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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen Drucksensor zur statischen und/oder dynamischen Druckmessung,
mit einer Druckmesszelle, die eine sich über einem Grundkörper erstreckende
Membran aufweist, wobei eine Messseite der Membran, die dem Grundkörper gegenüber liegt,
mit einem Medium gekoppelt ist, dessen Druck gemessen werden soll,
wobei eine Auslenkung der Membran durch den zu messenden Druck verursacht
wird und wobei die Auslenkung mittels eines elektromechanischen Wandlers,
insbesondere mittels eines DMS (Dehnungsmessstreifen), der an der
Membran angebracht ist, erfassbar ist, und mit einem Anschlagselement
zum Schutz vor Überlastdruck.
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Der Drucksensor der vorliegenden
Erfindung kann mit abrasiven Medien eingesetzt werden, wie sie z.B.
bei der Betonverarbeitung in Betonpumpen oder bei Tunnelbohrmaschinen,
Pfahlbohrmaschinen oder Schlitzfräsen auftreten. Abrasive (verschleißende) Medien
enthalten in der Regel Partikel, die typischerweise hart sind, wobei
die Abrasionsenergie mit zunehmender Korngröße zunimmt. Je schneller sich die
Partikel bewegen, desto größer wird
die Abrasion. Ein Verschleiß kann
zum Ausfall von Bauteilen führen.
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Im Stand der Technik sind Drucksensoren, Druckaufnehmer
und Druckmessfühler
allgemein bekannt. Ein Drucksensor erfasst bei einer Druckmessung
entweder den Druck direkt oder Druckunterschiede und wandelt diesen
bzw. diese in elektrische Signale um. Neben Druckmessdosen, die
mit Dehnungsmessstreifen (DMS) oder kapazitiv, d.h. über die Änderung
des Luftspaltes zwischen zwei Kondensatorplatten, bzw. induktiv
arbeiten, d.h. Übertragung
einer Membrandurchbiegung auf einen Tauchanker einer Spule, kennt
man auch piezoelektrische Drucksensoren, die den piezoelektrischen
Effekt ausnutzen, und auf dem piezoresistiven Effekt beruhende Halbleiterdrucksensoren.
Bei einem Halbleiterdrucksensor sind z.B. vier p-dotierte Piezowiderstände in Form
einer Wheatstone-Brücke
in eine n-dotierte Siliziummembran eindiffundiert oder implantiert,
die ihren elektrischen Widerstand bei Verformung ändern. Dadurch ändert sich
in Abhängigkeit von
dem auf die Membran wirkenden Druck die an der Brücke gemessene
Spannung.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen Drucksensor, der zur Gruppe der Druckmessdosen zu zählen ist,
die mit DMS arbeiten. Das Problem eines solchen Sensors ist u.a.
die Überlastfähigkeit.
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DMS-Drucksensoren weisen üblicherweise eine
zylindrische Druckmesszelle auf, die aus einem Grundkörper und
einer Membran besteht, die durch ein Verbindungsmaterial, z.B. ein
Hartlot in einem definierten Abstand voneinander gehalten und miteinander
hermetisch dicht verbunden sind. An der Innenfläche der Membran können DMS
angebracht sein. Der ohmsche Widerstandswert der DMS-Widerstände ist
von der Durchbiegung der Membran abhängig und stellt somit ein Maß für den an
der Membran anliegenden Druck dar. Bei derartigen Drucksensoren
hat der Grundkörper
in der Regel eine topfförmige
Gestalt, so dass sich die Membran auf der dem Medium, dessen Druck
gemessen werden soll, abgewandten Seite des Grundkörpers befindet.
Der Boden des Topfes wird von der Membran gebildet.
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Unabhängig von der Art des Messprinzips besteht
bei den bekannten Drucksensoren das Problem, dass die Membran bei Überlastdruck,
d.h. Überdrücken, mechanisch
beschädigt
werden kann. Beschädigungen
treten insbesondere dann auf, wenn Schläge oder Drücke nicht zentrisch auf die Membran
aufgebracht werden, wie z.B. durch größere Steine in einem Betongemisch.
Ferner kann es zu einer nachteiligen Verschiebung des Nullpunkts
des Sensors kommen.
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Eine bekannte praktische Lösung dieses Problems
ist es, die Dicke der Membran entsprechend zu vergrößern. Da
der Berstdruck, d.h. der Druck, bei dem die Membran mechanisch zerstört wird,
u.a. von der Dicke der Membran abhängt, kann durch eine Erhöhung der
Dicke der Membran der maximale Berstdruck auf einfache Art und Weise
ebenfalls erhöht
werden. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass mit der Erhöhung der
Dicke der Membran gleichzeitig die Auslenkung der Membran bei Nenndruck,
d.h. bei dem von dem Drucksensor zu messenden Druck des Mediums,
verringert wird. Somit ist im Stand der Technik die Erhöhung des
Berstdrucks der Membran durch eine Verringerung der Messgenauigkeit,
d.h. der maximalen Auflösung
des Drucksensors, bedingt.
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Die
DE 102 21 219 A1 löst dieses Problem, indem die
Dicke der Membran verringert wird und auf der dem Medium abgewandten
Seite der Membran mindestens ein Abstützelement angeordnet ist, wobei
das Abstützelement
mit einem Abstand von der Membran angeordnet bzw. so ausgebildet
ist, dass die Membran bei Überlast
an dem Abstützelement oder
an Teilen des Abstützelements
zumindest teilweise anliegt. Die aufgrund der geringeren Dicke der Membran
bei Überlast
normalerweise auftretende Durchbiegung, die zur Zerstörung der
Membran führt,
wird dadurch verhindert, dass sich die Membran vorher an dem Abstützelement
abstützt,
wodurch die maximale Durchbiegung der Membran auf einen Wert begrenzt
wird, bei dem es noch nicht zu einer Zerstörung der Membran kommt. Mit
einem solchen Drucksensor lassen sich Drücke bis zu 25 bar messen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen Drucksensor der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der
sowohl eine große Überlast-
bzw. Berstfestigkeit aufweist, als auch ein möglichst großes Messsignal vorsieht und
damit eine möglichst große Auflösung ermöglicht,
wobei auch sehr hohe Drücke
messbar sein sollen.
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Diese Aufgabe wird mit einem Drucksensor der
eingangs genannten Art gelöst,
wobei die Messseite so mit einem Druckkopplungselement gekoppelt
ist, dass zwischen der Messseite und dem Druckkopplungselement ein
Hohlraum ausgebildet ist, in dem das Anschlagselement derart angeordnet ist,
dass das Anschlagselement in Richtung einer druckmessverursachten
Auslenkung der Membran ein Spiel aufweist, so dass über das
Druckkopplungselement ab einem Überlastdruck
das Anschlagselement an die Membran in einem Bereich des Grundkörpers anschlägt, um eine
weitere Auslenkung der Membran zu verhindern.
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Das Vorsehen eines Druckkopplungselements
zur Übertragung
des zu messenden Drucks ermöglicht
einen besseren Schutz der Membran. Die Membran kommt nicht mehr
selbst mit dem zu messenden Medium in Berührung. Das Druckkopplungselement
wird auf der Seite der Membran vorgesehen, die im Stand der Technik
mit dem Medium in Berührung
kam. Das Kopplungselement ist so ausgebildet, dass sich ein Hohlraum
zwischen dem Kopplungselement und der Membran bildet, der ein Anschlagselement
aufnehmen kann. Das Anschlagselement begrenzt die maximale Auslenkung
der Membran. Der Verschleiß,
der durch das Medium verursacht wird, tritt nicht mehr an der Membran,
sondern am Kopplungselement auf. Das Kopplungselement kann im Falle
einer Beschädigung
oder eines Verschleißes ausgetauscht
werden, ohne die Druckmesszelle austauschen zu müssen.
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Es ist bevorzugt, wenn das Druckkopplungselement
einstückig
mit der Membran ausgebildet ist.
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Eine einstückige Ausführung des Druckkopplungselements
mit der Membran gewährleistet eine
sichere Druckübertragung.
Die Her stellung wird vereinfacht, da eine so gebildete Einheit einfach
herstellbar ist, z.B. kann sie gegossen werden. Alternativ kann
sie auch spanend herstellt werden.
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Weiter ist es bevorzugt, wenn (auch)
der Grundkörper
einstückig
mit der Membran ausgebildet ist.
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Auch hier ergeben sich die oben genannten Vorteile
bei der Herstellung. Ferner erhöht
sich die Berstfestigkeit der Druckmesszelle.
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Von besonderem Vorteil ist es, wenn
der Grundkörper,
die Membran, das Anschlagselement und das Druckkopplungselement
rotationssymmetrisch, insbesondere zylindrisch, ausgebildet sind.
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Auch durch diese Maßnahme vereinfacht sich
der Herstellungsprozess, da eine solche Einheit z.B. einfach auf
einer Drehbank herstellbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform koppeln
das Druckkopplungselement 28 und die Membran 16 entlang
der Rotationsachse.
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Die Rotationsachse stellt den Mittelpunkt
der Membran dar. Eine Druck- bzw. Kraftübertragung auf den Mittelpunkt
der Membran gewährleistet
ein hohes Ansprechvermögen
des Drucksensors, da bereits kleinste Kräfte zu einer Auslenkung der
Membran führen.
Selbst wenn die druckverursachte Kraft nicht zentrisch auf das Druckkopplungselement
wirkt, wird die Kraft dennoch zentrisch auf die Membran übertragen.
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Vorzugsweise weist das Druckkopplungselement
einen T-förmigen
Querschnitt entlang der Rotationsachse auf.
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Von Vorteil ist auch, wenn der Hohlraum
zumindest im Bereich des Grundkörpers
vorgesehen ist.
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Diese Maßnahme unterstützt den
Schutz vor Überlast
(Druck). Eine Kraft, die für
die Membran zu groß wäre und zu
deren Zerstörung
führen
würde, wird
vom Kopplungselement auf das Anschlagselement übertragen, das an den Grundkörper der
Druckmesszelle anschlägt.
Somit kann die Membran nicht über
eine maximale (zulässige)
Auslenkung beansprucht werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform
ist das Anschlagselement ringförmig
ausgebildet, so dass das Druckkopplungselement zum Koppeln mit der
Membran durch das Anschlagselement hindurchgreift.
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Ferner hat es sich als vorteilhaft
erwiesen, wenn eine der Membran gegenüberliegende Fläche des
Anschlagselements kleiner als eine dem Druckkopplungselement gegenüberliegende
Fläche
ist.
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Durch diese Maßnahme wird der Überlastschutz
zusätzlich
verstärkt.
Unabhängig
vom Ort der Kraftausübung
auf das Druckkopplungselement wird die (Überlast-)Kraft in Richtung
des Grundkörpers geleitet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist
der elektromechanische Wandler ein DMS.
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Mit einem DMS lassen sich kleinste
Verformungen in ein elektrisches Signal umwandeln. Diese Maßnahme fördert das
Ansprechverhalten sowie das Auflösungsvermögen des
Drucksensors.
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Es wird außerdem bevorzugt, wenn der
DMS auf der der Messseite gegenüberliegenden
Seite der Membran angeordnet ist.
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Dadurch wird der DMS vor Zerstörung durch das
Medium geschützt,
dessen Druck gemessen werden soll. Sollte es zu einer Zerstörung oder
Beschädigung
des Druckkopplungselements kommen, so dass das Medium in Richtung
der Membran vordringen kann, so ist der elektromechanische Wandler weiterhin
vor Zerstörung
geschützt.
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Ferner ist es bevorzugt, wenn der
Drucksensor ein Gehäuse
mit einer Ausnehmung aufweist, in der die Druckmesszelle und das
Druckkopplungselement angeordnet sind.
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Auf diese Weise wird die Druckmesszelle
vor Beschädigung
und Zerstörung
durch das Medium geschützt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform
schließt
das Druckkopplungselement die Ausnehmung flächig gegenüber dem Medium ab, dessen Druck
gemessen werden soll.
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Eine flächige Abdeckung der Ausnehmung durch
das Druckkopplungselement ermöglicht
es, dass der Drucksensor z.B. seitlich an eine Leitung angebracht
wird, die das zu messende Medium führt. Durch den flächigen Abschluss
kommt es zu keinerlei Widerstand, der den Fluss in der Leitung hemmen oder
stören könnte. Die
Funktionsweise des Drucksensors bleibt jedoch erhalten.
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Ferner ist es bevorzugt, wenn zwischen
dem Gehäuse
und dem Druckkopplungselement zumindest eine Dichtung vorgesehen
ist, um die Druckmesszelle gegenüber
dem Medium zu schützen, dessen
Druck gemessen werden soll.
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Eine solche Dichtung hat zweierlei
Funktion. Zum einen hält
sie das Druckkopplungselement der mehrteiligen Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Drucksensors,
bei der die Druckmesszelle und das Druckkopplungselement nicht einstückig miteinander
ausgebildet sind, fest. Zum anderen verhindert die Dichtung ein
Eindringen des Mediums in Richtung der Druckmesszelle.
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Vorzugsweise sind die Höhe und Breite
des Hohlraums so gewählt,
dass das Druckauflösungsvermögen möglichst
groß ist,
ohne dass die Membran eine vorgegebene Berstfestigkeit unterschreitet.
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Ferner ist es bevorzugt, wenn das
ringförmige
Anschlagselement einen Schlitz aufweist.
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Die schlitzförmige Unterbrechung des Rings ermöglicht einen
einfachen Einbau des Rings bzw. des Anschlagselements in den Hohlraum
zwischen dem Druckkopplungselement und der Membran, insbesondere
beim Zusammenbau des erfindungsgemäßen Drucksensors.
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Es versteht sich, dass die vorstehend
genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur
in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen
der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Schnittansicht durch einen Drucksensors gemäß der vorliegenden Erfindung entlang
einer Längsachse;
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2 eine
vergrößerte Darstellung
eines ausgewählten
Bereichs des Drucksensors der 1; und
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3 eine
schematische perspektivische Ansicht des Anschlagselements, wie
es bei dem Drucksensor der 1 verwendet
wird.
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Der Drucksensor gemäß der vorliegenden Erfindung
wird nachfolgend allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet.
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In 1 ist
ein Drucksensor 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung schematisch in Form einer Schnittansicht entlang einer
Längs-
bzw. Rotationsachse R dargestellt. Es versteht sich, dass die Rotationssymmetrie
optional ist.
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Der Drucksensor 10 weist
eine Druckmesszelle 12 auf. Die Druckmesszelle 12 umfasst
einen Grundkörper 14 und
eine Membran 16. Der Grundkörper 14 und die Membran 16 können einstückig oder
zweiteilig ausgebildet sein, wie durch punktierte Linien angedeutet,
und bilden eine topfförmige Druckmesszelle 12.
In der Ansicht der 1 ist
die topfförmige
Druckmesszelle 12 nach oben offen, wobei der Boden des
Topfs durch die Membran 16 gebildet ist.
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Die Druckmesszelle 12 kann
in ein Gehäuse 18 eingesetzt
werden, weshalb das Gehäuse 18 eine entsprechend
geformte Ausnehmung 19 aufweist. Die Ausnehmung 19 kann
in Form einer Mittelbohrung entlang der Achse R vorgesehen sein.
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Das Medium, dessen Druck gemessen
werden soll, ist in 1 nicht
dargestellt. Mit Hilfe eines Pfeils 20 ist jedoch eine
Richtung einer Kraft veranschaulicht, die durch den Druck des Mediums
verursacht wird. Der Pfeil bzw. die Kraftrichtung 20 ist
im Beispiel der 1 parallel
zur Achse R orientiert. Eine Auslenkung der Membran 16 erfolgt
ebenfalls in Richtung des Pfeils 20, d.h. parallel zur
Achse R. Dabei wirkt die Kraft 20 auf eine Messseite 22 der
Membran 16.
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Auf der gegenüberliegenden Seite 24 der Membran 16 ist
ein DMS 26 als elektromechanischer Wandler angebracht.
Die Verdrahtung und die zur Auswertung eines erzeugten Messsignals
erforderliche Erfass- und Auswerteeinheit sind in 1 nicht dargestellt. Der DMS 26 könnte aber
auch auf der Messseite 22 angebracht werden.
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Des Weiteren umfasst der Drucksensor 10 ein
Druckkopplungselement 28. Das Druckkopplungselement 28 weist
im Beispiel der 1 einen T-förmigen Querschnitt
auf. In der 1 ist das „T" auf den Kopf gestellt.
Der tragende Balken des „T" ist entlang der
Achse R nach oben orientiert und steht mit der Messseite 22 der
Membran 16 in Verbindung. Der tragende Balken bzw. Stössel wird
im nachfolgenden auch mit dem Bezugszeichen
46 bezeichnet werden.
Die Verbindung zwischen dem Stössel 46 und
der Messseite 22 der Membran 16 kann beispielsweise
mittels eines (nicht dargestellten) Klebers hergestellt werden.
Eine lose Verbindung ist ebenfalls möglich. Das Druckkopplungselement 28 kann
auch einstückig
mit der Membran 16 und ggf. auch einstückig mit dem Grundkörper 14 ausgebildet sein.
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Die Form des Druckkopplungselements 28 ist
so gewählt,
dass ein Hohlraum 30 zwischen der Membran 16 und
dem Druckkopplungselement 28 gebildet ist. Im Beispiel
der 1 wird der Hohlraum 30 ferner
durch das Gehäuse 18 begrenzt.
Die Begrenzung durch das Gehäuse 18 ist
jedoch nicht zwingend erforderlich.
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Im Hohlraum 30 ist ein ringförmiges Anschlagselement 32 vorgesehen,
das mit Bezug auf 3 nachfolgend
detailliert beschrieben werden wird.
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Das im Beispiel der 1 ringförmige Anschlagselement 32 weist
einen exemplarischen Außenradius
auf, der dem Außenradius
der Druckmesszelle 12 und des kopfähnlichen Teils des Druckkopplungselements 28 entspricht.
Der Innendurchmesser des ringförmigen
Anschlagselements 32 ist hier nur geringfügig kleiner
gewählt,
so dass das Anschlagselement 32 hauptsächlich im radialen äußeren Bereich
relativ zur Achse R im Hohlraum 30 vorgesehen ist.
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Bezugnehmend auf 2, die eine vergrößerte Ansicht des Drucksensors 10 der 1 darstellt. Man erkennt
deutlich, dass das Anschlagselement 32 eine Höhe in Richtung
der Achse R aufweist, die kleiner als der Abstand zwischen der Membran 16 und
dem kopfförmigen
Teil des Druckkopplungselements 28 bzw. kleiner als die
Höhe des
Stössels 46 ist.
Die Differenz zwischen Höhe
des Anschlagselements 32 und dem Abstand zwischen der Membran 16 und
dem Druckkopplungselement 28 ist in 2 als Spiel d gekennzeichnet. Das Spiel
d gibt den Abstand zwischen einer ersten Anschlagsfläche 34 und der
Messseite 22 an, wenn das Anschlagselement 32 mit
seiner zweiten Anschlagsfläche 36 am
Druckkopplungselement 28 anliegt. Die erste Anschlagsfläche 34 ist
der Messseite 22 gegenüberliegend
angeordnet. Die zweite Anschlagsfläche 36 ist dem kopfähnlichen
Teil des Druckkopplungselements 28 gegenüberliegend
angeordnet.
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Das Spiel d entspricht der maximal
möglichen
Auslenkung der Membran 16 bzw. des Druckkopplungselements
in Richtung der Achse R. Angenommen die Kraft 20 wirkt
auf das Druckkopplungselement 28, wie in 1 und 2 dargestellt,
wobei die Kraft 20 größer als
eine zulässige
(Überlast-)Kraft
ist. Die zulässige
Kraft entspricht der Kraft, ab der der Druckmesssensor 10 im Überlastbereich
arbeitet, in dem die Gefahr einer Beschädigung bzw. Zerstörung sowie
ungenauer Messungen besteht.
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Ferner können umfänglich ein erster Dichtungsring 38 und/oder
ein zweiter Dichtungsring 40 vorgesehen sein, die die Druckmesszelle 12 und
insbesondere die Membran 16 vor dem Medium schützen. Dazu
weisen das Druckkopplungselement 28 und/oder das Gehäuse 18 entsprechende
Ausnehmungen auf.
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Das Anschlagselement 32 ist
z.B. so ausgebildet, dass es je nach Messbereich und -weg wenige 0,01
mm Spiel hat, so dass bei nicht erlaubter Überlast das Anschlagselement 32 im
Bereich des Grundkörpers 14,
d.h. an einem Membranhals, auf Anschlag mit der Messseite 22 der
Membran 16 geht.
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Ferner kann man in der 2 erkennen, dass eine Messfläche 42 des
Anschlagselements 28 flächenbündig mit
einer Außenfläche des
Gehäuses 18 abschließt.
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In 3 ist
das Anschlagselement 32 schematisch in einer perspektivischen
Ansicht dargestellt.
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Das Anschlagselement 32 kann
ferner einen Schlitz 44 aufweisen. Der Schlitz 44 ermöglicht einen einfachen
Einbau des Anschlagselements 32 in den Hohlraum 30,
indem im Bereich des Schlitzes 44 der Anschlagsring 32 am
Stössel 46 des
Druckkopplungselements 28 vorbeigeführt wird. Dies ist insbesondere
von Vorteil, wenn das Druckkopplungselement 28 und die
Membran 16 einstückig
ausgebildet sind.
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Vorzugsweise ist die zweite Anschlagsfläche 36 hinsichtlich
der Fläche
größer ausgebildet
als die erste Anschlagsfläche 34,
wodurch der Effekt vergrößert wird,
dass die Kraft 20 lediglich auf den Membranhals übertragen
wird.