DE3016684A1

DE3016684A1 - Vorrichtung zum erzeugen von gasstroemungszyklen

Info

Publication number: DE3016684A1
Application number: DE19803016684
Authority: DE
Inventors: Pierre Damico; Georges Jacq
Original assignee: Intertechnique SA
Current assignee: Safran Aerosystems SAS
Priority date: 1979-05-02
Filing date: 1980-04-30
Publication date: 1980-11-27
Also published as: GB2049232A; DE3016684C2; FR2455766A1; GB2049232B; US4344144A; FR2455766B1

Description

Vorrichtung zum Erzeugen von Gasströmungszyklen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Gasdruck- und/oder Strömungszyklen und ist insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, beim Testen von Einheiten verwendbar, die beim Betrieb Druck- und Strömungszyklen unterworfen sind, wie z.B. Atmungssysteme oder Regulatoren.

Z.Zt. werden Atmungssysteme mit Vorrichtungen überprüft und getestet, bei denen die Betriebsbedingungen·von Hand eingestellt werden. Derartige Tests sind langdauernd und erlauben keine ausreichende Verschiedenartigkeit der zu simmulierenden Betriebszyklen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung reproduzierbarer Zyklen mit einer breiten Unterschiedlichkeit und zur Anwendung dieser Zyklen auf in irgendeine beliebige Umgebung gebrachte Einheiten zu schaffen, insbesondere in Umgebungen mit verringertem oder er höhtem Druck.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine Vorrichtung der eingangs genannten Art vor, die durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist:

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a) Ein Gehäuse, das eine innere, mit einer Gasströmungsöffnung versehene Kammer begrenzt,

b) eine bewegbare Einheit mit einem Drosselelement, das mit dieser öffnung zur Bildung eines Durchganges mit . einem von der Stellung der bewegbaren Einheit abhängigen Strömungsquerschnitt zusammenwirkt,

c) elektrisch betätigbare Ventil einrichtungen zur Verbindung der Kammer mit einer oder mehreren einer Vielzahl von Gasquellen unter vorbestimmten, verschiedenen Drücken,

d) elektrische Motoreinrichtungen zur Steuerung der Stellung der bewegbaren Einheit und

e) mit der bewegbaren Einheit betrieblich verbundene elektrische Sensoreinrichtungen zur Erzeugung eines der Stellung der bewegbaren Einheit in dem Gehäuse entsprechenden elektrischen Signals.

Eine der Gasdruckquellen kann eine Vakuumpumpe sein,es kann aber auch eine Quelle von unter Druck stehendem Gas sein, wobei ein oder mehrere Druckreduzierer, die einen konstanten aber einstellbaren Druck liefern, zwischen der Quelle von unter Druck stehendem Gas und dem Magnetventil eingeschaltet sind.

Der Betrieb der Vorrichtung wird vorzugsweise von einer Steuer- und Datenverarbeitungseinheit gesteuert, die vorzugsweise eine digitale Einheit ist und eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) enthält, die vorzugsweise ein Mikroprozessor ist. Die CPU erhält ihre Signale von den elektromagnetischen Sensoreinrichtungen zur Bestimmung der Stellung und ggf. von an der Vorrichtung oder der zu testenden Einheit vorgesehenen Drucksensoren.

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Eine besonders wichtige Anwendung der Erfindung liegt darin, Atemeinheiten zu testen. Die zu testende Einheit wird daher im allgemeinen in einem abgedichteten Gehäuse angeordnet, in dem ein Luftdruck hergestellt werden kann, der von dem normalen atmosphärischen Druck unterschiedlich ist. Z.B. kann dieser Druck geringer sein als atmosphärischer Druck, wenn eine Atemausrüstung für Flugzeugbesatzungen getestet werden soll, oder er kann höher als atmosphärischer Druck sein, wenn eine Tauchausrüstung getestet werden soll.

Die Vorrichtung ist ebenfalls zur Anwendung im medizinischen Feld geeignet, um Atmungszyklen zu simulieren die gemessen wurden, wenn ein Patient in Normalbedingung ist, und die dann an dem Patient während abnormaler Bedingungen angewendet werden, beispielsweise während einer Operation. Die Vorrichtung kann auch zur Unterstützung bei Emphysemen verwendet werden.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, Kombinationen von Unteransprüchen, der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigen:

Fig. 1 schematisch die allgemeine Konstruktion

der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 einen vereinfachten Querschnitt eines

druckgeregelten, zur Verwendung bei der Vorrichtung nach Fig.1 geeigneten Magnet

ventils.

Figur 1 zeigt eine Vorrichtung zum Testen von Masken und Sauerstoffbedarfsreglern_sin einer gesteuerten Umgebung_s die ein eine Umgebung simmulierendes Gehäuse 10, eine elektropneumatische Einheit 11 und eine Steuereinheit 12 enthält.

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Das Gehäuse 10 besitzt eine herkömmliche Bauweise. Das nur schematisch dargestellte Gehäuse. 10 ist dazu bestimmt, die zu testende Ausrüstung aufzunehmen, in diesem Beispiel eine Maske 83 mit einem Ausatemventil 85, die über ein herkömm liches flexibles Rohr 84 mit einem BedarfsreguTator 82 verbunden ist. Die Maske 83 ist auf ein Formteil aufgesetzt, das das Gesicht eines Trägers simuliert. Die Wand des Gehäuses 10 ist mit elektrischen und pneumatischen Verbindern versehen, die durch die Wand hindurchführen und deren Funk tion unten beschrieben wird.

Die Bauart der elektropneumatischen Einheit 11 hängt von den durchzuführenden Tests ab. Sie enthält ein Gerät 16 zum Erzeugen eines Zyklus, das dazu bestimmt ist, über eine Leitung 17 und einen durch die Wand des Gehäuses 10 hindurchgehenden Verbinder mit der zu testenden Ausrüstung verbunden zu werden, hier mit der Maske 83 und dem Regulator 82.

Das Gerät 16 besitzt ein Gehäuse 74, das aus mehreren zusammengesetzten Teilen hergestellt ist und eine Kammer 80 definiert, die Versorgungsverbindungen 100 und 10.1 und eine in die Leitung 17 übergehende öffnung 76 aufweist.

Das Gerät 16 enthält weiterhin eine bewegbare Einheit 75 mit einem Meßelement zum Drosseln des Durchgangs 75 wobei das in Figur 1 dargestellte Drosselelement eine Nadel ist, während jedoch andere Arten von Elementen, beispiels weise eine Spindel verwendet werden können.

Das Gerät 16 enthält weiterhin elektrisch betätigbare Einrichtungen 77 zur Steuerung der Stellung des Drosselelementes. Bei der Ausführungsform nach Fig.1 enthält die Einrichtung einen Elektromagnet, dessen Wirkung von der Intensität des durch ihn fließenden elektrischen Stromes abhängt. Es können jedoch auch andere Arten von Steuerung verwendet werden, beispielsweise ein Schrittmotor. Schließlich enthält das Gerät 16 elektrische Sensoreinrichtungen zur Bestimmung

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der Stellung der Anordnung 75, wobei diese Sensoreinrichtungen beispielsweise durch in dem Gehäuse angeordnete Detektorspulen 78 gebildet sind, die ein elektrisches Signal liefern, das von der Stellung eines mit der bewegbaren An-Ordnung 75 verbundenen Ankers 79 abhängig ist.

Eine lineare Beziehung zwischen der Stellung der bewegbaren Anordnung 75 und des durch die elektromagnetischen Einrichtungen 77 fließenden elektrischen Stromes ist nicht wesentlich, jedoch muß unter normalen Bedingungen die Stellung praktisch nur von dem Strom oder von der an den Einrichtungen 77 anliegenden elektrischen Spannung abhängen.

Die Verbindungen 100 und 101 werden durch mit elektrisch gesteuerten Verschlußeinrichtungen versehene Kreise mit Gasquellen unter verschiedenen Drücken verbunden, um den Druck in der Kammer 80 auf einen bestimmten und auswählbaren Wert zu bringen.

Die Vorrichtung nach Figur 1 ist zum Testen von Masken entweder unter einem partiellen Vakuum (Höhen-Tests) oder unter einem überdruck (Tests in einer unter Druck stehenden Umgebung) geeignet. Zu diesem Zweck ist die Verbindung ,100 zur Verbindung durch eine Leitung entweder mit einer Vakuumquelle oder mit Atmosphärendruck vorgesehen, während die Verbindung 101 zur Verbindung mit einem Druckkreis vorgesehen ist.

Der erste Schaltungskreis enthält eine Vakuumpumpe 95, die von der Verbindung 100 durch ein Magnetventil 103 getrennt ist, sowie eine von der Verbindung 100 durch ein Magnetventil 94 getrennte öffnung in die Atmosphäre.

Der der Verbindung 101 zugeordnete Schaltungskreis enthält, startend von einem Versorgungszylinder 86 mit unter Hochdruck (beispielsweise 250 bar) stehenden Sauerstoff, zwei in Kaskadenschaltung angeordnete Druckreduzierer 87 und 88,

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die typischerweise gleich aufgebaut sind. Jeder der Druckreduzierer 87 und 88 ist mit einem Ausgangsdrucksensor 89 bzw. 90 versehen. Zwei Magnetventile 91 und 92 sind angeordnet, um die Verbindung 101 mit dem Ausgang des Druckredu- zierers 87 (beispielsweise mit 20 bar) bzw.dem Ausgang des Druckreduzierers 88 (beispielsweise bei einem Druck von 1 bar oberhalb atmosphärischen Drucks) zu verbinden. Die Magnetventile 91 und 92 können infolge dessen einen vorbestimmten Druck in der Kammer 80 aufrecht erhalten, der höher ist als normaler Atmosphärendruck bei Meereshöhe. Nur die Bauweise des Druckreduzierers 87 ist im Detail in der Fig.1 dargestellt. Er enthält ein druckreduzierendes Servoventil 21, das von zwei Magnetventilen 19 und 20 gesteuert wird, die eine öffnungs- und eine VerschlUmstellung besitzen.

Es ist wichtig, daß der von der Druckreduziereinrichtung 21 gelieferte Druck konstant ist, damit die Beziehung zwischen der Durchflußleistung und dem von dem Drosselelement in der öffnung 76 begrenzten Querschnitt exakt aufrecht erhalten wird. Zu diesem Zweck können für die Druckreduziereinrich tungen Magnetventile eingesetzt werden, falls sie druckge regelt sind.

Fig.2 zeigt ein druckgeregeltes Servoventil 114 von einem Typ, das geschlossen ist, wenn es nicht angesteuert wird, wobei in der Figur die angesteuerte Stellung dargestellt ist.

Das Ventil 114 enthält ein etwa zylindrisch ausgebildetes Gehäuse mit einer Elektromagnetspule 115, wobei das Gehäuse eine innere zylindrische Kammer aufweist, die gleitend eine Spindel 116 aufnimmt. Eine Endwand der Kammer ist mit einem Ventilsitzelement 117 versehen, das einen ringförmigen Ein laß 119 von einem zentralen Auslaß 118 trennt. Die andere Endwand der Kammer enthält eine Bohrung mit verringertem Durchmesser, die gleitend einen Vorsprung der Spindel 116 aufnimmt, dessen Durchmesser identisch ist mit dem Durchmesser des Ventilsitzes 117. Ein piezo-elektrischer Sensor120

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ist abdichtend in der Bohrung befestigt und infolge dessen dem Druck unterworfen, der in der Bohrung herrscht. Ejn zentraler Durchgang 121 in der Spindel 116 legt den Auslaßdruck an den Sensor 120 an. Die aus ferromagnetischem Material bestehende Spindel 116 bildet den Anker des elektromagnetischen Steuerungssystems des Ventiles. Das Ansteuern der Spule 115 zwingt die Spindel 116 gegen die Rückstellkraft einer Feder 122 von dem Ventilsitz in die in Fig.2 gezeigte Stellung. Eine Flachdichtung 123 aus einem unter Hochdruck kriechwiderstandsfähigem Material, beispielsweise aus Torion,und Rundschnurringe 124 sind vorgesehen, um das Ventil abzudichten.

Die in Fig.1 dargestellte Vorrichtung enthält weiterhin eine Einrichtung zur Stabilisierung des in dem Gehäuse 10 herrschenden Drucks durch Einstellung des Strömungsquerschnittes zwischen dem Gehäuse 10 und der umgebenden Atmosphäre. Das Gerät 22 ist ähnlich aufgebaut wie das Gerät16. Jedoch enthält seine Kammer 22 a nur eine einzige Verbindung, die in die Atmosphäre führt. Ein Drucksensor 23 ist wieder vorgesehen_s um ein dem Druck in dem Gehäuse 10 entsprechendes Signal zu liefern»

Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält weiterhin die Steuereinheit 12₃ dessen wesentliches Bauteil ein Mikroprozessor 105 ist, der die Ausgangssignale von den Sensoren 23., 89,90,78 sowie möglicherweise von zusätzlichen Steuerungssensoren empfängt, die die Drücke in den Kammern 80 und 22a messen. Der Mikroprozessor 105 liefert über Leistungsverstärker Steuerströme an die Elektromagneten der Geräte 16 und 22 sowie an die Magnetventile.

Die beschriebene Vorrichtung ermöglicht es_s zyklische Tests bei einer in dem Gehäuse 10 angeordneten Ausrüstung anzuwenden. Es wird angenommen, daß die Ausrüstung eine Maske83 und einen zugehörigen Regulator 82 mit einem Verdünnungs-

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lufteinlaß 102 enthält.

Es wird zunächst angenommen, daS altimetrische Tests ausgeführt werden sollen. Dann bleibt das Magnetventil 94 ständig geschlossen. Bei der Simulierung eines Atmungszyklus wird die Einatemphase dadurch dargestellt, daß in der Maske dadurch eine durch den Sensor 99 gemessene Druckverminderung hergestellt wird, daß durch die öffnung 66 Luft herausgezogen wird. Die Steuereinheit veranlaßt das Magnetventil 103 zu öffnen, um in der Kammer 80 eine Druckverminderung vorzusehen, die dem von der Vakuumpumpe 95 geschaffenen Vakuum entspricht. Anschließend betätigt die Steuereinheit 12 die bewegbare Anordnung 75 des Gerätes 16 derart, daß sie eine sich als Funktion der Zeit ändernde Querschnittsfläche vorsieht, entsprechend dem zu simulierenden Strömungsdruckzyklus. Die Bewegung der bewegbaren Anordnung75 aus ihrer Ruhestellung wird von dem von dem Stellungssensor gelieferten Signal dargestellt, wobei dieses Signal an einen Eingangsvergleicher der Steuereinheit durch einen Analog/Digital umwandler angelegt wird. Da der in dem Gehäuse 10 vorherrschende von dem Sensor 23 gemessene Druck konstant gehalten wird, indem der von dem Drossel element des Gerätes begrenzte Strömungsquerschnitt moduliert oder gemessen wird, kann die Durchflußleistung durch die öffnung 76 durch Steuerung des Strömungsquerschnittes in Übereinstimmung mit einer vorher in der Steuereinheit 12 abgespeicherten Standardkurve gemessen werden. Die Veränderung des Strömungsquerschnittes als Funktion der Zeit kann ihrerseits als Funktion des zu simulierenden Zyklus gesteuert werden. Das System kann als in einem geschlossenen Kreislauf befindlich betrachtet werden, da die Bewegung der bewegbaren Einheit aus ihrer Ruhestellung von dem von dem Stellungssensor 78 gelieferten Signal dargestellt wird.

Am Ende der Einatmungsperiode veranlaßt die Steuereinheit das Magnetventil. 103 zu schließen und das Magnetventil 92 zu öffnen. Dadurch wird ein vorbestimmter Druck in der

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Kammer 80 eingestellt. Der gesteuerte Druckreduzierer 88 sendet dann einen Gegendruck in die Kammer 80. Dieser durch die öffnung 76 geförderte Gegendruck verursacht das Ausatmungsventil 85 sich zu öffnen. Der Zyklus wird anschließend während der für die Tests vorgesehenen Zeit wiederholt.

Durch Schalten der elektromagnetischen Ventile 91 und 92 und durch Modulieren der Stellung der bewegbaren Anordnung kann die erfindungsgemäße Vorrichtung sinusförmige Zyklen, stufenförmige Druck- oder Strömungsveränderungen oder auch Wattdiagramme, die den Einatmungs- und Ausatmungszyklus eines Maskenträgers simulieren.

Bei Tests unter normalem atmosphärischem Druck kann das Gerät 22 geschlossen bleiben, während das Gehäuse 10 über ein zusätzliches Magnetventil 104 mit der Atmosphäre verbunden wird.

Für Tests in einer Druckumgebung kann schließlich die Vakuumpumpe 95 angehalten werden. Der Druck in der Kammer 80 wird dann durch Steuerung der Magnetventile 94 und 92 gesteuert,bzw. 94 und 91, wenn ein Hochdruck erforderlich ist, während das Magnetventil 103 geschlossen bleibt.

Die Steuereinheit 12 kann aus im Handel verfügbaren Komponenten bestehen. Wie in Fig.1 dargestellt, kann die Mikroprozessoreinheit 105 einen Zilog Z 80 mit einem 2214 RAM sowie einem 2708 ROM zum Abspeichern der Programme enthalten. Der Massenspeicher kann sogenannte Floppy-Disks enthalten.

Die von den Drucksensoren 23, 99, 89, 90 und 78 erzeugten elektrischen Signale werden von Analog/Digitalumwandlern in digitale Form umgewandelt. Da eine Genauigkeit von etwa einem Prozent im allgemeinen ausreicht, können typischerweise acht-bit Umwandler verwendet werden. Während ein Multi plexbetrieb vorgesehen ist, kann es vorzuziehen sein, eine

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Anzahl von Umwandlern vorzusehen, die gleich ist der maximalen Anzahl von Sensoren, die gleichzeitig verwendet werden können. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist nur ein einzelner Umwandler 106 dargestellt.

Die Ausgänge aller Umwandler werden an eine Kupplungseinheit 107 angelegt, um die von den Sensoren abgefühlten Werte in den RAM-Speicher zu schreiben. Die tatsächlichen Werte der zu steuernden Parameter werden in dem Vergleicher 108 mit von der MPU 105 bestimmten gesetzten Werten verglichen.

Die Werte der zu testenden Parameter, z.B. der Druck in

der Maske 83, werden in dem Massenspeicher abgespeichert.

Die Steuerung der Magnetventile kann ganz unkompliziert sein, da sie durch logische Spannungswerte aus einer Äusgangskupplungseinheit 109 durchgeführt werden kann. Andererseits erfordert die proportionale Steuerung jeden elektromagnetischen Motors einen Digital-Analogumwandleri10 und einen Leistungsverstärker 111.

Die Eingabe von Programmen kann über eine alphanumerische Tastatur 112 durchgeführt werden, während die Anzeige der Ergebnisse von einem Drucker 113 durchgeführt werden kann.

Zum Testen von Sauerstoff-Atmungssystemen kann es ausr reichend sein, alle 0,1 see. eine Messung durchzuführen. Der zeitliche Abstand zwischen zwei Messungen ist dann von der gleichen Größenordnung wie die Anspruchszeit der Magnet ventile. Die Testergebnisse bestehen dann aus einer graphi schen Darstellung des von dem Sensor 99 abgelesenen Druckes in Abhängigkeit von der Durchflußleistung, die von dem Strömungsquerschnitt der öffnung 76 unter Verwendung einer abgespeicherten Kalibrierungs-Kurve abgeleitet wird, die vorher vorbereitet wurde und periodisch überprüft werden kann.

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Wenn die Vorrichtung zur Unterstützung einer Atmung verwendet werden soll, kann sie mit Hilfe von vorher bei einem Patienten gesammelten Daten programmiert werden. Ihre Vorteile umfassen die Anpassungsfähigkeit an die speziellen Erfordernisse eines Patienten, ob es ein Kind oder ein Erwachsener ist, und an die Krankheit. Bei einem Emphysem kann beispielsweise die Vorrichtung, verwendet werden, um unter Druck stehende Luft während der Einatmungsphase durchzuführen, während die Ausatmung bei atmosphärischem Druck aufrecht erhalten wird.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die speziellen beschriebenen Anwendungsmethoden und Ausführungsformen.

Die Erfindung schlägt eine Vorrichtung zum Erzeugen von Gasströmungszyklen vor, die ein Gehäuse enthält, das eine mit Gasverbindungen und einer öffnung zur Verbindung mit einer zu testenden Ausrüstung versehene Kammer definiert. Eine bewegbare Einheit drosselt in dem Gehäuse die öffnung ab. Die Stellung der Einheit wird von elektrischen Signalen gesteuert, die von einer Steuereinheit empfangen werden.Sensoren liefern elektrische Signale, die der Stellung der bewegbaren Einheit und dem Druck entsprechen. Die Verbindungen sind zur Verbindung mit Gasquellen bei unterschiedlichen pneumatischen Drücken über Magnetventile vorgesehen.

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Claims

Ansprüche

1.)Vorrichtung zum Erzeugen von vorbestimmten Gasströmungs- ^—-^ zyklen, gekennzeichnet durch:

a) ein Gehäuse (70), das eine innere, mit einer Gasströmungsöffnung (76) versehene Kammer(80) begrenzt,

b) eine bewegbare Einheit (75) mit einem Drosselelement, das mit der öffnung (76) zur Bildung eines Durchgangs mit einem von der Stellung der bewegbaren Einheit (75) abhängigen Strömungsquerschnitt zusammenwirkt,

c) elektrisch betätigbare Ventileinrichtungen zum Verbinden der Kammer (80) mit einer oder mehreren Gasquellen unter vorbestimmten, unterschiedlichen Drücken,

d) eine elektrische Motoreinrichtung (77) zur Steuerung der Stellung der bewegbaren Einheit (75) und

e) mit der bewegbaren Einheit (75) betrieblich verbundene elektrische Sensoreinrichtungen (78,79) zur Erzeugung eines der Stellung der beweglichen Einheit(75)

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in dem Gehäuse (80) entsprechenden elektrischen Signals.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß die elektrisch betätigbaren Einrichtungen Magnetventile(91 , 92,94,103) mit einer öffnungs- und einer Schließstellung sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Gasdruckquellen eine Vakuumpumpe (95) enthält.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Gasdruckquellen eine Speichereinrichtung (86) für unter Druck stehendes Gas sowie mindestens einen Druckreduzierer (87,88) zwischen der Speichereinrichtung (86) für unter Druck stehendes Gas und dem zugeordneten Magnetventil (91,92) enthält.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daßsie zur Steuerung der DifferenziaT-antwort zwischen DurchfTußleistung und Druck einer zu testenden Ausrüstung vorgesehen ist und ein gasdichtes Gehäuse (10) zur Aufnahme der Ausrüstung sowie Einrichtungen zur Herstellung eines Gasweges zwischen der Ausrüstung und der öffnung (76) aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine der Ausrüstung zugeordnete und mit ihr verbundene Sensoreinrichtung (99) zur Erzeugung eines dem Druck an einer Stelle in der Ausrüstung entsprechenden elektrischen Signals.

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