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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckmesswandler, insbesondere einen Differenzdruckmesswandler oder einen Relativdruckmesswandler, welcher insbesondere einen überlastfesten Wandlerkern aufweist.
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Das der Erfindung zugrunde liegende Problem betrifft vordringlich Differenzdruckmesswandler und wird zunächst anhand von Differenzdruckmesswandlern erläutert. Grundsätzlich kann es aber auch bei Relativdruckmesswandlern von Bedeutung sein.
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Typische Differenzdruckmesswandler, weisen gewöhnlich ein hydraulisches Druckmesswerk auf, über welches der Wandlerkern mit einem ersten Druck und mit einem zweiten Druck beaufschlagt wird, wozu ein hydraulisches Messwerk eine erste Trennmembran und zweite Trennmembran aufweist, die jeweils einen hydraulischen Pfad verschließen, der sich bis zum Wandlerkern erstreckt. Derartige hydraulische Messwerke nach dem Stand der Technik umfassen weiterhin eine so genannte Überlastmembran, welche bei einer einseitigen Überlast ausgelenkt wird, bis die Trennmembran auf der Seite des höheren Drucks zur Anlage an einem Membranbett kommt, wodurch ein weiterer Druckanstieg und eine Beschädigung des Wandlerkerns verhindert wird. Derartige Überlastmembranen führen allerdings zwingend zu einer Vergrößerung des Volumens der Übertragungsflüssigkeit und damit zu einer eingeschränkten Dynamik sowie tendenziell zu einem größeren Temperaturfehler aufgrund der Wärmeausdehnung des größeren Volumens der Übertragungsflüssigkeit. Zudem wird durch die Überlastmembran das Konstruktionsvolumen des hydraulischen Messwerks erheblich vergrößert, wodurch auch die Masse an verbautem Stahl gegenüber einer Konstruktion ohne Überlastmembran erheblich vermehrt ist.
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Im Allgemeinen sind zur Vereinfachung von Konstruktionen Bemühungen bekannt, Differenzdruckwandler, ohne Überlastmembran herzustellen, wozu die Wandlerkerne mit einem intrinsischen Überlastschutz auszustatten sind. Demnach soll die Messmembran eines Wandlerkerns im Falle einer Überlast an einem Membranbett im Wandlerkern zur Anlage kommen, sodass ein weiterer Anstieg des Drucks die Messmembran nicht beschädigen kann. Dies bedingt jedoch, dass die Aufbau- und Verbindungstechnik, mit welcher der Wandlerkern im hydraulischen Messwerk gehalten wird, dem gesamten Überlastdruck ohne Schädigung standhalten muss. Dabei sind bei der Integration in ein Messwerk bzw. Gehäuse, welches metallische Werkstoffe aufweist, die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der beteiligten Werkstoffe zu berücksichtigen.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Druckmesswandler mit einer entsprechenden Aufbau- und Verbindungstechnik bereit zu stellen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Druckmesswandler gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1.
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Der erfindungsgemäße Druckmesswandler umfasst ein Gehäuse und einen Wandlerkern, wobei das Gehäuse in seinem Innern eine Wandlerkammer aufweist, wobei die Wandlerkammer eine erste Anschlagfläche und eine zweiten Anschlagfläche aufweist, wobei die erste Anschlagfläche der zweiten Anschlagfläche gegenüberliegt, wobei zumindest in der ersten Anschlagfläche ein erster Kanal mündet, durch welchen ein erster Druck einleitbar ist und wobei in der Wandlerkammer zumindest ein zweiter Kanal mündet, durch welchen ein zweiter Druck in die Wandlerkammer einleitbar ist, wobei erfindungsgemäß der Wandlerkern zwischen einem ersten elastischen Körper und einem zweiten elastischen Körper eingespannt ist, wobei der erste elastische Körper zwischen einer ersten Oberfläche des Wandlerkerns und der ersten Anschlagfläche angeordnet ist, und wobei der zweite elastische Körper zwischen einer zweiten Oberfläche mit dem Wandlerkern und der zweiten Anschlagfläche angeordnet ist, wobei zumindest der erste elastische Körper eine Öffnung aufweist, welche mit dem zumindest einem Kanal fluchtet, über welchen der Wandlerkern mit einem ersten Druck beaufschlagbar ist.
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Die elastischen Körper dienen zur Lagerung des Wandlerkerns, und sie können aufgrund ihrer Elastizität Wärmeausdehnungsunterschiede zwischen dem Wandlerkern und den Anschlagflächen bzw. der Wandlerkammer ausgleichen.
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Zumindest der erste elastische Körper dient zudem als Dichtelement durch dessen Öffnung der erste Druck aus dem ersten Kanal dem Wandlerkern zugeführt wird, wobei die Dichtfunktion dazu dient, den Druck innerhalb des vom Dichtelement umschlossenen Bereichs zu halten.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist mindestens die erste Anschlagfläche mindestens eine axiale Kontur auf, welche mit dem ersten elastischen Körper sich in Eingriff befindet, um einer radialen Auslenkung des ersten elastischen Körpers einen Widerstand entgegenzusetzen. Die mindestens eine axiale Kontur kann insbesondere ringförmig ausgebildet sein und mit dem ersten elastischen Körper fluchten.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weisen bzw. weist der erste elastische Körper und/oder der zweite elastische Körper ein Elastomer auf, insbesondere Kautschuk.
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In einer Weiterbildung der Erfindung mündet der zweite Kanal in der zweiten Anschlagfläche, wobei der zweite elastische Körper eine Öffnung aufweist, die mit dem zweiten Kanal fluchtet, und durch welche der Wandlerkern mit dem zweiten Druck beaufschlagbar ist.
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In diesem Fall kann der zweite elastische Körper wie der erste elastische Körper als Dichtelement dienen, um den Druck innerhalb des vom Dichtelement umschlossenen Bereichs zu halten. Die Dichtfunktion des zweiten elastischen Körpers ist jedoch dann nicht erforderlich, wenn eine quasi-isostatische Lagerung des Wandlerkerns in der Wandlerkammer angestrebt ist, d. h., wenn der zweite Druck den Wandlerkern auch von außen umgeben soll, wie weiter unten erläutert wird.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist zumindest die erste Anschlagfläche zwei im wesentlichen koaxiale ringförmige Konturen auf, welche mit dem ersten elastischen Körper fluchten und sich mit diesem im Eingriff befinden, um einer radialen Auslenkung des elastischen Körpers einen Widerstand entgegenzusetzen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist auch die zweite Anschlagfläche mindestens eine Kontur auf, welche sich mit dem zweiten elastischen Körper in Eingriff befindet, um einer radialen Auslenkung des zweiten elastischen Körpers einen Widerstand entgegenzusetzen. Insbesondere kann auch die zweite Anschlagfläche zwei koaxiale ringförmige Konturen aufweisen, welche sich mit dem zweiten elastischen Körper in Eingriff befinden, um einer radialen Auslenkung des zweiten elastischen Körper einen Widerstand entgegenzusetzen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann der Wandlerkern mindestens eine Messmembran aufweisen, die von einer ersten Seite mit dem ersten Druck beaufschlagbar ist, und von einer zweiten Seite, welche der ersten Seite abgewandt ist, mit dem zweiten Druck beaufschlagbar ist.
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Die Messmembran kann insbesondere im Inneren des Wandlerkerns angeordnet sein. Der Wandlerkern weist in einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung in seinem Innern auf mindestens einer Seite der Messmembran, bevorzugt auf beiden Seiten der Messmembran, ein Membranbett auf, an welchen die Messmembran im Falle einer einseitigen Überlast zur Anlage kommt und abgestützt wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung können die Oberflächen des Wandlerkerns außerhalb der von den elastischen Körpern eingeschlossenen Bereiche mit dem zweiten Kanal in hydraulischer Kommunikation stehen und mit dem zweiten Druck beaufschlagbar sein. Auf diese Weise ist das erste elastische Element zwischen seiner Innenseite und seiner Außenseite nur der Druckdifferenz zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck ausgesetzt, und das zweite elastische Element ist auf der Innenseite und der Außenseite mit dem zweiten Druck beaufschlagt. Eine radiale Verformung der elastischen Körper aufgrund der Druckbeaufschlagung fällt insoweit geringer aus als im Falle einer ausschließlich auf der Innenseite der elastischen Körper erfolgenden Druckbeaufschlagung mit dem ersten bzw. dem zweiten Druck.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Druckmesswandler ein Differenzdruckmesswandler zum Erfassen der Differenz zwischen einem ersten Mediendruck und einem zweiten Mediendruck.
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In einer Ausgestaltung des Differenzdruckmesswandlers umfasst dieser eine erste Trennmembran, welche mit dem ersten Mediendruck beaufschlagbar ist, und welche unter Bildung einer Trennmembrankammer entlang eines umlaufenden Randes druckdicht an einem ersten Oberflächenabschnitt eines Trägerkörpers befestigt ist, wobei von der ersten Trennmembrankammer durch den Trägerkörper sich ein erster hydraulischer Pfad erstreckt, um den Wandlerkern mit dem ersten Druck zu beaufschlagen, wobei der erste hydraulische Pfad den ersten Kanal umfasst; und eine zweite Trennmembran, welche mit dem zweiten Mediendruck beaufschlagbar ist, und welche unter Bildung einer Trennmembrankammer entlang eines umlaufenden Randes druckdicht an einem zweiten Oberflächenabschnitt eines Trägerkörpers befestigt ist, wobei von der zweiten Trennmembrankammer durch den Trägerkörper sich ein zweiter hydraulischer Pfad erstreckt, um den Wandlerkern mit dem zweiten Druck zu beaufschlagen, wobei der zweite hydraulische Pfad den zweiten Kanal umfasst.
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Als Trägerkörper für die Trennmembranen kann in einer Ausgestaltung des Differenzdruckmesswandlers beispielsweise das Gehäuse dienen, wobei in diesem Fall die Trennmembran vorzugsweise an einem ersten Oberflächenabschnitt des Gehäuses befestigt ist, in dem der erste Kanal aus dem Gehäuse austritt, wobei die erste Trennmembran die Austrittsöffnung des ersten Kanals überdeckt, und wobei die zweite Trennmembran vorzugsweise an einem zweiten Oberflächenabschnitt des Gehäuses befestigt ist, in dem der zweite Kanal aus dem Gehäuse austritt, wobei die zweite Trennmembran die Austrittsöffnung des zweiten Kanals überdeckt.
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In einer anderen Ausgestaltung des Differenzdruckmesswandlers können separate Trägerkörper für die Trennmembranen vorgesehen sein, wobei der erste und der zweite hydraulische Pfad jeweils eine kapillrleitung umfassen, die sich zwischen den Trägerkörpern und dem Gehäuse erstrecken, um die erste und die zweite Trennmembrankammer jeweils an den ersten bzw. zweiten Kanal hydraulisch anzuschließen. In einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist der Druckmesswandler ein Relativdruckmesswandler zum Erfassen der Differenz zwischen einem. Mediendruck und dem Atmosphärendruck in der Umgebung des Relativdruckmesswandlers.
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In einer Weiterbildung des Relativdruckmesswandlers umfasst dieser eine Trennmembran, welche mit dem Mediendruck beaufschlagbar ist, und welche unter Bildung einer Trennmembrankammer entlang eines umlaufenden Randes druckdicht an einem ersten Oberflächenabschnitt eines Trägerkörpers befestigt ist, wobei von der Trennmembrankammer durch den Trägerkörper sich ein hydraulischer Pfad erstreckt, um den Wandlerkern mit dem Mediendruck zu beaufschlagen, wobei der hydraulische Pfad den einen der beiden Kanäle, die in die Wandlerkammer führen, insbesondere den zweiten Kanal umfasst. Als Trägerkörper für die Trennmembran kann in einer Ausgestaltung des Relativdruckmesswandlers beispielsweise das Gehäuse dienen, wobei in diesem Fall die Trennmembran vorzugsweise an einem Oberflächenabschnitt des Gehäuses befestigt ist, in dem ein Kanal, insbesondere der zweite Kanal aus dem Gehäuse austritt, wobei die Trennmembran die Austrittsöffnung des zweiten Kanals überdeckt. Der Atmosphärendruck kann dem Wandlerkern des Relativdruckmesswandlers sowohl durch einen direkten Kontakt des anderen Kanals, insbesondere des ersten Kanals zur Umgebungsluft oder durch einen weiteren hydraulischen Pfad zugeführt werden.
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Die Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt:
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1: einen schematischen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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2: einen schematischen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Der in 1 dargestellte Differenzdruckmesswandler 1 umfasst ein Gehäuse 10, welches beispielsweise einen metallischen Werkstoff, insbesondere Edelstahl aufweisen kann. In dem Gehäuse 10, welches beispielsweise eine zylindrische Struktur aufweist, ist eine Wandlerkammer 12 ausgebildet, die an beiden Stirnseiten durch Wände begrenzt ist, deren Innenseite als einander gegenüberliegende erste axiale Anschlagfläche 14 und zweite axiale Anschlagfläche 16 dienen, wobei durch die erste stirnseitige Wand sich ein erster Kanal 18 in axialer Richtung erstreckt und wobei durch die zweite stirnseitige Wand ein zweiter Kanal 20 sich in axialer Richtung streckt, um die Wandlerkammer jeweils mit einem Druck zu beaufschlagen. An der ersten und zweiten axialen Anschlagfläche 14, 16 sind jeweils ringförmige axiale Vorsprünge 15a, 15b, 17a, 17b ausgebildet, die konzentrisch um die Kanäle 18 und 20 verlaufen. Die ringförmigen axialen Vorsprünge sind beispielsweise schneidenförmig ausgebildet, um in einen elastischen Dichtring, der gegen die Anschlagsflächen gedrückt wird, eingreifen zu können, um damit einer radialen Bewegung des Dichtrings entgegenzuwirken. In der Wandlerkammer 12 ist ein Wandlerkern 30 zwischen einem ersten elastischen Dichtring 22, welcher an der ersten Anschlagfläche 14 anliegt, und einem zweiten elastischen Dichtring 24, welcher an der zweiten Anschlagfläche 16 anliegt, axial eingespannt, wobei die zuvor erwähnten ringförmigen radialen Vorsprünge 15a, 15b, 17a, 17b sich in der Weise mit den Dichtringen in Eingriff befinden, dass sie einer radialen Bewegung der Dichtringe unter Druckbeaufschlagung entgegenwirken. Die Dichtringe 24, 22 weisen insbesondere ein Elastomer auf, beispielsweise Kautschuk. Der Wandlerkern 30 umfasst einen Grundkörper, welcher im Wesentlichen ein Halbleitermaterial aufweist, welches insbesondere Silizium sein kann, wobei der Grundkörper zwischen den Dichtringen eingespannt ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Grundkörper zweiteilig aufgebaut und umfasst einen ersten Halbkörper 38 sowie einen zweiten Halbkörper 40, wobei zwischen den Halbkörpern eine Messmembran 36 angeordnet ist, welche insbesondere ebenfalls Silizium aufweist. Die Messmembran 36 ist mit den beiden Halbkörpern 38, 40 jeweils unter Bildung einer ersten bzw. zweiten Druckkammer druckdicht verbunden, wobei die Druckkammern über eine Bohrung mit dem ersten p1 bzw. zweiten Druck p2 beaufschlagbar sind, und wobei der Wandlerkern 30 einen insbesondere kapazitiven Wandler aufweist, um eine von der Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Druck p1, p2 abhängige Verformung der Messmembran 36 in ein elektrisches Signal zu wandeln.
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An die Stelle des kapazitiven Wandlers kann auch ein anderer elektrischer oder optischer Wandler vorgesehen sein. Als weiterer elektrischer Wandler ist insbesondere ein (piezo-)resistiver Wandler geeignet.
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Die der Messmembran 36 zugewandten Oberflächen des Grundkörpers 30 in den Druckkammern können (anders als hier dargestellt) eine Kontur aufweisen, welche insbesondere der Biegelinie der Messmembran entspricht, um die Messmembran im Falle einer einseitigen Überlast abstützen zu können, und so einen Bruch der Messmembran zu verhindern.
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Durch die weiche Lagerung des Wandlerkerns 30 zwischen dem ersten elastischen Dichtring 22 und dem zweiten elastischen Dichtring 24 können mechanische Verspannungen des Wandlerkerns 30 aufgrund von Gehäuseeinflüssen erheblich reduziert werden. Dies betrifft beispielsweise Einflüsse aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungseigenschalten des Gehäusematerials und des Materials des Wandlerkerns 30.
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Die elastischen Dichtringe, welche die weiche Lagerung ermöglichen, sind jedoch der Gefahr ausgesetzt, radial eine große Nachgiebigkeit aufzuweisen und bei einer Beaufschlagung mit großen Drücken p1, p2 nach außen auszuweichen.
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Um dem entgegenzuwirken, sind an den Anschlagflächen die bereits diskutierten radialen Vorsprünge 15a, 15b, 17a, 17b angeordnet, welche sich mit den Dichtringen in Eingriff befinden, um einer radialen Bewegung entgegenzuwirken. Für weitere Druckbereiche ist diese Maßnahme ausreichend, jedoch kann für noch größere Drücke eine quasi-isostatische Abstützung der elastischen Dichtringe von Vorteil sein.
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Eine solche quasi-isostatische Abstützung ist im Einzelnen beim Ausführungsbeispiel gemäß 2 verwirklicht, dessen Komponenten, wenn nicht ausdrücklich anders erwähnt, den Komponenten des Ausführungsbeispiels aus 1 entsprechen, wobei sich die Bezugszeichen für die entsprechenden Komponenten des Differenzdruckmesswandlers 101 in 2 von den Bezugszeichen der entsprechenden Komponenten des Differenzdruckmesswandlers 1 in 1 um den konstanten Summanden 100 unterscheiden. Insoweit wird für die Diskussion der Komponenten des zweiten Ausführungsbeispiels auf die entsprechenden Komponenten des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen.
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Der Differenzdruckmesswandler 101 des zweiten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von dem Differenzdruckmesswandler 1 des ersten Ausführungsbeispiels dadurch, dass von dem zweiten Kanal 120 ein Seitenkanal 121 abzweigt, welcher außerhalb des zweiten elastischen Dichtrings 124 in die Wandlerkammer mündet. Auf diese Weise steht der über den zweiten Kanal eingeleitete Druck P2 auf sämtlichen Oberflächen in der Wandlerkammer 112 außerhalb des ersten Dichtrings 122 an. Dies bewirkt zunächst, dass der radiale Druck auf der Innenseite des zweiten Dichtrings und auf der Außenseite des zweiten Dichtrings gleich dem Druck P2 ist und dass eine radiale Verschiebung des zweiten Dichtrings 124 aufgrund von Druckunterschieden ausgeschlossen ist. Zudem ist der Druckunterschied zwischen der Innenseite des ersten Dichtrings 122 und der Außenseite dieses Dichtrings gleich der Druckdifferenz P1 – P2, wobei P1 der Druck ist, welcher durch den ersten Kanal in dem von dem ersten Dichtring 122 begrenzten Bereich der Wandlerkammer 112 eingeleitet wird. Eine radiale Verschiebung des ersten Dichtrings 122 aufgrund von Druckdifferenzen zwischen der Innenseite und der Außenseite kann nun ausschließlich durch die Druckdifferenz P1 – P2 bewirkt werden, welche im typischen Messbetrieb eines Differenzdrucksensors erheblich kleiner ist als die Drücke P1 und P2. Typische Differenzdruckmesswandler weisen beispielsweise einen Messbereich für den Differenzdruck von einigen 10 bis einigen 100 mbar auf, wobei die statischen Drücke, zwischen denen die Differenz zu ermitteln ist, durchaus einige 10 bar bis 100 bar betragen können. Somit werden die elastischen Dichtringe 122, 124 durch den Seitenkanal 121 und die damit erzielte quasi-isostatische Lagerung der Dichtringe und des Wandlerkerns erheblich entlastet. Vorzugsweise ist der Differenzdruckmesswandler so anzuordnen, dass der erwartungsgemäß größere Druck durch den zweiten Kanal eingeleitet wird, so dass der größere Druck auf der Außenseite des ersten Dichtrings ansteht. Bei dem hier betrachteten größeren Druck handelt es sich nicht zwingend um den größeren Druck der im Messbetrieb zu erwarten ist, sondern insbesondere um einen größeren Überlastdruck, welcher beim Betreiben des Differenzdruckmesswandlers auftreten kann.
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In 2 ist nur die mit dem zweiten Kanal kommunizierende Seite der Wandlerkammer 112 mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt dargestellt. Selbstverständlich ist im Betrieb auch die mit dem ersten Kanal kommunizierende Seite mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt, welche in dieser Darstellung jedoch im Sinne der Übersichtlichkeit weggelassen wurde, um die Bereiche, die mit dem ersten Druck beaufschlagt werden, von den Bereichen, die mit dem zweiten Druck beaufschlagt werden, deutlich unterscheiden zu können. In einer Weiterbildung der Erfindung weist das Gehäuse auf der Seite des ersten Kanals eine zusätzliche (hier nicht gezeigte) Kammer auf, um ein Volumen bereitzustellen, welches dem Volumen entspricht, das in dem Seitenkanal 121 und dem Volumen außerhalb der beiden Dichtringe 122, 124 entspricht, und welches mit dem ersten Kanal kommuniziert. Auf diese Weise wird das Volumen auf beiden Seiten der Messmembran 136 symmetrisiert, um das gleiche Volumen an Übertragungsflüssigkeit auf beiden Seiten der Messmembran 136 zu realisieren. Auf diese Weise ist bei gleicher Steifigkeit von Trennmembranen, über die gewöhnlich der Druck in einen Differenzdruckmesswandler eingeleitet wird, ein temperaturabhängiger Fehler aufgrund der Steifigkeit der Messmembranen zu minimieren.
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Trennmembranen zur Druckeinleitung können – wie hier dargestellt – beispielsweise unmittelbar am Gehäuse angeordnet sein. Hier sind eine erste und zweite Trennmembran 126, 127 jeweils an einer Stirnseite des Gehäuses 110 mit einer umlaufenden Schweißnaht druckdicht befestigt. Die Stirnseiten des Gehäuses weisen in dem von den Trennmembranen überdeckten Oberflächenabschnitt jeweils eine Ausnehmung auf, so dass die zwischen den Trennmembranen 126, 127 und den Oberflächenabschnitten gebildeten beiden Trennmembrankammern 128, 129 ein angemessenes Arbeitsvolumen aufweisen. Von der ersten Trennmembrankammer 128 erstreckt sich der erste Kanal 118 in die Wandlerkammer 112, und von der zweiten Trennmembrankammer 129 erstreckt der zweite Kanal 120 in die Wandlerkammer 112, wobei durch die beiden Kanäle jeweils ein an den entsprechenden Trennmembranen anstehender Mediendruck in die Wandlerkammer einzuleiten ist.
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Weitere Abwandlungen und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann in nahe liegender Weise, ohne von der Lehre der Erfindung abzuweisen, welche in den nun folgenden Patentansprüchen definiert ist.
