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Die vorliegende Erfindung betrifft einen hydraulischen Druckmittler und einen Druckmessaufnehmer mit einem Druckmittler.
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Druckmittler umfassen einen hydraulischen Pfad, welcher durch einen Kanal der sich von einer Druckquelle zu einer Drucksenke durch eine Festkörperanordnung erstreckt, gebildet wird, und der mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt ist. Die Druckquelle umfasst gewöhnlich eine Trennmembrankammer, die mit dem Kanal kommuniziert, und die gegenüber der Umgebung mit einer flexiblen Trennmembran verschlossen ist, wobei die Trennmembran mit einem zu übermittelnden Druck beaufschlagbar ist. Die Drucksenke umfasst gewöhnlich einen Drucksensor, welcher in einer Sensorkammer angeordnet ist, die mit dem Kanal kommuniziert.
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Die Übertragungscharakteristik des hydraulischen Pfads hängt von der Viskosität der Übertragungsflüssigkeit ab. Durch Auswahl geeigneter Füllflüssigkeiten mit hoher Viskosität, können beispielsweise in Kombination mit Verengungen des Kanalquerschnitts oder dem Einsatz von porösen Körpern im Kanal Dämpfungselemente realisiert werden, um beispielsweise Überlastschläge zu bedampfen. Hochviskose Übertragungsflüssigkeiten sind jedoch nur sehr langsam in den hydraulischen Pfad zu füllen.
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Um dem zu begegnen, offenbart die Offenlegungsschrift
DE 10 2004 033 813 A1 Druckmittler mit thixotropen Füllflüssigkeiten, die sich bei hinreichender Fließgeschwindigkeit, also etwa beim Befüllen, durch eine niedrige Viskosität auszeichnen, und im Messbetrieb, bei dem die Flüssigkeit praktisch still steht, wieder sehr zäh sind.
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Die verfügbaren thixotropen Flüssigkeiten sind jedoch nicht für alle Anwendungsfälle und Prozessmedien geeignet, da einerseits eine Temperaturabhängigkeit der thixotropen Eigenschaften gegeben ist und andererseits thixotrope Füllflüssigkeiten in bestimmten Prozessanlagen nicht akzeptiert werden.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung einen Druckmittler und einen damit ausgestatteten Druckmessaufnehmer bereitzustellen, der die Nachteile des Stands der Technik überwindet.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Druckmittler gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1, dem Druckmessaufnehmer gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 6 und das Verfahren zum Herstellen eines Druckmittlers gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 10.
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Der erfindungsgemäße Druckmittler umfasst:
einen hydraulischen Pfad, welcher durch einen Kanal, der sich von einer Druckquelle zu einer Drucksenke durch eine Festkörperanordnung erstreckt, gebildet wird,
wobei die Druckquelle eine Trennmembrankammer umfasst, die mit dem Kanal kommuniziert, und die mit einer flexiblen Trennmembran verschlossen ist, wobei die Trennmembran mit einem zu übermittelnden Druck beaufschlagbar ist,
wobei die Drucksenke eine geschlossene Senkenkammer umfasst, die mit Kanal kommuniziert,
wobei die Trennmembrankammer, der Kanal und die Senkenkammer mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt sind,
wobei die Übertragungsflüssigkeit erfindungsgemäß eine magnetisch veränderbare Viskosität aufweist, und wobei der Druckmittler weiterhin mindestens einen Magneten zur Beeinflussung der Viskosität der Übertragungsflüssigkeit in zumindest einem Abschnitt des hydraulischen Pfads aufweist.
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Die Senkenkammer kann beispielsweise eine Sensorkammer aufweisen, welche durch einen Verformungskörper eines Drucksensors verschlossen ist, oder eine zweite Trennmembrankammer, welche durch eine zweite flexible Trennmembran verschlossen ist.
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In einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung Weiterbildung der Erfindung umfasst der mindestens eine Magnet mindestens einen Permanentmagneten, dessen Feld auf die Füllflüssigkeit in einen Abschnitt des hydraulischen Pfades einwirkt, um die Viskosität der Füllflüssigkeit zu beeinflussen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der mindestens eine Permanentmagnet einen Magnetkörper, der außerhalb des Kanals angeordnet ist, und dessen Magnetfeld zumindest abschnittsweise das Lumen des Kanals durchsetzt.
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In einer anderen Weiterbildung der Erfindung umfasst der mindestens eine Permanentmagnet einen ferromagnetischen Körper, durch den zumindest ein Abschnitt des Kanals verläuft. Der ferromagnetische Körper kann insbesondere ein Kapillarrohr aufweisen.
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Hierzu kann beispielsweise ein Wandabschnitt der Kapillarleitung ein ferromagnetisches Material aufweisen, oder ein ferromagnetischer Füllkörper, durch welchen sich ein Durchgang für die Übertragungsflüssigkeit erstreckt, kann in eine mit dem Durchgang koaxiale Bohrung in einem Festkörper eingesetzt sein, durch welche der Kanal verläuft. Der Festkörper kann beispielsweise einen Edelstahl aufweisen.
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Grundsätzlich kann der mindestens eine Permanentmagnet auch einen Füllkörper umfassen, welcher in den Kanal eingesetzt ist, und welcher keinen Durchgang für die Übertragungsflüssigkeit aufweist. Der Füllkörper weist vorzugsweise eine Länge in der Übertragungsrichtung des Kanals auf die größer ist als die Wurzel aus der mittleren Querschnittsfläche des Kanals, wobei die Länge beispielsweise mehr als das 2-fache, insbesondere mehr als das 4-fache der Wurzel der mittleren Querschnittsfläche des Kanals am Ort des Füllkörpers beträgt
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In einer anderen Weiterbildung der Erfindung umfasst der mindestens eine Permanentmagnet eine Vielzahl von magnetisierten ferromagnetischen Partikeln, welche in der Füllflüssigkeit enthalten sind.
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In einer anderen Weiterbildung der Erfindung umfasst der mindestens eine Magnet mindestens einen Elektromagneten, dessen Magnetfeld zumindest abschnittsweise das Lumen des Kanals durchsetzt.
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In einer anderen Weiterbildung der Erfindung umfasst die Füllflüssigkeit eine Suspension von magnetischen und/oder magnetisierbaren Partikeln.
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Die magnetischen oder magnetisierbaren Partikel können beispielsweise ferromagnetische oder paramagnetische Partikel sein.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weisen die Partikel Eisen oder Magnetit auf.
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In einer anderen Weiterbildung der Erfindung weisen die magnetischen und/oder magnetisierbaren Partikel eine elektrisch nicht leitende Oberfläche, beispielsweise in Form einer Beschichtung auf.
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Der erfindungsgemäße Druckmessaufnehmer umfasst einen erfindungsgemäßen Druckmittler und einen Drucksensor, welcher einen Verformungskörper aufweist, der mit einem über den hydraulischen Pfad in die Senkenkammer eingeleiteten Druck beaufschlagbar ist, wobei der Drucksensor einen Wandler umfasst um eine druckabhängige Verformung des Verformungskörpers in ein optisches oder elektrisches Signal zu wandeln.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Druckmittlers umfasst:
Bereitstellen einer Festkörperanordnung, mit einem hydraulischen Pfad, welcher eine Trennmembrankammer, einen Kanal und eine Drucksenkenkammer umfasst, wobei sich der Kanal von der Trennmembrankammer zur Drucksenkenkammer erstreckt, und Befüllen des hydraulischen Pfades mit einer Übertragungsflüssigkeit, welche eine magnetisch veränderbare Viskosität aufweist, wobei die Füllflüssigkeit zumindest nach dem Befüllen zumindest in einem Abschnitt des hydraulischen Pfades magnetisiert wird oder mittels eines Magneten einem Magnetfeld ausgesetzt wird.
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Die Magnetisierung mit Elektromagneten ermöglicht zudem eine variable Magnetisierung und damit einhergehend eine variable Einstellung der Viskosität der Übertragungsflüssigkeit.
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Ein Druckmessaufnehmer oder Druckmittler mit einer magnetorheologischen Übertragungsflüssigkeit, also einer Übertragungsflüssigkeit mit einer magnetfeldabhängigen Viskosität ermöglicht zudem eine Diagnose der Druckübertragung. Beispielsweise können die Wirkdruckleitungen bei Durchflussmessungen nach dem Differenzdruckprinzip verstopfen, was mit einer stetigen Zunahme der Bedämpfung des (Differenz-)Drucksignals einhergeht. Einerseits kann das Drucksignal bzw. Differenzdrucksignal selbst einer Frequenzanalyse unterzogen werden, um die zunehmende Verstopfung zu detektieren. Dies ist bekannt, erfordert aber einen gewissen analytischen Aufwand.
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Der erfindungsgemäße Druckmittler bzw. Druckmessaufnehmer ermöglicht nun bei Ausgestaltungen mit variabler Viskositätseinstellung, experimentell zu ermitteln welche Veränderung der Viskosität überhaupt noch eine Auswirkung auf das Spektrum bzw. ausgewählte Frequenzen des Druck bzw. Differenzdrucksignals haben. Auf diese Weise kann der Verstopfungsgrad der Wirkdruckleitungen bestimmt werden.
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Zur Realisierung einer Drossel kann, wie weiter oben eingehend erörtert, mit einem konstanten Magnetfeld die Viskosität der Übertragungsflüssigkeit erhöht werden.
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Andererseits kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung mit einem magnetischen Wechselfeld die Viskosität der Übertragungsflüssigkeit herabgesetzt werden sei es durch eine unmittelbare Agitation aufgrund des Wechselfelds oder eine daraus folgende lokale Erwärmung. Eine Übertragungsflüssigkeit mit herabgesetzter Viskosität ist geeigneter, durch enge Kapillarleitungen zu fließen und eine Kammer, mit Strömungshindernissen schnell auszufüllen. Insoweit kann das Anlegen eines Wechselfelds durch Beschaltung eines Elektromagneten beim Befüllen des Druckmittlers vorteilhaft sein.
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Schließlich ist noch ein weiterer vorteilhafter Gesichtspunkt der Erfindung zu nennen, welcher die Hochtemperaturstabilität der erfindungsgemäßen Druckmittler begünstigt. Durch die magnetische Ordnung der Füllflüssigkeit im konstanten Magnetfeld über die magnetischen oder magnetisierten Patrikel und ggf. über die Ausrichtung magnetischer Momente der Moleküle Matrix der Flüssigkeit selbst wird die effektive Verdampfungswärme der Moleküle erhöht, was zu einer Absenkung des Dampfdrucks führt.
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Die Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert, es zeigt:
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1: einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckmittlers;
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2: einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmers; und
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3: einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmers.
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Der in 1 dargestellte Druckmittler 1 umfasst einen ersten im wesentlichen zylindrischen Trennmembranträgerkörper 10, an dessen Stirnseite eine erste Trennmembrankammer 11 durch Verbinden einer ersten Trennmembran 12 mit der Stirnseite entlang einer umlaufenden Schweißnaht gebildet ist.
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Die Trennmembrankammer kommuniziert über einen Kanal 14, der durch eine Kapillarleitung gebildet ist, mit einem zweiten im wesentlichen zylindrischen Trennmembranträgerkörper 20, an dessen Stirnfläche eine zweite Trennmembrankammer 21 durch Verbinden einer zweiten Trennmembran 22 mit der Stirnseite entlang einer umlaufenden Schweißnaht gebildet ist. Die erste Trennmembran 12 ist mit einem zu übermittelnden Mediendruck beaufschlagbar, welcher durch die erste Trennmembran in die erste Trennmembrankammer 11 eingeleitet wird von wo er mittels einer Übertragungsflüssigkeit zur zweiten Trennmembrankammer 21 übertragen wird, und an der zweiten Trennmembran 22 abgegriffen werden kann.
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Die Übertragungsflüssigkeit weist eine magnetisch veränderbare Viskosität auf. Hierzu kann die Übertragungsflüssigkeit beispielsweise eine Suspension aus magnetischen oder magnetisierbaren Partikeln enthalten, die, sofern sie elektrisch leitfähig sind, ggf. mit einem elektrischen Isolator beschichtet sein können, um elektrische Kurzschlüsse durch die Partikel zu vermeiden. Dies ist jedoch für Druckmittler nur in dem Maße erforderlich, wie der hydraulische Pfad durch Oberflächenabschnitte begrenzt ist, oder Oberflächenabschnitte umschießt, die auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen liegen. Bei den meisten Druckmittleranwendungen ist dies nicht der Fall.
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Die Übertragungsflüssigkeit wird vorzugsweise ohne Anliegen des Magnetfelds in den hyraulischen Pfad gefüllt. Dies ermöglicht, dass die Flüssigkeit im Zustand niedriger Viskosität enge Strömungsquerschnitte des hydraulischen Pfads leicht durchfließen und das gesamte Volumen des hydraulischen Pfads zuverlässig befüllen kann.
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Durch Einstellen einer zumindest lokalen Ordnung mittels eines Magnetfelds kann die Zähigkeit der Füllflüssigkeit erhöht werden, wodurch eine wirksame Drossel gegen Überlastschläge gebildet wird.
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Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel wird dazu eine Magnetisierungsanordnung 30 verwendet, welche einen Permanentmagneten 31 umfasst, dessen Feld mittels Polschuhen 32, 34, und Jochen 36, 38 senkrecht zur Längsachse des Kanals 14 dem Kanal aufgeprägt wird, um eine Ausrichtung der Metallpartikel zu erzielen, wodurch die effektive Zähigkeit der Übertragungsflüssigkeit im Bereich des Magnetfelds erheblich ansteigt.
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Selbstverständlich kann mit einem Permanentmagneten und einem Joch zur Feldführung dem Kanal auch ein Magnetfeld aufgeprägt werden, welches parallel zum Kanal verläuft.
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Der in 2 dargestellte Druckmessaufnehmer 101 umfasst einen im wesentlichen zylindrischen Trennmembranträgerkörper 110, an dessen Stirnseite eine Trennmembrankammer 111 durch Verbinden einer Trennmembran 112 mit der Stirnseite entlang einer umlaufenden Schweißnaht gebildet ist.
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Die Trennmembrankammer kommuniziert über einen Kanal 114, der durch eine Kapillarleitung gebildet ist, mit einem zweiten im wesentlichen zylindrischen Sensorkammerkörper 120, in dessen Innerem eine Sensorkammer 121 gebildet ist, welche einen Halbleiterdrucksensor 122 enthält. Eine Messmembran des Halbleiterdrucksensors 122 ist von ihrer Frontseite, die dem durch den Kanal und die erste Trennmembran gebildeten hydraulischen Pfad zugewandt ist, mittels einer Übertragungsflüssigkeit, mit welcher der hydraulische Pfad befüllt ist, mit einem an der ersten Trennmembran 112 anstehenden Mediendruck beaufschlagbar, wobei die Rückseite der Messmembran mit Atmosphärendruck beaufschlagbar ist.
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Die Übertragungsflüssigkeit weist eine magnetisch veränderbare Viskosität auf. Hierzu kann die Übertragungsflüssigkeit beispielsweise eine Suspension aus Metallpartikeln enthalten, die mit einem elektrischen Isolator beschichtet sind, um elektrische Kurzschlüsse durch die Metallpartikel zu vermeiden. Die Beschichtungen können beispielsweise Glas, Keramik oder Kunststoffe umfassen.
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Die Befüllung des hydraulischen Pfads erfolgt im niederviskosen Zustand der Übertragungsflüssigkeit, also ohne Anliegen eines elektrischen Feldes.
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Der Druckmessaufnehmer 101 umfasst eine Magnetanordnung 130, welche in diesem Ausführungsbeispiel einen Elektromagneten, welcher durch eine Spule 131 und ein Joch 132 gebildet wird, wobei die Spulenachse und die Achse des Jochs im wesentlichen mit der Achse des Kanals 114 fluchten. Der Kanal 114 kann in einem Abschnitt 118, der von der Magnetanordnung umgeben ist, abweichend von dem gewöhnlich zum Einsatz kommenden Edelstahl einerseits einen ferromagnetischen Werkstoff mit großer Remanenz und/oder Koerzitivkraft oder andererseits Glas aufweisen.
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Die Variante mit dem Ferromagnetischen Werkstoff ermöglicht eine permanente Magnetisierung des Kanalabschnitts, so dass die aufgrund einer Magnetisierung erhöhte Viskosität auch ohne Betreiben des Spulenstroms erhalten bleibt. Dies ist bei der begrenzten Verfügbarkeit an elektrischer Energie vorteilhaft. Zum Zwecke der Verringerung der Magnetisierung, beispielsweise im Sinne einer verbesserten Übertragungsdynamik oder zu Diagnosezwecken, kann dann durch Anlegen eines der Magnetisierung entgegen gesetzten Feldes bei Bedarf erfolgen.
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Sofern der Kanalabschnitt 118 aus einem nicht magnetischen Werkstoff, wie Glas besteht, wirkt das Magnetfeld der Spule 131 unmittelbar auf die metallischen Partikel in der Suspension ein, welche insoweit den. Kern der Spule bilden. Bei hinreichend magnetisierbaren Partikeln kann auch gelegentliches Anlegen eines Feldes ein gewisser Ordnungsgrad und damit eine erhöhte Viskosität eingestellt werden. Je nach Gegebenheiten der Einsatzbedingungen des Druckmessaufnehmers hinsichtlich Temperatur und Vibrationen kann die Zeitspanne schwanken, nach der eine erneute Magnetisierung erforderlich ist. Gegebenenfalls, kann es erforderlich sein, das externe Magnetfeld permanent anzulegen.
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3 zeigt einen Druckmessaufnehmer gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei hier ein Abschnitt des hydraulischen Pfades einen Permanentmagneten aufweist. Der Druckmessaufnehmer 201 umfasst einen im wesentlichen zylindrischen Trennmembranträgerkörper 210, an dessen Stirnseite eine Trennmembrankammer 211 durch Verbinden einer Trennmembran 212 mit der Stirnseite entlang einer umlaufenden Schweißnaht gebildet ist.
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Die Trennmembrankammer kommuniziert über einen Kanal 214, der durch eine Kapillarleitung gebildet ist, mit einem zweiten im wesentlichen zylindrischen Sensorkammerkörper 220, in dessen Innerem eine Sensorkammer 221 gebildet ist, welche einen Halbleiterdrucksensor 222 enthält. Eine Messmembran des Halbleiterdrucksensors 222 ist von ihrer Frontseite, die dem durch den Kanal und die erste Trennmembran gebildeten hydraulischen Pfad zugewandt ist, mittels einer Übertragungsflüssigkeit, mit welcher der hydraulische Pfad befüllt ist, mit einem an der ersten Trennmembran 212 anstehenden Mediendruck beaufschlagbar, wobei die Rückseite der Messmembran mit Atmosphärendruck beaufschlagbar ist.
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Die Übertragungsflüssigkeit weist eine magnetisch veränderbare Viskosität auf. Hierzu kann die Übertragungsflüssigkeit beispielsweise eine Suspension aus Metallpartikeln enthalten, die mit einem elektrischen Isolator beschichtet sind, um elektrische Kurzschlüsse durch die Metallpartikel zu vermeiden. Die Beschichtungen können beispielsweise Glas, Keramik oder Kunststoffe umfassen.
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Die Befüllung des hydraulischen Pfads erfolgt im niederviskosen Zustand der Übertragungsflüssigkeit, also ohne Anliegen eines elektrischen Feldes.
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Der Druckmessaufnehmer 201 umfasst einen permanent magnetisierten ferromagnetischen Abschnitt 218 der Kapillarleitung des Kanals 214, in dem die Übertragungsflüssigkeit aufgrund der lokalen Ordnung eine erhöhte Zähigkeit aufweist.
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Zur Magnetisierung des Abschnitts 218 der Kapillarleitung wird nach dem Befüllen temporär eine Magnetanordnung 230 um den Abschnitt 218 angeordnet, welche beispielsweise zwei Halbschalen mit jeweils einer Spule 232, 234 und einem Joch 236, 238 aufweist. Nach Magnetisieren des Kanalabschnitts 218, wird die Magnetanordnung 230 wieder entfernt.
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Sämtliche Ausführungsbeispiele dienen lediglich zur Illustration der Erfindung und sind beliebig variierbar hinsichtlich des Ortes der Magnetisierung, der räumlichen Ausdehnung des magnetisierten Bereichs, der Ausrichtung das Magnetfelds (bezogen auf den Kanal axial oder transversal) und der Art der Magnetisierungsquelle (externer Permanentmagnet, Kanal als Permanentmagnet, oder Spulenanordnung).
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Beispiele für geeignete Übertragungsflüssigkeiten sind gegeben in den Offenlegungsschriften
DE 39 04 757 A1 und
EP 0 328 498 A2 sowie den Patentschriften
DE 69 321 247 T2 und
DE 101 93 378 T5 sowie in den darin genannten Referenzen. Eine weitere Übersicht zu geeigneten Überragungsflüssigkeiten ist gegeben in dem Artikel
„Experimente mit magnetischen Flüssigkeiten" von Mahr und Rehberg, welcher am 8. Januar 1997 als Elsevier Preprint veröffentlicht wurde.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004033813 A1 [0004]
- DE 3904757 A1 [0054]
- EP 0328498 A2 [0054]
- DE 69321247 T2 [0054]
- DE 10193378 T5 [0054]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Experimente mit magnetischen Flüssigkeiten” von Mahr und Rehberg, welcher am 8. Januar 1997 als Elsevier Preprint [0054]
