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Die Erfindung betrifft eine Detektorvorrichtung zur Funktionsprüfung von Dichtungssystemen mit wenigstens einem Dichtungselement zwischen zwei gegeneinander abzudichtenden Teilen, welches Dichtungselement an wenigstens einem der Teile mit einer Anlagefläche anliegt, wobei die Vorrichtung wenigstens ein für das abzudichtende Fluid kapillares, dielektrisches Detektorelement mit dieser zugeordneter Elektrodenanordnung umfasst, an welche Elektrodenanordnung eine Auswerteelektronik anschließbar ist zur Detektion einer Undichtigkeit auf Grund Änderung einer dielektrischen Funktion des Detektorelements bei Kontakt mit dem Fluid.
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Eine derartige Detektorvorrichtung ist bekannt (
DE 103 05 110 B3 ). Das kapillare Detektorelement ist hier in das als Flachdichtung ausgebildete Dichtungselement integriert. Auf Grund der in Bezug auf das verwendete Fluid großen Kapillarkräfte reicht eine vergleichsweise geringe Menge an Fluid aus, um die dielektrische Funktion des Detektorelements einschließlich seiner Kapazität drastisch zu ändern. Diese Änderung kann leicht mit hoher Empflindlichkeit über die dem Detektorelement zugeordnete Elektrodenanordnung mit der entsprechenden Auswerteelektronik erfasst werden. Hierzu kann man an wenigstens einer, vorzugsweise an mehreren Frequenzen, den Realteil und/oder den Imaginärteil der dielektrischen Funktion ermitteln, wobei auch eine reine Kapazitätsmessung, insbesondere DC-Messung, in Frage kommt. Bezüglich weiterer Einzelheiten wird ausdrücklich auf die
DE 103 05 110 B3 verwiesen.
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Man kann auf diese Weise zuverlässig ermitteln, ob die Dichtung brüchig geworden ist oder einzelne Risse in der Dichtung aufgetreten sind. Auf Grund der Integration des Detektorelements in das Dichtungselement kann jedoch keine Standarddichtung eingesetzt werden.
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Auch in der
DE 103 14 924 B4 wird eine Dichtungsanordnung vorgeschlagen, bei der in das zweiteilige Dichtungselement ein poröses Detektorelement integriert ist. In die beiden Teile der Dichtung ist jeweils ein elektrisch leitfähiger Drahtring eingesetzt, der als Kondensatorplatte zur Kapazitätsmessung dient.
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Aus der
US 2001/003 03 96 A1 ist es bekannt, zur Überwachung der Dichtigkeit einer Stopfbuchsen-Dichtung in eine die Dichtung umgreifende kreisscheibenförmige Flanschplatte eine Detektorvorrichtung einzuschrauben, die über einen Radialkanal mit dem Bereich der Dichtung verbunden ist. Im Falle eines Dichtungslecks kann Dichtungsfluid über den Radialkanal in die Detektorvorrichtung eindringen. Ein Drucksensor meldet eine resultierende Druckänderung an eine in die Detektorvorrichtung integrierte Auswertelektronik weiter, die über Funk Alarm gibt. Die Sensitivität ist insbesondere auf Grund der Druckmessung und des großen Abstands des Drucksensors von der Dichtung nicht besonders hoch. Auch ist der bauliche Aufwand nicht unbeträchtlich.
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Die
DE 42 39 356 C1 beschreibt eine Leckageanzeige an einer Flanschverbindung, bei der in die Anlagefläche des jeweiligen Flansches eine ausgeprägte Ringnut
22 eingearbeitet ist. Diese ist über eine relativ enge Bohrung mit einer erweiterten Bohrung
24 mit Innengewinde
26 verbunden, in die ein Anschlussrohr mit Außengewinde
38 eines Monometers
34 einschraubbar ist.
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Die
DE 103 14 923 A1 beschreibt eine Dichtungsanordnung zur Abdichtung eines Maschinenelements, vorzugsweise einer Welle, mit einem Dichtring
2 zwischen Welle
1 und Gehäuse
20, wobei ein Sensor
4 über ein Depot
5 aus saug- und/oder quellfähigem Material mit einem Ringraum am Außenumfang der Welle
1 zwischen zwei Umfangsdichtlippen
16 verbunden ist. Der Sensor kann von einem Kondensator gebildet sein, um eine Änderung des dielektrischen Verhaltens des Depots erfassen zu können.
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Aus der
DE 195 18 011 C2 ist eine elektronische Messeinrichtung zur Erfassung von Undichtigkeit von Dichtungen für flüssige Medien bekannt, bei der Doppel-O-Ringdichtungen einen Ringraum zwischen in einander gesteckten Rohrteilen abdichten, wobei ein- oder mehrlagige koaxiale Kabel den zwischen beiden O-Ringen gebildeten Raum durchsetzten und als Teil eines elektrischen Schwingkreises der Detektion von Undichtigkeiten dienen.
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Aus der nachveröffentlichten
EP 1 621 863 A2 ist eine Vorrichtung zur Erfassung einer Leckage wiederum an einer Wellendichtung bekannt, wobei eine Leckage-Depot in unmittelbarer Nähe des Leckaustritts angebracht ist und über einen Kapillarspalt oder eine saugfähige Einlage Leckfluid aufnimmt, welches dann über einen im Depot integrierten Sensor erfasst wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Detektorvorrichtung der gattungsgemäßen Art bereitzustellen, welche bei hoher Sensitivität den Einsatz von herkömmlichen Dichtungselementen, d. h. von Dichtungselementen ohne integrierte Detektorelemente, zulässt und trotz integrierter Auswertelektronik auch bei hohen Betriebstemperaturen einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Das Detektorelement ist zum Dichtungselement gesondert ausgebildet und steht mit der Anlagefläche in direktem Kontakt. Die Leckage wird also an der kritischsten Stelle gemessen, nämlich am Übergang zwischen dem Dichtungselement und dem einen der beiden gegeneinander abzudichtenden Teile, welches Teil bevorzugt von einem Dichtungsflansch gebildet wird. Das Detektorelement, ggf. die gesamte Detektorvorrichtung, kann leicht ausgewechselt werden, da unabhängig vom Dichtungselement. Ein Einbau oder ein Auswechseln kann also auch dann stattfinden, wenn das Dichtungselement bereits in Funktion ist, also die beiden Teile gegeneinander abdichtet. Die Gefahr eines Austretens von Dichtungsfluid beim Einbau oder Austausch des Dichtungselements besteht generell so lange nicht, wie der Kontaktbereich des Detektorelements in der Anlagefläche allseits von der abdichtenden Anlagefläche umgeben ist. Die erfindungsgemäße Detektorvorrichtung mit integrierter Auswerteelektronik kann auch bei hohen Betriebstemperaturen (insbesondere > 80°C) gesetzt werden, da das Detektorgehäuse ein thermisches Isolatorelement, vorzugsweise in Form eines dünnwandigen Stahlrohrs (am besten V2A-Rohr) zur thermischen Abkopplung der integrierten Auswerteelektronik vom einen Teil (vorzugsweise Dichtungsflansch) umfasst.
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Von Vorteil ist dabei auch, dass das sensorische Element ohne weiteres auf das jeweils abzudichtende Fluid (Flüssigkeit oder Gas) angepasst werden kann. Bevorzugt ist es aus nanoporösem Material gebildet, vorzugsweise mit einer inneren Oberfläche > 10 m2/g, besser 100 m2/g. Bevorzugt kommt nanoporöses Glas in Frage, z. B. Vycor (eingetragene Marke der Coming Inc.) mit außerordentlich großer innerer Oberfläche (etwa 250 m2/g).
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Unter direktem Kontakt soll im Zusammenhang mit der Erfindung verstanden werden, einerseits ein unmittelbares Heranreichen des Detektorelements an die Anlagefläche oder eine Verbindung des Detektorelements mit dem Bereich der Anlagefläche über einen Kanal geringen Volumens, vorzugsweise ebenfalls mit Kapillareffekt, so dass ein frühzeitiges Ansprechen der Detektorvorrichtung gewährleistet ist. Besonders bevorzugt wird ein Verbindungskanal einer lichten Weite von ≤ 1 mm eingesetzt, der den zusätzlichen Vorteil hat, dass er die Stabilität des Flansches nicht beeinträchtigt. Unter geringem Volumen des Verbindungskanals wird ein Volumen < 1 cm3, besser < 0,5 cm3, am besten < 0,1 cm3, verstanden.
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Nicht nur das Dichtungselement, sondern bevorzugt die gesamte Detektorvorrichtung kann austauschbar ausgebildet sein, wobei die Detektorvorrichtung zumindest das Detektorelement samt der Elektrodenanordnung aufweist. Es besteht darüber hinaus die Möglichkeit, in die Auswerteelektronik eine Stromversorgung zu integrieren, so dass Anschlussleitungen entfallen. Der Alarm kann dann beispielsweise über Funk erfolgen, wie in der eingangs genannten US-Schrift bereits offenbart. In vielen Fällen ist auf Grund des geringen Aufwands bevorzugt die Integration eines optischen Anzeigeelements (LED oder dergleichen) und/oder akustischen Anzeigeelements.
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Das Detektorgehäuse kann in die Ausnehmung einschraubbar ausgebildet sein.
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Da die Temperaturüberwachung, insbesondere zur Vermeidung der Überschreitung von Grenztemperaturen, in vielen Fällen wichtig ist, wird vorgeschlagen, dass wenigstens ein Temperatursensor in die Detektorvorrichtung integriert ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden an bevorzugten Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung erläutert.
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Es zeigt:
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1 einen schematischen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Detektorvorrichtung;
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2 einen Schnitt entsprechend 1 einer weiteren Ausführungsform, und
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3 das Detail A in 2, jedoch einer weiter modifizierten Ausführungsform.
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Die allgemein mit 10 bezeichnete Detektorvorrichtung gemäß 1 ist in einen in 1 oberen Flansch 12 einer teilweise dargestellten Flanschverbindung 13 zwischen zwei Rohren einer Rohrleitung 15 eingebaut. Der untere Flansch 14 ist in herkömmlicher Weise mit dem oberen Flansch 12 über ein Anzugselement verbunden, hier in Form von Schraubverbindungen – eine derartige Schraube 16 ist angedeutet. Zwischen beiden kreisringscheibenförmigen Flanschen 12 und 14 befindet sich ein Dichtungselement, hier in Form einer Flachdichtung 18, ebenfalls in Kreisring-Scheibenform.
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Es sind jedoch auch andere Dichtungs-Einbausituationen möglich und andere Dichtungsformen einsetzbar, wie auch die Detektorvorrichtung 10 in andere Träger einbaubar ist. Wesentlich ist hier, dass die Detektorvorrichtung unabhängig vom Dichtungselement ausgebildet ist und doch in direktem Kontakt mit einer Dichtungs-Anlagefläche 20 des Dichtungselements (hier Flachdichtung 18) steht. Die Anlagefläche 20 ist im Ausführungsbeispiel somit kreisringförmig ausgebildet, sie kann jedoch auch andere Formen annehmen. Zweckmäßigerweise sollte der Kontaktbereich A so gewählt werden, dass er allseits von der Anlagefläche 20 umgeben ist. Im Falle großer Druckunterschiede, z. B. hohem Innendruck in der Rohrleitung 15, wird der Kontaktbereich A weiter radial nach außen (in 1 nach links) weg vom Rohrinnenraum 24 verlagert, was jedoch zu etwas späterem Ansprechen der Detektorvorrichtung 10 führt.
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Ganz generell ist jedoch die Lage des Kontaktbereichs A unkritisch, da seine Ausdehnung im Vergleich zur Größe der Anlagefläche marginal ist. Die 1 und 2 sind nur schematisch und nicht maßstäblich. So beträgt in einem praktischen Ausführungsbeispiel der Durchmesser d einer die Detektorvorrichtung 10 aufnehmenden und im Kontaktbereich A ausmündenden Bohrung 26 etwa 1 mm bei einer im Bereich von wenigstens 1 cm, bevorzugt mehrerer cm liegenden Ringbreite b der Flachdichtung 18. Die Dichtfunktion der Flachdichtung 18 ist somit nicht beeinträchtigt, selbst dann, wenn mehrere Detektorvorrichtungen 10 in den Flansch 12, auf dessen Umfang verteilt, eingebaut sind.
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Schließlich ist die Detektorvorrichtung 10 selbst abdichtend in den Flansch 12 eingesetzt. Dies ist in 1 durch eine O-Ring-Dichtung 28 realisiert, die in einen radial nach außen vorstehenden Kopf 30 eines Vorrichtungsgehäuses 32 eingesetzt ist, und zwar in eine Nut an der dem Flansch zugewandten Unterseite des Kopfes 30.
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An den Kopf 30 des Gehäuses 32 schließt sich ein Außengewinde 34 an, welches in ein zugeordnetes Innengewinde 35 des Flansches 12 eingeschraubt ist, und damit einen einfachen Austausch der Detektorvorrichtung 10 zulässt.
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Das Innengewinde 35 ist in eine sich in 1 nach oben an die enge Bohrung 26 anschließende erweiterte Bohrung 36 des Flansches 12 eingearbeitet.
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Der Aufbau der Detektorvorrichtung 10 ergibt sich wiederum aus der schematischen Darstellung der 1. Man erkennt am oberen Ende der Detektorvorrichtung 10 ein Anzeigeelement, hier in Form einer Leuchtdiode 38, die eine das Gehäuse axial durchsetzende Ausnehmung 40 nach oben hin abschließt. Die Leuchtdiode 38 ist elektrisch mit einer in 1 nach unten anschließenden Auswerteelektronik 42 mit integrierter, batteriebetriebener Stromversorgung innerhalb der Ausnehmung 40 verkoppelt. Die Auswerteelektronik 42 wiederum ist elektrisch mit zwei Elektroden 44, 46 verbunden. Diese Elektroden erstrecken sich, einander mit Abstand gegenüberliegend, längs der engen Bohrung 26. Zwischen ihnen befindet sich ein nanoporöses dielektrisches Detektorelement 48, welches sich ebenfalls im Wesentlichen über die gesamte Länge der Bohrung 26 erstreckt und somit in den Kontaktbereich A hineinreicht.
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Kommt es zu einer Leckage zwischen Flachdichtung
18 und Flansch
12, sei es z. B. auf Grund zu geringen Flächendrucks zwischen Anlagefläche
20 und Flansch
12 (verursacht z. B. durch nicht ausreichende Spannkraft der Schraubenverbindungen) oder auf Grund von Rissbildungen der Flachdichtung
18, so gelangt das abzudichtende Fluid früher oder später über die Anlagefläche
20 zwischen Flachdichtung
18 und Flansch
12 in den Kontaktbereich A. Auf Grund der extrem hohen Kapillarität des Detektorelements
48 saugt dieses das Fluid sogleich auf, was die dielektrischen Eigenschaften des Detektorelements
48 drastisch verändert. Dies wird wiederum sogleich detektiert, und zwar, über eine kapazitive Messung mit Gleichstrom, oder über eine Wechselstrommessung mit wenigstens einer Frequenz zur Ermittlung des Realteils und/oder Imaginärteils der dielektrischen Funktion gemäß der
DE 103 05 110 B3 .
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Sobald also die Auswerteelektronik 42 eine entsprechende Änderung des dielektrischen Verhaltens des Detektorelements 48 festgestellt hat, gibt sie Alarm, insbesondere über die Leuchtdiode 38. Es kann natürlich auch eine alternative oder zusätzliche Art der Alarmgebung geben, z. B. über Funk oder elektrische Alarmleitungen zu einem Zentralrechner.
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Die Detektorvorrichtung 10 ist leicht austauschbar. Das Detektorelement 48, beispielsweise aus nanoporösem Gas oder aus einer Glasmembran oder aus porösen Polymerschichten, jedenfalls mit hoher innerer Oberfläche, 10 m2/g, besser 100 m2/g, kann optimiert werden, indem seine innere Oberfläche an das abzudichtende Fluid angepasst wird (Hydrophobisierung, Hydrophylisierung, usw.). Auch kann in nicht dargestellter Weise ein Temperatursensor integriert werden, um die aktuelle Temperatur messen zu können.
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Bei Flanschen, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, kann in nicht dargestellter Weise die Auswerteelektronik 42 auch aus dem Flanschbereich herausgenommen werden, insbesondere dadurch, dass das Gehäuse 32 in 1 nach oben hin verlängert wird, so dass dementsprechend auch die Auswerteelektronik 42 außerhalb des Flanschbereiches liegt. Zur thermischen Isolierung bietet sich an, die Wandung des Gehäuses 32 thermisch isolierend auszubilden, vorzugsweise durch Ausbildung als dünnes Stahlrohr, insbesondere V2A Rohr.
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Die in 1 symbolisch dargestellte Elektrodenanordnung mit einander gegenüberliegenden Elektroden 44 und 46 kann auch andere Formen annehmen, wie z. B. die mit einer äußeren, hohlzylinderförmigen Elektrode und einer axial verlaufenden Zentralelektrode mit zwischen beiden Elektroden sich erstreckendem nanoporösem Material.
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Ferner können die erfindungsgemäßen Detektorvorrichtungen 10 nicht nur längs eines Umfangskreises verteilt angeordnet sein, um die gesamte Flachdichtung 18 zuverlässig zu erfassen. Es kann auch eine Staffelung wenigstens zweier Sensoreinheiten in radialer Richtung vorgesehen sein, so dass auch der zeitliche Verlauf beim Entstehen einer Leckage sowie deren Stärke erfasst werden kann.
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In 2 ist eine Abwandlung der Detektorvorrichtung gemäß 1 wiederum schematisch dargestellt, wobei einander in der Funktion entsprechende Bauelemente mit denselben Bezugszeichen, jedoch im Falle der 2 vermehrt um die Zahl 100, versehen sind.
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Die Detektorvorrichtung ist dementsprechend mit 110 bezeichnet. Sie besteht aus dem Gehäuse 132, in weiches das Anzeigeelement 138 in Form einer Leuchtdiode sowie die Auswerteelektronik 142 eingesetzt ist. Es sind mehrere Maßnahmen zur Abdichtung getroffen. So ist das Anzeigeelement 138 über eine O-Ring-Dichtung 150 gegen das Gehäuse 132 abgedichtet. Eine druckdichte Durchführung 152, unten anschließend an die Auswerteelektronik 142, sorgt für eine Abdichtung des Gehäuseinnenraums nach unten zur Dichtung 118 hin. Hierzu ist sie mit zwei Durchführungsanschlusskontakten 154, 156 versehen, an die die beiden Elektroden 144, 146 anschließbar sind. Zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Elektroden befindet sich wiederum das von dielektrischem, nanoporösem Material gebildete Detektorelement 148.
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Um einen einfachen Ein- und Ausbau der Elektroden 146, 144 samt dem Detektorelement 148 ohne Beschädigungsgefahr zu gewährleisten, ist bei diesem Ausführungsbeispiel das Gehäuse 132 noch mit einem Verlängerungsrohr 158 versehen, welches die beiden Elektroden 146, 144 samt Detektorelement 148 schützend umgreift. Die Dimensionen sind jedoch auch hier wiederum so gewählt, dass die lichte Weite d, d. h. der Innendurchmesser des Verlängerungsrohrs 158 im Bereich von 1 mm liegt, so dass es zu einem schnellen Ansprechen im Falle eines Dichtungsdefekts kommt.
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Zur Abdichtung des Gehäuses 132 gegen den Flansch 112 ist eine kreisscheibenförmige Flachdichtung 160 vorgesehen, die das Verlängerungsrohr 158 an seinem oberen Ende umringt, und die an der sich anschließenden kreisringsförmigen Unterseite des Gehäuses 132 anliegt. Mit ihrer Unterseite und mit ihrem Außenumfang liegt die Flachdichtung 160 dementsprechend an zugeordneten Flächen der erweiterten Bohrung 136 des Flansches 112 an. Die Flachdichtung wird dadurch komprimiert, dass das Gehäuse 132 dementsprechend weit eingeschraubt wird – Außengewinde bzw. Innengewinde sind in 2 symbolisch durch unterbrochene Linien dargestellt.
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Auch hier ist der Austausch einfach, da lediglich das Gehäuse 132 herauszuschrauben bzw. hereinzuschrauben ist.
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In 3 ist eine Abwandlung des Details III von 2 angedeutet. Auch hier werden die entsprechenden Bezugsziffern jeweils um 100 erhöht. Man erkennt einen Bereich des oberen Flansches 212 wiederum mit Kontaktbereich A der Anlagefläche 220 zwischen Flachdichtung 218 und Flansch 212. Das Detektorelement 248 ist jedoch etwas von der Anlagefläche 220 entfernt. Dennoch ist direkter Kontakt zum Kontaktbereich A gegeben, da das in 3 untere Ende des Detektorelements 248 über eine Kapillarbohrung 262 mit dem Kontaktbereich A verbunden ist. Die Kapillarbohrung hat daher, in Abhängigkeit vom verwendeten Fluid, einen Durchmesser allenfalls im Bereich von 2 mm, besser 1 mm, besser 0,5 mm. Auf Grund der Kapillarwirkung wird daher jegliches Leckfluid sogleich dem Detektorelement 248 zugeführt.
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Es schließt sich somit an die Kapillarbohrung 262 die enge Bohrung 226 entsprechend den Bohrungen 26 bzw. 126 der 1 und 2 an. Sie kann hier großzügiger dimensioniert sein, z. B. mit einer lichten Weite im Bereich von wenigen Millimeter. Dies erlaubt kostengünstigere Fertigung des Detektorelements 248 auf Grund besser handhabbarer Abmessungen. Durch die Kapillarbohrung 262 ist zudem die Stabilität der Flanschverbindung sowie erst recht die Dichtfunktion der Flachdichtung 218 völlig unbeeinträchtigt.
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Bei der Ausführungsform gemäß 3 ist ein Gehäuse mit Verlängerungsrohr 258 entsprechend 2 eingesetzt, da nunmehr vermehrt Einbauraum zur Verfügung steht. Es kann aber auch ein Gehäuse entsprechend dem Gehäuse 32 in 1 eingesetzt werden, d. h. ohne Verlängerungsrohr.
