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Die Erfindung betrifft einen Temperaturfühler zur Einführung in eine Messaufnahme eines Temperaturkalibrators.
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Temperaturkalibratoren sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. Beispielsweise zeigt die
DE 10 2017 115 491 B3 einen Temperaturkalibrator mit einem mittels eines Heizelementes beheizten Kalibrierblock, in den eine Kalibrierhülse eingesetzt wird. Die Kalibrierhülse ist im Kalibrierblock austauschbar aufgenommen, um unterschiedlich ausgestaltete Messaufnahmen bereitzustellen, in denen unterschiedliche Prüflinge mit beispielsweise verschiedenen Abmessungen aufgenommen werden können, die in der Messaufnahme innerhalb der Kalibrierhülse und damit im Temperaturkalibrator aufgenommen und damit kalibriert werden können.
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Der zu kalibrierende Temperatursensor weist damit wie beschrieben gewöhnlich eine deutlich geringere Länge auf als die Länge der Messaufnahme, die in Form einer Bohrung in der Kalibrierhülse eingebracht ist, sodass der Prüfling in unterschiedlichen Höhenpositionen in der Messaufnahme angeordnet werden kann. Zudem sind Prüflinge in Form von Temperatursensoren zu kalibrieren, bei denen sich die eigentliche Messstelle zur Messwertaufnahme an unterschiedlichen Höhenpositionen befindet.
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Innerhalb oder um den Kalibrierblock herum befindet sich ein Heizelement zum Erwärmen des Kalibrierblockes, wobei die Wärme sich möglichst gleichmäßig in der Kalibrierhülse verteilen soll. Aufgrund von Materialinhomogenität und aufgrund von Inhomogenitäten der Wärmeabgabe des Heizelementes kann sich jedoch über der axialen Länge der Messaufnahme zur Aufnahme des Prüflings ein ungleiches Temperaturprofil einstellen, das Abweichungen der tatsächlichen Prüftemperatur in der Temperaturhülse erzeugt. Diese Abweichungen müssen bei einer Kalibrierung des Temperaturkalibrators erfasst und dokumentiert werden.
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Für eine solche Kalibrierung ist es üblich, einen Temperatursensor in die Messaufnahme einzubringen und eine Messung in jeweiligen verschiedenen Höhenpositionen vorzunehmen. Die Validierungsmessungen der axialen Temperaturinhomogenität eines Temperaturkalibrators sind dabei sehr zeitintensiv, da für jede Höhenposition entlang der Messaufnahme eine Haltezeit erforderlich ist, bis sich der Temperaturkalibrator mit dem Temperaturfühler im thermischen Gleichgewicht befindet, und eine Temperatur sicher abgelesen werden kann. Dieser Vorgang wird manuell ausgeführt und kann mehrere Stunden in Anspruch nehmen.
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OFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe der Erfindung ist die verbesserte Validierungsmessung der Temperaturinhomogenität über der axialen Länge der Messaufnahme eines Temperaturkalibrators. Insbesondere sollen derartige Validierungsmessungen leichter ausgeführt werden können, und der Zeitaufwand für die Validierungsmessungen soll erheblich reduziert werden können.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Temperaturkalibrator gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass der Temperaturfühler eine Messlanze mit wenigstens zwei beabstandet zueinander angeordneten Sensorelementen aufweist.
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Kerngedanke der Erfindung ist die einmalige Einführung eines einzigen Temperaturfühlers in die Messaufnahme des Temperaturkalibrators, für die das axiale Temperaturprofil während eines Testbetriebs des Temperaturkalibrators bestimmt werden kann. Der Vorteil ist die ruhende Anordnung des Temperaturfühlers in der Messaufnahme, wobei der Temperaturfühler eine Messlanze aufweist, die insbesondere angepasst ist an die Messaufnahme. Wird der Temperaturkalibrator betrieben, so bildet sich das Temperaturprofil über der axialen Länge der Messaufnahme aus, insbesondere einer Kalibrierhülse in Anordnung in einem Kalibrierblock des Temperaturkalibrators. Dieses Temperaturprofil bildet sich auf die Messlanze ab und kann damit erfasst werden. Um eine besonders gute Wärmeleitung von der Messaufnahme in der Kalibrierhülse auf die Messlanze zu erreichen, kann zwischen Messlanze und der Messaufnahme ein möglichst kleiner radialer Spalt vorgesehen sein.
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Die Messlanze weist wenigstens zwei Sensorelemente auf, wobei es vorteilhaft ist, drei, vier oder noch mehr Sensorelemente entlang der Messlanze vorzusehen. Die Sensorelemente sind dabei beabstandet zueinander in der Messlanze angeordnet, und jedes Sensorelement kann die tatsächliche Temperatur auf einem axialen Höhenniveau in der Messaufnahme erfassen, beispielsweise in der Sensoraufnahmebohrung innerhalb einer Kalibrierhülse. Dabei ist es auch denkbar, den Temperaturfühler in einem Flüssigkeitsbad einzutauchen, um diesen entsprechend zu kalibrieren. Für die regelmäßige Anwendung jedoch dient der Temperaturfühler der Validierung der Temperaturverteilung über der axialen Länge einer Messaufnahme in einem Temperaturkalibrator, wobei auch fluidbasierte Kalibrierhülsen bekannt sind, die mit einem Silikonöl gefüllt sind, um eine möglichst homogene Temperaturverteilung über der Höhe der Messaufnahme im Temperaturkalibrator schon im Vorfeld zu erreichen.
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Die Messlanze des Temperaturfühlers weist gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ein Aufnahmerohr auf, das sich entlang einer Längsachse erstreckt, und in dem die wenigstens zwei und insbesondere mehrere Sensorelemente angeordnet sind. Der Außendurchmesser des Aufnahmerohres kann dabei angepasst sein an die Messaufnahme des Temperaturkalibrators, die in der Regel als Bohrung im Temperaturkalibrator vorliegt, insbesondere innerhalb der Kalibrierhülse und/oder im Kalibrierblock.
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Die Länge der Messlanze und insbesondere die Länge des Aufnahmerohres ist insbesondere so ausgelegt, dass sich das Aufnahmerohr im Wesentlichen über der gesamten Länge der Messaufnahme erstreckt. Die Sensorelemente sind dabei innerhalb des Aufnahmerohres so zueinander verteilt, dass eine Temperatur in diskreten Abständen über der axialen Länge der Messaufnahme abgegriffen werden kann. Die Messung der Temperaturen in den verschiedenen axialen Höhen der Messaufnahme mittels der jeweiligen Sensorelemente kann simultan oder nacheinander erfolgen. Beispielsweise können die Temperaturen über einen zeitlich wiederkehrenden Abruf des Messwertes an den Sensorelementen nach und nach abgegriffen werden. Bei einer simultanen Messung können die Temperaturwerte an den axialen Positionen der Sensorelemente aber auch gleichzeitig abgerufen werden.
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Das Aufnahmerohr weist an einer Endseite, die das freie Ende des Aufnahmerohres bildet, einen Verschluss auf, der insbesondere einteilig und materialeinheitlich mit dem Aufnahmerohr ausgebildet ist. An der weiteren, gegenüberliegenden Endseite des Aufnahmerohres sind elektrische Leiter aus diesem herausgeführt, sodass die dem Verschluss gegenüberliegende Endseite des Aufnahmerohres offen ausgestaltet ist, und wobei die offene Endseite in einem späteren Schritt ebenfalls verschlossen werden kann, während jedoch die elektrischen Leiter zur Kontaktierung der Sensorelemente durch die weitere Endseite hindurchgeführt sind.
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Die wenigstens zwei oder mehreren Sensorelemente sind entlang der Längsachse des Aufnahmerohres gleich zueinander beabstandet im Aufnahmerohr angeordnet. Die Sensorelemente müssen dabei nicht zwingend in der Position angeordnet sein, die mit der zentralen Längsachse des vorzugsweise kreisrunden Aufnahmerohres definiert ist, jedoch sind die Abstände der Sensorelemente zueinander entlang der Längsachse vorzugsweise jeweils gleich ausgeführt.
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Besonders vorteilhaft ist es, in dem Aufnahmerohr eine länglich ausgebildete Leiterplatte einzubringen, auf der die Sensorelemente aufgenommen sind. Durch die Leiterplatte wird der Abstand der Sensorelemente zueinander aufrechterhalten, sodass sich bei der Anordnung der Sensorelemente innerhalb des Aufnahmerohres eine starre Anordnung ergibt. Alternativ können auch Abstandshalter oder sonstige Halteelemente vorgesehen werden, mit denen der Abstand der Sensorelemente zueinander gewahrt wird, wobei es auch denkbar ist, dass alternativ zu einer Leiterplatte eine fliegende Verdrahtung zum Einsatz kommt.
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Ein weiterer Vorteil wird erreicht, indem das Aufnahmerohr mit einem Wärmeleitmittel gefüllt ist. In dem Wärmeleitmittel sind dabei die Sensorelemente und/oder die Leiterplatte mit der jeweiligen Verdrahtung und den elektrischen Leitern, die aus der Endseite des Aufnahmerohres herausgeführt sind, eingebettet. Durch das Wärmeleitmittel werden die Sensorelemente und/oder die Leiterplatte innerhalb des Aufnahmerohres vorteilhafterweise fixiert, und das Wärmeleitmittel dient zur besonders guten Wärmeleitung aus der Messaufnahme, insbesondere also der Wärme der Kalibrierhülse oder des Flüssigkeitsbades, an die Sensorelemente. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Wärmeleitmittel zugleich die Eigenschaften einer Vergussmasse aufweist, die die Sensorelemente mit der Leiterplatte im Aufnahmerohr vergießt und damit fixiert und stoßunempfindlich macht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Temperaturfühlers schließt sich an das Aufnahmerohr ein Handgriff an. Der Handgriff befindet sich insbesondere an der Endseite des Aufnahmerohres, die nicht unmittelbar verschlossen ist, und aus der die elektrischen Leiter herausgeführt und vorzugsweise in den Handgriff hineingeführt sind.
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Im Handgriff ist vorzugsweise eine Auswerte-Messeinheit vorhanden. Die Auswerte-Messeinheit dient der Ansteuerung und Auslesung der Sensorelemente. Die Auswerte-Messeinheit weist entweder einen kabelgebundenen Signalanschluss auf, mit dem der Temperaturfühler an den Temperaturkalibrator anschließbar ist oder die Kommunikation zwischen dem Temperaturfühler und dem Temperaturkalibrator erfolgt drahtlos. Hierfür kann die Auswerte-Messeinheit eine drahtlos ausgebildete Kommunikationseinheit zur Datenkommunikation mit dem Temperaturkalibrator aufweisen oder der Temperaturfühler weist einen Signalanschluss zur Verbindung mit dem Temperaturkalibrator auf. Alternativ kann die Kommunikationseinheit auch eine Datenkommunikation mit sonstigen peripheren Einrichtungen wie einem PC, einem Tablet-Computer oder einem Smartphone aufbauen.
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Alternativ ist die Auswerte-Messeinheit peripher angeordnet, sodass der Handgriff entweder frei von elektronischen Komponenten ausgeführt ist und beispielsweise nur der elektrische Leiter durch den Handgriff hindurchgeführt ist, oder Teile der die Auswerte-Messeinheit sind im Handgriff aufgenommen. Auch ist es denkbar, dass nur eine Kommunikationseinheit im Handgriff integriert ist, um mit einer externen elektrischen Einheit zu kommunizieren.
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Figurenliste
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
- 1 eine Ansicht der Messlanze eines erfindungsgemäßen Temperaturfühlers mit in der Messlanze angeordneten Sensorelementen,
- 2 eine Gesamtansicht des erfindungsgemäßen Temperaturfühlers mit der Messlanze und mit einem Handgriff,
- 3 den Temperaturfühler im Einsatz mit einem Temperaturkalibrator,
- 4 einen Einsatz des Temperaturfühlers in einem Flüssigkeitsbad und
- 5 eine schematische Ansicht der elektrischen Beschaltung der Sensorelemente mittels der Auswerte-Messeinheit.
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1 zeigt eine Teilansicht des Temperaturfühlers im vorderen Bereich der Messlanze 12. Als Grundbauteil weist die Messlanze 12 ein Aufnahmerohr 14 auf, das sich entlang einer Längsachse 17 erstreckt und einen beispielhaft kreisrunden Querschnitt besitzt. Der kreisrunde Querschnitt und dessen Außendurchmesser können dabei angepasst sein an die Geometrie der Messaufnahme zur Aufnahme der Prüflinge im Temperaturkalibrator, die in der Regel auch aus einer Zylinderbohrung besteht. Der Durchmesser des Aufnahmerohrs 14 ist folglich insbesondere angepasst an den Durchmesser der Messaufnahme im Temperaturkalibrator.
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Das Aufnahmerohr 14 ist auf der dargestellten linken Seite mit einem Verschluss 15 verschlossen, wobei der Verschluss 15 und das Aufnahmerohr 14 materialeinheitlich und unterbrechungsfrei miteinander ausgebildet sind. Das Aufnahmerohr 14 weist insbesondere einen metallischen Werkstoff auf, wobei das Aufnahmerohr 14 entlang der Längsachse 17 auch Unterteilungen aufweisen kann, die so ausgestaltet sind, dass der Abschnitt des Aufnahmerohrs 14 an den diskreten Positionen der jeweiligen Sensorelemente 13 thermisch gegeneinander isoliert sind. Damit wird vermieden, dass eine Temperaturhomogenisierung bereits im Aufnahmerohr 14 einhergeht, wenn dieses insbesondere aus einem metallischen Werkstoff mit einer hohen Leitfähigkeit gebildet wird. Dadurch wird auch die Messung genauer, die mit den Sensorelementen 13 auf der jeweiligen axialen Höhe in der Messaufnahme des Temperaturkalibrators gemessen wird.
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Die dargestellten Sensorelemente 13 sind auf einer durchgehenden Leiterplatte 18 angeordnet, die gemeinsam mit den Sensorelementen 13 in das Aufnahmerohr 14 eingeführt ist. Um die Leiterplatte 18 mit den Sensorelementen 13 zu fixieren und um eine gute Wärmeleitung von dem Aufnahmerohr 14 an die Sensorelemente 13 zu ermöglichen, ist das Aufnahmerohr 14 mit einem Wärmeleitmittel 19 gefüllt, beispielsweise einer Vergussmasse mit guten Wärmeleiteigenschafen. Aus der offenen Seite des Aufnahmerohrs 14 sind elektrische Leiter 16 herausgeführt, um die Sensorelemente 13 mit einer Auswerte-Messeinheit 21 zu verbinden.
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2 zeigt den gesamten Temperaturfühler 10 mit den Merkmalen der Erfindung. Auf der Vorderseite besitzt der Temperaturfühler 10 die Messlanze 12 mit den mehreren Sensorelementen 13, und an die Messlanze 12 schließt sich ein Handgriff 20 an, in dem eine Auswerte-Messeinheit 21 angeordnet ist. Die Sensorelemente 13 sind auf der Leiterplatte 18 aufgenommen, die mittels der elektrischen Leiter 16 mit der Auswerte-Messeinheit 21verbunden ist.
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Die Auswerte-Messeinheit 21 dient zur Ansteuerung der Sensorelemente 13, insbesondere um durch diese einen Strom zu führen und um die jeweils abfallenden Spannungen an den einzelnen Sensorelementen 13 zu erfassen. Zur Weitergabe der Information über die gemessenen Werte weist der Temperaturfühler 10 einen Signalanschluss 22 auf, wobei alternativ oder zusätzlich eine Kommunikationseinheit 23 vorgesehen ist, die beispielhaft als Teil der Auswerte-Messeinheit 21 gezeigt ist und sich im Handgriff 20 befindet.
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Der Signalanschluss 22 ist dazu ausgebildet, mit dem Temperaturkalibrator verbunden zu werden, in dessen Messaufnahme der Temperaturfühler 10 eingesetzt ist. Auf gleiche Weise ist die Kommunikationseinheit 23 dazu ausgebildet, mit dem Temperaturkalibrator zu kommunizieren.
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3 stellt einen Messaufbau 100 mit einem Temperaturfühler 10 und mit einem Temperaturkalibrator 1 dar, wobei der Temperaturfühler 10 im Temperaturkalibrator 1 eingesetzt ist. Der Temperaturkalibrator 1 weist als wesentlichen Bestandteil den Kalibrierblock 26 auf, der außenseitig mit Heizelementen 27 beheizt werden kann. Zur Bestimmung der Temperatur im Kalibrierblock 26 dient ein Referenzmessmittel 28, das für die Steuerung des Temperaturkalibrators 1 eine Führungsgröße bereitstellt, indem die Temperatur im Kalibrierblock 26 gemessen wird. In nicht dargestellter Weise können mehrere Referenzmessmittel 28 im Kalibrierblock 26 eingebracht sein, wobei lediglich eines beispielhaft gezeigt ist.
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Innerhalb des Kalibrierblockes 26 ist eine Kalibrierhülse 24 eingebracht, in der eine Messaufnahme 11 vorhanden ist. In diese Messaufnahme 11 ist der Temperaturfühler 10 mit der Messlanze 12 eingesetzt dargestellt. Dabei ragt der Handgriff 20 oberseitig aus der Kalibrierhülse 24 heraus.
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Die Darstellung zeigt die mehreren Sensorelemente 13 in verschiedenen Höhenpositionen entlang der Längsachse 17 des Temperaturfühlers 10 und damit in verschiedenen Höhenpositionen entlang der Messaufnahme 11. Durch die Erfassung der diskreten Temperaturen an den jeweiligen Höhenpositionen mittels der Sensorelemente 13 kann über der Länge bzw. der Tiefe der Messaufnahme 11 ein Temperaturprofil erfasst werden, während der Temperaturkalibrator 1 den Kalibrierblock 26 auf einer konstanten Temperatur hält.
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4 zeigt den Einsatz des Temperaturfühlers 10 mit der Messlanze 12, dem Handgriff 20 und dem Signalanschluss 22 in einem Flüssigkeitsbad 25. In dieses taucht die Messlanze 12 ein, während der Handgriff 20 aus dem Flüssigkeitsbad 25 herausragt. Es sind Temperaturkalibratoren bekannt, die auf dem Einsatz eines Flüssigkeitsbades 25 basieren, das beispielsweise gefüllt ist mit Silikonöl, sodass keine Kalibrierhülse Verwendung findet, die aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet ist, sondern es gibt auch Kalibratoren, die auf Flüssigkeitsbädern basieren. Alternativ kann die dargestellte Anwendung des Temperaturfühlers 10 in einem Flüssigkeitsbad 25 auch dazu dienen, den Temperaturfühler 10 selbst zu kalibrieren.
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5 zeigt schließlich eine Beschaltung der mehreren Sensorelemente 13 mittels der Auswerte-Messeinheit 21 gemäß obenstehender Darstellung. Im Wesentlichen werden die Sensorelemente 13 mit einem Stromleiter 30 mit einem Messstrom I bestromt. Dabei fallen je nach Temperatur an den Sensorelementen 13 Spannungen ab, die dargestellt sind mit U1 bis U4. Dabei erfolgen die Spannungsabgriffe 29 jeweils zwischen den Sensorelementen 13 bzw. an dessen Anschlüssen. Die Sensorelemente 13 können beispielsweise als Platin-Messfühler ausgeführt sein.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten oder räumlicher Anordnungen, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Die in 5 dargestellte Beschaltung der Sensorelemente 13 findet insbesondere im Temperaturfühler 10 gemäß 2 Anwendung. Der Aufbau der Messlanze 12 gemäß 1 findet für den Temperaturfühler 10 gemäß 3 und 4 Anwendung. Die Darstellung zeigt beispielhaft fünf Sensorelemente 13, wobei wenigstens zwei oder eine größere Anzahl von Sensorelementen 13 vorgesehen sein können. Die Anzahl der Sensorelemente 13 hängt insbesondere ab von der Länge und der längenbezogenen Abtastdichte der Messlanze 12.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Temperaturkalibrator
- 10
- Temperaturfühler
- 11
- Messaufnahme
- 12
- Messlanze
- 13
- Sensorelement
- 14
- Aufnahmerohr
- 15
- Verschluss
- 16
- elektrischer Leiter
- 17
- Längsachse
- 18
- Leiterplatte
- 19
- Wärmeleitmittel
- 20
- Handgriff
- 21
- Auswerte-Messeinheit
- 22
- Signalanschluss
- 23
- Kommunikationseinheit
- 24
- Kalibrierhülse
- 25
- Flüssigkeitsbad
- 26
- Kalibrierblock
- 27
- Heizelement
- 28
- Referenzmessmittel
- 29
- Spannungsabgriff
- 30
- Stromleiter
- 100
- Messaufbau
- I
- Messstrom
- U1
- Messspannung
- U2
- Messspannung
- U3
- Messspannung
- U4
- Messspannung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017115491 B3 [0002]
