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Die Erfindung betrifft ein nach dem Radar-Prinzip arbeitendes Füllstandmessgerät mit mindestens zwei elektrischen Leitern zum Führen von elektromagnetischen Signalen. Dabei sind die zwei elektrischen Leiter jeweils an einem Ende mit einem Anschluss verbunden und weisen jeweils ein freies Ende auf. Weiterhin sind die zwei elektrischen Leiter über mindestens ein Anpassungselement zur Impedanzanpassung miteinander verbunden sind.
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Bei einem Füllstandmessgerät, das nach dem Radar-Prinzip arbeitet und bei dem eine elektrische Leiteranordnung, die beispielsweise aus zwei elektrischen Leitern besteht, vorhanden ist, werden elektromagnetische Signale entlang der Leiteranordnung - bzw. insbesondere entlang mindestens einem der zwei Leiter - in Richtung der Oberfläche eines Mediums, dessen Füllstand ermittelt werden soll, ausgesandt. Die elektrischen Leiter reichen im Allgemeinen in das Medium, bei dem es sich um eine Flüssigkeit oder um ein Schüttgut usw. handeln kann, hinein bzw. werden von dem Medium teilweise bedeckt. Treffen die ausgesandten Signale auf die Oberfläche des Mediums, so werden sie dort teilweise reflektiert. Aus der Laufzeit zwischen dem Aussenden der elektromagnetischen Signale und dem Empfang der reflektierten Signale lässt sich dann der Füllstand des Mediums ermitteln.
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Die Füllstandbestimmung mittels an Leitern geführten Signalen beruht dabei auf dem sogenannten TDR-Messprinzip (Time Domain Reflectometry). Der große Vorteil des Führens der Mikrowellensignale besteht darin, dass sich ändernde Umgebungsbedingungen, wie ein steigender oder ein fallender Umgebungsdruck oder eine steigende oder eine fallende Temperatur, die Messgenauigkeit des TDR-Füllstandmessgeräts nicht beeinträchtigen und dass zudem die Laufzeit des Signals unabhängig von der Dielektrizitätszahl des Mediums ist.
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Die Signale sind zumeist extrem kurze elektrische Impulse. Die Leiter sind oft als Seile oder Stäbe ausgeführt. Die Leiteranordnungen bestehen teilweise aus einem Einfachleiter oder auch aus einem Doppelleiter, der beispielsweise aus zwei parallel zueinander verlaufenden Leitern oder als Koaxialleitung ausgebildet ist. Im Folgenden wird insbesondere eine Ausgestaltung betrachtet, bei der die Leiteranordnung aus wenigstens zwei elektrischen Leitern besteht.
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Die Leiter der Leiteranordnung verfügen über ein Ende, mit dem sie an einem Anschluss befestigt sind. Von diesem Anschluss oder Flansch hängen sie Leiter auch zumeist in den Behälter herab, in dem sich das zu vermessende Medium befindet. Über diesen Anschluss ist zudem meist eine Elektronik verbunden, die die zu übertragenden Signale erzeugt und die die reflektierten Signale empfängt und auswertet. Das andere Ende der Leiter, das mit dem Medium in Kontakt kommt, ist meist als freies Ende ausgestaltet, wobei dieses Ende auch am Behälterboden fixiert sein kann.
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Bei den beschriebenen Füllstandmessgeräten existieren sogenannte „Totzonen“, die Füllstandbereiche des Mediums beschreiben, in denen eine Messung nicht oder nur mit großer Ungenauigkeit möglich ist. Die Ursache für die „Totzonen“ liegt in Impedanzsprüngen der für die Leitung der Signale verwenden Leiteranordnung, die sich durch die mechanische Konstruktion oder durch geometrische Gegebenheiten einstellen.
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Eine „obere Totzone“ liegt in dem Bereich, in dem die Leiteranordnung in den Behälter hineingeführt ist. Dieser Übergang bzw. der damit verbundene Anschluss ist häufig als Flansch ausgeführt.
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Eine „untere Totzone“ findet sich am unteren, freien Ende der Leiteranordnung, also in dem Bereich, der dem Boden des Behälters am nächsten ist.
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In diesen „Totzonen“ kommt es zu relativ starken Reflektionen der elektromagnetischen Signale, die ein an der Oberfläche des Mediums, das sich auf der Höhe einer Totzone befindet, reflektiertes Signal deutlich überlagern würden.
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Um der Problematik der oberen Totzone zu begegnen, ist es teilweise vorgesehen, dass die Leiteranordnung aus zwei Leitern besteht, wobei ein Leiter den anderen Leiter koaxial umgibt. Solche Koaxialleiter haben den Vorteil einer über ihren geometrischen Verlauf gleichbleibenden Impedanz. Zudem lassen sich solche Leiter auch im Allgemeinen leicht an die Impedanz der der Leiteranordnung nachgeschalteten Elektronik anpassen, die häufig bei 50 Ohm liegt.
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Am unteren freien Ende der Leiter zur Signalübertragung besteht jedoch weiterhin das Problem der unteren Totzone. Hierfür ist es insbesondere bei Test- oder Laboranwendungen bekannt, die zwei Leiter durch einen Widerstand als Anpassungselement für eine Impedanzanpassung der beiden Leiter miteinander zu verbinden.
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Für die Anwendung in der Prozessautomatisierung hat es sich jedoch gezeigt, dass solche elektrischen Widerstände den harschen Umgebungsbedingungen und auch dem ständigen direkten Kontakt mit dem Medium nur schlecht standhalten können.
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Aus der Druckschrift
DE 100 43 38 A1 ist ein Füllstandmessgerät mit einem Wellenleiter, der als Zweidraht- oder Koaxialsonde ausgestaltet ist und der an einem Ende an eine Sende- und Empfangseinrichtung gekoppelt ist, bekannt. Zur Impedanzanpassung zwischen den beiden Leitungsenden des Wellenleiters ist ein auf einer kleinen Platine aufgelöteter SMD-Widerstand am in das Füllgut eingetauchten Ende zwischen zwei Sondenenden vorgesehen.
Das Sondenende wird dabei zum Schutz mit einer isolierenden Vergussmasse verfüllt.
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Die Druckschrift
US 5 726 578 A zeigt ebenfalls vergossene Leiterplatinen zur elektrischen Kontaktierung.
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Die Patentschrift
DE 103 56 525 B4 offenbart eine Vorrichtung zum Messen der Kraftstoffmenge eines Fahrzeuges unter Verwendung von Übertragungsleitungen für elektromagnetische Signale. Dabei wird eine Messeinheit zum Messen der Amplitude einer Reflexionswelle verwendet. Die Amplitude der Reflexionswelle variiert in Abhängigkeit von der Tiefe des Kraftstoffes in dem Kraftstofftank. In einer Ausgestaltung sind die Übertragungsleitungen und ein Lastwiderstand der Messeinheit mit einem Nichtleiter versiegelt oder abgedichtet.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2005 049 278 A1 beschreibt ebenfalls eine Vorrichtung zur Messung von Füllständen in einem Kraftstoffbehälter. Diese arbeitet auch nach dem Prinzip der Reflexion von Radarsignalen, wobei die Signale durch einen Wellenleiter, der als metallischer, koaxialer Hohlleiter ausgebildet ist, übertragen werden. In einer Ausgestaltung wird das Radarsignal über einen Draht bis zu einem Schwimmer geleitet und über einen weiteren Draht wieder zur Sende- und Empfangseinheit zurückgeleitet.
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Die Offenlegungsschrift
DE 100 58 026 A1 beschreibt eine Füllstandsmesseinrichtung mit einer Durchführung für ein elektrisches Hochfrequenzsignal. Dabei wird mit mindestens einem Leitelement an einer Einleitstelle ein elektrisches Hochfrequenzsignal an eine Sonde übertragen. Bei der Messeinrichtung werden ebenfalls die Impedanz der Durchführung und die Impedanz der sich an die Öffnung der Durchführung anschließenden Sonde an der Öffnung aneinander angeglichen. Dies geschieht durch eine passende Auswahl einzelner Baumaterialien, wie zum Beispiel einen diskreten Widerstand. Bei der Messeinrichtung ist der verwendete Messwiderstand in einer Ausgestaltung zum Schutz vor Einflüssen der Behälteratmosphäre in eine Schutzschicht eingegossen,
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein TDR-Füllstandmessgerät vorzuschlagen, das in rauen Prozessbedingungen einsetzbar ist und das über eine verminderte untere Totzone verfügt.
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Das erfindungsgemäße Füllstandmessgerät, bei dem die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist zunächst und im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassungselement mindestens eine Leiterplatte aufweist und dass auf der Leiterplatte mindestens ein Widerstandselement vorgesehen ist, wobei das Widerstandselement elektrisch leitend mit den zwei elektrischen Leitern verbunden ist. Die elektrische leitende Verbindung zwischen dem mindestens einen Widerstandselement und den zwei elektrischen Leitungen erfolgt dabei je nach Ausgestaltung mittelbar oder unmittelbar. Das Widerstandselement oder ggf. die Widerstandselemente sind dabei insbesondere auf der Leiterplatte festgelötet. Alternativ wird wenigstens ein Teil des Widerstandselements durch eine Streifenleitung realisiert.
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Beim erfindungsgemäßen TDR-Füllstandmessgerät erfahren die zwei Leiter der Leiteranordnung zum Führen der elektromagnetischen Signale eine Impedanzanpassung durch ein elektrisches Widerstandselement, das auf einer Leiterplatte angeordnet ist. Durch diese Fixierung und Stabilisierung durch die Leiterplatte wird die Widerstandskraft gegenüber den rauen Umgebungsbedingungen erhöht.
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Die elektromagnetischen Signale werden dabei üblicherweise nur auf einen der zwei Leiter gegeben und dadurch in Richtung des Mediums geführt. Durch den Widerstand des Anpassungselements am unteren freien Ende der zwei Leiter werden die Impedanzen aneinander angepasst und es ereignet sich keine Reflexion in Folge eines Impedanzsprungs innerhalb der Leiteranordnung.
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Befindet sich daher die Oberfläche des Mediums in der Nähe des unteren Endes der zweileitrigen Leiteranordnung des erfindungsgemäßen Füllstandmessgeräts, so wird ein dort an der Mediumsoberfläche reflektiertes Signal nicht von einem durch die endende Leiteranordnung verursachten Reflexionssignal überlagert.
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Das Anpassungselement zeichnet sich vorzugsweise durch eine große Bandbreite aus, da bestehende TDR-Füllstandmessgeräte oft Signal-Bandbreiten über mehrere Hundert Megahertz bis mehrere Gigahertz aufweisen.
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Auf der Leiterplatte sind in einer Ausgestaltung noch weitere Bauteile und Elemente vorgesehen.
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Die Leiterplatte erlaubt es insbesondere, einen Schutz gegenüber abrasiven und aggressiven Medien und Umgebungsbedingungen zu realisieren.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist das Anpassungselement im Bereich der freien Enden der zwei Leiter angeordnet, so dass das Anpassungselement gleichsam den unteren Abschluss der aus den mindestens zwei Leitern bestehenden Leiteranordnung darstellt.
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Das Anpassungselement ist gemäß einer Ausgestaltung zumindest teilweise mit mindestens einem der zwei Leiter verlötet. Durch das Löten wird die mechanische Fixierung und teilweise auch die elektrische Kontaktierung erzeugt.
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In einer Ausgestaltung ist das Anpassungselement - bzw. insbesondere die Leiterplatte - mit beiden Leitern verlötet. Diese Ausgestaltung kann jedoch ggf. nachteilig sein, wenn die Bauteile des Messgeräts Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
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Daher ist erfindungsgemäß das Anpassungselement über mindestens ein Ausdehnungselement mit einem der zwei Leiter mechanisch verbunden. Das Ausdehnungselement ist dabei derartig ausgestaltet, dass es die mit den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten ggf. verbundenen relativen Bewegungen aufnimmt.
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Für eine symmetrische Ausprägung sind in einer ergänzenden Ausgestaltung mehrere Ausdehnungselemente vorgesehen.
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Als Ausdehnungselement, das gleichzeitig der mechanischen Befestigung dient, ist in einer Ausgestaltung eine Klammer vorgesehen, in der die Leiterplatte des Anpassungselements teilweise hängt.
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Vorzugsweise wird über das Ausdehnungselement auch eine elektrische Kontaktierung realisiert, wobei dies für die vorgenannte Ausgestaltung dadurch ermöglicht wird, dass das Ausdehnungselement zumindest teilweise elektrisch leitfähig ist.
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Alternativ besteht mindestens ein Anpassungselement zumindest teilweise aus einer Feder, die das Anpassungselement gegen die zwei Leiter verspannt.
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Um einen Schutz vor den Umgebungsbedingungen zu erzeugen, ist in einer Ausgestaltung das Anpassungselement zumindest teilweise von einem Lack bedeckt, der einen Schutz gegenüber chemischen und mechanischen Einwirkungen darstellt.
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In einer Ausgestaltung weist die Leiterplatte mindestens eine durchgehende Aussparung auf. In einer weiteren Ausgestaltung sind mehrere Aussparungen vorgesehen, die vorzugsweise symmetrisch zueinander angeordnet sind.
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Die Form der Leiterplatte wird in einer Ausgestaltung weiterhin präzisiert. Dabei verfügt die Leiterplatte über eine zumindest teilweise im Wesentlichen kreisförmige Außenberandung und über eine zumindest teilweise im Wesentlichen kreisförmige Innenaussparung.
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Diese derartig ausgestaltete Leiterplatte ist insbesondere für die Leiteranordnung gemäß der folgenden Ausgestaltung vorteilhaft.
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Dabei ist in einer Ausgestaltung vorgesehen, dass einer der zwei Leiter den anderen Leiter koaxial umgibt. Einer der zwei Leiter gleicht daher einem Hohlleiter bzw. einer zylindrisch ausgestalteten Hülse, in der der andere Leiter mittig angeordnet ist. In einer Variante verfügt der zylindrische und den anderen Leiter in seinem Innenraum aufnehmende Leiter über einen kreisförmigen Querschnitt.
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Eine weitere - insbesondere mit der koaxialen Anordnung der zwei Leiter verbundene - Ausgestaltung beinhaltet, dass zwischen den zwei Leitern ein Hohlraum gebildet ist. Befindet sich ein Leiter in dem anderen Leiter, so sind beide voneinander beabstandet, wodurch sich der Hohlraum ergibt. Dieser Hohlraum ist in einer Variante leer und in einer alternativen Ausgestaltung mit einem Füllmaterial gefüllt.
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Insbesondere für den Fall, dass der Hohlraum leer ist, ist in einer Variante mindestens einer der zwei Leiter derartig ausgestaltet, dass das Medium in den Hohlraum eintreten und ihn auch wieder verlassen kann. Hierfür verfügt mindestens einer der zwei Leiter über mindestens eine durchgehende Aussparung.
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Mit dieser Ausgestaltung ist vorzugsweise auch die oben genannte Ausgestaltung verbunden, gemäß der die Leiterplatte des Anpassungselements mit mindestens einer Aussparung versehen ist, durch die das Medium ebenfalls in den Hohlraum gelangen und ihn auch wieder verlassen kann. Die beiden Ausgestaltungen zusammen ermöglichen ein Durchströmen des Hohlraums durch das Medium.
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Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Füllstandmessgerät auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
- 1 einen Schnitt durch eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Füllstandmessgerätes und
- 2 einen weiteren Schnitt durch das schematisch dargestellte Messgerät der 1.
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Die 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Füllstandmessgeräts 1, das die Füllstandmessung erlaubt, indem die Laufzeit von elektromagnetischen Signalen ausgewertet wird, die sich entlang einer Leiteranordnung ausbreiten. Die Leiteranordnung wird hier durch zwei elektrische Leiter 2 gebildet, von denen ein Leiter den anderen koaxial umgibt.
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Die zwei elektrischen Leiter 2 sind mit einem Ende 3 an einem Anschluss 4 befestigt, von dem sie im eingebauten Zustand auch beispielsweise in einen Behälter mit dem Medium, dessen Füllstand zu bestimmen ist, herabhängen. Das andere Ende der zwei elektrischen Leiter 2 ist jeweils als freies Ende 5 ausgestaltet.
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Auf der von den zwei Leitern 2 abgewandten Seite des Anschlusses 4 ist eine Elektronik 6 vorgesehen, in der die elektromagnetischen Signale erzeugt und von der die reflektierten Signale empfangen und ausgewertet werden.
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Die Reflexion der elektromagnetischen Signale erfolgt in den Bereichen, die sich durch einen Impedanzsprung auszeichnen, wie er beispielsweise durch die Oberfläche des - hier nicht dargestellten - Mediums gegeben ist.
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Weitere Impedanzsprünge finden sich jedoch am oberen 3 und am unteren Ende 5 der Leiteranordnung durch den Übergang vom Anschluss 4 zur Leiteranordnung bzw. von der Leiteranordnung zum freien Raum.
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Die durch den Aufbau bedingten Reflektionssignale sind in der Regel sehr groß, so dass sich für die Bestimmung des Füllstands des Mediums die sogenannten „Totzonen“ ergeben, innerhalb derer der Füllstand nicht oder nur mit sehr großer Unsicherheit bestimmbar ist.
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Der Aufbau mit zwei elektrischen Leitern 2, die sich koaxial umgeben, erlaubt die Impedanzanpassung im Bereich des Anschlusses 4.
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Für die Impedanzanpassung am freien Ende 5 ist das Anpassungselement 7 vorgesehen, das mindestens ein elektrisches Widerstandselement aufweist, durch das die beiden elektrischen Leiter 2 elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Ein beispielhafter Aufbau des Anpassungselements 7 ist in der 2 dargestellt.
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Um das Anpassungselement 7 vor dem - hier nicht dargestellten - Medium und allgemein vor den Prozessbedingungen zu schützen, ist auf der dem Prozess zugewandten Seite des Anpassungselements 7 in der in der 1 gezeigten Variante eine Lackschicht 8 vorgesehen.
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Der eine elektrische Leiter umgibt den anderen elektrischen Leiter koaxial in der Art eines Hohlzylinders. Da der Innendurchmesser des einen und der Außendurchmesser des anderen elektrischen Leiters sich voneinander unterscheiden, ergibt sich ein Hohlraum 9, in den das - hier nicht dargestellte - Medium eindringen kann. Hierfür verfügt der hohlzylindrische äußere elektrische Leiter 2 über Aussparungen 10.
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Die 2 zeigt das Anpassungselement 7 in der Anordnung zwischen den zwei elektrischen Leiter 2, die sich koaxial umgeben. Tragender Bestandteil des Anpassungselements 7 ist die Leiterplatte - eine andere Bezeichnung ist Platine - 11, auf der sich hier zwei Widerstandselemente 12 zur Impedanzanpassung der zwei elektrischen Leiter 2 befinden. Die Widerstandselemente 12 sind dabei über einen die Leiterplatte 11 ringförmig umschließenden Lötkontakt 13, einen radial innen gelegenen elektrischen Leiter 14 und zwei Ausdehnungselemente 15 mit den zwei elektrischen Leitern 2 elektrisch leitend verbunden.
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Der äußere Lötkontakt 13 dient insbesondere auch der mechanischen Fixierung des Anpassungselements 7 bzw. der Leiterplatte 11 an dem äußeren elektrischen Leiter 2.
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Die Ausdehnungselemente 15 sind als Klammern ausgestaltet, die die Leiterplatte 11 an dem inneren elektrischen Leiter 2 halten und aufgrund ihrer elektrischen Leitfähigkeit auch die elektrische Verbindung herstellen.
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Die Ausdehnungselemente 15 sind erforderlich, da die Leiterplatte 11 im Allgemeinen einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als die zwei elektrischen Leiter 2. Aufgrund der voneinander abweichenden Wärmeausdehnungskoeffizienten ist auch eine Lötverbindung der Leiterplatte 11 mit beiden elektrischen Leitern 2 nicht praktikabel bzw. wäre nur kurzlebig.
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In einer alternativen - nicht dargestellten - Ausgestaltung besteht wenigstens ein Ausdehnungselement 15 zumindest teilweise aus einer Feder.
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Damit das - nicht dargestellte - Medium in den in der 1 gezeigten Hohlraum zwischen den zwei elektrischen Leitern 2 eindringen kann, verfügt die Leiterplatte 11 über durchgehenden Aussparungen 16.
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Für die beiden zylindrisch ausgestalteten und mit einem kreisförmigen Querschnitt versehenen elektrischen Leiter 2 verfügt die Leiterplatte 11 über eine kreisförmige Außenberandung 17, die sich an den äußeren elektrischen Leiter 2 anlehnt, und über eine kreisförmige Innenaussparung, die den anderen elektrischen Leiter 2 in ihrer Mitte aufnimmt.