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Die Erfindung bezieht sich auf einen Massenströmungsmesser mit
Temperaturmeßsonden, der bestimmt ist, um die
Massenströmungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten oder Gasen zu messen, der aus einer
wärmeleitenden Röhre besteht, durch welche der zu messende Massenstrom geleitet
wird, und von welcher der Anfang und das Ende auf derselben Temperatur
gehalten werden, als auch ein oder mehrere Vorrichtungen, um die
Temperatur in der Röhre zu erhöhen und Vorrichtungen, zur Messung der
Temperatur der Masse an verschiedenen Stellen in der Röhre.
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Ein derartiger Massenströmungsmesser ist z. B. aus der
amerikanischen Patentschrift Nr. 4100801 bekannt. Das Prinzip, auf dem die
Verwendung dieses bekannten Massenströmungsmessers beruht, ist wie folgt.
Das Gas oder die Flüssigkeit (das Medium), von dem die Größe der
Massenströmung gemessen werden soll, strömt durch eine metallische,
wärmeleitende Röhre, deren Anfang und Ende auf derselben Temperatur gehalten
werden. In der Mitte der Röhre, im Inneren oder außerhalb, ist ein
Heizelement angebracht, womit das Medium und die Röhre erwärmt werden.
An den beiden Seiten des Heizelements sind, symmetrisch zu diesem
Element, Temperaturmeßsonden angebracht.
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Wenn das Medium in der Röhre nicht strömt, liegt bei Erwärmung
durch das Heizelement ein derartiges Temperaturprofil vor, daß in der
Mitte des Heizelements die Temperatur am höchsten ist. Ohne
Wärmeverluste zur Umgebung ist die Abnahme der Röhrentemperatur linear, als
eine Funktion des Abstands zu der erwähnten Mitte. Ohne Wärmeverluste
oder mit einem Wärmeverlust zur Umgebung, der bezogen auf die erwähnte
Mitte symmetrisch ist, ist das Temperaturprofil entlang der Röhre,
bezogen auf die erwähnte Mitte, symmetrisch.
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Die Temperaturmeßsonden, die bezogen auf das Heizelement
symmetrisch angebracht sind, zeigen in dem Fall, in dem ein ruhendes Medium
aufgeheizt wird, theoretisch einen Temperaturunterschied, der gleith
null ist.
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Wenn das Medium in der Röhre fließt und Erwärmung in der oben
beschriebenen Weise erfolgt, wird eine stromaufwärts vom Heizelement
befindliche Meßsonde eine niedrigere Temperatur anzeigen als eine
Meßsonde, die symmetrisch zur ersten Meßsonde stromabwärts von dem
Heizelement
angebracht ist. Der von den beiden Meßsonden gemessene
Temperaturunterschied ist ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums
und somit für die Massenströmung durch die Röhre.
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Der Massenströmungsmesser mit Temperaturmeßsonden gemäß dem oben
genannten Prinzip weist eine Anzahl Nachteile auf.
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Luftströmungen an der Außenseite der Röhre können das
Temperaturprofil entlang der Röhrenwand stören und so einen negativen Einfluß auf
die Genauigkeit und die Reproduzierbarkeit einer Messung haben. Das
Phänomen von Luftströmungen, die zu einem geänderten Temperaturprofil
führen, wird externe Konvektion genannt. Externer Konvektion kann durch
thermisches Isolieren der Röhre, z. B. durch Einhüllen in synthetischen
Schaum, entgegengewirkt werden.
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Ein weiterer Nachteil ist die interne Konvektion, die in Form von
Gravitations-induzierten Konvektionsströmungen im Medium selbst
auftritt, und eintreten kann, wenn die Teile der Röhre auf beiden Seiten
des Heizelements, bezogen auf die Richtung der Schwerkraft, nicht
symmetrisch ausgerichtet werden können. Interne Konvektion stellt auch die
Ursache für zusätzliche Temperaturgradienten entlang der
Röhrenoberfläche dar und sorgt so für eine weitere Ungenauigkeit bei der Messung
des Massenflusses. Diesem Problem, das vorallem auftritt, wenn der
Massenströmungsmesser mit Temperaturmeßsonden in der Raumfahrt
Anwendung findet, kann entgegengewirkt werden, indem man der Röhre einen
schleifenförmigen Verlauf gibt, wodurch das Medium gezwungen wird,
zumindest einmal die Strömungsrichtung zu ändern. Eine Beschreibung
eines Massenströmungsmessers mit einer schleifenförmigen Röhre wird in
der genannten amerikanischen Patentschrift Nr. 4100801 gegeben.
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Sowohl interne Konvektion als auch externe Konvektion werden
durch das Auftreten einer sogenannter Nullpunkt-Meßwertverschiebung
offenkundig, womit das Phänomen gemeint ist, daß bei der Erwärmung
einer Röhre mit einem ruhenden Medium, im Widerspruch zu was aufgrund
der Theorie erwartet werden kann, Temperaturmeßsonden, die bezogen auf
das Heizelement symmetrisch angeordnet sind, eine Temperaturdifferenz
zeigen, die ungleich null ist. Interne und externe Konvektion sind
nicht die einzigen Ursachen für das Auftreten einer
Nullpunktverschiebung.
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Andere Ursachen für das Auftreten einer Nullpunktverschiebung
sind unter anderem eine unterschiedliche Temperatur am Anfang und am
Ende der Röhre, mit ansonsten einer exakten Symmetrie der
Temperaturmeßsonden bezogen auf das Heizelement, eine Anordnung der
Temperaturmeßsonden, die bezogen auf die Röhrenmitte nicht genau symmetrisch ist,
eine Anordnung des Heizelements nicht genau in Röhrenmitte sowie
Inhomogenität in der Wanddicke.
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Bei den bekannten Verwirklichungen des Kassenströmungsmessers mit
Temperaturmeßsonden wird das Problem des Auftretens einer
Nullpunktverschiebung dadurch vermieden, daß die Nullpunktverschiebung auf
elektronischem Wege kompensiert wird. Der Nachteil hiervon ist die
inhärente Notwendigkeit für kostenerhöhende zusätzliche elektronische
Ausrüstung und/oder für Komponenten zum Ablesen der Temperaturmeßsonden.
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Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, einen
Massenströmungsmesser bereitzustellen, bei dem die sogenannte Nullpunktverschiebung
anstelle von auf elektronischem auf physikalischem Wege unterdrückt
werden kann. Dieses Ziel wird erfindungsgemäß erreicht, indem eine oder
mehrere Vorrichtungen in oder auf der Röhre angebracht werden, mit
deren Hilfe das Temperaturprofil entlang der Röhre so eingestellt
werden kann, daß, wenn die Röhre mit einem ruhenden Medium erwärmt wird,
der Temperaturunterschied bei, bezogen auf das Heizelement symmetrisch
angeordneten Temperaturmeßsonden, gleich null ist.
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Diese Vorrichtungen können entweder aus zusätzlichen
Heizelementen bestehen, womit die Temperatur am Anfang oder am Ende der Röhre
eingestellt werden kann, oder aus einem oder mehreren Kühlkörpern
(sogenannten Peltier-Elementen) bestehen oder aus einer mechanischen gegen
die Röhrenwand anliegende Konstruktion bestehen, wodurch der Effekt
einer in Längsrichtung veränderlichen Wanddicke simuliert werden kann.
Ein Beispiel für eine derartige mechanische Konstruktion ist eine gegen
die Röhrenwand angebrachte Schiene, entlang welcher ein metallischer
Wärmeleiter bewegt und festgesetzt werden kann.
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In einer bevorzugten Verwirklichung eines Massenströmungsmessers
gemäß der Erfindung besteht die Vorrichtung, die das Temperaturprofil
entlang der Röhre regelt, aus einem Heizelement in der Mitte der Röhre,
welches Element aus zwei Teilen besteht, die unabhängig voneinander
gesteuert werden, welche Teile sich jeweils beidseitig von der Mitte
stromabwärts und stromaufwärts befinden, mit anderen Worten ein doppelt
ausgeführtes Heizelement. Aufgrund der Verwendung eines doppelt
ausgeführten Heizelements in der Mitte der Röhre, anstelle eines einzelnen
Heizelements, braucht die strikte konstruktionstechnische Forderung
einer sehr genauen Positionierung des Heizelements in der Mitte der
Röhre nicht eingehalten zu werden. Der Einsatz eines doppelt
ausgeführten Heizelements erhöht außerdem die Kosten im Vergleich zu einem
einzelnen Heizelement nur unwesentlich, da letzteres meistens aus einer
Widerstandsspule besteht, die um die Röhre gewickelt ist, während zur
Herstellung eines doppelten Heizelements man lediglich die erwähnte
Widerstandsspule mit einem zusätzlichen Anschlußdraht für die
Stromzufuhr versehen muß.
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Ein doppelt ausgeführtes Heizelement in Massenströmungsmessern
gemäß der Erfindung unterscheidet sich selbst von früher angewendeten
doppelt ausgeführten Heizelementen in Massenströmungsmessern, wo die
Funktion auf einer Schaltung beruht, bei der die Heizelemente
zusätzlich die Funktion von Temperaturmeßsonden haben, da für beide Aufgaben
dieselben temperaturempfindlichen Widerstandsspulen verwendet werden,
wie in der amerikanischen Patentschrift Nr. 4487062 beschrieben wird,
gerade in dem Punkt, daß bei dem dort beschriebenen Typ von
Massenströmungsmessern die Möglichkeit der Kompensation der Nullpunktverschiebung
auf physikalischem Wege mit dem doppelt ausgeführten Heizelement fehlt.
Eine weitere Unterscheidung zwischen einem doppelt ausgeführten
Heizelement in einem Massenströmungsmesser gemäß der Erfindung und dem in
der amerikanischen Patentschrift Nr. 4487062 beschriebenen Typ ist in
der Lage und der Bauart des Heizelements begründet. Aufgrund des
Meßprinzips sollte gemäß der Erfindung ein doppelt ausgeführtes
Heizelement in oder sehr dicht bei der Mitte der Röhre angebracht werden,
während bei dem in dem amerikanischen Patent beschriebenen Typ ein
Einbau in einem wesentlichen Abstand von der Mitte der Röhre eine
notwendige Bedingung für die Funktion des ansonsten grundverschiedenen
Meßprinzips ist.
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In 'Radio Fernsehen Technik', Band 36, Nr. 7, 1987, Berlin, DDR,
Seite 463 - 464 wird ein Massenströmungsmesser offengelegt, der von dem
im US Patent Nr. 4487062 beschriebenen Typ ist, und zwei Transistoren
(V&sub3;, V&sub4;) besitzt, die beide sowohl als Heizelemente als auch als
Temperaturmeßsonden funktionieren. In der beschriebenen Schaltung wird ein
Widerstand R&sub4; abgeglichen, bis die Differenz in der Heizleistung von V&sub3;
und V&sub4; derart ist, daß eine Spannung UA = 0 vorliegt.
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Die Empfindlichkeit eines Massenströmungsmessers gemäß der
Erfindung wird bestimmt durch die Empfindlichkeit der Temperaturmeßsonden,
für welche bei den bekannten Massenströmungsmessern
temperaturabhängiger Widerstandsdraht verwendet wird. Je mehr Wärme über das Heizelement
freikommt, desto größer wird die von den Temperaturmeßsonden gemessene
Temperaturdifferenz und damit die Empfindlichkeit des
Massenströmungsmessers.
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Die im praktischen Betrieb verwendeten Massenströmungsmesser sind
manchmal so dimensioniert, daß die von dem Heizelement in der Mitte der
Röhre erzeugte Temperatur auf mehr als 100 ºC über Umgebungstemperatur
steigen kann. Dies kann die folgenden Nachteile mit sich bringen.
Flüchtige Flüssigkeiten können zu sieden beginnen, wodurch eine Messung
unmöglich gemacht wird. Einige Flüssigkeiten und Gase können bei einem
derart großen Temperaturanstieg, wie er genannt wurde, dissoziieren.
Die Meßgenauigkeit kann negativ beeinflußt werden, wenn die spezifische
Wärme des zu messenden Mediums stark temperaturabhängig ist. Bei sehr
geringen Strömungsgeschwindigkeiten tritt als Folge der Expansion des
Mediums eine Strömung auf, der sogenannte Thermosyphon-Effekt. Wenn die
Größenordnung dieser Strömung gleich der zu messenden Massenströmung
ist, wird der Meßfehler unannehmbar groß. Die Ausschaltung all dieser
Nachteile ist nur durch eine drastische Senkung der vom Heizelement
erzeugten Temperatur des Mediums und damit einer Senkung der von den
Temperaturmeßsonden gemessenen Temperaturdifferenz möglich.
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Die praktischen Möglichkeiten eines Massenströmungsmessers, der
gemäß der Erfindung in Röhrenmitte mit einem doppelt ausgeführten
Heizelement ausgestattet ist, werden merkbar erweitert, wenn die
Temperaturmeßsonden aus Thermoelementen oder genauer aus einer Thermosäule
bestehen. Eine Thermosäule besteht aus einer großen Anzahl
Thermoelementen, die in Reihe geschaltet sind und derart um einen Halter
gewikkelt sind, daß alle 'warmen' Seiten der Thermoelemente an einer Seite
des Halters liegen und alle 'kalten' Seiten der Thermoelemente an der
anderen Seite des Halters liegen.
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Wenn anstelle von temperaturabhängigem Widerstandsdraht
Thermoelemente als Temperaturmeßsonden verwendet werden, wird ein viel
geringerer
Temperaturanstieg des Mediums in der Mitte der Röhre genügen,
eine ausreichende Linearität des Meßsondensignals bei einem weiten
Bereich von Massenstömungsgeschwindigkeitswerten wird verwirklicht,
eine ausreichende Empfindlichkeit der Temperaturmeßsonden wird erhalten
und die Empfindlichkeit der Röhre gegenüber dem Einfluß der
Umgebungstemperatur auf ein annehmbar niedriges Niveau gebracht.
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Die Vorteile einer Thermosäule werden noch vergrößert, wenn die
Temperatur der Röhre stromabwärts von dem in der Röhrenmitte
befindlichen Heizelement mit der warmen Seite der Thermosäule gemessen wird und
die Temperatur der Röhre stromaufwärts mit der kalten Seite der
Thermosäule gemessen wird. Eine derartige Anordnung der Meßsonden ist mit
einer U-förmig gebogenen Röhre möglich, wobei das doppelt angeordnete
Heizelement in der Mitte des Bogens der U-Form auf der Röhre angebracht
ist, und wobei der Abstand zwischen den beiden Schenkeln genau gleich
dem Abstand zwischen dem warmen und dem kalten Teil der Thermosäule
ist, so daß die Thermosäule zwischen den beiden Schenkeln der
U-förmigen Röhre eingeklemmt werden kann.
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In einem Beispiel für einen Massenströmungsmesser gemäß der
Erfindung, mit U-förmiger Röhre, doppelt ausgeführtem Heizelement und
Thermosäule ist die verwendete Thermosäule dadurch gekennzeichnet, daß
die kalten und die warmen Seiten ungefähr 2,5 mm voneinander entfernt
sind. Die beiden Schenkel der U-förmigen Röhre verlaufen in einem
Abstand von ungefähr 2,5 mm zueinander parallel. Zwischen den Schenkeln
ist über die gesamte Länge oder einem Teil davon eine Thermosäule
angebracht. Mit dieser Anordnung wird die Temperaturdifferenz zwischen zwei
Punkten der Röhre in einer, bezogen auf das in Röhrenmitte befindliche
Heizelement symmetrischen Lage, stromauf- und stromabwärts ständig
gemessen. Alle gemessenen Temperaturunterschiede werden, inhärent an den
Gebrauch einer Thermosäule, addiert, wodurch ein höchstmögliches Signal
erzielt wird. Der Anfang und das Ende der Röhre, die beiden 'Füße',
sind aus einem massiven Stück Metall gefertigt, mit dem Ziel, die
Temperatur am Anfang und am Ende der Röhre so gut wie möglich gleich zu
halten. Das genannte massive Metallteil ist thermisch eng mit einem
metallenen Behälter verbunden, welcher das Gehäuse für die Isolierung
bildet. Hiermit wird erreicht, daß die Temperaturen am Anfang und am
Ende der Röhre so gut wie möglich mit der Umgebungstemperatur
übereinstimmen.
Die beiden Schenkel der U-förmigen Röhre sind im Inneren des
metallenen Behälters symmetrisch befestigt, der übrige Raum darin ist
mit Isolationsmaterial gefüllt. Im oberen Teil der Schenkel ist
symmetrisch um den höchsten Punkt ein doppelt ausgeführtes Heizelement
angebracht.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand einer Zeichnung näher
erklärt, in der
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Fig.1 eine schematische Darstellung des Massenströmungsmessers
gemäß der Erfindung zeigt;
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Fig.2 eine graphische Darstellung des idealen Temperaturverlaufs
des Mediums in der Röhre in Fig.1 zeigt, sowohl für den Fall, daß das
Medium ruht als auch für den Fall, daß es strömt;
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Fig.3 eine graphische Darstellung eines möglichen
Temperaturverlaufs des Mediums in der Röhre in Fig.1 zeigt für den Fall, daß das
Medium ruht und der Zustand nicht in Übereinstimmung mit dem
theoretischen Idealzustand ist;
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Fig.4 eine Seitenansicht einer bevorzugten Verwirklichung eines
Massenströmungsmessers mit U-förmiger Röhre, doppelt ausgeführtem
Heizelement und Thermosäule ist.
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Figur 1 zeigt die metallene wärmeleitende U-förmige Röhre 1,
durch die das zu messende flüssige oder gasförmige Medium strömt, sowie
das metallene Gehäuse 2 des Massenströmungsmessers. Der Anfang 3 und
das Ende 4 der Röhre, die 'Füße', sind thermisch mit dem metallenen
Gehäuse 2 verbunden. Um die Mitte M der Röhre ist ein doppelt
ausgeführtes Heizelement in Gestalt eines Widerstandsdrahtes angebracht, der
um die Röhre gewickelt ist und drei Anschlußpunkte für die Stromzufuhr
hat, so daß der linke und der rechte Teil, beziehungsweise 5 und 6 des
Heizelements, getrennt angesteuert werden können. Die Temperatur der
Außenseite der Röhre wird stromaufwärts und stromabwärts von zwei
Temperaturmeßsonden 7 beziehungsweise 8 gemessen, die symmetrisch in bezug
auf die Mitte M angeordnet sind. Die Pfeile am Anfang und am Ende der
Röhre geben die Strömungsrichtung des Mediums an.
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Wenn das Medium nicht strömt und keine Wärmeverluste vom Medium
zur Umgebung vorliegen, dann entsteht bei Erwärmung am Ort M im
theoretisch idealen Fall in der Röhrenwand ein Temperaturprofil, wie durch
die gestrichelte gerade Linien in Figur 2 angegeben wird. Wenn die
Meßsonden 7 und 8 genau symmetrisch angeordnet sind, werden die
Temperaturen an beiden Orten gleich sein.
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Wenn das Medium strömt wird unter im übrigen gleichen (idealen)
Bedingungen das Temperaturprofil in der Röhrenwand gemäß der
durchgezogenen Kurve in Fig.2 verlaufen. Auf einfache und wohlbekannte Weise
kann abgeleitet werden, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums
proportional zur Temperaturdifferenz T'&sub8;-T'&sub7; ist.
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In Figur 3 ist das Temperaturprofil in der Röhrenwand für ein
ruhendes Medium gezeichnet, für den Fall daß, aus welchem Grund auch
immer, die Temperatur am Ende der Röhre 4 niedriger als am Anfang 3 ist
oder daß der rechte Schenkel kürzer ist oder erscheint als der linke
(zum Beispiel, wenn sich das Heizelement nicht genau in der Mitte
befindet). Es ist deutlich, daß in diesem Fall die Temperaturen bei den
Meßsonden 7 und 8 nicht länger gleich sind, sondern, daß eine
sogenannte Nullpunktverschiebung T&sub7;-T"&sub8; eingetreten ist. Diese
Nullpunktverschiebung beeinflußt die Genauigkeit der Messung auf eine unannehmbare
negative Weise.
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Durch mehr Wärme in dem rechten Teil 6 des doppelt ausgeführten
Heizelements zu dissipieren als im linken Teil 5 kann das ideale
Temperaturprofil wiederhergestellt werden (linker Teil unverändert,
rechter Teil gestrichelte Linie in Fig.3) und auf diese Weise die
Nullpunktverschiebung T&sub7;-T"&sub8; ausgeschaltet werden. Es ist leicht zu
erkennen, daß andere nicht-ideale Temperaturprofile als die von dem Beispiel
in Fig.3 ebenfalls auf dieselbe einfache Weise mit Hilfe des doppelt
ausgeführten Heizelements korrigiert werden können.
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Figur 4 zeigt ein Beispiel für einen Massenströmungsmesser gemäß
der Erfindung mit einer U-förmigen Aluminiumröhre 1 und einem doppelt
ausgeführten Heizelement mit den Teilen 5 und 6 in Seitenansicht.
Zwischen den Schenkeln der Röhre ist über die gesamte Länge oder einem
Teil davon eine Thermosäule 9 angebracht. Mit dieser Gestaltung wird
jedesmal die Temperaturdifferenz zwischen zwei Punkten der Röhre in
einer symmetrischen Lage stromauf- und stromabwärts, bezogen auf das in
der Mitte der Röhre befindliche Heizelement, gemessen. Alle gemessenen
Temperaturunterschiede werden, inhärent mit der Verwendung einer
Thermosäule, addiert und auf diese Weise ein größtmögliches Signal erzielt.
Der Anfang 3 und das Ende 4 der Röhre, beide 'Füße', sind aus einem
massiven Stück Aluminium gefertigt, mit der Absicht, die Temperaturen
am Anfang und am Ende der Röhre so gut wie möglich gleich zu halten.
Das genannte massive Stück Aluminium ist thermisch fest mit einem
Aluminiumbehälter verbunden (von dem in der Figur nur der Boden 13 gezeigt
wird), der das Gehäuse für die Isolation bildet. Hiermit wird erreicht,
daß die Temperatur am Anfang und am Ende der Röhre so gut wie möglich
mit der Außentemperatur gleichgesetzt wird. Beide Schenkel der
U-förmigen Röhre sind in dem metallenen Behälter symmetrisch eingebaut, der
übrige Raum darin ist mit Isolationsmaterial gefüllt. Im oberen Teil
der Schenkel ist symmetrisch um das Kopfende ein doppelt ausgeführtes
Heizelement mit den Teilen 5 und 6 angebracht.