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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Befüllen von Druckmittlern.
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Druckmittler werden in der industriellen Messtechnik zur Übertragung von Drücken eingesetzt. Dabei werden sie z.B. in Verbindung mit Druck oder Differenzdruckmessgeräten eingesetzt. Bei Druckmessgeräten wird ein zu messender Druck beispielsweise dem Druckmittler zugeführt und über den Druckmittler auf einen im Messgerät befindlichen Drucksensor übertragen. Bei Differenzdruckmessgeräten werden entsprechend zwei Druckmittler eingesetzt denen jeweils einer der Drücke, deren Differenz gemessen werden soll, zugeführt wird. Die Druckmittler übertragen diese Drücke dann auf einen im Messgerät befindliche Differenzdrucksensor.
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Der Einsatz von Druckmittlern ist z.B. dann erforderlich, wenn der oder die Drücke dem Druck- bzw. Differenzdrucksensor nicht direkt zugeführt werden können. Dies ist z.B. dann der Fall, wenn die Sensoren gegenüber chemischen und/oder mechanischen Belastungen sehr empfindliche sind, wie dies z.B. bei piezoresistiven Druckmesszellen, die z.B. Messmembranen aus oder mit empfindlichen Halbleiterbauelementen aufweisen, der Fall ist, oder wenn eine Differenz zwischen zwei an verschiedenen Orten wirkenden Drücken mit einem Differenzdrucksensor erfasst werden.
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Weiter werden Druckmittler auch dann eingesetzt, wenn, z.B. aus hygienischen Gründen, ein frontbündiger Abschluss zum Prozess gewünscht ist.
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Druckmittler weisen in der Regel eine auf einen Körper montierte flexible Trennmembran auf, deren vom Körper abgewandte Seite ein zu übertragender Druck zuführbar ist. Der Körper weist üblicherweise eine zur Trennmembran hin geöffnete Druckkammer auf, die von der Trennmembran überdeckt und nach außen abgeschlossen ist. Vorzugsweise dient eine der Trennmembran zugewandte innere Mantelfläche der Kammer als Membranbett, an das sich die Trennmembran anlegt, wenn der auf sie einwirkende Druck einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Der Anschluss des Druckmittlers an einen Drucksensor erfolgt in der Regel über eine Druckleitung, die in die Druckkammer mündet.
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Die Druckkammer und die Druckleitung bilden zusammen einen hydraulischen Kammerverbund aus und werden mit einer inkompressiblen Druckmittlerflüssigkeit gefüllt, über die im Betrieb die Druckübertragung erfolgt. Anhand der Befüllung des hydraulischen Kammerverbundes lässt sich somit ein spezifischer Arbeitspunkt des Druckmittles einstellen. Dieser Arbeitspunkt hängt unter anderem von dem, unter der Trennmembran in den hydraulischen Kammerverbund, eingeschlossenen Volumen ab. Hierbei gilt es, für jede Ausgestaltungsvariante der Trennmembran die Kammer und die Druckleitung mit einem spezifischen Volumen der Druckmittlerflüssigkeit zu befüllen.
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Zur Befüllung eines solchen Druckmittlers ist es gängige Praxis den Druckmittler in eine Vorrichtung einzuspannen, die eine Referenzdruckkammer aufweist, welche, durch die vom Körper des Druckmittlers abgewandte Seite der flexiblen Trennmembran begrenzt wird. Diese Referenzdruckkammer ist mit einem bestimmten bzw. definierten Volumen einer inkompressiblen Referenzflüssigkeit, insbesondere ein Referenzöl, befüllt. Ferner weist die Vorrichtung eine Druckmesseinrichtung und eine Einheit zum gezielten bzw. definierten Einbringen zusätzlicher Referenzflüssigkeit in die Referenzdruckkammer auf. Während des Befüllvorganges des Druckmittlers wird stetig zusätzliche Referenzflüssigkeit in die Referenzdruckkammer zugeführt und mittels der Druckmesseinrichtung der Druck in der Referenzkammer gemessen. Anhand des zusätzlich zugeführten Volumens der Referenzflüssigkeit und des Druckes kann auf das Befüllvolumen des Druckmittlers rückgeschlossen werden.
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Dieses Vorgehen ist insofern unbefriedigend, als dass die Druckmittler bzw. die flexible Trennmembran zum Befüllen und zum Einstellen des Arbeitspunktes der Referenzflüssigkeit ausgesetzt werden und somit nach Beendigung des Befüllvorgangs von dieser Referenzflüssigkeit gereinigt bzw. befreit werden müssen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Befüllen eines Druckmittlers vorzuschlagen, die eine besonders benutzerfreundliche Befüllung, insbesondere zum Einstellen des Arbeitspunktes eines Druckmittlers, ermöglichen.
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Die Aufgabe wird bezüglich der Vorrichtung zum Befüllen eines Druckmittlers der einen Körper, der wiederum einen hydraulischen Kammerverbund ausbildet sowie eine am Körper angebrachte flexible Trennmembran aufweist, wobei zum Einstellen des Arbeitspunktes des Druckmittlers der hydraulische Kammerverbund mit einer Flüssigkeit auf ein vorgegebenes Befüllvolumen befüllt wird, wobei das Befüllvolumen von der Auslenkung der flexiblen Trennmembran abhängig ist, dadurch gelöst, dass die Vorrichtung zum Befüllen des Druckmittlers zumindest folgendes umfasst:
- – einen Gegenkörper auf den der Druckmittler zur Befüllung aufgebracht wird;
- – eine Anschlagsfläche, die beim Aufbringen des Druckmittlers auf den Gegenkörper zur Trennmembran hin gerichtet ist und die von dem Gegenkörper gehalten wird, wobei beim Anliegen der Trennmembran an der Anschlagsfläche der hydraulische Kammerverbund mit dem vorgegebenen Befüllvolumen befüllbar ist;
- – ein Dichtelement, das den Bereich zwischen der Anschlagsfläche und der Trennmembran des auf den Gegenkörper aufgebrachten Druckmittlers abdichtet, sowie
- – einen Evakuierungspfad der den Bereich zwischen der Anschlagsfläche und der Trennmembran des auf den Gegenkörper aufgebrachten Druckmittlers zum verbesserten Anliegen der Trennmembran an der Anschlagsfläche evakuierbar macht.
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Erfindungsgemäß wird eine Anschlagsfläche derartig ausgestaltet, dass beim vollständigen Anliegen der Trennmembran des unbefüllten Druckmittlers, die Trennmembran in die Position bzw. Form gebracht wird, die den optimalen Arbeitspunkt des befüllten Druckmittlers darstellt. In dieser Position bzw. Form wird anschließend die Befüllung des unbefüllten Druckmittlers vorgenommen.
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Eine erste vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Anschlagsfläche in einem Anschlagskörper ausgebildet ist und wobei der Anschlagskörper in den Gegenkörper austauschbar einbringbar ist. Auf diese Weise lassen sich eine Vielzahl von verschiedenen Druckmittlern, die jeweils unterschiedlich ausgebildete Trennmembrane aufweisen, mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung befüllen.
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Eine zweite alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Anschlagsfläche in dem Gegenkörper ausgebildet.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass der Gegenkörper ein Zentrierelement aufweist mittels dessen der Druckmittler beim Aufbringen auf den Gegenkörper derartig positioniert wird, dass die Trennmembran des Druckmittlers über der Anschlagsfläche zentriert ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass das das Zentrierelement eine Kontur aufweist, welche die Anschlagsfläche zumindest Abschnittsweise ringförmig umgibt, wobei das Zentrierelement von einer für einen Prozessanschluss vorgesehene Aussparung des Körpers des Druckmittlers aufgenommen wird.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Anschlagsfläche als eine Matrize der flexiblen Trennmembran ausgebildet ist. Als Matrize in diesem Zusammenhang ist ein im Wesentlichen formgetreues Abbild der flexiblen Trennmembran zu verstehen. Durch die Ausgestaltung der Anschlagsfläche als Matrize wird ein verbessertes Anliegen der Trennmembran erzielt und somit ein noch genaueres Einstellen des Arbeitspunktes des Druckmittlers ermöglicht.
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Die Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens zum Befüllen und Einstellen eines Arbeitspunktes eines Druckmittlers dadurch gelöst, dass das Verfahren folgende Schritte vorsieht:
- – Aufbringen des Druckmittlers auf den Gegenkörper, wobei der Druckmittler auf den Grundkörper derartig aufgebracht wird, dass die Anschlagsfläche (4a) zur flexiblen Trennmembran hin gerichtet ist;
- – Evakuieren des hydraulischen Kammerverbundes des Druckmittlers und des Bereiches zwischen der Anschlagsfläche und der flexiblen Trennmembran;
- – Einlassen der zur Befüllung des Druckmittlers vorgesehenen Flüssigkeit in den hydraulischen Kammerverbund des Druckmittlers, wobei der hydraulische Kammerverbund über eine Befüllstelle auf ein Befüllvolumen befüllt wird, welches dadurch vorgegeben ist, dass die flexible Trennmembran an der Anschlagsfläche zur Anlage kommt;
- – Verschließen der Befüllstelle.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass zum Einlassen der zur Befüllung vorgesehenen Flüssigkeit ein Vorratsbehälter vorgesehen ist, der in vertikaler Richtung oberhalb der Befüllstelle angeordnet ist. Auf diese Weise lässt sich der Druckmittler mit der Flüssigkeit aufgrund des hydrostatischen Druckes selbstständig Befüllen. Insbesondere sind keine weiteren technischen Mittel nötig, beispielsweise eine Pumpe oder ähnliches Mittel, um die Flüssigkeit in den Druckmittler zu befördern.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der hydraulische Kammerverbund vor dem Verschließen der Befüllstellte belüftet wird. Auf diese Weise kann das Einschließen von Bläschen in dem hydraulischen Kammerverbund des Druckmittlers vermindert werden. Da die Bläschen im späteren Betrieb negativ auf das Übertragungsverhalten des Druckmittlers auswirken können.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
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1: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Befülleinrichtung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Befüllen eines Druckmittlers 2. Der Druckmittler weist einen Körper 3 auf, bei dem in seinem Randbereich eine flexible Trennmembran 4 eingespannt ist. Die flexible Trennmembran 4 besteht beispielsweise aus einem Edelstahl, denkbar sind aber auch andere Materialien und/oder Beschichtungen mit beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE). Die Trennmembran 4 ist dabei in Scheibenform ausgestaltet und in ihrem Randbereich druckdicht mit dem Körper 3 verbunden. Diese Verbindung zwischen der Trennmembran 4 und dem Körper 3 wird typischerweise durch Schweißen, insbesondere Laserschweißen realisiert. Die Trennmembran 4 weist in ihrem Seitenquerschnitt ein, entsprechend dem Anwendungszweck, optimiertes Profil auf, welches typischerweise sinusförmig ist.
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Dementsprechend weist der Körper 3, auf der der Trennmembran 4 zugewandten Seite, ein zum Profil der Trennmembran 4 analoges Profil auf, welches als Membranbett 26 für die Trennmembran 4 fungiert. Das Innere zwischen der Trennmembran 4 und dem Membranbett 26, bildet somit eine Druckkammer 6, welche über eine Druckleitung 7 mit dem Drucksensor 8 verbunden ist.
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Die Druckleitung 7 und die Druckkammer 6 bilden zusammen einen hydraulischen Kammerverbund, welcher mit einer inkompressiblen Flüssigkeit, insbesondere einem Silikonöl, zur Druckübertragung gefüllt wird. Anhand der Füllmenge bzw. des Befüllvolumens des hydraulischen Kammerverbundes 6, 7 lässt sich der Arbeitspunkt des Druckmittlers 2 einstellen.
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Die Einstellung des Arbeitspunktes eines Druckmittlers 2 ist abhängig von dem angedachten Anwendungsgebiet und den mechanischen Eigenschaften der Trennmembran 4 des Druckmittlers 2.
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Bei der bestimmungsgemäßen Verwendung des Druckmittlers 2 wird somit ein Druck, welcher auf die Trennmembran 4 wirkt und dafür sorgt, dass die Trennmembran 4 in Abhängigkeit ihrer Steifigkeit ausgelenkt wird, über die im hydraulischen Kammerverbund 6, 7 befindliche inkompressible Flüssigkeit 5 zum Drucksensor 8 hin übertragen.
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Die Vorrichtung 1 umfasst einen Gegenkörper 9, der zur vereinfachten Positionierung, insbesondere zur Zentrierung, ein Zentrierelement 10 aufweist, wobei die Kontur 10a des Zentrierelementes 10 die Anschlagsfläche zumindest Abschnittsweise ringförmig umgibt. Diese Zentrierelement 10 wird von einer Aussparung 11 des Druckmittlers 2, welche für einen Prozessanschluss vorgesehen ist, umgriffen, um so den Druckmittler 2 auf dem Gegenkörper 9 möglichst exakt zu positionieren.
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Um den Zwischenbereich 27, der sich beim Aufbringen des Druckmittlers 2 auf den Gegenkörper 9, zwischen der Anschlagsfläche 4a und der Trennmembran 4 ausbildet, nach außen hin abzudichten, weist die Vorrichtung 1 ferner ein Dichtelement 13 auf.
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Als Dichtelement 13 können beispielsweise eine Elastomer-Dichtung wie ein O-Ring, ein Rundschnurring, ein Quad-Ring, eine Formdichtung oder ein Kantseal-Ring, dienen.
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Ein mögliches Verrutschen des Dichtelementes 13, wird mittels einer, in den Gegenkörper 9 eingebrachten, Nut 12 verhindert.
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Weiter weist die in 1 dargestellte Vorrichtung 1 einen Anschlagskörper 14 auf, in dem, auf seiner der Trennmembran 4 zugewandten Seite, eine Anschlagsfläche 4a ausgebildet ist, wobei der Anschlagskörper 14 und der Gegenkörper 9 derartig ausgestaltet sind, dass der Anschlagskörper 14 austauschbar in den Gegenkörper 9 einbringbar ist.
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Denkbar ist natürlich auch, die Anschlagsfläche 4a in dem Gegenkörper 9 auszubilden und somit nicht austauschbar zu gestalten.
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Um ein sehr exaktes Anliegen der flexiblen Trennmembran 4 an der Anschlagsfläche 4a zu erzielen, hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die Anschlagsfläche 4a als eine Matrize bzw. ein Abbild der flexiblen Trennmembran 4 auszubilden. Auf diese Weise ergibt sich, beim vollständigen Anliegen der Trennmembran 4 an der Matrize, ein optimales Befüllvolumen, mittels dessen der Arbeitspunkt des Druckmittlers 2 noch exakter eingestellt werden kann.
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Um ein vollständiges Anliegen der Trennmembran 4 an der Matrize zu unterstützen, ist zumindest eine durch den Anschlagskörper 14 durchgängige Evakuierungspfad 15 vorgesehen, mit Hilfe dessen, der Bereich zwischen der Anschlagsfläche 4a und der Trennmembran 4 des auf den Gegenkörper 9 aufgebrachten Druckmittlers 2 evakuierbar ist.
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Der Evakuierungspfad 15 ist über ein erstes Anschlusselement 18 und eine erste Leitung 17 mit einer Vakuumpumpe 16, beispielsweise eine Drehschieberpumpe, verbunden. Ferner ist die Vakuumpumpe 16 zusätzlich über eine zweite Leitung 19 mit einem ersten Anschluss 20a eines 3-Wege-Hahnes 20 und einem Vorratsbehälter 22, der die zu befüllende Flüssigkeit 5 beinhaltet, verbunden.
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Der 3-Wege-Hahn 20 weist, neben dem ersten Anschluss 20a einen zweiten Anschluss 20b und einen dritten Anschluss 20c auf, wobei der zweite Anschluss 20b mit dem Vorratsbehälter 22 und der dritte Anschluss 20c über eine vierte Leitung 23 über die Befüllstelle 24 mit dem hydraulischen Kammerverbund 6, 7 des Druckmittlers 2 verbunden ist.
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Durch entsprechendes Einstellen des 3-Wege-Hahns 20 kann somit der hydraulische Kammerverbund 6, 7 entweder mittels der Vakuumpumpe 16 evakuiert oder mit der Flüssigkeit 5 aus dem Vorratsbehälter 22 befüllt werden.
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Weiter umfasst die Vorrichtung 1 ein Belüftungsventil 25, welches zwischen dem 3-Wege-Hahn 20 und der Befüllstelle 24 des Druckmittlers 2 angeordnet ist und zur Belüftung des hydraulischen Kammerverbundes 6, 7 dient.
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Eine Alternative zu dem Belüftungsventil 25 stellt der Einsatz eines 4-Wege-Hahns dar, der in diesem Fall die Funktion des 3-Wege-Hahns übernimmt, wobei ein weiterer, ein vierter Anschluss zur Belüftung des hydraulischen Kammerverbundes 6, 7 dient.
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Die in 1 dargestellte Vorrichtung 1 dient, wie bereits beschrieben, dazu, den Befüllvorgang eines Druckmittlers 2 durchzuführen, wobei insbesondere der Arbeitspunkt, welcher im Wesentlichen von der Trennmembranauslenkung und der damit einhergehenden Füllmenge bzw. des Befüllvolumens abhängig ist, damit eingestellt wird.
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Erfindungsgemäß wird die Trennmembran 4 in eine für den Arbeitspunkt charakteristische Auslenkung mittels der Vorrichtung 1 gebracht. Hierzu wird, in einem ersten Schritt, der Druckmittler 2 auf den Gegenkörper 9 der Vorrichtung 1 gebracht, wobei die Anschlagsfläche 4a zur flexiblen Trennmembran 4 des Druckmittlers 2 hin gerichtet ist. Hierbei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, eine exakte Positionierung des Druckmittlers 2 auf dem Gegenkörper 9 über das Zentrierelment 10, welches in die Aussparung 11 des Druckmittlers 2 greift, zu positionieren.
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In einem nächsten Schritt werden sowohl der hydraulische Kammerverbund 6, 7, als auch der Bereich zwischen der Anschlagsfläche 4a und der flexiblen Trennmembran 4 evakuiert. Idealerweise wird die Evakuierung mit einer einzigen Vakuumpumpe zeitgleich durchgeführt. Hierzu muss der 3-Wege-Hahn 20 derartig eingestellt werden, dass die Vakuumpumpe 16 über die zweite und die vierte Leitung 19, 23 den hydraulischen Kammerverbund 6, 7, also die Druckleitung 7 und die Druckkammer 6 des Druckmittlers 2, evakuieren kann. Eine besonders günstige Befüllung wird erreicht, wenn gleichzeitig der Vorratsbehälter 22 ebenfalls mittels der Vakuumpumpe 16 evakuiert wird.
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Anschließend wird die zur Befüllung des Druckmittlers 2 vorgesehene Flüssigkeit 5 in den hydraulischen Kammerverbund 6, 7 über die Befüllstelle 24 eingelassen. Der Druckmittler 2 wird bis zu dem vorgegebenen optimalen Befüllvolumen, welches durch das Anliegen der flexiblen Trennmembran 4 an der Anschlagsfläche 4a definiert ist, befüllt. Die zur Befüllung vorgesehene Flüssigkeit wird hierbei von dem Vorratsbehälter 22, welcher idealerweise in vertikaler Richtung oberhalb der Befüllstelle 24 des Druckmittlers 2 angeordnet ist, über den entsprechend geschalteten 3-Wege-Hahn 20 in den hydraulischen Kammerverbund 6, 7 eingelassen. Dadurch dass, der Vorratsbehälter 22 oberhalb der Befüllstelle 24 angeordnet ist, reicht der sich somit ergebende hydrostatische Druck zur Befüllung aus.
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Nach Beendigung der Befüllung des Druckmittlers 2 mit der vorgegebenen Flüssigkeit 5 hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, den hydraulischen Kammerverbund 6, 7, vor dem letzten Schritt des Verschließens, zu belüften. Auf diese Weise kann das Einschließen von Bläschen, die den angedachten Betrieb des Druckmittlers 2 negativ beeinflussen können, vermindert werden.
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Das Belüften des hydraulischen Kammerverbundes 6, 7 kann hierbei auf eine beliebige Art und Weise durchgeführt werden. So ist neben der in 1 dargestellten Möglichkeit, das Belüften über ein Belüftungsventil 25, welches zwischen den Vorratsbehälter 22 und der Befüllstelle 24 des Druckmittlers 2 angeordnet ist, durchzuführen, beispielsweise auch denkbar, dass ein 4-Wege-Hahn den 3-Wege-Hahns ersetzt, wobei einer der Schaltzustände des 4-Wege-Hahns zum Belüften vorgesehen ist.
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Im letzten Schritt sieht das Verfahren vor, dass der Druckmittler bzw. die Befüllstelle des Druckmittlers verschlossen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Befülleinrichtung
- 2
- Druckmittler
- 3
- Körper des Druckmittlers
- 4
- Flexible Trennmembran
- 4a
- Anschlagsfläche
- 5
- Flüssigkeit zur Befüllung
- 6
- Druckkammer des Druckmittlers
- 7
- Druckleitung des Druckmittlers
- 8
- Drucksensor
- 9
- Gegenkörper
- 10
- Zentrierelement
- 10a
- Kontur des Zentrierelementes
- 11
- Aussparung des Druckmittlers
- 12
- Nut des Gegenkörpers
- 13
- Dichtelement
- 14
- Anschlagskörper
- 15
- Evakuierungspfad
- 16
- Vakuumpumpe
- 17
- Erste Leitung
- 18
- Erstes Anschlusselement
- 19
- Zweite Leitung
- 20
- 3-Wege-Hahn
- 20a
- Erster Anschluss des 3-Wege-Hahns
- 20b
- Zweiter Anschluss des 3-Wege-Hahns
- 20c
- Dritter Anschluss des 3-Wege-Hahns
- 21
- Dritte Leitung
- 22
- Vorratsbehälter
- 23
- Vierte Leitung
- 24
- Befüllstelle
- 25
- Belüftungsventil
- 26
- Membranbett des Druckmittlers
- 27
- Zwischenbereich
