DE2544505A1

DE2544505A1 - Membran-anordnung fuer druckaufnehmer

Info

Publication number: DE2544505A1
Application number: DE19752544505
Authority: DE
Inventors: H U Dipl Phys Dr S Baumgartner; Guenther Witzke
Original assignee: Kistler Instrumente AG
Current assignee: Kistler Instrumente AG
Priority date: 1974-11-08
Filing date: 1975-10-04
Publication date: 1976-05-13
Also published as: DE2544505C3; AT348794B; ATA764275A; CH582353A5; DE2544505B2; US4061035A; GB1496610A

Description

Anmelder in: Stuttgart, 3. Oktober 1975

Kistler Instrumente AG P 3091 Rp Eulachstraße 22 ^H

CH-8408 Winterthur

Membran Anordnung für Druckaufnehmer

Per. Wichtigste und zugleich der den schwersten Anforderungen ausgesetzte Teil eines Druckaufhehmers stellt dessen Membrane dar. Bekanntlich werden Druckaufhehmer zur Messung von Druckveränderungen in Brennkraftmaschinen/ Turbinen, hydraulischen und ballistischen Systemen, in Raketen, Explosionsverformungsmaschinen usw. verwendet. Dabei wirken die gasförmigen oder flüssigen

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Medien'oftvariierend in Temperatur und Druck auf die Membrane, welche die resultierende Kraft auf ein mechanisch-elektrisches Wandlerelement übertragen muss. Dieses Element kann ein piezoelektrisches, ein induktives, ein widerstand- oder piezoresistives oder ein kapazitiv wirkendes Element sein. Anschliessend an dieses Element folgen, verbunden über Kabelleitung, elektronische Verstärker oder Messbrücken, deren Ausgangssignale Kathodenstrahl-Oszillographen, Magentbandaufnahmegeräten oder elektronischen Schreibgeräten zugeführt werden.

Infolge der oft gleichzeitigen Einwirkung rascher Druck- und Temperaturstösse auf die Membrane ist dieselbe bei Dauerbetrieb schwerster mechanischer Beanspruchung ausgesetzt. Zusätzlich treten, durch den Schwefelgehalt der Brennstoffe bedingt, stark korrodierende Gase auf. Durch die Notwendigkeit, dass bei üblichen Ausführungsformen die Membrane mit der Auflagefläche am Wandlerkörper verschwel sst werden muss, besteht die zusätzl iche Schwierigkeit, dass die Schweisspartie in der Nähe der höchst beanspruchten Stellen der Membrane liegt. Dadurch eitstehen DauerermüdungsbrUche, insbesondere in nächster Umgebung der Schweissstellen, teilweise gefördert durch Rekristallisationserscheinungen. Die schockartigen liemperaturstösse z.B. bei Ausbreitung der Flammfront in Brennkraftmaschinen bewirken laterne Wärmedehnungen, die zu Fehlsignalen fuhren, die sich dem Drucksignal ääberlagern. Die Konstruktion der Membranpartie eines solchen Druckaufnehmerfypes stellt somit vielfältige und schwer in sich zu vereinigende Anforderungen, und dies 1st ein Grund, warum bis heute nur unbefriedigende Lösungen gefunden wurden.

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Die Erfindung bezweckt einen Druckaufhehmer zu bauen, der stabilen Kalibratronsr faktor besitzt und der erlaubt genaue Messungen über eine lange Zeitperiode durefizufuhren. insbesonder aber soll die erfindungsgemässe Membrananordnung ermöglichen, dass der Druckverlauf ohne Verfälschung durch Temperaturstösse die während des Messvorganges auf die Membranpartie einwirken, gemessen wird. Ferner soll die neue Membrananordnung auch bei Dauerbetrieb infolge Ablagerungen von Verbrennungsrückständen keine Veränderung der Empfindlichkeit des Druckaufnehmers ergeben. iDuncfi die konstruktive Gestaltung der vorgeschlagenen Membrananordnung sind die notwendigen Schweissverbindungen aus den gefährdeten Zonen, wo hohe WechseTbeanspruchungen auftreten, entfernt und in Zonen niedriger Festigkeitsanforderungen verlegt worden, sodass ein Druckaufnehmer entsteht der für Dauerbetrieb wie z.B. zu Ueberwachungszwecken von Brennkraftmaschinen etc. geeignet ist. '

Der Gegenstand der Erfindung ist anhand folgender Figuren näher erklärt. Es zeigen:

Fig. 1: Querschnitt durch eine erfindungsgemässe Membrananordnung mit ringförmigem Krafrmesselement.

Fig. 2: Querschnitt durch eine Variante einer eifindungsgemässen Membrananordnung. ■

Fig. 3ϊ Querschnitt durch eine weitere Variante der Membranpartie nach Fig. 1.

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Fig. 4: Querschnitt durch eine weitere Variante der Membranpartie nach Fig. 1.

Fig. 5: Querschnitt durch eine weitere Variante der Membranpartie nach Fig. 1.

Fig. 6: Querschnitt durch eine erfindungsgemässe Membrananordnung mit scheibenförmigem Kraftmesselement.

Fig. 7 Querschnitt durch eine erfindungsgemässe Membrananordnung mit zusätzlicher Flammschutz-Anordnung.

Fig. 8: Querschnitt durch erfindungsgemässe Membrananordnung mit zu elastischer Kraftmesszelle.

Fig. 9: Querschnitt durch erfindungsgemässe Membrananordnung mit zulässiger Deformation der Kraftmesszelle.

Die Erfindung ist unabhängig vom verwendeten Kraftmesselement. Dieses kann ein ■ piezoelektrisches, piezoresistives, ein DMS öder ein anderes, ohmsches, induktives oder kapazitives System sein.

Gemäss Fig. 1 besteht ein Druckaufnehmer mit erfindungsgemässer Membrananordnung aus dem Aufnehmerkörper 1, der mit Montageflansch 2 und Dichtring 3 ausgerüstet ist. Das Kraftmesselement 4 ist hier als Ringelement ausgeführt. Die entsprechenden elektrischen Anschlüsse sind mit den vom Körper 1 isolierten Durchführstiften 5 verbunden, die zu den Signalableitungen 14 führen. Das scheibenförmige Kraftmesselement 4 und der Ringansatz 6 des Körpers 1 sind so abgestimmt, dass ihre Endflächen in der gemeinsamen Fläche 18 liegen.Die erfindungsgemässe Membrananordnung stellt im Querschnitt eine Doppelbrücke dar, gekennzeichnet durch den äusseren

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Druckring 7 der auf bekannte Weise mir dem Ringansatz 6 fest verbunden ist und dem Zentral-Ring 9, der mit Stützring 16 verbunden ist. Die kreisringförmige Plattenmembrane 17 ist über die elastischen Glieder 8 an den inneren und äusseren Stürzring 16 bzw. 7 angelenkt. Die Auflageflächen der Ringe 9 und 7 liegen ebenfalls in der gemeinsamen Ebene 18. Damit zwischen Kraftmesselement 4, Körper 1 und Zentral Ring 9 eine kraftschlüssige, spaltfederfreie Verbindung entsteht, ist die Spannschraube 10 mit Kopf 11 so angeordnet, dass die Vorspannung dieser Messkombination am fertig montierten Druckaufhehmer auf Optimqlwert gebracht wenden kann durch Spannung der Mutter. 13. Diese Mutter 13 ist auf Temperaturdehnungs-Kompensationsscheibe 12 abgestützt, die aus einem geeigneten Material hergestellt ist, damit die eingestellte Vorspannung im Temperaturbereich des Druckaufhehmers konstant bleibt. Eine solche Kompensation ist notwendig, da die Temperatur-Ausdehnungswerte des Kraftmesselementes 4 in vielen Fällen nicht den entsprechenden Werten von Körper 1 Membranpartie 9 und Spannschraube entsprechen. Besonders wenn Kraftmesselemente 4 aus Kristallen z.B. bei piezoelektrischen oder piezoresistiven Elementen gewählt werden, deren Ausdehnungszahlen unter denjenigen von handelsüblichen Konstruktionsstählen sind, ist eine Kompensationsscheibe 12 vorzugsweise aus einem physikalischen Stahl mit hohem Ni-Gehalt zu wählen. Solche Stähle mit weit abgestuften Ausdehnungskoeffizienten sind handelsüblich und können leicht bearbeitet werden.

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Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung liegt nun darin, dass die Membrane biegeelastisch und trotzdem sehr widerstandsfähig ausgebildet ist. Ferner sollte durch die Plattenmembräne 17 keine Vorspannung vom Aussen-Druckring 7 auf den Zentral-Ring 9 übertragen werden. Jede Restvorspannung bringt bei jeder Temperaturänderung die auf die Membranoberfläche 19 einwirken eine Aenderung der Vorspannungen hervor, die _auf d_as Messelement 4 wirkt und damit einen Fehler ergibt. Die feste Verbindung zwischen den Ringpartien 6 und 7, die Üblicherweise mit Schweissverfahren durchgeführt werden, bringt ungewollt Vorspannung auf die Membranpartie 9, die mit dem Kraftmesselement 4 während des Schweissvorganges gemessen werden kann. Diese durch Mikrodeformation während des Schweissens am Aussen-Ring in die Membrane eingeführte Vorspannung,wird erfindungsgemäss durch zusätzliche Vorspannung des innenklemmrings 9 mittels Spannschraube 10 kompensiert. Dadurch kann die Plattenmembrane 17 wieder in vorspannungsfreien Zustand zurückversetzt werden. Der optimale Grad der Vorspannung, die an Mutter 13 eingestellt werden muss, wird durch Versuche bestimmt. Am einfachsten haben sich Tauchversuche,in Bädern verschiedener Temperatur, erwiesen. Sobald der neutrale Spannungszustand der Membrane erreicht, d.h. die optimale Vorspannung der Schraube 10 gefunden ist, so ergeben sich die geringsten Fehlsignale des Druckaufnehmers bei Eintauchen der Membranoberfläche 19 in eine Flüssigkeit z.B. höhere Temperatur. Der Grad der Temperaturunempfindlichkeit ist somit in weiten Grenzen direkt mit der Vorspannungsjustierung des fertig montierten Aufnehmers einstellbar, eine Tatsache die mit der erfindungsgemässen Membraanordnung in direktem Zusammenhang steht.

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Der Einbau des Druckaufnehmers erfolgt z.B. in Brennkraftmaschinen derart; dass Bohrung 21 und Sitzfläche 23 so gewählt werden, dass nach festziehen des Montagenippels 15 die Brennraumoberflache 20 und die Membranoberfläche 19 in einer gemeinsamen Ebene liegen. Dadurch ist Gewähr geboten, dass sich über längere Betriebszeit keine störenden Aufbauten auf der Membranoberfläche 19 infolge von Verbrennungsrückständen ergeben. Sobald die Membranoberfläche 19 zurückversetzt von der Brennraumoberfläche 20 angeordnet ist, kann ein zuverlässiger Dauerbetrieb nicht mehr gewährleistet werden, da Verbrennungsrückstände nicht mehr von der Flammfront entfernt werden. Der zwischen Druckaufnehmef und Einbaubohrung entstehende Ringspalt 22 wird im Laufe der Zeit von Verbrennungsrückständen zugesetzt. Infolge der grossen Steifheit der Aussenwandungen 6 und 7 haben solche Verstopfungen jedoch sehr wenig Einfluss auf die Empfindlichkeit des Druckaufnehmers. Ein weiteres Ziel der erfindungsgemässen Membrananordnung liegt in der vorgewählten Abstimmung der Elastizität des aus Kraftmesselement 4, Zentral-Ring 9 und Spannschraube 10 bestehenden zentralen Stützsystems gegenüber dem aus Ringen 6 und 7 bestehenden Aussen-Stützsystem. Dadurch ergibt sich unter Druckeinwirkung ρ keine Verwerfung und damit die geringst mögliche Deformation der Fläche 19, die im Voilbereich des Druckaufnehmers nur Bruchteile von μπι betragen. Dadurch ist gewährleistet, dass die elastischen Glieder 8 nicht überbeansprucht werden und dem Dauerbetrieb standhalten. Weitere Anpassmöglichkeiten dazu wenden unter Fig. 4 beschrieben.

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Fig. 2 zeigt eine Variante der erfindungsgemässen Membrananordnung nach Fig. 1. Anstelle einer ringförmigen Plattenmembrane ist zwischen dem Aussen Druckring 27 und dem Innen Stützring 26 eine elastische eingesenkte Hängemembrane 25 angebracht. Sie kann durch Formdrehen oder durch Einrollen aus einer flachen Membrane hergestellt werden. Alle übrigen Merkmaie der Erfindung gelten wie unter Fig. 1 beschrieben. Diese Membrane kann sehr dünn hergestellt werden und bietet Gewähr für höchste Flexibilität bei guter Widerstandskraft gegen Druck. Fig. 3 zeigt eine weitere Variante der Fig. 1. Dabei wurde die PJattenmembrane 37 zurückversetzt und vor derselben eine ringförmige Vertiefung geschaffen in welcher eine Druckübertragungsflüssigkeit 39, vorteilhafterweise Sillkonöl, Gel oder ein- Hochtemperaturöl eingebracht und mit einer dünnen Metallfolie 36 abgeschlossen. Die Verbindung der Metallfolie 36 mit dem Ring 34 ist nach bekannten Methoden der Schweisstechnik an der Flanschpartie 35 durchgeführt. Die elastischen Verbindungen 38, welche die Plattenmembrane 37 mit Innen- und Aussenring verbinden sind mit beidseitigen Einstechradien versehen, um die Kerbwirkung auf ein Minimum zu reduzieren und lange Lebensdauer zu gewährleisten. Die Metallfolie 36 ist praktisch keinen mechanischen Zug- oder Biegebelastungen ausgesetzt, da sie lediglich als Druck-Übertragungsmedium dient. Alle übrigen Merkmale der Erfindung gelten wie unter Fig. 1 beschrieben. Membran 37 ist praktisch ganz vor Flamm- bezw. Temperatureinwirkung geschützt. . Fig. 4 zeigt eine weitere Variante der Rg. 1. Die Grobanpassung der Elastizität des Aussenrings 47 der Membrananordnung an diejenige des Innen Stützrings 45 kann an der erfindungsgemässen Membrananordnung durch Einstich 46 auf einfache Weise erreicht werden.

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Fig. 5 zeigt eine weitere Variante der Fig. 1. Die Plattenmembrane 57 ist durch die elastischen Glieder 58 mit Äussenring 56 und Innen-Stützring 55 verbunden, wobei diese Glieder 58 von innen und aussen mit Einstechradien versehen sind, um die Kerbwirkung auf ein Minimum zu reduzieren und damit eine lange Lebensdauer zu erreichen. Vorteilhaft werden diese Radien noch poliert um {ede Anrissgefahr auszuschliessen. Alle übrigen Merkmale gelten wie unter Fig. 1 beschrieben.

Fig. 6 zeigt eine weitere Form der erfindungsgemässen Membrananordnung. Der Aufnehmerkörper 61 ist widerum mit Montageflansch 62 ausgerüstete Anstelle eines ringförmigen ist ein Kraftmesselement 64 in Scheibenform in einer Spannhülse 67 eingebaut, die über eine elastisch vorgespannte dünne Hülsenwand mit Schweissflansch 65 und dieser mit Gehäuse 61 mit bekannten Mitteln fest verbunden ist. Die Signalabführung 72 kann nun zentral erfolgen. Das KraftmesseJement 64 ist damit unter mechanischer Vorspannung eingebaut und die nachgeschaitete Schraube 68 spannt den Innen-Ring 69 der Membrananordnung fest gegen die Spannhülse 67. Der Äussenring 70 wird mittels Hülse 71, die an ihrem Ende 74 unter Vorspannung mit dem Gehäuse 61 verschweisst ist,fest und abdichtend gegen den Gehäusering 75 geklemmt. Der Innenraum 73 kann,wenn nötig, mit einem Kühlmittel das eingeschlossen bleibt oder zirkuliert, versehen werden. Der Querschnitt der Membrananordnung stellt wiederum einen Doppelbrückenbogen dar, wie in Fig. 1 mit dem Unterschied, dass die Membrane mit rein mechanischen Mitteln mit Kraftmesselement 64 und Körper 61 verbunden ist.

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Fig. 7 zeigt eine Variante von Fig. 6, wobei die Membranoberfiäche zum Schutz gegen Flamm- und Wärmeeinwirkung mit einer dünnen elastischen Metallfolie 79 abgedeckt ist, die mittels Ring 78 auf Hülse 77 verbunden ist. Die Metallfolie 79 kann mit kreisringförmigen Wellungen versehen werden, um eine grosse Flexibilität zu erreichen.

Fig. 8 zeigt eine erfindungsgemässe Membrananordnung bei der eine Kraftmesszelle 84 mit zu geringer Steifigkeit gewählt wurde. Der Deformationsweg Δ S unter Druckbelastung ρ ist so gross, dass die elastische Grenze der Anlenkglieder überschritten wird.

Fig. 9 zeigt das gleiche Beispiel, wo eine steifere Krafhnesszelle 94 eingesetzt wurde_/deren Elastizität der Aussenwand 95 und der Schraube 90 angepasst wurde. Die verbleibende Deformation AS beträgt höchstens noch wenige pm.

Figuren und Beschreibung zeigen somit eine Membrananordnung die auf neuen Erkenntnissen aufgebaut ist und die ermöglicht, Druckaufhehmer zu bauen, die erstmals zu Ueberwachungszwecken z.B. auf Brennkraftmaschinen einsetzbar sind. Aber auch zu Forschungszwecken, wo jegliche Beeinflussung der Druckmessung durch Temperaturänderungen des Messmediums angeschlossen werden muss , wird sich die neue Membrananordnung einführen. Durch die einfache Formgebung und die vom übrigen Aufnehmer getrennte Bearbeitbarkeit, vor allen aber die Tatsache, dass die Berührungsflächen der Membran wie auch des Aufhehmerteils in einer Ebene liegen, die mit bekannten Mitteln der Feintechnik hochpräzise bearbeitet

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werden können, sichert der erfindungsgemässen Anordnung genau definierte Auflagebedingungen. Durch Wahl einer sehr steifen Kraftmesszelle und Vorabstimroung der Elastizitäten der inneren und äusseren Sfützglieder, lässt sich die Deformation der erfindungsgemässen Mernbrananordnung auf ein Minimum, z.B. weniger als 1 μΐη unter max. Belastungsdruck reduzieren,was die geforderte hohe Lebensdauer ermöglicht. Von besonderer Bedeutung ist jedoch, dass die Vorspannung der Membrananottlnung am fertig montierten Druckaufnehmer so auf Optimalwert justiert werden kann, dass keine Restspannungen in den Membranteilen vorhanden sind, wodurch Fehler infolge Variation der Vorspannung vermieden sind. Die einer plötzlich auftretenden Wärmeeinwirkung ausgesetzte Membrane pflegt sich gegen die Wärmeseite zu aufzubauchen. Dies ist die Folge der eindringenden Wärmewelle mit einem Temperaturgradient in Richtung senkrecht zur Membranfläche. Die äusseren der Wärme zugekehrten Membranschichten sind in einem Zeitpunkt kurz nach dem Wärmeeinwirkungsbeginn schon erwärmt und ausgedehnt,während die Inneren Schichten noch kalt sindJ)1es führt zu einer Verwerfung der Membrane und zu einer Krafteinwirkung Über Ring 9 auf das Messelement 4, '"was als Fehlmessung registriert wird. Die doppelt gelenkige Lagerung mit den elastischen Gliedern 8 gewähren der Membran sich unter Temperaturschocic zu verformen, ohne dass Kräfte auf das Kraftaufnehmerelement 4 ausgeübt werden. Wärmeschockfehler sind dadurch vermieden. Durch diese Kombination von verschiedenen Massnahmen, ergibt sich ein Druckaufnehmer, der nur auf Druckvariationen nicht gleichzeitig auch auf Temperaturvariationen anspricht, womit eine lang gesuchte Lösung verwirklicht werden konnte. Solche komplizierten Membranfbrmen lassen sich mit dem in diesem Patent gezeigten Aufbau eines Aufnehmers mit den gezeigten Membranformen besonders gut verwirklichen.

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Claims

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Patentansprüche

Membran Anordnung für Druckaufnehmer insbesondere zur Ueberwachung von Brennkraftmaschinen,, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranmontagefiäche wie auch die Membrandrucküberfragungsfläche in einer planbearbeitbaren Ebene liegen, die auf die ebenfalls in einer Ebene liegenden Aufnehmer-Gegenflächen passen, dass ferner die Membran Anordnung aus einem Aussen-Ring (7) und Innen-Ring (9) besteht mit dazwischen angeordneter Membrane, die durch eldstische Mittel einstückig mit den Ringen so verbunden ist, dass diese als Träger einer brückenähnlichen Verbindung gestaltet sind, wobei die kraftschlüssige Abstützung des Innen-Rings (9) auf der Kraftmesszelle (4) durch Schrauben-Vorspannung einstellbar ist.
2. Membran Anordnung für Druckaufnehmer nach Anspruch λ, dadurch

gekennzeichnet, dass die Vorspannung der Schraube (10) nach Fertigmontage der Membrananordnung auf den optimalen Wert eingestellt werden kann bei dem die inneren Vorspann moment der Membrane aufgehoben sind.

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3. Membran Anordnung für Druckaufnehmer nach Anspruch 1 °der 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane als Plattenmembrane (17, 37, 57) ausgebildet ist, die mittels elastischen Uebergangsgliedern (8, 58) mit Innen- und Aussenring verbunden ist, wobei diese Einschnürungen durch ein-oder beidseitig angebrachte halbkreisförmige Flächen begrenzt sind, sodass die Anordnung im Querschnitt 2 Brückenbogen darstellt.
4. . Membran Anordnung für Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1-3,

dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf (11) der Vorspannschraube (10, 68) als Teil der Membranoberfläche (19) ausgebildet ist und mit derselben eine Ebene bildet.
5. · Membran Anordnung für Druckaufnehmer nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannschraube (10) zentrisch durch das Kraftmesselement (4) durchgeführt ist und über !Compensations s cheibe (12) so. vorgespannt ist, dass das Mass der Vorspannung im gesamten Betriebstemperaturbereich des Aufnehmers konstant ist.
6. Membran Anordnung für Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1,2,4 ; oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Verbindung zwischen Aussen-Ring (27) und Inneri-Ring (26) aus einer bogenähnlichen hochelastischen Wulst (25) besteht, die durch Feinbearbeitung oder Verformung entsteht.
7. Membran Anordnung für Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1-5,

dadurch gekennzeichnet, dass die Plattenmembrane (37) zurückversetzt zwischen den Ringen angeordnet ist und dass vor ihr eine temperaturbeständige Flüssigkeit (39) als Druckübertragung angeordnet ist, welche durch eine Metallfolie (36) geschützt ist.

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8* Membran Anordnung für Druckaufnehmer nach einem der vorhergehenden. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längselastizität der äusseren Rohrglieder zu derjenigen der inneren Rohrglieder abgestimmt werden kann z.B. durch Radial Einstich (46) im Aussenring (47).
9. Membran Anordnung für Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass sie im Zentrum mittels Schraube (68) auf den Spann hü Isenboden (67), ferner auf dem Aussendurchmesser mittels Spannhülse (71) auf den Ringkörper (75) gepresst wird.
10. Membran Anordnung für Druckaufnehmer nach einem der vorhergehenden An- " Sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranoberfläche mit' einer dünnen, vorzugsweise Leicht gewellten Membrane (79), die zwischen Eing(78) und Hülse (/7) gehaltert ist, abgedeckt ist.

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