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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung
des Staubmassenanteils bei Feststofffeuerungen.
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Bei
Feststofffeuerungen hat der Gesetzgeber vorgeschrieben, dass eine
Staubmengengrenze von 150 mg/m3 nicht überschritten
werden darf. Im Rahmen von Abgasanalysen bei Feststofffeuerungen ist
daher auch der Staubmengenanteil des Abgases regelmäßig
zu bestimmen. Dies erfolgt mittels einer Filterhülse, deren
Leermasse in einem deutschen Zentrallabor bestimmt wurde. Für
die Abgasmessung an Feststofffeuerungen sind derartige Filterhülsen
an einen mit der Messung betrauten Schornsteinfeger zu versenden,
der erst dann die Messungen vornehmen kann. Anschließend
sind die mit Staubpartikeln beaufschlagten Hülsen in das
Labor für eine zweite Massenbestimmung und die Differenzbildung
zur Leermasse zurückzuschicken. Von dem Labor werden dann
die Ergebnisse dem Schornsteinfeger mitgeteilt. Hieraus ergibt sich
eine Zeitverzögerung von durchaus mehreren Wochen.
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Die
Grenzwerte für den Staubanteil werden ab 2015 darüber
hinaus drastisch auf nur noch 20 mg/m3 gesenkt.
Derartig geringe Mengen sind jedoch mit den bislang üblichen
Verfahren nicht mit ausreichender Genauigkeit bestimmbar.
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Als
nachteilig bei optischen Systemen zur Bestimmung einer Staubmenge
in einem Abgas ist grundsätzlich die unterschiedliche Beschaffenheit der
Staubpartikel anzusehen und damit auch deren Reflektionsverhalten,
so dass insbesondere bei der Vermessung geringster Staubmengen dies
auf optischem Wege grundsätzlich als nicht unproblematisch erscheint.
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Auch
das Wägen sehr kleiner Massen bzw. Mengen außerhalb
eines Labors ist nicht einfach. Dennoch bieten sich eine Vielzahl
hochpräziser Waagen hierfür an. Als nachteilig
bei solchen Präzisionsinstrumenten ist deren technischer
Aufwand und die hieraus resultierenden Kosten anzusehen.
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Eine
Alternative zu herkömmlichen Waagen zeigt die
DE 2 553 638 C2 auf. Dort
ist eine Vorrichtung erläutert, die ein elastisches Element
in Form eines hohlen Rohres aufweist, das sich ausgehend von einem
eingespannten ersten Ende hin zu einem zweiten, freien Ende verjüngt.
Das freie Ende des Rohrs ist aufgeweitet und trägt eine
plattformartige Unterlage für ein zu verwiegendes Gut.
Aus der Änderung der Resonanzfrequenz des schwingfähigen Rohres
in einem belasteten und in einem durch das zu verwiegende Gut belasteten
Zustand kann auf die Masse des zu verwiegenden Guts geschlossen
werden. Ein exaktes Wägen einer Probe erscheint mit dieser
Vorrichtung möglich, jedoch ist diese bekannte Vorrichtung
grundsätzlich für eine Abgasanalyse einer Feststofffeuerung
ungeeignet.
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Vor
diesem technischen Hintergrund macht die Erfindung es sich zur Aufgabe,
ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Bestimmung der
Staubmenge in dem Abgas einer Feststofffeuerung zur Verfügung
zu stellen, mit denen sehr schnell und sehr exakt Abgasanalysen
von Feststofffeuerungen durchführbar sind.
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Gelöst
wird diese technische Problematik gemäß des Anspruches
1 durch ein Verfahren, bei dem darauf abgestellt ist, dass eine
vorbestimmte Menge des Abgases ein schwingungsfähiges Röhrchen
durchströmt, so dass sich auf einer Filtervorrichtung innerhalb
des Röhrchen eine Staubmenge ablagert, dass das Röhrchen
in eine Schwingung versetzt wird und dass aus der Abweichung von
der vorbestimmten Resonanz- und/oder einer Eigenfrequenz des Röhrchens
eine Auswertevorrichtung die Staubmenge berechnet.
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Das
Verfahren nach der Erfindung bietet eine Reihe von Vorteilen. So
ist es ermöglicht, auch kleinste Staubmengen sicher zu
verwägen. Dabei ist die Vorgehensweise bei einer Abgasuntersuchung einer
Festfeuerstelle vergleichsweise einfach. Es wird dabei davon ausgegangen,
dass eine Resonanz- und/oder eine Eigenfrequenz des Röhrchens in
einem unbelasteten Zustand bekannt ist, beispielsweise durch eine
vorangegangene Vermessung, Schwingungsvergleiche vor und nach der
Abgasanalyse oder dergleichen mehr. Das Röhrchen wird dann von
einer vorbestimmte Menge des Abgases durchströmt, beispielsweise
mittels einer gesondert ausgebildeten, abgesetzten, volumetrisch
exakt arbeitende Pumpe, an der dann das Gas für weitere,
bspw. chemische Analysen zur Verfügung steht oder mittels
einer der Analysevorrichtung unmittelbar zugeordneten Pumpe, durch
die die Vorrichtung nach der Erfindung unabhängig von bspw.
bereits vorhanden Analysegeräten einsetzbar ist.
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Ist
eine vorgegebene Menge des Abgases durch das Röhrchen geströmt,
wird das Röhrchen für die Bestimmung der Menge
des in der Filtervorrichtung aufgefangenen Staubes in eine Schwingung versetzt.
Dann kann aus der Abweichung von der vorbestimmten Resonanz- und/oder
Eigenfrequenz des Röhrchens eine Auswertevorrichtung die
aufgefangene Staubmenge berechnen und mit einer entsprechenden Anzeigevorrichtung
anzeigen und/oder die Daten in einem Speicher für ein späteres
Auslesen ablegen.
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Bevorzugt
wird allerdings, dass bereits während der Durchströmung
des Röhrchens eine kontinuierliche Vermessung des Massezuwachses
der sich ablagernden Staubmenge erfolgt. Da eine Abgasanalyse vor
Ort durchaus ca. 15 Minuten andauert, kann so bei einer Überschreitung
der Grenzwerte der Staubmenge die Analyse sofort abgebrochen und
erheblich Zeit eingespart werden.
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Da
Abgase von Feststofffeuerungen regelmäßig sehr
hohe Temperaturen aufweisen, wird bevorzugt während des
Messvorgangs eine Temperaturkompensation in die Berechnung einfließen,
wie auch eine Druckkompensation, so dass das Schwingungsverhalten
auch bei sich ändernden Parametern der Umgebung sicher
erfasst wird.
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Für
das Erregen des Röhrchens sowie die Bestimmung der Resonanz-
und/oder einer Eigenfrequenz bieten sich eine Vielzahl von an sich
bekannten Möglichkeiten an. So kann die Schwingungserregung
elektromagnetisch erfolgen oder mechanisch, beispielsweise mittels
eines Excenterschwingers. Die Schwingungserregung wird die Wahl
der Erfassung der Schwingung in dem durch die Staubmenge belasteten
Zustand zumeist vorgeben, beispielsweise durch die Änderungen
des Stroms bzw. der Impedanz in einem elektrischen Schwingkreis
oder dergleichen mehr.
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Die
Erregung des Röhrchens kann durch einen Einzelimpuls erfolgen,
gleichsam durch einen einzigen Stoss, der das Röhrchen
in eine gedämpfte Schwingung versetzt, oder durch eine
Folge von Einzelimpulsen, durch die es ermöglicht ist,
mit geringem Energieaufwand auch vergleichsweise träge Röhrchen
in eine Schwingung zu versetzen.
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Alternativ
kann das Röhrchen auch eine erzwungene Schwingung ausführen.
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Entsprechend
diesen Vorgaben wird dann auch die Auswertung der Änderung
des Schwingungsverhaltens erfolgen.
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Insbesondere
zur Durchführung des eingangs erläuterten Verfahrens
wird ferner eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, die
die Bestimmung der Staubmenge in dem Abgas einer Feststofffeuerung
sehr exakt und schnell erlaubt. Gemäß des Anspruchs
7 wird dabei darauf abgestellt, dass ein schwingfähiges,
mit einer Filtervorrichtung versehenes, von dem Abgas durchströmbares
Röhrchen einerends eingespannt ist, dass benachbart dem
Ort der Einspannung ein Erreger angeschlossen ist, dass ein Aufnehmer
für die Bestimmung der Frequenz der Schwingung des Röhrchens
vorgesehen ist und dass eine Auswertevorrichtung aus der Abweichung
von der vorbestimmten Resonanz- und/oder eine Eigenfrequenz des
Röhrchens eine in der Filtervorrichtung aufgefangene Staubmenge
berechnet.
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Das
Röhrchen von gleich bleibenden äußeren
und inneren Querschnitten, bevorzugt aus einem Edelstahl, beispielsweise
einem V2A Stahl, sollte einen ausreichenden Innendurchmesser aufweisen,
so dass es gut durchströmt wird, auch wenn Staubpartikel
sich auf der in dem Röhrchen angeordneten Filtervorrichtung
absetzen.
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Die
Abmessungen sind dabei wenig kritisch. In einem Versuch haben sich
Röhrchen der Durchmesser von 4 mm bis 6 mm bei einer Länge
der Röhrchens von ca. 40 mm bewährt. Dabei werden
die Abmessungen allerdings bevorzugt so gewählt, dass eine
Resonanzschwingung bei einem Wert von 400 Herz liegt.
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Die
Filtervorrichtung ist selbst nicht kritisch, muss jedoch den entsprechenden
Anforderungen einer Staubabscheidung genügen und einen
entsprechenden Gitterabstand aufweisen. Es kann sich dabei um einen
PTFE-Filter handeln oder, vergleichsweise einfach, um in das Röhrchen
gestopfte Quarzwatte. Letzteres bedeutet allerdings nach jedem Wechsel
der Quarzwatte eine neue Bestimmung der Resonanz- bzw. der Eigenfrequenzen
des Röhrchens.
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Als
Erreger für die Schwingung des Röhrchens können
mechanische oder elektromechanische Vorrichtungen Verwendung finden.
Insbesondere kann ein magnetisches Wechselfeld angelegt werden,
das das Röhrchen in eine erzwungene Schwingung versetzt.
Alternativ kann das Röhrchen auch durch einen einzelnen
Stoss einmalig erregt oder durch eine Folge von Impulsen, gleichsam
in einem Paket, in Schwingung versetzt werden, was mechanisch beispielsweise
mittels eines Excenters oder elektromagnetisch, mittels einer stromdurchflossenen
Spule mit beweglichen Kern, erfolgen kann.
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Abhängig
von der Art der Erregung und der ausgeführten Schwingung
bieten sich durch Impedanz- bzw. Strommessungen oder dergleichen
guten Möglichkeiten, das Schwingungsverhalten des Röhrchens
zu erfassen, wenn es mit einer Staubprobe beaufschlagt wurde.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung nach der Erfindung
ist während der Messung ein einerends das Röhrchen
gasdicht umschließendes oder einfassendes Gehäuse
vorgesehen. Ein solches Gehäuse kann den Erreger und ggfls.
den Aufnehmer vor den schädlichen Umwelteinflüssen des
Abgases einer Feststofffeuerstelle schützen. Innerhalb
des Gehäuses kann darüber hinaus ein Temperatur-
und/oder ein Drucksensor angeordnet werden, so dass eine Kompensation
von Umgebungseinflüssen bei der Berechnung der Staubmenge durch
die Auswertevorrichtung erfolgen kann.
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Bei
einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen,
dass das Gehäuse evakuierbar ist. Es endet dann das Röhrchen
frei innerhalb desselben und kann andernends, an dem eingespannten Ende,
ein Schlauchanschluß vorgesehen sein. Ein dort angesetzter,
bspw. metallener Schlauch endet in dem Abgas, so dass die Vorrichtung
selbst nicht in dieses eingebracht werden muß. Ferner kann
insbesondere bei dieser Ausführungsform bereits während des
Durchströmens des Röhrchens eine kontinuierliche
Bestimmung der ausgefilterten Staubmenge erfolgen.
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Alternativ
kann an das Gehäuse eine Handhabe angeschlossen sein, die
auch dem Einbringen der Vorrichtung in das Abgas einer Feststofffeuerstelle
dienen kann. Entsprechend temperaturbeständig sollte dann
eine solche Handhabe auch ausgebildet sein. Insbesondere wird hierbei
an einen elastischen Stab, eine Schlauchleitung oder dergleichen
gedacht, in der auch eine elektrische Verkabelung erfolgen kann,
die dann zu einer abgesetzten Auswertevorrichtung führt.
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Das
Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung werden anhand der
Zeichnungen näher erläutert, in der lediglich
ein Ausführungsbeispiel schematisch und nicht maßstabsgerecht
dargestellt ist.
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Die
Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert,
in der lediglich schematisch Ausführungsbeispiele dargestellt
sind. In der Zeichnung zeigt:
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1:
ein erstes und
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2:
ein zweites Ausführungsbeispiel.
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Die 1 der
Zeichnung zeigt eine erste Sensoranordnung 1 einer Vorrichtung
nach der Erfindung, die der Staubmessung in dem Abgas einer Feststofffeuerung
dient. Auffälligstes Bauteil dieser Sensoranordnung 1 ist
ein Röhrchen 2, das an einem freien Ende 3 eine
hier leicht abgeschrägte Eintrittsöffnung 4 für
den Eintritt eines Abgases einer Feststofffeuerung aufweist, angedeutet
durch den darüber liegenden Pfeil. Am anderen Ende 5 ist
das Röhrchen 2 fest eingespannt, hier in der Zeichnung
durch zwei Backen 6, 7 lediglich angedeutet.
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Innerhalb
des Röhrchens 2, vorzugsweise hin zu dem freien
Ende 3, ist eine Filtervorrichtung 8 vorgesehen,
beispielsweise in Form eines PTFE-Filters oder in Form eingebrachter
Quarzwatte.
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In
der Filtervorrichtung 8 wird sich von dem Abgas mitgeführter
Staub ablagern, so dass sich das Gesamtgewicht des Röhrchens 2 und
damit seine Resonanz- und/oder eine Eigenfrequenz gegenüber einem
unbeaufschlagten Zustand verändern wird.
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Ist
von einer an das Röhrchen 2 angeschlossenen Pumpe 9 mit
hier radialem Austritt für das Abgas gem. Pfeil eine vorbestimmte
Menge von Abgas durch das Röhrchen 2 gepumpt worden,
oder ist die vorbestimmte Menge durch einen Durchflussmengenzähler
bestimmt worden, ist der eigentliche Messvorgang beendet und wird
für die Bestimmung der aufgefangenen Staubmenge das Röhrchen 2 von
einem Erreger 10, hier beispielhaft durch eine Spule 11 mit
verschiebbaren Kern 12, in Schwingung versetzt, beispielsweise
durch einen Einzelimpuls oder es wird dem Stab 2 eine Schwingung
aufgezwungen. Hierzu ist bei dem Ausführungsbeispiel der
Kern 12 mit dem Röhrchen 2 fest gekoppelt.
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Aus
der Änderung des Schwingungsverhaltens gegenüber
dem in einem unbelasteten Zustand, ohne Staubbeaufschlagung der
Filtervorrichtung 8, kann dann von einer lediglich angedeuteten
Auswertevorrichtung 13 die in der Filtervorrichtung 8 abgefangene
Staubmenge berechnet werden und auf einer Anzeigevorrichtung 14 beispielsweise
angezeigt und geeignet abgespeichert werden oder dergleichen mehr.
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Ein
Aufnehmer für die Schwingung des Röhrchens 2 mit
der staubbeaufschlagter Filtervorrichtung 8 kann gleichfalls
wieder durch eine Spule 11 mit Kern 12 ausgebildet
werden, alternativ durch einen Messaufnehmer für das elektrische
Verhalten des hierdurch ausgebildeten elektrischen Schwingkreises.
Impedanz- bzw. Strommessungen bieten sich hierbei an.
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Die
Abmessungen des Röhrchens 2, sein Material und
die Anordnung der Filtervorrichtung 8 innerhalb des Röhrchens 2 sind
wenig kritisch. Bevorzugt wird ein Röhrchen aus einem Metall,
insbesondere aus einem V2A Stahl, der gegenüber dem Abgas
einer Festfeuerstelle sehr standfest ist. Durch die Höhe
der Filtervorrichtung 8 über den das Ende 5 festlegenden
Backen 6, 7 wird die Änderung des Schwingungsverhaltes
bzw. die Resonanz- und/oder Eigenfrequenz des Röhrchens 2 mitbestimmt.
Diese sollte bevorzugt bei etwa 400 Hertz liegen. Hierbei ist allerdings
der Frequenzbereich, in dem weitgehend exakte Messungen vorgenommen
werden können, vergleichsweise groß, von einigen
10 Hertz bis in den Kilohertzbereich.
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Weiter
haben sowohl die Länge des Röhrchens 2,
beispielsweise etwa 40 mm, sowie Außen- bzw. Innendurchmesser
und die hieraus resultierende Wandstärke Einfluß auf
das Schwingungsverhalten. Der Innendurchmesser sollte ausreichend
für eine gute Durchströmung bemessen sein, beispielsweise
zwischen 4 mm und 6 mm liegen.
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Die
Sensoranordnung 1 wird von einem Gehäuse 15 während
der Messung gasdicht umschlossen. Damit ist der Erreger 10 sowie
der Ort der Einspannung durch die Backen 6, 7 gegenüber
Umwelteinflüssen abgeschottet. Darüber hinaus
kann innerhalb des Gehäuses 15 ein Temperatursensor 16 und/oder
ein Drucksensor 17 angeordnet sein, so dass sich Änderungen
der Umgebung leicht erfassen und durch die Auswertevorrichtung 13 kompensieren lassen.
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Die
elektrische Verschaltung mittels lediglich angedeuteten Leitungen 18 des
Temperatur- bzw. Drucksensors 16, 17, des Erregers 10 und
ggfls. auch eines elektrischen Aufnehmers für das Schwingungsverhalten
des Stabes 2 kann über eine Handhabe 19 erfolgen,
beispielsweise einen Fieberglasstab, eine Schlauchleitung oder dergleichen
mehr. Dabei kann noch daran gedacht sein, die Handgabe 19 in
Längsrichtung des Röhrchens 2 anzuschließen oder
in einem rechten Winkel, wobei durch ein geeignet ausgebildetes
Gelenk auch beide Möglichkeiten offen stehen, in der Zeichnung
strichpunktiert angedeutet.
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Infolgedessen
ist ein Einbringen der Sensoranordnung 1 durch eine kleine
Revisionsöffnung eines Abgaskanals einer Feststofffeuerung
problemlos möglich und kann danach die Sensoranordnung 1 gegen
die Strömung verschwenkt werden.
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Die
Sensoranordnung 21 gem. 2 entspricht
in dem mechanischen Aufbau weitgehend dem des ersten Ausführungsbeispiels.
Ein Röhrchen 22 weist ein freies Ende 23 mit
einer Austrittsöffnung 24 auf, angedeutet durch
den darüber befindlichen Pfeil, und ist an dem anderen
Ende 25 von Backen 26, 27 eingespannt
gehalten.
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Zum
freien Ende 23 des Röhrchens 22 hin ist wiederum
eine Filtervorrichtung 28 vorgesehen, während
zum fest eingespannten Ende 25 hin wieder ein elektromagnetischer
Erreger 29 angeordnet ist. Entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel
sind noch ein Temperatursensor 30, ein Drucksensor 31 und
eine lediglich angedeutete Auswertevorrichtung 32 vorgesehen.
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Die
Sensoranordnung 21 ist von einem Gehäuse 33 gasdicht
abgeschlossen. Wird das Gehäuse 33 mittels einer
Pumpe, nicht dargestellt, evakuiert, wird das Röhrchen 22 von
einem Abgas durchströmt, wozu dieses an dem festgelegten
Ende 25 über einen Schlauchanschluss 34 verfügt,
beispielsweise in Form eines Schraub-, Steck- oder Kupplungsanschlusses
für einen vorzugsweise metallenen Schlauch 35,
der andernends in das Abgas einbringbar ist.
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Die
Ausführungsform gem. 2 der Vorrichtung
nach der Erfindung eignet sich insbesondere für ein kontinuierliches
Vermessen einer Staubablagerung an der Filtervorrichtung 28.
Stellt sich im Laufe des Messvorgangs heraus, dass die vorgegebenen
Grenzwerte bereits überschritten wurden, kann der Messvorgang
sofort abgebrochen werden. Eine Auswertung nach einem Messvorgang,
der durchaus 15 min. andauern kann, ist damit vermieden.
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- 1
- Sensoranordnung
- 2
- Röhrchen
- 3
- freies
Ende
- 4
- Eintrittsöffnung
- 5
- Ende
- 6
- Backen
- 7
- Backen
- 8
- Filtervorrichtung
- 9
- Pumpe
- 10
- Erreger
- 11
- Spule
- 12
- Kern
- 13
- Auswertevorrichtung
- 14
- Anzeigevorrichtung
- 15
- Gehäuse
- 16
- Temperatursensor
- 17
- Drucksensor
- 18
- Leitung
- 19
- Handhabe
- 20
-
- 21
- Sensoranordnung
- 22
- Röhrchen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006039670
A1 [0004]
- - DE 102005009582 A1 [0004]
- - DE 69627922 T2 [0004]
- - DE 2553638 C2 [0007]