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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Mehrpunkt-Messung sowie ein
Verfahren zu deren Herstellung.
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Zur
Messung eines Temperaturgradienten, der bei einem Prozess auftritt,
sind Thermoelemente bekannt, die sich aus mehreren einzelnen Temperatursonden
in einem Rohr zusammensetzen.
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Dies
ist prinzipiell in den 1 und 2 veranschaulicht.
Dabei zeigt 1 einzelne Leiter 11,
die in Matrixstücke 12 eingeführt sind.
Die Matrixstücke 12 mit
den Leitern 11 sind wiederum von einem Mantel umgeben. 2 zeigt
den fertigen Aufbau eines derartigen Thermoelementes 24 mit
mehreren Temperatursonden in einer möglichen Ausführung, wobei
jeweils zwei Leiter 22 eine Temperatursonde bilden. In
der industriellen Fertigung wird dieses Thermoelement 24 in
einem mechanischen Vorgang „gezogen", so dass das Thermoelement 24 insgesamt
einen gewünschten
Durchmesser erreicht, bspw. 3 bis 8 mm, d.h. bei diesem Ziehvorgang
werden Mantel 21, Matrix 23 und Leiter 22 gleichermaßen verdünnt. Je
nach gewünschtem
Einsatz wird sodann das Thermoelement 24 auf die gewünschte Länge „abgelängt".
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Für die Messung
eines Temperaturgradienten müssen
jedoch die einzelnen Sonden bzw. Leitungspaare an unterschiedlichen
Positionen enden, um die Temperatur an mehreren Punkten messen zu können (Mehrpunktmessung
durch Stufenelement).
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Dazu
ist einerseits der so genannte „Bündelaufbau" bekannt. Dieser ist schematisch in 3 dargestellt.
Dabei wird für
jeden Messpunkt (A-C) ein in sich geschlossenes eigenständiges Thermoelement 33, 34, 35 aus
einer mineralisolierten Leitung (MI-Leitung) gebildet. D.h. die
Anzahl der Leiter 22 bei dem in 2 gezeigten
Thermoelement 24 wären
zwei Drähte
je Messstelle, wobei drei Paare sechs Leiter ergeben würden. Mehrere
(entsprechend der Anzahl der gewünschten
Messpunkte) dieser eigenständigen
Thermoelemente (MI-Leitungen) werden sodann gebündelt und enden innerhalb eines gemeinsamen
Schutzrohrs 32 (Mantels) an der jeweiligen Messposition
A, B oder C. Das Schutzrohr 32 kann wiederum mit einer
Kappe 31 abgeschlossen sein.
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Der
Nachteil dieses Rohrbündelaufbaus
für ein
Stufenthermoelement ist jedoch, dass die Konstruktion relativ aufwändig ist
und sich nur schwer in einen Prozess einbringen lässt.
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So
ergeben sich zum Beispiel innerhalb des Rohrbündels schwer vorher bestimmbare
Wärmeübergänge, welche
die Geschwindigkeit der Messung beeinflussen. Außerdem ist die Messung mit
einer Unschärfe
behaftet, weil nicht bestimmt werden kann, ob die am Messpunkt herrschende
Temperatur repräsentativ
für die
Temperatur an dieser Position (bzw. Höhe) ist, oder ob der angezeigte
Messwert nicht durch Wärmeleiteffekte
innerhalb des Bündels hervorgerufen
wird.
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Außerdem erfordert
der Aufbau des Bündels ersichtlich
einen hohen Materialeinsatz.
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Andererseits
ist unter der Marke „Cat
Tracker" der Firma
Daily Instruments ein Thermoelement bekannt, das unter anderem in
den
US-Patentschriften 6,550,963 und
6,599,011 beschrieben ist.
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Unter
erneuter Bezugnahme auf 1 werden hierbei die Thermosonden
bereits beim ursprünglichen
Herstellungsvorgang innerhalb eines Rohres 13 aus jeweils
zwei Thermodrähten 11 gebildet,
und mittels Keramikformkörpern 12 in
das Rohr eingebracht. Dieses Rohr wird mittels eines mechanischen
Verfahrens auf den gewünschten
Querschnitt gebracht, wie es vorstehend beispielhaft beschrieben ist.
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Durch
die Verlängerung
des Rohres verändert
sich jedoch auch die Position der Messstellen im Rohr. Dabei lässt sich
die endgültige
Lage der Messpunkte beim Erreichen des gewünschten Enddurchmessers des
resultierenden Thermoelementes nur sehr ungenau vorhersagen und
kann nachträglich nicht
mehr korrigiert werden.
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Zudem
ist das Herstellungsverfahren nur mit teuren Spezialmaschinen realisierbar.
Die Position der Messstellen muss hierbei vor dem Verformungsprozess
festgelegt werden, wobei die Längung
des Rohres zu berücksichtigen
ist. Die Positionen der tatsächlichen
Messstellen sind von Außen
nicht mehr erkennbar.
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Dies
führt jedoch
zu erheblichen Problemen bei der flexiblen (kurzfristigen) Fertigung
der Thermoelemente, da eine Bevorratung der Messleiter für kommende
Anwendungen unmöglich
ist. Das mineralisolierte Thermoelement kann erst hergestellt werden,
wenn die Lage der Messpunkte für
die spezifische Anwendung bekannt ist. Durch diese aufwändigen Fertigungsschritte
ist damit aber auch automatisch eine lange Durchlaufzeit vom spezifizierten
Produkt bis zum Ende der Fertigung verbunden.
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Als
weiterer Stand der Technik ist beispielsweise die Offenbarung der
Druckschrift
DE 82
35 842 U1 bekannt. Sie zeigt einen Temperaturmesskörper mit
mindestens zwei Thermoelementen in einem gemeinsamen Hüllrohr,
deren Heißlötstellen
einen vorgegebenen Abstand voneinander in Längsrichtung des Hüllrohrs
aufweisen. Dabei ist das Hüllrohr
biegbar, hermetisch dicht und einstückig ausgebildet, und die Thermoelemente
sind blank in einer elektrisch nicht leitenden keramischen Pulvermasse
eingebettet. Außerdem
kann im Bereich der Längsachse
des Hüllrohrs
ein allen Thermoelementen gemeinsamer Schenkel angeordnet sein,
an dessen vorderem Ende sich eine Heißlötstelle befindet und mit dem
in vorgegebenen Abständen
die vorderen Schenkelenden der die anderen Heißlötstellen bildenden Thermoelemente
verschweißt
sind.
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Ferner
beschreibt die Druckschrift
EP
0 332 396 A2 Temperaturfühler mit einer Röhre mit
steifen Wänden,
wobei sich darin feindrahtige Verbindungsleitungen erstrecken, die
durch Perforationen in der steifen Wand jeweils mit Temperaturfühlerübergängen verbunden
sind. Für
zuverlässige
Angaben in Umgebungen mit einem Temperaturgradienten sind Knoten
oder Schleifen in den Verbindungsleitungen in unmittelbarer Umgebung
der jeweiligen Übergänge ausgebildet.
Ansonsten ist die Röhre
mit einem Material mit einer relativ hohen Wärmeleitfähigkeit gefüllt.
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Außerdem wird
in der Druckschrift
GB
2 183 909 A ein mineralisoliertes Temperaturfühlerkabel vorgeschlagen,
bei dem eine Heißverbindung
an einer beliebigen Position zwischen den Enden eines solchen Kabels
durch lokales Entfernen von Hülle und
Mineralisolation unter Freilegung einer begrenzten Länge von
jeweiligen Leitern durch Hartlöten
oder Schweißen
ausgebildet wird. Nach der Verbindung eines positiven Leiters und
eines negativen Leiters auf diese Weise wird die Öffnung durch
feuerfesten Zement unter Wärmeausheilung
eingebettet und darüber
eine Metallmuffe aufgebracht, so dass die Muffe die benachbarten
Teile der Kabelhülse überlappt.
Die Muffe wird sodann mit den benachbarten Teilen der Hülse permanent
elektrisch verbunden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die vorstehend aufgezeigten Probleme im Stand
der Technik zu überwinden.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung
eine Vorrichtung gemäß dem beiliegenden
unabhängigen
Vorrichtungsanspruch bereitgestellt.
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Vorteilhafte
Abwandlungen der ersten Ausgestaltung der Erfindung sind in den
abhängigen
Vorrichtungsansprüchen
angegeben.
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Ferner
wird zur Lösung
der Aufgabe nach einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung ein Verfahren
gemäß dem beiliegenden
unabhängigen
Verfahrensanspruch bereitgestellt.
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Vorteilhafte
Abwandlungen der zweiten Ausgestaltung der Erfindung sind in den
abhängigen
Verfahrensansprüchen
angegeben.
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Die
Bezeichnungen „Hinleiter" und „Rückleiter" sind nicht dazu
gedacht, die Verwendung wie etwa die Stromflussrichtung oder die
Stromart, oder die strukturelle Beschaffenheit der somit bezeichneten
Leiter zu beschränken,
sondern sind vielmehr lediglich zur differenzierenden Bezeichnung
von zwei verschiedenen Leiterelementen eines Temperaturmesskreises
gedacht.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung anhand
der beiliegen Zeichnung näher ersichtlich.
Es zeigen:
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1 die
prinzipielle Konfiguration eines Bündelaufbaus für ein Mehrpunkt-Thermoelement;
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2 eine
Querschnittsanordnung eines bekannten Mehrpunkt-Thermoelementes;
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3 eine
Längsanordnung
eines bekannten Mehrpunkt-Thermoselementes;
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4 eine
Querschnittsanordnung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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5 eine
Längsanordnung
nach einem weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung; und
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6 ein
Anwendungsbeispiel nach noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die
nachstehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand der beiliegenden Zeichnung soll die Ausführung der Erfindung veranschaulichen
und ist nicht dazu gedacht, ein auf die Ausführungsbeispiele beschränktes Verständnis der
Erfindung zu vermitteln.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Mehrpunktmessung ist nachstehend beispielhaft als Thermoelement
bzw. Stufenthermoelement beschrieben.
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Dieses
Thermoelement weist nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung
einen runden Querschnitt auf, so dass zur Bezeichnung des Querschnitts
der Durchmesser herangezogen werden kann. Die Erfindung ist jedoch
nicht auf einen runden Querschnitt beschränkt und je nach Anwendungsfall
sind andere Querschnitte denkbar und bevorzugt.
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Nach
der Erfindung verläuft
im Hinblick auf einen derartigen runden Querschnitt des Thermoelementes
ein Rückleiter
im Wesentlichen zentriert, und eine Vielzahl von Hinleitern verlaufen
diesbezüglich außen in der
Matrix. Die Lage der in der Matrix bezüglich des im Wesentlichen zentriert
verlaufenden Leiters außen
verlaufenden Vielzahl von Leitern kann dann als koaxial bezeichnet
werden.
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Außerdem ist
die Matrix des Thermoelementes vorzugsweise mineralisolierend aufgebaut.
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Wenn
die Matrix so beschaffen ist, dass der Vorrichtung bzw. dem Thermoelement
als ganzes in Bezug auf eine Verarbeitung und Anwendung eine hinreichende
Stabilität
verliehen wird, kann auf einen Mantel verzichtet werden. Andererseits
erhöht
unter denselben Gesichtspunkten die Bereitstellung eines Mantels
die Flexibilität
bei der Auswahl der Materialien für die Matrix. Nachstehend sind
Ausführungsbeispiele
für das
Thermoelement mit Mantel beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht
darauf beschränkt.
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4 zeigt
eine Querschnittsanordnung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Dabei ist die vorstehend beschriebene koaxiale Anordnung dargestellt.
Das Bezugszeichen 41 bezeichnet dabei den Mantel des Thermoelementes,
das Bezugszeichen 42 bezeichnet einen außen in der
Matrix 45 verlaufenden Leiter, der nachstehend auch als Thermoschenkel
bezeichnet ist, während
das Bezugszeichen 44 den im Wesentlichen zentriert in der Matrix
verlaufenden Leiter bezeichnet, der nachstehend auch als Mittelleiter
bezeichnet ist.
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Dabei
kann der Innenleiter 44 aus einem Thermomaterial ausgebildet
sein, das beispielsweise Platin und Rhodium aufweist. Die um den
Mittelleiter gruppierten Thermoschenkel können als Material 43 beispielsweise
Platin aufweisen. Die Anzahl der außen liegenden Leiter 42 ist
beliebig und kann sich somit nach der gewünschten Anzahl an Messpunkten richten,
ebenso kann die genaue Lage der außen liegenden Leiter 42 grundsätzlich frei
zueinander gewählt
werden. Außerdem
sind die Querschnitte der Leiter unterschiedlich ausgeführt. Genauer
ist der Mittelleiter in einem Bereich von 10 bis 30% dicker als
die Außenleiter.
In jedem Fall ist es möglich,
dass durch Anwendung oder Herstellung bedingte bevorzugte Anordnungen
auftreten.
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Die
(bereits vorhandene oder noch auszubildende) Verbindung der außen verlaufenden
Leiter 42 mit dem Mittelleiter 44 ist in 4 durch
einen weißen
Pfeil zwischen den Bezugszeichen 43 und 44 versinnbildlicht.
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4 dient
jedoch auch zur Veranschaulichung eines wichtigen Vorteils. 4 stellt
nämlich auch
den Querschnitt eines Roh-Thermoelementes als Ausgangsmaterial für die Herstellung
eines erfindungsgemäßen Thermoelementes
dar, bei dem die einzelnen Verbindungen zum Mittelleiter 44 noch nicht
ausgebildet sind.
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Ohne
die noch auszubildenden einzelnen Verbindungen zum Mittelleiter 44 kann
nämlich
eine Leitung mit einem Querschnitt gemäß 4 in erforderlicher
Menge bevorratet werden, so dass die Flexibilität der Herstellung im Hinblick
auf kundenspezifische Wünsche
erhöht
wird.
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Im
Einzelnen kann die Leitung mit einem Querschnitt gemäß 4 auf
einen gewünschten Enddurchmesser
gezogen werden. Sodann kann ein Stück dieser Leitung auf die benötigte Gesamtlänge abgelängt werden.
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Danach
erfolgt die Erzeugung der jeweiligen Verbindungen. Dies ist nachstehend
anhand der 5 beschrieben. Zur Bildung der
jeweiligen Messstellen A, B und C wird die gezogene Leitung 53 genau
an der gewünschten
Stelle geöffnet,
beispielsweise durch Fräsen
von Fenstern 521, 522. Das Isolationsmaterial
wird entfernt und der jeweilige außen verlaufende Leiter 58, 59 wird
an der Messstelle A, B oder C getrennt. Aus einem jeweiligen außen verlaufenden
Leiter 58, 59 und dem Mittelleiter 57 wird
sodann der Messpunkt 54, 55, 56 beispielsweise
durch Verschweißen
ausgebildet.
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Somit
beziehen alle Messstellen 54, 55, 56 (Thermospannungen)
sich das gemeinsame Potential des Mittelleiters 57, also
beispielsweise die gemeinsame Masse.
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Die
geöffnete
Leitung 53 wird vorzugsweise wieder mit einem isolierenden
Material aufgefüllt,
beispielsweise einem entsprechenden Pulver.
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Das
somit entstandene Thermoelement weist den Vorteil auf, dass die
Messstellen 54, 55, 56 sich beispielsweise
im Vergleich zu dem bekannten Bündelaufbau
alle an der gleichen Position im Bezug auf den Querschnitt befinden,
nämlich
in der Mitte.
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Zum
Verschließen
der geöffneten
Leitung 53 werden die geöffneten Stellen 521, 522 direkt
mit einem Zusatzmaterial durch Verschweißen wieder dicht verschlossen.
Dabei bleibt der vorherige Außenquerschnitt
(hier: Außendurchmesser)
erhalten.
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Außerdem können auf
die Leitung 53 an den Verbindungsstellen Muffen 52 aufgebracht
werden, wie es in 5 veranschaulicht ist. Das Aufbringen kann
beispielsweise durch Aufschieben und Verschweißen erfolgen. Eine dichte Verbindung
wird sichergestellt, indem geeignete Maßnahmen ergriffen werden, dass
der jeweilige Innenquerschnitt der Muffen 52 dem jeweiligen
Außenquerschnitt
der Leitung 53 entspricht (hier: Muffeninnendurchmesser
gleich Leitungsaußendurchmesser).
Dabei bleibt die jeweilige Position der Messstellen 523, 524 von
außen sichtbar.
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Im Übrigen kann
natürlich
eine der Messstellen (hier: 54) am Ende der Leitung 53 ausgebildet sein,
so dass deren Ausbildung ohne seitliche Öffnung der Leitung 53 sondern
vielmehr durch Bearbeitung „von
vorne" erfolgen
kann. Ein Verschluss der Leitung 53 am vorderen Ende, d.h.
an dem Ende, das dem für
den Anschluss eines Messschaltkreises eingerichteten Ende gegenüberliegt,
ist jedenfalls bevorzugt.
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Dieser
Verschluss kann außerdem
eine Kappe 51 aufweisen. Diese Kappe 51 sowie
die Muffen 52 weisen dann denselben Außenquerschnitt (hier: Außendurchmesser)
auf, um einen weiteren Vorteil zu erzielen.
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Dies
ist nachstehend unter Bezugnahme auf 6 beschrieben.
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Wenn
das Thermoelement 68 so ausgebildet ist, dass die Muffen 67 bzw.
die Kappe direkt an einem Schutzrohr 69 oder einer Wand
anliegt, wird ein gesteigerter Temperatur-selektiver Effekt erreicht, weil
die n der Verbindungsstelle zwischen Muffe bzw. Kappe und Schutzrohr
bzw. Wand herrschende Temperatur direkt an die Messstelle 61 bzw. 62 über die isolierende
Matrix 66 weitergeleitet wird. In den Bereichen ohne Muffe
bzw. Kappe ergibt sich ein Luftspalt, so dass die Temperatur schlechter
an das Thermoelement 68 weitergegeben wird. Somit erfolgt eine
höhere
Selektivität
der Mehrpunktmessung bezüglich
der genauen Temperatur an der Messstelle 61, 62.
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Die
Auswertung der Daten erfolgt sodann, indem die Thermospannungen
an den Leitern 63, 65 getrennt gegen Masse 64 erfasst
werden. Dabei werden verfälschende
Effekte durch die Verwendung der gemeinsamen Masse vorzugsweise
dadurch vermieden, indem Temperatur-Transmitter mit galvanischer Trennung
im Eingangskreis des Messschaltkreises verwendet werden.
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Nach
vorstehender Beschreibung ist ersichtlich, dass eine Vorrichtung
für eine
Mehrpunktmessung bereitgestellt werden kann, die einfach herzustellen
ist, eine Platz sparende Anordnung bietet, und bei der die Position
der Messstellen genau bestimmt werden kann und auch nach der Herstellung
ersichtlich ist. Das Verfahren zeichnet sich durch eine hohe Flexibilität aus, da
ein Roh-Thermoelement bevorratet werden kann, bei dem die Lage der
Messpunkte erst kundenspezifisch während der eigentlichen Herstellung
des Thermoelementes exakt ausgebildet werden. Damit ist eine kurzfristige
kundenspezifische Herstellung möglich.
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So
wird nach vorstehender Beschreibung eine Vorrichtung zur Mehrpunktmessung
bereitgestellt, die eine isolierende Matrix (45), zumindest
einen Rückleiter
(44), und zumindest zwei Hinleiter (42) umfasst.
Dabei ist die Anzahl der Rückleiter
(44) kleiner als die Anzahl der Hinleiter (42),
und für
jeden Rückleiter
(44) sind zwei oder mehr Hinleiter (42) bezogen
auf die Längenausdehnung
der Vorrichtung an einer unterschiedlichen Position (A, B, C) mit
dem jeweiligen Rückleiter
(44) verbunden.
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Während vorstehend
bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben sind,
ist dem Fachmann jedoch klar, dass viele Ausgestaltungen und Abwandlungen
der Erfindung erfolgen können,
ohne von dem durch die nachstehenden Patentansprüche definierten Erfindungsbereich
abzuweichen. Derartige Ausgestaltungen und Abwandlungen sind vielmehr
als von der Erfindung umfasst zu verstehen.