DE29603363U1 - Vorrichtung zur Kontrolle des Füllstands in einem Behälter - Google Patents
Vorrichtung zur Kontrolle des Füllstands in einem BehälterInfo
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Description
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*" * Diplom-Physiker
Reinfried Frhr. v. Schorlemer
Karthäuserstr. 5A 34117 Kassel Allemagne
Telefon/Telephone (0561) 15335
(0561)780031
Telefax/Telecopier (0561)780032
Dipl.-Ing. Michael Horst, 34128 Kassel
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kontrolle des Füllstands in einem Behälter.
Die Kontrolle der Füllstände von Behältern muß häufig sehr schnell erfolgen. Beispielsweise
werden Behälter, die in der Getränke- und Lebensmittelindustrie verwendet werden,
insbesondere Flaschen, Dosen od. dgl., mit Hilfe von Transportbändern in schneller Folge
an verschiedenen Inspektionsstationen vorbeigeführt, die u.a. der Füllstandskontrolle
dienen, wobei die Transportgeschwindigkeit vorzugsweise 60.000 Behälter pro Stunde und
mehr beträgt. Da in derartigen Fällen nur eine berührungslose Füllstandskontrolle möglich
ist, werden für diesen Zweck vor allem Vorrichtungen und Verfahren angewendet, die mit
hochfrequenten, elektromagnetischen Wellen (DE 26 48 076 B2), kapazitiven Mitteln (DE
30 01 133 Al) oder radioaktiven Gammastrahlen arbeiten. Dabei sind die beiden zuerst
genannten Verfahren nur anwendbar, wenn es sich um Behälter aus elektrisch nicht
leitenden Materialien, insbesondere aus Nichtmetallen handelt. Dagegen sind Vorrichtungen
und Verfahren, die mit Gammastrahlen arbeiten und daher auch zur Füllstandskontrolle
in Metallbehältern geeignet sind, schon allein deshalb allgemein unerwünscht, weil
die Anwendung von radioaktiven Strahlungsquellen aus Umweltschutzgründen mit einer
Vielzahl von Nachteilen verbunden ist, selbst wenn die benötigten Gammastrahler mit
vergleichweise niedrigen Strahlendosisleistungen arbeiten.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Vorrichtungen und Verfahren anzugeben,
die vor allem für die Füllstandskontrolle bei Metallbehältern geeignet sind, ohne
daß radioaktive Strahlungsquellen benötigt werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale der Anspruchs 1.
Die Erfindung beruht auf der überraschenden Erkenntnis, daß bei einer gezielten,
insbesondere gleichförmigen Temperaturbehandlung des Behälters solche Abschnitte der
Behälterwand, die mit dem Füllgut des Behälters in Berührung stehen, eine andere
Temperaturverteilung als die nicht mit dem Füllgut in Berührung stehenden Abschnitte
aufweisen und daß im Bereich der Grenzfläche zwischen dem Füllgut und der Luft ein
charakteristischer Temperatursprung auftritt. Dieser Temperatursprung kann durch
Beobachtung der von der Behälterwand ausgehenden Wärmestrahlung festgestellt und zur
Ermittlung der Lage des Füllstands im Behälter ausgenutzt werden. Dabei bringt die
gleichförmige Temperaturbehandlung den Vorteil mit sich, daß sich leicht reproduzierbare
Verhältnisse herstellen lassen, die weitgehend unabhängig von den im Einzelfall vorliegenden
äußeren Bedingungen wie z.B. der Raumtemperatur und der Temperatur des Füllguts beim Einfüllen sind. Daher kann die Meßvorrichtung einmalig auf die jeweils
vorhandenen Verhältnisse eingestellt und dann weitgehend störungsfrei zur Kontrolle einer
Vielzahl von mit hohen Geschwindigkeiten vorbeilaufenden Behältern benutzt werden.
Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung an einem
Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1 eine grob schematische, perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Kontrolle des Füllstands in einem Behälter; 30
Fig. 2 und 3 zwei weitere Ausführungsbeispiele für die in der Vorrichtung nach Fig. 1
vorgesehene Einrichtung zur Messung der Wärmestrahlung; und
Fig. 4 ein Schaubild zur Darstellung der Funktion der Vorrichtung nach Fig. 1.
Die Vorrichtung nach Fig. 1 enthält eine nur schematisch dargestellte Fördereinrichtung
in Form eines Transportbandes, das z.B. in Richtung eines eingezeichneten Pfeils bewegt
wird und einen sogenannten Geradförderer innerhalb einer Anlage zum Füllen von Dosen
bildet. Derartige Anlagen sind in der Getränke- und Lebensmittelindustrie allgemein
bekannt und brauchen daher nicht näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt weiter einen Behälter 2 in Form einer Dose, die gerade eine Füllstation für
ein Getränk, z.B. Bier, oder ein anderes Füllgut, z.B. ein Gemüse, durchlaufen hat und in
dieser Füllstation bis zu einem gestrichelt angedeuteten Soll-Füllstand 3 gefüllt werden
soll. Im Ausführungsbeispiel ist ferner angenommen, daß der Behälter 2 z.B. eine aus
Aluminium- oder Stahlblech od. dgl. hergestellte Metalldose ist. Die zu lösende Aufgabe
besteht darin, den Behälter 2 darauf zu überprüfen, ob der erwartete Soll-Füllstand 3
erreicht oder unter- bzw. überschritten worden ist.
Zu diesem Zweck weist die Vorrichtung ein Mittel 4 zur definierten Temperaturbehandlung
der meistens zylindrischen Behälterwand 5 auf. Darunter wird verstanden, daß die
Behälterwand in einer Weise temperiert werden soll, daß sich durch eine gleichzeitig oder
nachfolgende Temperaturmessung Rückschlüsse auf den momentanen Füllstand ergeben
und für eine Vielzahl von nacheinander durch die Fördereinrichtung 1 vorbeitransportierten
Behälter 2 im wesentlichen gleiche Temperaturbehandlungen erzielt werden. Im Ausführungsbeispiel enthält das Mittel 4 eine Induktionsspule 6, die über Leitungen 7 mit
einem Wechselspannungsgenerator 8 verbunden ist, der z.B. mit einer Frequenz von 10
bis 20 kHz arbeitet.
Die Induktionsspule 6 wird entsprechend Fig. 1 so angeordnet, daß sie mit ihrer wirksamen
Stirnfläche parallel zur vertikalen Behälterachse liegt und vom Behälter 2 in einem
Abstand von z.B. 10 mm passiert wird. Dabei wird die Induktionsspule 6 vorzugsweise so
auf die Behälterwand 5 gerichtet, daß die von ihr ausgehenden, elektromagnetischen
Wellen vor allem einen fensterartigen Sektor 9 der Behälterwand 5 treffen, der je einen
oberhalb und unterhalb des erwarteten Füllstands 3 liegenden Abschnitt aufweist, und in
diesem Sektor 9 nach dem Induktionsprinzip (Transformatorwirkung, Wirbelstrom-
erzeugung) elektrische Ströme induzieren. Dadurch wird dem Sektor 9 der Behälterwand
gezielt Wärme zugeführt, wobei die im Einzelfall zweckmäßige Wärmemenge durch Versuche ermittelt werden kann. Außerdem kann der Fördereinrichtung 1 eine aus einem
Lichtsender 10 und einem Lichtempfänger 11 bestehende Lichtschranke zugeordnet sein,
die ein elektrisches Signal abgibt, wenn sich der Behälter 2 bzw. der Sektor 9 in einer
vorgewählten Lage relativ zur Induktionsspule 6 befindet. Dieses Signal kann dann dazu
ausgenutzt werden, den Generator 8 für eine vorgewählte Zeitspanne zu aktivieren bzw.
mit, der Induktionsspule 6 zu verbinden. Dadurch wird jeder Behälter 2, in Transportrichtung
betrachtet, nur in einem begrenzten Bereich einer Wärmebehandlung unterzogen, wodurch die Reproduzierbarkeit des Verfahrens noch weiter erhöht wird.
Zur Messung der Temperaturverteilung im Sektor 9 des Behälters 2 während und/oder
nach der Temperaturbehandlung wird erfindungsgemäß die von diesem Sektor 9 ausgesandte
Wärmestrahlung beobachtet. Hierzu werden vorzugsweise die im Infraroten liegenden Wellenlängenbereiche erfaßt, zu welchem Zweck mit besonderem Vorteil zwei
Infrarotsensoren 12, 14 verwendet werden, die z.B. vor allem im Wellenlängenbereich
von 8 - 12 jum empfindlich sind. Ein besonderer Vorteil derartiger Infrarotsensoren 12,
besteht darin, daß sie in verhältnismäßig großen Abständen vom Behälter 2 (z.B. bis zu
1 m) angeordnet werden können und daher der konstruktive Aufbau unkritisch ist. Im
Ausführungsbeispiel sind zwei Infrarotsensoren 12,14 vorgesehen, wobei der Sensor 12
auf den unterhalb des erwarteten Füllstands 3 befindlichen Abschnitts des Sektors 9 und
der Sensor 14 auf den oberhalb des Füllstands 3 befindlichen Abschnitt des Sektors 9 der
Behälterwand 5 gerichtet wird. Mit Hilfe einer Infrarotoptik 15, die schematisch durch
eine einfache Linse angedeutet ist, aber auch mehrere Linsen enthalten könnte, können
diese beiden Abschnitte des Sektors 9 genau auf den zugeordneten Meßflächen der Sensoren 12, 14 abgebildet werden.
Die Sensoren 12, 14 sind mit einer Auswerteeinheit 16 verbunden, der die von den
Sensoren 12, 14 erzeugten elektrischen Signale zugeführt werden. 30
Eine alternative Ausführungsform der Einrichtung zur Ermittlung des Temperaturverlaufs
ist in Fig. 2 dargestellt. Hier wird der Sektor 9 der Behälterwand 5 mittels der Optik 15
auf einer vertikal angeordneten, aus mehr als zwei Infrarotsensoren bestehenden Sensor-
• · J J · i
• · Ct · · ·
zeile 17 abgebildet.' Dadurch ist es möglich, die Temperatur bzw. Wärmestrahlung in
einer entsprechenden Mehrzahl von übereinander liegenden Abschnitten des Sektors 9 zu
ermitteln. Im Ausführungsbeispiel weist die Sensorzeile 17 insgesamt 12 Sensoren auf.
Eine noch feinere Unterteilung des Sektors 9 in vertikaler Richtung ist mit der Ausführungsform
nach Fig. 3 möglich. Bei dieser Variante wird der im Einzelfall abgetastete Abschnitt des Sektors 9 über einen Kippspiegel 18 und die Infrarotoptik 15 auf einen
einzigen Infrarotsensor 19 gelenkt. Durch Verkippen des Kippspiegels 18 in Richtung des
eingezeichneten Doppelpfeils ist es daher möglich, eine Vielzahl von Abschnitten des
Sektors 9 in vertikaler Richtung nacheinander abzutasten.
Fig. 4 zeigt schematisch eine mögliche Auswertung der von den Infrarotsensoren 12,
an die Auswerteeinheit 16 abgegebenen Signale. Es wird z.B. längs der Abszisse der
vertikale Abstand irgendeines Abschnitts innerhalb des Sektors 9 von dessen in Fig. 1
unterer Begrenzung 20 abgetragen und der ganze Sektor 9 schematisch in 12 Abschnitte
unterteilt. Außerdem ist angenommen, daß der erwartete Füllstand durch eine Linie 21
definiert ist und innerhalb des 5. Abschnitts von unten liegt. Ferner ist der Infrarotsensor
12 einem unterhalb des erwarteten Füllstands und der Sensor 14 einem oberhalb des
erwarteten Füllstands zugeordneten Abschnitt des Sektors 9 zugeordnet, was in Fig. 4
grob schematisch durch Pfeil angedeutet ist, d.h. der Sensor 12 ist in Fig. 4 einem links
von der Linie 21 liegenden Höhenbereich und der Sensor 14 einem rechts von der Linie
21 liegenden Höhenbereich zugeordnet, wobei angenommen ist, daß beide Sensoren 12,
14 jeweils mittlere Temperaturwerte bzw. Strahlungswerte unmittelbar unterhalb bzw.
oberhalb der Linie 3 in Fig. 1 angeben. Längs der Ordinate der Fig. 4 ist schließlich die
Temperatur bzw. die auf einen der Sensoren 12, 14 auftreffende Wärmestrahlung abgetragen, die beispielsweise durch die Strahlungsintensität oder die ihr proportionale
Ausgangsspannung der Sensoren ausgedrückt wird.
Zur Anwendung der Vorrichtung nach Fig. 1 wird beispielsweise wie folgt vorgegangen.
Der Behälter 2 wird mit einer Geschwindigkeit von z.B. 2,5 msec an der Vorrichtung
vorbeitransportiert. In dem Augenblick, in dem er die Lichtschranke 10, 11 passiert, wird
ein elektrisches Steuersignal ausgelöst, das die Induktionsspule 6 beispielsweise für eine
Zeitspanne von 4 msec aktiviert, was einem Transportweg des Behälters 2 von 10 mm
entspricht. Während der genannten Zeitspanne wird somit in dem vorgegebenen Sektor 9
der Behälterwand 5 eine vorgegebene Wärmemenge erzeugt, wobei die Größe des Sektors
9 und der Wärmemenge im wesentlichen vom Abstand der Induktionsspule 6 vom Behälter
2, von der Transportgeschwindigkeit des Behälters 2 sowie von der Einschaltdauer, den
Maßen und der Bestromung der Induktionsspule 6 abhängen.
Aufgrund der unterschiedlichen Temperaturverteilung in der Behälterwand 5 oberhalb und
unterhalb des momentanen Füllgutspiegels sind im wesentlichen drei Fälle zu betrachten.
Entspricht der momentane Füllgutspiegel dem erwarteten Füllstand, dann wird der unter
der Linie 3 (Fig. 1) liegende Abschnitt der Behälterwand 5 im Vergleich zu dem über der
Linie 3 liegenden Abschnitt weniger stark erwärmt. Infolgedessen trifft auf den Sensor 12
eine Wärmestrahlung geringerer Intensität als auf den Sensor 14. In Fig. 4 hat das zur
Folge, daß das Ausgangssignal des Sensors 12 einen vergleichsweise niedrigen Wert
entsprechend einem Kurvenabschnitt 22 einer durchgezogen dargestellten Kurve besitzt,
während der Sensor 14 ein vergleichsweise großes Ausgangssignal entsprechend einem
Kurvenabschnitt 23 abgibt. Zwischen diesen beiden Abschnitten 22 und 23, d.h. an einer
dem erwarteten Füllstand entsprechenden Stelle (Linie 21 in Fig. 4) findet ein durch einen
Kurvenabschnitt 24 repräsentierter, charakterischer Temperatursprung statt.
Ist der Behälter 2 erheblich weniger als bis zum erwarteten Füllstand gefüllt, dann
verschiebt sich die in Fig. 4 dargestellte Kurve nach links, wie durch eine gestrichelt
dargestellte Kurve angedeutet ist. Dadurch liegt der durch einen Kurvenabschnitt 24a
charakterisierte Temperatursprung bei einer solchen Behälterhöhe, daß beide Sensoren 12,
14 eine vergleichsweise hohe Temperatur messen. Ist der Behälter 2 dagegen weit über
den erwarteten Füllstand hinaus gefüllt, dann verschiebt sich die Kurve in Fig. 4 nach
rechts, wie durch eine punktiert dargestellte Kurve angedeutet ist. Da jetzt alle Abschnitte
des betrachteten Sektors 9 der Behälterwand 5 vom Füllgut gekühlt werden, treffen auf
beide Sensoren 12, 14 vergleichsweise niedrige Wärmestrahlungs-Signale. Der charakteristische
Temperatursprung in der punktiert dargestellten Kurve ist durch einen rechts vom Sensor 14 liegenden Kurvenabschnitt 24b repräsentiert.
Zur Auswertung der Signale ist es nur erforderlich, beide Sensoren 12, 14 mit einem
entsprechend eingestellten Schwellwertschalter zu verbinden, der beim Vorliegen einer
dem Kurvenabschnitt 22 entsprechenden Wärmestrahlung ein "O"-Signal und beim
Vorliegen einer dem Kurvenabschnitt 23 entsprechenden Wärmestrahlung ein "1"-Signal
abgibt. Einer Signalkombination "00" bzw. "11" entspricht dann ein zu hoher bzw. zu
niedriger Füllstand, während der erwartete Füllstand beim Vorliegen der Signalkombination
"01" erreicht ist. Diese Signalkombinationen lassen sich leicht verwerten und z.B.
zur Ansteuerung eines allgemein bekannten, z.B. pneumatisch betriebenen Sortiersystems
anwenden, das zu wenig oder zu viel gefüllte Behälter 2 aus dem normalen Transportweg
entfernt.
Bei Anwendung der Ausführungsform nach Fig. 2 ist beispielsweise jedem der zwölf
Höhenabschnitte des Sektors 9 je ein Sensor zugeordnet, wobei diese Sensoren an den in
Fig. 4 angegebenen Positionen 1 bis 12 angeordnet zu denken sind. Es ist daher möglich,
die im Einzelfall erhaltene Wärmestrahlungskurve sehr fein abzubilden und zur Vorwahl
eines Toleranzrahmens zu benutzen. Dazu könnte z.B. vorgesehen sein, daß ein momentaner
Füllstand als ausreichend angesehen wird, wenn der charakteristische Temperatursprung
irgendwo in denjenigen Abschnitten des Sektors 9 erfolgt, die von den Sensoren 4,
5, 6 und 7 erfaßt werden. Entsprechend kann bei Anwendung der Vorrichtung nach Fig. 3
vorgegangen werden. Alternativ wäre es natürlich auch möglich, die von den Sensoren
erhaltenen Signale einem Rechner zuzuführen, der beispielsweise auch zur Steuerung einer
kompletten Abfüllanlage für Getränke oder andere Lebensmittel dient, in welche die
beschriebene Vorrichtung integriert ist.
Bei der Anwendung der Vorrichtung nach Fig. 1 und üblichen Stahlblechdosen mit
Durchmessern von 60 mm, Höhen von 1200 bis 1800 mm sowie Wandstärken von ca. 0,1
mm wird zur Realisierung eines ausreichend sicheren Meßergebnisses angestrebt, auf
beiden Seiten der Linie 3 (Fig. 1) eine Temperaturdifferenz von wenigstens ± 10 0C
herzustellen. Hierzu wird beispielsweise eine Induktionsspule mit einem Außendurchmesser
von 50 mm, einem Innendurchmesser von 20 mm und einer Tiefe von 10 mm bei z.B. 100 Windungen vorgesehen. Die Ausgangsspannung des Generators 8 beträgt z.B.
3000 V, um eine Impulsleistung von ca. 3 kW zu erhalten.
Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, das sich auf
vielfache Weise abwandeln läßt. Anstelle der beschriebenen Infrarotsensoren könnte
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beispielsweise eine Infrarot- bzw. Wärmebildkamera verwendet werden, wodurch auch
dreidimensionale Temperaturverläufe darstellbar sind. Außerdem können anstelle von
Metallbehältern auch Behälter aus anderen Materialien verwendet werden. Ist dabei eine
definierte Wärmebehandlung mit Hilfe der Induktionsspule 6 nicht möglich, können hierzu
andere Mittel verwendet werden. Möglich wäre es beispielsweise, die Behälter 2 an einer
temperierten, insbesondere erhitzten Gasströmung vorbeiwandern zu lassen. Weiterhin
wäre es möglich, die Auswertung in anderer Weise vorzunehmen, indem z.B. die Differenz der Signale der beiden Sensoren 12, 14 verwendet wird, die beim Erreichen des
erwarteten Füllstands groß und beim Vorliegen einer Unter- oder Überfüllung des Behälters 2 klein ist. Weiter können zur Temperaturmessung bzw. zur Abtastung der
Wärmestrahlung andere als Infrarotsensoren verwendet werden. Weiterhin ist die Erfindung
nicht auf die im Ausführungsbeispiel angegebenen Maße der Induktionsspule und der
anderen Einrichtungen beschränkt, die jeweils den Bedürfnissen des Einzelfalls anzupassen
sind. Dabei ist im Hinblick auf die Auslegung der Mittel 4 zur Temperaturbehandldung
beachtlich, daß der angegebene Temperatursprung von beispielsweise ± 10 0C in
derjenigen Zeitspanne erzielt werden muß, die beim Vorbeitransport der Behälter 2 an der
Vorrichtung zur Verfugung steht. Daneben versteht sich, daß die Temperaturbehandlung
nicht notwendigerweise in einer Erwärmung der Behälter 2 der Sektoren 9 bestehen muß,
da insbesondere bei Anwendung von Gasströmen auch eine Abkühlung des Sektors 9 in
Betracht kommen kann. Schließlich ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, daß die
Messung der Wärmestrahlung erst im Anschluß an die Temperaturbehandlung erfolgen
kann. Vielmehr können beide Verfahrensschritte auch mehr oder weniger gleichzeitig
ablaufen, da es für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht auf die
Erreichung bestimmter absoluter Temperaturen, sondern im wesentlichen nur auf Temperaturdifferenzen
bzw. Temperaturverteilungen ankommt.
Claims (9)
1. Vorrichtung zur Kontrolle des Füllstands in einem Behälter ((2), dadurch gekennzeichnet,
daß sie Mittel (4) zur definierten Temperaturbehandlung der Behälterwand (5), eine Einrichtung (12, 14, 17, 19) zur Ermittlung der von der Behälterwand (5) ausgehenden
Wärmestrahlung in wenigstens zwei unterschiedlichen Höhen des Behälters (2) und eine mit dieser Einrichtung (12, 14, 17, 19) verbundene Auswerteeinheit (16) enthält.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zwei
unterschiedlichen Behälterhöhen zugeordnete Sensoren (12, 14) enthält, die je einen
unterhalb bzw. oberhalb eines erwarteten Füllstands (3) liegenden Abschnitt der Behälterwand
(5) abtasten, und die Auswerteeinheit (16) Mittel zur Erkennung einer Temperaturdifferenz
zwischen den beiden Abschnitten enthält.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (17) eine
Vielzahl von Sensoren enthält, die alle unterschiedlichen Behälterhöhen zugeordnet sind,
und die Ausweiteeinheit (16) Mittel zur Erkennung einer Temperaturdifferenz zwischen
irgendwelchen zwei Sensoren aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung einen
zwischen der Behälterwand (5) und einem Sensor (19) angeordneten Kippspiegel (18)
enthält.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das
Mittel zur Temperaturbehandlung eine Wärmequelle enthält.
6. Vorrichtung nach Ansprach 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (4) zur
Temperaturbehandlung eine induktive Heizvorrichtung (6, 7, 8) enthält.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das
Mittel zur Temperaturbehandlung eine Vorrichtung zur Behandlung der Behälterwand (5)
mit einem Gasstrom enthält.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Sensoren (12, 14, 17, 19) für die Wärmestrahlung aus Infrarotsensoren bestehen.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Einrichtung zur Messung der Wärmestrahlung eine Infrarotkamera enthält.
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1996
- 1996-02-27 DE DE29603363U patent/DE29603363U1/de not_active Expired - Lifetime
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