DE2636406A1 - Verfahren und einrichtung zur feststellung leitfaehiger partikel in einem stroemungssystem - Google Patents

Description

Hamburg, den 9. August 1976 192176 926.1A (Ru)

Priorität; 13. August 1975, U.S.A., Pat.Anm.Nr. 6Q4 307

Anmelder;

Pacific Research & Development, Inc. 550 IKlarine View Avenue, Suite F
Belmont. CaI. 94002, U.S.A.

Verfahren und Einrichtung zur Feststellung leitfähiger Partikel in einem Strömungssystem

Die Erfindung bezieht sich auf ein l/erfahren und eine Einrichtung zum Nachmais des Vorhandenseins leitfähiger Partikel in einem Strömungssystem, beispielsweise im Schmiermittelsystem einer Verbrennungskraftmaschine oder eines Strahltriebwerkes und betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Einrichtung für eine Anzeige der Menge der vorhandenen leitfähigen Partikel.

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Das Vorhandensein metallischer Partikel im Schmiermittelsystem von Verbrennungskraftmaschinen oder Strahltriebwerken ist schädlich und gefährlich für den Betrieb solcher Maschinen. Eine ansteigende Menge solcher Partikel weist außerdem auf einen übermäßigen Verschleiß von Lauf- bztu. Reibungsflächen bei solchen Maschinen hin. Die Feststellung der Anwesenheit und insbesondere die Feststellung einer zunehmenden Menge solcher Partikel ermöglicht deren Entfernung, wodurch eine Beschädigung oder Zerstörung der Maschine verhindert werden kann und außerdem eine Analyse zur Ermittlung des ZuStandes der Maschine möglich ist. Da verschiedene Lauf- oder Reibflächen einer Maschine aus verschiedenen IKletallen bestehen, wäre es möglich, einen Schaden an einem bestimmten Teil der Maschine,beispielsweise an den Kolben, den Zylindern, den Lagern usw., durch Analyse der in der Strömung des Schmiermittelsystems vorhandenen Metallpartikel festzustellen, wenn eine Zunahme der Menge solcher Partikel beobachtet wird·

Für diesen Zweck wurde bereits eine Einrichtung vorgeschlagen, die darauf beruht, daß Metallpartikel elektrisch abgetastet werden, sobald sie durch Konstruktionsteile hindurchtreten, die in die Ölströmung eingesetzt sind und mit Abstand angeordnete leitfähige Körper oder Elektroden aufweisen· In der US-PS 2 349 922 sind beispielsweise verschiedene Auaführungsformen einer derartigen Vorrichtung angege-

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ben, wobei das Vorhandensein metallischer Partikel in der durch das festgelegte Volumen zwischen mit Abstand angeordneten Elektroden hindurchtretenden Ölströmung zu Kapazitäts- oder UJiderstandsänderungen führt, die elektrisch abgetastet werden.

Der räumliche Abstand zwischen den Elektroden solcher Vorrichtungen muS jedoch gering sein, um die zur Wahrnehmung sehr kleiner in der Ölströmung verteilter lYletallpartikel erforderliche Empfindlichkeit zu erreichen. Dies führt dazu, daß derartige Vorrichtungen dazu neigen, wie Flüssigkeitsfilter zu wirken, die sowohl Metallpartikel als auch nichtmetallische Verunreinigungen auffangen. Derartige Vorrichtungen neigen also dazu, selbst unter normalen Betriebsbedingungen einer maschine das Vorhandensein einer übermässig großen (Klenge von lYletallpartikeln anzuzeigen oder mit nichtmetallischen Verschmutzungen verstopft zu werden.

Nach der Lehre des US-Patentes 3 457 504 (Arthur et al) versuchte man das vorstehende Problem dadurch zu überwinden, daß man die Filtereigenschaften der Einrichtung betont und die Empfindlichkeit der elektrischen Elemente der Einrichtung herabsetzt. Ein solcher Versuch führt jedoch lediglich dazu, das Problem von den elektrischen Elementen auf das Filterelement der Einrichtung zu verlagern, da der jeweilige Zustand des Filterelementes in jedem Zeitpunkt die Betriebs-

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eigenschaften der Einrichtung bestimmt. Uienn also das Filter fein genug ist, um die zur Erzeugung des gewünschten elektrischen Ausgangssignales erforderliche große Menge sehr kleiner lYletallpartikel abzufangen, wird es auch eine große !Klenge nichtmetallischer Verschmutzungen abfangen, wodurch es zu einer Verringerung der hindurchtretenden Ölströmung und effektiv zur Herabsetzung der Uiirkung und sogar zur Unwirksamkeit der Vorrichtung für den angestrebten Zweck kommt

Die Erfindung bezweckt daher die Schaffung eines v/erbesserten Verfahrens und einer verbesserten Einrichtung zur Feststellung der Anwesenheit und Menge sehr kleiner lYletallpartikel in einem Strömungssystem, insbesondere einem Ölströmungssystem, wobei ferner der Gebrauch von Flüssigkeitsfilterstrukturen oder einer damit unvermeidbar verbundenen Filterwirkung vermieden werden soll· Außerdem soll in Verbindung mit einem UJiderstandsfühler gearbeitet und eine Anzeige für die Anwesenheit und Menge leitfähiger Stoffe in einem Ölströmungssystem vorgesehen werden.

Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht in der Schaffung eines verbesserten Fühlelementes, welches eine hohe Empfindlichkeit für die Anwesenheit sehr kleiner (Klstallpartikel in einem solchen System besitzt, jedoch keine Filtereigenschaften aufweist.

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Erfindungsgemäß u/ird die Anwesenheit und Menge leitfähiger Stoffe in einem Strömungssystem im Prinzip vorzugsweise dadurch abgetastet, daß diese Stoffe aus der Flüssigkeit bztu. dem Öl an einer Stelle des Systems ausgeschieden werden, an der das Strömungsmittel sich relativ ruhig auf einer im wesentlichen ebenen isolierenden Fläche befindet, auf der eine Anordnung länglicher, mit geringem Abstand im wesentlichen parallel verlaufender elektrisch leitender Flächenteile vorgesehen ist. Mehrere getrennte elektrische UJiderstandselemente sind miteinander elektrisch in Reihe geschaltet, und jede Verbindung zwischen einem Paar in Reihe liegender Uiiderstandselemente ist elektrisch mit jeweils einem anderen der länglichen elektrisch leitenden Flächenteile verbunden. Leitfähige Metallpartikel, die sich also auf dieser ebenen Fläche absetzen, führen zu einer elektrischen Verbindung der länglichen leitfähigen Flächenteile, wodurch der Gesamtwiderstand der in Serie geschalteten UJiderstandselemente sich ändert. Diese Änderungen im Gesamtwiderstand werden abgetastet, um die Anwesenheit von lYletallpartikeln in dem Strömungssystem festzustellen. Der liiert des abgetasteten Gesamtwiderstandes ist dann eine Umkehrfunktion der Menge der (Yletallpartikel im Strömungssystem, so daß auf diese ll/eise erfindungsgemäß die !Klenge der fYletallpartikel in dem System festgestellt werden kann.

Weitere merkmale und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus

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den Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, in welchen bevorzugte Ausführungsformen und Ausgestaltungen der Erfindung erläutert und dargestellt

Es zeigen :

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung mit dem getrennt von der übrigen Einrichtung dargestellten, in einem Gehäuse untergebrachten Fühler und den schematisch dargestellten elektrischen Verbindungen zwischen dem Fühler und der übrigen Einrichtung,

Fig. 2 . eine schematisch vereinfachte Prinzipdarstellung eines Strömungssystems zur Veranschaulichung einer bevorzugten Stelle für die Anbringung des Fühlers einer erfindungsgemäßen Einrichtung,

Fig. 3 eine vergrößerte Schnittdarstellung einer bevorzugten Ausgestaltung eines in Fig. 1 gezeigten Fühlers,

Fig. 4 eine vergrößerte Draufsicht des elektrisch aktiven Elementes des Fühlers nach Fig. 3 mit einer bevorzugten Anordnung der elektrisch leitenden Flächen auf einer isolierenden Scheibe, wobei die U/iderstandselemente und andere elektrische Teile der Einrichtung schematisch dargestellt sind,

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Fig. 5 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Aueführungsform der erfindungsgemäöen Einrichtung mit dem schematisch vereinfachten Fühler und der damit zusammenwirkenden elektrischen Schaltung, und

Fig· 6 eine vergrößerte Draufsicht einer bevorzugten Anordnung der elektrisch aktiven Elemente des Fühlers, tuobei die leitenden Flächen und die UJiderstandselemente in gedruckter Schaltungstechnik auf einer Isolierscheibe aufgebracht sind.

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung mit einem erfindungsgemäßen Fühlelement 10 und einem Gehäuse 11, in welchem der übrige Teil der Einrichtung untergebracht ist, zu welcher auch eine Batterie 12 gehört.

Für den Einsatz wird der Fühler 10 nach der Erfindung im Ölströmungs8ystem eines Motors oder einer anderen Maschine eingebaut,und das Gehäuse 11 mit dem übrigen Teil der Einrichtung wird an einer Stelle montiert, an der es durch die Bedienungsperson der Maschine bequem beobachtet werden kann. Beispielsweise würde man für einen Einsatz der Erfindung bei einer Verbrennungemaschine den Fühler 10 in der Ölwanne des Motors montieren, und das Gehäuse 11 könnte zusammen mit

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den anderen Instrumenten zur Betriebsüberwachung des IYlotors am Armaturen- oder Instrumentenbrett angebracht werden. UJe η η die maschine, bei der die Erfindung eingesetzt wird, keine Batterie besitzt, muß für eine Batterie oder sine andere Gleichstromquelle gesorgt werden.

Fig. 2 zeigt in schematisch vereinfachter Form die wesentlichen Teile eines Ölströmungssystems, bei dem die Erfindung eingesetzt u/erden kann. Ein solches Öletrömungesystem sollte einen Teil, wie z.B. ein Ölreserv/oir oder eine Ölwanne 14 aufweisen, wo ein Teil des in dem System vorhandenen Öls sich in einem relativ ruhigen Zustand befindet, (flit 16 ist eine Pumpe oder eine entsprechende Vorrichtung bezeichnet, mit der Dl vom Behälter 14 als Schmiermittel zu einem Motor 18 oder dergleichen befördert wird und nach dessen Schmierung wieder in den Behälter 14 zurückgeleitet wird. Nach der Erfindung ist der Fühler 10 in einer Wandung dee Behälters 14 angebracht, wo infolge der Schwerkraft verhältnismäßig schwere lYletallpartikel aus der in verhältnismäßig ruhigem Zustand befindlichen Ölmenge in dem Behälter 14 ausgeschieden werden und zum Fühler 10 gelangen. Der Fühler 10 wird also in dem Behälter 14 vorzugsweise an der Stelle angebracht, an der normalerweise der Abflußstopfen für das Ablassen des Öls aus dem Qlströmungssystem vorgesehen ist. Der Fühler kann jedoch an jeder Stelle der Behälterwandung angebracht werden, an der er einer repräsentativen Menge schwerer,

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infolge dar Schwerkraft aus dam Öl ausgeschiedener Meta11-partikal ausgesetzt ist.

Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Schnitt durch eine bevorzugte Au8führungsform eines erfindungsgemäßen Fühlers 10. Der Fühler 10 besitzt einen Metallkörper 20 in Form eines Schraubbolzans mit Sechskantkopf, siehe insbesondere Fig.1, ähnlich den üblichen, in Ölströmungssysteman verwendeten Abflußstopfen. Der Fühler 10 bildet auch bei dieser bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung tatsächlich den Abflußstopfen des Öl8trömung8systams und trägt gleichzeitig die erfindungsgemäß vorgesehenen elektrischen Elemente, wie im folgenden noch näher erläutert wird. In jedem Fall dient der Metallkörper 20 als Träger eines Maßfühleralamantas 22, welches mit einer größeren Oberfläche dem Öl in dem Behälter oder an einem anderen relativ strömungsarmen Punkt des Systems zugekehrt ist.

Fig. 4 zeigt eine vergrößerte Draufsicht der dem Öl zugekehrten größeren Fläche des lYleßfühlerelementes 22. Dieses Maßfühlerelement meist eine ebene Anordnung mehrerar länglicher, mit gegenseitigem Abstand angeordneter, elektrisch leitender Flächen 24 auf. Diese ebene Anordnung elektrisch leitender Flächen ist auf einer isolierenden Unterlage, beispielsweise einer Glimmerscheibe, angebracht. Die elektrisch leitenden Flächen 24 bestehen vorzugsweise aus Kupfer

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mit einem GoldUberzug, um eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine hohe Beständigkeit gegen Korrosion oder andere chemische Einflüsse infolge ihres direkten Kontaktes mit dem öl des Strömungssystems zu gewährleisten. Die Herstellung der erfindungsgemäßen IfießfUhlereinheit 22 ist sehr einfach und kann mit herkömmlichen V/erfahren, beispielsweise mit den zur Herstellung gedruckter Schaltungsplatten üblichen photographischen Druck- und Ätztechniken erfolgen.

Fig. 4 zeigt, daß die IKleßf uhlereinheit 22 auch mehrere UJiderstandeelemente 26 aufweist. Erfindungsgemäß liegen diese tliiderstandselemente in Reihe geschaltet über den hier schematisch durch ein Amperemeter 11 angedeuteten übrigen Teil der erfindungsgemäßen Einrichtung an der Batterie 12 oder einer anderen Gleichstromquelle. Dabei ist nach der Erfindung die Verbindung zwischen jeweils einem Paar der in Reihe liegenden U/iderstandselemente 26 jeweils mit einer anderen elektrisch leitenden Fläche 24 verbunden. Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform bilden die elektrisch leitenden Flächen 24 jeweils die Verbindung zwischen einem Paar der elektrischen UJiderstandselemente 26. Beim Betrieb fließt also ein von der Batterie 12 oder einer anderen Stromquelle eingespeister Gleichstrom durch die Einrichtung, wobei der Stromfluß im wesentlichen durch den Gesamtwiderstand der elektrischen Uiiderstandsslemente 26 bestimmt wird und beispielsweise mittels eines in Fig. 4 mit 11 bezeichneten Amperemeters angezeigt werden kann.

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lllann sich ein oder mehrere Metallpartikel so auf den HfIeO-fühler 22 absetzen, daß sie eine elektrische Brücke zwischen einem beliebigen Paar der elektrisch leitenden Flächen 24 bilden, führt dies zur Durchschaltung eines elektrischen Strompfades geringen Widerstandes parallel zu einem der Uliderstand8elsmente 26, wodurch der Cesamtiuiderstand der Einrichtung abnimmt und der durchgehende Stromfluß zunimmt. LUe η η eine große Menge Metallpartikel in dem Öl vorhanden sind, werden eich diese nach und nach auf der Oberfläche des Meßfühlers 22 absetzen und eine erhebliche Verringerung des Ge8amtuiiderstande8 der Einrichtung und einen großen Stromfluß hervorrufen, mährend eine kleinere Zahl von Metallpartikeln zu einer weniger starken Herabsetzung des Widerstandes und damit zu einem geringeren Stromfluß führt. Eine Änderung im Gesamtuiiderstand der Einrichtung zeigt also das Vorhandensein von lYletallpartikeln im Öl an, und dar Gesamtwert dieses Widerstandes ist eine Umkehrfunktion der Menge der Metallpartikel.

In Fig. 5 ist der Gesamtaufbau einer erfindungsgemäßen Schaltung mit einem Meßfühler 10 im einzelnen dargestellt. Der Meßfühler 10 liegt über einen Strombegrenzungswiderstand 30 an einer Gleichstromquelle, beispielsweise einer 12 Volt-Batterie. Die Verbindung zwischen dem Fühler 10 und dem Widerstand 30 ist über einen Eingangswiderstand 32 an den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 31 ange-

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schlossen. Der nichtinvertierende Eingang des Gleichstromverstärkers 31 ist mit dsm einstellbaren Abgriff eines Potentiometers 33 verbunden, welches in Reihe mit einem Strombegrenzungswiderstand 34 und einem Vorspannungsiuiderstand 35 an der Gleichstromquelle liegt. Der Ausgang des Verstärkers 31 ist über einen Ausgangsu/iderstand 37 und einen Eingangsuiiderstand 38 an die Basis eines Transistors 36 angeschlossen. Das Potentiometer 33 ist so eingestellt, daß kein den Transistor 36 durchschaltendes Ausgangssignal am Verstärker 31 vorhanden ist, u/enn der Widerstand des Meßfühlers 10 seinen vollen UJert hat. Die Ansammlung von Metall· partikeln auf der Oberfläche des Hfleßfühlers 10 führt zu einer Herabsetzung des Gesamtwiderstandes des Meßfühlers und der daran abfallenden Spannung, die am invertierenden Eingang des Verstärkers 31 liegt. Dies führt zu einer Vergrößerung des Ausgangssignales des Verstärkers 31 und bewirkt eine zu diesem Ausgangssignal direkt proportionale Durchschaltung des Transistors 36« Der Transistor 36 ist über eine Spule eines allgemein mit 40 bezeichneten WiIIiamperemeters an die Gleichstromquelle gelegt. Sobald also der Widerstand des Meßfühlers 10 durch darauf angesammelte Metallpartikel von seinem normalen UJert auf einen geringeren Wert absinkt, steigt der durch den Transistor 36 und die Spule des MillL-Amperemeters 40 fließende Strom an und führt zu einem entsprechenden, von Null ausgehenden Anstieg des Anzeigewertee des Milli-Amperemeters.

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Der Ausgang des Verstärkers 31 ist über eine in Sperr-Richtung geschaltete Zenerdiode 41 auch mit der Basis eines zweiten Transistors 42 verbunden. Der zweite Transistor 42 liegt in Reihe mit einer lichtemittierenden Diode 43 über einen Spannungsbegrenzungswiderstand 44 an der Gleichstromquelle. Der Transistor 42 ist nicht durchgeschaltet, wenn kein Ausgangssignal vom Verstärker 31 kommt und der Widerstand des Meßfühlers seinen größten liiert hat« Sobald sich Metallpartikel auf dem Meßfühler 10 ansammeln und dessen Widerstand herabsetzen, steigt die Ausgangsspannung des Verstärkers 31,bis die Zenerdiode 41 bei Erreichen ihrer Schwellenspannung durchgeschaltet wird und das Ausgangssignal des Verstärkers 31 zur Basis des Transistors 42 gelangt, so daß ein dem Ausgangssignal des Verstärkers 31 proportionaler Strom durch den Transistor 42 fließt und dazu führt, daß die lichtemittierende Diode Licht abstrahlt, dessen Intensität mit abnehmendem Widerstand des Meßfühlers 10 zunimmt.

Die lichtemittierende Diode 43 kann gemäß Fig. 1 in der Nähe der Anzeigeskala des Milli-Amperemeters 40 angeordnet sein. Die zunehmende Intensität der Strahlung der lichtemittierenden Diode 34 wird also die Aufmerksamkeit der Bedienungsperson oder des Fahrers auf das Anzeigeinstrument richten, dessen Anzeige auf die Menge der auf dem Meßfühler 10 vorhandenen Metallpartikel hinweist.

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Die bisher in Verbindung mit Fig. 5 beschriebene Einrichtung gewährleistet durchaus einen zufriedenstellenden Betrieb. Es wurde jedoch herausgefunden, daß die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Einrichtung noch beträchtlich verbessert werden kann durch periodisches Pulsieren der an den Meßfühler 10 gelegten Spannung bis zum vollen Spannungsuiert der Gleichspannungsquelle. Es wird angenommen, daß die so erzielte Verbesserung darauf beruht, daß das Pulsieren zu einer schnelleren Ablagerung der IKIetallpartikel auf den leitenden Flächen des Meßfühlers 10 und einem besseren elektrischen Kontakt zwischen den Metallpartikeln und den elektrisch leitenden Flächen führt. Es hat sich jedenfalls gezeigt, daß die Verwendung eines Rechteckimpulses mit einer Impulsbreite von etwa einer halben Sekunde und einer UJiederholungsfrequenz von etwa 1 Hz zu einem besseren elektrischen Kontakt zwischen den Metallpartikeln und den leitenden Flächen des Meßfühlers 10 führt. Bei einer Steigerung der U/iederholungsfrequenz auf etwa 15 Hz mit einer entsprechend verringerten Impulsdauer, beginnt diese Wirkung zu verschwinden. Entsprechend läßt sich bei einer Senkung der Folgefrequenz unter 1/2 Hz keine nennenswerte Verbesserung mehr feststellen, und es wird schwieriger, das Ausgangssignal genau abzutasten.

Die in Fig. 5 gezeigte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung weist daher einen Schaltungsteil für das periodische

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Pulsieren der am Meßfühler 10 liegenden Spannung auf· Dieser Schaltungsteil besteht im wesentlichen aus einem Operationsverstärker 45 mit der zugehörigen Beschaltung. Die Quelle der Gleichstromenergie ist also Über einen Kondensator 46 und einen Widerstand 47 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 45 verbunden, und ein Widerstand 47 liegt zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des Verstärkers 45. Ein Rückkppplungswiderstand 48 liegt zwischen dem Ausgang und dem nicht invertierenden Eingang des Verstärkers, und der nicht invertierende Eingang ist Über einen Vorspannungswiderstand 49 an Erde gelegt. Der Ausgang des Verstärkers 45 ist außerdem über eine Sperrdiode 50 an die Verbindung zwischen dem Widerstand 30 und dem Meßfühler 10 angeschlossen.

Der Gleichspannungequslle wird auch die Speisespannung für die Verstärker 31 und 45 entnommen, jedoch sind die entsprechenden Zuleitungen zu den Verstärkern 31 und 45 zur Vereinfachung der Darstellung in Fig. 5 nicht eingezeichnet. Der Kondensator 46 und der Widerstand 47 bilden jedenfalls ein RC-Glied und bringen den Ausgang des Verstärkers 45 impulsweise auf den vollen Spannungswert der Gleichspannungsquelle, wobei die Folgefrequenz und die Impulsbreite von den jeweiligen Größen des Kondensators 46 und des Widerstands 47 abhängen· Anstelle der hier beschriebenen Schaltung können für das erfindungsgemäße impulsweise Anlegen der Spannung am

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Meßfühler 10 auch andere Schaltkreise oder Schaltungsanordnungen vorgesehen werden.

Ein zusätzlicher Vorteil der Methode, die Spannung am Meßfühler 10 impulsweise anzulegen, besteht darin, daß auch am Ausgang des Verstärkers 31 Impulse auftreten, so daß die lichtemittierende Diode 43 aufleuchtet, anstatt gleichmäßig zu glühen. Ein Kondensator 51 überbrückt die Spule des Milli-Amperemeters 40. Dieser Kondensator hat eine gegenüber dem Kondensator der Pulsierschaltung große Kapazität und verringert somit die Ausschläge des Milli-Amperemsters 40 beim Ansprechen auf Impulse am Ausgang des Verstärkers 31. Erfindungsgemäß sollte jedoch die Kapazität des Kondensators 51 nicht so groß sein, daß die Impulse am Ausgang des Verstärkers 31 vollständig abgedämpft u/erden, iueil ein geringfügiges Pulsieren des iYlilli-Amperemeters 40 anzeigt, daß der Meßfühler 10 angeschlossen ist und richtig arbeitet, auch wenn nicht genügend Metallpartikel darauf vorhanden sind, um ein Aufleuchten der lichtemittierenden Diode hervorzurufen. Die in Fig. 5 gezeigte Schaltung ist also zumindest insofern selbstprüfend, als sie den richtigen Betrieb des Meßfühlers 10 anzeigt, woraus geschlossen uierden kann, daß auch der übrige Teil der Einrichtung einwandfrei arbeitet.

Um den übrigen Teil der in Fig. 5 gezeigten Anordnung zu prüfen, ist dem Meßfühler 10 ein gewöhnlich offener Prüf- ■

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achaltar 52 parallel geschaltet. Der geschlossene Prüfschalter überbrückt das Fühlelement durch Kurzschlußverbindung und führt zu einem maximalen Ansprechen der Schaltung, wenn diese einwandfrei arbeitet.

Bei einer bereits gebauten und erprobten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung war ein spannungsgeregelter Tonfrequenz-Oszillator mit veränderlicher Ausgangsspannung parallel zu der lichtemittierenden Diode 43 an den Anschluß 53 zwischen dem Transistor 42 und dem Widerstand 44 angeschlossen. Auf diese Weise wurde ein optisches und ein akustisches Ausgangssignal erzeugt, um die Aufmerksamkeit der Bedienungsperson auf die Anzeige des lYlilli-Amperemeters 40 zu lenken.

Bei dieser erprobten Ausführung der erfindungsgemäßen Einrichtung hatte der Meßfühler 10 einen Gesamtwiderstand zwischen 16 und 19 kOhm· Die Verstärker 31 und 45 bestanden aus den beiden Hälften eines doppelten Operationsverstärkers der Signetics Corporation, Typ Nr. 5558. Ein Rückkopplungstuiderstand 54 wurde zwischen den Ausgang und den invertierenden Eingang des Verstärkers 31 gelegt, um einen ausgewählten Pegel für diesen Verstärker festzulegen.

Dia übrigen Teile und die Bemessung der bereits erfolgreich erprobten Schaltung nach Fig. 5 sind im folgenden zusammen-

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gefaßt:

Widerstand 30 Widerstand 32 Widerstand 33 Widerstand 34

Uliderstand 35

Transistor 36 Widerstand 37 Widerstand 38 Milli-Amperemeter Zenerdiode 41 Transistor 42

lichtemittierende Diode

Widerstand 44 Kondensator Widerstand 47 Widerstand 48 Widerstand 49

Diode 50

Kondensator 51 Widerstand 54 120 kOhm 1 kOhm

20 kOhm 120 kOhm 15 kOhm

Typ Nr. 2N4400 der Motorola,

Inc. 10 kOhm

10 kOhm 0 - 1 mA

Typ Nr. IN4731A der motorola,

Inc.

¹¹ " 2N4400 " ··

" " MU5053 der IKlonsanto,

Inc. 270 0hm

0,1 Mikrofarad 120 kOhm 120 kOhm

12 Megohm

Typ Nr. IN34A der National Semiconductor,Inc.

100 Mikrofarad 470 kOhm

Fig. 6 zeigt eine vergrößerte Draufsicht einer bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen MeßfUhlerelementes 22* mit einer Grundplatte aus Epoxyd-Kunstharz, welche 23 mit

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gleichem Abstand parallel angeordnete, in einem Photoätzverfahren aufgebrachte langgestreckte leitende Flächen 24' aus goldplattiertem Kupfer trägt. Jede der leitenden Flächen 24' ist 0,0035" (0,01 cm) dick und zwischen etwa 0,005" (0,0125cm) und 0,007" (0,015 cm) breit. Der Abstand zwischen den leitenden Flächen 24' liegt zwischen etwa 0,00375" (0,01 cm) und etwa 0,005" (0,0125 cm).

Die UJider8tahd88lemente 26* sind ebenfalls in einem Photoätzverfahren aufgebracht und bestehen aus einem Material mit einem Widerstand von etwa 100 0hm pro Quadrateinheit. UJie in Fig. 6 gezeigt ist, überbrückt jedes der UJlderstandselemente 26' die benachbarten Enden jeweils eines anderen Paares der leitenden Flächen 24* und ist im wesentlichen U-förmig ausgebildet, um einen Gesamttuiderstand von etwa 700 0hm pro UJiderstand8element zu erreichen. Da sämtliche UJiderstandselemente 26* über die leitenden Flächen 24' in Reihe liegen, liegt der Gesamtwiderstand des ffleßfühlerelementes zwischen etwa 16 und etwa 19 kOhm. Die UJiderstandselemente 26* sind mit einem Überzug aus einem Material nach Art einesEpoxyd-Kunstharzee versehen, um die Möglichkeit auszuschalten, daß irgendeine Änderung des lUiderstandswertes der andernfalls dem Öl des Ölströmungssystemss ausgesetzten lUiderstandselemente auftritt.

Bei der bereits gebauten und erprobten Ausführungsform gemäß

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Fig. 6 lag der Durchmesser des lYleßfühlerlementes 22· bei etuia 1/2" (1,27 cm). Theoretisch könnte dar-!TIeQfühler praktisch beliebige Form und Abmessungen haben. Es hat sich jedoch gezeigt, daß betriebliche Erwägungen aus praktischen Gründen eine GröGenbegrenzung erfordern, und daß eine Kreisform vorzuziehen ist, uiie noch erläutert u/ird.

Der Abstand zwischen den leitenden Flächen 24 des Meßfühlers 22 ist natürlich auf die geringste Größe eines Metallpartikels abgestimmt, der nach der Lehre der Erfindung abgetastet werden könnte. Es wurde herausgefunden, daß ein Abstand von etu/a 0,005" (0,0127 cm) zwischen den leitenden Flächen 24 geeignet ist, um Metallpartikel in der Schmierölströmung von Lastwagen und Dieselmaschinen festzustellen. Für leichte Flugzeugmotoren und Strahltriebwerke ist ein etwas geringerer Abstand von beispielsweise etwa 0,00375" (0,001 cm) vorzuziehen. Obgleich jedoch das Fühlelement 22 in der Lage sein muß, im Vergleich mit diesen Abständen sehr kleine Partikel zu erfassen, ist es wichtig, daß die erfindungsgemäße Einrichtung nicht so empfindlich sein soll, daß bereits eine Uiarnanzeige gegeben wird, wenn nur wenige solcher sehr kleinen Metallpartikel in der Ölströmung vorhanden sind. Die Empfindlichkeit der Einrichtung zur Anzahl der in der Ölströmung vorhandenen lYletallpartikel ist eine Funktion sowohl der Anzahl als auch der Breite der leitenden Flächen.

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Somit wurde herausgefunden, daß die Breite der leitenden Fläche wenigstens gleich wie und vorzugsweise etwas größer als die Abstände zwischen den leitenden Flächen gemacht werden kann, um eine einfache Herstellung zu gewährleisten, ohne die Empfindlichkeit der Einrichtung für die in der Qlströmung vorhandenen (Yletallpartikel nachteilig zu beeinflussen. Im Hinblick darauf, daß die leitenden Flächen goldplattiert sind, um die aufgrund der Berührung mit dem Öl bestehende Gefahr der Bildung von Oxyden mit hohem Widerstand möglichst gering zu halten, ist se erwünscht, diese Flächen nicht zu groß zu machen.

Es wurde auch herausgefunden, daß die Einrichtung, wenn zu wenige leitende Streifen verwendet werden, zu empfindlich ist für die Anzahl vorhandener IKletallpartikel und eine lilarnanzeige gibt, wenn tatsächlich noch keine Notwendigkeit hierfür besteht. Wenn zu viele leitende Streifen verwendet werden, ist die Vorrichtung dagegen nicht empfindlich genug für die in der Ölströmung vorhandene Anzahl von iYletallpartikeln, um eine zur Vermeidung einer Beschädigung oder Zerstörung einer Maschine rechtzeitige UJarnanzeige zu geben. Es wurde festgestellt, daß wenigstens 15, jedoch nicht mehr als 30 leitende Streifen zufriedenstellende Ergebnisse gewährleisten, wobei die maximale Länge dieser leitenden Streifen etwa 100 χ dem dazwischen liegenden Abstand sein soll, d.h. etwa 0,5" (1,25 cm). Die Wahrscheinlichkeit einer Über-

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brückung des Zwischenraumes zwischen einem einzelnen Paar leitender Streifen durch lYletallpartikel und somit die Empfindlichkeit des IKleßfühlerelementes für die Anzahl in einer

/steigt

Öl8trömung vorhandener IKletallpartikel direkt proportional zur größten Länge der leitenden Streifen an. Sobald also die Länge der leitenden Streifen vergrößert uiird, muß auch ihre Anzahl erhöht werden, um die Möglichkeit auszuschalten, daß die Einrichtung falsche Warnsignale hinsichtlich der !Klenge in der Ölströmung vorhandener IKletallpartikel abgibt. Eine Begrenzung der Länge und Anzahl der in einem IKleßfühlerelement vorgesehenen leitenden Streifen ist im übrigen auch durch die beträchtlichen Kosten der goldplattier· ten Leiterstreifen bedingt. Es wurde herausgefunden, daß ein IKIeßfühlerelement besonders vorteilhaft so bemessen, werden kann, daß es in den Abflußstopfen der Ölsysteme der verschiedenen heute gebräuchlichen Maschinen und (Klotoren paßt. In Verbindung mit Fig. 1 und 3 ist anschaulich zu erkennen, daß es sehr einfach ist, einen AbfluQstopfen mit einer IKlittelbohrung für den Einbau eines IKleßf ühlerelementes 22 und isolierter elektrischer Verbindungsteile 21 und 23 zu versehen. Wenn der Abflußstopfen 20 an seinem inneren Ende nicht schon mit einer becherartigen Ausnehmung gemäß ^rig. 3 versehen ist, dann sollte vorzugsweise eine Ausnehmung vorgesehen werden, deren Tiefe B wenigstens 1/4 ihres Durchmessers A ist. Das IKIeßfühlerelement 22 kann mit Hilfe eines Epoxyd-Kunetharzes am Boden dieser Ausnehmung angebracht

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Werden, und vorzugsweise ist an der Oberseite des ffleßfühlerelementes 22 sin umlaufender Randstreifen mit keilförmigem Profil vorgesehen, um Metallpartikel auf die elektrisch aktive Oberfläche zu lenken, wenn sie sich in der Ausnehmung absetzen.

Es wurde festgestellt, daß bei 90% aller heute gebräuchlichen Dieselmotoren einer voryi/ier unterschiedlichen Abflußstopfen verwendet wird. Ferner wurde festgestellt, daß bei ettua 90% aller leichten Flugzeugmotoren und etuia 90% aller Strahltriebwerke einer von nicht mshr als drei unterschiedlichen Abflußstopfen verwendet u/ird. Bei etwa 90% der heutigen Kraftfahrzeuge wird schätzungsweise einer von nicht mehr als fünf verschiedenen Abflußstopfen eingesetzt.

Ferner wurde herausgefunden, daß ein Ifleßfühlerelement in Form einer Kreisscheibe mit etwa 1/2" (1,27 cm) Durchmesser leicht in jeden beliebigen der im großen Umfang benutzten Abflußetopfen eingesetzt werden kann. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, IKleßfühlerelemente in zwei bevorzugten Größen herzustellen, und zwar mit O,55"(1,4 cm) fUr den Einsatz bei Dieselmotoren und mit 0,405" (1 cm) Durchmesser für den Einsatz in Flugzeugmotoren, Strahltriebwerken und Kraftfahrzeugen.

Zwar wurde in der bisherigen Beschreibung die Verwendung

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der erfindungsgemäßen Einrichtung zum Nachweis des Vorhandenseins und der Menge leitender Metallpartikel in einer 01-strömung besonders hervorgehoben, jedoch kann mit der erfindungsgemäßen Einrichtung in einer Ölströmung jeder beliebige leitfähige Stoff nachgewiesen werden, der ein grösseres spezifisches Gewicht besitzt als Öl. Mit der erfindungsgetiäßen Einrichtung kann also das Vorhandensein von Wasser in der Ölströmung festgestellt werden, und es kann tatsächlich vorkommen, daß sich Feuchtigkeit auf dem MeG-fühlerelement absetzt, wenn ein Motor über einen längeren Zeitraum stillsteht unter Bedingungen, die eine Kondensation von Feuchtigkeit in dem Ölsystem fördern. Bei Schiffsdieselmotoren ist es sogar beispielsweise sehr wünschenswert, das Vorhandensein von Salzwasser im Ölströmungssystem feststellen zu können. In den meisten Anwendungsfällen wird jedoch die Feuchtigkeit verdampfen, wenn das Öl beim Betrieb des Motors erhitzt wird. Es ist also zu erwarten, daß die erfindungsgemäße Einrichtung ab und zu eins üJarnanzeige gibt, wenn ein Motor für einen längeren Zeitraum nicht in Betrieb war. Die Länge der zur Verdampfung der auf dem Meßfühlerelement niedergeschlagenen Feuchtigkeit erforderlichen Zeit beim Betrieb des Motors kann dann einen gewissen Hinweis auf die in dem Ölströmungssystem enthaltene UJassermenge liefern, und man könnte somit beispielsweise für irgendeine Anzeige hinsichtlich der Herkunft des Wassers und der Ernsthaftigkeit oder Bedeutung dieses Zustandes sorgen.

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Es ist auch anzunehmen, daß nicht leitende Verschmutzungen dazu neigen, sich auf dem HfleßfUhlerelement anzusammeln. Beispielsweise könnte sich in Benzinmotoren ein Tetraäthylblei-Schlamm auf dem Meßfühler ansammeln. Dieser Schlamm wird jedoch jedesmal entfernt, mann der Abflußstopfen herausgenommen wird, um das IKIotoröl zu wechseln. Eine Anhäufung nichtleitender Verschmutzungen auf dem Meßfühler wird daher im u/esentlichen durch die normalen Wartungsarbeiten verhindert, die bei sämtlichen Motoren auszuführen sind.

Für spezielle Anwendungsfälle sind im Rahmen der Erfindung auch noch weitere Ausgestaltungen möglich. Insbesondere kann von den angegebenen Abmessungen abgewichen werden, und es ist auch möglich, unterschiedliche elektrische Schaltkreise vorzusehen, um akkustische und/oder optische Warnsignale oder Meßwerte zu erzeugen, um das Vorhandensein leitender Stoffe in einem Ölströmungssystem anzuzeigen.

Das erfindungsgemäße l/erfahren und die entsprechende Einrichtung zur Feststellung des Vorhandenseins und der Menge leitender Partikel in einem ölströmungssystem beruhen wesentlich auf dem besonderen erfindungsgemäßen IKleßfühlerelement mit der ebenen Anordnung mehrerer elektrisch leitender Flächenstreifen, die durch mehrere in Serie geschaltete Uiiderstandselemente miteinander verbunden sind. Gerade ein solcher Meßfühler ermöglicht nämlich eine weitgehende störungsfreie zuverlässige Messung.

- ANSPRÜCHE -

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Claims (1)

1. ANSPRÜCHE

   1. Verfahren zum Feststellen des Vorhandenseins und der Menge elektrisch leitfähiger Stoffe in einem im wesentlichen nicht leitenden Strömungsmittelsystem,insbesondere einem Ölströmungssystem, dadurch gekennzeichnet, daß elektrisch leitfähige Stoffe aus dem Strömungssystem unter der Wirkung der Schwerkraft an einer in verhältnismäßig ruhigem Zustand befindlichen Stelle ausgeschieden und in einer im wesentlichen ebenen (Yleßfläche angesammelt werden, daß in dieser lYIeßfläche ein vorgegebener elektrischer Strom durch mehrere über im wesentlichen mit geringen Abständen parallel verlaufende, im wesentlichen streifenförmige leitende Flächen in Reihe geschaltete UJiderstandselemente geschickt wird, und daß Änderungen des so erzeugten Stromflusses erfaßt werden, die bei einer Überbrückung der Zwischenräume jeweils benachbarter Leiterflächen durch in der lYIeßfläche angesammelte elektrisch leitende Stoffpartikel auftreten.

   2. l/erfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Strom pulsierend durch die in Reihe liegenden Ulider8tandselemente geschickt wird.

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   3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische StromfluQ durch die in Reihe liegenden elektrischen UJiderstandselemente von einen gegebenen Gleichstromwert mit einer Folgefrequanz zwischen etwa 1/2 und etwa 15 Impulsen pro Sekunde pulsierend auf einen höheren Gleichstromwert gebracht wird.

   4. Einrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine isolierende Unterlage (22) mit mehreren unter geringen Abständen im wesentlichen parallel angeordneten, im wesentlichen streifenförmig langgestreckten leitfähigen Flächen (24) an einer verhältnismäßig ruhigen Stelle eines Strömungssysteme im wesentlichen horizontal unterhalb des Strömungsmittelspiegels angeordnet ist, daß auf der isolierenden Unterlage mehrere Uiiderstandselemente (26) in elektrischer Reihenschaltung jeweils zwischen aufeinander· folgenden streifenförmigen Leiterflächen angeordnet sind, daß eine Stromquelle (12) zur Erzeugung eines Stromflusses durch die Uiiderstandsreihenschaltung vorgesehen ist, und daß mittel (11,40,43) vorgesehen sind zur Erfassung und Anzeige von Änderungen des Stromflusses durch die lUiderstandsrei-henschaltung bei einer Überbrückung des Abstandes zwischen benachbarten Leiterflachen durch auf der isolierenden Unterlage angesammelte leitfähige Stoffe.

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   5. Einrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Schaltungsteil (45 - 49) zur Erzeugung eines impulsuieise an die UJiderstandsreihenschaltung gegebenen Stromflusses,

   6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch (flitte1 zur Erzeugung eines optischen Ausgangssignales,
   welches bei abnehmendem elektrischen Stromfluß durch
   die UJiderstandsreihenschaltung unmittelbar proportional stärker wird.

   7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4-6, gekennzeichnet durch Mittel zur Erzeugung eines bei abnehmendem
   elektrischen Stromfluß durch die UJiderstandsreihenschaltung direkt proportional stärker werdenden akkustitschen AusgangssignaIes.

   8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4-7, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Unterlage in einer Aus· nehmung einer im wesentlichen horizontalen UJandfläche
   des Strömungssystemes angeordnet ist.

   9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe (B) der die isolierende Unterlage aufnehmenden Unterlage wenigstens gleich einem Viertel der größten
   Queräbmeesung (A) der Ausnehmung ist.

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   10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4-9, gekennzeichnet durch einen Meßfühler (1O) mit einem isolierenden Körper (22), der auf einer ebenen Oberfläche mehrere mit geringen Zwischenabständen parallel v/erlaufende streifenförmige elektrisch leitende Flächen (24) und mehrere über diese.leitenden Flächen in elektrischer Reihenschaltung verbundene UJiderstandselemente (26) trägt.

   11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Enden der (Yleßfühleranordnung als elektrische Anschlüsse ausgebildet sind.

   12. Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen benachbarten leitenden Flächen jeu/eila ein Abstand von weniger als 0,005" (0,0127 cm)

   vorgesehen ist, und daß die maximale Länge der leitenden Flächen etwa das 100-fache des Ziuischenabstandes ist, und daß zwischen wenigstens 15 und höchstens 30 leitende Flächen vorgesehen sind.

   13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 - 12, dadurch gekennzeichnet, daß die streifenförmigen leitenden Flächen (24) aus einem goldplattierten Kupferbelag der ebenen Oberfläche des isolierenden Körpers (22) und die elektrischen U/iderstandselemente (26) aus einem Uiiderstandsbelag auf der Oberfläche des isolierenden Körpers bestehen.

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   14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 - 13, dadurch gekennzeichnet, daß der isolierende Körper (22) aus einer kreisförmigen Scheibe mit einem Flächendurchmesser von etiua 1/2" (1,27 cm) besteht.

   15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 - 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (22) in einer kreisförmigen Ausnehmung im inneren Ende des Abflußstopfens (20) eines Ölströmungssystems angeordnet ist, wobei die auf dem Isolierkörper vorgesehene Anordnung der leitenden Flächen (26) dem Strömungsmittel ausgesetzt ist.

   16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 - 15, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen UJiderstandselemente auf dem vorzugsweise aus einem Epoxyd-Kunstharz bestehenden Isolierkörper an den entgegengesetzten Enden der streifenförtnigen leitenden Flächen (24) angeordnet sind.

   17· Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mittel zur Erfassung und Anzeige einer Stromfluß· änderung einen Schaltungsteil (31) zur Umkehrung und Verstärkung der infolge des elektrischen Stromflusses an der UJiderstandsreihenschaltung abfallenden Spannung einschließen, und daß mittel (36,42) vorgesehen sind, welchen einen der umgekehrten und verstärkten Spannung unmittelbar proportionalen Stromfluß in einem optischen Anzeigeorgan (40,43) erzeugen.

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   18. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strommesser (40) als optisches Anzeigeorgan vorgesehen ist.

   19. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine lichtemittierende Diode (43) als optisches Anzeigeorgan vorgesehen ist.

   20. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel fUr die impulsuieise Abgabe eines gegebenen elektrischen Stromflusses durch die ll/iderstandsreihenechaltung einen in Festkörpertechnik aufgebauten Operationsverstärker (45) mit einer Beschaltung (46 - 49) zur Erzeugung eines im wesentlichen rechteckförmigen Gleichstromsignales an dem zur U/iderstandsreihenschal» tung führenden Ausgang aufiueist.

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