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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor zum Messen des Drucks in einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors.
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Ein solcher Drucksensor wird in den Abgassystemen von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren verwendet. Er kann beispielsweise verwendet werden, um einen Druckunterschied oder zwei absolute Druckwerte an zwei verschiedenen Stellen einer Abgasleitung, wie beispielsweise vor und nach einem Partikelfilter, zu messen.
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Beispielsweise kann dieser Drucksensor in einem Abgasrückführungssystem EGR (Exhaust Gas Recirculation) verwendet werden. Er kann auch in einem System DPF (Diesel Particulate Filter) oder GPF (Gasoline Particulate Filter) verwendet werden, um zu überprüfen, ob die Schläuche sauber sind, und sich zu vergewissern, dass es keine Leckagen in diesen letztgenannten gibt, d.h. dass sie nicht beschädigt sind.
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Aus dem Stand der Technik sind Differentialdrucksensoren bekannt, umfassend ein Schutzgehäuse, das einen Hohlraum aufweist, in dem eine gedruckte Keramikschaltung (PCB) angeordnet ist, auf der ein druckempfindliches Element montiert ist.
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Die die gedruckte Keramikschaltung umfasst eine Öffnung, die durch das druckempfindliche Element geschlossen ist, und Elektronikkomponenten, die elektrisch an das druckempfindliche Element angeschlossen sind.
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Das Schutzgehäuse umfasst einen ersten Druckeingang, der mit einer ersten Fläche des druckempfindlichen Elements in Verbindung steht, und einen zweiten Druckeingang, der mit einer zweiten Fläche des druckempfindlichen Elements in Verbindung steht. Diese zwei Flächen des druckempfindlichen Elements sind hermetisch isoliert.
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Das druckempfindliche Element ist mit den Abgasen in Kontakt, die eine heiße und saure Umgebung darstellen, welche die Oberfläche des druckempfindlichen Elements beschädigen und verschmutzen kann. Zum Schutz dieser Oberfläche ist daher ein Gel vorgesehen.
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Die Drucksensoren des Standes der Technik umfassen eine gedruckte Keramikschaltung, da dieses letztgenannte dieser aggressiven Umgebung standhält.
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Der Drucksensor umfasst einen Stecker, um ihn an eine elektronische Kontrollvorrichtung anzuschließen. Die gedruckte Keramikschaltung ist mit den elektrischen Kontakten dieses Steckers mit Hilfe von elektrischen Verbindungen verbunden. Diese elektrischen Verbindungen sind von dem druckempfindlichen Element durch eine Schutzwand getrennt, um sie vor der aggressiven Umgebung zu schützen.
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Weitere Drucksensoren des Standes der Technik umfassen als Alternative ein Gel, das die elektrischen Verbindungen bedeckt, um sie vor der aggressiven Umgebung zu schützen.
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Dieser Typ von Drucksensor, umfassend ein einziges druckempfindliches Element, ist interessant, da er einen geringen Platzbedarf aufweist.
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Um allerdings Kontrollen in den Systemen DPF/GPF durchzuführen, ist es notwendig, einen Drucksensor zu verwenden, der mindestens zwei druckempfindliche Elemente umfasst, um entweder Differentialdruckmessungen durchzuführe, die zwei druckempfindliche Elemente erfordern, oder Absolutdruckmessungen, die drei druckempfindliche Elemente erfordern.
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Das Problem mit den Drucksensoren des Standes der Technik, die mehrere druckempfindliche Elemente umfassen, besteht darin, dass sie zwei getrennte Keramikträger umfassen. Sie haben somit einen großen Platzbedarf, da sie Abmessungen von ungefähr 60 x 45 mm (ohne Stecker und Druckspeicher) aufweisen.
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Aufgabe der Erfindung ist es somit, diese Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, wobei sie einen Drucksensor vorschlägt, umfassend mindestens zwei druckempfindliche Elemente, die kompakter als jene des Standes der Technik und genauso beständig gegen die Aggressionen des zu messenden Mediums sind.
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Die Erfindung betrifft einen Drucksensor zum Messen des Drucks in einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors, umfassend:
- - eine gedruckte Schaltung, umfassend mindestens ein erstes druckempfindliches Element, das elektrisch an die gedruckte Schaltung angeschlossen ist, und
- - ein Schutzgehäuse, in dem die gedruckte Schaltung angeordnet ist. Das Schutzgehäuse umfasst mindestens einen Hohlraum, in dem das erste druckempfindliche Element angeordnet ist. Das Schutzgehäuse umfasst mindestens einen ersten Druckeingang, der mit dem ersten druckempfindlichen Element in Fluidverbindung steht.
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Erfindungsgemäß ist die gedruckte Schaltung eine gedruckte Schaltung aus Epoxidharz, umfassend mindestens ein zweites druckempfindliches Element. Der Drucksensor umfasst ein festes Material, das teilweise den Hohlraum des Schutzgehäuses füllt und die gedruckte Schaltung umgibt, um ihre Außenfläche vor den Abgasen zu schützen.
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Vorzugsweise ist das feste Material ein Epoxidharz.
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Nach einer ersten Ausführungsart umfasst die gedruckte Schaltung zwei druckempfindliche Elemente, darunter ein erstes druckempfindliches Element und ein zweites druckempfindliches Element, die in einem einzigen Hohlraum angeordnet sind.
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Als Variante sind die zwei druckempfindlichen Elemente druckempfindliche Elemente, die einen Differentialdruck messen. Das Schutzgehäuse umfasst den ersten Druckeingang, der mit der Unterseite des ersten druckempfindlichen Elements verbunden ist, und einen zweiten Druckeingang, der mit der Unterseite des zweiten druckempfindlichen Elements verbunden ist. Das erste und das zweite druckempfindliche Element umfassen jeweils eine Oberseite, die nicht mit dem festen Material bedeckt ist und mit einem zweiten Druckeingang über den einzigen Hohlraum in Fluidverbindung steht.
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Nach einer zweiten Ausführungsart umfasst die gedruckte Schaltung drei druckempfindliche Elemente, darunter ein erstes druckempfindliches Element, das in einem ersten Hohlraum angeordnet ist, ein zweites druckempfindliches Element, das in einem zweiten Hohlraum angeordnet ist, und ein drittes druckempfindliches Element, das in einem dritten Hohlraum angeordnet ist. Die drei Hohlräume sind voneinander getrennt und hermetisch isoliert.
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Als Variante sind die drei druckempfindlichen Elemente druckempfindliche Elemente, die absolute Druckwerte messen.
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Als Variante umfasst das erste druckempfindliche Element eine Oberseite, die mit einem ersten Druckeingang in Fluidverbindung steht, um einen Luftdruck Patm zu messen. Das zweite druckempfindliche Element umfasst eine Oberseite, die mit einem zweiten Druckeingang in Fluidverbindung steht, um einen ersten Druck P1 in dem Abgassystem zu messen. Und das dritte druckempfindliche Element umfasst eine Oberseite, die mit einem dritten Druckeingang in Fluidverbindung steht, um einen zweiten Druck P2 in dem Abgassystem zu messen.
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Als Variante umfasst das Schutzgehäuse eine erste Wand, die den ersten Hohlraum und den zweiten Hohlraum trennt, und eine zweite Wand, die den zweiten Hohlraum vom dritten Hohlraum trennt. Die gedruckte Schaltung erstreckt sich in den drei Hohlräumen, wobei sie die erste Wand und die zweite Wand durchquert.
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Als Variante füllt das feste Material teilweise jeden der drei Hohlräume des Schutzgehäuses, um die gedruckte Schaltung in jedem der drei Hohlräume zu umgeben.
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Als Variante umfasst das Schutzgehäuse eine Abdeckung, die den oder die Hohlräume verschließt.
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Die Erfindung liefert somit einen Drucksensor, umfassend mindestens zwei druckempfindliche Elemente, die weniger Platzbedarf haben als jene des Standes der Technik.
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Mehrere Druck-Chipsensoren (druckempfindliche Elemente) sind auf einer einzigen gedruckten Schaltung integriert, um Gegensatz zu den bekannten Drucksensoren, die zwei Keramikträger und nicht nur einen umfassen.
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Es ist möglich, zumindest zwei Druckwerte mit einer selben gedruckten Schaltung zu messen.
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Dieser Drucksensor ermöglicht es, denselben Platzbedarf wie die Differentialdrucksensoren, die nur ein druckempfindliches Element (Differentialchip) oder zwei druckempfindliche Elemente (Chips für absoluten Druck) enthalten, zu garantieren.
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Die Abmessungen des Drucksensors sind ungefähr 39 x 22 mm, d.h. zweimal kleiner als die Abmessungen der bekannten Sensoren, die ungefähr 60 x 45 mm sind, wobei er im Hinblick auf Präzision und chemische Beständigkeit genauso leistungsfähig ist.
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Ein weiterer Vorteil im Vergleich mit den bekannten Sensoren besteht in der Verwendung eines Epoxidharzes in Kombination mit einer gedruckten Schaltung aus Epoxidharz.
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Das Epoxidharz weist einen sehr geringen Wärmedehnungskoeffizienten (< 20 ppm/°K) auf, der es ermöglicht, ein sehr stabiles Produkt (gute Präzision der Druckmessung) und einen ausgezeichneten Schutz gegen die chemischen Angriffe zu erhalten.
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Dieser Drucksensor ist somit beständiger gegen die äußere Umgebung, die aus Abgasen besteht, und in der die Druckmessungen durchgeführt werden.
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Ferner ist eine gedruckte Schaltung aus Epoxidharz des Typs FR4 weniger teuer als eine gedruckte Schaltung aus Keramik.
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Dieser Drucksensor ermöglicht es zu überprüfen, ob das System DPF/GPF sauber ist, und sich zu vergewissern, dass es keine Leckagen in den Schläuchen gibt, im Gegensatz zu den anderen bekannten Differentialdrucksensoren, die nur ein einziges druckempfindliches Element umfassen, das einen Differentialdruck miss, oder jenen, die nur zwei druckempfindliche Elemente umfassen, die zwei absolute Druckwerte messen.
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Die Erfindung ermöglicht es somit, in ein herkömmliches Schutzgehäuse mit kleinen Abmessungen zusätzliche Chips für Differential- oder Absolutdruck zu integrieren.
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Die Merkmale der Erfindung sind detaillierter unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
- - 1 eine schematische Darstellung eines Drucksensors nach einer ersten Ausführungsart der Erfindung ist;
- - 2 eine schematische Darstellung eines Drucksensors nach einer zweiten Ausführungsart der Erfindung ist;
- - 3 eine schematische Darstellung eines Beispiels für eine Montage eines druckempfindlichen Elements auf einer gedruckten Schaltung nach der ersten Ausführungsart ist.
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1 stellt schematisch einen Drucksensor 1 zum Messen eines Druckunterschieds in einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors nach einer ersten Ausführungsart der Erfindung dar.
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Dieser Drucksensor 1 umfasst eine gedruckte Schaltung 3, umfassend ein erstes druckempfindliches Element 2a und ein zweites druckempfindliches Element 2b, die elektrisch an die gedruckte Schaltung 3 angeschlossen sind.
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Der Drucksensor 1 umfasst auch ein Schutzgehäuse 4, in dem die gedruckte Schaltung 3 angeordnet ist.
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Das Schutzgehäuse 4 umfasst mindestens einen Hohlraum 5, 5a, 5b, 5c, in dem das erste druckempfindliche Element 2a angeordnet ist.
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In dem Beispiel der 1 sind die gedruckte Schaltung 3, das erste druckempfindliche Element 2a und das zweite druckempfindliche Element 2b in einem einzigen Hohlraum 5 angeordnet.
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Die zwei druckempfindlichen Elemente 2a, 2b sind druckempfindliche Elemente, die einen Differentialdruck messen.
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Das Schutzgehäuse 4 umfasst einen ersten Druckeingang 6a, der mit der Innenfläche 9a des ersten druckempfindlichen Elements 2a verbunden ist, und einen zweiten Druckeingang 6b, der mit der Innenseite 9b des zweiten druckempfindlichen Elements 2b verbunden ist.
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Das erste 2a und das zweite druckempfindliche Element 2b umfassen jeweils eine Oberseite 10a, 10b, die mit einem zweiten Druckeingang 11 über den einzigen Hohlraum 7 in Fluidverbindung steht.
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Zum Beispiel ist die Innenfläche 9a des ersten druckempfindlichen Elements 2a mit einem Medium mit einem Druck P2 in Kontakt.
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Die Innenfläche 9b des zweiten druckempfindlichen Elements 2b ist mit einem mit dem Luftdruck Patm verbundenen Medium in Kontakt.
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Die Oberseiten 10a, 10b des ersten 2a und des zweiten druckempfindlichen Elements 2b sind mit einem Medium mit einem Druck P1 in Fluidverbindung, wobei P1 größer als P2 ist.
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Der Drucksensor 1 ermöglicht es, Differentialdruckwerte unter 1,4 kPa in einem Temperaturbereich zwischen -40 °C und 140 °C und unter 0,8 kPa in einem Temperaturbereich zwischen 0 °C und 85 °C zu messen.
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Erfindungsgemäß ist die gedruckte Schaltung 3 eine gedruckte Schaltung aus Epoxidharz.
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Der Drucksensor 1 umfasst ein festes Material 7, das teilweise den einzigen Hohlraum 5 des Schutzgehäuses 4 füllt und die gedruckte Schaltung 3 umgibt, um ihre Außenfläche 8 vor den Abgasen zu schützen.
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Die Oberseite 10a des ersten druckempfindlichen Elements 2a und die Oberseite 10b des zweiten druckempfindlichen Elements 2b sind nicht von dem festen Material 7 bedeckt.
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Die gedruckte Schaltung 3 umfasst Elektronikkomponenten, die elektrisch an die druckempfindlichen Elemente 2a, 2b mit Hilfe von elektrischen Anschlüssen (nicht dargestellt) angeschlossen sind.
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Die gedruckte Schaltung 3 ist vorzugsweise eine gedruckte Schaltung, die gemeinhin FR4 PCB („Flamme Resistant 4 Printed Circuit Board“) genannt wird, die ein mit Glasfaser verstärkter Epoxidharz-Verbundstoff ist.
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Das feste Material 7 ist auch ein Epoxidharz.
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3 stellt ein Beispiel einer möglichen Montage eines der druckempfindlichen Elemente 2a, 2b auf einer gedruckten Schaltung 3 dar. Zur Vereinfachung ist nur ein druckempfindliches Element 2a dargestellt.
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Die gedruckte Schaltung 3 aus Epoxidharz umfasst eine Öffnung 12, die durch das erste druckempfindliche Element 2a verschlossen ist.
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Der Drucksensor 1 umfasst einen Träger eines druckempfindlichen Elements 15, umfassend eine Hülle 16, die von der gedruckten Schaltung 3 getragen wird. Die Hülle 16 weist beispielsweise einen kreisförmigen oder viereckigen Querschnitt auf.
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Die Hülle 16 umfasst eine obere Öffnung 17 und eine untere Öffnung 18, die durch das erste druckempfindliche Element 2a verschlossen ist. Das erste druckempfindliche Element 2a ist innerhalb der Hülle 16 angeordnet und verschließt die untere Öffnung 18.
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Die untere Öffnung 18 der Hülle 16 ist durch ein Rohr 19 verlängert, das hermetisch dicht in die Öffnung 12 der gedruckten Schaltung 3 eingesetzt ist.
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Das Rohr 19 verlängert sich teilweise durch das feste Material 7 und durchquert es nicht vollständig.
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Das feste Material 7 umgibt die Hülle 16 und erstreckt sich bis in die Nähe ihrer oberen Öffnung 17, um sie nicht zu verschließen.
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Das erste druckempfindliche Element 2a ist auf einem Träger 25 montiert, der mit einer zentralen Öffnung 26 versehen ist, die mit dem Inneren des Rohrs 19 in Verbindung steht. Das Rohr 19 ist durch ein zweites Rohr 21 mit einem größeren Durchmesser verlängert.
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Die Hülle 16 des Trägers eines druckempfindlichen Elements 15 enthält ein Gel 20, um die Oberseite 10a des ersten druckempfindlichen Elements 2a zu schützen.
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Der Drucksensor 1 umfasst einen Stecker, um ihn mit einer externen elektronischen Kontrollvorrichtung (nicht dargestellt) zu verbinden. Die gedruckte Schaltung 3 ist mit elektrischen Kontakten dieses Steckers mit Hilfe von elektrischen Verbindungen 28 verbunden, die mit dem festen Material 7 bedeckt sind. Dies ermöglicht es, die elektrischen Kontakte gleichzeitig mit der gedruckten Schaltung 3 durch dasselbe feste Material 7 zu schützen, wobei die Verwendung einer Schutzwand oder eines Gels auf den elektrischen Kontakten vermieden wird.
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Der Drucksensor 1 umfasst zwei Befestigungslaschen 27, die es ermöglichen, den Träger eines druckempfindlichen Elements 15 an der gedruckten Schaltung 3 zu befestigen.
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Der Drucksensor 1 umfasst zwei elektrische Stecker 14, die das erste druckempfindliche Element 2a mit der gedruckten Schaltung 3 verbinden.
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Das Schutzgehäuse 6 umfasst eine Abdeckung 12, die den einzigen Hohlraum 5 verschließt, wie in 1 dargestellt.
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Nach einer möglichen Ausführungsart ist die Abdeckung 12 auf das übrige Schutzgehäuse 6 durch Ultraschallschweißen, das eine Schweißfuge 13 erzeugt, geschweißt.
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Nach einer möglichen Variante (nicht dargestellt) misst das zweite druckempfindliche Element 2b keinen Differentialdruck, sondern einen absoluten Luftdruck Patm, was eine bessere Präzision als die Verwendung von zwei druckempfindlichen Elementen 2a, 2b, die zwei absolute Druckwerte messen (Chips für absoluten Druck), garantiert. Das ist besonders vorteilhaft für eine Anwendung in einem System DPF/GPF.
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2 ist eine schematische Darstellung eines Drucksensors 1 nach einer zweiten Ausführungsart der Erfindung.
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Die gedruckte Schaltung 3 dieses Drucksensors 1 umfasst drei druckempfindliche Elemente 2a, 2b, 2c, darunter ein erstes druckempfindliches Element 2a, das in einem ersten Hohlraum 5a angeordnet ist, ein zweites druckempfindliches Element 2b, das in einem zweiten Hohlraum 5b angeordnet ist, und ein drittes druckempfindliches Element 2c, das in einem dritten Hohlraum 5c angeordnet ist.
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Das Schutzgehäuse 4 umfasst somit drei getrennte Hohlräume 5a, 5b, 5c.
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Die drei Hohlräume 5a, 5b, 5c sind getrennt und hermetisch voneinander isoliert.
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Die drei druckempfindlichen Elemente 2a, 2b, 2c sind druckempfindliche Elemente, die absolute Druckwerte messen.
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Das erste druckempfindliche Element 2a umfasst eine Oberseite 10a, die mit einem ersten Druckeingang 6a in Fluidverbindung steht, um einen Luftdruck Patm zu messen.
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Das zweite druckempfindliche Element 2b umfasst eine Oberseite 10b, die mit einem zweiten Druckeingang 6b in Fluidverbindung steht, um einen ersten Druck P1 in dem Abgassystem zu messen.
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Das dritte druckempfindliche Element 2c umfasst eine Oberseite 10c, die mit einem dritten Druckeingang 6c in Fluidverbindung steht, um einen zweiten Druck P2 in dem Abgassystem zu messen.
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Der Drucksensor 1 ermöglicht es, absolute Druckwerte unter 1,6 kPa in einem Temperaturbereich zwischen -40 °C und 140 °C und unter 1,2 kPa in einem Temperaturbereich zwischen 0 °C und 85 °C zu messen.
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Das Schutzgehäuse 4 umfasst eine erste Wand 22, die den ersten Hohlraum 5a vom zweiten Hohlraum 5b trennt, und eine zweite Wand 23, die den zweiten Hohlraum 5b vom dritten Hohlraum 5c trennt.
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Die gedruckte Schaltung 3 erstreckt sich in den drei Hohlräumen 5a, 5b, 5c, wobei sie die erste Wand 22 und die zweite Wand 23 durchquert.
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Wie bei der ersten Ausführungsart, ist die gedruckte Schaltung 3 eine gedruckte Schaltung aus Epoxidharz.
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Der Drucksensor 1 umfasst ein festes Material 7, das jeden der drei Hohlräume 5a, 5b, 5c des Schutzgehäuses 4 teilweise füllt und die gedruckte Schaltung 3 umgibt, um seine Außenfläche 8 vor den Abgasen zu schützen.
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Die Oberseite 10a des ersten druckempfindlichen Elements 2a, die Oberseite 10b des zweiten druckempfindlichen Elements 2b und die Oberseite 10c des dritten druckempfindlichen Elements 2c sind nicht von dem festen Material 7 bedeckt.
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Die gedruckte Schaltung 3 umfasst Elektronikkomponenten, die elektrisch an die druckempfindlichen Elemente 2a, 2b, 2c mit Hilfe von elektrischen Anschlüssen (nicht dargestellt) angeschlossen sind.
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Die gedruckte Schaltung 3 ist vorzugsweise eine gedruckte Schaltung, die gemeinhin FR4 PCB („Flamme Resistant 4 Printed Circuit Board“) genannt wird, die ein mit Glasfaser verstärkter Verbundstoff aus Epoxidharz ist.
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Das feste Material 7 ist ebenfalls ein Epoxidharz.
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Unabhängig von der Ausführungsart ist die gedruckte Schaltung 3 mit einem elektrischen Stecker (nicht dargestellt) über die elektrische Verbindung 28 verbunden.
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Unabhängig von der Ausführungsart umfasst jedes druckempfindliche Element 2a, 2b, 2c, gemeinhin „Druckchip“ oder „Chip“ genannt, eine integrierte Schaltung.
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Das Messen von Differentialdruckwerten nach der ersten Ausführungsart garantiert eine bessere Präzision im Vergleich mit der zweiten Ausführungsart, die drei druckempfindliche Elemente verwendet, die absolute Druckwerte messen (oder Chips für absoluten Druck). Das Messen von Differentialdruckwerten ist besonders vorteilhaft für das Messen der Druckwerte in den Systemen DPF/GPF.
