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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung einer Temperaturverteilung
in einem Strömungsfeld
unter Verwendung einer Substanz mit temperaturabhängiger Farbe
sowie auf eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Temperaturverteilung
in einem Strömungsfeld
mit einer Substanz mit temperaturabhängiger Farbe.
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STAND DER TECHNIK
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Aus
T. DETERS, S. GLIEMANN: Particle-Image-Velocimetry unter Einsatz
von thermochromen Flüssigkeiten.
Fachtagung: Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik, 06.–08. September 2005,
Technische Universität
Cottbus, ist ein Verfahren zur Bestimmung einer Temperaturverteilung
in einem Strömungsfeld
unter Verwendung einer Substanz mit temperaturabhängiger Farbe
bekannt, bei dem einer Flüssigkeit
thermochrome Flüssigkristalle mit
einer Teilchengröße von etwa
50 μm zugesetzt werden.
Mit Hilfe der Flüssigkristalle
werden Geschwindigkeiten in der Flüssigkeit bestimmt, indem doppelt
belichtete Aufnahmen solcher Flüssigkristalle
gemacht werden, die sich in einem Lichtschnitt durch die Flüssigkeit
befinden. Die Ableitung von Geschwindigkeiten aus solchen doppelt
belichteten Aufnahmen ist als Particle-Image-Velocimetry (PIV) bekannt. Zusätzlich werden
bei dem bekannten Verfahren Temperaturen in der Flüssigkeit
erfasst, indem die Flüssigkristalle
mit weißem
Licht belichtet werden. Je nach Temperatur reflektieren die Flüssigkristalle
selektiv unterschiedliche Wellenlängen des einfallenden Lichts,
so dass die Farbe der Flüssigkristalle
in einer Aufnahme des reflektierten Lichts die Temperatur der Flüssigkristalle
angibt. Dieses bekannte Verfahren ist für Strömungsfelder in Gasen wenig
geeignet, da die thermochromen Flüssigkristalle mit der Teilchengröße von etwa
50 μm solchen
Gasströmungen
nicht zu folgen vermögen,
sondern darin aufgrund der einwirkenden Schwerkraft absinken. Zudem
bestünde
bei der Anwendung des bekannten Verfahrens auf Gasströmungen die
Gefahr einer Inhalation der Flüssigkristalle,
wenn beispielsweise die Temperaturverteilung eines Strömungsfelds
durch einen Raum erfasst werden soll, in dem sich auch Personen
aufhalten. Selbst wenn sich aktuell keine Personen in dem Raum aufhalten,
wird der Raum selbst durch die Flüssigkristalle kontaminiert.
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Aus
ASHFORTH-FROST, SHIRLEY: Quantitative thermal imaging using liquid
crystals. Journal of Biomedical Optics 1(1), 18–27 (Januar 1996) ist es bekannt,
eine Temperaturverteilung an einer Oberfläche zu erfassen, indem die
Oberfläche
mit einer Schicht aus Flüssigkristallen
beschichtet und mit weißem
Licht beleuchtet wird. In einer Abbildung der Oberfläche zeigen
die Flüssigkristalle
aufgrund ihres temperaturabhängigen
Reflektionsverhaltens eine temperaturabhängige Farbe. Dieses bekannte
Verfahren ermöglicht
es nicht, die Temperaturverteilung über ein Strömungsfeld hinweg zu erfassen.
Die mit den Flüssigkristallen
beschichtete Oberfläche
kann ein solches Strömungsfeld
allenfalls begrenzen.
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Flüssigkristalle
sind kommerziell für
verschiedene Anwendungen von der Firma Hallchrest, Vereinigtes Königreich,
erhältlich.
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Bekanntermaßen weisen
thermochrome Flüssigkristalle,
die aufgrund ihrer englischen Bezeichnung Thermochromic Liquid Crystals
auch als "TLC" bezeichnet werden,
die folgenden optischen Eigenschaften auf:
- 1.
Sie sind optisch doppelbrechend.
- 2. Sie sind optisch aktiv und drehen die Polarisationsrichtung
einfallenden Lichts um mehrere 1000° pro Millimeter Schichtdicke.
- 3. Sie weisen Zirkulardichroismus auf.
- 4. Einfallendes Licht wird, ähnlich
wie bei der Bragg-Reflektion, wellenlängenselektiv reflektiert.
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Dabei
beruht die wellenlängenselektive
Reflektion auf der Änderung
des Ebenenabstands der chiralnematischen Phase mit der Temperatur.
Konkret nimmt der Ebenenabstand mit steigender Temperatur ab, da
die Drehung der Vorzugsrichtung aufeinander folgender Ebenen zunimmt.
Als Folge verschiebt sich das Maximum des reflektierten Lichts zu kleineren
Wellenlängen.
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Aus
der
DE 85 35 863 U1 ist
eine Mischwasserarmatur bekannt, bei der die Temperatur des durch
einen Auslauf strömenden
Wassers durch Mengenänderung
des Zulaufs von Kalt- oder
Warmwasser über
einen Mischhebel oder über
Griffe geregelt und diese Temperatur durch eine Temperaturanzeigeeinrichtung
angezeigt wird. Als Temperaturanzeigeeinrichtung ist eine Flüssigkristallfolie
an dem Auslauf angebracht, die die aktuelle Temperatur mit bei der
jeweiligen Temperatur lesbaren Ziffern anzeigt. Derartige Thermometer
auf der Basis von Flüssigkristallfolie
sind auch zur Erfassung der Temperatur von Weinflaschen bekannt.
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Aus
der
DE 697 36 275
T2 ist eine spießförmige Temperatursonde
bekannt, die an der Spitze einen mit einem Diacethylen-Polymer beschichteten Bereich
aufweist. Dieses Diacethylen-Polymer weist eine Übergangstemperatur im Bereich
von 250° bis 300°C auf, bei
der sich eine sichtbare Farbänderung von
blau nach rot ergibt. Indem die Temperatursonde in eine Flüssigkeit
oder in eine verformbare Substanz, wie beispielsweise ein Nahrungsmittel
eingebracht wird, kann nach dem Wiederherausziehen der Sonde ermittelt
werden, ob an dem abgetasteten Ort eine bestimmte Temperatur überschritten
wurde, weil dann der Farbumschlag erfolgt ist, oder nicht.
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Grundsätzlich ist
es möglich,
die Temperaturverteilung in einem Strömungsfeld durch Abtasten des
Strömungsfelds
mit einer punktförmigen,
das Strömungsfeld
möglichst
unbeeinflusst lassenden Sonde in Form eines Thermoelements zu erfassen. Diese
Vorgehensweise ist jedoch extrem zeitintensiv und verlangt daher
eine über
einen langen Zeitraum konstante Temperaturverteilung in dem Strömungsfeld,
damit diese überhaupt
insgesamt erfasst werden kann. Zudem ist das Verfahren der Sonde
innerhalb des Strömungsfelds
aufwändig.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Bestimmung einer Temperaturverteilung in einem Strömungsfeld aufzuzeigen,
die auch in mit Personen besetzten Räumen, wie beispielsweise Flugzeugen,
Zügen, Kraftfahrzeugen,
Büros,
und bei sich zeitlich ändernden
Temperaturverteilungen einsetzbar sind.
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LÖSUNG
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen
des unabhängigen
Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs
11 gelöst. Bevorzugte
Ausführungsform
des neuen Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis
10 beschrieben, während
die abhängigen
Patentansprüche
12 bis 20 bevorzugte Ausführungsformen
der neuen Vorrichtung betreffen.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei
dem neuen Verfahren wird die Substanz mit der temperaturabhängigen Farbe
auf Stäbe
aufgebracht, die in dem Strömungsfeld
angeordnet werden. Dabei wird davon ausgegangen, dass das Strömungsfeld
bzw. seine Temperaturverteilung durch die Stäbe auch dann nicht entscheidend
gestört
wird, wenn die Stäbe
beispielsweise über
einen Querschnitt des Strömungsfelds
so dicht verteilt angeordnet sind, dass sie die Temperaturverteilung über diesen
Querschnitt mit der notwendigen Ortsauflösung erfassen. Dazu können die
Stäbe vergleichsweise dünn ausgebildet
werden, und sie müssen
auch nicht in einer einzigen Ebene orthogonal zu der Hauptströmungsrichtung
des Strömungsfelds
liegen, sondern sie können
in dieser Richtung zueinander versetzt angeordnet sein. Eine gleichmäßige Erfassung
der Temperaturverteilung wird aber dadurch erleichtert, dass die
Stäbe parallel
zueinander angeordnet werden.
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Sie
können
auch ein Gitter ausbilden, das heißt, die Stäbe können in zwei Gruppen mit orthogonalen
Grundorientierungen aufgeteilt sein. Auch bei einem Gitter können die
einzelnen Stäbe
aber versetzt zueinander angeordnet sein.
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Besonders
bevorzugt ist es bei dem neuen Verfahren, wenn verschiedene Substanzen
mit verschiedenen Temperaturabhängigkeiten
ihrer Farben auf unterschiedliche Umfangsbereiche der Stäbe aufgebracht
werden und wenn die Stäbe
verdreht werden, um die unterschiedlichen Umfangsbereiche wechselweise
einer Kamera zuzuwenden. Grundsätzlich
können
die unterschiedlichen Umfangsbereiche auch gleichzeitig von mehreren
Kameras erfasst werden.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn die Substanz auf den Stäben mit einer Farbkamera beobachtet
wird, um den Hue-Wert (Farbton) der temperaturabhängigen Farbe
der Substanz zu ermitteln, um daraus auf die Temperatur am jeweiligen
Ort der Substanz zu schließen.
Durch eine ausreichend dünne Schicht
der Substanz auf dem jeweiligen Stab und durch einen thermisch isolierenden
Untergrund, insbesondere ein thermisch isolierendes Material des jeweiligen
Stabs selbst, kann die Ansprechzeit der Substanz bzw. ihrer temperaturabhängigen Farbe gegenüber Temperaturänderungen
kurz gehalten werden. In jedem Fall ist es möglich, die Ansprechzeit auf
das Niveau von üblichen
Thermoelementen zu begrenzen.
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Eine
Kalibrierung der Hue-Werte, die mit der Farbkamera erfasst werden,
hinsichtlich konkreter Temperaturen kann dadurch bewirkt werden,
dass Bereiche der Substanz, die sich auf unterschiedlichen Temperaturen
befinden, gleichzeitig mit der Farbkamera beobachtet und bezüglich ihrer
Temperatur mit einem oder mehreren Thermoelementen überwacht
werden. Dabei kann ein einzelnes Thermoelement ausreichend sein,
wenn der von diesem abgedeckte Bereich der Substanz durch eine Heizung
auf unterschiedliche Temperaturen gebracht werden kann.
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Als
Substanz mit temperaturabhängiger
Farbe kommen insbesondere thermochrome Flüssigkristalle in Frage. Diese
thermochromen Flüssigkristalle
können
in einer Trägermatrix
direkt auf die jeweiligen Stäbe
aufgetragen werden oder in Form einer kommerziell verfügbaren Folie
auf die Stäbe
aufgeklebt werden. Thermochrome Flüssigkristalle weisen ihre höchste Temperaturempfindlichkeit
typischerweise nur über
einen Bereich weniger K auf. Daher ist es besonders vorteilhaft,
wenn verschiedene thermochrome Flüssigkristalle mit verschiedenen
Temperaturabhängigkeiten
auf unterschiedlichen Umfangsbereichen der Stäbe aufgebracht werden, wobei jeweils
ein Umfangsbereich der jeweiligen Kamera zugekehrt wird, der für den dortigen
Temperaturbereich besonders empfindlich ist.
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Wenn
die thermochromen Flüssigkristalle
in Form einer Folie auf die Stäbe
aufgegeben werden, kann mit der Folie ein aerodynamisches Profil
der Stäbe
ausgebildet werden. So können
die Stäbe
auf möglichst
geringen Strömungswiderstand
hin optimiert werden. Die Erfassung der Temperaturverteilung über das
jeweilige Strömungsfeld
setzt nicht voraus, dass die Stäbe
eine ihrer Anströmung
entgegen gekehrte größere Stirnfläche aufweisen.
Es kann beispielsweise auch ihre Farbe an einer in Strömungsrichtung
verlaufenden Fläche
beobachtet werden.
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Die
neue Vorrichtung zur Bestimmung einer Temperaturverteilung in einem
Strömungsfeld
mit einer Substanz mit temperaturabhängiger Farbe weist die Substanz
auf Stäben
auf, die in dem Strömungsfeld
anzuordnen sind. Die weiteren Details der neuen Vorrichtung sind
bereits im Zusammenhang mit dem neuen Verfahren beschrieben worden.
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Mit
der neuen Vorrichtung wird ein makroskopisches Objekt in das jeweilige
Strömungsfeld
eingebracht. Bei hinreichend filigraner Ausbildung der Stäbe und Optimierung
deren aerodynamischen Profils wird das Strömungsfeld dennoch nicht entscheidend
verändert.
Insbesondere erfolgt aber keine Kontamination des Strömungsfelds
mit einer Gefahr, dass beispielsweise dem Strömungsfeld zugesetzte Partikel
von Personen, sie sich in demselben Raum befinden, inhaliert werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Figuren näher
erläutert
und beschrieben.
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1 zeigt
den prinzipiellen Aufbau einer neuen Vorrichtung zur Bestimmung
einer Temperaturverteilung in einem Strömungsfeld.
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2 zeigt
den Querschnitt eines der Stäbe der
Vorrichtung gemäß 1.
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3 zeigt
einen alternativen Querschnitt eines Stabs für die Vorrichtung gemäß 1.
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4 zeigt
noch einen weiteren alternativen Querschnitt für einen Stab der Vorrichtung
gemäß 1.
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5 zeigt
eine Vorderansicht einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung
gemäß 1;
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6 zeigt
eine Anordnung zur Kalibrierung der neuen Vorrichtung; und
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7 zeigt
einen weiteren alternativen Querschnitt eines Stabs der Vorrichtung
gemäß 1.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Die
in 1 skizzierte Vorrichtung 1 weist eine
Mehrzahl von Stäben 2 auf,
die parallel zueinander und senkrecht zu der Zeichenebene in einem Strömungsfeld
angeordnet sind, welches hier ausschließlich durch einen Pfeil 3 angedeutet
ist. Die Stäbe 2 sind
dabei bezüglich
ihrer Hauptanströmung in
dem Strömungsfeld 3 versetzt
zueinander angeordnet. Die im Profil abgeflachten Stäbe 2 sind
in der Strömungshauptrichtung
des Strömungsfelds 3 orientiert
und auf ihren beiden Seiten mit zwei unterschiedlichen Folien 4 und 5 beklebt.
Die Folien 4 und 5 umfassen thermochrome Flüssigkristalle
als Substanzen 13 mit temperaturabhängiger Farbe, wobei sich die
Folien 4 und 5 dadurch unterscheiden, dass ihre
thermochromen Flüssigkristalle
bei unterschiedlichen Temperaturen ihre maximale Farbänderung bezüglich einer
Temperaturänderung
von 5 K aufweisen. Die Stäbe 2 werden
mit einer Kamera 6 beobachtet, die die Farbe der Folien 5 auf
den Stäben 2 erfasst.
Dazu werden die Stäbe 2 mit
einer Lichtquelle 7 für
weißes
Licht beleuchtet. Insbesondere ermittelt die Kamera 6,
die eine Farbkamera ist, den Hue-Wert der Folie 5 in Abhängigkeit
von der Position des Bereichs des Stabes 2, auf dem sich
die Folie 5 in dem Strömungsfeld 3 befindet.
Hieraus ist ein Rückschluss
auf die Temperatur an dieser Position in dem Strömungsfeld 3 möglich. Die
Stäbe 2 sind
zu dem Zweck versetzt zueinander angeordnet, dass durch ihre Anwesenheit
das Strömungsfeld 3 möglichst
wenig gestört
wird. Um das gesamt Strömungsfeld 3 zu
erfassen, kann ihre Anordnung in Richtung ihrer Anströmung aber
auch senkrecht dazu und zu der Richtung der Haupterstreckung der
Stäbe 2 verschoben
werden.
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2 gibt
den Querschnitt eines der Stäbe 2 gemäß 1 wieder.
Auf ein formstabiles Grundgerüst 8 zum
Beispiel aus CFK-Werkstoff sind die beiden Folien 4 und 5 aufgeklebt.
Um in der Anordnung gemäß 1 neben
der Folie 5 auch die Folie 4 zu beobachten, kann
eine weitere Kamera mit einer weiteren Lichtquelle vorgesehen sein.
Es ist aber auch möglich,
die Stäbe
um ihre Achse 9 um 180° zu
verdrehen, so dass der in 1 vorhandenen
Kamera 6 die Folie 4 auf den Stäben 2 zugekehrt
wird.
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Der
in 3 skizzierte Stab 2 hat den Querschnitt
eines gleichschenkligen Dreiecks und weist auf seinen Seitenflächen drei
verschiedene Folien 4, 5 und 10 auf,
in die thermochrome Flüssigkristalle
für unterschiedliche
Temperaturbereiche eingebettet sind. Im Einsatz des Stabes 2 wird
jeweils eine dieser Folien der Kamera 6 zugekehrt. Der
Stab 2 könnte auch
noch mehr Seitenflächen
aufweisen, um noch mehr verschiedene Folien darauf anzuordnen und wahlweise
der Kamera 6 zuzukehren.
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Der
in 4 gezeigte Stab 2 weist wieder zwei Folien 4 und 5 auf.
Im Gegensatz zu 2, die einen Stab 2 mit
flachem Querschnitt zeigt, ist der Querschnitt gemäß 4 jedoch
kreisrund. Dies ist günstig,
weil der Querschnitt dadurch keine Hauptorientierung aufweist, die
in bestimmter Weise zu der Haupteinströmung in dem Strömungsfeld
auszurichten ist. Anstelle von Folien 4 und 5,
die auf das Grundgerüst 8 aufgeklebt
sind, könnte
dieses Grundgerüst
auch direkt mit einer Beschichtung versehen sein, in die die thermochromen
Flüssigkristalle
eingebettet sind.
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5 zeigt
eine Draufsicht auf die Stäbe 2 einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung 1,
wobei die Stäbe 2 hier
an einem horizontalen Träger 11 um
ihre Achsen 8 drehbar gelagert sind. Konkret hängen die Stäbe 2 von
dem Träger 11 herab.
Sie könnten
von diesem aber auch nach oben hoch stehen oder seitlich abstehen.
Bei der hängenden
Konfiguration gemäß 5 reicht
aber eine geringere Eigenformstabilität der Stäbe 2 aus. Weiterhin
zeigt 5, dass die Stäbe 2 nicht
sämtlich
gleich lang sein müssen. Vielmehr
kann ihre Länge
an den zu erfassenden Querschnitt des jeweiligen Strömungsfelds
angepasst sein. Die hier nicht dargestellte Kamera 6 sowie die
Lichtquelle 7 können
gegenüber
dem Träger 11 bei
der Vorrichtung 1 in fester Anordnung und Orientierung
vorgesehen sein und mit dem Träger 11 verfahren
werden, um das jeweilige Strömungsfeld
im Volumen abzutasten.
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Um
den mit der Farbkamera 6 erfassten Hue-Wert einer bestimmten
Temperatur zuzuordnen, kann, wie 6 andeutet,
im Blickfeld der Kamera ein Bereich 12 vorgesehen sein,
in dem die Temperatur der Substanz 13 mit der temperaturabhängigen Farbe
nicht nur über
diese Farbe mit der Kamera sondern zusätzlich über ein Thermoelement 14 erfasst
wird. Um dabei in dem Bereich 12 verschiedene Temperaturen
der Substanz 13 einzustellen, damit die Kalibrierung über den
gesamten interessierenden Messbereich erfolgen kann, ist eine Heizvorrichtung 15 vorgesehen,
die hier in Form einer Heizwendel 16 angedeutet ist. Wenn
mehrere unterschiedliche Substanzen gleichzeitig von der Kamera
bezüglich
ihres Hue-Werts erfasst werden sollen, ist entsprechend für jede dieser
Substanzen 13 ein Bereich 12 vorzusehen.
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Der
mit seinem Querschnitt in 7 dargestellte
Stab 2 weist ein kreisrundes Grundgerüst 8 mit kreisrunder
Querschnittsfläche,
d. h. einen Rundstab 17 auf. Dieser Rundstab ist mit einem
Abschnitt aus der Folie 4 so umklebt, dass der Stab 2 eine
abgerundete Vorderkante 18 und eine scharfe Hinterkante 19 aufweist,
wodurch bei der Vorrichtung gemäß 1 die
Gefahr einer Strömungsablösung von
den Stäben 2 minimiert
wird.
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Stab
- 3
- Strömungsfeld
- 4
- Folie
- 5
- Folie
- 6
- Kamera
- 7
- Lichtquelle
- 8
- Grundgerüst
- 9
- Achse
- 10
- Folie
- 11
- Träger
- 12
- Bereich
- 13
- Substanz
- 14
- Thermoelement
- 15
- Heizeinrichtung
- 16
- Heizwendel
- 17
- Rundstab
- 18
- Vorderkante
- 19
- Hinterkante