DE10114576A1 - Vorrichtung zur Durchflußmengenmessung von fließfähigen Medien in einer Rohrleitung - Google Patents
Vorrichtung zur Durchflußmengenmessung von fließfähigen Medien in einer RohrleitungInfo
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Abstract
Eine Vorrichtung zur Durchflußmengenmessung von fließfähigen Medien in einer Rohrleitung weist ein Meßrohr (1) auf, durch welches das Medium fließt. Dieses Meßrohr (1) besitzt eine Öffnung (3). In dieser ist abgedichtet ein modulartiges Sensorgehäuse (4) auswechselbar angeordnet, welches den Differenzdrucksensor (12) sowie einen Temperatursensor (17) trägt.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchflußmengenmessung von fließfähigen Medi
en in einer Rohrleitung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Das erfindungsgemäße Volumenstrommeßgerät hat verschiedene Anwendungsgebiete. So
dient es insbesondere zur Volumenstrommessung von Flüssigkeiten, Gasen und anderen
Medien (Nahrungsmittel, Arzneistoffe etc.), als Wasserzähler sowie anderen Durchfluß
meßeinrichtungen im Medizin-, Chemie- und Nahrungsmittelbereich, aber auch zur Wärme
mengenmessung sowie für Dosiereinrichtungen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchflußmengenmessung verwendet dabei einen
Strömungssensor nach dem Staudruckverfahren. Hierzu ist ein Meßrohr vorgesehen, durch
welches das Medium fließt. Diesem Meßrohr ist ein Differenzdrucksensor zugeordnet. Die
bekannten Vorrichtungen sind dabei aufwendig und damit teuer. Ein Austausch des Sensors
ist nicht möglich. Es ist daher notwendig, die gesamte Meßeinrichtung einschließlich Volu
mengebergehäuse auszutauschen. Statische Wärmemeßanordnungen und Verwendung
dieses Prinzips sind damit aufwendig und teuer. Dynamische Meßanordnungen sind einem
Verschleiß unterworfen, weil sie bewegliche Teile besitzen und deswegen wesentlich
störanfälliger sind als statische Wärmemengenzähler. Bedingt durch den mechanischen
Aufbau mit einem Trägermaterial und der nicht mechanisch spannungsfreien Halterung er
geben sich nicht reproduzierbare Beeinflussungen der Drucksensorkennlinie durch das Trä
germaterial bzw. durch die Klebe- und Vergußverfahren. Außerdem lagern sich Luftblasen
am Drucksensor an, welche falsche Meßwerte zur Folge haben.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine technisch einfa
che und zuverlässig arbeitende Vorrichtung zur Durchflußmengenmessung von fließfähigen
Medien in einer Rohrleitung zu schaffen.
Die technische Lösung ist gekennzeichnet durch die Merkmale im Kennzeichen des
Anspruchs 1.
Dadurch ist eine technisch einfache und zuverlässig arbeitende Vorrichtung zur Durchfluß
mengenmessung von fließfähigen Medien in einer Rohrleitung geschaffen. Die Grundidee
besteht darin, das Meßrohr mit einer Durchbrechung im Mantel zu versehen und in dieser
Durchbrechung das Sensorgehäuse mit dem Differenzdrucksensor anzuordnen. Dadurch
ergibt sich eine einfache Konstruktion ohne Trägermaterial und ohne Klebe- und Verguß
verfahren, so daß das Sensorgehäuse mit seinem Differenzdrucksensor problemlos ausge
wechselt werden kann. Damit ist eine mechanisch spannungsfreie Halterung realisiert. Der
Differenzdrucksensor ragt direkt in den Meßraum und ist in die Strömung eingebracht. Eine
Beeinflussung der Drucksensorkennlinie wird weitgehend vermieden, außerdem die Anlage
rung von Luftblasen. Die genaue Lage des Differenzdrucksensors im Meßrohr wird durch die
Positionierung sowie besondere Ausbildung der Form des Sensorgehäuses sichergestellt.
Insgesamt zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchflußmengenmessung
durch einen einfachen mechanischen Aufbau aus, wobei das Austauschteil wesentlich
preiswerter als die bisherigen Techniken ist. Außerdem ist die Flexibilität erhöht sowie eine
vereinfachte Fertigung möglich. Schließlich kann eine Temperaturmessung integriert wer
den. Angewendet werden kann die erfindungsgemäße Meßvorrichtung zur Volumenstrom
messung von Flüssigkeiten (Nahrungsmittel, Arzneistoffe), als Wasserzähler sowie allge
mein als Durchflußmeßeinrichtung im Medizin- und Nahrungsmittelbereich. Außerdem ist
eine Wärmemengenmessung möglich sowie die Verwendung als Dosiereinrichtung. Durch
die Auswechselbarkeit der Meßeinheit ergeben sich weitere, neue Anwendungsgebiete. Die
Kalibrierung des Sensors im Meßmodul ermöglicht eine einheitliche Schnittstelle und Stan
dardprogrammierung im Rechner.
Die Weiterbildung gemäß Anspruch 2 schlägt vor, daß das Sensorgehäuse im wesentlichen
zylinderförmig ausgebildet ist. Andere Formen sind selbstverständlich auch denkbar.
Die Weiterbildung gemäß Anspruch 3 hat den Vorteil, daß dadurch das Sensorgehäuse in
der Öffnung des Meßrohres einwandfrei positioniert werden kann. Damit ist eine reprodu
zierbare Plazierung des Differenzdrucksenors im Stömungsmedium gewährleistet.
Gemäß der Weiterbildung in Anspruch 4 kann als Dichtelement ein O-Ring vorgesehen sein,
aber auch ein angespritztes Dichtelement (2 K-Spritzteil) am Gehäuse. Dadurch ist eine
einwandfreie Abdichtung zwischen dem Sensorgehäuse und dem Meßrohr gewährleistet.
Die Weiterbildung gemäß Anspruch 5 stellt eine technisch einfache Möglichkeit zur Fixierung
des Sensorgehäuses innerhalb der Öffnung des Meßrohres dar. Die Grundidee besteht
darin, daß zunächst das Sensorgehäuse in die Öffnung des Meßrohres hineingesteckt wird,
um anschließend in der darüber befindlichen Umfangsnut der Öffnung den Sicherungsring
zu plazieren. Dieser Sicherungsring übergreift den Anschlagring und fixiert somit das Sen
sorgehäuse. Als Sicherungsring kann beispielsweise ein Sprengring vorgesehen sein. Da
durch wird ein einfacher Austausch ermöglicht, obwohl das Sensorgehäuse fest in der Öff
nung des Meßrohres fixiert ist.
Die Weiterbildung gemäß Anspruch 6 hat den Vorteil, daß der Differenzdrucksensor inner
halb des Meßrohres in der richtigen Position ausgerichtet ist.
Die Weiterbildung gemäß Anspruch 7 geht von der Grundidee aus, daß das Sensorgehäuse
als Träger für den Differenzdrucksensor dient. Dieser ragt als Flügel oder als Paddel in das
Innere des Meßrohres.
Die Weiterbildung gemäß Anspruch 8 stellt eine einfache konstruktive Einheit dar, wobei
durch die Einbettung des Trägers im Sensorgehäuse der Differenzdrucksensor sicher ge
halten und fixiert ist.
Vorzugsweise ist der Träger gemäß Anspruch 9 im wesentlichen plattenförmig ausgebildet.
Eine bevorzugte Ausbildung des Trägers in Form von zwei fest miteinander verbundenen
Trägerteilen schlägt Anspruch 10 vor. Die Grundidee besteht darin, den hinteren Bereich
des Trägers insbesondere als Leiterplatte auszubilden. Diese Leiterplatte kann Kontaktbah
nen aufnehmen, außerdem eine vergossene integrierte Schaltung. Der eigentliche Diffe
renzdrucksensor ist dann am vorderen Ende des vorderen Trägerteils befestigt. Dieses vor
dere Trägerelement besteht vorzugsweise aus Silizium.
Die Weiterbildung gemäß Anspruch 11 stellt zwei einfache Möglichkeiten dar, um den
Drucksensor sowie die weiteren auf dem Träger befindlichen elektronischen Elemente mit
einer externen Auswerteeinheit über einen Kabelanschluß zu verbinden.
Die Weiterbildung gemäß den Ansprüchen 12 und 13 schlägt eine konstruktive Ausgestal
tung des Differenzdrucksensors vor. Das Grundprinzip besteht darin, in dem Träger, insbe
sondere in dem vorderen Trägerteil aus Silizium, eine Fensteröffnung auszubilden, in wel
cher der Differenzdrucksensor integriert ist. Indem die Membran des Differenzdrucksensors
von der einen Seite her von dem Medium angeströmt wird, entsteht dadurch ein Überdruck
und bezüglich der Rückseite der Membran eine Druckdifferenz. Der somit zwischen Vorder-
und Rückseite entstehende Differenzdruck ist dabei proportional zum Quadrat der Strö
mungsgeschwindigkeit. Zum Messen der Auslenkung der Membran können Dehnmeßstrei
fen, Piezoelemente oder kapazitive Einrichtungen dienen. Der "Chip" des vorderen Täger
teils entspricht somit im Membranbereich einem Silizium-Drucksensorchip.
Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchflußmengen
messung schlägt Anspruch 14 vor. Die Grundidee besteht darin, den Differenzdrucksensor-
Chip nicht direkt am hinteren Trägerteil, insbesondere an der Leiterplatte anzubringen, son
dern das vordere Trägerteil im Sinne eines verlängerten Chips auszugestalten. Da somit der
Differenzdrucksensor und damit die Meßstelle einen weiten Abstand zu der Verbindungs
stelle zwischen dem vorderen und dem hinteren Trägerteil aufweist, werden mechanische
Spannungen, welche von dieser Verbindungsstelle ausgehen, auf den Differenzdrucksensor
gemindert und damit die Meßgenauigkeit erhöht. Außerdem befindet sich der Chip direkt im
Medium, d. h. es ist kein Gehäuse um den eigentlichen Meß-Chip vorgesehen. Dadurch kön
nen sich auch keine Luftblasen anlagern, welche ansonsten zu Meßfehlern führen würden.
Schließlich besteht nicht die Gefahr des Verschließens durch Schmutz.
Vorzugsweise beträgt dabei gemäß Anspruch 15 die Gesamtlänge des vorderen Trägerteils
wenigstens das 1,5-fache, insbesondere wenigstens etwa das 2-fache der Länge des Bau
abschnittes des Differenzdrucksensors.
Eine Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchflußmengenmessung
schlägt Anspruch 16 vor. Indem zusätzlich ein Temperatursensor vorgesehen ist, kann die
Vorrichtung als Wärmemengenmesser verwendet werden. Dieser Temperatursensor ist vor
zugsweise ebenfalls auf dem Träger, insbesondere auf dem vorderen Trägerteil angeordnet.
Somit wird mittels dieses Temperatursensors unmittelbar die Temperatur des umströmen
den Mediums gemessen. Durch diese integrierte Temperaturmessung kann somit die Wär
memenge unmittelbar bestimmt werden. Bei dem Temperatursensor kann es sich um einen
Platin-Temperatursensor handeln. Auch ist es gemäß der Weiterbildung in Anspruch 17
möglich, einen temperaturabhängigen Silizium-Temperatursensor direkt im Differenzdurch
flußsensor zu implementieren.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchflußmengenmes
sung von fließfähigen Medien in einer Rohrleitung als Verwendung eines Wärmemengen
messers wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des Meßrohres mit dem Sensor
gehäuse;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des in der Längsmittellinie aufge
schnittenen Meßrohres der Fig. 1;
Fig. 3a und 3b perspektivische Ansichten des Sensorgehäuses von der Vor
derseite sowie von der Rückseite her;
Fig. 4 den in dem Sensorgehäuse eingebetteten, plattenartigen Trä
ger für den Differenzdrucksensor sowie weiterer elektronischer
Elemente.
Die Meßvorrichtung weist ein Meßrohr 1 auf, welches sich im mittleren Bereich vom Durch
messer her etwas verjüngt, um einen Venturi-Effekt zu erzielen. Dabei befindet sich in den
Fig. 1 und 2 die Einlaufseite links.
Die Wand 2 des Meßrohres 1 besitzt eine Öffnung 3 zur Aufnahme eines Sensorgehäuses
4. Dieses Sensorgehäuse 4 ist im wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und weist einen
umfangsseitigen Anschlagring 5 auf. Dazu korrespondierend weist die Öffnung 3 im Meßrohr
1 eine ringförmige Gegenfläche 6 auf. Zwischen der Unterseite des Anschlagrings 5 und der
Wand 2 des Meßrohres 1 befindet sich in einer Ringausnehmung 7 ein Dichtelement 8 in
Form eines O-Ringes. Gehalten wird das Sensorgehäuse 4 in der Öffnung 3 durch einen
Sicherungsring 9, welcher in eine außenumfangsseitige Umfangsnut 10 in der Wand 2 greift.
In dem Sensorgehäuse 4 ist ein plattenförmiger Träger 11 für einen Differenzdrucksensor 12
sowie weiterer elektronischer Elemente eingebettet. Dieser Träger 11 ist in Fig. 4 als sepa
rates Teil alleine dargestellt. Der Träger 11 besteht aus einer hinteren Leiterplatte 13 sowie
aus einem vorderen Trägerteil 14 in Form eines Silizium-Drucksensorchips. In diesem vorde
ren Trägerteil 14 ist ein rechteckiges Fenster 15 ausgespart, in welchem eine Membrane 16
angeordnet ist. Die Rückseite (Fig. 3b) weist Brückenwiderstände des Drucksensors auf.
Außerdem ist auf diesem vorderen Trägerteil 14 ein Platin-Temperatursensor 17 angeord
net. Zwischen dem vorderen Trägerteil 14 und der hinteren Leiterplatte 13 ist im Übergangs
bereich eine vergossene Bondung angeordnet. Die Leiterplatte 13 trägt eine vergossene
integrierte Schaltung 19 sowie Leiterbahnen 20. Das hintere Ende der Leiterplatte 13 ragt
mit seinen Leiterbahnen 20 aus dem Sensorgehäuse 4 heraus und definiert einen Anschluß
21 für eine externe elektronische Auswerteeinheit.
Die Funktionsweise der Meßeinrichtung ist wie folgt:
Der Differenzdrucksensor 12 ragt ins Innere des Meßrohres 1. Dieser wird mit einer entspre chenden Schaltung kalibriert. Dazu trägt auch der zusätzliche Temperatursensor 17 bei, um die Temperaturkompensation durchführen zu können. Die Kalibierung des Differenzdruck sensors 12 kann in einem automatischen System erfolgen. Die Daten werden anschließend in dem entsprechenden Chip auf der Leiterplatte 13 abgelegt. Die Daten können auch in der Elektronik des Gesamtsystems integriert werden, beispielsweise im Wärmemengenzähler µProzessor. Für eine tauschbare Sensoreinheit vor Ort ist es jedoch notwendig, die Kali brierwerte direkt im Sensormodul zu haben. Es ist aber auch möglich, bereits im Sensormo dul einen Prozessor zur Vorverarbeitung des Meßsignals einzubauen.
Der Differenzdrucksensor 12 ragt ins Innere des Meßrohres 1. Dieser wird mit einer entspre chenden Schaltung kalibriert. Dazu trägt auch der zusätzliche Temperatursensor 17 bei, um die Temperaturkompensation durchführen zu können. Die Kalibierung des Differenzdruck sensors 12 kann in einem automatischen System erfolgen. Die Daten werden anschließend in dem entsprechenden Chip auf der Leiterplatte 13 abgelegt. Die Daten können auch in der Elektronik des Gesamtsystems integriert werden, beispielsweise im Wärmemengenzähler µProzessor. Für eine tauschbare Sensoreinheit vor Ort ist es jedoch notwendig, die Kali brierwerte direkt im Sensormodul zu haben. Es ist aber auch möglich, bereits im Sensormo dul einen Prozessor zur Vorverarbeitung des Meßsignals einzubauen.
Durch die Strömung innerhalb des Meßrohres 1 wölbt sich die Membrane 16. Zwischen der
Vorder- und Rückseite entsteht ein Differenzdruck, welcher proportional zum Quadrat der
Strömungsgeschwindigkeit ist. Die Auslenkung der Membrane 16 kann mittels eines Dehn
meßstreifens oder auf andere Art und Weise gemessen werden.
Durch Lösen des Sicherungsringes 9 kann das Sensorgehäuse 4 entnommen und ein ande
rer Sensor auf einfache Weise eingesetzt werden.
1
Meßrohr
2
Wand
3
Öffnung
4
Sensorgehäuse
5
Anschlagring
6
Gegenfläche
7
Ringausnehmung
8
Dichtelement
9
Sicherungsring
10
Umfangsnut
11
Träger
12
Differenzdrucksensor
13
Leiterplatte
14
vorderes Trägerteil
15
Fenster
16
Membran
17
Temperatursensor
18
Bondung
19
integrierte Schaltung
20
Leiterbahn
21
Anschluß
Claims (17)
1. Vorrichtung zur Durchflußmengenmessung von fließfähigen Medien in einer Rohrleitung
mit einem Meßrohr (1), durch welches das Medium fließt, sowie
mit einem dem Meßrohr (1) zugeordneten Differenzdrucksensor (12),
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wand (2) des Meßrohres (1) eine Öffnung (3) aufweist und
daß in dieser Öffnung (3) abgedichtet ein modulartiges Sensorgehäuse (4) auswechsel bar angeordnet ist, welches den Differenzdrucksensor (12) trägt.
mit einem Meßrohr (1), durch welches das Medium fließt, sowie
mit einem dem Meßrohr (1) zugeordneten Differenzdrucksensor (12),
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wand (2) des Meßrohres (1) eine Öffnung (3) aufweist und
daß in dieser Öffnung (3) abgedichtet ein modulartiges Sensorgehäuse (4) auswechsel bar angeordnet ist, welches den Differenzdrucksensor (12) trägt.
2. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Sensorgehäuse (4) im wesentlichen zylinderförmig ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Sensorgehäuse (4) umfangsseitig einen Anschlagring (5) aufweist, welcher
beim Hineinstecken des Sensorgehäuses (4) in die Öffnung (3) an einer Gegenfläche
(6) des Meßrohres (1) anliegt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen der Unterseite des Anschlagrings (5) und dem Meßrohr (1) ein Dichtele
ment (8) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß oberhalb des Anschlagrings (5) in einer Umfangsnut (10) der Öffnung (3) ein Siche
rungsring (9) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Sensorgehäuse (4) drehcodiert in der Öffnung (3) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der an dem Sensorgehäuse (4) angeordnete Differenzdrucksensor (12) flügelartig
in das Meßrohr (1) ragt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Differenzdrucksensor (12) an einem Träger (11) angeordnet ist, welcher mit
seinem hinteren Ende in dem Sensorgehäuse (4) eingebettet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Träger (11) zumindest teilweise im wesentlichen plattenförmig ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Träger (11) aus zwei miteinander verbundenen Teilen gebildet ist, nämlich ei
nem vorderen Trägerteil (14) insbesondere aus Silizium für den Differenzdrucksensor
(12) sowie einem hinteren Trägerteil insbesondere in Form einer Leiterplatte (13).
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß das rückseitige Ende des Trägers (11) aus dem Sensorgehäuse (4) herausgeführt ist und als Anschluß (21) für ein Anschlußkabel dient oder
daß am rückseitigen Ende des Trägers (11) direkt ein Anschlußkabel angelötet ist.
daß das rückseitige Ende des Trägers (11) aus dem Sensorgehäuse (4) herausgeführt ist und als Anschluß (21) für ein Anschlußkabel dient oder
daß am rückseitigen Ende des Trägers (11) direkt ein Anschlußkabel angelötet ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß in dem in das Meßrohr (1) ragenden Träger (11) ein Fenster (15) ausgebildet ist, in
dem der Differenzdrucksensor (12) angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Differenzdrucksensor (12) durch eine Membrane (16) gebildet ist, deren Aus
lenkung gemessen wird.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Differenzdrucksensor (12) im Bereich des vorderen, freien Endes des vorderen Trägerteils (14) angeordnet ist und
daß die Gesamtlänge des vorderen Trägerteils (14) größer ist als die Länge des Bauab schnittes des Differenzdrucksensors (12) in Längserstreckung des vorderen Trägerteils (14) gesehen.
daß der Differenzdrucksensor (12) im Bereich des vorderen, freien Endes des vorderen Trägerteils (14) angeordnet ist und
daß die Gesamtlänge des vorderen Trägerteils (14) größer ist als die Länge des Bauab schnittes des Differenzdrucksensors (12) in Längserstreckung des vorderen Trägerteils (14) gesehen.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Gesamtlänge des vorderen Trägerteils (14) wenigstens das 1,5-fache, insbe
sondere wenigstens etwa das 2-fache der Länge des Bauabschnittes des Differenz
drucksensors (12) beträgt.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zusätzlich ein Temperatursensor (17) vorgesehen ist und
daß die Vorrichtung als Wärmemengenmesser verwendet wird.
daß zusätzlich ein Temperatursensor (17) vorgesehen ist und
daß die Vorrichtung als Wärmemengenmesser verwendet wird.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Temperatursensor (17) durch einen im vorderen Silizium-Trägerteil (14) imple
mentierten Siliziumsensor gebildet ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2001114576 DE10114576C2 (de) | 2001-03-24 | 2001-03-24 | Vorrichtung zur Durchflußmengenmessung von fließfähigen Medien in einer Rohrleitung |
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DE2001114576 DE10114576C2 (de) | 2001-03-24 | 2001-03-24 | Vorrichtung zur Durchflußmengenmessung von fließfähigen Medien in einer Rohrleitung |
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DE102020130596A1 (de) | 2020-11-19 | 2022-05-19 | Krohne Ag | Durchflussmessgerät, Sensoreinheit und Verfahren zur Herstellung eines Durchflussmessgeräts |
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DE19614458C2 (de) * | 1996-04-12 | 1998-10-29 | Grundfos As | Druck- oder Differenzdrucksensor und Verfahren zu seiner Herstellung |
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2001
- 2001-03-24 DE DE2001114576 patent/DE10114576C2/de not_active Expired - Fee Related
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Owner name: QUNDIS GMBH, 99974 MUEHLHAUSEN, DE |
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