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Die
Erfindung betrifft eine Messvorrichtung für einen Luftmassenstrom
gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Bei
Klimaanlagen muss häufig die Verteilung des Luftmassenstroms
auf die einzelnen Luftaustritte zum zu temperierenden Raum, beispielsweise
einem Fahrzeuginnenraum, bestimmt werden. Die meist große
Anzahl der zu messenden Luftaustritte führt dazu, dass
die Messung relativ zeitaufwändig und kostenintensiv ist.
Die Luftaustritte werden üblicherweise einzeln nacheinander
gemessen, so dass sich hohe Ausrüstungszeiten, Messzeiten
und ein großer personeller Aufwand ergeben. Ferner liegt
häufig eine sehr inhomogene Luftströmung an den
zu messenden Luftaustritten vor, so dass die Messung relativ zeitaufwändig
und kostenintensiv ist, wobei unter anderem auch die Wahl der Messmittel
gewissen Beschränkungen unterliegt.
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Aus
der
US 2,336,209 ist
ein Mittel zur Bestimmung des Luftmassenstroms bekannt, das einen S-förmigen
Luftkanal aufweist, dessen Querschnitt sich von seinem Einlass zu
seinem Auslass in seiner Gestalt verändert und vergrößert.
Hierbei ist am Auslass ein kreisförmiger Querschnitt vorgesehen, der auf
das zur Geschwindigkeitsmessung am Auslass angeordnete, herkömmliche
Flügelradanemometer angepasst ist. Im Inneren des S-förmigen
Luftkanals sind eine Mehrzahl von Unterteilungen vorgesehen, welche
eine gleichmäßige Verteilung der Luft über die
Fläche des Flügelradanemometers bewirken, das am
Auslassseitigen Ende des Luftkanals angeordnet ist. Durch eine derartige
Ausgestaltung erfolgt eine Querschnittsveränderung des
Luftkanals, ohne dass eine inhomogene Strömung erzeugt
wird.
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Derartige
Ausgestaltungen lassen noch Wünsche offen, insbesondere
hinsichtlich der Eignung für eine inhomogene Ausströmung.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Messvorrichtung für einen
Luftmassenstrom zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch eine Messvorrichtung für
einen Luftmassenstrom mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Hierbei
ist eine Messvorrichtung für einen Luftmassenstrom vorgesehen,
aufweisend ein Anemometer, insbesondere ein Flügelradanemometer, das
in einem Luftkanal angeordnet ist, wobei Teil der Messvorrichtung
ferner ein in Luftströmungsrichtung gesehen vor dem Anemometer
angeordneter statischer Mischer ist. Dieser statische Mischer sorgt
für eine gleichmäßige Vermischung der
anströmenden Luft, so dass beim Anemometer ein relativ
homogenes Geschwindigkeitsprofil vorliegt. Der Luftkanal weist hierbei
bevorzugt einen kreisförmigen Querschnitt auf, wobei vor
dem Luftkanal ein Adapterstück angeordnet sein kann, um
die aus einem Ausströmer o. ä. strömende
Luft vollständig in den Luftkanal der Messvorrichtung einzuleiten
und hierfür Querschnittsunterschiede zwischen dem Ausströmquerschnitt
beispielsweise eines Ausströmers und dem Einströmquerschnitt
des Luftkanals der Messvorrichtung auszugleichen. Das im Luftkanal
angeordnete Anemometer ist hierbei in seinen Abmessungen an die
Innenabmessungen des Luftkanals angepasst (oder umgekehrt), so dass
der gesamte Strömungsquerschnitt des Luftkanals (und somit
auch des Ausströmquerschnitts des Ausströmers
o. ä., dessen Luftmassenstrom zu messen ist) und nicht
nur ein Teilbereich und somit ein Teilluftmassenstrom für
die Messung relevant ist. Eine derartige Messvorrichtung ermöglicht
eine einfache und präzise Messung des Gesamt-Luftmassenstroms,
insbesondere bevorzugt aus einem (Luft/Gas)-Ausströmer,
beispielsweise einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage. Da hierbei insbesondere
eine Messung über die Gesamtfläche des Strömungsquerschnitts
erfolgt, d. h. nicht nur über Teilbereiche desselben gemessen
wird, vergrößert sich die Messgenauigkeit und
der Luftmassenstrom lässt sich exakter ermitteln. Durch
das Vorsehen des statischen Mischers und/oder der anderen Einbauten werden
auch die Störeinflüsse auf die Messgenauigkeit,
hervorgerufen durch Änderungen des Anström-Geschwindigkeitsprofils,
beispielsweise durch eine Veränderung einer Klappenstellung
einer vor dem Ausströmer angeordneten Klappe, auf ein Minimum
reduziert. Insbesondere können auch Luftmassenströme
mit einer inhomogenen Geschwindigkeitsverteilung gemessen werden.
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Bevorzugt
ist zwischen dem statischen Mischer und dem Anemometer mindestens
ein Homogenisierungsgitter angeordnet. Insbesondere bevorzugt sind
mehrere Homogenisierungsgitter vorgesehen, insbesondere bevorzugt
sind mindestens zwei und ganz besonders bevorzugt sind genau drei Homogenisierungsgitter
vorgesehen.
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Teil
der Messvorrichtung ist besonders bevorzugt ein Temperaturfühler,
der insbesondere bevorzugt im Bereich des Anemometers vorgesehen ist,
welcher zur Dichtebestimmung der durchströmenden Luft dient.
Durch das Vorsehen eines Temperaturfühlers kann beispielsweise
bei Kraftfahrzeug-Klimaanlagen an den Ausströmern automatisch der
Luftmassenstrom bei unterschiedlichen Austrittstemperaturen gemessen
werden, d. h. es ist eine gleichzeitige Bestimmung von Regelkurven
und Luftverteilungen und somit auch eine gleichzeitige Luftmassenstromregelung
und Temperaturregelung möglich. Die Messung kann weitgehend,
insbesondere vollständig automatisiert werden.
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Zur
gleichzeitigen Bestimmung der Temperatur-Strähnigkeit und
somit einer genaueren Temperatur-Mittelwertbildung können
bevorzugt auch mehrere Temperaturfühler verwendet werden,
z. B. vier Stück. Diese zusätzlichen Fühler
werden bevorzugt im Adapter vor dem Messkanal angeordnet und/oder im
Messkanal in Entfernung zur Eintrittskante von 110 bis 300 mm.
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Zur
Einstellung des Druckverlusts ist bevorzugt hinter dem Anemometer
eine Blende angeordnet. Bei der Blende kann es sich beispielsweise
um eine Blende aus Metall, Pappe oder ähnlichen Materialien
handeln, welche insbesondere als Lochblech, Wabenplatte oder Wabenblock
ausgebildet ist. Die Blende kann jedoch auch entfallen.
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Der
Luftkanal ist vorzugsweise im Bereich der Messvorrichtung gerade
verlaufend mit konstantem Querschnitt ausgebildet. Dies unterstützt
eine homogene Strömungsverteilung im Bereich des Anemometers
und damit ein möglichst unverfälschtes Messergebnis.
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Der
statische Mischer ist vorzugsweise durch einen am geschlitzten Ringbereich
mit schräg in Strömungsrichtung gebogenen Laschen
gebildet. Hierbei sind besonders bevorzugt in äquidistanten Abständen über
den Umfang des Ringbereichs sechs bis zwölf, insbesondere
acht, Schlitze vorgesehen. Insbesondere bevorzugt sind die Laschen, die
am statischen Mischer vorgesehen und durch den Zwischenbereich zwischen
den Schlitzen gebildet sind, in einem Winkel von 30 bis 60°,
insbesondere von 40° zur radialen Richtung des Ringbereichs
gebogen.
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Die
Laschen sind bevorzugt trapezförmig ausgebildet, wobei
vorzugsweise sechs bis zwölf, insbesondere bevorzugt acht
Laschen vorgesehen sind. Anstelle oder in Verbindung mit trapezförmigen Laschen
als Mischelemente sind auch andere Formen möglich, insbesondere
andere viereckige, dreieckige, mit Zähnen und/oder Wellen
versehene oder gelochte Mischelemente.
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Die
maximale Spaltbreite zwischen zwei benachbarten Laschen beträgt
bevorzugt 4 bis 20 mm, insbesondere bevorzugt ca. 9 mm.
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Neben
einem kreisförmigen Einlassquerschnitt können
auch gewinkelte Querschnitte vorgesehen sein, wobei eine Abhängigkeit
mit der Anzahl der Mischelemente gegeben ist.
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Der
statische Mischer ist vorzugsweise mindestens eine Länge,
welche dem Innendurchmesser des Luftkanals entspricht, vor dem Anemometer
angeordnet. Besonders bevorzugt ist der statische Mischer bei einem
Innendurchmesser des Luftkanals von ca. 105 mm 20 bis 100 mm von
der Eintrittsebene in den Luftkanal entfernt, das Anemometer ist
bevorzugt 320 mm von der Eintrittsebene in den Luftkanal entfernt.
Nach einer entsprechenden Weglänge ist die den Mischer
durchströmende Luft über den gesamten Strömungsquerschnitt
durchmischt, so dass die Strömung hinreichend homogen ist.
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Bevorzugt
ist mindestens ein Homogenisierungsgitter vorgesehen, insbesondere
sind ein bis acht, besonders bevorzugt drei Homogenisierungsgitter
vorgesehen. Die Homogenisierungsgitter können bspw. durch
Drahtgitter oder Nylongitter aber auch durch Lochblenden, insbesondere
bevorzugt mit einem Durchmesser von 0,5 bis 30 mm, gebildet sein.
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Vorzugsweise
ist mindestens ein Homogenisierungsgitter mindestens eine Länge,
welche einem Viertel des Innendurchmessers des Luftkanals, insbesondere
bevorzugt dem halben Innendurchmesser des Luftkanals, entspricht,
vor dem Anemometer angeordnet. Insbesondere bevorzugt sind mindestens zwei,
ganz besonders bevorzugt mindestens drei Homogenisierungsgitter
vor dem Anemometer in mindestens besagtem Abstand angeordnet. Besonders bevorzugt
sind bei einem Innendurchmesser des Luftkanals von 105 mm das erste
Homogenisierungsgitter 235 mm, das zweite Homogenisierungsgitter
240 und das dritte Homogenisierungsgitter 270 mm entfernt von der
Eintrittsebene des Luftkanals angeordnet. Die Eintrittsebene in
den Luftkanal ist hierbei bevorzugt 320 mm von der Eintrittskante
in das Anemometer entfernt angeordnet.
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Alternativ
oder zusätzlich zum Homogenisierungsgitter ist vorteilhafterweise
ein Drallgleichrichter vorgesehen, welcher eine Längenausdehnung
größer als 15%, bevorzugt zwischen 25% und 75%,
insbesondere von 50% des Innendurchmessers des Luftkanals aufweist.
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Folgende
Abstände von der Eintrittsebene des Luftkanals sind bei
einem Lutkanal-Innendurchmesser von 50 bis 200 mm bevorzugt: Eintrittsebene des
Luftkanals bis Eintritt in den statischen Mischer 20 bis 100 mm,
Eintrittsebene des Luftkanals bis zum ersten Homogenisierungsgitter
50 bis 300 mm, Eintrittsebene des Luftkanals bis zum zweiten Homogenisierungsgitter
55 bis 350 mm, Eintrittsebene des Luftkanals bis zum dritten Homogenisierungsgitter
60 bis 400 mm, Eintrittsebene des Luftkanals bis zur Eintrittskante
Anemometer 70 bis 500 mm und Eintrittsebene des Luftkanals bis zur
Blende 110 bis 700 mm.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
Längsschnitt durch den Messbereich eines Luftkanals gemäß dem
ersten Ausführungsbeispiel,
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2 eine
schematische Darstellung einer Klappe in vollständig geöffneter
Stellung zur Verdeutlichung einer möglichen Anströmung
des Messbereichs,
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3 eine 2 entsprechende
Darstellung mit einer anderen Klappenstellung,
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4 den
Längsschnitt von 1 mit Längenabmessungen
gemäß dem Ausführungsbeispiel,
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5 einen
Längsschnitt durch den Messbereich eines Luftkanals gemäß dem
zweiten Ausführungsbeispiel,
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6 ein
Schnittbild durch den Luftkanal gemäß A-A in 5 und
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7 ein
Schnittbild durch den Luftkanal gemäß B-B in 5,
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1 zeigt
einen rohrartig ausgebildeten Luftkanal 1, welcher Teil
einer Messvorrichtung 2 ist, die zur Messung des Luftmassenstroms
eines Belüftungssystems einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage
dient. In diesem Luftkanal 1 sind ein statischer Mischer 3, eine
Homogenisierungsgitteranordnung 4, bestehend aus einer
Mehrzahl feinmaschiger Gitter, ein Flügelradanemometer,
im Folgenden als Anemometer 5 bezeichnet, sowie eine Blende 6,
wobei die Blende 6 nicht notwendigerweise vorgesehen sein muss.
Ferner ist Teil der Messvorrichtung 2 ein im Bereich des
Anemometers 5 angeordneter Temperaturfühler (nicht
dargestellt) sowie eine Auswertungselektronik für die Messergebnisse
des Anemometers 5, des Temperaturfühlers und des
getrennt ermittelten Umgebungsdrucks. Der in 1 links
dargestellte Teil der Messvorrichtung wird unter Vorsetztens eines
Adapters, welcher für ein vollständiges Überströmen
der Luft vom Ausströmer in den Luftkanal 1 sorgt,
an einen Ausströmer des Belüftungssystems angebracht.
Der Adapter ist vorliegend auswechselbar an dem Luftkanal 1 angebracht,
so dass eine einfache Anpassung der Messvorrichtung 2 an
unterschiedliche Ausströmer durch einen Wechsel des Adapters
möglich ist. Die am Ende der Messvorrichtung 2 angeordnete
Blende 6 dient der Einstellung des gewünschten
Druckverlustes in der Messvorrichtung 2. Auch die Blende 6 ist
auswechselbar am Luftkanal 1 angebracht. Dagegen sind der
statische Mischer 3 und die Homogenisierungsgitter fest
in den Luftkanal 1 eingebaut, wobei sie luftdicht am Innenumfang
des Luftkanals anliegen.
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Die
Abmessungen der Messvorrichtung 2 für den Luftkanal 1 mit
einem Durchmesser von vorliegend 105 mm sind in 4 dargestellt.
Hierbei sind die Eintrittskante des statischen Mischers 3 (Beginn Laschen)
in einem Abstand von 78 mm, das erste Homogenisierungsgitter in
einem Abstand von 235 mm, das zweite Homogenisierungsgitter in einem Abstand
von 240 mm, das dritte Homogenisierungsgitter in einem Abstand von
270 mm, die Eintrittskante des Anemometers 5 in einem Abstand
von 320 mm und die Blende 6 in einem Abstand von 460 mm
vom Eintrittsquerschnitt des Luftkanals 1 angeordnet, wobei
dies im Wesentlichen auch der Gesamtlänge des Luftkanals 1 entspricht.
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Der
statische Mischer 3 ist vorliegend durch einen als Blechbiegeteil
ausgebildeten Ring gebildet, der einen hohlzylindrischen Außenbereich 7 mit
dem er in luftdichter Anlage an die Innenwand des Luftkanals 1 ist,
und einen Ringbereich 8 mit einer zentralen Öffnung
aufweist, wobei der Ringbereich 8 an seinem Innenumfang
mit acht Schlitzen 9 versehen ist, so dass sich zwischen
den Schlitzen 9 im gestreckten Zustand etwa trapezförmige
Bereiche ergeben. Die Bereiche zwischen den Schlitzen 9 sind
im Folgenden als Laschen bezeichnet. Die Laschen haben vorliegend
eine Länge von etwa einem Drittel des Luftkanalradius,
vorliegend beträgt die Laschenlänge 22 mm. Die
Schlitze 9 erstrecken sich über die gesamte Breite
des Ringbereichs 8 und sind in äquidistanten Abständen über
den Umfang des Ringbereichs 8 verteilt angeordnet. Die
Laschen sind in einem 40°-Winkel zur radialen Richtung
in Strömungsrichtung der den Luftkanal 1 durchströmenden
Luft gebogen, so dass der zentrale Bereich des Luftkanals 1 freigegeben
ist, der vorliegend einen Durchmesser von ca. 75 mm aufweist.
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Die
Homogenisierungsgitteranordnung 4 besteht vorliegend aus
besagten drei feinmaschigen Gittern, die parallel zueinander, vorliegend
in unterschiedlichen Abständen zueinander angeordnet sind. Die
Gitter weisen vorliegend die gleiche Maschenweite und Drahtstärke
auf, sind jedoch gedreht zueinander in ihrer Ausrichtung angeordnet.
Beliebige andere Anordnungen, welche für eine ausreichende Homogenisierung
der Luftströmung sorgen, sind ebenfalls möglich.
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Die
eintretende, u. a. auf Grund des vorgeschalteten Adapters aber auch
auf Grund der Geometrie des Luftkanals vor dem Ausströmer
inhomogene Strömung wird mit Hilfe des statischen Mischers 3 und
der verschiedenen Homogenisierungsgitter so weit homogenisiert,
dass eine Messung des gesamten Luftmassenstroms mit Hilfe des nachgeordneten
Anemometers 5 genauer möglich ist. Hierdurch wird
die gesamte Messvorrichtung unabhängig von der Anströmung
und Geschwindigkeitsverteilung über den Anströmquerschnitt.
Relevante Anströmformen sind beispielhaft in den 2 und 3 dargestellt,
wobei 2 eine Klappe mit zentral angelenkter Klappenwelle
in ihrer vollständig geöffneten Stellung und 3 die
gleiche Klappe in einer teilgeöffneten Stellung zeigt.
Die in den Figuren dargestellten Pfeile spiegeln den Strömungsverlauf der
Luft schematisch wieder. Derartige Klappen sind häufig
im Ausströmbereich von Luftkanälen angeordnet
und haben einen starken Einfluss auf das Profil der Strömungsgeschwindigkeit
am Luftaustritt. Für vergleichbare Messungen ist eine Homogenisierung erforderlich,
welche mit der vorliegend beschriebenen Messvorrichtung, insbesondere
mit dem statischen Mischer 3 und den nachfolgend angeordneten Homogenisierungsgittern,
erfolgt.
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In 5 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung 2 gezeigt,
welches sich von dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
im Wesentlichen dadurch unterscheidet, dass eines der feinmaschigen
Gitter (Gitter 1) der Homogenisierungsgitteranordnung 4 ersetzt
wurde durch einen Drallgleichrichter 10, wobei in ihrer
Funktion mit den Komponenten nach 1 gleichwirkende
oder identische Komponenten in 5 mit denselben
Bezugszeichen versehen wurden. Mittels dieses Drallgleichrichters 10 wird
bei einer drallbehafteten Strömung, die Geschwindigkeitskomponente
in radialer Richtung des Luftkanals 1 reduziert, was den
Drall der Strömung verringert und zur Verbesserung der
Meßgenauigkeit beiträgt.
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Der
Drallgleichrichter weist vorliegend ein Länge L auf, die
in etwa 25% des Innendurchmessers des Luftkanals entspricht. Vorliegend
wird der Drallgleichrichter 10 durch eine kreuzförmige
Anordnung von Blechstreifen geringer Dicke gebildet, wie in 7 näher
dargestellt. Selbstverständlich sind auch alternative Ausführungen
denkbar, wie beispielsweise eine größer Anzahl
von zueinander gekreuzten Streifen oder eine wabenförmigen
Ausbildung eines Gleichrichters mit der Länge L.
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Neben
der in 5 dargestellten Anordnung kann der Drallgleichrichter 10 in
einer alternativen Ausführung auch zwischen der Homogenisierungsgitteranordnung 4 mit
allen drei Gittern gemäß 4 und dem
Anemometer 5 vorgesehen sein oder auch die Homogenisierungsgitteranordnung 4 vollständig ersetzen.
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Das
in 7 dargestellte Schnittbild durch den Luftkanal
gemäß B-B in 5 verdeutlicht
nochmals die Ausführung des statischen Mischers 3,
wie er auch in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
Verwendung findet.
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Durch
das Vorsehen des nicht in der Zeichnung dargestellten Temperaturfühlers,
der im Bereich des Anemometers 5 angeordnet ist, kann auch
die Luftverteilung bei unterschiedlichen Austrittstemperaturen gemessen
werden, wobei die gute Durchmischung innerhalb der Messvorrichtung
auf Grund des statischen Mischers auch bei einer schlechten Temperaturverteilung
am Ausströmer für gute Temperaturmessergebnisse
sorgt. Die Messung kann weitgehend automatisiert werden, so dass
sich einfach Kennfelder erstellen lassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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