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Aus verschiedenen Gründen kann es gelten, feuchten atmosphärischen Niederschlag (Kondensat, auch so genannten Tau) von Grenzflächen, etwa an Wänden von Versorgungselementen wie Rohrleitungen oder Wärmetauschern sowie an Konstruktionselementen wie unter Gebäude-Betondecken, zu entfernen; nämlich um Betriebsstörungen oder auch nur Korrosionserscheinungen vorzubeugen, beziehungsweise um ein Auftreten von Tropfwasser und daraus resultierende Wasserflecken zu verhindern. Zum Sensieren einer Betauung, etwa zwecks Auslösen eines Schaltvorganges, genügt grundsätzlich ein (etwa kapazitiv oder resistiv arbeitender) Feuchte-Fühler im Betauungs-Sensor. Mit Ansprechen des Sensors kann z. B. ein Gebläse zum Trocknen des Niederschlages eingeschaltet werden.
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Für den Anschluss an die beschlaggefährdete Grenzfläche befindet sich der Feuchte-Fühler gewöhnlich in oder an einem kanal- bis quaderartig profilierten Koppelelement. Mit den freien Längsrändern eines das Koppelelement linear durchquerenden Kanales wird das Koppelelement gegen die beschlaggefährdete Grenzfläche angelegt und, mitsamt einem Gehäuse für eine Auswerteschaltung, kraft- oder formschlüssig etwa mittels Rohrschellen, Kabelbindern, Stiften oder Schrauben an die Grenzfläche konstruktiv angeschlossen. So erreicht die umgebende Atmosphäre den Feuchte-Fühler längs des Kanales durch das gegen die Grenzfläche anliegenden und den Kanal dadurch längs seiner Längswände abdeckenden Koppelelement.
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Um aber einer Betauung vorzubeugen, also schon eine Betauungs-Gefahr zu sensieren, muss das drohende Unterschreiten des Taupunktes einer Grenzflächentemperatur sensiert werden. Dazu muss am Messort zusätzlich zur relativen Feuchte der Atmosphäre die Temperatur auf der Grenzfläche erfasst und ausgewertet werden. Ein Taupunkt-Sensor weist deshalb einen Fühler für eine Grenzflächentemperatur – zusätzlich zum Fühler für die relative Feuchte in der den Messort umgebenden Atmosphäre vor der Grenzfläche – auf. Als Temperatur-Fühler im Taupunkt-Sensor können elektrische Halbleiter-Bauelemente mit stark negativen Temperaturkoeffizienten (NTC-Widerstände) ebenso eingesetzt werden, wie resistiv aufgebaute Fühler mit positiven Temperaturkoeffizienten (PTC). Für möglichst guten wärmetechnischen Anschluss an die beschlaggefährdete Grenzfläche befindet sich der Temperatur-Fühler, gewöhnlich in dichter Naschbarschaft zum Feuchte-Fühler, im oder am Koppelelement aus gut wärmeleitendem Material. Am Markt sind auch digitale Fühler, die auf Basis der Funktion eines Halbleiters mit NTC-Verhalten die Temperatur und die relative Feuchte kombiniert erfassen.
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Mit solchen Fühlerinformationen wird im Taupunkt-Sensor eine Auswerteschaltung gespeist, in welcher etwa die meteorologische Abhängigkeit der Taupunkt-Temperatur von der Umgebungs-Temperatur und -Feuchte in der Atmosphäre abgespeichert ist. Bei der Atmosphäre kann es sich um die Raumluft handeln, aber auch um Kohlenwasserstoffe oder Schwefelsaure; oder um andere Gase, wie sie etwa in reinigungstechnischen und anderen verfahrenstechnischen Anlagen vorkommen.
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Gewöhnlich soll die Auswerteschaltung des Taupunkt-Sensors ansprechen, kurz bevor infolge Absenken der Grenzflächentemperatur und/oder Ansteigens der relativen Feuchte in der umgebenden Atmosphäre die Taupunkttemperatur für dieses Wertepaar erreicht wird. Mit Ansprechen der Auswerteschaltung kann z. B. eine Heizung zum Erwärmen direkt der Grenzfläche beziehungsweise des dahinter eingefassten Mediums oder ein Gebläse zum Trocknen der umgebenden Atmosphäre eingeschaltet werden. Durch Beheizen wird die Grenzflächentemperatur über die Taupunkttemperatur der umgebenden Atmosphäre angehoben, und durch Zwangskonvektion sowie Steigern der Umgebungstemperatur wird eine Verdunstungstrocknung gefördert; was jeweils der Gefahr von Niederschlag auf der fraglichen Grenzfläche entgegengewirkt.
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Zur Vereinfachung der Darstellung ist nachstehend nur noch vom Sensor die Rede; die vorliegende Erfindung erstreckt sich hinsichtlich der dargestellten erfindungsgemäßen Maßnahmen aber stets gleicherweise auf die bloßen Betauungs-Sensoren wie auch auf die Taupunkt-Sensoren. Derart ausgelegte Sensoren haben sich im verfahrenstechnischen Alltag bewährt. Sie weisen aber, insbesondere hinsichtlich des Erfassen großer Feuchtewerte, noch nicht die wünschenswerte Messgenauigkeit für gesteigerte Präzisionsanforderungen an ein reproduzierbares Messergebnis beziehungsweise Schaltverhalten auf.
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Das erkannt habend, liegt vorliegender Erfindung die technische Problemstellung zugrunde, die Messgenauigkeit der Sensoren vorbeschriebener Art, möglichst unter Beibehalten des eingeführten apparativen Aufbaues und der vorhandenen Fühler- und Schaltungstechnologien, zumal bei Auftreten großer Feuchtewerte signifikant zu verbessern.
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Das Problem ist nicht dadurch lösbar, dass gemäß der
US 7,770,433 B2 bei einem Feuchtesensor zum Erkennen von Niederschlag auf einer Scheibe ein in einer durchbrochenen Kapsel angeordneter Halbleiter-Feuchtefühler unter Zwischenlage einer gedruckten Schaltung mittels einer Schraubenfeder auf die Scheibe gedrückt wird. Der Andruck eines Feuchtefühlers gegen die Innenseite einer Glasscheibe erfolgt in der
US 7,405,669 B2 mittels einer wärmeleitenden, abgekröpften Blattfeder. Zwischen der Glasscheibe und einem in einem Gehäuse betriebenen Glastemperaturfühler ist beim Aufbau nach
JP 2008 094 380 A ein wärmeleitendes Element angeordnet. Beim in
DE 10 2006 032 372 A1 beschriebenen kapazitiven Regensensor sind einerseits einer Scheibe zugewandte Sensorstrukturen und elektronische Bauteile andererseits auf einander gegenüber gelegen Seiten einer Leiterplatte angeordnet. Dabei ist der Regensensor in einem Bereich eines Gehäuses zum Schutz vor Feuchteeinflüssen vergossen. In Übrigen weist das Gehäuse Ausnehmungen mit einer feuchtigkeitsdurchlässigen Membran auf, durch die hindurch Innenraumluft eines Kraftfahrzeuges zu einem Feuchtesensor im Gehäuse gelangen können soll. Auch die Sensoranordnung nach
EP 2 065 699 A2 zum zuverlässigen Bestimmen einer Schimmelbildung im Bereich einer Wandfläche löst das geschilderte Problem nicht. Hier ist eine Schaltungsplatine in einem gelochten Gehäuse vorgesehen, das mit einem Temperatursensor an der fraglichen Wand befestigt wird. Innerhalb des Gehäuses arbeitet ein Taupunktsensor mit Speichermodul zum Abspeichern eines gemessenen Taupunktverlaufes. Das Problem einer mit ansteigender Feuchte ungenaueren Messung wird in den Vorveröffentlichungen nirgends erkannt. Und durch lediglich gelochte Gehäuse ist eine zur Steigerung der Messgenauigkeit anzustrebende großvolumige Umgebungsluftzirkulation über einen Feuchte-Fühler hinweg ohnehin nicht erreichbar.
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Das oben umrissene Problem ist vielmehr gemäß den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Danach liegt der Feuchte-Fühler des Sensors nicht mehr (nur) in einer vergleichsweise lang gestreckten Strömung der Umgebungsatmosphäre durch einen Kanal eines Koppelelementes hindurch; sondern der Feuchte-Fühler wird nun vor allem von einer dagegen kurzen, großvolumigen Querströmung umspült, nämlich von einer Strömung, die im Wesentlichen quer zu den Längswänden des Kanales durch diese hindurch auf den Feuchte-Fühler trifft.
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Dazu kann die Umgebungsatmosphäre durch wenigstens eine nahe dem Feuchte-Fühler gelegene Öffnung in wenigstens einer der beiden Längswände des Kanales ein- und gegebenenfalls gegenüberliegend gleich wieder austreten. Im Sinne einer solchen Öffnung kann auch vorgesehen sein, den Feuchte-Fühler beim Stirnende des Kanales zu montieren; oder aber dadurch faktisch zu einem Stirnende einer dessen Längswände zu versetzen, dass diese Längswand hier spitzwinklig abgeschrägt ausläuft oder/und schon vor dem eigentlichen Stirnende des Koppelelementes endet.
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Die erfindungsgemäße Anordnung des Feuchte-Fühlers in einer – relativ zur Längsströmung durch das Koppelelement hindurch – kurzen Querströmung großen Strömungsdurchmessers führt zu einer signifikanten Verbesserung der messtechnischen Reaktionszeit auf Feuchteänderungen bei stark verbesserter Dynamik und Genauigkeit der Messwerte insbesondere hoher relativer Feuchte und damit auch des Taupunktes, in dessen Bestimmung die gemessene relative Feucht neben der Grenzflächentemperatur eingeht.
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Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und, auch unter Berücksichtigung deren Vorteilen, aus nachstehender Beschreibung eines unmaßstäblich auf das Funktionswesentliche abstrahiert skizzierten bevorzugten Realisierungsbeispieles zur erfindungsgemäßen Lösung.
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Die Zeichnung zeigt in
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1 ein erfindungsgemäß ausgelegtes, mit einem Schaltungs-Gehäuse bestücktes Koppelelement im Längsschnitt, montiert unter einer planen Grenzfläche, und
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2 jenes Koppelelement im Querschnitt II-II, aber nun montiert unter einer zylindrischen Grenzfläche.
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Ein Sensor 11 ist mittels eines Koppelelementes 12 auf eine Wand 13 eines vor Betauung durch Niederschlag von Kondensat aus der umgebenden Atmosphäre 14 zu schützenden Konstruktion- oder Bau-Elementes 15 montiert, etwa stoffschlüssig mittels einer wärmeleitenden Klebemasse 16 oder (nicht dargestellt) formschlüssig mittels einer Verstiftung oder Verschraubung beziehungsweise kraftschlüssig mittels einer Schelle.
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Im Falle eines Taupunkt-Sensors 11 ist ein Koppelelement 12, aus wärmeleitendem Material mit einem Temperaturfühler 17 zum Aufnehmen der Temperatur an einem Ort 18 auf der Grenzfläche 19 zwischen dem Element 15 und der Atmosphäre 14 ausgestattet, und mit einem Feuchtefühler 20 zum Aufnehmen der relativen Feuchte in der Atmosphäre 14 vor dem Ort 18 der vorerwähnten Temperaturmessung.
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Die Fühler 17/20 sind über Messleitungen 21 an konventionelle Auswerteschaltungen (nicht dargestellt) angeschlossen. Die können in das Koppelelement 12 integriert oder in einem Gehäuse 22 untergebracht sein, das etwa wie skizziert mit dem Koppelelement 12 bestückt ist. Die Fühler 17/20 können, je nach der Realisierung der Auswerteschaltung, etwa ein Messgerät speisen und/oder eine Schaltstrecke 23 zum Betrieb eines externen Arbeitsgerätes 24 ansteuern. Bei letzterem kann es sich insbesondere um eine Entfeuchtungseinrichtung für die Atmosphäre 14 handeln, oder um eine Heizeinrichtung, die auf die Oberfläche des Elementes 15 oder direkt auf dessen Inhalt einwirkt. Dadurch kann verhindert werden, dass womöglich die Umgebung des Messortes 18 beschlägt, weil die am Messort 18 gemessene Temperatur – bei der gegebenen Feuchte der Atmosphäre 14 am Messort 18 – auf die Taupunkttemperatur absinkt.
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Das Koppelelement 12 ist beim skizzierten Ausführungsbeispiel im Querschnitt etwa dickwandig grob U-profilähnlich ausgelegt und z. B. als Strangpressprofil aus Leichtmetall oder aus gut wärmeleitend gefülltem Kunststoff erstellt; es kann aber auch aus solchen Materialien formgepresst oder spritzgegossen sein. Entsprechend massive U-Längswände 25 dienen der Wärmeableitung von der Grenzfläche 19 zum, als vergleichsweise mächtige Wärmesenke dienenden, U-Joch 26. Vorzugsweise befindet sich in dessen Innenboden 27 wenigsten eine Einsenkung 28 zur Aufnahme der Fühler 17/20. Das fördert den Wärmeübergang vom Koppelelement 12 auf den Temperaturfühler 17 und vermeidet eine kritische lokale Querschnittsverjüngung eines Kanales 36 längs der Längserstreckung des U-Joches 26, in dem der Feuchte-Fühler 20 montiert ist. Von den Fühlern 17/20 sind Messleitungen 21 – durch ein Loch 29 durch den Kanal-Boden 27 hindurch – in das Schaltungs-Gehäuse 22 geführt. Etwa durch Verrastungen oder mittels Schrauben in Gewinde-Bohrungen 30 kann das Gehäuse 22 mit dem Koppelelement 12 formschlüssig verbunden sein, wenn es ihm nicht angeklebt oder im Spritzguss angeformt ist.
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Die Atmosphäre 14 aus der Umgebung des Mess-Ortes 18 kann den Feuchtefühler 20 grundsätzlich als Längsströmung durch den Kanal 36 zwischen den Längswänden 25, also durch das gestreckte Koppelelement 12 hindurch erreichen. Es hat sich aber gezeigt, dass über diese vergleichsweise lange Strecke relativ kleinen Querschnittes kein reges Auffrischen der Atmosphäre 14' am Feuchte-Fühler 20 bei Änderung der Atmosphäre 14 im Umfeld des Koppelelementes 12 erfolgt. Die in der Atmosphäre 14' im Innern des Koppelelementes 12 gemessene relative Feuchte erweist sich als nicht repräsentativ für die Dynamik der atmosphärischen Verhältnisse außerhalb des Koppelelementes 12, über dessen Anlagefläche an die Wand 13 gemittelt die Grenzflächentemperatur gemessen wird. Insbesondere ist ein Anwachsen der Messungenauigkeit bei Verkleinern des Strömungsquerschnittes ebenso wie bei Anwachsen der relativer Feuchte festzustellen. Offenbar tritt ein Entfeuchten der Atmosphäre 14' im Koppelelement 12 ein, wenn sich auf diesem bei stark ansteigender relativer Luftfeuchtigkeit in der Umgebungsatmosphäre 14 Tau niederschlägt. Es scheint, dass dadurch der innerhalb des Koppelelementes 12 ermittelbare Taupunkt der Atmosphäre 14' abgesenkt wird und durch den Kanal 36 nicht hinreichend schnell und nicht in hinreichender Masse externe Atmosphäre 14, mit der relativen Feuchte für den tatsächlich interessierenden Taupunkt auf der Grenzfläche 19 außerhalb des Koppelelementes 12, zum Feuchte-Fühler 20 nachströmt.
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Abhilfe stellt sich nun ein, wenn erfindungsgemäß eine hier so genannte Querströmung auf den Feuchtefühler 20 einwirken kann, nämlich quer zur Längserstreckung des Kanales 36 orientiert und insbesondere durch wenigstens eine Öffnung 31 in wenigstens einer seiner Längswände 25 hindurch. Solch eine Querströmung legt nur einen kurzen Weg von der Grenzfläche 19 inmitten des Messortes 18 zum Feuchte-Fühler 20 in dichter Naschbarschaft des Temperatur-Fühlers 17 zurück; und das durch eine axial nur kurze Öffnung 31 hindurch. Deren Lage und Querschnitt kann, innerhalb der Abmessungen der Längswände 25, problemlos so vorgegeben werden, dass ein Atmosphären-Stau auf dem Wege zum Feuchte-Fühler 20 nicht mehr zu befürchten ist. Dadurch ist der Feuchte-Fühler 20 zuverlässig mit der aktuellen Atmosphäre 14 aus dem Zentralbereich des Temperaturmess-Ortes 18 beschickt, was für dieses Messwertepaar zuverlässige, nämlich zeitnah dynamische Erkenntnisse über die aktuelle Betauungsgefahr infolge Taupunktunterschreitung der Grenzflächentemperatur erbringt.
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Für solche Querströmung genügt es prinzipiell, nur wenigstens eine Öffnung 31 in der Nachbarschaft des Feuchtefühlers 20 münden zu lassen. Wirksamer ist es aber, in der gegenüberliegenden Längswand 25 des Kanales 36 ebenfalls wenigstens eine Öffnung 31 (von nicht unbedingt identischer Lage und Querschnittsgeometrie) vorzusehen; nämlich um die Querströmung nicht in den Kanal 36 hinein und dann erst wieder durch das ganze Koppelelement 12 hindurch führen zu müssen. Wenn solche Öffnungen 31 nicht schon bei der Formgebung des Koppelelementes 12 eingeformt wurden, können sie problemlos auch nachträglich noch eingebracht werden, je nach ihrer Geometrie eingebohrt oder eingefräst. Diese Querströmungs-Öffnungen 31 müssen auch nicht bis in die Einbauebene des Feuchte-Fühlers 20 hinabgezogen werden. Als Beispiele sind in der Zeichnung ovale und schlitzförmige Öffnungen 31 in einer der Längswände 25 skizziert.
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Der Begriff der Öffnung 31 für eine atmosphärische Querströmung zum Feuchte-Fühler 20 hin erstreckt sich im Rahmen vorliegender Erfindungsoffenbarung auch darauf, dass die Öffnung 31 nicht (wie in 1 oben) durch die umgebende Längswand 25 oder durch die anliegende Grenzfläche 19 rundum geschlossen ist, sondern dass die Öffnung 31 zu einem Stirnende des Kanales 36 und damit des Koppelelementes 12 hin seitlich offen bleibt; einschließlich der Positionierung des Feuchtefühlers 20 direkt beim Stirnende einer Längswand 25. Diesbezüglich ist in 1 der Zeichnung (rechts) eine Variante skizziert, bei der das Stirnende 35 einer Längswand 25 gegenüber dem Ende des Kanales 36, und damit des Koppelelementes 12 insgesamt, nach innen, zum Montageort des Feuchte-Fühlers 20 hin verkürzt ist. Dieses rückversetzte Stirnende 35 muss nicht wie gezeichnet orthogonal zum. Boden 27 des Kanales 36 verlaufen, es kann auch etwa spitzwinklig dazu (wie strichpunktiert angedeutet) oder geschwungen berandet sein. Denn entscheidend ist, dass die Atmosphäre 14' keinen Konvektionsweg störender Längserstreckung durch den Kanal 36 zum Feuchte-Fühler 20 hin zurücklegen muss. Der Feuchte-Fühler 20 wird vielmehr nun – auch – auf kurzem Wege quer zur Längserstreckung des Kanales 36 umflutet.
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Wegen der quasi direkten Querströmung durch wenigstens eine der beiden zueinander parallel verlaufenden Längswände 25 des Kanales 36 hindurch zum Feuchte-Fühler 20 hin wird offenbar ein Entfeuchten der Atmosphäre 14' im Kanal 36 vermieden und deshalb den Fühlern 17/20, bis hin zu nahezu 100% Feuchte, die praktisch unverfälschte Umgebungs-Atmosphäre 14 zugeführt. Die kann allerdings bei derart hoher relativer Feuchte bereits Kondensat führen, das wenigstens den Feuchte-Fühler 20 außer Funktion setzt, wenn es sich darauf niederschlägt. Deshalb ist es nun zweckmäßig, die Öffnungen 31 (ebenso wie die stirnseitigen Zugänge zum Kanal 36) gegen Feuchtigkeitseintritt mit hydrophoben aber gasdurchlässigen Filtern 32 zu verschließen.
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Aus 2 der Zeichnung ist ersichtlich, dass sich bei Anlegen des Koppelelementes 12 an ein Rohr oder dergleichen zylindrische Mantelfläche deren Längsachse parallel zu derjenigen des Koppelelementes 12 erstreckt. Dabei führt es zu einer signifikanten Verbesserung der Wärmeankopplung des Koppelelementes 12, die längsseitigen freien Stirnränder der Längswände 25 mit wenigstens einem Aufsatz 33 zu versehen, dessen Anlagefläche 34 der Wölbung der Grenzfläche 19 wenigstens in grobem Polygonzug angepasst ist. Solch ein Aufsatz 33 kann austauschbar oder auch integral mit den Längswänden 25 ausgebildet und zum Überbrücken von lokalen radialen Abständen mit wärmeleitender Klebemasse 16 an die Grenzfläche 19 angekoppelt sein.
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Ein Sensor 11 mit Feuchte-Fühler 20 in einem vorzugsweise wärmeleitenden Koppelelement 12 zum Anschluss, etwa Ankleben des Sensors 11 an einen Messort 18 auf einer beschlaggefährdeten Grenzfläche 19 zeichnet sich also durch gesteigerte Dynamik mit wesentlich gesteigerter Messgenauigkeit auch noch bei sehr hoher relativer Feuchte aus, wenn der Feuchte-Fühler 20 nicht nur im Verlaufe eines das Koppelelement 12 durchquerenden Kanales 36 angeordnet ist, sondern erfindungsgemäß auf kurzem Wege relativ zur Längserstreckung des Kanales 36, quasi direkt, von der Atmosphäre 14 vor der Grenzfläche 19 beim Messort 18 umspült wird. Dafür kann der Feuchte-Fühler 20 am offenen Stirnende einer Längswand 25 des Kanales 36 platziert sein; oder zur Messung der relativen Feuchte wird der Feuchte-Fühler 20 im Verlaufe des Kanales 36 bei wenigstens einer Querströmungs-Öffnung 31 durch wenigstens eine der Längswände 25 des Kanales 36 hindurch platziert. Ein in dessen Nähe im Koppelelement 12 zusätzlich angeordneter Temperatur-Fühler 17 erweitert die Funktion des Betauungs-Sensors 11 zu derjenigen eines Taupunkt-Sensors 11, der es ermöglicht, schon eine Betauungsgefahr, infolge Taupunktunterschreitung der Grenzflächentemperatur, zuverlässig zu sensieren und Gegenmaßnahmen einzuleiten.
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Bezugszeichenliste
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- 11
- Sensor
- 12
- Koppelelement (von 11)
- 13
- Wand (von 15)
- 14
- Atmosphäre (vor 13); 14' Atmosphäre (in 12)
- 15
- Element
- 16
- Klebemasse (zwischen 12 und 19)
- 17
- Temperatur-Fühler (für 19)
- 18
- (Mess-)Ort (der Fühler 17/20)
- 19
- Grenzfläche (von 13 nach 14)
- 20
- Feuchte-Fühler (für 14)
- 21
- Messleitungen (von 17/20 nach 22)
- 22
- (Schaltungs-)Gehäuse (bei 12)
- 23
- Schaltstrecke (in 22)
- 24
- Arbeitsgerät (an 23)
- 25
- Längswand (von 36)
- 26
- Joch (von 12, zwischen 25–25)
- 27
- Innenboden (von 26/36)
- 28
- Einsenkung (in 27, für 17/20)
- 29
- Loch (durch 27, für 21)
- 30
- Bohrung (in 26, für 22)
- 31
- Öffnung (durch 25)
- 32
- Filter (in 31 und vor 36)
- 33
- Aufsatz (auf 25)
- 34
- Anlageflächen (von 33, nach 19)
- 35
- (gegenüber dem Ende von 12 nach 20 hin) zurückgesetztes Stirnende (von 25)
- 36
- Kanal (längs 25–27-25, durch 12)
