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Die vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung eines Massen- oder Volumenstroms eines Gasstroms mit einer Zuleitung und einer Mehrzahl von elektrischen Komponenten, wobei die Mehrzahl von elektrischen Komponenten zumindest einen Strömungserzeuger, ein erstes wärmesensitives Element und eine Datenverarbeitungseinheit umfasst, wobei der Strömungserzeuger derart angeordnet und eingerichtet ist, dass er einen in einer Strömungsrichtung strömenden Gasstrom durch die Zuleitung erzeugen kann, und wobei zumindest eine der elektrischen Komponenten zumindest ein elektrisches Element zur Strom- und/oder Datenversorgung umfasst.
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Bei einer Vielzahl von Vorrichtungen, in denen ein Gasstrom erzeugt wird, muss der Massen- oder Volumenstrom dieses Gasstroms aus Sicherheitsgründen überwacht werden. Beispiele für derartige Vorrichtung sind unter anderem Gasmessgeräte, d. h. Vorrichtungen zur Messung einer Konzentration eines Gases in einem Gasstrom, bei denen eine Messkammer über eine Zuleitung mit einem Gasstrom versorgt wird, aber auch Gebläsefiltergeräte, die einen Verwender mit gefilterter Luft versorgen.
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Beispielsweise kommt es in der Gasmesstechnik regelmäßig vor, dass das Messgerät, d. h. eine Vorrichtung zur Messung einer Konzentration eines oder mehrerer Gase in einem Gasgemisch, nicht an den Ort gebracht werden kann, an dem die Konzentration des Gases bzw. der Gase in dem Gasgemisch bestimmt werden soll. Dieser Ort wird auch als Messort bezeichnet. Die Gründe hierfür sind vielfältig. Beispielsweise kann es am Messort an Versorgungsleitungen fehlen oder schlichtweg kein Platz zur Verfügung stehen, an dem eine Vorrichtung zur Messung einer Konzentration eines oder mehrerer Gase dauerhaft angeordnet werden könnte. In anderen Fällen werden die Messgeräte auch dazu verwendet, um sicherzustellen, dass an einem Messort die Konzentration eines schädlichen bzw. gefährlichen Gases unter einem Grenz- oder Schwellwert liegt. Auch in diesem Fall kann das Gerät, insbesondere wenn es ein tragbares oder mobiles Gerät ist, nicht direkt an den Messort gebracht werden. Auch wenn Leckagen gesucht werden, entspricht der Messort oft nicht der Position des Messgerätes.
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In diesem Fall wird häufig eine Messkammer der Vorrichtung, in der ein Sensorelement zur Bestimmung einer Konzentration zumindest eines Gases in dem Gasstrom angeordnet ist, nicht lediglich über Diffusion mit dem Gasgemisch versorgt. Stattdessen wird das Gasgemisch aktiv über einen Strömungserzeuger, wie beispielsweise eine Pumpe, über eine Zuleitung zugeführt.
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In der
DE 10 2007 039 391 A1 ist ein Beatmungsanfeuchter beschrieben. Der Beatmungsanfeuchter besteht aus einer Basiseinheit, welche mit einem Sensor verbunden ist und einer Mischkammer. Der Sensor ist in einem Atemgasauströmungskanal angeordnet und zur Erfassung der Strömung in diesem Atemgasauströmungskanal ausgebildet.
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Die
DE 102 34 811 C1 beschreibt ein Atemgasanfeuchtersystem für einen Patienten. Das Atemgasanfeuchtersystem weist einen austauschbaren druckstabilen geschlossenen Wasservorratsbehälter und einen abgeschlossenen Zwischenspeicher auf. Der Zwischenspeicher und der Wasservorratsbehälter sind über ein Ventil miteinander in einer Strömungsverbindung verbunden. Die Mischkammer des Atemgasanfeuchters weist einen Sensor zur Erfassung der Feuchtigkeit auf.
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Aus der
US 6,272,933 B1 ist ein Anfeuchtungssystem zur Beatmung bekannt. Es wird ein Sensor zur Flowmessung für das Anfeuchtungssystem beschrieben. Der Sensor zur Flowmessung ist sowohl zur Temperaturmessung, als auch zur Messung der Durchflussrate ausgestaltet. Der Sensor zur Flowmessung ist vorzugsweise als Thermistor ausgeführt.
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Um sicherzustellen, dass die Vorrichtung korrekt misst, ist es wichtig, dass stets ausreichend viel frisches Gas vom Messort in die Messkammer und zu dem Sensorelement transportiert wird. Mit anderen Worten muss der Massen- oder Volumenstrom des von dem Strömungserzeuger erzeugten Gasstroms überwacht werden, der durch die Zuleitung in die Messkammer strömt.
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Im Stand der Technik ist es bekannt, hierzu differenzdruckbasierte oder wärmeleitungsbasierte Sensoren zur Bestimmung des Massen- oder Volumenstroms in der Zuleitung anzuordnen. Diese Sensoren sind nicht nur aufwändig herzustellen, und verteuern damit die Geräte, sondern benötigen zudem im Betrieb zusätzliche Energie. Insbesondere wenn wärmeleitungsbasierte Sensoren verwendet werden, müssen in dem Gasstrom zusätzliche Heizelemente angeordnet werden, um diesen zu erwärmen. Der Energieverbrauch dieser Heizelemente ist jedoch nicht zu vernachlässigen. Dies ist insbesondere dann relevant, wenn die Vorrichtung zur Bestimmung einer Konzentration eines Gases ein tragbares bzw. mobiles Gerät ist, bei dem der gesamte Energieverbrauch über Batterien bzw. Akkumulatoren bereitgestellt wird. So verkürzt der Energiebedarf der Heizelemente entweder die Betriebsdauer der Geräte oder es müssen leistungsfähigere Batterien bzw. Akkumulatoren verwendet werden, die das Gewicht der tragbaren Vorrichtung zusätzlich erhöhen. Auch bei stationären Geräten, die über eine permanente Energieversorgung verfügen, ist es nicht nur im Hinblick auf steigende Stromkosten sondern auch unter ökologischen Gesichtspunkten sinnvoll, den Stromverbrauch zu reduzieren.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Massen- oder Volumenstroms eines Gasstroms bereitzustellen, die gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen einen geringeren Energieverbrauch aufweist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Überwachung eines Massen- oder Volumenstroms eines Gasstroms, bei der das elektrische Element derart in der Zuleitung angeordnet ist, dass eine Abwärme des elektrischen Elements den von dem Strömungserzeuger erzeugten Gasstrom erwärmt. Das erste wärmesensitive Element in der Zuleitung ist in Strömungsrichtung hinter dem elektrischen Element angeordnet. Das erste wärmesensitive Element ist dazu eingerichtet, eine Temperatur des von dem Strömungserzeuger erzeugten und von der Abwärme des elektrischen Elements erwärmten Gasstroms zu erfassen. Die Datenverarbeitungseinheit ist dazu eingerichtet, aus der von dem ersten wärmesensitiven Element erfassten Temperatur einen Massen- oder Volumenstrom des Gasstroms zu bestimmen.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es sich beispielsweise um ein Gasmessgerät oder ein Gebläsefiltergerät handeln. Die Vorrichtung umfasst eine Mehrzahl von elektrischen Komponenten, wobei unter elektrischen Komponenten Bauteile der Vorrichtung bzw. Komponenten der Vorrichtung verstanden werden, deren Betrieb eine Spannung- bzw. Stromversorgung voraussetzt. Die Vorrichtung umfasst als elektrische Komponenten zumindest einen Strömungserzeuger, ein erstes wärmesensitives Element und eine Datenverarbeitungseinheit. Jede dieser Komponenten ist mit einer Strom- bzw. Spannungsquelle verbunden. Zudem können zwischen einzelnen Komponenten auch Datenleitungen zum Senden und Empfangen von Daten vorhanden sein.
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Der Strömungserzeuger, bei dem es sich beispielsweise um eine Pumpe oder ein Gebläse handelt, erzeugt den Gasstrom, der in einer Strömungsrichtung durch die Zuleitung strömt. Hierzu kann der Strömungserzeuger beispielsweise im Bereich einer Öffnung der Zuleitung angeordnet sein, mit der Gas an einem Mess- oder Arbeitsort aufgenommen wird. Es ist aber genauso gut vorstellbar, dass der Strömungserzeuger in Strömungsrichtung hinter der Zuleitung, also beispielsweise zwischen einem Auslass der Zuleitung und der Umgebungsluft, angeordnet ist. Je nach Ort, an dem der Strömungserzeuger angeordnet ist, kann dieser entweder in einem Saugmodus oder in einem Druckmodus betrieben werden. Es ist auch denkbar, dass die Zuleitung zweigeteilt ist und ein Teil der Zuleitung in Strömungsrichtung vor dem Strömungserzeuger angeordnet ist und ein weiterer Teil der Zuleitung in Strömungsrichtung hinter dem Strömungserzeuger angeordnet ist.
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Die Vorrichtung umfasst weiterhin ein elektrisches Element, das Teil der Strom- und/oder Datenversorgung einer der elektrischen Komponenten ist. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich dabei um zumindest einen Vorwiderstand eines Motors zum Antrieb einer Pumpe, die als Strömungserzeuger dient. Es ist jedoch auch denkbar, dass es sich um ein anderes elektrisches Element handelt, dass beispielsweise in der Stromversorgung der Datenverarbeitungseinheit verwendet wird. Das elektrische Element wird in der Zuleitung angeordnet, so dass von dem elektrischen Element abgegebene Wärme, die auch als Abwärme bezeichnet wird, den von dem Strömungserzeuger erzeugten Gasstrom erwärmt. Das elektrische Element kann sowohl in Strömungsrichtung vor dem Strömungserzeuger angeordnet sein, als auch in Strömungsrichtung hinter dem Strömungserzeuger. Vorzugsweise wird dabei eine besonders gute Wärmekopplung zwischen dem elektrischen Element und dem Gasstrom bereitgestellt.
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Bei dem ersten wärmesensitiven Element handelt es sich beispielsweise um einen Heißleiter (sog. NTC-Widerstand), einen Kaltleiter (sog. PTC-Widerstand) oder ein Thermoelement. Das erste wärmesensitive Element ist in der Zuleitung so angeordnet, dass die von der Abwärme des elektrischen Elementes erwärmte Gasströmung an dem wärmesensitiven Element vorbeiströmt, so dass das wärmesensitive Element eine Temperatur der Gasströmung erfassen kann. Das erste wärmesensitive Element kann sowohl in Strömungsrichtung vor dem Strömungserzeuger angeordnet sein, als auch in Strömungsrichtung hinter dem Strömungserzeuger. Vorzugsweise sind das erste wärmesensitive Element und das elektrische Element in Strömungsrichtung auf der gleichen Seite des Strömungserzeugers angeordnet. Dies ist aber nicht notwendiger Weise so. Es ist auch denkbar, dass das erste wärmesensitive Element in Strömungsrichtung hinter dem Strömungserzeuger angeordnet ist, während das elektrische Element in Strömungsrichtung vor dem Strömungserzeuger angeordnet ist. Unter dem Erfassen einer Temperatur wird dabei nicht notwendigerweise verstanden, dass das wärmesensitive Element über eine Datenleitung verfügt und bereits eine Temperatur der Gasströmung mit einer vorbestimmten Genauigkeit über diese Datenleitung ausgibt. Vielmehr genügt es, wenn ein Spannungsabfall über das wärmesensitive Element gemessen werden kann, so dass aus dem Widerstand desselben auf eine ungefähre Temperatur der Gasströmung geschlossen werden kann.
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Weiterhin ist die Datenverarbeitungseinheit dazu eingerichtet, aus der von dem ersten wärmesensitiven Element erfassten Temperatur einen Volumen- oder Massenstrom des Gasstroms zu bestimmen. Dabei ist der Begriff der Bestimmung eines Massen- oder Volumenstroms weit zu verstehen. Je nach Anwendung kann es bereits genügen, wenn die Datenverarbeitungseinheit lediglich ermittelt, ob der Massen- oder Volumenstrom oberhalb oder unterhalb eines kritischen Wertes liegt. In einer alternativen, beispielhaften Ausführungsform ist die Datenverarbeitungseinheit dazu eingerichtet, den Massen- oder Volumenstrom mit einer vorbestimmten Genauigkeit zu ermitteln und über eine Ausgabeeinheit auszugeben. Bei der Datenverarbeitungseinheit kann es sich beispielsweise um einen herkömmlichen PC oder um einen integrierten Schaltkreis handeln.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorteilhaft, da zur Erwärmung des Gasstroms in der Zuleitung kein zusätzliches Heizelement benötigt wird, sondern die Abwärme des sowieso notwendigen elektrischen Elements verwendet wird. So wird nicht nur der Anzahl der Bauteile reduziert, die zur Herstellung der Vorrichtung benötigt werden, sondern auch Strom gespart, da kein zusätzliches Heizelement erwärmt werden muss. Der geringere Energieverbrauch der Vorrichtung ist nicht nur unter ökologischen Gesichtspunkten vorteilhaft, sondern ermöglicht es zudem, bei mobilen bzw. tragbaren Vorrichtungen, die mit Batterien oder Akkumulatoren betrieben werden, die Betriebszeit zu verlängern. Alternativ können auch leichtere, leistungsschwächere Batterien oder Akkumulatoren verwendet werden, ohne dass dadurch die Betriebszeit der Vorrichtung verringert wird. So kann auf vorteilhafte Weise das Gewicht der Vorrichtung verringert werden. Darüber hinaus wird das elektrische Element durch den Gasstrom gekühlt, wozu in aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen teilweise zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden müssen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst eine der elektrischen Komponenten mehrere elektrische Elemente zur Strom- und/oder Datenversorgung, die derart in Strömungsrichtung vor dem ersten wärmesensitiven Element in der Zuleitung angeordnet sind, dass eine Abwärme der elektrischen Elemente den von dem Strömungserzeuger erzeugten Gasstrom erwärmt. Das erste wärmesensitive Element ist derart angeordnet und eingerichtet, dass es eine Temperatur des von dem Strömungserzeuger erzeugten und von der Abwärme der elektrischen Elemente erwärmten Gasstroms erfasst. Diese Ausführungsform ist besonders bevorzugt, da auf vorteilhafte Weise der Gasstrom durch die Abwärme mehrerer elektrischer Elemente stärker erwärmt wird und diese zeitgleich gekühlt werden, ohne dass zusätzliche elektrische Energie verbraucht wird.
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Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn der Strömungserzeuger einen Motor mit einer Mehrzahl von elektrischen Elementen in Form von Vorwiderständen umfasst und die Vorwiderstände die elektrischen Elemente bilden, die in der Zuleitung angeordnet sind. Die bevorzugte Ausführungsform kann beispielsweise Teil einer Gasmessvorrichtung oder eines Gebläsefiltergeräts sein, die von der Explosionsschutzart „ib” oder auch „ia” sind. Diese Vorrichtungen sind auch bei einem bzw. zwei Fehlern eigensicher. Hierzu wird der Strom, mit dem der Antrieb oder Motor des Strömungserzeugers betrieben wird, über zwei bzw. drei Vorwiderstände begrenzt. In aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen muss die Abwärme dieser Vorwiderstände aufwändig aus der Vorrichtung abgeführt werden. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Abwärme hingegen auf vorteilhafte Weise verwendet, um den Gasstrom zu erwärmen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen mehrere der elektrischen Komponenten zumindest ein elektrisches Element zur Strom- und/oder Datenversorgung, die derart in Strömungsrichtung vor dem ersten wärmesensitiven Element in der Zuleitung angeordnet sind, dass eine Abwärme der elektrischen Elemente den von dem Strömungserzeuger erzeugten Gasstrom erwärmt. Dabei ist das erste wärmesensitive Element derart angeordnet und eingerichtet, dass es eine Temperatur des von dem Strömungserzeuger erzeugten und von der Abwärme der elektrischen Elemente erwärmten Gasstroms erfasst. Mit anderen Worten ist das erste wärmesensitive Element in Strömungsrichtung hinter den elektrischen Elementen angeordnet. In der bevorzugten Ausführungsform werden auf vorteilhafte Weise elektrische Elemente, die zwingend zur Strom- und/oder Datenversorgung mehrerer elektrischer Komponenten benötigt werden, durch den von dem Strömungserzeuger erzeugten Gasstrom gekühlt und dieser gleichzeitig durch die Abwärme der elektrischen Elemente erwärmt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ein zweites wärmesensitives Element. Das zweite wärmesensitive Element ist in Strömungsrichtung vor dem elektrischen Element bzw. den elektrischen Elementen in der Zuleitung angeordnet und dazu eingerichtet, eine Temperatur des nicht von der Abwärme des elektrischen Elements bzw. der elektrischen Elemente erwärmten Gasstroms zu erfassen. Die Datenverarbeitungseinheit ist dazu eingerichtet, aus der von dem ersten und dem zweiten wärmesensitiven Element erfassten Temperatur eine Strömungsrichtung des Gasstroms zu bestimmen. Mit anderen Worten ist ein zweites wärmesensitives Element vorgesehen, dass beispielsweise in Form eines Heißleiters, eines Kaltleiters oder eines Thermoelements ausgebildet ist. Das zweite wärmesensitive Element ist zwischen einer Öffnung der Zuleitung, durch die ein Gasstrom bspw. von einem Messort in die Zuleitung eintritt, und dem elektrischen Element bzw. den elektrischen Elementen in der Zuleitung angeordnet. Dabei kann das zweite wärmesensitive Element in Strömungsrichtung vor oder hinter dem Strömungserzeuger angeordnet werden. Vorzugsweise ist das zweite wärmesensitive Element in Strömungsrichtung auf der gleichen Seite von dem Strömungserzeuger angeordnet wie das erste wärmesensitive Element und das bzw. die wärmesensitiven Elemente. Es ist allerdings auch denkbar, dass das zweite wärmesensitive Element in Strömungsrichtung vor dem Strömungserzeuger angeordnet ist, während das erste wärmesensitive Element in Strömungsrichtung hinter dem Strömungserzeuger angeordnet ist. Auch hier ist unter der Erfassung einer Temperatur nicht notwendigerweise die Bestimmung einer Temperatur in Grad Celsius oder Kelvin zu verstehen. Es kann auch lediglich ein Spannungsabfall über einen Widerstand gemessen werden, der mit einer Temperatur des Widerstands korreliert ist. Dabei ist zu beachten, dass bei sich ändernder Strömungsrichtung auch die Bezeichnung der wärmesensitiven Elemente sich ändert.
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Aus der Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten wärmesensitiven Element kann auf vorteilhafte Weise die Strömungsrichtung des strömenden Gases bestimmt werden. Zudem wird die Genauigkeit verbessert, mit der der Massen- oder Volumenstrom bestimmt wird, da eine Temperatur des Gasstrom gemessen wird, bereits bevor dieser durch die Abwärme des elektrischen Elements bzw. der elektrischen Elemente erwärmt wird. Zudem ist die Vorrichtung vielseitiger einsetzbar, da der Gasstrom – einen entsprechenden Strömungserzeuger vorausgesetzt – in zwei verschiedene Richtungen durch die Vorrichtung strömen und der Massen- oder Volumenstrom für beide Richtungen bestimmt werden kann.
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In eine bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Messkammer und die Mehrzahl von elektrischen Komponenten ein Sensorelement, wobei die Messkammer mit der Zuleitung in Fluidverbindung steht und der Strömungserzeuger derart angeordnet und eingerichtet ist, dass der in Strömungsrichtung strömende Gasstrom auch durch die Messkammer strömt, und wobei das Sensorelement an oder in der Messkammer angeordnet und dazu eingerichtet ist, die Konzentration zumindest eines Gases in dem von dem Strömungserzeuger erzeugten Gasstrom zu messen.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung handelt es sich beispielsweise um ein tragbares bzw. mobiles Gasmessgerät, dessen elektrischer Energiebedarf vollständig von Batterien bzw. Akkumulatoren bereitgestellt wird. Es kann sich aber ebenso gut auch um ein stationäres Gasmessgerät handeln, das dauerhaft an eine Strom- bzw. Spannungsversorgung angeschlossen ist. In jedem Fall umfasst die Vorrichtung eine Messkammer, in die über eine Zuleitung ein Gasstrom bzw. eine Gasströmung geführt wird. Hierzu stehen die Messkammer und die Zuleitung in Fluidverbindung. Sie sind also strömungstechnisch miteinander verbunden. Die Zuleitung weist zumindest eine Öffnung auf, über die sie ein Gas an einem Messort aufnehmen oder aber abgeben kann. Unter einer Messkammer ist nicht notwendiger Weise ein gesonderter Raum zu verstehen, der von der Zuleitung getrennt ist. Die Messkammer kann auch ein Abschnitt der Zuleitung sein, in dem oder an dem das Sensorelement angeordnet ist.
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Das Sensorelement ist in oder an der Messkammer angeordnet und dazu eingerichtet, die Konzentration zumindest eines Gases in dem von dem Strömungserzeuger erzeugten Gasstrom zu messen. Beispielsweise kann das Sensorelement dazu eingerichtet sein, die Konzentration von Kohlenstoffdioxid und/oder Kohlenstoffmonoxid und/oder brennbaren Gasen in dem Gasstrom zumessen. Das Sensorelement kann zum Beispiel von einem Sensor auf Basis elektro-chemischer oder infrarot-optischer Messprinzipien gebildet werden, genauso geeignet sind aber Wärmetönungs- und Halbleitersensoren sowie Bandmessgeräte.
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In einer bevorzugten Ausführungsform handelte sich bei der Vorrichtung um eine Gasmess- und/oder Gaswarneinrichtung.
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Eine alternative bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Gebläsefiltergerät.
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand einer lediglich bevorzugte Ausführungsbeispiele zeigenden Zeichnung erläutert, wobei
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1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überwachung eines Massen- oder Volumenstroms eines Gasstroms als Teil einer Vorrichtung zur Messung einer Konzentration eines Gases in dem Gasstrom zeigt,
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2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überwachung eines Massen- oder Volumenstroms eines Gasstroms als Teil einer Vorrichtung zur Messung einer Konzentration eines Gases in dem Gasstrom zeigt,
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3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überwachung eines Massen- oder Volumenstroms eines Gasstroms als Teil eines Gebläsefiltergeräts zeigt.
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Unter Bezugnahme auf 1 wird schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Überwachung eines Massen- oder Volumenstroms eines Gasstroms, die Teil einer Vorrichtung zur Messung einer Konzentration eines Gases in dem Gasstrom in einer Messkammer 3 ist, mit einer Zuleitung 5 und einer Mehrzahl von elektrischen Komponenten 7, 9, 11, 13 beschrieben. Die Zuleitung 5 steht in Fluidverbindung mit der Messkammer 3. Mit anderen Worten ist die Zuleitung 5 so mit der Messkammer 3 verbunden, dass ein Gasstrom bzw. eine Gasströmung aus der Zuleitung 5 in die Messkammer 3 strömen kann. Die Darstellung in 1 ist lediglich schematisch und erlaubt keinerlei Rückschlüsse auf die relativen Größen der verschiedenen Komponenten der Vorrichtung zueinander und deren räumliche Anordnung und räumliche Ausgestaltung. Insbesondere kann die Messkammer 3 beispielsweise lediglich ein Abschnitt einer Zuleitung 5 sein.
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Die Mehrzahl der elektrischen Komponenten 7, 9, 11, 13 der Vorrichtung umfasst unter anderem einen Strömungserzeuger 7, ein Sensorelement 9, ein erstes wärmesensitives Elemente 11 und eine Datenverarbeitungseinheit 13. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Strömungserzeuger 7 eine Pumpe mit einem Motor. Der Strömungserzeuger 7 erzeugt eine Gasströmung in einer Strömungsrichtung 15 durch die Zuleitung 5 in die Messkammer 3. Dabei ist der Strömungserzeuger 7 in Strömungsrichtung 15 hinter der Messkammer 3 angeordnet und wird im Saugbetrieb betrieben. Die Zuleitung 5 weist eine nicht dargestellte Öffnung auf, mit der ein Gasgemisch von einem Messort angesaugt werden kann.
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Der Motor des Strömungserzeugers 7 ist über einen Vorwiderstand 17 mit einer Strom- bzw. Spannungsquelle 19 verbunden, der den maximalen Strom für den Motor begrenzt. Der Vorwiderstand 17 stellt ein elektrisches Element 17 im Sinne der vorliegenden Erfindung dar, über den zumindest eine der elektrischen Komponenten 7 – hier in Form des Strömungserzeugers 7 – mit Strom versorgt wird. Der Vorwiderstand 17 ist in der Zuleitung 5 derart angeordnet, dass eine Abwärme des Vorwiderstands 17 die durch die Zuleitung 5 strömende Gasströmung erwärmt. Somit wird auf vorteilhafte Weise der Vorwiderstand 17 gekühlt, wozu bei aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen teilweise zusätzliche Maßnahmen notwendig sind.
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Die Strom- bzw. Spannungsquelle 19 kann beispielsweise von einer oder mehreren Batterien oder einem oder mehreren Akkumulatoren gebildet werden, wenn die Vorrichtung 1 eine tragbare bzw. mobile Vorrichtung ist. Genauso gut kann es sich jedoch auch um einen Netzanschluss handeln, der den Strömungserzeuger 7 mit Strom versorgt. In dem in 1 dargestellten Ausführung Beispiel werden auch die übrigen elektrischen Komponenten 9, 11, 13 von der Strom- bzw. Spannungsquelle 19 versorgt. Die hierzu notwendigen Versorgungsleitungen sind aus Übersichtsgründen nicht dargestellt. Ebenso gut ist es auch denkbar, dass eine oder mehrere der übrigen elektrischen Komponenten 9, 11, 13 von einer oder mehreren anderen Strom- bzw. Spannungsquellen versorgt werden.
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Das Sensorelement 9 ist so angeordnet, dass es in der Messkammer 3 die Konzentration zumindest eines Gases in dem von dem Strömungserzeuger 7 erzeugten Gasstrom messen oder bestimmen kann. Grundsätzlich kann das Sensorelement 9 direkt in der Messkammer 3 angeordnet werden. In der schematischen Darstellung in 1 ist der Sensorelement 9 außerhalb der Messkammer 3 angeordnet und misst die Konzentrationen zumindest eines Gases beispielsweise über ein optisches Verfahren, wobei hierzu Strahlung beispielsweise durch ein Fenster in einer Außenwandung der Messkammer 3 in die Messkammer 3 ein- und wieder ausgekoppelt wird.
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In der Zuleitung 5 ist das erste wärmesensitive Element 11 angeordnet. Das erste wärmesensitive Element 11 ist in Strömungsrichtung 15 hinter dem Vorwiderstand 17 angeordnet und dazu eingerichtet, eine Temperatur des von dem elektrischen Element 17 erwärmten Gasstroms zu erfassen. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel bedeutet dies, dass das erste wärmesensitive Element 11 zwischen dem elektrischen Elemente 17 und der Messkammer 3 angeordnet ist. Bei dem ersten wärmesensitiven Element 11 handelt es sich beispielsweise um einen Heißleiter, dessen elektrischer Widerstand sich in Abhängigkeit von der Temperatur des Heißleiters ändert. Das erste wärmesensitive Element 11 ist in dem Ausführungsbeispiel in 1 mit der Datenverarbeitungseinheit 13 verbunden, die den Spannungsabfall über das wärmesensitive Element 11 erfasst und hieraus eine Temperatur des Heißleiters bzw. des wärmesensitiven Elements 11 bestimmt. Ebenso gut könnte es sich bei dem ersten wärmesensitiven Element 11 auch um einen Kaltleiter oder ein Thermoelement handeln. Auch ist es möglich, dass das wärmesensitive Element 11 selbst eine Datenverarbeitungseinheit umfasst und eine Temperatur der Gasströmung in der Zuleitung 5 über eine Datenleitung an die Datenverarbeitungseinheit 13 ausgibt.
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Die Datenverarbeitungseinheit 13 ist über Datenleitungen 21 mit dem Strömungserzeuger 7 und dem Sensorelement 9 verbunden und dazu eingerichtet, aus der von dem ersten wärmesensitiven Element 11 erfassten Temperatur einen Massen- oder Volumenstrom des Gasstroms zu bestimmen. In der beispielhaften Ausführungsform bestimmt die Datenverarbeitungseinheit 13 den tatsächlichen Massen- oder Volumenstrom und gibt diesen beispielsweise über eine nicht dargestellte Anzeigeeinheit aus. Es ist allerdings auch denkbar, dass die Datenverarbeitungseinheit 13 lediglich überprüft, dass ein minimaler Massen- oder Volumenstrom in der Zuleitung 5 nicht unterschritten wird und über eine nicht dargestellte Anzeige- oder Warneinheit einen Alarm ausgibt, wenn der minimale Massen- oder Volumenstrom unterschritten wird.
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Zur Berechnung bzw. zum Abschätzung des Massen- oder Volumenstroms werden die wirksame Heizleistung des elektrischen Elements 17 sowie die Temperatur des Gasstroms vor und nach Kontakt mit dem elektrischen Element 17 benötigt. Um die wirksame Heizleistung des elektrischen Elements 17 zu bestimmten, ist eine Messleitung 18 vorgesehen, mittels der die Datenverarbeitungseinheit 13 einen Spannungsabfall über das elektrische Element 17 bestimmen und daraus auf die wirksame Heizleistung schließen kann. Die Temperaturdifferenz kann durch verschiedene Methoden ermittelt werden. Im einfachsten Fall wird zusätzlich zum ersten wärmesensitiven Element 11 ein zweites wärmesensitives Element 27 verwendet, auf das nachfolgend eingegangen wird. Alternativ ist ein pulsierender Betrieb des Strömungserzeugers 7 und damit auch der Heizleistung des elektrischen Elements 17 möglich. Für kurze Messungen, zum Beispiel im Rahmen einer Freigabemessung, kann auch die Temperatur des ersten wärmesensitiven Elements 11 als ungefähre Referenz verwendet werden. Unter Kenntnis des Querschnitts der Zuleitung 5 und einer Näherung für die Wärmekapazität des Gases kann daraus der Massen- und/oder Volumenstrom berechnet werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 ist vorteilhaft, da zur Erwärmung des Gasstroms in der Zuleitung 5 kein zusätzliches Heizelement benötigt wird, sondern die Abwärme des sowieso notwendigen elektrischen Elements 17 in Form eines Vorwiderstand 17 des Motors des Strömungserzeugers 7 benutzt wird. So wird auf vorteilhafte Weise nicht nur die Anzahl der Bauteile reduziert, die zur Herstellung der Vorrichtung 1 benötigt werden, sondern auch weniger elektrische Energie verbraucht, da kein zusätzliches Heizelement betrieben werden muss. Der geringere Energieverbrauch der Vorrichtung ist nicht nur unter ökologischen Gesichtspunkten vorteilhaft, sondern ermöglicht es zudem, bei mobilen bzw. tragbaren Vorrichtungen, die mit Batterien oder Akkumulatoren betrieben werden, die Betriebszeit zu verlängern. Alternativ können auch leichtere, leistungsschwächere Batterien oder Akkumulatoren verwendet werden, ohne dass die Betriebszeit der Vorrichtung verringert wird. So kann auf vorteilhafte Weise das Gewicht der Vorrichtung verringert werden. Darüber hinaus wird der Vorwiderstand 17 gekühlt, wozu in aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen teilweise zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden müssen.
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In 2 ist eine alternative Ausführungsform einer Vorrichtung 23 zur Überwachung eines Massen- oder Volumenstroms dargestellt, die ebenfalls ein Teil einer Vorrichtung zur Messung einer Konzentration eines Gases in einem Gasstrom ist. Die Vorrichtung 23 weicht nur in einigen wenigen Merkmalen von der Vorrichtung 1, die in der 1 dargestellt ist, ab. Lediglich auf diese Merkmale wird nachfolgend eingegangen. Bezüglich der übrigen Merkmale wird auf die Beschreibung der Vorrichtung 1 aus 1 verwiesen. In 2 werden die gleichen Bezugszeichen wie in 1 verwendet, soweit hiermit die gleichen Elemente bezeichnet werden.
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Die in 2 dargestellte Vorrichtung 23 entspricht den Voraussetzungen der Explosionsschutzklasse „ia”, die auch bei zwei Fehlern eigensicher ist. Hierzu wird der Strom, den der Motor des Strömungserzeugers 7 aus der Strom- bzw. Spannungsquelle 19 entnimmt, über drei Vorwiderstände 25 begrenzt. Diese drei Vorwiderstände 25 sind als elektrische Elemente 25 in der Zuleitung 5 angeordnet und zwar in Strömungsrichtung 15 vor dem ersten wärmesensitiven Element 11. Das erste wärmesensitive Element 11 ist dabei so angeordnet und auch dazu eingerichtet, eine Temperatur der von den drei Vorwiderstände 25 erwärmten Gasströmung zu erfassen. Die Ausgestaltung des ersten wärmesensitiven Elements 11 und die Erfassung der Temperatur durch das erste wärmesensitive Element 11 erfolgt bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel analog zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel.
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Weiterhin umfasst die Vorrichtung 23 ein zweites wärmesensitives Element 27, dass in Strömungsrichtung 15 vor den elektrischen Elementen 25 in der Zuleitung 5 angeordnet ist. In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das zweite wärmesensitive Element 27 auf der von der Messkammer 3 wegweisenden Seite der Vorwiderstände 25, d. h. zwischen einer nicht dargestellten Öffnung zum Ansaugen eines Gases von einem Messort und den elektrischen Elementen 25, in der Zuleitung 5 angeordnet. Mit dem zweiten wärmesensitiven Element 27 kann eine Temperatur der Gasströmung erfasst werden, bevor diese von der Abwärme der elektrischen Elemente 25 erwärmt worden ist. Die Erfassung der Temperatur erfolgt dabei auf die gleiche Weise, wie die Erfassung der Temperatur der Gasströmung mit dem ersten wärmesensitiven Element 11.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 23 weist neben den Vorteilen der Vorrichtung 1 zudem den Vorteil auf, dass der Massen- oder Volumenstrom in der Zuleitung 5 mit einer höheren Genauigkeit bestimmt werden kann, da nicht nur die Temperatur der Gasströmung in Strömungsrichtung 15 hinter den elektrischen Elementen 25 bekannt ist, sondern auch, um welche Temperaturdifferenz die Gasströmung durch die Abwärme der elektrischen Elemente 22 zwischen dem zweiten wärmesensitiven Element 27 und dem ersten wärmesensitiven Element 11 erwärmt worden ist. Zudem kann aus der Temperaturdifferenz zwischen den beiden wärmesensitiven Elementen 11, 27 auch bestimmt werden, in welche Richtung die Gasströmung strömt.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann die Vorrichtung 23 mit zwei verschiedenen Strömungsrichtungen 15, 29 betrieben werden. Hierzu ist eine entsprechend geeigneter Strömungserzeuger 7 notwendig, der sowohl im Pumpbetrieb als auch im Saugbetrieb betrieben werden kann. Alternativ kann eine unbeabsichtigte, fehlerhafte und gegebenenfalls schädliche Rückwärtsströmung erkannt werden. Dabei ist zu beachten, dass je nach Strömungsrichtung 15, 29 die wärmesensitiven Elemente 11, 27 möglicherweise die Rolle tauschen. Bei entsprechender weiterer Strömungsrichtung 29 übernimmt das wärmesensitive Element 27 die Aufgabe des ersten wärmesensitiven Elements, da es in Strömungsrichtung 29 hinter den elektrischen Elementen 25 angeordnet ist, während das wärmesensitive Element 11 die Aufgabe des zweiten wärmesensitiven Elements übernimmt, da es in Strömungsrichtung 29 vor den elektrischen Elementen 25 angeordnet ist. Mit anderen Worten erfasst das wärmesensitive Element 27 eine Temperatur der von der Abwärme der elektrischen Elemente 25 erwärmten Gasströmung, während das wärmesensitive Element 11 eine Temperatur der Gasströmung erfasst, bevor diese von der Abwärme der elektrischen Elemente 25 erwärmt wird.
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Die bevorzugte Ausführungsform weist daher neben den bereits genannten Vorteilen zudem einen besonders hohen Grad an Flexibilität im Einsatz auf, da sie mit verschiedenen Strömungsrichtungen 15, 29 betrieben werden oder Fehlbetrieb erkennen kann.
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In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines Massen- oder Volumenstroms dargestellt, die Teil eines Gebläsefiltergeräts 31 ist. Auch in der schematischen Zeichnung des Gebläsefiltergeräts 31 werden für gleichlautende Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet, wie in den vorausgehenden Zeichnungen. Das Gebläsefiltergerät 31 dient dazu, einen Verwender, der sich in einer Umgebung aufhält, in der die den Verwender umgebende Luft ungesunde Komponenten enthält, mit gefilterter Atemluft zu versorgen. Hierfür weist das Gebläsefiltergerät eine Atemschutzmaske oder einen Atemschutzhelm 33 auf, über den ein Verwender von gesundheitsgefährdeten Komponenten gereinigte Umgebungsluft einatmen kann.
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Der Atemschutzhelm 33 ist über eine Zuleitung 5 mit einer Filtereinheit 35 verbunden. Die Filtereinheit 35 umfasst mehrere elektrische Komponenten 7, 11, 13, 27. Eine der elektrischen Komponenten 7, 11, 13, 27 ist ein Strömungserzeuger 7 in Form eines Gebläses, der Umgebungsluft durch eine Ansaugöffnung 37 ansaugt und in der Zuleitung 5 einen in einer Strömungsrichtung 15 strömenden Gasstrom erzeugt. Da das Gebläsefiltergerät 31 ebenfalls die Explosionsschutzklasse „ia” hat, erfolgt auch hier die Verbindung eines Motors des Strömungserzeugers 7 mit einer Strom- oder Spannungsquelle 19 über drei Vorwiderstände 25, die elektrische Elemente 25 darstellen. Da Gebläsefiltergeräte 31 für gewöhnlich am Verwender getragen werden, handelt es sich bei der Strom- oder Spannungsquelle 19 in der Regel um Akkumulatoren oder Batterien.
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Bevor der Gasstrom in die Zuleitung 5 gelangt, muss er einen Filter 39 passieren, der gesundheitsschädliche Elemente aus der angesaugten Luft herausfiltert. Um sicherzustellen, dass der Filter 39 nicht verstopft ist und ein Verwender ausreichend gereinigte Luft erhält, umfasst das Gebläsefiltergerät 31 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines Volumen- oder Massenstroms des von dem Strömungserzeuger 7 in der Zuleitung 5 erzeugten Gasstroms. Hierzu sind, wie dies bereits aus dem zweiten Ausführungsbeispiel bekannt ist, die drei Vorwiderstände 25 als elektrische Elemente 25 in der Zuleitung 5 angeordnet. Dabei sind die elektrischen Elemente 25 besonders gut thermisch mit dem Gasstrom in der Zuleitung 5 gekoppelt. So werden auf vorteilhafte Weise die den Strom begrenzenden Vorwiderstände 25 gekühlt und der Gasstrom erwärmt, ohne das hierzu gesonderte Heizelemente notwendig werden. Hierdurch sinkt der Stromverbrauch des Gebläsefiltergeräts 31 deutlich und die Betriebszeit steigt bei gleicher Größe der Akkumulatoren bzw. Batterien 19 deutlich an.
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In der Zuleitung sind weiterhin ein erstes und ein zweites wärmesensitives Element 11, 27 angeordnet. Das erste wärmsensitive Element 11 ist in Strömungsrichtung 15 hinter den elektrischen Elementen 25 angeordnet, sodass mit ihm eine Temperatur des von einer Abwärme der elektrischen Elemente 25 erwärmten Gasstroms bestimmt werden kann. Das zweite wärmesensitive Element 27 ist hingegen in Strömungsrichtung 15 vor den elektrischen Elementen 25 angeordnet, sodass mit ihm eine Temperatur des noch nicht von der Abwärme der elektrischen Elemente 25 erwärmten Gasstroms bestimmt werden kann.
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Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Datenverarbeitungseinheit 13, die über Daten- bzw. Messleitungen 18, 21 mit den übrigen elektrischen Komponenten 7, 11, 27 und Elementen 25 der Vorrichtung verbunden ist. Insbesondere ist die Datenverarbeitungseinheit 13 über Messleitungen 18 mit den Vorwiderständen 25 verbunden, über die sie einen Spannungsabfall über die Vorwiderstände 25 und daraus deren wirksame Heizleistung bestimmen kann. Weiterhin ist die Datenverarbeitungseinheit 13 mit den temperatursensitiven Elementen 11, 27 derart verbunden, dass zur Bestimmung eines Volumen- bzw. Massenstroms die an beiden temperatursensitiven Elementen 11, 27 bestimmte Temperatur des Gasstroms bereitsteht. Die Bestimmung des Volumen- bzw. Massenstroms erfolgt auf die bereits für die beiden vorausgehenden Ausführungsbeispiele ausführlich beschriebene Weise.
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Damit ermöglicht es die erfindungsgemäße Vorrichtung auf vorteilhafte Weise, den Volumen- oder Massenstrom in einer Zuleitung 5 eines Atemschutzhelms 33 eines Gebläsefiltergerät 31 und damit den Zustand des Filters 39 zu überwachen. Dabei zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere durch einen niedrigen Stromverbrauch aus.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 3
- Messkammer
- 5
- Zuleitung
- 7
- Strömungserzeuger
- 9
- Sensorelement
- 11
- wärmesensitives Element
- 13
- Datenverarbeitungseinheit
- 15
- Strömungsrichtung
- 17
- elektrisches Element/Vorwiderstand
- 18
- Messleitung
- 19
- Strom- bzw. Spannungsquelle
- 21
- Datenleitung
- 23
- Vorrichtung
- 25
- elektrische Elemente/Vorwiderstände
- 27
- zweites wärmesensitives Element
- 29
- weitere Strömungsrichtung
- 31
- Gebläsefiltergerät
- 33
- Atemschutzhelm
- 35
- Filtereinheit
- 37
- Ansaugöffnung
- 39
- Filter
