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Die vorliegende Erfindung betrifft ein brennstoffbetriebenes Heizgerät, insbesondere für ein Fahrzeug, umfassend einen Brennerbereich mit einer vermittels einer Brennstoffförderanordnung mit Brennstoff und vermittels einer Verbrennungsluftförderanordnung mit Verbrennungsluft zu speisenden Brennkammer und einer Verbrennungszustandserkennungsanordnung.
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Bei aus dem Stand der Technik bekannten brennstoffbetriebenen Heizgeräten wird die Information darüber, ob in einer Brennkammer eine Verbrennung abläuft oder nicht bzw. in welchem Ausmaß die Verbrennung abläuft, also allgemein eine Verbrennungszustandserkennung, unter Ausnutzung verschiedener physikalischer Effekte erlangt. Beispielsweise werden Temperatursensoren eingesetzt, um durch Erfassung der Temperatur des Abgasstroms oder von diesen führenden Komponenten zu erkennen, ob bzw. in welchem Ausmaß in einer Brennkammer eine Verbrennung abläuft. Auch der Einsatz optischer Sensoren ist bekannt. Diese sind so positioniert, dass sie durch Erfassung der Strahlungstemperatur einen Rückschluss auf den Verbrennungszustand ermöglichen. Sowohl die Temperatur durch unmittelbare thermische Wechselwirkung erfassende Sensoren, als auch die Temperaturen durch optische Wechselwirkung erfassende Sensoren müssen so positioniert sein, dass die dazu erforderliche Wechselwirkung möglich ist. Dies führt zu einer im Allgemeinen sehr starken thermischen Beanspruchung dieser Sensoren, da sie in unmittelbarer Nähe von thermisch stark belasteten Bauteilen, unmittelbar im Abgasstrom oder in unmittelbarer Nähe der Brennkammer angeordnet werden müssen. Insbesondere die Temperaturerfassung durch direkte thermische Wechselwirkung bringt den weiteren Nachteil einer vergleichsweise großen Trägheit in der Temperaturerfassung mit sich. Spontane Änderungen im Verbrennungszustand können somit nur bedingt bzw. mit vergleichsweise großer Verzögerung erfasst werden, was oftmals eine ausreichend schnelle Reaktion zum Verhindern eines Flammabrisses oder dergleichen nicht mehr zulässt.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein brennstoffbetriebenes Heizgerät, insbesondere für ein Fahrzeug, vorzusehen, bei welchem in baulich einfacher Weise eine zuverlässige Erkennung des Verbrennungszustandes in einer Brennkammer möglich ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein brennstoffbetriebenes Heizgerät, insbesondere für ein Fahrzeug, umfassend einen Brennerbereich mit einer vermittels einer Brennstoffförderanordnung mit Brennstoff und vermittels einer Verbrennungsluftförderanordnung mit Verbrennungsluft zu speisenden Brennkammer und einer Verbrennungszustandserkennungsanordnung, wobei die Verbrennungszustandserkennungsanordnung wenigstens einen Drucksensor umfasst.
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Die vorliegende Erfindung hat erkannt, dass abhängig davon, ob bzw. in welchem Ausmaß in einer Brennkammer eine Verbrennung abläuft, die Strömungsverhältnisse des ein brennstoffbetriebenes Heizgerät durchsetzenden Gasstroms variieren. Durch die Expansion des Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisches bzw. der daraus entstehenden Verbrennungsabgase bei ablaufender Verbrennung und die dabei auch auftretenden Turbulenzen entsteht im Strömungsbereich stromabwärts der Brennkammer ein erhöhter Druck, gegen welchen die Verbrennungsluftförderanordnung fördern muss. Diese verbrennungszustandsabhängig auftretende Druckvariation wird erfindungsgemäß genutzt, um einen Rückschluss darauf zu ziehen, ob Verbrennung vorliegt oder nicht bzw. in welchem Ausmaß eine Verbrennung abläuft.
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Gemäß einem besonders vorteilhaften Aspekt kann bei einem erfindungsgemäß aufgebauten Heizgerät wenigstens ein Drucksensor einen Druck in Verbrennungsluftströmungsrichtung stromaufwärts der Brennkammer erfassen. Ändert sich abhängig von der in einer Brennkammer ablaufenden Verbrennung der Druck im Bereich der Brennkammer bzw. in demjenigen Bereich, in welchem stromabwärts bezüglich der Brennkammer die Verbrennungsabgase strömen, so arbeitet die Verbrennungsluftförderanordnung gegen einen entsprechend variablen Gegendruck, was dazu führt, dass insbesondere stromaufwärts der Verbrennungskammer eine Druckvariation in Entsprechung zur Änderung des Verbrennungszustands auftritt. Dies nutzt die Erfindung, um in diesem Bereich stromaufwärts der Brennkammer den Druck zu erfassen.
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Um in einfacher Art und Weise Druckvariationen stromaufwärts der Brennkammer erfassen zu können, wird vorgeschlagen, dass ein die Brennkammer wenigstens teilweise umgrenzendes Brennkammergehäuse vorgesehen ist und dass wenigstens ein Drucksensor einen Druck in einem in Verbrennungsluftströmungsrichtung zwischen der Verbrennungsluftförderanordnung und dem Brennkammergehäuse liegenden Verbrennungsluftübertragungsraum erfasst. Insbesondere kann hierzu vorgesehen sein, dass ein den Verbrennungsluftübertragungsraum mit dem Brennkammergehäuse wenigstens bereichsweise begrenzendes Übertragungsraumgehäuse vorgesehen ist. Durch eine definierte Umgrenzung dieses stromaufwärts des Brennkammergehäuses bzw. der Brennkammer liegenden Verbrennungsluftübertragungsraums ist sichergestellt, dass durch Strömungswiderstandsänderungen auftretende Druckvariationen zuverlässig messbar sind.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass eine Ansteuervorrichtung vorgesehen ist zum Ansteuern der Verbrennungsluftförderanordnung oder/und der Brennstoffförderanordnung und dass wenigstens ein Drucksensor an der Ansteuervorrichtung vorgesehen ist. Um bei brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgeräten einen kompakten Aufbau zu erlangen, wird die Ansteueranordnung oftmals in den Innenbereich eines derartigen Heizgeräts integriert, beispielsweise auch denjenigen Volumenbereich, in welchem die von der Verbrennungsluftförderanordnung geförderte Verbrennungsluft in Richtung zur Brennkammer strömt. Somit ist die Ansteuervorrichtung dem auch verbrennungszustandsabhängig sich ändernden Druck in diesem Volumenbereich stromaufwärts der Brennkammer ausgesetzt. Durch das Bereitstellen wenigstens eines Drucksensors im Bereich der Ansteuervorrichtung, also beispielsweise auch integriert in die Ansteuervorrichtung, werden Leitungsverbindungen zwischen der Ansteuervorrichtung und einem an anderer Stelle positionierten Drucksensor vermieden.
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Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Ansteuervorrichtung wenigstens teilweise in dem Verbrennungsluftübertragungsraum angeordnet oder/und zu diesem offen ist oder/und diesen begrenzt.
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Bei einer Ausgestaltungsvariante eines brennstoffbetriebenen Heizgerätes kann wenigstens ein Drucksensor als Absolutdrucksensor ausgebildet sein. Damit wird es möglich, mit diesem Drucksensor nicht nur abhängig vom Verbrennungszustand auftretende Druckvariationen zu erfassen, sondern auch Druckvariationen, welche sich beispielsweise abhängig von der Höhenpositionierung eines Fahrzeugs ergeben, oder Druckvariationen, welche sich beispielsweise abhängig von den Wetterbedingungen ergeben. Da auch diese Druckänderungen berücksichtigt werden können, die im Vergleich zu den im Zusammenhang mit den Änderungen im Verbrennungszustand auftretenden Druckänderungen eine deutlich geringere Änderungsrate aufweisen, wird es möglich, den Verbrennungszustand durch entsprechende Anpassung der Verbrennungsluftfördermenge zu optimieren und somit zu berücksichtigen, dass bei geringerem Luftdruck bei vorgegebener Drehzahl beispielsweise eines Förderrads einer Verbrennungsluftförderanordnung nur eine geringere Sauerstoffmenge gefördert wird.
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Bei einer alternativen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein Drucksensor ein Differenzdrucksensor ist. Mit einem derartigen Differenzdrucksensor können die verbrennungszustandsabhängig auftretenden Druckvariationen relativ bzw. als Differenz zum Umgebungsdruck erfasst werden. Da diese verbrennungszustandsabhängig auftretenden Druckvariationen im Vergleich zum Umgebungsdruck sehr gering sind, kann mit dem Einsatz eines Differenzdrucksensors ein Signal bereitgestellt werden, welches nicht den auf einen vergleichsweise hohen Druckwert aufgesetzten, vergleichsweise geringen Wert der verbrennungszustandsabhängigen Druckschwankungen enthält, sondern welches ausschließlich diesen Anteil der Druckvariationen bzw. des Drucks wiedergibt. Somit wird ein von überlagerten Druckverhältnissen unabhängiges Auswerten eines derartigen Drucksignals möglich.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegende 1 detailliert beschrieben. Diese zeigt in prinzipartiger Darstellung ein brennstoffbetriebenes Fahrzeugheizgerät mit einer Verbrennungszustandserkennungsanordnung.
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In 1 ist ein brennstoffbetriebenes Heizgerät allgemein mit 10 bezeichnet. Dieses beispielsweise zur Erwärmung von Luft oder Wasser eingesetzte und hinsichtlich seiner wesentlichen Systemkomponenten in prinzipieller Art und Weise dargestellte Heizgerät 10 umfasst einen Brennerbereich 12 mit einem Brennkammergehäuse 14. Dieses ist mit einer Umfangswandung 16 und einer Bodenwandung 18 aufgebaut. Die Umfangswandung 16 und die Bodenwandung 18 umgrenzen eine Brennkammer 20. Diese ist über eine Flammblende 22 zum Innenbereich eines Flammrohrs 24 offen. Die bei der Verbrennung in der Brennkammer 20 entstehenden Verbrennungsabgase A strömen durch die Flammblende 22 in das Flammrohr 24 und treten an dessen von der Brennkammer 20 entfernten axialen Ende in einen Abgasrückströmraum 26 ein. Der Abgasrückströmraum 26 ist zwischen dem Flammrohr 24 und einem Wärmetauschergehäuse 28 begrenzt. Über einen Abgasauslass 30 können die Verbrennungsabgase A den Abgasrückströmraum 26 in Richtung zu einem Abgasreinigungssystem oder zur Umgebung verlassen.
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Eine Brennstoffförderanordnung 32, beispielsweise ausgebildet als Dosierpumpe, speist flüssigen Brennstoff B, beispielsweise denjenigen Brennstoff, der in einem Fahrzeug auch zum Antrieb nutzbar ist, in die Brennkammer 20. Dazu kann an der Innenseite des Brennkammergehäuses 14, beispielsweise der Bodenwandung 18, poröses Verdampfermedium 34, wie z. B. Geflecht, Schaumkeramik, Schaummetall oder dergleichen, vorgesehen sein. Durch Kapillarförderwirkung wird der flüssige Brennstoff im Innenvolumenbereich des porösen Verdampfermediums 34 verteilt und an dessen zur Brennkammer 20 frei liegenden Seite abgedampft.
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Die zur Verbrennung mit dem abgedampften Brennstoff erforderliche Verbrennungsluft V wird durch eine Verbrennungsluftförderanordnung 36, beispielsweise ausgebildet als Seitenkanalgebläse, in Richtung zur Brennkammer 20 gefördert. Die von der Verbrennungsluftförderanordnung 36 abgegebene Verbrennungsluft V tritt in einen stromabwärts bezüglich der Verbrennungsluftförderanordnung 36 und stromaufwärts bezüglich der Brennkammer 20 liegenden Verbrennungsluftübertragungsraum 38 ein. Dieser kann im Wesentlichen umgrenzt sein vom Brennkammergehäuse 14 und einem Übertragungsraumgehäuse 40, welches wenigstens bereichsweise das Brennkammergehäuse 14 außen umgibt. Durch in der Umfangswandung 16 vorgesehene Verbrennungslufteintrittsöffnungen oder/und einen in der 1 nicht dargestellten, an der Bodenwandung 18 vorgesehenen Verbrennungslufteinlassansatz gelangt die Verbrennungsluft V in die Brennkammer 20, wird dort mit dem Brennstoff B bzw. dem Brennstoffdampf gemischt und verbrannt. Um die Verbrennung zu starten, kann ein in der 1 nicht dargestelltes Zündorgan, beispielsweise Glühkerze oder dergleichen, vorgesehen sein.
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Die verschiedenen zum Betrieb des Heizgeräts 10 anzusteuernden bzw. zu erregenden Systemkomponenten, wie z. B. die Brennstoffförderanordnung 32, die Verbrennungsluftförderanordnung 36, das vorangehend angesprochene Zündorgan und beispielsweise eine im Bereich der Bodenwandung 18 vorgesehene Heizeinrichtung zum Erwärmen des porösen Verdampfermediums 34, stehen unter der Ansteuerung einer allgemein mit 42 bezeichneten Ansteuervorrichtung. Die in der Ansteuervorrichtung 42 vorgesehene Ansteuerelektronik 44, beispielsweise umfassend einen Mikroprozessor, erzeugt Ansteuerbefehle für die verschiedenen durch die Ansteuervorrichtung 42 anzusteuernden Systembereiche, beispielsweise auch unter Berücksichtigung verschiedener Eingaben, wie z. B. die Temperatur des zu erwärmenden Mediums, die Temperatur in einem Fahrzeuginnenraum, die Temperatur in der Umgebung eines Fahrzeugs bzw. auch Zeitdaten, welche die Betriebszeit bzw. die Startzeit des Fahrzeugheizgeräts 10 vorgeben können.
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Um in dem Heizgerät 10 Information über den Zustand der in der Brennkammer 20 ablaufenden Verbrennung erlangen zu können, ist eine allgemein mit 46 bezeichnete Verbrennungszustandserkennungsanordnung vorgesehen. Diese umfasst im dargestellten Beispiel einen Drucksensor 48. Dieser ist so positioniert, dass er den Druck, insbesondere also den Luftdruck, in dem stromaufwärts bezüglich der Brennkammer 20 liegenden Verbrennungsluftübertragungsraum 38 erfasst. Dazu kann der Drucksensor 48 im Bereich einer Wandung des Übertragungsraumgehäuses 40 oder im Verbrennungsluftübertragungsraum 38 angeordnet sein. Im dargestellten Beispiel ist der Drucksensor 48 an bzw. in der Ansteuervorrichtung 42 positioniert. Diese wiederum ist so an dem Heizgerät 10 angeordnet, dass der Drucksensor 48 in Wechselwirkung mit dem gasförmigen Medium, hier also der Verbrennungsluft V, im Bereich des Verbrennungsluftübertragungsraums 38 gelangen kann. Beispielsweise könnte auch die Ansteuervorrichtung 42 zumindest teilweise im Verbrennungsluftübertragungsraum 38 positioniert sein und in ihrem Gehäuse eine Öffnung aufweisen, welche eine Beaufschlagung des Drucksensors 48 mit dem im Verbrennungsluftübertragungsraum 38 vorherrschenden Druck ermöglicht. Auch könnte die Ansteuervorrichtung 42 so am Übertragungsraumgehäuse 40 positioniert sein, dass der Drucksensor 48 dem im Verbrennungsluftübertragungsraum 38 vorherrschenden Luftdruck ausgesetzt werden kann.
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Durch die Integration des Drucksensors 48 in die Ansteuervorrichtung 42 wird eine direkte Ankopplung desselben an die Ansteuerelektronik 44 ohne der Notwendigkeit, im Heizgerät 10 selbst Leitungsverbindungen verlegen zu müssen, leicht möglich. Insbesondere könnte der Drucksensor 48 auch unmittelbar in die Ansteuerelektronik 44 integriert sein bzw. auf einer Platine derselben angeordnet sein.
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Die vorliegende Erfindung nutzt den Effekt, dass die Strömungsverhältnisse des das Heizgerät 10 durchströmenden gasförmigen Mediums, also der Verbrennungsluft V einerseits bzw. der Verbrennungsabgase A andererseits, abhängig vom Zustand der in der Brennkammer 20 ablaufenden Verbrennung variieren. Durch die in der Brennkammer ablaufende Verbrennung entsteht in der Brennkammer und in dem Strömungsbereich stromabwärts der Brennkammer insbesondere auch durch die bei der Verbrennung auftretende Expansion der zur Verbrennung gebrachten Materialien bzw. der Verbrennungsabgase ein erhöhter Druck, gegen welchen die Verbrennungsluftförderanordnung 36 fördern muss. Der mit dem Auftreten einer Flamme bzw. dem Beginn der Verbrennung ansteigende bzw. abhängig vom Verbrennungszustand sich ändernde Druck im Strömungsbereich stromabwärts der Brennkammer und auch in der Brennkammer selbst macht sich im Bereich stromaufwärts der Brennkammer wie eine Art erhöhte bzw. veränderte Verdämmung bzw. ein entsprechend variierender Strömungswiderstand spürbar. Dadurch steigt bei fortgesetztem Förderbetrieb der Verbrennungsluftförderanordnung 36 auch der Druck im Bereich stromaufwärts der Brennkammer an. Diese Änderung im Druck kann durch den Drucksensor 48 erfasst werden und in der Ansteuervorrichtung 42 ausgewertet werden. Insbesondere ist es dabei möglich, vermittels einer elektronischen oder/und softwaretechnischen Filterung das vom Drucksensor 48 gelieferte Signal hinsichtlich der Flammbildung, des Flammabbruchs bzw. der Qualität der abgelaufenen Verbrennung auszuwerten. Zum Eliminieren thermischer Einflüsse kann das Signal des Drucksensors 48 beispielsweise auch mit Hilfe eines Wechselspannungsverstärkers aufbereitet werden.
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Durch das Auswerten von abhängig vom Verbrennungszustand auftretenden Druckvariationen wird eine im Wesentlichen trägheitslose Flammerkennung bzw. Flammüberwachung ermöglicht. Hierzu können kostengünstige, einfach beschaffene und zuverlässig arbeitende Bauteile eingesetzt werden. Da die zur Flammerkennung bzw. Flammüberwachung eingesetzten Systemkomponenten vorteilhafterweise in einem Bereich stromaufwärts der Brennkammer 20 positioniert werden können, liegen sie in einem Bereich, der thermisch nicht so stark belastet ist, wie der gesamte Strömungsbereich stromabwärts der Brennkammer 20 bzw. der Innenvolumenbereich der Brennkammer 20, was die Defektanfälligkeit der zur Flammerkennung bzw. Flammüberwachung eingesetzten Systemkomponenten, insbesondere des Drucksensors 48, mindert.
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Es ist selbstverständlich, dass die Verbrennungszustandserkennungsanordnung auch mehr als einen Drucksensor umfassen kann, wobei vorteilhafterweise bei Vorsehen mehrerer Drucksensoren diese an verschiedenen Positionen angeordnet sein können, um nicht nur eine Redundanz in der Flammerkennung bzw. Flammüberwachung bereitzustellen, sondern die Auswertegenauigkeit noch verbessern zu können. Der bzw. die Sensoren können zur Erfassung des statischen Drucks oder/und zur Erfassung des dynamischen Drucks ausgebildet sein. Auch ist es selbstverständlich möglich, beim Vorsehen mehrerer Drucksensoren einen oder mehrere davon in der bzw. im Bereich der Ansteuervorrichtung zu positionieren und einen oder mehrer Drucksensoren außerhalb der Ansteuervorrichtung an anderer Positionierung, vorteilhafterweise aber auch im Bereich des Verbrennungsluftübertragungsraums anzuordnen. Grundsätzlich ist auch eine Positionierung von einem oder mehreren Drucksensoren stromabwärts der Brennkammer möglich.
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Der Drucksensor 48 bzw. zumindest ein Drucksensor kann beispielsweise auch als Absolutdrucksensor ausgebildet sein. Ein derartiger Absolutdrucksensor misst den im Umgebungsbereich desselben vorherrschenden Druck beispielsweise gegen eine Vakuumkammer und erfasst somit nicht nur die verbrennungszustandsabhängig auftretenden Druckvariationen, sondern auch den in der Umgebung desselben allgemein vorherrschenden Luftdruck. Diesem sich im Allgemeinen vergleichsweise langsam ändernden Luftdruck sind die abhängig vom Verbrennungszustand auftretenden Druckvariationen überlagert, welche vom Betrag her deutlich geringer sind, als der einen im Wesentlichen konstanten Druckanteil repräsentierende Luftdruck. Bei derartiger Ausgestaltung wird es auch möglich, für den Verbrennungsbetrieb eines Fahrzeugheizgeräts den sich im Allgemeinen vergleichsweise langsam ändernden Luftdruck zu berücksichtigen, um dementsprechend die Förderrate bzw. die Drehzahl eines Förderrads der Verbrennungsluftförderanordnung 36 anzupassen.
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Bei einer alternativen Ausgestaltungsvariante kann vorgesehen sein, dass der Drucksensor bzw. zumindest wenigstens ein Drucksensor als Differenzdrucksensor ausgebildet ist und den zu erfassenden Druck gegen einen Referenzdruck misst, beispielsweise den in der Umgebung des Fahrzeugheizgerätes vorherrschenden Luftdruck. Hierzu kann der Drucksensor mit zwei durch die verschiedenen Drücke zu beaufschlagenden Volumenbereichen ausgebildet sein, diese beispielsweise getrennt durch eine verformbare Membran. In einem der Bereiche herrscht der zu messende Druck vor, im anderen der Bereiche der Relativdruck, also beispielsweise der Umgebungsdruck. Das von einem derartigen Differenzdrucksensor gelieferte Signal repräsentiert dann im Wesentlichen nur die verbrennungszustandsabhängig relativ zum Umgebungsdruck auftretenden Druckvariationen. Der Vorteil davon ist, dass diesen Druckvariationen, welche eine vergleichsweise geringe Größe aufweisen, kein deutlich größerer und nachfolgend auswertetechnisch zu eliminierender Konstantdruckanteil überlagert ist. Die abhängig vom Verbrennungszustand auftretenden Druckvariationen können somit präziser und mit geringerer Gefahr der Verfälschung durch die Überlagerung eines sehr hohen, im Wesentlichen konstanten Druckanteils erfasst werden.
