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Die
Erfindung betrifft ein Entnahmegerät für Wasser- und andere Flüssigkeitsproben
aus einer Vorratsmenge, mit einem Probeaufnahmebehälter zur
Aufnahme einer bestimmten Menge von Probenflüssigkeit als abzufüllende Probe,
mit einer Pumpe zum Entnehmen der Probenflüssigkeit über eine Ansaugleitung aus
der Vorratsmenge und zum Einleiten der Probenflüssigkeit in den Probeaufnahmebehälter, sowie
mit einer Steuereinrichtung zur Mengenbestimmung der Probe.
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Probeentnahmegeräte für Flüssigkeitsproben,
beispielsweise für
Wasserproben, sind an sich bekannt und werden in verschiedensten
Ausführungsformen
für unterschiedlichste Überwachungsaufgaben
eingesetzt. Sie werden unter anderem zur Entnahme von Wasserproben
aus fließenden
bzw. stehenden Gewässern,
Brunnen, Trink-, Brauch- oder Abwasseranlagen verwendet, wobei die
Wasserproben zur Kontrolle der Beschaffenheit bzw. der Einhaltung
bestimmter Parameter anschließend
chemisch oder physikalisch untersucht werden.
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Bekannte
Probeentnahmegeräte
arbeiten heutzutage meist automatisch gesteuert und weisen in der
Regel eine Dosiereinrichtung mit einem Dosiergefäß zur temporären Aufnahme
einer bestimmten Menge einer angesaugten Probenflüssigkeit
auf, die in dem Dosiergefäß automatisch
auf ein bestimmtes Füllniveau
aufgefüllt
oder nach dem vollständigen Auffüllen des
Dosiergefäßes auf
das bestimmte Füllniveau
reduziert wird. Das Füllniveau
wird mittels Flüssigkeitssensoren
festgelegt, die die Einleitung bzw. Ableitung von der Probenflüssigkeit
beenden, sobald sie die Probenflüssigkeit
detektieren. Anschließend
wird die auf diese Weise genau dosierte Menge an Probenflüssigkeit
als abzufüllende
Probe in einen Probeaufnahmebehälter
abgelassen. Das Fördern
der Probenflüssigkeit
in das Dosiergefäß kann dabei
mit einer in der Förderstrecke
zum Dosiergefäß angeordneten
Flüssigkeitsverdrängerpumpe
oder durch ein an das Dosiergefäß angeschlossenes
Vakuumsystem erfolgen. Derartige Probenahmegeräte sind hochgenau in der Dosierung,
jedoch auf grund des komplexen Aufbaus kostenintensiv in der Herstellung
und daher teuer in der Beschaffung.
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Die
meisten Hersteller von Probenahmegeräten bieten daher alternativ
auch einfachere Probenahmegeräte
an, bei der die Dosierung der Probenflüssigkeitsmenge für die abzufüllende Probe
allein durch die Steuerung der Einschaltzeit der vorgesehenen Pumpe
erfolgt und bei der die Probenflüssigkeit direkt
in den Probeaufnahmebehälter
eingeleitet wird. Dazu wird während
der Probenahme die Drehzahl und die Laufzeit der Pumpe gemessen
und bei bekannter Förderrate
der Pumpe, d. h. bei bekannter Fördermenge
von Probenflüssigkeit
pro Zeiteinheit, die Einschaltzeit der Pumpe zum Dosieren der abzufüllenden
Probenflüssigkeitsmenge
durch eine Steuerung bestimmt. Nach Erreichen der errechneten Einschaltzeit
wird die Pumpe dann von der Steuerung abgeschaltet.
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Als
besonders zweckmäßig und
kostengünstig
hat sich eine Schlauchpumpe zum Fördern der Probenflüssigkeit
erwiesen. Schlauchpumpen sind heute schon in vielen technischen
Bereichen von Industrie, Gewerbe, Chemie und Medizin zu finden. Das
Funktionsprinzip der Schlauchpumpe beruht auf dem Abdrücken oder
Abquetschen eines flexiblen Pumpenschlauches an einer oder mehreren
Stellen und durch Bewegen der abgedrückten Stelle in gewünschter
Förderrichtung
der Flüssigkeit.
Die Bewegung der abgedrückten
Stelle wird mit Hilfe eines Pumpenrotors realisiert, an dessen Umfang
sich walzenförmige
Rotorrollen befinden. Die Rotordrehzahl und der Schlauchinnenquerschnitt
bestimmen die Förderleistung
der Schlauchpumpe. Das einzige Verschleißteil einer solchen Pumpe ist
der Pumpenschlauch, der im Betrieb permanent gewalkt wird. Mit zunehmender
Alterung verändert
sich dadurch die Förderleistung
und der Förderdruck
der Schlauchpumpe.
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Es
ist dem Fachmann bekannt, das die Förderrate von Pumpen abhängig ist
von der Viskosität und
von der Ansaughöhe
der zu fördernden
Flüssigkeit.
Außerdem
ist ihm bekannt, dass auch mit der Flüssigkeit mitgeförderte Feststoffpartikel
die Förderrate
verändern
können.
Probenahmegeräte
sind zum Einsatz für
die unterschiedlichsten Aufgaben an belieben Einsatzorten vorgesehen.
Dabei muss davon ausgegangen werden, dass die Probenflüssigkeiten unterschiedliche
Viskositäten
und Verschmutzungsgrade aufweisen können und dass die Ansaughöhen an den
Einsatzorten verschieden sind. Diese Einflüsse auf die Förderrate
der Pumpe werden bei den vorstehend beschriebenen einfacheren Probenahmegeraten
in der Regel nicht berücksichtigt,
was als Nachteil angesehen wird, da auch geringe Veränderungen der
Förderrate
sich auf die abgefüllte
Probemenge auswirken.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein Entnahmegerät
mit einer genaueren Dosierung der abzufüllenden Probe vorzuschlagen,
das insbesondere auch die Viskosität, die Verschmutzung und die
Ansaughöhe
der Probenflüssigkeit
berücksichtigt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Entnahmegerät
für Wasser-
und andere Flüssigkeitsproben
aus einer Vorratsmenge mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind den auf diesen rückbezogenen Ansprüchen zu
entnehmen.
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Der
Grundgedanke der Erfindung besteht darin, eine einfache und zuverlässige Pumpe
zum Ansaugen der Probenflüssigkeit
aus der Vorratsmenge zu benutzen, die mit konstanter Drehzahl betrieben
wird, die Menge der als Probe abzufüllenden Probenflüssigkeit
hochgenau allein durch die Laufzeit der Pumpe zu bestimmen und die
Probenflüssigkeit
vorzugsweise direkt in den Probeaufnahmebehälter einzuleiten. Um dies zu
ermöglichen,
ist die genaue Kenntnis der Förderrate,
also die Fördermenge von
Probenflüssigkeit
pro Zeiteinheit zwingend erforderlich.
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Daher
weist das erfindungsgemäße Entnahmegerät für Wasser-
und andere Flüssigkeitsproben aus
einer Vorratsmenge eine Messstrecke auf, mit der die von der Pumpe über eine
Ansaugleitung geförderte
Probenflüssigkeit
die Fördermenge
pro Zeiteinheit oder pro Umdrehung der Pumpe hochgenau messbar ist.
Die Messung erfolgt bei jeder Probenahme, so dass unterschiedliche
Viskositäten,
Verschmutzungsgrade und Ansaughöhen
der Probenflüssigkeit
an gleichen oder verschiedenen Probenahmestellen für die Menge
der abgefüllten
Probe keine Rolle spielen. Die Messstrecke ist in der Ansaugleitung
zu der Pumpe angeordnet. Dabei kann die Pumpe die Probenflüssigkeit
direkt oder indirekt fördern.
Im ersten Fall wird die Probenflüssigkeit
in herkömmlicherweise
durch die im Hauptschluss angeordnete Flüssigkeitsverdrängerpumpe,
beispielsweise eine Schlauchpumpe, hindurch geleitet, im zweiten
Fall an einer im Nebenschluss zu einer Ansaugkammer angeordneten
Vakuumpumpe vorbei, welche die Ansaugkammer mit Unterdruck beaufschlagt.
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Vorteilhafterweise
weist die Messstrecke ein Messförderrohr
mit einem Eintrittsende und einem Austrittsende auf, dessen Hohlraumvolumen
bekannt und langzeitkonstant ausgebildet ist, wobei das stromabwärtige Austrittsende
in vertikaler Richtung oberhalb des stromaufwärtigen Eintrittsendes angeordnet
ist. An dem Eintrittsende tritt aus der Vorratsmenge angesaugte
Probenflüssigkeit
in den Hohlraum des Messförderrohres
ein und verlässt
diesen wieder an dem Austrittsende des Messförderrohres. An das Austrittsende
des Messförderrohres
schließt unmittelbar
eine Förderstrecke
zu dem Probeaufnahmebehälter
hin an. Das Messförderrohr
ist idealerweise aus einem druckfesten formstabilen Kunststoff-
oder Metallmaterial hergestellt, wobei die Wandstärke so gewählt ist,
dass eine Verformung durch den beim Pumpen üblichen Über- oder Unterdruck ausgeschlossen
ist. Des weiteren ist eine glatte Innenwand bei dem Messförderrohr
vorgesehen, die auch mit einer geeigneten Beschichtung versehen sein
kann, um diese vor Ablagerungen und/oder gegebenenfalls Korrosion
zu schützen.
Das Messförderrohr
kann außerdem
eine beliebige Querschnittsform mit oder ohne Zwischenwänden aufweisen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Entnahmegeräts weist
das Messförderrohr
einen ersten, an dem Eintrittsende angeordneten stromaufwärtigen Flüssigkeitssensor und
einen zweiten an dem Austrittsende angeordneten stromabwärtigen Flüssigkeitssensor
auf. Die von der Pumpe aus der Vorratsmenge angesaugte Probenflüssigkeit
erreicht nach dem Einschalten der Pumpe zuerst den stromaufwärtigen Flüssigkeitssensor
und nach dem Durchtritt durch das Messförderrohr den stromabwärtigen Flüssigkeitssensor
der Messstrecke. Um eine genaue Messung sicherzustellen, wird das
Messförderrohr
zuerst mit der Pumpe belüftet,
indem diese vor der Probenahme kurzzeitig entgegen der Laufrichtung
bei der Probenahme betrieben wird.
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Vorteilhafterweise
gibt der erste Flüssigkeitssensor
ein erstes Schaltsignal beim Eintritt der Probenflüssigkeit
in das Messförderrohr
an die Steuereinrichtung ab und anschließend der stromabwärtige Flüssigkeitssensor
ein zweites Schaltsignal an die Steuereinrichtung, sobald die Probenflüssigkeit
das stromabwärtige
Austrittsende des Messförderrohres erreicht
hat.
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Die
Steuereinrichtung des erfindungsgemäßen Entnahmegerätes für Wasser- und andere Flüssigkeitsproben
ermittelt die Zeitdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten
Schaltsignal der Flüssigkeitssensoren
und bestimmt mit dem in der Steuereinrichtung gespeicherten Hohlraumvolumen
des Messförderrohrs
für die
geförderte
Probenflüssigkeit die
Fördermenge
pro Zeiteinheit und unter Berücksichtigung
des ebenfalls bekannten, in der Steuereinrichtung gespeicherten
Hohlraumvolumens der an das Messförderrohr stromabwärts anschließenden Förderstrecke
die noch verbleibende Laufzeit der Pumpe bis zum Erreichen der für die abzufüllende Probe
bestimmten Menge von Probenflüssigkeit
in dem Probeaufnahmebehälter
berechnet und erzeugt nach Ablauf der errechneten Restlaufzeit ein
Ausschaltsignal für
die Pumpe. Bei der Bestimmung der Restlaufzeit werden Totvolumina
der Förderstrecke ebenfalls
berücksichtigt,
die beim Abschalten der Pumpe in der Förderstrecke verbleiben.
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Aufgrund
der jeweils bei jeder Probennahme aktuell ermittelten Durchsatzrate
von Probenflüssigkeit
in dem Messförderrohr
werden Änderungen
der Förderleistung
bzw. des Förderdruckes
der Pumpe bei der Bestimmung der Probenmenge automatisch berücksichtigt.
Damit wird auch der Einfluss der Viskosität und der Verschmutzung der
Probenflüssigkeit sowie
insbesondere bei einer Schlauchpumpe der Einfluss der Alterung des
Förderschlauches
auf die Genauigkeit der Probenmenge weitgehend ausgeschlossen. Auch
durch unterschiedliche Saughöhen bedingte
Veränderungen
der Förderleistung
bzw. des Förderdruckes
der Pumpe wirken sich nicht auf die Volumenmenge der Probe aus.
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Bei
einer Variante des erfindungsgemäßen Entnahmegeräts für Wasser-
und andere Flüssigkeitsproben
ist stromabwärts
des Messförderrohrs,
in vertikaler Richtung oberhalb des Probeaufnahmebehälters ein
Zwischenbehälter
angeordnet. Der Zwischenbehälter
weist eine Eintrittsöffnung
und eine unterhalb der Eintrittsöffnung
angeordnete, mit einem Ablassventil verschließbare Austrittsöffnung auf.
Das Ablassventil dient zum Ablassen der abzufüllenden Probe in den Probeaufnahmebehälter.
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Zum
Entnehmen von Probenflüssigkeit
aus der Vorratsmenge für
eine Probe beaufschlagt die Pumpe den Zwischenbehälter bei
geschlossenem Ablassventil mit Unterdruck. Dabei wird lediglich
Luft von der Pumpe gefördert,
so dass eine Verschmutzung der Pumpenkammern einer herkömmlichen Verdrängungspumpe
durch die Probenflüssigkeit vollkommen
ausgeschlossen ist. Es versteht sich von selbst, dass dabei die
Verwendung einer Schlauchpumpe ausgeschlossen ist. Es hat sich als
zweckmäßig erwiesen,
vor der Probeentnahme bei geschlossenem Ablassventil den Zwischenbehälter mit
Druckluft zu beaufschlagen, was zu einem Freiblasen des Zwischenbehälters, des
Messförderrohrs
und der Ansaugleitung führt.
Danach wird durch Anlegen von Unterdruck Probenflüssigkeit
in den Zwischenbehälter
gefördert.
Die Einstellung der Probenmenge erfolgt identisch wie bei der im
Hauptschluss angeordneten, beispielsweise als Schlauchpumpe ausgebildeten
Flüssigkeitsverdrängerpumpe.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand zweier in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
der Erfindung in Verbindung mit den Ansprüchen und der beigefügten Zeichnung.
Die einzelnen Merkmale der Erfindung können dabei für sich alleine
oder zu mehreren bei unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung zu
finden sein.
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Es
zeigen in einer schematischen Darstellung:
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1 ein
erstes erfindungsgemäßes Entnahmegerät für Wasser- und andere Flüssigkeitsproben,
bei der mittels einer Schlauchpumpe die abzufüllende Probe direkt in einen
Probeaufnahmebehälter
abgefüllt
wird; und
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2 ein
zweites erfindungsgemäße Entnahmegerät für Wasser- und andere Flüssigkeitsproben,
mit einem vor dem Probeaufnahmebehälter angeordneten Zwischenbehälter.
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Die 1, 2 zeigen
das erfindungsgemäße Entnahmegerat 1 für Wasser-
und andere Flüssigkeitsproben
in den beiden dargestellten Ausführungsbeispielen
jeweils ohne Probenflüssigkeit und
ohne Vorratsmenge, aus der die Probenflüssigkeit entnommen werden soll.
In den 1, 2 werden für jeweils gleiche Komponenten
des Entnahmegerätes 1 die
gleichen Bezugsziffern verwendet.
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Das
in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Entnahmegerät 1 weist
eine Ansaugleitung 2 auf, die sich bis zu der in der Zeichnung
nicht dargestellten Vorratsmenge erstreckt. Zur Aufnahme einer bestimmten
Menge von Probenflüssigkeit
als abzufüllende
Probe ist ein Probeaufnahmebehälter 3 vorgesehen.
Die Probenflüssigkeit
wird der Vorratsmenge mittels einer Pumpe 4 entnommen und
zu dem Probeaufnahmebehälter 3 hin
gefördert.
Als Pumpe 4 ist in der Zeichnung eine Schlauchpumpe dargestellt,
an deren Stelle eine beliebige Verdrängerpumpe mit Ventilen oder
Klappen treten kann. Die Pumpe 4 wird von einer ebenfalls
in der Zeichnung nicht dargestellten Steuereinrichtung zur Mengenbestimmung der
Probe zeitgesteuert.
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Der
Schlauchpumpe 4 ist stromaufwärts eine Messstrecke 5 vorgelagert,
mit der für
die Probenflüssigkeit
die durch die Schlauchpumpe 4 bewirkte Fördermenge
pro Zeiteinheit zu dem Probeaufnahmebehälter 3 hin ermittelt
wird. Die Messstrecke 5 umfasst ein längliches hohlzylindrisches
Messförderrohr 6 mit
einem Eintrittsende 7 und einem Austrittsende 8.
Dabei ist das Messförderrohr 6,
dessen Hohlraumvolumen bekannt ist, vertikal angeordnet, so dass
das stromabwärtige
Austrittsende 8 oberhalb des stromaufwärtigen Eintrittsendes 7 angeordnet ist.
Dies ermöglicht
eine schwerkraftbedingte zwangsläufige
Belüftung
des Messförderrohrs 6, wenn
die Pumpe 4 nicht in Betrieb ist bzw. rückwärts läuft. Damit werden für jede Probenahme
identische Ausgangsbedingungen des Probeentnahmegerätes 1 sichergestellt.
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An
dem Eintrittsende 7 ist ein stromaufwärtiger erster Flüssigkeitssensor 9 und
an dem Austrittsende 8 ein stromabwärtiger zweiter Flüssigkeitssensor 10 angeordnet.
Als Flüssigkeitssensoren
können
alle technisch möglichen
Versionen von Flüssigkeitssensoren,
wie Leitfähigkeitsensoren,
Temperatursensoren, Drucksensoren, Ultraschallsensoren, Lichtschranken
oder dergleichen eingesetzt werden. Stromabwärts schließt an das Messförderrohr 6 eine Förderstrecke 11 an,
die bis zu dem Probeaufnahmebehälter 3 reicht.
Die Pumpe 4 ist Teil der Förderstrecke 11.
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Vor
der Probenahme läuft
die Pumpe 4 zuerst rückwärts, d.
h. mit Förderrichtung
zu der Vorratsmenge hin, was dazu führt, dass die Förderstrecke 11,
das Messförderrohr 6 und
die Ansaugleitung 2 vollständig von verbliebenen Rückständen freigeblasen
werden. Dann erst wird die Schlauchpumpe 4 zum Ansaugen
von Probenflüssigkeit
in Vorwärtsrichtung
geschaltet, so dass die angesaugte Probenflüssigkeit zuerst den ersten
Flüssigkeitssensor 9 und
etwas später
den zweiten Flüssigkeitssensor 10 erreicht.
Sobald der erste stromaufwärtige
Flüssigkeitssensor 9 die
Probenflüssigkeit
erkennt, gibt er ein erstes Schaltsignal an die Steuereinrichtung
ab. Gleiches gilt für
den zweiten stromabwärtigen
Flüssigkeitssensor 10,
der ein gegenüber
dem ersten Schaltsignal verzögertes
zweites Schaltsignal an die Steuereinrichtung abgibt. Die Steuereinrichtung
ermittelt dann die Zeitdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten
Schaltsignal der Flüssigkeitssensoren 9, 10.
Der ermittelte Wert beeinflusst die Gesamtlaufzeit der Schlauchpumpe
für die
Probenentnahme. Dabei schaltet die Steuereinrichtung die Pumpe 4 aus,
sobald die bestimmte Menge von Probenflüssigkeit als Probe in den Probeaufnahmebehälter 3 eingeleitet
ist.
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Das
in der 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Entnahmegeräts 1 unterscheidet
sich von dem in der 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel
durch einen Zwischenbehälter 12,
der stromaufwärts
in vertikaler Richtung oberhalb des Probeaufnahmebehälters 3 angeordnet
ist. Der Zwischenbehälter 12 weist
eine Einrittsöffnung 13 und
eine Austrittsöffnung 14 auf. Unterhalb
der Austrittsöffnung 14 ist
ein Ablassventil 15 angeordnet, über das Probenflüssigkeit
oder die abzufüllende
Probe über
einen Ablaufschlauch 16 dem Probeaufnahmebehälter 3 bei
geöffnetem
Ablassventil 15 zugeführt
werden kann.
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Das
in der 2 dargestellte Entnahmegerät 1 unterscheidet
sich außerdem
durch die Anordnung der Pumpe 4 von dem in der 1 gezeigten Aufnahmegerät 1.
Die in der 2 nicht dargestellte Pumpe ist
im Nebenschluss an den Zwischenbehälter 12 angeschlossen.
Sie beaufschlagt diesen zum Entnehmen der Probenflüssigkeit
aus der Vorratsmenge mit Unterdruck, so dass die Probenflüssigkeit durch
die Messstrecke 5 mit dem Messförderrohr 6 und den
Flüssigkeitssensoren 9, 10 in
den Zwischenbehälter 12 gesaugt
wird. Nach Öffnen
des Ablassventil 15 fließt die geförderte Probenflüssigkeit
direkt von dem Zwischenbehälter 12 in
den Probeaufnahmebehälter 3 ab.
Auch die im Nebenschluss arbeitende Pumpe wird dabei von der in
der Zeichnung nicht dargestellten Steuereinrichtung mit Hilfe der von
den Flüssigkeitssensoren 9, 10 des
Messförderrohrs 6 ausgehenden
ersten und zweiten Schaltsignale in identischer Weise wie bei dem
in der 1 dargestellten Entnahmegerät 1 gesteuert, so
dass die Menge der Probenflüssigkeit
für die
abzufüllende Probe ähnlich genau
dosiert wird.