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Die vorliegende Erfindung betrifft einen thermischen Massendurchflussmesser mit metallgekapselter Sensorik, die mindestens einen Heizwiderstand und mindestens einen Temperaturmesswiderstand umfasst, wobei der mindestens eine Heizwiderstand eine flache Plättchengeometrie aufweist und von einer Sensorkappe umgeben ist.
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Das Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf verfahrenstechnische Anlagen, in deren Rohrleitungen zu meist steuerungstechnischen Zwecken der Massendurchfluss des hindurchströmenden Fluids zu messen ist. Hierfür kommen Massendurchflussmesser zum Einsatz - beispielsweise coreolis-Massendurchflussmesser, magnetisch-induktive Massendurchflussmesser oder thermische Massendurchflussmesser - welche auf einem jeweils anderen physikalischen Prinzip beruhen. Die Erfindung widmet sich den letztgenannten, thermischen Massendurchflussmessem, welche vorzugsweise zur Bestimmung des Gasdurchflusses in einer Rohrleitung verwendet werden.
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Gemäß des dem thermischen Massendurchflussmessers zu Grunde liegenden Messprinzips werden typischerweise zwei Temperatursensoren in den Medienstrom gebracht und mit diesem beaufschlagt, um Wärme in den Medienstrom zu übertragen sowie dessen Temperatur zu messen. Als Temperatursensoren kommen dabei vornehmlich Widerstandsthermometer zum Einsatz. Aus der Heizleistung und der Temperatur eines beheizten Widerstandsthermometers lässt sich der Durchfluss anhand allgemein bekannter mathematischer Zusammenhänge berechnen.
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Aus der
DE 199 39 942 A1 der Anmelderin geht ein thermischer Massendurchflussmesser hervor. Dieser weist ein gepulstes elektrisches Heizelement und ein mit dem strömenden Fluid thermisch in Wirkverbindung stehenden Temperatursensor auf, dessen elektrischer Widerstand temperaturabhängig ist. Dabei ist das Sensorelement mittels des Heizelements beheizbar. Zur Bestimmung des Durchflusses sind elektronische Mittel vorhanden, welche den zeitlichen Verlauf eines im Sensorelement stattfindenden Heiz- und Abkühlvorgangs erfassen.
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Heizelemente und Sensorelemente sind dabei in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht. Durch die Materialwahl für das Gehäuse sowie eines allfälligen Füllmaterials innerhalb des Gehäuses und auch die geometrische Gestalt des Gehäuses wird Einfluss auf die thermische Wirkverbindung zwischen dem Sensorelement und dem vorbeiströmenden Medium genommen.
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Bei diesem Stand der Technik weist das Gehäuse im Bereich des Sensorelements eine Verjüngung zur Steigerung der thermischen Wirkverbindung auf. Prinzipiell lässt sich ein optimaler Messeffekt und eine hohe Genauigkeit der Messung durch eine möglichst hohe thermische Wirkverbindung, also einen maximalen Wärmeübergang vom Heizelement in das Strömungsmedium und durch minimale Wärmeabfuhr in die Sensoranschlüsse oder -halterungen erzielen.
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Um eine kurze Antwortzeit der Sensorik zu realisieren, ist es daher erforderlich, die thermische Masse der Sensorik und deren Verpackungsumgebung so klein wie möglich zu halten. Andererseits fordern zahlreiche Industrieanwendungen - beispielsweise im Lebensmittel- und Pharmasektor - eine Metallkapslung der Sensorik, vorzugsweise durch Edelstahl. Neben hygienischen Aspekten haben solche metallgekapselten Sensoriken den Vorteil einer wesentlich höheren Resistenz gegenüber korrosiven Medien und sind damit auch in rauen Umgebungen einsetzbar. Solche Geräte benötigen allerdings eine komplexe Verpackung der Sensorik, da diese über einen großen Temperaturbereich stabil sein muss und meist zahlreiche verschiedene Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verwendet werden.
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Aus der
US 5 880 365 A geht eine metallgekapselte Sensorik für einen thermischen Massendurchflussmesser hervor, deren Metallkappe eine zylindrische Gestalt besitzt und durch Aneinanderschweißen eines Hohlzylinders mit einem Kreisdeckel gebildet ist. Entscheidender Qualitätsparameter dieser Sensorik ist das Verhältnis von Umfang zu Querschnitt. Innenliegend werden Widerstandsdrähte als Sensoren verwendet, die um einen ebenfalls zylindrischen Träger gewickelt sind, der wiederum von der zylindrischen Metallkappe umgeben ist. Zur Erzielung eines geringen thermischen Widerstands von der Sensorik in das strömende Medium wird die zylindrische Metallkappe hier plastisch verformt. Zusätzlich trägt die Verwendung einer Stopfbuchse zu einer erhöhten Wärmeisolation des zylindrischen Trägers bei.
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Die
DE 102 16 532 A1 beschreibt eine metallgekapselte Sensorik, bei welcher ein thermisches Messelement auf einem rechteckförmigen Keramikträger aufgebracht ist. Der Keramikträger ist wiederum von einer zylinderförmigen Metallkappe umgeben und mittels Lötzinn hierin fixiert. Dabei sind allerdings die elektrischen Kontaktierungsstellen des Messelementes nicht von dem Lötzinn bedeckt. Zudem ist der Keramikträger an der Stelle des hierauf aufgebrachten Messelementes durch eine temperaturbeständige Glasschicht abgedeckt. Auf der dem Messelement gegenüberliegenden Fläche des Keramikträgers ist eine Zinnmetallisierung aufgebracht. All diese recht aufwendigen Maßnahmen dienen der Erzielung eines möglichst geringen thermischen Widerstands von der Sensorik in das Strömungsmedium sowie zur gleichzeitig hohen Wärmeisolation innerhalb des Trägers.
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Auch die
EP 1 835 267 A2 beinhaltet eine Maßnahme zur Unterdrückung des Wärmeflusses zwischen dem Heizwiderstand und seinem Träger. Hierfür wird ein zweites aktives Heizelement verwendet, das zwischen dem Heizwiderstand und dem Träger positioniert ist. Diese Art der aktiven Wärmeflussunterdrückung erfordert jedoch einen entsprechend hohen bauteiltechnischen Aufwand.
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Die
US 2009/0066353 A1 offenbart einen thermischen Massendurchflussmesser mit metallgekapselter Sensorik, die einen Heizwiderstand umfasst, wobei dieser eine Plättchengeometrie aufweist und von einer Sensorkappe umgeben ist.
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Die
US 2009/0288481 A1 offenbart einen metallgekapselten Temperatur-Sensor, der eine Reduzierung des Querschnitts der Schutzhülle zur Sensorspitze hin aufweist. Der Sensor weist ein Füllmaterial auf, das zur Minimierung der thermischen Leitfähigkeit in dem Halter untergebracht ist.
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Aus der
DE 29 14 275 A1 geht ein Luftdurchsatz-Messfühler hervor, der eine wärmeisolierende Halterung aufweist, durch welche Elektroden des Messfühlers hindurchgeführt sind. Die wärmeisolierende Halterung bildet bevorzugt eine Einheit mit der Trägerplatte.
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Die
DE 10 2007 023 824 A1 offenbart einen thermischen Massendurchflussmesser, bei dem der Halter in zwei Zonen differierender Wärmeleitfähigkeit aufgeteilt ist, um die Messgenauigkeit zu verbessern.
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Aus der
DD 254646 A1 ist ein Temperaturfühler entnehmbar, der auf einen Halter montiert ist, welcher in eine Kappe eintaucht, die mit Silikonfett befüllt ist. Dabei hat der Temperaturfühler nur mittelbaren Kontakt über die Kappe und das Silikonfett zum Messmedium.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen thermischen Massendurchflussmesser mit stabil metallgekapselter Sensorik zu schaffen, welche durch einfache technische Maßnahmen einen optimalen Messeffekt mit höchster Genauigkeit gewährleistet.
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Die Aufgabe wird von einem thermischen Massendurchflussmesser gemäß Anspruch 1 gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, das korrespondierend zu einer Plättchengeometrie des Heizwiderstandes zumindest ein distaler Endbereich der Sensorkappe mit einem derartigen Rechteckquerschnitt ausgebildet ist, dass dieser den Heizwiderstand passgenau eng umgibt.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass allein durch diese speziellen geometrischen Verhältnisse der Wärmeübergang von der Sensorik in das strömende Medium maßgeblich verbessert wird, wobei gleichzeitig nur eine minimale Wärmeabfuhr in die Sensoranschlüsse erfolgt, da die Sensorkappe vorzugsweise nur den distalen Endbereich des Heizwiderstandes entsprechend passgenau umgibt. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird die thermische Masse der Sensorik und deren Verpackung minimiert.
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Vorzugsweise kann für die Sensorik ein Dünnfilmwiderstand verwendet werden, welcher auf ein ebenfalls dünnes Substrat aufgebracht ist, das die Plättchengeometrie besitzt, um eine lokale Trennung von Heizfläche und Kontaktanschlüssen zu erzielen. Da durch die erfindungsgemäße Lösung die thermische Masse der Sensorik und seiner widerstandsfähigen Sensorkappe minimiert wird, lässt sich eine vorteilhaft kurze Ansprechzeit realisieren. Gegenüber einer konventionellen zylindrischen Gehäusegeometrie wird durch die erfindungsgemäße rechteckige Profilierung die das Verhältnis von Umfang zu Querschnitt repräsentierende Gütezahl verdoppelt. Insbesondere die große Kühlfläche der rechteckigen Profilierung bewirkt im Verhältnis zu ihrem Volumen die gewünscht kurze Ansprechzeit sowie den optimalen Messeffekt in Bezug auf die Sensitivität. Versuche haben ergeben, dass sich die Ansprechzeit der erfindungsgemäßen Sensorik gegenüber herkömmlichen Lösungen von 1 bis 3s auf ca. 0,6s reduzieren lässt. Durch den Rechteckquerschnitt der Sensorkappe bilden große Teile der Oberfläche des Gehäuses eine gleichförmige Struktur, so dass sich hier auch eine gleichmäßige Strömungsstruktur ausbilden kann. Zudem wird die Ablösung der Strömung von der Oberfläche auf den hinteren Kantenbereich verschoben. Diese Fläche ist durch die spezielle erfindungsgemäße Form klein und hat daher nur einen kleinen Einfluss auf den Gesamtwärmeübergang. Instabilitäten in diesem Bereich wirken sich daher nur geringfügig auf die Messeigenschaften aus.
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Aus diesem Grund kann die erfindungsgemäß ausgebildete Sensorik mit einer einfachen analytischen Gleichung mit nur wenigen zu kalibrierenden Parametern beschrieben werden. Für die Kalibrierung sind deshalb nur wenige Messstellen erforderlich, was sich ebenfalls zu Gunsten der Messgenauigkeit auswirkt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Sensorkappe besteht deren flachquaderförmiger distaler Endbereich aus einem 0,1 bis 0,3mm dicken Metallblech, das den Heizwiderstand unter Wahrung eines Spalts von maximal 0,1mm umgibt. In diesem Dickenbereich für das Metallblech erfüllt die Sensorkappe bei den meisten Anwendungen hinreichend die Schutzfunktion hinsichtlich der innenliegenden Sensorik und diese erhält durch den sehr schmalen Spalt zur Sensorkappe hin einen hohen Wärmeübergang in das strömende Medium hinein. Es wird insgesamt eine Passgenauigkeit erreicht, welche die vorstehend angegebene geringe Ansprechzeit hervorruft.
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Vorzugsweise besteht der Heizwiderstand, welcher im Rahmen der erfindungsgemäßen Sensorik verwendet wird aus einem flachquaderförmigen Substratplättchen mit hierauf aufgebrachtem Dünnfilmwiderstand. Ein solcher Dünnfilmwiderstand oder Dünnschichtwiderstand lässt sich besonders platzsparend innerhalb des Rechteckquerschnitts der Sensorkappe unterbringen.
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Gemäß einer die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, die Kanten des flachquaderförmigen distalen Endbereichs der Sensorkappe besonders scharfkantig auszuführen, vorzugsweise mit einem Radius oder einer Fase von maximal 1/3 der Breite b der Sensorkappe. Für einen effizienten Wärmeübergang wird somit insbesondere eine kreisförmige Anströmfront der Sensorkappe vermieden. Durch die besonders scharfkantige Ausführung der Sensorkappe im distalen Endbereich entstehen Strömungsumschläge an diesen Kanten weitgehend unabhängig von den jeweiligen Umgebungsparametem und verändern daher nicht ihre Position auf der Oberfläche. Hierdurch können deutlich stabilere Strömungsverhältnisse als bei herkömmlichen Sensorkappen erreicht werden, was zusätzlich die Kalibrierung vereinfacht und die Genauigkeit der Massendurchflussmessung erhöht.
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Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, dass sich der flachquaderförmige, vorzugsweise scharfkantige, distale Endbereich der Sensorkappe in Axialrichtung in einen sich dem gegenüber aufweitenden Anschlussbereich fortsetzt, um hierin die elektrischen Anschlussmittel des Heizwiderstandes unterzubringen.
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Erfindungsgemäß sind elektrische Kabel durch eine Lötverbindung an den Enden des Heizwiderstandes befestigt. Somit orientiert sich die Form der erfindungsgemäßen Sensorkappe streng an der Funktion der Sensorik. Während der distale Endbereich für die Erzielung eines genauen Messergebnisses gestaltet ist, wird der übrige Bereich der Sensorkappe derart formgestaltet, dass hinreichend Platz zur Unterbringung der elektrischen Anschlussmittel bereitgestellt wird. Hierfür kann der aufgeweitete Anschlussbereich insbesondere zylinderförmig ausgebildet werden.
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Die aus dem dünnen Metallblech bestehende Sensorkappe kann durch Biegen und Dichtlöten von Metallblech, durch Tiefziehen oder auch durch Umformen hergestellt werden.
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Vorzugsweise sollte der aufgeweitete Endbereich der Sensorkappe mit einer Gasfüllung versehen werden. Die Gasfüllung dient einer Wärmeisolation der Sensorik gegenüber einem die Sensorkappe tragenden Halterstab. Durch das Gas wird eine Reduzierung der thermischen Leitfähigkeit von zirka einer Größenordnung erzielt.
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Dabei sollte der so gebildete gasbefüllte Hohlraum möglichst langbauend ausgeführt sein, um eine hohe Isolationswirkung zu erreichen.
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Insbesondere besitzt der gasgefüllte aufgeweitete Endbereich daher eine größere Längserstreckung als Quererstreckung und wird vorzugsweise durch eine stimseitig an der Sensorkappe angeschweißten zusätzlichen zylindrischen Buchse ausgebildet, welche wiederum endseitig am Trägerstab fixiert ist. Durch diese Art von Wärmeisolation der Sensorik werden Messfehler aufgrund einer Wärmeableitung in den Halterstab reduziert, die gewöhnlich nicht konstant ist und daher auch nicht durch Kalibrierung der Sensorik kompensiert werden kann. Da die Wärmeableitung in den Halterstab hinein von der Temperatur des strömenden Mediums und der Umgebungstemperatur abhängt, kann bei Schwankungen ein signifikanter Messfehler verursacht werden, welcher also durch die Wärmeisolation verhindert wird. Dabei ist die Wärmeisolation durch eine Variation der Buchsenlänge und deren Wandungsstärke einstellbar. So kann durch eine Verdoppelung der Buchsenlänge und damit der Länge des Hohlraums eine Reduzierung des Wärmeverlusts um den Faktor 4 bis 6 erreicht werden.
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Die entscheidene Messgröße der Sensorik ist der Wärmeübergang von der Oberfläche der Sensorkappe in das strömende Medium. Bei Kenntnis der Heizleistung, der Sensoroberflächentemperatur und der Mediumtemperatur lässt sich der Wärmeübergang und letztlich die Durchflussgeschwindigkeit gemäß der allgemein bekannten mathematischen Zusammenhänge ermitteln. Während die Heizleistung und die Mediumtemperatur einfach messtechnisch bestimmbar sind, muss die Oberflächentemperatur der Sensorkappe aus der Temperatur des Heizwiderstandes im Inneren der Sensorik ermittelt werden, wobei ein konstanter Wärmewiderstand vom Heizwiderstand zur Sensoroberfläche angenommen wird. Änderungen des Wärmewiderstandes verursachen Messfehler, die proportional zur Änderung des Wärmewiderstandes sind. Diese Problematik bekannter thermischer Massendurchflussmesser mit komplexer Verpackung der Sensorik wird durch die Erfindung im Prinzip dadurch gelöst, dass potenzielle Messfehler durch Minimierung des Wärmewiderstands dieser Verpackung reduziert werden.
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Vorzugsweise sollte zu der passgenauen dünnwandigen Sensorkappe auch der schmale Spalt zwischen derselben und der Heizwiderstand mit einem festen, flüssigen oder pastösen Füllstoff hoher thermischer Leitfähigkeit ausgefüllt werden. Neben der Maßnahme, den Spalt zwischen dem Heizwiderstand und der Sensorkappe gering zu halten, kann durch eine solche Einbettung in einen hochthermisch leitfähigen Füllstoff eine zusätzliche Reduzierung des Wärmewiderstands der Verpackung für die Sensorik erzielt werden. Neben dieser Reduzierung und Stabilisierung des Wärmewiderstands sicher der Füllstoff auch eine stabile mechanische Verbindung zwischen dem Heizwiderstand und der Sensorkappe.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
- 1 schematische Darstellung eines thermischen Massendurchflussmessers mit metallgekapselter Sensorik,
- 2 eine perspektivische Darstellung einer Sensorkappe hierfür,
- 3 einen Längsschnitt durch die Sensorkappe nach 2, und
- 4 einen Längsschnitt durch eine zusätzlich mit einer zylindrischen Buchse verlängerten Sensorkappe.
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Gemäß 1 ist in eine von einem strömenden Medium 1 durchflossenen Rohrleitung 2 eine hiervon umströmte Sensorkappe 3 einer metallgekapselten Sensorik für einen thermischen Massendurchflussmesser angeordnet. Diese metallgekapselte Sensorik steht mit einer elektronischen Auswerteinheit 4 zur Messwerterzeugung und -analyse in elektrischer Verbindung.
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Gemäß 2 besitzt die Sensorkappe 3 einen distalen Endbereich 5 mit einem flachquaderförmigen Querschnitt, der sich in einem aufgeweiteten Anschlussbereich 6 fortsetzt, welcher zylinderförmig ist. Diese einstückig gefertigte Sensorkappe 3 besteht aus einem 0,2mm dicken Metallblech, um die innenliegende Sensorik vor dem die Sensorkappe 3 umströmenden Medium 2 zu schützen.
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Gemäß 3 beinhaltet die Sensorkappe 3 einen eine Plättchengeometrie aufweisenden Heizwiderstand 7. Der distale Endbereich 5 der Sensorkappe 3 ist dabei mit einem solchem Rechteckquerschnitt ausgebildet, dass dieser den Heizwiderstand 7 passgenau eng umgibt. Lediglich ein schmaler Spalt 8 von weniger als 0,1mm besteht zwischen dem Heizwiderstand 7 und der Sensorkappe 3.
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Der Heizwiderstand 7 besteht aus einem flachquaderförmigen Substratplättchen mit hierauf aufgebrachtem Dünnfilmwiderstand 9. Zum elektrischen Anschluss des Dünnfilmwiderstands 9 weist die Sensorkappe 3 einen gegenüber dem distalen Endbereich 5 aufgeweiteten Anschlussbereich 6 auf, worin die Enden des Dünnfilmwiderstands 9 an elektrische Anschlusskabel 11 angelötet sind.
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Gemäß der in 4 dargestellten Ausführungsform ist der zylindrische Anschlussbereich 6 der Sensorkappe 3 stirnseitig mit einer hieran angeschweißten zylindrischen Buchse 10 verlängert. Die zylindrische Buchse 10 ist mit einem Gas zur Wärmeisolation des Heizwiderstands 7 gegenüber einem Halterstab 12 befüllt. Der Spalt 8 zwischen dem flachquaderförmigen distalen Endbereich 5 der Sensorkappe 3 und dem Heizwiderstand 7 ist mit einem pastösen Füllstoff 13 hoher thermischer Leitfähigkeit ausgefüllt, welcher gleichzeitig auch der Fixierung des Heizwiderstands 7 relativ zur Sensorkappe 3 dient.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- strömendes Medium
- 2
- Rohrleitung
- 3
- Sensorkappe
- 4
- Auswerteeinheit
- 5
- distaler Endbereich
- 6
- aufgeweiteter Anschlussbereich
- 7
- Heizwiderstand
- 8
- Spalt
- 9
- Dünnfilmwiderstand
- 10
- zylindrische Buchse
- 11
- elektrisches Anschlusskabel
- 12
- Haltestab
- 13
- Füllstoff
- b
- Breite der Sensorkappe
