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Die
Erfindung betrifft einen Einbautemperaturfühler für gasförmige und flüssige Medien
mit einem Prozessanschluss zum Einbau in Rohrleitungen, einem elektrischen
Temperatursensor, einem Schutzrohr sowie einem Prüfkanal zur
zeitweiligen Aufnahme eines Prüfthermometers.
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Zu
Mess-, Prüf-
und Überwachungszwecken ist
regelmäßig die
zuverlässige
Erfassung von Temperaturen von in Leitung geführten gasförmigen und flüssigen Medien
erforderlich. Dazu werden an bestimmten Stellen der Leitung Temperatursensoren angeordnet.
Zur Erfüllung
bestehender Verfahrensvorschriften ist die häufige Kontrolle dieser Messstelle
erforderlich. Bei dem erfindungsgemäßen Temperaturfühler handelt
es sich um einen so genannten prozessprüfbaren Temperaturfühler, der
vorzugsweise zur Temperaturbestimmung von in Rohrleitungen fließenden gasförmiger und
flüssigen
Medien mit wechselnden Drücken
und Temperaturen angewendet wird. Derartige Temperaturfühler müssen in
relativ kurzen Zeiten und während
des Prozesses mit hoher Genauigkeit kontrolliert werden. Der erfindungsgemäße Temperaturfühler ist
auch zur Fehlerkorrektur von Temperaturfühlern mit kurzen Einbaulängen geeignet,
bei denen auf Grund des geringen Wärmewiderstandes vom Schutzrohr
und der damit verbundenen, die Temperatur am Sensor verfälschenden Wärmeableitung
besonders große
Fehlermöglichkeiten
bestehen.
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Es
sind verschiedene Temperaturfühler
bekannt, bei denen der Temperaturfühler mit Hilfe eines zusätzlichen
zweiten Fühlers
im eingebauten Zustand kontrolliert werden kann. In Irrgang/Michalowsky: „Temperaturmesspraxis
mit Widerstandsthermometern und Thermoelementen”, s. 266–267, Vulkan Verlag GmbH, 2004
sind prozessprüfbare
Thermometer beschrieben, die einen Prüfkanal enthalten. Die bekannten
Ausführungen
besitzen Schutzrohre mit größerem Durchmesser,
in denen mittig ein freier Innenkanal angeordnet ist. Der Prüfkanal führt durch den
Anschlusssockel hindurch in das Schutzrohr und kann dann von oben
mit einem Kontrollthermometer bestückt werden. Dabei ist es wünschenswert,
dass die Prüfung
im eingebauten Zustand des Thermometers, also während des Prozesses und genau
am Arbeitspunkt der Anlage, erfolgen kann. Ferner soll das zu prüfende Element
möglichst
vom Messkreis nicht getrennt sein, so dass die Prüfung während des
Prozesses erfolgen kann.
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In
dieser Literaturstelle wird auch der Aufbau von Thermometer mit
so genannten Minifixpunktzellen beschrieben. Durch den Einbau der
Miniaturfixpunktzellen im Schutzrohr des Temperaturfühlers, insbesondere
bei Thermoelementen, ergibt sich eine Selbstkalibrierungsmöglichkeit
des Thermoelementes. Die Miniaturfixpunktzellen, deren Maße im Bereich
4 bis 5 mm Außendurchmesser
liegen und ca. 20 mm lang sind, können in die Spitze des Thermoelementes
eingebaut werden. Liegt der verwendete Fixpunkt möglichst
nah an der tatsächlichen
Einsatztemperatur bzw. am Arbeitspunkt, sind auf einfache Weise
hochgenaue Überprüfungen der
Fühlerkennlinie
mit der Miniaturfixpunktzelle möglich.
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Bei
so genannten Hochtemperaturthermoelementen ist es üblich, dass
diese eine Mittelbohrung besitzen, die für Prüfzwecke verwendet werden kann.
Hierzu ist im keramischen Schutzrohr eine Mehrlochkapillare untergebracht,
wobei die Kapillarlöcher
unterschiedlich sind. Im Außenbereich
betragen sie einige Zehntel mm und nehmen die Thermodrähte auf.
Im Innenbereich besitzt die Kapillare ein mehrere Millimeter großes Innenloch.
Durch dieses Innenloch kann dann für Prüfzwecke eine Messkapillare
eingeschoben werden, die an dem Arbeitspunkt, ähnlich dem anderen beschriebenen
Verfahren, des Arbeitsthermometer überprüfen kann.
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In
DE 29 09 692 A1 ist
eine Thermometeranordnung zur Verwendung bei hohen Umgebungsdrücken und
zu einer so weit wie möglich
verzögerungsfreien
Ermittlung von Temperaturänderungen
bekannt, wobei zumindest ein Thermoelement mit weitgehend verzögerungsfreiem
Ansprechen auf Temperaturänderungen;
ein erstes Teilgehäuse
mit einer der Anzahl der Thermoelemente entsprechenden Anzahl von
Längskanälen zur
Aufnahme je eines Thermoelementes, wobei jedes Thermoelement von dem
ihm zugeordneten Längskanal
zumindest auf einem Teil seines Umfangs umschlossen ist und wobei jedes
Thermoelement ein temperaturempfindliches Ende hat, das aus dem
einen Ende des ersten Teilgehäuses
herausragt, um die Temperatur seiner Umgebung aufzunehmen, ohne
durch die Eigentemperatur des Teilgehäuses selbst unzulässig beeinflusst
zu werden; ein zweites Teilgehäuse
mit einer Längsbohrung,
in der das dem temperaturempfindlichen Ende abgekehrte Ende des
ersten Teilgehäuses
gehalten ist und durch die die Thermoelemente hindurchgeführt sind;
eine auch bei hohen Umgebungsdrücken wirksam
dichtende Verbindung zwischen den beiden Teilgehäusen in dem Bereich, in dem
das erste Teilgehäuse
mit seinem einen Ende in der Längsbohrung des
zweiten Teilgehäuses
gehalten ist.
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In
DE 35 21 203 C2 ist
eine Einrichtung zur Temperaturmessung bei Mengenumwertern für Gaszähler bekannt,
welche eine in den Gaszählers
hineinragende, langgestreckte, eine Längsrichtung definierende Tasche,
einen in die Tasche parallel zu der besagten Längsrichtung hineinragenden
und in der Tasche gehalterten Temperaturfühler, der einen Signalleitungsanschluss
aufweist, zur Erzeugung eines Temperaturmesswertes für den Mengenumwerter und
eine in der Tasche enthaltene Kontaktflüssigkeit zur Verbesserung des
Wärmeübergangs
von der Wandung der Tasche auf den Temperaturfühler enthält, wobei der Signalleitungsanschluss
des Temperaturfühlers
gegenüber
der Längsrichtung
abgewinkelt ist und die Tasche neben dem Temperaturfühler eine
sich bis in die Kontaktflüssigkeit
erstreckende Ausdehnung zur wahlweisen Einführung und Aufnahme eines Thermometers
für Eichzwecke
aufweist, das an dem abgewinkelten Signalleitungsanschluss vorbei
parallel zu der Längsrichtung
in die Tasche und mit seinem Fühler
bis in die besagte Kontaktflüssigkeit
einschiebbar ist.
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Nachteilig
bei den bekannten Temperaturfühlern
ist, dass der Messkanal sich immer in der Mitte des Temperaturfühlers befindet.
Auf diese Art und Weise ergeben sich relativ große Außendurchmesser für den Gesamtfühler. Große Außendurchmesser
bedeuten aber hohe Ansprechzeiten.
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Prozessprüfbare Thermoelemente
und Widerstandsthermometer mit Ansprechzeiten im unteren Sekundenbereich
auf prozessprüfbarer
Basis sind bisher nicht bekannt, da diese Fühler Schutzrohrausführungen
erfordern, deren Durchmesser kleiner als 3 mm ist.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Temperaturfühler der
eingangs genannten Art anzugeben, der einfach herzustellen ist, einen
richtungsabhängigen
Einbau erlaubt und eine günstige
Messdynamik aufweist und dessen Kennlinie durch einen zusätzlichen
Kontrollfühler
während des
Prozesses überprüft werden
kann, sowie ein Verfahren anzugeben, das auf einfache Weise als
Kontrolle des eingebauten Fühlers
ermöglicht,
auch dann wenn die für
hochgenaue Messung erforderliche Einbaulänge unterschritten wird.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe mit einem Temperaturfühler,
welcher die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der
Sensor besitzt ein Schutzrohr, das im medienberührenden Vorderteil zu einem
Mehrfachschutzrohr übergeht.
Das Schutzrohr besteht aus einem dickeren Schaftrohr, bei dem im
medienberührenden
Vorderteil mindestens zwei gleichlange, dünne Kanalrohre angeordnet sind.
In einem Kanalrohr befinden sich der als Sensor dienende Messwiderstand
und die zugehörigen
Zuleitungen. Ein zweites Kanalrohr dient als Prüfkanal, das heißt, es ist
als Leerrohr ausgebildet und kann zeitweilig mit einem Prüf- oder
Kontrollthermometer bestückt
werden.
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Neben
einer Zwillingsausführung,
bei der ein Schutzrohrendstück
für den
Messkanal und ein Endstück
für den
Prüfkanal
aus dem Schaftrohr herausragen, sind auch Ausführungen mit drei oder mehr Kanalrohren
bzw. Schutzrohrendstücken
möglich, sodass
der Temperaturfühler
einen Prüfkanal
und mehrere Messkanäle
bzw. auch mehrere Prüfkanäle enthält.
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Um
ein annäherndes
thermisches Gleichverhalten hinsichtlich der Wärmeableitung zu erzielen, ist
es zweckmäßig, für die einsteckbaren
Prüffühler konstruktive
Ausführungen
zu wählen,
die äquivalent zu
denen der fest eingebauten Messfühler
sind, auch wenn die Abmessungen und die Art der Bauteile verschieden
sind.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Temperaturfühler ausrichtbare
Verbindungselemente enthält,
mit denen das Ausrichten der Endstücke zur Strömungsrichtung und das Ausrichten
des Thermometeranschlusskopfes zur Anschlussrichtung ermöglicht wird.
Das Ausrichten wird durch ein um eine in axialer Richtung liegende
Drehachse verstellbares Befestigungssystem ermöglicht. Das Verstellsystem
wird vorteilhaft zweifach ausgeführt,
um nach der Befestigung des Temperaturfühlers am Prozessanschluss sowohl
das Ausrichten der Kanalrohre zur Strömungsrichtung als auch das
Ausrichten der elektrischen Anschlüsse des Anschlusskopfes unabhängig voneinander
zu ermöglichen.
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Die
Erfindung weist eine Reihe von Vorteilen auf. Durch die einzeln,
aus dem Schaftrohr herausgeführten
Messspitzen wird für
die in den Einzelkanälen angeordneten
Messwiderstände
eine hohe Ansprechgeschwindigkeit erzielt. Da diese Messspitzen nur
einige Millimeter aus dem Schaftrohr herausragen, kann der Temperaturfühler auch
bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten
eingesetzt werden. Gleichzeitig ermöglicht das dickwandige Schaftrohr
den Einsatz von verstellbaren Verschraubungen oder Druckverschraubungen
mit Bund und dergleichen, d. h. es kann an diesem Teil des Schutzrohres
hohe mechanische Kräfte
aufnehmen und darüber
hinaus auch hier verschweißt
werden. Bei den bekannten Ausführungen
ist der Prüfkanal
in der Mitte des Schutzrohres angeordnet und weist damit ein anderes
thermisches Verhalten als der seitlich dazu angeordnete Messkanal,
da sich die thermischen Widerstände
vom Außenmantel
zum Prüfkanal
bzw. zum Messkanal unterscheiden.
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Besonders
vorteilhaft ist der Einsatz des Thermometers bei Temperaturmessaufgaben,
die eine kurze Einbaulänge
erfordern. Infolge der kurzen Einbaulänge erfolgt über das
Schutzrohr eine verhältnismäßig große Wärmeableitung
von der Sensormessstelle zum Prozessanschluss, sodass am Sensor
eine gegenüber
der wahren Temperatur des Prozessmediums verringerte Temperatur
anliegt. Dieser Fehler wird auch dann nicht vermieden, wenn das
zu prüfende
Thermometer mit einem Standard-Messverfahren überprüft werden soll, da entweder
eine Mindesteintauchtiefe eingestellt werden muss oder dann nicht
nur das zu überprüfende Thermometer falsch
misst, sondern auch das eingesetzte Thermometer auf Grund der kurzen
Einbaulänge
falsche Werte liefert. Erfindungsgemäß werden die durch die kurze
Einbaulänge
verfälschten
Messwerte zunächst korrigiert,
nachfolgend kann der zu prüfenden
Messkanal ausgemessen werden. Die Fehlerkorrektur kann dabei mit
Elektronikmodulen erfolgen, welche auf die Einbaulängen abgestimmte
Messwerte liefern. Dies kann weiterhin mittels vorprogrammierter Korrekturkurven
erfolgen oder z. B. mittels Mehrsensoranordnungen, bei denen eine
automatische Einbaumessfehlerkorrektur vorgenommen werden kann.
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Die
Erfindung wird im Folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In
den zugehörigen
Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Schnittdarstellung einer Anordnung mit zwei Kanalrohren,
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2 eine
Ausführung
mit verkürztem Messrohr,
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3 eine
verstellbare Verbindung von Hals- und Schutzrohr,
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4 eine
Anordnung mit Kompensation von Messfehlern, welche durch die vom
Schutzrohr verursachte Wärmeableitung
auftreten,
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5 die
Seitenansicht auf eine Ausführung mit
verstellbarer Auf-Schweißverbindung
und Steckeranschluss und
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6 die
Schnittdarstellung einer Ausführung
mit verstellbarer Auf-Schweißverbindung
und Steckeranschluss.
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Die
in 1 dargestellte Anordnung enthält ein Schutzrohr 4,
welches aus einem dickeren Schaftrohr 4.1 besteht, in dem
mindestens zwei dünne
Rohre 4.2 angeordnet sind. In einem Kanalrohr, das als
Messrohr 4.2.2 dient, befinden sich der als Temperatursensor 5.1 dienende
Messwiderstand und die zugehörigen
Zuleitungen. Ein zweites Rohr 4.2 dient als Prüfkanal 4.2.1.
Das Schaftrohr 4.1 ist an seinem oberen Teil mit dem Prozessanschluss 3 verbunden.
An seinem unteren Ende befindet sich gasdicht verschlossenen ein
Boden 4.3, durch den die Endstücke 4.2.1.1 und 4.2.2.1 der
Rohre 4.2 ragen. In einem Endstück 4.2.2.1 befindet
sich der Temperatursensor 5.1 und in das andere Endstück 4.2.1.1 kann
der Prüfwiderstand
eingeführt
werden. Die aus dem gemeinsamen Schaftrohr 4.1 herausragenden
und nebeneinander angeordneten Endstücke 4.2.1.1 und 4.2.2.1 stellen
dünnwandige
Messspitzen dar. Damit ist es möglich,
dass die Gesamtanordnung durch das stabilere Schaftrohr 4.1 einer
hohen Strömungsbelastung
standhalten kann und der Temperatursensor 5.1 sowie der
bei der Überprüfung vorhandene
Prüfsensor 5.3 sich
trotzdem in einem dünnen
Schutzrohrabschnitt mit geringer Wärmeübergangsverzögerung befinden,
so dass ein schnelles Ansprechen der Temperatursensoren 5 erreicht wird.
Neben der hier dargestellten Zwillingsausführung, bei der ein Endstück 4.2.2.1 für den Messkanal und
ein Endstück 4.2.1.1 für den Prüfkanal aus
dem Schaftrohr 4.1 herausragen, sind auch Ausführungen mit
drei oder mehr Kanalrohren möglich,
sodass der Temperaturfühler
einen Prüfkanal
und mehrere Messkanäle
enthält.
Durch den Prozessanschluss 3 hindurch und/oder gegebenenfalls
durch eine im Anschlusskopf 1 angeordnete Elektronik und
durch den Deckel des Anschlusskopfs 1 hindurch kann das Kontrollthermometer
eingeführt
werden.
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Um
das Ausrichten der Rohre 4.2 zur Strömungsrichtung des zu untersuchenden
Prozessmediums zu ermöglichen,
weist das Befestigungssystem eine Verschraubung mit einer Überwurfmutter 3.2 am
Schaftrohr 4.1 auf. Nachdem es in eine gegenüber der
Strömungsrichtung
definierte Einbaulage ausgerichtet wurde, wird die Überwurfmutter
am Gewindeansatz 3.1 des Gehäusegrundteils der Anlage festgezogen.
Das Schaftrohr 4.1 ist bei dieser Ausführung nicht an einem am Thermometeranschlusskopf 1 angeordneten
Messeinsatzflansch befestigt, sondern wird am Unterteil des Prozessanschlussteils 3 mit
einer mittelbaren Schraubverbindung befestigt.
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2 zeigt
eine Ausführung,
bei der das Messrohr 4.2.2 verkürzt ausgeführt ist. In diesem Fall ist
das Messrohr 4.2.2 nur im Bodenbereich des Schutzrohrs 4 angebracht.
Es nimmt nur den Temperatursensor und den sich daran anschließenden Teilbereich
der Anschlussleitung auf. Der übrige
Bereich der der Anschlussleitung verläuft frei im Schutzrohr 4. Diese
Ausführung
ist für
besonders dünne
Drahtführungen
geeignet, weil diese nur mit großem Aufwand in das Messrohr 4.2.2 eingefügt werden
können.
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Eine
Ausführungsmöglichkeit
für den
verstellbaren Einbau des Temperaturfühlers ist in 3 dargestellt.
Hierzu ist am Schutzrohr 4 an seinem prozessanschlussseitigem
Ende ein Flansch 4.1.1 angebracht, der mit einer Überwurfmutter 3.2 am
Gewindeansatz 3.1 befestigt wird, nachdem das Schutzrohr 4 in
die gewünschte
Position gedreht wurde.
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In 4 ist
eine Anordnung dargestellt, bei dem mit in einem Rohr 4.2 mehrere
Einzelsensoren 5.2.1 ... 5.2.4 angeordnet sind,
mit denen die Temperatur gemessen wird. Die zugehörigen einzelnen Messwertsignale
werden über
ein im Anschlusskopf 1 befindliches elektrisches Anschlussteil
nach außen geführt. Bei
dieser Anordnung wird die Temperatur an mehreren Messstellen jeweils
mit den Einzelsensoren 5.2.1 ... 5.2.4 im Schutzrohr 4 des
Thermometers ermittelt. Die an den Einzelsensoren 5.2.1 ... 5.2.4 unterschiedlichen
Wärmeleitcharakteristiken
sind vor der Messung ermittelt worden. Werden nun die Messwerte
einzeln einer – vorzugsweise
im Temperaturfühler
enthaltenen – elektronischen
Auswerteeinheit zugeführt,
dann kann aus den einzelnen Messwerten unter Berücksichtigung der Wärmeübergangs- und/oder Wärmeleitcharakteristik
der wahre Temperaturwert im Medium ermittelt werden. Diese Anordnung
ist besonders für
den Einsatz des Temperaturmessfühlers
bei Temperaturmessaufgaben, die eine kurze Einbaulänge erfordern,
geeignet.
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Die 5 und 6 erläutern ein
weiteres Ausführungsbeispiel.
Der hier dargestellte Temperaturfühler weist als Thermometeranschlusskopf 1 einen
zylindrischen Kopf mit einem Schraubdeckel 1.1 und einem
seitlichen Steckeranschluss 1.2 auf. Als Prozessanschluss 3 ist
ein lösbarer,
totraumfreier Klemm-Flanschanschluss 3.3 vorgesehen. Der Klemmanschluss 3.3 verfügt beispielsweise über einen
aus physiologisch unbedenklichem Kunststoff bestehende Dichtkegel,
der vorzugsweise aus PEEK oder Teflon besteht. Dieser Dichtkegel
wirkt gleichzeitig als thermisch entkoppelndes Element. Im Thermometeranschlusskopf 1 ist
das Schutzrohr 4 mit dem Schaftrohr 4.1 und zwei
Rohren 4.2.1 und 4.2.2 verschweißt. Über dem
ersten Messrohr 4.2.2 ist eine Auswerteelektronik 8 außermittig
angeordnet, deren Ausgänge mit
den Steckerkontakten und deren Eingänge mit dem Temperatursensor 5.1 verbunden sind.
Das erste Messrohr 4.2.2 reicht bis zum Boden des Thermometeranschlusskopfs 1.
Der Prüfkanal 4.2.1 bzw.
das Messrohr 4.2.2 sind länger und reichen bis unter
den Schraubdeckel 1 des Thermometeranschlusskopfs 1.
Die Auswerteelektronik 8 ist mit dem Verguss 7 im
Thermometeranschlusskopf 1 befestigt. Durch Lösen des
Schraubdeckels 1.1 kann ein zusätzliches Prüfthermometers über den
Prüfkanal 4.2.1 eingeführt werden
und damit eine einfache Kontrolle des Temperatursensors 5.1 erfolgen.
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- 1
- Thermometeranschlusskopf
- 1.1
- Schraubdeckel
- 1.2
- Steckeranschluss
am Kopf
- 2
- Halsrohr
- 3
- Prozessanschluss
- 3.1
- Gewindeansatz
- 3.2
- Überwurfmutter
- 3.3
- Lösbarer Klemm-Flanschanschluss
- 4
- Schutzrohr
- 4.1
- Schaftrohr
- 4.1.1
- Flansch/Bund
- 4.2
- Rohr
- 4.2.1
- Prüfkanal
- 4.2.1.1
- Messspitze
1; Endstück
des Prüfrohrs
- 4.2.2
- erstes
Messrohr
- 4.2.2.1
- Messspitze
2, Endstück
des ersten Messrohrs
- 4.2.3
- zweites
Messrohr
- 4.3
- Boden
- 5
- Temperatursensor
- 5.1
- erster
Temperatursensor
- 5.2
- zweiter
Temperatursensor
- 5.2.1
... 5.2.4
- Einzelsensoren
- 5.3
- Prüfsensor
- 6
- Zuleitungen
- 7
- Verguss
- 8
- Auswerteelektronik