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1. WO2020126274 - MAGNETISCH-INDUKTIVE DURCHFLUSSMESSSONDE UND MESSSTELLE

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

Magnetisch-induktive Durchflussmesssonde und Messstelle

Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte werden zur Bestimmung der

Durchflussgeschwindigkeit und/oder des Volumendurchflusses eines Mediums in einem Messrohr eingesetzt. Ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät umfasst eine magnetfelderzeugende Vorrichtung, die ein Magnetfeld senkrecht zur

Querachse des Messrohres erzeugt. Dafür werden üblicherweise einzelne oder mehrere Spulen verwendet. Um ein überwiegend homogenes Magnetfeld zu realisieren, werden zusätzlich Polschuhe so geformt und angebracht, dass eine Symmetrieachse der Magnetfeldlinien im Wesentlichen senkrecht zur Querachse verlaufen. Ein an die Mantelfläche des Messrohres angebrachtes

Messelektrodenpaar greift eine induktiv erzeugte elektrische Messspannung ab, die entsteht, wenn ein leitfähiges Medium bei angelegtem Magnetfeld in Richtung der Längsachse fließt. Da die abgegriffene Messspannung laut Faraday’schem

Induktionsgesetz von der Geschwindigkeit des fließenden Mediums abhängt, kann aus der Messspannung die Durchflussgeschwindigkeit und, mit Hinzunahme eines bekannten Rohrquerschnitts, der Volumendurchfluss des Mediums ermittelt werden.

Im Gegensatz zu magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten, bei denen eine Spulenanordnung zur Erzeugung eines ein Messrohr durchdringenden Magnetfelds auf der Mantelflache des Messrohrs fixiert ist und mindestens zwei Messelektroden in der Innenwandung angeordnet sind, werden magnetisch-induktive

Durchflussmesssonden mit ihrem üblicherweise kreiszylindrischen Gehäuse in eine seitliche Öffnung des Messrohrs eingesteckt und fluiddicht fixiert. Die erwähnte Spulenanordnung auf der Mantelflache des Messrohrs entfällt, da das Magnetfeld lediglich im Bereich des in das Medium ragenden Frontendes der

Durchflussmesssonde existiert bzw. von einem deren Spulenanordnung

durchfliessenden Strom in diesem Bereich erzeugt wird. Die Durchflussmesssonde umfasst üblicherweise zwei stiftförmig ausgebildete Messelektroden. Es sind aus der EP0534003A1 aber auch Durchflussmesssonden mit einer im Zentrum des

Frontendes angeordneten, stiftförmigen Messelektrode und einer die stiftförmige Messelektrode umschließende Ringelektrode bekannt.

Die EP0892251A1 offenbart eine magnetisch-induktive Durchflussmesssonde, deren in das Medium ragende Frontende die Form einer Kugelkalotte annimmt und in der eine erste und zweite galvanische Elektrode auf einem der Meridiane der

Kugelkalotte symmetrisch zu einem Scheitelpunkt des Meridians angeordnet sind. Die Durchflussmesssonde ist praktisch senkrecht zu einer Längsachse der

Rohrleitung einzutauchen und durch Drehung so auszurichten, dass eine die zwei Elektroden verbindende Gerade senkrecht zur Strömungsrichtung verläuft.

Aus der DE102012109308A1 ist ein Füllstandsüberwachungssystem mit einer Elektrode zur Überwachung des Füllstandes eines fließenden Mediums in einem Rohr bekannt, die einen integrierten Temperatursensor aufweist, so dass neben dem Durchflussvolumen, der Durchflussgeschwindigkeit und dem Füllstand zusätzlich die Temperatur des Mediums überwacht werden kann.

Aus der EP0770855A1 ist bereits ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät bekannt, das neben den Messelektroden zur Ermittlung einer

Durchflussgeschwindigkeit zwei Druckmesswandler aufweist, die in der Wandung des Messrohres entlang einer Mantellinie angeordnet sind.

Die US5670724 lehrt ein Durchflussmessgerät mit einem Messelektrodenpaar und einem unmittelbar zwischen den beiden Messelektroden angeordneten

Druckmesswandler.

Diesen Ausgestaltungen nachteilig ist aber, dass für die Installation des

Druckmesswandlers und/oder des Temperatursensors in die Messstelle eine zusätzliche Öffnung in das Messrohr eingearbeitet werden muss. Jede Öffnung ist jedoch eine potentielle Leckagestelle und sollte somit möglichst vermieden werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine magnetisch-induktive

Durchflussmesssonde bereitzustellen, die dazu eingerichtet ist neben dem

Durchflussvolumen und/oder der Durchflussgeschwindigkeit einen weiteren

Prozessparameter des Mediums zu bestimmen.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Durchflussmesssonde nach Anspruch 1 und die Messstelle nach Anspruch 8.

Die erfindungsgemäße magnetisch-induktive Durchflussmesssonde zur Ermittlung des Durchflussvolumens und/oder der Durchflussgeschwindigkeit eines flüssigen Mediums in einem Messrohr umfasst ein Gehäuse, ein im Gehäuse endseitig angeordnetes Frontteil mit einem Frontende, wobei das Frontende mit dem Medium beaufschlagbar ist, mindestens zwei einen galvanischen Kontakt mit dem Medium bildende Messelektroden und eine im Gehäuse angeordnete magnetfelderzeugende Vorrichtung zur Erzeugung eines durch das Frontende hindurchreichenden

Magnetfeldes, und ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensor zur Ermittlung eines Prozessparameters des Mediums in dem Gehäuse angeordnet ist.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn mindestens ein Sensor im Gehäuse der magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde eingebaut ist. Dafür ist die

magnetfelderzeugende Vorrichtung und das Frontteil so angepasst, dass der Sensor im Inneren des Gehäuses untergebracht werden kann, ohne dass der

Außendurchmesser des handelsüblichen Gehäuses vergrößert werden muss. Durch das Integrieren des Sensors in das Gehäuse der Durchflussmesssonde wird keine weitere Öffnung in der Rohrleitung benötigt. Das Gehäuse der magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde ist üblicherweise kreiszylindrisch ausgebildet, wodurch sie sich einfach in eine seitlich angebrachte Öffnung einer bestehenden Rohrleitung einführen lässt.

Ein Sensor zur Ermittlung eines Prozessparameters des Mediums umfasst einen Füllstandsmesser, Druckmesswandler, Temperatursensor, pFI-Sensor, Dichtesensor und/oder Viskosimeter.

Gemäß einer Ausgestaltung umfasst der Sensor einen Druckmesswandler und/oder einen Temperatursensor, wobei der Druckmesswandler mit dem auf das Frontende wirkenden Druck beaufschlagbar ist, wobei der Temperatursensor dazu eingerichtet ist, ein von der Mediumstemperatur abhängiges Messsignal zu ermitteln.

Der Temperatursensor umfasst einen Flalbleiter-Temperatursensor, ein

Thermoelement, einen Temperaturfühler mit Schwingquarz, einen pyroelektrischen Temperatursensor, ein Pyrometer oder einen Faseroptischen Temperatursensor.

Der Druckmesswandler kann beliebig ausgestaltet sein. Der Druckmesswandler kann zum Beispiel als Dehnungsmessstreifen, piezoresistiver Drucksensor,

piezoelektrischer Drucksensor, kapazitiver Drucksensor, induktiver Drucksensor, optischer Drucksensor, thermischer Drucksensor oder Hall-Drucksensor ausgebildet sein.

Gemäß einer Ausgestaltung ragt das Frontende des Druckmesswandlers aus dem Frontende des Frontteils hervor. Das Medium, das an das Frontende strömt, berührt auch den Druckmesswandler. Alternativ weist das Frontteil eine Vertiefung auf, in die der Druckmesswandler so eingesetzt ist, dass das Frontende des

Druckmesswandlers in der Vertiefung versenkt ist. In beiden Fällen wirkt der

Mediumsdruck direkt auf den Druckmesswandler, ohne dass er noch durch einen Wirkdruckkanal zum Druckmesswandler geleitet werden muss.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der Druckmesswandler im Gehäuse integriert und durch ein Zwischenteil, einen Wirkdruckkanal oder Lufteinschlüsse vom Inneren der Rohrleitung getrennt.

Der Temperatursensor ist dazu eingerichtet ein von der Mediumstemperatur abhängiges Messsignal zu ermitteln. Dafür ist es vorteilhaft, wenn der

Temperatursensor das Medium berührt.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung berührt der Temperatursensor das Medium nicht, sondern steht im Kontakt mit dem Frontteil oder mit dem Gehäuse, und ermittelt so das von der Mediumstemperatur abhängige Messsignal. Daher besteht der Teil des Frontteiles, mit dem der Temperatursensor im Kontakt steht,

idealerweise aus einem Material, das eine ausreichend gute Wärmeleitfähigkeit aufweist.

Gemäß einer Ausgestaltung sind zwei Sensoren im Gehäuse angeordnet.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn im Gehäuse zwei Sensoren, insbesondere der Druckmesswandler und der Temperatursensor untergebracht sind. Dadurch kann auf das Einarbeiten zusätzlicher Öffnungen in die Rohrleitung verzichtet werden.

Gemäß einer Ausgestaltung ist zwischen Druckmesswandler und Frontende eine Scheibe mit mindestens einem Wirkdruckkanal angeordnet.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn zwischen dem Druckmesswandler und dem

Frontende des Durchflusssensors eine Scheibe eingesetzt ist, die mindestens einen Wirkdruckkanal aufweist. Dadurch kann das Medium zentriert auf den

Druckmesswandler, beispielsweise eine Messmembrane geleitet werden. Weiterhin ist der Druckmesswandler dadurch nicht dem Medium am Frontende direkt ausgesetzt. Vorteilhafterweise entkoppelt die Scheibe den Druckmesswandler vom Medium, so dass Druckschwankungen im Medium durch die Scheibe abgefangen werden, bevor sie den Druckmesswandler erreichen.

Der Anschluss des Druckmesswandlers befinden sich idealerweise im Inneren des Gehäuse, wo er mit der Mess- und/oder Auswerteeinheit verbunden ist.

Gemäß einer Ausgestaltung weist das Frontteil mindestens eine erste und eine zweite Öffnungen für die Messelektroden und eine dritte Öffnung für den

Temperatursensor auf.

Es ist vorteilhaft, wenn das Frontteil eine Öffnung für den Temperatursensor aufweist, somit kann der Temperatursensor im Frontteil fluiddicht befestigt werden und hat einen direkten Kontakt mit dem Medium. Der Anschluss des

Temperatursensors befinden sich idealerweise im Inneren des Gehäuse, wo er mit der Mess- und/oder Auswerteeinheit verbunden ist.

Gemäß einer Ausgestaltung weist das Frontteil mindestens eine, bevorzugt drei Öffnungen auf, die jeweils als Wirkdruckkanal ausgebildet sind.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn das Frontteil mindestens eine und bevorzugt drei Öffnungen, die jeweils als Wirkdruckkanal ausgebildet sind, aufweist und somit das Medium zum in dem Gehäuse angeordneten Druckmesswandler leitet. Dadurch steht der Druckmesswandler nicht im direkten Kontakt mit dem Medium am Frontende. Vorteilhafterweise ist der Durchmesser der Öffnungen so angepasst, dass vermieden wird, dass Teilchen aus dem Medium an den Druckmesswandler stoßen bzw. den Druckmesswandler oder Teile des Druckmesswandlers beschädigen. Dies ist

besonders im Trinkwasserbereich von Vorteil, da so ein Beschädigen beispielsweise der Messmembrane und einem Eindringen von beispielsweise Öl aus dem piezoresistiven Druckmesswandler vorgebeugt werden kann.

Gemäß einer Ausgestaltung umfasst der Druckmesswandler eine Leiterplatte mit Anschlüssen für den Temperatursensor und/oder den Druckmesswandler und zumindest die Messelektroden, wobei die Leiterplatte mit einer Mess- und

Auswerteeinheit verbunden ist.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Leiterplatte einen seriellen Datenbus, insbesondere einen PC Datenbus aufweist und dem PC Protokoll untergeordnet ist. Dadurch können die Messelektroden, der Temperatursensor und/oder der

Druckmesswandler einfach und kostengünstig über den Datenbus mit der Mess-und/oder Auswerteeinheit verbunden werden.

Eine erfindungsgemäße Messstelle zur Ermittlung des Durchflusses eines Mediums umfasst eine Rohrleitung mit Wandung zum Führen des Mediums und eine Öffnung in der Wandung, und ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Durchflussmesssonde nach einem der vorherigen Ansprüche durch die Öffnung in die Rohrleitung eingesetzt ist.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 : eine schematische Perspektivansicht einer magnetisch-induktiven

Durchflussmesssonde gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 2: ein Längsschnitt einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde in einer Messstelle;

Fig. 3: eine Explosionsdarstellung einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde; und

Fig. 4: eine Übersicht und eine Nahaufnahme eines Längsschnittes einer

Ausgestaltung der erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven

Durchflussmesssonde.

Anhand der perspektivischen und teilweise geschnittenen Darstellung der Fig. 1 wird zunächst das der Erfindung zugrunde liegende Messprinzip erläutert. Eine

Durchflussmesssonde (1 ) umfasst ein im allgemeinen kreiszylindrisches, einen vorgegebenen Außendurchmesser aufweisendes Gehäuse (3). Dieses ist an den Durchmesser einer Bohrung angepasst, die sich in einer Wand einer in Fig. 1 nicht, dagegen in Fig. 2 dargestellten Rohrleitung (13) befindet und in die die

Durchflussmesssonde (1 ) fluiddicht eingesteckt ist. In der Rohrleitung (13) strömt ein zu messendes Medium, in das die Durchflussmesssonde (1 ) praktisch senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums eintaucht, die durch die gewellten Pfeile (12) angedeutet ist. Ein in das Medium ragendes Frontende (2) des Gehäuses (3) ist mit einem Frontteil (6) aus Isoliermaterial fluiddicht verschlossen. Mittels einer im

Gehäuse (2) angeordneten Spulenanordnung (9) lässt sich ein durch das Frontende hindurch, in das Medium hineinreichendes Magnetfeld (8) erzeugen. Ein mindestens teilweise aus einem weichmagnetischen Material bestehender, im Gehäuse (2) angeordneter Spulenkern (7) endet an oder in der Nähe des Frontendes. Eine

Rückführung (10), die die Spulenanordnung (9) und den Spulenkern (7) umschließt, ist dazu eingerichtet das aus dem Frontende hindurchreichenden Magnetfeld (8) in das Gehäuse (2) zurückzuführen. Der Spulenkern (7), die Spulenanordnung (9) und eine Rückführung (10) bilden eine magnetfelderzeugenden Vorrichtung. Eine erste und eine zweite galvanische Messelektrode (4, 5) sind in dem Frontteil (6)

angeordnet und berühren das Medium. An den Messelektroden (4, 5) lässt sich eine aufgrund des Faraday'schen Induktionsgesetzes induzierte elektrische Spannung mittels einer Mess- und/oder Auswerteeinheit (11 ) abgreifen. Diese ist maximal, wenn die Durchflussmesssonde so in die Rohrleitung (13) eingebaut ist, dass eine durch eine die beiden Messelektroden (4, 5) schneidende Gerade und eine

Längsachse der Durchflussmesssonde aufgespannte Ebene senkrecht zu der Strömungsrichtung (12) bzw. Längsachse der Rohrleitung (21 ) verläuft.

In der Fig. 2 ist eine Ausgestaltung der Durchflussmessstelle im Längsschnitt dargestellt. Die Durchflussmesssonde (1 ) ist mittels einer Einschraubverbindung (14), die in die Wand der Rohrleitung (13) eingesetzt und mit ihr z.B. verschweißt ist, in der Rohrleitung (13) fluiddicht befestigt. Dieser Aufbau der Messstelle ist besonders zweckmäßig, da zunächst die Einschraubverbindung (14) in die Rohrleitung (13) eingesetzt und darin befestigt werden kann und erst danach die

Durchflussmesssonde (1 ) in den Einschraubverbindung (14) eingesteckt bzw.

eingeschraubt, ihrerseits darin fixiert und mittels einer Dichtung (15) abgedichtet zu werden braucht. Die zwei Messelektrode (4, 5) sind auf dem Frontende (2) diametral angeordnet. Die Durchflussmesssonde ist so in die Rohrleitung (13) einzusetzen, dass eine Längsebene, die durch eine die Messelektroden (4, 5) verbindende

Gerade und den Normalenvektor des Frontendes (2) gebildet wird, die Längsachse (30) der Rohrleitung (13) senkrecht schneidet. Ein Temperatursensor (21 ) ragt durch das Frontende (2) in das Innere der Rohrleitung (13) und berührt das Medium. Der Temperatursensor (21 ) ist stiftförmig gebildet und im freiliegenden Raum zwischen Spulenkern (7) und Rückführung (10) angeordnet. Ein Druckmesswandler (19) ist im Inneren des Gehäuses (3) angeordnet. Durch Öffnungen im Frontende (2), die als Wirkdruckkänale ausgebildet sind, wird das Medium zum Druckmesswandler (19) geführt, wo dieser mit dem Mediumsdruck beaufschlagt wird. Der Druckmesswandler (19) ist im Gehäuse (3), zwischen Spulenkern (7) und Gehäusewandung angeordnet. Eine Mess- und/oder Auswerteeinheit (11 ) ist dazu eingerichtet die einzelnen

Prozessparameter zu erfassen und an eine Anzeigeeinheit (31 ) weiterzuleiten. Die Mess- und/oder Auswerteeinheit (11 ) kann im Gehäuse (3) wie in Fig. 2 dargestellt oder extern angeordnet sein.

Die Fig. 3 zeigt eine Explosionsdarstellung einer Ausgestaltung der

erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde (1 ) mit einem Temperatursensor (21 ) und einem Druckmesswandler (19). Die Ausgestaltung umfasst einen Spulenkern mit Rückführung (7), wobei ein Schlitz in die Rückführung (10) zum Durchführen der hier nicht dargestellten Anschlusskabel zwischen der magnetfelderzeugenden Vorrichtung und Innenwandung des Gehäuses (3) entlang zur Mess- und/oder Auswerteeinheit (11 ) eingearbeitet ist. Die Messelektroden (18) sind stiftförmig ausgebildet und geriffelt bzw. weist ringförmige Ausbuchtungen auf, wodurch sie fluiddicht im Frontteil (22) fixiert werden können. Der Temperatursensor (21 ), hier in Form einer Tauchhülse abgebildet, weist ein Gewinde, insbesondere ringförmige Ausbuchtungen auf bzw. ist geriffelt ausgebildet und lässt sich dadurch fluiddicht in das Formteil anordnen. Der Druckmesswandler (19), insbesondere das Druckmesswandlergehäuse weist zwei Einkerbungen zum Führen jeweils eines Dichtringes auf. Außerdem ist eine Platine (27) zur Signalaufbereitung an die

Rückseite des Druckmesswandlergehäuses angebracht, an die die

Verbindungskabel der Messelektroden und des Temperatursensors

zusammengeführt werden. Zwischen Frontende (26) des Frontteils (22) und

Frontende des Druckmesswandlers (19) ist eine Scheibe (20) mit einem

Wirkdruckkanal in Form einer Öffnung eingebracht. Das Frontteil (22) weist

Öffnungen für die Messelektroden (18) und den Temperatursensor (21 ) auf, des Weiteren eine Vertiefung zum Einsetzen des Druckmesswandlers (19) in das

Frontteil (22). Einkerbungen in den Seitenflächen des Frontteils (22) dienen dazu das Frontteil (22) im Gehäuse (3) zu fixieren. Eine in einer Vertiefung im Frontteil (22) eingesetzt Dichtung (23) dichtet das Frontteil (22) und das Gehäuse (3) gegen das in der Rohrleitung (13) fließende Medium ab. Des Weiteren weist das Frontteil (22) Öffnungen (29) auf, die als Wirkdruckkanal zum Führen des Mediums zum

Druckmesswandler (19) ausgebildet sind.

Die Fig. 4 zeigt eine Übersicht einer zusammengesetzten magnetisch-induktiven Durchflussmesssonde (1 ). Nicht abgebildet sind die Kabel, die die Messelektroden (4, 5), den Temperatursensor (21 ) und den Druckmesswandler (19) mit dem auf die Platine (27) aufgebrachten Datenbus verbinden. Die Platine (27) zur

Signalaufbereitung kommuniziert mit der Mess- und/oder Auswerteeinheit. Außerdem nicht abgebildet sind die Kabel zum Anschließen der Spulenvorrichtung an die Betriebseinheit. Was die Übersicht zeigt, die Nahaufnahme jedoch nicht abbildet, ist die Anschlussöffnung (28) in der magnetfelderzeugenden Vorrichtung bzw. im Spulenkern durch die die Leitung zum Verbinden der Spulenvorrichtung mit der Betriebseinheit geführt wird. Des Weiteren weist die Spulenvorrichtung einen

Spulenanschluss (25) auf, der so geformt ist, dass die Spulenvorrichtung durch das Einführen des Spulenanschlusses (25) in die Anschlussöffnung (28) mit dem

Spulenkern mechanisch fixiert wird. Der Spulenkern weist in dieser Ausgestaltung einen ersten Teil mit einem ersten Querschnitt und einen zweiten Teil mit einem zweiten Querschnitt auf, wobei der Querschnitt des zweiten Teils größer ist als der Querschnitt des ersten Teils. Der erste Teil steht senkrecht zu dem zweiten Teil. Beide Teile sind zylindrische ausgebildet und in diesem Fall einstückig miteinander verbunden. Die Spulenvorrichtung umschließt den ersten Teil und sitzt auf den zweiten Teil auf. Des Weiteren ist der zweite Teil einstückig mit einer

hohlzylindrischen Rückführung verbunden. Die Anschlussöffnung (28) ist im zweiten Teil eingearbeitet.

Die Nahaufnahme zeigt zwei Vertiefungen im Frontteil (22). Eine erste Vertiefung dient als Fassung für den Druckmesswandler (19). Eine zweite, kreiszylindrische Vertiefung dient als Fassung für den Spulenkern und ist dazu ausgebildet den ersten Teil des kreiszylindrischen Spulenkerns zu führen und formschlüssig zu halten. Dafür ist der Durchmesser der Vertiefung an den Durchmesser des ersten Teils des Spulenkerns (7) angepasst. Dadurch endet das Ende des Spulenkerns am oder in der Nähe des Frontendes (26) und die aus dem Frontende (26) austretenden

Magnetfeldlinien verlaufen bzw. die Symmetrieachse der Magnetfeldlininen verläuft im Wesentlich senkrecht durch das Frontende (26).

Bezugszeichenliste

1 Durchflussmesssonde

2 Frontende

3 Gehäuse

4 erste Messelektrode

5 zweite Messelektrode

6 Frontteil

7 Spulenkern

8 Magnetfeldlinien

9 Spulenanordnung

10 Rückführung

11 Mess-, Betriebs- und/oder Auswerteeinheit

12 Strömungsrichtung

13 Rohrleitung

14 Einschraubverbindung

15 Dichtung

16 Spulenkern mit Rückführung

17 Spulenvorrichtung

18 Messelektrode

19 Druckmesswandler

20 Scheibe

21 Temperatursensor

22 Frontteil

23 Dichtung

24 Schlitz

25 Spulenanschluss

26 Frontende

27 Platine

28 Anschlussöffnung

29 Öffnung

30 Längsachse

31 Anzeigeeinheit