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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung
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von Ventilen, welche auf der Einlaßseite und/oder Auslaßseite eines
Arbeitsraumes einer intermittierend arbeitenden Maschine, insbesondere Kolbenpumpe,
angeordnet sind.
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Es ist wünschenswert, das Betriebsverhalten einer Pumpe od.dgl. ständig
überwachen zu können, um gegebenenfalls auftretende Fehler vor der Entstehung größerer
Schäden beheben zu können.
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Dazu ist aus der DE-PS 29 16 490 bereits eine Vorrichtung bekannt,
welche am Zylinderkopf der Pumpe angeordnete Schallaufnehmer aufweist, mit denen
die Funktion der Ventile überwacht werden kann, indem Änderungen der bei der Ventilarbeit
auftretenden Geräusche festgestellt werden.
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Jedoch ist die Auswertung der Geräusche verhältnismäßig schwierig,
so daß kleinere Schäden, wie z.B. relativ geringfügige Undichtheiten an den Ventilen,
nur schwer festgestellt werden können.
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Außerdem ist es gemäß der DE-PS 29 16 490 bekannt, in der Ansaugleitung
sowie der Druckleitung von Kompressoren Temperaturfühler anzuordnen, um den Kompressor
bei Erreichen unerwünschter Temperaturen bzw. Temperaturabweichungen abschalten
zu können. Zwar hängen die von den Temperaturfühlern gemessenen Werte auch von der
Arbeitsweise der Ventile ab, jedoch lassen sich wiederum geringere Ventilschäden
aufgrund der damit verbundenen geringen Temperaturänderungen nur schwer feststellen,
zumal geringere Temperaturschwankungen auch andere Ursachen haben können. Im übrigen
ist eine derartige Anordnung für Pumpen zur Förderung von Flüssigkeiten ungeeignet,
welche gegenüber den von Kompressoren
geförderten. Gasen eine wesentlich
verringerte Kompressibilität aufweisen und innerhalb der Pumpe nur geringfügige
Temperaturänderungen erfahren Schließlich ist gemäß der DE-PS 29 16 490 die Anordnung
von induktiven Hub geber an den Ventilen von Kompressoren bekannt, um ein Huboszillogramm
des jeweiligen Ventiles aufzeichnen zu können. Abgesehen davon, daß eine derartige
Anordnung konstruktiv aufwendig ist und die Verwendung entsprechend angepaßter Ventile
notwendig macht, ist ein Huboszillogramm nicht unbedingt repräsentativ für das Auftreten
eines Ventilschadens, da der Bewegungsablauf unter Umständen auch trotz einer Beschädigung
unverändert bleiben kann.
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Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, eine für flüssigkeitsfördernde
Pumpen geeignete Vorrichtung zur überwachung der Ventile zu schaffen, mit der auftretende
Schäden bereits sehr frühzeitig festgestellt werden können.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen auf den Druckverlauf im Arbeitsraum
während zyklisch entsprechend den Arbeitsphasen der Maschine erfolgender Meßphasen
ansprechenden Meßumformer, dem eine Auswertevorrichtung nachgeschaltet ist, welche
bei vorgebbarer Abweichung des Ausgangssignales bzw. der Ausgangssignale des Meßumformers
von zuvor einspeicherbaren Sollwerten eine Fehleranzeige auslöst.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß sich der zeitliche Druckverlauf
innerhalb der Arbeitskammer der Maschine auch bei geringfügigen Ventilschäden charakteristisch
ändert.
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Durch überwachung des Druckverlaufes wird somit die vorteilhafte Möglichkeit
gegeben, auftretende Schäden bereits frühzeitig zu beheben. Neben der Vermeidung
größerer Schäden wird dabei vorteilhafterweise erreicht, daß die Maschine
dauernd
mit dem maximal erreichbaren Wirkungsgrad arbeitet.
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Weiterhin ist vorteilhaft, daß der Druckverlauf meßtechnisch einfach
und sicher erfaßbar ist.
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Es genügt die Anordnung eines seine elektrischen Eigenschaften - beispielsweise
Widerstand, Kapazität oder Induktivität - in Abhängigkeit von mechanischer Belastung
bzw. Spannung ändernden elektrischen Elementes.
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Da sich das die Arbeitskammer aufnehmende Gehäuse bzw.
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damit verbundene Teile in Abhängigkeit vom Druck in der Arbeitskammer
elastisch verformen, genügt es, das genannte Element lediglich mit dem Gehäuse bzw.
einem Gehäuseteil mechanisch zu koppeln, ohne daß eine Anordnung im Arbeitsraum
sowie entsprechende konstruktive Abänderungen des Gehäuses bzw. der Gehäuseteile
notwendig wären. Insbesondere sind keine die Festigkeit beeinträchtigende Gehäuseöffnungen
notwendig.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können als Meßumformer
Dehnungsmeßstreifen am die Arbeitskammer umschließenden Gehäuse bzw. - besonders
bevorzugt -an Schraubstiften, -bolzen od.dgl. angeordnet sein, welche das genannte
Gehäuse mit Teilen verbinden, die die Arbeitskammern der Kolben oder Plunger ganz
oder teilweise aufnehmen.
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Bei entsprechender Auswertung des Druckverlaufes läßt sich auch die
Art des jeweils auftretenden Fehlers feststellen.
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So wird der Druckaufbau sowie der Druckabfall bei einem undichten
Saugventil flacher, während bei undichtem Druckventil ein deutlich steilerer Verlauf
auftritt. Klemmende Ventilkörper verändern die zeitliche Länge einer Druckphase,
während Brüche an den Ventilfedern den Druckverlauf vollständig verändern können.
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Zur Fehlerbestimmung ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung vorgesehen, daß die Auswertevorrichtung aus den sich in Abhängigkeit vom
Druck im Arbeitsraum ändernden Ausgangssignalen des Meßumformers während einer mit
Druckanstieg beginnenden und mit nachfolgendem Druckabfall im Arbeitsraum endenden
Arbeitsphase eine oder mehrere, bevorzugt alle nachfolgenden Größen ableitet und
mit gespeicherten Referenzwerten vergleicht: a) Steilheit des Druckanstieges, b)
Maximalwert des Druckes bzw. der Druckdifferenz, c) Steilheit des Druckabfalles
und d) zeitlicher Abstand zwischen Druckanstieg und Druckabfall.
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Bei Bestimmung der genannten Größen läßt sich aus der Art und Größe
der jeweils auftretenden Abweichungen feststellen und unterscheiden, ob bei einer
Pumpe ein Saugventil oder ein Druckventil undicht geworden ist, die Ventilfeder
eines Saugventiles oder eines Druckventiles einen Defekt aufweist oder ob Kavitation
vorliegt. Dementsprechend kann der jeweilige Fehler angezeigt werden.
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Um zu verhindern, daß zufällige Schwankungen im Betriebsablauf zu
einer Fehleranzeige führen, ist die Anordnung eines Zählers vorgesehen, dessen Inhalt
bei Auftreten eines Fehlers während einer Meßphase erhöht und wiederum gelöscht
wird, wenn in der nächstfolgenden Meßphase kein Fehler auftritt. Die Fehleranzeige
erfolgt erst, wenn der Inhalt des Zählers einen vorzugebenden Schwellwert erreicht.
Ein die Fehleranzeige auslösendes Signal wird also erst dann erzeugt, wenn derselbe
Fehler in mehreren aufeinanderfolgenden Arbeitszyklen der Maschine festgestellt
wird.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Dabei
zeigt Fig. 1 ein beispielhaftes Diagramm des Druckes in einer Pumpenarbeitskammer
in Abhängigkeit von der Zeit, Fig. 2 ein Flußdiagramm der prinzipiellen Arbeitsweise
der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 3 ein Schnittbild eines bevorzugten Ausführungsbeispieles
der Erfindung.
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In Fig. 1 ist der Druck p über der Zeit t aufgetragen, wobei die Kurve
A den typischen Verlauf des Druckes p jeweils zwischen zwei Saugphasen einer Pumpe
darstellt.
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Von einem zu einem Zeitpunkt t0 sich einstellenden Druck P0 steigt
der Druck steil an, so daß bereits zu einem Zeitpunkt t1 kurz nach dem Zeitpunkt
to ein wesentlich erhöhter Druck Pl erreicht wird. Mit relativ großem zeitlichen
Abstand vom Zeitpunkt t1 erreicht der Druck zum Zeitpunkt t2 einen Maximalwert p2,
wobei gilt Pl = 0,7 p2.
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Zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 auftretende Druckschwankungen werden
durch die Öffnung des Druckventiles hervorgerufen. Nach dem Zeitpunkt t2 verstreicht
wiederum eine relativ große Zeitspanne, bis zum Zeitpunkt t3 wiederum der Druck
Pl vorliegt. Die zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 auftretenden Druckschwankungen
werden durch das 3 Schließen des Druckventiles hervorgerufen. Nach dem Zeitpunkt
t3 fällt der Druck wiederum steil ab, bis zum Zeitpunkt t4 wiederum der Druck pO
vorliegt, wobei gilt pO = 0,2 P2.
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Die in Fig. 1 dargestellte Kurve möge dem gewünschten Druckverlauf
bei fehlerfreier Pumpe entsprechen. Damit lassen sich die Sollwerte folgender Größen
berechnen:
S = P1 - PO D = P1 - Po t -t t -t 1 0 4 3 K=t4 t P =P2
Wird nun an der Pumpe ein Meßumformer angeordnet, welcher auf den Druck im Arbeitsraum
reagiert, so lassen sich aus den Ausgangssignalen des Meßumformers mittels einer
Auswertevorrichtung die tatsächlichen Werte von S, D, K und PmaX bestimmen und mit
den jeweiligen Sollwerten vergleichen, so daß beispielsweise die Zahlen S*, D*,
K* und p* berechnet werden können, welche jeweils das Verhältnis zwischen dem gemessenen
Wert und dem zugeordneten Sollwert wiedergeben. Bei fehlerfreier Pumpe ergibt sich
für die genannten Zahlen jeweils der Wert 1. Im übrigen ergeben sich bei Betriebsstörungen
beispielsweise die in der nachfolgenden Tabelle aufgeführten Werte: Zustand S* D*
K* Pumpe fehlerfrei 1,0 1,0 1,0 1,0 Saugventil undicht 0,8 0,8 0,7 0,8 Druckventil
undicht 1,6 0,6 1,1 1,0 Federbruch Saugventil 0,9 0,9 0,4 0,8 Federbruch Druckventil
1,1 1,5 1,2 1,1 Kavitation 1,8 0,9 0,8 1,0
Aus dieser Tabelle ist
zu entnehmen, daß sich die Gesamtheit der ausgewerteten Größen bei unterschiedlichen
Fehlern unterschiedlich ändert und dementsprechend unterschiedliche Fehlerursachen
angezeigt werden können.
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Auch wenn die in der Tabelle angegebenen Werte lediglich beispielhaft
für einen bestimmten Pumpentyp sind, so ergeben sich bei Pumpen unterschiedlicher
Bauweise ähnliche Verhältnisse. Einige der in der Tabelle angegebenen Größen können
sich bei unterschiedlichen Fehlern in gleicher Weise verändern, gleichwohl kann
der jeweilige Defekt aus der jeweils festgestellten Wertekombination festgestellt
werden.
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Gemäß Fig. 2 arbeitet die erfindungsgemäße Vorrichtung wie folgt:
Zunächst wird der Druckverlauf gemessen und überprüft, ob hinreichende übereinstimmung
mit dem gewünschten bzw.
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berechneten Verlauf vorliegt. Sollte dies nicht der Fall sein, muß
die Pumpe überprüft werden. Falls hinreichende Übereinstimmung vorliegt, werden
die vom Meßumformer bei den nächsten Arbeitszyklen der Pumpe abgegebenen Ausgangssignale
als Referenzwerte gespeichert und daraus die Sollwerte für S, D, K und Pmax berechnet
bzw. bestimmt und als Referenzwerte gespeichert.
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Nunmehr ist die erfindungsgemäße überwachungsvorrichtung betriebsbereit.
Bei nachfolgenden Arbeitszyklen der Pumpe werden die vom Meßumformer laufend abgegebenen
Signale jeweils für einen Arbeitszyklus gespeichert, um die tatsächlichen Werte
von S, D, K und Pmax ableiten und die Verhältnisse S*, D*, K* und p* bestimmen zu
können.
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Falls diese Verhältnisse von 1 hinreichend abweichen, wird
der
Inhalt eines Fehlerzählers um 1 erhöht, andernfalls wird der Inhalt des Fehlerzählers
gelöscht. Beim nächsten Arbeitszyklus wird in entsprechender Weise vorgegangen,
so daß sich der Inhalt des Fehlerzählers, sollte in jedem Arbeitszyklus ein Fehler
festgestellt werden, laufend erhöht, bis ein Schwellwert, beispielsweise 100, erreicht
wird, bei dem die jeweilige Fehleranzeige erfolgt.
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Aufgrund der vorgesehenen Betriebsweise mit Fehlerzählern wird vermieden,
daß eine Fehleranzeige aufgrund einer zufälligen Schwankung des Betriebsverhaltens
während weniger Arbeitsphasen der Pumpe erfolgt. Der Schwellwert des Fehlerzählers
kann vielmehr nur erreicht werden, wenn ein Fehler in aufeinanderfolgenden Arbeitsphasen
der Pumpe ständig auftritt. Aufgrund dieser Maßnahme kann bei der Förderung von
Flüssigkeiten, welche Feststoffteilchen enthalten, verhindert werden, daß eine vorübergehende
Verschmutzung der Ventile zu Fehlanzeigen führt.
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Anstelle der Verhältnisse S*,D*,K* und p* können gegebenenfalls auch
die Differenzen zwischen den Sollwerten und den tatsächlichen Meßwerten bestimmt
werden. Diese Differenzen verschwinden bei fehlerfreier Pumpe bzw Maschine oder
bleiben sehr gering.
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Bei der in Fig. 3 dargestellten Pumpe wird ein Pumpmedium aus einer
Saugleitung 1 über einen Pumpenarbeitsraum 2 einer Druckleitung 3 zugeführt. Die
in der Regel mehrfach, beispielsweise dreifach angeordneten Pumpenarbeitsräume 2
sind jeweils als vertikale Zylinderkammern mit Kreisquerschnitt in jeweils separaten
Gehäusen 4 angeordnet, die auf ihrer Ober- und Unterseite unter Zwischenschaltung
von Saugventil- bzw. Druckventileinsätzen 5 bzw. 6 mit einem liegend angeordneten
Balkenteil 7 bzw. 8 verschraubt sind, welches die Saug- bzw. Druckleitung 1 bzw.
2 aufnimmt. Zur Schraub-
verbindung dienen in Gewindesackbohrungen
an den Gehäusen 4 eingesetzte Schraubbolzen 9 sowie darauf durch Verschrauben verschiebbare
Muttern 10, welche gegen die Balkenteile 7 und 8 gespannt sind.
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Zur Anordnung liegender Kolben bzw. Plunger 11, welche sich beim Druckhub
in Pfeilrichtung x und beim Saughub in Pfeilrichtung y verschieben, ist in den Gehäusen
4 jeweils eine in den Pumpenarbeitsraum 2 mündende Querbohrung 12 angeordnet, welche
sich in eine Bohrung 13 eines den jeweiligen Kolben bzw. den jeweiligen Plunger
11 führenden Hülsen-bzw. Stopfbüchsenteiles 14 fortsetzt. Die Bohrung 13 ist mit
Abstand vom Pumpenarbeitsraum 2 gegenüber dem Kolben bzw. Plunger 11 mittels einer
denselben umschließenden Dichtung 15 abgeschlossen.
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Auf das dem Gehäuse 4 zugewandte Ende des Hülsen- bzw.
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Stopfbüchsenteiles 14 ist ein Gewindeflansch 16 aufgeschraubt. Zur
Verbindung des Gehäuses 4 mit dem Gewindeflansch 16 sowie dem vom letzteren gehaltenen
Hülsen- bzw.
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Stopfbüchsenteiles 14 dienen - beispielsweise vier - Schraubbolzen
17 und darauf angeordnete Muttern 18, mit denen der Gewindeflansch 16 unter Mitnahme
des Hülsen- bzw. Stopfbüchsenteiles 14 sowie unter Pressung einer zwischen dem Stirnende
des Hülsen- und Stopfbüchsenteiles 14 und dem Gehäuse 4 eingesetzten Dichtungsringes
19 gegen das Gehäuse 4 gespannt ist.
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Die Schraubbolzen 17 sind den durch Druck- und Saughub der Kolben
bzw. Plunger 11 erzeugten Wechselbelastungen ausgesetzt und erleiden dementsprechend
beim Druckhub eine nachweisbare elastische Längsdehnung unter gleichzeitiger elastischer
Querkontraktion. Die Maße der Längsdehnung sowie der Querkontraktion sind abhängig
vom Verlauf des Druckes des
Druckes des Fördermediums im Pumpenarbeitsraum.
Dieser Druckverlauf läßt sich somit durch Aufzeichnung der Längsdehnung und/oder
Querkontraktion eines oder mehrerer der Schraubbolzen 17 bestimmen, wobei gleichzeitig
eventuelle Fehler an den Saug- und/oder Druckventilen der Pumpe festgestellt werden
können.
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Zur Messung der Maßänderungen sind auf einem der Schraubbolzen 17
außen auf einem gewindelosen Mittelabschnitt 17', dessen Umfangsfläche einen Abstand
von der Innenwandung der vom Schraubbolzen 17 durchsetzten Bohrung 20 des Gewindeflansches
16 aufweist, Dehnungsmeßstreifen 21 und 22 in Umfangs- und Längsrichtung des zugehörigen
Schraubbolzens 17 angeordnet, so daß der Dehnungsmeßstreifen 21 seinen elektrischen
Widerstand bei Querkontraktionen und der Dehnungsmeßstreifen 22 seinen elektrischen
Widerstand bei Längsdehnungen des Schraubbolzens 17 ändern. Die Anschlußkabel (nicht
dargestellt) der Dehnungsmeßstreiren 21 und 22 sind über Radialbohrungen des Schraubbolzens
17 und eine zentrale Sackbohrung 23 desselben zu einem in die letztere einsetzbaren
Anschlußstecker 24 geführt. Der Anschluß stecker 24 ist über einen Kabel strang
25 mit einer nur schematisch dargestellten Auswerteschaltung 26 verbunden, welche
den zeitlichen Verlauf der elektrischen Widerstände der Dehnungsmeßstreifen 21 und
22 mit zuvor bestimmten bzw. eingespeicherten Referenzwerten vergleicht und bei
mehrfach hintereinander auftretenden Abweichungen eine Anzeige 27 betätigt, welche
den der jeweils festgestellten Abweichung entsprechenden Fehler der Saug-und/oder
Druckventile anzeigt.
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Abweichend von der dargestellten Anordnung können die Dehnungsmeßstreifen
21 und 22 auch auf der Wandung der zentralen Sackbohrung 23 des Schraubbolzens 17
angeordnet werden, so daß sich radiale Bohrungen im Schraubbolzen 17
zur
Durchführung der Anschlußkabel der Dehnungsmeßstreifen 21 und 22 erübrigen.
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Im übrigen besteht die Möglichkeit, jeweils nur einen Dehnungsmeßstreifen,
beispielsweise den auf Längenänderungen des Schraubbolzens 17 ansprechenden Dehnungsmeßstreifen
22 anzuordnen.
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Die beschriebene Anordnung der Dehnungsmeßstreifen 21 und/oder 22
auf bzw. in dem Schraubbolzen 17 ist im Hinblick auf eine einfach ausführbare Nachrüstung
bereits installierter Pumpen mit einer Vorrichtung zur Überwachung der Ventile besonders
vorteilhaft. Außerdem sind die Schraubbolzen 17 als besonders hoch beanspruchte
Teile relativ ausgeprägten Längsdehnungen und Querkontraktionen ausgesetzt, so daß
sich Änderungen derselben besonders leicht registrieren lassen.
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Gegebenenfalls können Dehnungsmeßstreifen auch auf der Außenseite
des Gehäuses 4 angeordnet werden, welches aufgrund der Wechselbelastungen durch
Saug- und Druckhub der Kolben bzw. Plunger 11 "Atmungsbewegungen" ausführt. Diese
sind jedoch aufgrund der hohen Steifigkeit des Gehäuses 4 weniger ausgeprägt.
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Außerdem können die Schraubbolzen 9 in gleicher Weise wie die Schraubbolzen
17 mit Dehnungsmeßstreifen versehen werden. Jedoch sind die Wechselbelastungen der
Schraubbolzen 9 in der Regel geringer als die der Schraubbolzen 17.