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Die
Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zum Messen eines Drucks.
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Drucksensoren
zum Messen des Drucks von Flüssigkeiten,
wie beispielsweise Wasser oder Harnstofflösungen, sind durch das Einfrieren
dieser Medien bei Temperaturen unterhalb des entsprechenden Gefrierpunkts
und dem damit verbundenen Volumenzuwachs mechanisch gefährdet und
können
beschädigt
werden. Durch die Entstehung von Eis im Bereich der Sensormembran
eines Sensors können Kräfte ausgeübt werden,
die zur Beschädigung
oder zur Beeinträchtigung
der Funktionalität
des Sensors führen.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Sensoranordnung anzugeben,
die durch ein Einfrieren eines zu messenden Mediums nicht beschädigt wird.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Sensoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Eine
Sensoranordnung umfasst mindestens ein Sensorelement zum Messen
eines Drucks eines Mediums. Die Sensoranordnung umfasst einen Gehäusekörper zur
Aufnahme des mindestens einen Sensorelements. Der Gehäusekörper umgibt
mit einer Wand eine Ausnehmung, durch die der Druck des Mediums
an das Sensorelement geführt
werden kann. Der Gehäusekörper weist
zumindest einen Bereich auf, in dem er in die Ausnehmung vorspringt.
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Die
Wand des Gehäusekörpers, die
die Ausnehmung umgibt, kann so ausgebildet sein, dass die Ausnehmung
zumindest teilweise die Form eines Kegelstumpfs aufweist. Die Wand
des Gehäusekörpers kann
in einer weiteren Ausführungsform
zumindest teilweise konkav sein. Die Wand des Gehäusekörpers ist
in ei nem weiteren Ausführungsbeispiel
zumindest teilweise konvex. Diese Formen der Ausnehmung sind einfach
und relativ günstig
herstellbar und schützen
das Sensorelement gut gegenüber
einer Zerstörung
durch eine Volumenausdehnung des Mediums in Folge eines Einfrierens.
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Die
Ausnehmung kann einen weiteren Bereich aufweisen, in dem das mindestens
eine Sensorelement angeordnet ist. In diesem weiteren Bereich kann
die Ausnehmung zumindest teilweise mit einem Druckübertragungsmedium
gefüllt
sein. Durch das Druckübertragungsmedium
wird das Sensorelement geschützt.
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Das
Druckübertragungsmedium
kann mindestens bis in den Bereich reichen, der in die Ausnehmung
vorspringt. Dadurch wird verhindert, dass das zu messende Medium
bis hinter den vorspringenden Bereich vordringt und das Sensorelement
so möglichst
gut vor einer Zerstörung
durch ein Einfrieren des Mediums geschützt.
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Der
weitere Bereich, in dem das mindestens eine Sensorelement angeordnet
ist, kann bis zu einer Stelle reichen, an der die Wand so ausgebildet
ist, dass die Ausnehmung ihren geringsten Durchmesser aufweist.
Die Stelle des geringsten Durchmessers ist von dem Sensorelement
beabstandet. Eine Oberfläche
des Druckübertragungsmediums,
bis zu der das Druckübertragungsmedium
reicht, ist weiter von dem Sensorelement beabstandet als die Stelle
des geringsten Durchmessers der Ausnehmung. So ist das Sensorelement
möglichst
gut vor einer Zerstörung durch
eine Volumenausdehnung des Mediums durch ein Einfrieren geschützt.
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In
dem weiteren Bereich der Ausnehmung, in dem das mindestens eine
Sensorelement angeordnet ist, kann ein Ausgleichselement angeordnet
sein, das eine Volumenänderung
des zu messenden Mediums ausgleicht. Das Ausgleichselement kann
mindestens eine Schicht aus einem aufgeschäumten Gel umfassen. Das Ausgleichselement
kann auch ein schaumförmiges
Elastomer mit ge schlossenen Zellen umfassen, insbesondere Zellkautschuk.
So kann das Sensorelement vor einer Zerstörung durch eine Volumenänderung
des Mediums in dem weiteren Bereich möglichst gut geschützt werden.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Weiterbildungen ergeben sich aus den nachfolgenden
in Verbindung mit den 1 bis 5 erläuterten
Beispielen. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Sensoranordnung gemäß einer
Ausführungsform,
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2 eine
schematische Darstellung einer Sensoranordnung gemäß einer
weiteren Ausführungsform,
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3 eine
schematische Darstellung einer Sensoranordnung gemäß einer
weiteren Ausführungsform,
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4 eine
schematische Darstellung einer Sensoranordnung mit einem Ausgleichselement,
und
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5 eine
schematische Darstellung einer Sensoranordnung mit einem Ausgleichselement
gemäß einer
weiteren Ausführungsform.
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1 zeigt
eine Sensoranordnung 100, die ein Sensorelement 101 und
einen Gehäusekörper 102 aufweist.
Der Gehäusekörper umgibt
eine Ausnehmung 103. Der Gehäusekörper weist einen Bereich 104 auf,
in dem er in die Ausnehmung vorspringt. Die Ausnehmung verläuft in Z-Richtung durch
den Gehäusekörper und
das Sensorelement ist in dieser Richtung oberhalb des Bereichs 104 angeordnet.
Das Sensorelement 101 ist in einem Bereich 107 der
Ausnehmung 103 angeordnet, der mit einem Druckübertragungsmedium 105 gefüllt ist.
Das Druckübertragungsmedium
umschließt
die freiliegenden Flächen
des Sensorelements 101 und reicht bis in den vorspringenden
Bereich 104 des Gehäusekörpers.
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Eine
Wand 106 des Gehäusekörpers, die
die Ausnehmung umgibt, weist in der gezeigten Ausführungsform
eine schräge
Flanke zwischen einem ersten Durchmesser 110 und einem
zweiten Durchmesser 111 auf. Die Ausnehmung weist an einer Öffnung den
Durchmesser 110 auf und verengt sich in Z-Richtung in Richtung
einer Stelle 108, die den Durchmesser 111 aufweist.
Der Durchmesser 111 ist kleiner als der Durchmesser 110 und
im gezeigten Ausführungsbeispiel
der geringste Durchmesser der Ausnehmung. Im Bereich 107,
der an die Stelle 108 anschließt, kann sich die Ausnehmung
wieder aufweiten. Die Wand 106 des Gehäusekörpers ist so ausgebildet, dass
die Ausnehmung in dem vom Sensorelement abgewandten Bereich die
Form eines Kegelstumpfs aufweist. Der Kegelstumpf verläuft vom
größeren Durchmesser 110 bis
zum kleinsten Durchmesser 111. Die Ausnehmung kann rotationssymmetrisch
zur Z-Achse sein. Die Ausnehmung kann auch eine andere Form aufweisen,
die geeignet ist, Druck des zu messenden Mediums zu übertragen,
beispielsweise eine eckige Form.
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Die
Ausnehmung wird von einem Deckelelement an einer weiteren Öffnung abgeschlossen.
Die weitere Öffnung
liegt an dem der Öffnung
mit dem Durchmesser 110 entgegengesetzten Ende der Ausnehmung.
An dem Deckelement ist das Sensorelement 101 befestigt.
Die Ausnehmung 103 ist ausgehend von dem Deckelement, das
die Ausnehmung in eine Richtung abschließt und an dem das Sensorelement 101 angeordnet
ist, mit dem Druckübertragungsmedium 105 mindestens
bis in den Bereich gefüllt,
der in die Ausnehmung vorspringt. Das Druckübertragungsmedium reicht mindestens
bis an die Stelle der Ausnehmung, die den geringsten Durchmesser
der Ausnehmung aufweist. Das Druckübertragungsmedium kann auch
weiter in die Ausnehmung reichen, insbesondere so weit, dass durch
das Druckübertragungsmedium
und die Form der Ausnehmung eine Volumenausdehnung des zu messenden
Mediums von dem Sensorelement weg erfolgt. Das Druckübertragungsmedium 105 bildet
eine Oberfläche 109 aus,
die von dem Sensorelement 101 beabstandet ist. Die Stelle 108 der
Ausnehmung, an der die Ausnehmung ihren geringsten Durch messer aufweist,
ist weniger weit als die Oberfläche 109 von dem
Sensorelement 101 beabstandet.
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Das
Druckübertragungsmedium
umfasst ein Material, insbesondere ein Gel, das eingerichtet ist, einen
Druck eines zu messenden Mediums an das Sensorelement 101 zu übertragen.
Das zu messende Medium beziehungsweise ein Druck des Mediums wird
von der offenen Seite der Ausnehmung 103 durch die Ausnehmung
geführt.
Das zu messende Medium übt
einen Druck auf die Oberfläche 109 des Druckübertragungsmediums 105 aus.
Das Druckübertragungsmedium
schütz
das Sensorelement vor Umwelteinflüssen, insbesondere vor einem
direkten Kontakt mit der Flüssigkeit.
Die Sensoranordnung ist eingerichtet, den Druck von Flüssigkeiten
zu messen, beispielsweise den Druck von Wasser oder einer Harnstofflösung in
einem System.
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Bei
Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts der zu messenden Flüssigkeit,
der beispielsweise bei einer typischen Harnstofflösung etwa –11°C beträgt, erhöht sich
das Volumen der sich in der Ausnehmung 103 befindenden
Flüssigkeit.
Beispielsweise erhöht
sich das Volumen einer 32%igen Harnstofflösung beim Phasenübergang
von flüssig nach
fest ähnlich
wie bei Wasser um cirka 9%. Die Flüssigkeit gefriert im Bereich
des kleineren Durchmessers 111 bevor sie in Bereichen mit
größeren Durchmessern
gefriert. Gefriert die Flüssigkeit,
findet die Volumenausdehnung im Gehäusekörper in die dem Sensorelement 101 entgegengesetzte
Richtung statt. Somit werden nur relativ geringe Drücke auf
die Oberfläche 109 durch
eine Volumenausdehnung des Mediums ausgeübt. Weder das Druckübertragungsmedium
noch das Sensorelement 101 werden in Folge eines zu hohen
Drucks beschädigt.
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Das
Sensorelement 101 ist beispielsweise ein Halbleitersensor,
der eine auf Druck empfindliche Membran aufweist. Das Sensorelement
kann auch ein anderes Bauelement sein, das eingerichtet ist, den
Druck eines Mediums zu messen. Der Gehäusekörper 102 umfasst in
einer Ausführungsform
ein Metall. Er kann ein Schraubgewinde aufweisen, um ihn beispielsweise
mit einer Leitung zu koppeln. Der Gehäusekörper kann auch andere Montageelemente aufweisen,
um die Sensoranordnung mit weiteren Elementen zu koppeln. Beispielsweise
ist die Sensoranordnung in ein System zur Abgasnachbehandlung eingebunden,
insbesondere in ein System zur Reduzierung von Stickoxiden im Abgas
einer Dieselbrennkraftmaschine durch selektive katalytische Reduktion.
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2 zeigt
eine Sensoranordnung 200, die einen Gehäusekörper 202 umfasst,
der eine Ausnehmung 203 umgibt. Die Ausnehmung ist in eine
Richtung von einem Deckelement geschlossen. An dem Deckelement kann
ein Sensorelement 201 angeordnet sein. Das Sensorelement 201 ist
eingerichtet, den Druck eines Mediums zu messen, insbesondere den Druck
einer Flüssigkeit.
Der Druck des Mediums wird durch die Ausnehmung 203 an
das Sensorelement 201 geführt.
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Das
Sensorelement 201 ist in einem Bereich 207 der
Ausnehmung angeordnet, der mit einem Druckübertragungsmedium 205 gefüllt ist.
Der Gehäusekörper 202 weist
einen vorspringenden Bereich 204 auf, so dass sich der
Durchmesser der Ausnehmung 203 ändert. Ausgehend von dem Sensorelement 201 verringert
sich der Durchmesser der Ausnehmung in dem Bereich 207 bis
der Durchmesser seinen geringsten Wert erreicht hat. Mindestens
bis zu dieser Stelle, an der der Durchmesser der Ausnehmung seinen
geringsten Wert hat, reicht das Druckübertragungsmedium 205.
Das Druckübertragungsmedium
ist in der Ausnehmung zwischen dem Sensorelement 201 und
dem Bereich des geringsten Durchmessers der Ausnehmung angeordnet.
Ausgehend von dem Bereich des geringsten Durchmessers vergrößert sich
der Durchmesser der Ausnehmung in entgegengesetzter Richtung zum
Sensorelement 201. Das Gehäuse 202 umgibt die
Ausnehmung 203 mit einer Wand 206, so dass das
Gehäuse
in dem Bereich der Ausnehmung, der nicht von dem Druckübertragungsmedium
gefüllt
ist, eine konkave Fläche ausbildet.
Die konkave Fläche
der Wand 206 ist zwischen der Öffnung des Gehäusekörpers, die
dem Sensorele ment entgegengesetzt liegt, und der Stelle, an der
der Gehäusekörper am
weitesten in die Ausnehmung vorspringt, ausgebildet.
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Das
Medium, dessen Druck durch die Sensoranordnung bestimmt werden soll,
wird von dem Sensorelement 201 weggedrückt, wenn es gefriert. Durch
die Form der Wand 206 und der Füllhöhe des Druckübertragungsmediums 205,
das in dem Bereich der Ausnehmung 207 mindestens bis zu
der Stelle mit dem geringsten Durchmesser der Ausnehmung geführt ist,
kann das zu messende Medium durch die offene Seite der Ausnehmung 203 höchstens
bis zu der Stelle der Ausnehmung gelangen, an der die Ausnehmung
ihren geringsten Durchmesser aufweist. Bei einer Volumenausdehnung
des Mediums durch einen Phasenübergang
von flüssig
zu fest werden nur relativ geringe Drücke auf das Druckübertragungsmedium
und das Sensorelement ausgeübt,
da die Volumenausdehnung durch die konkave Form der Wand 206 von
dem Sensorelement 201 weg stattfindet.
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3 zeigt
eine Sensoranordnung 300. Ein Gehäusekörper 302 umgibt eine
Ausnehmung 303. Ein zu messendes Medium beziehungsweise
der Druck des zu messenden Mediums kann durch die Ausnehmung 303 zu
einem Sensorelement 301 geführt werden, das an einem Ende
der Ausnehmung 303 angeordnet ist. Ausgehend von dem entgegengesetzten
Ende des Gehäusekörpers 302 weist
eine Wand 306 des Gehäusekörpers 302,
die die Ausnehmung umgibt, einen geradlinigen Verlauf auf. Daran anschließend weist
der Gehäusekörper 302 einen vorspringenden
Bereich 304 auf, so dass die Wand 306 einen konvexen
Bereich aufweist. Die konvexe Fläche
der Wand 306 endet an einer Stelle, an der der Gehäusekörper am
weitesten in die Ausnehmung 303 vorspringt, beziehungsweise
an der die Ausnehmung 303 ihren geringsten Durchmesser
aufweist. Daran schließt
ein Bereich 307 an, in dem sich der Durchmesser der Ausnehmung
wieder vergrößert. In diesem
Bereich 307 ist das Sensorelement 301 angeordnet.
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Der
Gehäusekörper beziehungsweise
die Ausnehmung des Gehäusekörpers ist
im Bereich 307 mit einem Druckübertragungsmedium 305 gefüllt. Das
Druckübertragungsmedium
ist eingerichtet, den Druck des zu messenden Mediums auf das Sensorelement 301 zu übertragen.
Das Druckübertragungsmedium 305 verhindert,
dass das zu messende Medium bis in den Bereich 307 vordringt.
Das Druckübertragungsmedium
ist beispielsweise ein Gel. Das Druckübertragungsmedium reicht vom
Sensorelement 301 mindestens bis zu dem Bereich des Gehäusekörpers, an
dem dieser am weitesten in die Ausnehmung vorspringt. Das zu messende
Medium kann von der dem Sensorelement 301 entgegengesetzten
Seite des Gehäusekörpers bis
zu dem Druckübertragungsmedium
gelangen. Das zu messende Medium kann durch die Ausnehmung 303 bis
ihn den konvexen Bereich und dort bis zu dem Bereich der geringsten
Ausdehnung der Ausnehmung 303. Bei einer Volumenausdehnung
des Mediums durch einen Phasenübergang
von flüssig
zu fest werden nur relativ geringe Drücke auf das Druckübertragungsmedium
und das Sensorelement ausgeübt,
da die Volumenausdehnung durch die konvexe Form der Wand 306 von
dem Sensorelement 301 weg erfolgt.
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4 zeigt
eine Sensoranordnung 400, die einen Gehäusekörper 402 aufweist.
Der Gehäusekörper 402 hat
eine vergleichbare Form zu dem Gehäusekörper, der in Verbindung mit 1 beschrieben
wurde. Der Gehäusekörper 402 umgibt
eine Ausnehmung 403 mit einer Wand 406. Die Ausnehmung ist
durch den Gehäusekörper geführt. Die
Wand 406 weist ausgehend von einer Öffnung des Gehäusekörpers 402 schräge Flanken
auf, so dass der Gehäusekörper 402 in
einem Bereich 404 in die Ausnehmung vorspringt. Der Gehäusekörper umgibt
die Ausnehmung 403 derart, dass sich ein Bereich 407 ausbildet.
In dem Bereich 407 ist ein Sensorelement 401 angeordnet.
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Zum
Schutz des Sensorelements 401 ist das Sensorelements von
einem Druckübertragungsmedium 405 umgeben.
Das Druckübertragungsmedium 405 ist
in der Ausnehmung 403, insbesondere im Bereich 407,
angeordnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel reicht
das Druckübertragungsmedium
nicht bis zu der engsten Stelle der Ausnehmung. Der Bereich 407,
der aus Richtung des Sensorelements 401 bis zu der Stelle
des Gehäusekörpers reicht,
an der die Ausnehmung ihren geringsten Durchmesser aufweist, ist
teilweise mit Druckübertragungsmedium 405 gefüllt. In
der Ausnehmung ist ein Volumenausgleichselement 409 angeordnet.
Das Volumenausgleichselement 409 ist im Bereich 407 anschließend an
das Druckübertragungsmedium 405 angeordnet. Aus
Richtung des Sensorelementes 401 ist das Ausgleichselement 409 vor
dem Bereich angeordnet, an dem der Gehäusekörper 402 am weitesten
in die Ausnehmung 403 vorspringt.
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Das
Ausgleichselement 409 ist eingerichtet, eine Volumenänderung
des zu messenden Mediums auszugleichen. Es umfasst beispielsweise
ein aufgeschäumtes
Gel oder ein schaumförmiges
Elastomer, beispielsweise Zellkautschuk. Das schaumförmige Elastomer
weist geschlossene Zellen auf, damit das zu messende Medium nicht
in das Elastomer eindringen kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
ist das Ausgleichselement 409 ringförmig an der Wand der Ausnehmung
angeordnet. Das Ausgleichselement kann jedoch auch eine andere Form
aufweisen, die eine genügend
große
Volumenänderung
des Ausgleichselements zulässt.
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Das
Volumenausgleichselement 409 ist eingerichtet eine Volumenänderung
der Menge des Mediums ausgleichen, die sich in der Ausnehmung zwischen
dem Druckübertragungsmedium 405 und
dem Bereich befindet, an dem die Ausnehmung ihren geringsten Durchmesser
aufweist. Bei einem Phasenübergang
des zu messenden Mediums von flüssig nach
fest findet ein Großteil
der Volumenausdehnung so statt, dass das Medium von dem Sensorelement 401 weggedrückt wird,
da der Gehäusekörper die Ausnehmung 403 schräg umgibt.
Die Volumenänderung
des Teils des Mediums, der sich im Bereich 407 zwischen
dem Druckübertragungsmedium 405 und der
engsten Stelle der Ausnehmung 403 befindet, wird von dem
Ausgleichselement 409 kompensiert. Das Ausgleichselement 409 kann
sein Volumen in dem Maß verklei nern,
in dem das Volumen des zu messenden Mediums zunimmt. So sind die
Drücke, die
auf das Druckübertragungsmedium 405 und
das Sensorelement 401 wirken relativ gering und können diese
nicht zerstören
oder beschädigen.
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5 zeigt
einen Sensoranordnung 500, die ein Sensorelement 501 umfasst.
Das Sensorelement 501 ist in einer Ausnehmung 503 eines
Gehäusekörpers 502 angeordnet,
der die Ausnehmung mit einer Wand 506 umgibt. In einem
Bereich 507 der Ausnehmung ist das Sensorelement 501 angeordnet
und zudem ein Druckübertragungsmedium 505.
Das Druckübertragungsmedium 505 bildet
auf der dem Sensorelement 501 abgewandten Seite eine Oberfläche, die
von einem Ausgleichselement 509 bedeckt wird. Das Ausgleichselement 509 ist
im gezeigten Ausführungsbeispiel
eine Schicht, die an den Rändern
mit dem Gehäusekörper 502 abschließt. Es können auch mehrere
Schichten angeordnet sein. Das Ausgleichselement kann auch andere
Formen aufweisen, die geeignet sind, ihr Volumen entsprechend zu
verändern.
Das Ausgleichselement umfasst beispielsweise ein aufgeschäumtes Gel
oder ein Elastomer. Die restliche Ausnehmung kann von dem zu messenden
Fluid gefüllt
werden. Das zu messende Fluid kann von einem offenen Ende der Ausnehmung 503 durch
die Ausnehmung des Gehäusekörpers bis
an das schichtförmige
Ausgleichselement 509 vordringen.
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Der
Gehäusekörper 502 weist
einen vorspringenden Bereich 504 auf, so dass die Ausnehmung
von der Wand 506 so begrenzt wird, dass sich unterschiedliche
Durchmesser der Ausnehmung ergeben. Der Bereich, an dem die Ausnehmung
ihren geringsten Durchmesser aufweist, ist benachbart zu dem Ausgleichselement 509.
Zwischen der Stelle mit dem geringsten Durchmesser und dem Ausgleichselement
weitet sich die Ausnehmung jedoch wieder auf. Bei Temperaturen unterhalb
des Gefrierpunkts des zu messenden Mediums kann das Ausgleichselement
eine Volumenänderung
durch den Phasenübergang
des Mediums von flüssig
zu fest ausgleichen, so dass der Druck auf das Druckübertragungsmedium 505 und
das Sensorelement 501 nicht größer wird, als diese mechanisch
belastbar sind. Das Volumenausgleichselement 509 muss nur
die Volumenausdehnung des Teils des zu messenden Mediums ausgleichen,
der sich innerhalb der Ausnehmung zwischen dem Ausgleichselements 509 und dem
Bereich des geringsten Durchmessers der Ausnehmung befindet. Die
Volumenausdehnung des restlichen Teils des zu messenden Mediums
wird über
die schiefen Wände 506 nach
außerhalb
der Sensoranordnung 500 gelenkt.
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- 100
- Sensoranordnung
- 101
- Sensorelement
- 102
- Gehäusekörper
- 103
- Ausnehmung
- 104
- vorspringender
Bereich
- 105
- Druckübertragungsmedium
- 106
- Wand
- 107
- Bereich
- 108
- Stelle
mit geringstem Durchmesser
- 109
- Oberfläche
- 110
- Durchmesser
- 111
- Durchmesser
- 200
- Sensoranordnung
- 201
- Sensorelement
- 202
- Gehäusekörper
- 203
- Ausnehmung
- 204
- vorspringender
Bereich
- 205
- Druckübertragungsmedium
- 206
- Wand
- 207
- Bereich
- 300
- Sensoranordnung
- 301
- Sensorelement
- 302
- Gehäusekörper
- 303
- Ausnehmung
- 304
- vorspringender
Bereich
- 305
- Druckübertragungsmedium
- 306
- Wand
- 307
- Bereich
- 400
- Sensoranordnung
- 401
- Sensorelement
- 402
- Gehäusekörper
- 403
- Ausnehmung
- 404
- vorspringender
Bereich
- 405
- Druckübertragungsmedium
- 406
- Wand
- 407
- Bereich
- 409
- Ausgleichselement
- 500
- Sensoranordnung
- 501
- Sensorelement
- 502
- Gehäusekörper
- 503
- Ausnehmung
- 504
- vorspringender
Bereich
- 505
- Druckübertragungsmedium
- 506
- Wand
- 507
- Bereich
- 509
- Ausgleichselement