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Die Erfindung betrifft eine Drucksensoranordnung zum Messen eines Drucks.
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Drucksensoren zum Messen des Drucks von Flüssigkeiten, wie beispielsweise Wasser oder Harnstofflösungen, sind durch das Einfrieren dieser Medien bei Temperaturen unterhalb des entsprechenden Gefrierpunkts und dem damit verbundenen Volumenzuwachs mechanisch gefährdet und können beschädigt werden. Durch die Entstehung von Eis im Bereich der Sensormembran eines Sensors können Kräfte ausgeübt werden, die zur Beschädigung oder zur Beeinträchtigung der Funktionalität des Sensors führen.
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Die
DE 10 2006 028 673 A1 beschreibt einen Drucksensor mit einem Gehäuse. Das Gehäuse weist ein Loch zum Übertragen von Druck eines Messmedium auf ein Sensorelement auf. In einer Ausführungsform verjüngt sich das Loch in Richtung des Sensorelements.
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Die
DE 199 34 832 A1 beschreibt einen Drucksensor für eine Brennkraftmaschine. Zum Heranführen des Drucks an den Sensor ist als Sensorkanal eine Kapillarröhre vorgesehen. Der Sensorkanal weist einen Bereich auf, der mit einem Einfriersicherungsfluid gefüllt ist.
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Die
DE 100 23 589 A1 beschreibt einen Drucksensor, der in einem Senosrraum eines Drucksensorgehäuse angeordnet ist. In dem Sensorraum ist ein Ausgleichselement angeordnet, um Beschädigungen des Drucksensor durch einen zu hohen Druck zu verhindern.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Drucksensoranordnung anzugeben, die durch ein Einfrieren eines zu messenden Mediums nicht beschädigt wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Drucksensoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Eine Drucksensoranordnung umfasst mindestens ein Sensorelement zum Messen eines Drucks eines Mediums. Die Drucksensoranordnung umfasst einen Gehäusekörper zur Aufnahme des mindestens einen Sensorelements. Der Gehäusekörper umgibt mit einer Wand eine Ausnehmung, durch die der Druck des Mediums an das Sensorelement geführt werden kann. Der Gehäusekörper weist zumindest einen Bereich auf, in dem er in die Ausnehmung vorspringt, so dass sich die Ausnehmung in Richtung zu dem mindestens einen Sensorelement bis zu einem Bereich verengt und sich anschließend an den Bereich aufweitet.
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Die Wand des Gehäusekörpers, die die Ausnehmung umgibt, kann so ausgebildet sein, dass die Ausnehmung zumindest teilweise die Form eines Kegelstumpfs aufweist. Die Wand des Gehäusekörpers kann in einer weiteren Ausführungsform zumindest teilweise konkav sein. Die Wand des Gehäusekörpers ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel zumindest teilweise konvex. Diese Formen der Ausnehmung sind einfach und relativ günstig herstellbar und schützen das Sensorelement gut gegenüber einer Zerstörung durch eine Volumenausdehnung des Mediums in Folge eines Einfrierens.
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Die Ausnehmung kann einen weiteren Bereich aufweisen, in dem das mindestens eine Sensorelement angeordnet ist. In diesem weiteren Bereich kann die Ausnehmung zumindest teilweise mit einem Druckübertragungsmedium gefüllt sein. Durch das Druckübertragungsmedium wird das Sensorelement geschützt.
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Das Druckübertragungsmedium kann mindestens bis in den Bereich reichen, der in die Ausnehmung vorspringt. Dadurch wird verhindert, dass das zu messende Medium bis hinter den vorspringenden Bereich vordringt und das Sensorelement so möglichst gut vor einer Zerstörung durch ein Einfrieren des Mediums geschützt.
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Der weitere Bereich, in dem das mindestens eine Sensorelement angeordnet ist, kann bis zu einer Stelle reichen, an der die Wand so ausgebildet ist, dass die Ausnehmung ihren geringsten Durchmesser aufweist. Die Stelle des geringsten Durchmessers ist von dem Sensorelement beabstandet. Eine Oberfläche des Druckübertragungsmediums, bis zu der das Druckübertragungsmedium reicht, ist weiter von dem Sensorelement beabstandet als die Stelle des geringsten Durchmessers der Ausnehmung. So ist das Sensorelement möglichst gut vor einer Zerstörung durch eine Volumenausdehnung des Mediums durch ein Einfrieren geschützt.
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In dem weiteren Bereich der Ausnehmung, in dem das mindestens eine Sensorelement angeordnet ist, kann ein Ausgleichselement angeordnet sein, das eine Volumenänderung des zu messenden Mediums ausgleicht. Das Ausgleichselement kann mindestens eine Schicht aus einem aufgeschäumten Gel umfassen. Das Ausgleichselement kann auch ein schaumförmiges Elastomer mit geschlossenen Zellen umfassen, insbesondere Zellkautschuk. So kann das Sensorelement vor einer Zerstörung durch eine Volumenänderung des Mediums in dem weiteren Bereich möglichst gut geschützt werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Weiterbildungen ergeben sich aus den nachfolgenden in Verbindung mit den 1 bis 5 erläuterten Beispielen. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Drucksensoranordnung gemäß einer Ausführungsform,
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2 eine schematische Darstellung einer Drucksensoranordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform,
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3 eine schematische Darstellung einer Drucksensoranordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform,
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4 eine schematische Darstellung einer Drucksensoranordnung mit einem Ausgleichselement, und
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5 eine schematische Darstellung einer Drucksensoranordnung mit einem Ausgleichselement gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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1 zeigt eine Drucksensoranordnung 100, die ein Sensorelement 101 und einen Gehäusekörper 102 aufweist. Der Gehäusekörper umgibt eine Ausnehmung 103. Der Gehäusekörper weist einen Bereich 104 auf, in dem er in die Ausnehmung vorspringt. Die Ausnehmung verläuft in Z-Richtung durch den Gehäusekörper und das Sensorelement ist in dieser Richtung oberhalb des Bereichs 104 angeordnet. Das Sensorelement 101 ist in einem Bereich 107 der Ausnehmung 103 angeordnet, der mit einem Druckübertragungsmedium 105 gefüllt ist. Das Druckübertragungsmedium umschließt die freiliegenden Flächen des Sensorelements 101 und reicht bis in den vorspringenden Bereich 104 des Gehäusekörpers.
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Eine Wand 106 des Gehäusekörpers, die die Ausnehmung umgibt, weist in der gezeigten Ausführungsform eine schräge Flanke zwischen einem ersten Durchmesser 110 und einem zweiten Durchmesser 111 auf. Die Ausnehmung weist an einer Öffnung den Durchmesser 110 auf und verengt sich in Z-Richtung in Richtung einer Stelle 108, die den Durchmesser 111 aufweist. Der Durchmesser 111 ist kleiner als der Durchmesser 110 und im gezeigten Ausführungsbeispiel der geringste Durchmesser der Ausnehmung. Im Bereich 107, der an die Stelle 108 anschließt, kann sich die Ausnehmung wieder aufweisen. Die Wand 106 des Gehäusekörpers ist so ausgebildet, dass die Ausnehmung in dem vom Sensorelement abgewandten Bereich die Form eines Kegelstumpfs aufweist. Der Kegelstumpf verläuft vom größeren Durchmesser 110 bis zum kleinsten Durchmesser 111. Die Ausnehmung kann rotationssymmetrisch zur Z-Achse sein. Die Ausnehmung kann auch eine andere Form aufweisen, die geeignet ist, Druck des zu messenden Mediums zu übertragen, beispielsweise eine eckige Form.
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Die Ausnehmung wird von einem Deckelelement an einer weiteren Öffnung abgeschlossen. Die weitere Öffnung liegt an dem der Öffnung mit dem Durchmesser 110 entgegengesetzten Ende der Ausnehmung. An dem Deckelement ist das Sensorelement 101 befestigt. Die Ausnehmung 103 ist ausgehend von dem Deckelement, das die Ausnehmung in eine Richtung abschließt und an dem das Sensorelement 101 angeordnet ist, mit dem Druckübertragungsmedium 105 mindestens bis in den Bereich gefüllt, der in die Ausnehmung vorspringt. Das Druckübertragungsmedium reicht mindestens bis an die Stelle der Ausnehmung, die den geringsten Durchmesser der Ausnehmung aufweist. Das Druckübertragungsmedium kann auch weiter in die Ausnehmung reichen, insbesondere so weit, dass durch das Druckübertragungsmedium und die Form der Ausnehmung eine Volumenausdehnung des zu messenden Mediums von dem Sensorelement weg erfolgt. Das Druckübertragungsmedium 105 bildet eine Oberfläche 109 aus, die von dem Sensorelement 101 beabstandet ist. Die Stelle 108 der Ausnehmung, an der die Ausnehmung ihren geringsten Durchmesser aufweist, ist weniger weit als die Oberfläche 109 von dem Sensorelement 101 beabstandet.
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Das Druckübertragungsmedium umfasst ein Material, insbesondere ein Gel, das eingerichtet ist, einen Druck eines zu messenden Mediums an das Sensorelement 101 zu übertragen. Das zu messende Medium beziehungsweise ein Druck des Mediums wird von der offenen Seite der Ausnehmung 103 durch die Ausnehmung geführt. Das zu messende Medium übt einen Druck auf die Oberfläche 109 des Druckübertragungsmediums 105 aus. Das Druckübertragungsmedium schütz das Sensorelement vor Umwelteinflüssen, insbesondere vor einem direkten Kontakt mit der Flüssigkeit. Die Sensoranordnung ist eingerichtet, den Druck von Flüssigkeiten zu messen, beispielsweise den Druck von Nasser oder einer Harnstofflösung in einem System.
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Bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts der zu messenden Flüssigkeit, der beispielsweise bei einer typischen Harnstofflösung etwa –11°C beträgt, erhöht sich das Volumen der sich in der Ausnehmung 103 befindenden Flüssigkeit. Beispielsweise erhöht sich das Volumen einer 32%igen Harnstofflösung beim Phasenübergang von flüssig nach fest ähnlich wie bei Wasser um cirka 9%. Die Flüssigkeit gefriert im Bereich des kleineren Durchmessers 111 bevor sie in Bereichen mit größeren Durchmessern gefriert. Gefriert die Flüssigkeit, findet die Volumenausdehnung im Gehäusekörper in die dem Sensorelement 101 entgegengesetzte Richtung statt. Somit werden nur relativ geringe Drücke auf die Oberfläche 109 durch eine Volumenausdehnung des Mediums ausgeübt. Weder das Druckübertragungsmedium noch das Sensorelement 101 werden in Folge eines zu hohen Drucks beschädigt.
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Das Sensorelement 101 ist beispielsweise ein Halbleitersensor, der eine auf Druck empfindliche Membran aufweist. Das Sensorelement kann auch ein anderes Bauelement sein, das eingerichtet ist, den Druck eines Mediums zu messen. Der Gehäusekörper 102 umfasst in einer Ausführungsform ein Metall. Er kann ein Schraubgewinde aufweisen, um ihn beispielsweise mit einer Leitung zu koppeln. Der Gehäusekörper kann auch andere Montageelemente aufweisen, um die Sensoranordnung mit weiteren Elementen zu koppeln. Beispielsweise ist die Sensoranordnung in ein System zur Abgasnachbehandlung eingebunden, insbesondere in ein System zur Reduzierung von Stickoxiden im Abgas einer Dieselbrennkraftmaschine durch selektive katalytische Reduktion.
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2 zeigt eine Sensoranordnung 200, die einen Gehäusekörper 202 umfasst, der eine Ausnehmung 203 umgibt. Die Ausnehmung ist in eine Richtung von einem Deckelement geschlossen. An dem Deckelement kann ein Sensorelement 201 angeordnet sein. Das Sensorelement 201 ist eingerichtet, den Druck eines Mediums zu messen, insbesondere den Druck einer Flüssigkeit. Der Druck des Mediums wird durch die Ausnehmung 203 an das Sensorelement 201 geführt.
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Das Sensorelement 201 ist in einem Bereich 207 der Ausnehmung angeordnet, der mit einem Druckübertragungsmedium 205 gefüllt ist. Der Gehäusekörper 202 weist einen vorspringenden Bereich 204 auf, so dass sich der Durchmesser der Ausnehmung 203 ändert. Ausgehend von dem Sensorelement 201 verringert sich der Durchmesser der Ausnehmung in dem Bereich 207 bis der Durchmesser seinen geringsten Wert erreicht hat. Mindestens bis zu dieser Stelle, an der der Durchmesser der Ausnehmung seinen geringsten Wert hat, reicht das Druckübertragungsmedium 205. Das Druckübertragungsmedium ist in der Ausnehmung zwischen dem Sensorelement 201 und dem Bereich des geringsten Durchmessers der Ausnehmung angeordnet. Ausgehend von dem Bereich des geringsten Durchmessers vergrößert sich der Durchmesser der Ausnehmung in entgegengesetzter Richtung zum Sensorelement 201. Das Gehäuse 202 umgibt die Ausnehmung 203 mit einer Wand 206, so dass das Gehäuse in dem Bereich der Ausnehmung, der nicht von dem Druckübertragungsmedium gefüllt ist, eine konkave Fläche ausbildet. Die konkave Fläche der Wand 206 ist zwischen der Öffnung des Gehäusekörpers, die dem Sensorelement entgegengesetzt liegt, und der Stelle, an der der Gehäusekörper am weitesten in die Ausnehmung vorspringt, ausgebildet.
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Das Medium, dessen Druck durch die Sensoranordnung bestimmt werden soll, wird von dem Sensorelement 201 weggedrückt, wenn es gefriert. Durch die Form der Wand 206 und der Füllhöhe des Druckübertragungsmediums 205, das in dem Bereich der Ausnehmung 207 mindestens bis zu der Stelle mit dem geringsten Durchmesser der Ausnehmung geführt ist, kann das zu messende Medium durch die offene Seite der Ausnehmung 203 höchstens bis zu der Stelle der Ausnehmung gelangen, an der die Ausnehmung ihren geringsten Durchmesser aufweist. Bei einer Volumenausdehnung des Mediums durch einen Phasenübergang von flüssig zu fest werden nur relativ geringe Drücke auf das Druckübertragungsmedium und das Sensorelement ausgeübt, da die Volumenausdehnung durch die konkave Form der Wand 206 von dem Sensorelement 201 weg stattfindet.
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3 zeigt eine Sensoranordnung 300. Ein Gehäusekörper 302 umgibt eine Ausnehmung 303. Ein zu messendes Medium beziehungsweise der Druck des zu messenden Mediums kann durch die Ausnehmung 303 zu einem Sensorelement 301 geführt werden, das an einem Ende der Ausnehmung 303 angeordnet ist. Ausgehend von dem entgegengesetzten Ende des Gehäusekörpers 302 weist eine Wand 306 des Gehäusekörpers 302, die die Ausnehmung umgibt, einen geradlinigen Verlauf auf. Daran anschließend weist der Gehäusekörper 302 einen vorspringenden Bereich 304 auf, so dass die Wand 306 einen konvexen Bereich aufweist. Die konvexe Fläche der Wand 306 endet an einer Stelle, an der der Gehäusekörper am weitesten in die Ausnehmung 303 vorspringt, beziehungsweise an der die Ausnehmung 303 ihren geringsten Durchmesser aufweist. Daran schließt ein Bereich 307 an, in dem sich der Durchmesser der Ausnehmung wieder vergrößert. In diesem Bereich 307 ist das Sensorelement 301 angeordnet.
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Der Gehäusekörper beziehungsweise die Ausnehmung des Gehäusekörpers ist im Bereich 307 mit einem Druckübertragungsmedium 305 gefüllt. Das Druckübertragungsmedium ist eingerichtet, den Druck des zu messenden Mediums auf das Sensorelement 301 zu übertragen. Das Druckübertragungsmedium 305 verhindert, dass das zu messende Medium bis in den Bereich 307 vordringt. Das Druckübertragungsmedium ist beispielsweise ein Gel. Das Druckübertragungsmedium reicht vom Sensorelement 301 mindestens bis zu dem Bereich des Gehäusekörpers, an dem dieser am weitesten in die Ausnehmung vorspringt. Das zu messende Medium kann von der dem Sensorelement 301 entgegengesetzten Seite des Gehäusekörpers bis zu dem Druckübertragungsmedium gelangen. Das zu messende Medium kann durch die Ausnehmung 303 bis ihn den konvexen Bereich und dort bis zu dem Bereich der geringsten Ausdehnung der Ausnehmung 303. Bei einer Volumenausdehnung des Mediums durch einen Phasenübergang von flüssig zu fest werden nur relativ geringe Drücke auf das Druckübertragungsmedium und das Sensorelement ausgeübt, da die Volumenausdehnung durch die konvexe Form der Wand 306 von dem Sensorelement 301 weg erfolgt.
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4 zeigt eine Sensoranordnung 400, die einen Gehäusekörper 402 aufweist. Der Gehäusekörper 402 hat eine vergleichbare Form zu dem Gehäusekörper, der in Verbindung mit 1 beschrieben wurde. Der Gehäusekörper 402 umgibt eine Ausnehmung 403 mit einer Wand 406. Die Ausnehmung ist durch den Gehäusekörper geführt. Die Wand 406 weist ausgehend von einer Öffnung des Gehäusekörpers 402 schräge Flanken auf, so dass der Gehäusekörper 402 in einem Bereich 404 in die Ausnehmung vorspringt. Der Gehäusekörper umgibt die Ausnehmung 403 derart, dass sich ein Bereich 407 ausbildet. In dem Bereich 407 ist ein Sensorelement 401 angeordnet.
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Zum Schutz des Sensorelements 401 ist das Sensorelements von einem Druckübertragungsmedium 405 umgeben. Das Druckübertragungsmedium 405 ist in der Ausnehmung 403, insbesondere im Bereich 407, angeordnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel reicht das Druckübertragungsmedium nicht bis zu der engsten Stelle der Ausnehmung. Der Bereich 407, der aus Richtung des Sensorelements 401 bis zu der Stelle des Gehäusekörpers reicht, an der die Ausnehmung ihren geringsten Durchmesser aufweist, ist teilweise mit Druckübertragungsmedium 405 gefüllt. In der Ausnehmung ist ein Volumenausgleichselement 409 angeordnet. Das Volumenausgleichselement 409 ist im Bereich 407 anschließend an das Druckübertragungsmedium 405 angeordnet. Aus Richtung des Sensorelementes 401 ist das Ausgleichselement 409 vor dem Bereich angeordnet, an dem der Gehäusekörper 402 am weitesten in die Ausnehmung 403 vorspringt.
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Das Ausgleichselement 409 ist eingerichtet, eine Volumenänderung des zu messenden Mediums auszugleichen. Es umfasst beispielsweise ein aufgeschäumtes Gel oder ein schaumförmiges Elastomer, beispielsweise Zellkautschuk. Das schaumförmige Elastomer weist geschlossene Zellen auf, damit das zu messende Medium nicht in das Elastomer eindringen kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Ausgleichselement 409 ringförmig an der Wand der Ausnehmung angeordnet. Das Ausgleichselement kann jedoch auch eine andere Form aufweisen, die eine genügend große Volumenänderung des Ausgleichselements zulässt.
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Das Volumenausgleichselement 409 ist eingerichtet eine Volumenänderung der Menge des Mediums ausgleichen, die sich in der Ausnehmung zwischen dem Druckübertragungsmedium 405 und dem Bereich befindet, an dem die Ausnehmung ihren geringsten Durchmesser aufweist. Bei einem Phasenübergang des zu messenden Mediums von flüssig nach fest findet ein Großteil der Volumenausdehnung so statt, dass das Medium von dem Sensorelement 401 weggedrückt wird, da der Gehäusekörper die Ausnehmung 403 schräg umgibt. Die Volumenänderung des Teils des Mediums, der sich im Bereich 407 zwischen dem Druckübertragungsmedium 405 und der engsten Stelle der Ausnehmung 403 befindet, wird von dem Ausgleichselement 409 kompensiert. Das Ausgleichselement 409 kann sein Volumen in dem Maß verkleinern, in dem das Volumen des zu messenden Mediums zunimmt. So sind die Drücke, die auf das Druckübertragungsmedium 405 und das Sensorelement 401 wirken relativ gering und können diese nicht zerstören oder beschädigen.
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5 zeigt einen Sensoranordnung 500, die ein Sensorelement 501 umfasst. Das Sensorelement 501 ist in einer Ausnehmung 503 eines Gehäusekörpers 502 angeordnet, der die Ausnehmung mit einer Wand 506 umgibt. In einem Bereich 507 der Ausnehmung ist das Sensorelement 501 angeordnet und zudem ein Druckübertragungsmedium 505. Das Druckübertragungsmedium 505 bildet auf der dem Sensorelement 501 abgewandten Seite eine Oberfläche, die von einem Ausgleichselement 509 bedeckt wird. Das Ausgleichselement 509 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Schicht, die an den Rändern mit dem Gehäusekörper 502 abschließt. Es können auch mehrere Schichten angeordnet sein. Das Ausgleichselement kann auch andere Formen aufweisen, die geeignet sind, ihr Volumen entsprechend zu verändern. Das Ausgleichselement umfasst beispielsweise ein aufgeschäumtes Gel oder ein Elastomer. Die restliche Ausnehmung kann von dem zu messenden Fluid gefüllt werden. Das zu messende Fluid kann von einem offenen Ende der Ausnehmung 503 durch die Ausnehmung des Gehäusekörpers bis an das schichtförmige Ausgleichselement 509 vordringen.
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Der Gehäusekörper 502 weist einen vorspringenden Bereich 504 auf, so dass die Ausnehmung von der Wand 506 so begrenzt wird, dass sich unterschiedliche Durchmesser der Ausnehmung ergeben. Der Bereich, an dem die Ausnehmung ihren geringsten Durchmesser aufweist, ist benachbart zu dem Ausgleichselement 509. Zwischen der Stelle mit dem geringsten Durchmesser und dem Ausgleichselement weitet sich die Ausnehmung jedoch wieder auf. Bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts des zu messenden Mediums kann das Ausgleichselement eine Volumenänderung durch den Phasenübergang des Mediums von flüssig zu fest ausgleichen, so dass der Druck auf das Druckübertragungsmedium 505 und das Sensorelement 501 nicht größer wird, als diese mechanisch belastbar sind. Das Volumenausgleichselement 509 muss nur die Volumenausdehnung des Teils des zu messenden Mediums ausgleichen, der sich innerhalb der Ausnehmung zwischen dem Ausgleichselements 509 und dem Bereich des geringsten Durchmessers der Ausnehmung befindet. Die Volumenausdehnung des restlichen Teils des zu messenden Mediums wird über die schiefen Wände 506 nach außerhalb der Sensoranordnung 500 gelenkt.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Sensoranordnung
- 101
- Sensorelement
- 102
- Gehäusekörper
- 103
- Ausnehmung
- 104
- vorspringender Bereich
- 105
- Druckübertragungsmedium
- 106
- Wand
- 107
- Bereich
- 108
- Stelle mit geringstem Durchmesser
- 109
- Oberfläche
- 110
- Durchmesser
- 111
- Durchmesser
- 200
- Sensoranordnung
- 201
- Sensorelement
- 202
- Gehäusekörper
- 203
- Ausnehmung
- 204
- vorspringender Bereich
- 205
- Druckübertragungsmedium
- 206
- Wand
- 207
- Bereich
- 300
- Sensoranordnung
- 301
- Sensorelement
- 302
- Gehäusekörper
- 303
- Ausnehmung
- 304
- vorspringender Bereich
- 305
- Druckübertragungsmedium
- 306
- Wand
- 307
- Bereich
- 400
- Sensoranordnung
- 401
- Sensorelement
- 402
- Gehäusekörper
- 403
- Ausnehmung
- 404
- vorspringender Bereich
- 405
- Druckübertragungsmedium
- 406
- Wand
- 407
- Bereich
- 409
- Ausgleichselement
- 500
- Sensoranordnung
- 501
- Sensorelement
- 502
- Gehäusekörper
- 503
- Ausnehmung
- 504
- vorspringender Bereich
- 505
- Druckübertragungsmedium
- 506
- Wand
- 507
- Bereich
- 509
- Ausgleichselement
