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Anordnung zum Messen von Druck oder Druckdifferenz
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in Flüssigkeiten oder Gasen.
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen von Druck oder Druckdifferenz
in Flüssigkeiten oder Gasen.
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Hierbei werden die physikalischen Meßgrößen Druck oder Druckdifferenz
zunächst mittels rein mechanisch arbeitender Druck-Weg-Wandler in Form von Druckmeßdosen
in einen Weg überführt. Dieser Weg wiederum wird von einem elektrischen Weggeber
in ein elektrisches Signal umgesetzt.
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Druckmessungen spielen auf verschiedenen technischen Gebieten eine
Rolle, z.B. zum Ermitteln der Höhe sowie der Steig- bzw. Sinkgeschwindigkeit von
Segelflugzeugen, Hängegleitern und anderen Luftfahrzeugen. Hierbei kommt es darauf
an, daß die Anordnung möglichst empfindlich reagiert und hohe Proportionalität zwischen
dem zu messenden Druck und dem elektrischen Ausgangssignal erzielt wird.
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Anordnung zum Messen von Druck und Druckdifferenz sind bereits in
verschiedenen Ausführungsformen bekannt (vgl. Punkte 1 - 4 der anhängenden Liste
von Druckschriften zum Stande der Technik). Bei ihnen wird durchweg die Auslenkung
einer Druckmeßdose relativ zu einer festen Gehäusewand elektrisch gemessen. Als
Weggeber werden induktive (1a - 1d), kapazitive (2a - 2b) und Widerstandsgeber verwendet.
Bei letzteren ist zu unterscheiden zwischen Reckdraht-Widerstandsgebern (4) und
solchen, bei denen der Schleifer eines Stellwiderstandes durch die Dosenbewequng
verstellt wird (3).
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Neben dieser ersten Kategorie von Meßanordnungen ist eine zweite bekannt,
bei denen die Dehnung einer Membrane in Folge des Meßdruckes mittels Dehnungsmeßstreifen
(DMS) erfaßt wird, die direkt auf der Membrane aufgebracht
sind
(vergl. Punkt 6 der Liste). In diese zweite Gruppe fallen nicht nur die herkömmlichen
Metallmembranen mit aufgeklebten Metall-DMS (6a - 6c), sondern auch die aus Siliziumhalbleitern
hergestellten Miniaturmembranen mit aufgedampften Halbleiter-DMS entsprechender
Kleinheit (5a - 5b).
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Die Meßanordnung der zweiten Kategorie wie auch die Reckdrahtanordnungen
der ersten Kategorie weisen nur eine geringe Empfindlichkeit in der Größenordnung
von 0,2 mV/mbar auf. Sie sind daher, insbesondere bei geringem Meßdruck, auf erhebliche
Nachverstärkung des Brückensignals angewiesen. Neben dem Verstärkeraufwand bedeutet
dies herabgesetzte Linearität und höhere Fehlergefahr.
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Bezüglich der Empfindlichkeit sind die Anordnungen mit induktiv arbeitenden
Weggebern (1a - 1d) zwar besser; sie benötigen dazu jedoch einen deutlich höheren
mechanischen Aufwand. Auch der elektrische Aufwand ist, bedingt durch die für den
Betrieb des Weggebers notwendige stabilisierte Wechselspannung mit einer Frequenz
im kHz-Bereich, bei den induktiven Gebern sehr hoch. Dies gilt in verstärktem Maße
auch für die kapazitiven Geber (2a - 2b) aus der ersten Kategorie, bei denen die
Speisefrequenz für den Meßkondensator im MHz-Bereich liegt.
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Von den bekannten Anordnungen hat nur der Potentiometergeber (3) eine
ausreichend hohe Empfindlichkeit bei vertretbarem mechanischen und elektrischen
Aufwand. Nachteilig am Potentiometergeber ist jedoch einmal der Reibungseffekt des
Potentiometerschleifers.
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Er begrenzt infolge der mechanischen Hysterese die Auflösung im negativen
Sinne; er führt überdies zwangsläufig weyen des prinzipiell nicht vermeidbaren Abriebs
auf der Schleiferbahn zu einer beschränkten
Lebensdauer von unter
106 Schleiferbewegungen (siehe 3 und 3'). Schließlich setzt die Körnung der Kohleschicht
dieses Gebers eine prinzipielle Auflösungsgrenze von einigen ßm.
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Ein weiterer Mangel an den bekannten Potentiometergebern ist die Lage-
und Beschleunigungsabhängigkeit ihres Ausgangssignales infolge der massebehafteten
Dosenteile und der daran befestigten Geberteile.
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Diese Lagefehler lassen sich zwar durch passende Gegengewichte, die
über mehrfach gelagerte Umlenkhebel verbunden werden und selbst in einer Führung
laufen müssen, ausgleichen. Das führt zu zusätzlicher mechanischer Lagerhysterese
auch dann, wenn der Schleifer des Potentiometers direkt und ohne Umlenklager von
der Druckdose gesteuert wird. Durch die Mechanik der Ausgleichsgewichte geht der
Vorteil des einfachen Aufbaus der Potentiometeranordnung wieder verloren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Anordnung
zum Messen von Druck bzw. Druckdifferenz so auszubilden, daß sie bei geringem mechanischen
und elektrischen Aufwand hohe Empfindlichkeit und großes Auflösungsvermögen bietet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Relativbewegungen zwischen
zwei oder mehreren Druckmeßdosen durch einen oder mehrere elektrische Weggeber ohne
Verwendung mechanischer Lager erfaßt werden.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen
hervor. Die Vorteile dieser Erfindung liegen darin, daß sie bei hoher Empfindlichkeit
sehr genaue Ergebnisse liefert, da sich Lage- und Beschleunigungsfehler auf einfachstem
Wege kompensieren lassen.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels,
das in der Zeichnung dargestellt ist, näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 den mechanischen
Aufbau der Meßanordnung der Erfindung Fig. 2 eine elektrische Schaltung zur Temperaturkompensation.
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In Fig. 1 sind zwei identische Absolutdruckmeßdosen (Anaeroiddosen)
1, 2 in einem Gehäuse 9 einander gegenüberliegend mittels Gewindestiften 11, Schlitzmuttern
10 und Abstandshaltern 8 fest montiert, so daß bei fallendem Druck sich ihre freien
Stirnflächen aufeinander zubewegen, bei steigendem Druck sich voneinander entfernen.
So addieren sich die beiden einzelnen Wege der Druckmeßdosen. An der freien Stirnfläche
der Druckmeßdose 1 ist ein Feldplattenpaar 5 mit zwei magnetfeldgesteuerten Widerständen
angebracht, deren Anschlüsse 6 über Lötstützpunkte 7 durch die Gehäusewand herausgeführt
sind. Die freie Stirnfläche der zweiten Druckmeßdose 2 trägt einen Permanentmagneten
3. Feldplattenpaar 5 und Permanentmagnet 3 bilden den elektrischen Weggeber (Wegaufnehmer),
der den von den Druckmeßdosen 1, 2 relativ zueinander zurückgelegten Weg in ein
elektrisches Signal umsetzt. Dieser Weg ist hier durch die Addition der beiden einzelnen
Wege doppelt so groß wie bei herkömmlichen Anordnungen, was doppelte Empfindlichkeit
bedeutet. Außerdem wird die Kompensation von Beschleunigungs- und Lagefehlern auf
einfachste Weise dadurch erreicht, daß man die auf die beiden freien Stirnflächen
der Druckmeßdosen 1, 2 montierten Teile 3, 5 des Weggebers mit gleicher Masse versieht
und auch die von ihnen erzeugten Drehmomente auf die beiden Dosen durch passende
Wahl der Hebelarme von gleicher Größe macht. Denn bei gleichen Massen führen alle
Gewichts- und Beschleunigungskräfte in axialer Richtung der Dosen zu Dosenbewegungen
von gleichem Betrag, aber unterschiedlichem Vorzeichen,
so daß der
relative Abstand der Dosen konstant bleibt und damit vom Weggeber nicht erfaßt wird.
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Zusätzlich werden bei gleichen Drehmomenten alle Biegungen der beiden
Membranen durch Gewichts-oder Beschleunigungskräfte senkrecht zur Dosenachse an
beiden Dosen in gleicher Weise auftreten und dadurch in erster Näherung vom Weggeber
nicht erfaßt. Erst dann, wenn die Dosenbiegungen so stark werden, daß beide Teile
des Weggebers auf der beim Biegen auftretenden Kreisbahn sich voneinander entfernen,
wird der Weggeber ansprechen. Da jedoch die Druckmeßdosen aufgrund ihrer Konstruktion
auf Querkräfte weitaus unempfindlicher als auf Axialkräfte reagieren, wirkt sich
dieser Querkraftfehler erst in höherer Ordnung aus. Es kommt also in erster Linie
darauf an, daß die Teile 3, 5 des Weggebers gleich große Massen haben. Zu diesem
Zweck ist der Permanentmagnet 3 in der Anordnung von Fig. 1 mit einer Zusatzmasse
versehen. Die geschilderte Kompensation von Längs- und Querkräften erlaubt den Einsatz
des neuen Druckmessers in beschleunigten Fahrzeugen, insbesondere in Luftfahrzeugen.
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Eine derart einfache Kompensation von Beschleunigungs- und Lagefehlern
ist bei den herkömmlichen Potentiometeranordnungen mit nur einer Membrane nicht
möglich. Diese Anordnungen erfordern für diesen Fall mechanisch aufwendige Gegengewichte
mir reibungsbehafteten Lagern. Dadurch sind sie in der Regel nur für statische oder
quasistatische Messungen geeignet.
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Als Weggeber können grundsätzlich alle elektrischen Wandlerverwendung
finden, die einen mechanischen Weg in ein elektrisches Signal umformen. In der
erfindungsgemäßen
Ausführung wird wie erwähnt ein Feldplattenweggeber verwendet.
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Feldplatten sind plattenförmige ohmsche Halbleiterwiderstände aus
der Gruppe der III-V-Verbindungen, in deren InSb-Basismaterial quer zur Stromrichtung
liegende NiSb-Nadelkristalle liegen. Infolge dieser Struktur und in Verbindung mit
dem Halleffekt erhalten Feldplatten die ihnen eigene Abhängigkeit ihres Widerstandes
R von der senkrecht die Platte durchsetzenden magnetischen Flußdichte B. Die R (B)-Funktion
verläuft bei kleinen Werten von B quadratisch über B. Diese unerwünschte Kennlinienkrümmung
umgeht man bei technischen Ausführungen durch übergang auf einen Arbeitspunkt B
außerhalb B=O. Das wird durch den 0 festen Einbau kleiner Dauermagnete erreicht,
die die Feldplatte auf den gewünschten Arbeitspunkt R(Bo) vormagnetisieren.
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Die Feldplatte wird zum Weggeber, indem ein Steuermagnet in geringem
Abstand an ihr vorbeigeführt wird, der dadurch die Flußdichte B in der Feldplatte
ändert. So wird der ohmsche Widerstand der Feldplatte eindeutig von der relativen
Lage zwischen Steuermagnet und Feldplatte bestimmt.
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Die für die Halbleiter typische und hier störende Temperaturabhängigkeit
des Widerstandes wird in der Anordnung von Fig. 1 in bekannter Weise durch Verwendung
eines Feldplattenpaares 5, also von zwei identischen Feldplatten, deren temperaturabhängige
Widerstandsänderungen sich in einer Wheatstone-Brückenschaltung subtrahieren, während
sich ihre wegabhängigen Widerstandsänderungen addieren, kompensiert. Dazu ist es
nur nötig, die beiden äußere Lötstützpunkte 7 mit zwei ohmschen Widerständen zu
verbinden, wodurch sich
eine Brückenschaltung aus je zwei magnetfeldgesteuerten
(aktiven) Widerständen (Feldplattenpaar 5) und je zwei ohmschen (passiven) Widerständen
ergibt, und das Ausgangssignal zwischen dem Verbindungspunkt der ohmschen Widerstände
und dem mittleren Lötstützpunkt 7 abzunehmen.
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Der Aufbau des im Ausführungsbeispiel verwendeten Feldplattenpaares
5 ist in der Firmenschrift (7) des Herstellers detailliert beschrieben.
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Als Steuermagnet 3 wurde im Ausführungsbeispiel ein permanenter Magnet
in Form einer quadratischen Platte (5 mm x 5 mm, 3 mm dick) verwendet.
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Bei dieser Ausführung des Weggebers mit Feldplattenpaar und Magnet
hat es sich als günstig erwiesen, eine magnetische Abschirmung zur Beseitigung von
Störfeldern vorzunehmen. Zu diesem Zweck besteht das Gehäuse 9 aus magnetisch leitendem
Material. Zusätzlich kann ein Mantel aus entsprechendem Material über das Gehäuse
geschoben werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel werden Bewegungen der beiden Druckmeßdosen
1, 2 als Folge von Temperaturschwankungen zwangsläufig vom Weggeber 3, 5 erfaßt.
Dieses temperaturabhängige Signal läßt sich erfindungsgemäß auf zwei Weisen unterdrücken.
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In einem Falle wird eine zweite Anordnung aus Dosen mit gleichen Weggebern
eingesetzt, die der ersten aktiven Anordnung gemäß Fig. 1 im Aufbau gleicht. Diese
zweite Anordnung wird nur den Temperaturschwankungen, jedoch nicht den Druckschwankungen
des aktiven Systems ausgesetzt. Das kann z.B. dadurch erreicht werden, daß die Druckmeß-dosen
des zweiten Systems eine feine Bohrung
erhalten, so daß sich kein
Unterschied zwischen Innendruck und Außendruck aufbauen kann. Die Ausgangssignale
der beiden Systeme werden schließlich in einer Brückenschaltung voneinander subtrahiert.
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Im anderen Falle sieht man gemäß Fig. 2 einen temperaturabhängigen
Spannungsteiler vor, der eine ebenfalls temperaturabhängige Spannung U (T) erzeugt.
In der Schaltung von Fig. 2 sind dafür vier Widerstände RTl... RT4 eingesetzt, von
denen zwei, RT1 und RT4, Festwiderstände sind, während der Widerstand RT2 ein temperaturabhängiger
Widerstand vom Typ NTC oder PTC ist. Die Spannung U(T) läßt sich in ihrer Höhe durch
den Einstellwiderstand RT3 einstellen. Die so gewonnene Spannung U(T) e wird in
Fig. 2 nicht direkt, sondern über eine Schaltung mit einem vl Operationsverstärker
abgenommen, dessen Beschaltung mit den Widerständen R1 und R2 in bekannter Weise
so geschaffen ist, daß seine Ausgangsspannung U(T) a = (2q-1). U(T) e ist, wobei
0 = q - 1 ist. Damit können die Größe der Kompensationsspannung eingestellt und
ihr Vorzeichen umgekehrt werden. Die Spannung U(T) a wird in bekannter Weise elektrisch
zur Meßspannung addiert und kompensiert deren temperaturabhängigen Anteil.
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Wie das Ausführungsbeispiel von Fig. 1 zeigt, entfallen bei dem verwendeten
Feldplattenweggeber 3, 5 jegliche Lagerstellen im System. Demnach können auch keinerlei
Hystereseeffekte infolge von Lagerreibung oder Lagerspiel auftreten.
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Die Empfindlichkeit der beschriebenen Anordnung ist hoch im Vergleich
zu den herkömmlichen Druckmeßanordnungen.
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Mit Absolutdruckmeßdosen wird ein Brückensignal von 5 mV/mbar erreicht
bei einem Druckmeßbereich von 0,5 bis 1,0 bar. Die Auflösungsgrenze liegt bei Druckdifferenzen
von
0,04 mbar. Die einzelnen Absolutdruckmeßdosen liefern Wege von rund 0,2 mm bei Druckdifferenzen
von 100 mbar. Der Druckmesser der Erfindung ist daher in der Lage, Wege von 2¢(0,2mm/100mbar)
0,04mbar = 160 nm aufzulösen. Daher rührt die Uberlegenheit der Erfindung gegenüber
dem Potentiometergeber, für den der Hersteller eine Auflösungsgrenze von einigen
iim infolge der Körnung in der Kohleschicht der Potentiometerbahn angibt.
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Durch Verwendung von Doppel- oder Mehrfachdosen läßt sich die Empfindlichkeit
proportional zur Dosenzahl bei entsprechend verkleinertem Druckmeßbereich vergrößern.
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Der Einsatz eines Feldplattenpaares 5 führt zu zwei aktiven von insgesamt
vier Widerständen in der nachgeschalteten Wheatstone-Brücke. Durch ein zweites Feldplattenpaar,
das parallel zum ersten auf der Druckdose so montiert ist, daß der Steuermagnet
3 sich zwischen beiden Feldplattenpaaren bewegt, wird das Brückensignal verdoppelt,
da sich die Brückenschaltung jetzt so aufbauen läßt, daß alle ihre vier Widerstände
aktiv sind Druckmeßdosen sind Bauteile mit einer weitgehend linearen Kennlinie As
(ap); hierin ist As die Dosenbewegung infolge der Druckänderung Ap. Ebenso ist der
Weggeber in Form eines vormagnetisierten Feldplattenpaares ein Bauteil mit weigehend
linearer Kennlinie AR (A s); hierin ist AR die in der Brückenschaltung wirksame
Summe der Widerstandsänderungen beider Feldplatten des Weggebers.
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Also ist auch für die gemeinsame Anordnung aus Druckmeßdose mit Feldplatte
eine hohe Linearität gegeben.
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Restliche Abweichungen von der Linearität lassen sich auf einfache
Weise dadurch beseitigen, daß der Steuermagnet 3 des Feldplattengebers nicht als
permanenter, sondern als elektrisch erregter Magnet ausgeführt wird.
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über den Erregerstrom des Elektromagneten läßt sich die Empfindlichkeit
des Gebers in so weiten Grenzen steuern (bei Umpolen des Erregerstromes sogar im
Vorzeichen umkehren), daß damit jede gewünschte Anpassung der Kennlinie oR = f(
as) und folglich eR = f (ap) möglich ist.
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Eine beim Kalibrieren des Druckmessers auf-tretende Abweichung von
der Soll-Kennlinie läßt sich demnach durch einen in Abhängigkeit vom Ausgangssignal
passend gesteuerten Erregerstrom ausgleichen. Die Steuerung erfolgt über ein elektronisches
Funktionsnetzwerk, mit dessen Hilfe sich in bekannter Weise beliebige Erregerstromfunktionen
einstellen lassen.
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Auf diese Weise lassen sich nicht nur streng lineare, sondern auch
gekrümmte Kennlinien wie etwa die Barometerformel p (h) erreichen, so daß der Druckgeber
bei gesteuerter Erregung ein der Höhe h proportionales Signal liefert.
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Ein irreversibler mechanischer Eingriff in den Weggeber wie im Falle
des Potentiometergebers, bei dem durch mechanisches Fräsen an der Potentiometerschleifbahn
die Kennlinie eingestellt wird, ist mit der erfindungsgemäßen Empfindlichkeitssteuerung
durch den Erregerstrom des Elektromagneten nicht nötig. Dies erweitert den Anwendungsbereich
des Druckmessers der Erfindung beträchtlich.
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Häufig muß ein Absolutdruck gemessen werden, der sich vom Umgebungsdruck
des Meßsystems unterscheidet. Erfindungsgemäß wird für diese Fälle die gesamte Anordnung
aus
Druckmeßdosen (1, 2) und Weggeber (3, 5) in ein geschlossenes
und formstabiles Gehäuse montiert, in dessen Innenraum der Meßdruck durch eine gesonderte
Druckleitung eingeleitet wird.
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Zur Messung von Druckdifferenzen werden in der Anordnung von Fig.
1 statt der Absolutdruckmeßdosen 1, 2 mit evakuiertem Innenraum in bekannter Weise
Differenzdruckmeßdosen verwendet, in deren Innenräume der erste Druck p1 geleitet
wird, während der zweite Druck p2 von außen auf die Dosen wirkt.
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Die Bewegung der Dosen ist dadurch ein Maß für die Druckdifferenz
P1-P2- Diese Bewegung wird wie beschrieben mit Feldplattenweggebern 3, 5 in ein
elektrisches Signal umgesetzt.
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Druckschriften zum Stande der Technik 1. a) Fa. HBN, Firmenschrift
D 22.22.0/1980, Induktiver Überdruckaufnehmer P11 Fa. HBM, Firmenschrift D 22.24.0/1980,
Induktiver Differenzdruckaufnehmer PD 1 b) R. Kautsch, messen+prüfen/automatik Dezember
1973, S 782 Fa. Siemens AG, Aufbau des induktiven Druckaufnehmers mit Querankergeber
( Xbb. SS) c) Fa. Crouzet, Firmenschrift Doc.Ref. 12110/1977 Pressure Transducer,
Type 43 d) Fa. Schaevitz, Firmenschrift des Anbieters Fa. Fey über induktive Druckaufnehmer,
Serie PT (ca. 1975) 2. a) Fa. Setra Systems, Firmenschrift des Anbieters Fa. Ziegler
(ca. 1975) b) R. Kautsch, messen+prüfen/automatik Dezember 1973, S 782 Fa. Disa
Elektronik, Hauptteile des kapazitiven Druckmeßfühlers (Abb.56 u. 57) 3. Fa. CIC,
Firmenschrift des Anbieters Fa. TWK-Elektronik, 1973, Katalog C 350/73, Präzisions-Druckgeber
mit Carbon-Film-Potentiometern 3.' T.W. Kessler, Sonderdruck aus elektronik-industrie
7/8-1972, Präzisions-Druckgeber in Potentiometerschaltung 4. Fa. Bell & Howell,
aus VDI-3erichte93/1966, S 29-33 Druckaufnehmer mit Druckdose und Reckdraht-Weggeber
5. a) Fa. Honeywell, Firmenschrift GEOM-0091 und DB-1003/1980 Piezoresistive Druckaufnehmer,
Serie PC bzw. 130 PC b) Fenstel, elektronikpraxis Nr. 7/8 - Aug. 1973, S 23/24 Applikationsbericht
über Wirkungsweise und Aufbau des piezoresistiven Druckaufnehmers Typ LX 1600 A,
nach Unterlagen der Fa. National Semiconductor 6. a) Fa. HBM, Firmenschrift GD 24
002, Dehnungsmeßstreifen (DMS) und Zubehör b) Fa. HBM, Firmenschrift D 22.13.0/1980,
Absolutdruckaufnehmer P 4K, P 4P und P5 c) R. Kautsch, messen+prüfen/automatik Dezember
1973, S 783 Mechanischer Aufbau von Druckmeßfühler Abb, 60, 61 u. 62) 7. Fa. Siemens
AG, Datenbuch 1976/77, Magnetfeldabhängige Halbleiter, S 54-57/142-143