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Die Erfindung betrifft ein drucksensitives Element gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, wobei sich das drucksensitive Element durch eine Beaufschlagung mit Druck verformt. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Messen eines Druckes bzw. eines Volumenstroms gemäß Patentanspruch 8, sowie die Anwendung eines drucksensitiven Elements gemäß Anspruch 9 und die Anordnung eines drucksensitiven Elements gemäß Anspruch 10.
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Ein drucksensitives Element kann zum Beispiel in einer aus dem Stand der Technik bekannten Druckmesszelle eingesetzt werden. Druckmesszellen werden in Druckmessgeräten verwendet und überführen einen Druck in ein elektrisches Signal, das dann weiterverarbeitet werden kann. Ein bekannter Typ einer Druckmesszelle umfasst dabei eine drucksensitive Membran, welche sich in Abhängigkeit des auf sie wirkenden Druckes wölbt. Das Maß der Wölbung kann mittels geeigneter Sensorik in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Üblicherweise erfolgt die Umwandlung mittels einer Kapazitätsmessung.
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Druckmesszellen werden unter anderem auch bei Durchflussmessungen angewandt. Zur Messung eines Volumenstroms, welcher durch ein Rohr strömt, wird beispielweise eine den Rohrquerschnitt verengende Blende in das Rohr eingesetzt und mittels einer ersten Druckesszelle der Druck vor der Blende gemessen und mittels einer zweiten Druckmesszelle der Druck hinter der Blende gemessen. Aus der Druckdifferenz kann der Volumenstrom bestimmt werden. Diese Methode der Durchflussmessung benötigt mindestens drei Bauteile und ist daher vergleichsweise aufwendig.
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Die zugrundeliegende Aufgabe der Erfindung ist es, ein drucksensitives Element zur Verfügung zu stellen, mittels welchem in einfacher Weise die druckinduzierte Verformung des drucksensitiven Elements in einen Wert für den Druck oder einen Volumenstrom umgewandelt werden kann. Ferner soll das drucksensitive Element besonders langlebig sein. Insbesondere soll sich das drucksensitive Element zur Anwendung in einer Druckmesszelle oder einem Durchflusssensor eignen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile sind in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Die Erfindung betrifft ein drucksensitives Element, wobei das drucksensitive Element durch eine Beaufschlagung mit Druck elastisch verformbar ist. Der Druck, der auf das drucksensitive Element wirkt, kann dabei z.B. durch eine Flüssigkeit oder ein Gas bewirkt werden. Durch einen Druckunterschied zwischen einer ersten Seite des drucksensitiven Elements und einer zweiten Seite des drucksensitiven Elements verformt sich das drucksensitive Element elastisch. Mögliche Ausgestaltungen des drucksensitiven Elementes werden im Folgenden in Zusammenhang mit den Unteransprüchen noch näher erläutert.
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Das drucksensitive Element weist erfindungsgemäß mindestens einen Draht aus einem Formgedächtnismaterial auf und/oder das drucksensitive Element ist mit mindestens einem Draht aus einem Formgedächtnismaterial verbunden. Die Verformung des drucksensitiven Elements bewirkt dabei ebenfalls eine elastische Verformung des mindestens einen Drahtes aus dem Formgedächtnismaterial. Unter Verformung sollen dabei in erster Linie eine Veränderung der Länge des Drahtes verstanden werden.
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Ein Formgedächtnismaterial weist in Abhängigkeit der Temperatur oder in Abhängigkeit eines äußeren magnetischen Feldes zwei unterschiedliche Strukturen auf, welche das Formgedächtnismaterial durch eine kristallographisch reversible Phasenumwandlung einnehmen kann. Bei der temperaturabhängigen Phasenumwandlung handelt es sich in der Regel um eine Umwandlung zwischen den Kristallstrukturen Martensit und Austenit. Die Kristallstruktur Austenit liegt dabei bei höheren Temperaturen vor (Hochtemperaturphase) und die Kristallstruktur Martensit bei niedrigeren Temperaturen (Niedertemperaturphase). Die Kristallstrukturen bzw. Phasen können jeweils durch Temperaturänderung ineinander übergehen (Zweiwegeffekt). Ein Vorteil der temperaturinduzierten Phasenumwandlung ist, dass sich das Material in eine zuvor eingeprägte Gestalt zurückverformt. Die als Formgedächtnismaterialien hauptsächlich verwendeten Werkstoffe sind metallische Legierungen wie NiTi (Nickel-Titan) und NiTiCu (Nickel-Titan-Kupfer).
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Bei Formgedächtnismaterialien kann zusätzlich zur gewöhnlichen elastischen Verformung eine durch äußere Krafteinwirkung verursachte reversible Formänderung eintreten. So weisen Formgedächtnismaterialien eine besonders hohe Elastizität auf, insbesondere im Vergleich zu den üblicherweise verwendeten Metallen, z.B. in herkömmlichen Dehnungsmessstreifen. Durch diese besonders hohe Elastizität sind Drähte aus Formgedächtnislegierungen besonders robust und weisen auch bei häufiger Beanspruchung eine hohe Lebensdauer auf. Diese (auch als Pseudoelastizität oder Hyperelastizität) bezeichnete Form der Elastizität wird für diese Erfindung ausgenutzt.
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Auch sind Formgedächtnismaterialien sehr temperaturunempfindlich, so dass ein erfindungsgemäßes drucksensitives Element besonders robust ist gegenüber Temperaturschocks. Diese Temperaturunempfindlichkeit ist ein weiterer Vorteil, den das erfindungsgemäße drucksensitive Element mit einem Formgedächtnismaterial gegenüber drucksensitiven Elementen mit einem herkömmlichen Dehnungsmessstreifen aufweist.
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Wie auch noch in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wird, macht sich die Erfindung zu Nutze, dass eine Verformung des drucksensitiven Elements eine Verformung bzw. eine Längenänderung des Drahtes aus dem Formgedächtnismaterial bewirkt. Bei einer konstant angelegten elektrischen Spannung an den Draht wird durch die Längenänderung eine Veränderung des Widerstandes induziert und damit eine Änderung des Stromflusses. Aus dieser Veränderung des Stromflusses kann ein Druck oder ein Volumenstrom bestimmt werden. Der Draht aus dem Formgedächtnismaterial ist dazu mit einer Auswerteeinheit verbunden, über welche die Spannung an den Draht angelegt werden kann, der Stromfluss gemessen werden kann, sowie die Umwandlung in den Parameter Druck oder Volumenstrom erfolgt.
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In einer praktischen Ausführungsform der Erfindung weist das drucksensitive Element eine Membran auf. Als Membran wird hier eine dünne, flächige Materialschicht bezeichnet. Das Material der Membran ist insbesondere so gewählt, dass sich die Membran proportional zum anliegenden Druck verformt. Die Membran kann unter anderem aus Keramik oder Metall sein. Für die Verwendung der Membran zur Bestimmung eines Druckes wird die Membran üblicherweise mit ihrem Randbereich umlaufend an einem Träger befestigt. Wirkt nun ein Druck auf die Membran, bzw. herrscht auf einer Seite der Membran ein anderer Druck als auf der anderen Seite, so wölbt sich die Membran in die Richtung des geringeren Drucks. Insbesondere weist dabei die Membran den Draht aus Formgedächtnismaterial auf und/oder ist mit einem Draht aus Formgedächtnismaterial verbunden. Die Membran dient damit als Träger für den Draht aus Formgedächtnismaterial.
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Insbesondere für die Verwendung des drucksensitiven Elements zur Messung eines Volumenstroms weist die Membran mindestens eine Durchgangsöffnung mit einem definierten Öffnungsquerschnitt auf. Die Membran ist demnach als Blende (auch Messblende genannt) ausgestaltet. Für die mindestens eine Durchgangsöffnung sind verschiedene Geometrien denkbar, insbesondere kann die Durchgangsöffnung als Kreis, als Oval oder als Rechteck ausgebildet sein. Es können auch mehrere Durchgangsöffnungen vorgesehen sein, welche ein Gitter bilden.
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Eine solche als Blende ausgebildete Membran ist insbesondere zur Anordnung in einem Rohr vorgesehen und kann dort als Durchflusssensor verwendet werden. Durch die Verengung des Rohrquerschnittes kommt es zu einer Geschwindigkeitserhöhung im Bereich der Messblende und als Folge zu einer Reduzierung des Druckes hinter der Blende. Der Druckunterschied in Strömungsrichtung betrachtet vor und hinter der Blende ist dabei abhängig vom Volumenstrom bzw. proportional zum Volumenstrom. Aufgrund des sich bildenden Druckunterschiedes verformt sich die Membran und damit einhergehend auch der Draht aus dem Formgedächtnismaterial. Mit einem solchen drucksensitiven Element kann der Volumenstrom mit nur einem Bauteil bestimmt werden, im Gegensatz zum Stand der Technik mit einer Blende und zwei Drucksensoren.
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Der Draht aus der Formgedächtnismaterial kann auf unterschiedliche Weise mit dem drucksensitiven Element und insbesondere mit der Membran verbunden sein.
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In einer praktischen Ausführungsform ist der Draht aus dem Formgedächtnismaterial auf der Oberfläche der Membran angeordnet. Der Draht kann dabei mittels Kleben, Verspannen oder Pressen mit der Membran verbunden sein. Eine Membran dieser Ausführungsform kann zunächst mit einem bereits bekannten und erprobten Prozess hergestellt werden und anschließend in einem weiteren Verfahrensschritt mit dem Draht aus Formgedächtnismaterial versehen werden.
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Alternativ oder auch in Ergänzung dazu ist der Draht aus dem Formgedächtnismaterial insbesondere innerhalb der Membran angeordnet. Dabei kann der Draht in das Material der Membran eingegossen oder eingespritzt sein. Alternativ kann der Draht in die Membran eingewoben sein.
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Bei beiden vorstehend genannten Ausführungsformen ist der Draht insbesondere mäanderförmig an der Membran oder innerhalb der Membran angeordnet. Mäanderförmig bedeutet, dass der Draht sich in Form von mehreren Schlingen über die Oberfläche der Membran erstreckt. Insbesondere wird durch die mäandernde Form ein möglichst großer Teil der Oberfläche der Membran von dem Draht abgedeckt. Die Verformung der Membran wird möglichst flächendeckend erfasst. Je länger der Draht ist, desto größer ist die absolute Längenänderung des Drahtes bei einer Membranverformung und je größer ist die Widerstandsänderung. Entsprechend weist ein solches drucksensitives Element eine besonders hohe Messgenauigkeit auf. Insbesondere weisen die Mäander einen spiralförmigen Verlauf auf.
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Eine weitere Möglichkeit der Verbindung von Membran und Draht aus Formgedächtnismaterial ist insbesondere, dass sich der Draht aus dem Formgedächtnismaterial ausgehend von der Membran zu einem Widerlager erstreckt. Der Draht ist fest mit der Membran und dem Widerlager verbunden. Das Widerlager ist dabei ortsfest z.B. mit einem Gehäuse, einem Rohr oder einem Behälter verbunden und bewegt sich nicht bei Verformung der Membran. Insbesondere erstreckt sich der Draht ausgehend von der Mitte der Membran zum Widerlager. In Abhängigkeit davon, ob sich die Membran in Richtung des Widerlagers wölbt oder von dem Widerlager weg wölbt, ist der Draht aus dem Formgedächtnismaterial unterschiedlich gedehnt und weist je nach Wölbung der Membran eine unterschiedliche Länge auf. Auch hier kann dann über die Verformung des drucksensitiven Elementes und eine damit verbundene Längenänderung des Drahtes auf den herrschenden Druck oder einen Volumenstrom geschlossen werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Messen eines Druckes mit einem wie vorstehend beschriebenen drucksensitiven Element mit einem Draht aus einem Formgedächtnismaterial. An den Draht wird eine konstante elektrische Spannung angelegt und der Stromfluss durch den Draht gemessen. Im Falle einer Verformung des drucksensitiven Elements erfolgt eine Längenänderung des Drahtes und diese Langenänderung des Drahtes wird über eine Veränderung des Stromfluss detektiert. Aus der konkreten Veränderung des Stromflusses wird anschließend der Druck bestimmt.
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Gleichermaßen kann das Verfahren auch zur Bestimmung eines Volumenstroms angewandt werden. Hierbei wird aus der Veränderung des Stromflusses auf den herrschenden Volumenstrom zurückgeschlossen. Die Bestimmung des Volumenstroms kann dabei direkt erfolgen. Alternativ kann der Volumenstrom aus dem gemessenen Druck hergeleitet werden.
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Mit den Verfahren können somit der Druck bzw. der Volumenstrom direkt über den über den Draht fließenden Strom ermittelt werden. Insbesondere bei der Bestimmung des Volumenstroms stellt das erfindungsgemäße Verfahren eine erhebliche Vereinfachung dar, da das drucksensitive Element hier selbst zur Bestimmung des Volumenstromes dient und keine zusätzlichen zwei Drucksensoren notwendig sind.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus die Anwendung eines wie vorstehend beschriebenen drucksensitiven Elements zur Bestimmung eines Druckes und/oder eines Volumenstroms.
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Das drucksensitive Element kann dabei in einer aus dem Stand der Technik bekannten Druckmesszelle angeordnet werden. Insbesondere wird dabei statt einer herkömmlichen Membran eine Membran mit Formgedächtnismaterial verwendet.
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Mit einer solchen Druckmesszelle können sowohl absolute als auch relative Drücke gemessen werden. Insgesamt wird durch das erfindungsgemäße drucksensitive Element die Herstellung sehr kleiner Druckmesszellen ermöglicht.
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Eine weitere Anwendungsmöglichkeit für das drucksensitive Element ist die Bestimmung eines Volumenstromes mit einem Durchflusssensor.
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Ferner wird eine Anordnung eines wie vorstehend beschriebenen drucksensitiven Elementes in einem Rohr beansprucht. Vorzugsweise wird dabei ein drucksensitives Element in dem Rohr angeordnet, welches eine Membran mit einer Durchgangsöffnung (Blende) aufweist und als Durchflusssensor dient. Das drucksensitive Element ist so in dem Rohr angeordnet, dass es den Öffnungsquerschnitt des Rohres bis auf die mindestens eine Durchgangsöffnung vollständig verschließt. In unbelastetem Zustand erstreckt sich die Membran senkrecht zur Wand des Rohres.
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Alternativ ist das drucksensitive Element in oder an einem Behälter angeordnet, wobei eine Oberfläche des drucksensitiven Elements derart mit einem Fluid in dem Behälter in Verbindung steht, dass der in dem Behälter herrschende Druck auf das drucksensitive Element wirkt.
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Weitere praktische Ausführungsformen sind in Verbindung mit den Figuren beschrieben. Es zeigen:
- 1 ein erfindungsgemäßes drucksensitives Element in einer ersten Ausführungsform in einer schematischen Draufsicht,
- 2 ein erfindungsgemäßes drucksensitives Element in einer zweiten Ausführungsform in einer schematischen Draufsicht,
- 3 ein erfindungsgemäßes drucksensitives Element in einer dritten Ausführungsform in einer schematischen Seitenansicht in einem unbelasteten Zustand,
- 4 das drucksensitive Element aus 3 in einer schematischen Seitenansicht in einem ersten belasteten Zustand,
- 5 das drucksensitive Element aus 4 in einer schematischen Seitenansicht in einem zweiten belasteten Zustand,
- 6 ein erfindungsgemäßes drucksensitives Element in einer vierten Ausführungsform in einer schematischen Ansicht im Querschnitt in einem unbelasteten Zustand und
- 7 das drucksensitive Element aus 6 in einer schematischen Ansicht im Querschnitt in einem belasteten Zustand.
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In 1 ist eine erste Ausführungsform eines drucksensitiven Elements 10 gezeigt. Das drucksensitive Element 10 weist eine kreisförmige Membran 12 auf, welche sich durch eine Beaufschlagung mit Druck in die Blattebene hinein oder aus der Blattebene hinaus wölbt.
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Auf der Oberfläche der Membran 12 ist ein Draht 14 aus einem Formgedächtnismaterial angeordnet. Der Draht 14 ist mäanderförmig auf der Oberfläche angeordnet und deckt die Oberfläche der Membran 12 weitestgehend ab.
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Der Draht 14 weist zwei Enden 16a, 16b auf, die an eine Auswerteeinheit 18 angeschlossen sind. Über die Auswerteeinheit 18 wird an den Draht 14 eine konstante elektrische Spannung angelegt und ferner wird der Stromfluss durch den Draht 14 gemessen.
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Wölbt sich die Membran 12 in die Blattebene hinein oder aus ihr heraus, so verformt sich ebenfalls der Draht 14 aus dem Formgedächtnismaterial und die Länge des Drahtes 14 verändert sich. Verändert sich die Länge des Drahtes 14, so wird dies über einen geänderten Stromfluss mit der Auswerteeinheit 18 detektiert und aus dem Stromfluss wird der auf die Membran 12 wirkende Druck bestimmt. Erfindungsgemäß werden dabei die Eigenschaften des Formgedächtnismaterials genutzt, nämlich eine besonders hohe Elastizität und Temperaturunempfindlichkeit, insbesondere gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Dehnungsmessstreifen.
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Das drucksensitive Element 10 gemäß der ersten Ausführungsform eignet sich insbesondere zur Anwendung in einer aus dem Stand der Technik bekannten Druckmesszelle. Weist die Membran 12 eine Durchgangsöffnung auf, so kann die beschriebene Membran 12 auch in einem Durchflusssensor eingesetzt werden.
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In den 2 bis 7 werden im Folgenden weitere Ausführungsformen erläutert, wobei für identische oder zumindest funktionsgleiche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden, wie zur Beschreibung der ersten Ausführungsform in 1.
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In 2 ist eine zweite Ausführungsform eines drucksensitiven Elementes 12 gezeigt. Dieses weist eine Membran 12 auf, auf welche ein Draht 14 aus Formgedächtnismaterial angeordnet ist. Der Draht 14 ist hier mäanderförmig angeordnet, wobei die Mäander spiralförmig verlaufen sich möglichst parallel zu dem kreisrunden Umfang der Membran 12 erstrecken. Eine solche Anordnung von Draht 14 weist eine besonders große Länge auf.
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Die 3 bis 5 zeigen eine dritte Ausführungsform eines drucksensitiven Elementes 10. Auch hier weist das drucksensitive Element 10 eine Membran 12 auf, welche sich bei Beaufschlagung mit Druck wölbt.
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Die Membran 12 ist in 3 in einer Neutralstellung gezeigt, in welcher kein einseitiger Druck auf die Membran 12 wirkt. In 4 wirkt auf die Membran 12 ein höherer Druck auf die linke Seite als auf die rechte Seite, entsprechend ist die Membran 12 nach rechts gewölbt. In 5 wirkt auf die Membran 12 ein Druck von der rechten Seite und die Membran 12 ist nach links gewölbt.
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Die Membran 12 ist mit einem Draht 14 aus einem Formgedächtnismaterial verbunden, welcher sich von einer Oberfläche der Membran 12 zu einem Widerlager 20 erstreckt. Das Widerlager 20 ist gegenüber einem die Membran 12 haltenden Gehäuse (nicht dargestellt) ortsfest und bewegt sich nicht mit der Membran 12.
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Wölbt sich nun die Membran 12, wie in 4 gezeigt nach rechts, so wird die Länge des Drahtes 14 aus dem Formgedächtnismaterial kleiner. Der Draht 14 ist wie in Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform in 1 erläutert mit einer Auswerteeinheit (hier nicht dargestellt) verbunden und aus der Längenänderung kann der Druck, der auf die Membran 12 wirkt, bestimmt werden.
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Analog dazu längt sich der Draht 14 in dem in 5 gezeigten Zustand, was ebenfalls von der Auswerteeinheit detektiert und daraus der Druck bestimmt werden kann.
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Auch diese dritte Ausführungsform des drucksensitiven Elementes 10 eignet sich insbesondere zur Anwendung in einer Druckmesszelle. Auch hier kann die Membran 12 mit einer Durchgangsöffnung versehen werden und dann in einem Durchflusssensor eingesetzt werden.
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In 6 und 7 ist eine vierte Ausführungsform des drucksensitiven Elementes 10 in einem Schnitt dargestellt. Das drucksensitive Element 10 umfasst hier ebenfalls eine Membran 12, wobei die Membran 12 mittig eine Durchgangsöffnung 22 aufweist und eine Blende bildet. Exemplarisch ist hier nur eine Durchgangsöffnung 22 gezeigt, es können aber auch mehrere Durchgangsöffnungen vorgesehen sein.
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Innerhalb der Membran 12 ist ein Draht 14 aus einem Formgedächtnismaterial angeordnet. Der Draht 14 erstreckt sich innerhalb der Membran 12, jedoch nicht durch die Durchgangsöffnung 22. Ferner ist der Draht 14 mit einer Auswerteeinheit 18 verbunden.
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Das drucksensitive Element 10 ist hier in einem Rohr 24 angeordnet und dient zur Messung eines Volumenstromes durch das Rohr 24. Bei einem definierten Basis-Volumenstrom ist die Membran 12 nicht verformt (vgl. 6) und bildet eine Ebene senkrecht zur Wand des Rohres 24. Erst bei einem erhöhten Volumenstrom (durch Wellenfront 26 verdeutlicht) verformt sich die Membran 12 und mit ihr auch der Draht 14 aus dem Formgedächtnismaterial. Wie vorstehend beschrieben, kann aus der Längenänderung des Drahtes 14 auf den auf die Membran 12 wirkenden Druck und so auf den Volumenstrom geschlossen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- drucksensitives Element
- 12
- Membran
- 14
- Draht aus Formgedächtnismaterial
- 16a, 16b
- Drahtende
- 18
- Auswerteeinheit
- 20
- Widerlager
- 22
- Durchgangsöffnung
- 24
- Rohr
- 26
- Volumenstrom
