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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Drucksensoren, und betrifft
insbesondere Druckmessvorrichtungen, welche piezoresistive Druckaufnehmer
aufweisen, die zur Messung von Drücken in unterschiedlichen Medien
und Druckbereichen geeignet sind. Spezifisch betrifft die vorliegende
Erfindung eine Druckmessvorrichtung zur Erfassung eines zu messenden
Drucks eines Mediums, wobei die Druckmessvorrichtung ein Druckgehäuse, eine
in dem Druckgehäuse
angeordnete Wandlereinrichtung zur Umsetzung einer durch den zu
messenden Druck herbeigeführten
mechanischen Kraft in ein elektrisches Signal und eine Ausgabeeinheit
zur Ausgabe des elektrischen Signals aufweist, welches einem zu messenden
Druck des Mediums entspricht.
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STAND DER
TECHNIK
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Heutige
Technologien bieten den Vorteil, dass mikromechanische Komponenten
und mikroelektronische Komponenten gemeinsam auf einem Chip (Schaltungseinheit)
angeordnet werden können,
wie beispielsweise auf Silizium-Chips. Piezoresistive Drucksensoren
finden in Kraftfahrzeugen zur Messung des Drucks in unterschiedlichen
Medien und Druckbereichen Verwendung. Bei derartigen Drucksensoren
ist es insbesondere wichtig, dass diese eine große Genauigkeit und eine hohe
Robustheit über
ihre Lebensdauer aufweisen und in der Herstellung kostengünstig sind.
Bei dem piezoresistiven Messprinzip werden vier piezoresistive elektrische Widerstände an einer
geeigneten Stelle einer Druckmessmembran angeordnet bzw. auf diese
aufgebracht.
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Durch
einen an der Druckmessmembran anliegenden Druck wird diese deformiert,
wobei eine von der Druckmessmembran auf die piezoresistiven Widerstände übertragene
Deformation zu einer Widerstandsänderung
der Widerstände
führt.
In einer sogenannten Wheatstone-Brücke, die als eine Messbrücke bereitgestellt
ist, sind diese vier Widerstände verschaltet,
wobei die Messbrücke
derart ausgelegt werden kann, dass diese als eine Brückendiagonalspannung
ein elektrisches Signal ausgibt, das dem zu messenden Druck eines
Mediums entspricht. Bei einer Verformung der Widerstände ergibt
sich eine Änderung
von deren Widerstandswert (als piezoresistiver Effekt bezeichnet),
wodurch die Wheatstone'sche
Brückenschaltung
verstimmt wird. Die Wheatstone'sche
Brückenschaltung
kann derart ausgelegt werden, dass die Brückendiagonalspannung ein dem
anliegenden Druck proportionales Signal derart ergibt, dass in einer
nachgeschalteten Auswerteschaltung (Auswerteelektronik) eine abgleichbare Kennlinie
auswertbar ist. Dem Fachmann sind unterschiedliche Auslegungen von
Brückenschaltungen bekannt.
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Eine
als Siliziummikromechanik bekannte Technologie ermöglicht die
effiziente Integration von Sensorfunktionen, wie der Membran, der
piezoelektrischen Widerstände
und der Auswerteschaltung bzw. der Auswerteelektronik auf einem
einzigen Schaltungschip (auf einer einzigen elektronischen Schaltungseinheit).
Dieses sogenannte "Single-Chip"-Prinzip reduziert
die Kosten eines derartigen Drucksensors wegen des einfachen mikromechanischen
und mikroelektronischen Aufbaus erheblich. Beispielsweise entfällt ein
zusätzlicher
Schaltungsträger,
welcher die Auswerteschaltung umfassen müsste, ferner sind keine Kontaktierungen
zwischen Auswerteschaltung und Schaltungsträger über große Entfernungen erforderlich.
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Ein
Nachteil derartiger Single-Chip-Sensoren, die sowohl die mikromechanischen
Komponenten als auch die mikroelektronischen Komponenten umfassen,
liegt darin, dass diese aufgrund der darauf angeordneten mikroelektronischen
Komponenten nicht bei hohen Temperaturen (normalerweise nicht bei
Temperaturen über
150°C) betrieben
werden können.
Ferner ist es nachteilig, dass aggressive Medien mit derartigen
Drucksensoren auf der Basis von Single-Chip-Anordnungen nicht vermessen
werden können.
Außerdem
ist es unzweckmäßig, dass
Drücke
im Bereich über
10 bar nicht erfasst werden können,
da die Single-Chip-Anordnungen in einem derartigen hohen Druckbereich
zu großen
mechanischen Kräften
ausgesetzt sind.
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Ein
herkömmlicher
Drucksensor, der auch zur Erfassung von Druckdifferenzen ausgelegt
ist, ist aus der
DE 39 28 542 bekannt.
Der Drucksensor weist eine Membran auf, die an ihrer Ober- oder
Unterseite mit Sensorelementen versehen ist, die beispielsweise
als miteinander verschaltete, piezoresistive Widerstände bereitgestellt
sind, deren Widerstand sich aufgrund der Membrandehnung ändert. Eine
derartige Membrandehnung und damit eine Änderung des Schaltungswiderstands
ist ein Maß für den zu
messenden Druck bzw. die zu messende Druckdifferenz.
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Der
in der
US 48 95 026 offenbarte
Differenzdrucksensor lässt
sich nur bei niedrigen Druckdifferenzen einsetzen, wobei dieser
Sensor in nachteiliger Weise mit zwei unterschiedlichen Messmembranen
ausgestattet ist.
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Um
herkömmliche
Drucksensoren bei hohen Temperaturen, in aggressiven Medien oder
zur Messung von hohen Drücken
(über 10
bar) einsetzen zu können,
ist im Stand der Technik vorgeschlagen worden, derartige Drucksensoren
mit einer metallischen Trennmembran zu versehen, auf deren Rückseite
piezoresistive Widerstände
aufgebracht sind. So beschreibt die
DE
37 03 685 einen Drucksensor, bei dem zwischen dem zu messenden
Medium und der diesem zugewandten Seite der Messmembran eine widerstandsfähige Trennmembran
angeordnet ist, wobei der Zwischenraum mit einem inkompressiblen Medium
gefüllt
ist. Auf diese Weise wird es ermöglicht,
auch aggressive und/oder korrosive Medien hinsichtlich ihres Drucks
zu vermessen.
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Ein
erheblicher Nachteil derartiger Drucksensoren besteht darin, dass
diese sehr aufwendig aufgebaut sind und dass aufgrund von Einflüssen der Umgebungsbedingungen
auf das inkompressible Medium, das als ein Zwischenmittel eingesetzt
wird, keine ausreichenden Genauigkeiten erreicht werden.
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In
herkömmlicher
Weise werden auf der Rückseite
der Trennmembran, die als eine Schutzeinrichtung eingesetzt wird,
piezoresistive Widerstände
aufgebracht. Diese Widerstände
können
metallische oder Silizium-Widerstände sein, die aufgesputtert,
aufgeklebt oder aufgeglast sind. In nachteiliger Weise bringt es
ein derartiger Aufbau mit sich, dass die Auswerteschaltung zur Auswertung
der durch die Widerstandssensoren gelieferten elektrischen Signale
einen zusätzlichen
Schaltungsträger (eine
zusätzliche
Platine) erfordert.
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VORTEILE DER
ERFINDUNG
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Die
der Erfindung zugrundeliegende Problematik besteht daher darin,
das Messmedium einfach, kostengünstig
und zuverlässig
vom Messelement (piezoresistive Widerstände) und von der Auswerteschaltung
abzutrennen. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass auch Messmedien
erfasst werden können, die
für den
Einsatz von Silizium-Drucksensoren zu hohe Drücke aufweisen, zu aggressiv
oder zu heiß sind.
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Insbesondere
besteht der Vorteil, dass Drücke
in unterschiedlichen Medien und in unterschiedlichen Druckbereichen
erfasst werden können.
Die Vorteile einer Silizium-Mikromechanik, die in einem kostengünstigen
Aufbau, einer Single-Chip-Anordnung und einer einfachen Auslegung
liegen, lassen sich somit auf günstige
Weise mit den Vorteilen eines Aufbaus mit metallischer Trennmembran
verbinden, wobei die Vorteile der metallischen Trennmembran in einer
Messmöglichkeit
bei höheren
Temperaturen, höheren
Drücken
und aggressiveren Medien liegen.
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Die
Bereitstellung einer metallischen Trenneinrichtung zur Trennung
des zu messenden Mediums von einer Wandlereinrichtung, die zur Umsetzung
einer durch den zu messenden Druck herbeigeführten mechanischen Kraft in
ein elektrisches Signal eingesetzt wird, liegen darin, dass eine
derartige Trenneinrichtung über
geometrische Auslegungen auf einfache Weise an verschiedene Druckbereiche (von
einigen wenigen bar bis hin zu mehreren tausend bar) angepasst werden
kann. Hierbei wird die Membrandicke, Übergangsradien und die Membrangröße verändert.
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Weiter
ist es ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Druckmessvorrichtung,
dass durch die Verwendung des mikromechanischen Druckmessprinzips
mit integrierter Auswerteschaltung zur Wandlung der Druckkraft in
ein elektrisches Signal sowohl die Kosten des Messelementes als auch
diejenigen des übrigen
Aufbaus minimiert werden.
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In
vorteilhafter Weise müssen
auf die Metallmembran keine piezoresistiven Widerstände aufgebracht
werden. Dies ergibt den Vorteil, dass die Metallmembran einfach
in den Anschlussstutzen des Drucksensors integriert werden kann.
Somit muss die Membran lediglich nach mechanischen Erfordernissen
und nicht zusätzlich
auch nach Erfordernissen des Prozesses zum Aufbringen der Widerstände ausgelegt
werden. Ferner ist es zweckmäßig, dass eine
Schweißnaht
zwischen der Membran und Anschlussstutzen entfällt, wodurch die Prozesskosten gesenkt
werden. Ein weiterer Vorteil des Wegfalls der Schweißnaht besteht
darin, dass damit ein limitierendes Element bei einer maximal möglichen
Druckbelastung entfällt.
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Ferner
ist es möglich,
eine als Stößel ausgebildete Übertragungseinrichtung
in die Membran des Anschlussstutzens zu integrieren, wodurch eine
verbesserte Positioniergenauigkeit von Silizium-Chip zum Stößel erreicht
wird. Zusätzliche
Toleranzen, die von der Positionierung und Fixierung des Stößels auf dem
Anschlussstutzen herrühren,
entfallen vollständig.
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Die
erfindungsgemäße Druckmessvorrichtung
zur Erfassung eines zu messenden Drucks eines Mediums weist ein
Druckgehäuse,
eine in dem Druckgehäuse
angeordnete Wandlereinrichtung zur Umsetzung einer durch den zu
messenden Druck herbeigeführten
mechanischen Kraft in ein elektrisches Signal und eine Ausgabeeinheit
zur Ausgabe des elektrischen Signals entsprechend einem Druck des
Mediums auf, wobei eine Trenneinrichtung zur Trennung des Mediums
von der Wandlereinrichtung und eine Übertragungseinrichtung zur Übertragung der
durch den zu messenden Druck herbeigeführten mechanischen Kraft zu
der Wandlereinrichtung bereitgestellt sind.
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Die
Druckmessvorrichtung kann ferner ausgelegt werden, eine zweite Übertragungseinrichtung zur Übertragung
einer zweiten, durch einen zweiten zu messenden Druck herbeigeführten mechanischen Kraft
zu der Wandlereinrichtung aufzuweisen, wobei ein Differenzdruck
zwischen dem zu messenden Druck und dem zweiten zu messenden Druck
erfassbar wird.
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Es
ist vorteilhaft, die Trenneinrichtung zur Trennung des Mediums von
der Wandlereinrichtung als eine Trennmembran auszulegen. Die Trenneinrichtung
zur Trennung des Mediums von der Wandlereinrichtung und die Übertragungseinrichtung
zur Übertragung
der durch den zu messenden Druck herbeigeführten mechanischen Kraft zu
der Wandlereinrichtung sind vorzugsweise als eine integrale Einheit ausgelegt.
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Ferner
ist es möglich,
die Trenneinrichtung, die Wandlereinrichtung zur Umsetzung einer
durch den zu messenden Druck herbeigeführten mechanischen Kraft in
ein elektrisches Signal und einen Messumformer integriert mit einer
Auswerteelektronik aufzubauen. Hierbei ist es insbesondere zweckmäßig, die
Trenneinrichtung, die Wandlereinrichtung und den Messumformer integriert
mit der Auswer teelektronik auf einem Silizium-Chip in einem Silizium-basierten
mikromechanischen Aufbau bereitzustellen.
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Die Übertragungseinrichtung
zur Übertragung
der durch den zu messenden Druck herbeigeführten mechanischen Kraft zu
der Wandlereinrichtung wird vorzugsweise als ein Stößel ausgebildet, der
auf der Trenneinrichtung aufgebracht ist.
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Die
Ausgabeeinheit zur Ausgabe des elektrischen Signals entsprechend
einem Druck des Mediums kann mittels Anschlussstiften bereitgestellt
werden, die durch eine Schutzeinrichtung geschützt sind. Das Druckgehäuse umfasst
mindestens einen Druckkanal zur Beaufschlagung der Wandlereinrichtung
mit mindestens einem Druck. Das Medium, dessen Druck zu erfassen
ist, kann in einem gasförmigen oder
einem flüssigen
Aggregatszustand vorliegen.
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ZEICHNUNG
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In
der Zeichnung zeigt:
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1 einen
Querschnitt durch eine Druckmessvorrichtung zur Erfassung eines
zu messenden Drucks eines Mediums gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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BESCHREIBUNG
EINES AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
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In 1 ist
ein Querschnitt durch eine Druckmessvorrichtung 1 gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
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In 1 bezeichnet
ein Bezugszeichen 11 ein Druckgehäuse, in welches ein Druckkanal 12 eingebracht
ist, über
welchen ein Druck p eines zu messenden Mediums 13 erfasst
werden kann. An dem Druckgehäuse 11 ist
ferner eine Befestigungseinrichtung 10, beispielsweise
in der Form eines Sechskants, angebracht, mit welcher die gesamte
Druckmessvorrichtung 1 an einem Objekt angebracht werden
kann. Die Druckmessvorrichtung 1 weist ferner eine Trenneinrichtung 2 auf,
welche das Medium 13 von einer Wandlereinrichtung 4 trennt.
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Die
Wandlereinrichtung 4 ist in dem Druckgehäuse 11 angeordnet
und ausgelegt, eine durch den zu messenden Druck p herbeigeführte mechanische
Kraft in ein elektrisches Signal 14 zu wandeln. Das elektrische
Signal 14 wird über
eine Ausgabeeinheit 8 ausgegeben. Ein Bezugszeichen 7 bezeichnet den
Anschlussstutzen, welcher dazu dient, die Druckmessvorrichtung an
einem Objekt (Messobjekt) anzubringen.
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Eine
Schutzeinrichtung 9 schützt
die Ausgabeeinheit 8, die in der Form von Anschlussstiften
ausgelegt sein kann, vor einer mechanischen, chemischen und/oder
korrosiven Belastung. Erfindungsgemäß ist auf der Trenneinrichtung 2 eine Übertragungseinrichtung 3 in
der Form eines Stößels aufgebracht,
welcher in Kontakt mit der Wandlereinrichtung, die als ein Silizium-Chip
ausgebildet ist, gebracht wird.
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Die
erfindungsgemäße Druckmessvorrichtung 1 weist
eine Signalwandlungskette wie folgt auf: der Druck p eines zu messenden
Mediums 13 wird durch eine Verformung der Trenneinrichtung 2,
die als eine metallische Trennmembran ausgelegt wird, in eine axiale
Bewegung des auf der Trenneinrichtung 2 aufgebrachten Stößels (Übertragungseinrichtung 3)
konvertiert. Eine derartige axiale Bewegung der Übertragungseinrichtung 3 resultiert
in einer Druckbelastung der Wandlereinrichtung 4, d.h.
eines mikromechanischen Silizium-Chips, der auf einer Halteeinrichtung 5 (einem
Header) als ein mechanisches Widerlager aufgebracht ist. Eine Druckbelastung
der Wandlereinrichtung 4 führt zu einer Dehnung der auf
dieser aufgebrachten piezoresistiven Widerstände. Die piezoresistiven oder
Si-Widerstände sind
in der Form einer Wheatstone'schen
Brückenschaltung
verschaltet, wobei auf dem Silizium-Chip 4, d.h. der Wandlereinrichtung
eine integrierte Auswerteschaltung bereitgestellt ist, die das elektrische
Signal 14 in eine elektrische Kennlinie umsetzt.
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Die
Halteeinrichtung 5 ist über
eine Vorspannhülse 6 mit
dem Anschlussstutzen 7 verbunden, derart, dass auf diese
Weise ein Kraftfluss geschlossen ist. Das Drucksignal wird mittels
Bondierungen (Bonds, nicht dargestellt) als ein elektrisches Signal 14 über die
Ausgabeeinheit 8 (d.h. Anschlussstifte bzw. Pins) zu einer
Steckeinrichtung (nicht gezeigt) übertragen. Zum Schutz der Anschlussstifte 8 sind
diese in einer als eine Schutzeinrichtung 9 bereitgestellten
elektrischen Isolation eingeglast.
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Erfindungsgemäß ist die
metallische Trennmembran (d.h. die Trenneinrichtung) vorteilhaft
ein Teil des Anschlussstutzens 7 und ist derart ausgelegt,
dass abhängig
vom geforderten Druckbereich eine für die Auswertung in der Wandlereinrichtung 4 (Silizium-Chip)
geeignete axiale Bewegung der Übertragungseinrichtung 3 (d.h.
des Stößels) bereitgestellt
wird. Eine derartige axiale Bewegung liegt vorzugsweise in der Größenordnung
von einigen Mikrometern, derart, dass eine Festigkeit des Werkstoffs der
Trenneinrichtung 2, d.h. des Membranwerkstoffs nicht überschritten
wird. Im Gegensatz zu Verfahren nach dem Stand der Technik, bei
welchen die piezoresistiven Widerstände bzw. die Silizium-Widerstände direkt
auf der Trenneinrichtung, d.h. der Trennmembran aufgebracht sind,
ist es gemäß der erfindungsgemäßen Druckmessvorrichtung
nicht erforderlich, dass die Membran hohe mechanische Dehnungen
aufweist, um ein großes
und damit weniger störungsanfälliges Sensorsignal zu
erhalten. Auf diese Weise wird der Vorteil erzielt, dass große Werkstoffbelastungen
bzw. Materialermüdungen
vermieden werden.
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Bei
der Auslegung der erfindungsgemäßen Druckmessvorrichtung
ist es erforderlich, dass die Wandlereinrichtung 4 als
ein Silizium-Chip mit einer Vorspannung gegen die Übertragungseinrichtung 3, d.h.
den Stößel gedrückt wird,
derart, dass ein definierter Vorspannungszustand über die
Lebensdauer der gesamten Druckmessvorrichtung konstant erhalten
bleibt. Die Vorspannung ist dabei erforderlich, um ein Abheben und
ein Wiederaufsetzen der Übertragungseinrichtung 3 auf
der Wandlereinrichtung 4 für sämtliche Betriebszustände, die
unterschiedliche Temperaturen, Temperaturwechsel, Vibrationen umfassen,
zu vermeiden. Auf diese Weise wird eine nicht-lineare Kennlinie
und gegebenenfalls eine Zerstörung
der Wandlereinrichtung 4 vermieden.
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Eine Änderung
der Vorspannung über
die Lebensdauer führt
zu einer Drift des Offsets der Druckmessvorrichtung und damit zu
einem Messfehler, der abhängig
von der Sensoranwendung ein bestimmtes Maß nicht überschreiten darf. Der unter
Bezugnahme auf 1 gezeigte Aufbau einer Druckmessvorrichtung
gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung weist die Wandlereinrichtung 4 verbunden
mit der Halteeinrichtung 5 und der Vorspannhülse 6 auf,
derart, dass die Vorspannung über
eine Zugdehnung der Vorspannhülse 6 oder über eine
Durchbiegung der Halteeinrichtung 5 oder über beide
Effekte zugleich erreicht werden kann. Vorzugsweise wird die Vorspannhülse 6 an
den Anschlussstutzen 7 mittels einer Schweißung bzw.
einer Heftung befestigt.
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Es
ist auch vorteilhaft, bei der erfindungsgemäßen Druckmessvorrichtung einen
Kraftpfad zwischen der Trenneinrichtung 2 und der Halteeinrichtung 5 kurz
auszulegen, um Messfehler, die infolge von Temperaturausdehnungen
und Temperaturgradienten hervorgerufen werden, gering zu halten. Gleichzeitig
ist bei der Auswahl des Materials für die Vorspannhülse 6 darauf
zu achten, dass deren thermischer Ausdehnungskoeffizient gut an
den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Vorspannhülse 6 einerseits
und der Wandlereinrichtung 4 andererseits angepasst ist,
um Verspannungen durch Temperaturänderungen zu vermeiden. Auf
diese Weise werden Messfehler gering gehalten.
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Durch
die Auslegung der erfindungsgemäßen Druckmessvorrichtung
mittels der Vorspannhülse 6 wird
auch eine optimale mechanische Entkopplung des Kraftpfades von Umgebungseinflüssen wie Einschraubmoment,
Temperaturdehnungen, etc. erreicht, da der Kraftpfad weitestgehend
mechanisch von der Befestigungseinrichtung 10, die beispielsweise
als ein Sechskant ausgelegt ist, und dem Druckgehäuse 11,
das beispielsweise ein Einschraubgewinde aufweist, entkoppelt ist.
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Zur
Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit lassen sich Kondensatoren
ohne großen
Zusatzaufwand auf der Rückseite
der Halteeinrichtung 5 zwischen den als Anschlussstiften
ausgelegten Ausgabeeinheiten 8 anbringen.
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- 1
- Druckmessvorrichtung
- 2
- Trenneinrichtung
- 3
- Übertragungseinrichtung
- 4
- Wandlereinrichtung
- 5
- Halteeinrichtung
- 6
- Vorspannhülse
- 7
- Anschlussstutzen
- 8
- Ausgabeeinheit
- 9
- Schutzeinrichtung
- 10
- Befestigungseinrichtung
- 11
- Druckgehäuse
- 12
- Druckkanal
- 13
- Zu
messendes Medium
- 14
- Elektrisches
Signal