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Stand der Technik
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Die Erfindung geht von einem Drucksensor und einer Expansionsmaschine nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche aus.
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Aus der
EP 1 760 378 B1 ist eine integrierte Druckwandler-Unterdruck-Stelleinheit bekannt. Der Druckwandler umfasst einen mit einem Stellglied gekoppelten Dauermagneten, der mit einer weiteren Spule zusammenwirkt, die ein der Stellposition des Stellgliedes entsprechendes Lagesignal erzeugt. Die Druckwandler-Unterdruck-Stelleinheit umfasst somit eine Lagerückmeldung, über die der jeweilige Schaltzustand des Druckwandlers mit integriertem Unterdrucksteller jeweils an ein Motorsteuergerät, z.B. einer Verbrennungskraftmaschine, zurückgemeldet werden kann. Das Stellglied bewegt sich abhängig von einem in einem Rohrabschnitt herrschenden Druck.
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Vorteile der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Drucksensor mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass der Drucksensor mit einem Gehäuse und einem im Gehäuse geführten Stellglied versehen ist, das abhängig von einer Druckbeaufschlagung seine Lage ändert, dass Mittel zur Lagerückmeldung vorgesehen sind, die abhängig von der Lageänderung des Stellgliedes ein Lagerückmeldungssignal erzeugen, und dass das Stellglied einen ersten Druckbereich im Gehäuse von einem zweiten Druckbereich im Gehäuse trennt, wobei der Druck im ersten Druckbereich durch die Druckbeaufschlagung gebildet ist und der Druck im zweiten Druckbereich auf ein Referenzdruckniveau eingestellt ist. Auf diese Weise lassen sich druck- und/oder temperaturempfindliche Sensorbestandteile im zweiten Druckbereich anordnen, der von der Druckbeaufschlagung und gegebenenfalls damit verbundener vergleichsweise hoher Temperatur frei ist. Somit wird die Druck- und/oder Temperaturbelastung dieser Sensorbestandteile reduziert bzw. können an die Druck- und/oder Temperaturfestigkeit dieser Sensorbestandteile geringere Anforderungen gestellt werden.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale werden vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung ermöglicht.
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Vorteilhaft ist es, wenn das Stellglied in einer, vorzugsweise zylinderförmigen, Führung des Gehäuses angeordnet ist und zu der Führung einen Leckagespalt bildet, der den ersten Druckbereich gegen den zweiten Druckbereich abdichtet. Auf diese Weise wird die Trennung der beiden Druckbereiche effizient und mit geringem Aufwand, insbesondere an Teilen, ermöglicht.
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Vorteilhaft ist es, wenn das Stellglied, vorzugsweise über einen Kolben, mit einem Sensorelement gekoppelt ist und die Mittel zur Lagerückmeldung abhängig von der Lageänderung des Sensorelementes das Lagerückmeldungssignal erzeugen. Auf diese Weise lässt sich das Stellglied in einfacher Weise mit dem für die Druckmessung erforderlichen Sensorelement verbinden. Das Sensorelement kann dabei im zweiten Druckbereich druck- und temperaturgeschützt angeordnet sein.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Mittel zur Lagerückmeldung die Lageänderung induktiv, kapazitiv, piezoelektrisch oder mittels Dehnungsmessstreifen erfassen. Auf diese Weise lässt sich die Druckbeaufschlagung besonders einfach in eine Lagerückmeldung umwandeln und daraus der zugrundeliegende Druck im ersten Druckbereich ermitteln.
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Vorteilhaft ist es, wenn zwischen einer dem ersten Druckbereich abgewandten Seite des Stellgliedes und einer Wand des Gehäuses eine, vorzugsweise progressive, Feder angeordnet ist. Auf diese Weise wird eine Rückstellkraft für das über den ersten Druckraum druckbeaufschlagte Stellglied geschaffen, die eine definierte Bewegung des Stellglieds abhängig von der Druckbeaufschlagung und über die Federkennlinie eine Umrechnung der Lageänderung des Sensorelementes in den der Druckbeaufschlagung zugrundeliegenden Druck ermöglicht. Im Falle der Verwendung einer progressiven Feder mit progressiver Federkennlinie, lassen sich unterschiedliche Auflösungen für verschiedene Druckbereiche realisieren, insbesondere eine größere Auflösung in einem interessierenden Druckbereich.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Feder zwischen dem Sensorelement und der Wand des Gehäuses angeordnet ist. Auf diese Weise lässt sich die Feder besonders einfach im Gehäuse lagern.
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Vorteilhaft ist es, wenn das Sensorelement als Magnetanker ausgebildet ist, wenn eine Spule im Gehäuse angeordnet ist und wenn das Sensorelement im Bereich der Spule angeordnet ist. Auf diese Weise lässt sich zum einen in einfacher Weise eine induktive Druckmessung realisieren. Zum andern lässt sich über eine entsprechende Bestromung der Spule das Sensorelement und über das Sensorelement das Stellglied ansteuern und als Aktor betätigen. Somit wird die Funktionalität des Drucksensors erhöht.
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Vorteilhaft ist es, wenn Führung im Bereich des Stellglieds eine Durchmessererweiterung, insbesondere in Form mindestens einer Nut, aufweist und wenn der durch die Durchmessererweiterung zwischen dem Stellglied und der Führung gebildete Erweiterungsraum, vorzugsweise immer, mit dem zweiten Druckbereich verbunden ist. Auf diese Weise ist über die Durchmessererweiterung ein Bypasskanal zwischen dem ersten Druckbereich und dem zweiten Druckbereich vorbereitet. Vorteilhaft ist es, wenn Mittel zur Bestromung der Spule vorgesehen sind, wenn das Sensorelement im Magnetfeld der Spule angeordnet ist und das Stellglied abhängig von der Bestromung unterschiedliche Positionen in der Führung einnimmt. Auf diese Weise lässt sich das Stellglied besonders einfach und definiert als Aktor betreiben.
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Vorteilhaft ist es, wenn in mindestens einer, jedoch nicht in jeder, vorzugsweise nur in einer, durch die Bestromung einstellbaren Position des Stellgliedes der Erweiterungsraum mit dem ersten Druckbereich verbunden ist. Auf diese Weise lässt sich zwischen dem ersten Druckbereich und dem zweiten Druckbereich ein Bypasskanal schalten.
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Vorteilhaft ist es, wenn im zweiten Druckbereich ein Auslass vorgesehen ist. Dies ermöglicht den Anschluss des Drucksensors als Bypass beispielsweise an einer Expansionsmaschine.
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Die erfindungsgemäße Expansionsmaschine mit den Merkmalen des zweiten unabhängigen Anspruchs hat den Vorteil, dass sie einen Expander, insbesondere eine Turbine, eine Axialkolbenmaschine oder einen Scrollexpander, umfasst und dass ein erfindungsgemäßer Drucksensor vorgesehen ist, wobei ein Eingang des Expanders mit dem ersten Druckbereich verbunden ist. Auf diese Weise lässt sich mittels des erfindungsgemäßen Drucksensors der Druck am Eingang der Expansionsmaschine mit hoher Präzision messen, ohne dass druck- und/oder temperaturempfindliche Sensorbestandteile im zweiten Druckbereich von der Druckbeaufschlagung und gegebenenfalls damit verbundener vergleichsweise hoher Temperatur am Eingang der Expansionsmaschine im ersten Druckbereich belastet werden.
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In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Expansionsmaschine gemäß abhängigem Anspruch ergibt sich der Vorteil, dass ein Ausgang des Expanders mit dem zweiten Druckbereich verbunden ist. Auf diese Weise kann der Drucksensor als Bypass zum Expander der Expansionsmaschine genutzt werden.
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Zeichnung
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild eines Wärmerückgewinnungssystems,
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2 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Drucksensor in einem ersten Betriebszustand und
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3 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Drucksensor in einem zweiten Betriebszustand.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In 1 kennzeichnet 2 eine Expansionsmaschine, die beispielhaft in einem Wärmerückgewinnungskreis 1 beispielsweise einer Brennkraftmaschine angeordnet ist. Die Expansionsmaschine 2 umfasst einen Expander 60, der beispielsweise als Turbine, als Axialkolbenmaschine oder als Scroll- oder Schraubenexpander ausgebildet ist, und einen Drucksensor 10. Der Expander 60 umfasst einen Eingang 50. Der Eingang 50 ist mit einem Einlass 20 des Drucksensors 10 verbunden und bildet gleichzeitig einen Eingang der Expansionsmaschine 2. Ein optional vorgesehener Auslass 21 des Drucksensors 10 ist mit einem Ausgang 55 des Expanders 60 verbunden. Der Ausgang 55 des Expanders 60 stellt somit gleichzeitig einen Ausgang der Expansionsmaschine 2 dar.
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Die Expansionsmaschine 2 ist an ihrem Ausgang mit einem Kondensator 3 verbunden. Das kondensierte Fluid, beispielsweise Wasser oder Ethanol, des Wärmerückgewinnungskreises wird vom Kondensator 3 einem Tank 4 zugeführt. Ausgangsseitig des Tanks 4 ist eine Speisepumpe 5 vorgesehen, die das Fluid aus dem Tank 4 zu einem ausgangsseitig der Speisepumpe 5 angeordneten Verdampfer 6 pumpt. Der Verdampfer 6 ist als Wärmetauscher beispielsweise mit einem Abgasstrang der Brennkraftmaschine gekoppelt, so dass heißes Abgas des Abgasstrangs zu einem Verdampfen des Fluids im Verdampfer 6 führt. Ausgangsseitig ist der Verdampfer 6 mit dem Eingang 50 der Expansionsmaschine 2 verbunden. Somit expandiert der Expander 60 der Expansionsmaschine 2 das dampfförmige Fluid und wandelt die aus dem Abgas erzeugte Wärmeenergie in mechanische und/oder elektrische Energie um.
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2 zeigt den Aufbau des Drucksensors 10 schematisch in einer Schnittdarstellung. Der Drucksensor 10 umfasst ein Gehäuse 10a. Das Gehäuse 10a weist eine vorzugsweise zylinderförmige Führung 25 auf, in der ein Stellglied 11a in Form eines Schiebers geführt angeordnet ist. Das Stellglied 11a trennt einen ersten Druckbereich 12 im Gehäuse 10a von einem zweiten Druckbereich 13 im Gehäuse 10a. Der erste Druckbereich 12 ist mit dem Einlass 20 des Drucksensors 10 verbunden und daher mit einem ersten Druck p2 des Fluides am Eingang 50 des Expanders 60 beaufschlagt. Ein zweiter Druck p3 im zweiten Druckbereich 13 ist auf ein Referenzdruckniveau eingestellt und entspricht beispielsweise in etwa dem Umgebungsdruck des Wärmerückgewinnungskreises 1. Der erste Druck p2 liegt dabei über dem zweiten Druck p3, in der Regel sogar deutlich, d.h. um mehrere Größenordnungen, höher. Das Stellglied 11a bildet zu der Führung 25 einen Leckagespalt 14, der den ersten Druckbereich 12 gegen den zweiten Druckbereich 13 abdichtet.
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Das Stellglied 11a ist im zweiten Druckbereich 13 über einen Kolben 11c mit einem Sensorelement 11b gekoppelt. Zwischen einer einen Innenraum bzw. die zylinderförmige Führung 25 des Gehäuses 10a auf der dem ersten Druckbereich 12 abgewandten Seite des Stellgliedes 11a abschließenden Wand 35 des Gehäuses 10a und dem Stellglied 11a ist im zweiten Druckbereich 13 eine, vorzugsweise progressive, Feder 15 angeordnet. Die Feder 15 ist dabei im Beispiel nach 2 zwischen dem Sensorelement 11b und der Wand 35 des Gehäuses 10a angeordnet. Im Falle eines ersten Druckes p2 größer dem zweiten Druck p3 wird das Stellglied 11a über den Kolben 11c und das Sensorelement 11b gegen die Feder 15 gedrückt, so dass die Feder 15 in diesem Fall eine Rückstellkraft gegen das Sensorelement 11b und damit über den Kolben 11c gegen das Stellglied 11a bzw. gegen den ersten Druckbereich 12 und damit gegen den ersten Druck p2 ausübt. Im Gehäuse 10a ist das Sensorelement 11b, vorzugsweise radial, umgebend, jedoch etwas versetzt, eine Spule 16 angeordnet. Dabei ist die Spule 16 im Gehäuse 10a in Höhe des Sensorelementes 11b derart angeordnet, dass sich das Sensorelement 11b bei Anlage gegen die Feder 15 vorzugsweise immer im Bereich der Spule 16 befindet. Dabei ist das Sensorelement 11b als Magnetanker ausgebildet. Der oben genannte Bereich der Spule 16 ist dabei der Bereich, in dem eine Bewegung des Sensorelementes 11b eine Spannung oder einen Strom induzieren kann. Die Spule 16 ist an eine Auswerteeinheit 30 angeschlossen, die getrennt vom Drucksensor 10 oder als integraler Bestandteil des Drucksensors 10 ausgebildet sein kann. Die Spule 16 kann beispielsweise einen Magnetkern umfassen.
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Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Drucksensors 10 ist dabei wie folgt:
Sobald aufgrund einer Änderung des ersten Druckes p2 gegenüber dem zweiten Druck p3 das Stellglied 11a bewegt wird, bewegt sich auch in gleicher Weise das magnetische Sensorelement 11b im Bereich der Spule 16 und induziert auf diese Weise eine Spannung L an der Spule 16, die von der Auswerteeinheit 30 erfasst wird. Alternativ kann auch der induzierte Strom erfasst werden. In der Auswerteeinheit 30 ist dabei die Kennlinie der Feder 15 bekannt, so dass der induzierten Spannung L in der Auswerteeinheit 30 eine Auslenkung bzw. Lageänderung des Sensorelementes 11b nach Betrag und Richtung und über die ebenfalls in der Auswerteeinheit 30 bekannte Querschnittsfläche des Stellglieds 11a somit eine Änderung des ersten Druckes p2 nach Betrag und Vorzeichen gegenüber dem Referenzdruckniveau p3 zugeordnet werden kann. Durch eine geeignete Kalibrierung kann dabei einer definierten Position des Sensorelementes 11b initial ein anderweitig gemessener zugeordneter Druckwert des ersten Druckes p2 zugeordnet werden, so dass aufgrund der in der Auswerteeinheit 30 bekannten Kennlinie der Feder 15 und der dort ebenfalls bekannten Querschnitts- bzw. Druckbeaufschlagungsfläche des Stellgliedes 11a jeder Position oder Lage des Sensorelementes 11b und damit des Stellgliedes 11a der zugeordnete Druckwert des ersten Druckes p2 zugeordnet werden kann.
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Im ersten Druckbereich 12 steht das Fluid bzw. Arbeitsmedium unter demselben Druck und derselben Temperatur wie am Eingang 50 des Expanders 60 der Expansionsmaschine 2. Auf diese Weise lässt sich der Druck des Fluides oder Arbeitsmediums des Wärmerückgewinnungskreises 1 am Eingang 50 des Expanders 60 mittels des Drucksensors 10 bestimmen. Das Sensorelement 11b und die Spule 16 bilden somit Mittel zur Lagerückmeldung, die abhängig von der Lageänderung des Stellgliedes 11a die induzierte Spannung L als ein Lagerückmeldungssignal erzeugen.
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Zur Druckmessung wird der Drucksensor 10 wie beschrieben in einem ersten Betriebszustand betrieben.
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Der Vorteil dieser Druckmessung besteht darin, dass der Bereich der Sensorik, also des Sensorelementes 11b und der Spule 16 sowie der Feder 15 vom ersten Druckbereich 12 getrennt ist, so dass die Sensorik weder vom ersten Druck p2 noch von der im ersten Druckbereich 12 herrschenden Temperatur von etwa 400°C beaufschlagt wird. Somit muss die Sensorik nicht für die entsprechenden Drücke und Temperaturen im ersten Druckbereich 12 ausgelegt werden und kann daher weniger aufwändig und kostengünstiger ausgestaltet werden. Nur das Stellglied 11a wird an seiner dem zweiten Druckbereich 13 abgewandten Seite, also nur im ersten Druckbereich 12, vom ersten Druck p2 und der im ersten Druckbereich herrschenden Temperatur beaufschlagt. Im zweiten Druckbereich 13, in dem sich der Kolben 11c, das Sensorelement 11b und die Feder 15 befinden und dem die Spule 16 zugeordnet ist, entspricht der zweite Druck p3 als Referenzdruckniveau in etwa dem Atmosphärendruck in der Größenordnung von 1 bar bzw. dem Druck im nachfolgenden Kondensator 3 und die Temperaturen sind deutlich niedriger als im ersten Druckbereich 12. Insbesondere die Anordnung der Spule 16 in einem im Vergleich zum ersten Druckbereich 12 relativ kühlen Bereich hat nur geringe Temperaturbelastungen zur Folge.
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Im vorliegend beschriebenen Fall erfassen die Mittel 11b, 16 zur Lagerückmeldung die Lageänderung induktiv. Alternativ ist auch eine kapazitive oder piezoelektrische Erfassung der Lageänderung oder eine Erfassung mittels Dehnungsmessstreifen möglich. Im Falle der piezoelektrischen Erfassung der Lageänderung kann die Spule 16 entfallen und die Feder 15 durch einen Piezosensor ersetzt werden, der beispielsweise zwischen der Wand 35 des Gehäuses und dem Sensorelement 11b verspannt ist.
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Gemäß einer vorteilhaften optionalen Weiterbildung der Erfindung weist die Führung 25 im Bereich des Stellglieds 11a eine Durchmessererweiterung 17 auf, insbesondere in Form mindestens einer Nut, vorzugsweise mehrerer Nuten. Durch die Durchmessererweiterung 17 zwischen dem Stellglied 11a und der Führung 25 wird somit ein Erweiterungsraum 40 gebildet, der vorzugsweise immer mit dem zweiten Druckbereich 13 verbunden ist. Demgegenüber ist die Position des Erweiterungsraumes 40 so gewählt, dass bei den zu erwartenden ersten Drücken p2 das Stellglied 11a nicht so weit gegen die Feder 15 gedrückt wird, dass es zu einer Verbindung zwischen dem Entlastungsraum 40 und dem ersten Druckbereich 12 kommt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass in einem Druckmessbetrieb des Drucksensors 10 die Trennung bzw. Abdichtung zwischen dem ersten Druckbereich 12 und dem zweiten Druckbereich 13 aufrechterhalten wird und damit die Druckmessfunktion des Drucksensors 10 gewährleistet ist.
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Gemäß der optionalen Weiterbildung der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, dass im zweiten Druckbereich 13 ein Auslass 21 vorgesehen ist. Der Auslass 21 ist dabei wie in 1 dargestellt und oben beschrieben mit dem Ausgang 55 des Expanders 60 verbunden.
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Weiterhin sind Mittel zur Bestromung S der Spule 16 vorgesehen. Der Einfachheit halber sind diese Mittel Teil der Auswerteeinheit 30, die damit auch Steuerfunktionalität aufweist und mithin als Auswerte- und Steuereinheit ausgebildet ist. Die Mittel zur Bestromung S der Spule 16 können alternativ auch getrennt von der Auswerteeinheit 30 angeordnet sein, jedoch optional ebenfalls als integraler Bestandteil des Drucksensors 10. Im Folgenden soll angenommen werden, dass die Auswerteeinheit 30 als Auswerte- und Steuereinheit ausgebildet ist.
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Die Funktionsweise der Weiterbildung ist wie folgt:
Abhängig von der Ansteuerung bzw. Bestromung S der Spule 16 wird ein Magnetfeld im Bereich der Spule 16 erzeugt, das zu einer Bewegung des magnetischen Sensorelementes 11b in Form des Magnetankers führt. Auf diese Weise lässt sich das Stellglied 11a über den Kolben 11c in unterschiedliche Positionen innerhalb der Führung 25 verschieben. Das Stellglied 11a bildet dabei mit den Nuten einen Schiebesitz. Überfährt aufgrund der Ansteuerung durch die Spule 16 das Stellglied 11a die Nuten 17, dann wird eine hydraulische Verbindung vom ersten Druckbereich 12 zum zweiten Druckbereich 13 geöffnet, und das Arbeitsmedium strömt entlang der Pfeile 22 gemäß 3 vom Einlass 20 zum Auslass 21. Der erste Druck p2 sinkt dann entsprechend in Richtung des zweiten Drucks p3 ab.
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In mindestens einer, jedoch nicht in jeder, vorzugsweise nur in einer, durch die Bestromung S einstellbaren Position des Stellgliedes 11a soll der Erweiterungsraum 40 mit dem ersten Druckbereich 12 und mit dem zweiten Druckbereich 13 verbunden sein. Eine solche Position des Stellgliedes 11a ist in 3 dargestellt. In diesem Fall dichtet das Stellglied 11a nicht mehr den ersten Druckbereich 12 gegen den zweiten Druckbereich 13 ab bzw. trennt die beiden Druckbereiche 12, 13 voneinander. Vielmehr sind die beiden Druckbereiche 12, 13 in diesem Fall miteinander verbunden, so dass ein Druckausgleich stattfindet und der erste Druck p2 sich wie beschrieben dem zweiten Druck p3 annähert. Während der Bestromung S der Spule 16 ist ein Druckmessbetrieb des Drucksensors 10 nicht möglich. Wird jedoch durch Bestromung S der Spule 16 das Stellglied 11a in die Position gemäß der Darstellung nach 3 gebracht, so ist ein Massenstrom des Fluides vom Einlass 20 zum Auslass 21 möglich. Der Drucksensor 10 fungiert in diesem Fall als Bypasskanal zum Expander 60. Die Anordnung aus Spule 16, Feder 15, Sensorelement 11b, Kolben 11c und Stellelement 11a bildet in diesem Fall in der Führung 25 mit Hilfe des Erweiterungsraumes 40 ein elektromagnetisches Bypassventil. Das Bypassventil wird dabei von der Auswerte- und Steuereinheit 30 über eine entsprechende Bestromung der Spule 16 angesteuert.
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Als Bypassventil bzw. Bypasskanal wird der Drucksensor 10 wie beschrieben in einem zweiten Betriebszustand betrieben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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