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Die vorliegende Erfindung betrifft einen hydraulischen Druckmittler und einen Druckaufnehmer mit einem hydraulischen Druckmittler.
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Hydraulische Druckmittler umfassen gewöhnlich einen Grundkörper, der eine Oberfläche aufweist, an dem eine Trennmembran mit zumindest zwei Schweißnähten druckdicht befestigt ist, so dass zwischen der Trennmembran und der Oberfläche eine Druckkammer gebildet wird, die über eine Öffnung in der Oberfläche des Grundkörpers mit einem hydraulischen Pfad kommuniziert. Die Druckkammer und der hydraulische Pfad sind mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt.
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Zur Steuerung eines industriellen Prozesses ist in der Regel die Kenntnis der Prozesstemperatur unerlässlich. Beim Einsatz von hydraulischen Druckmittlern wird die Prozesstemperatur für gewöhnlich durch zwei verschiedene Möglichkeiten miterfasst. Bei der ersten Möglichkeit wird eine Widerstandsänderung eines Widerstandes in dem Druckwandler zur Bestimmung der Prozesstemperatur herangezogen, wohingegen bei der zweiten Möglichkeit ein zu dem Druckwandler separat ausgebildeter Temperaturwandler zur Bestimmung der Prozesstemperatur eingesetzt.
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Insoweit als temperaturabhängige Verformungen der Trennmembranen mit einem Trennmembranfehler bei der Druckmessung einhergehen, ist es für präzise Druckmessungen ebenfalls von grundsätzlichem Interesse, die Temperatur des Druckmittlers im Bereich der Druckkammer bzw. der Trennmembran und somit des Prozesses möglichst genau zu kennen. Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen weisen einen Temperatursensor auf, der entweder neben der Trennmembran angeordnet ist, oder von hinten in den Grundkörper des Druckmittlers eingeführt ist, um die Temperatur des Grundkörpers in der Nähe der Druckkammer zu messen. Diese Sensorpositionen sind grundsätzlich fehlerbehaftet, denn die thermische Masse des Grundkörpers verhindert eine unverzügliche Anpassung der Grundkörpertemperatur an die Temperatur der Übertragungsflüssigkeit in der Druckkammer, die sich bei schnellen Änderungen der Medientemperatur und konvektivem Wärmetransport durch ein strömendes Medium sehr schnell ändern kann.
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Ein neben der Trennmembran angeordneter ggf. medienberührender Temperatursensor erfordert dagegen entweder eine zusätzliche Öffnung im Medienbehälter oder der medienführenden Leitung, durch welche der Temperatursensor eingesetzt werden kann, oder bei gegebener Trennmembranfläche muss der Radius des Grundkörpers um einen solchen Wert vergrößert werden, dass auf dem Rand des Grundkörpers noch Platz für die Montage eines Temperatursensors neben der Trennmembran vorhanden ist.
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Alle zuvor genannten Möglichkeiten weisen allerdings den Nachteil auf, dass eine annährend Echtzeit (englisch „real-time“) Temperaturerfassung nicht möglich ist.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Druckmittler und einen Druckwandler mit einem Druckmittler bereit zu stellen, der die Möglichkeit einer annährend Echtzeit Temperaturmessung bietet.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Druckmittler gemäß des unabhängigen Anspruchs 1 und des Druckwandlers gemäß des unabhängigen Anspruchs 13.
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Der erfindungsgemäße Druckmittler zum Übertragen eines Drucks eines Prozessmediums umfasst:
- einen Grundkörper, der eine Oberfläche aufweist;
- und eine Trennmembran, die an der Oberfläche befestigt ist, wobei zwischen der Trennmembran und der Oberfläche eine Druckkammer gebildet wird, welche über eine Öffnung in der Oberfläche mit einem hydraulischen Pfad kommuniziert, die Trennmembran mit dem Prozessmedium von einer ersten Trennmembranseite beaufschlagbar ist, die Druckkammer und der
- hydraulische Pfad mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt sind, um den Druck des Prozessmediums zu übertragen; die Trennmembran eine plattenförmige Membran mit einem umlaufenden Rand ist und die plattenförmige Membran über eine, vorzugsweise eine einzige umlaufende Schweißnaht druckdicht mit der Oberfläche des Grundkörpers verbunden ist und die Trennmembran einen zentralen Mittenbereich aufweist, wobei der Druckmittler weiterhin einen Temperatursensor zur Bestimmung einer Temperaturmessgröße des Prozessmediums und eine Halterung für den Temperatursensor zur besseren Wärmeübertragung zwischen Prozessmedium und Temperatursensor umfasst, wobei der Temperatursensor zumindest teilweise in die Halterung ein- oder an dieser angebracht ist, wobei die Halterung in dem Grundköper hinter dem Mittenbereich der Trennmembran derartig in eine zentrale Ausnehmung eingebracht und angeordnet ist, dass eine zur Trennmembran gerichtete Fläche der Halterung in einer Ebene zu der Trennmembran im Mittenbereich liegt, sodass die Fläche der Halterung als Anschlagsfläche für die Trennmembran bei einer Druckweinwirkung dient.
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Erfindungsgemäß wird das Einführen einer wärmeleitfähigen Temperatursensorhalterung, bspw. aus Kupfer oder einem ähnlichen Werkstoff, in den Grundkörper hinter der Prozessmembran vorgeschlagen. Der Temperatursensor wird an der Halterung angebracht oder in diese zumindest teilweise eingebracht. Dies kann unterstützend auch mittels eines wärmeleitfähigen Klebers erfolgen. Die Halterung ist dabei derartig ausgeführt, dass die Prozessmembran gleichzeitig auch eine Anschlagsfläche an der Halterung hat, an der sie sich abstützen bzw. anlegen kann, sodass ein unerwünschtes Prägen der Trennmembran, bspw. aufgrund eines prozessseitig hohen Druckes, verhindert wird.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers sieht vor, dass die zentrale Ausnehmung und die Halterung derartig aufeinander abgestimmt sind, dass eine Kontaktfläche mit der die Halterung unmittelbar in Kontakt mit dem Grundkörper ist, kleiner ist, als die Fläche der Halterung, die in einer Ebene zu der Trennmembran im Mittenbereich liegt.
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Eine weiter vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers sieht vor, dass die Halterung aus einem Werkstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit von größer 200 W/(m*K), bevorzugt größer 300 W/(m*K), ganz besonders bevorzugt größer 400 W/(m*K) ausgebildet ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers sieht vor, dass die Halterung aus Kupfer ausgebildet ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers sieht vor, dass die Halterung mit der zur Trennmembran gerichtete Fläche an der Trennmembran, vorzugsweise mittels einer wärmeleitfähigen Kleberschicht, fixiert ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers sieht vor, dass die Halterung einen, vorzugsweise rotationssymmetrischen plattenförmigen Sockel und einen an den Sockel anschließenden, vorzugsweise rotationssymmetrischen zylindrischen Teil mit einer Ausnehmung zur Aufnahme des Temperatursensors umfasst, wobei die Halterung derartig in den Grundkörper eingebracht und angeordnet ist, dass der plattenförmige Sockel in Richtung der Trennmembran orientiert ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers sieht vor, dass die Halterung ferner derartig ausgebildet ist, dass ein Durchmesser des plattenförmigen Sockels größer als ein Durchmesser des zylindrischen Teils ist, sodass ein Überstand entsteht, der als eine Anschlagsfläche für die Halterung dient und wobei der Grundkörper ferner derartig ausgebildet ist, dass die zentrale Ausnehmung an dem der Trennmembran zugewandten Seite eine stufenförmige Öffnung aufweist, die derartig ausgebildet ist, dass eine Auftrittsfläche der stufenförmigen Öffnung als eine Gegenanschlagsfläche für die Anschlagsfläche der Halterung dient.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers sieht vor, dass die Halterung ferner eine Entlüftungsöffnung aufweist, die derartig in der Halterung ausgeführt ist, dass Luft, welche zwischen der Trennmembran und der Fläche der Halterung die als Anschlagsfläche dient, vorzugsweise durch die zentrale Ausnehmung entweichen kann.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers sieht vor, dass der Grundkörper und die Trennmembran jeweils einen metallischen Werkstoff aufweisen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers sieht vor, dass die Halterung mit der zur Trennmembran gerichtete Fläche an der Trennmembran mittels einer wärmeleitfähigen Verbindungsschicht, vorzugsweise einer wärmeleitfähigen Kleberschicht, einer Weichlötverbindungsschicht oder einer wärmeleitfähigen Pastenschicht, verbunden ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers sieht vor, dass die zentrale Ausnehmung durch mehrere Bohrungen mit unterschiedlichen Durchmessern realisiert ist und sich vorzugsweise durch den gesamten Grundkörper erstreckt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers sieht vor, dass ein Zwischenraum zwischen der Halterung und einer Wandung der zentralen Ausnehmung zumindest teilweise mit einem Wärmeisolationsmaterial, vorzugsweise einem anderen Wärmeisolationsmaterial als Luft, gefüllt ist.
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Die Erfindung betrifft weiterhin einen Druckwandler, umfassend:
- einen Druckmittler gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen und eine Druckmesszelle, die über den hydraulischen Pfad des Druckmittlers mit dem Druck des Prozessmediums beaufschlagbar ist, sowie eine elektronische Schaltung, um aus einem Primärsignal der Druckmesszelle ein aufbereitetes druckabhängiges Signal zu erzeugen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Druckwandlers ist vorgehsehen, dass die elektronische Schaltung Mittel zur Verarbeitung der Signale des Temperatursensors für die Temperaturmessgröße umfasst.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Druckwandlers ist vorgehsehen, dass ein Signal des Temperatursensors am Eingang einer Korrekturschaltung zur Korrektur eines Temperaturfehlers des druckabhängigen Signals anliegt.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
- 1: einen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Druckwandler,
- 2: ein Ausschnitt von einem Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Druckmittler, der Teil des Druckwandlers ist,
- 3: eine Detaildarstellung der Halterung, und
- 4: per Simulation ermittelte Daten zur Verdeutlichung des Effekts der Halterung auf die Wärmeübertragung.
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Der in 1 dargestellte Druckwandler umfasst einen, vorzugsweise metallischen, insbesondere einen ein Edelstahl aufweisenden Grundkörper 1 mit einer Oberfläche 2, an der eine scheibenförmige Trennmembran 3 mit einer einzigen umlaufenden äußeren Schweißnaht 36 an ihrem umlaufenden Außenrand 32 befestigt ist, wodurch sich zwischen dem Grundkörper und der Trennmembran 3 eine Druckkammer 4 bildet. Die Trennmembran 3 dieses Ausführungsbeispiels ist exemplarisch als eine flache Scheibe dargestellt. Genauso gut kann die Trennmembran auch ein wellenförmiges Profil aufweisen, d.h. umlaufende Sicken aufweisen. Von der Druckkammer 4 erstreckt sich eine Bohrung durch den Grundkörper 1, umso einen hydraulischen Pfad zu bilden und den Druck zu einem Druckempfänger zu übertragen. Damit der Druck auch entsprechend übertragen werden kann, ist die Druckkammer mit einer Übertragungsflüssigkeit 7, bspw. ein Öl, gefüllt.
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Die bisher beschriebenen Komponenten betreffen mit anderen Worten ein Druckmittlermodul, welches mit einer Druckmesszelle kombiniert ist, um den erfindungsgemäßen Druckwandler zu bilden. Die Druckmesszelle 110 kann beispielsweise einen Trägerkörper 111, an dem eine piezoresistives Druckmesselement 113 befestigt ist umfassen. Das Druckmesselement 113 ist vorzugsweise als Messmembran ausgebildet, die sich durch Einwirken einer Druckdifferenz auslenkt. Die Druckmesszelle 110 kann als Relativ-, Differenzdruck- oder als Absolutdruckmesszelle ausgebildet sein. In der in 1 dargestellten Ausführungsform ist die Druckmesszelle als Relativdruckmesszelle ausgebildet. Hierbei wird über einen im Trägerkörper 111 integrierten Kanal 112 die Druckmesszelle mit dem zu messenden Druck beaufschlagt. Insoweit dient die Druckmesszelle 11 als Druckempfänger des durch den Kanal 112 und eine den Kanal 112 mit der Druckkammer 4 verbindende Bohrung 5 realisierten hydraulischen Pfades.
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Das Primärsignal der Druckmesszelle 110 wird zunächst von einer Schaltung auf einer Platine 14 vorverarbeitet, bevor es weiter aufbereitet und zur Kommunikation über die gängigen Protokolle, beispielsweise 4-20mA oder digitale Feldbusprotokolle aufbereitet wird.
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Der erfindungsgemäße Druckwandler umfasst weiterhin einen Temperatursensor 20, der in einer zentralen Ausnehmung 80, 82 durch den Grundkörper 1 des Druckmittlermoduls bis zur Rückseite 34, d.h. der prozessabgewandten Seite der Trennmembran, eingebracht ist, um die Temperatur des Prozessmediums zu erfassen. Eine zentrale Ausnehmung bedeutet hierbei eine Ausnehmung, die sich entlang einer auf eine Außenkontur des Grundkörpers bezogene Rotationsachse erstreckt. Die zentrale Ausnehmung kann beispielsweise durch ein oder mehrere Bohrungen realisiert sein. In dem in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die zentrale Ausnehmung durch mehrere Bohrungen entlang der Mittelachse des Grundkörpers realisiert.
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Das Primärsignal des Temperatursensors 20, beispielsweise ein PT1.000 Sensor, wird über elektrische Leitungen 17 der Platine 14 zugeführt um als Messsignal aufbereitet werden und gegebenenfalls zur Kompensation des Primärsignal des Drucksensors herangezogen zu werden.
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Dadurch, dass der Temperatursensor 20 durch den Grundkörper 1 des Druckmittlermoduls bis zur Rückseite eingebracht ist und somit nicht in direkten Kontakt mit dem Prozessmedium steht, können Verschmutzung des Mediums durch den Temperatursensor 20, die Korrosion des Temperatursensors sowie eine Wechselwirkung zwischen dem Medium und dem Temperatursensor 20 ausgeschlossen werden. Ein derartiger Aufbau eignet sich insbesondere für hygienische Anwendungen und/oder bei aggressiven Chemikalien.
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Um schnelle Temperaturänderungen des Prozessmediums zuverlässig feststellen zu können, ist der Temperatursensor 20 erfindungsgemäß über eine Halterung 130, die den Temperatursensor 20 zumindest teilweise aufnimmt bzw. einschließt, auf der Rückseite der Trennmembran 3 eingebracht. Die Halterung 130 ist aus einem besonders guten wärmeleitfähigen Werkstoff hergestellt. Beispielsweise kann die Halterung 130 aus einem Werkstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit größer 200 [W/(m*K)], bevorzugt größer 300 [W/(m*K)], ganz besonders bevorzugt größer 400 [W/(m*K)] ausgebildet sein. Als besonders bevorzugter Werkstoff für die Halterung 130 hat sich Kupfer aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit herausgestellt.
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Um einen noch besseren Wärmeübertrag zu erzielen, kann die Halterung 130 mit der zu der Trennmembran gerichteten Fläche 133 über eine wärmeleitfähige Verbindungsschicht 15 mit der Rückseite der Trennmembran 34 verbunden sein.
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Die Halterung 130 kann rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Halterung 130 einen im Wesentlichen rotationssymmetrischen plattenförmigen Sockel 131 und einen zylindrischen Teil 132 umfassen. Der zylindrische Teil 132 schließt vorzugsweise mittig an den plattenförmigen Sockel 131 an. Anders ausgedrückt, die Halterung kann im Querschnitt eine weitgehend T-förmige Außenkontur aufweisen.
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Der zylindrische Teil der Halterung 132 weist eine Ausnehmung 136 zur Aufnahme des Temperatursensors auf. Die Ausnehmung 136 erstreckt sich von dem, dem plattenförmigen Sockel gegenüberliegenden Ende der Halterung bis zu einer definierten Tiefe T. Beispielsweise kann sich die Ausnehmung 136 bis zu dem plattenförmigen Sockel erstrecken. Die Ausnehmung 136 kann beispielsweise durch eine Bohrung realisiert sein. Der Temperatursensor 20 kann mittels eines wärmeleitfähigen Klebers in der Ausnehmung fixiert sein.
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Die Halterung 130 ist ferner derartig ausgebildet, dass ein Durchmesser des plattenförmigen Sockels D1 größer als ein Durchmesser des zylindrischen Teils D2 ist. Durch den Überstand des plattenförmigen Sockels 131 kann eine Anschlagsfläche 134 definiert werden, mit der die Halterung 130 bis zu einer im Grundkörper ausgebildeten Gegenanschlagsfläche 11 in den Grundkörper einführbar ist. Die Gegenanschlagsfläche 11 kann beispielsweise durch eine stufenförmige Öffnung 83 der zentralen Ausnehmung, auf der der Trennmembran zugewandten Seite, realisiert sein, wobei eine Auftrittsfläche als Gegenanschlagsfläche dient. In 3 ist die stufenförmige Öffnung durch einen Kreis gekennzeichnet.
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Die zentrale Ausnehmung 80, 82 und die Halterung 130 sind ferner derartig aufeinander abgestimmt, dass eine Kontaktfläche mit der die Halterung unmittelbar in Kontakt mit dem Grundkörper ist, kleiner ist, als die Fläche der Halterung, die in einer Ebene zu der Trennmembran im Mittenbereich liegt. In dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Kontaktfläche also die Gegenanschlagsfläche 11 sowie die senkrecht dazu verlaufenden Seitenfläche 12 der stufenförmigen Öffnung.
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Ergänzend kann die Halterung 130 eine Entlüftungsöffnung 135, bspw. in Form einer Bohrung, aufweisen. Die Entlüftungsöffnung 135 ist derartig in der Halterung 130 ausgeführt, dass Luft aus einem sich zwischen der Trennmembran und dem plattenförmigen Sockel ergebenden Luftspalt beim Befüllvorgang des Druckmittlers, welcher üblicherweise im Vakuum erfolgt, durch die Entlüftungsöffnung 135 entweichen kann.
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Die Trennmembran 3 weist vorzugsweise eine sehr geringe Stärke im Bereich von ca. 20-60 µm auf, sodass durch den Temperatursensor 20 annäherungsweise Echtzeitschwankungen der Temperatur des Prozessmediums erfasst werden können. Um den Temperatursensor 20 von der Übertragungsflüssigkeit thermisch zu entkoppeln, ist die Trennmembran 3 um einen Mittenbereich 12 herum mit dem Grundköper gefugt. Dies kann beispielsweise durch eine umlaufende Schweißnaht erfolgen. In 1 und 2 ist die umlaufende Schweißnaht durch zwei Dreiecke und mit dem Bezugszeichen 35 angedeutet. Alternativ kann die umlaufende Fügung auch durch eine umlaufende Klebeverbindung 13 erfolgen.
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Um den Temperatursensor 20 von dem Grundkörper 1 thermische zu entkoppeln, befindet sich ein Wärmeisolationsmaterial 9 in einem Zwischenraum zwischen der Wandung der zentralen Ausnehmung 81 und dem Temperatursensor 20. Das Wärmeisolationsmaterial kann dabei Luft sein. Alternativ kann ein wärmeisolierendes Gel eingebracht sein. Bei dem wärmeisolierenden Gel kann es sich beispielsweise um ein Silicongel handeln, z.B. SilGel 612 der Firma Wacker Chemie AG.
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4 zeigt per Simulation ermittelte Daten zum Verdeutlichen des Effekts der Halterung auf die Wärmeleitung zwischen Prozessmedium und Temperatursensor. Hierzu der Temperaturverlauf des Temperatursensors eines erfindungsgemäß ausgebildeten Druckmittlers mit dem Temperaturverlauf eines Temperatursensors eines Druckmittlers bei dem der Temperatursensor ohne Halterung an der Trennmembran fixiert ist. Aus 4 wird ersichtlich, dass der Temperatursensor der mit der Halterung in den Druckmittler (in der Messkurve gekennzeichnet durch die Linie mit ausgefüllten Rechtecken) eingebracht ist, schneller den Temperatursollwert (in der Messkurve gekennzeichnet durch die Linie mit nicht ausgefüllten Kreisen) erreicht als ein Temperatursensor der ohne Halterung in den Druckmittler (in der Messkurve gekennzeichnet durch die Linie mit ausgefüllten Kreise) eingebracht ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Grundkörper
- 11
- Gegenanschlagsfläche für die Halterung bzw. Auftrittsfläche der stufenförmigen Öffnung
- 12
- Seitenfläche der stufenförmigen Öffnung
- 2
- Oberfläche
- 3
- Trennmembran
- 32
- Umlaufender Rand
- 33
- Erste Seite bzw. Vorderseite der Trennmembran
- 34
- Zweite Seite bzw. Rückseite der Trennmembran
- 35
- Umlaufende innere Schweißnaht
- 36
- Umlaufende äußere Schweißnaht
- 4
- Druckkammer
- 5
- Hydraulischer Pfad
- 6
- Zwischenraum
- 7
- Übertragungsflüssigkeit
- 80
- Erste Bohrung
- 81
- Wandung der ersten Bohrung
- 82
- Zweite Bohrung
- 83
- Stufenförmige Öffnung
- 9
- Wärmeisolationsmaterial, z.B. Luft
- 110
- Druckmesszelle
- 111
- Trägerkörper
- 112
- Kanal
- 113
- Druckmesselement, z.B. in Form einer durch Druck auslenkbaren Messmembran
- 12
- Mittenbereich
- 130
- Halterung
- 131
- Sockel der Halterung
- 132
- Zylindrischer Teil der Halterung
- 133
- Fläche die zu der Trennmembran gerichtet ist
- 134
- Anschlagsfläche der Halterung
- 135
- Entlüftungsloch
- 136
- Ausnehmung zur Aufnahme des Temperatursensors
- 14
- Elektronische Schaltung
- 15
- Wärmeleitfähige Verbindungsschicht
- 16
- Leiterplatte mit Korrekturschaltung
- 17
- Elektrische Leitungen
- 18
- Rotationsachse
- 20
- Temperatursensor
- D1
- Durchmesser des plattenförmigen Sockels der Halterung
- D2
- Durchmesser des zylindrischen Teils der Halterung
- T
- Tiefe der Ausnehmung zur Aufnahme des Temperatursensors
