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Die
Erfindung betrifft einen Differenzdrucksensor mit einer Membran,
die auf einem Rahmen angeordnet ist, wobei auf der Membran mindestens ein
dehnungsempfindlicher elektrischer Widerstand angeordnet ist, welcher über Zuleitungen
mit einem Widerstandsmesser verbindbar ist, wobei der mindestens
eine dehnungsempfindliche elektrische Widerstand und die Zuleitungen
im Bereich der Membran mit einer ersten und mindestens einer weiteren Glasschicht überzogen
sind.
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Ein
derartiger Differenzdrucksensor ist aus der
DE 37 87 051 T2 bekannt.
Die
DE 689 03 235
T2 offenbart ein Drucksensorelement mit einer in einem Ring
gehaltenen Membran. Aus der
DE 10 2004 035 454 A1 ist ein Differenzdrucksensor
bekannt, bei dem Zuleitungen und ein dehnungsempfindlicher Widerstand
im Bereich der Membran mit einer Kunststoffschicht überzogen
sind.
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Derartige
Differenzdrucksensoren werden beispielsweise in Klimaanlagen verwendet,
um einen Differenzdruck zwischen zwei getrennten Kreisläufen der
Klimaanlage zu erfassen. Zur Differenzdruckmessung beaufschlagt
ein jeweils in den Kreisläufen geführtes Fluid
je eine Seite der Membran, so dass sich diese bei einem Druckunterschied
zwischen den Kreisläufen
entsprechend verformt.
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Um
die dehnungsempfindlichen elektrischen Widerstände und die Zuleitung vor Korrosion
und weiteren Einflüssen
durch die Fluide zu schützen, sind
diese bei dem gattungsgemäßen Differenzdrucksensor
mit mindestens zwei dünnen
Glasschichten überzogen.
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Ein
Nachteil dieses Differenzdrucksensors ist, dass durch die Abdeckung
des Widerstands durch eine Glasschicht mit sehr guten di-elektrischen Eigenschaften,
insbesondere beim Brennvorgang durch Diffusion von Glasbestandteilen
in den Widerstand, dieser ungewollt beeinflusst wird.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen Differenzdrucksensor derart
weiterzubilden, dass der mindestens eine dehnungsempfindliche elektrische
Widerstand und die Zuleitungen mit derartigen Schutzschichten versehen
werden, dass der Widerstand beim Auftragen der Schutzschicht nicht
ungewollt beeinflusst wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem
gattungsgemäßen Differenzdrucksensor
dadurch gelöst,
dass die erste Glasschicht aus einem anderen Material als die weitere
Glasschicht besteht.
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Bevorzugt
ist die Membran einer Keramikschicht.
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Bevorzugt
besteht der Rahmen aus Keramik.
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Vorteilhaft
ist die Membran im Rahmen mittels einer Glaslötung oder mittels eines Klebstoffs
befestigt.
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Bevorzugt
ist die Membran an dem Rahmen entlang eines geschlossenen Umfangs
an demselben befestigt.
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Die
Membran kann eine quadratische, rechteckige oder kreisförmige Grundfläche aufweisen.
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Bevorzugt
sind die Zuleitungen zu dem mindestens einen dehnungsempfindlichen
elektrischen Widerstand zwischen dem Rahmen und der Membran hindurchgeführt.
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Vorteilhaft
ist die Membran ein Abschnitt eines Trägersubstrats.
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Das
Trägersubstrat
kann eine quadratische oder eine recheckige Grundfläche aufweisen.
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Bevorzugt
umfaßt
das Trägersubstrat
einen Steckbereich, der Kontaktflächen der Zuleitungen umfaßt.
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Bevorzugt
sind auf der Membran vier dehnungsempfindliche elektrische Widerstände angeordnet.
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Vorteilhaft
sind die vier dehnungsempfindlichen elektrischen Widerstände in einer
Wheatstone'schen
Brückenschaltung
angeordnet.
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Vorteilhaft
sind der mindestens eine dehnungsempfindliche elektrische Widerstand,
die Zuleitungen und die Kontaktflächen in Dickschichttechnik aufgebracht.
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Vorteilhaft
weist die zweite Glasschicht einen niedrigeren Schmelzpunkt als
die erste Glasschicht auf.
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Bevorzugt
weist eine Glasschicht eine Dicke von 15 bis 25 μm auf.
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Der
erfindungsgemäße Differenzdrucksensor
kann in ein Differenzdruckmessgerät mit einem Gehäuse eingebaut
sein.
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In
diesem Fall ist auf dem Rahmen bevorzugt ein O-Ring zur Abdichtung
des Differenzdrucksensors gegenüber
dem Gehäuse
angeordnet.
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Ferner
ist in diesem Fall bevorzugt auf der Membran, gegenüber dem
Rahmen, ein O-Ring zur Abdichtung des Differenzdrucksensors gegenüber dem
Gehäuse
angeordnet.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf eine Zeichnung erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Differenzdrucksensors gemäß dem Stand
der Technik;
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2 eine
Draufsicht des Differenzdrucksensors der 1;
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3 eine
Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors in
einer ersten Variante;
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4 eine
Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors gemäß einer zweiten
Variante;
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5 eine
Querschnittsansicht des Differenzdrucksensors der 3 in
einer alternativen Ausführungsform;
und
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6 eine
perspektivische, teilweise weggebrochene, Ansicht eines Querschnitts
eines Gehäuses
eines Differenzdruckmeßgeräts mit einem
erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor.
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Ein
aus dem Stand der Technik bekannter Differenzdrucksensor 1 in
den 1 und 2 umfaßt ein Trägersubstrat 17, vorliegend
eine rechteckige Keramikplatte, die eine Dicke von ca. 0,2 m aufweist.
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Auf
dem Trägersubstrat 17 sind
vier dehnungsempfindliche elektrische Widerstände 7 angeordnet,
die über
Zuleitungen 9 jeweils mit Kontaktflächen 21 in Verbindung
stehen. Die Widerstände 7, die
Zuleitungen 9 und die Kontaktflächen 21 sind in Dickschichttechnik
aufgetragen, d. h. diese wurden in Pastenform auf das Trägersubstrat 17 gedruckt
und folgend eingebrannt. Alternativ sind die Widerstände 7,
die Zuleitungen 9 und die Kontaktflächen 21 in Dünnschichttechnik
aufgetragen.
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Die
Zuleitungen 9 und die Widerstände 7 sind so verschaltet,
daß die
vier Widerstände 7 eine Wheatston'schen Brückenschaltung
bilden.
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Auf
die Widerstände 7 und
einen Teilbereich der Zuleitungen 9 ist eine Glasschicht 13 derart
aufgetragen, daß nur
ein Steckbereich 19 des Trägersubstrats 17 frei
von der Glasschicht 13 ist. Der Differenzdrucksensor 1 ist
mit dem Steckbereich 19 in ein Differenzdruckmeßgerät steckbar,
wie unten beschrieben.
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Auf
der Glasschicht 13 ist ein Spannrahmen 5, vorliegend
ein Keramikring, befestigt, wodurch ein Abschnitt des Trägersubstrats 17 eine
Membran 3 bildet.
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Der
Spannrahmen 5 ist durch ein Glaslot mit der Glasschicht 13 verbunden.
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Dadurch,
daß der
Spannrahmen 5 auf der Glasschicht 13 befestigt
ist, ist die Membran 3 entlang einer kreisförmigen,
definierten Biegekante verformbar.
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Zur
Messung eines Differenzdruckes wird die Seite der Membran 3,
auf der die Widerstände 7 angeordnet
sind, mit einem ersten Fluid beaufschlagt und die gegenüberliegende
Seite der Membran 3 wird mit einem zweiten Fluid beaufschlagt,
so daß sich
bei einem Druckunterschied eine differenzdruckabhängige Durchbiegung
der Membran 3 ergibt. Diese Durchbiegung der Membran 3 führt zu einer
Längenänderung
der Widerstände 7,
wodurch sich eine Widerstandsänderung
der Widerstände 7 ergibt,
die mit einem Widerstandsmeßgerät messbar
ist. Aus den sich ergebenden Widerstandsänderungen lässt sich die Durchbiegung der
Membran 3 bestimmen und somit der Differenzdruck zwischen
den beiden Fluiden, wie im Stand der Technik bekannt ist.
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Vorteilhaft
sind die Zuleitungen 9 zwischen dem Trägersubstrat 17 und
dem Spannrahmen 5 (von den Widerständen 7 ausgehend)
nach außen geführt. Alternativ
können
die Zuleitungen 9 durch den Spannrahmen 5 oder
das Trägersubstrat 17 nach
außen
geführt
sein.
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Vorteilhaft
sind die Widerstände 7 in
einem Bereich größter Durchbiegung
der Membran 3 angeordnet, um möglichst große Messsignale zu erhalten.
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Die
Widerstände 7,
die Zuleitungen 9 und die Kontaktflächen 21 sind bevorzugt
auf der Seite des Trägersubstrats 17 angeordnet,
auf der der Spannrahmen 5 angeordnet ist. Alternativ kann
der Spannrahmen 5 jedoch auf der Seite des Trägersubstarts 17 angeordnet
sein, die den Widerständen 7,
den Zuleitungen 9 und den Kontaktflächen 21 gegenüberliegt.
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Unter
Bezug auf 3 ist nachfolgend ein erfindungsgemäßer Differenzdrucksensor 1' in einer ersten
Variante beschrieben.
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Wie
zuvor zu dem Differenzdrucksensor 1 beschrieben, umfaßt der Differenzdrucksensor 1' ebenfalls das
Trägersubstrat 17,
auf dem die Widerstände 7,
die Zuleitungen 9 und die Kontaktflächen 21 angeordnet
sind.
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Der
Differenzdrucksensor 1' weist
jedoch keine Glasschicht 13 auf, so daß der Spannrahmen 5 mittels
eines Glaslots 15 direkt an dem Trägersubstrat 17 befestigt
ist.
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Auf
den Differenzdrucksensor 1' ist
eine feuchteundurchlässige,
dichte Kunststoffschicht 11 aufgebracht, die bevorzugt
mittels einer Pulverbeschichtung aufgetragen ist.
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Als
Kunststoff wird bevorzugt ein hydrophobes Polymer verwendet, beispielsweise
Parylene.
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In
der Regel ist es ausreichend, eine Kunststoffschicht 11 aufzutragen,
bevorzugt werden jedoch mehrere Schichten aufgetragen, insbesondere 5
oder 6 Schichten. Die Kunststoffschicht 11 weist vorteilhaft
eine Dicke von 1 bis 30 μm,
bevorzugt eine Dicke von 4 bis 20 μm und weiter bevorzugt eine
Dicke von 5 bis 10 μm
auf.
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Unter
Bezug auf 4 ist nachfolgend ein erfindungsgemäßer Differenzdrucksensor 1'' in einer zweiten Variante beschrieben.
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Wie
zu dem Differenzdrucksensor 1 beschrieben, umfaßt der Differenzdrucksensor 1'' das Trägersubstrat 17, auf
dem die Widerstände 7,
die Zuleitungen 9 und die Kontaktflächen 21 angeordnet sind.
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Eine
erste Glasschicht 131 ist auf dem Trägersubstrat 17, den
Widerständen 7 und
einem Teilbereich der Zuleitungen 9 angeordnet, so daß die erste
Glasschicht 131 des Differenzdrucksensors 1'' im wesentlichen der Glasschicht 13 des
Differenzdrucksensors 1 entspricht.
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Auf
der ersten Glasschicht 131 ist eine zweite Glasschicht 132 gebildet,
wobei die Glasschichten 131, 132 in der Draufsicht
bevorzugt deckungsgleich sind.
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Auf
der zweiten Glasschicht 132 ist der Spannrahmen 5 mittels
Glaslot 15 befestigt.
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Die
Glasschichten 131, 132 weisen vorteilhaft eine
Dicke von 5 bis 50 μm,
bevorzugt von 10 bis 30 μm
und weiter bevorzugt von 15 bis 25 μm auf.
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Die
Glasschichten 131, 132 können aus demselben Material
oder aus verschiedenen Materialien bestehen.
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Bestehen
die Glasschichten 131, 132 aus verschiedenen Materialien,
so kann die zweite Glasschicht 132 einen Schmelzpunkt aufweisen,
der dem der ersten Glasschicht 131 entspricht oder der
kleiner als der der ersten Glasschicht 131 ist.
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Die
Glasschichten 131, 132 können auf verschiedene Arten
auf dem Trägersubstrat 17 angeordnet
werden. Zum einen kann zunächst
die erste Glasschicht 131 auf das Trägersubstrat 17 gedruckt
und eingebrannt werden, woraufhin folgend die zweite Glasschicht 132 auf
die erste Glasschicht 131 gedruckt und eingebrannt wird.
Zum anderen kann zunächst
die erste Glasschicht 131 auf das Trägersubstrat 17 gedruckt
werden und folgend die zweite Glasschicht 132 auf die erste
Glasschicht 131 gedruckt werden, woraufhin folgend beide
Glasschichten 131, 132 gemeinsam eingebrannt werden.
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Unter
Bezug auf die 5 ist nachfolgend ein erfindungsgemäßer Differenzdrucksensor 1''' beschrieben,
der eine Variation der ersten Variante des Differenzdrucksensors 1' der 2 ist.
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Wie
zu dem Differenzdrucksensor 1' beschrieben, sind auf dem Trägersubstrat 17 des
Differenzdrucksensors 1''' die Widerstände 7, die Zuleitungen 9 und
die Kontaktflächen 21 angeordnet.
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Auf
dem Trägersubstrat 17,
den Widerständen 7 und
einem Teilbereich der Zuleitungen 9 ist eine Glasschicht 13 angeordnet,
wie zuvor zu 1 und 2 beschrieben.
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Auf
der Glasschicht 13 ist mittels Glaslot 15 der
Spannrahmen 5 befestigt.
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Im
Bereich der Membran 3 ist auf der Glasschicht 13 die
Kunststoffschicht 11 aufgetragen, wie zuvor zur 3 beschrieben.
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Die
Differenzdrucksensoren 1' (3)
und 1''' (5) unterscheiden
sich somit dadurch, daß die
Glasschicht 13 zwischen der Kunststoffschicht 11 und
dem Trägersubstrat 17 vorgesehen
ist.
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Der
Differenzdrucksensor 1''' der 5 weist
vorliegend eine Glasschicht 13 auf. Alternativ kann der
Differenzdrucksensor 1''' mehrere aufeinander folgende Glasschichten
aufweisen.
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Ferner
kann der Differenzdrucksensor 1''' mehrere Kunststoffschichten 11 aufweisen,
wie zu 3 beschrieben.
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Die
Glasschichten 13, 131, 132 und die mindestens
eine Kunststoffschicht 11 bedecken vorliegend in den 3 bis 5 die
gesamte Membran 3. Alternativ bedecken die Schichten 11, 13, 131, 132 nur
die Widerstände 7 und
die Zuleitungen 9.
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Umfaßt der Differenzdrucksensor 1'', 1''' mindestens
eine Glasschicht 13, 131, 132 so wird diese
auf dem Trägersubstrat 17 angeordnet,
bevor der Spannrahmen 5 an dieser befestigt wird. Im Gegensatz
dazu wird die Kunststoffschicht 11 des Differenzdrucksensor 1', 1''' bevorzugt
erst dann aufgebracht, wenn der Spannrahmen 5 angeordnet
ist. In diesem Fall wird. die Kunststoffschicht 11 auch
auf dem Spannrahmen 5 gebildet.
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Um
zu verhindern, daß die
Kunststoffschicht 11 in diesem Fall auf dem Spannrahmen 5 gebildet wird,
kann alternativ beispielsweise eine Folie auf dem Spannrahmen 5 vorgesehen
sein, die von dem Spannrahmen 5 abgezogen wird, wenn die
Kunststoffschicht 11 aufgetragen ist.
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In 6 ist
ein Abschnitt eines Gehäuses 25 eines
Differenzdruckmeßgeräts im Querschnitt
gezeigt.
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Ein
Differenzdrucksensor 1', 1'', 1'' ist
in dem Gehäuse 25 angeordnet,
wobei in dem Gehäuse 25 ein
O-Ring 27 zur Anlage an den Spannrahmen 5 und
ein weiterer O-Ring 27 zur Anlage an einer gegenüberliegenden
Seite der Membran 3 vorgesehen ist, um den Differenzdrucksensor 1', 1'', 1''' gegenüber dem
Gehäuse 25 abzudichten.
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Jede
Seite der Membran 3 wird durch eine Fluidleitung 29 mit
einem Fluid beaufschlagt, das jeweils in einem Kreislauf eines Klimageräts geführt ist.
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Über die
Kontaktflächen 21 wird
eine Widerstandsänderung
der Widerstände 7 mit
Hilfe eines Widerstandsmeßgeräts bei einem
Druckunterschied zwischen den Kreisläufen erfasst, und in einen
Differenzdruck umgerechnet, wie im Stand der Technik bekannt.
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- 1
- Differenzdrucksensor
gemäß dem Stand
der Technik
- 1'
- Differenzdrucksensor
gemäß einer
ersten Variante (3)
- 1''
- Differenzdrucksensor
gemäß einer
zweiten Variante (4)
- 1'''
- Differenzdrucksensor
gemäß einer
Variation der ersten Variante (5)
- 3
- Membran
- 5
- Spannrahmen
- 7
- Widerstand
(dehnungsempfindlicher elektrischer)
- 9
- Zuleitung
- 11
- Kunststoffschicht
- 13
- Glasschicht
- 131
- erste
Glasschicht
- 132
- zweite
Glasschicht
- 15
- Glaslot
- 17
- Trägersubstrat
- 19
- Steckbereich
des Trägersubstrats
- 21
- Kontaktfläche
- 25
- Gehäuse
- 27
- O-Ring
- 29
- Fluidleitung