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Die Erfindung betrifft einen Aufbau zur Ermittlung einer physikalischen Größe, beispielsweise eines Drucks, einer Temperatur und/oder einer Geschwindigkeit.
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Die
US 7 134 342 B1 beschreibt einen magnetischen Infraschallsensor und
DE 10 2011 107 346 A1 beschreibt ein Prüfgerät für die Untersuchung der Unsymmetrie des Magnetfeldes eines Permanentmagneten.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen flexibel einsetzbaren Aufbau bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Aufbau gemäß Anspruch 1. Es wird ein Aufbau zur Ermittlung einer physikalischen Größe bereitgestellt, der ein Umwandlungselement umfasst, das ausgebildet ist, in Abhängigkeit von der physikalischen Größe eine Kraft bereitzustellen. Der Aufbau umfasst ferner eine Kraftübertragungseinrichtung, die eine Magnetanordnung und eine Supraleiteranordnung umfasst und ausgebildet ist, über eine magnetische Kopplung zwischen der Magnetanordnung und der Supraleiteranordnung die von dem Umwandlungselement bereitgestellte Kraft zu übertragen. Der Aufbau umfasst ferner eine Kraftmesseinrichtung, die ausgebildet ist, die übertragene Kraft zu erfassen.
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Das Umwandlungselement umfasst beispielsweise eine Membran, ein Bimetall und/oder einen Strömungswiderstand. Die Übertragung der Kraft durch die Kraftübertragungseinrichtung erfolgt insbesondere berührungslos.
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Der beschriebene Aufbau kann insbesondere dafür eingesetzt werden, die physikalische Größe in einem abgeschlossenen Raum zu ermitteln. Dadurch kann der beschriebene Aufbau sehr flexibel eingesetzt werden.
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Konventionell sind zur Ermittlung der physikalischen Größe in einem abgeschlossenen Raum Schnittstellen zur Energiezufuhr und/oder elektrischen Signalweitergabe in den abgeschlossenen Raum erforderlich. Insbesondere dann, wenn der abgeschlossene Raum unter Druck steht, beispielsweise wenn es sich bei dem abgeschlossenen Raum um den Innenraum eines Druckbehälters handelt, und/oder wenn der abgeschlossene Raum aufgrund eines Kontaminationsrisikos gegenüber der Umgebung abgedichtet sein muss, ist die Bereitstellung solcher Schnittstellen zur Energiezufuhr und/oder elektrischen Signalweitergabe in den abgeschlossenen Raum in der Regel aufwändig und/oder risikobehaftet.
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Bei dem beschriebenen Aufbau wird auf Basis der zu ermittelnden physikalischen Größe eine Kraft bereitgestellt, und diese Kraft wird dann über eine magnetische Kopplung übertragen. Durch diesen Ansatz wird es möglich, die zu ermittelnde Größe als Kraft berührungslos aus dem abgeschlossenen Raum heraus zu übertragen. Folglich kann auf die vorstehend erwähnten Schnittstellen zur Energiezufuhr und/oder elektrischen Signalweitergabe verzichtet werden. Der Aufbau ist daher insbesondere auch für den Einsatz in geschlossenen Räumen gut geeignet und kann folglich flexibel eingesetzt werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Ermittlung einer physikalischen Größe, umfassend die Schritte: Bereitstellen einer Kraft in Abhängigkeit von der physikalischen Größe, Übertragen der bereitgestellten Kraft über eine magnetische Kopplung zwischen einer Magnetanordnung und einer Supraleiteranordnung, und Erfassen der übertragenen Kraft. Das Übertragen der Kraft erfolgt insbesondere berührungslos.
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Das Verfahren wird insbesondere unter Verwendung des hier beschriebenen Aufbaus durchgeführt. Zweckmäßigerweise ist das Verfahren in Entsprechung zu einer hier beschriebenen Ausgestaltung weitergebildet.
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Weitere exemplarische Details und Ausführungsformen werden nachstehend unter Bezug der Figuren erläutert. Dabei zeigt
- 1 einen ersten exemplarischen Aufbau,
- 2 einen zweiten exemlarischen Aufbau, und
- 3 einen dritten exemplarischen Aufbau.
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Die 1 zeigt einen ersten Aufbau 10, die 2 einen zweiten Aufbau 20 und die 3 einen dritten Aufbau 30. Jeder Aufbau 10, 20, 30 stellt zweckmäßigerweise für sich genommen eine Ausführungsform dar. Nachfolgend sollen zunächst Merkmale erläutert werden, die bei jedem der drei Aufbauten 10, 20, 30 vorhanden sein können. In diesem Zusammenhang wird auf „den Aufbau 10, 20, 30“ Bezug genommen, womit zweckmäßigerweise jeder der Aufbauten 10, 20, 30 gemeint ist.
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Der Aufbau 10, 20, 30 dient zur Ermittlung einer physikalischen Größe und umfasst ein Umwandlungselement 1, das ausgebildet ist, in Abhängigkeit von der physikalischen Größe eine Kraft bereitzustellen. Der Aufbau umfasst ferner eine Kraftübertragungseinrichtung 2, die eine Magnetanordnung 3 und eine Supraleiteranordnung 4 umfasst und ausgebildet ist, über eine magnetische Kopplung zwischen der Magnetanordnung 3 und der Supraleiteranordnung 4 die von dem Umwandlungselement 1 bereitgestellte Kraft zu übertragen. Der Aufbau 10 umfasst ferner eine Kraftmesseinrichtung 5, die ausgebildet ist, die übertragene Kraft zu erfassen.
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Nachstehend werden weitere exemplarische Details erläutert.
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Die zu ermittelnde physikalische Größe ist beispielsweise ein Druck, eine Temperatur, eine Strömungsgeschwindigkeit, eine Viskosität und/oder Dichte.
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Die physikalische Größe ist insbesondere innerhalb eines geschlossenen Raums 7 zu ermitteln, wobei der Messwert der physikalischen Größe außerhalb dieses geschlossenen Raums 7 bereitgestellt werden soll. Bei dem geschlossenen Raum 7 handelt es sich beispielsweise um den Innenraum eines Behälters, insbesondere eines Druckbehälters, und/oder eines Fluidkanals.
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Der geschlossene Raum 7 ist gegenüber einer Umgebung 18, insbesondere gegenüber der Atmosphäre, geschlossen, insbesondere abgedichtet. Zweckmäßigerweise wird der geschlossene Raum 7 durch eine Wand 17 definiert. Die Wand 17 befindet sich zwischen dem geschlossenen Raum 7 und der Umgebung 18.
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Die Kraftübertragungseinrichtung 2 ist ausgebildet, die von dem Umwandlungselement 1 bereitgestellte Kraft in oder aus dem geschlossenen Raum 7 zu übertragen. Exemplarisch wird die bereitgestellte Kraft von innerhalb des Raums 7 nach außerhalb des Raums 7 - beispielsweise in die Umgebung 18 - übertragen.
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Die Übertragung der Kraft erfolgt mittels der Kraftübertragungseinrichtung 2, nämlich durch die magnetische Kopplung zwischen der Magnetanordnung 3 und der Supraleiteranordnung 4. Exemplarisch ist die Magnetanordnung 3 in dem geschlossenen Raum 7 angeordnet und die Supraleiteranordnung 4 ist außerhalb des geschlossenen Raums 7 angeordnet, exemplarisch in der Umgebung 18. Alternativ dazu kann auch die Supraleiteranordnung 4 innerhalb des geschlossenen Raums 7 und die Magnetanordnung 3 außerhalb des geschlossenen Raums 7 angeordnet sein.
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Bei der Magnetanordnung 3 handelt es sich exemplarisch um eine Permanentmagnetanordnung, insbesondere um ein Halbach-Array. Das Halbach-Array ist insbesondere derart ausgeführt, dass das vom Halbach-Array bereitgestellte Magnetfeld auf der der Supraleiteranordnung 4 zugewandten Seite des Halbach-Arrays konzentriert ist.
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Bei der Supraleiteranordnung 4 handelt es sich insbesondere um unbestromtes Supraleitermaterial. Die Supraleiteranordnung 4 dient, wie nachstehend noch erläutert, zur Bereitstellung des Flux-Pinning-Effekts. Die Supraleiteranordnung 4 dient insbesondere nicht als bestromter Supraleiter. Die Supraleiteranordnung 4 ist insbesondere nicht als supraleitende Spule ausgeführt.
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Zur Kühlung der Supraleiteranordnung 4 auf oder unter die materialspezifische Sprungtemperatur kann beispielsweise eine Kryostatanordnung oder eine andere Kühleinrichtung vorhanden sein.
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Die magnetische Kopplung zwischen der Magnetanordnung 3 und der Supraleiteranordnung 4 beruht vorzugsweise auf dem Flux-Pinning-Effekt. Der Flux-Pinning-Effekt kann auch als Flussverankerungseffekt bezeichnet werden. Zur Nutzung des Flux-Pinning-Effekts wird in die Supraleiteranordnung 4 ein Magnetfeldlinienverlauf eines die Supraleiteranordnung 4 durchdringenden Magnetfelds eingeprägt bzw. eingespeichert. Die Einspeicherung des Magnetfeldlinienverlaufs erfolgt dadurch, dass die Supraleiteranordnung 4 dem Magnetfeld ausgesetzt wird und dann auf oder unter ihre Sprungtemperatur gekühlt wird. Die mit der Supraleiteranordnung 4 gekoppelte Magnetanordnung 3 nimmt dann relativ zu der Supraleiteranordnung 4 diejenige Vorzugsposition ein, bei der der Magnetfeldlinienverlauf der Magnetanordnung 3 mit dem eingeprägten Magnetfeldlinienverlauf übereinstimmt bzw. dieselbe Ausrichtung wie der eingeprägte Magnetfeldlinienverlauf aufweist. Solange die Supraleiteranordnung 4 auf oder unter ihrer Sprungtemperatur gehalten wird, ist die gekoppelte Magnetanordnung 3 bestrebt, die Übereinstimmung zwischen ihrem Magnetfeldlinienverlauf und dem Verlauf des eingeprägten Magnetfeldlinienverlauf bzw. der Flussschläuche der Supraleiteranordnung beizubehalten. Die Supraleiteranordnung 4 umfasst insbesondere einen Supraleiter zweiter Art, zum Beispiel einen keramischen Hochtemperatursupraleiter. Beispielsweise umfasst die Supraleiteranordnung 4 YBaCuO (Yttrium-Barium-Kupferoxid) und/oder BiSrCaCuO (Bismut-Strontium-Kalzium-Kupferoxid).
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Zweckmäßigerweise ist die magnetische Kopplung zwischen der Magnetanordnung 3 und der Supraleiteranordnung 4 derart, dass einer Relativbewegung zwischen der Magnetanordnung 3 und der Supraleiteranordnung 4, insbesondere einer Bewegung der Magnetanordnung 3 hin zu der Supraleiteranordnung 4, eine sich aus der magnetischen Kopplung ergebende Kraft entgegenwirkt. Die Magnetanordnung 3 und die Supraleiteranordnung 4 bilden zweckmäßigerweise zusammen ein Supraleiterlager, das insbesondere als Festlager ausgeführt ist.
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Die Magnetanordnung 3 ist an das Umwandlungselement 1 gekoppelt, insbesondere mechanisch und/oder direkt. Die Kopplung zwischen dem Umwandlungselement 1 und der Magnetanordnung 3 ist derart, dass sich die Magnetanordnung 3 bei Verformung und/oder Stellungsänderung des Umwandlungselements 1 relativ zur Supraleiteranordnung 4 bewegt, insbesondere in Richtung hin zu der Supraleiteranordnung 4 oder weg von der Supraleiteranordnung 4. Aufgrund der magnetischen Kopplung zwischen der Magnetanordnung 3 und der Supraleiteranordnung 4 bewirkt diese Bewegung der Magnetanordnung 3, dass auf die Supraleiteranordnung 4 eine Kraft wirkt. Diese Kraft soll auch als „übertragene Kraft“ bezeichnet werden. Die übertragene Kraft wird von der Kraftmesseinrichtung 5 erfasst.
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Zweckmäßigerweise ist die Supraleiteranordnung 4 mechanisch und/oder direkt mit der Kraftmesseinrichtung 5 gekoppelt. Exemplarisch ist die Supraleiteranordnung 4 an der Kraftmesseinrichtung 5 befestigt. Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist die Supraleiteranordnung 4 in der Kraftmesseinrichtung 5 integriert. Die Kraftmesseinrichtung 5 umfasst einen (nicht gezeigten) Kraftsensor, der die auf die Supraleiteranordnung 4 wirkende übertragene Kraft misst. Die Kraftmesseinrichtung 5 stellt die erfasste übertragene Kraft insbesondere als elektrisches Signal bereit.
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Der Aufbau 10, 20, 30 umfasst zweckmäßigerweise eine Auswerteeinrichtung 6, die ausgebildet ist, auf Basis der von der Kraftmesseinrichtung 5 erfassten Kraft einen Messwert für die zu ermittelnde physikalische Größe bereitzustellen. Zweckmäßigerweise ist die Auswerteeinrichtung 6 ausgebildet, auf Basis der erfassten Kraft den Messwert zu berechnen, beispielsweise unter Verwendung eines in der Auswerteeinrichtung 6 hinterlegten mathematischen Zusammenhangs zwischen der erfassten Kraft und dem Messwert. Exemplarisch ist die Auswerteeinrichtung 6 in der Kraftmesseinrichtung 5 integriert. Alternativ dazu kann die Auswerteeinrichtung 6 auch separat von der Kraftmesseinrichtung 5 bereitgestellt sein.
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Die Kraftmesseinrichtung 5 und/oder die Auswerteeinrichtung 6 sind zweckmäßigerweise außerhalb des geschlossenen Raums 7 angeordnet, insbesondere in der Umgebung 18.
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Das Umwandlungselement 1 ist innerhalb des geschlossenen Raums 7 angeordnet. Bei dem Umwandlungselement 1 handelt es sich vorzugsweise um ein Bauteil und/oder eine Baugruppe. Das Umwandlungselement 1 ist derart ausgeführt, dass es in Abhängigkeit von der zu ermittelnden physikalischen Größe eine Kraft bereitstellt. Zweckmäßigerweise ist das Umwandlungselement 1 ausgebildet, in Abhängigkeit von der zu ermittelnden physikalischen Größe seine Form und/oder Stellung zu verändern. Das Umwandlungselement 1 ist mechanisch und/oder direkt mit der Magnetanordnung 3 gekoppelt. Vorzugsweise ist die Magnetanordnung 3 an dem Umwandlungselement 1 befestigt. Die Kopplung zwischen dem Umwandlungselement 1 und der Magnetanordnung 3 ist insbesondere derart, dass bei der Verformung und/oder Stellungsänderung des Umwandlungselements 1 die Magnetanordnung 3 von dem Umwandlungselement 1 mit einer Kraft beaufschlagt und/oder in Bewegung versetzt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Umwandlungselement 1 ausgebildet, die Supraleiteranordnung 4 oder die Magnetanordnung 3 in einem Zustand, in dem die magnetische Kopplung nicht hergestellt ist, mechanisch zu halten. Vorzugsweise ist die Magnetanordnung 3 an dem Umwandlungselement 1 befestigt. Zweckmäßigerweise ist das Umwandlungselement 1 ausgebildet, die Magnetanordnung 3 während der Einprägung des Magnetfeldlinienverlaufs in die Supraleiteranordnung 4 zu halten, insbesondere die Stellung der Magnetanordnung 3 relativ zur Supraleiteranordnung 4 festzulegen.
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Vorzugsweise umfasst der Aufbau ein Kompensationsgelenk 15, über das die Magnetanordnung 3 oder die Supraleiteranordnung 4 an das Umwandlungselement 1 angebracht ist. Das Kompensationsgelenk 15 ist ausgebildet, ein durch eine Verformung und/oder eine Stellungsänderung des Umwandlungselements 1 bewirktes Verkippen zwischen der Magnetanordnung 3 und der Supraleiteranordnung 4 zu kompensieren. Insbesondere wird über das Kompensationsgelenk 15 erreicht, dass die Magnetanordnung 3 bei verschiedenen Verformungen und/oder Stellungen stets die gleiche, insbesondere eine parallele, Ausrichtung relativ zur Supraleiteranordnung 4 aufweist. Das Kompensationsgelenk 15 ist insbesondere als Schwenkgelenk ausgeführt.
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Zweckmäßigerweise ist für die Ermittlung der physikalischen Größe in dem abgeschlossenen Raum 7 kein Zugang für eine Energiezufuhr und/oder Signalweitergabe vorhanden. Der geschlossene Raum 7 wird beispielsweise durch einen Behälter bereitgestellt, der zum Beispiel unter Druck steht und/oder bei dem ein Kontaminationsrisiko besteht. Bei dem Aufbau 10, 20, 30 ist insbesondere kein elektronischer Anschluss von außen in den geschlossenen 7 Raum vorhanden, insbesondere kein elektronischer Anschluss für die Ermittlung der physikalischen Größe.
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Die zu ermittelnde physikalische Größe umfasst insbesondere eine der physikalischen Größen Druck, Temperatur, Geschwindigkeit, Viskosität und/oder Dichte, insbesondere von Fluiden und/oder Gasen in einem geschlossenen Raum 7. Die physikalische Größe wird anhand ihrer Kraftauswirkung auf die Kraftübertragungseinrichtung 2 bestimmt, die insbesondere als integriertes Supraleiter-Magnet-Kraftsystem ausgeführt ist. Dieses beruht auf der berührungslosen Kraftübertragung zwischen der Magnetanordnung 3, beispielsweise einer Permanentmagnetanordnung, wie einem Puck, einer Schiene, oder dergleichen, und einer Supraleiteranordnung 4. Die Magnetanordnung 3, vorzugsweise ein Halbach-Array, wird durch die magnetische Kopplung, insbesondere den Flux-Pinning-Effekt, mit der auf oder unter ihre Sprungtemperatur heruntergekühlte Supraleiteranordnung 4 (vorzugsweise ein Supraleiter zweiter Art), stabil schwebend gehalten. Eine Krafteinwirkung von dem Umwandlungselement 1 auf die Magnetanordnung 3 wird durch die magnetische Kopplung direkt auf die Supraleiteranordnung 4 übertragen. Zweckmäßigerweise ist die übertragene Kraft eine orthogonal auf die Magnetanordnung 3 wirkende Kraft. Optional kann die übertragene Kraft auch eine Kraftkomponente umfassen, die nicht orthogonal wirkt. Zweckmäßigerweise ist die Kraftmesseinrichtung 5 und/oder die Auswerteeinrichtung 6 ausgebildet, bei der Erfasssung der übertragenen Kraft und/oder bei der Bereitstellung des Messwerts einen Einfallwinkel einer auf die Magnetanordnung 3 und/oder die Supraleiteranordnung 4 wirkenden Kraft zu berücksichtigen.
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Die wirkende Kraft kann nun durch die an der Supraleiteranordnung 4 befestigte Kraftmesseinrichtung 5 (kann auch als Kraftmesser bezeichnet werden) mit externem Bezugspunkt erfasst und in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Die Kraft lässt sich insbesondere durch Barrieren, wie z.B. die Wand eines Behälters, hinweg übertragen und bestimmen.
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Mit dieser Technologie als Grundlage kann durch eine entsprechend angepasste Konstruktion eine oder mehrere der genannten physikalischen Größen Druck, Temperatur, Strömungsgeschwindigkeit Viskosität und/oder Dichte aufgrund ihrer Kraftauswirkung ermittelt werden. Die in den 1, 2 und 3 gezeigten Aufbauten 10, 20, 30 haben jeweils das Ziel, die zu messende physikalische Größe in eine sich ändernde Kraft umzuwandeln. Diese wird entsprechend des eben dargelegten Prinzips zur Kraftmesseinrichtung 5 übertragen und daraus wird auf die eigentlich zu ermittelnde physikalische Größe durch jeweilige Auswertung der Kraftmessung rückgeschlossen.
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Zweckmäßigerweise ist jeder Aufbau 10, 20, 30 ausgebildet, einen Spaltabstand zwischen der Supraleiteranordnung 4 und der Magnetanordnung 3 festzulegen. Der Spaltabstand muss zunächst mechanisch gehalten werden, bevor durch Abkühlen der Supraleiteranordnung 4 die magnetische Kopplung zu der Magnetanordnung 3 hergestellt wird und der Spaltabstand durch diese magnetische Kopplung gehalten wird. Bei den Aufbauten 10, 20, 30 wird das notwendige mechanische Halten automatisch durch die jeweilige Konstruktion, insbesondere das jeweilige Umwandlungselement 1, erreicht, sodass hierfür kein manuelles Eindringen in den abgeschlossenen Raum 7 erforderlich ist.
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Im Folgenden soll näher auf den Aufbau 10 der 1 eingegangen werden. Die zu ermittelnde physikalische Größe ist hier ein Druck, insbesondere der in dem geschlossenen Raum 7 herrschende Druck. Das Umwandlungselement 1 umfasst eine Membran 8, auf die der zu ermittelnde Druck wirkt. Exemplarisch umfasst der Aufbau 10 eine Messkammer 9, die durch die Membran 8 abgedichtet wird, insbesondere gegenüber dem geschlossenen Raum 7.
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Die Messkammer 9 ist zweckmäßigerweise innerhalb eines durch die Wand 17 definierten Raums angeordnet, zweckmäßigerweise an der Wand 17. Die Membran 8 unterteilt diesen durch die Wand 17 definierten Raum in den geschlossenen Raum 7 und die Messkammer 9. Die Messkammer 9 ist gegenüber dem geschlossenen Raum 7 abgedichtet, insbesondere hermetisch.
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Die Membran 8 wird abhängig von der Druckdifferenz zwischen dem Druck in dem geschlossenen Raum 7 und dem Druck in der Messkammer 9 verformt. Die Membran 8 ist mechanisch und/oder direkt mit der Magnetanordnung 3 gekoppelt, so dass die Magnetanordnung 3 bei Verformung der Membran 8 mit einer Kraft beaufschlagt wird und/oder in Bewegung versetzt wird. Die Magnetanordnung 3 ist zweckmäßigerweise in der Messkammer 9 angeordnet, kann alternativ dazu aber auch außerhalb der Messkammer 9, beispielsweise in dem geschlossenen Raum 7, angeordnet sein. Die auf die Magnetanordnung 3 wirkende Kraft wird über die magnetische Kopplung auf die (außerhalb des Raums 7 und/oder außerhalb der Messkammer 9 befindliche) Supraleiteranordnung 4 übertragen, von der Kraftmesseinrichtung 5 erfasst und von der Auswerteeinrichtung 6 in einen Druck-Messwert umgerechnet.
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Bei dem Aufbau 10 der 1 ist die Bestimmung des Drucks eines Mediums in einem abgeschlossenen Raum 7 bezüglich der Kraftauswirkung dadurch möglich, dass der vorhandene Druck auf einen Relativdruck wirkt. Das wird dadurch erreicht, dass eine Messkammer 9 im abgeschlossenen Raum 7, beispielsweise einem Behälter, vorhanden ist, die durch die Membran 8 hermetisch abgedichtet ist und dem Relativdruck unterliegt. Vorzugsweise befindet sich in der Messkammer 9 ein Vakuum. Auf diese Weise kann der Druckunterschied auf den Nullpunkt bezogen werden und eine einfachere Interpretation der Messung ist möglich.
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Der Druck im geschlossenen Raum 7 wird nun dadurch bestimmt, dass aufgrund des bereits dargelegten Druckunterschiedes zwischen dem geschlossenen Raum 7 und der Messkammer 9 eine Kraft durch den physikalisch bedingten Druckausgleich auf die Membran 8 und der angehefteten Magnetanordnung 3 wirkt. Wirkt keine Kraft, so ist der Druck dennoch definiert. Dann entspricht er dem in der Messkammer 9 vorhandenen Druck. Die auf die Membran 8 wirkende Kraft überträgt sich entsprechend der Elastizität der Membran 8 aufgrund der bereits erklärten magnetischen Kopplung von Magnetanordnung 3 und Supraleiteranordnung 4 auf die Kraftmesseinrichtung 5. An die Kraftmesseinrichtung 5 ist die Supraleiteranordnung 4 montiert. Somit wird die im geschlossenen Raum 7 auftretende Druckkraft auf die Kraftmesseinrichtung 5 übertragen und kann daraus als elektrisches Signal weiterverarbeitet und entsprechend ausgewertet werden, beispielsweise durch die Auswerteeinrichtung 6. Zweckmäßigerweise ist die Auswerteeinrichtung 6 ausgebildet, bei der Bereitstellung des Messwerts die Grundfläche der Membran 8 zu berücksichtigen, insbesondere reziprok. Ferner ist die Auswerteeinrichtung 6 ausgebildet, bei der Bereitstellung des Messwerts eine dämpfende Wirkung der Membran 8 zu berücksichtigen, beispielsweise durch einen Korrekturfaktor.
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Bevor die Supraleiteranordnung 4 ihre Sprungtemperatur erreicht hat und die magnetische Kopplung zur Magnetanordnung 3 besteht, wird der Spaltabstand zwischen der Magnetanordnung 3 und der Supraleiteranordnung 4 durch die Grundspannung der Membran 8 gehalten. Diese Eigenschaft sorgt dafür, dass der geschlossene Raum 7 ständig geschlossen sein kann und kein manuelles Eingreifen vor der Benutzung erforderlich ist.
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Im Folgenden soll näher auf den Aufbau 20 der 2 eingegangen werden. Die zu ermittelnde physikalische Größe ist hier eine Temperatur, insbesondere die in dem geschlossenen Raum 7 herrschende Temperatur. Das Umwandlungselement 1 ist ausgebildet, in Abhängigkeit von der zu ermittelnden Temperatur seine Form zu ändern.
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Exemplarisch umfasst das Umwandlungselement 1 ein Bimetall 11, insbesondere einen Bimetallstreifen. Das Umwandlungselement 1 ist innerhalb des geschlossenen Raums 7 angeordnet. Die Magnetanordnung 3 ist an dem Umwandlungselement 1 befestigt, so dass bei Verformung des Umwandlungselements 1 die Magnetanordnung 3 mit einer Kraft beaufschlagt und/oder in Bewegung versetzt wird. Exemplarisch ist das Bimetall 11 mit einem ersten Ende an einem Befestigungsabschnitt 19 angeordnet, der wiederum an der Wand 17 angeordnet ist.
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An dem zweiten Ende des Bimetalls 11 ist die Magnetanordnung 3 befestigt, zweckmäßigerweise über ein Kompensationsgelenk 15. Das Kompensationsgelenk 15 ermöglicht exemplarisch eine Verschwenkung der Magnetanordnung 3 relativ zum Bimetall 11 um eine Schwenkachse, die zweckmäßigerweise orthogonal zur Zeichenebene, insbesondere orthogonal zu einer von der Magnetanordnung 3 zu der Supraleiteranordnung 4 verlaufenden gedachten Achse ausgerichtet ist. Das Kompensationsgelenk 15 ist zweckmäßigerweise derart ausgeführt, dass die Magnetanordnung 3 bei verschiedenen Verformungen des Bimetalls 11 parallel zur Supraleiteranordnung 4 ausgerichtet ist.
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Die Magnetanordnung 3 ist innerhalb des geschlossenen Raums 7 angeordnet. Die auf die Magnetanordnung 3 wirkende Kraft wird über die magnetische Kopplung auf die (außerhalb des Raums 7 befindliche) Supraleiteranordnung 4 übertragen, von der Kraftmesseinrichtung 5 erfasst und von der Auswerteeinrichtung 6 in einen Temperatur-Messwert umgerechnet.
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Um die Temperatur eines Mediums in dem abgeschlossenen Raum 7 anhand der Kraftauswirkung zu bestimmen, wird ein Bimetall 11, insbesondere ein Thermobimetall, eingesetzt. Dieses besteht aus zwei unterschiedlichen Legierungen, die aufeinander geschichtet entweder kraftschlüssig oder formschlüssig zusammengefügt sind. Durch unterschiedliche Temperatureigenschaften der beiden Legierungen verändert das Bimetall 11 bei Temperaturänderung seine Form bzw. es verbiegt sich.
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Das Bimetall 11 ist derart angeordnet, dass es sich möglichst nah an der Wand 17 des geschlossenen Raums 7 befindet, aber auch im vollen Maß krümmen kann, sodass der Dynamikumfang der Messung der physikalischen Größe nicht beeinträchtigt wird.
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An das Bimetall 11 ist wiederum die Magnetanordnung 3 so montiert, dass sie frei drehbar gelagert ist, um jederzeit parallel zur Supraleiteranordnung 4 ausgerichtet zu sein. Dadurch, dass die Verbiegung des Bimetalls 11 und die daraus verbundene Auslenkung der Magnetanordnung 3 eine Kraft auf die Supraleiteranordnung 4 und damit auf die Kraftmesseinrichtung 5, nach bereits erklärtem Prinzip, verursacht, kann das Ausmaß der Verbiegung anhand dieser Kraft bestimmt werden und entsprechend daraus die Temperaturänderung bestimmt werden, insbesondere durch die Auswerteeinrichtung 6. Es kann auch der Absolutwert der Temperatur bestimmt werden, wenn die Kraftmesseinrichtung 5 und/oder die Auswerteeinrichtung 6 auf eine Vergleichstemperatur kalibriert ist.
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Bevor die Supraleiteranordnung 4 ihre Sprungtemperatur erreicht hat, wird der Spaltabstand zwischen Magnetanordnung 3 und Supraleiteranordnung 4 durch die Lagerung der Magnetanordnung 3 am Bimetall 11 und/oder von einer Befestigungsvorrichtung an der Wand 17 gehalten.
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Im Folgenden soll näher auf den Aufbau 30 der 3 eingegangen werden. Hier ist die zu ermittelnde physikalische Größe eine Strömungsgeschwindigkeit, insbesondere eines in dem geschlossenen Raum 7 fließenden Fluids. Bei dem geschlossenen Raum 7 handelt es sich exemplarisch um einen Fluidkanal 16, der insbesondere rohrförmig ausgeführt ist.
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Der Fluidkanal 16 ist durch eine Wand 17 von der Umgebung 18 getrennt.
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Das Umwandlungselement 1 umfasst einen Strömungswiderstand 12, der in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit seine Stellung und/oder Form ändert. Exemplarisch ragt der Strömungswiderstand 12 ausgehend von der Wand 7 nach innen in den Fluidkanal 16. Das in dem Fluidkanal 16 fließende Fluid (angedeutet durch einen Pfeil) strömt gegen den Strömungswiderstand 12 und bewirkt so eine Verformung und/oder Stellungsänderung des Strömungswiderstands 12 abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids.
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Der Strömungswiderstand 12 umfasst exemplarisch ein in den Fluidkanal 16 ragendes Federelement 14, das zweckmäßigerweise einen gekrümmten, insbesondere parabelförmigen Verlauf aufweist. Das Federelement 14 ist mit einem Ende an der Wand 17 befestigt. Je nach Strömungsgeschwindigkeit des Fluids in dem Fluidkanal wird das Federelement 14 unterschiedlich stark verformt, insbesondere elastisch verformt. An das zweite Ende des Federelements 14 ist die Magnetanordnung 3 gekoppelt, die sich zweckmäßigerweise im Fluidkanal 16 befindet. Exemplarisch ist die Magnetanordnung 3 über ein Kompensationsgelenk 15 und/oder ein Verbindungselement 21 mit dem Federelement 14 gekoppelt, insbesondere an diesem befestigt. Das Kompensationsgelenk 15 ist nicht ortsfest ausgebildet.
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Das Kompensationsgelenk 15 ist ausgebildet, ein durch eine Verformung und/oder eine Stellungsänderung des Federelements 14 bewirktes Verkippen zwischen der Magnetanordnung 3 und der Supraleiteranordnung 4 zu kompensieren. Das Kompensationsgelenk 15 ermöglicht exemplarisch eine Verschwenkung der Magnetanordnung 3 relativ zum Federelement 14 um eine Schwenkachse, die zweckmäßigerweise orthogonal zur Zeichenebene, insbesondere orthogonal zu einer von der Magnetanordnung 3 zu der Supraleiteranordnung 4 verlaufenden gedachten Achse ausgerichtet ist. Das Kompensationsgelenk 15 ist zweckmäßigerweise derart ausgeführt, dass die Magnetanordnung 3 bei verschiedenen Verformungen des Federelements 14 parallel zur Supraleiteranordnung 4 ausgerichtet ist. Die auf die Magnetanordnung 3 wirkende Kraft wird über die magnetische Kopplung auf die (außerhalb des Raums 7 befindliche) Supraleiteranordnung 4 übertragen, von der Kraftmesseinrichtung 5 erfasst und von der Auswerteeinrichtung 6 in einen Strömungsgeschwindigkeits-Messwert umgerechnet.
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Bei dem Aufbau 30 wird eine Strömungsgeschwindigkeitsbestimmung von Gasen und Fluiden anhand ihrer Kraftauswirkung durch das Bereitstellen eines Strömungswiderstandes 12 in dem Fluidkanal 16, beispielsweise einer Rohrleitung, realisiert. Der Strömungswiderstand 12 ist konstruiert als ein Federelement 14, insbesondere ein federnder Hebel. An ein oberes Ende des Hebels ist die Magnetanordnung 3 montiert. Die Aufhängung ist frei drehbar gelagert, sodass die Magnetanordnung 3 unabhängig von der Auslenkung des Hebels jederzeit parallel zu der Supraleiteranordnung 4 positioniert ist oder sein kann. Die federnde Konstruktion führt dazu, dass durch den Impuls des anströmenden Fluids oder Gas, der Strömungswiderstand 12, insbesondere der Hebel, entsprechend der auftretenden Strömungswiderstandskraft mehr oder weniger stark in Richtung der Wand 17, beispielsweise der Kanalwand, gedrückt wird. Die wirkende Kraft wird durch diese Wegänderung nach bereits erläutertem Prinzip durch die magnetische Kopplung von Magnetanordnung 3 und Supraleiteranordnung 4 über die Wand 7 hinweg auf die Supraleiteranordnung 4 übertragen und durch die Kraftmesseinrichtung 5 erfasst, so dass sie als elektrisches Signal weiterverarbeitet werden kann. Zweckmäßigerweise ist die Auswerteeinrichtung 6 ausgebildet, bei der Bereitstellung des Strömungsgeschwindigkeits-Messwerts auf Basis der erfassten Kraft strömungstechnische Zusammenhänge zu berücksichtigen, beispielsweise eine funktionale Abhängigkeit der Anströmgeschwindigkeit von einer Strömungswiderstandskraft, Dichte, Viskosität und/oder Form des Strömungswiderstands 12.
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Alternativ oder zusätzlich dazu ist die Auswerteeinrichtung 6 ausgebildet, den Strömungsgeschwindigkeits-Messwert unter Verwendung einer empirischen Bestimmung bereitzustellen. Die empirische Bestimmung beruht auf im Vorfeld durchgeführten Vergleichsmessungen mit bekannten Geschwindigkeiten und definiert eine funktionale Abhängigkeit zwischen der erfassten Kraft und der Strömungsgeschwindigkeit im Fluidkanal 16.
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Bevor die Supraleiteranordnung 4 ihre Sprungtemperatur erreicht hat - also bevor die magnetische Kopplung besteht - wird die Magnetanordnung mechanisch durch die Hebelkonstruktion gehalten. Wird der Spaltabstand in einem Zustand fixiert, in dem kein Durchfluss in der Rohrleitung vorliegt, wird die folgende Messung automatisch auf den Nullpunkt bezogen.
