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Die
Erfindung betrifft einen kombinierten Temperatur- und Druckfühler für fluidische
Systeme, mit einem Grundkörper,
der druckdicht in einer Wandung eines prozessführenden Gefäßes befestigt werden kann,
wobei am Grundkörper
ein Temperaturfühler
und ein Druckmesskanal, welcher am medienseitigem Ende eine Öffnung aufweist,
angeordnet sind.
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Der
erfindungsgemäße flexible
Temperatur- und Druckfühler
wird vorzugsweise zur zeitnahen, gleichzeitigen Druck- und Temperaturbestimmung von
in Rohrleitungen geführten
Fluiden angewendet, die wechselnde Drücke und hohe Temperaturen aufweisen.
Er ist besonders zur hochgenauen Überwachung und Steuerung von
Prozessen mit heißen
und schnell strömenden
Gasen, z. B. bei der Überwachung
von Verbrennungsprozessen, geeignet.
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Zur
zuverlässigen
Erfassung von Temperaturen und Drücken in Leitungen schnell strömender Fluide
werden an bestimmten Stellen der Leitungen, in denen das Fluid geführt wird,
Temperatursensoren und Drucksensoren angeordnet.
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Es
sind bereits verschiedene kombinierte Temperatur- und Druckfühler für fluidische
Systeme bekannt, bei denen in einem gemeinsamen Grundkörper mindestens
ein Kanal angeordnet ist, wobei der Grundkörper druckdicht in einer Wandung
befestigt werden kann.
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In
EP 0 205 789 B1 ist
ein Sensor mit einem Sensorgehäuse
zur Aufnahme einer Temperatursonde sowie eines in einer Drucksensorkammer
befindlichen Drucksensors mit Bohrungen und Durchgängen zu
den Sonden beschrieben, bei dem ein mit dem Sensorgehäuse verbundener
Anschlussnippel mit einer Bohrung versehen ist, wobei durch diese
Bohrung eine mittels einer Verstellvorrichtung verstellbare Temperatursonde
geführt
ist, welche mit dieser einen ringförmigen Strömungskanal bildet, der mit
der Drucksensorkammer des Drucksensors fluidisch verbunden ist.
Nachteilig ist bei diesem kombinierten Sensor dessen durch die Anordnung
einer Druckkammer zur Aufnahme eines Drucksensors bedingte voluminöse Bauart.
Außerdem
ist die Ausbildung des Druckkanals nicht nur technisch sehr aufwendig
und teuer, der dort verwendete verwinkelte Druckkanal ist bei Verunreinigungen
auch schwer zu reinigen und die Anordnung somit zumindest hinsichtlich
der Druckmessung störanfällig.
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Nach
DE 33 41 860 C2 ist
eine Messkupplung für
fluidische Systeme bekannt, bestehend aus einer im eingebauten Zustand
unter Leitungsdruck stehenden Kupplungsbuchse, in deren Bohrung
ein federbelastetes und mechanisch betätigbares Rückschlagventil angeordnet ist,
bei der das Rückschlagventil
als ein mit einer zylindrischen Bohrung und einer geschlossenen
Bodenfläche
versehener Ventilkörper
ausgebildet und über
das dem fluidischen System abgekehrte Ende der Kupplungsbuchse hinaus
verlängert
ist und bei der sich in der Wandung des Ventilkörpers eine radiale Querbohrung
oder ein Querschlitz befindet. Nachteilig ist bei diesem kombinierten
Messfühler
ebenfalls die technisch aufwendige und dadurch teure Ausbildung;
auch dieser Druckkanal ist bei Verschlüssen durch Verunreinigungen kaum
zu reinigen und somit ebenfalls störanfällig.
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Zur
Auswertung von mittels bekannter Temperaturfühler gemessenen Daten ist es
bekannt, aus der vom Temperatursensor gemessenen Temperatur auf
die tatsächliche
Temperatur des Mediums zu schließen, indem unter Berücksichtigung
des Wärmeübergangswertes
von Temperatursensoren und deren Ummantelungen der gemessene Wert
mit einer von der Art des Mediums abhängigen Differenz beaufschlagt
wird. Nachteilig ist bei diesen bekannten Verfahren, dass zur korrekten
Beaufschlagung der gemessenen Temperatur die Art des Mediums bekannt
sein muss oder erst aufwendig durch zusätzliche Sensoren ermittelt
werden muss.
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Weiterhin
ist es bekannt, kombinierte Temperatur- und Druckfühler mit
Dehnmesssensoren (DMS) und einem integrierten Temperatursensor zu verwenden,
wobei alle Sensoren auf einer Druckmembran aufgebracht sind.
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Nachteilig
ist dabei, dass die zur Messung des Druckes zu messende Widerstandsänderung
der DMS hochgradig von der Temperatur mitbestimmt wird, so dass
sich Druck- und Temperaturmessung gegenseitig stark beeinflussen,
was insbesondere bei Prüfung
verschiedenartiger Medien zu relativ großen Messfehlern führt. Deren
rechnerische Korrektur ist nur dann möglich, wenn eine Reihe zusätzlicher Parameter
des jeweiligen Medium bekannt oder die Einsatztemperaturen eingeschränkt sind.
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In
einem in
DE 101 09
095 A1 beschriebenen kombinierten Druck- und Temperatursensor
wird ein Frontmembransensor mit einem aufgesetzten Messfinger verwendet.
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Diese
Anordnung ist im Membranbereich sehr empfindlich und erfordert einen
Schutzschirm. Derartige Anordnungen werden für Rennsportapplikationen verwendet
und weisen eine äußerst geringe Standzeit
auf.
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Ein
aus
DE 102 32 315
A1 bekannter kombinierten Temperatur- und Druckfühler ist
für die
Anwendung in fluidischen Medien vorgesehen. Hierbei ist in einem
gemeinsamen Grundkörper
mindestens ein Kanal angeordnet, wobei der Grundkörper druckdicht
in einer Öffnung
einer Wandung befestigt ist. Bei dem im Wesentlichen rotationssymmetrisch
ausgebildeten Grundkörper
ist zentrisch ein durchgehender Druckmesskanal angeordnet, wobei
im Grundkörper
etwa parallel zu dem Druckmesskanal mindestens ein Temperaturmesskanal
exzentrisch angeordnet und die druckdichte Befestigung des Grundkörpers in
der Öffnung
der Wandung lösbar
ausgebildet ist. Der der Wandung abgewandete Endbereich des Druckmesskanals
verläuft
in einer hülsenförmigen Verlängerung
des Grundkörpers,
die weiter von der Wandung entfernt ist als das der Wandung abgewandte
Ende des Temperaturmesskanals. An dem der Wandung abgewandten Ende
der Verlängerung ist
ein Drucksensor mit einer Membran angeordnet.
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Entscheidende
Nachteile der bekannten Lösungen
sind:
- a) Die elektronischen Bauteile der Sensoranordnungen
sind – auch
bei Halsrohrlösungen – zu nahe
an der Prozessanschlussstelle und deshalb für hohe Prozesstemperaturen
nicht geeignet.
- b) Die von den kombinierten Fühlern gelieferten Druck- und
Temperatursignale sind nicht einem zeitlichen und räumlichen
einheitlichen Volumenelement zuordenbar. Dieses ist jedoch erforderlich,
wenn aus thermodynamischen Gründen Strömungsmodelle
zur Prozesssteuerung verwendet werden, wobei der Druck strömungsbedingt
einen dynamischen Anteil besitzt.
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Weiterhin
offenbart die
EP 1
600 743 A2 eine Einrichtung zum Messen von Druck und Temperatur von
heißen
Gasen. Dabei ist ein Drucksensor in einem gegen Überhitzen sicheren Abstand
von den heißen
Gasen in einem Gehäuse
angeordnet und über
eine Druckübertragungsleitung,
die einen kleinen Durchmesser aufweist, mit den heißen Gasen
in Verbindung steht und an einer Auswerteeinheit angeschlossen ist,
die in dem gleichen Gehäuse
untergebracht ist und an der über
eine elektrische Leitung ein Temperatursensor im Bereich einer Mündung der Druckübertragungsleitung
angeschlossen ist.
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Auch
die
DE 10 2006
043 324 A1 offenbart einen Steckfühler, welcher zur Druck- und
Temperaturmessung eines fluiden Mediums geeignet ist, insbesondere
für einen
Einsatz im Kühlmittelkreislauf
einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs. Der Steckfühler weist
einen Sensorkörper
mit einer Sensorkörperachse
auf sowie einen im Wesentlichen konzentrisch auf der Sensorkörperachse
angeordneten Drucksensor. Weiterhin ist im Sensorkörper eine
Durchgangsbohrung zur Verbindung des Drucksensors mit dem fluiden
Medium vorgesehen sowie eine Temperaturfühlerbohrung mit einem darin
aufgenommenen Temperaturfühler.
Die Temperaturfühlerbohrung
weist eine Temperaturfühlerbohrungsachse
auf, welche gegenüber
der Sensorkörperachse
derart geneigt ist, dass diese an ihrem dem fluiden Medium zuweisenden
Ende der Sensorkörperachse
zugeneigt ist.
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Ferner
ist aus der
DE
10 2005 060 651 A1 ein kombinierter Druck- und Temperatursensor
zur Erfassung von Druck und Temperatur eines Mediums bekannt. Ein
Sensorkörper
des kombinierten Druck- und Temperatursensors umfasst eine Durchgangsbohrung
zu einer Membran und eine Bohrung zur Aufnahme eines Temperaturfühlers. Die
Membran wirkt mit einem Drucksensor zusammen. An einer medienseitigen
Stirnseite des Sensorkörpers
ist eine Abdeckung befestigt, in der ein Hohlraum zur Aufnahme des
Temperaturfühlers
ausgebildet ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen bei schwierigen räumlichen
Bedingungen montierbaren kombinierten Fühler der eingangs genannten
Art zu schaffen, der zur Überwachung
von strömenden
Fluiden bei Temperaturen von mehr als 1100°C geeignet ist und der ein Druck-
und Temperatursignal liefert, welches einem definierten Volumenelement
im Messraum zugeordnet werden kann.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe mit einer Vorrichtung gelöst, welche die in Anspruch
1 angegebenen Merkmale enthält.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Der
Temperaturfühler
ist ein Manteltemperaturfühler,
dessen sensitives Element sich in der Nähe der Öffnung des Druckmesskanals
befindet, so dass an einem definierten Volumenelement im Messmedium
Druck und Temperatur erfasst werden. Der Abstand der Öffnung des
Druckmesskanals von dessen Befestigungsstelle am Grundkörper ist
dabei nahezu gleich dem Abstand des sensitiven Elementes des Manteltemperaturfühlers von
dessen Befestigungsstelle am Grundkörper. Sowohl Druckmesskanal
als auch Manteltemperaturfühler
sind im medienseitigen Bereich starr und außerhalb des medienseitigen
Bereiches flexibel ausgeführt.
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Die
Mantelleitungsfühler
können
aus einem Mantelthermoelement oder einem Mantelwiderstandsthermometer
bestehen. Bei Rohrdurchmessern der Mantelfühler kleiner gleich 3 mm kann
die Mantelleitung bequem gebogen werden. Vorteilhaft ist es auch,
die Mantelleitung in einem Rohr anzuordnen. Das Rohr schützt die
Mantelleitung vor strömungstechnischen
Belastungen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Mantelleitung
fest mit einem Hohlrohr verbunden ist und so eine zusätzliche
mechanische Stabilität
gewährleistet.
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Das
vordere Rohrteil ist als starres Schutzrohr ausgebildet, so dass
die Flexibilität
der Rohre erst nach dem Grundkörper
oder dem Prozessanschluss beginnt. Dies ermöglicht es, für besonders starke
Strömungen
die Ausbildung des Schutzrohres nach strömungstechnischen Erfordernissen
zu gestalten, wobei die Gestaltung des Schutzrohres gemäß den Einsatzmodellrechnungen
nach Murdock oder Dittrich möglich
ist.
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Das
Druckmessrohr sowie der Mantelleitungsfühler weisen etwa die gleiche
Einbaulänge
auf. Die Gestaltung des vorderen Teils des Hohlrohres, das in das
Medium ragt, erfolgt nach strömungstechnischen
Gesichtspunkten. Beispielsweise ist es vorteilhaft, eine Kugel in
der Spitze des Rohres einzulöten,
um Unterdruckeffekte im Rohr zu vermeiden. An strömungsneutralen
Punkten sind dann Perforierungen am Rohr angebracht, mit denen ein
Druckausgleich zwischen Medium und Druckrohr erfolgt.
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Der
Manteltemperaturfühler
kann in einem Druckrohr angeordnet sein. Es ist jedoch auch möglich, beide
Fühler
nebeneinander in einem Grundkörper
anzuordnen.
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Bei
Anordnungen, bei denen der Manteltemperaturfühler innerhalb des Druckrohres
angeordnet ist, erfolgt die Separierung der Druck- und Temperatursignale
in einem Verteilerstück.
In diesem Verteilerstück
wird das Drucksignal entweder direkt auf einen Drucksensor oder
auf einen Druckschlauch oder auf ein flexibles Rohr geleitet. Vorteilhafterweise kann
der Anschluss im rechten Winkel zu dem gerade fortgeführten Manteltemperaturfühler liegen.
Vorteilhaft ist es auch, den Manteltemperaturfühler parallel mit dem Druckrohr
herauszuführen.
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Die
Erfindung zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen aus: Der
kombinierte Sensor ist besonders vorteilhaft bei schnell strömenden Gasen
einsetzbar, da schnell strömende
Gase ein bestimmtes Strömungsprofil
ausbilden, wobei dieses Strömungsprofil
mit dem Temperaturprofil und einem Druckprofil korrespondiert.
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Da
das Rohrkörpersystem
nach dem Prozessanschlussstück
flexibel ausgebildet ist, ist eine weit entfernte und in allen Achsen
variable Anbringung der Auswerteelektronik möglich, so dass diese keinen
hohen thermischen Belastungen ausgesetzt ist.
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Die
Sensorenordnung kann an schlecht zugänglichen Stellen an Verbrennungsmotoren
angeordnet werden kann, wobei sowohl hohe Medientemperaturen als
auch hohe Umgebungstemperaturen bzw. Strahlungseinflüsse in der
Umgebung ohne Einfluss auf die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit des
Fühlers
sind.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
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In
den zugehörigen
Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Ausführung,
bei der ein Mantelthermoelement in einem biegsamen druckfesten Rohr angeordnet
ist,
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2 eine
Ausführung
mit zwei Mantelthermoelementen,
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3 eine
Ausführung,
bei der ein Mantelthermoelement mit Distanzbuchsen in einem Druckrohr
angeordnet ist,
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4 eine
Ausführung,
bei der Mantelfühlerleitung
und Druckrohr flexibel ausgebildet sind,
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5 eine
Ausführung,
bei ein Verteilerstück und
ein Prozessanschlussstück
in einem Drehteil 9 integriert sind, und
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6 eine
Ausführung,
bei der eine Mantelleitung in einem Profilrohr angeordnet ist.
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1 zeigt
eine Ausführung
zur Überwachung
der Prozessführung
in einem Verbrennungsmotor. Ein Mantelthermoelement 1 ist
exzentrisch in einem biegsamen Druckrohr 2 angeordnet.
Das Mantelthermoelement 1 reicht bis zum medienseitigen Ende
des Druckrohres 2. Der Durchmesser des Mantelthermoelementes 1 ist
kleiner als der Innendurchmesser des Druckrohres 2, so
dass ein Differenzraum für
die Ausbreitung des Druckes besteht. Am Druckrohr 2 ist
ein Bund 7 angebracht, der mit einer losen Druckschraube 16 die
Befestigung des Druckrohres 2 am Prozess ermöglicht.
Am äußeren Ende des
Druckrohres 2 ist ein Verteilerstück 3 angebracht. Durch
dieses Verteilerstück
verläuft
die Mantelleitung 1. Das äußere Ende des Druckrohres 2 ist
am Verteilerstück 3 druckdicht,
z. B. mittels Lötverbindung,
befestigt. Am oberen Ausgang des Verteilerstückes 3 ist das Mantelthermoelement 1 ebenfalls
druckdicht befestigt, vorzugsweise verlötet. Durch eine seitlich angebrachte
Bohrung und einem Anschlussgewinde kann das Drucksignal auf den
Drucksensor 15 übertragen
werden. Das Mantelthermoelement 1 wird dann gemeinsam mit
dem elektrischen Ausgangssignal des Drucksensors 15 zur
Motorelektronik 11 geführt.
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In
einer weiteren in 2 dargestellten Ausführung sind
in einem Grundkörper 9 zwei
Mantelthermoelemente 1.1 und 1.2 angeordnet. Ein
unteres in das Medium tauchendes konisches Schutzrohrteil 14 ist
als Stauchteil ausgebildet, wobei sein Stauchrand 14.1 mit
dem als Verteiler dienenden Grundkörper 9 verschweißt ist.
Das Schutzrohrteil 14 ist konisch ausgebildet und enthält im vorderen
Bereich Perfo rierungen 14.2, durch die der Mediendruck nach
innen geleitet wird. Das sensitive Element des vorderen Mantelthermoelementes 1.1 ist
in der Spitze des Schutzrohrteiles 14 angeordnet. Das sensitive Element
des hinteren Mantelthermoelementes 1.2 befindet sich im
oberen Bereich des Grundkörpers 9 und
misst die so genannte Wurzeltemperatur an der Einbaustelle. Das
biegbare druckfeste Druckrohr 2 ragt in das Verteilerstück hinein
und wird dort mit Druck beaufschlagt. Die beiden Mantelthermoelemente 1.1 und 1.2 und
das Druckrohr 2 sind jeweils druckfest im Grundkörpers 9 eingelötet oder
angeschweißt.
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Eine
weitere Ausführung
zeigt 3. Hier ist ein Mantelthermoelement 1 mit
Distanzbuchsen 17 im Druckrohr 2 angeordnet. Die
Distanzbuchsen 17 sind mit Durchbrüchen versehen, die den Druckausgleich
ermöglichen.
An der Außenseite
des Druckrohres 2 ist ein Bund 7 mittels einer
Schweißnaht 13 befestigt,
der zu Befestigungszwecken (z. B. im Strömungskanal) verwendet werden
kann. Um die Strömung
des zu untersuchenden Mediums möglichst wenig
zu beeinflussen, ist am medienseitigen Ende 4 des Druckrohres 2 eine
Kugel 4.2 eingeschweißt. Hinter
der Kugel 4.2 befinden sich Perforierungen 4.3 im
Druckrohr 2, so dass dessen Innenraum mit dem Druck des
Mediums beaufschlagt ist.
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Bei
der in 4 dargestellten Anordnung sind in einem Grundkörper 9,
der als Prozessanschlussstück
dient, nebeneinander zwei Bohrungen angebracht. In jeweils einer
Bohrung ist ein Manteltemperaturfühler 1 und ein flexibles
Druckrohr 2.1 mit einer Schweißnaht 13 befestigt.
Die Befestigung kann auch durch Löten erfolgen. Sowohl die Mantelfühlerleitung 1 als
auch das flexible Druckrohr 2.1 ermöglichen eine flexible Verbindung
zu den Auswerteelektroniken für
das Thermoelementsignal 11.1 und für die Druckelektronik 11.2.
Das flexible Druckrohr 2.1 ist durch eine mechanische Druckeingangsverbindung 12 an
die Druckelektronik 11.2 angeschlossen.
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Eine
weitere Ausführung
erläutert 5. Hier
ist der Grundkörper 9 als
Drehteil ausgeführt, welches
im oberen Bereich ein Verteilerstück 3.1 und im unteren
Bereich ein Prozessanschlussstück
enthält.
Zentrisch im Drehteil ist die Mantelleitung 1 druckfest
angebracht. Am hinteren Ende des Grundkörpers 9 befindet sich
seitlich ein Druckleitungsanschluss 2.3, an dem ein flexibles
Rohr oder ein Druckschlauch 2.2 angeschlossen werden. Am
unteren Abschluss des Grundkörpers 9 ist
ein Schutzrohr 5 eingeschweißt oder eingelötet. Der
Manteltemperaturfühler 1 ist
im vorderen Teil des Schutzrohres 5 mit einer Mehrkantpressung
befestigt. Die Pressung ist so ausgeführt, dass zwischen den verpressten
Teilen Hohlräume
bestehen, so dass der Innenraum des Schutzrohres mit dem Druck des
Mediums beaufschlagt ist. 5A zeigt
die Untersicht auf das Schutzrohr 5, welches mit einer
Sechskantverpressung mit dem Mantelthermoelement 1 verbunden
ist.
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6 erläutert eine
Ausführung,
bei der das Druckrohr 2 als Profilrohr ausgebildet ist.
Im dargestellten Beispiel besteht es aus einem Doppelrohr. Die Mantelleitung 1 ist
in das Profilrohr eingeschoben und am medienseitigen Ende mit einem
Bodenstopfen 4.1 verschlossen. Am hinteren Teil des Profilrohres
befindet sich ein Verteiler 3, aus dem nebeneinander ein
flexibles Druckrohr 2.1 und die Mantelleitung 1 herausgeführt werden.
Das Profilrohr ist mit einem Bund 7 und einer Überwurfmutter 8 zur
Befestigung an einem prozessführenden
Gefäß versehen. 6A zeigt die Untersicht auf das Doppelrohr.
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- 1
- Manteltemperaturfühler
- 1.1
- vorderes
Mantelthermoelement
- 1.2
- hinteres
Mantelthermoelement
- 2
- Druckrohr/Druckleitung
- 2.1
- flexibles
druckfestes Halsrohr
- 2.2
- Druckschlauch
- 2.3
- Druckleitungsanschluss
- 3
- Verteiler
- 3.1
- Verteilerstück
- 4
- medienseitiges
Rohrende
- 4.1
- Bodenstopfen
- 4.2
- Kugelverschluss
- 4.3
- Perforierung
- 5
- Schutzrohr
- 6
- Zweikanalrohr
- 7
- Bund
- 8
- Überwurfmutter
- 9
- Grundkörper
- 10
- Vielkantpressung
- 11
- Motorelektronik
- 11.1
- Auswerteelektronik
für Temperatursignal
- 11.2
- Auswerteelektronik
für Drucksignal
- 12
- mechanische
Druckeingangsverbindung
- 13
- Schweißnaht
- 14
- Schutzrohrteil
- 14.1
- Stauchrand
- 14.2
- Perforierung
- 15
- Ducksensor
- 16
- Druckschraube
- 17
- Distanzbuchse