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GEBIET DER TECHNOLOGIE
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Die vorliegende Offenbarung betrifft das Gebiet von Automobilsensoren und insbesondere das Gebiet von integrierten Druck- und Temperatursensoren.
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HINTERGRUND
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In bestimmten mechanischen Systemen ist es wünschenswert, die Temperatur eines Fluids genau und schnell zu erfassen und gleichzeitig einen Druck des Fluids an dem gleichen Ort zu erfassen. Beispielsweise ist es in bestimmten Benzinmotoren mit Kraftstoffeinspritzung wünschenswert, Temperatur und Druck des Kraftstoffs an bestimmten Orten innerhalb eines oder mehrerer Kraftstoffeinspritzpfade schnell zu messen.
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Herkömmlicherweise umfassen Temperatursensoren einen Thermistor, um eine Temperatur eines Fluids zu messen. In vielen mechanischen Systemen, wie beispielsweise Benzinmotoren, umfassen herkömmliche Drucksensoren im Allgemeinen ein Druckerfassungselement vom Membranentyp oder ein piezoelektrisches Druckerfassungselement. Temperatur- und Druckerfassungselemente sind im Allgemeinen innerhalb eines schützenden Sensorgehäuses zum Schutz vor Umgebungskräften und korrodierenden Wirkungen der zu messenden Medien eingeschlossen.
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Thermistoren und Drucksensoren sind im Allgemeinen innerhalb Standardsensorgehäusen eingeschlossen, die zum Einschrauben in standardmäßig dimensionierten Anbringungslöchern angepasst sind. Temperatur- und Drucksensoren, die in der Automobilindustrie verwendet werden, umfassen typischerweise Standardverbinder-Konfigurationen zum Paaren mit automobilen Standardverbindern.
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Kombinierte Temperatur- und Druckabfühlvorrichtungen können einen Temperatursensor, wie beispielsweise einen Thermistor und einen Drucksensor, wie beispielsweise ein piezoelektrisches Druckabfühlelement, innerhalb eines gemeinsam genutzten Sensorgehäuses umfassen.
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Das schützende Gehäuse eines Sensors, in dem ein Temperatur- und/oder Druckabfühlelement enthalten ist, kann die Genauigkeit und Antwortzeit des Sensors nachteilig beeinflussen. Beispielsweise erzeugen schützende Wände eines Sensors um ein Thermoelement eine thermische Barriere zwischen dem Thermoelement und den zu messenden Fluidmedien. Die thermische Barriere verzögert im Wesentlichen die Antwortzeit des Thermoelements. Außerdem sind in einem kombinierten Temperatur- und Drucksensor das Temperaturerfassungselement und das Druckerfassungselement notwendigerweise um einigen Abstand voneinander versetzt. Große Versetzungen zwischen einem Temperaturerfassungselement und einem Druckerfassungselement hindern den Sensor daran, eine Temperatur und Sensor an dem gleichen Ort zu messen, wie in vielen Anwendungen erwünscht. In bestimmten Anwendungen kann ein im Wesentlichen außermittiger Sensor außerdem nachteilig sein, weil ein außermittiges Sensorelement an einem unterschiedlichen Ort beispielsweise abhängig davon eingesetzt werden könnte, wie fest der Sensorkörper in ein Anbringungsloch eingeschraubt ist.
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Zuvor bekannte kombinierte Temperatur- und Drucksensoren haben verschiedene Sensoröffnungsgeometrien eingearbeitet, um eine Antwortzeit zu verbessern und eine Verschiebung zwischen Druck- und Temperaturerfassungselementen zu verringern, während ein im Wesentlichen zentrierter Ort von Druck- und Temperatursensoren beibehalten wird.
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Beispielsweise beschreibt das
U.S. Patent Nr. 8,038,345 an Stoll et al. mit dem Titel „Sensor Plug for Combined Pressure and Temperature Measurement“ einen Sensorstecker für Temperatur- und Druckmessung, in dem ein Temperatursensor und ein Drucksensor im Wesentlichen konzentrisch auf der Sensorkörperachse angeordnet sind. Um sowohl den Temperatursensor als auch den Drucksensor auf der Sensorkörperachse zu lokalisieren, weist die Temperaturerfassungselementmündung eine Achse auf, die mit Bezug auf die Sensorkörperachse geneigt ist. Eine schmale Druckerfassungsmündung erstreckt sich parallel zu der Temperaturerfassungsmündung. Der geneigte Ort der Temperaturerfassungselementmündung führt jedoch zu einem begrenzten Oberflächenbereich für einen thermischen Austausch zwischen den Fluidmedien und dem Temperatursensor, der hauptsächlich innerhalb des Sensorkörpers eingebettet ist. Dies behindert den thermischen Transfer zwischen einem zu messenden Fluidmedium und dem Temperatursensor und führt dadurch zu einer relativ langsamen Temperaturantwort.
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Das
U.S. Patent Nr. 7,434,470 an Engelhardt et al. mit dem Titel „Combined Pressure and Temperature Sensor“ beschreibt einen kombinierten Druck- und Temperatursensor, in dem ein Drucksensor zentral angeordnet ist und ein Temperatursensor in einem Abdeckungsvorsprung eingeschlossen ist, der wesentlich von der Mittelachse versetzt ist. Der Versatzort des Temperatursensors schränkt den Zugang von Fluidmedien zum Temperatursensor ein. Dies führt zu einem begrenzten Oberflächenbereich für einen thermischen Austausch zwischen den Fluidmedien und dem Temperatursensor, der hauptsächlich innerhalb des Sensorkörpers eingebettet ist, was den thermischen Transfer zwischen den zu messenden Fluidmedien und dem Temperatursensor behindert, woraus sich eine relativ langsame Temperaturantwort ergibt.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine kombinierte Temperatur- und Druckerfassungsvorrichtung eine MEMS-basierte Druckmesseinrichtung und eine Thermistor-basierte Temperaturmesseinrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse. Die kombinierte Druck- und Temperaturerfassungsvorrichtung umfasst eine Sensoranschlussgeometrie, die eine vergrößerte Kontaktfläche zwischen einem zu messenden Fluidmedium und einem Thermistorhohlraum des Sensoranschlusses bereitstellt. Die vergrößerte Kontaktfläche sorgt für eine verbesserte Antwortzeit und Genauigkeit im Vergleich mit zuvor bekannten integrierten Druck-Temperatursensoren.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die begleitenden Zeichnungen, die in dieser Spezifikation aufgenommen sind und einen Teil derselben bilden, veranschaulichen eine oder mehrere hier beschriebener Ausführungsformen und erläutern zusammen mit der Beschreibung diese Ausführungsformen. In den Zeichnungen:
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1A–1D veranschaulichen eine Beispielausführungsform einer kombinierten Temperatur- und Druckerfassungsvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung.
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2A–2B veranschaulichen eine Beispielausführungsform eines Sensoranschlusses einer kombinierten Temperatur- und Druckerfassungsvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung.
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3 veranschaulicht eine Beispielausführungsform eines Temperaturerfassungselementträgers einer kombinierten Temperatur- und Druckerfassungsvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung.
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4 veranschaulicht eine graphische Darstellung der Antwortzeit für Abtastungen einer Temperatur- und Druckerfassungsvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung verglichen mit einer Antwortzeitdarstellung für Abtastungen einer zuvor bekannten Temperatur- und Druckerfassungsvorrichtung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Aspekte der vorliegenden Offenbarung umfassen eine kombinierte Temperatur- und Druckerfassungsvorrichtung, die eine Sensoranschlussgeometrie aufweist, die die Exposition eines Temperatursensorelements gegenüber einem Volumen eines zu messenden Fluidmediums wesentlich erhöht, während ein im Wesentlichen zentrierter Ort des Temperatursensorelements und eines Drucksensorelements innerhalb Abmessungsbeschränkungen eines automobilen Standardsensorgehäuses beibehalten wird. Die offenbarte Temperatur- und Druckerfassungsvorrichtung verbessert Antwortzeit und Genauigkeit von Temperatur- und Druckmessungen in mechanischen Systemen, wie beispielsweise automobilen Kraftstoffsystemanwendungen. Aspekte der modularen Bauweise der kombinierten Temperatur- und Druckerfassungsvorrichtung werden offenbart, die automatisierte Montagetechniken hohen Volumens erleichtern.
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1A–1D veranschaulichen eine Beispielausführungsform einer kombinierten Temperatur- und Druckerfassungsvorrichtung 100 gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung. Die kombinierte Temperatur- und Druckerfassungsvorrichtung 100 umfasst einen zylindrischen Unterbringungsabschnitt 102, in dem eine Mittelachse des zylindrischen Unterbringungsabschnitts 102 eine Mittelachse 104 der kombinierte Temperatur- und Druckerfassungsvorrichtung 100 definiert. Der Unterbringungsabschnitt 102 umschließt und trägt eine gedruckte Leiterplatte 106. Ein Verbinderaufnahmeabschnitt 108 erstreckt sich von einem proximalen Ende des Unterbringungsabschnitts 102. Verbinderanschlüsse 110 erstrecken sich von durch die Verbinderaufnahme in Richtung der gedruckten Leiterplatte 106. In der veranschaulichenden Ausführungsform koppeln Verbinderfedern 107 die Verbinderanschlüsse 110 elektrisch mit leitfähigen Kontaktfahnen auf einer proximalen Seite der gedruckten Leiterplatte 106. Leitfähige Pfade auf der gedruckten Leiterplatte 106 stellen eine elektrische Kopplung von den Verbinderanschlüssen 110 zu einem Temperaturerfassungselement 109 und zu einem Druckerfassungselement 111 bereit.
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Das Temperaturerfassungselement 109 kann beispielsweise ein Thermistor sein. In einer veranschaulichenden Ausführungsform, ist das Temperaturerfassungselement 109 eine NTC-Thermistor (NTC = negative temperature coefficient). In einer veranschaulichenden Ausführungsform kombiniert die kombinierte Temperatur- und Druckerfassungsvorrichtung 100 ein MEMS-Drucksensorelement (MEMS = micro electromechanical system) und einen NTC-Thermistor in einem einzigen „hex 24“ Sensorgehäuses.
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Ein Sensoranschluss 114 erstreckt sich distal von einer distalen Oberfläche des Unterbringungsabschnitts 102. Ein proximaler Abschnitt des Sensoranschlusses 114 erstreckt sich durch eine distale Apertur des Unterbringungsabschnitts 102. Der Sensoranschluss 114 ist mit einer distalen Oberfläche des Unterbringungsabschnitts 102 gekoppelt und gegen diese abgedichtet. Der Sensoranschluss 114 kann eine umlaufende O-Ringnut zum Lokalisieren eines externen O-Rings 115 umfassen.
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Ein Temperatursensorträger 112 ist teilweise innerhalb des Unterbringungsabschnitts 102 zwischen der gedruckten Leiterplatte 106 und dem Sensoranschluss lokalisiert. Der Temperatursensorträger 112 steht durch die distale Apertur des Unterbringungsabschnitts 102 hervor und erstreckt sich in den Sensoranschluss 114.
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Eine Drucksensorträgereinheit 113 sitzt auf dem proximalen Abschnitt des Sensoranschlusses 114. Ein Druckerfassungselement 116 sitzt zwischen einem proximalen Abschnitt der Drucksensorträgereinheit 113 und der gedruckten Leiterplatte 106. In einer veranschaulichenden Ausführungsform kann eine hermetische Dichtung um das Druckerfassungselement und einer Druckerfassungsmündung des Sensoranschlusses 114 gebildet werden.
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In einer veranschaulichenden Ausführungsform kann das Druckerfassungselement einen MEMS-Drucksensor umfassen. Es sei zu verstehen, dass alternative Ausführungsformen der offenbarten kombinierten Temperatur- und Druckerfassungsvorrichtung unterschiedlichen Typen von Drucksensorelemente umfassen können und nicht notwendigerweise einen MEMS-Drucksensor umfassen.
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Gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst der Sensoranschluss einen Hohlraum, der geformt ist, um einem Anwendungsmedium einen maximalen Kontakt (Fläche oder Volumen) bereitzustellen. Die maximale Kontaktfläche oder Volumen ermöglicht eine schnellere und genauere Temperaturerfassung.
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In einer veranschaulichenden Ausführungsform umfasst die kombinierte Temperatur- und Druckerfassungsvorrichtung Standardaußenabschnitte, wie beispielsweise einen Gewindeanbringungsschnittstellenabschnitt und einen Verbinderaufnahmeabschnitt, die mit üblichen automobilen Anwendungen und Fertigungsmitteln kompatibel sind.
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1C ist eine dreidimensionale Schnittansicht der kombinierten Temperatur- und Druckerfassungsvorrichtung 100. 1D ist eine dreidimensionale explodierte Ansicht, welche die Komponenten und Abschnitten der Temperatur- und Druckerfassungsvorrichtung 100 zeigt.
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In der offenbarten kombinierten Temperatur- und Druckerfassungsvorrichtung stellt die Geometrie des Sensoranschlusses 115 wesentliche Vorteile bereit, einschließlich wesentlich verringerter Temperatursensorantwortzeit verglichen mit zuvor bekannten Sensorvorrichtungen. In einer veranschaulichenden Ausführungsform stellt die offenbarte Sensoranschlussgeometrie einen Temperatursensor-Oberflächenbereich bereit, der etwa elf Mal größer als der von zuvor bekannten Sensoren ist, und umschließt ein Medienvolumen, das etwa sechs Mal größer als das von zuvor bekannten Sensoren ist. Die offenbarte Sensorvorrichtung sorgt für genauere Messungen von Temperatur und Druck, die beispielsweise einen verbesserten Kraftstoffwirkungsgrad und eine verbesserte Emissionssteuerung in automobilen Anwendungen ermöglichen.
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Bezugnehmend auf 2A–2B erstreckt sich ein erster Hohlraum 202 des Sensoranschlusses 114 durch einen zylindrischen Körperabschnitt 204 des Sensoranschlusses 114 benachbart der Mittelachse 104 der kombinierten Temperatur- und Druckerfassungsvorrichtung 100. Der erste Hohlraum 202 umfasst eine von der Mittelachse 104 versetzte röhrenförmige Mündung 205. Die röhrenförmige Mündung 204 erstreckt sich von einem offenen proximalen Ende der röhrenförmigen Mündung 205 zu einem umschlossenen distalen Ende der röhrenförmigen Mündung 205. Die röhrenförmige Mündung 205 definiert ein außermittiges Rohr, welches das Temperaturerfassungselement unterbringt und es vor der Umgebung schützt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst die kombinierte Temperatur- und Druckerfassungsvorrichtung 100 einen Flügel 214, der sich distal von dem zylindrischen Körperabschnitt 204 der Sensoröffnung 114 erstreckt. Der Flügel 214 umfasst das umschlossenen distale Ende der Rohrmündung 205.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst der Sensoranschluss 104 außerdem einen zweiten Hohlraum 206, der sich durch den zylindrischen Körperabschnitt 204 von einem offenen distalen Ende des zweiten Hohlraums 206 zu einem proximalen Durchgangsloch 208 in dem zylindrischen Körperabschnitt 204 erstreckt, von der Mittelachse 104 versetzt. Der zweite Hohlraum 206 definiert eine zweite Mündung 210, die sich von dem offenen distalen Ende des zweiten Hohlraums 206 in Richtung des proximalen Durchgangslochs 208 erstreckt und die Rohrmündung 205 teilweise umgibt. Eine halbkreisförmige Wand 212 definiert eine Grenze zwischen der Rohrmündung 205 und der halbkreisförmigen Mündung 210. Das außermittige Durchgangsloch 208 führt zu messende Fluidmedien in Richtung des Druckerfassungselements, das an dem proximalen Ende des Durchgangslochs 208 lokalisiert ist.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umgibt die zweite Mündung 210 teilweise die rohrförmige Mündung 205. Dies vergrößert die Kontaktfläche zwischen einem zu messenden Fluidmedium und der rohrförmigen Mündung 205, die das Temperaturerfassungselement unterbringt, und verbessert dadurch die Temperaturmess-Antwortzeit und die Genauigkeit der offenbarten Sensorvorrichtung. In einer Beispielausführungsform kann die zweite Mündung 210 beispielsweise halbkreisförmig sein und einen halbmondförmigen Querschnitt aufweisen. Die zweite Mündung 210 kann sich in Richtung des Durchgangslochs 208 verjüngen.
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Der halbkreisförmige und/oder halbmondförmige Querschnitt der zweiten Mündung 210 ermöglicht den zu messenden Fluidmedien, einen großen Abschnitt des Temperaturerfassungsrohrs / Mündung teilweise zu umgeben. Dies vergrößert die Kontaktfläche und thermische Grenzfläche zwischen den zu messenden Medien und dem Temperatursensor deutlich, während eine begrenzte und/oder standardmäßige externe Abmessung des Sensorgehäuses beibehalten wird.
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In veranschaulichenden Ausführungsformen kann der Sensoranschluss 114 beispielsweise eine mit einem Gewinde versehene externe Oberfläche 216, wie in 1A–2B gezeigt, zum Anbringen des Sensors an einer Wand eines Fluidpfads umfassen. Es versteht sich, dass verschiedene alternative Ausführungsformen der offenbarten kombinierten Temperatur- und Druckerfassungsvorrichtung einen Sensoranschluss 114 umfassen können, der eine Außenoberfläche aufweist, die nicht mit einem Gewinde versehen ist.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann der Sensoranschluss 114 unter Verwendung von Metallspritzgusstechniken aufgebaut werden, in dem eine mit einem Gewinde versehene externe Oberfläche des Sensoranschlusses durch einen anschließenden maschinellen Bearbeitungsprozess gebildet werden kann. Geeignete Materialien für den Sensoranschluss umfassen 17-4 rostfreien Stahl.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst die kombinierte Temperatur- und Druckerfassungsvorrichtung einen Temperatursensorträger 112. Der Temperatursensorträger 112 ist konfiguriert, um Flexibilität von Herstellungsprozessen zu ermöglichen. Der Temperatursensorträger 112 wird in das offene proximale Ende der rohrförmigen Mündung 205 eingebaut. Bezugnehmend auf 3 umfasst der Temperatursensorträger 112 eine leitfähige proximale Oberfläche 302 und ein Temperaturerfassungselement 109, das mit der leitfähigen proximalen Oberfläche 302 elektrisch gekoppelt ist. Die leitfähige proximale Oberfläche 302 kann beispielsweise eine drahtbondbare Oberfläche zum Drahtbonden mit einer leitfähigen Kontaktfahne auf der gedruckten Leiterplatte 106 sein. Materialien, die für die drahtbondbare Oberfläche geeignet sind, umfassen beispielsweise Aluminium und Gold.
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In einer veranschaulichenden Ausführungsform ist die leitfähige proximale Oberfläche 302 auf einem leitfähigen Element ausgebildet, das sich durch einen geformten Abschnitt 305 des Temperatursensorträgers 112 erstreckt. Der Temperatursensorträger 112 umfasst ein Paar der leitfähigen Elemente zum Koppeln mit entsprechenden Anschlüssen 307 des Temperaturerfassungselements 109. Die leitfähigen Elemente können beispielsweise in dem geformten Abschnitt 305 einsatzgeformt sein.
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Ein distaler Abschnitt von jeder der leitfähigen Elemente umfasst eine widerstandsschweißbare Oberfläche 304. Die widerstandsschweißbare Oberfläche 304 von jeder der leitfähige Elemente ist von dem geformten Abschnitt 305 in einem entsprechenden Schweißfenster 303 freigelegt. Ein Schlitz 306 in dem geformten Abschnitt 305 erstreckt sich distal von jedem der Schweißfenster 303. Die Schlitze 306 sind zum Lokalisieren eines entsprechenden Anschlusses 307 des Temperaturerfassungselements 109 konfiguriert. Die Anschlüsse 307 des Temperaturerfassungselements 109 werden mit den widerstandsschweißbare Oberflächen 304 der leitfähigen Elemente widerstandsverschweißt. Für die widerstandsschweißbare Oberfläche geeignete Materialien umfassen beispielsweise Bronze, Zinn und Gold.
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Nachdem die Anschlüsse mit der widerstandsschweißbaren Oberfläche verschweißt sind, wird das Temperaturerfassungselement in dem umschlossenen distalen Ende der röhrenförmigen Mündung eingebaut.
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4 zeigt eine graphische Darstellung der Antwortzeit 402 einer zuvor bekannten Temperatur- und Druckerfassungsvorrichtung verglichen mit einer graphischen Antwortzeitdarstellung 404 einer kombinierten Temperatur- und Druckerfassungsvorrichtung, welche die hier offenbarten Aspekte umfasst. Die graphischen Antwortzeitdarstellungen 402, 404 wurden durch Baden mehrerer Abtastungen von jeder Vorrichtung in einem Fluidmedium bei 0°C erzeugt, bis jede Vorrichtung thermisches Gleichgewicht erreichte, wobei dann jede Vorrichtung direkt in ein Silikonölbad bei 100°C platziert wurde. Die durchschnittliche Zeit für die Abtastungen von zuvor bekannten Vorrichtungen, um eine Temperatur von 63°C zu erreichen, nachdem sie in das Silikonölbad getaucht wurden, betrug 12,02 Sekunden. Die durchschnittliche Zeit für die Abtastungen von gegenwärtig offenbarten Temperatur- und Sensorvorrichtungen, um 63°C zu erreichen, nachdem sie in das Silikonölbad getaucht wurden, betrug 6,81 Sekunden.
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Die vorhergehende Beschreibung von Ausführungsformen ist dazu bestimmt, Veranschaulichungen und Beschreibungen bereitzustellen, ist aber nicht dazu bestimmt, erschöpfend zu sein oder die Erfindung auf die beschriebene genaue Form zu beschränken. Modifikationen und Variationen sind im Lichte der obigen Lehren möglich und können beim Praktizieren der Erfindung erhalten werden.
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Kein hier verwendetes Element, Handlung oder Anweisung soll als kritisch oder wesentlich für die Erfindung ausgelegt werden, sofern nicht explizit als solches beschrieben. Ebenso ist, wenn hier verwendet, der Artikel „ein” dazu vorgesehen, ein oder mehr Elemente zu umfassen. Wo lediglich ein Element vorgesehen ist, wird der Begriff „ein” oder eine ähnliche Sprachformulierung verwendet. Die Formulierung „basierend auf” ist ferner dazu vorgesehen, „basierend wenigstens teilweise auf” zu meinen, sofern nicht ausdrücklich anders angemerkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 8038345 [0008]
- US 7434470 [0009]
