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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Haushaltsgerät mit einem Rohr für ein Fluid, in dem ein Volumenstromsensor angeordnet ist.
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In der Druckschrift
DE 198 58 388 A1 ist ein Strömungsgeschwindigkeitsmesser angegeben, der mit einem im Wesentlichen punktförmigen Heizelement punktförmige thermische Markierungen in einen Fluidstrom einbringt, die von einem stromabwärts liegenden Temperatursensor registriert werden.
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In der Druckschrift
DE 29 34 566 A1 ist eine thermische Vorrichtung zum Messen von Strömungsgeschwindigkeiten in Haushaltsmaschinen angegeben, welche ein Messrohr, durch das die zu bestimmende Menge eines flüssigen Mediums hindurchfließt, umfasst. In dem Messrohr befinden sich ein Heizelement und ein Temperaturfühler mit entsprechenden Anschlussleitungen.
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In der Druckschrift
DE 32 08 145 A1 ist ein Sender-Empfängerelement für eine Durchfluss-Messvorrichtung mit einer Heizzone eines Senderelements, bzw. der Empfangszone eines Empfängerelements angegeben, wobei die Heiz- bzw. Empfangszone aus einem maänderförmigen Widerstandsnetzwerk besteht.
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In der Druckschrift
DE 27 23 809 A1 ist ein Verfahren zur Messung von Strömungsgeschwindigkeit in einer lackführenden Leitung mit einem aus Windungen bestehenden Heizdraht und einem Wärmefühler beschrieben.
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In der Druckschrift
DE 199 60 429 A1 ist eine Messvorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit in Kombination mit der Gastemperatur beschrieben, wobei die Messvorrichtung einen Heizdraht und einen Messfühler für die Temperaturmessung umfasst.
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In der Druckschrift
US 4 483 200 A ist ein Durchflussmesser mit einem Rohr, mit einem Heizer und mit einer thermosensitiven Einheit beschrieben.
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In der Druckschrift
DE 26 39 729 A1 ist ein Verfahren zum Messen der Fließgeschwindigkeit flüssiger Medien in einem Rohrabschnitt mit einer Heizspirale und mit einer Messsonde beschrieben.
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In der Druckschrift
US 4 237 730 A ist ein Flüssigkeitsgeschwindigkeitsmesssystem mit einer Leitung, mit einem Wärmeerzeugungselement und mit einer ersten und zweiten Wärmeerfassungseinrichtung beschrieben.
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In der Druckschrift
US 2 776 565 A ist ein thermoelektrischer Apparat mit einer Leitung, mit einem Heizer und mit einem Paar von temperaturempfindlichen Einrichtungen beschrieben.
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In der Druckschrift
DE 34 31 952 A1 ist eine Vorrichtung zum Messen eines Gasstroms in dem Ansaugstutzen von Verbrennungsmotoren beschrieben, welcher ein Gasflussmesselement umfasst, das wiederum ein Heizelement aufweist.
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In der Druckschrift
DD 235 326 A1 ist eine Vorrichtung zum Messen des Luft- und Kraftstoffdurchsatzes mit einem Heizdraht und mit einem Temperatursensor beschrieben.
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Es ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, ein Haushaltsgerät anzugeben, das eine Erfassung eines Volumenstroms ohne mechanische Bauteile ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand mit den Merkmalen nach dem unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Figuren, der Beschreibung und der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Haushaltsgerät mit einem Rohr für ein Fluid gelöst, bei dem das Rohr einen Volumenstromsensor mit einem elektrischen Heizelement zum Erzeugen einer Temperaturänderung des Fluides in einer Mitte des Rohres und ein axial versetztes, elektrisches Temperaturerfassungselement zum Erfassen der Temperaturänderung des Fluides in der Mitte des Rohres umfasst. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass ein Volumenstrom innerhalb des Rohres rein elektrisch und ohne die Verwendung beweglicher Teile erfasst werden kann.
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Unter einem Haushaltsgerät wird ein Gerät verstanden, das zur Haushaltsführung eingesetzt wird. Das kann ein Haushaltsgroßgerät sein, wie beispielsweise eine Waschmaschine, ein Wäschetrockner, eine Geschirrspülmaschine, ein Gargerät, eine Dunstabzugshaube oder ein Kältegerät, wie z.B. ein Kühlschrank, ein Gefrierschrank oder eine Kühlgefrierkombination. Das kann aber auch ein Haushaltskleingerät sein, wie beispielsweise ein Warmwasserbereiter, ein Kaffeevollautomat, eine Küchenmaschine oder ein Staubsauger.
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Insbesondere weist das erfindungsgemäße Haushaltsgerät ein Dosiersystem für viskose Fluide auf, wie beispielsweise flüssige Waschmittel oder Spülmittel, und das Rohr mit Volumenstromsensor ist ein Bestandteil dieses Dosiersystems. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Haushaltsgerät eine Waschmaschine mit solch einem Dosiersystem.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Haushaltsgerätes umfasst das Heizelement und/oder das Temperaturerfassungselement in der Mitte des Rohres eine S-förmige Wendel. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass eine Temperaturänderung in effizienter Weise in der Mitte des Rohres erzeugt oder erfasst werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Haushaltsgerätes erstreckt sich die S-förmige Wendel des Heizelements und/oder des Temperaturerfassungselements in einer radialen Ebene des Rohres. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass ein scharfer thermischer Impuls ausgesendet werden kann und ein Volumenstrom genauer bestimmt werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Haushaltsgerätes umfasst das Heizelement einen Heizdraht, der sich radial durch das Rohr erstreckt. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass ein thermischer Impuls über den gesamten Rohrquerschnitt ausgesendet werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Haushaltsgerätes umfasst das Temperaturerfassungselement einen Messdraht, der sich radial durch das Rohr erstreckt. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass ein thermischer Impuls über den gesamten Rohrquerschnitt empfangen werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Haushaltsgerätes verläuft der Heizdraht senkrecht zu dem Messdraht. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Messung auf einen kleinen Bereich um die Achse der Strömung innerhalb des Rohres beschränkt ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Haushaltsgerätes ist der Heizdraht gegenüber dem Messdraht in radialer Richtung geneigt. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass der Messbereich auf eine größere Fläche verteilt wird und die Empfindlichkeit des Sensors erhöht wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Haushaltsgerätes verläuft der Heizdraht parallel zu dem Messdraht. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass der zeitliche Verlauf des Temperatursignals die Strömungsverhältnisse widergibt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Haushaltsgerätes umfasst das Temperaturerfassungselement einen weiteren Messdraht, der parallel zu demjenigen Messdraht verläuft, der sich radial durch das Rohr erstreckt. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass ein Rückschluss auf das Strömungsprofil gewonnen werden kann.
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Erfindungsgemäß umfasst das Heizelement einen Heizdraht, der in axialer Richtung des Rohres ein Parabelprofil aufweist. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass ein thermischer Impuls ausgesendet werden kann, der an die Strömungsgeschwindigkeit im Inneren des Rohres angepasst ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Haushaltsgerätes umfasst das Temperaturerfassungselement einen Messdraht, der in axialer Richtung des Rohres ein Parabelprofil aufweist. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass ein scharfer thermischer Impuls empfangen werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Haushaltsgerätes sind der Heizdraht oder der Messdraht spiralförmig innerhalb des Rohres angeordnet. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass der Heizdraht oder der Messdraht die Paraboloidfläche abdeckt, ohne den Fluss des Fluids zu stören.
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Erfindungsgemäß ist der Heizdraht auf einem Tragkörper angeordnet, der in axialer Richtung des Rohres ein Parabelprofil aufweist. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Haushaltsgerätes ist der Messdraht auf dem Tragkörper angeordnet. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass der Heizdraht und der Messdraht an einer exakt vorgesehenen Stelle im Inneren des Rohres fixiert sind.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Haushaltsgerätes umfasst der Tragkörper ein Doppelparaboloid, das sowohl in der einen axialen Richtung des Rohres als auch in der anderen axialen Richtung des Rohres ein Parabelprofil aufweist. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass ein einziger Tragkörper verwendet werden kann, der die Lage des Heizdrahtes und des Messdrahtes zueinander fixiert.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Haushaltsgerätes umfasst das Haushaltsgerät eine Widerstandsbrücke zum Erfassen einer Widerstandsänderung des Temperaturerfassungselements. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass eine auf einer Widerstandsänderung basierende Temperaturänderung mit hoher Genauigkeit erfasst werden kann..
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht eines Haushaltsgerätes;
- 2 eine Ansicht einer Strömungsverteilung in einem Rohr;
- 3 eine Ansicht eines Rohrs mit einem Volumenstromsensor;
- 4 eine Ansicht eines Rohrs mit einem weiteren Volumenstromsensor;
- 5 eine Ansicht eines Rohrs mit einem weiteren Volumenstromsensor;
- 6 eine Ansicht eines Rohrs mit einem weiteren Volumenstromsensor;
- 7 eine Ansicht eines Rohrs mit einem weiteren Volumenstromsensor;
- 8 eine Ansicht eines Rohrs mit einem weiteren Volumenstromsensor;
- 9 eine Ansicht eines Rohrs mit einem weiteren Volumenstromsensor;
- 10 eine Ansicht eines Rohrs mit einem weiteren Volumenstromsensor;
- 11 eine Ansicht eines Rohrs mit einem weiteren Volumenstromsensor; und
- 12 Ansichten von Brückenschaltungen.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines Wäschetrockners stellvertretend für ein allgemeines Haushaltsgerät 100. In dem Haushaltgerät 100 befinden sich Rohre zum Transportieren von viskosen Fluiden, beispielsweise als Luft- oder Wasserkanäle zum Zu- oder Ableiten von Luft oder Wasser oder in Dosiersystemen für flüssige Hilfsstoffe. Die Strömung in diesen Rohren kann laminar oder turbulent sein.
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Eine Steuerung des Haushaltgerätes 100 verwendet Daten der fließenden, viskosen Fluide in den Rohren für eine Steuerung. Zu diesem Zweck wird in den Rohren ein Volumenstromsensor verwendet, der eine Volumenströmung und eine Geschwindigkeit des Fluids im Inneren des Rohres erfassen kann und Daten zur Steuerung des Haushaltsgerätes 100 bereitstellt.
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2 zeigt eine Ansicht einer Strömungsverteilung 127 in einem Rohr 101. Die Geschwindigkeit des Fluids in den Randschichten des Rohres 101, d.h. entlang von Oberflächen, ist bei laminaren Strömungen null. Der Wärmeeintrag ist in diesem Fall auf die Wärmeleitung in dem Fluid beschränkt, da kein Materieaustausch quer zu den Flusslinien stattfindet.
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Das führt dazu, dass sich ein orthogonal zur Strömung liegender, zunächst ebener Bereich des Fluids im weiteren Verlauf der Strömung zu einem Paraboloid verformt. Die Paraboloidform bleibt erhalten und zieht sich zunehmend in die Länge. Das Paraboloid hat eine Nullstelle, die sich im weiteren Verlauf nicht verschiebt und eine Kreislinie an einer Wand des Rohres 101 bildet.
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Eine in Form eines aus Sicht der Strömung als konvexes Paraboloid geformte Flüssigkeitsschicht verformt sich zunächst in eine Ebene auf Höhe der Nullstelle des Paraboloids, um sich danach weiter in ein konkaves Paraboloid zu verformen. Zu einem laminaren Volumenstrom lassen sich daher Paare von jeweils zwei Flächen angeben, deren Verbindungslinien korrespondierender Punkte, d.h. Punkte auf gleichen Stromlinien, jeweils in gleichen Zeitabständen durchlaufen werden. Für das zylindrische Rohr 101 sind dies beispielsweise eine konvexe und eine konkave Paraboloidfläche.
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3 zeigt eine Ansicht eines Rohrs 101 mit einem Volumenstromsensor 103 nach mehreren zeitlichen Abständen nach der Aussendung eines Heizpulses 131. Der Volumenstromsensor 103 kann zur Erfassung von laminaren oder turbulenten Strömungen dienen, die bei viskosen Fluiden in Dosiersystemen in Haushaltsgeräten auftreten, wie beispielsweise bei flüssigen Wasch- und Spülmitteln. Typische Fließgeschwindigkeiten für Fluide in Haushaltsgräten 100 liegen oftmals im Bereich einiger cm/s, typische Viskositätswerte reichen von 100 mPas bis weit über 2000 mPas. Eine hohe Viskosität ergibt eine sehr kleine Reynoldszahl, die typischerweise deutlich unter 1 liegt. Eine Strömung unter diesen Bedingungen ist im Wesentlichen laminar, so dass sich in ein parabolisches Geschwindigkeitsprofil einstellt.
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Der Volumenstromsensor 103 umfasst ein elektrisches Heizelement 105 zum Erzeugen eines Heizpulses 131 als eine lokale Temperaturänderung des Fluides in einer Mitte des Rohres 101. Daneben umfasst der Volumenstromsensor 103 ein axial versetztes, elektrisches Temperaturerfassungselement 107 zum Erfassen der Temperaturänderung des Fluids in der Mitte des Rohres, um einen Messpuls 133 zu erzeugen. Das Temperaturerfassungselement 107 kann ein Thermoelement umfassen.
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Der Volumenstromsensor 103 arbeitet ohne bewegte Teile. Eine Messung kann kontinuierlich, beispielswiese durch entsprechende Heizpulsfolgen oder einzelne Heizpulse 131 erfolgen, beispielsweise durch das gezielte Auslösen von einzelnen Messungen mit je einem einzigen Heizpuls 131. Die Heizpulse 131 werden von einer Steuerung 135 ausgesandt und die Messpulse 133 werden von der Steuerung 135 ausgewertet. Die Steuerung 135 bestimmt eine Laufzeit zwischen Heizpuls 131 und Messpuls 133.
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Der Volumenstrom des Fluids kann durch den Volumenstromsensor 103 auch dadurch bestimmt werden, dass die beim Heizen des Heizelements 105 vom umfließenden Fluid aufgenommene Wärmemenge erfasst wird und die Geschwindigkeit des Fluids ermittelt wird (thermisches Anemometer).
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Zudem kann eine Messung der Veränderung der geometrischen Ausbreitung einer Heizzone oder einer thermischen Markierung in einem fließenden Fluid bestimmt werden. Beispielsweise durch zwei Wärmebrücken im dem Fluid, die sich bei einem Fluss asymmetrisch verformen. Die Verformung hängt von Fluidparametern ab, beispielsweise der Wärmeleitung.
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Durch das Einbringen von thermischen Markierungen in das Fluid und ein Messen der Laufzeit dieser thermischen Markierungen, können Strömungseigenschaften des Fluids ermittelt werden. Aus dem zeitlichen Abstand zwischen Heizpuls und der Erfassung einer Temperaturänderung wird die Geschwindigkeit des Fluids ermittelt.
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Die laminare Strömung hat über den als zylindrisch angenommenen Querschnitt des Rohres 101 ein parabolisches Geschwindigkeitsprofil und bildet eine Hagen-Poiseuille-Strömung. Die direkt an den Wandungen des Rohres 101 liegende Fluidschicht haftet an den Wandungen und nimmt daher nicht an der Strömung teil. Der in der Zylinderachse des Rohres 101 liegende Anteil des Fluids strömt hingegen mit einer maximalen Geschwindigkeit. Die maximale Geschwindigkeit ist in dem zylindrischen Geschwindigkeitsprofil doppelt so groß, wie die Durchschnittsgeschwindigkeit über den gesamten Querschnitt des Rohres 101. Bei anderen Strömungsprofilen, beispielsweise in Rohren 101 mit anderen Querschnittsformen ergeben sich andere Faktoren zwischen der maximalen Geschwindigkeit und der Durchschnittsgeschwindigkeit, die aber jeweils konstant sind.
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Das elektrische Heizelement 105 und das Temperaturerfassungselement 107 bildet ein Paar von einem thermischem Sender und Empfänger, bei dem die vom Sender zum Empfänger transportierte Energie erhöht ist. Die Zeitspanne zum Durchlaufen zwischen den jeweils korrespondierenden Punkten des Strömungsprofils ist dabei unabhängig von den Stoffeigenschaften des Fluids und im Wesentlichen nur vom Volumenstrom des Fluids abhängig.
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Das Heizelement 105 und das Temperaturerfassungselement 107 können in Reihe geschaltet sein, so dass eine Anordnung mit einer einzigen durchgehenden Drahtbewicklung mit nur zwei elektrischen Anschlüssen realisiert wird. In diesem Fall wird die Anordnung zunächst mit einem Puls beheizt, der kürzer ist, als die zu erwartende Laufzeit. Nach dem Abschalten des Heizpulses wird die Anordnung vom vorbeiströmenden Fluid abgekühlt, da das Fluid die Wärme mitnimmt. Beim Eintreffen des Bereichs mit erhöhter Temperatur an dem in Fließrichtung nachgeschalteten Temperaturerfassungselement 107 ist dieses bereits wieder auf die Fluidtemperatur abgekühlt und kann die Temperaturänderung erfassen. Dadurch kann eine wesentlich vereinfachte Elektrik mit nur zwei Anschlüssen verwendet werden.
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Beispielsweise kann ein Heizpuls einer Dauer von 0.1 s auf die gesamte Anordnung mit seriellem Heizelement 105 und Temperaturerfassungselement 107 gegeben werden. Wenn die Strömung nach einer Zeitspanne von 1 s die Länge des Volumenstromsensors 103 durchquert hat, erreicht die Stromaufwärts gelegene Heizzone nach 1 s das Temperaturerfassungselement 107 während das Heizelement 105 wieder auf Fluidtemperatur ist. Die nach dem Heizpuls stromabwärts gelegene Heizzone wird vom Fluid wegtransportiert.
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Bevorzugt ist eine Ansteuerung des Volumensensors mit Impulsketten, die eine minimale thermische Belastung des Fluids und einen minimalen Energieverbrauch verursachen. In diesem Fall werden Messimpulsdichten und eine Dauer und Amplitude der individuellen Impulse, die an die zu erwartenden Volumenströme angepasst. Diese Anpassung kann auch nach bereits vorliegenden Messungen unter Annahme plausibler Änderungsraten dynamisch erfolgen. Durch geeignete Form der individuellen Impulse lässt sich das gemessene Signal schärfer gestalten, beispielsweise durch einen Deltaimpuls mit einer gegen 0 gehenden Breite und hoher Amplitude. In Haushaltsgeräten 100 sind Heizpulse unter einer Dauer von 0.1 s bei einer Pulslaufzeit über 1 s oftmals vorteilhaft.
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Bei turbulenten Strömungen ist eine hohe Durchmischung gegeben. Eine turbulente Strömung führt zwar zu einem schnellen und eher undefinierten Ausbreiten einer thermischen Markierung, ermöglicht aber aufgrund eines ausreichenden Wärmeübergangs zwischen Heizelement 105 und Temperaturerfassungselement 107 dennoch die Ermittlung einer Strömungsgeschwindigkeit.
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4 zeigt eine Ansicht eines Rohrs 101 mit einem weiteren Volumenstromsensor 103. Das Heizelement 105 umfasst einen Heizdraht 109, der sich radial durch das Rohr 101 erstreckt. Das Temperaturerfassungselement 107 umfasst einen Messdraht 111, der sich ebenfalls radial durch das Rohr 101 erstreckt. Der Heizdraht 109 und der Messdraht 111 sind orthogonal zueinander angeordnet und entlang der Achse des Rohres 101 beabstandet. Der Heizdraht 109 bringt eine thermische Markierung in das vorbeiströmende Fluid ein. Der Messdraht 111 erfährt durch die Temperaturänderung der thermischen Markierung im vorbeiströmenden Fluid eine Änderung seines elektrischen Widerstands.
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Der Heizdraht 109 und der Messdraht 111 lassen sich bei gleicher Ausführung sowohl für das Heizen wie für die Messung verwenden. Durch geeignete Ansteuerung erfolgt der Einsatz jeweils als Heizung oder zum Messen. In diesem Fall kann die Strömungsrichtung ebenfalls durch den Volumenstromsensor 103 erfasst werden. Als mögliches Verfahren schickt die Steuerung zeitlich nacheinander zwei Heizpulse aus und misst die Antwort an der jeweils entgegengesetzten Wicklung. Nur bei der Anordnung von Heizung und Messung in Strömungsrichtung wird eine Antwort erhalten.
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Diese Widerstandsänderung kann durch eine geeignete Messschaltung nachgewiesen werden, beispielsweise eine Brückenschaltung. Der Widerstand geeigneter Metalle für den Messdraht weist beispielsweise einen Temperaturkoeffizienten bis 5 %o je K auf.
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Als Draht können allgemein alle elektrischen Leiter auf Basis von Festkörpern verwendet werden, d.h. nicht nur metallische Leiter, sondern auch Leiter auf Kohlenstoffbasis, beispielsweise Graphit, Kohlefasern, Kohlenstoffnanoröhren, Leiter auf Halbleiterbasis, sowie elektrisch leitfähige Kunststoffe und Trägerstrukturen aus nicht zwingend nichtleitfähigem Material mit leitfähiger Beschichtung.
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Der Heizdraht 109 und der Messdraht 111 sind bevorzugt als Blankdraht ausgeführt, da eine Isolierung immer einen schlechten Wärmeübergang darstellt. In diesem Fall lässt sich zwischen Heizelement 105 und Temperaturerfassungselement 107 zusätzlich die elektrische Leitfähigkeit des Fluids messen. Diese kann in Haushaltsgeräten 100 eine Wertvolle Zusatzinformation darstellen. Wird der Volumenstromsensor 103 beispielsweise für einen Wasserzulauf eingesetzt, kann die Leitfähigkeit indirekt eine Information über die Wasserhärte geben.
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Der Heizdraht 109 kann während der Heizphase als sein eigener Temperatursensor fungieren. Dies lässt sich dazu verwenden, um während des Heizens das Vorhandensein eines Fluids festzustellen und die Heizleistung anzupassen. In dem Haushaltsgerät kann eine entsprechende Meldung an das System gegeben werden, beispielsweise um den Benutzer anzuweisen, das Fluid nachzufüllen.
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Außerdem lässt sich mit diesem Effekt ein anemometrische Messprinzip durchführen, bei dem die beim Heizen des Heizdrahtes vom umfließenden Fluid mitgenommene Wärmemenge erfasst und die Geschwindigkeit des Fluids ermittelt wird. Dies kann zusätzlich zu der Laufzeitmessung durchgeführt werden, so dass zusätzliche Daten über das Fluid gewonnen werden, wie beispielsweise Wärmekapazität und -leitfähigkeit. Mit dem anemometrischen Messprinzip lassen sich auch Geschwindigkeiten gasförmiger Medien besonders gut messen. Zudem ist dieses Messprinzip auch für turbulente Strömungen geeignet. Durch diese Ansteuerung wird ein Volumenstromsensor 103 realisiert, der sowohl bei Gasen wie Flüssigkeiten, jeweils mit laminarer und turbulenter Strömung verwendbar ist.
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Zudem lässt sich die aktuelle Temperatur des Fluids feststellen und von der Steuerung auswerten. Aus bei gegebenem zeitlichen Verlauf der Heizleistung am Heizelement 105 und dem zeitlichen Verlauf der an das Temperaturerfassungselement 107 abgegebenen Fluiderwärmung lässt sich zusätzlich zur Laufzeit die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmekapazität des Fluids ermitteln, beispielsweise über die Messung der Veränderung der geometrischen Ausbreitung einer Heizzone oder Einbringen thermischer Markierungen in das Fluid und Messen der Laufzeit.
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Aus einer Erwärmung des Heizelements bei gegebener Leistung lässt sich bei bekannter Wärmekapazität oder Wärmeleitfähigkeit des Fluids auf Störungen schließen, wie beispielsweise Luftblasen. Typische Wärmeleitfähigkeiten sind aber vergleichsweise langsam gegen die zu messende Fluidgeschwindigkeit, so dass der Wärmepuls einigermaßen kompakt und an allen Punkten des Messdrahts 111 gleichzeitig ankommt und sich die Unschärfe in Grenzen hält.
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Verschmutzungen des Heizdrahtes 109 oder des Messdrahtes 111 verringern die Wärmeübergänge und lassen sich als Veränderung in den gemessenen Pulsformen detektieren. Diese Information lässt sich für Wartungszwecke auswerten, um beispielsweise ein Reinigungsprogramm zu starten, bei dem der Sensor rückwärts mit Wasser gespült wird.
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5 zeigt eine Ansicht eines Rohrs 101 mit dem Volumenstromsensor 103. Der Heizdraht 109 erzeugt eine linienförmige zunächst gerade Heizzone 129 im Fluid, die sich im weiteren Verlauf parabelartig deformiert. Im Messdraht 111 erzeugt der Scheitel der durchlaufenden parabelförmigen Heizzone 129 einen Messpuls. Die nicht im Scheitel liegenden Anteile der parabelförmigen Heizzone strömen am Messdraht 111 vorbei. Die den Messdraht 111 sonst umströmenden Fluidanteile sind nicht geheizt.
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Durch die Anordnung mit orthogonalem Heizdraht 109 und Messdraht 111 wird eine zeitliche Verbreiterung reduziert und nur der Geschwindigkeitsanteil in der Mitte der Strömung gemessen, d.h. am Kreuzungspunkt der beiden Drähte in der Projektion in Strömungsrichtung. Bei einer Verwendung eines gekreuzten Heizdrahtes 109 und Messdrahtes 111 wird empfindliche Messapparatur mit einem hohen thermischen Koeffizient der entsprechenden elektrischen Größe, wie beispielsweise dem elektrischen Widerstand, und Hardware- oder Software-Steuerung verwendet, um die gewünschten Signale aus dem Rauschen zu filtern.
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Die den Messpuls 133 verbreiternden Anteile werden durch die Orthogonalität der Drähte abgeschnitten. Der Messpuls 133 gewinnt an Schärfe, verliert aber an Amplitude. Wäre der Messdraht 111 parallel zum Heizdraht 109 angeordnet, würde sich aufgrund der Parabelform der den Messdraht 111 passierenden Heizzone 129 der Messpuls 133 verbreitern.
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6 zeigt eine Ansicht eines Rohrs 101 mit einem weiteren Volumenstromsensor 103. Der Heizdraht 109 und der Messdraht 111 sind parallel zueinander angeordnet und entlang der Achse des Rohres 101 beabstandet. Bei einer Verwendung paralleler Drähte lässt sich aus dem zeitlichen Verlauf des Signals am Messdraht 111 auf das Strömungsprofil des Fluids schließen.
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Bei parallel verlaufenden Drähten spiegelt der zeitliche Verlauf des Temperatursignals die Strömungsverhältnisse wider. Jedes Strömungsprofil hinterlässt einen charakteristischen thermischen Fingerabdruck. Durch den von der Strömung räumlich in die Länge gezogenen Heizpuls 131 ist das Messsignal zeitlich ebenfalls in die Länge gezogen.
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7 zeigt eine Ansicht eines Rohrs 101 mit einem weiteren Volumenstromsensor 103. Der Heizdraht 109 und der Messdraht 111 sind in einem Winkel zueinander angeordnet und entlang der Achse des Rohres 101 beabstandet. Ein Verwenden eines kleineren Winkels als 90° vergrößert die Empfindlichkeit des Volumenstromsensors 103. Eine parabelförmige Heizzone lässt sich in ihrem Scheitel in guter Näherung durch eine Gerade annähern. In dem Maß dieser Näherung wird ein Kreuzungswinkel der beiden Drähte um 45° vorteilhaft sein. Gegeneinander geneigte Drähte verteilen den Messbereich auf eine größere Fläche und erhöhen damit die Empfindlichkeit des Volumenstromsensors 103. Der vom Volumenstromsensor 103 erfasste Strömungsbereich hat etwa eine elliptische Form. Mit unter einem Winkel gekreuzten Drähten lässt sich eine Erhöhung der Empfindlichkeit bei nur geringem Genauigkeitsverlust erreichen.
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8 zeigt eine Ansicht eines Rohrs 101 mit einem weiteren Volumenstromsensor 103. Der Volumenstromsensor 103 umfasst einen weiteren Messdraht 123, der parallel zu demjenigen Messdraht 111 verläuft, der sich radial durch das Rohr 101 erstreckt. Die beiden Messdrähte 111 und 123 sind parallel. Der Messdraht 111 läuft durch die Mitte des Rohrs 101 und der Messdraht 123 liegt etwa auf einem halben Rohrradius parallel zum Messdraht 111.
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In der Projektion ergeben sich zwei Schnittpunkte. Die Geschwindigkeiten der diese beiden Schnittpunkte durchquerenden Fluidfasern lassen sich unabhängig voneinander messen, beispielsweise durch zwei zeitlich getrennten Heizpulse und Messen von deren Messpulsen 133 an den Messdrähten 111 und 123.
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Durch Einsatz mehrerer Drähte in der Heiz- oder der Empfangszone lassen sich zusätzliche Information über das Strömungsprofil gewinnen. Je nach Grad einer Turbulenz ist das Geschwindigkeitsprofil von parabelförmig bis nahezu konstant, beispielsweise bei einem sogenannten Kolbenprofil bei einer turbulenten Strömung. Die Kurvenschar in der mittleren Ansicht zeigt die idealisierte Ausbreitung der Heizzone für ein laminares Strömungsprofil in jeweils gleichen Zeitabständen. Die beiden Messdrähte 111 und 123 werden von der durchlaufenden Heizzone zu unterschiedlichen Zeiten erreicht. Die Kurvenschar in der unteren Ansicht zeigt die idealisierte Ausbreitung der Heizzone für ein im Wesentlichen turbulentes Strömungsprofil (Kolbenprofil) in jeweils gleichen Zeitabständen. Die beiden Messdrähte 111 und 123 werden von der Heizzone praktisch zur selben Zeit erreicht. Nicht dargestellt ist die im Verlauf der Strömung durch Turbulenz zunehmende Durchmischung mit einhergehendem Verlust an Schärfe der Heizzone.
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Im Allgemeinen können beliebige Raster von Heizdrähten 109 oder Messdrähten 111 verwendet werden. Bei mehreren Heizdrähten 109 erfolgt das Beheizen bevorzugt in Folge. Im Allgemeinen können auch Heiz- oder Messdrahtraster aus jeweils einigen parallelen Drähten in einer Ebene orthogonal zur Zylinderachse verwendet werden.
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9 zeigt eine Ansicht eines Rohrs 101 mit einem weiteren Volumenstromsensor 103. Der Volumenstromsensor 103 umfasst einen parabelförmig gebogenen Heizdraht 113 und einen parabelförmig gebogenen Messdraht 115. Der Heizdraht 113 und der Messdraht 115 stellen einen ebenen Schnitt durch die Paraboloide in der Rohrachse dar. Vom Heizdraht 113 wird auf den Messdraht 115 eine thermische Markierung hoher Energie und großer zeitlicher Schärfe übertragen.
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10 zeigt eine Ansicht eines Rohrs 101 mit einem weiteren Volumenstromsensor 103. Der Volumenstromsensor 103 umfasst einen spiralförmig gewickelten Heizdraht 113 in Paraboloidform und einen spiralförmig gewickelten Messdraht 115 in entgegengesetzter Paraboloidform. Das eine Paraboloid ist in Strömungsrichtung konvex und das andere Paraboloid ist in Strömungsrichtung konkav. Die beiden Paraboloide schneiden sich an der Rohrwand.
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Der Heizdraht 113 und der Messdraht 115 ist auf einem parabolförmigen Tragkörper 117 angeordnet, der in das Rohr 101 eingesetzt wird. Der Tragkörper 117 ist käfigartig gehalten, so dass dem durchfließenden Fluid nur ein geringes Hindernis in den Weg gestellt wird. Auf die beiden Käfighälften des Tragkörpers 117 ist jeweils der Heizdraht 113 und der Messdraht 115 aufgewickelt. Die Wickeldichte ist derart gewählt, dass durch die Drähte nur ein geringer Strömungswiderstand entsteht.
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Ein kurzer Stromimpuls auf den stromaufwärts liegenden Heizdraht 113 führt zu einer lokalen Erwärmung im Fluid, die vom Fluidstrom mitgenommen wird und sich dabei von einem konvexen in ein konkaves Paraboloid umstülpt. Diese Erwärmung wird von dem stromabwärts liegenden Messdraht 115 erfasst. Die thermische Markierung verbreitert sich vor allem durch Wärmeleitung im Fluid. Vorteilhaft ist eine bifilare Drahtbewicklung, bei der Draht jeweils vom Scheitel des Paraboloids in zwei Spiralen zur Nullstelle gewickelt wird. Ein Herausführen der Anschlüsse gestaltet sich dadurch einfacher.
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Im Allgemeinen können jedoch auch andere Flächenpaarungen verwendet werden. Beispielsweise kann eine Kombination aus einer Ebene und einem konkavem Paraboloid, eine Kombination aus einem konvexen Paraboloid und einer Ebene, eine Kombination aus zwei konkaven Paraboloiden unterschiedlicher Höhe oder eine Kombination aus zwei konvexen Paraboloiden unterschiedlicher Höhe verwendet werden, die jeweils als Heizdraht 113 und/oder Messdraht 115 ausgeführt sind. Der Heiz- und Messpuls 131 und 133 weisen durch die Paraboloid- oder Parabelform ein großes Maß an Schärfe auf, so dass eine Präzision des Volumenstromsensors 103 gesteigert wird. Allerdings kann auch je Heizelement 105 und Temperaturerfassungselement 107 eine Anzahl parallel verlaufender Drähte verwendet werden, die in Form von Parabelbögen angeordnet sind. Die Heiz- und Messdrähte 113 und 115 sind bevorzugt orthogonal zueinander.
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11 zeigt eine Ansicht eines Rohrs 101 mit einem weiteren Volumenstromsensor 103. In der Mitte des Heizdrahtes 109 und des Messdrahtes 111 ist jeweils eine S-förmige Wendel 121 angeordnet. Dadurch kann die Paraboloide auf eine in deren Scheitelpunkt liegende Tangentialebene reduziert oder angenähert werden. Im Allgemeinen kann jede Form von ebenen Wicklungen oder sonstigen ebenen Strukturen verwendet werden, beispielsweise Mäandern. Die Zuleitungs- und Haltedrähte der Wendeln 121 sind überdeckungsfrei und orthogonal zueinander angeordnet. Da die beiden Drähte orthogonal zueinander liegen, ist die Messung auf einen kleinen Bereich um die Achse der Strömung beschränkt.
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12 zeigt Ansichten von Brückenschaltungen 125 mit einer Widerstandbrücke 119, die zur Erfassung einer Widerstandänderung des elektrischen Temperaturerfassungselements 107 verwendet werden kann. In einem symmetrischen Aufbau mit Mittelanzapfung lassen sich der Heizdraht 109 und der Messdraht 111 in einer Brücke gegeneinander schalten, beispielsweise in einer Wheatstonebrücke oder einer Thomsonbrücke. Dadurch wird die Elektronik vereinfacht.
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Der Temperaturabgleich der Brücke ist ohne weitere Maßnahmen automatisch gegeben, da sich Heizdraht 109 und der Messdraht 111 in der gleichen Flüssigkeit befinden. Eine Temperaturerhöhung in dem Messdraht 111 infolge Eintreffen einer thermischen Markierung wird gegen die durchschnittliche Temperatur des unbeheizten Fluids an dem Messdraht gemessen. Eine Polarität der Diagonalspannung der Brücke gibt zusätzlich noch die Strömungsrichtung an. Ein Verfahren zum Betrieb kann durch gleichzeitiges Heizen des Heizdrahtes 109 und des Messdrahtes 111 durch pulsartiges Erhöhen der Brückenspannung U0 mit einem Impuls erfolgen, der verglichen mit der Laufzeit kurz ist.
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Eine typische Brückenschaltung mit geringer Eigenwärmeerzeugung liefert damit etwa 1 mV/K, im Gegensatz zu Thermoelementen mit typischen Messspannungen im Bereich um 50 µV/K. Allerdings können die Signale auch mit Halbleiterbauelementen gut direkt ausgewertet werden. Vorteilhaft ist eine Gestaltung, bei der die Signale über einen Verstärker direkt an die Auswertungssoftware übergeben werden und die Differenzbildung von einer Software vorgenommen wird.
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Bei langsamen Strömungsgeschwindigkeiten und hohen Viskositäten, wie beispielsweise in Hausgeräten bei Dosiersystemen für flüssige Hilfsstoffe, kann der beschriebene Volumenstromsensor 103 zur Volumenstrommessung ohne bewegliche Teile verwendet werden. Der technische Aufwand ist gering, da das Heizelement 105 und das Temperaturerfassungselement 107 auf einfache Weise hegestellt werden können.
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Die Messung des Volumenstroms beruht auf einer Geschwindigkeitsermittlung durch Laufzeitmessung, die typischerweise im Bereich einiger Sekunden bis hinunter zu einer zehntel Sekunde liegt. Die Messung lässt sich mit geringem Hardwareaufwand mit einer hohen Präzision oder als Softwarelösung direkt in der Steuerung des Haushaltsgerätes 100 implementieren.
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Der Volumenstromsensor 103 ist unabhängig von den Umgebungsbedingungen und von der Art des zu messenden Fluids, wie beispielsweise der Viskosität. Der Volumenstromsensor 103 wird auch durch einen hohen Grad an Verschmutzung, Verkalkung oder Verflusung kaum beeinflusst. Solange der Volumenstromsensor 103 in der Lage ist, zwischen kaltem und beheiztem Fluid zu unterscheiden, ist eine präzise Laufzeitmessung unproblematisch.
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Durch eine flächen- oder linienartige Einbringung oder Messung verteilt sich die Energie auf einen großen Bereich des Fluids, so dass die Energiedichte bei gegebener Nachweisbarkeitsgrenze verringert wird. Temperaturempfindliche Fluide können dadurch vor lokaler Überhitzung geschützt werden. Die lokale Heizleistung des Heizelements ist verringert, so dass dessen Lebensdauer zunimmt.
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Alle genannten Varianten des Volumenstromsensors 103 können in Ausführungen mit gekreuzten, parallelen oder unter anderen Winkeln zueinander liegenden Drähten ausgebildet sein, um die vom Sender zum Empfänger übertragbare Energie und die Impulsschärfe anzupassen. Da in Ausführungsformen mit gekreuzten Drähten die Überlappungszonen von Sender und Empfänger sehr gering sind, kann es vorteilhaft sein, statt einer Widerstandsänderung in einem Draht eine Thermospannung mit einem Thermoelement zu messen.
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Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten und gezeigten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Haushaltsgerät
- 101
- Rohr
- 103
- Volumenstromsensor
- 105
- Heizelement
- 107
- Temperaturerfassungselement
- 109
- Heizdraht
- 111
- Messdraht
- 113
- Heizdraht
- 115
- Messdraht
- 117
- Tragkörper
- 119
- Widerstandsbrücke
- 121
- Wendel
- 123
- Messdraht
- 125
- Brückenschaltung
- 127
- Strömungsverteilung
- 129
- Heizzone
- 131
- Heizpuls
- 133
- Messpuls
- 135
- Steuerung
