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Die Erfindung umfasst eine Vorrichtung zur Erfassung von Drehzahlen und/oder Positionen mit einer Sensoranordnung mit einem Bewegungssensor und/oder einem Positionssensor.
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Derartige Vorrichtungen sind bekannt und werden zur Drehzahl- und/oder Positionsbestimmung vielfältig eingesetzt.
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Die Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe, die Einsatzgebiete einer solchen Vorrichtung zu erweitern.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine durch Druck deformierbare Membran aufweist und dass die Sensoranordnung einen Drucksensor zur Erfassung einer Deformation der Membran aufweist.
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Auf diese Weise ist eine kompakte Sensoranordnung gebildet, mit der zusätzlich zu einer Bewegung oder Position auch ein Druck erfassbar ist. Dies kann beispielsweise eine Position eines Hydraulikzylinders sowie der Druck des Hydrauliköls innerhalb des Hydraulikzylinders sein. Oder es kann eine lineare Bewegung oder Drehzahl, die unter anderem durch das Hydrauliköl angetrieben sein kann, erfasst werden. Diese Bewegung kann linear und/oder rotatorisch sein. Eine mögliche und bevorzugte Anwendung ist hierbei in Hydraulikpumpen und Hydraulikmotoren, bei denen drehende Teile vorhanden sind. In diesen beispielhaften Anwendungsfällen kann durch die erfindungsgemäße Vorrichtung nun auch der Druck im Hydrauliköl direkt bestimmt werden, so dass ein deutlicher
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Informationsgewinn erzielt werden kann, ohne dass zusätzliche Komponenten notwendig sind.
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In einer Ausführung ist der Bewegungs- und/oder Positionssensor ein Drehzahl- oder Drehwinkelsensor. Somit kann beispielsweise eine Drehzahl einer Pumpe erfasst werden. Über einen Drehwinkelsensor können etwa absolute Winkelpositionen, etwa eine Ventilstellung, innerhalb eines Fluids erfasst werden.
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In einer Ausführung weist der Bewegungs- und/oder Positionssensor einen Hall-Sensor, einen Differenz-Hall-Sensor oder einen xMR-Sensor auf. Solche Hall-Sensoren sind zuverlässig sowie einfach und kostengünstig einsetzbar. magnetisch vorgespannte GMR oder TMR Sensoren haben zusätzlich den Vorteil, dass sie auch über größere Entfernungen ferromagnetische Geberräder erfassen können. Insbesondere über Entfernungen die deutlich größer als 2 mm, insbesondere größer als 4 mm betragen. Das kann eine günstigere Positionierung der Teile, insbesondere der im Fluid sich drehenden oder sich bewegenden Teile, ermöglichen. Dadurch kann zudem zusätzlicher Bauraum für eine Umhausung geschaffen werden. Hierdurch wird in erster Linie die Konstruktion des vor dem Drehzahlsensor befindlichen Drucksensors erleichtert.
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In einer Ausführung weist die Sensoranordnung einen Temperatursensor auf. Dadurch kann die Sensoranordnung weitere Funktionen bieten und somit einen kompakteren Aufbau ermöglichen. Die Temperaturmessung kann dabei eine Temperatur im Fluid und/oder auch im Innenraum erfassen. Eine Fluid-Temperatur könnte eine zusätzliche Information zum Fluid liefern, die beispielsweise Rückschlüsse auf die Viskosität zulässt.
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In einer Ausführung weist die Sensoranordnung wenigstens einen Beschleunigungssensor auf. Dadurch können beispielsweise Vibrationen oder auch Bewegungen des gesamten Systems ermittelt werden. Dadurch könnten etwa Messfehler und Ungenauigkeiten bei der magnetischen Bewegungsmessung ausgeglichen werden.
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In einer Ausführung trennt die Membran einen Innenraum von einem Außenraum der Vorrichtung und die Sensoranordnung ist im Innenraum angeordnet. Dadurch kann beispielsweise eine Abdichtung des Innenraums erzielt werden. Dies ermöglicht beispielsweise eine Anordnung der Vorrichtung in einem Hydraulikzylinder.
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In einer Ausführung ist der Drucksensor als ein piezoelektrischer Drucksensor oder ein Dehnmesstreifen ausgebildet. Diese Drucksensoren sind sehr einfach aufgebaut und daher robust und kostengünstig.
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In einer Ausführung ist der Drucksensor auf der Membran oder unmittelbar benachbart zur Membran angeordnet ist. Dadurch ist ein sehr einfacher Aufbau des Drucksensors möglich.
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In einer Ausführung ist der Bewegungssensor und/oder der Positionssensor in Bezug auf die Membran hinter dem Drucksensor angeordnet, wobei deren Messwerterfassung durch die Membran hindurch erfolgt. Auf diese Weise ist ein besonders kompakter Aufbau der Sensoranordnung möglich.
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In einer alternativen Ausführung ist der Bewegungssensor und/oder der Positionssensor neben der Membran angeordnet.
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In einer Ausführung ist der Bewegungs- und/oder Positionssensor zu einer Erfassung einer Bewegung- und/oder Position eines magnetisch wechselwirkenden, beweglichen, außerhalb des Innenraums in einem Fluid angeordneten Teils eingerichtet, wobei ein Druck des Fluids mit dem Drucksensor erfassbar ist. Hierzu kann beispielsweise ein Permanentmagnet innerhalb des Fluids angeordnet sein, dessen Bewegung beispielsweise durch einen Hallsensor erfasst wird.
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In einer Ausführung weist die Sensoranordnung eine Leiterplatte auf, mit der die Sensoren verbunden sind. Auf der Leiterplatte kann beispielsweise eine Ansteuer- und Auswerteelektronik für die Sensoranordnung angeordnet sein.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist die Leiterplatte parallel zur Membran hinter dem Drucksensor angeordnet. Somit ist ein platzsparender Aufbau des Drucksensors und einer zugehörigen Auswerte- oder Ansteuerschaltung in einer Art Sandwich möglich.
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In einer Ausführung ist der Bewegungssensor und/oder der Positionssensor in Bezug auf den Drucksensor hinter der Leiterplatte angeordnet ist. Auf diese Weise erfolgt die Messung nicht nur durch die Membran und den Drucksensor hindurch, sondern zusätzlich auch durch die Leiterplatte. Dadurch ist ein sehr kompakter Aufbau der Sensoranordnung möglich. Beispielsweise kann der Hallsensor direkt auf der Rückseite, also der Membran abgewandten Seite, der Leiterplatte angeordnet sein.
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In einer Ausführung weist die Vorrichtung ein Gehäuse, mit wenigstens einem topfartigen Gehäuseteil und einem Deckel, der das topfartige Gehäuseteil verschließt, auf. Somit ist eine einfache Herstellung des Gehäuses und eine einfache Montage der Vorrichtung ermöglicht.
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In einer Ausführung sind die Membran und die Sensoranordnung an dem Deckel angeordnet, wodurch ein sogenannter Deckelaufbau ermöglicht ist. Hierbei werden zunächst alle Komponenten am Deckel angeordnet und der Deckel mit den Anbauten erst nach der vollständigen Montage auf das topförmige Teil aufgesetzt.
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In einer Ausführung sind die Membran und die Sensoranordnung in dem topfförmigen Gehäuseteil angeordnet sind, wodurch ein sogenannter Topfaufbau ermöglicht ist. Hierbei werden zunächst alle Komponenten im topförmige Teil angeordnet und anschließend der Deckel aufgesetzt.
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In einer Ausführung ist die Membran einteilig mit dem Deckel oder dem topfförmigen Gehäuseteil ausgebildet. Dadurch ist eine einfache Herstellung möglich und die Membran muss nicht befestigt und/oder abgedichtet werden.
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In einer alternativen Ausführung ist die Membran separat ausgebildet und an einer Gehäuseöffnung in dem Deckel oder dem topfförmigen Gehäuse angeordnet. Dadurch kann eine flexiblere Positionierung und eine einfachere Montage der Membran erfolgen.
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Dadurch kann auch eine nachträgliche Montage an bestehende Anlagen ermöglicht sein.
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Die Erfindung umfasst auch eine Verwendung eines Bewegungs- und/oder Positionssensors zu einer Erfassung einer Bewegung- und/oder Position eines magnetisch wechselwirkenden, beweglichen, außerhalb des Innenraums in einem Fluid angeordneten Teils, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungs- und/oder Positionssensor im Innenraum eines Drucksensors angeordnet ist, insbesondere wobei ein Druck des Fluids mit dem Drucksensor erfasst wird.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigt:
- 1 eine erste Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Deckelaufbau der Sensoranordnung mit einer integrierten Membran,
- 2 eine zweite Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Topfaufbau der Sensoranordnung mit einer integrierten Membran,
- 3 eine dritte Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Topfaufbau der Sensoranordnung mit einer separaten Membran,
- 4 eine vierte Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Topfaufbau der Sensoranordnung mit einer separaten Membran,
- 5 eine fünfte Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Deckelaufbau der Sensoranordnung mit einer separaten Membran, und
- 6 verschiedene magnetisch wirksame Teile zur Verwendung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Erfindungsgemäße Ausführungen der Vorrichtung sind nachfolgend mit Bezug auf die 1 bis 5 erläutert. Gleiche Teile sind dabei jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und es werden nur die Unterschiede zu anderen Ausführungen erläutert. Die 1 bis 5 zeigen jeweils eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 mit einem Gehäuse 2, das jedoch jeweils nicht vollständig gezeigt ist.
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Die 1 zeigt eine erste Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Die Vorrichtung 1 weist im Beispiel ein zweiteiliges Gehäuse 2 auf, das einen Deckel 8 und ein topfförmiges Gehäuseteil 9 besitzt. Integriert, also einteilig mit dem Deckel 8, ist eine Membran 10 ausgebildet, die einen Innenraum 11 des Gehäuses 2 von einem Außenraum 12 trennt.
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Im Innenraum 11 ist eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 3 angeordnet. Diese Sensoranordnung 3 umfasst einen Drucksensor 13, der an der Membran 10 angeordnet ist, so dass eine Verformung der Membran 10 durch den Drucksensor 13 erfasst werden kann. Der Drucksensor 13 kann beispielsweise ein piezoelektrischer Drucksensor oder ein Dehnmessstreifen sein, der auf der Membran angeordnet ist und mit dieser fest verbunden ist.
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Die Sensoranordnung 3 weist weiter einen Hall-Sensor 14 als Bewegungs- oder Positionssensor 24 auf, der in Bezug auf die Membran 10 hinter dem Drucksensor 13 angeordnet ist. Der Hall-Sensor 14 erfasst ein Magnetfeld daher durch die Membran 10 und den Drucksensor 13 hindurch. Dadurch ist eine sehr kompakte Anordnung der Sensoranordnung 3 ermöglicht, so dass ein sehr kleines und platzsparendes Gehäuse 2 verwendet werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 ist somit auch für Anwendungen geeignet, in denen wenig Bauraum vorhanden ist.
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Anstelle des Hall-Sensors kann auch ein Differenz-Hall-Sensor oder ein GMR- oder TMR-Sensor vorhanden sein.
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Die Sensoranordnung 3 weist weiter eine Leiterplatte 17 auf, die im Beispiel parallel zur Membran 10 ausgerichtet ist und in Bezug auf die Membran 10 hinter dem Hall-Sensor 14 angeordnet ist. Der Drucksensor 13 und der Hall-Sensor 14 sind über elektrische Leitungen 25 mit der Leiterplatte 17 verbunden. Auf der Leiterplatte kann beispielsweise eine Ansteuer- und Auswerteelektronik, insbesondere mit einem Mikrocontroller oder Mikroprozessor, für die Sensoren angeordnet sein.
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In dieser Ausführung ist die Vorrichtung 1 als sogenannter Deckelaufbau ausgebführt. Das bedeutet, dass die Sensoranordnung komplett auf dem Deckel 8 des Gehäuses 2 vormontiert wird, bevor der Deckel 8 mitsamt dem Aufbau auf das topförmige Gehäuseteil 9 aufgesetzt wird. Der Deckel 8 ist gegenüber dem topfförmigen Gehäuseteil 9 durch eine Dichtung 15 abgedichtet.
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Das Gehäuse 2 kann beispielsweise zylinderförmig ausgebildet sein. Die Dichtung 15 kann dann beispielsweise ein O-Ring sein, der an einer ringförmigen Kante 16 des Deckels 8 anliegt.
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Im Außenraum 12 ist jedenfalls ein magnetisches Teil 7 angeordnet, das gegenüber dem Hall-Sensor 14, auf der anderen Seite der Membran 10 angeordnet ist.
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Die Ausführung der 2 unterscheidet sich von der 1 dadurch, dass die Membran 10 hier einstückig mit dem topfförmigen Teil 9 des Gehäuses 2 ausgebildet ist. Im Beispiel befindet sich die Membran am geschlossenen, axialen Gehäuseboden 18 des topfförmigen Teils 9. Die Membran 10 könnte aber auch an einem Seitenteil angeordnet sein.
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Des Weiteren ist hier ein sogenannter Topfaufbau verwendet, bei dem die Sensoranordnung vollständig in das topfförmige Gehäuseteil 9 eingebaut wird und das Gehäuse schließlich mit einem Deckel 8 verschlossen wird.
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Die Sensoranordnung 3 ist ähnlich aufgebaut, wie die Sensoranordnung 3 in der 1, wobei hier der Hall-Sensor 14 direkt auf der Leiterplatte 17 montiert, vorzugsweise aufgelötet, ist.
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Die 3 zeigte eine Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, mit einem Topfaufbau gemäß der 2. Der Gehäuseboden 18 weist hier jedoch eine Gehäuseöffnung 19 auf, an die ein Kanal 20 anschließt, der in axialer Richtung in den Innenraum 11 des Gehäuses 2 führt. Am inneren Ende des Kanals 20 ist eine Membran 10 aufgesetzt. Im Beispiel weist die Membran 10 am Umfang einen Rand 21 auf, dessen Durchmesser und Wandstärke denen des Kanals entsprechen. Dieser Rand 21 ist auf die Stirnseite des inneren Endes des Kanals 20 aufgesetzt. Zwischen Kanal 20 und Rand 21 ist eine Dichtung 22 angeordnet. Diese Dichtung kann auch eine druckfeste Verbindung zwischen Kanal 20 und Rand 21 herstellen, etwa in Form eines Klebstoffes.
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Der Drucksensor 13 ist auf der Membran 10 angeordnet, so dass Verformungen der Membran 10 registriert werden können. Der Drucksensor 13 ist auf einer Leiterplatte 17 angeordnet. In dieser Ausführung ist anstelle des Hall-Sensors ein GMR-Sensor 23 als Bewegungs- oder Positionssensor 24 auf der Rückseite der Leiterplatte 17, gegenüber dem Drucksensor 13, angeordnet und direkt verlötet. Die Erfassung des Magnetfeldes des magnetischen Teils 7 im Außenraum 12 erfolgt somit durch den Kanal 20, die Membran 10, den Drucksensor 13 und die Leiterplatte 17 hindurch. Aufgrund des Abstandes zwischen magnetischen Teil 7 und dem Bewegungs- oder Positionssensor 24 ist hier der Einsatz eines GMR-Sensors 23 oder auch TMR-Sensor vorteilhaft.
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Die Ausführung der 4 unterscheidet sich von der Ausführung der 3 dadurch, dass der Bewegungs- oder Positionssensor 24 am Gehäuseboden 18 des topfförmigen Gehäuseteils 9 angeordnet ist, also neben dem Kanal 20. Der Bewegungs- oder Positionssensor 24 kann hier aufgrund der geringeren Entfernung zum magnetischen Teil 7 auch ein Hall-Sensor 14 sein. Der Hall-Sensor 14 ist über elektrische Leitungen 25 mit der Leiterplatte 17 verbunden.
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Die Ausführung der 5 entspricht der Ausführung der 4, wobei ein Deckelaufbau verwendet ist. Alle Merkmale der Ausführung der 4 sind am Deckel 8 angeordnet statt am Gehäuseboden 18 des topfförmigen Gehäuseteils 9.
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In 6 (a) bis (c) sind exemplarisch drei verschiedene Ausführungen eines magnetischen Teils 7 abgebildet. Das magnetische Teil 7 in 6 (a) ist beispielsweise ein Rund- oder Stabmagnet, der vier Magnetpole 16 aufweist, die radial abwechselnd, gegensinnig magnetisiert sind.
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Das magnetische Teil 7 der 6 (b) weist abweichend von der 7 (a) nur zwei Magnetpole auf.
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Das magnetische Teil 7 der 6 (c) ist ein Stabmagnet, der axial drei abwechselnd magnetisierte Magnetpole 16 aufweist.
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Neben diesen exemplarisch aufgeführten Ausführungen gibt es zahlreiche weitere Möglichkeiten für das magnetische Teil, die auch von der Anwendung abhängen können. Die Erfindung soll daher in keiner Weise auf die hier gezeigten Ausführungen beschränkt sein.
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6 (d) zeigt als magnetisch wirksames Teil ein ferromagnetisches Geberrad 7', das anstelle eines magnetischen Teils 7 verwendet werden kann, beispielsweise kombiniert mit einem magnetisch vorgespannten Hallsensor. Eine Bewegung, etwa eine Rotation, des ferromagnetischen Geberrades 7' verändert dabei das Magnetfeld des magnetisch vorgespannten Hallsensors, der diese Magnetfeldänderung registriert. Anstelle eines Geberrades kann beispielsweise auch ein ferromagnetisches Teil linear bewegt sein.
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Wird das magnetische Teil innerhalb eines Fluids bewegt, rotatorisch oder axial, ändert sich durch die abwechselnden Magnetpole 16 des magnetischen Teils 7 das Magnetfeld, das der Hall-Sensor 14 sieht, ständig. Auf diese Weise ist eine Bestimmung einer Drehzahl und/oder einer Position ermöglicht, wobei das Messprinzip im Stand der Technik grundsätzlich bekannt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung zur Druckmessung
- 2
- Gehäuse
- 3
- Sensoranordnung
- 4
- Hydraulikpumpe
- 5
- Antriebsmotor
- 6
- Welle
- 7
- magnetisches Teil
- 7'
- ferromagnetisches Geberrad
- 8
- Deckel
- 9
- topfförmiges Gehäuseteil
- 10
- Membran
- 11
- Innenraum
- 12
- Außenraum
- 13
- Drucksensor
- 14
- Hall-Sensor
- 15
- Dichtung
- 16
- ringförmigen Kante
- 17
- Leiterplatte
- 18
- Gehäuseboden
- 19
- Gehäuseöffnung
- 20
- Kanal
- 21
- Rand
- 22
- Dichtung
- 23
- GMR-Sensor
- 24
- Bewegungs- oder Positionssensor
- 25
- elektrische Leitung
