DE1573072A1 - Stroemungsuhr - Google Patents

Description

B. RHODES & SON LIMITED, Danes Road, Grow Lane, Romford, Essex,

England.

Strömungsuhr.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Strömungsuhr zum Messen der Strömung eines Strömungsmediums in einem Rohr, insbesondere solche Strömungsuhren, welche mit einer Turbine oder einer Schraube arbeiten.

Strömungsuhren bzw. -messer dieser Art sind mit einer Turbine oder einer Schraubeneinheit versehen, welche in einem beschränkten Teil eines Rohree angeordnet sind, durch welche der zu messende Strom hindurchgeht, wobei die Einheit drehbar um die Achse des Rohres angeordnet ist. Die Turbinenschaufel oder Schraubenblätter bestehen aus magnetischem Material. Die Anordnung ist so getroffen, daß die Drehgeschwindigkeit der Blättei

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proportional dem durch das Rohr hindurchfließenden Strömungsvolumen ist.

Die Drehgeschwindigkeit der Turbine oder der Schraube wird elektromagnetisch oder magnetisch wahrgenommen. Bei einem typischen Beispiel besteht dieses Wahrnehmungssystem aus einer Spule mit einem magnetisierbaren Kern, deren Achse rechtwinkelig zur Strömung in dem Rohr und dicht dabei liegt. Eine Drehung der Turbine oder Schraube verursacht eine Veränderung in dem Feld des Kernes und induziert eine Wechselspannung in die Spule von der Größenordnung von wenigen Millivolt, wobei die Spannung proportional der Drehgeschwindigkeit der Jurbine oder Schraube ist.

Die niedrige Wechselspannung muß dann in eine geeignete Form zur Vorsehung der Anzeige der Strömungsgeschwindigkeit umgewandelt werden. Zu diesem Zweck muß sie zuerst verstärkt werden und eine brauchbare Spannung erzeugen. Sie durchläuft dann verschiedene Stufen, um eine Analogmesseranzeige in den erforderlichen Einheiten vorzusehen. Um eine Genauigkeit der Uhroder Messerablesung sicherzustellen, ist eine stabilisierte Spannungsspeisung wesentlich, und es muß große Sorge dafür getragen werden, um eine Störung von einer anderen elektrischen Ausrüstung zu vermeiden.

Diese Art von Strömungsuhr oder -messer hat eine Vielzahl von Nachteilen. Erstens ist die Ausrüstung, die notwendig ist, um eine genaue Ablesung vorzusehen, verwickelt im Aufbau und teuer. Zweitens ist die Turbinen- oder Schraubeneinheit unmittelbar

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in dem Rohr angeordnet und kann deshalb nicht ohne Unterbrechung der Rohrleitung entfernt werden, wodurch eine Wartung und Auswechslung schwierig wird. Drittens ist der Rohrquerschnitt, in welchem die Turbinen- oder Schraubeneinheit angeordnet ist, gewöhnlich nicht ein Normquerschnitt. Viertens ist es üblich, die Turbinenschaufeln oder Schraubenblätter aus von dem Körper bearbeiteten rostfreiem Stahl aus Gründen der Genauigkeit und Notwendigkeit einer langen Lebensdauer wegen der Auswechslungsschwierigkeiten herzustellen. Fünftens muß die Abtastspule wegen ihrer sehr niedrigen Spannungsleistung in der Nähe eines Verstärkers angeordnet werden, wenn eine Störung vermieden werden soll. Sechstens ist die zum Antrieb der Turbine oder der Schraube benötigte Kraft, insbesondere in Hinblick auf den sehr beschränkten Durchtritt für das Strömungsmedium, der notwendig ist, um den Rotor auf eine hohe Geschwindigkeit zur Betätigung in dem linearen Bereich zu bringen, oft ein großer Prozentsatz der erforderlichen Pumpleistung, d.h., es sind sehr große Druckverluäbe bei maximalen Strömungsgeschwindigkeiten vorhanden.

Gemäß der Erfindung wird eine Strömungsuhr mit einer Schraube oder einer Turbine vorgesehen, welche die genannten Nachteile wesentlich oder vollständig vermeiden soll.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Strömungsuhr oder ein Strömungsmesser zum Messen der Strömung eines Strömungsmediums in einem Rohr vorgesehen, welche eine Turbinen- oder Schraubenkopf aufweist, welcher mit einer Mehrzahl von Schrau-

blättern
ben/versehen und in dem Rohr angeordnet ist, auf dessen Welle der Turbinen- oder Schraubenkopf drehbar damit angeordnet ist,

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wobei die Welle zur Richtung der Strömung geneigt ist oder im rechten Winkel steht und eine solche länge hat, daß sie aus der Strömungsbahn herausreicht und Mittel der Welle zugeordnet sind, wodurch die Drehung der Welle bestimmt werden kann.

Unter dem Ausdruck "schräg oder geneigt zur Richtung der Strömung" soll auch eine Sangentiale eingeschlossen sein, wenn die Strömung beispielsweise in4inem gebogenen Rohr verläuft .

Die Mittel zum Bestimmen der Drehbewegung der Welle weisen ein magnetisierbares, auf der Welle drehbar damit angeordnetes Glied und einen magnetisch betätigten Schalter auf, welcher so in der Nähe des magnetisierbaren Gliedes angeordnet ist, daß er dadurch bei einer Drehung geöffnet und geschlossen wird, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß die Frequenz des Öffnens und Schließens des Schalters direkt proportional der Drehgeschwindigkeit der Welle ist.

Auf der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise dargestellt.

Fig. 1 zeigt in einem Längsschnitt einen Rohrabschnitt mit einer Strömungsuhr nach der Erfindung.

Fig. 2 ist ein Querschnitt nach der Linie II-II der Fig. l_f

Fig. 3 ist eine Draufsicht auf den Schraubenkopf der Strömungsuhr nach den Figuren 1 und 2.

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Figuren 4 und 5 sind Ansichten von zwei abgeänderten Ausführungsformen von Schraubenköpfen.

Pig. 6 ist ein Schaltschema.

Bei den Figuren 1 bis 3 kann die Strömungsuhr oder der Strömungsmesser nach der Erfindung in einem normalen ^"-Rohrabschnitt eingebaut werden, dessen·gerader Schenkel 1 in vorliegendem Falle einen Flüssigkeitsstromdurchgang bildet und dessen Abzweigungsarm 2 eine Einheit 3 aufnimmt, in welcher die S"fcömungsuhr angeordnet ist.

Die Strömungsuhr selbst weist einen Schraubenkopf 4 mit drei Blättern 5, 6 und 7 auf, welche drehbar mit einer Welle 8 angeordnet sind. Die Welle 8 ist in einem Gehäuse 9 auf Kugellagern 10 und 11 angeordnet. Das Gehäuse selbst ist in einer Bohrung 12 in der Einheit 3 angeordnet und darin durch eine Einstellschraube 13 befestigt. Die Kugellager 10 und 11 werden auf der Welle mittels eines Gliedes 15, welches auf die Welle geschraubt ist und an welcher der Schraubenkopf befestigt ist, und mittels eines Magnetträgere oder einer Magnetbüchse 17 festgehalten. Das Glied 15 bildet einen Einsatz in dem Schraubenkopf 4.

Der Magnetträger oder die Magnetbüchse 17 ist, wie erwähnt, an der Welle 8 damit befestigt. In der Büchse oder dem Träger 17 ist ein kreisförmiger Magnet 18 vorgesehen, welcher magne tisiert ist, so daß er entgegengesetzte Pole in diametralen Abstand auf seiner Oberfläche 19 hat.

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Ein magnetisch "betätigter Zungen- oder Blattfederschalter ist "bei 20 schematisch dargestellt und in einer "becherförmigen Ausnehmung 21 in der Einheit 3 angeordnet. Der Schalter 20 ist in einem Verschlußstopfen 22 entweder durch Eingießen oder durch Anordnen in einer Ausnehmung eingebettet. Anschlußdrähte 23 stehen von dem Stopfen 22 ab. Der Stopfen kann einen festen Bestandteil in der Einheit 3 "bilden oder abnehmbar darin "befestigt sein, um eine Auswechslung des Zungenschalters zu ermöglichen.

Der Stopfen 22 ist von dem Magnet 18 durch eine mit dem Teil 3 einstückige Wand 24 getrennt, welcher die Bohrung 12 zu einer "blinden Bohrung macht und somit die Notwendigkeit von drehbaren Abdichtungen vermeidet, wobei die Strömungsuhr wirksam in dem Strömungsmedium oder der Flüssigkeit läuft. Die Einheit 3 ist in dem Rohrschenkel 2 durch einen O-Ring 25 abgedichtet und mit Gleitsitz in dem Rohrschenkel 2 angeordnet. Ein zwangsläufiger Eingriff der Einheit 3 in dem Rohrschenkel 2 kann jedoch gewünschtenfalls vorgesehen werden, oder die Einheit kann mittels einer nicht dargestellten Einstellschraube verriegelt werden.

Die Form der Blätter wird empirisch bestimmt, die in den Zeichnungen dargestellte Form ist für einen Flüssigkeitsstrom in Richtung der Pfeile 26 entworfen. Jedes Blatt hat einen Stijegungswinkel von 30 , und die Blattwurzel ist an ihrer Welle unter 45 geneigt. Es ist ersichtlich, daß sich das zweite Blatt, während sich ein Blatt in der Strömungsrichtung bewegt, entgegen zu dieser Strömungsrichtung bewegt und das dritte Blatt quer zudem Strom und nur seinen Rand zur Richtung

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seiner Bewegung darbietet. Da sich keines der Blätter überlappt, ist es für eine Herstellung durch Gießen sehr geeignet. Zur Erzielung "bester Ergebnisse sollen die Blätter vorzugsweise innerhalb eines Bereiches von 5 cm für ein Zweizollrohr liegen.

Es hat sich herausgestellt, daß sich eine Schraube dieser Art in einem Zweizollrohr bei ungefähr 2.000 Umdrehungen pro Minute dreht, wenn es durch einen Flüssigkeitsstrom von 450 Liter pro Minute angetrieben wird.

Um jede Störung der Strömung aufgrund des Y-Rohrabschnittes zu vermeiden, ist die Einheit 3 wie bei 28 (insbesondere Mg. 2) zur Anpassung an den normalen Rohrabschnitt geformt.

Die Materialien, aus welchen die Strömungsuhr hergestellt wird, kann von jeder Art sein, die folgenden Materialien aber sind besonders hierfür sowohl in funktioneller als auch wirtschaftlicher Hinsieht geeignet:

Welle 8 Blattkopf

Gehäuse 9 Einheit 3 Einsatz Magnettopf

rostfreier Stahl

synthetisches Harz wie beispielsweise Nylon oder glasverstärktes Nylon mit einer rostfreien Stahleinlage oder ein rostfreier Stahlanlageguß.

Polyvinylchlorid oder Bronze Polyvinylchlorid oder Bronze rostfreier Stahl

jedes geeignete nichtmagnetisch^ Material wie beispielsweise rostfreier Stahl.

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Die Arbeitsweise der Strömungsuhr ist folgende.

Um die Strömungsuhr oder den Strömungsmesser in ein mit "Y" Abschnitten versehenes Rohr einzufügen, wird ein das Rohr abschließender Pfropfen oder dergl. entfernt und die Einheit in das Rohr eingeschoben, bis die Schultern 29 auf der durch das Ende des vergrößerten Abschnittes gebildete Schulter anstößt, welcher normalerweise für die Befestigung von weiteren Rohrlängen verwendet wird.

Die Einheit kann, wie oben erwähnt, durch die Einstellschraube verriegelt werden. Es muß Sorge dafür getragen werden, eine genaue Einstellung der Einheit in dem Rohr sicherzustellen.

Die Drähte 23 werden an eine geeignete elektrische Schaltung für AbIesungszwecke angeschlossen. Es kann eine Spannung in der Größenordnung von zehn Volt an den Schalter 20 angeschlossen werden, was eine sehr große verwendbare Drahtlänge zwischen Einheit und elektrischer Schaltung ermöglicht. Nur wenn besondere Umstände vorliegen, ist eine Verstärkung notwendig.

Wenn die Einheit einmal abgedichtet angeordnet und angeschlossen ist, kann die Pumparbeit begonnen werden, und der Flüssigkeitsstrom durch das Rohr ruft eine Drehbewegung des Schraubenkopfes A hervor. Dieser seinerseits dreht die Welle 8 und damit den Magnet 18. Diese. Drehung des Hagnet 18 ruft ein Drehfeld hervor, welches auf den Zungenschalter 20 wirkt und ihn zweimal pro Umdrehung der Welle öffnet und schließt. Damit zeigt die Prequaiz des öffnens und Schließens des Schalters 20 die Drehgeschwindigkeit des Schraubenkopfee an, und diese Arbeit des

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Sehalters kann dazu verwendet werden, eine Analog- und bzw. oder Digitalinformation in einer Weise vorzusehen, wie sie mit bezug auf Pig. 6 beschrieben ist.

In den Figuren 4 und 5 sind zwei abgeänderte Ausführungsformen von Schraubenkopf 40 und 50 dargestellt. Der' Schraubenkopf 40 ist mit zwei Blättern 41 und 42 und der Schraubenkopf 50 mit vier Blättern 51> 52, 53» 54 vergehen. Obgleich im allgemeinen der mit drei Blättern versehene Schraubenkopf die besten Resultate ergibt, kann mit Erfolg auch ein Schraubenkopf mit zwei oder vier Blättern verwendet werden. Wenn es sich als erfolgreich beweisen sollte, können sogar noch mehr Blätter verwendet werden.

Fig. 6 zeigt eine für eine Verwendung mit der oben beschriebenen Einheit zum Vorsehen einer Analog-Anzeige geeignete Schaltung. Im allgemeinen ist der Zungenschalter 20 so angeordnet, daß er einen erregten Stromkreis öffnet und schließt und deshalb eine Gleichstromimpulsleistung von einer Frequenz vorsieht, welche der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit proportional ist. Diese wird auf ein Meßinstrument durch einen monostabilen Stromkreis angelegt. Ein geeigneter Messer für diesen Zweck ist ein D'Arsonval beweglicher Spulenmesser, dessen Anzeige einseitig wirkend und proportional der Leistung ist, d.h. eine Einmilliamperebewegung zeigt einen vollen Ausschlag bei einem Strom von einem Milliampere ständig oder bei einem Strom von zwei Milliampere unterbrochen für 50 fi der Zeit usw. Dieses Merkmal ist wirksam, bis die Frequenz so niedrig ist, daß der Messer den eineeinen Iapuleen folgt·

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Somit ist der Anzeigestromkreis von Pig. 6 ersichtlich eine Frequenz zu Gleichstromumformer angeordnet, um als ein monostabiler Multivibrator zu arbeiten. Die Impulse von dem Zungenschalter 115 (20 in den Figuren 1 und 2) lösen den monostabilen Stromkreis aus, -welcher einen Impuls von der gleichen Leistung, jedesmal, wenn er ausgelöst ist, ausgibt. Bei niedrigen Geschwindigkeiten ist nur ein kleiner Betrag an zu dem Messer fließender Leistung vorhanden, und bei hohen Geschwindigkeiten ist eine direkt proportionale höhere Leistung da.

Der monostabile Stromkreis ist eine übliche, transistorenverwendende Form. Der Eingang von der Zunge 115 kommt von dem Ο,ΟΟΙϊ¹ Kondensator 116, welcher durch einen 10k.il Widerstand 117 aufgeladen ist, und sich durch einen 100k Ω. Widerstand entlädt, wenn sich der Zungenschalter 115 öffnet. Eine Diode

119 verstärkt nur die positiv fließenden Impulse durch den IMfd-Kondensator 120, welcher einen Transistor 121 absehaltet, welcher es ermöglicht, daß die Spannung des Stromabnehmers bis zu der negativen Speisespannung ansteigt.

auf
Dieses übt einen negativen Impuls/einen anderen Transistor aus, welcher anschaltet, den Kondensator 120 auflädt und ihn in diesem unstabilen Zustand hält, bis sich der Kondensator

120 durch einen 12k Sl Widerstand 123 entlädt und der Stromkreis sich umkehrt, um einen weiteren Impuls durch die Diode 19 zu erwarten. Der Ausgangsimpuls geht durch Widerstände 124» 125 und 126 von Werten von 2,7k, Ik und 470 Ohm entsprechend dem Messer 127, welcher proportional zu der Leistung eines jeden Impulses ausschlägt. Der Stronkreia kann wiederum nicht ausgelöst werden, bis der Impuls aufgrund der Diode 191 welche

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zurück vorgespannt ist, vollständig wird. Dieses stellt sicher, daß einer der Nachteile der Zungenschalter, nämlich der Zungen-" aufschlag, nicht die erhaltene Messerablesung "beeinträchtigen kann. Nach Vervollständigung des Impulses kann der Stromkreis dann den nächsten Impuls von dem Zungenschalter 115 aufnehmen. Der 470 Ohm-Widerstand 126 in Verbindung mit einem 1.000 Mfd-Kondensator 128 gleicht den Messerausschlag bei niedrigen Geschwindigkeiten mit der in dem Kondensator aufgespeicherten Energie aus. Die Energie des ausgeübten Impulses wird durch eine Zenerdiode 129 für eine Amplitude und durch den Widerstand-Kondensatorstromkreis 123, 120 für eine Zeitdauer gesteuert. Es gibt eine Anzahl von anderen Faktoren, wie beispielsweise die Impedanz des !Transistors 121, welche die Größe des Impulses beeinflußt, aber dies ist annehmbar konstant. Ein 220 pf-Kondensator 130 wird dazu verwendet, das Schalten zu beschleunigen, welches durch die Eingangskapazität des Transistors 122 verlangsamt wird. Das Schalten des unstabilen Zustandes wird vor

ausgeübten dem Ende des durch die Diode 119/Schaltimpulses vervollständigt.

Die Spannung über die Zenerdiode 129 erhöht sich auf ein kleines Maß von einer Erhöhung der Speisespannung mit dem sich erhöhenden Strom, und um einiges davon auszugleichen, wird die Größe des Impulses verkleinert, wenn der Zener sich unter solchen Stromverhältnissen befindet, da der Strom durch einen 150 Ohm-Widerstand I3I fließt und den Transistor 122 für eine etwas längere Zeitdauer abhält. Die Lieferung von dem Zungenschalter 115 wird auf die gleiche Stelle mit dem doppelten Vorteil gerichtet, daß das gemeinsame Potential sich auf einer Seite der Zunge oder Blattfeder 115

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befindet, und eine kleine. Änderung im Ausgang über Eingangsspeisungen von 12 bis 24 Volt vorhanden ist. Das Ergebnis ist eine Änderung von weniger als lfo für die 100$-Erhöhung in Speisevolten.

Der Impuls von dem 0,001F-Kondensator 116 ist von ziemlich niedriger leistung, und der Strom durch den Zungenschalter ist ebenfalls niedrig, wodurch sich eine längere Lebensdauer des Schalters ergibt. Diffuse Goldkontakte in dem Schalter werden bevorzugt. Der Ausgangsimpuls sollte ungefähr 60$ von dem Zyklus bei maximalen Geschwindigkeiten für beste Linearität betragen.

Der oben beschriebene Stromkreis sieht die Analoganzeige von einer Mehrzahl von Impulsen von im wesentlichen konstanter Energie vor, und es muß dabei berücksichtigt werden, daß tatsächlich jeder Impuls eine bestimmte Menge an Flüssigkeit darstellt. Auf diese Weise ist eine Digitalinformation vorgesehen und diese kann in bekannter Weise dazu verwendet werden, um Anzeigen des gesamten Volumens vorzusehen, welches die Strömungsuhr über jede verlangte Zeitdauer passiert und gestaltet die Durchführung einer Mengenkontrolle, wenn es gewünscht wird. Wenn die Form der Anzeige digital ist, eigne* sich die Anordnung dazu, eine gedruckte Information von größerer Genauigkeit beispielsweise durch eine Druckvorrichtung vorzusehen, als sie durch eine graphische Darstellung von einem Analogsystem erreicht werden kann.

Die Stromkreise, welche notwendig sind, um diese Wirkungen zu

erreichen, sind hier nicht beschrieben, da sie auf dem Gebiet der Elektronik bekannt sind.

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Zu der beschriebenen Ausführungsform sind verschiedene Abänderungen möglich. Beispielsweise kann anstelle der dargestellten Wellenneigung (45 bei der normalen Ausrüstung nach den Figuren 1 und 2) jede: andere Neigung verwendet werden, welche es gestattet, die Welle über den Strom in dem Rohr auszudehnen. Somit kann die Welle bei Verwendung eines normalen "T"-Rohrabschnittes mit einer unterschiedlich ausgeführten Schraube
rechtwinkelig sein, oder bei einer Anordnung in einer Rohrführung könnte sie tangential zu der Strömungsrichtung stehen. Aus Gründen der Einfachheit ist es natürlich am besten, nur
Standardrohrausführungen zu verwenden, bei welchen die verwendeten Winkel normalerweise nur 30 , 45 > 60 und 90 betragen.

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Claims (4)

14 23. August 1966 B/He . S/p 4795 Patentansprüche:

1. Strömungsuhr zum Messen der Strömung eines Strömungsmedium in einem Rohr, welches einen Turbinen- oder Schraubenkopf mit einer Mehrzahl von Blättern aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Welle (8), auf welcher der Turbinen- oder Schraubenkopf (4) drehbar mit der Welle angeordnet ist, zur Strb'mungsrichtung geneigt oder rechtwinkelig angeordnet ist und eine solche Länge hat, daß sie sich aus der Strömungsmediumbahn heraus erstreckt, und mit der Welle (8) eine Vorrichtung verbunden ist, wodurch die Drehbewegung der Welle bestimmt werden kann.

2. Strömungsuhr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Bestimmen der Drehbewegung der Welle (8) ein auf der Welle (8) drehbar mit dieser befestigtes magnetisiertes Glied (18) und einen magnetisch betätigten Schalter (20) aufweist, welcher in der Nähe des nagnetisierten Gliedes (18) so angeordnet ist, daß er dadurch bei dessen Drehung geöffnet und geschlossen wird, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß die Frequenz des öffnens und Sohließens des Schalters direkt proportional der Drehgeschwindigkeit der Welle (8) ist.

3. Strömungsuhr naoh Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetislerte Glied (18) auf de» dta Schraubenkopf (4) abgekehrten Ende der Welle (8) angeordnet und so »agnetisiert ist, daß es in axialer Riohtung zwei gegenüberliegende FoIt alt diametrale« Abitand vorhanden sind, und worin der aagnetisoh betätigte Sohalter (20) aus eine« Zungen- odtr Blattfederschalter besteht. _rtArv

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4. Strömungsuhr naoh Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (8) und das magnetisierte Glied (16) von einer Einheit (3) getragen werden, welches bo ausgebildet ist, daß sie in ein normales Rohrformstück paßt.

5» Strömungsuhr nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (8) und das magnetisierte Glied (18) in einer blinden Bohrung (12) in einer Abstütseinheit angeordnet sind, welche in Verbindung mit dem eu meaβenden Strömungsmedium steht, wobei die Bohrung (12) an seinem blinden Ende durch eine Wand geschlossen ist, hinter welcher der Blattschalter (20) angeordnet ist, wodurch das Strömungsmedium nicht aus der blinden Bohrung (12) entweichen und in Berührung mit dem Schalter (20) kommen kann.

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