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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Sensoreinheit
zur kontinuierlichen Überwachung
des Korrosionszustandes, der Korrosionsgeschwindigkeit von Bauwerken
und der beeinflussenden Parameter nach dem Oberbegriff des ersten
Anspruchs.
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Stand der Technik Korrosion an Bauwerken ist
die Hauptursache für
die hohen Kosten für
deren Instandsetzung und für
die oft stark verringerte Lebensdauer.
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Um den Zeitpunkt der Korrosionsinitiierung, die
Korrosionsgeschwindigkeit und die beeinflussenden Parameter, wie
Betonfeuchtigkeit, Temperatur, Chloridgehalt zu erfassen, wurden
verschiedene Sensorsysteme entwickelt und intensiv an Bauwerken
eingesetzt. Die Messung dieser Sensoren erfolgte bisher durch Einzelmessungen
in regelmässigen Zeitabständen. In
neueren Arbeiten konnte gezeigt werden, dass eine Vorhersage der
weiteren Schadensentwicklung nur möglich ist, wenn die Messungen
kontinuierlich durchgeführt
werden. Die Interpretation der schwankenden Messgrössen aufgrund
täglicher
und saisonaler Veränderungen
der klimatischen Grössen
Temperatur und Feuchtigkeit ist nur möglich, wenn mehrere Messwerte
pro Tag aufgezeichnet werden. Nur so sind zuverlässige Aussagen über die
weitere Entwicklung des Schadensverlaufs, die Erstellung von Prognosen,
die optimale Planung von Instandsetzungsmassnahmen oder die Überwachung
der Wirksamkeit von Instandsetzungsmassnahmen möglich. Bei Einzelmessungen
in periodischen Abständen
von Tagen, Monaten oder Jahren können
die momentanen Gegebenheiten bei der Messung die längerfristige
Entwicklung überdecken.
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Das Messystem basiert auf einem Datenlogger
und verschiedenen Sensorelementen für Korrosionsinitiierung, Korrosionsgeschwindigkeit,
Betonleitfähigkeit,
Temperatur und Chloridgehalt. Mehrere Datenlogger können über ein
Bussystem miteinander verbunden werden, um verschiedene Elemente
des Bauwerks überwachen
zu können
und eine ganzheitliche Aussage über
den Korrosionszustand zu erhalten.
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Aus der Bauwerksüberwachung ist zudem bekannt,
dass die gemessenen Parameter durch eine Fernüberwachung abgefragt werden
können, um
kontinuierlich über
deren Zustand informiert zu sein. Dafür werden vor allem Mobilfunknetze
genutzt, aber auch der Einsatz von Satelliten ist bekannt. Weiter
ist auch die Verwendung von Alarmwerten gebräuchlich, welche beim Erreichen
von kritischen Bedingungen die Durchführung von Massnahmen erfordern.
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Die Problematik bei den bisher eingesetzten Systemen
für die
kontinuierliche Überwachung
des Korrosionszustandes besteht in der Verkabelung des Bauwerks.
Einerseits mussten die Sensorelemente mit dem Datenlogger verbunden
werden und andererseits musste der Datenlogger an eine Stromquelle angeschlossen
und mit den anderen Datenloggern verbunden werden. Dies bedeutete
einen erheblichen Aufwand für
die Installation des Messsystems, erforderte geschultes Personal,
und die Kabel beeinträchtigen
in vielen Fällen
die Ästhetik
des Bauwerks. Dies hatte zur Folge, dass das Überwachungssystem teuer in
der Installation und die Akzeptanz wegen der optischen Beeinträchtigung
gering waren.
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Es sind verschiedene Typen von Sensorelementen
bekannt. Sie bestehen oft aus einem Träger für die einzelnen Sensoren. So
können
Widerstandssensoren, Chloridsensoren, Referenzelektroden und Sensoren
für die
Messung der Korrosionsgeschwindigkeit auf einem Träger kombiniert
sein. Es ist aber auch möglich
diese Sensoren einzeln auf einem Träger zu installieren.
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Die Sensorelemente können entweder
vor dem Betonieren in das Bauwerk eingebracht werden oder nachträglich an
bestehenden Strukturen in Kernbohrungen eingemörtelt oder eingespannt werden.
In gewissen Fällen
wurden auch Bohrkerne von bestehenden Bauwerken mit Sensoren bestückt und wieder
eingebaut. Die Sensoren wurden dann mittels Kabel mit dem Datenlogger
verbunden.
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Die Problematik bei diesen Sensorelementen
besteht darin, dass eine Fachperson für die Installation der empfindlichen
Sensorelemente am Bauwerk, die Verlegung der Anschlusskabel und
für den
korrekten Anschluss an den Datenlogger erforderlich ist. Weiter
besteht die Gefahr, dass sie während
dem Betonieren beschädigt
werden. Demzufolge hat auch die Installation der Sensorelemente
einen hohen Aufwand an Kosten und Koordination während dem Bau zur Folge. Die
im Beton verlegten Kabel beinhalten zudem die Gefahr, dass Betonporenlösung durch
die Kapillarwirkung der Kabelmäntel aufgesaugt
wird, in Kabelanschlüsse
gelangt und dort Korrosion auslöst,
oder die Lebensdauer der Kabelisolation durch den hohen pH-Wert
beeinträchtigt wird.
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Darstellung der Endung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
einfache und kostengünstige Überwachung
des Korrosionszustands von Bauwerken zu ermöglichen. Erfindungsgemäss wird
dies durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs erreicht.
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Kern der Erfindung ist, dass der
Träger
der Sensoreinheit gleichzeitig als Kabelkanal, Installationseinheit,
Steckeranschluss und Bewehrungsanschluss wirkt. Der Einbau der Sensoreinheit
erfordert keinerlei Verkabelungen oder Installationen.
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Der Vorteil der Erfindung besteht
darin, dass die Installation der Sensoreinheit keine Verkabelung erfordert
und dadurch schnell und einfach ist. Sie erfordert keinerlei technische
Kenntnisse und kann direkt durch das Baustellenpersonal vorgenommen werden.
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Durch die kabellose Datenübertragung
an eine Zentraleinheit und durch die unabhängige Stromversorgung wird
die Ästhetik
des Bauwerks nur minimal beeinträchtigt
und der Installationsaufwand ist gering. Auch nachträgliche Installation
oder Nachrüstung
eines Bauwerks mit zusätzlichen
Sensoreinheiten ist problemlos möglich
und erfordert nur minimalen Aufwand.
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Die Sensoreinheit besteht aus einem
Träger welcher
gleichzeitig verschiedene Funktionen wahrnimmt. Er ist einerseits
der Träger
für die
verschiedenen Sensoren. Da er aus einem Hohlprofil oder einem U-Profil
besteht, können
die Verbindungskabel zu den Sensoren im Inneren geführt werden.
Somit sind die Kabel vor der stark alkalischen Betonporenlösung und
vor den rauhen Bedingungen bei der Installation und während dem
Betonieren geschützt. Die
Kabel im Inneren des Hohlprofils werden direkt auf einen Stecker
geführt.
Dieser kann ebenfalls am Träger
installiert sein. Der Träger
kann über
eine Klemmverbindung direkt an die Bewehrung angeschlossen werden.
Dadurch wird einerseits eine solide Befestigung während dem
Betonieren erreicht. Andererseits wird gleichzeitig ein elektrischer
Anschluss an die Bewehrung erreicht, welche bei gewissen Sensoren
als Kathode wirkt. Die Verwendung der Bewehrung als Kathode ist
wesentlich, da die Kathodenfläche
eine mindestens fünfzig
mal grössere
Fläche
als die Anode aufweisen muss. Bei Sensoren, welche eine Oberfläche aus
nichtrostendem Stahl als Kathode verwenden, wird die Korrosionsgeschwindigkeit
unterschätzt.
Für die
Installation vor dem Betonieren kann der Träger zusätzlich an der Schalung befestigt
werden. Die Installation der Sensoreinheit entspricht damit exakt
jener eines Erdungsanschlusses. Dieser Arbeitsschritt ist gebräuchlich
und kann einfach durch das Baustellenpersonal vorgenommen werden.
Idealerweise weist die Sensoreinheit zusätzlich eine Unterputz-Buchse
mit Deckel auf, welche die Steckverbindung vor Witterungseinflüssen schützt.
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Idealerweise wird die Sensoreinheit
in Kombination mit einem Datenlogger betrieben, welcher mit einer
unabhängigen
Stromversorgung ausgerüstet
ist und die Daten mittels kabelloser Übertragung an eine Zentraleinheit
sendet. Damit entfallen sämtliche
Verkabelungen am Bauwerk und die Installation von Sensoreinheit
und Datenerfassung stellt nur einen minimalen Aufwand dar. Weiter
sollen Datenlogger und Sensoreinheit mit entsprechenden Steckeranschlüssen ausgerüstet sein,
dass die Verkabelung und/oder die Inbetriebnahme der Sensoreinheit und/oder
des Datenloggers durch einfaches Einstecken erfolgt. Die Konfiguration
erfolgt über
Fernsteuerung von einem beliebigen Ort über die Zentraleinheit.
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Die Zentraleinheit ist im Bereich
des Bauwerks lokalisiert. Ihre Funktion besteht im Sammeln der Daten
von den verschiedenen Datenloggern, welche zusammen mit den Sensoreinheiten
am Bauwerk installiert sind. Von der Zentraleinheit werden die Daten über ein
beliebiges Kabel, Funknetz oder eine Satellitenverbindung an den
Bestimmungsort gesandt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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In 1 ist
das Messsystem für
die Datenerfassung mittels kabelloser Datenübertragung und unabhängiger Stromversorgung
gezeigt.
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In 2 ist
der Aufbau der Sensoreinheit für die
Installation vor dem Betonieren und deren Anschluss an den Datenlogger
gezeigt.
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In 3 ist
der Aufbau der Sensoreinheit für den
nachträglichen
Einbau in einem bestehenden Bauwerk und deren Anschluss an den Datenlogger gezeigt.
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Weg zur Ausführung der Erfindung
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1 zeigt
das Messsystem umfassend eine Zentraleinheit 1 einen Computer 2 und
Datenlogger 3. Die Zentraleinheit 1 kommuniziert über eine Kabel-
oder funkgebundene Datenverbindung 20 mit dem Computer 2 und
wird mit einer Solaranlage mit Akkumulatoren oder vom Stromnetz
elektrisch versorgt. Weiter kommuniziert die Zentraleinheit mit
den Datenloggern 3, welche bei den Sensoreinheiten 4 auf
einem Bauwerk 5 installiert sind. Vom Computer 2 können Steuersignale über die
Zentraleinheit an die Datenlogger gesandt werden. Umgekehrt werden
die Daten der Logger an die Zentraleinheit gesandt und von dort
an den Computer 2 geleitet. Der Computer 2 nimmt
die Berechnung, Auswertung, Archivierung und Weiterleitung der Daten
vor. Indem die Datenübertragung
zwischen der Zentraleinheit 1 und den Datenloggern 3 optimiert
wird, kann der Stromverbrauch für
die Kommunikation stark verringert werden. Dies wird durch Datenaustausch
zwischen der Zentraleinheit 1 und den Datenloggern 3 in
fest vorgegebenen Intervallen erreicht. Zusammen mit dem gezielt
geringen Stromverbrauch der Datenlogger 3 und langlebigen
Lithiumbatterien können
Betriebsdauern von mehren Jahren oder sogar Jahrzehnten erreicht
werden.
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In 2 ist
eine Sensoreinheit 4 gezeigt, deren Träger 6 vor dem Betonieren
mit einem Anschluss 7 an der Bewehrung 8 des Bauwerks
befestigt wird. Dieser Anschluss 7 erfolgt Idealerweise durch
Klemmen, Spreizen, Schrauben, Dübeln,
Löten,
Schweissen oder mittels eines eingetriebenen Bolzens. Der Anschluss 7 ist
am Träger 6 derart
montiert, dass die Einbautiefe der vorgesehenen Überdeckungshöhe angepasst
werden kann. Idealerweise erfolgt dies über eine Nut, einen Schlitz
oder einfach eine frei bewegliche Klemmung direkt am Träger 6. Der
Träger 6 besteht
aus einem Material, welches in der stark alkalischen Betonporenlösung beständig ist.
Er kann aus Kunststoff oder Metall bestehen. Wenn das Material aus
einem elektrisch leitenden Werkstoff besteht, wie nichtrostendem
Stahl, Titan, Stahl, oder karbonfaserverstärktem Kunststoff kann der Träger 6 zusätzlich die
Funktion des Bewehrungsanschlusses übernehmen. Durch das Befestigen
des Trägers 6 mit
dem Anschluss 7 an der Bewehrung 8 wird in diesem
Fall sofort auch ein elektrischer Bewehrungsanschluss erstellt.
Der Träger 6 ist derart
geformt, dass keine bevorzugte Transportwege für Schadstoffe durch den Beton
entstehen. Im Bereich von Sensoren 11 der Sensoreinheit 4 sind keine
Durchführungen
durch die Betonoberfläche vorhanden.
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Am Träger kann zusätzlich eine
Buchse 9 befestigt sein, welche mit einem Deckel verschlossen sein
kann und wodurch das Eindringen von Beton oder Wasser und Verunreinigungen
verhindert wird. Diese Buchse 9 kann bei der Installation
der Sensoreinheit 4 an der Schalung festgenagelt werden.
Die Kabel 10 für
den elektrischen Anschluss der verschiedenen Sensoren 11 sind
entlang des Trägers 6 geführt, welcher
idealerweise ein Hohlprofil oder ein U-Profil aufweist. Diese Kabel 10 sind
entlang des Trägers 6 zur
Buchse 9 geführt,
wo sie an einen Stecker 12 angeschlossen sind. Dieser Stecker
kann direkt am Träger 6 installiert
sein. Die Kabel 10 können aber
auch aus dem Träger 6 herausgeführt und
der Stecker 12 kann am Kabelende installiert sein. Die Kabel 11 sind
dabei idealerweise in einer gemeinsamen Isolation geführt und
bereits werkseitig mit den erforderlichen Elementen, wie Gummidichtung
und Mutter, für
die Durchführung
durch eine Stopfbuchse 13 versehen. Wesentlich ist, dass
keine Kabel 10 frei durch den Beton verlegt sind. Durch
die Führung
der Kabel entlang des Trägers
sind Verletzungen während
dem Betonieren nahezu vollständig
ausgeschlossen. Im Falle eines Trägers 6 der aus einem Hohlprofil
besteht sind die Anschlusspunkte und die Kabel komplett vor der
aggressiven Betonporenlösung
geschützt.
Dadurch kann eine hohe Lebensdauer des Sensoreinheit 4 sichergestellt
werden. Idealerweise werden Öffnungen
im Träger 6,
welche für die
Installation der Sensoren 11 und die Einführung der
Kabel 10 erforderlich sind, mittels Stopfen verschlossen,
verschraubt, zugeschweisst, zugeklebt oder anderweitig verschlossen.
Eine weitere Möglichkeit
besteht im Vergiessen mit einem Kunstharz, beispielsweise Epoxidharz,
der Beschichtung des gesamten Trägers 6 mit
einem Anstrich oder der Kombination der verschiedenen genannten
Verschlussmöglichkeiten.
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Nach dem Betonieren kann an dem Stecker 12 der
Datenlogger 3 angeschlossen werden. Die Verkabelung kann
dabei derart ausgestaltet sein, dass durch das Anschliessen der
Datenlogger direkt in Betrieb genommen wird, wodurch Fehlmanipulationen
durch ungeschultes Personal ausgeschlossen sind.
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Der Datenlogger wird wasserdicht
und witterungsbeständig
installiert. Der erforderliche Witterungsschutz wird dabei idealerweise
durch ein Gehäuse 14 erreicht.
Dieses Gehäuse 14 kann über der Buchse 9 installiert
werden, wodurch ein zusätzlicher Witterungsschutz
des Steckers 12 erreicht wird. Dabei kann die Befestigung
des Gehäuses 14 direkt
an dafür
vorgesehenen Elementen der Buchse 9, wie zum Beispiel Gewinde,
erfolgen. Das Gehäuse 14 kann
aber auch am Bauwerk 5 montiert werden. Die Kabel 10 werden
dicht in das Gehäuse 14 geführt. Diese
Einführung
kann durch Vergiessen oder Schäumen
der Durchführung
oder durch eine Stopfbuchse 13 erfolgen. Idealerweise ist
die Stopfbuchse 13 vor direkter Bewitterung geschützt, indem
sie beispielsweise auf der Rückseite
des Gehäuses 14 installiert
wird. Durch Verfüllen
der Buchse 9 mit Kunststoff oder Dichtmaterial kann eine
weitere Verbesserung der Dichtwirkung erreicht werden. Das Gehäuse 14 ist
derart ausgebildet, dass ein einfaches Austauschen des Datenloggers 3 möglich ist.
In 3 ist eine Sensoreinheit 4 gezeigt,
welche nachträglich
in ein Bauwerk 5 eingebaut wurde. Dazu wurde aus dem Bauwerk 5 ein
Bohrkern entnommen. In diese Öffnung
wird ein vorbetonierter zylindrischer Block eingemörtelt, welcher
die Sensoreinheit 4 enthält. Die Sensoreinheit 4 ist
analog zur 2 aus einem Träger 6 aufgebaut,
welcher als Führung
für die
Kabel 10 dient. Die gezeigte charakteristische U-Form des
Trägers 6 dient
der Verhinderung von bevorzugten Stofftransportwegen im Bereich
der Sensoren 11. Dadurch soll ein möglichst realitätsnahes
Verhalten erreicht werden. Im gezeigten Beispiel werden die Kabel 10 in
einen Stecker 12 geführt.
Dieser Stecker 12 wird durch die Rückwand witterungsgeschützt in das
Gehäuse 14 geführt und
am Datenlogger 3 angeschlossen, was durch die Verwendung
eines Rahmens 15 als Abstandhalter möglich ist. Durch Verlängerung
des Trägers 6 auf
der Betonoberfläche
wird erreicht, dass keine offene Kabel vorliegen und dass das Gehäuse 14 den
Stofftransport im Bereich der Sensoren 11 nicht signifikant
beeinflusst. Durch Verfüllen
des Rahmens 15 mit Kunststoff oder Dichtmaterial kann eine
weitere Verbesserung der Dichtwirkung erreicht werden. Der Anschluss
an die Bewehrung 8 muss getrennt erfolgen. Idealerweise
wird dieser Kontakt unter dem Gehäuse 14 mit einem Anschlusskabel 16 vorgenommen.
Eine Alternative ist die Kontaktierung im Loch der Kernbohrung an
ein durchgetrenntes Bewehrungseisen. Diese Kontaktierung kann beispielsweise
durch Punktschweissung, Löten,
Klemmen oder Schrauben erfolgen. In 4 ist
eine Sensoreinheit 4 gezeigt, welche nachträglich in
ein Bauwerk 5 eingebaut wurde. Dazu in das Bauwerk 5 ein
Loch gebohrt. Die Sensoreinheit 4 wurde daraufhin mit einem
Mörtel 17 in
das Bauwerk eingebaut. Idealerweise besteht der Träger 6 dabei
aus einem runden Profil. Die Mörtelschicht 17 wird
erreicht einerseits die Verankerung der Sensoreinheit 4 im Bauwerk 5.
Andererseits wird ein elektrolytischer Kontakt zwischen den Sensoren 11 und
dem Bauwerk 5 erreicht. Die Dicke der Mörtelschicht 17 soll dabei
so gering wie möglich
sein. Dadurch wird ein rascher Austausch der im Bauwerk 5 gelösten Stoffe erreicht
und an die Sensoren 11 sind dadurch im Kontakt mit den
im Beton gelösten
Substanzen. Durch einfaches Bohren eines Lochs und Einmörteln der
Sensoreinheit 4 können
dadurch Korrosionsuntersuchungen an bestehenden Bauwerken mit bereits
auftretenderm Korrosionsangriff durchgeführt werden. So diffundieren
zum Beispiel die Alkalien und die gelösten Chloride schnell zur Sensoroberfläche und
können
dabei Korrosion auslösen.
Die Überwachung
dieser Werte liefert wertvolle Informationen über die Entwicklung der Korrosion.
Die Sensoreinheit 4 ist aus einem Träger 6 aufgebaut, welcher
als Führung
für die
Kabel 10 dient. Im gezeigten Beispiel werden die Kabel 10 in
einen Stecker 12 geführt.
Dieser Stecker 12 wird durch die Rückwand witterungsgeschützt in das
Gehäuse 14 geführt und
am Datenlogger 3 angeschlossen, was durch die Verwendung eines
Rahmens 15 als Abstandhalter möglich ist. Durch Verlängerung
des Trägers 6 auf
der Betonoberfläche
wird erreicht, dass keine offene Kabel vorliegen und dass das Gehäuse 14 den
Stofftransport im Bereich der Sensoren 11 nicht signifikant
beeinflusst. Durch Verfüllen
des Rahmens 15 mit Kunststoff oder Dichtmaterial kann eine
weitere Verbesserung der Dichtwirkung erreicht werden. Der Anschluss
an die Bewehrung 8 muss getrennt erfolgen. Idealerweise
wird dieser Kontakt unter dem Gehäuse 14 mit einem Anschlusskabel 16 vorgenommen.
Der Träger 6 kann
zusätzlich
mit Abstandhaltern ausgerüstet
sein, welche eine optimale Zentrierung der Sensoreinheit im Bohrloch
ermöglichen.
Zudem kann an der Bauwerksoberfläche
die Einführung
der Sensoreinheit durch eine Manschette 18 abzudichten, um
Stofftransport in der Mörtelschicht
zu unterbinden oder zumindest zu verringern. In gewissen Fällen ist es
auch sinnvoll die Sensoreinheit 4 unter dem Gehäuse 15 zu
installieren.
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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht
auf das gezeigte und beschriebene Anwendungsbeispiel beschränkt. So
kann sich die gezeigte planare Darstellung der Träger 6 sich
durch Verdrehen auch in die dritten Dimension erstrecken. Dadurch wird
eine breitere Staffelung der Sensoren erreicht. Weiter kann der
Stecker bei beiden gezeigten Darstellungen direkt am Datenlogger 3 installiert
sein und der Datenlogger 3 kann auch gleichzeitig die Funktion
des Gehäuses 15 übernehmen.
Das Gehäuse 15 wäre in diesem
Fall nicht mehr benötigt.
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Wesentlich ist zudem, dass der Träger gleichzeitig
als Kabelkanal und Träger
der Sensoren benutzt wird und dass er derart ausgebildet ist, dass er
keinen bevorzugten Stofftransport im Bereich der Sensoren ermöglicht.