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Die Erfindung betrifft einen Druckmittler mit einem Grundkörper, der auf der einen Seite ein Membranbett und auf der anderen Seite ein Druckmessgerät aufweist, mit einer vor dem Membranbett angeordneten Membran und einer Druckmittlerflüssigkeit zwischen Membranbett und Membran, wobei der Druckmittler über einen den Grundkörper durchsetzenden Kanal mit der Druckmittlerflüssigkeit in Verbindung steht. Die Erfindung betrifft ferner eine Membran für einen derartigen Druckmittler. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Druckmittlers sowie ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Druckmittlermembran.
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Bekannte Druckmittler werden unter anderem zur Messung eines Füllstandes in einem Flüssigkeitsbehälter eingesetzt, bspw. bei der Herstellung von Lebensmitteln, wie z. B. Säften und dergleichen. Der Füllstand innerhalb eines derartigen Flüssigkeitsbehälters wird durch Messen des hydrostatischen Druckes bestimmt.
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Bspw. ergibt sich bei einem Behälter, der bis zu einer Höhe von 2 m mit Flüssigkeit befüllt ist, ein hydrostatischer Druck von ca. 200 mbar (Millibar) bzw. HPa (Hektopascal).
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Bei derartigen Druckmittlern befindet sich eine Membran an einem Grundkörper, wobei die Membran ein Membranbett verschließt und das Volumen zwischen der Membran und dem Membranbett sowie einem den Grundkörper durchsetzenden Kanal, der an einem Druckmessgerät endet, vollständig mit einer Druckmittlerflüssigkeit, z. B. einem geeigneten Öl, gefüllt ist.
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Bei verschiedenen Prozessen, insbesondere auch bei der Herstellung von Lebensmitteln, kommt es zu Temperaturänderungen im Behälter und damit auch zu einer Temperaturänderung der Druckmittlerflüssigkeit. Die Druckmittlerflüssigkeit befindet sich, wie vorstehend beschrieben, in einem allseits abgeschlossenen Raum. Aufgrund einer derartigen Temperaturänderung tendiert das Volumen der Druckmittlerflüssigkeit ebenfalls dazu, sich zu ändern. Aufgrund des Ausdehnungskoeffizienten der Druckmittlerflüssigkeit führt bspw. eine Temperaturerhöhung zu einer Volumenausdehnung. Sofern eine derartige Ausdehnung aber nicht oder nur eingeschränkt möglich ist, führt diese Ausdehnung zu einer Druckerhöhung in dem von der Druckmittlerflüssigkeit gefüllten Raum.
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Diese Druckerhöhung führt wiederum zu signifikanten Messfehlern, z. B. bei der Füllstandsmessung, da bspw. durch eine Temperaturerhöhung der Druckmittlerflüssigkeit ein Messfehler von 50 mbar entstehen kann, was einer Füllstandshöhe der Flüssigkeit in dem Behälter von ca. 0,5 m entsprechen würde. Eine korrekte Messung der Füllstandshöhe ist daher dann nicht mehr gewährleistet.
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Im Stand der Technik sind verschiedene Maßnahmen vorgesehen, um derartige Probleme zu beseitigen.
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Bspw. ist gemäß
DE 199 46 234 C1 vorgesehen, die Volumenänderung der Druckmittlerflüssigkeit durch eine aufgrund einer geeigneten Membranausbildung bewirkten Änderung des der Druckmittlerflüssigkeit zur Verfügung stehenden Raumes zu kompensieren. Mit derartigen Druckmittlern lassen sich sehr genaue Messergebnisse über weite Temperaturbereiche erzielen. Bspw. kann mit derartigen Druckmittlern der Messfehler über einen Temperaturbereich von 10°C bis 80°C unter 1 mbar gehalten werden.
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Jedoch können derartige Druckmittler schnellen Temperaturänderungen oftmals nur unzureichend folgen, da der Grundkörper und dessen temperaturbedingte Ausdehnung eine wesentliche Rolle spielen. Der Grundkörper hat aber u. a. aufgrund seiner großen Masse eine wesentlich größere Zeitkonstante als die sehr viel kleinere Massen aufweisenden Druckmittlerflüssigkeit und Membran. Dies führt dazu, dass bei schnellen Temperaturänderungen im Prozess die Temperaturausgleichsvorgänge am Druckmittler nicht schnell genug nachvollzogen werden können. Es kann daher zu undefinierten Zuständen des Druckmittlers mit der Folge ungenauer Messergebnisse kommen, falls derartige Druckmittler in Prozessen mit schnellen Temperaturänderungen eingesetzt werden.
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Ferner wurden herkömmlich andere Lösungsansätze beschritten, um auch bei schnelleren Temperaturänderungen möglichst genaue Messergebnisse zu erhalten. Im Stand der Technik wurde daher vorgesehen, sehr dünne Membranen mit einem großen Durchmesser zu verwenden, die einer Ausdehnung bzw. Volumenänderung der Druckmittlerflüssigkeit nur geringe Gegenkräfte entgegensetzen und dadurch im wesentlichen „richtkraftlos” sind.
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Der Nachteil derartiger dünner Membranfolien liegt jedoch darin, dass sie leicht beschädigt werden können. Insbesondere werden die oben genannten Flüssigkeitsbehälter oftmals mit sehr dünnen harten Wasserstrahlen gereinigt. Trifft ein derartiger harter Wasserstrahl auf die Membran, kann sie sehr leicht verformt oder zerstört werden. Bereits eine Verformung reicht aber aus, um keine brauchbaren Messergebnisse mehr liefern zu können. Eine Zerstörung hat u. U. noch sehr viel nachteiligere Folgen, wenn z. B. Druckmittlerflüssigkeit, die regelmäßig ein Öl ist, in Lebensmittel gelangt.
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Des weiteren ist aus
US 5 095 755 ist ein Druckmittler mit einem Grundkörper und einer Membran und einem Druckmessgerät bekannt, wobei die Membran in den Druckmittler durch unterschiedliche Temperaturen der Druckmittlerflüssigkeit verschiedene Membranpositionen einnehmen kann.
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US 3 346 014 zeigt eine weitere Membran für einen Druckbehälter für Wasser.
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Ferner ist ein Druckmittler mit einem Grundkörper, einem Membranbett und einer Membran aus
DE 101 52 681 A1 bekannt, wobei die Membran derart an den Grundkörper angeschweißt ist, dass Spannungen in der Membran bestehen, so dass die Membran zwei Gleichgewichtslagen einnehmen kann.
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Schließlich zeigt
EP 0 849 577 B1 zeigt einen weiteren Druckmittler mit einem Grundkörper, einem Membranbett und einer Membran.
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Der Erfindung liegt nach alledem das Problem zugrunde, eine vor Beschädigungen besser geschützte Membran bereitzustellen, die aber im wesentlichen ein ähnliches Verhalten zeigt wie eine dünne Membran, insbesondere im wesentlichen richtkraftlos ist.
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Die Erfindung löst dieses Problem durch einen Druckmittler der eingangs genannten Art, bei dem die Membran in einem vom Rand der Membran umgebenen inneren Bereich in axialer Richtung, d. h. in einer Richtung senkrecht zu der durch den Rand der Membran aufgespannten Ebene, derart plastisch verformt ist, dass der innere Bereich der Membran in einem Zustand, bei dem das Membranbett nicht mit Druckmittlerflüssigkeit gefüllt ist, wenigstens zwei verschiedene axiale Ruhepositionen einnehmen kann, wobei der Druckmittler in einem betriebsbereiten Zustand mit einer derart vorbestimmten Menge an Druckmittlerflüssigkeit gefüllt ist, dass sich diese innere Membranfläche zwischen zwei axial benachbarten Ruhrpositionen befindet.
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Unter dem Begriff „Ruheposition” ist eine solche Lage der Membran zu verstehen, welche die Membran von sich aus einnimmt, wenn keine äußeren Einflüsse auf sie einwirken. Bspw. kann die Membran eine konkave oder eine konvexe Ruheposition einnehmen. In diesen beiden Positionen wird eine relativ hohe Kraft benötigt, um die Membran auszulenken. Dagegen muss nur eine sehr geringe Kraft aufgewendet werden, um die Membran auszulenken, wenn sie sich in einem mittleren Bereich zwischen zwei derartigen Ruhepositionen befindet. Zwischen zwei derartigen Ruhepositionen befindet sich nämlich gewissermaßen ein instabiler Gleichgewichtszustand, aus dem die Membran mit minimaler Krafteinwirkung ausgelenkt werden kann. In einem derartigen Bereich ist die Membran daher im Wesentlichen richtkraftlos, d. h. es gibt keine oder nur eine sehr geringe die Membran in eine der beiden Ruhepositionen ausrichtende Kraft. Als Konsequenz verhält sich die Membran wie eine sehr dünne Membran, d. h. sie ist von hoher Nachgiebigkeit bzw. sehr weich. Dieses Verhalten ist vorteilhaft, da auf diese Weise der Ausdehnung der Druckmittlerflüssigkeit kein bzw. nur ein äußerst geringer Widerstand entgegengesetzt wird. Eine temperaturbedingte Druckerhöhung im Bereich des die Druckmittlerflüssigkeit begrenzenden Raumes findet daher im Wesentlichen nicht mehr statt.
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Die Erfindung schließt nicht aus, dass eine Membran mehr als zwei derartige Ruhepositionen einnehmen kann. Die Anzahl der Ruhepositionen hängt von der Ausbildung der Membran, insbesondere der Anzahl und Form von Sicken und dergleichen in der Membran ab. Als Arbeitsbereich wird jedoch immer eine Lage der Membran zwischen zwei benachbarten Ruhepositionen gewählt.
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Das o. g. der Erfindung zugrundeliegende Problem wird ferner bereits durch eine Membran für einen derartigen Druckmittler gelöst, d. h. durch eine Membran, die in einem vom Rand der Membran umgebenen inneren Bereich in axialer Richtung, d. h. in einer Richtung senkrecht zur vom Rand der Membran aufgespannten Ebene derart plastisch verformt ist, dass der innere Bereich der Membran wenigstens zwei verschiedene axiale Ruhepositionen aufweist. Der „Pfiff” der Erfindung liegt nämlich u. a. in der Erkenntnis, dass zwei derartige axiale Ruhepositionen einen Bereich umgeben, in dem die Membran im Wesentlichen richtkraftlos ist.
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Das der Erfindung zugrundeliegende Problem wird ferner durch ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Druckmittlers gelöst, wobei die Membran des Druckmittlers durch folgende Schritte hergesellt wird:
- – Plastisches Verformen eines planen Metallblechs, insbesondere einer planen Metallscheibe, in einem vom Rand der Membran umgebenen inneren Bereich in axialer Richtung, d. h. in einer Richtung senkrecht zur vom Rand der Membran aufgespannten Ebene und
- – axiales Stauchen der Membran derart, dass der innere Bereich der Membran wenigstens zwei verschiedene Ruhepositionen einnehmen kann, wobei anschließend die Membran im Bereich des Membranbetts mit dem Grundkörper verbunden wird und dann eine derartige Menge an Druckmittlerflüssigkeit zwischen Membranbett und Membran gefüllt wird, dass sich die innere Membranfläche zwischen zwei axial benachbarten Ruhepositionen befindet.
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Schließlich wird das der Erfindung zugrundeliegende Problem durch ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Druckmittlermembran gelöst, wobei die Membran des Druckmittlers mit folgenden Schritten hergestellt wird:
- – Plastisches Verformen eines planen Metallblechs, insbesondere einer planen Metallscheibe in einem vom Rand der Membran umgebenen inneren Bereich in axialer Richtung, d. h. in einer Richtung senkrecht zur vom Rand der Membran aufgespannten Ebene und
- – axiales Stauchen der Membran derart, dass der innere Bereich der Membran wenigstens zwei verschiedene Ruhepositionen einnehmen kann.
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Vorteilhafterweise weist die Druckmittlermembran eine kreisförmige Kontur auf. Eine kreisförmige Kontur hat den Vorteil, dass sie leicht herzustellen ist und in praktisch allen Einbaulagen axial gedreht gleiches Verhalten zeigt. Alternativ können aber auch Membranen von nicht-kreisförmiger Kontur verwendet werden, bspw. von ovaler oder rechteckiger Kontur. Derartige Konturen können vorteilhaft sein, wenn an einem Behälter bestimmte räumliche Einschränkungen zur Anbringung derartiger Druckmittler bestehen.
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Die Membran weist mehrere Gruppen kreisförmig ausgebildeter, konzentrische angeordneter Sicken auf, wobei eine erste Gruppe Sicken einer ersten axialen Höhe und eine zweite Gruppe Sicken einer zweiten axialen Höhe aufweist, wobei die erste Höhe größer ist als die zweite Höhe und wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Sicken der ersten Gruppe jeweils eine Sicke der zweiten Gruppe angeordnet ist. Eine derartige Formgebung ist vorteilhaft, um die Membran radial vorspannen zu können. Durch plastisches Verformen eines Membranrohlings, bspw. durch Tiefziehen, können derartigen Sicken in die Membran eingeprägt werden. Durch ein sich anschließendes axiales Stauchen der Membran werden die Sicken der ersten Gruppe in ihrer Höhe reduziert, indem das überschüssige Membranmaterial radial zu den Sicken der zweiten Gruppe verschoben wird, welche sich in der Folge in ihrer Höhe vergrößern. Die durch dieses Stauchen erzeugte radiale Vorspannung in der Membran hat den Vorteil, dass mehrere Ruhepositionen definiert werden können.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Membran mehr als zwei Ruhepositionen auf, wobei das Befüllen des Druckmittlers mit Druckmittlerflüssigkeit nur bis zum Erreichen der kleinsten Füllmenge zwischen zwei benachbarten Ruhepositionen erfolgt. Die sich hieraus ergebende Arbeitsposition der Membran hat sich aus verschiedenen Gründen als vorteilhaft herausgestellt. Zum einen wird nur eine sehr geringe Menge an kostspieliger Druckmittlerflüssigkeit benötigt. Ferner führt eine Vergrößerung der Menge von Druckmittlerflüssigkeit zwangsläufig auch zu einer Erhöhung des Temperaturfehlers. Daher ist eine geringe Menge an Druckmittlerflüssigkeit vorteilhaft, da insofern der temperaturbedingte Messfehler reduziert werden kann. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass das Kennlinienverhalten des Druckmittlers in diesem Bereich besonders günstig ist.
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Vorzugsweise wird gerade eine solche Menge an Druckmittlerflüssigkeit zwischen das Membranbett und die Membran gefüllt, dass in der Membran keine oder nur einer geringstmögliche Rückstellkraft in Richtung einer der beiden benachbarten Ruhepositionen wirkt. Zwar kann grundsätzlich auch eine etwas größere oder kleinere Menge an Druckmittlerflüssigkeit in den Druckmittler gefüllt und gleichwohl noch brauchbare Messergebnisse erhalten werden. Sofern aber exakt diejenige Menge an Druckmittlerflüssigkeit verwendet wird, in welcher im wesentlichen keine Rückstellkraft in Richtung einer der beiden Ruhepositionen wirkt, verhält sich die Membran in optimaler Weise wie eine richtkraftlose oder sehr dünne Membran.
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Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus den anhand der beigefügten Zeichnung näher erläuterten Ausführungsbeispielen der Erfindung. In der Zeichnung zeigt:
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1 einen radialen Schnitt durch einen Membranrohling;
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2 eine Hälfte des Membranrohlings gemäß 1 nach plastischer Verformung infolge eines Tiefziehvorganges;
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3 die Membran nach Durchführung einer axialen Stauchung der in 2 dargestellten Membran und
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4 eine schematische Darstellung eines radialen Schnittes durch einen Druckmittler gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 zeigt einen Membranrohling 1, der aus einer im Wesentlichen planen Metallscheibe besteht. Diese kann bspw. eine Dicke von 0,1 mm aufweisen. Vorteilhafterweise liegt die Dicke in einem Bereich von 0,05 mm bis 0,5 mm. Die Mittelachse des Membranrohlings 1 ist mit der Bezugsziffer 2 versehen.
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2 zeigt einen radialen Schnitt einer bereits tiefgezogenen Membran 2. Beim Tiefziehen wird der Membranrohling plastisch verformt, d. h. das Membranmaterial wird über seine Streckgrenze hinaus verformt, wodurch die Oberfläche der Membran vergrößert wird.
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Nach diesem Tiefziehprozess wird die Membran auf ihre endgültige, bspw. kreisförmige Form ausgestanzt. Alternative kann jedoch die äußere Kontur bereits vor dem Tiefziehprozess der Membran, bspw. durch Ausstanzen, vorgegeben worden sein.
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2 zeigt, dass nach dem Tiefziehprozess zwei Gruppen von kreisförmigen Sicken entstanden sind. Eine erste Gruppe von Sicken 3 weist eine Höhe H1 auf, während eine zweite Gruppe von Sicken 4 eine gegenüber der Höhe H1 geringere Höhe H2 aufweist. Es ergeben sich konzentrisch angeordnete Sicken mit jeweils abwechselnder Höhe.
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Zwar sind in 2 nur zwei Gruppen von Sicken unterschiedlicher Höhe dargestellt. Bei anderen Ausführungsbeispielen sind aber auch mehr als zwei Gruppen von Sicken vorhanden, die jeweils unterschiedliche Höhen aufweisen oder auch gleich hoch sein können, dafür aber nur auf jeder zweiten Sicke eine axiale Verformung stattfindet und die jeweils dazwischen liegende Sicke die radiale Verformung aufnimmt.
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3 zeigt den Vorgang der axialen Stauchung der in 2 gezeigten tiefgezogenen Membran 2. Die gestauchte Membran wird erhalten, indem die erste Gruppe von Sicken 3 zusammengedrückt wird. Hierzu wird die tiefgezogene Membran zwischen zwei Platten P1, P2 gelegt, von denen vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise eine um ein vorbestimmtes Maß, im Bereich der Membran ausgedreht ist, die dann unter einem definierten Druck eine Presse, z. B. Kniehebelpresse, zusammengedrückt werden. Hierdurch erzielt man einen radialen Materialverschub des Membranmaterials.
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Infolge dieses axialen Stauchens wird ferner die Breite der Sicken 3 der ersten Gruppe vergrößert, während die Breite der Sicken 4 der zweiten Gruppe vermindert wird. Als Folge hiervon erhöht sich die Höhe der Sicken 4 der zweiten Gruppe zu H2', während sich die Höhe der Sicken 3 der ersten Gruppe zu H1' vermindert.
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Nach dieser Behandlung wird die Membran auf einen Druckmittlergrundkörper eines Druckmittlers befestigt, wie nachfolgend beschrieben wird.
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4 veranschaulicht schematisch einen Druckmittler 6 in einem radialen Schnitt. Der Druckmittler weist eine schematisch in vier verschiedenen Lagen dargestellte Membran 7 auf, die an ihrem Rand 8 an den Grundkörper 9 des Druckmittlers 6 angeschweißt oder auf andere Weise unlösbar mit ihm verbunden ist, z. B. durch Verkleben des Randes 8 der Membran 7 mit dem Grundkörper 9.
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Der Grundkörper 9 weist ein Membranbett 10 auf. Ferner weist der Grundkörper 9 eine Rohrverbindung oder Schlauchverbindung 11 auf, welche den Raum zwischen dem Membranbett 10 und der Membran 7 mit einem (nicht dargestellten) Druckmessgerät verbindet.
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Die Membran 7 ist, wie im Zusammenhang mit den 1 bis 3 beschrieben, vorbehandelt. D. h. die Membran 7 weist mehrere Sicken auf. Durch diese Vorbehandlung erscheint die Membran bauchig. Diese bauchige Membran wird derart auf den Grundkörper 9 aufgebracht, dass der Raum zwischen Membran 7 und Membranbett 10 möglichst gering ist. D. h. der Bauch der Membran zeigt zum Membranbett 10. Diese Position der Membran 7 ist in 4 mit der Bezugsziffer 12 versehen.
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Beim Herstellen des Druckmittlers wird nun dieser Raum zwischen Membran 7 und Membranbett 10 evakuiert, d. h. die sich dazwischen befindende Luft wird abgesogen, so dass ein vakuumähnlicher Zustand zwischen Membran und Membranbett entsteht. Sodann wird dieser Raum mit einer vorbestimmten Menge einer Druckmittlerflüssigkeit, z. B. einem Öl 13, befüllt. Während dieses Befüllens wird die Membran angehoben und zwar wird dieser Raum soweit mit Öl befällt, dass die Membran 7 in ihrem Arbeitsbereich zwischen den Positionen 14 und 15 zu liegen kommt. Die Membran liegt somit im betriebsbereiten Zustand im Wesentlichen in der Mitte zwischen zwei Ruhepositionen 12 und 16.
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Würde die Verbindung 11 in der Position 15 geöffnet werden, würde aufgrund einer bereits geringen Richtkraft innerhalb der Membran die Membran 7 eine obere Position 16 einnehmen, welche ebenfalls eine Ruheposition der Membran, ebenso wie die Position 12, darstellt. In diesen beiden Ruhepositionen 12 und 16, die man auch als untere Nullpunktlage (Position 12) bzw. obere Nullpunktlage (Position 16) bezeichnen kann, wird die größte Kraft zum Auslenken der Membran benötigt. Diese beiden Ruhepositionen sind an sich ungünstige Positionen der Membran 7, da in diesen Positionen temperaturänderungsbedingte Druckschwankungen der Druckmittlerflüssigkeit 13 zu großen Messfehlern führen können. Es wird nämlich durch Temperaturschwankungen innerhalb der Druckmittlerflüssigkeit 13 ein Drucksignal auf dem Sensor erzeugt, das nicht von der Füllstandshöhe in dem mit dem Druckmittler verbundenen Behälter verursacht wird.
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Da jedoch die Membran 7 in einem mittleren Arbeitsbereich zwischen den Positionen 14 und 15 betrieben wird, werden nur minimale Kräfte zur Auslenkung der Membran 7 benötigt, so dass der Temperaturfehler infolge der Ausdehnung der Druckmittlerflüssigkeit 13 bei einer Temperaturerhöhung äußerst gering ist.
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Die in den 2 und 3 dargestellte Sickenkontur der Membran ist vorteilhaft für die beschriebenen Effekte. Allerdings sind auch andere Membrankonturen möglich. Im Extremfall ist sogar eine bauchige Membran ohne eingezogene Sicken möglich, welche zwei Ruhepositionen aufweist. Eine derartige bauchige Membran könnte bereits eine einfache Kontur, wie in 4 dargestellt, aufweisen.
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Für den erfindungsgemäßen Effekt mehrerer Ruhepositionen ist wichtig, dass die Membran in einem inneren Bereich radial einen Materialüberschuss aufweist, welcher eine derartige Bauchung der Membran bewirkt, dass die Membran in eine bestimmte Richtung tendiert, sofern sie eine zwischen zwei Ruhepositionen definierte Position überschritten hat. Jenseits dieser zwischen zwei Ruhepositionen liegenden Position tendiert die Membran dann in die jeweils andere Richtung. Auf diese Weise erhält man wenigstens zwei Ruhepositionen, d. h. Positionen, welche die Membran ohne plastische Verformung einnehmen kann, wenn sie nicht äußeren Einflüssen unterworfen wird.
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Wird eine Membran jedoch, wie in den 2 und 3 dargestellt, mit Sicken versehen, ergibt sich eine mit der Anzahl der Sicken steigende Anzahl von möglichen Ruhepositionen, welche prinzipiell alle für den erfindungsgemäßen Zweck eingesetzt werden können.
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Aufgrund der besonderen Ausbildung der Membran kann die Membran trotz einer relativ großen Membrandicke zur Erzielung einer robusten Membran bei Verwendung einer geeigneten Füllmenge für die Druckmittlerflüssigkeit in einem definierten „Schwebezustand” gehalten werden, bei dem die Membran sich nahezu richtkraftlos in axialer Richtung verhält und somit nur einen minimalen Temperaturausdehnungsfehler infolge einer Ausdehnung der Druckmittlerflüssigkeit bei Temperaturerhöhung verursacht. Dank der Erfindung kann somit der Druck in einem Behälter auch noch dann sehr genau bestimmt werden, wenn sich die Temperatur schnell ändert.
