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Die Erfindung betrifft ein Massendurchflussmess- oder -regelgerät.
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Massendurchflussmess- oder -regelgeräte sind beispielsweise aus der
DE 10 2004 019 521 A1 bekannt und sind dazu vorgesehen, Durchflüsse von Gasen oder Flüssigkeiten auch über einen relativ großen Durchflussbereich mit einer hohen Genauigkeit zuverlässig zu messen oder regeln.
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Massendurchflussmess- oder -regelgeräte, welche auf einem thermischen Messprinzip basieren, umfassen üblicherweise ein Sensorelement, das auf einem Sensorträgerteil angeordnet ist und in fluidischer Verbindung zu einem Medium führenden, von einem Hauptströmungskanal abgezweigten Bypasskanal steht.
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Dabei benötigt der Bypasskanal eine gewisse Mindestlänge, die dadurch bedingt ist, dass er über einem einen Druckabfall erzeugenden Strömungsteiler angeordnet ist, so dass nur ein Teil des Gesamtdurchflusses durch den Bypasskanal fließt. Außerdem sollen sich in einem im Bypasskanal angeordneten Messabschnitt möglichst gleichbleibende Strömungsverhältnisse einstellen.
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Für eine konstante Messgenauigkeit ist entscheidend, dass die räumliche Anordnung zwischen Sensorelement und Messabschnitt im Bypasskanal über die Lebensdauer des Massendurchfluss- oder -regelgeräts unverändert bleibt.
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Vor allem bei niedrigen Durchflüssen, beispielsweise bei 100 ml/min bis. zu 1 ml/min, ist es schwierig, eine hohe Regelgüte von z. B. 1–2% zu erreichen. Man stellt eine sich in diesem Bereich besonders stark auswirkende Druckabhängigkeit der Regelgüte fest. Eine Druckbelastung auf die medienberührten Teile im Gerät kann unerwünscht dazu führen, dass sich das Sensorträgerteil im Bereich des Sensorelements durch Verbiegen des Sensorträgerteils etwas vom Bypasskanal entfernt, was in Folge zur Verschlechterung der Regelgenauigkeit führt.
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Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung ein Massendurchflussmess- oder -regelgerät zur Verfügung zu stellen, das die oben genannten Nachteile nicht aufweist, stabil unter Druckbelastung ist und eine hohe Regelgenauigkeit auch im Bereich sehr niedriger Durchflüsse von bis zu 1 ml/min hat.
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Die Aufgabe wird gelöst mit einem Massendurchfluss- oder -regelgerät nach Anspruch 1.
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Ein erfindungsgemäßes Massendurchflussmess- oder -regelgerät weist einen Grundkörper auf, in dem ein Hauptströmungskanal gebildet ist, einen Bypasskanal, von dem der Hauptströmungskanal abzweigt und zu ihm zurückgeführt ist, und ein Sensormodul, das ein Sensorelement umfasst. Das Sensormodul ist an eine Elektronikeinheit ankoppelbar. Im Bypasskanal ist ein Messkanalabschnitt ausgebildet, der in fluidischem Kontakt mit dem Sensorelement steht, wobei das Sensormodul ein insbesondere quaderförmiges Sensorträgerteil und ein Stabilisierungselement zum mechanischen Stabilisieren des Sensorträgerteils im Bereich des Messkanalabschnitts umfasst.
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Um das Sensorelement mit dem Bypasskanal in fluidischen Kontakt zu bringen, muss das Sensorträgerteil am Massendurchflussmess- oder -regelgerät montiert werden. Dazu werden häufig Befestigungsmittel wie Schrauben verwendet. Die Befestigungsmittel sollen dabei außerhalb des Bypasskanals angeordnet sein, um zu verhindern, dass die Strömung des Mediums im Bypasskanal ungünstig beeinflusst werden könnte. Außerdem soll ein Mediumkontakt mit den Befestigungsmitteln aus Beständigkeits- und Kontaminationsgründen vermieden werden.
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Konstruktions- bzw. geometriebedingt können Bereiche des Sensorträgerteils, die direkt benachbart zu den Befestigungsmitteln liegen, einer größeren Druckbelastung ausgesetzt werden, als Bereiche, die weiter von den Befestigungsmitteln entfernt sind. Da die Befestigungsmittel bevorzugt außerhalb des Bypasskanals liegen, ist gerade der Bereich des Sensorträgerteils, in dem das Sensorelement angeordnet ist, weniger druckbelastbar. Diesem Nachteil wirkt das Stabilisierungselement entgegen.
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Das Stabilisierungselement sorgt vorteilhaft dafür, dass das Sensorträgerteil im Bereich des Messkanalabschnitts, der in fluidischem Kontakt zum Sensorelement steht, und der nicht direkt zu den Befestigungsmitteln benachbart ist, trotzdem hohen Drücken standhält. Das heißt, dass der fluidische Kontakt des Messkanalabschnitts zum Sensorelement unter Druckbelastung jederzeit gewährleistet ist und das Sensorträgerteil sich nicht etwa durch Verbiegen im Bereich des Sensorelements unerwünscht etwas vom Bypasskanal entfernt. Dadurch wird die Messgenauigkeit verbessert.
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Das Sensortträgerteil und/oder das Stabilisierungselement ist vorteilhafterweise plattenförmig, insbesondere quaderförmig ausgebildet. Plattenförmige Teile sind günstig in Bezug auf ihre Herstellung und Handhabung. Außerdem können sie auf einfache Weise abgedichtet werden. Es ist günstig, die Geometrie von Sensorträgerteil und Stabilisierungselement aufeinander abzustimmen. So können die Geräte vor allem auch platzsparend gebaut werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform hat das Stabilisierungselement eine bogenförmige Gestalt und drückt mit seinem ausbauchenden Abschnitt das Sensorträgerteil in Richtung zum Grundkörper hin, insbesondere im Bereich des Sensorelements. Dadurch wird die Stabilität des Systems gerade an dem Ort erhöht, an dem die Messwerte erfasst werden, was direkt die Messgenauigkeit verbessert.
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Außerdem hat die bogenförmige Gestalt des Stabilisierungselements den Vorteil, dass eine von ihm ausgehende Stabilisierungskraft sehr gezielt und gerichtet in das System eingebracht wird. Die Stabilisierungskraft wirkt am stärksten entlang der Scheitellinie des Bogens.
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Das Stabilisierungselement ist günstiger Weise als Federblech ausgebildet. Ein Federblech ist besonders dafür geeignet, eventuell auftretende Druckstöße aufzufangen. Die Federkraft des Federblechs erhöht die Dichtheit und wirkt einem eventuellen Verbiegen des Sensorträgerteils aufgrund des Fluiddrucks entgegen. Selbstverständlich können alternativ auch andere federelastische Elemente verwendet werden.
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Insbesondere hat das Stabilisierungselement im Wesentlichen dieselbe Grundfläche wie das Sensorträgerteil, so dass es dieses auf einer Seite komplett abdeckt.
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Das Sensorträgerteil und das Stabilisierungselement sind mit Befestigungsmitteln am Grundkörper arretiert. Dadurch sind das Sensorträgerteil und das Stabilisierungselement räumlich in der Nähe des im Grundkörper angeordneten Hauptströmungskanals. Kurze Mediumskanäle oder -leitungen wirken sich günstig auf die Messdynamik aus.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind das Sensorträgerteil und das Stabilisierungselement aufeinandergestapelt am Grundkörper lösbar befestigt, wobei das Stabilisierungselement das Sensorträgerteil rückseitig stabilisiert.
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Eine lösbare Befestigung vereinfacht eventuell während der Kundenapplikation benötigte oder gewünschte Wartungen des Massendurchflussmess- oder -regelgeräts. Das Sensorträgerteil und/oder das Stabilisierungselement können bei Bedarf einfach ausgetauscht werden.
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Als Befestigungsmittel eignen sich beispielsweise Schrauben oder Klammern, die mit im Grundkörper vorzusehenden Gewinde oder Nuten zusammenwirken.
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Der Messkanalabschnitt ist bevorzugt als Ausnehmung in einer zum Sensorträgerteil benachbarten Außenfläche des Grundkörpers ausgebildet. Da der Hauptströmungskanal im Grundkörper gebildet ist, von dem der Bypasskanal abgezweigt ist, und der Bypasskanal den Messkanalabschnitt umfasst, ergeben sich bei dieser Anordnung des Messkanalabschnitts vorteilhaft kurze fluidische Verbindungen zwischen dem Hauptströmungskanal, dem Bypasskanal und dem Messkanalabschnitt.
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Es ist aber auch möglich, dass der Messkanalbschnitt als Ausnehmung in einer zur Sensorträgerplatte benachbarten Außenfläche einer separaten Fluidkanalplatte angeordnet ist, die am Grundkörper lösbar befestigt ist. Das hat den Vorteil, dass die Modularität erhöht wird, das heißt, dass die Fluidkanalplatten anwendungsspezifisch ausgebildet werden können und bei Bedarf einfach austauschbar sind.
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Die Geometrie des Fluidkanals kann auf die Eigenschaften des Mediums adaptiert werden. Beispielsweise kann der Messkanalabschnitt abhängig von der Viskosität des Mediums als kleinere oder größere Ausnehmung in der Fluidkanalplatte ausgebildet sein. Ebenso kann das Material, aus dem die Fluidkanalplatte hergestellt wird, abhängig vom Medium ausgewählt werden.
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Vorteilhafterweise ist der Messkanalabschnitt durch eine Seitenfläche des angrenzenden Sensorträgerteils geschlossen. Auf diese Weise ist der Messkanalabschnitt als eine Kontur innerhalb der Fluidkanalplatte oder des Grundkörpers ausgebildet und ist einfach abdichtbar.
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Das Sensorelement weist elektrische Kontaktierungen zum Koppeln an die Elektronikeinheit auf, so dass die vom Sensorelement erfassten Messwerte direkt ausgewertet werden können.
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In einer Ausführungsform werden die elektrischen Kontaktierungen durch das Sensorträgerteil und das Stabilisierungselement zu einer vom Grundkörper abgewandten Außenfläche hindurch geführt. Das hat den Vorteil, dass die Elektronikeinheit nicht mit Medium in Kontakt kommt, wodurch die Lebensdauer der elektronischen Bauteile erhöht ist.
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Die Elektronikeinheit ist bevorzugt Teil des Geräts und als Leiterplatte ausgebildet, die zusammen mit dem Sensorträgerteil und dem Stabilisierungselement am Grundkörper lösbar befestigt ist. Dadurch kann das Massendurchlussmess- oder -regelgerät als kompakte Einheit hergestellt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist auf der Leiterplatte eine Schnittstelle zur Übertragung von durch das Sensorelement erfassten Daten angeordnet. Die Schnittstelle kann zum Beispiel als Busschnittstelle ausgeführt sein, über die Messdaten an eine Auswerteeinheit übermittelt werden. Es kann aber auch ein Display angeschlossen werden.
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Das Sensormodul, die Elektronikeinheit und die optionale Fluidkanalplatte werden bevorzugt aufeinandergestapelt und als vormontierte Einheit ausgebildet, was günstig in Bezug auf Montage und Lagerhaltung ist.
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Das Sensormodul ist bevorzugt als vormontierte Einheit am Grundkörper lösbar befestigt, insbesondere verschraubt. Die Befestigung kann aber auch mittels anderer bekannter Verfahren, wie zum Beispiel mit Klammern realisiert werden.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Hierbei zeigen:
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1 eine perspektivische Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Massendurchflussmess- oder -regelgerät in vormontiertem Zustand;
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2 eine perspektivische Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Massendurchflussmess- oder -regelgerät in montiertem Zustand;
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3 eine Längsschnittansicht des erfindungsgemäßen Massendurchflussmess- oder -regelgeräts nach 1; und
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4 eine Längsschnittansicht des erfindungsgemäßen Massendurchflussmess- oder -regelgeräts nach 2.
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In 1 ist eine perspektivische Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Massendurchflussmess- oder -regelgerät 10 in vormontiertem Zustand gezeigt. Ein im Wesentlichen quaderförmiger Grundkörper 12 wird von einem Hauptströmungskanal 14 in Längsrichtung durchragt.
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An einer vorzugsweise parallel zur Längsrichtung verlaufenden Seitenfläche des Grundkörpers 12 sind eine Fluidkanalplatte 16, ein Sensorträgerteil 18, ein Stabilisierungselement 20 und eine Elektronikeinheit 22 aufeinander gestapelt angeordnet und mittels Befestigungsmitteln 24, beispielsweise Schrauben, lösbar mit dem Grundkörper 12 verbunden. Es können aber auch andere Befestigungsmittel wie Klammern oder Bügel eingesetzt werden.
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Die Schrauben sind in 1 noch nicht bis in eine Endlange angezogen dargestellt.
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Die Fluidkanalplatte 16, das Sensorträgerteil 18, das Stabilisierungselement 20 und die Elektronikeinheit 22 weisen jeweils eine quaderförmige, insbesondere plattenförmige Geometrie auf. Die plattenförmige Geometrie ermöglicht eine sehr kompakte und platzsparende Bauweise. Aber es kann auch eine andere Geometrie gewählt werden.
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Das Sensorträgerteil 18 umfasst ein Sensorelement, das in den 1 und 2 nicht gezeigt ist und bei den Beschreibungen der 3 und 4 im Detail beschrieben wird.
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Während die Fluidkanalplatte 16, das Sensorträgerteil 18 und die Elektronikeinheit 22 an sich gegenüber liegenden Außenflächen eben ausgebildet sind, hat das Stabilisierungselement 20 eine bogenförmige Gestalt mit einem ausbauchenden Abschnitt 26 und zwei Schenkeln 28. Der ausbauchende Abschnitt 26 des Stabilisierungselements 20 liegt im Bereich des Sensorelements auf dem Sensorträgerteil 18 an.
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Die beiden Schenkel 28 sind insbesondere um 2° in Bezug auf das Sensorträgerteil 18 von diesem weg weisend abgewinkelt. Das Stabilisierungselement 20 weist insbesondere eine Dicke von 2 mm auf.
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Das Stabilisierungselement 20 ist vorzugsweise als Federelement ausgebildet und aus einem Federstahl hergestellt. Es sind aber auch andere Stabilisierungselemente 20 denkbar, die im Bereich des Sensorelements auf das Sensorträgerteil 18 drücken.
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Die Elektronikeinheit 22 weist eine Schnittstelle 30 zur Übertragung von vom Sensorelement erfassten Messwerten auf. Die Schnittstelle 30 ist vorzugsweise als eine interne Busschnittstelle zur Kommunikation mit einer Auswerte- oder Regeleinheit (nicht dargestellt) ausgebildet. Die Daten können aber auch auf andere bekannte Datenübertragungsarten, beispielsweise elektrisch, induktiv, mittels Funk oder drahtlos, an die Auswerte- oder Regeleinheit übermittelt werden. Die Schnittstelle 30 wird je nach gewünschter Datenübertragungsart entsprechend ausgestaltet.
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In 2 sind im Unterschied zu 1 die Befestigungsmittel 24 in montiertem Zustand in ihrer Endlage gezeigt, wobei die Schenkel 28 des Stabilisierungselements 20 in Richtung zum Sensorträgerteil 18 gedrückt sind, so dass das Sensorträgerteil 18 und das Stabilisierungselement 20 eine im Wesentlichen zueinander parallele Position einnehmen. Das Stabilisierungselement 20 drückt im Bereich des Sensorelements 40 auf das Sensorträgerteil 18 und stabilisiert dieses rückseitig, wodurch das Sensorträgerteil 18 auch bei hoher Druckbelastung formstabil bleibt.
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3 zeigt das Massendurchflussmess- oder -regelgerät 10 nach 1 im vormontierten Zustand.
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Der Grundkörper 12 wird vom Hauptströmungskanal 14 durchragt. An einer Seitenfläche des Grundkörpers 12 sind die Fluidkanalplatte 16, das Sensorträgerteil 18, das Stabilisierungselement 20 und die Elektronikeinheit 22, wie schon in 1 dargestellt, aufeinander gestapelt angeordnet und mittels der Befestigungsmittel 24 lösbar mit dem Grundkörper 12 verbunden.
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Im Hauptströmungskanal 14 ist axial ein Strömungskonditioniereinsatz 32 angeordnet, der ein Strömungswiderstandselement 34 umfasst. Vom Hauptströmungskanal 14 ist ein zu diesem paralleler Bypasskanal 36 mit zwei Verbindungskanälen 38 so abgezweigt und wieder zurückgeführt, dass das Strömungswiderstandselement 34 zwischen den beiden Verbindungskanälen 38 zur Erzeugung einer Druckdifferenz angeordnet ist.
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Der Bypasskanal 36 verläuft seitlich nach außerhalb des Grundkörpers 12 in die Fluidkanalplatte 16.
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Der Bypasskanal 36 ist dort als Ausnehmung in der nach oben offenen Fluidkanalplatte 16 ausgebildet, die an einer Seitenfläche des Grundkörpers 12 angeordnet ist. Die Fluidkanalplatte 16 ist optional, denn der Bypasskanal 36 kann alternativ auch als Ausnehmung an der Seitenfläche des Grundkörpers 12 ausgebildet sein. Die Verbindungskanäle 38 münden in der Fluidkanalplatte 16 und gehen in den Bypasskanal 36 über.
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Der Bypasskanal 36 wird durch eine angrenzende Seitenfläche des Sensorträgerteils 18, auf dem das Sensorelement 40 angeordnet ist, verschlossen.
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Das Sensorelement 40 steht mit dem Bypasskanal 36 im Bereich eines Messkanalabschnitts 42 in fluidischem Kontakt, wobei dieser Bereich rückseitig durch das Stabilisierungselement 20 stabilisiert wird.
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Das Sensorelement 40 weist elektrische Kontaktierungen 44 auf, die durch das Sensorträgerteil 18 und das Stabilisierungselement 20 zu einer vom Grundkörper 12 abgewandten Außenfläche hindurchgeführt sind. Die elektrischen Kontaktierungen 44 münden in der Schnittstelle 30, die auf der Elektronikeinheit 22 angeordnet ist.
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Die Elektronikeinheit 22 ist vorzugsweise als Leiterplatte ausgebildet und ist zusammen mit der optionalen Fluidkanalplatte 16, dem Sensorträgerteil 18 und dem Stabilisierungselement 20, wie oben beschrieben lösbar, am Grundkörper 12 mittels der Befestigungsmittel 24 befestigt.
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Die optionale Fluidkanalplatte 16, das Sensorträgerteil 18, das Stabilisierungselement 20 und die Elektronikeinheit 22 werden bevorzugt als vormontierte Einheit aufgebaut, die am Grundkörper 12 lösbar befestigt wird.
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Es ist aber auch möglich, zunächst das Sensorträgerteil 18 mit dem Stabilisierungselement 20 zu verbinden und direkt am Grundkörper 12 lösbar zu montieren, für den Fall dass der Messkanalabschnitt 42 als Ausnehmung in einer Seitenfläche des Grundkörpers ausgebildet ist.
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Erfindungswesentlich ist, dass das Sensorträgerteil 18 durch das Stabilisierungselement 20 im Bereich des Messkanalabschnitts 42 gegen den Fluiddruck stabilisiert wird, so dass sichergestellt ist, dass das Sensorelement 40, auch unter Druckbelastung durch das Medium, in gleichbleibender fluidischer Verbindung zum Messkanalabschnitt 42 steht und sich das Sensorträgerteil 18 nicht unerwünscht verbiegt, so dass die Messgenauigkeit erhöht und nahezu druckunabhängig ist.
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In 4 ist eine Vorderansicht des erfindungsgemäßen Massendurchflussmess- oder -regelgeräts 10 nach 2, also in montiertem Zustand, im Halbschnitt dargestellt.
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Im Unterschied zu 3 befinden sich die Befestigungsmittel 24 in ihrer Endstellung. Das Stabilisierungselement 20 liegt im Wesentlichen parallel an dem Sensorträgerteil 18 an und drückt im Bereich des Sensorelements 40 rückseitig gegen das Sensorträgerteil 18, so dass der fluidische Kontakt zwischen dem Sensorelement 40 und dem Bypasskanal 36 im Bereich des Messkanalabschnitts zuverlässig sichergestellt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004019521 A1 [0002]
