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Meßvorrichtung für die Axialverschiebung
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rotierender Maschinenteile, insbesondere zur Messung des Scheiben-
bzw. Plattenabstandes eines Plattenrefiners während seines Betriebs Die Erfindung
betrifft eine Meßvorrichtung zur Bestimmung der Axialpositionen und Axialverschiebungen
rotierender Körpers insbesondere,jedoch nicht ausschließlich zum Messen und Steuern
der Größe des Scheibenabstandes bei einem Holzschliffrefiner.
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Bei Refiner-Einrichtungen dieser Art ist ein Abstand zwischen zwei
Refinerplatten vorhanden, die an Scheiben angebracht sind.
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Eine der Scheiben ist stationär und die andere dreht sich um eine
Welle senkrecht zu der Platte, oder es können sich auch beide Scheiben in Gegenrichtungen
drehen. Die Platten sind mit entsprechenden Mustern an ihren einander zugewandten
Seiten versehen, und das aufzuschlagende Material wird gewöhnlich über eine Öffnung
in der Mitte einer der Platten eingebracht. Nach der Ausführung des Refinevorganges
wird das Material am Umfang der konzentrisch rotierenden Platten ausgetragen. Die
Größe des Abstandes zwischen den beiden Platten ist natürlich im Hinblick auf das
beim Refinen zu erzielende Resultat ausschlaggebend, und deshalb besteht ein Bedarf
zur Anbringung von Einrichtungen zum Steuern dieses Abstandes. Die Lösung dieses
Problems ist kompliziert, da große Kräfte sowohl als Zentrifugalkräfte als auch
als Druckkräfte auf das Material auftreten, das zu refinen ist. Auch sind die Auswirkungen
von Temperaturänderungen bei der Vorrichtung zu beachten, wodurch die Einhaltung
eines bestimmten Abstandes schwierig'ist. In Abhängigkeit von der Vorrichtung beläuft
sich der Abstand gewöhnlich auf 1 oder 2 mm bis hinab zu Zehntel Millimetern. Aufgrund
der auftretenden Kräfte ist es möglich, daß die Platten Betriebsstellungen
einnehmen,
die einen sogenannten negativen Abstand-haben, was bedeutet, daß sich die Platten
soweit aufeinander zu-verschoben haben, daß die Positionen der Drehwellen den Punkt
durchlaufen haben, an dem die Platten in der Ruhestellung einen metallischen Kontakt
miteinander hätten.
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Die Erfindung zielt darauf ab, eine Vorrichtung derart auszulegen,
daß man den Abstand während des Betriebs messen kann.
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Eine weitere Schwierigkeit im Hinblick auf die Messungen des Abstandes
dieser Art ist darin zu sehen, daß eine sogenannte Laufbahnabweichung auftreten
kann, was bedeutet, daß die Platten nicht parallel sind, so daß sich der Abstand
längs des Umfangs- ändert. Dies wird üblicherweise durch eine oder beide rotierenden
Wellen verursacht, die ihre Ausrichtung ändern, -was beispielsweise seine Ursache
im Temperaturgradienten in dem Gestell-haben kann, in dem die Wellen gelagert sind.
Wenn ein -derartiger, bei dem zu erzielenden Refine-Ergebnis feststellbarer-Fehler
korrigiert wird, in dem die Refineplatten näher aufeinander zu bewegt werden, können
die Platten leicht in metallische Berührung miteinander kommen, so daß sie beschädigt
werden.
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Somit bezweckt die Erfindung weiterhin eine Vorrichtung zur Messung
des Abstands während des Betriebs derart auszulegen, daß sie derart angeordnet werden
kann, daß der Abstand an mehreren-Punkten längs des Umfangs gemessen werden kann.
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Diese und weitere Ziele und Vorteile werden erfindungsgemäß bei einer
MeßVorrichtung für die Axialverschiebung rotierender-Maschinenteile nach dem Kennzeichen
des Hauptanspruchs erreicht.
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Obgleich die Erfindung in Verbindung mit einem Ausführungsbeispiel
mit zwei-in Gegenrichtung rotierenden Scheiben ererläutert
wird,
kann der Fachmann ohne weiteres den Grundgedanken der Erfindung ohne eigenes Zutun
und größere Änderungen zur Messung eines Abstandes verwenden, wenn eine der Platten
stationär ist,und die Messung nach der Erfindung erfolgt an der rotierenden Platte.
Die Position der zweiten Platte kann bei dieser Ausführungsform auf unterschiedliche
Art und weise ermittelt werden, und die Problematik wird insbesondere dadurch sehr
vereinfacht, daß die Platte stationär ist, obgleich sie sich selbst beim Stillstand
verformen kann.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter
Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung.
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Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Holzschliffrefiners, bei dem die
Lage von zwei Sensoren gezeigt ist; Fig. 2 ist eine ausschnittshafte Darstellung
der Umfangsflächen der beiden Scheiben,die mit strichförmigen, abzutasteri3enElementen
versehen sind, die vorzugsweise durch magnetische Sensoren abgetastet werden; Fig.
3 ist eine Ausführungsform eines sehr einfach ausgebildeten Schaltkreises zur Ermittlung
des Abstandes.
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Das dargestellte Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen Refiner
an sich bekannter Bauart, z.B. das Modell RSA 1300, hergestellt von Sunds AB. Obgleich
sich die nachstehende Beschreibung insbesondere auf eine derartige Maschine bezieht,
kann die Erfindung selbstverständlich auf anders ausgelegte Baueinheiten übertragen
werden, bei denen die Axialposition rotierender Körper zu ermitteln ist. Obgleich
die Erfindung in Verbindung mit Betriebsweisen von Refine-Einrichtungen in
der
Zellulose verarbeitenden Industrie entwickelt worden ist, kann das Grundprinzip
der Erfindung auch für andere Maschinenteile, wie z.B. Turbinen, bestimmt sein.
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In Fig. 1 ist schematisch eine Grundausführungsform eines Holzschliffrefiners
mit zwei Scheiben 3 und 4 gezeigt, die auf koaxialen Wellen 5 angebracht sind, die
in Lagern 6 gelagert sind Das zu refinende Gut wird über eine Förderschnecke 7 zugeführt.
Da sich diese Ausführungen auf den Stand der Technik beziehen; wird dies nachstehend
nicht näher erläutert.
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Die Erfindung befaßt sich mit der Messung des Abstandes zwischen den
Platten auf den Scheiben 3 und 4. Zwei Sensoren 1 und 2 sind für diese Messung angeordnet
und derart ausgelegt, daß sie spezielle strichförmige Elemente abtasten, die auf
dem Umfangsrand der Scheiben angeordnet sind.
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In Fig. 2 sind die strichförmigen Elemente auf den Umfangsrändern
der Scheiben gezeigt. Die strichförmigen Elemente werden von ferromagnetischen Gliedern
gebildet, die an dem Umfangsgehäuse oder den Scheiben aus nicht-magnetischem Material
angebracht sind, vorzugsweise in diese eingelassen und in einem Winkel von vorzugsweise
45° zur Rotationsachse angeordnet sind, obwohl auch andere Winkelwerte möglich sind.
Die Sensoren sind als kleine Kreise in der Figur dargestellt, die nur ausschnittsweise
die Umfangsgehäuseflächen der Scheiben zeigt. Die Drehrichtungen sind mit Pfeilen
eingetragen. Wenn sich die Scheiben drehen, tasten die Sensoren 1 und 2 längs den
strichpunktierten Linien 20 und 21 ab. Wenn sich beispielsweise die Scheibe 4 axial
um einen bestimmten Abstand a bewegt, erfolgt die Abtastung längs der Linie 22.
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Die Ermittlung dieser Verschiebung wird durch die Erfindung trotz
der Tatsache ermöglicht, daß sich die Scheibe dreht, und zwar dadurch, daß entsprechend
der Darstellung in der Figur der Abstand längs der abgetasteten Umfangslinie zwischen
den
strichförmigen Elementen 12 und 13 bei dieser Ausführungsform kleiner wird. (Die
strichförmigen Elemente können selbstverständlich auch so placiert werden, daß der
Abstand größer wird.) Bei der dargestellten Ausführungsform nimmt das Zeitintervall
zwischen den entsprechenden Ermittlungen der beiden strichförmigen Elemente bei
unverminderter Geschwindigkeit ab, so daß die Verschiebung a unmittelbar meßbar
ist, wenn die Winkel der strichförmigen Elemente in bezug zu der Rotationsachse
und die Umfangsgeschwindigkeit der Scheibe bekannt sind.
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Da die Scheiben üblicherweise aus austhenitischem oder nicht magnetischem
rostfreiem Stahl bestehen, kann auf einfache Art und Weise der Durchlauf der ferromagnetischen
strichförmigen Gebilde durch magnetische Sensoren ermittelt werden. Selbst wenn
die Scheiben magnetisch sind, kann auch der Durchlauf der strichförmigen Gebilde
selbstverständlich ermittelt werden, wenn die strichförmigen Gebilde erhaben ausgebildet
sind und die Wegabhängigkeit der Sensoren ausreichend groß ist. In der Regel bereitet
dies keine Schwierigkeiten, da die meisten Sensoren dieser Art Kenngrößen haben,
die um einen Faktor kleiner werden,der in der Größenordnung zwischen dem Quadrat
und der dritten Potenz des Abstandes liegt.
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Bei einer zu Testzwecken bestimmten Ausführungsform wurde ein elektromagnetischer
Sensor von Phillips PR 9262 verwendet, der zufriedenstellend arbeitete.
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Bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform sind zwei strichförmige
Gebilde auf jeder Scheibe vorgesehen, die fest auf die Umfangsflächen aufgeschraubt
sind. Die Flächen sind zylindrisch, und ihre Achsen fallen mit der Rotationsachse
zusammen. Aufgrund der hohen Drehgeschwindigkeit der Scheiben ist es natürlich nach
dem Aufschrauben der strichförmigen Gebilde erforderlich, die Scheiben nochmals
auszuwuchten. Die strichförmigen Gebilde sind rechteckförmig ausgelegt und besitzen
Abemessungen-mit
5 x 10 x 75 mm. Der Umfang der Scheiben beträgt ungefähr 4,4 mm, und die strichförmigen
Gebilde haben einen dazwischen liegenden Abstand von ungefähr 150 mm von ihrer Mitte
aus gemessen. Es können auch mehr als zwei strichförmige Gebilde -erforderlichenfalls
am Umfang vorgesehen sein und angebracht werden.
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Um eine Messung des Abstandes an mehreren verschiedenen Punkten längs
des Umfangs zu ermöglichen, sind Sensoren 1,2 paarweise an drei verschiedenen Stellen
angeordnet, insbesondere an der. in- Fig. 1 gezeigten Stelle, und in einem Winkelabstand
von 900 in jeder Richtung. Diese Anordnung dient dazu, eine Abweichung von der Bewegungsbahn
(in der Figur nicht gezeigt) bei der Messung zu ermöglichen. Andere Verschiebungen
sind natürlich entsprechend der Verwendung des Refiners und seiner Auslegung erfaßbar.
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Die zwei Sensoren sind in Öffnungen in den Gehäuseteilen angeordnet,
die um die Scheiben (nicht gezeigt) auf das Gehäuse aufgeschraubt sind. Aufgrund
der Tatsache, daß die Sensoren in mit Gewinde -versehenen Öffnungen in den Gehäuseteilen
eingeschraubt sind, kann durch Einschrauben oder Herausschrauben ihre Position an
die Tiefe und somit an den Abstand zu der entsprechendenrotierenden Scheibe eingestellt
werden. Die Sensoren werden so adjustiert, daß sie einige Millimeter über den strichförmigen
Gebilden maximal 8 bis 10 mm von den strichförmigen Gebilden wegliegen,(diese Werte
beziehen sich auf den vorgenannten-Sensor von Phillips).
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Die strichförmigen Gebilde sollten auf entsprechende Art und Weise
vor Korrosion geschützt werden, indem sie beispielsweise mit einem entsprechenden
Kunststoffanstrich behandelt werden.
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Sie sollten auch zwischen der Scheibe und dem strichförmigen Gebilde
galvanisch isoliert sein, da bei diesem Anwendungsgebiet eine galvanische Korrosion
auftreten kann.
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Das Funktionsprinzip der Erfindung läßt sich am besten Fig. 2 entnehmen,
die im Teilausschnitt Umfangsflächen der Scheiben 3 und 4 mit ferromagnetischen
strichförmigen Gebilden 10 und 11 sowie 12 und 13 zeigt. Wenn sich die Scheiben
drehen, tasten die Sensoren 1 und 2 die strichförmigen Gebilde längs der Kreise
20 und 21 ab, die mit strichpunktierten Linien eingetragen sind. Wenn man annimmt,
daß sich die Scheiben mit konstanter Drehzahl drehen, und die Zeitintervalle zwischen
der Abtastung von zwei paarweise vorgesehenen strichförmigen Gebilden t1 und t2
sind, erfolgt bei einer Bewegung der rechtsseitigen Scheibe 4 in der Figur um einen
Abstand a nach links die Abtastung mit Hilfe des Sensors 2 längs der Linie 22. Aus
der Figur läßt sich unmittelbar entnehmen, daß der Abstand zwischen den zwei strichförmigen
Gebilden längs dieser Linie kürzer als der Abstand längs der Linie 21 ist, so daß
das Zeitintervall für ihren Durchlauf an dem Sensor 2 geringer ist. Auch läßt sich
sofort feststellen, daß die Zeitdifferenz eine lineare Funktion der Verschiebung
a ist. Wenn nun das Zeitintervall zwischen dem Durchlauf der strichförmigen Gebilde
anstelle von t2 t4 ist, kann man aufgrund eines einfachen Zusammenhangs ermitteln,
daß sich der Abstand a von der folgenden Gleichung herleiten läßt: a = k(t2 - t4),
, wo bei die Konstante k nur von den geometrischen Verhältnissen abhängig ist, die
konstant sind.
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Wenn man entsprechend der Ausführungsform nach Fig. 2 einen bestimmten
Abstand MdO bei den Zeitintervallen t1 und t2 entsprechend der Messung hat, läßt
sich der neue Abstand bei den Zeitintervallen t3 und t4 entsprechend nachstehender
Gleichung ermitteln Md MdO - (kl(t1 - t3) + k2(t2 - t4)) (1) Md = K + klt3 + k2t4
(2)
Diese Gleichungen setzen voraus, daß die Konstante K aus den
ermittelten Werten bei dem Fall bestimmbar ist, bei dem der Abstand Null ist-. Wenn
die Geometrie anders ausgelegt ist, wie z.B. wenn die Winkel zwischen den strichförmigen
Gebilden in Gegenrichtungen weisen, dann kehren sich die Vorzeichen in den Gleichungen
um.
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In Fig. 3 ist eine relativ einfach aufgebaute Einrichtung zur Verarbeitung
der Signale von den Sensoren 1 und 2 gezeigt.
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Die Sensoren sind jeweils mit einzelnen Meßeinrichtungen für das Zeitintervall
zwischen aufeinanderfolgenden Durchgängen der strichförmigen Gebilde gekoppelt und
geben analoge Spannungssignale aus, die proportional zu den entsprechenden Zeitintervallen
sind. Diese Spannungen sind mit einem Präzisionswiderstand bzw. Meßwiderstand derart
gekoppelt, daß sich die beiden analogen Spannungen aufsummieren. Der Widerstand
wird von einem Potentiometer gebildet, und eine Anschlußseite des Widerstands und
des Schiebekontakts sind mit einem Digitalvoltmeter gekoppelt. Durch die Adjustierung
der Einstellung des Schiebekontaktes des Potentiometers kann ein Wert erzeugt werden,
der sich von dem größten Wert des Abstandes um einen konstanten Faktor unterscheidet.
Somit kann man im voraus annehmen, daß die Konstanten k1 und k2 gleich sind, was
insbesondere bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform gilt, bei der die strichförmigen
Gebilde spiegelbildlich zueinander angeordnet sind. Falls dies nicht der Fall ist,
müssen die Einheiten 15 und 16 derart adjustierbar sein, daß sie die entsprechenden
Eichkonstanten einschließen. Selbst die Konstante K nach der Gleichung (2) kann
entweder in einer der beiden Einheiten 15 und 16 oder in der Einheit 18 eingestellt
werden.
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Eine derartige Verarbeitung der Signale kann auf die unterschiedlichste
Art und Weise entweder digital oder analog erfolgen. Bei der dargestellten Ausführungsform
wurden für die
Einheiten 15 und 16 Meßglieder von Hewlett Packard
5300 A verwendet. Diese weisen einen kristallgesteuerten Oszillator und ein Impulsfrequenzteil
auf, der bei der Abtastung des ersten strichförmigen Elements eingeschaltet und
bei der Abtastung des zweiten ausgeschaltet wird. Während des dazwischen liegenden
Zeitintervalls werden die Impulse von dem Oszillator gezählt, und die sich ergebende
gezählte Anzahl von Impulsen liegt als Ausgang in Form eines analogen Spannungssignals
an.
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Das Potentiometer 17 wird von einem Drahtwicklungspräzisionspotentiometer
der Firma Helipot gebildet, das eine genaue Vorgabe und Einstellung einer Eichkonstante,
beispielsweise der-' art ermöglicht, daß die Anzeigen an dem Voltmeter 18 in mm-Einheiten
zur Variation des Abstandes möglich sind.
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Bei der dargestellten Ausführungsform werden die Antriebsmotore für
die Refiner von Synchronmotoren gebildet, wie dies üblicherweise der Fall ist, um
sicherzustellen, daß der Leistungsfaktor bei der Belastung des elektrischen Versorgungssystems
konstant bleibt und nicht zu sehr reaktiv ist.
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Dies bedeutet, daß nach dem Anlassen bzw. Einschalten der Motore und
nach ihrem synchronen Lauf mit den Grundfrequenzen keine speziellen Korrekturen
zur Veränderung der Drehzahlen nötig sind. In anderen Fällen ist eine spezielle
Korrektur bei veränderlichen Drehzahlen erforderlich, was entsprechend mit einem
Tachometer auf den Motorwellen möglich ist. Dem Fachmann ist erkennbar, wie eine
derartige Korrektur ausgeführt werden kann.
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Entsprechend den vorbeschriebenen Ausführungen und der zuvor angegebenen
Anordnung sind drei verschiedene Paare von Sensoren mit zugeordneten Meßeinrichtungen
vorgesehen. Hierdurch kann die Größe des Abstandes an drei verschiedenen Stellen
längs des Umfangs ermittelt werden, und somit läßt sich jede Schiefstellung oder
eine Abweichung von der Normalbahn erfassen.
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Die beschriebenen Meßvorrichtung ermöglicht die Messung des Abstandes
während des Betriebs. Hierdurch kann zusätzlich zu einer manuellen Steuerung eine
automatische Steuerung der Größe des Abstandes durch eine Rückkopplung mit den Einrichtungen
erzielt werden, die an sich bekannt sind und mit denen der Abstand normalerweise
während des Betriebs adjustiert wird. Bisher war es zur Steuerung des Abstands notwendig,
einen Bezug für die Abtastung der Axialpositionen der Wellen in bezug zu dem Maschinengestell
zu schaffen. Dies bereitet insbesondere dann Schwierigkeiten, wenn man feststellt,
daß der Abstand mit einer besseren Genauigkeit als 1/10 mm eingestellt werden soll,
wenn der Abstand zwischen den Meßpunkten in der Größenordnung von 2 m und die Temperaturen
in der Größenordnung von 1000C bei bestimmten Maschinenteilen des Refiners liegen,
obwohl gleichzeitig andere Maschinenteile möglicherweise Raumtemperatur aufweisen.
Demzufolge bereiten die Temperaturgradienten spezielle Schwierigkeiten, selbst wenn
man annimmt, daß man diese Probleme durch entsprechend genaue Temperatursteuerung
des Maschinengestelles lösen will.
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Bei der Messung des Abstandes während des Betriebs und beim tatsächlichen
Arbeiten werden die meisten dieser Probleme überwunden. Selbst wenn eine Verformung
des Maschinengestells vorhanden ist, die bewirkt, daß die die Wellen der Scheiben
nicht mehr parallel sind, können diese Verhältnisse unter Kontrolle gebracht werden,
indem mehrere paarweise angeordnete Sensoren um die Scheiben, wie vorstehend beschrieben,
angeordnet sind.
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In der Beschreibungseinleitung wurde darauf hingewiesen, daß die Platten
insbesondere aufgrund der Auswirkung der Zentrifugalkraft und der Druckkraft auf
das Gut zwischen den Platten nicht dieselbe Form wie beim Stillstand der Maschine
haben. Refinescheiben für den dargestellten Bestimmungszweck weisen jedoch üblicherweise
konkave Flächen auf, so daß der Abstand um Umfang am geringsten ist. Dies bedeutet,
daß sich
Änderungen auf entsprechende Art und Weise auswirken,
wenn der Abstand gemäß dem Grundprinzip der Erfindung gemessen wird, da - bei der
Erfindung im wesentlichen der Abstand am Umfang erfaßt und gemessen wird. Dies bedeutet,
daß insbesondere die bisher bei vielen Refinern auftretenden Schwierigkeiten, insbesondere
im Hinblick auf ein Arbeiten mit sogenanntem negativem Abstand beseitigt werden.
Eine Druckänderung auf das eingebrachte Gut, oder eine Anderung einer Zusammensetzung,
die die Größe des Abstandes trotz der Tatsache beeinflussen; daß sich die Motorwellen
axial nicht bewegen, sind somit meß- und steuerbar.
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Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf das Anwendungsgebiet der
Zellulose verarbeitenden Industrie erläutert. Sie ist jedoch allgemein auch dazu
geeignet, Probleme im Hinblick auf ähnliche Axialverschiebungen von beweglichen
Maschinenteilen zu lösen, bei denen es nicht ausreicht, ihre Positionen in der Ruhestellung
zu erfassen. Weitere Ausführungsformen zur Anpassung an andere spezielle Probleme
sind möglich. Beispielsweise brauchen die linienförmigen bzw. strichförmigen Elemente
nicht ferromagnetisch zu sein, und die Sensoren brauchen keine Magnetsensoren zu
sein. Bei vielen Anwendungsfällen können hierfür optische Einrichtungen verwendet
werden. Somit kann die Abtastung beispielsweise dadurch erfolgen, daß man einen
Lichtstrahl von einer Leuchtdiode auf ein linienförmiges Element richtet, und dieser
wird auf einen Phototransistor reflektiert, der dann jedes Mal einen Impuls abgibt,
wenn das linienförmige Element vorbeigelaufen ist. Somit ergeben sich ganz unterschiedliche
Erfassungsprinzipien, beispielsweise die kapazitive Abtastung eine Abtastung des
Foucault-Effektes bei den linienförmigen Elementen mit geringerem spezifischem Widerstand
als die Maschinenteile, auf denen sie angebracht sind, usw.
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Somit sind unzählige abgewandelte Ausführungsformen im Rahmen der
Erfindung auBer den dargestellten möglich.