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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Viskosität einer Flüssigkeit sowie eine Vorrichtung, mit der dieses Verfahren durchgeführt werden kann.
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In technischen Anlagen, die mit zumindest einem Fluidkreislauf betrieben werden, besteht häufig die Notwendigkeit, die Eigenschaften und das Verhalten des verwendeten Fluids zu überwachen. Dies kann aus Gründen der Betriebssicherheit, der Qualitätskontrolle und allgemein zur Detektierung von Veränderungen dienen. Dies führt zu einem Anwendungspotenzial in chemischen Anlagen oder bei chemischen Prozessen, in der Lebensmittelindustrie, in Kraftwerken, in Kraftfahrzeugen, aber auch im Bereich Heizungs- und Solartechnik.
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Eine wichtige Messgröße in allen Fluidkreisläufen ist die Durchflussgeschwindigkeit.
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Eine zur Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit geeignete Apparatur ist ein sogenannter Vortex-Durchflussmesser. Bei einem Vortex-Durchflussmesser oder auch Wirbelströmungsmesser wird das physikalische Phänomen genutzt, dass sich hinter einem in einer Strömung einer niederviskosen, newtonschen Flüssigkeit angeordneten Körper, der auch als Obstruktion bezeichnet wird, mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit aus einer zuerst laminaren Umströmung des Körpers heraus Wirbel bilden, die sich bei weiter zunehmender Strömungsgeschwindigkeit ablösen und hinter dem Körper eine sogenannte Kármánsche Wirbelstraße ausbilden. Die Ablösefrequenz dieser Wirbel kann gemessen werden und steht über die Strouhal-Zahl in einem linearen Verhältnis zur Strömungsgeschwindigkeit des Fluids. Mit der Anordnung von Drucksensoren hinter der Obstruktion kann die Ablösefrequenz der Wirbel gemessen und die Strömungsgeschwindigkeit und damit die Durchflussmenge des Fluids bestimmt werden.
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Vortex-Durchflussmesser haben den Vorteil, dass sie preisgünstig hergestellt werden können und dass mit ihnen die Durchflussmenge in einem Leitungssystem oder auch in einer Pumpe mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann.
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Neben der Durchflussgeschwindigkeit, für deren Bestimmung zahlreiche bewährte Verfahren und Vorrichtungen zur Verfügung stehen, gibt es weitere Kenngrößen, die Rückschlüsse auf den Fluidkreislauf an sich und auf das in diesem zirkulierende Fluid zulassen.
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Eine dieser Kenngrößen des Fluids ist die Viskosität als Messgröße für das Fließverhalten. Jedes Fluid, aber auch jede Mischung von Fluiden weist in einem bestimmten, durch Temperatur, Druck und gegebenenfalls Zusammensetzung definierten Zustand eine bestimmte Viskosität auf.
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Änderungen der Systembedingungen aber auch Änderungen des Fluids und insbesondere Änderungen der Zusammensetzung bei Fluidgemischen führen zu Änderungen der Viskosität, was zur Überwachung des Fluidkreislaufs genutzt werden kann.
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Mit der
EP 2 072 970 A1 wird hierzu ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Viskosität einer Flüssigkeit mit einem in die Strömung eingebrachten Körper offenbart, wobei die Geschwindigkeit bestimmt wird, bei der sich erstmals oder gerade noch Wirbel hinter dem in die Strömung eingebrachten Körper bilden. Diese Grenzgeschwindigkeit dient als Maß zur Bestimmung der Viskosität des die Messanordnung durchströmenden Fluids.
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Nachteilig an diesem Verfahren ist die Voraussetzung des Vorliegens eines definierten Strömungszustandes, da nur in diesem die Wirbel erstmals oder gerade noch auftreten. Hierzu ist es erforderlich, diesen Strömungszustand durch Variierung vorzugsweise der Strömungsgeschwindigkeit in der Messstrecke herbeizuführen.
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Unter dieser Voraussetzung ist eine Online-Messung im laufenden Betrieb nicht möglich und es ist des Weiteren eine zusätzliche Apparatur erforderlich.
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Insbesondere bei Anlagen, die nicht großtechnisch mit angeschlossenem Analyselabor oder überhaupt im Labormaßstab betrieben werden, ist eine Online-Messung für eine preiswerte, einfache und kontinuierliche Überwachung des Fluidzustandes von großem Vorteil.
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Viskositäten von Fluiden können Online auch direkt mit Hilfe von Viskosimetern, beispielsweise Rotations- oder Kapillarvikosimetern, zuverlässig bestimmt werden. Nachteilig sind dabei die im Verhältnis zu Vortex-Sensoren hohen Kosten dieser Viskosimeter, die eine Anwendung in einer Vielzahl von Bereichen insbesondere in Anwendungen der Heizungs- und Solartechnik unwirtschaftlich machen würden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, die Viskosität eines Fluids auch bei sich ändernden Volumenströmen und/oder Strömungsgeschwindigkeiten online und unter Verwendung einfacher und preisgünstiger Mittel hinreichend genau bestimmen zu können.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 vorgeschlagen.
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Vorteilhafte und nicht-triviale Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen abhängigen Patentansprüchen.
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Kern der Erfindung ist ein Verfahren zur Online-Messung der Viskosität eines Fluids, bei dem an einer in die Strömung eingebrachten Obstruktion sich ablösende Wirbel erzeugt und mittels eines Wirbelfrequenzsensors die Wirbelablösefrequenz bestimmt wird. Zusätzlich wird die Geschwindigkeit der Strömung gemessen und aus der Relation zwischen der Reynolds-Zahl und der Strouhal-Zahl die Viskosität berechnet. Unter Obstruktion ist dabei ein in die Strömung eingebrachtes Hindernis zu verstehen, das umströmt wird und an dem sich durch die Umströmung Wirbel in der Strömung bilden und sich von dem Strömungshindernis ablösen.
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Reynolds-Zahl und Strouhal-Zahl sind dimensionslose Kennzahlen aus der Strömungsmechanik, die untereinander in einer messanordnungsspezifischen Relation stehen, wobei aus dieser Relation bei Kenntnis der Strömungsgeschwindigkeit und der Wirbelablösefrequenz die Viskosität des Fluids bestimmt werden kann.
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Die Messung erfolgt online, das heißt im laufenden Betrieb, so dass Veränderungen im Strömungsverhalten des Fluids sofort erkannt werden können. Eine hohe Genauigkeit in dem Verfahren wird auch durch die separate Messung der Strömungsgeschwindigkeit mittels einer unabhängigen Messeinrichtung erzielt.
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Mit Vorteil erfolgt die Messung der Geschwindigkeit in Reihe mit der Messung der Wirbelablösefrequenz. Die Geschwindigkeit der Strömung soll damit separat, das heißt unabhängig und unbeeinflusst von der Verwirbelung gemessen werden.
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Hierfür ist es weiter von Vorteil, wenn die Messung der Geschwindigkeit der Strömung vor der Obstruktion erfolgt. Die Messung der Geschwindigkeit soll in einem zeitlichen und örtlichen Zusammenhang mit der Messung der Wirbelablösefrequenz erfolgen, da die Werte bei der Berechnung korrelieren. Es ist allerdings auch darauf zu achten, dass das Auftreten der Wirbel in der Strömung nicht zu einer Verfälschung des Messergebnisses für die Strömungsgeschwindigkeit führt.
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Weiter mit Vorteil wird die Relation zwischen der Reynolds-Zahl und der Strouhal-Zahl für den verwendeten Wirbelfrequenzsensor in dem zu beobachtenden Messbereich bestimmt und vorzugsweise softwaretechnisch hinterlegt, um mit einer entsprechenden Auswerteeinheit die Viskosität online bestimmen und darstellen zu können.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird des Weiteren mit einer Vorrichtung zur Online-Messung der Viskosität eines in einem System strömenden Fluids gelöst, wobei die Vorrichtung mit einer Messanordnung bestehend aus einer in die Strömung eingebrachten Obstruktion, einem nachgeschalteten Wirbelfrequenzsensor und einer in Reihe geschalteten zusätzlichen Einrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit ausgebildet ist. Mit dieser Vorrichtung kann das erfindungsgemäße Verfahren in einfacher Weise durchgeführt werden.
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In vorteilhafter Weiterbildung sind die in die Strömung eingebrachte Obstruktion und der Wirbelfrequenzsensor durch einen Vortex-Sensor gebildet und bilden dabei eine bauliche und messtechnische Einheit.
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Es ist aus den vorstehend angegebenen Gründen weiter sinnvoll, die Einrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit in Strömungsrichtung vor der Obstruktion anzuordnen.
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Weiter mit Vorteil weist die Vorrichtung eine elektronische Auswerteeinheit auf, in die die ermittelte Relation zwischen der Reynolds-Zahl und der Strouhal-Zahl implementiert ist und mit der aus dieser hinterlegten Relation aus den mittels der Messanordnung gemessenen Werten für die Wirbelablösefrequenz und die Strömungsgeschwindigkeit die Viskosität des Fluids bestimmt werden kann.
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Zur Bestimmung weiterer Strömungsparameter ist es günstig, die erfindungsgemäße Vorrichtung mit Sensoren zur Bestimmung von Druck und Temperatur in der Messstrecke auszustatten.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
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1: eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur Online-Messung der Viskosität eines Fluids
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2: eine erfindungsgemäße Messanordnung
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Die in 1 schematisch dargestellte Vorrichtung 1 zur Bestimmung der Viskosität eines Fluids in einem geschlossenen Kreislauf umfasst einerseits mehrere Sensoren 2 bis 5 zur Bestimmung der Kennwerte in dem Fluid und eine elektronische Einrichtung 6 zur Erfassung und Auswertung der Ergebnisse der Sensoren 2 bis 5 und zur Berechnung und Darstellung der Viskosität des Fluids.
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Das Fluid 7 strömt in einer nur schematisch dargestellten Rohrleitung 9 in Richtung des Pfeils A.
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Der in Strömungsrichtung erste Sensor 2 ist eine Einrichtung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids. Diese Einrichtung 2 zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit ist in der vorliegenden Anwendung durch einen Durchflussmesser gebildet. Die Einrichtung 2 arbeitet bevorzugt magnetischinduktiv, in gleicher Weise kann aber auch ein volumetrischer Durchflussmesser oder eine Pumpengruppe zum Einsatz kommen. Wichtig ist es, mit dieser Einrichtung 2 die Strömungsgeschwindigkeit an dieser Stelle hinreichend genau zu erfassen, da in erster Näherung davon ausgegangen werden kann, dass im Bereich der weiteren Sensoren das Fluid mit der gleichen Geschwindigkeit strömt.
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Der nachgeschaltete Sensor 3 ist ein Wirbelstrommessgerät, das auch als Vortex-Sensor bekannt. Mit diesem Vortex-Sensor 3, der im Zusammenhang mit 2 detaillierter beschrieben ist, ist es möglich, die Wirbelablösefrequenz an einer Obstruktion in der den Sonsor durchströmenden Fluidströmung zu bestimmen.
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Die Sensoren 4 und 5 sind im vorliegenden Anwendungsfall gemeinsam an der Rohrleitung 9 angeordnet und sind als Drucksensor 4 und Temperatursensor 5 zur Bestimmung der entsprechenden Werte des Fluids ausgebildet.
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Die Sensoren 2 bis 5 zur Bestimmung der Werte für die Strömungsgeschwindigkeit, die Wirbelablösefrequenz sowie Druck und Temperatur des Fluids stehen in Verbindung mit einer Einheit 6a zur elektronischen Datenverarbeitung.
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Von der Einheit 6a zur elektronischen Datenverarbeitung werden die aufgenommenen Daten an einen Datenlogger 6b weitergeleitet, mit dem die Daten in einem vorbestimmten Rhythmus über eine Schnittstelle aufgenommen und in einem Speichermedium ablegt werden.
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Aus den Sensordaten zu Strömungsgeschwindigkeit, Winkelablösefrequenz, Druck und Temperatur wird in einem nachgeschalteten Prozessrecher 6c in der nachfolgend ausführlich dargestellten Auswertung anhand einer hinterlegten Relation zwischen der Reynolds-Zahl und der Strouhal-Zahl die Viskosität des Fluids berechnet und über einen Kontrollmonitor 6d ausgegeben.
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Bei relevanten Abweichungen des Ist-Zustands der Viskosität des Fluids vom Soll-Zustand, die beispielsweise auf Abweichungen in der Zusammensetzung des Fluids hinweisen, kann auch eine in der 1 nicht explizit dargestellte Alarmeinrichtung aktiviert werden.
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Für die Auswertung der Messergebnisse und die Bestimmung der Viskosität des Fluids ist der Zusammenhang zwischen der Reynolds-Zahl und der Strouhal-Zahl von entscheidender Bedeutung.
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Die dimensionslose Reynolds-Zahl (Re) charakterisiert die Umströmung eines Körpers in einem Leitungssystem gemäß der folgenden Formel: Re = u· L / ν = ρ/η·u·L
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Die Strouhal-Zahl (Sr) bestimmt die Ablösefrequenz von Wirbeln bei der Ausbildung einer Kármánschen Wirbelstraße bei der Umströmung eines Körpers gemäß der nachfolgenden Formel: Sr = f· L / u
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Die Relation zwischen der Reynolds-Zahl und der Strouhal-Zahl wird funktional wie folgt dargestellt: Re = f(Sr)
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Dabei sind:
- L
- charakteristische Länge
- ρ
- Dichte des Fluids
- u
- Strömungsgeschwindigkeit
- f
- Wirbelablösefrequenz
- ν
- kinematische Viskosität
- η
- dynamische Viskosität
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Nach erfolgter empirischer Bestimmung der sensorspezifischen Relation zwischen der Reynolds-Zahl (Re) und der Strouhal-Zahl (Sr) bei der vorgegebenen Messeinrichtung, wobei auch Druck und Temperatur zu berücksichtigen sind, kann aus den Messwerten für die Wirbelablösefrequenz f bei der Umströmung einer Obstruktion mit der charakteristischen Länge L, für die Strömungsgeschwindigkeit u und die von Druck und Temperatur abhängige Dichte ρ des Fluids, die dynamische und kinematische Viskosität des Fluids berechnet werden.
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Wie bereits bekannt, kann nach Roshko der Zusammenhang zwischen der Reynolds-Zahl und der Strouhal-Zahl für einen Bereich 50 < Re < 150 wie folgt bestimmt werden. Sr = 0,212·(1 – 21,2 / Re)
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Für den Bereich 300 < Re < 15000 lautet der Zusammenhang nach Berger und Wille: Sr = 0,212·(1 – 12,7 / Re)
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Mit verallgemeinerten Variablen a und b, die strömungs- und messanordnungsspezifisch ermittelt werden, ergibt sich folgender formelmäßiger Zusammenhang: Sr = α·(1 – b / Re)
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Und bei Einsetzen der ermittelten Strömungsparameter:
f·L / u = α·(1 – b·ν / u·L) woraus sich folgende Formel zur Berechnung der kinematischen Viskosität ergibt:
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2 zeigt das Funktionschema des mit der Einrichtung 2 zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit u zusammenwirkenden Vortex-Sensors 3. Die Einrichtung 2 zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit u ist dabei ein magnetisch-induktiv arbeitendes Strömungsmessgerät, das über eine Spannungsquelle 8 mit Strom versorgt wird und mit dem die Strömungsgeschwindigkeit kurz vor dem Vortex-Sensor nicht-inversiv bestimmt wird.
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Das Strömungsmessgerät wie auch der Vortexsensor sind in einer Rohrleitung 9 angeordnet, deren Wandung im Querschnitt dargestellt ist. Die Rohrleitung weist dabei einen zylindrischen Querschnitt auf, um den Einfluss der Rohrleitungsgeometrie auf das Strömungsverhalten des Fluids möglichst gering zu halten. Die Strömung des in der Rohrleitung befindlichen Fluids 7 ist mit Richtungspfeilen 10 dargestellt.
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Der Vortex-Sensor 3 weist eine Obstruktion 11 auf, das heißt ein in die Strömung des Fluids eingebrachtes Strömungshindernis. Die Obstruktion 11 weist dabei einen dreieckförmigen Querschnitt auf, wobei ein Schenkel des Dreiecks quer zur Strömung angeordnet ist und sich die Obstruktion in Strömungsrichtung somit kontinuierlich hin zu einer Spitze des Dreiecks verjüngt.
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Die bis zu der Obstruktion weitgehend laminare Strömung in der Rohrleitung 9 geht mit der Umströmung der Obstruktion in eine turbulente Strömung mit Wirbelbildung und Ausbildung einer Kármánsche Wirbelstrasse über. Die Wirbel bilden sich dabei an der Obstruktion und lösen sich von dieser.
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Der Vortex-Sensor 3 weist des Weiteren einen in Strömungsrichtung hinter der Obstruktion angeordneten Wirbelfrequenzsensor 12 auf, mit dem die Wirbelablösefrequenz f bei der Umströmung der Obstruktion 11 bestimmt werden kann. Der Wirbelfrequenzsensor 12 kann beispielsweise als Differenzdrucksensor ausgebildet sein.
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Aus der Darstellung in 2 ist auch ersichtlich, dass es sinnvoll ist, die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids vor dem Vortex-Sensor zu bestimmen, da die durch die Obstruktion verursachte Verwirbelung des Fluids zu Ungenauigkeiten bei der Messung der Strömungsgeschwindigkeit führen könnte.
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Die Anordnung der Einrichtung 2 zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit unmittelbar vor dem Vortex-Sensor 3 stellt auch sicher, dass der für die Relation zwischen der Reynolds-Zahl und der Strouhal-Zahl erforderliche zeitlich-örtliche Zusammenhang bei der Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeit und Wirbelablösefrequenz gegeben ist.
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Mit dieser Anordnung kann mit einem unkomplizierten Aufbau und dem damit verbundenen Kostenvorteil ein Online-Messverfahren zur Bestimmung der Viskosität realisiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Sensor/Einrichtung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit
- 3
- Vortex-Sensor
- 4
- Drucksensor
- 5
- Temperatursensor
- 6
- Auswerteeinheit
- 6a
- Einheit zur elektronischen Datenverarbeitung
- 6b
- Datenlogger
- 6c
- Prozessrechner
- 6d
- Kontrollmonitor
- 7
- Fluid
- 8
- Spannungsquelle
- 9
- Rohrleitung
- 10
- Richtungspfeil
- 11
- Strömungshindernis/Obstruktion
- 12
- Wirbelfrequenzsensor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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