DE2611494A1

DE2611494A1 - Druck- oder kraftwandler

Info

Publication number: DE2611494A1
Application number: DE19762611494
Authority: DE
Inventors: Roy Robert Bannock; Hampshire Basingstoke; Frederick Robert Couston
Original assignee: Pitney Bowes Document Messaging Technologies Ltd
Current assignee: Pitney Bowes Document Messaging Technologies Ltd
Priority date: 1975-03-18
Filing date: 1976-03-18
Publication date: 1976-10-07
Also published as: GB1540716A; NL7602853A; US4102210A

Description

Die Erfindung betrifft einen auf Druck oder Kraft ansprechenden Wandler, d_eh_e Druck- oder Kraftwandler, mit einer um ihren Umfang herum starr festgelegten bzw., verspannten, flexiblen Membran, an die ein Druck oder eine Kraft anlegbar ist«,

Vorrichtungen zur Bestimmung eines angelegten Drucks oder einer einwirkenden Kraft werden vielfach benötigte Eine köglichkeit für eine solche Druck- oder Kraftbestimmung besteht in der Verwendung von (mechanischen) Spannungsmessern, d_oh_o Dehnungsmeßstreifen, die beispielsweise durch Ablagerung nach einem Dünnfilmverfahren mit einer Fläche der Membran verbunden und als die Arme oder Zweige einer Wheatstoneschen Brücke geschaltet sind,, Derartige Wandler werden als "Dehnungsmeßwandler" bezeichnet_o

Wenn auf die Membran eines solchen Wandlers ein Druck oder eine Kraft einwirkt, wird die Membran ausgelenkt und in ihr ein Spannungs-/Dehnungszustand eingeleitete Die von der

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Auslenkung herrührende Dehnung wird dabei durch die Dehnungsmeßstreifen gemessen, die mithin ein ausgangssignal liefern, das von dem auf die Membran einwirkenden Druck bzw» der Kraft abhängt«, In der Praxis sind zwei der vier die Wheats tone sehe Brücke bildenden Dehnungsmeßstreifen in einem Bereich der Zugspannungsbelastung angeordnet, während die beiden anderen in einem Druckspannungsbereich angeordnet sind, so daß eine Brücke mit vier aktiven Armen gebildet wird₀ Bei einer üblichen flachen Membran liegt der Zugspannungsbereich im Mittelteil der Membran, während sich der Druckspannungsbereich am iJmfangsrand der Membran befindete

Zur Verhinderung einer bleibenden Beschädigung sowohl der Membran als auch der Dehnungsmeßstreifen z.B. bei Einwirkungübermäßiger oder Überlastdrücke sollte die Auslenkung der Membran begrenzt werden,,

Die bekannten Überlast- oder Überdruckschutzvorrichtungen verwenden zeitweilig verschiedene Arten mechanischer Anschläge, die eine Auslenkung der Membran über eine vorbestimmte Grenze hinaus verhindern. Ein solcher mechanischer Anschlag kann dabei die Form einer Schraube besitzen, die in das Wandlergehäuse eingebaut ist und eine in einem vorbestimmten Abstand von der Membran angeordnete Anschlagfläche aufweist, so daß die Membran dann, wenn ein Überlastdruck auf den Wandler einwirkt, ausgelenkt wird, bis sie sich an die eine weitere Auslenkung verhindernde Anschlagfläche anlegt_β Diese Anordnung läßt sich zur Änderung der Auslenkgrenze der Membran ohne weiteres einstellen»

Die bekannten Anordnungen mit solchen Schutzvorrichtungen sind jedoch mit verschiedenen Mangeln behaftet» Bei einer flachen Membran liegt z₀B_Q der Punkt größter Auslenkung im Mittelpunkt, weshalb auch der Überdruckanschlag an dieser Stelle angeordnet ist_o Dies wirft aber zwei Probleme auf_o Einmal

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befindet sich die Stelle größter Belastung oder Spannung am Umfangsrand, wobei ein am Mittelpunkt vorgesehener Überdruckansehlag die beim Auftreten eines Überdrucks am Umfangsrand entwickelten Spannungen oder Beanspruchungen nicht vollständig zu begrenzen vermag, nachdem die Auslenkung des Mittelteils durch diesen Anschlag begrenzt worden ist. Zum zweiten ist bereits erwähnt worden, daß bei einem Wandler mit einer flachen Membran die Dehnungsmeßstreifen am oder dicht am Mittelpunkt der Membran liegen sollten«, Zur Vermeidung einer Berührung mit den Dehnungsmeßstreifen und einer Beschädigung derselben muß daher die Fläche desjenigen Teils des Anschlags, welcher beim Auftreten eines Überdrucks mit der Membran in Berührung gelangt, im Vergleich zum Durchmesser der Membran klein sein_e Wenn die Membran unter dem Einfluß eines sich ständig vergrößernden Drucks ausgelenkt wird, kommt sie daher schließlich in Anlage an den Überdruckanschlage Da die Membran jedoch äußerst flexibel bzw_o biegsam ausgelegt ist, führen der sich erhöhende Druck und die davon herrührende weitere Auslenkung zu einer Verformung der Membran in deren ringförmigem Bereich zwischen dem Umfangsrand und dem Überdruckanschlag, wobei eine Stelle hoher Belastung oder Beanspruchung um den Umfangsrand des Überdruckanschlags herum entsteht. Wenn diese beiden Wirkungen groß sind, können sie einen bleibenden Schaden der Membran zur Folge haben«, Außerdem wird durch diese Anordnung die Länge des Wandlers möglicherweise wesentlich vergrößert, was in gewissen Anwendungsfällen problematisch sein kann_e

Es wurde bereits ein Wandler vorgeschlagen, der mit einem Überdruckanschlag versehen werden kann und bei dem eine kreisförmige Membran mit einem vergleichsweise steifen, mittig angeordneten, zylindrischen Ansatz versehen ist, um den herum eine flexible Ringfläche der Membran festgelegt wird. Die Dehnungsmeßstreifen sind dabei im Bereich dieser flexiblen Ringflache angeordnet, nämlich die Zugdehnungsstreifen

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an der Innenkante und die Druckdehnungsstreifen an der Außenkante ο Der mechanische Anschlag, der - wie erwähnt - die Form einer Schraube besitzen kann, ist mit seiner Anschlagfläche so angeordnet, daß unter Überdruckbedingungen der steife, zentrale zylindrische Ansatz in Anlage an die Anschlagfläche gelangt,. Dieser Ansatz trägt allerdings beträchtlich zur Gesamtmasse der Membran bei, was einen nachteiligen Einfluß auf die Meßergebnisse haben kann, wenn der Wandler im Betrieb Beschleunigungs- oder Schwingungskräften unterworfen ist„

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines verbesserten Druck- oder Kraftwandlers, mit dem die genannten Nachteile vermieden werden, und der insbesondere aufgrund einer speziellen Membranausbildung praktisch völlig betriebssicher ist.

Diese Aufgabe wird bei einem auf Druck oder Kraft ansprechenden Wandler mit einer um den Umfangsrand eines aktiven Abschnitts derselben starr verspannten Membran, mit Mitteln, die im Betrieb einen Druck oder eine Kraft an die eine Fläche der Membran anlegen,und mit auf die resultierende Auslenkung der Membran ansprechenden Mitteln zur Lieferung einer Anzeige des einwirkenden Drucks bzw, der anliegenden Kraft erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Membran mit einem konzentrisch in ihr ausgebildeten, napfförmigen Abschnitt versehen ist₀

Mit der Erfindung wird also ein auf Druck oder Kraft ansprechender Wandler geschaffen, der eine um den Umfang ihres aktiven Abschnitts herum starr verspannte Membran mit einem konzentrisch in ihr ausgebildeten, napfförmigen Abschnitt, Mittel, die im Betrieb einen Druck oder eine Kraft auf die eine Fläche der Membran ausüben, und auf die resultierende Auslenkung der Membran ansprechende Mittel zur Lieferung einer Anzeige des angelegten Drucks bzw_e der Kraft aufweist_e

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Ein vorteilhaftes Merkmal besteht dabei darin, daß sowohl der Umfangsrand des aktiven Abschnitts als auch der napfförmige Abschnitt kreisförmig sind, so daß zwischen dem Umfangsrand und dem napfförmigen Abschnitt ein Ringteil der Membran festgelegt ist₀

Vorzugsweise ist das Oberflächenverhältnis zwischen dem napfförmigen Abschnitt und dem aktiven Abschnitt so groß wie praktisch nur irgend möglich.

Vorteilhaft stellt der napfförmige Abschnitt einen Teil der einen Fläche dar, während er an der anderen Fläche der Membran offen ist.

Der erfindungsgemäße Wandler kennzeichnet sich weiterhin dadurch, daß er ein Überlastschutzelement mit einer in einem vorbestimmten Abstand von der inneren Grundfläche des napfförmigen Abschnitts angeordneten Anschlagfläche zur Begrenzung der Auslenkung der Membran gegen das Überlastschutzelement auf die diesem Abstand entsprechende Strecke aufweist,, Dabei ist es vorteilhaft möglich, daß das Überlastschutzelement so angeordnet ist, daß der Abstand zwischen der Anschlagfläche und der inneren Grundfläche des napfförmigen Abschnitts einstellbar ist. Der erfindungsgemäße Wandler kann mithin mit einem einfachen und kompakt gebauten Überdruckanschlag versehen s ein β

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläuterte Es zeigen:

Fig«, 1a und 1b eine Aufsicht bzw_e eine Querschnittsansicht einer Membran, die starr an einem Teil des Gehäuses eines Wandlers mit Merkmalen nach der Erfindung verspannt 1st,

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Fig« 2 eine in vergrößertem Maßstab und teilweise im Schnitt gehaltene Seitenansicht eines Wandlers gemäß der Erfindung mit einer Membran nach Fig_e 1,

Fig» 3 eine Fig₀ 1 ähnelnde Ansicht, welche die typischen Abmessungen der Membran angibt, und

Figo 4 einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Membran, welcher in strichpunktierten Linien das Profil der Membran unter Belastung zeigt_o

In den Figuren ist ein Druckwandler 10 mit einer Membran 12 dargestellt, die um ihren Umfang herum starr an einer Wand 14a verspannt ist, die einen Teil des Gehäuses 14 des Wandlers bildet. Die Membran 12 weist einen konzentrisch in ihr ausgebildeten flachen, napfförmigen Abschnitt 16 in Form eines geraden Kreiszylinders auf, der von einem Ringteil bzw₀ einer Ringfläche 12a umschlossen ist_e Die Membran 12 kann z.B. durch Schweißen starr mit der Wand 14a verbunden sein, oder Membran und Wand können aus einem Stück gefertigt werden,, Bei einer Membran der dargestellten Form ist der Ringteil 12a flexibler biegsamer als der napfförmige Abschnitt 16_O

Die Membran 12 bildet eine Trennwand zwischen zwei Kammern 18a, 18b im Gehäuse 14, wobei der napfförmige Abschnitt 12 in die Kammer 18a hineinragte Ein Strömungsmittel, dessen Druck bestimmt werden soll, kann über einen Zulaß 20 in die Kammer 18a eingelassen werden, so daß der Druckunterschied in den Kammern 18a und 18b zu einer Auslenkung der Membran 12 führte Die Kammer 18b kann dabei an Atmosphärendruck oder an einem beliebigen anderen vorbestimmten Druck liegen, doch ist sie so ausgelegt, daß der in der Kammer 18a herrschende Druck gleich groß oder größer ist als der Druck in der Kammer 18b, so daß die eine Fläche der Membran, d_oh_o gemäß Fig„ 2 die Unterseite, von einem Druck beaufschlagt wird, der gleich groß oder größer ist als der an der anderen Fläche anliegende

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Druck, so daß die Membran in einer Richtung, d.h. gemäß Fig. 2 nach oben, ausgelenkt wird.

In bevorzugter Ausführungsform bildet der napfförmige Abschnitt 16 der Membran 12 einen Hohlraum 16a, der sich zur Kammer i8b, d.h. gemäß Pig. 2^ nach oben öffnet. Der napfförmige Abschnitt 16 kann mit einem Boden 16b und einer geradzylindrischen Seitenwand 16c versehen sein, die sich konzentrisch vom Innenumfang der Ringfläche 12a zum Außenumfang des Bodens i6b nach unten erstreckt. Der Boden i6b des napfförmigen Abschnitts 16 liegt in einer Ebene, die praktisch parallel zu derjenigen der Ringfläche 12a liegt, wenn kein Druckunterschied zwischen den Kammern i8a und

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I8b besteht. Dieser Boden i6b verschließt die Unterseite der Seitenwand 16c, wodurch die Membran 12 vervollständigt ist. In spezieller Ausführungsform braucht der Boden *6b nicht das äußerste Ende der Membran 12 in Richtung auf den Zulaß 20 zu bilden.

Bei dieser Konstruktion sind auf die Auslenkung der Membran ansprechende Mittel in Form von Dehnungsmeßstreifen 22, 24 vorgesehen, die nach Dünnfilmverfahren auf die genannte andere, doho gemäß Figo 1b obere Seite der Membran in der dargestellten Weise aufgebracht worden sein können,» Dabei sprechen die Dehnungsmeßstreifen 22 hauptsächlich auf Zugspannungen und die Dehnungsmeßstreifen 24 auf Druckspannungen an. Im Betrieb sind diese Dehnungsmeßstreifen in an sich bekannter Weise so geschaltet, daß sie die Arme einer Wheatstoneseheη Brücke bilden«.

Eine weitere, parallel auf Abstand zur Membran 12 angeordnete Wand 14b des Gehäuses 14 weist einen konzentrisch zum napfförmigen Abschnitt 16 ausgebildeten, abstehenden Teil 26 auf_e Der Durchmesser dieses abstehenden Teils bzw«, Vorsprungs 26 ist etwas kleiner als der Innendurchmesser des napfförmigen Abschnitts 16, weil er dem Hohlraum 16a zugewandt ist und sich, wie dargestellt, ein kleines Stück in diesen Hohlraum hineinerstrecken kann« Der Vorsprung 26 ist mit einer axialen Gewindebohrung versehen, in die ein Gewindeelement 28 eingeschraubt ist, das an seinem Ende mit einem scheibenförmigen Kopf 30 versehen ist, welcher mit einem vorbestimmten Abstand parallel zur inneren Grundfläche 16b des napfförmigen Abschnitts 16 liegt«, Die der Grundfläche 16b des Hohlraums zugewandte Fläche 30a des Kopfes 30 wirkt als Anschlagfläche für die Grundfläche des napfförmigen Abschnitts, so daß sie eine Auslenkung der Membran auf einen vorbestimmten Betrag begrenzte Mittels des Gewindeelements 28 kann der Abstand bzw<> die Strecke zwischen der Scheibe 30 und der Grundfläche 16b des

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Hohlraums I6a je nach der höchstzulässigen Auslenkung der Membran eingestellt werden. Ein in einer Wandausnehmung 34 ■befindlicher Sicherungsring bzw, eine Kontermutter 32 ist auf das Gewindeelement 28 aufgeschraubt und sichert dessen stellung nach der Einsteilung„ Die Kombination aus den Elementen 28, 30 und 32 bildet mithin einen Überdruckanschlag für den Wandler, Durch Anordnung des Gewindeelements 28 und des Sicherungsrings 32 im vorspringenden Wandteil 26, der bei der dargestellten Ausführungsform mit einer Ausnehmung 34 versehen ist, kann somit ein Wandler mit einem einfachen und kompakt gebauten Überdruckanschlag gebildet werden, welcher die Gesamtabmessungen des Wandlers nur wenig oder gar nicht vergrößerte Fallsein einstellbarer Überdruckanschlag nicht erforderlich ist, kann selbstverständlich auch eine einfachere Anordnung gewählt werden«, Beispielsweise könnte der Vorsprung 26 so bemessen werden, daß er den Überdruckanschlag bildet. Wahlweise kann dieser Anschlag überhaupt weggelassen werden»

Wie erwähnt, ist der napfförmige Abschnitt 16 der Membran steifer als der Ringteil 12a, auch wenn dieser Abschnitt vergleichsweise dünnwandig ist«, Die Querschnittsdarstellung von Figo 4 veranschaulicht in ausgezogenen Linien die Membran gemäß Figg 1 und in strichpunktierten Linien bei 17 in etwas übertriebener Darstellung das Profil dieser Membran, wenn sie belastet ist₀ Typische Abmessungen für eine für den Be-

trieb in einem Normaldruckbereich von etwa 35»2 kg/cm vorgesehene Membran sind in Fig_e 3 angegebene Hieraus ist ersichtlich, daß vergrößerte Steifigkeit im Zentrum gegenüber dem Ringteil mit nur einer sehr geringen Vergrößerung der Masse der Membran erreicht wird_o

Die Auslenkung der Membran unter dem auf sie einwirkenden Druck sowie die davon herrührenden Beanspruchungs- und Spannungspegel im vergleichsweise flexiblen Ringteil beruhen

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auf zwei Faktoren, nämlich dem Druck und der resultierenden Kraft, welche den Zentralbereich beaufschlagen, sowie dem auf den Ringteil bzw_o die Ringfläche einwirkenden Drucke Vor der Begrenzung der Membranauslenkung durch den Überdruckanschlag ist daher die Größe der Zunahme von Beanspruchung und Spannung bei ansteigendem Druck die Summe dieser beiden Faktoren« Wenn der Überdruckanschlag jedoch die weitere Auslenkung beendet, d_oh„ wenn die Membran 12 durch den sie beaufschlagenden Druck bis zur Anlage an die Fläche 30a des Überdruckanschlags ausgelenkt worden ist, beruht dagegen die Größe der Beanspruchungs- und Spannungszunähme mit dem Anstieg des anliegenden Drucks nur noch auf dem zweitgenannten Faktor_o Da der Mittelteil, wie in Fig₀ 4 gezeigt, nicht starr ist, tritt ein Zwischenzustand zuerst zu dem Zeitpunkt ein, an welchem die Membran erstmalig die Anschlagfläche berührt, wobei die Wirkung aufgrund des erstgenannten Faktors schnell abnimmt, während sich die Wirkung aufgrund des zweitgenannten Faktors schnell vergrößerte Wenn die Membran daher so ausgelegt und ausgebildet ist, daß der Einfluß des erstgenannten Faktors erheblich größer ist als derjenige des zweitgenannten Faktors (d_#h„ wenn die Oberfläche des napfförmigen Abschnitts im Vergleich zum flexibleren Ringteil groß ist), kann die Membran einem mehrfachen Überdruck des Normaldrucks (many times range overpressure) ausgesetzt werden, ohne daß ein bleibender Schaden an der Membran oder an den Dehnungsmeßstreifen auftrittο

Vorzugsweise ist das Oberflächenverhältnis zwischen den napfförmigen Abschnitten 16 und der Ringfläche 12$. so groß wie in der Praxis nur irgend möglich, und dieses Verhältnis beträgt mindestens 1:2. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 beträgt dieses Verhältnis etwa J>-A. Hierdurch wird die Größe des Überdrucks, dem.der Wandler ausgesetzt werden kann, erheblich erhöht.

Beispielsweise wurde ein Wandler mit den Abmessungen gemäß

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Pig· 3i dessen Überdruckanschlag auf das 1,5-fache des Nenn- oder Normaldrucks eingestellt war, ohne bleibenden Schaden am Wandler dem 5-fachen Normaldruck ausgesetzt.

Ein zweckmäßiger Werkstoff für die Membran 12 und die Wand 14a ist rostfreier Stahl (Sorte 17-4PH) der Firma ARMCO Steel Corporation, Middletown, Ohio/USA. Dieser rostfreie Stahl besitzt folgende Zusammensetzung:

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Chrom	15,5 - 17,5%
Nickel	3 - %
Kupfer	3 - 5%
Silizium	höchstens V/o
Mangan	höchstens V/o
Columbium und/oder
Tantal	0,25 - 0,45%
Eisen	Rest

Das äußere Gehäuse des Wandlers 10 kann aus einem rostfreien Stahl, Z₀B₀ der Sorte 18-8 der Firma Firth Brown Limited, bestehen«,

Einige Vorteile eines erfindungsgemäßen Wandlers mit der vorstehend beschriebenen Membran lassen sich wie folgt zusammenfassen:

1. Nachteilige Auswirkungen ständiger Beschleunigung und Schwingung sind erheblich geringer als bei einem Wandler mit einer einen starren zentralen Ansatz aufweisenden Membran. Bei einem für einen Nenndruck von 35,2 kg/cm (500 psi) ausgelegten Wandler mit einer Membran mit den Abmessungen gemäß Fig. 3 wurde beispielsweise die Ausgangssignaleinheit (unit output) infolge linearer Beschleunigung längs der Hauptachse mit nur 0,006% des normalen vollen (Meß-)Bereichausgangssignals pro Beschleunigungseinheit (in G) ermittelt,,

2ο Der Wandler ermöglicht die Verwendung einer zwangsläufig wirkenden, kompakt gebauten und wirkungsvollen bzw« wirtschaftlichen Überlastschutzvorrichtung, wobei die Gesamtvergrößerung der Wandlerlänge infolge der Anordnung dieser Schutzvorrichtung erheblich kleiner ist als bei den bekannten Ausführungsformen solcher Überdruckschutzvorrichtungen»

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Obgleich vorstehend eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandlers beschrieben ist, bei dem der napfförmige Abschnitt 16 ein gerader Kreiszylinder ist, kann dieser Abschnitt selbstverständlich auch eine andere Form, Z₀B₀ eine Glocken- oder Kegelstumpfform, besitzen.

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Claims

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Patentansprüche

Auf Druck oder Kraft ansprechender Wandler mit einer um den Umfangsrand eines aktiven Abschnitts derselben starr verspannten Membran, mit Mitteln, die im Betrieb einen Druck oder eine Kraft an die eine Fläche der Membran anlegen, und mit auf die resultierende Auslenkung der Membran ansprechenden Mitteln zur Lieferung einer Anzeige des einwirkenden Drucks bzw«, der anliegenden Kraft, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (12) mit einem konzentrisch in ihr ausgebildeten, napfförmigen Abschnitt (16) versehen ist.

2, Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Umfangsrand des aktiven Abschnitts (12a) als auch der napfförmige Abschnitt (16) kreisförmig sind, so daß zwischen dem Umfangsrand und dem napfförmigen Abschnitt (16) ein Ringteil der Membran (12) festgelegt ist»

3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Oberflächenverhältnis zwischen dem napfförmigen Abschnitt (16) und dem aktiven Abschnitt (12a) so groß wie praktisch möglich gewählt ist_o

Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Oberflächenverhältnis mindestens etwa 1:2 beträgt_o

5β Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der napfförmige Abschnitt (16) einen Teil der einen Membranfläche bildet und an der anderen Membranfläche offen ist«,

6β Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Überlastschutzelement (30) mit einer in einem vorbe-

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stimmten Abstand von der inneren Grundfläche (i6b) des napfförmigen Abschnitts (16) angeordneten Anschlagfläche (30a) zur Begrenzung der Auslenkung der Membran (12) gegen das Überlastschutzelement (30) auf die diesem Abstand entsprechende Strecke aufweist»

7c Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Überlastschutzelement (30) so angeordnet ist, daß der Abstand zwischen der Anschlagfläche (30a) und der inneren Grundfläche (16b) des napfförmigen Abschnitts (16) einstellbar ist«

8ο Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der napfförmige Abschnitt (16) ein ge~ rader Kreiszylinder ist₀

Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der napfförmige Abschnitt (16) glockenförmig ist«,

10_e Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß der napfförmige Abschnitt (16) kegelstumpfförmig ist„

β Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Auslenkung ansprechenden Mittel Dehnungsmeßstreifen (22, 24) sind«,

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