DE102005052930A1 - Fluid e.g. liquid or gas, flow influencing method, involves activating piezoelectric units integrated in structure, such that part of upper surface of structure is moved by deformation of piezoelectric unit to influence flow along structure - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft die Beeinflussung von Strömungen von Fluiden mittels an Strukturen angebrachten Aktuatoren. Außerdem betrifft die Erfindung einen entsprechenden Aktuator.The The invention relates to the influence of flows of fluids by means attached to structures actuators. Moreover, the invention relates to a corresponding actuator.
In Strömungen von Fluiden, beispielsweise Flüssigkeiten, Gasen oder Mehrphasenströmungen, treten verschiedenartige Phänomene auf. Beispiele dafür sind sich entlang von Strukturen oder Körpern bildende Grenzschichten, eine Strömungsablösung, wodurch Ablöseblasen hervorgerufen werden können, oder der laminar-turbulent Umschlag von Grenzschichten, die mit zunehmender Lauflänge turbulent werden. Zudem können periodische Wirbelbildungen oder transsonische Effekte auftreten.In currents of fluids, for example liquids, Gases or multiphase flows, occur various phenomena on. Examples of this are located along structures or bodies forming boundary layers, a flow separation, thereby separation bubbles can be caused or the laminar-turbulent envelope of boundary layers, which with increasing run length become turbulent. In addition, you can periodic vortices or transonic effects occur.
In technischen Anwendungen ist es oft wünschenswert, diese Strömungsphänomene gezielt zu beeinflussen bzw. das Auftreten dieser Phänomene zu unterdrücken. Beispielsweise soll zur Widerstandsreduktion die Grenzschicht von umströmten Körpern laminar gehalten werden. Andererseits wird eine erhöhte Turbulenz bei Anwendungen gewünscht, bei denen Mischungsvorgänge eine wesentliche Rolle spielen. Im Bereich der Aerodynamik ist ein Ziel der Strömungsbeeinflussung die Maximierung des Auftriebs von Flügeln, indem Strömungsablösungen verhindert werden.In For technical applications, it is often desirable to target these flow phenomena to influence or suppress the occurrence of these phenomena. For example For the purpose of resistance reduction, the boundary layer of bodies flowing around should be laminar being held. On the other hand, increased turbulence in applications desired where mixing operations play an essential role. In the field of aerodynamics is a Aim of flow control maximizing the buoyancy of wings by preventing flow separation become.
Es ist bekannt, zur Strömungsbeeinflussung Aktuatoren zu verwenden, die an bzw. in der umströmten Struktur vorgesehen sind. Beispielsweise werden als Aktuatoren geometrische Vortex-Generatoren eingesetzt, mit deren geometrischer, abstehender Struktur die Wirbelbildung beeinflusst wird. Ein Nachteil dieser Vortex-Generatoren ist jedoch, dass die Struktur im Bereich des Aktuators leicht verschmutzen kann oder beschädigt werden kann und dann nicht mehr die Funktion im gewünschten Maß bzw. in der gewünschten Art erfüllt. In manchen Fällen können sogar gegenteilige Effekte hervorgerufen werden. Eine andere Art von Aktuatoren sind Aktuatoren, bei denen lokal ein Fluid stationär ausgeblasen und/oder abgesaugt wird. Für diese Aktuatoren werden jedoch verhältnismäßig hohe Flussraten, abhängig von der zu beeinflussenden Strömung, und ein hoher Leistungsbedarf benötigt. Außerdem ist die Oberfläche der Struktur durch den Aktuator beeinträchtigt und nicht mehr glatt, so dass durch den Aktuator selbst Strömungsphänomene ausgelöst werden können, auch wenn er nicht aktiv ist. Andere Arten von Aktuatoren sind sogenannte Zero Mass Flux Jets, Pneumatic/Pulsating Jets oder sogenannte Shape Control Bumps. Solche Aktuatoren sind jedoch verhältnismäßig komplex bzw. aufgrund ihrer Anfälligkeit für Verschmutzung, Verstopfung oder Beschädigung für den Einsatz in technischen Anwendungen nicht ausreichend robust.It is known for influencing flow actuators to be used, which are provided on or in the flow around structure. For example, as actuators geometric vortex generators used, with their geometric, protruding structure, the vortex formation being affected. A disadvantage of these vortex generators, however, is that the structure in the area of the actuator can easily become dirty or damaged can be and then no longer the function in the desired Measure or in the desired Kind of satisfied. In some cases can even opposite effects are caused. An other species Actuators are actuators in which locally blown a fluid stationary and / or is sucked off. For However, these actuators will be relatively high flow rates, depending on the flow to be influenced, and a high power requirement needed. Besides, the surface of the Structure affected by the actuator and no longer smooth, so that flow phenomena are triggered by the actuator itself can, even if he is not active. Other types of actuators are so-called Zero Mass Flux Jets, Pneumatic / Pulsating Jets or so-called Shape Control bumps. However, such actuators are relatively complex or because of their vulnerability for pollution, Constipation or damage for the Use in technical applications not sufficiently robust.
Andererseits ist es bekannt, mit in Strukturen integrierten Piezoelementen Strukturen derart zu verformen, dass den auf die Struktur einwirkenden Kräften entgegengewirkt wird, indem die durch die einwirkenden Kräfte an der Struktur erzeugten Verformungen durch die Verformungen der Struktur, welche mittels der Piezoelemente erzielt werden, kompensiert werden.on the other hand It is known with structures integrated in structures piezo elements deform so that counteracted the forces acting on the structure forces is created by the generated by the forces acting on the structure Deformations by the deformations of the structure, which means the piezoelectric elements are achieved can be compensated.
Aus
der
Aus
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Die
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Strömungsbeeinflussung sowie eine Vorrichtung zur Strömungsbeeinflussung vorzusehen, welche mechanisch robust sind, im deaktivierten Zustand keine unerwünschte Strömungsbeeinflussung hervorrufen und vielfältig einsetzbar sind. Ferner soll ein hierfür geeigneter Aktuator geschaffen werden.From that Based on the object of the invention, a method for influencing the flow and to provide a flow-influencing device, which are mechanically robust, in the deactivated state no unwanted flow control evoke and diverse can be used. Furthermore, a suitable actuator is created for this purpose become.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 sowie einem Aktuator mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.These The object is achieved by a method having the features of the claim 1, a device with the features of claim 10 and an actuator solved with the features of claim 14. Preferred embodiments are in the dependent claims specified.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, Piezoelemente nicht ausschließlich dazu zu verwenden, eine Struktur den vorhandenen Strömungsbedingungen anzupassen oder unerwünschte, durch Beanspruchung entstehende Verformungen, zumindest teilweise zu kompensieren, sondern vielmehr die Strömung entlang der Grenzschicht zur Struktur aktiv zu beeinflussen. Dies geschieht, indem durch die Verwendung von Piezoelementen eine mit der Strömung in Berührung gelangende Oberfläche derart verformt wird, insbesondere hochfrequent verformt wird, dass die Strömung zumindest lokal umgelenkt wird und/oder ein Impulseintrag in die Strömung erfolgt, so dass diese beeinflusst wird.Of the Invention is based on the idea, piezoelectric elements not exclusively to use a structure to adapt to the existing flow conditions or unwanted, stress resulting deformations, at least in part but rather the flow along the boundary layer to actively influence the structure. This is done by the Using piezoelectric elements, a surface in contact with the flow in such a way is deformed, in particular high frequency is deformed, that the flow is deflected at least locally and / or an impulse entry in the Flow takes place, so that it is influenced.
Dazu wird erfindungsgemäß zumindest ein Piezoelement derart mit einer Struktur verbunden, dass es die mit der Strömung in Berührung gelangende Oberfläche der Struktur verformen kann, wenn es betätigt wird. Unter Piezoelement soll im Sinne dieser Erfindung nicht nur Piezokeramik, beispielsweise d31-Piezostacks oder d33-Piezostacks oder Piezofasern, verstanden werden, sondern auch andere aktive Polymere bzw. elektrische Polymere, wie beispielsweise PVDF (Polyvinyldenfluorid), welche durch Einwirkung von Elektrizität, insbesondere beim Anlegen einer elektrischen Spannung, verformbar sind. Die Verformung oder Formänderung des Piezoelements wird an die zu beeinflussende Oberfläche der Struktur weitergegeben, was wiederum dazu führt, dass die Strömung lokal an der verformten Oberfläche umgelenkt wird und/oder ein Impuls in die Strömung, insbesondere bei pulsierender Bewegung der Oberfläche, eingebracht wird.To is at least according to the invention a piezoelectric element connected to a structure such that it with the flow in touch reaching surface can deform the structure when it is actuated. Under piezo element is intended in the context of this invention not only piezoceramics, such as d31 piezo stacks or d33 piezo stacks or piezo fibers, but are understood also other active polymers or electrical polymers, such as PVDF (Polyvinyldenfluorid), which by the action of electricity, in particular when applying an electrical voltage, are deformable. The deformation or shape change of the piezoelectric element is connected to the surface to be influenced Structure passed, which in turn causes the flow to be local on the deformed surface is deflected and / or an impulse in the flow, especially at pulsating Movement of the surface, is introduced.
Besonders bevorzugt ist es, die Struktur zumindest lokal hochfrequent, d.h. mit einer Frequenz von einigen 100 Hz bis einigen Kilohertz, zu verformen, indem beispielsweise lokale Beulen, Dellen oder Wellen in die Oberfläche der Struktur eingebracht werden. Die Verformung kann zweidimensional oder dreidimensional in Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung sein. Als zweidimensional wird eine Verformung bezeichnet, bei der zu einem gleichen Zeitpunkt senkrecht zu einer Oberflächenrichtung der Struktur genommene, zueinander parallele Querschnitte durch die verformte Oberfläche ein identisches Verformungsprofil aufweisen. Als dreidimensional werden Verformungen bezeichnet, bei denen sich diese Verformungsprofile unterscheiden können.Especially it is preferred that the structure be high-frequency at least locally, i. with a frequency of a few hundred Hz to a few kilohertz, too deform by, for example, local bumps, dents or waves in the surface the structure are introduced. The deformation can be two-dimensional or three-dimensionally dependent from the desired Be application. Two-dimensional is a deformation, at the same time perpendicular to a surface direction the structure taken, parallel to each other through cross-sections the deformed surface have an identical deformation profile. As three-dimensional deformations are called, in which these deformation profiles can distinguish.
Da die Piezoelemente unter eine glatte, passive Oberfläche einer Struktur eingebracht werden können, die sich bei Verformung der Piezoelemente mitbewegt, bleibt die Oberfläche geschlossen und glatt, trotz der Möglichkeit der aktiven Strömungsbeeinflussung. Dies bietet den Vorteil, dass keine Erosion oder kein Verstopfen von Bohrungen auftritt und im deaktivierten Zustand keine Störung der Strömung durch das nicht aktivierte Piezoelement vorliegt. Die Struktur kann beispielsweise ein Faserverbundwerkstoff sein, in die Piezoelemente eingebettet bzw. integriert sind.There the piezoelectric elements under a smooth, passive surface of a Structure can be introduced which moves with deformation of the piezo elements, remains the surface closed and smooth, despite the possibility of active flow control. This offers the advantage of no erosion or clogging of bores occurs and in the deactivated state no disturbance of flow is present through the non-activated piezoelectric element. The structure can For example, be a fiber composite material, in the piezoelectric elements embedded or integrated.
Somit kann der Aktuator mit dem Piezoelement multifunktional eingesetzt werden, d.h. einerseits für eine quasi-statische, langsame Ansteuerung zur lokalen Formkontrolle der Struktur, beispielsweise der aerodynamischen Oberfläche, wodurch eine Beeinflussung der wandnahen Strömung, insbesondere der Grenzschicht, möglich ist und beispielsweise die Stoß-/Grenzschicht-Wechselwirkung oder ein transsonischer Stoß kontrolliert werden können.Consequently the actuator can be used with the piezoelectric element multifunctional are, i. on the one hand for a quasi-static, slow control for local shape control the structure, for example, the aerodynamic surface, which an influence on the near-wall current, in particular the boundary layer, possible and, for example, the impact / boundary layer interaction or a transonic shock controlled can be.
Gleichzeitig kann mit dem selben Aktuator bei hochfrequenter Anregung eine stehende oder sich fortpflanzende bzw. wandernde zwei- oder dreidimensionale Welle erzeugt werden, die nach Bedarf in Strömungsrichtung, quer oder schräg dazu verlaufen kann und in der Frequenz an die Strömung angepasst sein kann. Dabei soll der Begriff „in Strömungsrichtung" auch eine Ausbreitung entgegen dieser Richtung beinhalten. Bei der Anwendung zusammen mit aerodynamischen Profilen können dadurch für unterschiedliche Flugphasen unterschiedliche Wellenarten erzeugt werden. Als Beispiel sei die gezielte Beeinflussung von aerodynamischen 3D-Moden genannt.simultaneously can with the same actuator at high frequency excitation a standing or reproducing or migrating two- or three-dimensional Shaft are generated, which run as needed in the flow direction, transverse or oblique can and can be adapted in frequency to the flow. there the term "in Flow direction "also a spread contrary to this direction. When used together with aerodynamic profiles can thereby for different Flight phases different wave types are generated. As an an example be the targeted influence of aerodynamic 3D modes called.
Die Strömungsbeeinflussung erfolgt mit der Strömungsdynamik, insbesondere der Aerodynamik bei beispielsweise aerodynamischen Profilen, entsprechenden Mitteln, da die Lasten auf die Strömung als Drucklasten aufgebracht werden bzw. der Impuls in die Strömung durch Wandbewegung eingetragen wird. Somit kann direkt auf Instabilitäten der Umströmung eingewirkt werden, beispielsweise auf konvektive Instabilitäten.The flow Control takes place with the flow dynamics, in particular the aerodynamics in, for example, aerodynamic Profiles, appropriate means, as the loads on the flow than Pressure loads are applied or the impulse in the flow through Wall movement is registered. Thus, directly on instabilities of flow around be acted upon, for example convective instabilities.
Aufgrund der Tatsache, dass keine Strukturen vorstehen oder Bohrungen bzw. Schlitze vorgesehen werden müssen, aber vorgesehen sein können, ist die Struktur mechanisch sehr robust und unempfindlich. Die elektrische Leistungsversorgung kann kompakt vom Inneren der Struktur her erfolgen, indem beispielsweise unter einer passiven, durch den Piezoaktuator mitbewegten Oberfläche der Piezoaktuator und wiederum darunter eine elektrische Kontaktierungsschicht (z.B. in Form eines Gitters oder Netzes) angebracht werden. Somit kann die Leistungsversorgung und somit die Aktivierung stabil und durch einfache Verdrahtung erzielt werden und ist beispielsweise auch in bewegten Bauteilen, wie z.B. im drehenden Rotor von Helikoptern, einfach zu realisieren.Due to the fact that no structures protrude or holes or slots provided but can be provided, the structure is mechanically very robust and insensitive. The electrical power supply can be made compact from the inside of the structure by, for example, under a passive, moving through the piezo actuator surface of the piezoelectric actuator and turn below an electrical contacting layer (eg in the form of a grid or network) are attached. Thus, the power supply and thus the activation can be achieved stably and by simple wiring and, for example, in moving components, such as in the rotating rotor of helicopters, easy to implement.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind mehrere, getrennt voneinander ansteuerbare und aktivierbare und in ihrer Lage aufeinander abgestimmte Aktuatoren, insbesondere Piezoelemente, vorgesehen, die beispielsweise gitter-, schachbrett- oder „patchwork"-förmig angeordnet und aufeinander abgestimmt betätigbar sind. Bei einem derartigen Aktuator sind die Piezoelemente im nicht aktivierten Zustand bevorzugt, eine Fläche bildend, benachbart nebeneinander angeordnet, wobei die gebildete Fläche auch gekrümmt sein kann. Durch eine derartige Aktuatoranordnung kann eine wandernde Welle, auch eine wandernde schräge Welle bzw. eine wandernde sich teilende Welle realisiert werden. Außerdem kann eine stehende Welle nach Bedarf erzeugt werden.To a particularly preferred embodiment are several, separately controllable and activatable and in their position matched actuators, in particular Piezo elements, provided, for example, grid, checkerboard or "patchwork" -shaped and operated synchronized are. In such an actuator, the piezo elements are not in activated state preferred, forming an area adjacent to each other arranged, wherein the surface formed also be curved can. By such an actuator assembly may be a migratory Wave, also a wandering oblique wave or a wandering dividing wave can be realized. In addition, can a standing wave can be generated as needed.
Vorzugsweise wird das Piezoelement zu einer quasi-statischen, langsamen Formänderung und/oder einer hochfrequenten Formänderung angesteuert. Dies bietet eine Flexibilität im Hinblick auf die Verwendung des Piezoelements und eine genaue Strömungsbeeinflussung.Preferably the piezoelectric element becomes a quasi-static, slow change in shape and / or a high-frequency change in shape driven. This provides flexibility in terms of usage of the piezoelectric element and an accurate flow control.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird eine sich fortpflanzende Welle in Strömungsrichtung auf der Oberfläche der Struktur oder quer zur Strömungsrichtung bzw. schräg zur Strömungsrichtung erzeugt. Die Frequenz der Wellenfortpflanzung ist ebenfalls durch die gezielte Ansteuerung der Piezoelemente vorzugsweise einstellbar.To a further preferred embodiment is a propagating wave in the direction of flow on the surface of the Structure or transverse to the flow direction or obliquely to the flow direction generated. The frequency of wave propagation is also through the targeted control of the piezoelectric elements preferably adjustable.
Weiter bevorzugt wird das Piezoelement oder die Anordnung aus Piezoelementen in Abhängigkeit von Daten, die durch einen Strömungssensor oder mehrere Strömungssensoren erfasst werden und in einer Regelungseinheit ausgewertet werden, aktiviert. Damit kann unmittelbar auf die jeweils aktuelle Strömung reagiert werden, so dass beispielsweise die Strömung laminar gehalten werden kann oder an einem einstellbaren Punkt ein laminar-turbulent Umschlag erfolgt.Further the piezo element or the arrangement of piezo elements is preferred dependent on of data through a flow sensor or several flow sensors be detected and evaluated in a control unit activated. This can react directly to the current flow be kept so that, for example, the flow is laminar can or at a settable point a laminar-turbulent envelope he follows.
Zur getrennten Ansteuerung von mehreren Piezoelementen wird vorzugsweise eine Multiplex-Einheit vorgesehen, mit welcher eine separate, jedoch aufeinander abgestimmte Ansteuerung der Piezoelemente möglich ist.to separate control of a plurality of piezoelectric elements is preferably a multiplex unit provided, with which a separate, however coordinated control of the piezo elements is possible.
Bevorzugt kommt die Erfindung in aerodynamischen Profilen zum Einsatz. Darüber hinaus ist beispielsweise auch ein Einsatz im Triebwerkseinlauf oder in Rohrströmungen möglich.Prefers The invention is used in aerodynamic profiles. Furthermore is for example also an insert in the engine intake or in pipe flows possible.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten Figuren beschrieben, in denen:following the invention will be described by way of example with reference to the accompanying drawings described in which:
Die
Deckhaut
Nach
Bedarf, insbesondere um die Anordnung im Bereich der beweglichen
Oberfläche
mechanisch robuster zu gestalten, bzw. um die Kontaktierungs- oder
Verdrahtungsschicht
Wenn
das Piezoelement
Wie
es in
Aus
Aufgrund
der elektrischen gitterförmigen Kontaktierungsschicht
Grundsätzlich ist
die Anzahl der Piezoelemente
Mit Strömungsrichtung wird dabei stets die Hauptströmungsrichtung, beispielsweise die freie, ungestörte Anströmung eines Tragflügels, bezeichnet.With flow direction is always the main flow direction, for example, the free, undisturbed inflow a wing, designated.
In
Ferner
ist mit einem Pfeil Z die Auslenkungsrichtung der Piezoaktuatoren
oder Piezoelemente
Entlang
der Strömungsrichtung,
die mit uinf angegeben ist, ist in
Durch die hochfrequente Aktivierung sind hohe Normalgeschwindigkeiten, d.h. Geschwindigkeiten senkrecht zur Strömungsrichtung, und ein damit einhergehender hoher Impulseintrag realisierbar. Nach Bedarf können dabei zusätzlich Resonanzfrequenzen ausgenutzt werden.By the high-frequency activation are high normal speeds, i.e. Speeds perpendicular to the flow direction, and one with it associated high impulse entry feasible. As needed can additionally Resonant frequencies are exploited.
Alternative
Anordnungen für
zwei bzw. drei einzelne Piezoelemente
Nachfolgend werden Möglichkeiten des zeitlichen Verlaufs der Aktivierung erläutert.following become possibilities the time course of the activation explained.
In
Alternativ
ist auch eine dreidimensionale Aktivierung möglich, was zu der in
Die erwähnten Anregungen können durch hochfrequente Ansteuerung ausgelöst werden, so dass eine hochfrequente aerodynamische Störung erzeugt wird, welche beispielsweise zur Grenzschichtbeeinflussung (Laminar-Turbulent-Übergang) oder zur Beeinflussung der laminaren oder turbulenten Ablösung, insbesondere des Orts der Ablösung, herangezogen werden kann. Die Strömung wird dabei durch die an der Wand vorhandenen Normalgeschwindigkeit durch die Bewegung der Wand sowie einen Impuls- und Energieeintrag in die Grenzschicht und gegebenenfalls das Fernströmungsfeld durch die Bewegung der Wand, entlang derer die Strömung strömt, beeinflusst. Ob Impuls und Energie nur in die Grenzschicht oder auch in das Fernströmungsfeld eingetragen werden, wird durch Wahl der Amplitude, der Form und der Frequenz der Ansteuerung der Oberfläche bestimmt.The mentioned Suggestions can be triggered by high-frequency control, so that a high-frequency generated aerodynamic disturbance which, for example, the boundary layer influencing (laminar-turbulent transition) or for influencing the laminar or turbulent detachment, especially the place the replacement, used can be. The flow is thereby by the existing normal speed on the wall the movement of the wall and an impulse and energy input in the boundary layer and possibly the far-flow field due to the movement the wall along which the flow flows influenced. Whether impulse and energy are entered only in the boundary layer or in the far-flow field is determined by the choice of amplitude, shape and frequency the control of the surface certainly.
Neben der hochfrequenten Ansteuerung können gleiche Formveränderungen, wie sie oben diskutiert worden, auch durch eine quasi-statische Ansteuerung, d.h. eine verhältnismäßig langsame Ansteuerung, zur lokalen Formkontrolle der aerodynamischen Oberfläche genutzt werden. Durch eine solche quasi-statische Ansteuerung steht weniger der Impuls- und Energieeintrag in die Strömung sowie die Beeinflussung der Strömung durch eine Normalgeschwindigkeit an der Wand im Vordergrund als vielmehr die Beeinflussung der Strömung durch Erzeugen von Oberflächengeometrien (z.B. Dellen oder Beulen), wodurch beispielsweise die Ausbildung der Grenzschicht, die Stoßgrenzschichtwechselwirkung oder die transsonische Stoßsteuerung mitbestimmt werden.In addition to the high-frequency control, the same shape changes as discussed above can also be utilized by a quasi-static control, ie a relatively slow control, for local shape control of the aerodynamic surface. By such a quasi-static control is less the impulse and energy input into the flow as well as the influence of the flow through a normal velocity on the wall in the foreground as the influencing of the flow by generating surface geometries (eg dents or bumps), whereby, for example, the formation of the boundary layer, the collision boundary layer interaction or the Transonic Shock control be determined.
- 1010
- Anordnungarrangement
- 1212
- Oberfläche, DeckhautSurface, cover skin
- 1414
- Piezoelementpiezo element
- 1616
- Strukturstructure
- 16'16 '
- Lagerstelledepository
- 1717
- Stützesupport
- 1818
- Kontaktierungsschicht, Verdrahtungsschichtcontacting, wiring layer
- 2020
- Schichtlayer
- 2222
- Energieversorgungpower supply
- 2424
- MehrkanalverstärkerMulti-channel amplifier
- 2626
- Multiplexeinheitmultiplex unit
- 2828
- Reglerregulator
- 3030
- Strömungssensorflow sensor
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