DE2331284A1 - Verfahren und einrichtung zur bestimmung der dichte eines gases - Google Patents

Description

Westinghouse
Electric Corporation

Pittsburgh f 5. JUNl 1973

Mein Zeichen: VPA 72/8349 Hae/Un

Verfahren und Einrichtung zur Bestimmung der Dichte eines Gases

(Für die Anmeldung wird die Priorität der amerikanischen Patentanmeldung Serial-No. 263 562 vom 16.6.1972 in Anspruch genommen)

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Dichte eines Gases und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

In den Zeitschriften "Review of Scientific Instruments", Band 18, Nr. 2, Februar 1947, Seiten 108 bis 113; und "Scientific American", November 1958, Seiten 145 bis 146 ist eine Einrichtung beschrieben, die als Hilsch-Rohr bezeichnet wird. Füllt man eine derartige Einrichtung mit Gas gegebener Temperatur und gegebenen Drucks und führt man dieses Gas durch eine Wirbelkammer, in der sich das Gas entspannt, so wird das Gas in einen Gasstrom mit niedrigerer und einen Gasstrom mit höherer Temperatur zerlegt. Die bekannte Wirbeleinrichtung wird bei Ausführungsformen gemäß den US-Patentschriften 2 763 150 und 3 152 475 als Kühlvorrichtungen zur Bestimmung des Taupunktes benutzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung der Dichte eines Gases gegebener Temperatur und gegebenen Drucks sowie eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben, die einfach und kostensparend ausgeführt werden können.

Gemäß der Erfindung ist das Verfahren so gestaltet, daß das Gas einer Wirbelvorrichtung zugeführt wird, in der das Gas in

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einen warmen und einen kalten Anteil getrennt wird, daß ferner die Temperatur des kalten Gasanteiles gemessen wird und daß danach bei gegebener Dichte-Temperatur-Relation die Dichte des kalten Gasanteiles entsprechend seiner gemessenen Temperatur bestimmt wird. Zur Durchführung dieses Verfahrens ist es vorteilhaft, eine Wirbelkammer zur Trennung des Gases in einen warmen und einen kalten Anteil vorzusehen und dem Wirbelkamme raus gang für den kalten Gasanteil eine Temperaturmeßvorrichtung zuzuordnen. Die Wirbelkammer kann dabei ein an sich bekanntes Rohr (Hilsch-Rohr) zur Trennung der Gasanteile enthalten.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform nach der Erfindung ist der Wirbelkammerausgang für den warmen Anteil des Gases durch eine fest eingestellte Düse begrenzt. Die Temperaturmeßeinrichtung kann bevorzugt von einem eben ausgebildeten Thermoelement gebildet sein, dessen Flächen mit einer Hochpolitur versehen und zur Erfassung des Taupunktes bestimmt sind. In Ausgestaltung des Erfindungsgedankens kann die Einrichtung mit einer einen Lichtstrahl auf die äußere Fläche des Thermoelementes richtenden Lichtquelle und einer den von der Fläche reflektierten Lichtstrahl erfassenden fotoelektrischen Einrichtung versehen sein.

Besonders vorteilhaft ist es für den Einsatz der Einrichtung gemäß der Erfindung in elektrischen Druckgasschaltern mit einem Hoch- und einem Niederdruckteil, wenn die Einrichtung im Niederdruckteil angeordnet ist und über eine Leitung und gegebenenfalls ein Ventil aus dem Hochdruckteil gespeist wird.

An Hand der Zeichnung sind weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung beschrieben.

In Fig. 1 ist eine Seitenansicht einer Einrichtung gemäß der Erfindung schematisch dargestellt.

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In Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch die Einrichtung nach Fig. 1 schematisch gezeichnet.

Die Fig.3 zeigt einen Schnitt durch einen Teil der Einrichtung gemäß der Erfindung.

In Fig. 4 ist eine teilweise geschnittene Ansicht längs der Linie IV-IV aus Fig. 2 schematisch dargestellt.

Die Fig.5 zeigt einen Schnitt längs der Linie V-V aus Fig. 4.

Die Fig.6 zeigt eine Ansicht der Einrichtung gemäß Fig. 1 von rechts.

Die Fig.7 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Vor-' richtung gemäß der Erfindung mit einer Einrichtung zur Erfassung des Taupunktes.

Die Fig.8 zeigt ein tragbares Gerät mit einer Einrichtung gemäß der Erfindung.

Die Fig.9 zeigt eine zur Fig. 8 zugehörige Seitenansicht.

In Fig.10 ist in einem Schnitt ein Teil eines mit SFg arbeitenden Zweidruckleistungsschalters mit einer Einrichtung gemäß der Erfindung schematisch dargestellt.

Die Fig. 11 zeigt einen anderen Teil eines SFg-Leistungsschalters mit einer Einrichtung gemäß der Erfindung.

Die Fig. 12 zeigt in einer graphischen Darstellung Kurven für

und Luft.

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In Fig. 1 ist eine Einrichtung 12 zur Bestimmung der Dichte und des Taupunktes von Gasen gezeigt, die einen Gerätekörper 14, ein heißes Gas abführendes Rohr 16, ein Aneoridventil 18, Diaphragma 20, einen isolierenden Block 22 und ein ebenes, flach ausgebildetes Thermoelement 24 enthält. In dem Block 22 ist eine Führung 26 für kaltes Gas vorgesehen zur Fortleitung [ dieses kalten Gases, das durch das Diaphragma 20 zum Thermoelement 24 hindurchtritt. Von der Rückseite des Thermoelementes 24 erstrecken sich elektrische Leitungen 28 und 30 zu einem nicht weiter gezeigten Potentiometer, mit dem die vom Thermoelement 24 erfaßten Temperaturen bestimmt werden können. Eine Gas unter hohem Druck führende Leitung 32, die durch ein Ventil 34 geregelt ist, liefert, wie die Figuren 10 und 11 schematisch zeigen, Gas zu einem Hochdruckgaseingang 36.

Während des Betriebes strömt Gas unter hohem Druck durch den Eingang 36 in den Gerätekörper 14, durch die kreisförmige Ausnehmung 38, durch den geschlitzten Teil 40 und in die Wirbelkammer 42. Das unter Druck stehende Gas, das durch den geschlitzten Teil 40 strömt, tritt in die Wirbelkammer 42 tangential ein. Ein Teil des Gases entweicht mit einer schraubenlinienartigen Bewegung entlang der Innenwand 46 des Rohres 16 (Fig. 2).

Wenn das Ende des Rohres 16 vollkommen geöffnet ist, entweicht alles Gas, das durch den Eingang 36 gelangt, durch das Rohr Die kreisende Bewegung des Gases, das die Wirbelkammer 42 erreicht, schafft einen Bereich niedrigen Druckes im Bereich des Zentrums der Wirbelkammer 42, wodurch Gas angesaugt wird und durch die Öffnung 44 im Diaphragma geleitet wird. Der Durchtritt eines Gases durch die Öffnung 44 kann durch teilweises Schließen des Aneoridventils 18 verhindert werden. Durch teilweises Schließen des Ventils 18 ist es nämlich möglich, einen Teil des unter Hochdruck stehenden Gases, das durch den Eingang

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36 eintritt, zu zwingen, durch die Öffnung 44 auszutreten. Wenn das Ventil 18 weiter geschlossen wird, wird noch mehr Gas gezwungen, durch die Öffnung 44 auszutreten. Das Gas, das durch die Öffnung 44 austritt, kommt vom Zentrum oder dem achsennahen Teil der Wirbelkammer 42. Auf Grund der Gasexpansion häuft sich, sobald unter Druck stehendes Gas in die Wirbelkammer tangential einläuft, kaltes Gas im Zentrum der Wirbelkammer 42 an, das von einem Ring heißen Gases umgeben ist. Dementsprechend ist der Gasteil, der durch die Öffnung 44 hindurchtritt, kalt sowohl im Vergleich zu dem Gas, das durch den Eingang 36 einströmt, als auch im Vergleich zu demjenigen Gas, das durch das Rohr 16 hindurchtritt. Das Aneoridventil 18 und das die heißen Gase abführende Rohr 16 bilden eine Öffnung, die im Zentrum geschlossen und am Rand offen ist, so daß das Gas, das sich entlang der Innenwand des Rohres 16 bewegt, leicht abströmen kann. Wenn das Rohr 16 ausreichend lang ausgebildet ist, so daß das Gas den größten Teil seiner schraubenlinienförmigen Bewegung, verursacht durch innere Reibung, verloren hat, bevor es austritt, so ist die Ventilkonstruktion nicht wesentlich. Für kürzere Rohrlängen ist es wichtig, daß das Ventil 8 so konstruiert ist, daß das Gas entlang der Innenwand 46 strömt, bevor es frei austreten kann.

Wie die Figur 3 zeigt, ist bei der Einrichtung für die Gasdichte-Bestimmung das Aneoridventil 18 durch eine nicht einstellbare Scheibe 48 ersetzt. Eine derartige Ausführung wird vorteilhaft dann benutzt, wenn die Einrichtung in korrosiver Atmosphäre angeordnet wird, wo es erwünscht ist, keine beweglichen oder einstellbaren Teile zu haben.

Die Temperatur des kalten Gases, das durch die Führung 26 hindurchtritt, kann durch Veränderung der Temperatür oder des Druckes des durch den Eingang 36 eintretenden Gases oder durch Veränderung der Einstellung des Ventils 18 variiert werden.

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Die Temperatur des kalten Gases, das durch die Führung 26 hindurchtritt, ist auch abhängig von der Dichte des durch den Eingang 36 gelangenden Gases. Wenn das Ventil 18 durch eine feste Öffnung wie in Fig. 3 ersetzt wird, ist die Temperatur des durch die Führung 26 strömenden Gases eine Funktion des Druckes, der Temperatur und der Dichte des durch den Eingang 36 tretenden Gases. In dieser Weise kann dadurch, daß man die Temperatur und den Druck des Gases konstant hält, dessen Dichte durch Temperaturmessung "bestimmt werden. Das Thermoelement 24, das am Ende der Führung 26 angeordnet ist, kann so gemeinsam mit dem oben erwähnten Potentiometer die Dichte des durch die Einrichtung 11 hindurchtretenden Gases bestimmen.

Die Temperatur des aus der Wirbelkammer 42 kommenden Gases wird verändert bei konstanten übrigen Bedingungen, sobald die Gasdichte variiert. Die Einrichtung 12 ist im besonderen vorteilhaft für eine Anwendung auf dem Gebiet der elektrischen Schalter, insbesondere bei SFg-Schaltern, bei denen die Anwesenheit von Luft die Arbeitsweise der Schalter nachteilig beeinflussen kann und wo das Verhältnis der Gasdichte von Luft im Vergleich zu der von SFg sehr groß ist. In diesen Fällen kann die Einrichtung 12 dazu verwendet werden, schnell und leicht das Vorhandensein eines Luft-SFg-Gemisches zu erfassen.

In Fig. 12 sind Kurven für SFg und Luft gezeigt, wobei die Temperatur des kalten Gases in der Führung 26 als Funktion des Druckes des durch den Eingang 36 eintretenden Gases aufge tragen ist und wobei alle übrigen Parameter konstant gehalten sind. Die Kurve für Luft ist eine graphische Darstellung der Temperaturen, die bei verschiedenen Drücken entstehen. Auch die Kurve für SFg ist eine graphische Darstellung der Temperaturwerte bei gegebenen Druckwerten.Die Temperaturdifferenz zwischen den Kurven bei gegebenem Druck bringt eindeutig eine Aussage über die Dichte des Gases, das durch die Wirbelkammer

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gelangt. Bei einem Druckwert von etwa 80 psi (5,62 kp/cm ) variiert der Temperaturwert zwischen -11⁰C für SFg und -33°C für Luft. Die Temperatur eines SFg-Luftgemisches bei einem Druck von 80 psi würde zwischen die beiden gegebenen Temperaturwerte fallen und so ein Maß für die Verunreinigung des SFg mit Luft geben können. Die Temperatur eines SFg-Luftgemisches bei einem Druck von 80 psi könnte den prozentualen Anteil an Luft im Gemisch anzeigen. Die Kurven, die in Fig. 12 dargestellt sind, können bei verschiedenen Temperaturen und Druckwerten bestimmt werden. Dementsprechend kann eine Schar von Kurven für verschiedene Temperatur- und Druckwerte aufgetragen werden. Zur Bestimmung der Gasdichte würde man dann sich auf eine Kurve aus der Kurvenschar beziehen, die die bekannten Parameter des am Eingang 36 stehenden Gases repräsentiert. Man würde sodann die Temperatur des in der Führung vorhandenen Gases mit der Dichte in Wechselbeziehung bringen.

Bei SFg-Schaltern ist es wichtig, eine Verunreinigung des SFg durch Luft und das Maß dieser Verunreinigung zur Kenntnis zu nehmen. Luft in SFg beeinträchtigt nachteilig die elektrischen Eigenschaften der Gasmischung, so daß die Spannungsfestigkeit und die Unterbrechungsfähigkeit des Schalters verringert ist. In dieser Weise kann die Einrichtung 12 für eine schnelle "Gut-Schlecht"-Anzeige der dielektrischen Eigenschaften eines Isoliergases in einem Leistungsschalter benutzt v/erden.

Die Einrichtung 12 kann ferner Anwendung finden bei der Bestimmung des Taupunktes eines Gases. Wie am besten aus Fig. 6 zu sehen ist,' hat das Thermoelement 24 einen großen ebenen Flächenbereich 50. Diese Fläche 50 ist glatt und hochpoliert, so daß die Taubildung ohne weiteres bestimmt werden kann. Zur Messung des Taupunktes wird die Wirbeleinrichtung oder das Hilsch-Rohr als einfache Quelle niedriger Temperatur benutzt.

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Sobald kaltes Gas aus der Führung 26 austritt, kühlt es das Thermostat 24, das einen besonders großen Flächenbereich 50 hat. Das Thermoelement 24 kann die Temperaturen des kalten Gases kontinuierlich erfassen. Die Temperatur des kalten Gases kann verringert worden durch eine Druckerhöhung des am Eingang 36 liegenden Gases (innerhalb der durch die Hilschrohrkonstruktion bedingten Grenzen). Sobald die Temperatur absinkt und das Thermoelement 24 den Taupunkt erreicht, bildet sich Reif, der anzeigt, daß der Taupunkt erlangt ist. Das Ablesen der Temperatur mittels eines in Temperaturen geeichten Potentiometers ist alles, was zur Bestimmung der Taupunkttemperatur erforderlich ist. Bevorzugt ist der Flächenbereich 50, an dem sich der Tau bildet, und das Thermoelement 24 ein einheitliches Ganzes, so daß es keine Zeitverzögerung oder Temperaturunterschiede zwischen dem Flächenbereich 50 und dem Thermoelement 24 gibt.

In Fig. 7 ist die Einrichtung 12 zur Bestimmung der Dichte und des Taupunktes eines Gases gezeigt, die in einem geeigneten Gehäuse mit fotoelektrischen Einrichtungen angeordnet ist, welche bestimmen, wann der Taupunkt erreicht ist. Eine Lichtquelle 52 richtet einen Lichtstrahl gegen diejpolierte äußere Fläche 50 des Thermoelementes 24. Der Lichtstrahl wird von der äußeren Fläche 50 reflektiert, wenn der Taupunkt nicht erreicht ist, und zu einem Fotodetektor 54 geleitet. Die Lichtquelle .und der Fotodetektor 54 sind mit einem Element 56 verbunden, das anzeigt, welcher Lichtwert vom Fotodetektor 54 erfaßt wird. Z.B. reflektiert die Fläche 50 ohne Tau oder Reif den größten Teil des von der Lichtquelle ausgehenden Lichts, und der Fotodetektor 54 erhält relativ viel Licht. Dies wird durch ein Meßgerät im Instrument 56 mit dem Skalenpunkt 58 angezeigt. Wenn sich auf der Fläche 50 Reif oder Tau bildet, wird die Reflektion der Fläche 50 geschwächt, und das Licht, das auf die Fläche 50 auftrifft, ist im wesentlichen diffus. Auf diese Wei-

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se ist das Licht, das den Detektor 54 erreicht, wesentlich verringert, und das Instrument 56 zeigt dies mit der Position 60 des Meßgerätezeigers an. Wenn Tau oder Reif (Eis) auf der Fläche 50 gebildet werden und sich der Meßgerätezeiger aus der Position 58 in die Position 60 bewegt, kann die vom Thermoelement 24 erfaßte Temperatur zur Bestimmung des Taupunktes gewertet werden. Die Temperatur des Thermoelementes 24 kann von Hand bestimmt werden, oder ein die Temperatur automatisch feststellendes Potentiometer kann durch das Instrument 56 dann betätigt werden, wenn der Zeiger sich aus der Position 58 in die Position 60 bewegt.

In den Figuren 8 und 9 ist eine tragbare Vorrichtung 61 gezeigt, die zur Bestimmung der Dichte des Taupunktes eines Gases in verschiedenen Leistungsschaltern benutzt werden kann. Diese Ausführungsform ist besonders geeignet für eine Prüfung von SFg-Zweidruckleistungsschaltern. Die Dichteerfassungseinrichtung 12 ist in einem geeigneten Gehäuse 62 angeordnet, das einen Handgriff 64 zur Erleichterung des Transportes hat. Die Anordnung, die in den Figuren 8 und 9 gezeigt ist, kann bei jedem Druckgas-Leistungsschalter verwendet werden. Beispielsweise kann die Einrichtung bei einer in der US-PS 3 379 847 beschriebenen Ausführungsform eines Leistungsschalters benutzt werden. Hierfür muß das Gehäuse 62 einem Gasdruck von 45 psi (-^3,I kp/cm ) standhalten. Das ist nämlich der Druck im Niederdruckteil des Schalters gemäß der US-PS 3 379 347.

Die tragbare Vorrichtung 61 hat einen Hochdruckeingang 64, eine Vakuumverbindung 66 und einen Ausgang 68 für geringeren Druck. Die Vakuumverbindung 66 ist dazu vorgesehen, um im wesentlichen alle Luft aus dem Gehäuse 62 zu entfernen, bevor die Dichte und der Taupunkt des Isoliergases bestimmt wird (beispielsweise SFg eines elektrischen Leistungsschalters). Die Luft wird aus der Vorrichtung6i vor Beginn des Versuchs

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entfernt, so daß das' Isoliergas nicht mit Luft während des Versuchs verunreinigt wird. Nachdem alle Luft aus dem Gehäuse 62 entfernt ist, wird der Ausgang 68 mit dem Niederdruckteil des Leistungsschalters zu Testzwecken verbunden. Unter Hochdruck stehendes Isoliergas wird sodann durch den Eingang 64 eingeführt. Die Dichte und der Taupunkt des Isoliergases wird während des Versuchs in der oben ausführlich beschriebenen Weise bestimmt. Die Ausgangsleitungen des Thermoelementes 24 sind mit einem elektrischen Steckverbindungselement 70 verbunden, mit dem ein in Temperaturwerten geeichtes Potentiometer verbunden werden kann. Zur Bestimmung des Taupunktes ist an einem Ende des Gehäuses 62 ein Fenster 72 vorgesehen. Die polierte Fläche 50 des Thermoelementes 24 kann durch das Fenster 72 beobachtet werden, um zu bestimmen, wann Tau oder Reif gebildet wird. In diesem Punkt kann die Temperatur abgelesen werden, um den Taupunkt zu bestimmen.

Entsprechend der einfachen, robusten und preiswerten Konstruktion der Einrichtung 12 ist es durchführbar, die Einrichtung ständig im Inneren eines Druckgas-Leistungsschalters anzuordnen, wie in den Figuren 10 und 11 gezeigt ist. Die Figuren 10 und 11 zeigen einen Teil eines Leistungsschalters einer Ausführungsform, v/ie sie in der US-PS 3 057 983 beschrieben ist. Es ist selbstverständlich, daß die Stellen für die Einrichtung 12, die in den Figuren 10 und 11 gezeigt sind, Alternativen darstellen. Es gibt viele andere Möglichkeiten für die Anordnung der Einrichtung 12.

In Fig. 10 ist die Einrichtung 12 in einem Niederdruckraum 74 angeordnet. Die Einrichtung 12 hat eine feste Öffnung am Ende des Rohres 16 (vgl. Fig. 3). Dies ist vorteilhaft, v/eil es erwünscht ist, daß die Einrichtung keine beweglichen oder einstellbaren Teile innerhalb des Schalters hat. Die Einrichtung 12 wird aus einem Hochdruckbehälter76 über eine Leitung

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32 und ein Ventil 34 gespeist. Im Niederdruckraum 74 ist ein Fenster 78 vorgesehen, um das Thermoelement 24 zur Bestimmung des Taupunktes beobachten zu können. Die Wirkungsweise der Einrichtung 12 zur Bestimmung der Dichte und des Taupunktes •wurde weiter oben ausführlich beschrieben.

In Fig. 11 ist die Einrichtung 12 mit einer etwas anderen Anordnung im Niederdruckbehälter 74 dargestellt. Die Wirkungsweise ergibt sich in der vorstehend beschriebenen Form.

Die Erfindung hat gegenüber dem Stand der Technik Vorteile. Sie ist robust, einfach und wenig aufwendig. Sie kann leicht für ein Gassystem eines Leistungsschalters ausgelegt werden. Ein anderer Vorteil liegt darin, daß bei der Erfindung keine beweglichen Teile vorhanden sind, was zu einer einfachen Wirkungsweise führt. Ein weiterer Vorteil ist die bauliche Vereinigung der Taupunkterfassungs- mit der Temperaturerfassungseinrichtung, so daß Zeitverzögerungen und Temperaturunterschiede beseitigt sind.

7 Patentansprüche
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Claims (7)

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   Patentansprüche

   ι 1 J Verfahren zur Bestimmung der Dichte eines Gases gegebener Temperatur und gegebenen Druckes, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas einer Wirbelvorrichtungpugeführt wird, in der das Gas in einen warmen und in einen kalten Anteil getrennt wird, daß die Temperatur des kalten Gasanteiles gemessen wird und daß bei vorgegebener Dichte-Temperatur-Relation die Dichte des kalten Gasanteiles entsprechend seiner gemessenen Temperatur bestimmt wird.
2. 2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Wirbelkammer zur Trennung des Gases in einen warmen und einen kalten Anteil und eine den Wirbelkammerausgang für den kalten Anteil zugeordnete Temperaturme ßvo rri chtung.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelkammer ein Rohr (Hilsch-Rohr) zur Trennung der Gasanteile enthält.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbelkammerausgang für den warmen Gasänteil durch eine fest eingestellte Düse begrenzt ist.
5. 5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmeßeinrichtung von einem ebenen Thermoelement gebildet ist, dessen Flächen mit einer Hochpolitur versehen und zur Erfassung des Taupunktes bestimmt sind.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine einen Lichtstrahl auf die äußere Fläche des Thermoelementes richtende Lichtquelle und eine den von der Fläche reflektierten Lichtstrahl erfassende fotoelektrische Einrichtung.

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7. 7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6 für elektrischejDruckgasschalter mit einem Hoch- und einem Niederdruckteil, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung im Niederdruckteil angeordnet ist und über eine Leitung und gegebenenfalls ein Ventil aus dem Hochdruckteil gespeist ist.

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