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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor zur Ermittlung eines Differenzdruckes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die
DE 103 16 033 weist einen Relativdruckmessumformer mit einer Relativdrucksensor und einer am Relativdrucksensor angeordneten Referenzdruckzuleitung. In der Referenzdruckzuleitung ist ein gasdurchlässiger Filter angeordnet. Die Referenzdruckzuleitung leitet das Referenzmedium direkt und zentral durch das Gehäuse des Relativdruckmessumformers zum Relativdrucksensor.
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Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine alternative Übertragung des Referenzdruckes auf einen Referenzdrucksensors bzw. einer Druckmesszelle zu realisieren, ohne dass der Sensorikelektronikraum Luftfeuchte über die Zeit aufnimmt.
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Die vorliegende Erfindung löst die Aufgabe durch einen Drucksensor zur Ermittlung eines Differenzdruckes mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Ein erfindungsgemäßer Drucksensor zur Ermittlung eines Differenzdrucks zwischen einem Mediumsdruck und einem Referenzdruck umfasst
- i) ein Sensorgehäuse
- ii) eine mediumsseitige erste Trennmembran, welche einen ersten Druckraum bereichsweise begrenzt;
- iii) eine Druckmesszelle zur Ermittlung des auf die Druckmesszelle einwirkenden Differenzdruckes; und
- iv) eine zweite Trennmembran, welche einen zweiten Druckraum bereichsweise begrenzt;
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Innerhalb des Sensorgehäuses ist ein erster mit einer Übertragungsflüssigkeit befüllter Kanal angeordnet, welcher zwischen dem ersten Druckraum und der Druckmesszelle, zur Übertragung eines auf die erste Trennmembran wirkenden Mediumsdruckes eines Messmediums auf die Druckmesszelle, verläuft.
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Ebenfalls innerhalb des Sensorgehäuses ist ein zweiter mit einer Übertragungsflüssigkeit befüllter Kanal angeordnet, welcher zwischen dem zweiten Druckraum und der Druckmesszelle, zur Übertragung eines auf die zweite Trennmembran wirkenden Referenzdruckes eines Referenzmediums auf die Druckmesszelle, verläuft.
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Die zweite Trennmembran ist dabei außenseitig am Sensorgehäuse angeordnet.
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Durch die außenseitige Anordnung der Trennmembran kann eine Referenzdruckführung des Referenzmediums, meist handelt es sich um Luft mit einer gewissen Luftfeuchte, innerhalb des Sensorgehäuses entfallen. Das Auftreten von Kondenswasser innerhalb des Sensorgehäuses wird zuverlässig vermieden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche
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Das Sensorgehäuse kann zumindest abschnittsweise als eine Gehäusehülse ausgebildet sein, wobei die zweite Trennmembran vorzugsweise an der Gehäusehülse angeordnet ist. Somit ist die zweite Trennmembran nicht endständig am Sensorgehäuse sondern randseitig am Sensorgehäuse entlang einer Mantelfläche der Gehäusehülse angeordnet.
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Die Gehäusehülse muss nicht zwingend zylindrisch ausgebildet sein, sondern sie kann u.a. auch einen rechteckigen Querschnitt aufweisen oder jede andere prismatische Form, z.B. mit dreieckigem oder sechseckigen Querschnitt. Die Seitliche Anordnung ermöglicht vorteilhaft eine Anordnung der zweiten Trennmembran nahe der Druckmesszelle. Die Gehäusehülse kann in einer Ausführungsvariante auch lediglich als Gehäuseabschnitt eines monolithischen Sensorgehäuses ausgebildet sein. Bevorzugt ist jedoch ein mehrteiliges Sensorgehäuse.
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Es ist von Vorteil, wenn die Gehäusehülse eine ebene Stirnseite aufweist, welche in Kombination mit der Trennmembran den zweiten Druckraum begrenzt. In einer zylindrischen Gehäusehülse kann die Stirnseite beispielsweise durch eine abrasive Bearbeitung eingebracht werden. Die ebene Stirnseite ermöglicht auch bei einer zylindrischen Gehäusehülsen-Form die Verwendung einer zur ersten Trennmembran artgleichen Trennmembran als zweite Trennmembran.
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Die Gehäusehülse eine Längsachse aufweist und dass die zweite Trennmembran eine Membranebene definiert, wobei die Flächennormale der Membranebene senkrecht zur Längsachse steht.
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Der Sensor kann vorteilhaft eine Abdeckung, insbesondere einen plattenförmigen Deckel, aufweisen, wobei die Abdeckung am Sensorgehäuse festgelegt ist und wobei die zweite Trennmembran in einem Raum zwischen der Abdeckung und dem Sensorgehäuse angeordnet ist.
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Die Abdeckung kann vorteilhaft bereichsweise oder vollständig mit dem Sensorgehäuse fluchten.
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Eine oder mehrere Ausnehmung in der Abdeckung dienen vorteilhaft der Zuleitung eines Referenzdruckes, beispielsweise eines Referenzmediums, z.B. Luft, auf die zweite Trennmembran.
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Dabei ist vorteilhaft auf der Flächennormalen der zweiten Trennmembran, insbesondere auf der Flächennormalen des Membranzentrums, keine Ausnehmung der Abdeckung angeordnet, so dass der Referenzdruck seitlich in den Raum über der zweiten Trennmembran eingeführt wird.
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Das Sensorgehäuse kann einen ersten Druckmittlerkörper aufweisen, in welchem abschnittsweise der erste Kanal verläuft, wobei der erste Druckmittlerkörper einen zum medium-hingewandte Stirnseite aufweist, wobei oberhalb der Stirnseite die erste Trennmembran angeordnet ist und mit dieser Stirnseite den ersten Druckraum begrenzt. Diese Anordnung hat sich zur mediumsseitigen Druckaufnahme des Druckes des Messmediums als besonders zuverlässig erwiesen.
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Das Sensorgehäuse kann abschnittsweise eine Gehäusehülse aufweisen, welche eine Längsachse definiert, wobei die erste Trennmembran ein Membranzentrum aufweist welches auf der Längsachse liegt. Somit erfolgt die Einleitung des Mediumsdruckes in den Drucksensor zentral und die Einleitung des Referenzdruckes dezentral von der Seite her.
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Der zweite Kanal des Drucksensors kann einen ersten Kanalabschnitt aufweisen welcher parallel zur Längsachse der Gehäusehülse verläuft und einen zweiten Kanalabschnitt aufweisen welcher schräg, insbesondere senkrecht, zur Längsachse der Gehäusehülse verläuft. Dadurch wird eine Umlenkung des Referenzdruckes innerhalb des Sensorgehäuses erreicht.
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Das Sensorgehäuse kann einen ersten Gehäusehohlraum aufweisen in welchem die Druckmesszelle angeordnet ist und einen zweiten Gehäusehohlraum, welcher als Elektronikbauraum ausgebildet ist, aufweist. Idealerweise sollte der Elektronikbauraum nicht durch Luftfeuchte kontaminiert werden. Daher ist die außenseitige Anordnung der zweiten Trennmembran gegenüber einer Anordnung der zweiten Trennmembran im Gehäuse bevorzugt.
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Weiterhin vorteilhaft können der erste und der zweite Kanal innerhalb des ersten Gehäusehohlraumes angeordnet sein, so dass der Elektronikraum frei von jeder Führung des Referenzmediums bleibt.
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Aufgrund der vorgenannten Konstruktion kann als Druckmesszelle eine Druckmesszelle auf Basis eines Siliziummaterials verwandt werden, welche oftmals feuchtigkeitssensibel sein kann. Diese wird allerdings vorteilhaft durch die zweite Trennmembran für Feuchtigkeit im Referenzmedium geschützt. Insbesondere kann die Druckmesszelle als MEMS-Chip, gefertigt sein.
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Die Erfindung wird nun anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:
- 1: einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Drucksensors; und
- 2: eine Seitenansicht des Drucksensors der 1.
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1 zeigt einen Drucksensor 1 zum Übertragen eines Mediendrucks umfassend ein mehrteiliges Sensorgehäuse 2 mit einem ersten Druckmittlerkörper 3 mit einer medienseitigen Oberfläche 4 bzw. einer Stirnseite, und eine Trennmembran 5, die unter Ausbildung einer Druckkammer 7 zwischen der Trennmembran 5 und dem ersten Druckmittlerkörper 3 entlang zumindest eines Randes 6 druckdicht mit dem ersten Druckmittlerkörper 3 verbunden ist. Der Drucksensor ist dabei Teil eines nicht-näher dargestellten Druckmessgeräts.
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In 1 ist der Abstand der Trennmembran 5 von der ersten Stirnseite 4, sowie die Dimensionierung der Druckkammer 7, zur besseren Veranschaulichung übertrieben dargestellt.
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Ausgehend von der Druckkammer 7 erstreckt sich ein erster Kanal 8 zumindest abschnittsweise durch den ersten Druckmittlerkörper 3. Der Kanal 8 ist mit einer Übertragungsflüssigkeit 10 gefüllt sind, um einen an der Trennmembran 5 anstehende Mediendruck zu der Druckmesszelle 9 zu übertragen.
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Vorzugsweise handelt es bei der Übertragungsflüssigkeit um ein Öl, insbesondere um ein niederviskoses Öl, beispielsweise um ein Öl mit einer kinematischen Viskosität von 20 mm2/s.
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Die Druckmesszelle
9 kann vorzugsweise als eine mehrschichtige keramische Druckmesszelle ausgebildet sein. Eine entsprechende Druckmesszelle ist beispielsweise in der Druckschrift
WO 2015/197344 A1 beschrieben, auf welche bezüglich einer bevorzugten konstruktiven Ausführungsvariante für eine im erfindungsgemäßen Drucksensor eingesetzte Druckmesszelle vollumfänglich Bezug genommen wird.
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Die Druckmesszelle 9 kann durch eine Keramikfassung 11 zumindest teilweise eingefasst sein. Diese Keramikfassung kann vorzugsweise aus zwei oder mehr Keramikwinkel ausgebildet sein. Einer der Keramikwinkel kann in Zusammenspiel mit dem Druckmittlerkörper 3 eine Weiterführung des Kanals 8 aufweisen, welcher sich bereichsweise durch den Keramikwinkel erstreckt.
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Die Druckmesszelle 9 kann plattenförmig ausgebildet, wobei der mit Übertragungsmediums gefüllte Kanal 8 in einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung senkrecht zur Plattenebene der Druckmesszelle 9 angeordnet ist.
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Der mit Übertragungsmedium gefüllte erste Kanal 8 wird auch als erste Ölkammer bezeichnet.
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Der erste Kanal 8 weist eine Kanalachse A auf.
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Der Druckmittlerkörper 3 kann im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet sein und kann aus einem mediumsbeständigen metallischen Material, vorzugsweise aus Edelstahl, einer Nickelbasis-legierung, Duplexstahl und/oder aus Tantal ausgebildet sein.
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Die stirnseitig am Druckmittlerkörper 3 angeordnete Trennmembran 5 kann einen Durchmesser von weniger als 30 mm, vorzugsweise 28 mm oder 14 mm aufweisen.
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Die Trennmembran 5 ist dabei vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus einem Chrom-Nickel-Molybdänstahl, vorzugsweise aus dem Werkstoff mit der Werkstoffnummer 1.4435 (gemäß DIN EN 10088-3, in der aktuellen Fassung des Jahres 2016), gefertigt sein.
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Der erste Kanal 8 erstreckt sich zentral durch den Druckmittlerkörper 3 und weiter durch ein erstes Verbindungselement 12. Das erste Verbindungselement bildet eine Fluidführung des Übertragungsmediums hin zu der Keramikeinfassung 11 der Druckmesszelle 9. Dieses Verbindungselement 12 ist hülsenförmig ausgebildet.
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Der erste Kanal erstreckt sich von dem Verbindungselement 12 weiter in die Keramikeinfassung 11 bis hin zur Druckmesszelle 9.
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Die Druckmesszelle 9 ermittelt den durch die Übertragungsflüssigkeit auf die Druckmesszelle ausgeübten Druck und überträgt in Abhängigkeit vom vorherrschenden Druck ein Messsignal an eine Sensorelektronik 13. Diese Sensorelektronik ist als Platine ausgebildet mit einer Platinenebene welche senkrecht zur Plattenebene der Druckmesszelle 9 angeordnet ist.
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Die Keramikfassung 11 kann elektrische Kontaktierungselemente, z.B. Signalstifte oder Leiterplatten aufweisen, welche eine Signalübertragung zwischen der Sensorelektronik 13 und der Druckmesszelle 9 ermöglicht.
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Das mehrteilige Sensorgehäuse 2 wird gebildet aus dem mediumsseitigangeordneten Druckmittlerkörper 3, eine sich daran anschließende Gehäusehülse 14 und eine endständige Gehäusekappe 15.
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Die Gehäusehülse 14 definiert gemeinsam mit dem Druckmittlerkörper 3 einen ersten Gehäusehohlraum 16. Die Gehäusehülse dient als Distanzstück für einen Temperaturangleich zwischen der Druckmesszelle und dem Messmedium. Bei heißen Medien definiert die Länge der Gehäusehülse eine Kühlstrecke bei kalten Medien, z.B. flüssigem Stickstoff, eine Erwärmungsstrecke.
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In dem ersten Gehäusehohlraum befinden sich u.a. die Druckmesszelle 9 sowie die Keramikeinfassung 11 und das Verbindungselement 12.
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Ein zweiter Gehäusehohlraum 17 wird im Wesentlichen durch die Gehäusekappe 15 und ggf. teilweise durch die Gehäusehülse begrenzt. Eine Trennwand 18 trennt den ersten und den zweiten Gehäusehohlraum 16 und 17 voneinander.
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Die Gehäusekappe 15 weißt außenseitig Vorsprünge 19 und Vertiefungen 20, insbesondere randseitig umlaufende Nuten auf, zum Anschluss an ein nicht näher dargestelltes Hauptgehäuse aus Aluminiumdruckguss, Edelstahlfeinblech oder Edelstahlguss auf. Das Hauptgehäuse ist dabei einem Messgerät zugeordnet, welches den erfindungsgemäßen Drucksensor als Bauteil aufweist.
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In die Wandung der Gehäusekappe ist vorzugsweise stirnseitig eine Signaldurchführung 21 angeordnet, diese kann beispielsweise - wie in 1 dargestellt - elektrisch leitende, insbesondere metallische Signalstifte 22 umfassen, welche in einer elektrisch-isolierenden Vergussmasse 23 eingefasst sind. Diese Signalstifte 22 erstrecken sich durch die Vergussmasse, so dass sie außerhalb des Sensorgehäuses mit einer externen Signalverbindungsleitung kontaktierbar sind. Innerhalb des zweiten Gehäusehohlraums geht von den Signalstiften eine Signalleitung 24, beispielsweise ein sogenanntes flexibles Kabel, insbesondere ein Flachkabel, ab, welches die Signaldurchführung 21 mit der Sensorelektronik 13 verbindet. Die Signalleitung ist dabei nur im Gehäusehohlraum 15 dargestellt, sie erstreckt sich allerdings in der Realität bis zur Sensorelektronik 13. Die Signaldurchführung kann zudem einen Gehäusering außerhalb der Vergussmasse aufweisen. Die Signaldurchführung wird oftmals auch in englischen Sprachgebrauch als „Second Containment“ angesehen. Sie wird als zweite Sicherheitsbarriere beispielsweise für giftige Medien betrachtet.
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Die Signalleitung 24 ist dabei durch einen in der Trennwand 18 vorgesehenen Durchbruch geführt und an dieser Stelle besonders abgedichtet.
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Ausgehend von der Druckmesszelle 9 erstreckt sich zumindest ein zweiter Kanal 25 durch das Sensorgehäuse 2.
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Der erste Kanal 8 setzt auf einer ersten Seite der Druckmesszelle 9 an. Der zweite Kanal 25 setzt auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der Druckmesszelle 9 an.
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Der zweite Kanal 25 erstreckt sich ausgehend von der Druckmesszelle 9 durch die Keramikfassung 11, durch ein zweites Verbindungselement 26, durch einen im Sensorgehäuse angeordneten zweiten Druckmittlerkörper 27, durch die Gehäusewand des Sensorgehäuses 2 bis in eine zweite Druckkammer 30, welche bereichsweise durch eine zweite Trennmembran 29 begrenzt wird. Im Bereich der zweiten Trennmembran 29 weist das Sensorgehäuse eine zweite ebene Stirnseite 28 auf, welche ebenfalls den zweiten Druckraum 30 begrenzt.
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Das Material der zweiten Trennmembran 29 und des zweiten Druckmittlerkörpers 27 kann analog zum Material der ersten Trennmembran 5 und des ersten Druckmittlerkörpers 3 gewählt sein. Die zweite Trennmembran kann einen bevorzugten Durchmesser zwischen 16 und 18 mm aufweisen.
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Der zweite Kanal 25 ist analog zum ersten Kanal 8 mit einer Übertragungsflüssigkeit, vorzugsweise mit einem Öl und insbesondere mit der gleichen Übertragungsflüssigkeit wie in dem ersten Kanal 8, gefüllt, welche einen auf die zweite Membran ausgeübten Druck auf die Druckmesszelle 9 überträgt. Der zweite Kanal 25 kann somit eine zweite Ölkammer definieren.
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Die Gehäusehülse 14 kann aus Metall gebildet sein. Bevorzugt ist das Material eine Chrom-Molybdän-Nickel Edelstahllegierung, vorzugsweise aus dem Werkstoff 1.4404.
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Die Gehäusekappe 15 kann aus einem Kunststoff gebildet sein. Dieser Kunststoff kann vorzugsweise ein unter Aufnahme von Feuchtigkeit, z.B. Luftfeuchte, ein quellfähiger Kunststoff, insbesondere ein Polyamid oder Polyurethan, sein. Dadurch kann das Gehäuse an den Schnittstellen der einzelnen Gehäuseteile eine selbstabdichtende Wirkung aufweisen.
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Eine Sicherheitshülse 31 ist innerhalb der Gehäusekappe 15 angeordnet und randseitig mit der Gehäusekappe 15, vorzugsweise druckdicht, verbunden. Die Sicherheitshülse 31 kann dabei die Trennwand 18 aufweisen.
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Die Druckmesszelle 9 wird somit in der Ausgestaltungsvariante der 1 von zwei gegenüberliegenden Seiten her mit der Übertragungsflüssigkeit beaufschlagt. Die Druckmesszelle ist hervorragend gegen Druck-Überlast gesichert. Zudem steht der Drucksensor auch kleinen Prozessanschlüssen zur Verfügung.
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Der zweite Gehäusehohlraum kann als Elektronikbauraum zur Aufnahme von Elektronikelementen ausgebildet sein.
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Zum Einbringen der zweiten Stirnseite 28 sollte die Gehäusehülse 14 über eine entsprechend dicke Wandstärke verfügen.
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Der Verlauf des zweiten Kanals 25 im Druckmittlerkörper 27 weist einen ersten Kanalbereich 32 und einen zweiten Kanalbereich 33 auf. Der erste Kanalbereich 32 weist einen Verlauf entlang der Kanalachse A auf.
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Der zweite Kanalbereich 33 weist einen Verlauf auf, welcher schräg, vorzugsweise senkrecht, zur Kanalachse A wegführt. Der zweite Kanalbereich 33 mündet an der zweiten Stirnseite 28 an welcher die zweite Trennmembran 29 angeordnet ist.
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Innerhalb der zweiten Druckkammer 30 kann ein Distanzstück zwischen der zweiten Trennmembran 29 und der zweiten Stirnseite 28 zur Beabstandung dieser beiden Elemente angeordnet sein. Die Verbindung zwischen der zweiten Trennmembran 29 und der zweiten Stirnseite 28 kann beispielsweise durch ein Laser-Schweißverfahren erfolgen. Die zweite Stirnseite 28 ist Teil der Wandung der Gehäusehülse 14. Zum mechanischen Schutz der zweiten Trennmembran 29 ist oberhalb der zweiten Trennmembran 29 eine plattenförmige Abdeckung 34 angeordnet sein. Die Plattenform der Abdeckung 34 kann auch eine gebogene Platte sein. Die Abdeckung 34 ist gegenüber der zweiten Trennmembran 29 beabstandet und definiert somit im Zusammenspiel mit der Gehäusehülse 14 einen Hohlraum 35 in welchem die Trennmembran einen Spielraum zur Membranbewegung zur Stirnseite 28 hin oder von der Stirnseite 28 weg aufweist.
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Die Abdeckung kann mit der Gehäusehülse verbunden, insbesondere verschweißt sein.
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In der Abdeckung 34 oder alternativ in der Gehäusehülse 14 ist eine Zuführung 36 von Referenzluft angeordnet, wobei die Zuführung 36 der Referenzluft derart angeordnet ist, dass die Zuleitung der Referenzluft dezentral auf die zweite Trennmembran erfolgt.
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Die Trennmembran weist einen Membranmittelpunkt auf. Dezentral bedeutet, dass die Referenzluft nicht senkrecht auf den Membranmittelpunkt auftrifft, sondern seitlich durch dezentrale Anordnung eines oder mehrerer Löcher in der Abdeckung 34 oder ggf. randseitig durch einen Kanal in der Gehäusehülse 14 in den Hohlraum 35 eingeleitet wird. Die Abdeckung 34 weist eine Schlagfestigkeit von zumindest 6,5 Joule auf.
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Die in 1 und 2 dargestellten Varianten können insbesondere auch in Umgebungen mit hoher Luftfeuchte und bei aggressiven Medien eingesetzt werden. Zudem können die Drucksensoren in Anwendungen eingesetzt werden, die eine Ex-d Zulassung erfordern.
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Bei Ex-d-tauglichen Geräten kann der erste Kanal zwischen Druckmesszelle und Druckkammer beispielsweise zusätzlich eine Flammendurchschlagsperre enthalten. Um diese zu realisieren darf der Kanalquerschnitt ein bestimmtes lichtes Flächenmaß über eine Länge nicht überschreiten. Eine weitere Motivation für minimierte Kanalquerschnitte ergibt sich aus dem Bestreben die Menge der im Druckmittler eingesetzten Übertragungsflüssigkeit so weit wie möglich zu reduzieren, da die Übertragungsflüssigkeit aufgrund ihres größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten im Vergleich zu jenem des Druckmittlerkörpers einen temperaturabhängigen Übertragungsfehler bewirkt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drucksensor
- 2
- Mehrteiliges Sensorgehäuse
- 3
- Erster Druckmittlerkörper
- 4
- Stirnseite
- 5
- Trennmembran
- 6
- Rand
- 7
- Druckkammer
- 8
- Erster Kanal
- 9
- Druckmesszelle
- 10
- Übertragungsflüssigkeit
- 11
- Keramikfassung
- 12
- Verbindungselement
- 13
- Sensorelektronik
- 14
- Gehäusehülse
- 15
- Gehäusekappe
- 16
- Erster Gehäusehohlraum
- 17
- Zweiter Gehäusehohlraum
- 18
- Trennwand
- 19
- Vorsprünge
- 20
- Vertiefungen
- 21
- Signaldurchführung
- 22
- Signalstifte
- 23
- Vergussmasse
- 24
- Signalleitung
- 25
- Zweiter Kanal
- 26
- Zweites Verbindungselement
- 27
- Zweiter Druckmittlerkörper
- 28
- Stirnseite
- 29
- Trennmembran
- 30
- Druckkammer
- 31
- Sicherheitshülse
- 32
- Kanalabschnitt
- 33
- Kanalabschnitt
- 34
- Abdeckung
- 35
- Hohlraum
- 36
- Zuführung von Referenzluft
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10316033 [0002]
- WO 2015/197344 A1 [0030]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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