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Meß- und/oder Überwachungseinrichtung für Spaltänderungen.
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Die Erfindung betrifft eine Meß- und/oder Überwachungseinrichtung
für Spaltänderungen zwischen zwei Bauselementen, insbesondere zwischen feststehenden
und bewegten Bauelementen von Maschinen.
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Es ist bekannt, die Spaltweite zwischen Bauelementen mit Hilfe von
induktiven Meßverfahren zu bestimmen. Hierzu wird eine elektrische Spule in die
Nähe des Meßobjektes gebracht, wobei sich infolge der magnetischen Verkoppelung
von Spule und Meßobjekt die Impedanz der Spule in Abhängigkeit von der Entfernung
ändert. Die Impedanz der Spule ist somit ein Maß für die Entfernung und somit der
Spaltweite. Bei dieser Art von Messung oder Überwachung können inhomogene Materialzusammensetzungen
und Querbewegungen des meßobjektes sowie elektrische Fremdfelder das Meßergebnis
ganz erheblich verfälschen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Meß- und/ oder
Überwachungseinrichtung der eingangs genannten Art mit einfachem Aufbau anzugeben,
die unabhängig von äußeren Einflüssen, wie Erschütterungen, inhomogene Materialzusammensetzungen,
Querbewegungen und Störfeldern, arbeitet, d.h.
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die bei preisgünstigem Aufbau sicher arbeitet. Zudem soll die Einrichtung
den betrieblichen Anfolderungen, wie sie überwaöhung bßwO Spaltmessung zwischen
feststehenden und umlaufenden Teilen von elektrischen Maschinen auftreten, gewachsen
sowie für die nachträgliche Ausrüstung solcher Naschinen geeignet sein.
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Gemäß der Erfindung besteht die Lösung dieser Aufgabe darin> daß
ein Lichtstrahlenbündel vom ersten auf das zweite Bauelement gerichtet und am zweiten
Bauelement wenigstens ein lichtempfindlicher DEtektor angeordnet ist, wobei Lichtstrahlen--bündel
und Detektor so aufeinander abgestimmt sind, daß sich im Falle einer Änderung des
Spaltes eine Belichtungsänderugn des Detektors ergibt Die Erzeugung eines Lichtstrahlenbündels
ist einfach. Es ist selbst durch Eerschütterungen und magnetische und/oder elektrische
Felder nicht beeinflußbar. Sein Abwandern bei Spaltveränderungen ist mit Hilfe eines
lichtempfindlichen Detektors und eines nachgeschalteten Alarm-und/oder Anzeigegerätes
leicht erfaßbar. Da die einzelnen Bauteile, wie Lichtquelle für die Erzeugung des
Lichtstrahlenbündels und/oder Detektor verhältnismäßig klein sind, lassen sich auch
bereits bestehende Maschinen ohne große Umstände mit der erfindungsgemäßen Meß-
und/oder Überwachungseinrichtung ausrüsten. Unter dem Begriff "Licht" im Sinne der
vorliegenden Erfindung soll auch unsichtbare elektromagnetische oder Kernstrahlung
verstanden sein. Entsprechendes gilt auch für die Lichtempfindlichkeit der Detektoren.
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Damit sich bei Spaltänderungen ein ausreichend großes Wandern des
Lichtflecks auf dem zweiten Bauelement ergibt, ist es vorgroßen teilhaft, wenn das
Licht strahlenbündel unter einem möglichst/
spitzen Winkel zu den
Kräften bzw. Kraftkomponenten verläuft, die eine Verkleinerung oder Vergrößerung
des Spaltes bewirken.
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Soll lediglich eine vorgegebene Spaltweite überwacht werden, so bewährte
es sich, wenn das Lichtstrahlenbündel im Querschnitt etwa punktförmig ausgebildet
und der Detektor an einer, bei vorgegebener Spaltbreite vom Lichtstrahlbündel getroffenen
Stelle angeordnet ist Im Falle von Spaltänderungen wandert das Lichtstrahlenbündel
vom Detektor weg, dieser ist somit unbelichtet und löst über die nachgeschlateten
Geräte ein entsprechendes optisches und/oder akustisches Signal aus Es wäre selbstverständlich
auch möglich, das Lichtstrahlenbündel bei der vorgegebenen Spaltbreite derart neben
den Detektor zu richten, daß dieser erst bei Spaltveränderungen belichtet wird.
Die erstgenannte Ausbildungsform hat jedoch den Vorteil der Selbsüberwachung, d.h.
jegliche Art von Belichtungsaunterbrechung wird angezeigt.
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Um nun auch die Größe von Spaltänderungen erfassen zu können, empfiehlt
es sich, mehrere, bei Spaltänderungen vom Lichtstrahlenbündel überstrichene Detektoren
anzuordnen Hierdurch ist zwar nur eine stufenweise Änderun erfaßbar, dafür jedoch
der Gesamtaufbau der Meßeinrichtung recht einfach.
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Vorzugsweise wird man hierbei die Detektoren so anordnen, daß sowohl
Spaltvergrößerungen als auch Spaltverkleinerungen erfaßt werden. Sind die Detektoren
sehr eng nebeneinander angeordnet, so sind die erfaßbaren Stufen von Änderungen
der Spaltweite sehr klein. Sehr eng nebeneinanderliegende Detektoren weisen Photodioden-Arrays
oder Fototransistorzeilen auf, so daß man insbesondere diese Art von Detektoren
verwenden wird.
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Ist eine stufenlose Messung der Änderung der Spaltweite erforderlich,
so ist es vorteilhaft, eine bei Spaltänderungen vom Lichtstrahlenbündel überstrichene
Schottky-Barrier-Photodiode als Detektor zu verwendens Diese Dioden geben nämlich
ein Signal abs das von der Position des vom Lichtstrahlenbündel ausgelösten Lichtflecks
abhängig ist.
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Eine andere bevorzugte Weiterbildung zur stufenlosen Messung von Spaltänderungen
kann darin bestehen, daß der Öffnungswinkel des Lichtstrahlenbündels erweitert ist
und der Detektor eine lichtempfindliche Flache aufweist und derart angeordnet ist,
daß sich der belichtete Bereich des Detektors im Falle einer Spaltänderung kontinuierlich
veränderte Hierbei ist es günstig, wenn der Detektor aus einem länglichen Halbleiterphotoelement
besteht und der vom Lichtstrahlenbündel | gebildete vorzugsweise runde Lichtfleck
eine Breite bzw. einen Durchmesser aufweist, der wenigstens gleich der Breite des
Hall7leiterphotoelements ist Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
kann darin bestehen, daß am zweiten Bauelement eine lichtquelle und am ersten Bauelement
ein Reflektor angeordnet ist zur Umlenkung des von der Lichtquelle ausgehenden Strahlenbündels
in Richtung au.f den Detektor. Hierdurch ergibt sich ein besonders einfacher Meßaufbau
für die Messung von Spaltänderungen| zwischen einem feststehenden und einem bewegten
bzw. umlaufenden Bauelement, Denn sowohl Lichtquelle als auch Detektor sind in diesem
Falle vorzugsweise am feststehenden Bauelement angeordnet, wogegen das bewegte oder
umlaufende Bauelement lediglich mit einem Reflektor auszurüsten ist.
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Ist die erfindungsgemäße Einrichtung fEr die Messung bzw.
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Überwachung von Spaltänderungen zwischen umlaufenden und feststehenden
Bauelementen vorgesehen so besteht eine andere Ausgestaltung der Erfindung darin
daß die Lichtquelle bzw. das Lichtstrahlenbündel und der bzwe die Detektoren etwa
in einer | die Rotationsachse des bewegten ersten Bauelementes enthaltenden Ebene
angeordnet sind.
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Bei beengten axialen Bauverhältnissen ist es jedoch basser, wenn die
Lichtquelle bzw. das Lichtstrahlenbündel und der Detektor bzw. die Detektoren etwa
in einer zur Rotationsachse quer, vorzugsweise etwa senkrecht verlaufenden Ebene
angeordnet sind.
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Weitere Vorteile und Vorzäge der Erfindung gehen aus der folgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den schematischen Zeichnungen
hervor. Hierbei zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch zwei gegenüberliegende Bauelemente,
wobei das Lichtstrahlenbündel von einem Bauelement ausgeht und das andere Bauelement
mit dem lichtempfindlichen Detektor ausgerüstet ist> Fig. 2 den Gegenstand der
Figur 1 mit drei Detektor zur | stufenweisen Messung von Spaltänderungen, Fig. 3
den Gegenstand der Figur 1 mit einem als längliches | Halbleiterphotoelement ausgebildeten
Detektor zur kontinuierlichen Messung von Spaltänderungen, Fig. 4 eine Draufsicht
aus das Halbleiterphotoelement der Figur 3 mit eingekeichneten, durch das lichtstrahlen
bündel verursachten Lichtflecken, Fig. 5 einen Schnitt durch ein umlaufendes und
ein feststehendes Bauelement, wobei lichtquelle und Detektor auf der einen der Reflektor
auf der anderen Seite des Spaltes angeordnet sind
Fig. 6 eine Ausführungsvariante
des Gegenstandes der Figur 5 mit drei Detektoren zur stufenweisen Erfassung von
Spaltänderungen, Fig. 7 eine Ausführungsvariante des Gegenstandes der Figur 5 zur
stufenlosen Erfassung von Spaltänderungen, Fig. 8 eine Draufsicht auf den Detektor
der Figur 7, Fig. 9 eine Ausführungsvariante entsprechend Figur 5 mit einem an einer
Schulter angeordneten Reflektor und Fig. 10 den Querschnitt durch konzentrische,
ineinander angeordnete Bauelemente mit quer zur Längsachse angeordneter Überwachungseinrichtung.
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Gleiche Teile sind in den einzelnen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
gekennzeichnet.
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In Fig. 1 ist ein erstes Bauelement 10 und ein zweites Bau-,element
12 im Scinitt angedeutet, die mit gleichbleibendem Abstand voneinander verlaufen
und daher durch einen Spalt 14 voneinander getrennt sind. Am ersten Bauelement 10
ist eine lichtquelle 16, vorzugsweise versenkte angeordnet, deren Lichtauslaß bzw.
Lichtstrahlenbündel 18 auf den lichtempfindlichen Detektor 20 gerichtet ist. Die
Lichtquelle besteht vorzugsweise aus einer leuchtdiode und der Detektor aus einer
Photodiode. Die Leuchtdiode wird hierbei über eine Leitung 22 mit Strom versorgt,
der Detektor 20 ist über eine Meßleitung 24i mit einem Meßgerät 26 verbunden. Das
von der Lichtquelle ausgesandte Lichtstrahlenbündel 18 ist im Querschnitt etwa punktförmig
und der lichtempfindliche Teil des Detektors 20 auf diesen Querschnitt abgestimmt.
Die Lichtquelle kann auch drahtlos mit Energie versorgt werden, z.B. über einen
induktiven Sender und einen der Lichtquelle zugeordneten entsprechenden Empfänger.
Dies ist hauptsächlich bei bewegtem Bauelement 10 vorteilhaft. Auch ist es vorteilhaft,
das von der Lichtquelle ausgesandte Strahlenbündel zu modulieren und das Meßgerät
zur Erfassung von modulierten Signalen auszurüsten. Hierdurch wird nämlich dre Einfluß
von Fremdlicht ausgeschaltet.
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Die Kraft, welche lediglich eine Annäherung oder Entfernung der Bauelemente
10 und 12 bewirken würde, wirkt in Richtung der strichpunkierteen Linie 28. Zu dieser
Linie ist das Lichtstrahlenbündel 18 mit einem möglichst großen spitzen Wirbel °t
auf den Detektor 20 ausgerichtet, so daß bereits kleine Spaltänderungen ein starkes
Wandern des vom Lichtstrahlenbündel verursachten Lichtflecks bewirken.
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Bei normaler, vorgegebener Breite des Spaltes 14 (ausgezogen dargestellte
Spaltbegrenzung) wird der Detektor 20 vom Lichtstrahlenbündel 18 belichtet und dieser
Betriebzustand vom Meßgerät 26 angezeigt. Bewegt sich das Bauelement 10 vom Bauelement
12 weg in di.e gestrichelt dargestellte Stellung so verläßt das Lichtstrahlenbündel
18 den Detektor 2Os dieser ist unbelichtet und löst eine entsprechende Anzeige am
Meßgerät 26 aus. Bei einer Annäherung der Bauelemente 10, 12 erfolgt in entsprechender
Weise eine Abwandrung des Lichtstrahlenbündels 18 auf die andere Seite des Detektors
20, so daß dieser Zustand vom Meßgerät 26 ebenfalls erfaßt wird.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 entspricht weitgehend dem gemäß
Figur 1. Der Unterschied besteht lediglich darin, daß insgesamt drei Detektoren
20, 30, 40 nebeneinander angeordnet und an das Meßgerät 26 angeschlossen sind. Bei
eimer Spaltänderung verläßt das Lichtstrahlenbündel den mittleren Detektor 20, den
es bei normaler vorgegebener Spaltweite belichtet, und trifft, je nac.h Richtung
der Spaltänderung auf den Detektor 30 oder 40. Das Abwandern des Lichtstrahlenbündels
18 wird vom Meßgerät 26 angezeigt das hierzu drei Meßsysteme aufweist. Die Einrichtung
gemäß Figur 2 gestattet somit das stufenweise Erfassen von Spaltänderungen. Die
Größe dieser Stufen ist abhängig vom Abstand der Detektoren 20, 30, 40 und ist bei
eng nebeneinanderliegenden Detektoren am ge ringsten. Eng nebeneinanderliegende
Detektoren weisen z.Be Photodioden Arrays oder Fototransistorzeilen auf, so daß
diese für den: vorliegenden Fall sehr geeignet sind.
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In Figur 3 ist eine Einrichtung zur stufenlosen Erfassung einer Spaltänderung
dargestellt. Hierzu ist die Lichtquelle 15 für die Aussendung eines Lichtstrahlenbündels
38 mit erweitern tem Öffnungswinkel (3 ausgebildet und der Detektor 50 weist eine
lichtemPfindliche längliche Fläche 52 aus einem Halbleiter wie Selen oder Silizium,
auf0 Bei dieser Art von Detektoren ist der abgegebene Strom abhängig von der Intensität
mit der der Detektor belichtet wird.
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Wie aus Figur 3 ersichtlich, belichtet das Lichtstrahlenbündel 38
bei normaler vorgegebener Breite das Spaltes 14 den Bereich 32 des Detektors 500
Die Intensität wird vom Meßgerät 26 an- | gezeigt Verbreitert sich der Spalt in
die gestrichelt .geseichw nete Stellung so wird jetzt vom Lichtstrahlenbündel 38
der Bereich 34 belichtet und angezeigt. Da sich die Intensität an dem belichteten
Bereich in Abhängigkeit von der Weite des Spaltes 14 stufenlos ändert, ist mit einer
Meßeinrichtung gemäß Figur 3 eine kontinuierliche Anzeige oder Messung einer Änderung
des Spaltes 14 möglich, denn die Intensität nimmt mit dem Quadrat der Entfernung
abO In Figur 4 ist der Detektor 50 in Draufsicht dargestellt9 ferner ist der vom
Lichtstrahlenbündel 38 verursachte Lichtfleck 54 eingezeichnet, der im vorliegenden
Fall kreisförmig ist, jedoch auch andere Formen, z.B0 quadratische aufweisen kann.
Der Detektor 50 ist hierbei, wie aus Figur 4 ersichtlich, schmal und länglich ausgebildet.
Der Lichtfleck 54, der bei normaler Breite des Spaltes 14 auf dem Detektor erscheint
(Fig. 4 rechts) muß in seiner Größe so auf die lichtempfindliche Fläche 52 abgestimmt
sein, daß bei einer Spaltvergrößerung, die eine Vergrößerung des Lichtflecks 54
bewirkt (Fig. 4 links), sich die Intensität verringert, mit welcher der Detektor
50 belich tet wird. Diese Verringerung der Intensität wird dadurch erreicht,
daß,
wie aus Figur 4 ersichtlich, nur ein kleiner Teil des Lichtflecks 54 auf den Detektor
50 trifft, wogegen bei normaler Breite des Spaltes ein größerer Teil des Lichtfelcks
54 auf den Detektor trifft (Fig. 4 rechts).
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Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 läuft das erste Bauelement 10
um und zwar um die Rotationsachse 42. Das zweite Bauelement 12 ist feststehend und
durch den Spalt 14 vom ersten Bauelement10 getrennt. Ein solcher Fall tritt auf
zwischen Stator und Rotor von elektrischen Maschinen. Die Lichtquelle 16 und Der
Detektor 20 sind am feststehendem, zweiten Bauelement 12, das hier dem Stator entspricht,
vorzugsweise versenkt befestigt, wogegen das umlaufende erste Bauelement 10, welches
dem Rotor entspricht, mit einem vorzugsweise versenkten Reflektor 36 ausgerüstet
ist. Dieser Reflektor besteht aus einem spiegelnden Metallstück. Ebensogut ist es
selbstverständlich möglich eine dünne spiegelnde Schicht auf der Oberfläche des
ersten Bauelementes 10 aufzubringen. Wie aus Figur 5 ersichtlich, wird das von der
Lichtquelle16 ausgesandte Strahlenbündel 44 unter einem solchen Winkel auf den Reflektor
36 gerichtet, daß das reflektierte Lichtstrahlenbündel 18 auf den Detektor 20 trifft.
Bei einem Abwandern des ersten Bauelementes 10, also bei einer Verbreiterung des
Spaltes 14 in die gestrichelt dargestellte Lage, wandert das reflektierte Lichtstrahlenbündel
18 vom Detektor 20 ab und eine entsprechende Anzeige erfolgt entsprechend dem Ausführungsbeispiel
gemäß Figur 1 im Meßgerät 26.
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Die Ausführungsformen gemäß Figur 5 bis 10 eignen sich besonders für
die Überwachung des Spaltes zwischen Rotor und Stator elektrischer Maschinen. Da
hierbei sowohl Lichtquelle als auch Detektor am feststehenden zweiten Bauelement
12 befestigt sind, ist der Aufbau der Meßeinrichtung vereinfacht und diese läßt
sich auch leicht an bereits bestehenden Maschinen nachträglich anbringen.
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Figur 6 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß Figur
5 mit drei Detektoren 20, 30, 40 zur stufenweisen Elnfas sung von Änderungen des
Spaltes 14, wobei Lichtquelle 16 und Detektoren 20, 30 40 am feststehenden zweiten
Bauelement 12 und ein entsprechender Reflektor 36 am ersten umlaufenden Bauelement
10 befestigt sind. Die Wirkungsweise dieser Anordnung entspricht der des Ausführungsbeispiels
gemäß Figur 2.
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Der Unterschied besteht lediglich darin, daß das Lichtstrahlenbündel
18 durch Reflexion des Strahlenbündels 44 am Reflektor 36 gebildet wurde.
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Im Ausfb.hrungsbeispiel gemäß der Figur 7 läuft das erste Bauelement
10 ebenfalls um die Rotationsachse 42 um,wogenen das zweite, durch den Spalt 14
abgetrennte Bauelement 12 feststeht.l An diesem feststehenden, zweiten Bauelement
12 sind die Twcht t quelle 16 und der Detektor 50, der eine lichtempfindliche längliche
Fläche aufweist, angeordnet. Das von der Lichtquelle 16 mit erweitertem Öffnungswinkel
ß ausgehende Strahlenbündel 44 wird an dem im ersten Bauelement 10 eingesetzten
Reflektor 36 zurückgeworfen und belichtet,den Bereich 32 des Detektors 50 genau
wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3. Bei einem Abwandern des ersten Bauelements
10 in. die gestrichelt gezeichnete Stellung wird der Bereich. 34 belichtet und die
Belichtungsänderung im Meßgerät 26 als Spaltänderung angezeigt. Der Detektor 50
gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Figur 7 kann entsprechend dem Detektor gemäß
Ausführurigsbeispiel entsprechend Figur 3 ausgebildet sein und auf Intensitätsänderungen
ansprechen. Dementsprechend gelten die Erläuterungen zu Figur 3 auch hierO Anstelle
eines Halbleiterphotoelementes kann hier - wie auch im Beispiel nach Figur 3 - eine
Schott: Barrier-Photodiode oder ein Photodioden-Array Verwendung finden. Die beiden
letztgenannten haben gegenüber dem Halb leiterphotoelement den Vorteil, daß sie
nicht auf Intensitätsschwankungen, sondern auf die Lage des Lichtstr&nlenbündels
ansprechen
Figur 8 zeigt ene Ansicht des Detektors 50 der Figur
7. Der Detektor ist hier entsprechend den Ausführungen zu Figur 4 aufgebaut und
die Intensität J1 bei engem Spalt 14 ist auch hier größer als die Intensität J2
des Lichtfelcks 54 bei großem Spalt.
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In den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 5 bis 10 muß die Länge
bzw. Breite des Reflektors 36 in Richtung der Rotationsachse 42 so bemessen sein,
daß jeweils die gewünschte Reflexion des Strahlenbündels 44 erfolgen kann, und daß
betriebsbedingte axiale Verschiebungen der Bauelemente den Strahlengang nicht unterbrechen
können.
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In Figur 9 ist der Reflektor 36 an einer zur Umlaufachse 42 geneigt
verlaufenden Schulter des umlaufenden ersten Bauelementes 10 befestigt. In diesem
Falle kannr wie aus der Figur ersichtlich, das Strahlenbündel 44 senkrecht vom zweiten
Bauelement 12 ausgehend auf den Reflektor 36 gerichtet sein.
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In den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 5 bis 9 liegen Lichtquelle,
Reflektor und Detektor in einer Ebene, die auch die Rotationsachse 42 des umlaufenden
Bauelementes beinhaltet.
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Wie jedoch aus Figur 10 ersichtlich, die einen Querschnitt durch
ein umlaufendes Bauelement 10, z.B. Rotor, und ein feststehendes Bauelement 12,
z.B. Stator, zeigt, ist es auch möglich, die Meßeinrichtung in einer Ebene quer
zu der sich hier als Punkt abbildenden Rotationsachse 42 anzuordnen. Auch hier beeinflussen
Änderungen des Spaltes 14 die Richtung des reflektierten Lichtstrahlenbündels 18
und somit die Anzeige des Meßgerätes 26.
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Wie insbesondere aus Figur 10 ersichtlich, ergibt ein in peripherer
Richtung kurzer Reflektor 36 beim Umlauf des ersten Bauelementes 10 jeweils nur
eine kurze Belichtung des Detektors
20, deren Frequenz zusätzlich
zu einer Drehzahlüberwachung benutzt werden kann. Will man jedoch eine kontinuierliche
Belichtung des Detektors 20 erreichen, so ist er erforderlichs den Reflektor 36
als ein da-s umlaufende erste Bau element 10 umschlingendes Band auszubilden.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung soll hauptsächlich zur Über wachung
der Weite des Spaltes zwischen Stator und Rotor von elektrischen Maschinen Verwendung
finden.
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L e e r s e i t e