DE1573604A1

DE1573604A1 - Verfahren zur Fluessigkeitsdruckmessung mit Halbleitern

Info

Publication number: DE1573604A1
Application number: DE19651573604
Authority: DE
Inventors: Kazuo Yasunami
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1964-07-24
Filing date: 1965-07-23
Publication date: 1970-05-21
Also published as: GB1110137A; SE332724B; US3498142A

Description

Patentanwalt Dipi.-Phys. GERHARD LIEDL · 8 Mönchen 22, Steinsdorfstraße 22

lelefufi 29H&2 Fernschreiber 05;22208

KOEB STEEL ITD.
No. 36-1 Wakinohamacho l-chorne, Fukiai-ku, Kobe / Japan

Verfahren zur fflüssigkeitsdruckmessung mit Halbleitern

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von J¹IUssigkeitsdrücken unter Verwendung von Halbleitern. Erfindungsgemäß wird eine Druckflüssigkeit in einen Druckbehälter! d»h· einen druokempfindliehen Behälter, eingeführt, so daß in dessen Wandungen entsprechend dem Flüssigkeitsdruck Spannungen und Dehnungen erzeugt werden, die mit Hilfe von meh-

H/Ho · - '

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reren Halbleitern elektrisch an der Wand des Druckgefäßes gemessen werden« Die elektrischen Meßgrößen werden mit Hilfe eines Voltmeters gemessen, an dem durch eine geeignete Umrechnungsskala sofort der Flüssigkeitsdruck abgelesen werden kann. Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Zur Messung von Flüsaigkeitsdrücken ist das sogenannte Bourdon-Rohr bekannt. Diese Vorrichtung weist jedoch den Nachteil auf, daß durch den Flüssigkeitsdruck selbst ein Zeiger mechanisch betätigt wird, so daß die Flüssigkeit, deren Druck gemessen werden soll, in das Rohr eingeführt werden muß₀ Das Bourdon-Rohr ist deshalb nicht dazu geeignet, als eine automatisch arbeitende Steuer- und Kontrolleinrichtung zu dienen« Insbesondere die Messung von kleineren und schnelleren Druckschwankungen ist sehr unzuverlässig. Auch der Druckbereich, der exakt mit einem Bourdon-Rohr gemessen werden kann, ist sehr beschränkt. Darüber hinaus sind noch verschiedene Druckmeßvorrichtungen bekannt, die jedoch alle mehr oder weniger den Nachteil aufweisen, daß sie in der Herstellung sehr teuer sind und darüber hinaus nur in beschränktem Maß angewendet werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung von Flüssigkeitsdrücken kann sehr einfach mit Hilfe einer einfachen Vorrieh-

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tung ausgeführt werden, die im wesentlichen aus einem druckempfindlichen Gefäß mit mehreren an den Wänden angeordneten Halbleiterelementen, sowie aus einem Voltmeter besteht„ Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Flüssigkeitsdruck dadurch gemessen, indem die Dehnungen in den Wänden des Druckgefäßes in elektrische Meßgrößen umgewandelt werden, was mit Hilfe von mehreren Halbleitern erfolgt, die an der Wand des Druckgefäßes angeordnet sind· Dadurch daß der Flüssigkeitsdruck mit Hilfe von elektrischen Meßgrößen bestimmt wird, kann die Ablesung oder beispielsweise graphische Aufzeichnung des gemessenen Flüssigkeitsdruckes in einer beliebigen, gewünschten Entfernung vom Druckmedium erfolgen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist deshalb sehr gut geeignet zur automatischen Steuerung und Kontrolle von Druckflüssigkeiten, sowie für Fernsteuerungssysteme«, Wenn die Werkstoffe für die druckempfindlichen Elemente und die Halbleiterelemente, sowie Anordnung derselben im Druckgefäß geeignet gewählt werden, können die Beziehungen zwischen dem Flüssigkeitsdruck, den Dehnungen im Druckgefäß und die elektrischen Widerstandsänderungen theoretisch bestimmt werden. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann Bomit sehr einfach und leicht der Flüssigkeitsdruck bestimmt werden, ohne daß hierfür - wie sonst üblich - experimentell und umständlich zu bestimmende Eiohkurven erforderlich sind* Weiterhin kann erfindungsgemäß ein sehr weiter Druekbereich gemessen werden, der von einigen zahn

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Ms zu einigen zehntausend Atmosphären reichte Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ißt darin zu sehen, daß sowohl statische als auch dynamische Drücke "bestimmt werden können. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist sehr handlich und ohne weiteres transportierbar, da als elektrische Stromquelle eine Trockenbatterie benutzt werden kann» Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann ebenso wirtschaftlich wie ein bisher bekanntes Bourdon-Rohr hergestellt werden, und weist darüber hinaus den Vorteil auf, daß es wesentlich vielseitiger anwendbar ist.

Bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen druckempfindlichen Behälters ist darauf zu achten, daß die Werkstoffe und die Anordnung eines derartigen Druckgefäßes so gewählt werden, daß die Beziehungen zwischen dem gemessenen Flüssigkeitsdruck und den elastischen Dehnungen in der Wand des Druckbehälters den theoretisch vorausberechneten Werten entsprechen. Bei Benutzung eines diesen Erfordernissen entsprechenden Druckgefäßes sind die Flüssigkeitsdrüoke und die Dehnungen in der Wand des Druckgefäßes linear voneinander abhängig. Zur Anzeige des Flüssigkeitsdruckes kann somit eine Skala mit äquidistanten Maßstabes benutzt werden, weshalb sich die sonst erforderliche, umständliche, experimentelle Bestimmung von Eichkurven erübrigt.

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Im allgemeinen entstehen in der Wand des druckempfindlichen Behälters sowohl Expansions- (positive), als auch Kompressionsdehnungen (negative Dehnungen)«, Die erfindungsgemäß benutzten Halbleiterelemente sind vorzugsweise vom p- und vom η-Typ. Die Dehnungsmeßstellen mit den Halbleiterelementen werden über Brückenschaltung miteinander verbunden, so daß eine genaue Plüssigkeitsdruckmessung aufgrund der verstärkten Dehnungsmeßgrößen möglich ist«.

Nähere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der beiliegenden Zeichnung ersichtlich,.

Es zeigen:

Pig« 1 eine schematische Darstellung, teilweise aufgebrochen, einer bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Ausführungsform eines Halbleiters;

Fig_e 2 eine Ansicht ähnlich der gemäß Figo 1 betreffend eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die mit denselben Halbleitern gemäß Figo 1 versehen istj

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Figo 3 eine Draufsicht auf die Ausführungsform gemäß Pig» I;

Fig· 4 eine Draufsicht auf die Ausführungsform gemäß Fig. 2;

Figo 5 einen elektrischen Schaltplan der Ausführungsform äß den Figuren 1 und 2$

Fig. 6 eine Aneicht, teilweise aufgebrochen, einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei verschiedenen Arten von Halbleiterelementen;

Fig. 7 eine Ansicht ähnlich der gemäß Figo 6 betreffend eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Verwendung derselben Halbleiterelemente gemäß Figo 6}

Fig, 8 eine Draufsicht auf die Ausführungsform gemäß Fig, 6j

Fig· 9 eine Draufsicht auf die Ausführungsform gemäß Fig. 7i

Fig. 10 einen elektrischen Schaltplan der Ausführungsformen gemäß den Figuren 6 und 7 der Zeichnung.

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In den Figuren 1 und 2 der Zeichnung sind zwei "bevorzugte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, in denen jeweils dieselben Arten von Halbleiterelementen benutzt sind. Die Ausführungsform nach Figur 1 der Zeichnung besteht aus einem zylindrischen Gehäuse 1 mit einer zentrischen Bohrung 1·, einem in die zentrische Bohrung 1' eingesetzten Innenteil 2 mit einem Mittelteil reduzierten Durchmessers, sowie aus einer ringförmigen Druckkammer 4, die von der Wand des Innenteiles 2 im Bereich der Einschnürung und von der Wand der Bohrung I¹ gebildet wird. An einander gegenüberliegenden, äußeren Enden des Innenteiles 2 sind in Ringnuten 2^! jeweils Ringdichtungen 3 angeordnet, die das Innenteil 2 gegen das zylindrische Gehäuse abdichten. Das Innenteil 2 ist mit einer I-förmigen Ausneh-

die

mung 5 im unteren Teil versehen,/mit ihrem oberen horizontalen Teil mit der Druckkammer 4 und mit ihrem unteren Teil mit einer nicht dargestellten Flüssigkeitsquelle in Verbindung stehtβ Es herrscht somit in der Druckkammer 4 derselbe Flüssigkeitsdruck wie in der Flüssigkeitsquelle«, Am äußeren Umfang des zylindrischen Gehäuses 1 sind vier rechteckige Halbleiter 6a und 6b in gleichen Abständen voneinander angeordnet. Diese Halbleiterelemente sind alle vom selben Typ, d.h. entweder vom p-Typ oder vom η-Typ. Wie aus Figur 1 der Zeichnung zu entnehmen ist, sind die vier Halbleiterelemente 6a und 6b in zwei Gruppen aufgeteilt, d.h_e die erste

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Gruppe "besteht aus den Halbleiterelementen 6a und die zweite Gruppe aus den beiden Halbleiterelementen 6b« Die Jeweiligen Halbleiterelemente 6a und 6b sind einander genau gegenüberliegend im mittleren Teil am äußeren Umfang des zylindrischen Gehäuses 1 angeordnet«, Die Halbleiterelemente 6a sind mit ihren längeren Achsen rechtwinkelig zur Achse des zylindrischen Gehäuses 1 ausgerichtet. Die Halbleiterelemente 6b sind mit ihren längeren Achsen parallel zur Achse des zylindrischen Gehäuses 1 ausgerichtete

Die Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Figur 2 der Zeichnung besteht aus einem äußeren zylindrischen Gehäuse 10 mit einer ringförmigen Ausnehmung an der Innenwan — dung und aus einem zum zylindrischen Gehäuse 10 koaxial angeordneten zylindrischen Innenteil 11 mit einer ringförmigen Ausnehmung an der Außenwand. Die beiden ringförmigen Ausnehmungen in den beiden zylindrischen Teilen 10 und 11 haben dieselbe länge und ergeben, wie Figur 2 der Zeichnung zu entnehmen ist, in ihrer Zusammenwirkung eine ringförmige Druckkammer 15. Mit Schweißnähten 12 sind die beiden zylindrischen Teile 10 und 11 miteinander verbunden. Das äußere zylindrische Teil 10 weist einen Flüesigkeitseinlaß 14 am äußeren Umfang auf, an den eine nicht dargestellte Flüssigkeitsquelle angeschlossen werden kann. Das andere Ende dee Flüssigkeitseinlassee steht mit der Druckkammer 13 in Verbindung ·

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Weiterhin sind vier rechteckige Halbleiter 6a und 6b vorgesehen, die denen gemäß der AusführungBform nach Figur 1 der Zeichnung entsprechen« Jeweils zwei ^albleiterelemente sind jeweils zu einem Paar zusammengefaßt. Die Halbleiter 6a sind im mittleren Teil des zylindrischen Gehäuses 10 am äußeren Umfang desselben einander direkt gegenüberliegend angeordnet, wobei ihre längeren Achsen einen rechten Winkel zur Achse des zylindrischen Teiles 10 bilden. Die Halbleiterelemente 6b sind einander direkt gegenüberliegend im mittleren Teil des zylindrischen Innenteiles 11 am inneren "umfang desselben an« geordnet, wobei ihre längeren Achsen einen rechten Winkel zur Achse des inneren zylindrischen Teiles 11 bilden.

Die Halbleiterelemente 6a und 6b sind in einer Brückenschaltung gemäß ligur 5 zusammengeschaltet. Dabei sind die Halbleiterelemente 6a in den Zweigen 7¹ und 7" der Brückenschaltung 7 angeordnet im Gegensatz zu den Halbleiterelementen 6b, die in den Zweigen 7^nt und 7"" vorgesehen sind. Eine geeignete elektrische Spannungsquelle 8 wird zwischen zwei einander gegenüberliegende.Anschlüsse der Brückenschaltung ge-Bchaltet. Ein Voltmeter 9 wird zwischen den beiden verbleibenden, ebenfalls einander gegenüberliegenden Anschlüssen der Brückenschaltung 7 eingeschaltet. Die Halbleiter 6a und 6b sind somit mit der elektrischen Spannungsquelle 8 und dem Voltmeter 9 jeweils elektrisch verbunden.

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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Figur 1 der Zeichnung arbeitet wie folgt: Wenn eine Druckflüssigkeit über die T-förmige Einlaßöffnung 5 des Innenteiles 2 in die ringförmige Druckkammer 4 eingeführt wird, so werden auf der Außenfläche des zylindrischen Gehäuses 1 infolge von Zugspannungen Dehnungen ^ε1 und ε 2 erzeugt» Aufgrund dieser Expansionsdehnungen εΐ und ε2 werden gleichzeitig Kompressionsdehnungen ε3 und ε 4 erzeugt, da eine freie Formänderung des zylindrischen Gehäuses 1 in axialer Eichtung möglich ist. Sämtliche Dehnungen ε 1 bis ε 4 an der Außenfläche des zylindrischen Gehäuses 1 werden durch die Halbleiter 6a und 6b gemessen und in elektrische Meßgrößen umgeformt. Bei einer Wandstärke K des zylindrischen Gehäuses 1, einem Elastizitätsmodul E des Gehäusewerkstoffes, einer Poisson¹sehen Querkontraktionszahl μ, einem Innendruck P im zylindrischen Gehäuse 1 ergeben sich die Beziehungen zwischen dem Innendruck P und den Dehnungen 1 bis 4 zuj

Dehnungen in Umfangsrichtung:

ε 1 β ε 2 * _ ρ

E (K² - 1)

Dehnungen in axialer Richgung:

ε 3 - ε4 - ~^Ζμ ,

E (K² - 1)

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Aufgrund zahlreicher Experimente konnte festgestellt werden, daß die praktischen Versuchsergebnisse mit den theoretischen Werten nach den obigen G-leichungen übereinstimmen« Die durch die Brückenschaltung 7 gemäß Pig. 5 bestimmten Dehnungen können durch die folgende Gleichung beschrieben werden:

(εΐ + ε2) - (ε3 + ε+) -2(ει - zj>) «= P

E (K* ~ 1)

Es läßt sich nun ohne weiteres erreichen, daß der Ausdruck (1 +μ ) /Ε (K - 1) konstant bzw₀ eine ganze Zahl ist, so daß die Beziehung zwischen den Dehnungen ε und dem Flüssigkeitsdruck P linear ist« Die Größen M-, E und K können nun so gewählt werden, daß der Ausdruck 4 (l + μ ) / E (K - l) eine ganze Zahl oder vorzugsweise 1 ist_e Im letzteren Fall entsprechen dann Änderungen der Dehnungen ^ε genau den Änderungen des Flüssigkeitsdruckes P.

Die beiden zylindrischen Teile 10 und 11 der Vorrichtung gemäß Fig. 2 der Zeichnung sind vorzugsweise aus demselben Werkstoff hergestellt» Die Wandstärken der beiden zylindrischen Teile 10 und 11 sind Kl und K2. Unter der Voraussetzung, daß die axialen Dehnungen sehr klein und somit vernachlässigbar sind, können die Dehnungen εΐ bis ε 4 an den Wandungen der beiden zylindrischen Teile 10 und 11 durch die folgenden Gleichungen beschrieben werdeni

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Dehnungen in Umfangsrichtung am äußeren Umfang des äußeren zylindrischen Teiles 10:

ε₂ m . P

E (E? - 1)

Dehnungen in Umfangsrichtung an der Innenwand des inneren zylindrischen Teiles 11:

- 2 K-I

E (K₂ ~ 1)

Die mit Hilfe der Brückenschaltung 7 gemäß Figur 5 gemessenen Dehnungen ergeben sich zu:

(^ε1+^Ε2) - (ε3+^ε4) -2 (ει - ε3) _β

K² + ^K2

- ι

Die Größen E und K werden so gewählt, daß sich in den vorstehenden Gleichungen jeweils auf der rechten Seite der Paktor von P als eine ganze Zahl oder zu 1 ergibt.

Bei den Ausführungsformen nach den Figuren 6 bis 10 der Zeichnung wird eine Kombination von Halbleiterelementen

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vom p-Typ und η-Typ benutzt. Die Vorrichtung gemäß Figur bestellt aus einer Hohlkugel 20 mit einem Flüssigkeitseinlaß 21 am Boden, der an einem Ende mit einer nicht dargestellten Flüssigkeitsquelle und am anderen Ende mit einem Hohlraum 20* im Innern der Kugel 20 in Verbindung steht«, Der Hohlraum 20' dient zur Aufnahme einer Druckflüssigkeit,, Ein erstes Paar von rechteckigen Halbleitern 22p vom p-Typ und ein zweites Paar von rechteckigen Halbleitern 22n vom η-Typ sind am äußeren Umfang der Hohlkugel 20 in etwa einander gegenüberliegend zum Einlaß 21 angeordnet. Diese Anordnung kann in beliebigen Richtungen erfolgen.

Die Vorrichtung gemäß Figo 7 der Zeichnung besteht aus einem Hohlzylinder 23 mit einem Einlaß 24 für eine Druckflüssigkeit, Der Einlaß 24 ist am Boden des zylindrischen Behälters 23 angeordnet und steht mit seinem einen Ende mit einer nicht dargestellten Flüssigkeitsquelle und mit seinem anderen Ende mit einem Hohlraum 23' im Innern des zylindrischen Behälters 23 in Verbindung. Ein erstes Paar von Halbleitern 22p vom p-Typ und ein zweites Paar von Halbleitern 22n vom η-Typ sind vertikal im wesentlichen im mittleren Teil des zylindrischen Behälters 23 am äußeren Umfang desselben angeordnet. Alle vier Halbleiter weisen dieselbe rechteckige Gestalt auf und ihre längeren Achsen bilden mit der Achse des zylindrischen Behältere 23 einen rechten Winkel.

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Die Halbleiter 22p und 22n gemäß den Figuren 6 und 7 der Zeichnung sind in den einzelnen Zweigen einer Brückenschaltung gemäß Figur 10 der Zeichnung angeordnet. Die leiter 22p sind in den Zweigen 25' und 25" eingeschaltet. Die Halbleiter 22n sind in den Zweigen 25" ■ und 25"" 'eingeschaltet. Eine geeignete elektrische Spannungsquelle 26 ist mit jeweils einander gegenüberliegenden Anschlüssen der Brückenschaltung verbunden« Das gleiche gilt hinsichtlich der Schaltung eines Voltmeters 27, das zwischen die beiden restlichen einander gegenüberliegenden Anschlüsse der Brückenschaltung 25 eingeschaltet ist. Es sind somit, wie aus Figur 10 der Zeichnung zu entnehmen ist, die H_ait>_ leiter 22p und 22n elektrisch mit der Spannungsquelle 26 und mit dem Voltmeter 27 verbunden.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Figur 6 der Zeichnung arbeitet wie folgt: Aufgrund der Einwirkung des Flüssigkeitsdruckes P auf die Wandung des kugelförmigen Gehäuses 20 entstehen auf der gesamten äußeren Oberfläche der Hohlkugel 20 Expansionsdehnungen ε ρ und ε η, die durch die vier halbleiter 22p und 22n gemessen werden und durch die folgende Gleichung ausgedruckt werden können:

2E (IT - 1)

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Bei einer Größenänderung der Dehnungen ε werden in den einander jeweils gegenüberliegenden Halbleitern 22p bzw₀ 22n jeweils gleiche Widerstandsänderungen erzeugt, so daß sich zwischen den Dehnungen ε und dem Druck P folgende Beziehung .ergibt:

2 ί(ερ - ( -en)l - 2 (ε_ρ + ε_η) = Ρ

E (K ~ 1)

Die Größen E, K und μ sind so gewählt, daß der Faktor von P auf deriechten Seite der vorstehenden Gleichung eine ganze Zahl oder vorzugsweise 1 ist.

Pur die Vorrichtung gemäß Figur 7 der Zeichnung ergibt sich folgender Zusammenhang zwischen den Dehnungen ^ε und dem Flüssigkeitsdruck P:

2 — u
ε ρ = εη » —~^

E (K* - 1)

Die hierbei mit der Brückenschaltung 25 nach Figur 10 der Zeichnung gemessenen Dehnungen ε entsprechen der folgenden Beziehung:

2 ί(ερ - ( - εη)ϊ = 2 (e_p + ε_η) _β _ρ C J E (K² - 1)

Der Faktor von P auf der rechten Seite der vorstehenden Gleichung ist durch geeignete Wahl der Größen E, K und V-gleich einer ganzen Zahl oder gleich 1.

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Y/enn in einer Vorrichtung verschiedene Arten von Halbleiterelementen benutzt werden, so müssen dieselben gleiche thermische Eigenschaften haben.

Von dein vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren, sowie von den erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind entsprechend dem jeweiligen Anwendungsfall verschiedene Abwandlungen möglich, die der Durchschnittsfachmann jederzeit ohne erfinderisches Zutun vornehmen kann.

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Claims

Patentanspruch

Verfahren zur iüessung von 11 üssigkeitsdrücken, dadurch gekennzeichnet, daß eine Druckflüssigkeit in einen druckempfindlichen Behälter eingeführt wird zur Erzeugung von Expansionsdehnungen und/oder K.ompr es sionsdehnungen in der Behälterwand, daiD der Behälter insbesondere hinsichtlich seiner geometrischen Abmessungen so gewählt ist, daß sich eine theoretische Beziehung zwischen dem Flüssigkeitsdruck und den elastischen Dehnungen gewinnen läßt, daß die Dehnungen in elektrische kaiagrößen mit Hilfe von Halbleitern vom p-iyp una/oder η-Typ umgeformt werden, wobei dieselben an den wandungen des Behälters angeordnet sind und daß die Halbleiter vom p-'üyp und/oder η-Typ in den Zweigen einer Brückenschaltung zusammengeschaltet werden zwecks Bestimmung des Flüssigkeitsdruckes.

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