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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Filtereinrichtung zum Filtern eines gasförmigen oder flüssigen Fluids.
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Üblicherweise umfasst eine Filtereinrichtung ein Gehäuse, das einen Innenraum umschließt und das einen mit dem Innenraum fluidisch verbundenen Einlass sowie einen mit dem Innenraum fluidisch verbundenen Auslass aufweist. Ferner kann im Innenraum ein Filterelement angeordnet sein, das im Innenraum eine mit dem Einlass fluidisch verbundene Rohseite von einer mit dem Auslass fluidisch verbundenen Reinseite trennt.
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Während des Filtrationsbetriebs setzt sich das Filterelement an seiner Rohseite allmählich mit Verunreinigungen zu, was den Durchströmungswiderstand des Filterelements erhöht. Mit steigendem Durchströmungswiderstand nimmt auch der rohseitig am Filterelement anliegende Druck zu. Erreicht dieser rohseitige Druck unzulässig hohe Werte, ist es erforderlich, das Filterelement, z. B. im Rahmen einer Wartung, auszutauschen oder zu reinigen. Zur Überwachung des rohseitig anliegenden Drucks kann die Filtereinrichtung mit einer hierfür geeigneten Sensorik ausgestattet sein. Hierzu kann ein geeigneter Drucksensor in eine das Gehäuse durchdringende, rohseitig in den Innenraum einmündende Öffnung eingesetzt sein, mit dem der rohseitige Druck messbar ist. Bei hohen Drücken ergeben sich hierbei jedoch Leckageprobleme.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Filtereinrichtung der Eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass die Überwachung des Beladungszustands des Filterelements mit erhöhter Zuverlässigkeit erfolgt, wobei insbesondere Leckageprobleme bei der Druckmessung reduziert bzw. vermieden werden sollen.
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Dieses Problem wird insbesondere durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den am Filterelement zwischen Rohseite und Reinseite herrschenden Differenzdruck zu messen, um abhängig vom Differenzdruck auf den Beladungszustand des Filterelements schließen zu können. Im Unterschied zu einem Absolutdruck besitzt der Differenzdruck eine stärkere Korrelation zum Durchströmungswiderstand und somit zum Beladungszustand des Filterelements. Durch Erfassen des Differenzdrucks kann somit eine zuverlässigere Aussage über den Beladungszustand des Filterelements getroffen werden.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Sensorik mit einer Differenzdruckerfassungseinrichtung, sowie mit einer Auswerteeinrichtung ausgestattet, die berührungslos mit der Druckerfassungseinrichtung zusammenwirkt. Die Druckerfassungseinrichtung ist dabei vollständig innen am Gehäuse angeordnet, während die Auswerteeinrichtung außen am Gehäuse angeordnet ist und durch das Gehäuse hindurch berührungslos mit der Druckerfassungseinrichtung zusammenwirkt. Somit ist für die Sensorik keine Gehäuseöffnung erforderlich, welche das Gehäuse von innen nach außen durchdringt, sodass keinerlei Leckagen im Bereich der Sensorik entstehen können. Die Dichtungsproblematik ist dadurch eliminiert.
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Besonders vorteilhaft kann die Druckerfassungseinrichtung als Druckwaage ausgestaltet sein, die abhängig von der Druckdifferenz zwischen Rohseite und Reinseite verstellbar ist. Die Auswerteeinrichtung ist dann so ausgestaltet, dass sie durch das Gehäuse hindurch die Position der Druckwaage berührungslos erfassen kann und abhängig von der Waagenposition ein Sensorsignal generiert. Hierdurch erhält die Druckerfassungseinrichtung einen rein mechanischen Aufbau, der insbesondere ohne elektrische Komponenten und ohne elektrische Energie auskommt. Dies erhöht die Zuverlässigkeit der mit Hilfe der Druckwaage erzielbaren Druckmessung, die letztlich auf einer Verschiebung bzw. Verstellung der Druckwaage abhängig von der Druckdifferenz zwischen Rohseite und Reinseite basiert.
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Vorteilhaft kann die Druckwaage aus einem von der Auswerteeinrichtung detektierbaren Material bestehen oder einen Positionsgeber aufweisen, der aus einem von der Auswerteeinrichtung detektierbaren Material besteht. Denkbar sind bspw. dauermagnetische Materialien oder metallische Materialien bei einem Kunststoffgehäuse.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Druckwaage einen Kolben aufweisen, der in einem Zylinder hubverstellbar angeordnet ist und der im Zylinder einen mit der Rohseite fluidisch verbundenen Hochdruckraum von einem mit der Reinseite fluidisch verbundenen Niederdruckraum trennt. Der Kolben wird nun abhängig von der Druckdifferenz zwischen den Druckräumen des Zylinders im Zylinder verstellt bzw. positioniert, wobei die Position des Kolbens im Zylinder von der Auswerteeinrichtung detektierbar ist.
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Zweckmäßig kann der Kolben mittels einer Vorspannfeder in eine Ausgangsposition vorgespannt sein, die insbesondere mit einem niedrigen Differenzdruck korreliert. Bspw. ist der Kolben mittels der Vorspannfeder in den Hochdruckraum vorgespannt. Über die Vorspannkraft der Vorspannfeder ist es bspw. möglich, einen Mindestdifferenzdruck vorzugeben, der erreicht werden muss, bevor sich der Kolben verstellt. Zur Abstützung der Vorspannfeder am Zylinder bzw. am Gehäuse kann am Zylinder eine Ringstufe ausgebildet sein.
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Anstelle einer Vorspannfeder kann bei einer entsprechenden Montageposition auch vorgesehen sein, den Kolben ausschließlich über die Schwerkraftwirkung in die Ausgangsposition anzutreiben. Die Verwendung einer Vorspannfeder ermöglicht jedoch eine beliebige räumliche Anordnung der Filtereinrichtung.
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Zweckmäßig ist der Zylinder innen am Gehäuse ausgebildet und dabei integral am Gehäuse ausgeformt. Alternativ ist es ebenso möglich, den Zylinder in einer Hülse auszubilden, die in eine innen am Gehäuse ausgebildete, zweckmäßig integral ausgeformte Hülsenaufnahme eingesetzt ist. Hierdurch kann die Druckwaage, die aus dem Kolben, dem Zylinder, also der Hülse und ggf. aus einem Positionsgeber besteht, eine vormontierbare Baugruppe bilden, die als Einheit in die Hülsenaufnahme einsetzbar ist.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform kann ein Sicherungselement vorgesehen sein, das den Verstellweg des Kolbens in einer Ausgangsposition begrenzt, die insbesondere mit einem niedrigen Differenzdruck korreliert. Insbesondere für den Fall, dass der Zylinder integral am Gehäuse ausgeformt ist, besitzt der Zylinder eine stirnseitige Mündungsöffnung zum Innenraum, durch die der Kolben in den Zylinder einführbar ist. Das Sicherungselement sorgt nun dafür, dass der Kolben im Betrieb nicht mehr von selbst aus dem Zylinder herausfallen kann.
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Zweckmäßig ist der Zylinder als zum Innenraum hin axial offenes Sackloch ausgestaltet, sodass er mit seiner einzigen stirnseitigen Öffnung in den Innenraum mündet und der Kolben nur durch diese stirnseitige Öffnung in den Zylinder einführbar ist.
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Bei einer anderen Ausführungsform kann das Gehäuse einen Sockel und einen am Sockel befestigbaren Deckel aufweisen, wobei der Zylinder im Sockel ausgebildet ist und wobei außerdem der Deckel die axiale Öffnung des Zylinders zumindest teilweise verschließt, wenn der Deckel am Sockel befestigt ist. Hierfür wird eine zusätzliche mechanische, formschlüssige Sicherung für den Kolben im Zylinder realisiert. Die Gefahr dass der Kolben während des Betriebs aus dem Zylinder herausfällt, wird dadurch im Wesentlichen ausgeschlossen.
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Die Auswerteeinrichtung kann entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform einen Sensorabschnitt aufweisen, der in eine außen am Gehäuse ausgebildete Sensoraufnahme eingesetzt ist, die insbesondere als zur Außenseite des Gehäuses hin axial offenes Sackloch ausgestaltet sein kann. Hierdurch kann der Sensorabschnitt vergleichsweise nahe an der Druckerfassungseinrichtung positioniert werden, was das berührungslose Zusammenwirken vereinfacht.
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Ebenso ist es möglich, das Gehäuse an seiner Außenseite mit einer Aussparung auszustatten, in welcher die Auswerteeinrichtung außen am Gehäuse angeordnet ist. Auch eine derartige Aussparung führt zu einer Reduzierung der Wandstärke des Gehäuses im Bereich der Druckerfassungseinrichtung, wodurch die Auswerteeinrichtung näher an der Druckerfassungseinrichtung positioniert werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Druckerfassungseinrichtung wenigstens einen Dauermagneten aufweisen, während die Auswerteeinrichtung zumindest einen Hall-Sensor besitzt. Es ist klar, dass auch andere Ausführungsformen denkbar sind, die bspw. als Näherungsschalter arbeiten.
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Zweckmäßig kann die Sensorik so ausgestaltet sein, dass sie einen vorbestimmten Grenzdifferenzdruck überwacht und ein damit korreliertes Sensorsignal generiert, wenn der Differenzdruck am Filterelement den Grenzdifferenzdruck übersteigt. Durch die Abgabe eines derartigen Sensorsignals kann eine Wartung ausgelöst werden, die zum Reinigen oder zum Austauschen des Filterelements führt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Sensorik, insbesondere deren Auswerteeinrichtung, zum Detektieren einer Temperatur ausgestaltet sein. Bspw. ist die Sensorik hierzu mit wenigstens einem Temperatursensor versehen. Bspw. kann die Temperatur des Gehäuses und/oder des Fluids und/oder einer Umgebung der Filtereinrichtung gemessen werden.
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Besonders vorteilhaft ist nun eine Ausführungsform, bei welcher die Sensorik beim Übersteigen des Grenzdifferenzdrucks nur dann ein damit korreliertes Sensorsignal generiert, wenn die gemessene Temperatur oberhalb einer vorbestimmten Mindesttemperatur liegt. Durch diese Maßnahme kann bei Filtereinrichtungen, die zum Filtern öliger Fluide verwendet werden, eine Kaltstartunterdrückung realisiert werden. Das bedeutet, dass ein übermäßiger Differenzdruck, der insbesondere den Grenzdifferenzdruck übersteigen kann, bei Temperaturen unterhalb der Mindesttemperatur ignoriert werden, da diese auf eine erhöhte Viskosität des öligen Fluids zurückzuführen ist. Allgemein kann die Sensorik so konzipiert sein, dass sie abhängig von der gemessenen Temperatur zunächst die aktuelle Viskosität des Fluids ermittelt, um dann in Verbindung mit der vorliegenden Druckdifferenz auf die Beladung des Filterelements zu schließen. Die Abhängigkeit des Beladungszustands von der Viskosität kann bspw. in einem Kennfeld hinterlegt werden.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 bis 4 vereinfachte Schnittansichten von Filtereinrichtungen bei unterschiedlichen Ausführungsformen.
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Entsprechend den 1 bis 4 umfasst eine Filtereinrichtung 1, mit deren Hilfe ein gasförmiges oder flüssiges Fluid gefiltert werden kann, ein Gehäuse 2, ein Filterelement 3 und eine Sensorik 4. Das Gehäuse 2 umschließt einen Innenraum 5 und weist einen mit dem Innenraum 5 fluidisch verbundenen, hier nicht erkennbaren Einlass sowie einen mit dem Innenraum 5 fluidisch verbundenen Auslass 6 auf. Das Filterelement 3 ist im Innenraum 5 angeordnet und trennt im Innenraum 5 eine mit dem Einlass fluidisch verbundene Rohseite 7 von einer mit dem Auslass 6 fluidisch verbundenen Reinseite 8.
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Die Sensorik 4 dient zum Detektieren eines Differenzdrucks zwischen Rohseite 7 und Reinseite 8. Die Sensorik 4 umfasst eine Druckerfassungseinrichtung 9 und eine Auswerteeinrichtung 10. Die Druckerfassungseinrichtung 9 ist vollständig innen am Gehäuse 2 angeordnet. Die Auswerteeinrichtung 10 ist außen am Gehäuse 2 angeordnet und kann durch das Gehäuse 2 hindurch mit der Druckerfassungseinrichtung 9 zusammenwirken. Bspw. kann die Druckerfassungseinrichtung 9 bei einem aus Kunststoff hergestellten Gehäuse 2 einen Metallkörper aufweisen, während die Auswerteeinrichtung 10 einen Metalldetektor besitzt. Ebenso ist es möglich, die Druckerfassungseinrichtung 9 mit einem Dauermagneten auszustatten, während die Auswerteeinrichtung 10 mit einem Hall-Sensor arbeitet. Das Gehäuse 2 kann dann auch aus Metall hergestellt sein.
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Bei den hier gezeigten Ausführungsformen ist die Druckerfassungseinrichtung 9 durch eine Druckwaage 11 gebildet, die abhängig von der Druckdifferenz zwischen Rohseite 7 und Reinseite 8 verstellbar im Gehäuse 2 angeordnet ist. Die Auswerteeinrichtung 10 kann nun durch das Gehäuse 2 hindurch berührungslos die Position der Druckwaage 11 erfassen und abhängig von der Waagenposition ein Sensorsignal generieren. Hierzu kann die Druckwaage 11 selbst aus einem von der Auswerteeinrichtung 10 detektierbaren Material bestehen. Im gezeigten Beispiel weist die Druckwaage 11 einen Positionsgeber 12 auf, der aus einem von der Auswerteeinrichtung 10 detektierbaren Material besteht. Bspw. kann der Positionsgeber 12 durch einen Dauermagneten gebildet sein.
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Die Druckwaage 11 umfasst bei den hier gezeigten Ausführungsformen einen Kolben 13, der in einem Zylinder 14 hubverstellbar angeordnet ist. Der Zylinder 14 ist dabei koaxial zu einer Längsmittelachse 31 des Filterelements 3 bzw. des Gehäuses 2 ausgerichtet. Im Zylinder 14 trennt der Kolben 13 einen mit der Rohseite 7 fluidisch verbundenen Hochdruckraum 15 von einem mit der Reinseite 8 fluidisch verbundenen Niederdruckraum 16. Im Beispiel ist der Zylinder 14 durch ein zum Innenraum 5 hin axial offenes Sackloch gebildet. Eine in den Innenraum 5 einmündende axiale Öffnung des Sackloch-Zylinders 14 ist dabei mit 17 bezeichnet. Durch diese axiale Öffnung 17 ist der Hochdruckraum 15 fluidisch mit der Rohseite 7 verbunden. Der Niederdruckraum 16 ist bei den Ausführungsformen der 1 und 3 über einen im Gehäuse 2 ausgebildeten Verbindungskanal 18 mit der Reinseite 8 fluidisch verbunden. Bei den Ausführungsformen der 2 und 4 ist der Niederdruckraum 16 dagegen über einen im Inneren der Druckwaage 11 verlaufenden Verbindungskanal 19 und einen im Gehäuse 2 ausgebildeten weiteren Verbindungskanal 20 an die Reinseite 8 fluidisch angeschlossen.
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Der Kolben 11 ist bei den hier gezeigten Ausführungsformen mittels einer Vorspannfeder 21 in eine in den 1 bis 4 wiedergegebene Ausgangsposition vorgespannt. Diese Ausgangsposition korreliert dabei mit einem niedrigen Differenzdruck zwischen Rohseite 7 und Reinseite 8. Der Kolben 13 ist dadurch weitgehend in den Hochdruckraum 15 hineinverstellt. Die Vorspannfeder 21 ist zweckmäßig an einer Ringstufe 22 abgestützt, die am Zylinder 14 bzw. am Gehäuse 2 ausgebildet ist. Am Kolben 13 ist zur Abstützung der Vorspannfeder 21 ebenfalls eine Ringstufe 23 ausgeformt.
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Bei den hier gezeigten Ausführungsformen ist der Zylinder 14 unmittelbar am Gehäuse 2 ausgebildet, also im Gehäuse 2 integral ausgeformt. Bei einer alternativen Ausführungsform kann im Gehäuse 2 anstelle des Zylinders 14 eine Hülsenaufnahme ausgebildet sein, in die eine Hülse einsetzbar ist, in welcher der Zylinder 14 ausgebildet ist. Hierdurch lässt sich eine Baugruppe schaffen, welche den Kolben 13, die Hülse und somit den Zylinder 14 und die Vorspannfeder 21 umfasst. Diese Baugruppe lässt sich dann als Einheit in die Hülsenaufnahme des Gehäuses 2 einsetzen.
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Da der Zylinder 14 hier als Sackloch konzipiert ist, lässt sich der Kolben 13 vom Innenraum 5 her in den Zylinder 14 einführen. Damit der Kolben 13 im Zylinder 14 verbleibt, kann ein Sicherungselement 24 vorgesehen sein, das den Verstellweg des Kolbens 13 in der Ausgangsposition begrenzt. Bspw. handelt es sich beim Sicherungselement 24 um einen Sicherungsring, der in eine entsprechende, hier nicht näher bezeichnete Ringnut eingesetzt sein kann, die im Bereich der axialen Öffnung 17 im Gehäuse 2 bzw. im Zylinder 14 ausgebildet sein kann.
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Zweckmäßig umfasst das Gehäuse 2 einen Sockel 25 und einen Deckel 26, der auf geeignete Weise am Sockel 25 befestigt werden kann. Bspw. kann eine Schraubverbindung 27 vorgesehen sein, um den Deckel 26 am Sockel 25 zu befestigen. Der Zylinder 14 ist hier im Sockel 25 ausgebildet und dabei so positioniert, dass der Deckel 26 die axiale Öffnung 17 des Zylinders 14 zumindest teilweise verschließt. Hierzu überdeckt eine dem Sockel 25 zugewandte axiale Stirnseite 28 des Deckels 26 die axiale Öffnung 17 des Zylinders 14 zumindest teilweise.
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Die Auswerteeinrichtung 4 kann gemäß den Ausführungsformen der 1 und 2 einen Sensorabschnitt 29 aufweisen. Außen am Gehäuse 2, hier am Sockel 25, ist eine Sensoraufnahme 30 ausgebildet, in welche der Sensorabschnitt 29 eingesetzt ist. Die Sensoraufnahme 30 ist im gezeigten Beispiel als Sackloch ausgestaltet, das zur Außenseite des Gehäuses 2 hin axial offen ist. Der Sensorabschnitt 29 ist bspw. zylindrisch konzipiert, sodass er koaxial in die Sensoraufnahme 30 einführbar ist. Die Sensoraufnahme 30 ist dabei parallel zur Längsmittelachse 31 des Filterelements 3 bzw. des Gehäuses 2 ausgerichtet.
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Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform weist das Gehäuse 2, hier der Sockel 25, an seiner Außenseite eine Aussparung 32 auf, wodurch die Wandstärke des Gehäuses 2, hier des Sockels 25, im Bereich der Druckerfassungseinrichtung 9 reduziert wird. Die Auswerteeinrichtung 4 ist in dieser Aussparung 32 angeordnet.
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Die Sensorik 4 ist zweckmäßig so konzipiert, dass sie einen vorbestimmten Grenzdifferenzdruck überwacht und ein damit korreliertes Sensorsignal generiert, sobald der gemessene Differenzdruck am Filterelement 3 den vorbestimmten Grenzdifferenzdruck übersteigt. An der Anzeigeeinrichtung 10 kann ein Display 33 vorgesehen sein, über welches das Sensorsignal nach außen abgegeben werden kann, vorzugsweise optisch. Ebenso ist eine akustische Signalabgabe denkbar. Ferner kann die Auswerteeinrichtung 10 über Kabel 34 an ein zentrales Überwachungssystem angeschlossen sein, um das Sensorsignal an das Überwachungssystem weiterleiten zu können.
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Die Sensorik 4 kann außerdem so konzipiert sein, dass sie eine Temperatur erfassen kann. Bspw. kann hierzu die Auswerteeinrichtung 10 mit einem geeigneten Temperatursensor ausgestattet sein, der bei den Ausführungsformen der 3 und 4 angedeutet ist und mit 35 bezeichnet ist. Es ist klar, dass auch die anderen Ausführungsformen mit einem derartigen Temperatursensor 35 ausgestattet sein können. Der Temperatursensor 35 kann so konzipiert sein, dass damit die Temperatur des Gehäuses 2 erfasst werden kann. Ebenso ist es grundsätzlich möglich, den Temperatursensor 35 so zu positionieren, dass damit eine Umgebungstemperatur des Gehäuses 2 bzw. der Filtereinrichtung 1 erfasst werden kann. Ebenso ist es möglich, den Temperatursensor 35 so zu konzipieren, dass damit die Temperatur des Fluids überwacht werden kann.
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Die Sensorik 4 oder das damit gekoppelte Überwachungssystem kann nun so konzipiert sein, dass es die Überwachung des Differenzdrucks abhängig von der gemessenen Temperatur durchführt. Hierdurch kann bspw. die von der aktuellen Temperatur abhängige Viskosität des jeweiligen. Fluids berücksichtigt werden, vor alter dann, wenn es sich beim Fluid um ein Öl bzw. um eine ölige Flüssigkeit handelt. Insbesondere lässt sich dadurch eine Kaltstartunterdrückung realisieren. Die Sensorik 4 generiert beim Übersteigen des vorgegebenen Grenzdifferenzdrucks nur dann ein damit korreliertes Sensorsignal, wenn die gemessene Temperatur oberhalb einer vorbestimmten Mindesttemperatur liegt.
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Die Rohseite 7, die im Betrieb der Filtereinrichtung 1 mit Druck beaufschlagt ist, ist für die Unterbringung der mechanischen Bauteile der Druckerfassungseinrichtung 9 vom Innenraum 5 her zugänglich. Der Innenraum 5 kann durch mechanische Bearbeitung oder durch Urformen, z. B. durch Druckguss, hergestellt werden, bspw. um den Zylinder 4 auszubilden. Das drucktragende Gehäuse 2, insbesondere Sockel 25 und Deckel 26, kann aus Aluminium oder aus Eisenwerkstoffen oder aus Kunststoff bestehen. Die Sensorik 4 arbeitet von den niedrigsten Betriebsdrücken bis zu den höchsten Betriebsdrücken, da nur der Differenzdruck am Filterelement 3 erfasst wird.
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Das Zusammenwirken von Druckerfassungseinrichtung 9 und Auswerteeinrichtung 10 kann bspw. magnetisch, induktiv, durch Funkübertragung oder durch einen Näherungsschalter erfolgen.
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Anstelle einer drahtgebundenen Kopplung der Auswerteeinrichtung 10 mit dem Überwachungssystem kann auch eine drahtlose Kopplung realisierbar sein. Die Auswerteeinrichtung 10 kann außerdem einen elektronischen Speicher besitzen. Zusätzlich kann eine alphanumerische Anzeige am Display 33 untergebracht sein. Ferner kann die Auswerteeinrichtung 10 einen Mikroprozessor beinhalten. Ebenso kann die Auswerteeinrichtung 10 eine Möglichkeit zum Lesen von RFID-Signalen aufweisen, bspw. zur Kontrolle eines eingebauten Elements.
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Der Positionsgeber 12 kann bspw. als Dauermagnet ausgestaltet sein. Der Sensorabschnitt 29 kann bspw. einen Hall-Sensor beinhalten.
