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Vorrichtung zur elektrischen Bestimmung der geometrischen Ausgestaltung
von isolierten Leitern Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, um die geometrische
Ausgestaltung von isolierten Leitern auf elektrischem Wege zu bestimmen, und zwar
im besonderen die Bestimmung physikalisc.her Merkmale der einen Leiter umgebenden
Isolierdecke. Unter isolierten Leitern sind hierbei Leiter zu verstehen, die mit
Isoliermaterial umgeben sind, und zwar isolierte Drähte und Kabel, Kabel mit Isolierdecken
auf metallischen Schirmen oder Mänteln sowie gespritzte Schweißelektroden.
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Bei der Umspritzung solcher Leiter mit Isoliermaterial ist es erforderlich,
innerhalb gewisser Toleranzen eine gegebene mittlere Wandstärke einzuhalten sowie
eine zentrische Lage des Leiters zu erzielen.
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Es ist daher eine Kenntnis der mittleren Wandstärke sowie der relativen
Lage des Leiters innerhalb der Isolierdecke erforderlich, so daß Abweichungen der
Wandstärke vom Nennwert sowie das Auftreten einer Exzentrizität des Leiters während
des Spritzvorgange.s berichtigt werden können.
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Die Kenntnis dieser Merkmale am gefertigten Erzeugnis ist gleichfalls
von Interesse, wie z. B. zwecks Ahnahmeprüfungen.
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Es ist bereits bekannt, den Substanzquerscbnitt eines nichtleitenden
Körpers auf kapazitivem Wege zu bestimmen. Bei der vorliegenden Erfindung handelt
es sich nun um die Bestimmung der obengenannten Dimensionen bei einem Prüfgut, das
gleichzeitig eine nichtleitende und eine stromleitende Substanz aufweist.
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Ein Ziel der Erfindung ist die Messung der mittleren Wandstärke der
einen Leiter umgebenden Iso lierdecke. Zum Zweck der Beschreibung der Erfindung
ist es angezeigt, einen Leiter runden Querschnittes in Betracht zu ziehen, welcher
von einer ebenfalls runden Isolierdecke umgeben ist. »Mittlere Wandstärke« bedeutet
dementsprechend die mittlere Wandstärke, gemessen über einem Durchmesser des Querschnittes
der Leitung. Bei Leitungen ovalen Querschnittes hat die Bezeichnung »mittlere Wandstärke«
nur Bedeutung, wenn zwei Messungen ausgeführt werden, z. B. zwei gleichzeitige Messungen
im rechten Winkel, wie weiter unten ausführlicher beschrieben wird.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Messung der Exzentrizität
des Leiters mit Bezug auf die diesen umgebenden Isolierdecke.
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Es sind bereits Vorrichtungen zu!r fortlaufenden Exzentrizitätsmessungen
an Leitern bekannt, und es ist ferner bekannt, den Spritzvorgang durch derartige
Meßvorrichtungen zu steuern, um so eine auftretende Exzentrizität des Leiters zu
berichtigen.
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In der britischen Patentschrift 574 618 ist eine Vorrichtung zur
Messung der Exzentrizität eines
Leiters mit Bezug auf die Isolierdecke und zur Steuerung
der Spritzmaschine beschrieben, welche auf differenzielle Wirkungen zwischen dem
Leiter und zwei oder mehr Induktionsspulen beruht. In späteren Veröffentlichungen
sind ähnliche Vorrichtungen beschrieben, die jedoch auf der differenziellen kapazitiven
Wirkung zweier oder mehrerer an der Isolierdecke anliegenden Elektroden beruhen,
wobei zwischen je zwei Elektroden eine Wechselspannung angelegt wurde. Bei den bisher
bekannten Methoden war es jedoch stets notwendig, die Meßvorrichtung zunächst mit
Hilfe von Mustern von Leitungen mit bekannter Exzentrizität abzugleichen und zu
eichen.
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Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen,
deren Abgleichung und Eichung unmittelbar an der auszumessenden Leitung vorgenommen
werden kann, sowie diese die Spritzmaschine verläßt, und zwar ohne den Spritzvorgang
aufhalten zu müssen.
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Es erwies sich, daß bei der Messung d.er mittleren Wandstärke einer
Isolierdecke eine Spannung ableitbar ist, die hier als »erste Spannung« bezeichnet
werden soll und die dazu dienen kann, eine Vorrichtung zur Messung eine.r zweiten
Spannung zu eichen oder automatisch zu regeln, wobei die letztere ein Maß der Exzentrizität
des Leiters innerhalb der Isolierdecke in einem gewissen Meßbereich, wie z. B. rt:25
O/o, darstellt. Innerhalb dieses Bereiches ist dann die Angabe der zweiten Spannung
durch ein Anzeigeinstrument unmittelbar in Exzentrizitätswerten eichbar.
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Eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Messung der
mittleren Wandstärke einer einen Leiter umgebenden Isolierdecke besteht aus zwei
Elektroden, welche leicht auf gegenüberliegenden
Seiten der Isolierdecke
aufliegen und in welcher eine von der Summe der kapazitiven Wirkungen zwischen Elektroden
und Leiter abhängige Spannung abgeleitet wird. Diese erste Spannung dient als Anlaß
der mittleren Wandstärke der Isolierdeclie.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine solche
Vorrichtung ferner so ausgebildet, daß die beiden Elektroden mit dem Leiter zwei
kapazitive Zweige einer Wechselstrombrücl<e bilden, welcher zwei weitere Impedanzen
und eine zwischen Leiter und Verbindungspunkt der genannten Impedanzen angeschlossene
Wechselstromquelle zugeordnet sind. Die genannte zweite Spannung entspricht dann
der Ungleichheitsspannung der zweiten Diagonale der Brücke.
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Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung soll im einzelnen
an Hand der Zeichnung beschrieben werden. In dieser zeigt Fig. 1 im vereinfachten
Schaltbild die Ableitung der ersten Spannung, Fig. 2 im vereinfachten Schaltbild
die Ableitung der zweiten Spannung, Fig. 3 ein Schaltbild, teilweise in schematischer
Form, einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, Fig. 4 eine Ringmodulatorschaltung.
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Nach Fig. 1 ist ein elektrischer Leiter 1 mit einer Isolierdecke
2 runden Querschnittes umgeben. Auf der Isolierdecke 2 liegen auf gegenüberliegenden
Seiten zwei Elektroden 3 und 4 auf, die mit den Enden der Impedanzen 5 bzw. 6 verbunden
sind. Die anderen Enden der Impedanzen 5, 6 sind miteinander sowie mit einem Pol
einer Wechselstromquelle 7 verhunden, deren anderer Pol an das eine Ende der Primärwicklung
8 eines Transformators 9 angeschlossen ist. Das andere Ende von 8 ist mit dem Leiter
1 verbunden. Die Enden der Sekundärwicklung 10 des Transformators 9 sind mit den
Klemmen 11 und 12 verbunden.
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Die zwei zwischen den Elektroden 3, 4 und dem Leiter 1 gebildeten
Kapazitäten liegen gemeinsam mit den Impedanzen 5, 6 in einer Brückenschaltung,
deren Diagonale jedoch keine Spannung entnommen wird. An den Klemmen 11, 12 tritt
nun eine Spannung auf, deren Größe innerhalb eines gewissen Meßbereiches von der
Summe der Kapazitäten zwischen Leiter 1 und den Elektroden 3, 4 abhängig ist.
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Die Summe dieser Kapazitäten hängt von der Wandstärke und der Dielektrizitätskonstante
der Isolierdecke 2 sowie vom Durchmesser des Leiters 1 ab. Liegt eine Exzentrizität
vor und ist die Lage des Leiters 1 z. B. gegen die Elektrode 4 verlagert, dann erhöht
sich die Kapazität zwischen 1 und 4, während sich die zwischen 1 und 3 verringert.
Bei einer Lagenänderung des Leiters innerhalb des normalen Meßbereiches von beispielsweise
+25°/o ändert sich die Summe der Kapazitäten nur unwesentlich mit der Exzentrizität.
Somit bildet die Summe der Kapazitäten ein Maß der mittleren Wandstärke der zwischen
den Elektroden 3 und 4 befindlichen Leitung.
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Bei einer Leitung bekannter Art, d. h. mit bekanntem Leiterdurchmesser
und Isoliermaterial, entspricht die zwischen den Klemmen 11 und 12 auftretende Spannung
unmittelbar der mittleren Wandstärke der Isolierdecke.
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Im Schaltbild der Fig. 2 sind entsprechende Schaltelemente mit den
gleichen Ziffern, wie in Fig. 1 bezeichnet. Die Wechselstromquelle 7 ist ebenfalls
in der Brückendiagonale zwischen dem Leiter 1 und dem Verbindungspunkt der Impedanzen
5 und 6 angelegt,
ohne daß jedoch in diesem Falle die Primärwicklung eines Transformators
in Serienscllaltung vorgesehen ist. An die andere Diagonale der Brücke ist die Primärwiddung
14 eines Transformators 15 angeschlossen, dessen Sekundärwicklung 16 mit den Klemmen
17 und 18 verbunden ist. Nlit dem gemeinsamen Punkt der Wechseistromquelle 7 und
der Impedanzen 5 ist ein elektrostatischer Schirm 13 verbunden. der die die Leitung
1, 2 nicht berührenden Teile der Elektroden 3, 4, deren Zuleitungen. die Impedanzen
5, 6 sowie die Primärwicklung 14 umgiht.
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Ist der Leiter 1 zentrisch innerhalb der Isolierdecke 2 gelegen.
dann ist die Brückenschaltung gemäß Fig. 2 abgeglichen, sofern die Impedanzen 5
und 6 von gleicher Größe sind; andernfalls kann die Brücke in bekannter Weise durch
Anderung von Impedanzen abgeglichen werden. Bei abgeglichener Brücke ist die Spannung
in der die Primärwicklung 14 enthaltenden Diagonalen Null, und es tritt somit keine
Ausgangsspannung an den Klemmen 17 und 18 auf.
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Wird die Anordnung der Fig. 2 zur Messung der Eszentrizität einer
durch die Elektroden 3, 4 laufenden isolierten Leitung verwendet, so ist die Ausgangsspannung
an den Klemmen 17, 18 Null, solange der Leiter zentrisch bleibt. Verlagert sich
der Leiter innerhalb der Isolierdecke so werden die Kapazitäten zwischen dem Leiter
1 und den Elektroden 3, 4 ungleich, die Abgleichung der Brücke ist gestört, und
an den Klemmen 17, 18 tritt eine Ungleichheitsspannung auf.
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Die Amplitude dieser Spannung hängt von der Größe der Exzentrizität
sowie von der mittleren Wandstärke der Isolierdecke ab.
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Die Amplitude der genannten Spannung ist ferner abhängig von Strenungserscheinungen
zwischen Leiter und Elektroden und somit von der geometrischen Konfiguration der
Leitung und der Dielektrizitätskonstante der Isolierdecke. Wird nun die durch die
Anordnung gemäß Fig. 1 bestimmte mittlere Wandstärke der Leitung in Betracht gezogen,
so wird die an den Klemmen 17, 18 auftretende Spannung zum direkten Maß der Exzentrizität.
Unter Berücksichtigung der an den Klemmen 11, 12 gemessenen ersten Spannung kann
die an den Klemmen i7, 18 auftretende zweite Spannung dann einem unmittelbar in
Exzentrizitätswerten vorgeeichten Anzeigeinstrument zugeführt werden.
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Eine solche Anordnung ist ausführlicher in Fig. 3 gezeigt, in der
die Fig. 1 und 2 entsprechenden Schaltteile mit den gleichen Ziffern bezeichnet
sind.
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Die Elektroden 3, 4 sind in dieser Anordnung mit der Brücke über
einen. Wechselschalter 19 a, 19 b verbunden, durch dessen Umschaltung die beiden
Elektroden miteinander vertauscht werden können. Die Impedanzen. 5, 6 sind durch
einen Differenzialkondenstator 20 ersetzt, der die Abgleichung der Brücke zu Anfang
ermöglicht. Die Wechselstromquelle 7 der Fig. 2 besteht in dieser Anordnung aus
einem Röhrengenerator 7a, der zwei Paar Ausgangsklemmen besitzt. Ein Paar ist an
die Primärwicklung 21 des Transformators 22 angeschlossen, dessen abgeschirtnte
Sekundärwicklung 23 mit dem Leiter 1 und einem Ende der abgeschirmten Primärwicklung
8 des Transformators 9 verbunden ist. Die Sekundärwicklung 10 des Transformators
9 ist über einen Verstärker 24 mit einem Gleichrichter 25 verbunden, dessen Ausgangsspannung
dem Gleichstromzeigerinstrument 26 zugeführt wird. Die: Sekundärwicklung 16 des
Transformators 15 ist mit dem Eingang eines Verstärkers 27 mit regelbarer Verstärkung
verbunden, dessen
Ausgangsspannung einem Ringmodulator 28 in der
z. B. in Fig. 4 ausführlicher dargestellten Form zugeführt wird. Eine weitere dem
Ringmodulator 28 zugeführte Spannung wird dem anderen Paar Ausgangsklemmen des Generators
7a entnommen. Der Schalter 31 a, 31 b erlaubt es, in seiner geschlossenen Stellung
das dem Gleichrichter 25 entnommene Gleichspannungssignal dem Verstärker 27 zur
Steuerung dessen Verstärkungsgrades zuzuführen.
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Die Ausgangsspannung des Ringmodulators 28 wird über einen zweipoligen
Wechselschalter 29 e, 29h einem Galvanometer 30 zugeführt. Die Wechselschalter 19a,
19b und 29a, 291> sind miteinander gekuppelt, so daß die Verbindungen zum Galvanometer
30 beim Austauschen der Elektroden 3, 4 gleichzeitig umgewechselt werden.
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Der im Schaltbild der Fig. 3 vorgesehene Ringmodulator 28 ist ausführlicher
in Fig. 4 dargestellt.
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Das erste Paar Eingangsklemmen 32, 33 ist mit der Primärwicklung 34
des Transformators 35 verbunden, der eine Sekundärwicklung 36 mit zentraler Abzapfung
aufweist. Die äußeren Enden der Wicklung 36 sind über Gleichrichter 37, 38 an die
Ausgangsklemmen 43, 44 angeschlossen. Weitere Gleichrichter 39, 40 sind in entgegengesetzter
Richtung von 37, 38 gekreuzt angeschlossen, und zwar derart, daß alle vier Gleichrichter
einen in gleicher Richtung fortlaufenden Ring bilden. Zwischen die Ausgangsklemmen
43, 44 sind zwei Kondensatoren41,42 in Serie gelegt. Die Abzapfung der Wicklung
36 ist mit der Klemme 45 und die Verbindungsstelle zwischen den Kondensa. toren
41, 42 mit der anderen Klemme 46 des zweiten Eingangs verbunden.
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Wie mit Bezug auf Fig. 3 ersichtlich, ist der Ausgang des Verstärkers
27 an die Eingangsklemmen 32, 33 des Ringmodulators angeschlossen, und dem zweiten
Paar Eingangsklemmen 45, 46 wird eine Wechselspannung des Generators 7 a zugeführt.
Die Ausgangsklemmen 43, 44 sind mit dem Galvanometer über den Wechselschalter 29
a, 29 b verbunden.
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Eine derartige Vorrichtung ist für fortlaufende Messungen an isolierten
Leitern nach deren Umspritzung und nach Durchgang durch ein Wasserkühlbad oder ein
Vulkanisierrohr geeignet. Die Elektroden 3, 4 sind in mit zwei Federn versehenen
Armen angebracht, und zwar so, daß sie leicht an der Oberfläche der Isolierdecke
2 des isolierten Leiters anliegen, während dieser zwischen den Elektroden durchläuft.
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Ein Ziel der Erfindung besteht in der fortlaufenden Messung der Wandstärke
der gespritzten Isolierdecke während der Herstellung.
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Zu diesem Zweck ist das Anzeigeinstrument 26 zunächst entsprechend
der Art der auszumessenden Leitung geeicht, oder aber die Verstärkung des. Verstärkers
24 wird auf einen vorbestimmten Wert eingestellt, so daß eine gegebene Eichung des
Anzeigeinstrumentes für verschiedene Leitungsarten Anwendung finden kann. Die Anzeige
des Instrumentes 26 gibt somit fortlaufend Aufschluß über die mittlere Wandstärke
der Isolierdecke.
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Bei Verwendung der Anordnung für die Exzentrizitätsmessung ist zunächst
die Brücke abzugleichen.
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In der in Fig. 3 dargestellten Anordnung kann dies kurz nach der Umspritzung
des Leiters geschehen, ohne den Herstellungsvorgang zu unterbrechen und unabhängig
davon, ob der Leiter zunächst exzentrisch ist oder nicht. Zu diesem Zweck wird die
Anzeige des Galvanometers 30 bestimmt, und nach Umlegen der Wechsel.schalter 19a,
19b und 29a, 29b wird der
Differenzialkondensator 20 so eingestellt, daß die beiden
Anzeigen von 30 identisch sind.
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Die Verstärkung des Verstärkers 27 wird darauf gemäß einer vorbestimmten
Eichung in Abhängigkeit von der Anzeige des Instrumentes 26 geregelt. Nach Ausführung
dieser Einstellung zeigt das Galvanometer 30 unmittelbar Exzentrizitätswerte an,
z. B. als Prozente. Die Einstellung des Verstärkungsgrades des Verstärkers 27 kann
in bekannter Weise durch ein Gleichstromsignal erfolgen, welches z. B. einer Verstärkerröhre
als Gittervorspannung zugeführt wird.
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In einer vollautomatischen Ausführung wird das zur Steuerung erforderliche
Gleichstromsignal von dem Gleichrichter 25 abgeleitet und dem Verstärker 27 durch
Schließen der Kontakte 31 a und 31 b zugeführt.
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Die Anwendung des Ringmodulators 28 erlaubt es, das Galvanometer
30 mit einer zentralen Nullstellung zu versehen, so daß die Anzeigenadel im Zentrum
der Skala steht, wenn der Leiter 1 genau zentrisch in der Isolierdecke 2 liegt.
Da der Ringmodulator 28 die Phase der Ungleichheitsspannung relativ zur Phase des
Generators 7a berücksichtigt, zeigt das Galvanometer einen Exzentrizitätswert in
der rechten bzw. linken Seite der Skala an, je nachdem eine Exzentrizität gegen
die eine oder die andere der beiden Elektroden vorliegt.
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In einer vereinfachten Form der Vorrichtung kann ein einziges Anzeigeinstrument
und lediglich ein Verstärker verwendet werden, so daß z. B. der Verstärker 27, Ringmodulator
28 und Galvanometer 30 wahlweise zur Messung der Spannung der Sekun.därwicklung
10 oder der Sekundärwicklung 16 schaltbar sind.
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Hierbei wird die Verstärkung des Verstärkers 27 zunächst so geregelt,
daß das Galvanometer 30 eine bestimmte Anzeige der ersten Spannung entsprechend
der mittleren Wandstärke liefert. Darauf wird die Verstärkung des Verstärkers 27
so eingestellt, daß die zweite Spannung durch das Galvanometer 30 unmitttelbar als
Exzentrizitätsmaß angezeigt wird. Auf diese Weise erfolgt die effektive Eichung
des Galvanometers 30 selbsttätig und fortlaufend während des Meßvorganges.
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Die beschriebene Vorrichtung ermöglicht es, die mittlere Wandstärke
und Exzentrizität des Leiters 1 über einem Durchmesser der durch die Elektroden
3, 4 laufenden Leitung zu messen. Um eine Verlagerung des Le.iters in der Isolierdecke
2 mit größerer Sicherheit feststellen zu können, werden vorzugsweise zwei Vorrichtungen
entsprechend Fig. 3 verwendet, wobei die Elektroden der zweiten Vorrichtung im wesentlichen
über einem rechtwinklig zu den Elektroden 3, 4 liegenden Durchmesser angeordnet
werden.
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In einer solchen Vorrichtung können. ferner eine oder beide Spannungen
registriert werden, wenn dies erwünscht ist. Die Spannungen können weiterhin gemeinsam
oder einzeln bekannten Vorrichtungen zur Betätigung von Warnsignalen bei Überschreitung
von vorbestimmten Toleranzen oder zur Betätigung von Regelvorrichtungen zugeleitet
werden. Insbesondere kann der Spritzvorgang selbsttätig geregelt werden, indem die
Ausgangsspannung des Verstärkers 24 oder bei Verwendung von zwei solchen Vorrichtungen
eine von beiden Verstärkern abgeleitete Spannung oder die dem Verstärker 27 in Fig.
3 entsprechenden Ausgangsspannungen dazu benutzt werden, elektromechanische Regelorgane
in Verbindung mit dem Spritzvorgang zu betätigen, und zwar in solcher Weise, daß
jeglicher sich entwickelnder Tendenz des Stärker- oder Dünnerwerdens der Isolierdicke
bzw. der Exzentrizitätsbildung des Leite.rs entgegengewirkt wird. Falls
eine
selbsttätige Steuerung nicht erwünscht ist, kann auch eine entsprechende Regelung
des Spritzvorganges durch Hand erfolgen, um so die Herstellung eines zufriedenstellenden
Erzeugnisses zu sichern.