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Die
Erfindung betrifft ein kapazitives Meßsystem nach dem Dreielektroden-Messprinzip
mit einem Generator zur Erzeugung eines Anregungssignals und einer
Anzahl von 1 bis N Messsensoren zur Messung jeweils einer in deren
Wirkungsbereich auftretenden Kapazitätsänderung,
sowie mit einer elektronischen Auswertevorrichtung, die eine Schaltungsstruktur
zur Ermittlung der bei einer jeweiligen Messung eines Messsensors
auftretenden absoluten Kapazitätsänderung aufweist.
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Das
3-Elektroden-Messprinzip beruht im Wesentlichen darauf, dass ein
Generator zunächst zwischen zwei unterschiedlichen Bezugspotentialen
ein Wechselsignal einspeist. Zusätzlich wird eine Messelektrode
daraufhin durch ein zu detektierendes Messobjekt unterschiedlich
an das elektrische Feld zwischen den beiden anderen Potentialen
angekoppelt und die hierbei hervorgerufenen Kapazitätsänderungen
werden absolut erfasst.
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Ein
solches 3-Elektroden-Messprinzip, welches einem Fachmann auf diesem
Gebiet an und für sich bekannt ist und daher nachfolgend
im Wesentlichen nicht weiter ausgeführt wird, ermöglicht
bekanntermaßen ferner eine weite räumliche Trennung zwischen
den rein passiven Sensorstrukturen und der Auswerteelektronik. Damit
können die Sensoren bei entsprechender Ausführung
in einem großen Temperaturbereich betrieben werden, bei
einigen Applikationen z. B. bis 800°C.
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Das
Gesamt-Temperaturverhalten eines solchen Messsystems wird letztlich
durch das Temperaturverhalten der Einzelkomponenten und deren Zusammenwirken
bestimmt. Dabei ist es möglich, die Temperaturabhängigkeit
der Elektronik durch entsprechende Schaltungsstrukturen weitestgehend
zu eliminieren. Diesbezüglich wird die
DE 100 27 507 C1 in Bezug
genommen und inhaltlich auch zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden
Erfindung mit einbezogen. So ermöglicht es die dort beschriebene Schaltungsanordnung,
extrem kleine Kapazitätsänderungen zu erfassen.
Die Grenzen der Erfassbarkeit werden bestimmt einerseits u. A. durch
das Eigenrauschen der Wechselspannungsverstärker, und in
weitaus stärkerem Maße jedoch andererseits durch
das Temperaturverhalten der passiven Bauelemente im Sensorbereich.
So sind die wenigstens 2 Elektroden eines Sensors üblicherweise
zwangsläufig durch Isolationswerkstoffe mechanisch miteinander
verbunden und besitzen zumeist noch eine Schutzhülle für
den Einsatz unter Industriebedingungen. Bei räumlicher
Trennung von passiven Sensoren und den elektronischen Komponenten
sind üblicherweise Koaxial- oder Triaxialkabel erforderlich, deren
Isolationswerkstoffe ebenfalls temperaturabhängige Kennwerte
aufweisen. Selbst das für höchste Ansprüche
allgemein in der Elektrotechnik eingesetzte PTFE weist für
die hier zu stellenden Anforderungen zu große Temperaturabhängigkeiten
auf.
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Somit
ist es also nur möglich, mit bestimmten Gestaltungseinschränkungen
solche Messsysteme mit extrem hohen Empfindlichkeiten zu realisieren. Bei
großen Längen wird der Kabeleinfluss immer größer,
bis diese Einflüsse gegenüber den erzielbaren Signalhüben
mit Sensoren geforderter Baugrößen dominieren,
also Messungen letztendlich nicht mehr möglich sind.
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Die
Grenzen eines kapazitiven Meßsystem werden also wesentlich
mit dadurch bestimmt, inwieweit durch große Sensorabmessungen,
kleine Abstände zu den Messobjekten einerseits große
Primärsignale erzeugt werden und durch Begrenzung der Kabellängen
bzw. Reduzierung des Temperatureinsatzbereiches die Störeinflüsse
in tolerierbaren Grenzen gehalten werden können.
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Eine
wesentliche Aufgabe der Erfindung ist, ein kapazitives, das 3-Elektroden-Messprinzip
anwendendes Messsystem mit einer gegenüber dem dargestellten
Stand der Technik nochmals gesteigerten Messempfindlichkeit für
den allgemeinen industriellen Einsatz zu realisieren.
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Eine
erfindungsgemäße Lösung ist bereits durch
einen Gegenstand mit den Merkmalen des anhängenden unabhängigen
Anspruchs gegeben. Vorteilhafte und/oder bevorzugte Ausführungsformen und
Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die
Erfindung eines kapazitives Meßsystem nach dem Dreielektroden-Meßprinzip
mit einem Generator zur Erzeugung eines Anregungssignals und einer
Anzahl von 1 bis N Messsensoren zur Messung jeweils einer in deren
Wirkungsbereich auftretenden Kapazitätsänderung,
sowie mit einer elektronischen Auswertevorrichtung, die eine Schaltungsstruktur
zur Ermittlung der bei einer jeweiligen Messung eines Messsensors
auftretenden absoluten Kapazitätsänderung aufweist,
zeichnet sich somit insbesondere dadurch aus, dass das Messsystem
zusätzlich zu der Anzahl von 1 bis N Messsensoren einen
Referenzsensor umfasst, der in seinem Wirkungsbereich eine unveränderliche
Ankopplung besitzt, wobei alle Sensoren mit jeweils einem Verstärkerkanal
verbunden sind, die zueinander im Wesentlichen identisch sind, und
wobei die Auswerteeinrichtung eine Schaltungseinrichtung umfasst,
die in der Schaltungsstruktur zum Verarbeiten des Ausgangssignals
des Referenz-Verstärkerkanals sowie eines festen Sollwerts angeordnet
ist und ein Stellsignal generiert, welches dem Anregungsgenerator
zur Modulation des Anregungssignals zugeführt wird.
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Hierdurch
können den in Folge von unerwünschten Parameteränderungen
aller passiven und aktiven Komponenten bewirkten Signaländerungen, welche
wiederum zur Generierung des Stellsignals eingesetzt werden, entgegenwirkt
werden. Die führt zu einen insgesamt hochstabilen Messsystem
mit höchster Messempfindlichkeit.
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Wird
also bisher in der Regel eine Kompensation der Temperatureinflüsse
der passiven Sensorelemente einschließlich der Sensorkabel
mit einer punktuell ermittelten Größe, z. B. einer
Temperaturmessung mit einem Thermoelement, durchgeführt, welche
dann keine brauchbaren Ergebnisse liefert, wenn über die
Kabellänge Temperaturgradienten auftreten, kann somit durch
die Erfindung eine exakte Eliminierung von Störeinflüssen
damit erzielt werden, dass eine zu einem bzw. zu mehreren Messsensoren identische
Referenzmessung eingesetzt wird.
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Im
Unterschied zu den Messsensoren, die von der Lage der zu detektierenden
Objekte abhängige Signale liefern, wird der Referenzsensor
fest angekoppelt, d. h. mit einem festen Abstand zu einem Metallteil
installiert. Der Referenzsensor liefert folglich ein konstantes
Signal, das jedoch durch alle störenden Einflüsse
moduliert wird.
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Wenn
somit die Identität der Referenzmessung zu den Messsensoren
gewährleistet ist, wird folglich auch ein Kompensationssignal
höchster Güte gewonnen. Das setzt zweckmäßig
voraus, dass gleiche Sensortypen mit gleicher Kabellänge
verwendet werden und die Kabelführung exakt übereinstimmt. Diese
Forderungen lassen sich in der Praxis meist problemlos realisieren.
Das vom Referenzsensor erzeugte Signal wird dem Istwerteingang eines
Regelverstärkers zugeführt, dem andererseits ein
konstanter Sollwert angelegt wird. Das so gewonnene bzw. generierte
Stellsignal dient dazu, den Generator zur Erzeugung des Anregungsfeldes
zu modulieren. Insbesondere mit der Annahme identischen Aufbaus von
Referenzsensor und Messsensoren, ebensolcher Übereinstimmung
der elektronischen Komponenten wird durch das modulierte Signal
des Anregungsgenerators auf einfache Weise eine völlige Kompensation
aller Störgrößen bewirkt.
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Die
weiteren elektronischen Komponenten lassen sich so konzipieren,
dass die bleibende Regelabweichung. vernachlässigbar klein
wird. Die außerhalb der kompensierten Schaltungsstrukturen
erforderlichen Schaltungsfunktionen, wie z. B. Triggerstufen können
in solchen Signalpegelbereichen arbeiten, dass ideales Verhalten
angenommen werden kann.
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Die
zu kompensierenden Störgrößen haben Änderungsgeschwindigkeiten,
die sich um Größenordnungen von den Änderungsgeschwindigkeiten der
Messaufgaben unterscheiden. Für die Messkanäle
kommt es also zu im Wesentlichen keinerlei Einschränkungen
im Zeitverhalten.
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Die
Erfindung hat sich insbesondere für Sonden mit einem Temperatureinsatzbereich
von ca. –100°C bis ca. +250°C, bei speziellen
Ausführungen sogar bis ca. 800°C als besonders
vorteilhaft bewiesen, wobei die Messungen im Wesentlichen vollständig
unabhängig von Verschmutzungen und Bauform der Sensoren
waren. Die Längen für die Verbindungskabel zwischen
Sensoren und der zugeordneten Elektronik betrugen bis zu 50 m und
darüber hinaus, wobei die Sensorkabel bis auf den Nahbereich der
Elektronik im temperaturexponierten Bereich verlaufen können.
Die dem 3-Elektroden-Messprinzip mögliche Applikationsbreite,
wie Mehrkanalmessungen, Differenzmessungen als auch die freien Gestaltungsmöglichkeiten
für die Sensoren bleiben erhalten und werden folglich von
der Erfindung mit abgedeckt.
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Nachfolgend
wird ein bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand
der beigefügten Figur beschrieben, wobei die
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1 ein
erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
eines Messsystems mit einem Referenzsensor und einer Anzahl von
n Messsensoren zeigt, wobei n eine im wesentlichen beliebige Zahl zwischen
1 und N ist.
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Gemäß Ausführungsbeispiel
nach 1 erzeugt ein Generator 1 eine Wechselgröße
als Anregungssignal für alle dem Messsystem zugeordneten baugleichen
Sensoren 4, 5-1 bis 5-n, wobei n eine
im wesentlichen beliebige Zahl zwischen 1 und N sein kann. Dieses
Anregungssignal wird zwischen einen internen Bezugspunkt 2 und
das Anlagen- bzw. Schutzleiterpotential 3 eingespeist.
Damit entsteht vor den Sensoren 4, 5-1, 5-n ein
elektrisches Feld. Der Sensor 4 ist ein Referenzsensor,
der konstant an das Potential 3 angekoppelt ist. Die Sensoren 5-1 bis 5-n sind
Messsensoren, deren Anzahl für technisch vorstellbare Anwendungen
beliebig groß sein kann und die idealerweise zum Referenzsensor 4 und
untereinander in einem Volumen angeordnet sein müssen,
für das gleiche Temperaturbedingungen herrschen. Die Anzahl
n definiert erfindungsgemäß gleichzeitig auch
die Anzahl n der Messkanäle eines n-kanaliges Messsystem.
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Für
die nachfolgende Beschreibung sei der Einfachheit halber zunächst
angenommen, das n = 2 ist und also das gemäß 1 dargestellte
Messsystem nach der Erfindung ein zweikanaliges Messsystem ist und
somit drei Sensoreinheiten, d. h. einen Referenzsensor 4 und
zwei Messsensoren 5-1 und 5-n integriert, die
identisch aufgebaut sind, bis auf den Unterschied, dass der Referenzsensor 4 eine feste
Ankopplung an das Schutzleiterpotential 3 besitzt und sich
im Wirkungsbereich der Messsensoren 5-1 und 5-n ein
gleichartiges oder auch verschiedenartiges zu detektierendes Messobjekt 6 befindet,
welches jeweils eine veränderliche Ankopplung bewirkt. Die
für das Anregungssignal grundsätzlich zunächst bedeutungslose
Form und Frequenz der Wechselgröße, sind zweckmäßig
an die jeweiligen praktischen Erfordernisse, wie Störabstrahlung,
Verarbeitbarkeit sowie dem dielektrischen Verhalten der Messobjekte 6 angepasst.
Die Wechselgröße kann z. B. eine Wechselspannung
sein.
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Jedem
Messsensor 5-1 bis 5-n ist ein eigener Messkanal
zugeordnet.
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Die
mit den Sensoren 4, 5-1 und 5-n verbundenen
Sensorkabel 16, 16-1 bzw. 16-n sind im
Wesentlichen identisch, vorzugsweise Koaxial- oder Triaxialkabel,
können z. B. bis 50 m lang oder auch länger sein
und sollten so weit wie möglich parallel verlegt werden,
um gleichen Temperatureffekten ausgesetzt zu sein.
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Die
Ausgangssignale aller Sensoren 4, 5-1, 5-n werden
identischen Verstärkerkanälen 7, 8-1 bzw. 8-n zugeführt.
Die Verstärkerkanäle umfassen eine Verstärkereinheit
oder eine Kette von Verstärkereinheiten, und im vorliegendenden
Fall wenigstens eine AC-Verstärkerstufe, einen Gleichrichter
und einer DC-Verstärkerstufe.
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Zur
Anpassung an unterschiedliche Sensorbaugrößen
können diese Verstärkerkanäle mit Beeinflussungsmöglichkeiten
für den Verstärkungsfaktor bzw. auf das Ausgangssignal,
wie z. B. Offsetverschiebung versehen sein. Die dafür erforderlichen Stellgrößen
müssen für alle Verstärkerkanäle
gleich sein, was durch Parallelansteuerung mit einer gemeinsamen
Stellgröße leicht zu realisieren ist. Gemäß 1 ist
eine Parallelansteuerung mittels einer beispielhaften Stellgröße 17 gezeigt.
Für den Fachmann ist ersichtlich, dass die Bereitstellung
einer solchen Stellgröße auf unterschiedlichste
Weise erfolgen kann, so dass hierauf nicht näher eingegangen wird.
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Das
Ausgangssignal 10 der Verstärkerkette des Referenzkanals 7 wäre
somit bei fester Stellgröße 17 sowie
idealen Eigenschaften aller seiner Komponenten konstant, ist in
der Praxis jedoch abhängig von der Gesamtwirkung aller
einzelnen Driftgrößen.
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Gleiches
gilt für das Ausgangssignal 11-1 oder 11-n der
Verstärkerkette des Messkanals 8-1 bzw. 8-n,
allerdings wird hier zusätzlich die Beeinflussung durch
das Messobjekt 6 wirksam.
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Das
Ausgangssignal 10 der Verstärkerkette des Referenzkanals 7 wird
einem Istwerteingang einer Funktionseinheit 12 zur Generierung
eines Stellsignals 9 als Istwert zugeführt, wobei
die Einheit 12 zur Stellgrößengenerierung
zusätzlich über einen Sollwerteingang mit einem
konstanten Sollwert 13 beaufschlagt wird. Es sei darauf
hingewiesen, dass bei entsprechender Anpassung der Schaltung grundsätzlich
auch das Stellsignal 9 zur Bereitstellung der Stellgröße 17 geeignet
sein kann.
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Mittels
der am Eingang der Einheit 12 anliegenden Signale 10 und 13 wird
das Stellsignal 9 generiert und am Ausgang der Einheit 12 bereitgestellt, von
dem aus das Stellsignal 9 wiederum dem Generator 1 zugeführt
wird. Selbstverständlich kann die Einheit 12 auch
eine weitere Signalverstärkungsfunktionalität
besitzen.
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Das
dem Generator 1 zugeführte Stellsignal 9 bewirkt
in Folge eine Modulation des Generatorausgangssignals, mit welcher
wiederum einer Änderung des Ausgangssignals 10 und
also des Istwertes für die Einheit 12 entgegenwirkt
wird.
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Damit
wird ferner erreicht, dass die jeweiligen Ausgangssignale 11-1 bis 11-n der
den Messsensoren 5-1 bis 5-n zugeordneten Verstärkerkanäle zumindest
bei fehlenden verschiedenartigen Messobjekten 6 untereinander
gleich sind und folglich bei fehlenden Messobjekten generell auch
dem Ausgangssignal 10 des Referenzkanals entsprechen, welches
wiederum bei im Wesentlichen idealer Regelung dem Sollwert 13 entspricht.
Mit anderen Worten entsprechen bei idealer Regelung die Ausgangssignale 11-1 bis 11-n dem
Sollwert 13, wenn sich keine Messobjekte 6 im
Wirkungsbereich der Messsensoren 5-1 bis 5-n befinden.
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Die
Gesamtwirkung aller Einzeldriften, z. B. verursacht durch Verschmutzung
oder temperaturbasiert, wird somit eliminiert. Im Wesentlichen werden somit
alle Drifterscheinungen, also insbesondere sowohl der passiven Bestandteile
der Sensoren, der hier nicht explizit dargestellten Kabel- und Steckverbindungen
zwischen Sensor und Elektronik, als auch aller Bestandteile der
Verstärkerketten ausgeregelt. Die einzig verbleibende Größe,
deren Drift nicht ausgeregelt wird, ist der Sollwert 13.
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Durch
vorhandene Messobjekte 6 erzeugen die Messsensoren 5-1 bis 5-n jedoch
einen höheren Primärsignalpegel als der Referenzsensor 4 und
die jeweiligen Ausgangssignale 11-1 bis 11-n werden folglich
größer als der Sollwert 13.
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Durch
gleichzeitiges Zuführung des jeweiligen Ausgangssignals 11-1 oder 11-n des
Messkanals 8-1 bzw. 8-n sowie des Sollwertes 13 zu
einem jeweiligen Differenzverstärker 14-1 bzw. 14-n wird ein
Ausgangssignal 15-1 oder 15-n, beim vorliegenden
Beispiel ein analoges Ausgangssignal, gebildet, das im Wesentlichen
driftfrei ist und nur durch das jeweilige Messobjekt 6 bestimmt
wird.
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Mit
einem Trigger 19-1, 19-n z. B., lässt
sich auf einfachste Weise aus dem Analogsignal 15-1, 15-n ein
Grenzwertsignal 20-1, 20-n bilden.
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Ferner
lässt sich z. B. mit einer bei
1 nicht
dargestellten Weiterbildung das Verhalten der erfindungsgemäßen
Anordnung noch weiter verbessern. Um die Palette der anschließbaren
Sensoren sowie den Wertebereich für den Sollwert
13 sehr groß zu
halten, kann zweckmäßig zusätzlich die Möglichkeit
eines Symmetrieabgleichs vorgesehen sein, mittels welchem Urisymmetrien
aller Kanäle für einen durch die Sensorauswahl
erforderlichen Arbeitspunkt minimiert werden kann. Hierzu können, wie
z. B. in der
deutschen Patentanmeldung
Nr. 10 2007 028 335.2-35 mit Anmeldetag vom 15.06.2007 der
selben Anmelderin beschrieben, alle Ausgangssignale
10,
11-1 bis
11-n einer
Symmetrieerfassungsschaltung
16 zugeführt werden
und die aktuelle Differenz kann über einen Symmetrieindikator,
z. B. in Form eines tolerierbaren Fensters, angezeigt werden. Bei
nicht vorhandenen Messobjekten
6 kann dann bereits mit
Handabgleich dieser Toleranzbereich eingestellt werden. Es wird
angemerkt, dass hauptsächlich wegen der Sensorvariabilität
ein großer Einstellbereich für die Arbeitspunkte
erforderlich sein kann und der Symmetrieabgleich in der Regel also
nur einmalig bei der Inbetriebnahme durchgeführt werden
muss. Der Aussteuerbereich durch Messobjekte
6 ist bei
hochempfindlichen Messungen vernachlässigbar klein und
hat damit keinen nennenswerten Einfluss auf das Symmetrieverhalten mehr.
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Eine
vorteilhafte Ergänzung stellt ferner eine Komparatorschaltung 21 dar,
welche die Signalgröße des Anregungsgenerators 1 mit
einem weiteren Sollwert 19 vergleicht und das Überschreiten
eines vorgegebenen Pegels mittels Indikator 22 signalisiert. Der
Signalpegel des Generators 1 hat in der Regel einen Maximalwert,
der in keiner Betriebssituation überschritten werden darf.
Werden die Arbeitspunkte der Messanordnung im Wesentlichen durch
Sensorgröße, Verstärkungsfaktoren, Sollwertvorgabe
und hier nicht weiter dargestellte weitere Stellmöglichkeiten
bestimmt, ist mit diesem Indikator 22 eine zusätzliche
Kontrolle der ordnungsgemäßen Funktion der Messanordnung
möglich.
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Zur
Erzielung maximaler Empfindlichkeit ist das Arbeiten mit dem größtmöglichem
Generatorpegel sinnvoll, auch dazu liefert der Indikator bei der Justage
des Messsystems eine wertvolle Aussage.
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Liegt
eine Ausführung des erfindungsgemäßen
Messsystems vor, bei welcher lediglich ein Messsensor zum Einsatz
kommt, d. h. n = 1 ist und folglich eine einkanalige anstelle einer
mehrkanaligen Messung durchgeführt wird, kann bei einer
solchen einkanaligen Messung der Referenzsensor und der Messsensor
zweckmäßig auch zu einer kompakten Einheit zusammengefasst
werden. Dazu ist die Referenzelektrode von außen unzugänglich
anzuordnen und wegen der zwangsläufig anderen Geometrie
gegenüber der äußeren Messelektrode insbesondere
in ihrem Temperaturverhalten dieser anzupassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10027507
C1 [0004]
- - DE 102007028335 [0035]