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DE2443904C3 - Method and device for leak detection in gas pipes - Google Patents

Method and device for leak detection in gas pipes

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DE2443904C3
DE2443904C3 DE19742443904 DE2443904A DE2443904C3 DE 2443904 C3 DE2443904 C3 DE 2443904C3 DE 19742443904 DE19742443904 DE 19742443904 DE 2443904 A DE2443904 A DE 2443904A DE 2443904 C3 DE2443904 C3 DE 2443904C3
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DE
Germany
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gas
housing
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pressure
gas line
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DE19742443904
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German (de)
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DE2443904A1 (en
DE2443904B2 (en
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Marcel Pau Sens (Frankreich)
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NATIONALE DES GAZ DU SUD- OUEST PAU (FRANKREICH) Ste
Original Assignee
NATIONALE DES GAZ DU SUD- OUEST PAU (FRANKREICH) Ste
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Publication date
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M3/00Investigating fluid-tightness of structures
    • G01M3/002Investigating fluid-tightness of structures by using thermal means

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Examining Or Testing Airtightness (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Leckerfassung in Gasleitungen, bei dem eine thermodynamische Zustandsgröße des Gases gemessen wird, abhängig davon der zeitliche Differentialquotient des Drucks bestimmt wird und abhängig vom Überschreiten eines Schwellenwerts des Differentialquotienten ein Leck in der Gasleitung erfaßt wird.The invention relates to a method and a device for detecting leaks in gas lines which a thermodynamic state variable of the gas is measured, depending on the time differential quotient of the pressure is determined and dependent on the exceeding of a threshold value of the differential quotient a leak in the gas line is detected.

Ein derartiges Verfahren ist bekannt (vgl, DE'AS 20 398). Als thermodynamische Zustandsgröße wird — mittels manometrischer Druckfühler — der Druck in der Gasleitung erfaßt, Und es wird dann der zeitliche Differentialquotient des Drucks berechnet. Ein Leck inSuch a method is known (cf. DE'AS 20 398). As a thermodynamic state variable - by means of a manometric pressure sensor - the pressure in the gas line is recorded, and it then becomes the temporal one Differential quotient of pressure calculated. A leak in

der Gasleitung wird über die dabei erfolgende Druckabsenkung erfaßt Da die bei einem Leck auftretenden Druckänderungen sehr gering sind, müßte das Auflösungsvermögen des Druckfühlers hoch sein, was aber bei üblichen Druckfühlern nicht der Fall ist, weshalb keine Druckwechsel in der Gasleitung auftreten dürfen, vielmehr ein stationärer Zustand herrschen muß. Somit kann durch das bekannte Verfahren ein Leck nicht sicher erfaßt werden.the gas line is detected via the pressure drop that takes place in the event of a leak The pressure changes that occur are very small, the resolution of the pressure sensor should be high, but this is not the case with conventional pressure sensors, which is why no pressure changes may occur in the gas line, rather a steady state prevails got to. Thus, the known method cannot reliably detect a leak.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Leckerfassung und eine entsprechende Vorrichtung zu schaffen, bei denen das Auflösungsvermögen bei der Leckerfassung erhöht istIt is therefore the object of the invention to provide a method for To create leak detection and a corresponding device in which the resolving power in the Leak detection is increased

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die thermodynamische Zustandsgröße die Gastemperatur ist, daß der logarithmische Differentialquotient des Drucks durch Bestimmung des Differentialquotienten der isentrop gemessenen Gastemperatur ermittelt wird und daß das Auftreten eines negativen Schwellenwertes des Differentialquotienten erfaßt wird.According to the invention, this object is achieved in that the thermodynamic state variable is the gas temperature is that the logarithmic differential quotient of pressure by determining the differential quotient the isentropically measured gas temperature is determined and that the occurrence of a negative threshold value of the differential quotient is detected.

Wird also erfindungsgemäß der zeitliche Differentialquotient der Temperatur gebildet, so wird überraschend dadurch eine Aussage über den logarithmischen (zeitlichen) Differentialquotienten des Drucks erhalten, was wiederum eine wesentlich empfindlichere Feststellung eines Lecks ermöglicht, als der einfache zeitliche Differentialquotient des Drucks. Um bei dem bekannten Verfahren den logarithmischen Differentialquotienten des Drucks zu bestimmen, müßte jedoch nachteilig eins kostspielige und aufwendige Rechnung durchgeführt werden.Thus, according to the invention, it becomes the time differential quotient The temperature is formed, so surprisingly a statement about the logarithmic (Time) differential quotients of the pressure are obtained, which in turn is a much more sensitive determination of a leak, as the simple time differential quotient of the pressure Method to determine the logarithmic differential quotient of the pressure, however, would have to be disadvantageous costly and time-consuming calculation can be carried out.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist gekennzeichnet durch einen Gastemperaturmeßfühler, der an einer Stelle der Gasleitung wärmeisoliert befestigt ist, ein Rechenglied zum Berechnen des zeitlichen Differentialquotienten der gemessenen Temperatur und pin Erfassungsglied für das Auftreten eines negativen Schwellenwertes des Differentialquotienten.A device according to the invention for performing the method is characterized by a Gas temperature sensor, which is attached to a point of the gas line in a thermally insulated manner, a computing element to calculate the time differential quotient of the measured temperature and pin detection element for the occurrence of a negative threshold value of the differential quotient.

Bei Betrachtung eines wärmeisolierten Gehäuses, das mit einer Gasleitung über ein Rohr mit geeignetem Durchmesser verbunden ist, damit der Druck im Gehäuse stets gleich dem in der Gasleitung ist, kann die thermodynamische Entwicklung des Gases im Gehäuse während einer Druckerniedrigung als eine adiabatische reversible (oder isentrope) Entspannung betrachtet werden. Es kann nachgewiesen werden, daß zwischen dem logarithmischen (zeitlichen) Differentialquotienten des Drucks ρ und dem (zeitlichen) Differentialquotienten der Temperatur θ die folgende Beziehung besteht:When considering a heat-insulated housing that is connected to a gas line via a pipe with a suitable diameter so that the pressure in the housing is always the same as that in the gas line, the thermodynamic development of the gas in the housing during a pressure decrease can be seen as an adiabatic reversible (or isentropic ) Relaxation should be considered. It can be shown that the following relationship exists between the logarithmic (temporal) differential quotient of the pressure ρ and the (temporal) differential quotient of the temperature θ:

I d ρ d wI d ρ dw

ρ df df ρ df df

Die Funktion f (p, Q) ändert sich nur wenig im Förderbereich von Erdgas. Es ergibt sich f(p. Θ) = 0,0120 K ' mit einer maximalen Abweichung von ±7%, wenn der Druck ρ zwischen 30 und 60 bar und die Temperatur θ zwischen +50C und +200C gehalten werden.The function f (p, Q) changes only slightly in the natural gas delivery range. The result is f (p. Θ) = 0.0120 K 'with a maximum deviation of ± 7% if the pressure ρ between 30 and 60 bar and the temperature θ between +5 0 C and +20 0 C are kept.

Die genannte Beziehung zwischen dem logarithms sehen Differentialquotienteri des Drucks Und dem Differentialquotienten der Temperatür bei der isentropen Entspannung von Erdgas kann theoretisch in der folgenden Weise nachgewiesen werden, ohne daß der Erfindungsgedanke in irgendeiner Weise von den folgenden Berechnungen abhängt, die hier lediglich beispielsweise angegeben sind.The said relationship between the logarithms see differential quotienteri of the pressure and the Differential quotients of the temperature in the isentropic expansion of natural gas can theoretically be in the can be demonstrated in the following manner without affecting the concept of the invention in any way by the depends on the following calculations, which are only given here as examples.

Das Gesetz der Gasentwicklung bei der isentropen Entspannung lautet;The law of gas evolution in isentropic relaxation is;

— = ν —
P ΰ
- = ν -
P ΰ

Q = spezifische Masse und
γ = Isentropie-Exponent.
Q = specific mass and
γ = isentropy exponent.

Die ZustandsgieichungThe state equation

IOIO

Die folgende Tabelle gibt Werte der Funktion/f/J.f/The following table gives values of the function / f / J.f /

g
in K"1 an:
G
in K " 1 to:

0| C] 0 | C] P [bar] P [bar] 4040 5050 6060 3030th 0,01180.0118 0,01150.0115 0,01120.0112 55 0,01230.0123 0,01200.0120 0,01170.0117 0,01140.0114 1010 0,01250.0125 0,01220.0122 0,01190.0119 0,01170.0117 1515th 0,01260.0126 0,01250.0125 0,01220.0122 0,01200.0120 2020th 0,01280.0128

r = Zustande- oder Gaskonslante, T = thermodynamische Temperatur mitr = state or gas constant, T = thermodynamic temperature with

7V[K] = 273 + « [0C],
Z = Kompressionsfaktor,
7V [K] = 273 + «[ 0 C],
Z = compression factor,

ergibt:results in:

dpdp dZdZ dpdp dTdT dZdZ QQ dpdp PP. TT Z 'Z ' DarausFrom it folgtfollows dZdZ . P . P. .ά±. ά ± TT dZ dedZ de ZZ ' Z'Z PP. + Z + Z d(-) Td (-) T

Da (1 — Z) dem Druck proportional ist, ergibt sich:Since (1 - Z) is proportional to the pressure, we get:

P+ZdC-) T ' P + ZdC-) T '

Durch Einsetzen in die Gleichung (4), dann in die Gleichung (1) ergibt sich, da d T = d (-) Substituting into equation (4), then into equation (1), we get that d T = d (-)

dp pdf-)dp pdf-)

Für ein Erdgas ist der Kompressionsfaktor ein Ausdruck der Form:For a natural gas, the compression factor is an expression of the form:

Z=I- p(a-b(-)), (8)Z = I- p (from (-)), (8)

mit a,b = Konstanten, woraus sich ergibt:with a, b = constants, resulting in:

T+T + l

woraus sich im einzelnen die folgenden numerischen Werte ergeben:from which the following numerical values result in detail:

Z=I-Z = I-

409409

(■-!)■(■ -!) ■

Y - 1,30 + Y - 1.30 +

(3) Es ist daher möglich, zu einem logarithmischen Differentialquotienten des Druckes durch eine Messung des Differntialquotienten der Temperatur zu gelangen, was das wesentliche Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist.(3) It is therefore possible to obtain a logarithmic differential quotient of the pressure by one measurement of the differential quotient of the temperature, which is the essential feature of the method according to the invention.

Die Erfindung wird anhanr1 der in der Zeichnung >o dargestellten Ausführungsbeisp'ole näher erläutert Es zeigtThe invention is explained in more detail with reference to 1 of the exemplary embodiments shown in the drawing. It shows

F i g. 1 schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Meßfühlers,F i g. 1 schematically shows the structure of a sensor according to the invention,

F i g. 2 den erfindungsgemäßen Meßfühler in einemF i g. 2 the sensor according to the invention in one

(4) 25 die Gasleitung am Meßort umgebenden wärmeisolierten Behälter,(4) 25 thermally insulated surrounding the gas line at the measuring location Container,

Fig.3 den Meßfühler in einem eine Gasleitung großer Abmessungen teilweise bedeckenden wärmeisolierten Behälter.
In Fig. 1 ist ein von einem dünnen Rohr 12
3 shows the sensor in a thermally insulated container partially covering a gas line of large dimensions.
In Fig. 1 is one of a thin tube 12

(5) umgebener Gastemperaturmeßfühler 10 in einem dichten Innengehäuse 14 aus Wärmedämmstoff angeordnet. Der Gastemperaturmeßfühler 10 durchtritt über eine Dichtung 18 ein Außengehäuse 16, das dem Innendruck des Gases widersteht und mit einer Gasleitung, insbesondere einer Gasfernleitung, über eine öffnung 22 in Verbindung steht. Stützen oder Träger 20 halten das Innengehäuse 14 in dem Außengehäuse 16 in Lage.(5) Surrounded gas temperature sensor 10 arranged in a sealed inner housing 14 made of thermal insulation material. The gas temperature sensor 10 passes through a seal 18, an outer housing 16 that the Resists internal pressure of the gas and with a gas line, in particular a gas pipeline, over an opening 22 is in communication. Supports or beams 20 hold the inner housing 14 in the Outer housing 16 in position.

4" Der Gastemperaturmeßfühler 10 kann ein übliches (elektrisches) Widerstandsthermometer, mit beispielsweise einem Platindraht, sein. Der Gastemperaturmeßfühler 10 kann ebenso eine übliche Transistorsonde sein, wobei die Spannungsdifferenz /.wischen Basis und Emitter eines gleichstromversorgten Transistors proportional zur thermodynamischen Temperatur ist, der Gastemperaturmeßfühler kann einen oder mehrere in Serie geschaltete Transistoren umfassen, die direkt in dem Gas angeordnet sind. Das Rohr 22, das das Außengehäuse 16 mit der (hier nicht dargestellten) Gasleitung verbindet, muß ausreichende Abmessungen besitzen, damit der Druck im Inneren des Außengehäuses 16 stets gleich dem in der Gasleitung ist. Das Innengehäuse 14 erfüllt einen doppelten Zweck, nämlich:4 "The gas temperature sensor 10 can be a conventional (electrical) resistance thermometer, for example with a platinum wire. The gas temperature sensor 10 can also be a conventional transistor probe, the voltage difference between the base and Emitter of a DC powered transistor is proportional to the thermodynamic temperature, the Gas temperature sensor may include one or more series-connected transistors that are directly connected to the gas are arranged. The tube 22, which the outer housing 16 with the (not shown here) Gas line connecting must have sufficient dimensions to withstand the pressure inside the outer housing 16 is always the same as that in the gas line. The inner housing 14 serves a dual purpose, namely:

— Isolieren des inneren Gases beim Entspannen von der Konvektionswirkung auf die Innenwände des Außengehauses 16;- Isolation of the inner gas when relaxing from the convection effect on the inner walls of the Outer housing 16;

= Erzeugen einer Umwälzung des inneren Gases entlang des Gastemperaturmeßfühlers, um die Ansprechzeit zu vermindern und das Wärmegleichgewicht zwischen dem Gas und dem Gastemperaturmeßfühler 7U verbessern durch Abführen der Wärme, die darin durch den Versorgungsstrom abgestrahlt wird.= Generating a circulation of the internal gas along the gas temperature sensor, by the Reduce response time and the thermal balance between the gas and the gas temperature sensor 7U improve by dissipating the heat that is in it due to the supply current is emitted.

Das Rechenglied zum Berechnen des zeitlichen Differcntialauotienten der Temnp.rpnr kann vnn hpr-The arithmetic element for calculating the temporal differential auotient of the Temnp.rpnr can vnn hpr-

6060

(10/ 65 ( 10/65

kömmlicher Art sein und im wesentlichen aus einer Differentiationsschaltung bestehen.be of a conventional type and essentially consist of a differentiation circuit.

Das Erfassungsglied für das Auftreten einer Schwelle mit negativem Wert des so berechneten Differentialquotienten kann ebenfalls von herkömmlicher Art sein und ist nicht näher erläutert.The detection element for the occurrence of a threshold with a negative value of the differential quotient calculated in this way can also be of a conventional type and is not further explained.

Um die Änderungsamplitude der mittleren Temperatur der Vorrichtung zu begrenzen, kann diese auf einer Temperatur nahe der des Gases gehalten werden durch deren Schutz nach außen mittels eines wärmeisolierenden oder -dämmenden Behälters oder Kastens, der ganz oder teilweise den Leitungsteil umgibt, an dem die Vorrichtung befestigt ist. Das ist in den Fig.2 und 3 dargestellt, bei denen das in F i g. I dargestellte Gehäuse 30 in einem Wärmeisolierenden Behälter 32 befestigt und mit der Gasleitung 34 über einen Trennhahn 36 verbunden ist. Die Fig.3 unterscheidet sich lediglich von der vorhergehenden Fig.2 dadurch, daß der wärmeisoiierende Behälter 3S die Gasleitung 34 ΠίΟίίί vollständig umgibt, die in diesem besonderen Fall größe Abmessungen aufweist.In order to limit the amplitude of change in the mean temperature of the device, this can be on a Temperature close to that of the gas can be kept by protecting it from the outside by means of a heat-insulating or insulating container or box that completely or partially surrounds the line part on which the Device is attached. This is in Figures 2 and 3 shown, in which the in F i g. The housing 30 shown in FIG. 1 is fastened in a heat-insulating container 32 and is connected to the gas line 34 via a cut-off valve 36. Figure 3 only differs from the previous Fig.2 in that the heat-insulating container 3S, the gas line 34 ΠίΟίίί completely surrounds, which in this particular case has large dimensions.

Aus dieser Beschreibung ist ersichtlich, daß die Vorrichtung zur Leckerfassung gemäß der Erfindung zahlreiche Vorteile gegenüber der bekannten aufweist, nämlich:From this description it can be seen that the device for leak detection according to the invention has numerous advantages over the known, namely:

— sie ist vollständig statisch, was alle Gefahren eines Ausfalls mechanischen Ursprungs verhindert,- it is completely static, which prevents any risk of failure of mechanical origin,

— ihr Auflösungsvermögen ist praktisch unbegrenzt, was wichtig ist, da es sich um die Messung kleiner Änderungen handelt,- their resolution is practically unlimited, which is important as it is about measuring small changes,

— sie ist hoch zuverlässig, da die Konstanz der- It is highly reliable because of the constancy of the

wärmeempfindlichen Eigenschaften bei Plätinwider' slandsthermomctern oder bei Transistorthermometern außerordentlich groß ist,heat-sensitive properties in platinum insects sland thermometers or transistor thermometers is extremely large,

— sie besitzt keine Hysterese,- it has no hysteresis,

1S — sie ist sehr robust und es besteht keine Gefahr einer Verstellung, 1 S - it is very robust and there is no risk of adjustment,

— sie weist k<iine Drosselstelle auf, was die Gefahr eines Ausfalls durch Verstopfung verhindert,- it has no throttle point, which is the risk of a Failure prevented by clogging,

— sie nimmt 'wenig Platz ein und kann direkt auf (bzw. an) einem Mänomeleränschlüß befestigt werden,- it takes up little space and can be directly attached to a male key

— sie ist einfach aufgebaut und nicht teuer,- it is simple and inexpensive,

— sie verbraucht nur geringe elektrische Leistung.- it consumes little electrical power.

Bei einem vereinfachten Ausführungsbeispiel wird die Temperatur des umgewälzten Gases sowohl mit einem in der Gasleitung eingebrachten Gastemperatürmeßfühler als aucfi mit einer an der Oberfläche plattierten und nach außen wärmeisolierten flachen SondeIn a simplified embodiment, the temperature of the circulating gas is both with a Gas temperature sensor installed in the gas line as aucfi with one clad on the surface and outwardly thermally insulated flat probe

gcüleSSeü.gcüleSSeü.

Die auf dte-se Weise gemessenen Temperaturänderungen sind zwar viel geringer als die bei einem Aufbau gemessenen, der ein Gehäuse enthält, in dem die Temperaturmessung erfolgt. Andererseits ist die theoretische Beziehung zwischen den Druckänderungen und den Temperaturänderungen des umgewälzten Gases nicht genau die gleiche wie sie weiter oben angegeben wurde, sondetln so, daß der Zusammenhang zwischen den b'uden Größen viel komplexer sein kann.The temperature changes measured in this way are much lower than those measured in a structure that contains a housing in which the Temperature measurement takes place. On the other hand, the theoretical relationship between the pressure changes is and the temperature changes of the circulating gas are not exactly the same as those given above so that the connection between the buildings can be much more complex.

Dieses Alisbildungsbeispiel ergibt jedoch noch wissenswerte Ergebnisse und bietet den Vorteil sehr großer Einfachheit und sehr geringer Kosten.However, this Alis formation example still gives results that are worth knowing and offers the advantage very much great simplicity and very low cost.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims (7)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Verfahren zur Leckerfassung in Gasleitungen, bei dem eine thermodynamische Zustandsgröße des Gases gemessen wird, abhängig davon der zeitliche Differentialquotient des Drucks bestimmt wird und abhängig vom Oberschreiten eines Schwellenwertes des Differentialquotienten ein Leck in der Gasleitung erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die thermodynamische Zustandsgröße die Gastemperatur ist,1. Method for leak detection in gas pipes, in which a thermodynamic state variable of the Gas is measured, depending on which the time differential quotient of the pressure is determined and Depending on whether a threshold value of the differential quotient is exceeded, there is a leak in the gas line is detected, characterized in that the thermodynamic state variable is the gas temperature, daß der logarithmische Differentialquotient des Drucks durch Bestimmung des Differentialquotienten der isentrop gemessenen Gastemperatur ermittelt wird undthat the logarithmic differential quotient of pressure by determining the differential quotient the isentropic measured gas temperature is determined and daß das Auftreten eines negativen Schwellenwertes des Differentialquotienten erfaßt wird.that the occurrence of a negative threshold value of the differential quotient is detected. 2. Vorrichtuig zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch !,gekennzeichnetdurch2. Careful to carry out the procedure according to claim!, characterized by einen Gastemperaturmeßfühler (10), der an einer Stelle der Gasleitung (34) wärmeisoliert befestigt ist, ein Rechenglied zum Berechnen des zeitlichen Differentialquotienten der gemessenen Temperatur unda gas temperature sensor (10) which is fastened in a thermally insulated manner at one point on the gas line (34), a calculator for calculating the time differential quotient of the measured temperature and ein Erfassungsglied für das Auftreten eines negativen Schwellenwertes des Differentialquotienten.a detection element for the occurrence of a negative threshold value of the differential quotient. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein mit der Gasleitung (34) über ein Rohr (22) mit ausreicher^em Innendurchmesser verbundenes Gehäuse (30), damit der Druck im Gehäuse stets gleich dem in der Gasleitung (34) ist, wobei der Gastemperaturmeßfühler (lfr) im Gehäuse angeordnet ist.3. Apparatus according to claim 2, characterized by one with the gas line (34) via a pipe (22) Housing (30) connected with a sufficient inside diameter so that the pressure in the housing is always maintained is the same as that in the gas line (34), the gas temperature sensor (lfr) being arranged in the housing is. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (30) ein Außengehäuse (16) aufweist, das dem Gasinnendruck widersteht, und ein wärmedämmenes Innengehäuse (14), in dessen Innenraum der Gastemperaturmeßfühler (10) angeordnet ist.4. Apparatus according to claim 3, characterized in that the housing (30) has an outer housing (16) which withstands the internal gas pressure, and a heat-insulating inner housing (14), in the interior of which the gas temperature sensor (10) is arranged. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gastemperaturmeßfühler (10) von einer Temperaturmeßsonde mit elektrischen Widerständen oder mit Transistoren gebildet ist.5. Apparatus according to claim 4, characterized in that the gas temperature sensor (10) of a temperature probe is formed with electrical resistors or with transistors. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (30) von einem wärmedämmenden Behälter (32,38) umgeben ist.6. Device according to one of claims 2 to 5, characterized in that the housing (30) of a heat insulating container (32,38) is surrounded. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn-7.eichnet, daß der wärmedämmende Behälter (38) einen Teil der Gasleitung (34) an der Stelle umgibt, an dem das Gehäuse (30) befestigt ist.7. Apparatus according to claim 6, characterized in that the heat-insulating container (38) surrounds part of the gas line (34) at the point where the housing (30) is attached.
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