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Ein kernmagnetisches Durchflussmessgerät dient zur Bestimmung des Durchflusses eines durch ein Messrohr strömenden insbesondere mehrphasigen Mediums mit einer Magnetfelderzeugungseinrichtung und mit einer Messeinrichtung, wobei die Magnetfelderzeugungseinrichtung Magnete zur Erzeugung eines das Medium durchsetzenden Magnetfeldes umfasst. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines kernmagnetischen Durchflussmessgerätes.
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Bei kernmagnetischen Durchflussmessgeräten, denen das Messprinzip der Kernspinresonanz zugrunde liegt, werden sehr hohe Anforderungen an die Stabilität und Homogenität des von der Magnetfelderzeugungseinrichtung solcher Durchflussmessgeräte erzeugten Magnetfeldes gestellt. Die Stabilität beschreibt hierbei die zeitliche und die Homogenität die räumliche Konstanz des Magnetfeldes. Zur Verbesserung der Homogenität des erzeugten Magnetfeldes ist bereits bekannt, das primär erzeugte Magnetfeld, was in der Regel von Permanentmagneten erzeugt wird, mit einem zusätzlichen Magnetfeld sogenannter Shim-Magnete zu korrigieren.
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Ein stabiles und homogenes Magnetfeld ist unabdingbar, da bei dem Messprinzip der Kernspinresonanz die Eigenschaft der Präzession von Atomkernen mit einem magnetischen Moment bei Anwesenheit eines makroskopischen Magnetfeldes ausgenutzt wird. Die Frequenz der Präzession wird als Lamorfrequenz ωL bezeichnet und ist dem Betrag der Magnetfeldstärke B proportional. Änderungen des Magnetfeldes resultieren demnach direkt in Änderungen der Lamorfrequenz und führen zu fehlerbehafteten Messungen.
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Ein Faktor, der einen immensen Einfluss auf die Stabilität und Homogenität des angelegten Magnetfeldes hat, ist die Temperatur der das Magnetfeld erzeugenden Magneten. Bereits kleine Änderungen der Magnettemperatur können derartige Veränderungen in dem Magnetfeld bewirken, dass Messungen unbrauchbar werden. In erster Linie hängt die Temperatur der Magnete von der Temperatur der Umgebung um die Magnete ab. Schwankungen in der Temperatur der Umgebung der Magnete resultieren also in Schwankungen der Magnettemperatur und damit in einer Änderung des durch die Magneten erzeugten Magnetfeldes. Bereits Tag-Nacht-Schwankungen und insbesondere auch jahreszeitbedingte Schwankungen haben einen Einfluss auf die Stabilität des Magnetfeldes.
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Aus der
US 2006/0020403 A1 ist ein kernmagnetisches Durchflussmessgerät zur Bestimmung des Durchflusses eines durch ein Messrohr strömenden Mediums mit einer Magnetfelderzeugungseinrichtung und einer Messeinrichtung bekannt, wobei die Magnetfelderzeugungseinrichtung Magnete zur Erzeugung eines das Medium durchsetzenden Magnetfelds aufweist und von einer wärmeisolierenden Vorrichtung umgeben ist. Die
US 2006/0213283 A1 beschäftigt sich mit kernmagnetischen Messverfahren. Aus der
US 2015/0198682 A1 ist ein MRI/PET-Bildgebungssystem mit einem Kryostaten bekannt, wobei im Innenraum des Kryostaten eine supraleitende Magnetbaugruppe mit einem supraleitenden Magneten angeordnet ist. Der Innenraum ist typischerweise mit flüssigen Helium zur Kühlung befüllt und von einem thermischen Schild umgeben. Die
DE 20 2014 101 104 U1 ist mit wärmeisolierenden Ummantelungen für Magnetresonanzvorrichtungen befasst. Aus der
US 3,714,826 ist eine lineare Induktionspumpe mit einem Pumpenrohr für elektrisch leitfähige Medien bekannt, wobei das Pumpenrohr auf seiner Außenseite mit einer Hitze isolierenden Schicht umgeben ist, um einen Temperaturanstieg im Pumpenrohr zu verhindern.
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Eine verbesserte Temperaturstabilität der Magnetfelderzeugungseinrichtung wird dadurch erreicht, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung von einer wärmeisolierenden Vorrichtung umgeben ist. Dadurch wird erreicht, dass die Temperatur des die Magnetfelderzeugungseinrichtung unmittelbar umgebenden Raumes – nämlich die Temperatur innerhalb der wärmeisolierenden Vorrichtung – stabil gehalten werden kann. Eine Beeinflussung durch die Temperatur außerhalb der wärmeisolierenden Vorrichtung kann so verhindert werden. Die Temperatur der äußeren – außerhalb der wärmeisolierenden Vorrichtung – Umgebung hat keinen direkten Einfluss mehr auf die Magnetfelderzeugungseinrichtung, da ein Wärmeaustausch zwischen dem von der wärmeisolierenden Vorrichtung umgebenen Raum und dem außerhalb der wärmeisolierenden Vorrichtung liegenden Raum durch die wärmeisolierende Vorrichtung unterbunden wird.
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Eine Ausgestaltung des kernmagnetischen Durchflussmessgerätes ist dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der wärmeisolierenden Vorrichtung ein Temperatursensor angeordnet ist. Der Temperatursensor dient zur Bestimmung der innerhalb der wärmeisolierenden Vorrichtung herrschenden Temperatur. Der Temperatursensor kann an beliebigen Stellen innerhalb der Vorrichtung angeordnet sein. So ist es zum Beispiel vorgesehen, dass der Temperatursensor unmittelbar an dem Messrohr angeordnet ist. Ebenfalls denkbar ist auch eine Anordnung des Temperatursensors an der wärmeisolierenden Vorrichtung.
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In einer weiteren Ausgestaltung des kernmagnetischen Durchflussmessgerätes ist vorgesehen, dass außerhalb der wärmeisolierenden Vorrichtung ein Temperatursensor angeordnet ist. Mit Hilfe des außerhalb der wärmeisolierenden Vorrichtung angeordneten Temperatursensors wird die Temperatur außerhalb der wärmeisolierenden Vorrichtung bestimmt.
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Eine Ausgestaltung des kernmagnetischen Durchflussmessgerätes ist dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der wärmeisolierenden Vorrichtung ein aktives Heizelement und/oder ein aktives Kühlelement angeordnet ist. Eine andere Ausgestaltung des kernmagnetischen Durchflussmessgerätes sieht vor, dass eine Regelungsvorrichtung vorhanden ist, wobei die Regelungsvorrichtung mit den Temperatursensoren und dem aktiven Heizelement und/oder dem aktiven Kühlelement gekoppelt ist. Mit Hilfe der Regelungsvorrichtung wird die Temperatur innerhalb der wärmeisolierenden Vorrichtung in Abhängigkeit von der Temperatur außerhalb der wärmeisolierenden Vorrichtung geregelt, indem das aktive Heizelement und/oder das aktive Kühlelement aktiviert werden. Mit dem Heizelement wird die Temperatur innerhalb der wärmeisolierenden Vorrichtung erhöht, wohingegen das Kühlelement zur Reduzierung der Temperatur innerhalb der wärmeisolierenden Vorrichtung dient.
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Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Regelungsvorrichtung zu realisieren. Eine Ausgestaltung des kernmagnetischen Durchflussmessgerätes ist dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungsvorrichtung als PI-Regler realisiert ist. Mit dem Anteil des P-Gliedes können in Bezug auf eine Zeitkonstante des Reglers kurzfristige Schwankungen in der Temperatur ausgeglichen werden. Hierunter fallen zum Beispiel Tag-Nacht-Schwankungen. Der Anteil des I-Gliedes wird verwendet, um langfristige Schwankungen in der Temperatur zu kompensieren. Hierunter fallen beispielsweise jahreszeitbedingte Schwankungen in der Temperatur.
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Wie bereits oben ausgeführt, dient die wärmeisolierende Vorrichtung dazu, die Magnetfelderzeugungseinrichtung thermisch zu isolieren, damit Schwankungen in der Temperatur der äußeren Umgebung keinen Einfluss auf die Temperatur der Magnetfelderzeugungseinrichtung haben. Eine Ausgestaltung des Durchflussmessgerätes ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeisolation der wärmeisolierenden Vorrichtung durch eine Isolationsfolie realisiert ist oder dass die wärmeisolierende Vorrichtung mindestens eine Isolationsfolie aufweist.
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Bisher wurde davon gesprochen, dass die Temperatur, die die Magnetfelderzeugungseinrichtung beeinflusst, die Temperatur der Umgebung der Magnetfelderzeugungseinrichtung ist. Insbesondere muss hierbei aber auch berücksichtigt werden, dass die Temperatur des zu vermessenen Mediums einen Einfluss auf die Magnetfelderzeugungseinrichtung haben kann und damit auch unter die Temperatur der Umgebung fällt. Bei kernmagnetischen Durchflussmessgeräten ist es bekannt, die Magnetfelderzeugungseinrichtung um das Messrohr anzuordnen. Die Temperatur des Mediums beeinflusst die Temperatur des Messrohres. Die Temperatur des Messrohres wiederum beeinflusst die Temperatur der Magnetfelderzeugungseinrichtung. Der Einfluss kann entweder direkt bzw. unmittelbar sein, nämlich dann, wenn Messrohr und Magnetfelderzeugungseinrichtung in direktem Kontakt zueinander angeordnet sind, oder aber mittelbar, nämlich dann, wenn Messrohr und Magnetfelderzeugungseinrichtung nicht im direkten Kontakt, sondern beabstandet voneinander angeordnet sind. Fließt durch das Messrohr beispielsweise ein Medium mit einer sehr hohen Temperatur, heizt sich das Messrohr entsprechend auf und gibt die Wärme an die Umgebung ab. Das resultiert in einer höheren Umgebungstemperatur, die wiederum die Temperatur der Magnetfelderzeugungseinrichtung beeinflusst. Eine Ausgestaltung des kernmagnetischen Durchflussmessgerätes ist dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeisolierende Vorrichtung eine wärmeisolierende Messrohrbeschichtung umfasst. Dadurch wird erreicht, dass das Medium im Bereich der wärmeisolierenden Vorrichtung thermisch von dem Innenraum der wärmeisolierenden Vorrichtung, in dem sich die Magnetfelderzeugungseinrichtung befindet, entkoppelt ist. Eine wärmeisolierende Messrohrbeschichtung kann beispielsweise außen an dem Messrohr vorgesehen sein. Eine andere Realisierung sieht vor, das Messrohr von innen zu beschichten. Bei einer weiteren Realisierung ist vorgesehen, das Messrohr im Bereich der wärmeisolierenden Vorrichtung aus einem wärmeisolierenden Material zu fertigen.
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Einleitend ist bereits erwähnt worden, dass zur Verbesserung der Homogenität des von den Magneten erzeugten Magnetfeldes sogenannte Shim-Magnete verwendet werden, die ihrerseits ein weiteres Magnetfeld, das sogenannte Shim-Feld, erzeugen, das dem primären Magnetfeld überlagert wird. Solche Shim-Magnete sind in der Regel Permanentmagnete, deren Magnetfeld ebenfalls temperaturabhängig ist. In einer Ausgestaltung des Durchflussmessgerätes ist vorgesehen, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung Shim-Magnete zur Erzeugung eines Shim-Feldes zur Homogenisierung des Magnetfeldes umfasst. Die Shim-Magnete werden ebenfalls von der wärmeisolierenden Vorrichtung umgeben, so dass eine Beeinflussung des Shim-Feldes durch eine Temperatur außerhalb der wärmeisolierenden Vorrichtung ebenfalls unterbunden ist.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines kernmagnetischen Durchflussmessgerätes, wobei das Durchflussmessgerät eine Magnetfelderzeugungseinrichtung und eine Messeinrichtung umfasst, die insbesondere die oben angeführten Ausgestaltungen aufweisen kann. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur (T2) außerhalb einer die Magnetfelderzeugungseinrichtung umgebenden wärmeisolierenden Vorrichtung über ein erstes Zeitintervall (Δt1) gemessen wird, dass eine maximale Temperatur (T2max) der gemessenen Temperatur (T2) innerhalb eines zweiten Zeitintervalls (Δt2 ≤ Δt1) bestimmt wird, dass eine Temperatur (T1) innerhalb der wärmeisolierenden Vorrichtung auf einen von einer vorgebbaren Differenztemperatur ΔT abhängigen Regelwert (T2max + ΔT) geregelt wird, dass die Temperatur (T2) über ein drittes Zeitintervall (Δtaktuell) gemessen wird, dass die maximale Temperatur (T2max,aktuell) innerhalb des dritten Zeitintervalls ermittelt wird, dass die maximale Temperatur (T2max,aktuell) innerhalb des dritten Zeitintervalls mit der maximalen Temperatur (T2max) innerhalb des zweiten Zeitintervalls verglichen wird, dass bei einer Abweichung der miteinander verglichenen Temperaturen um eine Temperatur größer einem vorgegebenen Grenzwert die maximale Temperatur (T2max,aktuell) als neue maximale Temperatur (T2max,neu) adaptiert wird und dass die Temperatur (T1) innerhalb der wärmeisolierenden Vorrichtung auf einen neuen Regelwert (T2max,neu + ΔT) geregelt wird.
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Das zweite Zeitintervall Δt2 liegt dabei innerhalb des ersten Zeitintervalls Δt1 und ist daher kleiner oder gleich diesem Zeitintervall: Δt2 ≤ Δt1.
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Das Verfahren besteht mit anderen Worten in folgendem Ablauf:
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Die Außentemperatur um die wärmeisolierende Vorrichtung herum wird innerhalb eines ersten Zeitintervalls gemessen. Innerhalb eines zweiten Zeitintervalls innerhalb des ersten Zeitintervalls, das auch das erste Zeitintervall vollständig umfassen kann, wird die größte, also maximale gemessene Temperatur ermittelt. Ausgehend von dieser maximalen Außentemperatur wird die Temperatur innerhalb der wärmeisolierenden Vorrichtung auf einen Regelwert geregelt, der sich aus der maximalen Temperatur und einer vorgebbaren Differenztemperatur ergibt. Die Differenztemperatur ist gleichsam eine Art von Offset, die angibt, um welchen Wert sich die Innentemperatur von der Außentemperatur unterscheiden soll.
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In einem folgenden Schritt wird wieder die Außentemperatur um die wärmeisolierende Vorrichtung herum und zwar während eines dritten Zeitintervalls gemessen und es wird ebenfalls die maximale gemessene Temperatur ermittelt. Umfasst beispielsweise das erste Zeitintervall ein ganzes Jahr, so beschränkt sich das dritte Zeitintervall auf eine Jahreszeit, z. B. den Frühling, der oft milder und freundlicher als ein heißer Sommer oder bitterkalter Winter ist.
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Sodann werden die maximalen Temperaturen aus dem ersten und dem dritten Zeitintervall miteinander verglichen. Ist die Abweichung zwischen den beiden Maximaltemperaturen oberhalb eines vorgegebenen Grenzwerts, so wird im Folgenden die Regelung der Innentemperatur mit dem maximalen Temperaturwert des dritten Zeitintervalls vorgenommen, indem der Regelwert für die Innentemperatur sich aus dem maximalen und damit auch aktuellen maximalen Temperaturwert des dritten Zeitintervalls und der Differenztemperatur ergibt.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird erreicht, dass die Temperatur innerhalb der wärmeisolierenden Vorrichtung höher ist – nämlich um den Wert der Differenztemperatur – als die maximale außerhalb der wärmeisolierenden Vorrichtung in dem vorbestimmten Zeitintervall herrschende Temperatur. Die Temperatur innerhalb der wärmeisolierenden Vorrichtung wird also erfindungsgemäß auf einen Wert geregelt, der oberhalb der Maximaltemperatur der äußeren Umgebung liegt. Dadurch wird erreicht, dass Schwankungen in der Temperatur außerhalb der wärmeisolierenden Vorrichtung keinen Einfluss haben auf eine Temperatur innerhalb der Vorrichtung. Die Temperatur innerhalb der Vorrichtung hat also einen fest einstellbaren Wert, wodurch die Temperatur der Magnetfelderzeugungseinrichtung ebenfalls keinen ungewollten Schwankungen unterliegt. Das Verfahren sieht weiter vor, dass die Temperatur außerhalb der wärmeisolierenden Vorrichtung in einem weiteren, dritten Zeitintervall bestimmt wird und bei Abweichungen der maximalen Temperatur in dem dritten Zeitintervall über einen vorgegebenen Grenzwert von der maximalen Temperatur in dem zweiten Zeitintervall die Temperatur innerhalb der wärmeisolierenden Vorrichtung auf einen neuen Regelwert geregelt wird, der um eine vorgegebene Differenztemperatur oberhalb der neuen Maximaltemperatur liegt. Erfindungsgemäß wird so erreicht, dass eine "Nachregelung" der innerhalb der wärmeisolierenden Vorrichtung herrschenden Temperatur möglich ist. Insbesondere ist so auch möglich zu überprüfen, ob der Temperaturwert innerhalb der Vorrichtung stets oberhalb des Temperaturwerts außerhalb liegt. Des Weiteren wird so ermöglicht, eine "unnötige" Energiezufuhr zu vermeiden: Sinkt die Temperatur außerhalb der wärmeisolierenden Vorrichtung, so kann ebenfalls die Temperatur innerhalb der Vorrichtung um einen bestimmten Wert herabgesetzt werden, um eine unnötig große Temperaturdifferenz zu vermeiden.
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Erfindungsgemäß ist eine besondere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an die Temperaturregulation eine kernmagnetische Messung durchgeführt wird, und dass bei der Auswertung der kernmagnetischen Messung weitere systembedingt auftretende Fehler berücksichtigt werden, wobei systembedingte Fehler auf einer Änderung des Magnetfeldes beruhen.
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Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, das kernmagnetische Durchflussmessgerät und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines kernmagnetischen Durchflussmessgerätes auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen auf den dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentanspruch sowie auf die Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines kernmagnetischen Durchflussmessgerätes.
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In 1 sind die wesentlichen Elemente eines Ausführungsbeispiels des kernmagnetischen Durchflussmessgerätes 1 dargestellt. Das kernmagnetische Durchflussmessgerät 1 weist ein Messrohr 2 auf, durch das ein Medium, vorzugsweise ein mehrphasiges Medium, strömt, dessen Durchfluss bestimmt werden soll. Das kernmagnetische Durchflussmessgerät 1 weist eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 3 zur Erzeugung eines das Medium durchsetzenden Magnetfeldes auf. Zur Erzeugung des Magnetfeldes werden Magnete 4 verwendet. Ebenfalls umfasst die Magnetfelderzeugungseinrichtung 3 Shim-Magnete 7, die ein Shim-Feld erzeugen. Dieses Shim-Feld wird dem durch die Magnete 4 erzeugten Magnetfeld überlagert und dient zur Homogenisierung des Magnetfeldes. Dargestellt sind schematisch zwei Shim-Magnete 7 innerhalb der Magnetfelderzeugungseinrichtung 3. Das kernmagnetische Durchflussmessgerät 1 umfasst ferner eine Messeinrichtung 5, die hier schematisch als spulenförmig ausgebildete Antenne dargestellt ist.
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Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 3 ist von einer wärmeisolierenden Vorrichtung 6 umgeben. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Wärmeisolierung der wärmeisolierenden Vorrichtung 6 durch eine Isolationsfolie 13 realisiert. Die Isolationsfolie 13 kleidet in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Innenwand der wärmeisolierenden Vorrichtung 6 aus.
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Innerhalb der wärmeisolierenden Vorrichtung 6 ist ein Temperatursensor 8 angeordnet, mit dem die Temperatur T1 innerhalb der wärmeisolierenden Vorrichtung ermittelt wird. Ein weiterer Temperatursensor 9 ist außerhalb der wärmeisolierenden Vorrichtung 6 angeordnet und dient zur Ermittlung der Temperatur T2 außerhalb der wärmeisolierenden Vorrichtung 6. Dargestellt ist, dass der Temperatursensor 9 auf der Außenwand der wärmeisolierenden Vorrichtung 6 angeordnet ist. Das kernmagnetische Durchflussmessgerät 1 ist jedoch nicht auf diese Anordnung beschränkt, vielmehr kann der Temperatursensor 9 an beliebiger Stelle außerhalb der wärmeisolierenden Vorrichtung 6 vorgesehen sein.
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Innerhalb der wärmeisolierenden Vorrichtung 6 sind ferner ein aktives Heizelement 10 und ein aktives Kühlelement 11 angeordnet. Eine Regelungsvorrichtung 12 ist mit den Temperatursensoren 8, 9 und dem aktiven Heizelement 10 und dem aktiven Kühlelement 11 verbunden. Die Verbindung kann hierbei direkt sein, oder mittelbar durch eine Funkverbindung realisiert sein. Bei einer Funkverbindung ist die Isolationsschicht 13 derart ausgestaltet, dass sie durchlässig für elektromagnetische Strahlung ist. Mit Hilfe der Regelungsvorrichtung 12 kann die Temperatur T1 innerhalb der wärmeisolierenden Vorrichtung 6 in Abhängigkeit von der Temperatur T2 außerhalb der wärmeisolierenden Vorrichtung 6 geregelt werden.
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Um zu vermeiden, dass die Temperatur des durch das Messrohr 2 strömenden Mediums einen Einfluss auf die Temperatur T1 innerhalb der wärmeisolierenden Vorrichtung hat, ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel im Bereich der wärmeisolierenden Vorrichtung 6 eine wärmeisolierenden Messrohrbeschichtung 14 vorgesehen.
