DE2945445A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung des taupunktes - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur bestimmung des taupunktesInfo
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Description
Protimeter Limited in Marlow (Buckinghamshire, England)
Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Taupunktes
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 wiedergegebenen
Art sowie ein entsprechendes Meßverfahren.
Es sind verschiedene Arten von Vorrichtungen zur Taupunktsbestimmung bekannt, einschließlich
elektrisch betriebener Einrichtungen, die zumindest einen Teil der Meßvorgänge automatisch bewerkstelligen.
Bekannte Taupunktsbestimmungseinrichtungen der zuletzt genannten Art arbeiten im wesentlichen nach zwei Verfahren.
Bei dem ersten Verfahren wird ein Körper mit einer optisch glatten Oberfläche ständig mit Hilfe
einer thermoelektrischen Kühleinrichtung am Taupunkt gehalten. Die Steuerung erfolgt durch ein Signal eines
lichtempfindlichen Elements wie z.B. einer Fotozelle, die auf das auf der glatten Oberfläche von einem auf
die Oberfläche gerichteten Lichtstrahl ausgehende Streulicht anspricht. Die Streuung entsteht durch
die Bildung von Tau auf der Oberfläche. Die Anordnung
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wird so getroffen, daß die Taumenge auf der Oberfläche
im wesentlichen konstant auf einem vorbestimmten Niveau gehalten wird, indem die Temperatur geregelt wird, so
daß die Temperatur in der Oberfläche ständig am Taupunkt gehalten wird.
Bei dem zweiten Verfahren wird ein eine optisch glatte Oberfläche aufweisender Körper thermoelektrisch
von einer Temperatur oberhalb des Taupunktes herabgekühlt, wobei die Temperatur der Oberfläche ständig
überwacht wird. Es wird ein Lichtstrahl auf die Oberfläche gerichtet und die Bildung von Tau wiederum
durch die sich einstellende Lichtstreuung an der Oberfläche festgestellt. Die Temperatur, bei der
der Umfang der Streuung einen vorbestimmten Grad annimmt, wird als Maß für die Taupunktstemperatur
genommen. Wenn eine ständige Überwachung des Taupunktes erforderlich ist, wird die Temperatur des
die optisch glatte Oberfläche aufweisenden Körpers bis oberhalb der Taupunktstemperatur jeweils ansteigen
gelassen, nachdem er bis unterhalb dieser Temperatur abgekühlt worden ist. Dieser Zyklus wird ständig
wiederholt, so daß die Taupunktstemperatur in regelmäßigen Abständen wirksam ermittelt werden kann.
Bei den erstgenannten Verfahren ergibt sich eine ständige Überwachung der Taupunktstemperatur
automatisch.
Das erste der beiden Verfahren besitzt den Nachteil, daß es mehr Energie als das zweite Verfahren
erfordert (die Energie»fnotwendig, um den Körper mit der glatten Oberfläche ständig auf einer
niedrigen Temperatur zu halten), wobei die Energiedissipation unvermeidlich zu einer VJärmebildung an
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irgendeiner Stelle der Vorrichtung führt,und dies
an einer Stelle, die ziemlich nah an dem zu kühlenden Körper gelegen ist. Dieser Umstand kann zu Fehlern
führen, wenn nicht eine aufwendige Belüftungsanordnung
zur Bewerkstelligung eines thermischen Gleichgewichts bereitgestellt wird.
Das zweite der beiden diskutierten Verfahren beinhaltet den Nachteil, daß die Frequenz, mit der
Meßwerte der Taupunktstemperatur geliefert werden, um so niedriger ist, je höher die erforderliche Genauigkeit
wird. Wenn die Taubildung auf der Oberfläche so früh wie möglich festgestellt werden soll
und auf zeitliche Verzögerungseffekte zurückzuführende Irrtümer vermieden werden sollen, muß der
die optisch'glatte Oberfläche aufweisende Körper sehr langsam abgekühlt werden, so daß die Dauer
jedes Meßintervalls entsprechend lang und die Meßfrequenz entsprechend niedrig sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Vorrichtung zur Taupunktsbestimmung,
die nach einem Verfahren arbeiten soll, welches im wesentlichen eine Variante des
zweiten der beiden obigen Verfahren ist, jedoch die Nachteile dieses Verfahrens so gering wie möglich
hält.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Bestimmung
des Taupunktes vorgesehen, mit einem Körper, auf welchem sich Tau bilden kann, mit einer Kühleinrichtung
zum Abkühlen des Körpers, mit einer Einrichtung zur Feststellung der Taubildung auf dem Körper
und einer Einrichtung zur Messung der Temperatur des Körpers, mit einer Registriereinrichtung und einer
Steuerung, die die Vorrichtung wiederholt einen Zyklus
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durchlaufen läßt, bei welchem der Körper langsam bis zur Feststellung einer Taubildung abgekühlt,
die entsprechende Temperatur registriert und die Temperatur dann wieder bis zur nächsten Abkühlung
ansteigen gelassen wird, bei welcher die Temperatur durch die Einrichtung zur Messung der Temperatur
ständig überwacht und die Abkühlungsgeschwindigkeit durch die Steuerung in Abhängigkeit von der Differenz
zwischen der augenblicklichen Temperatur und der im vorangehenden Zyklus gemessenen Taupunktstemperatur
gesteuert sowie durch die Registriereinrichtung registriert werden, derart, daß die Abkühlgeschwindigkeit
zumindest für einen Temperaturbereich,- der näher an der im vorangehenden Zyklus ermittelten
Taupunktstemperatur liegt, niedriger als für augenblickliche Temperaturen des Körpers ist, die der im
vorangehenden Zyklus ermittelten Taupunkttemperatur ferner liegen.
Auf diese Weise ist es möglich, die Vorteile einer schnellen Abkühlgeschwindigkeit, die eine
hohe Meßfrequenz ergibt und einer niedrigen Abkühlgeschwindigkeit, die eine gute Genauigkeit liefert,
zu kombinieren.
Vorzugsweise wird die Anordnung so getroffen, daß in jedem Zyklus bei Feststellung einer Taubildung
die entsprechende Taupunktstemperatur in der Vorrichtung registriert wird und als registrierte Taupunkttemperatur
verwendet wird, mit welcher die augenblickliche Temperatur des nächsten Zyklus zur Bestimmung
der Abkühlgeschwindigkeiten in den verschiedenen Stadien des folgenden Zyklus verglichen werden.
Auf diese Weise wird die in der Vorrichtung registrierte Taupunkttemperatur in jedem Zyklus auf den neuesten
Stand gebracht.
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Vorzugsweise weist der Körper eine optisch glatte
Oberfläche auf und umfaßt die Einrichtung zur Feststellung der Taubildung auf der Oberfläche des Körpers
eine Einrichtung,mittels deren ein Lichtstrahl auf die Oberfläche richtbar ist, und eine Einrichtung zur Ermittlung
der durch die Taubildung auf der Oberfläche bedingten Lichtstreuung.
Die Taubildung kann indessen gewünschtenfalls auch auf andere Weise festgestellt werden, beispielsweise
indem der elektrische Widerstand zwischen zwei Punkten auf der Oberfläche des Körpers gemessen wird.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung beschrieben.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäße Vorrichtung;
Fig. 2 ist ein Diagramm eines einzelnen Zyklus einer konventionellen Vorrichtung zur Bestimmung des
Taupunktes, die nach der eingangs erwähnten zweiten bekannten Methode arbeitet;
Fig. 3 ist ein Diagramm entsprechend Fig. 2 im gleichen Maßstab, welches die Arbeitsweise der
Vorrichtung nach Fig. 1 erkennen läßt;
Fig. 4 zeigt eine Skaleneinteilung für ein Meßgerät, die in der Vorrichtung nach Fig. 1 verwendet
werden kann.
Gemäß Fig. 1 umfaßt die Vorrichtung eine Einrichtung zur Feststellung der Taubildung in Gestalt
eines Sensors 8, der einen Körper 1o, beispielsweise aus Metall, umfaßt, der eine optisch glatte Reflexionsoberfläche aufweist und dem eine Kühleinrichtung 11
zugeordnet ist, beispielsweise eine auf dem Peltier-Effekt beruhende thermoelektrische Kühleinrichtung,
und dem ferner eine Temperaturmeßeinrichtung 12 zugehört, beispielsweise eine Thermistor oder ein
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Thermopaar in Kontakt mit ihm oder eingebettet in den Körper 1o.
Eine Lichtquelle 14 richtet einen Lichtstrahl auf die Reflexionsoberfläche des Körpers Io. Nach dcr
Reflexion an der Reflexionsoberfläche des Körpers 1o wird das Licht der Lichtquelle 14 von einer
elektrischen lichtempfindlichen Einrichtung 16 aufgefangen, beispielsweise einer Fotozelle, einer
Fotodiode o.dgl. Eine weitere Temperaturmeßeinrichtung 18 wie ein Thermistor oder Thermopaar ist zur
Messung der Umgebungstemperatur vorgesehen.
Die Kühleinrichtung, die Temperaturmeßeinrichtungen 12 und 18, die Lichtquelle 14 und die lichtempfindliche
Einrichtung 16 sind elektrisch mit einer als Ganzes mit 2o bezeichneten Schaltung verbunden,
die den elektrischen Strom für die Kühleinrichtung und die Lichtquelle 14 liefert und die elektrischen
Signale der Thermistoren und der fotoempfindlichen Einrichtungen 16 empfängt und verarbeitet. Die Schaltung
2o liefert Ausgangssignale auf den Ausgängen 22, 24, 26, die wahlweise über einen handbetätigten Wählschalter
28 mit einer Darstellungseinheit 3o, z.B. einem Galvanometer verbindbar sind, welches die Ergebnisse
der durchgeführten Messungen anzeigt.
Die Schaltung 2o, der Wählschalter und die Darstellungseinheit 3o sind vorzugsweise in einem
nicht wiedergegebenen geeigneten Gehäuse untergebracht, während der Sensor 8 von diesem Gehäuse getrennt
und mit der Schaltung 2o in dem Gehäuse über geeignete flexible Kabel verbunden sein kann, so
daß der Sensor von dem die Schaltung 2o aufnehmenden Gehäuse entfernt angeordnet werden kann.
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Im Betrieb der Vorrichtung wird der Körper 1o langsam durch die Kühleinrichtung 11 bis unterhalb
der Umgebungstemperatur abgekühlt, bis eine vorbestimmte Änderung der durch die Einrichtung 16 gemessenen
Lichtmenge und damit im elektrischen Ausgangssignal der Einrichtung 16 eintreten. Diese
Änderung beruht auf der Bildung von Tau auf der Reflexionsoberfläche des Körpers 1o. Während der
Abkühlung des Körpers 1o wird seine Temperatur ständig über die Meßeinrichtung 12 überwacht
Die Temperatur des Körpers 1o wird, wenn die vorbestimmte Änderung in der Menge des von dem Körper
1o reflektierten Lichts erreicht ist, in der Schaltung 2o als der bei dem betreffenden Zyklus gemessene
Taupunkt gespeichert Der Körper 1o kann sich dann erwärmen oder er wird sogar von außen erwärmt, indem
er bis zu einem gewissen Grade vorsätzlich geheizt wird, worauf der gesamte Zyklus wiederholt wird und
der Körper 1o wiederum allmählich abgekühlt wird, bis eine Taubildung darauf feststellbar wird.
Während jedoch in den eingangs behandelten bekannten Vorrichtungen zur Messung des Taupunktes,
die nach der zweiten bekannten Methode arbeiten, der Körper, auf welchem sich der Tau bilden soll, im
wesentlichen mit gleichbleibender Geschwindigkeit abgekühlt wird, wird bei der hier in Rede stehenden-Ausführungsform
die Abkühlgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der augenblicklichen
Temperatur des Körpers 1o und der im vorangegangenen
Zyklus ermittelten und in der Schaltung 2o gespeicherten Taupunkttemperatur verändert. Wenn daher die Differenz
zwischen der Temperatur des Körpers 1o und der beim vorangehenden Zyklus ermittelten Taupunkttemperatur
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größer als ein erster vorbcstinunter Wert ist, ilei
beispielsweise zwischen 4 C und 6 C liegen kann,
wird die Abkühlung des Körpers 1o mit einer ersten
hohen Kühlgeschwindigkeit bewirkt, während, wenn die Differenz zwischen der augenblicklichen Temperatur
des Körpers 1o und der beim vorangehenden Zyklus ermittelten Taupunkttemperatur weniger als dieser erste
vorbestimmte Betrag,aber größer als ein zweiter
vorbestimmter Betrag ist (der beispielsweise zwischen 2 C und 4 C liegen kann) der Körper 1o
mit einer zweiten vorbestimmten Geschwindigkeit abgekühlt ist, die wesentlich geringer ist als die
erste vorbestimmte Abkühlgeschwindigkeit. Wenn die Diefferenz zwischen der augenblicklichen Temperatur
des Körpers To und der beim vorangegangenen Zyklus ermittelten Taupunkttemperatur geringer als dieser
zweite vorbestimmte Betrag ist, wird der Körper 1o mit einer dritten vorbestimmten Geschwindigkeit abgekühlt,
die wesentlich geringer als die zweite vorbestimmte Geschwindigkeit ist, so daß in dem Temperatur
bereich, in welchem sich der Taupunkt voraussichtlich befindet, die Temperaturänderungsgeschwindigkeit des
Körpers 1o gering ist, so daß eine maximale Genauigkeit erzielt werden kann. Wenn in jedem Zyklus der Taupunkt
erreicht ist, wird diese Taupunkttemperatur anstelle der vorangehend registrierten registriert,
so daß die Vorrichtung insoweit bei jedem Zyklus auf den neuesten Stand gebracht wird.
Die Schaltung 2o umfaßt folgendes: Eine Eingangsschaltung für die Signale der Einrichtungen 18 und
und die lichtempfindliche Einrichtung 16; eine Verstärkereinrichtung
für diese, besonders für das Signal der Einrichtung 16; eine Grenzwertschaltung, die eine
Änderung im Signal der Einrichtung 16 feststellt, die
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eine Taubildung anzeigt; eine Registriereinrichtung zur Registrierung der Temperatur des Körpers Io im
Moment der Taubildung; eine Ausgangsschaltung für die Ausgänge 22, 24 und 26, die an diesen geeignete
Ausgangssignale erzeugt, die der durch die Vorrichtung 18 festgestellten Umgebungstemperatur, der Taupunktserniedrigung
(entspricht der Temperaturdifferenz zwischen der Umgebungstemperatur und der Taupunkttemperatur)
und der Taupunkttemperatur selbst entsprechend. Die Schaltung 2o umfaßt auch einen Schaltungsteil,
der den Strom durch die Kühlvorrichtung 11 entsprechend der festgestellten Differenz der
augenblicklichen Temperatur des Körpers 1o steuert und eine Folgeschaltung, die bewerkstelligt, daß
die Vorrichtung in der angegebenen Weise sich wiederholende Zyklen durchläuft.
Fig. 3 zeigt die Art und Weise, in der sich die Temperatur des Körpers 1o über eine Anzahl von Zyklen
ändert, für den Fall, im welchem die zweite vorbestimmte Abkühlgeschwindigkeit für eine Differenz
von 5°C zwischen der augenblicklichen Temperatur des Körpers 1o und der im vorangegangen Zyklus festgestellten
Taupunkttemperatur angewendet wird. Die dritte vorbestimmte Abkühlgeschwindigkeit wird für
eine Differenz von weniger als 2 C zwischen der augenblicklichen Temperatur des Körpers 1o und der
im vorangehenden Zyklus festgestellten Taupunkttemperatur angewendet.
In Fig. 3 sind die Oberflächentemperatur des Körpers Io auf der Ordinate und die vergangene Zeit
auf der Abzisser aufgetragen. Die angewandten unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten sind klar ersichtlich.
Wie in Fig. 3 dargestellt, wird der Körper 1o nach dem Erreichen des Taupunktes in jedem Zyklus
auf die gleiche Ausgang.stemperatur oberhalb des Tau-
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punktes zurückgeführt, bevor der nächste Zyklus
begonnen wird.
Zum Vergleich zeigt Fig. 7 eine ähnliche Darstellung, bei der die Skaleneinteilung auf dor Ordinate
und der Abzisse die gleiche wie in Fig. 3 ist, die sich jedoch auf die bekannte Vorrichtung bezieht, die
eingangs erwähnt wurde und nach dem zweiten der beiden bekannten Verfahren arbeitet. Fig. 2 zeiqt
die Veränderung der Oberflächentemperatur des Körpers, auf der sich Tau bildet, während eines einzigen Meßzyklus,
wobei der die Oberfläche aufweisende Körper mit einer Geschwindigkeit abkühlt wird, die der
dritten und kleinsten vorbestimmten Abkühlgeschwindigkeit in den Beispielen der Fig. 3 entspricht, damit
die gleiche Meßgenauigkeit erreicht wird. Ein einziger Meßzyklus in dem dem Stand der Technik entsprechenden
Beispiel der Fig. 2 beansprucht ebensoviel Zeit wie mehrere Meßzyklen in dem Beispiel der Fig. 3.
Die Schaltung 2o kann grundsätzlich gänzlich analog sein oder aber auch teilweise digital arbeiten,
so daß beispielsweise bei teilweise digitaler Schaltung die gemessene Taupunkttemperatur in digitaler
Form in einen digitalen Register gespeichert werden kann.Auch der Schaltungsteil zur Berechnung der
Taupunktserniedrigung kann digital arbeiten, ebenso wie die Anzeigeeinrichtung. Wenn die Schaltung 2o
vollständig analog arbeitet, kann die gemessene Taupunkttemperatur in analoger Form beispielsweise
als Ladung eines Kondensators gespeichert werden. Es können analoge Rechnertechniken zur Verarbeitung
der Signale eingesetzt werden. Die Anzeigeeinrichtung kann als Galvanometer ausgebildet sein. In dem
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dargestellten Ausführungsbeispiel wird angenommen, daß die Schaltung 2o analog arbeitet und die Darstellungsvorrichtung
3o ein Galvanometer ist.
Fig. 4 zeigt die Skala eines derartigen Galvanometers. Da die relative Feuchtigkeit eine Funktion
der Taupunkterniedrigung und der Umgebungstemperatur ist, kann die relative Feuchtigkeit (% RH), ebenfalls
auf der gleichen Skala als Funktion der Umgebungstemperatur in der dargestellten Weise wiedergegeben
werden. Bei digitaler Technik kann die Berechnung der relativen Feuchtigkeit innerhalb des
Instruments geschehen, wobei analoge oder digitale Techniken eingesetzt werden anstatt dies auf geistigem
Weg mit Hilfe der Skala zu vollziehen.
Es kann eine Vielzahl von Abwandlungen innerhalb des Rahmens der Erfindung vollzogen werden. So kann
beispielsweise, während in dem angegebenen Beispiel sowohl die Umgebungstemperatur als auch die Temperatur
des Körpers 1o unmittelbar gemessen und ihre Differenz am Taupunkt berechnet werden, beispielsweise die Umgebungstemperatur
und die Temperaturdifferenz zwischen der Umgebungstemperatur und der Temperatur des Körpers
1o unmittelbar gemessen und die tatsächliche Temperatur des Körpers 1o gewünschtenfalls durch Berechnung erhalten
werden.
In ähnlicher Weise können anstelle der drei Abkühlgeschwindigkeiten in dem angegebenen Beispiel
in bestimmten Fällen nur zwei vorgesehen sein, während in anderen Fällen vier oder mehr einsetzbar sind. Die
Abkühlgeschwindigkeit kann auch stetig veränderlich gemacht werden als Funktion der Differenz zwischen
der vorangehend gemessenen Taupunkttemperatur und der augenblicklichen Temperatur des Körpers 1o.
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Claims (5)
- Patentansprüche.Vorrichtung zur Bestimmung des Taupunkts, mit einem Körper, auf welchem sich Tau bilden kann, mit einer Kühleinrichtung zum Abkühlen des Körpers, mit einer Einrichtung zur Feststellung der Taubildung auf dem Körper und einer Einrichtung zur Messung der Temperatur des Körpers, mit einer Registriereinrichtung und einer Steuerung, die die Vorrichtung wiederholt einen Zyklus durchlaufen läßt, bei welchem der Körper langsam bis zur Feststellung einer Taubildung abgekühlt, die entsprechende Temperatur registriert und die Temperatur dann wieder bis zur nächsten Abkühlung ansteigen gelassen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur durch die Einrichtung (12) zur Messung der Temperatur ständig überwacht und die Abkühlungsgeschwindigkeit durch die Steuerung (2o) in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der augenblicklichen Temperatur und der im vorangehendenZyklus gemessenen Taupunkttemperatur gesteuert sowie durch die Registriereinrichtung registriert werden, derart, daß die Abkühlgeschwindigkcit zumindest für, ,e,,inen Temperaturbereich, der näher030023/0**5ORIGINAL INSPECTEDan der im vorangehenden Zyklus ermittelten Taupunkttemperatur liegt, niedriger als für augenblickliche Temperaturen des Körpers ist, die der im vorangehenden Zyklus ermittelten Taupunkttemperatur ferner liegen,
- 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Registriereinrichtung die in jedem Zyklus ermittelte Taupunkttemperatur speicherbar ist und die Steuerung (2o) so betätigbar ist, daß sie die so registrierte Temperatur als registrierte Taupunkttemperatur verwendet, mit welcher die augenblickliche Temperatur des nächsten Zyklus zur Bestimmung der Abkühlgeschwindigkeiten in den verschiedenen Stadien des folgenden Zyklus verglichen werden, wodurch die in der Vorrichtung rixegistrierte Taupunkttemperatur in jedem Zyklus auf den neuesten Stand gebracht wird.
- 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (1o) eine optisch glatte Oberfläche aufweist und die Einrichtung zur Feststellung der Taubildung auf der Oberfläche des Körpers (1o) eine Einrichtung (14) mittels deren ein Lichtstrahl auf die Oberfläche richtbar ist, und eine Einrichtung (16) zur Ermittlung der durch die Taubildung auf der Oberfläche bedingten Lichtstreuungsänderung umfaßt.
- 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Feststellung der Taubildung auf dem Körper (1o) Mittel zur Messung des elektrischen Widerstandes zwischen zwei Punkten auf der Oberfläche des Körpers umfaßt.
- 5. Verfahren zur Bestimmung des Taupunktes, bei welchem die Taubildung auf einen Körper und dessen Temperatur festgestellt und wiederholt ein Zyklus durchlaufen wird, während welchem der Körper langsam030023/0635COPYbis zur Feststellung einer Taubildung abgekühlt, die Taupunkttemperatur registriert und die Temperatur des Körpers wieder bis zur erneuten Abkühlung im nächsten Zyklus ansteigen gelassen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Körpers fortlaufend überwacht und die Abkühlgeschwindigkeit des Körpers in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der augenblicklichen Temperatur des Körpers und der beim vorangehenden Zyklus gemessenen und registrierten Taupunkttemperatur gesteuert wird, derart, daß die Abkühlgeschwindigkeit zumindest für einen Temperaturbereich, der näher an der im vorangehenden Zyklus ermittelten Taupunkttemperatur liegt, niedriger als für augenblickliche Temperaturen des Körpers ist, die der im vorangehenden Zyklus ermittelten TaupunTcttemperatur ferner liegen.0 30&23/0635
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