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Die
Erfindung betrifft ein Druckmessgerät mit einem Messelement und
mindestens einem Druckübertragungssystem,
das dazu dient einen auf eine Trennmembran einwirkenden Druck mittels
einer Übertragungsflüssigkeit
auf das Messelement zu übertragen.
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Druckmessgeräte werden
heute in einer Vielzahl von Anwendungen in der Mess- und Regeltechnik
in nahezu allen Industriezweigen zur Erfassung von Drücken eingesetzt.
Dabei werden sowohl Absolutdrücke,
Relativdrücke
als auch Differenzdrücke aufgezeichnet.
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Das
Gebrauchsmuster
DE
94 21 746 U1 offenbart einen Drucksensor zum Messen des
Drucks von flüssigen
oder gasförmigen
Medien, welcher eine mit einer Flüssigkeit gefüllte Messzelle
aufweist, die aus einem ein Sensorelement enthaltenden mit einer Membran
verschlossenen Gehäuse
besteht, wobei die Membran mit einer Diffusionssperrschicht versehen
ist.
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Die
Offenlegungsschrift
DE
100 50 300 A1 offenbart eine Druckmesszelle mit einem Grundkörper, einer
mit dem Grundkörper
unter Bildung einer Messkammer verbundenen Membran, die im Betrieb eine
von einem zu messenden Druck abhängige
Auslenkung erfährt,
die mittels eines elektromechanischen Wandlers erfasst und einer
weiteren Auswertung zugänglich
wird, und einer den Grundkörper durchdringenden
Bohrung, in die ein Druckröhrchen druckfest
und gasdicht eingelötet
ist, über
das ein Druck in die Messkammer eingeleitet ist, wobei der Druck
mittels einer Übertragungsflüssigkeit
durch die Druckröhrchen
eingeleitet wird.
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Die
Offenlegungsschrift
DE
30 25 562 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von
Dispersionen mit enger Teilchengrößeverteilung mit breitem Konzentrationsbereich
dilatanten Fließverhaltens. Diese
Dispersionen weisen eine von der Dynamik abhängige Viskosität auf.
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US Patent 6,038,935 offenbart
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum ortsaufgelösten Messen der
Verteilung von Kräften
auf die Sohle eines Hufes, wozu mit thixotropen Flüssigkeiten
eine Anlagefläche für Kraft-
bzw. Drucksensoren gefertigt wird.
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Bei
der Erfassung eines einzelnen Drucks wird der zu messende Druck
der Trennmembran zugeführt
und über
das Druckübertragungssystem
mittels der Übertragungsflüssigkeit
auf das Messelement übertragen.
Das Messelement gibt ein Ausgangssignal ab, das proportional zu
dem zu messenden Druck ist. Das Ausgangssignal steht zu einer weiteren
Verarbeitung, Auswertung und/oder Anzeige zur Verfügung.
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Analog
weisen Differenzdruckmessgeräte üblicherweise
eine erste und eine zweite Trennmembran und ein erstes und ein zweites
Druckübertragungssystem
auf. Im Betrieb wirkt ein erster Druck auf die erste Trennmembran
und ein zweiter Druck auf die zweite Trennmembran ein. Die ersten
und zweiten Drücke
werden jeweils über
das der entsprechenden Trennmembran zugeordnete Druckübertragungssystem
mittels der Übertragungsflüssigkeit
auf das Messelement übertragen.
Das Messelement gibt ein Ausgangssignal ab, das proportional zur
zu messenden Differenz der beiden Drücke ist. Das Ausgangssignal
steht zu einer weiteren Verarbeitung, Auswertung und/oder Anzeige
zur Verfügung.
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Die Übertragungsflüssigkeit überträgt den auf
die jeweilige Trennmembran einwirkenden Druck. Um optimale Übertragungseigenschaften
zu erhalten wird vorzugsweise eine möglichst inkompressible Flüssigkeit
mit einem geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausgewählt. Gebräuchliche Übertragungsflüssigkeiten
sind heute z. B. Siliconöl,
Glycerin, polymeres Trifluormonochlorethylen oder Pflanzenöle.
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Das
Messelement weist ein druckempfindliches Element, insbesondere eine
Membran, auf, die im Betrieb mit den entsprechenden Drücken beaufschlagt
wird. Hierzu eignen sich insbesondere druckempfindliche Elemente
aus Halbleitermaterialien. Diese sind jedoch empfindlich gegenüber Überlasten.
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Zum
Schutz des Messelements wird deshalb häufig eine mechanische Überlastschutzvorrichtung vorgesehen,
bei der beim Einwirken einer Überlast eine
Verschiebung von Übertragungsflüssigkeit
stattfindet, derart, dass die betroffene Trennmembran zur Anlage
kommt. Ein weiterer Druckanstieg wird hierdurch vermieden. Ein solcher
mechanischer Überlastschutz
bietet einen zuverlässigen
Schutz vor statischen Überlasten.
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Ein
anderes Problem stellen dynamische Überlastspitzen, z. B. in Form
von Druckschlägen dar.
Hier bedarf es einer Überlastschutzvorrichtung, die
sehr kurze Reaktionszeiten aufweist.
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Als
Schutz vor dynamischen Überlasten könnte man
eine Übertragungsflüssigkeit
mit hoher Viskosität
einsetzen. Hierdurch wird im Druckübertragungssystem ein hoher
Strömungswiderstand
erzielt, der jeder Überlast
unmittelbar entgegen wirkt.
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Hochviskose Übertragungsflüssigkeiten
lassen sich jedoch nur sehr schlecht oder gar nicht in das Druckübertragungssystem
einfüllen.
Druckübertragungssysteme
weisen in der Regel enge Spalte oder Kanäle auf, die sich mit hochviskosen
Flüssigkeiten
nicht optimal füllen
lassen.
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Ein
weiteres Problem besteht darin, dass bei Druckmessgeräten mit
mechanischen Überlastvorrichtungen
in der Regel bereits innerhalb des Messbereiches eine Verschiebung
der Übertragungsflüssigkeit
erfolgt. Diese Verschiebung wird durch eine hochviskose Übertragungsflüssigkeit
verlangsamt. Kurzzeitige Druckveränderungen werden durch hochviskose
Flüssigkeiten
zeitverzögert übertragen, was
zu einer erheblichen Beeinträchtigung
der Messgenauigkeit führen
kann.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung ein Druckmessgerät mit einem Druckübertragungssystem
anzugeben, das einen Überlastschutz
aufweist.
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Hierzu
besteht die Erfindung in Druckmessgerät mit
- – einem
Messelement und
- – einem
Druckübertragungssystem,
- – das
dazu dient einen auf eine Trennmembran einwirkenden Druck mittels
einer Übertragungsflüssigkeit
auf das Messelement zu übertragen,
dadurch
gekennzeichnet, dass
- – die Übertragungsflüssigkeit
eine von deren Dynamik abhängige
Viskosität
aufweist.
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Gemäß einer
ersten Weiterbildung ist die Übertragungsflüssigkeit
eine thixotrope Flüssigkeit, insb.
eine Flüssigkeit,
der ein Thixotropiermittel zugesetzt ist.
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Gemäß einer
Ausgestaltung ist das Thixotropiermittel hochdisperse Kieselsäure.
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Gemäß einer
zweiten Weiterbildung ist die Übertragungsflüssigkeit
eine dilatante Flüssigkeit, deren
Viskosität
mit steigender Schergeschwindigkeit ansteigt, insb. eine Copolymerdispersion.
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Ein
Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine solche Übertragungsflüssigkeit
unmittelbar als Überlastschutz
fungiert.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass die erfindungsgemäßen Übertragungsflüssigkeiten
während
des Befüllens
des Druckübertragungssystems dünnflüssig sind
und daher auch zum Befüllen schmaler
Spalten und/oder enger Kanäle
geeignet sind.
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Die
Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Zeichnung,
in der zwei Ausführungsbeispiele
dargestellt ist, näher
erläutert.
Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen
versehen.
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1 zeigt
einen Längsschnitt
durch ein erfindungsgemäßes Druckmessgerät; und
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2 zeigt
einen Längsschnitt
durch ein erfindungsgemäßes Differenzdruckmessgerät.
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1.
zeigt einen Längsschnitt
durch ein erfindungsgemäßes Druckmessgerät. Es handelt
sich hier um ein Gerät
zur Erfassung eines absoluten Drucks p. Die Erfindung ist jedoch
analog auch bei Relativdruckmessgeräten anwendbar. Kernstück des Druckaufnehmers
ist ein Messelement 1, hier ein Absolutdrucksensor.
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In
der Druckmesstechnik werden gerne so genannte Halbleiter-Sensoren,
z. B. Silizium-Chips mit eindotierten Widerstandselementen, als
druckempfindliche Elemente eingesetzt. Ein heute üblicher Sensoraufbau
ist in 1 dargestellt. Dort ist ein membran-förmiger Drucksensor-Chip
auf einen Grundkörper 3 aufgebracht.
Der Grundkörper 3 ist
z. B. ein Substrat aus Glas oder ebenfalls aus Silizium. Der Grundkörper 3 ist
auf einem metallischen Träger 5 angeordnet.
Der metallische Träger 5 wird
in ein Gehäuse 7 derart
eingebaut, dass er das Gehäuse 7 rückseitig
abschließt.
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Das
Druckmessgerät
weist eine Trennmembran 9 auf, auf die im Betrieb der zu
messende Druck p einwirkt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel schließt die Trennmembran 9 eine
dem metallischen Träger 5 gegenüberliegende
Stirnseite des Gehäuses 7 frontbündig ab.
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Weiter
umfasst das Druckmessgerät
ein Druckübertragungssystem,
das dazu dient einen auf eine Trennmembran 9 einwirkenden
Druck p auf das Messelement 1 zu übertragen. Das Druckübertragungssystem
umfasst eine von der Trennmembran 9 und deren Membranbett 13 abgeschlossene
Kammer 15, und eine Verbindung 17 zwischen dieser Kammer 15 und
einem das Messelement 1 enthaltenden Gehäuseinnenraum 19.
Die Kammer 15, die Verbindung 17 und der Gehäuseinnenraum 19 sind mit
einer Übertragungsflüssigkeit 20 gefüllt, die
dazu dient, einen auf die Trennmembran 9 einwirkenden Druck
auf die druckempfindliche Membran des Messelements 1 zu übertragen.
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Die Übertragungsflüssigkeit 20 weist
eine Viskosität
auf, die von deren Dynamik abhängig
ist, d. h. die Viskosität ändert sich
mit dem Bewegungszustand der Flüssigkeit.
Die Übertragungsflüssigkeit weist
folglich im Ruhezustand eine andere Viskosität auf, als wenn sie in Bewegung
ist.
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Bei
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Übertragungsflüssigkeit 20 vorzugsweise
eine thixotrope Flüssigkeit.
Eine thixotrope Flüssigkeit
ist im Ruhezustand dickflüssig.
Sie weist also eine hohe Viskosität auf. Wird sie, z. B. durch Rühren, in
Bewegung versetzt so wird sie dünnflüssig. Sie
weist eine niedrige Viskosität
auf.
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Die
thixotrope Flüssigkeit
wird z. B. hergestellt, indem einer Flüssigkeit ein Thixotropiermittel zugesetzt
wird. Derartige Thixotropiermittel werden heute z. B. in Nahrungsmitteln,
z. B. Ketchup, als Verdickungsmittel eingesetzt. Ebenso sind sie
in Farben oder Körperpflegemitteln
enthalten.
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Entsprechende
Thixotropiermittel können heute
in der Druckmesstechnik gebräuchlichen Übertragungsflüssigkeiten
wie z. B. Siliconöl,
Glycerin, polymeres Trifuormonochlorethylen oder Pflanzenölen, zugesetzt
werden. Die Menge des zugesetzten Thixotropiermittels richtet sich
nach der gewünschten Endviskosität.
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Als
Thixotropiermittel für
in der Druckmesstechnik übliche Übertragungsflüssigkeiten
ist hochdisperse Kieselsäure
besonders gut geeignet. Die Verwendung von hochdisperser Kieselsäure bietet den
Vorteil dass sich hierdurch der thermische Ausdehnungskoeffiezient
und die Kompressionszahl der Übertragungsflüssigkeit
verringert. Dies führt
zu einer Verbesserung der erzielbaren Messgenauigkeit.
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Hochdisperse
Kieselsäure
ist ein sehr effizientes Thixotropiermittel. Kieselsäure weist
die gleiche Zusammensetzung auf, wie Sand und Quarz. Es bestehen
jedoch strukturelle Unterschiede. Im Siliziumdioxid ist jedes Silizium
Atom von vier kovalent gebundenen Sauerstoffatomen umgeben. Während im Sand
und Quarz diese SiO4 Tetraeder regelmäßig zu einem dreidimensionalen
Kristallgitter angeordnet sind, bilden sie in einem Primärteilchen
der hochdispersen Kieselsäure
ein ungeordnetes amorphes System. Ein Primärteilchen enthält etwa
10000 SiO2 Einheiten, die ein so genanntes Nanopartikel mit einem Durchmesser
von 5 mm bis 30 mm bilden. Im Ruhezustand lagern sich diese Nanopartikel
zu größeren dreidimensionalen
Netzwerken zusammen. Über Wasserstoffbrückenbindungen
bilden sich Aggregate aus Nanopartikeln. Diese Wasserstoffbrückenbindungen
sind quasi physikalische Bindungen. Es findet keine chemische Reaktion
statt.
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In
der Anwendung wird eine herkömmliche Übertragungsflüssigkeit
entsprechend der gewünschten
Endviskosität
mit dem Thixotropiermittel gemischt. Anschließend wird die so gewonnene Übertragungsflüssigkeit
durch Rühren
in einen dünnviskosen
Zustand versetzt, indem sie problemlos in das Druckübertragungssystem
eingefüllt
werden kann. Nach dem Befüllen
kommt die Übertragungsflüssigkeit 20 zur
Ruhe und wird dickflüssig.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass die Thixotropiermittel chemisch
und lebensmitteltechnisch unbedenkliche Zusatzstoffe sind. Dies
ist besonders wichtig in der Lebensmittel- und in der Pharmaindustrie.
Hier muss sichergestellt sein, dass auch bei einem Austreten der Übertragungsflüssigkeit 20 keine
Gefahr, insb. keine Vergiftungsgefahr, für den Endverbraucher besteht.
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Die
hohe Viskosität
der Übertragungsflüssigkeit 20 im
Ruhezustand bietet weiter den Vorteil, dass bei einer Beschädigung der
Trennmembran 9 keine oder nur eine sehr geringe Flüssigkeitsmenge
austritt.
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In 2 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Druckmessgeräts dargestellt.
Es handelt sich hier um ein Differenzdruckmessgerät mit einem
Messelement 21 befindet. Das Messelement 21 ist
z. B. ein Siliziumchip vom Membrantyp. Es grenzen eine erste und
eine zweite Druckmesskammer 23, 25 an das Messelement 21 an.
Ein in der ersten Druckmesskammer 23 herrschender Druck
liegt an einer Seite der Membran, ein in der zweiten Druckmesskammer 25 herrschender Druck
liegt an der gegenüberliegenden
Seite der Membran an. Die resultierende Durchbiegung der Membran
ist ein Maß für den auf
sie einwirkenden Differenzdruck.
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Das
Differenzdruckmessgerät
weist eine von einer ersten Trennmembran 29 abgeschlossene
erste Druckempfangskammer 31 und eine von einer zweiten
Trennmembran 33 abgeschlossene zweite Druckempfangskammer 35 auf.
Im Betrieb wirkt auf die erste Trennmembran 29 ein erster
Druck p1 und auf die zweite Trennmembran 33 ein zweiter
Druck p2 ein.
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Das
Differenzdruckmessgerät
weist mindestens ein Druckübertragungssystem
auf, das dazu dient einen auf eine der Trennmembranen 29, 33 einwirkenden
Druck p1, p2 mittels einer Übertragungsflüssigkeit 36 auf
das Messelement 21 zu übertragen. Das
hier dargestellte Differenzdruckmessgerät weist zwei solche Druckübertragungssysteme
auf, über
die die jeweils auf die erste bzw. zweite Trennmembran 29, 33 einwirkenden
Drücke
p1, p2 auf die zugeordnete Seite der Membran des Messelements 21 übertragen
wird. Dies geschieht durch enge Verbindungsleitungen 37 und 39 sowie 41 und 43,
vorzugsweise durch Kapillarbohrungen, durch die die jeweiligen Druckempfangskammern 31, 35 mit
den zugeordneten Druckmesskammern 23, 25 verbunden
sind. Im Überlastfall
wird die Übertragungsflüssigkeit 36 im Gerät verschoben,
so dass sich die betroffene Trennmembran 29 bzw. 33 an
ihr Membranbett anlegt und ein weiterer Druckanstieg vermieden wird.
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Zur
Aufnahme des Flüssigkeitsvolumens, das
hierbei verschoben wird, weist das Differenzdruckmessgerät vorzugsweise
einen mechanischen Überlastschutz
auf. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
weist der mechanische Überlastschutz eine Überlastkammer 45 auf,
die durch eine Überlastmembran 47 in
eine erste und eine formgleiche zweite Teilkammer unterteilt ist.
Die Verbindungsleitung 37 führt von der ersten Druckempfangskammer 31 zur
ersten Teilkammer. Die Verbindungsleitung 39 führt von
der ersten Teilkammer zur ersten Druckmesskammer 23. Entsprechend
führt die
Verbindungsleitung 41 von der zweiten Druckempfangskammer 35 zur
zweiten Teilkammer und die Verbindungsleitung 43 führt von
der zweiten Teilkammer zur zweiten Druckmesskammer 25.
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Beide
Druckübertragungssysteme,
d. h. Druckempfangskammern 31, 35, die Verbindungsleitungen 37, 39,
die beiden Teilkammern der Überlastkammer 45,
die Verbindungsleitungen 39, 43 und die Druckmesskammern 23, 25,
sind mit der Übertragungsflüssigkeit 36 gefüllt. Die Übertragungsflüssigkeit 36 weist
eine von deren Dynamik abhängige
Viskosität
auf.
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Gerade
bei Differenzdruckmessgeräten kann
in Abhängigkeit
von der Dimensionierung der Druckübertragungssysteme auch innerhalb
des Messbereichs eine Verschiebung der Übertragungsflüssigkeit
innerhalb der Druckübertragungssystemen
auftreten. In diesem Fall wird als Übertragungsflüssigkeit
36 vorzugsweise
eine dilatante Flüssigkeit eingesetzt.
Dilatante Flüssigkeiten
zeichnen sich dadurch aus, dass deren Viskosität mit steigender Schergeschwindigkeit
ansteigt. Dilatante Flüssigkeiten
sind z. B. bestimmte Polymere, Dispersionen oder Flüssigkeiten
mit hohem Feststoffanteil. Je nach Flüssigkeit kann dieser Anstieg
der Viskosität
mitunter sprunghaft sein. Dilatante Flüssigkeiten werden heute z.
B. zur Bedämpfung
von Schwingungssystemen, insb. in Stoßdämpfern eingesetzt. Besonders geeignet
ist eine Copolymerdispersion, wie sie z. B. in der
DE-A 30 25 562 der Firma
BASF beschrieben ist.
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Sind
die Trennmembranen 29, 33 einem langsamen Druckanstieg
ausgesetzt, so wird der Druckanstieg durch die Druckübertragungssysteme, insb.
durch die Verbindungen 37, 39, 41, 43 aufgrund der
geringen Viskosität
der Übertragungsflüssigkeit 36 hydraulisch
auf das Messelement 21 übertragen. Bei
einer schlagartigen Druckbelastung steigt die Fließgeschwindigkeit
der Übertragungsflüssigkeit 36 im
Druckübertragungssystem,
insb. in engen Spalten und Kapillarbohrungen, hier den Verbindungen 37, 39,
dagegen schlagartig an. Entsprechend steigt die Schergeschwindigkeit
und damit die Viskosität
der Übertragungsflüssigkeit 36 sprungartig.
Das hat einen starken Anstieg des hydraulischen Widerstandes zur
Folge. Der Druck baut sich hinter den Verbindungen 37, 39 nur
langsam auf. Diese langsame Druckänderung wird vom mechanischen Überlastschutz
aufgefangen.
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Das
Messelement 21 ist durch die variable Viskosität der Übertragungsflüssigkeit 36 zuverlässig auch
vor plötzlichen
Druckschlägen
geschützt.
Es besteht auch dann ein zuverlässiger
Schutz, wenn ein Druckanstieg so rasch erfolgt, dass er aufgrund der
mechanischen Trägheit
des mechanischen Überlastschutzes
nicht durch diesen aufgefangen werden kann.
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Zur
Verstärkung
dieses Effektes kann in den Druckübertragungssystemen zusätzlich eine
Drossel 49 vorgesehen sein, wie sie in der Verbindungsleitung 37 beispielhaft
dargestellt ist. Die Drossel 49 ist vorzugsweise ein metallischer
oder keramischer Sinterkörper
mit poröser
Struktur. Ist ein mechanischer Überlastschutz
vorhanden, so befindet sich die Drossel 49, wie in 2 beispielhaft
dargestellt, zwischen der betroffenen Trennmembran 29 und
dem mechanischen Überlastschutz.
Hierdurch wird bei Druckstößen die
Geschwindigkeit des auf den mechanischen Überlastschutz übertragenen
Druckanstiegs weiter herabgesetzt.
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Bei
der Auslegung von Druckübertragungssystemen
können
Simulationsrechnungen durchgeführt
werden, bei denen die einzelnen Komponenten des Druckübertragungssystems
durch entsprechende elektrische Ersatzschaltbilder mit Kapazitäten, Widerständen und
Induktivitäten
nachgebildet werden. Hierdurch lässt
sich sowohl das statische als auch das dynamische Verhalten sowohl
im Messbetrieb, als auch bei statischer oder dynamischer Überlast nachvollziehen
und die Dimensionierung des gesamten Messgeräts entsprechend optimieren.
Das Verhalten von Übertragungsflüssigkeiten,
deren Viskosität
von deren Dynamik abhängt
läßt sich
hierbei durch variable Widerstände
nachbilden.
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Übertragungsflüssigkeiten 20, 36,
deren Viskosität
sich in Abhängigkeit
von deren Bewegungszustand verändert,
bieten den Vorteil, dass sie im niederviskosen, also dünnflüssigen Zustand
in das Druckmessgerät
eingefüllt
werden können.
Dabei ist sichergestellt, dass auch sehr enge Innenräume vollständig und
blasenfrei befüllt
werden können.
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Sowohl
thixotrope als auch dilatante Übertragungsflüssigkeiten 20, 36 lassen
sich in einer Vielzahl verschiedener Druckmessgeräte verwenden. Die
Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt.
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Bei
der Auswahl der Übertragungsflüssigkeit wird
vorzugsweise berücksichtigt,
ob während
des normalen Messbetriebs eine relevante Flüssigkeitsmenge im Inneren des
Messgeräts
verschoben wird. Ist dies der Fall, wird bevorzugt eine dilatante Übertragungsflüssigkeit 36 verwendet,
die im normalen Messbetrieb eine schnelle hydraulische Druckübertragung
gewährleistet.
Hierdurch können
auch schnelle Druckänderungen
rasch übertragen
und genau gemessen werden.
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Wird
dagegen im normalen Betrieb keine oder nur eine unbedeutende Menge
an Flüssigkeit verschoben,
so wird vorzugsweise eine thixotrope Übertragungsflüssigkeit 20 eingesetzt,
deren erhöhte Viskosität im Ruhezustand
einen inhärenten Überlastschutz
bildet.