DE2125749A1

DE2125749A1 - Vorrichtung zum Detektieren von Flammenbogen

Info

Publication number: DE2125749A1
Application number: DE19712125749
Authority: DE
Inventors: Jasper Anton van Utrecht Avenanus Ernst Frederik Zeeuw Jan Willem de Eindhoven Best, (Niederlande) B23p 1 08
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1970-06-18
Filing date: 1971-05-25
Publication date: 1971-12-23
Also published as: GB1334600A; US3746930A; DE2125749C3; CA941463A; DE2125749B2; NL7008914A; FR2099228A5; CH530843A

Description

PHN.4949. Va/EVH.

Patentanwalt

\ι. γ. Philips' Gloeilampenfabrieken

Akte Na, PHN- 4949
AwneWuna vomi 24. Mai 1971

Vorrichtung zum Detektieren von Flammenbögen.

Die Erfindung bezieht aioh auf eine Vorrichtung zum Detektieren von Flammenbögen während eines Funkenzerspanungsvorgangs, wobei in einem Entladungsraum, der duroh ein Werkstück und eine Werkzeugelektrode, die an eine Speisequelle angeschlossen sind, gebildet wird, Funkenentladungen erzeugt werden. Eine solche Vorrichtung ist bekannt.

Beim Entfernen von Materialteilohen aus einem elektrisch leitenden Werkstück durch Funkeneroeion bilden sich manchmal Flammenbögen statt regeümäsaiger Funken_t wodurch dae Werkstück und die Werkzeugelektrode beael·Hdißt werden.

Der zeitliche Aufbau des Spannungaimpulaoa zwischen dem Werkstück und der Werkzeugelektrode bei Flammenböeen ist von dem bei Funken verschieden. Auseerdem sind die Werte von Strömen

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in und Spannungen ober dem Entladungaiaum für Flammenbögeη und Funken voneinander verschieden. Flammeηbögeη lassen sich mit Hilfe von Detektionasystemen detektieren, deren Wirkung sich auf diese physikalischen Erscheinungen gründet. Die Parameter derartiger Detektionssyateme sind aber von der Einstellung der die Entladungaimpulse liefernden Speisequelle und von dem Material des Werkstückes und der Werkzeugelektrode abhSngig. Diese Detektionaaysteme sind daher stark an den speziellen Funkenzerapanungavorgang, für den sie entworfen sind, gebunden, so dass sie nicht allgemein brauchbar sind.

Die Erfindung hat den Zweck, eine Vorrichtung zum Detektieren von Flammenbögen zu schaffen, die bei einem beliebigen Funkenzerspanungavorgang verwendet werden kann und die schnell und genau angibt, ob FlammenbSgen auftreten oder nicht. Die Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Entladungssaua an den Eingangsklemmen einer GerSuschdetektionsachaltung zym Detaktieren der GerSuachkomponente der Spannung über dem Entladungsraum angeschlossen ist, und dass die Ausgangsklemmen der Gesäuaohdatektianssohaltung mit dem Eingangskreis einer Diskriminatossoiialtung verbunden aind, an walchen Eingangskreis auch sine Besügaspannungsquelle angeschlossen ist. In dieser Vorrichtung vi£cj eine bisher sus Flammanbogendetektioa nicht benutzte physikalische Eigenaehaft von FlammanbSgea benutzt, und zwar das Versobwineless &qv HochfsoqueassgszSuschkoQpoaeate der Spannung über dem latl&duagSESusä aofost beim Auftsetan von Flammenbögen» In der Diai::.2it»iaatösaaläaltrag wiacä üie dstsktiasts Sasäuaohspaanung mit Sasigsspaanwng vaEgliehaae Bie /i^sgaagaapannung äer Diakaimi-

gttt aia© Aasoiga laoa dae Auftretea von Flammeab8gsR_e

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Um einen Flamineubogen detektieren zu können, muss beim Fehlen der Geräuschspannung festgestellt werden, ob ein Strom im Entladungsraum fliesst oder eine Spannung über dem Entladungsraum steht. Zu diesem Zweck enthält die Vorrichtung nach einem weiteren Merkmal eine logische Schaltung, deren Eingangsklemmen die Spannung über und der Strom in dem Entladungsraum zugeführt werden können und deren Ausgangsklemmen mit den Ausgangsklemmen der Geräuschdetektionsschaltung verbunden sind.

Nach einem weiteren Merkmal der erfindungsgeraässen

Vorrichtung ist zwischen den Ausgangsklemmen der Geräuachdetektionsschaltung ein Schalter angebracht, dessen Steuerkreis mit den Ausgangsklemmen der logischen Schaltung verbunden ist. Dadurch kann verhindert werden, dass bei kleinen" Intervallzeiten die detektierten Geräuschspannungsimpulse zueinander addiert werden und dass die Einschaltimpulse der Speisequelle weitergeleitet werden.

Vorzugsweise ist die Diskriminatorachaltung ein Operationsverstärker, dessen eine Eingangsklemme mit einer Ausgangsklemme der Geräuschdetektionsschaltung und dessen andere Eingangsklemme mit einer Bezugsspannungsquelle verbunden ist. Dadurch lässt sich eine genaue und von der Temperatur unabhängige Detektionsschwelle erhalten.

Die Vorrichtung nach der Erfindung kann einen Teil einer Sicherungsanordnung zum Unterdrücken von Flammenbögen in einer Funkenzerspanungseinrichtung bilden. Dabei können die Ausgangsklemmen der Diskriminatorschaltung mit einer Impulszählvorrichtung verbunden sein. Nach dem Auftreten einer gewissen Anzahl von Impulsen in einem bestimmten Zeitintervall kann der Impulszähler ein Signal abgeben, woduroh z.B. die Speisequelle und der

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Entladungsraum entkoppelt werden. Auch können die von der Diskriminatorschaltung abgegebenen Impulse einem integrierenden Netzwerk zugeführt und kann mit der Ausgangsspannung dieses Netzwerkes ein Relais, das die Speisequelle abschalten kann, gesteuert werden.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Verlauf der Spannung als Punktion der Zeit zwischen einer Werkzeugelektrode und einem Werkstück bei Funkenentladungen;

Fig. 2 schematisch eine Vorrichtung nach der Erfindung;

Fig. 3 eine Vorrichtung nach der Erfindung mit einer logischen Schaltung;

Fig. 4 die Weise, auf die bei kleinen Intervallzeiten die detektierten Geräuschspannungsimpulse zueinander addiert werden können, und

Fig. 5 ein vollständiges Schaltbild einer praktischen Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung.

In Fig. 1 bezeichnet U die Spannung der Werkzeug-

elektrode bei geerdetem Werkstück bei normalen Funkenentladungen. Die Zeit t ist als Abzisse aufgetragen. In dieser Figur ist: t : die Zündzeit,
t. : die Impulsdauer der von einem Impulsgenerator

gelieferten Impulse,

t. +: Die Intervallzeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen,

tj -t s die Funkenzeit,
imp ο

imp int* '

t_d: die Abfallzeit.

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Statt regelmHnai{ξβτ Funken Über die ganze Erosionsoberfläche bilden aich manchmal Flammenbögen, vermutlich infolge einer Verschmutzung des Ioniaationskanals durch von der Elektrode, dem Werkzeug oder dem Dielektrikum herröhrende Teilchen.

Auaser in einem starken örtlichen Lichtbogen Huasert sich die Flammenbogenbildung auch in häufig auftretenden Kurzachlüasen der Werkzeugelektrode und des Werkstüokes. Dadurch zieht aich die Werkzeugelektrode etwas zurück, wonach dann wieder Funkenoder Flammenbogenbildung auftritt. Das Werkstück und die Werkzeugelektrode sind dann aber bereits schwer beschädigt.

Es gibt aber noch andere wahrnehmbare Andeutungen, die ein rechtzeitiges Eingreifen ermöglichen wUrden.

'a) Die Abfallzeit t, ist bei Flammenbogenbildung grosser als bei Funkenbildung. Versuche haben ergeben, dass bei Funkenbildung t, < 20 Nanosekunden und bei Flammenbogenbildung t, % 300 Nanosekunden ist. Derartige kurze Zeiten können wegen kapazitiver und induktiver Störungen aber schwer gemessen werden. Eine gute Wahrnehmung der Erscheinung erfordert ein sehr schnell wirkendes Oszilloakop. Es ist auch ungünstig, daaa ein Flammenboßen, der erst nach einer Anzahl von Funken gebildet wird, nicht wahrgenommen wird.

b_) Die mittlere Zündzeit t ist bei Flammenbogenbildung kleiner als bei Funkenbildung. Eine rechtzeitige Detektion derselben ist grundsätzlich unmöglich, weil t beliebig zwischen*^? ΐ und 100 ΐ variiert. Bei sehr starker Flammenbogenbildung wird zwar i_Q etwa gleich null, aber in diesem Fall hat Eingreifen keinen Zweck mehr.

C₁) Der maximale elektrische Strom ist bei Flammenbogenbildung 10 bis 20 $ höher als bei Funkenbildung. Ein Nachteil eines Detektionssyatems, dessen Wirkung sich auf diese Erscheinung gründet,

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besteht darin, dasa die eingestellte Strombegrenzung in der Funkenzerapanungaeinrichtung und die Intervall- und Impulsdauer berücksichtigt werden müssen. Der mittlere Strom gibt auaaerdem keine richtige Anzeige über das etwaige Auftreten von Flammeηbögeη infolge der grossen Schwankungen in der Zündzeit. Auch der maximale Strom selber gibt keine richtige Anzeige, weil er sich nicht von einem Kurzaohlusatrom unteracheiden lässt.

d.) Die Bogenapannung iat niedriger als die Funkenapannung. Die Funkenapannung iat aber von dem Material der Werkzeugelektrode und dea Werkstüokea abhängig und weist aussardem Schwankungen auf.

Die Detektionaverfahren, denen die unter ji) bis d_) erwähnten Eigenschaften zugrunde liegen, weisen alle den Nachteil auf, dass sie nur bei einer bestimmten Einstellung der Speisequelle und bei bestimmten Materialien der Werkzeugelektrode und dea V/erkatUckes brauchbar aind. Nach der Erfindung wird die Tatsache benutzt, dass die bei Funkenentladung auftretende Geräuschspannung bei Bogenentladungen fehlt. Daa Detektionsverfahren, dem die Messung von Geräuach zugrunde liegt, weiat keinen der vorerwähnten ψ Nachteile auf.

Fig. 2 zeigt achematiach die Vorrichtung nach der Erfindung. In dieser Figur bezeichnen E die Werkzeugelektrode und W das Werkstück, Der Impulsgenerator G erzeugt Entladungen zwischen dem Weikstück und der Werkzeugelektrode. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, iat des Elektrodenspannung Hoohfrequenzrauschan überlagert, wenn die Entladungen Funkenentladungan sind. Wenn jedoch Bogenentladungen auftreten, ist daa Hochfrequenzrauschen verschwunden. In der Rausohdetektionsschaltung R wird die etwa vorhandene Rauachspannung duroh daa differenzierende Netzwerk R₁C₁ von der Elektroden-

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spannung getrennt. Die Rauschspannung wild von einer Diode D₁ gleichgerichtet. Ueber dem Belastungswideratand R„ erscheinen Spannungaimpulse.

Zur weiteren Verarbeitung dar über dem Widerstand R„ auftretenden Spannung wird eine Diskriminatorschaltung verwendet. Die über dem Widerstand R_ auftretende Spannung wird einem der EingSnge der Diakriminatorachaltung zugeführt und in dieser Schaltung mit der von «ir. ~ Bezugsapannungsquelle V _f herrührenden Spannung verglichen. Die Diakriminatorachaltung gibt nur dann einen Ausgangsimpuls ab, wenn der über R„ erscheinende Spannungsimpuls einen bestimmten Mindestweit aufweist.

PUr die Diakriminatorschaltung könnte ein Tranaistor mit einer bestimmten Vorspannung verwendet werden. Ein derartiger Mindeatwertdetektor hat jedoch die folgenden Nachteile: - grosse Temperaturempfindlichkeit, die Aenderung des Niveaus führt auch eine Aenderung der Gleichstromeinstollung dea Transistors und somit auch der Verstärkung und der Dynamik herbei, die Detektionsschwelle wird durch die 1,-V, -Kennlinie

D be

des Transistors bestimmt und weist eine unzureichende Schärfe auf. Bei Anwendung eines Operationsverstärkers als Diskriminatorschaltung werden die erwähnten Nachteile vermieden.

Die vom Operationsverstärker V we itergeleiteten Impulse werden von der Diode Dp gleichgerichtet und können 7-,B. mit Hilfe eines Voltmeters M angezeigt werden.

Um einen Flammenbogen detektieren zu können, muss festgestellt werden, ob beim Vorhandensein von Strom und Spannung

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Rausohen fehlt. Zu diesem Zweck wird in die Vorrichtung eine logische Schaltung L aufgenommen, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Diese Schaltung hat zwei Eingänge und einen Ausgang. Dem mit u bezeichneten Eingang wird die Spannung über der Werkzeugelektrode und dem Werkstück zugeführt; der Strom zwischen der Werkzeugelektrode und dem Werkstück wird dem mit i bezeichneten Eingang zugeführt. Ueber dem Ausgang der logischen Schaltung steht stets eine positive Spannung," es sei denn, dass die beiden Eingangsspannungen von null verschieden sind, d.h. wenn der Strom zwischen dem Werkstück undder Werkzeugelektrode und die Spannung über dem Werkstück und der Werkzeugelektrode beide nicht gleich null sind.

Der Ausgang der logischen Schaltung ist mit demjenigen Eingang des Operationsverstfirkera verbunden» dem auch die Spannung ober dem Widerstand R« zugeführt wird. Der Operationsverstärker wird nur dann Ausgangsimpulse abgeben, wenn die Summe der Spannung über R₂ und der von der logischen Schaltung abgegebenen Spannung unter einen bestimmten Wert absinkt; mit anderen Worten, wenn sowohl Strom zwischen als auch Spannung über dem Werkstück und der Werkzeugelektrode vorhanden ist und ausserdem Rauschen fehlt.

Bei kleinen Intervallzeiten zwischen den Impulsen ergibt sich wegen des Vorhandenseins der Streukapazität C„ die Möglichkeit, dass zu einem Impuls ein Teil des vorangehenden Impulses addiert wird (sog. "pile-up"-Effekt), Diee ist in Fig. 4. in der die Zeit t als Abszisse und die Spannung über dem Wideretand Rg ale Ordinate aufgetragen sind, veranschaulicht. In Fig. 4» sind die Impulse an der Werkzeugelektrode dargestellt; Fig. 4b zeigt, wie die detektierten Impulse (d.h. die Impulse über dem Widerstand Rg) zueinander addiert werden. Duroh das Addieren der Impulse bleibt die

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Spannung Über dem Widerstand R₂ gröaaer als die mit der gestrichelten Linie D angedeutete Detektionaachwelle. Infolge des "pile-up"-Effekts wird der im Zeitintervall t₁-t„ auftretende Flammenbogen nicht detektiert.

In der Vorrichtung nach Fig. 5 wird "pile-up" durch die Anwendung eines schnell wirkenden linearen Tores in Form eines npn-Transistors T.. in gemeinsamer Emitterschaltung ohne feste Kollektorspannung vermieden. Die Basis des Transistors T.. ist mit dem Ausgang der logischen Schaltung L verbunden. Beim Fehlen von Strom in und/oder Spannung über dem Entladungsraum ist die logische Ausgangs-Spannung der logischen Schaltung, und somit auch die Basis des Transistors T.., positiv, so dass jedes positive Signal am Kollektor des Transistors T₁ kurzgeschlossen wird. Beim Vorhandensein sowohl eines Stromes in, als auch einer Spannung Über dem Entladungsraum ist die Basisspannung des Transistors T. gleich null, so dass dieser gesperrt ist und daa Signal weitergeleitet wird. Die StreukapazitSt C„ wird nach jedem Funken in einigen Nanosekunden entladen. In Fig. 4c sind die Impulse Über dem Widerstand R- dargestellt fUr den Fall, dass der Transistor T₁ vorhanden ist. Im Zeitintervall t.|-t₂ liegt dio Spannung unterhalb der Detektionssohwelle D; der in diesem Zeitintervall auftretende Flammenbogen kann nun wohl detektiert werden.

Ein zusätzlicher Vorteil des linearen Tores let der, dass es die Einsohaltimpulse des Impulsgenerator« kurzeohlieest. Die Frequenzen dieser Einschaltimpulae liegen innerhalb des * Frequenzbereiches des Rauschens, so dass die Einschaltirapulee ohne Anwendung dee linearen Torea alt Rauschen wahrgenommen werden worden»

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Die Kombination der logischen Schaltung und des

Schaltungselements T.. der Vorrichtung nach Fig. 3 kann naturgemäss durch eine Kombination oiner anderen logischen Schaltung und eines anderen linearen Toree ersetzt werden, vorausgesetzt, dass fliese Kombination derart gewühlt wird, dass die StreukapazitSt C₀ entladen wird, wenn nicht der Strom zwischen sowie die Spannung über fler Werkzeugelektrode und dem Werkstück beide von null verschieden sind.

ψ Die vom Operationsverstärker gelieferten Impulse können

einer nicht dargestellten Impulszählvorrichtung zugeführt werden, die ihrerseits mit einer Sicherungsschaltung verbunden sein kann, derart, dass die Verbindung zwischen der Speisequelle und dem Entladungsraura unterbrochen wird, wenn die Anzahl von Impulsen pro Zeiteinheit einen gewissen Wart überschreitet. Auch kann die vom Operationsverstärker gelieferte Spannung integriert werden (siehe Fig. 3)· Die integrierte Spannung (die Spannung über dem Kondensator C,) kann dann zum Schalten eines Relais verwendet werden. ^ Dieses Relais kann seinerseits einen Teil einer Sicherungsschaltung der Funkenzerspanungseinrichtung bilden.

Pig. 5 zeigt eine praktische Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung mit einem Relais.

Um eine gröseere Erregung des Relais zu erzielen, kann dieses Relais in den Ausgangskreis eines Verstärkers aufgenommen weiden. In Fig» 5 besteht der Verstärker aus einem Transistor T^t netttilich könne« auch mehrere Transistoren in Reihe geschaltet oder auoh andere Verstärkerelemente verwendet werden«

Dadurch, dass die Steuerspannung über ein Potentiometer R dem Verstärkerelement sugefütirt wird, kann das Niveau,

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auf dem das Relais anzieht, eingestellt werden.

Zwei anti-parallel geschaltete Dioden D, und D. dienen zur Vermeidung hoher Spannungsspitzen. Ein Reihenwiderstand Rg begrenzt den Spitzenstrom.

In der Vorrichtung nach Fig. 3 wird am Anfang der Zündzeit der Kondensator C₁ über den Widerstand R₁ aufgeladen. Dadurch kann ein Spitzenstrom von einigen Amperes zu fliesasn anfangen, wodurch die logi<?ohe Schaltung eine Ausgangsspannung von 0 V aufweist, so dass (ier Transistor T₁ gesperrt und das Signal weitergeleitet wird. Dies kann dadurch verhindert werden, dass der Spitzenstrom auf einen Wert unterhalb der Wahrnehmungsschwelle der logischen Schaltung herabgesetzt wird. Dies wird dadurch erzielt, dass der Widerstand R₁ fortgelassen, der Widerstand Rg vergrösaert und der Kondensator C₁ angepasst werden. Eine Vergrösserung des Widerstandes Rg führt infolge der DiodenstreukapazitSten eine Herabsetzung des Detektionawirkungsgrades herbei. Ea wird eine Zwischenlösung gewShlt, indem der Widerstand Rg nicht geändert, aber der Kondensator C₁ (die Zeitkonstante) um einen Faktor 10 herabgesetzt wird. Die Zeit, in der der Strom die Detektionsschwelle der logischen Schaltung überschreitet, wird dann derart kurz, dass die logische Sohaltung nioht mehr auf den obenerwähnten Spitzenetrom anspricht.

Beim Fehlen eines Stromes in und/oder einer Spannung über dem Entladungsraum liefert die logische Schaltung eine positive Auegangsspannung. Die Streukapazität C₂ würde dann aufgeladen werden, woduroh die Detektionsschwelle um die Spannung der Streukapazitöt über der Streukapazität C₂ erhöht wird. Dies kann dadurch vermieden werden, daas eine zueötzliohe Diode D_. angeordnet wird.

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Die zu der Zenerdiode D parallel geschaltete Diode D^ muss verhindern, daas negative Spannungen über dem MessgerSt M auftreten.

Die vom Operationsverstärker V weitergeleiteten Impulse werden von der Diode D_? gleichgerichtet und von dem Widerstand R_q und dem Kondensator C. integriert.

In einem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach Pig. wiesen die Widerstände R₂, R,, R., R^» Rg, Ry, R_fi» R_q und R.. Werte von 10 k& , 0,1Jl, 3,9 kSl, 3,9 k Λ, 68 Sl, ^00Sl, 100 Ä , 680 bzw. 10 kSl auf, während das Potentiometer R einen Wert von 10 hatte. Die Kapazitäten der Kondensatoren C^, C, und C. betrugen 47 pP, 0,1 /UP bzw. 1 /UP. Die Dioden D₁, D₂, D,- und Dg waren Germaniumdioden vom Typ OA 90. Die Dioden D, und D. waren Siliciumdioden. Die Zenerspannung der Zenerdiode D„ betrug 5»3 V. Die npn-Transistoren T₁ und T_? waren vom Typ MM 71 bzw. BC 109.

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Claims

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FATENTANSPRUECHE

1.y Vorrichtung zum Detektieren von Flammenbögen während eines Funkenzerspanungsvorgnngs, wobei in einem Entladungsraum, der durch ein WerkatUck und eine Werkzeugelektrode, die an eine Speisequelle angeschlossen aind, gebildet wird, Funkenentladungen erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladungsraum an den Eingangsklemmen einer Rauschdetektionsschaltung zum Detektieren der Rauachkomponente der Spannung Über dem Entladungsraum angeschlossen ist, und dasa die Ausgangsklemmen der Rauschdetektionsschaltung mit dem Eingangskreis einer Diskriminatorschaltung verbunden sind, an welchen Pilngangskreis auch eine Bezugsapannungsquelle angeschlossen ist.

2, Vorrichtung nach Anspruoh 1, gekennzeichnet durch eine logische Sohaltung (L), deren Eingangsklemmen die Spannung Über und der Strom in dem Entladungsraum zugeführt werden können und deren Ausgangsklemmen mit den Ausgangsklemmen dex Rauschdetektionaschaltung verbunden sind.

3, Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Ausgangsklemmen dex Rauschdetektionaschaltung ein Schalter angebracht ist, dessen Steuerkreis mit den Ausgangsklemmen der logischen Schaltung verbunden ist.

4, Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 odex 3, daduxch gekennzeichnet, dass die Diakriminatoraohaltung ein Operationaver-•tlxkex (V)₁ISt, deeaen edne Eingengeklemrae mit einex Ausgangekle mrae dex Rausohdetektionaschaltung ut|d dessen andere Eingangs- ■ klemme mit einex Beeugaepannungaquelle verbunden ist·

5, Siohexungeachaltung zum Unterdrücken von Flammenbögen vVhxcnd eine· Funkenaexspanungevorgange mit einex Voxxiohtung

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nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daas die Ausgangsklemmen der Diskriminatorschaltung mit einer Scha]tvorrichtung für die Speiaequelle vorhunden sind.

6. Sicherungaschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsklemmen der Diakriminatorschaltung mit

^ einer Impulszählvorrichtung verbunden sind.

7. Sicherungsschaltung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsklemmen der Diskriminatorschaltung mit dem Eingangskreis eines integrierenden Netzwerks verbunden sind, in dessen Ausgangskreis ein Relais (R) aufgenommen ist.

8. Punkenzerspanungseinrichtung mit einer Sichnrungsschaltung nach Anspruch 5, 6 oder 7·

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