverhalten im Einzelfall bestimmen. Dazu gehören Feststellungen über
das Ausmaß der Störung des Gleichgewichtes im Gebirge, das den Hohlraum umgibt.
Diese Störung ist vor allem die Folge der Arbeiten zum Auffahren des bctreffenden
Raumes. Es interessiert die Feststellung, wie weit die Entspannungsbewegungen
in
den Gebirgskörper reichen. Im einzelnen fehlen bisher insbesondere ausreichende
Kenntnisse, in. welchem Maße die Hohe des Gebirgsdruckes, die Fähigkeit des betreffenden
Gesteins, diesen Druck elastisch aufzunehmen und die zeitliche Enderung der Spannungsverteilung
in der Umgebung des Hohlraumes zu größeren Gebirgsbewegungen führen.
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Obwohl es verschiedene Verfahren zur F.rfassung einzelner Einflußgrößen
dieser Art gibt, läßt sich doch feststellen, daß wegen der Vielzahl der Ausbauarten
auf der einen Seite und der Vielzahl unterschiedlicher Gebirgsverhältnisse, z.B.
der Gesteinsarten, des Einflusses der Gebirgsschichten, der Klüftigkeit und des
Vorhandenseins von Ton-Mineralien, sowie der durch Wasseraufnahme aus der Luftfeuchtigkeit
oder dem Gebirge abhängenden Festigkeitsverluste auf der anderen Seite, eine sichere
Vorhersage über die Standsicherheit der langlebigen Rä ume unter Tage ebensowenig
wie eine Vorhersage über die Standsicherheit kurzlebiger Strecken möglich ist. Man
behilft sich stattdessen mit Schätzwerten, durch die das Gebirge als standfest,
gebräch, druckhaft oder ähnlich klassifiziert wird. Nach diesen Werten bemißt man
empirisch den notwendigen Ausbau bzw. die Abstützung des freigelegten Gebirges.
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Insbesondere fehlt es bisher an Möglichkeiten, das Verhalten des Gebirges
in seinem Inneren zu messen. silan beschränkt sich deshalb darauf, die Auswirkungen
der Veränderungen im Gebirgskörper auf den Rand eines bergmännischen Hohlraumes
zu verfolgen. Das geschieht z.3. durch häufige messung des Querschnittes des betreffenden
Hohlraumes, mit denen man die VeronderunCen zu erfassen sucht, die in Laufe der
Zeit oder durch Abbaueinwirkungen eintreten,
Allerdings versucht
man, den Mangel solcher C:uerschnittsmessungen durch Modellversuche zu beheben.
Diese Versuche sollen es nämlich ermöglichen, die Vorgänge kenrenzulernen, die sich
ist Gebirge um einen im Gestein oder im mineral aufgefahrenen Raum abspielen. Wegen
der Vielzahl der Einflußgröße und der bestehenden Unkenntnis darüber, wie die Bedeutung
der einzelnen Einflüsse einzuschätzen sind, lassen sich in solchen modellen kaum
äquivalente Verhältnisse schaffen. Deshalb haben die Modellversuche zwar zu einem
besseren Verständnis des Gebirgsverhaltens wesentlich beigetragen, aber im übrigen
Vorhersagen in speziellen Fällen noch nicht ermöglicht.
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Zur Messung der Veränderungen des Gebirges an Ort und Stelle verwendet
man häufig Aufblätterungsanker. Damit lassen sich die Veränderungen in Gebirgsstößen
an den Stößen und in der Firste des Grubenraumes verfolgen. Zu diesem Zweck werden
Anker im Bohrlochtiefsten befestigte wobei das mit dem Gebirgsstoß nicht verspannte
Ankerstangenende frei aus dem Gebirge in den Grubenraum ragt. An diesen läßt sich
die Aufblätterung des Gebirges als Summenwert bestimmen, der die relative Bewegung
aes Gebirges längs der Ankerstange wiedergibt. Mit diesem Prinzip läßt sich die
Auflockerung des Gebirges mit einer Genauigkeit von ca.
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1 mm messen. Da auf diese Weise Summenwerte ermittelt werden, die
die Auflockerung des Gebirgskörpers in der durch den Anker erfaßten Tiefe insgesamt
wiedergeben, entsteht die Möglichkeit, durch mehrere Anker verechiedener Länge die
Aufblätterung des Gebirgskörpers in Abstufungen zu messen. Nach dem bleichen Prinzip
arbeiten auch die sogenannten Extensometer.
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Diese Verfahren sind nicht nur wegen der Vielzahl der irn Binzelfall
benötigten Aufblätterungsanker und der damit zusammenhängenden Anzahl der Meßvorgänge
außerordentlich aufwendig, sondern
auch zu ungenau, weil durch sie
nur die Aufblätterung der Gebirgsschichten, nicht aber deren gegenseitige Verschiebungen
bestimmt werden können. Zwar bietet die Verwendung von Endoskopen diesbezügliche
Möglichkeiten, doch werden für die Verwendung solcher Meßgeräte weitere Bohrlöcher
benötigt, die den Aufwand für die Durchführung solcher Meßverfahren erheblich vergrößern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit Hilfe von wenigen Meßankern
die Veränderungen im Inneren eines um einen bergmännischen Hohlraum anstehenden
Gebirgskörpers mit hinreichender Genauigkeit zu bestimmen, wobei die Voraussetzungen
dafür geschaffen werden sollen, die mit diesen Messungen gewonnenen Ergebnisse mit
Messungen der Veränderungen des Gebirgskörpers an seinen Grenzen zum Hohlraum hin
zu kombinieren und dadurch zu vergleichen.
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Erfindungsgemäß besteht das neue Verfahren zunächst darin, daß in
mehreren über die Länge jedes Meßankers verteilten Meßebenen und in jeder Meßebene
in zwei senkrecht zueinander verlaufenden Richtungen die Veränderungen der um die
Meßanker anstehenden Gebirgsschichten als Dehnungen oder Kürzungen und Biegungen
der durch Klebung mit dem Gebirge fest verbundenen Ankerstangen in allen Meßebenen
gleichzeitig oder unmittelbar nacheinander gemessen werden.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung wird das neue Verfahren dadurch
ergänzt, daß zusammen mit der Feststellung der Dehnungsmeßwerte die Konvergenz des
Gebirges im Grubenraum in der Richtung festgestellt wird, die durch zwei koaxiale
und sich gegenüberstehende Meßanker bestimmt ist.
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Die Auswertung der in den Meßebenen gewennenen Meßwerte zeigen die
Einflüsse des Schichtenaufbaus und der etwa im Gebirgskörper vorhandenen Löseflächen,
weil im Gebirgsanker nicht nur die
Aufblätterungen der Schichten,
sondern gleichzeitig auch deren Verschiebungen beobachtet werden. Das geschieht
mit sehr grober Genauigkeit. Wenn man z.B. mit einer Ankerstange die Meßebenen im
Abstand von 30 bis 50 cm festlegt, erhält LJn Genauigkeiten in der Größenordnung
von Ca. 1/100 mm je m Meßankerlänge. Da man gleichzeitig die zeitliche Abhängigkeit
der Veränderungen bestiininen kann, läßt sich nach kurzer Zeit eine entprechend
genaue Aussage darüber machen, sie und mit welcher Geschwindigkeit die Bewertungen
im Gebirgskörper an bestimmten ausgewählten Stellen einsetzen und ablaufen.
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Wendet man das erfindungsgemäße Meßverfahren in seiner erweiterten
Form an, so erhält man außerdem einen gleichzeitigen Aufschluß über die Konvergenz
des Gebirges und damit über die im Gebirgskörper zu suchenden Ursachen der Konvergenz.
Dabei kann die Anordnung der Anker so getroffen sein, daß die beiden Sleßanker in
der Firste und in der Sohle des Grubenraumes stehen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich so erweitern, daß man im
Ergebnis ein geschlossenes Meßsystem erhalt. Dazu kann man zunächst so vorgehen,
daß die Bewegungen der Gebirgsschichten und der Konvergenz des Hohlraumes gleichzeitig
in mehrere durch anker vorgegebenen Richtungen festgestellt wird. Diese Richtungen
können auch winkelig zueinander verlaufen.
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Auf diese Weise ist es mit relativ geringem Aufwand möglich, das Ausmaß
und die Geschwindigkeit der Veränderungen in der Firste, in der Sohle und in den
Stößen des Grubenraumes über die in der Tiefe des Gebirgoskörpers eintretenden Auflockerungen,
Verdichtungen und Verschiebungen nach Richtung und Größe zu bestimmen.
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Aus der Form und Größe der Auflockerungszone lassen sich S£hlisse
auf das Verhältnis der vertikalen zu den horzizontalen Gebirgsdrücken ziehen.
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Die Vorteile eines solchen Verfahrens bestehen darin, daß die gewonnenen
Meßergebnisse ausreichen viele Informationen übor das Verhalten des betreffenden
Gebirges in kürzester Zeit liefern, so daß sich der optimale Ausbau mit tragbarem
Meßaufwand festlegen läßt. Ist der Ausbau eingebracht, kann die Keßanordnung weiter
dazu verwendet werden, die Wechselwirkungen zwischen Gebirge und Ausbau binnen weniger
Tage festzustellen. Diese Möglichkeit beruht insbesondere auf der ungewöhnlich großen
Meßempfindlichkeit, mit der Veränderungen des Gebirgskörpers erfaßt werden.
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Man kann die Messungen aber auch über längere Zeiträurne hindurch
fortsetzen, um dadurch wissenschaftlich verwertbare Angaben über die Bewährung der
verschiedenen Ausbauarten in vergleichbaren Gebirgskörpern zu gewinnen. Das beruht
seinerseits auf den besonderen Wirkungen der in Rahmen des neuen Verfahrens verwendeten
Klebeanker, weil die Klebung nicht nur die Meßwertgeber schützt, sondern auch die
Gebirgsbewegung fast verlustlos auf die Anker stange überträgt und sie dort in Meßgrößen
iibersetzt, die die Meßwertgeber erfassen und weiterleiten können.
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Ein Anker zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens soweit
danach in mehreren, über die Lange des Meßankers verteilten Meßebenen die Veränderungen
der um die Meßanker herum anstehenden Gebirgsschichten als Dehnungen oder Kürzungen
bzw. Stauchungen der mit dem Gebirge fest verklebte Ankerstange in allen Neßebenen
gleichzeitig gemessen werden sollen ist dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerstange
eine axial verlaufende Nute aufweist, deren Tiefstes in der Mitte der Ankerstange
angeordnet ist und die Dehnungsmeßstreifen aufnimmt, wobei die Nut nacii außen mit
einem sie bis zu einer axialen Ausnehmung ausfüllenden Profil verschlossen ist und
die Ausnehmung die Anschlußkabel aufnimmt.
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Zum besseren Verständnis wird die Erfindung nachfolgend anhand der
Zeichnungen näher erläutert, die weitere Merkmale der Erfindung wiedergeben; es
zeigen Fig. 1 einen Meßanker zur Durchführung des erfindungsgemäßen Meßverfahrens
im Längsschnitt, sowie schematisch den Verlauf der mit dem Anker erfaßten Gebirgsschichten;
Fig. 2 die Anordnung rehrerer Meßanker zur Durchführung des um die Konvergenzmessung
erweiterten Meßverfahrens gemäß der Erfindung; Fig. 3 einen Meßanker für Messungen
in größeren Abständen vom Hohlraum innerhalb des Gebirgskörpers und Fig. 4 einen
weiteren Meßanker im Querschnitt.
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Der in Fig. 1 wiedergegebene Meßanker hat eine Ankerstange 1, deren
Lange und Starke nach den jeweiligen Verhältnissen am Einsatzort bestimznt wird.
Die Ankerstange ist an der Spitze bei 2 und an ihren freien Ende bei 3 mit Gewinde
versehen. Zwischen den Gewindeenden ist die Ankerstange nicht glatt ausgeführt.
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Sie kann jedoch mit einer Profilierung versehen sein, un ihre Kraftschlüssigkeit
im Kunstharz und im Gebirge zu verbessern.
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Wie die links in Fig. 1 wiedergegebene Querschnittsdarstellung erkennen
läßt, hat die Ankerstange 1 zwei Längsnuten 5 bzw. 6, die jeweils um einen einem
Halbkreis entsprechenden Bogenwinkel gegeneinander versetzt angeordnet sind. Beim
Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind in regelmäßigen Abständen Dehnungsmeßstreiben
in die Nuten 5 bzw. 6 eingebaut. Dadurch werden Ebenen I-IV über die Länge des Meßankers
verteilt angeordnet. In jeder der
so geschaffenen Meßebenen befinden
sich Dehnungsmeßstreifen 7; S.
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Die Meßstreifen liegen sich paarweise gegenüber. Durch Mittelwertbildung
kann die Längenänderung in der neutralen Faser der Ankerstange bestimmt werden.
Bildet man die Differenz der Meßwerte, so erhält inan die Biegung der Ankerstange
nach ihrer Richtung und ihren absoluten Wert. Aus diesen Werten könne die absoluten
Größen und die Richtungen der Verschiebungen bestimmt werden, die die Gebirgsschichten
erfahren.
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Bei dem-in Fig. 1 wiedergegebenen Ausführungsbeispiel sind die Meßstreifen
7 gegenüber dem Meßstreifen 8 so versetzt, daß zwei senkrecht zueinander verlaufende
Richtungen bestimmt sind. Die eine Richtung fällt mit der Achse 9 der Ankerstange
bzw. des Bohrloches 10 zusammen, in dem die Ankerstange 1 befestigt ist.
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Die zweite Richtung verläuft senkrecht zu der mit 9 bezeichneten Richtung.
Infolgedessen läßt sich die Aufblätterung der Schichten A-E mit den Dehnungsmeßstreifen
7 und die Verschiebung der Schichten auf ihren Grenzflächen 1-1-14 mit Hilfe der
Dehnur.gsmeßstreifen 8 festlegen.
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Die Dehnungsmeßstreifen 7 und 8 liegen auf dem Grund 5a bzw. da der
Nuten 5,6 und sind mit Blechstreifen 15 abgedeckt. Diese Blechstreifen decken auch
die nicht dargestellten Zuleitunben zu den Dehnungsmeßstreifen ab. Die Blechstreifen
werden nach Einbringen der Dehnungsmeßstreifen und ihrer Zuleitungen abgerundet,
so daß die Oberfläche des Ankers wieder ihren.urspr'-inglichen Zustand erhält, den
sie vor Einbringung der Nuten 5 bzw. 6 besaß.
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Die Ankerstange wird in dem Bohrloch 10 mit Hilfe eines Sunststoffklebers
bekannter Art festgehalten, obei die Klebeverbindung bei 18 wiedergegeben ist. Der
Klebstoff kann durch nachträgliches Injizieren, aber auch mit Hilfe von Klebstoffpatronen
eingebracht werden.
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Der in Fig. 1 wiedergegebene Klebeanker entspricht den beim Ankerausbau
üblichen Ankern, so daß ira Falle der Fig. 1 nur das Gebirgsverhalten in der geankerten
Zone gemessen werden kann.
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Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird ein Anker verwendet, der
bis in tiefere Gebirgsschichten ragt. In Fig. 3 sind die Gebirgsschichten mit F-K
wiedergegeben, die durch ein Bohrloch 20 erschlossen sind. Der Meßanker 21 ist aus
zwei Teillängen 22 un? 23 zusammengesetzt. Diese bestehen aus Rohrabschnitten, welche
über eine Muffe 24 miteinander verbunden sind, Das Teilstück 23, das im Tiefsten
des Bohrloches 20 steht, ist an seiner Stirnseite mit einem Stopfen 26 verschlossen,
der auf das mit Innengewinde versehene Ende des Rohres 23 aufgeschraubt ist. Das
zweite Rohrstück 22 läßt sich nachführen, um mit der Muffe 24 und damit mit dem
Rohrstück 29 verbunden zu werden. Dieses Rohrstück 22 besitzt daher an seinen beiden
Enden ein Innengewinde 27, so das im Bedarfsfall weitere Längen durch puffen 24
angeschlossen werden können.
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Bei diesem aus den Rohrstücken 22 und 23 zusammengesetzten Meßanker
sind Dehnungsmeßstreifen 30-33 in ausgefräste Mulden auf der Rohraußenseite eingeklebt
oder eingeschweißt. Die Zuleitungen zu den Dehnungsmeßstreifen werden durch das
Innere des Rohres geführt, sind jedoch auch in Fig. 3 nicht wiedergegeben.
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Die Dehnungsmeßstreifen sind wie in Ausführungsbeispiel nach Fig.
1 in Meßebenen V-VIII angeordnet. Je zwei der Meßstreifen, nämlich die Meßstreifen
30 und 32 bzw. 31 und 33 sind in gegenüberliegende Anordnung angebracht und jeweils
um 900 versetzt.
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Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, in jeder der Meßebenen V-VIII
nicht nur die Längenänderungen, sondern auch die Biegungen der Ankerstange in zwei
Ebenen zu bestimmen, wodurch sich die Ilauptrichtung der Gebirgsverschiebung ermitteln
läßt.
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Jedes Ankerteilstück 22, 23 hat an seinem unteren Ende einen nicht
dargestellten Stecker, an dem die Zuleitungen zu den Dehnungsmeßstreifen enden.
Im folgenden Teilstück des Meßankers befindet sich ein Kabel als Zuleitung zu dem
betreffenden Stecker.
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Auf diese Weise kann eine Vielzahl von Dehnungsmeßstreifen über Steckverbindungen
angeschlossen werden. Das hat den Vorteil, daß beim Eintreiben des mehrteiligen
Ankers, der nach dem Klebankerprinzip befestigt wird, keinerlei Beschädigungen der
Steckverbindungen auftreten können. Die Verklebung ist beim Ausführungsbeispiel
nach Fig. 5 im übrigen bei 2.9 wiedergegeben Die Steckverbindungen sind handelsüblich
und daher nicht wiedergegeben Sie unterscheiden sich im. wesentlichen danach,. ob
sie außen auf der Ankerstange- gesteckt werden oder in ihrem Inneren.
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Das hängt davon ab, ob es sich um einen Vollanker handelt, wie er
in Fig. 7 wiedergegeben ist oder um einen mehrteiligen Hohlanker entsprechend der
Darstellung nach Fig. 3.
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Mit den beschriebenen Meßankern läß-t sich ein Meßsystem errichten,
wie es in Fig. 2 schematisch wiedergegeben ist.
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Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist angenommen worden, daß ein
kreisringförmiger Grubenraum 40 an einem Gebirgskörper aufgefahren ist, der Gebirgsschichten
L-O aufweist. Im Hangenden befindet sich ein Meßanker nach Art des Ankers gemäß
Fig. 3, der mit 41 bezeichnet ist. Ihm entspricht ein Meßanker 42 im Liegenden.
Außerdem sind in den beiden Stößen Gebirgsanker 43 bzw. 44 eingeklebt, welche den
Gebirgsankern 41 und 42 entsprechen. Werden die Bohrlöcher zum Einbringen der Meßklebanker
41-44 mit einem Kernbohrgerät gebohrt, können. gleichzeitig der Aufbau des Gebirges,
nämlich seine Zusammensetzung in den Schichten L-O und die Gesteinseigenschaften
in diesen Schichten genau ermittelt werden. Daraus bestimmt sich die Anzahl der
Dehnungsmeßstreifen. Die Meßebenen sind mit IX-XII an jedem Gebirgsanker bezeichnet.
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In die Gebirgsanker sind dnne Rohre 45, 46 bzw. 47 und E engeschoben
und befestigt. Die Rohre enden an Konvergenzgebern 50 bzw. 51, von enden Jeweil
einer zwei koaxial sich gegenüberstehenden Ankern 43, 44 bzw. 41, 42 zugeordnet
ist.
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Die Dehnungsmeßstreifenwerte werden in bekannter Weise aufgenommen.
Notwendig ist ein Meßstellenumschalter zur Anwahl der verschiedenen Dehnungsmeßstreifen
und der Abgleich des angewählten Dehnungsmeßstreifens mit Hilfe einer Meßbrücke.
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Man kann die Meßwertfeststellung durch einfach Ablesegeräte manuell
am einsatzort vornehmen. Ein höheres Maß an Rationalisierung erhält man durch eine
automatisch betriebene Anwählanlage, die in der Nähe des jeweiligen Meßsystems oder
unmittelbar am Einsatzort aufgestellt werden kann. Es besteht auch die Möglichkeit,
die ermittelten Meßwerte nach Verstärkung über das Telefonnetz nach übertage z.B.
in eine Grubenwarte übertragen zu lassen.
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Nach Fig. 4 ist der Klebanker 69 so ausgeführt, daß die Längenänderung
der Ankerstange unmittelbar in der mit 60 bezeichneten neutralen Faser gemessen
werden kann. Zu diesem Zweck besitzt der Anker eine axiale Nute 61. Die Fläche 62
bildet das Tiefste der Nute. Auf ihr sitzt ein Dehnungsmeßstreifen 63. Dieser ist
mit einer Dichtung 70 gegen eine Ausnehmung 64 abgeschlossen, welche die Anschlußkabel
oder -drähte 65 aufnimmt. In ihr sind auch die Reservelängen untergebracht. Die
Ausnehmung 64 ist mit einen Profil 66 verschlossen, das bei 67 und 68 geklebt ist.
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Patentansprüche: