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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung
mindestens einer Prozessgröße, insbesondere
der Feuchtigkeit oder der Temperatur eines Mediums, mit mindestens
einer Sensoreinheit. Bei dem Medium handelt es sich beispielsweise
um eine Flüssigkeit, um
ein Gas oder um einen Dampf. Bei der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise
um die Feuchtigkeit, die Temperatur, die Dichte oder um den Durchfluss
des Mediums.
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Bei
Messgeräten
für die
Feuchtigkeit oder die Temperatur eines Mediums ist es im Stand der Technik
bekannt, Sensoreinheiten zu verwenden, die durch Dünnschicht-
oder Dickschichttechniken erzeugt werden. Dabei werden entweder
Kondensatoren erzeugt, deren Dielektrikum auf die Feuchtigkeit reagiert
oder es werden Widerstandsstrukturen auf einem Träger aufgebracht,
wobei der elektrische Widerstand abhängig von der Temperatur ist.
Diese Sensorelemente sind üblicherweise
sehr klein dimensioniert. Für
die elektrische Kontaktierung, die Stromversorgung und schlicht
auch für
die Anbringung des Sensorelements in der Messumgebung werden die
Sensoreinheiten üblicherweise
auf einer Leiterplatte befestigt und mit dieser in einem Messgehäuse untergebracht.
Ein solches Gehäuse
ist üblicherweise
mit Öffnungen
versehen, so dass das Medium zu der Sensoreinheit gelangt. Ein damit
einhergehendes Problem ist, dass sich die Feuchtigkeit des Mediums
an den inneren Wänden
des Gehäuses, oder
an den anderen Bauteilen des Messgerätes niederschlägt. Je nach
Ausgestaltung der Leiterplatte ist es auch möglich, dass die Feuchtigkeit
von dieser aufgenommen wird. Es kann sich also ein Mikroklima bilden,
welches die Messung des Sensors beeinträchtigt oder gar verfälscht.
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Im
Stand der Technik (WO 00/28311) ist es bekannt, das Sensorelement über einer
Aussparung in der tragenden Leiterplatte anzuordnen, und Leiterplatte und
die Ränder
der Aussparung mit einer die Feuchtigkeit hemmenden Schicht zu überziehen. Diese
Methode verhindert jedoch nicht, dass Feuchtigkeit im Messgerät kondensiert.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein Messgerät vorzuschlagen,
bei welchem die Kondensation von Mediumsfeuchtigkeit im Innenraum
deutlich reduziert wird, um insbesondere eine Auswirkung eines Kondensats
auf die Messung zu verhindern.
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Die
Aufgabe löst
die Erfindung dadurch, dass zumindest ein Zuführungskanal vorgesehen ist,
und dass der Zuführungskanal
derartig ausgestaltet, positioniert und zumindest auf die Sensoreinheit
abgestimmt ist, dass das Medium durch den Zuführungskanal im Wesentlichen
nur zu der Sensoreinheit gelangt. Im Stand der Technik ist es bekannt,
dass das Medium durch eine Öffnung
im Messgerät
zu der Sensoreinheit gelangt. Die Erfindung besteht darin, dass
das Medium durch den Zuführungskanal
im Wesentlichen nur zu der Sensoreinheit gelangt und nicht in den
restlichen Innenraum des Messgerätes.
Somit wird verhindert, dass das Medium und damit auch dessen Feuchtigkeit
in den restlichen Innenraum des Messgerätes eindringt und sich dort
niederschlagen könnte.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Sensoreinheit mindestens
eine zumindest teilweise aktive Oberfläche aufweist, welche für die Messung
der Prozessgröße und/oder
mindestens einer von der Prozessgröße abhängigen Messgröße aktiv
ist, und dass der Zuführungskanal
das Medium im Wesentlichen nur der aktiven Oberfläche zuführt. Auf
der Sensoreinheit ist üblicherweise
auf einer Seite mindestens eine Struktur aufgebracht, welche der eigentlichen
Messung dient. Bei einem Temperatursensor ist dies beispielsweise
ein elektrischer Widerstand, dessen Widerstandswert temperaturabhängig ist.
Die Temperatur als zu bestimmende bzw. zu überwachende Prozessgröße wird
somit über
die von der Temperatur abhängige
Messgröße elektrischer
Widerstand gemessen. Über
einen solchen Temperatursensor ist nebenbei auch die Messung des
Durchflusses eines Mediums oder dessen Dichte möglich. Bei einem Feuchtigkeitssensor
ist auf der aktiven Sensorseite ein Kondensator aufgebracht, dessen Kapazität in Abhängigkeit
vom Dielektrikum ein Maß für die Feuchtigkeit
ist. Somit ist die Kapazität
die Messgröße für die Bestimmung
der Prozessgröße Feuchtigkeit.
Ist nur eine Seite des Sensors für
die Messung aktiv bzw. wesentlich, so ist in einer Ausgestaltung
mindestens eine Abdichtung vorgesehen, welcher auf der Seite angebracht
ist, welche von der aktiven Seite abgewandt ist, und welche oberhalb des
Sensorelements den Zuführungskanal
verschließt.
In einer Ausgestaltung ist in der Leiterplatte eine Aussparung vorgesehen.
Das Sensorelement ist in einer Ausgestaltung oberhalb der Aussparung angeordnet
und der Zuführungskanal
reicht durch die Aussparung zum Sensorelement hindurch. In einer weiteren
Ausgestaltung befindet sich das Sensorelement in der Aussparung.
Damit verbunden ist die Ausgestaltung, dass der Zuführungskanal
hinter der Rückseite
der Sensoreinheit mit einem Decke abgedichtet wird. Das Sensorelement
ist in einer anderen Ausgestaltung auf der Oberfläche der
Leiterplatte angebracht und der Zuführungskanal mündet auf
dem Sensorelement und somit oberhalb der Leiterplatte.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass die Sensoreinheit zumindest
teilweise mit mindestens einer Leiterplatte verbunden ist. Eine
Leiterplatte dient häufig
der Aufnahme einer Sensoreinheit. Auf der Leiterplatte finden sich
die elektrischen Kontakte und die weiteren Bauteile zum Betrieb
des Messgerätes
bzw. der Sensoreinheit.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Sensoreinheit als
SMD-Bauteil oder
in der Flipchip-Technik zumindest teilweise mit der Leiterplatte
verbunden ist. Es gibt im Stand der Technik mehrere Möglichkeiten,
eine Sensoreinheit mit der Leiterplatte mechanisch und elektrisch
zu kontaktieren. So lässt
sich das Sensorelement als SMD-Bauteil auf der Leiterplatte aufbringen
oder das Sensorelement wird über
Bänder
kontaktiert.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass der Zuführungskanal
derartig ausgestaltet ist, dass der Zuführungskanal zumindest teilweise
verhindert, dass das Medium zur Leiterplatte gelangt. Durch die
Ausgestaltung des Zuführungskanals
wird somit insbesondere verhindert, dass die Feuchtigkeit auf oder
an die Leiterplatte gelangt. Da die Leiterplatte der Träger des
Sensorelements ist und damit somit die Leiterplatte dem Sensorelement
am nächsten
benachbart ist, muss insbesondere verhindert werden, dass dort Feuchtigkeit
kondensiert.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Zuführungskanal
mit einem Ende auf oder in geringem Abstand zur Sensoreinheit mündet. In
einer Ausgestaltung mündet
das Ende auf oder in geringem Abstand zur aktiven Seite der Sensoreinheit. Durch
diese beiden Ausgestaltungen wird dafür Sorge getragen, dass der
Bereich des Innenraums des Messgerätes, in welchem das Medium
gelangt, möglichst
klein ist. Insbesondere soll das seitliche Aus- und Eintreten des
Mediums aus dem bzw. in den Zuführungskanal
im Bereich des Übergangs
zum Sensorelement verhindert oder zumindest reduziert werden. Daher
der möglichst
direkte Kontakt. Dabei ist jedoch darauf zu achten, dass die aktive
Seite, dass also die für
die Messung relevante Struktur nicht durch den Zuführungskanal
beeinträchtigt
wird.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass mindestens ein Abführungskanal
vorgesehen ist, und dass der Abführungskanal
derartig ausgestaltet, positioniert und zumindest auf den Zuführungskanal
und/oder auf die Sensoreinheit abgestimmt ist, dass der Abführungskanal
das Medium im Wesentlichen entgegen einer Zuführungsrichtung des Zuführungskanals
abführt.
In einer Ausgestaltung liegen sich der Zuführungskanal und der Abführungskanal
einander gegenüber.
Somit tritt das Medium durch den Zuführungskanal in das Messgerät ein, wird
zum Sensorelement geleitet und tritt dann aus dem Abführungskanal
wieder aus dem Messgerät aus.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Zuführungskanal
und der Abführungskanal derartig
ausgestaltet und aufeinander abgestimmt sind, dass der Zuführungskanal
und der Abführungskanal
verhindern, dass das Medium in den Bereich der Leiterplatte gelangt.
Das Eindringen des Mediums in den Innenraum des Messgehäuses muss auch
nach dem Passieren des Sensorelements, d.h. auch nach der Messung
verhindert werden. Dafür
ist der Abführungskanal
entsprechend ausgestaltet. Weiterhin ist jedoch auch der Übergangsbereich
zwischen Zuführungskanal
und Abführungskanal
passend zu wählen.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass mindestens ein Gehäuse vorgesehen
ist, in welchem sich zumindest teilweise die Sensoreinheit und der
Zuführungskanal
befinden. Das Gehäuse
umschließt
die Sensoreinheit, dient dessen Schutz vor mechanischen Einflüssen und
stellt auch nach außen das
sichtbare Messgerät
dar. In einer Ausgestaltung ist die Sensoreinheit im Wesentlichen
in der Mitte des Gehäuses
angeordnet. Somit werden beispielsweise mechanische Belastungen
des Mediums oder Messumgebung oder des Prozesses durch das Gehäuse möglichst
weitgehend von der Sensoreinheit ferngehalten.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Zuführungskanal
derartig ausgestaltet ist, dass er verhindert, dass das Medium außer an die Sensoreinheit
in einen Innenraum des Gehäuses
gelangt. Wie bereits oben beschrieben, soll das Medium durch den
Zuführungskanal
nur zur Sensoreinheit gelangen und insbesondere soll verhindert
werden, dass die Sensoreinheit außen an den Bereich der Sensoreinheit
in den restlichen Innenraum des Gehäuses gelangt. Insbesondere
ist der Zuführungskanal
aus einem derartigen Material ausgestaltet, dass die Aufnahme von
Feuchtigkeit bzw. das insbesondere die Abgabe der Feuchtigkeit verhindert
wird. Dies gilt entsprechend auch für den Abführungskanal.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass der Zuführungskanal
einstückig
mit dem Gehäuse
oder mit der Leiterplatte ausgestaltet ist. Der Zuführungskanal
ist somit in einer Ausgestaltung mit dem Gehäuse als ein Bauteil hergestellt,
beispielsweise gespritzt.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Sensoreinheit die
Feuchtigkeit und/oder die Temperatur und/oder den Durchfluss des
Mediums misst. Das Messgerät
dient somit beispielsweise zur Messung der Feuchtigkeit, der Temperatur,
der Dichte oder des Massedurchflusses des Mediums.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass die Sensoreinheit zumindest
teilweise mit einer Dünnschichttechnik
oder mit einer Dickschichttechnik hergestellt ist.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigt:
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1:
ein seitlicher Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
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2:
ein horizontaler Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung
gemäß 1,
und
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3:
ein seitlicher Schnitt durch eine weitere Ausgestaltung der erfindungemäßen Vorrichtung.
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In
der 1 ist ein seitlicher Schnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
gezeigt. Bei der Vorrichtung handelt es sich insbesondere um ein Messgerät zur Messung
und/oder Überwachung
solcher Prozessgrößen wie
der Feuchtigkeit, der Temperatur oder der Strömung eines Mediums. Das Medium
ist dabei zumindest teilweise eine Flüssigkeit, ein Dampf, ein Gas
oder ein beliebiges fließfähiges Medium.
Weiterhin kann es sich bei der Prozessgröße auch um andere chemische
oder biologische Prozessgrößen des
Mediums handeln.
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Die
eigentliche Messung wird von der Sensoreinheit 1 ausgeführt, bei
welcher es sich insbesondere um ein mit einer Dünnfilmtechnik oder mit einer Dickschichttechnik
hergestelltes Sensorelement handelt. Beispiele sind ein temperaturabhängiges Widerstandselement
oder ein Kondensatorelement, dessen Dielektrikum auf die Feuchtigkeit
des Mediums reagiert. Dient die Sensoreinheit 1 – wie im
hier gezeigten Beispiel – der
Messung der Feuchte des – hier
nicht gezeigten Mediums -, so befindet sich auf der aktiven Seite 2 der
Sensoreinheit 1 vorzugsweise eine feuchteempfindliche Schicht.
Dabei ändert
die Sensoreinheit 1 in Abhängigkeit von der Feuchte mindestens
eine elektrische Kenngröße wie beispielsweise
die Kapazität.
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Insbesondere
bei der Feuchtemessung ist es problematisch, wenn das Medium im
Messgerät
kondensiert oder dort ein variables Mikroklima ausbildet. Dies kann
jeweils zu einer Verfälschung
der Messung führen.
Ein kritischer Bereich diesbezüglich
ist insbesondere die Leiterplatte 4, über welche zum einen die elektrische
Kontaktierung der Sensoreinheit 1 und zum anderen auch
deren Fixierung vorgenommen wird. Viele Materialien, aus denen Leiterplatten
bestehen können,
nehmen Feuchtigkeit auf und geben sie auch wieder ab. Daher ist
die Leiterplatte 4 eine Gefahrenquelle für die Genauigkeit
der Messwerte. Weiterhin ist die Leiterplatte 4 im Allgemeinen
mit – hier
nicht gezeigten – Bauteilen
bestückt,
welche meist selbst Wärme
erzeugen. Daher sollte eine Wärmeübertragung
von den Bauteilen auf das Medium auch möglichst verhindert werden.
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Die
Sensoreinheit 1 ist üblicherweise
von einem schützenden
Gehäuse 6 umgeben,
welches im Stand der Technik größere Öffnungen
für das
Eindringen des Mediums aufweist. Da das Medium im Stand der Technik
in den Innenraum 6.1 des Gehäuses 6 eindringt,
kann das Medium bzw. insbesondere dessen Feuchtigkeit auch von der
Leiterplatte 4 aufgenommen werden. Damit es nicht zu einer
Verfälschung
der Messung kommt, ist es im Stand der Technik (WO 00/28311) bekannt,
den Bereich der Leiterplatte 4, mit welchem die Sensoreinheit 1 direkten
Kontakt hat, mit einer die Feuchtigkeit hemmenden Beschichtung zu
versehen. Überdies
ist es bestens im Stand der Technik bekannt, die Sensoreinheit 1 oder
ein entsprechend feuchtigkeitsempfindliches Bauteil über einer
Aussparung in der Leiterplatte 4 zu positionieren. Diese
Methode des Standes der Technik reduziert die Auswirkung des Kondensats
auf die Sensoreinheit 1, verhindert jedoch nicht generell, dass
sich Kondensat bildet und dass das Medium durch die Wärmeübertragung
aus den elektronischen Bauteilen beeinflusst wird.
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Die
Erfindung zur Lösung
dieser Problematik besteht darin, dass das Medium nur über einen
Zuführungskanal 3 an
die Sensoreinheit 1 gelangt. Insbesondere gelangt das Medium
an die aktive Seite 2 der Sensoreinheit 3. In
der Erfindung gelangt somit das Medium nicht in das gesamte Gehäuse, sondern es
wird gezielt auf die Sensoreinheit 1 gelenkt. Wie in der 1 dargestellt,
befindet sich dabei die Sensoreinheit 1 insbesondere mittig
im Gehäuse 6.
Der Zuführungskanal 3 ist
dabei so ausgestaltet, dass er auch eine Dichtfunktion gegenüber dem
Innenraum 6.1 des Gehäuses 6 übernimmt.
Da somit das Medium nicht zu der Leiterplatte 4 gelangen
kann, kann sich folglich dort auch keine Feuchtigkeit niederschlagen.
Insbesondere sind die Materialien in Bezug auf ihre Feuchteauf-
bzw. -abgabefähigkeit
(Absorption, Adsorption oder Desorption) ausgewählt.
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In
der 1 ist insbesondere eine Ausgestaltung dargestellt,
bei welcher zusätzlich
ein Abführungskanal 5 vorgesehen
ist, über
welchen das Medium nach dem Austreten aus dem Zuführungskanal 3 und
dem Passieren der Sensoreinheit 1 das Gehäuse wieder
verlässt.
Die Aufgabe, ob Zu- oder Abführung
des Mediums ist dabei beliebig vertauschbar.
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Für die Abdichtung
ragt hier der Abführungskanal 5 ein
wenig über
die Sensoreinheit 1 und das obere Ende 3.1 des
Zuführungskanals 3 hinaus.
Der Zuführungskanal 3 mündet dabei
direkt auf – insofern sich
dort keine empfindliche Zone des aktiven Bereichs 2 der
Sensoreinheit 1 befindet – oder in möglichst geringem Abstand vor
der Sensoreinheit 1, so dass ein seitliches Entweichen
des Mediums minimiert wird. Der Abführungskanal 5 ist
leicht über
den Zuführungskanal 3 gestülpt und
dichtet so weiter ab. Das Medium tritt somit im Wesentlichen senkrecht
zu Gehäuse 6 durch
den Zuführungskanal 3 ein
und verlässt
das Gehäuse
auf geradem Weg durch den Abführungskanal 5 wieder.
Ein freies Ausbreiten des Mediums im Innenraum 6.1 wird
jedoch durch die beiden Kanäle 3, 5 verhindert.
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Mit
dieser Erfindung wird somit erzielt, dass das Medium im Wesentlichen
nur zur Sensoreinheit 1 gelangt.
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In
der 2 ist eine Draufsicht auf den in 1 dargestellten
Bereich gezeigt. Wie zu sehen, verlaufen der Zuführungskanal 3 und
der Abführungskanal 5 hier
durch eine Aussparung in der Leiterplatte 4. Der Zuführungskanal 3 mündet auf
der Sensoreinheit 1. Seine Querschnittsfläche ist
dabei so gewählt,
dass das Medium seitlich an der Sensoreinheit 1 vorbeiströmen kann.
Das Ausweichen des Mediums in das Gehäuse 6 wird durch den
Abführungskanal 5 verhindert,
welcher das der Sensoreinheit 1 zugewandte Ende 3.1 des
Zuführungskanals 3 umfasst.
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Die
Sensoreinheit 1 ruht hier auf der Leiterplatte 4 und
ist mit dieser kontaktiert. Anstelle dieser zum Beispiel als SMD-Bauteil
ausgestalteten Sensoreinheit 1 kann sie auch über montierte
Bänder
in der Flipchip-Technik fixiert und kontaktiert werden.
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In
der 3 ist ein seitlicher Schnitt durch eine weitere
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
dargestellt. Das Gehäuse 6 ist
hier zweiteilig ausgeführt,
in eine untere und eine obere Hälfte. Weiterhin
weisen diese beiden Hälften
jeweils Wände
auf, welche bereits im Stand der Technik bekannt sind und welche
dazu dienen, den Abschnitt mit der Sensoreinheit 1 von
dem restlichen – hier
nicht gezeigten – Elektronikbereich
zu trennen. Diese Wände bieten
hier einen zusätzlichen
Schutz, können
aber auch aufgrund der gezielten Zuführung durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung
entfallen.
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Hier
ist nur ein Zuführungskanal 3 mit
einer Abdichtung 7 auf der gegenüberliegenden Seite vorgesehen.
Somit wird das Medium nicht über
den zusätzlichen
Abführungskanal
abgeführt,
sondern dies geschieht über
den Zuführungskanal 3 selbst
oder das Medium verbleibt im Zuführungskanal 3.
Die dargestellte Abdichtung 7 befindet sich oberhalb der
Leiterplatte 4 und insbesondere oberhalb des Sensorelements 1.
Somit wirkt die Abdichtung 7 quasi als ein Deckel für den Zuführungskanal 3.
Die Querschnittsfläche
der Abdichtung 7 ist so gewählt, dass das Medium zwar seitlich
zu der Sensoreinheit 1 gelangen kann, aber nicht in das
Gehäuse 6 ausweicht.
Auch hier ist die Abdichtung 7 leicht über den Zuführungskanal 3 gestülpt und
dichtet ihn somit ab.
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Für die Ausgestaltung
gibt es mehrere Varianten:
Der Zuführungskanal 3 (entsprechendes
gilt für
den Abführungskanal)
ist ein Teil des Gehäuses
oder er ist ein Teil der Leiterplatte oder es handelt sich um ein zusätzliches
Einsteckteil, welches zwischen Gehäuse 6 und Leiterplatte 4 eingebracht
wird.
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- 1
- Sensoreinheit
- 2
- Aktive
Oberfläche
- 3
- Zuführungskanal
- 3.1
- Ende
des Zuführungskanals
- 4
- Leiterplatte
- 5
- Abführungskanal
- 6
- Gehäuse
- 6.1
- Innenraum
des Gehäuses
- 7
- Abdichtung