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Die Erfindung betrifft einen Hochdruckmessaufnehmer zum Messen hoher Drücke (Messdruck) in Gasen oder Flüssigkeiten (Fluiden). Hohe Drücke bedeutet hierbei Drücke die von ca. 100 bar bis zu mehreren tausend bar (mehrere hundert MPa) betragen können, wobei die Fluide in dickwandigen Behältern oder Rohrleitungen vorliegen. Solche Druckverhältnisse kommen beispielsweise in der chemischen Industrie öfters vor, wobei zudem oft hohe Temperaturen, chemisch aggressive Verhältnisse etc. vorliegen können.
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Für eine präzise Druckmessung ist es von Vorteil, wenn der Druck unmittelbar innerhalb des Fluids erfasst wird. Bei den vorgenannten Messaufgaben würden herkömmliche Druckmessgeräte durch die Fluide beschädigt oder hätten nur unzureichende Standzeiten, wenn die Umgebungsbedingungen, z.B. chemisch aggressiv, korrosiv, abrasiv oder schlichtweg zu heiß, einen Einsatz von Druckmessgeräten unmittelbar in den Fluiden verbietet.
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Um dieses Problem zu lösen, ist in der
WO 2006/048278 vorgeschlagen, einen Sensor zu verwenden, der einen auf der Fluidseite verschlossenen, unter dem zu messenden Druck verformbaren Rohrabschnitt hat, in dem Dehnmessstreifen auf der Rohrinnenseite vorgesehen sind. Der verformbare Rohrabschnitt steht in einen Prozessbehälter, hier eine Rohrleitung, vor in der sich das zu messende Fluid befindet. Der Rohrabschnitt ist durch ein Verlängerungsrohr, in dem die Leitungen von den Dehnmessstreifen nach außen geführt werden, mit der Atmosphäre außerhalb des Fluids, also außerhalb des Prozessbehälters, verbunden. Der zu messende Druck verformt den Rohrabschnitt unter der herrschenden Druckdifferenz, die Verformung wird mit den Dehnmessstreifen erfasst und aus diesen erfassten Werten wird dann auf den Druck des Fluids geschlossen. Das Verlängerungsrohr ist mit seinem Außenumfang gasdicht in einen Halter eingesetzt, der unter hinreichender Abdichtung zur Umgebung an den Prozessbehälter anschließbar ist.
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In Anwendungen zur Messung von gegenüber den eingangs genannten Drücken, niedrigen Drücken und zum Schutz von Drucksensoren ist es ferner bekannt, eine Bohrung in der Behälterwand vorzusehen, an die auf der Behälteraußenseite ein Druckmittler angeschlossen wird, der den in der Bohrung anstehenden Messdruck über eine nahezu inkompressible Druckmittlerflüssigkeit an einen Drucksensor weiterleitet, wobei das Fluid und die Druckmittlerflüssigkeit durch eine Membran voneinander getrennt sind.
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Um mit hohem Druck beaufschlagte Behälter oder Rohre möglichst wenig zu schwächen und die Dicht- und Haltekräfte am Verschluss der Bohrung in der Behälterwand gering zu halten, ist es grundsätzlich von Vorteil, wenn nur enge Öffnungen oder Kanäle vorgesehen werden. Wenn man einen Kanal mit sehr geringem Durchmesser vorsieht, ist das zwar für das Gehäuse von Vorteil, Drosseleffekte könnten jedoch den an den außenseitig vorgesehene Druckmittler abgegebenen Druck unbemerkt vermindern und das Messergebnis verfälschen. Zudem besteht die Gefahr, dass der Kanal durch Ablagerungen an der Behälterwand vor der Kanalöffnung blockiert werden kann, was ebenfalls das Messergebnis verfälscht.
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Werden Kanäle mit großem Durchmesser in der Behälterwand vorgesehen, hat dies, neben der Schwächung der Behälterwand und den hohen Dicht- und Haltekräften an den Anbauten an der Behälterwand, den Nachteil, dass sich im Kanal oder in einem Teil des Kanals eine Strömung ausbilden könnte, die ggf. Feststoffe in den Kanal einträgt, wodurch der Kanal allmählich verstopft und die Messung unbrauchbar wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochdruckmessaufnehmer vorzuschlagen, der eine zuverlässige Messung von hohen Drücken ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird mit einem Hochdruckmessaufnehmer mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgezeigt.
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Erfindungsgemäß ist ein Hochdruckmessaufnehmer mit einem Sondenkörper mit einem stabförmigen Abschnitt vorgesehen, der von einer Längsbohrung durchgriffen ist und an einer Stirnseite mit einer einem zu messenden Druck folgend verlagerbaren Membran verschlossen ist. Der Sondenkörper ist mit einer Übertragungsflüssigkeit zur Übertragung des auf die Membrane einwirkenden Druckes zu einem Drucksensor gefüllt, wobei eine verschließbare Füllbohrung zum Einbringen der Übertragungsflüssigkeit in die Längsbohrung mündet und an einem Abschnitt des Sondenkörpers angebracht ist, der dem zu messenden Druck aussetzbar ist.
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Der stabförmige Abschnitt des Sondenkörpers des Hochdruckmessaufnehmers ermöglicht es, den Hochdruckmessaufnehmer durch einen in einer Behälterwand vorgesehenen Kanal bis zum zu messenden Fluid zu führen, so dass die Membran unmittelbar dem Fluid ausgesetzt werden kann. Auf diese Weise werden Drosseleffekte durch einen engen Kanal vermieden. Ferner dient die Membran lediglich der Übertragung des Drucks des Fluids auf die Übertragungsflüssigkeit, so dass eventuell entstehende Ablagerungen auf der Membran für die Qualität des Messergebnisses unerheblich sind.
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Durch die schmale Form des stabförmigen Abschnitts des Sondenkörpers ist es möglich, einen Kanal mit vergleichsweise geringem Querschnitt zu verwenden, so dass die Schwächung der Behälterwand durch die Bohrung gering ist.
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Indem ein Teil des Hockdruckmessaufnehmers in Form einer stabförmigen Sonde gestaltet ist, die zu der Messstelle führt, besteht an dem dem Behälter angewandten Ende des Hochdruckmessaufnehmers große Freiheit beispielsweise hinsichtlich der Gestaltung der Dichtung zum Behälter, der Gestaltung des Anschlusses des Drucksensors, der Wahl des Drucksensors selbst oder dergleichen.
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Indem die Füllbohrung in einem Bereich des stabförmigen Abschnitts des Sondenkörpers angebracht ist, der im Einbauzustand des Hochdruckmessaufnehmers im Raum mit dem zu messenden Druck angeordnet, also dem zu messenden Druck ausgesetzt ist, ergibt sich der Vorteil, dass der Verschluss der Füllbohrung sowohl auf der Innenseite des Sondenkörpers als auch auf der Außenseite demselben Druck ausgesetzt ist, so dass der Verschluss auch bei hohen Drücken in der Übertragungsflüssigkeit nicht überlastet wird und dicht bleibt.
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Vorzugsweise erstreckt sich die Füllbohrung quer zu der Längsbohrung. Auf diese Weise kann die Mündungsstelle der Füllbohrung in die Längsbohrung so gewählt werden, dass beispielsweise die mit Übertragungsflüssigkeit zu füllenden Innenvolumina des Hochdruckmessaufnehmers beiderseits der Mündungsstelle der Füllbohrung in etwa gleich sind oder die Übertragungsflüssigkeit beim Füllen durch in etwa gleiche Bohrungslängen beidseitig der Füllbohrung zu leiten ist. Auf diese Weise kann das Befüllen vereinfacht und/oder verbessert werden.
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Nach dem Füllen wird die Füllbohrung verschlossen und enthält dazu vorzugsweise einen Verschlussstift, der mit dem Sondenkörper dicht und fest verbunden ist. Dies kann beispielsweise ein Verschlussstift sein, der mit dem Sondenkörper verschweißt ist.
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Wenn vorzugsweise der Stift beispielsweise mit einem Laserstrahl oder durch Lichtbogenschweißen eingeschweißt wird, d.h. ohne dass anderes Material als das des Sondenkörpers oder des Verschlussstifts and der Verbindung beteiligt wird, und die zu verbindenden Elemente aus demselben Material bestehen, lässt sich eine zuverlässige Verbindung erzielen, in der der Verschlussstift gewissermaßen materialeinheitlicher Bestandteil des Sondenkörpers geworden ist. Haltbarkeitsprobleme durch Kontakt verschiedener Metalle, die bei dauerhaft hohen Temperaturen zu Korrosion an der Schweißnaht führen könnten, sind damit vermieden.
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Vorzugsweise ist die Füllbohrung eine gestufte Bohrung mit kreisförmigem Querschnitt, die mindestens zwei verschiedene Durchmesser hat und die Durchmesser in Richtung auf die Längsbohrung abnehmend abgestuft sind, wobei der Verschlussstift in einem Füllbohrungsabschnitt angeordnet ist, der größer ist als der in die Längsbohrung mündende Füllbohrungsabschnitt. Auf diese Weise ist innerhalb der Füllbohrung ein Anschlag für einen Verschlussstift verwirklicht, der sicherstellt, dass der Verschlussstift nicht in die Längsbohrung hineinragen kann und versehentlich die Längsbohrung verengt oder verschließt.
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Vorzugsweise hat die Längsbohrung einen kreisförmigen Querschnitt. Die Längsbohrung kann in einem sich vom membranseitigen Ende bis zur Füllbohrung erstreckenden Abschnitt des Sondenkörpers einen kleineren Durchmesser haben als in dem verbleibenden Abschnitt des Sondenkörpers. Form und Abmessungen der Längsbohrung richten sich einerseits nach dem Fertigungsverfahren (erodieren), andererseits soll das Volumen möglichst gering sein, um Messfehler durch Wärmedehnung und/oder Kompressibilität der Übertragungsflüssigkeit gering zu halten. Folglich sind die Durchmesser sehr klein und können im Bereich weniger Zehntelmillimeter liegen.
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Vorzugsweise ist die Membran eine frontbündige Membran und der Sondenkörper hat ein Membranbett zur Stützung der Membran. Auf diese Weise kann eine Überlastsicherung der Membran erreicht werden, indem sich die Membran an das Membranbett anlegt, wenn der Druck im Fluid zu hoch wird. Die Membran kann mit dem Membranbett WIG-verschweißt sein.
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Vorzugsweise hat der Drucksensor einen Drucksensorkörper mit einem Hohlraum, der mit der Übertragungsflüssigkeit gefüllt ist und mit der Längsbohrung in Fluidverbindung steht. Ein solcher Hohlraum hat die Aufgabe, die dem Druck ausgesetzte Wandfläche geeignet zu vergrößern, damit das entsprechende Ansprechverhalten des Drucksensors erreicht wird. Vorzugsweise sind die Abmessungen der den Hohlraum begrenzenden Wände so gewählt, dass die Wand, deren Verformung zur Messwerterfassung des Drucksensors dient, bevorzugt verformt wird, während die anderen Wände so steif ausgelegt sind, dass sie sich nicht merklich verformen.
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Vorzugsweise hat der Sondenkörper an seinem der Membran abgewandten Endabschnitt einen Dichtkörper mit einer Dichtfläche zum Anschluss an einen Prozessflansch. Der Dichtkörper kann einen Kugelabschnitt haben, der als Dichtlinse bezeichnet wird und mit geeignet geformten Flächen ggf. über zusätzliche Dichtmittel mit dem Prozessflansch zusammenwirkt. Der Prozessflansch kann ein Rohrstutzen sein, der an dem Behälter angebracht ist, der das zu messende Fluid enthält.
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Es können metallische Dichtungen als Dichtmittel vorgesehen werden; das können Dichtringe aus Weichmetallen sein, es kann aber auch über geeignete Gestaltung der gegeneinander abzudichtenden Flächen (z.B. Kegelsitze, Dichtkanten, Schneidkanten etc.) als Dichtmittel eine Abdichtung erreicht werden.
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Der Prozessflansch kann so ausgestaltet sein, dass der stabförmige Abschnitt des Sondenkörpers in einer Bohrung des Prozessflanschs mit einer Passung oder sehr geringem Spiel aufgenommen wird. Weil die Membran am Stirnende des Sondenkörpers vorgesehen ist, also frontbündig ausgeführt ist, kann die Membran bündig mit einer Innenwand des Prozessbehälters abschließend eingebaut werden.
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Indem weiterhin vorzugsweise eine enge Passung zwischen Sondenkörper und Prozessflanschbohrung vorgesehen wird, kann vermieden werden, dass sich in einem Spalt zwischen Sondenkörper und Prozessflansch ungewollt Material aus dem Prozess ansammelt. Damit kann die Wartbarkeit des Prozessbehälters und ggf. auch die Reinheit der Prozessprodukte verbessert werden.
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Vorzugsweise ist der Sondenkörper an seinem der Membran abgewandten Ende mit einem Messadapter verbunden, der einen sich in Fortsetzung der Längsbohrung erstreckenden Durchlass hat, der an einem Ende von dem Drucksensorkörper verschlossen ist. Die Verwendung eines Messadapters hat den Vorteil, dass die Übertragung von Wärme vom Sondenkörper auf den Messadapter vermindert ist. Auf diese Weise kann der Drucksensor geschont werden. Ferner kann die geteilte Gestaltung fertigungstechnische Vorteile haben; z. B. kann der Messadapter mit dem Drucksensor fertig aufgebaut und geprüft werden, bevor der Messadapter mit dem Sondenkörper zusammengebaut wird.
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Es kann der Fall sein, dass unterschiedlich dimensionierte Sondenkörper verwendet werden sollen, die aber grundsätzlich eine ähnliche Messaufgabe erfüllen sollen. In diesem Fall bietet der Messadapter mit dem Drucksensor darauf den Vorteil, dass individuell angepasste Sondenkörper nach einer Art Baukastensystem mit einheitlichen (in größerer Stückzahl gefertigten) Messadaptern bzw. Drucksensoren ausgerüstet werden können.
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Vorzugsweise sind der Sondenkörper, der Messadapter und der Drucksensorkörper mittels Schraubverbindungen miteinander verbunden. Durch die Verwendung von Schraubverbindungen können der geplanten Anwendung entsprechende unterschiedliche Dichtmittel eingesetzt werden; im Übrigen erlaubt natürlich die lösbar geschraubte Konstruktion im Reparaturfall den Ersatz einzelner Bauteile.
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Vorzugsweise sind beispielsweise der Sondenkörper, die Membran, der Verschlussstift, der Messadapter und/oder der Drucksensorkörper aus einem rostfreien Material bestehen, dies kann z.B. härtbarer rostfreier Stahl sein.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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Darin zeigt die einzige 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des Hochdruckmessaufnehmers (ohne Messelektronik) der in einen Prozessflansch eingebaut ist.
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Der Hochdruckmessaufnehmer 1 gemäß 1 hat einen Sondenkörper 11 mit einem stabförmigen Abschnitt 110. Am in 1 rechten Ende des stabförmigen Abschnitts 110 des Sondenkörpers 11 ist eine Membran 117 gezeigt, die von einem ihr zugeordneten Membranbett 118 beabstandet angeordnet ist. Das Membranbett 118 ist formgleich mit der Membran 117 ausgebildet, so dass es die Membran 117 vollflächig abstützten kann, wenn die Membran vom zu messenden Druck bei Überlast gegen das Membranbett 118 gedrückt wird.
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Ferner zeigt 1 eine Längsbohrung 114 in der Mitte des Sondenkörpers 11, die diesen vollständig in 1 von links nach rechts durchgreift. In Querrichtung zur Längsbohrung 114 ist eine Füllbohrung 116 gezeigt, in die ein Verschlussstift 115 eingesetzt ist, der, wie mit schwarzer Farbe angedeutet ist, in den stabförmigen Abschnitt 110 des Sondenkörpers 11 eingeschweißt ist. Die Füllbohrung 116 erstreckt sich quer zur Längsbohrung 114 und ist gestuft ausgeführt. Die gestufte Ausführung der Bohrung dient dazu, dass der Verschlussstift 115 beim Einfügen in die Füllbohrung 116 auf dem durch die gestufte Bohrung gebildeten Absatz aufsitzt und auf diese Weise nicht in die Längsbohrung 114 eindringen kann. Der Sondenkörper 11 hat in Fortsetzung des stabförmigen Abschnitts 110 einen Dichtkörper 111 ausgebildet, der zunächst einen sphärischen Körperabschnitt – eine sogenannte Dichtlinse – aufweist, an die sich eine Gewinde 112 anschließt. In 1 ist auf der linken Seite des Gewindes 112 ferner ein Werkzeugabschnitt 113 angedeutet, an den ein Werkzeug (nicht gezeigt) angesetzt werden kann, um den Sondenkörper 11 in ein nicht gezeigtes Gewinde einzuschrauben.
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Auf der linken Seite in 1 ist ferner ein Messadapter 12 gezeigt, der mit einem Gewinde 122 in ein entsprechendes Innengewinde des Sondenkörpers 11 eingeschraubt ist. Dichtmittel 123 sind in 1 schematisch angedeutet, und dienen dazu, die Verbindung zwischen Sondenkörper 11 und Messadapter 12 druckdicht nach außen abzuschließen. Diese Dichtmittel 123 sind hier nur schematisch gezeigt, es können eine Vielzahl für Hochdruckverbindungen übliche Dichtmaßnahmen eingesetzt werden, einschließlich verformbarer Weichmetalldichtungen sowie geeignet geformter Körperkanten, die in dichtende Anlage zueinander gebracht werden. Der Messadapter 12 hat ferner eine in Fortsetzung der Längsbohrung 114 ausgebildete Bohrung 121, die mit der Längsbohrung 114 in Fluidverbindung steht.
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Die in 1 linke Stirnfläche des Messadapters 12 trägt einen Drucksensorkörper 13, der einen Innenraum 131 hat, der mit der Längsbohrung 121 des Messadapters verbunden ist. Der Drucksensorkörper 13 trägt auf seiner Außenseite eine Messelektronik (nicht gezeigt), die eine Formänderung des Drucksensorkörpers registriert und als einen Druckmesswert heraus gibt. Die Längsbohrung 114, die Längsbohrung 121 sowie der Hohlraum 131 des Drucksensorkörpers 13 sind mit einer Übertragungsflüssigkeit oder Druckmittlerflüssigkeit gefüllt. Diese ist eine nahezu inkompressible und hitzebeständige Flüssigkeit; beispielsweise ist Silikonöl ein typischer Vertreter für eine solche Übertragungsflüssigkeit. Die Auslenkung der Membran durch den zu messendem Druck wird von der blasenfrei eingefüllten Übertragungsflüssigkeit verlustfrei auf den Drucksensorkörper 13 übertragen und bewirkt dort eine druckabhängige Verformung, die von einer Sensormimik (nicht gezeigt) erfasst wird. Auf diese Weise wird der Druck von der Membran 117 aufgenommen, und letztendlich am Drucksensorkörper 13 am anderen Ende des Hochdruckmessaufnehmers 1 gemessen.
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1 zeigt ferner schematisch einen Reaktor 2, in dem der Hochdruckmessaufnehmer 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel eingebaut ist. Der Reaktor 2 ist ein Rohrreaktor, in den ein einer chemischen Reaktion zu unterwerfendes Fluid strömt. Die Reaktorwand 22 ist die Wandung eines dickwandigen Rohres, das eine Innenbohrung 23 umgibt, in der der chemische Prozess abläuft. Am Reaktor 2 ist ferner ein Prozessflansch 21 angebracht, der eine Durchgangsbohrung 24 hat, die in die Innenbohrung 23 mündet. Obwohl dies hier nicht gezeigt ist, ist der Prozessflansch 21 mit Mitteln versehen, die eine dichte und feste Anbindung des Hochdruckmessaufnehmers 1 daran ermöglichen. Der Prozessflansch 21 selbst ist in Fortsetzung der Reaktorwand 22 ausgebildet.
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Die Durchgangsbohrung 24 des Prozessflansches 21 ist im Sinne der Klarheit sehr groß gezeichnet. In einer ausgeführten Form ist eine enge Passung zwischen der Innenbohrung 24 und dem stabförmigen Abschnitt 110 des Hochdruckmessaufnehmers 1 vorgesehen, so dass ein vernachlässigbarer Spalt um den stabförmigen Abschnitt 110 des Sondenkörpers 11 gebildet wird. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass Material aus dem Reaktor in den Spalt eingetragen wird und dort möglicherweise chemische Veränderungen im Prozess herbei führt, die nicht gewollt sind.
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Dennoch ist der Spalt groß genug, so dass ein mindestens teilweiser Druckausgleich vom vorderen zum hinteren Ende des Spalts auftreten kann. Auf diese Weise ist der Verschlussstift 115 in der Füllbohrung 116 auf der einen Seite direkt mit dem Prozessdruck beaufschlagt, während auf der anderen Seite der Prozessdruck im Wege der Übertragungsflüssigkeit auf den Verschlussstift 115 einwirkt. Auf diese Weise ist der Verschlussstift 115 quasi druckneutral gehalten, so dass die Belastung dieses Verschlusses gering ist.
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In ausgeführten Anlagen, in denen der zu messende Druck mehrere tausend bar erreichen kann, ist diese Anordnung von besonderem Vorteil, weil die geringe Größe des Verschlussstifts keine großbauenden Befestigungsmöglichkeiten zulässt.
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Abschließend sei ausgeführt, dass die Längsbohrung 114 sowie die Bohrung durch den Messadapter 121 möglichst dünn sein sollen, um ein geringes Volumen zu haben. Es ist unvermeidbar, dass sich Übertragungsflüssigkeit unter Einwirkung von Temperatur ausdehnt. Um den dadurch entstehenden unausweichlichen Temperaturfehler zu minimieren, sollte das Gesamtvolumen der Übertragungsflüssigkeit möglichst klein sein.
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Eine enge Längsbohrung hat ferner den Vorteil, dass die Übertragungsflüssigkeit in einem sehr dickwandigen Rohr sprich dem stabförmigen Abschnitt des Sondenkörpers vorliegt und mit Druck beaufschlagt wird. Weil die Übertragungsflüssigkeit dadurch von einer vergleichsweise großen Materialmenge umgeben ist, ist die thermische Trägheit der Anordnung entsprechend groß, so dass Temperaturschwankungen abgepuffert werden und eine einfache Korrektur der Temperatur ausreicht.
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In einem ausgeführten Hochdruckmessaufnehmer betrugen die Länge des stabförmigen Abschnitts des Sondenkörpers 170 bis 180mm, bei einer Längsbohrungsweite von ca. 0,3mm und einem Durchmesser des stabförmigen Abschnitts von etwa 10mm. Die zu messenden Drücke liegen in der ausgeführten Form an einem chemischen Prozess bei 4000 bar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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