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Die Erfindung betrifft einen Membrandrucksensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Die vorliegende Erfindung beschreibt einen Membrandrucksensor, der mithilfe eines Wärmeverteilungskörpers für thermodynamisch hochgenaue Druckmessungen unter hohen und stark schwankenden Temperaturen optimiert ist, sowie verbesserte Strömungseigenschaften und minimale Anfälligkeit für Verrußen durch Rückstände aus dem unter Druck stehenden Medium besitzt.
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Stand der Technik mit Fundstellen
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Membrandrucksensoren, die zur Druckmessung in Medien hoher und stark schwankender Temperatur eingesetzt werden, besitzen häufig einen temperaturbedingten Messfehler. Insbesondere bei der Indizierung des Brennraumdruckes in Verbrennungsmotoren wird eine Druckwelle von einer Temperaturwelle begleitet. Diese führt zu einer zeitlich und lokal schwankenden Temperatur an der Membran. Darüber hinaus erwärmt sich die Membran an ihrer Unterseite stärker als an ihrer Oberseite, was insbesondere bei stärkeren, druckfesteren Membranen zu einer thermisch bedingten Messabweichung führt.
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Die
DE19847793B4 beschreibt einen piezoresistiven Drucksensor, dessen erste Membran durch einen Stift von einer zweiten Membran ausgelenkt wird. Durch diese thermische Entkopplung wird die verwendete Widerstandsanordnung vor einer Überhitzung geschützt. Außerdem wird das Totvolumen des Motors nur minimal vergrößert. Die in dieser Schrift genannten, konischen Flächen an der Außen- bzw. Innenseite der zweiten Membran sollen eine Reduzierung thermisch bedingter Messabweichungen ermöglichen. Nachteilig an einem solchen Membrandrucksensor ist sein aufwendiger und teurer Aufbau. Des Weiteren ist die Reduzierung des Thermoschockfehlers über die Kombination von konvexen und konkaven Innen- und Außenseiten an der Membran sehr komplex.
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Die Erfindung nach
EP2446239B1 nutzt ebenfalls die thermische Entkopplung von einer ersten Membran und einer zweiten Membran über einen Stößel. Auf der Messmembran sitzt ein Biegebalken mit Widerstandsmäandern. Das Motor-Totvolumen wird nur minimal beeinflusst und es gibt keine Öffnungen, die insbesondere bei Dieselmotoren verrußen können. Nachteilig an einem solchen Drucksensor ist sein aufwendiger und teurer Aufbau. Des Weiteren werden die Membran und der Stößel von der Seite stärker beheizt als die Hülse. Dadurch ergeben sich unterschiedliche thermische Längenänderungen und somit wiederum ein thermisch bedingter Messfehler. Außerdem kann der lange Stößel leicht zum Schwingen angeregt werden.
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In der
DE4419138A1 wird ein piezoelektrischer Hochtemperaturdrucksensor mit konischem Membranabschnitt beschrieben. Weitere Ausgestaltungen beinhalten ein Wärmeisolierteil. Dieses kann eine aufgeschichtete Wärmeisolierschicht, eine Kappe vor dem Membranabschnitt oder eine mit dem Membranabschnitt verbundene Platte sein. Nachteilig an einem solchen Membrandrucksensor ist sein aufwendiger und teurer Aufbau. Des Weiteren kann der offenbarte Wärmeisolierteil leicht verrußen.
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Auch in der
DE29716060U1 wird ein piezoelektrischer Membrandrucksensor mit einer wärmeisolierenden, biegeweichen Membranbeschichtung beschrieben. Die Beschichtung wird zusätzlich durch ein siebartiges Thermoschutzelement vor zu großen Wärmeströmen geschützt. Nachteilig an einem solchen Membrandrucksensor ist sein aufwendiger und teurer Aufbau. Des Weiteren kann das offenbarte Thermoschutzelement leicht verrußen und vergrößert das Totvolumen des Motors.
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In der
US3857287A wird ein weiterer piezoelektrischer Drucksensor beschrieben, dessen Membran im Mittenbereich deutlich stärker dimensioniert ist als im Randbereich. Der flexible Bereich der Membran ist also ringförmig ausgebildet. Der Mittenbereich soll mit seiner größeren Wärmekapazität die Temperaturschwankungen der Ringmembran ausgleichen. Weitere Ausgestaltungen des Sensors besitzen ebenfalls eine Wärmeschutzschicht sowie eine Art Hitzeschutzschild, das nur etwas kleiner dimensioniert ist als die Membran selbst und damit ein minimaler Spalt die Beweglichkeit der Membran gewährleistet. Nachteilig an einem solchen Membrandrucksensor ist sein aufwendiger und teurer Aufbau. Des Weiteren kann der enge Spalt leicht verrußen.
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Die
EP2023113B1 beschreibt den Aufbau eines piezoresistiven Membrandrucksensors, der durch einen thermisch günstigen Einbau im Motorblock eines Verbrennungsmotors gekühlt sein soll. Dieser nutzt, ähnlich wie eine Ausführung in der
DE4419138A1 , eine Umlenkung der Druckwelle. Die Umlenkung soll die Gasdruckwelle vor dem Auftreffen auf die Membran abkühlen. Bei diesem Membrandrucksensor soll die Umlenkung durch großflächige Verbindungen mit dem gekühlten Motorblock gekühlt werden. Nachteilig an einem solchen Sensor ist, dass die notwendigerweise vorhandenen Öffnungen verrußen, insbesondere bei mit Schweröl betriebenen Zweitakt-Dieselmotoren. Darüber hinaus verschlechtern die Umlenkung und die offenbarten Öffnungen die Strömungsverhältnisse und damit den Gasaustausch, den Druckauf- und -abbau. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Kühlung an der Umlenkung nur gewährleistet ist, wenn der Sensor thermisch günstig im gekühlten Motorblock eingebaut ist, da er selbst eine Kühlung erfahren muss.
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Nachteilig an einem solchen Membrandrucksensor ist auch, dass die offenbarten Öffnungen bei korrosionsbeständigen, langspanenden Stählen mit guter Schweißeignung schlecht fertigbar sind. Des Weiteren bilden sie eine zusätzliche Engstelle/Drossel für den Gasaustausch. Besonders bei Messmembranen mit kleinem Innendurchmesser muss auch der Durchmesser des Gaskanals und der Umlenkung sehr klein werden. Dadurch wird der Gasaustausch erschwert und die Kühlung an der Umlenkung verschlechtert.
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Ein weiterer Nachteil ist das relativ große Volumen im Membranraum, welches zusätzlich den Druckaufbau und Druckabbau verzögert. Es ist somit aufgrund der Verzögerung von Druckauf- und -abbau schwierig, mit kleinen Druckmesszellen einen thermodynamisch guten Sensor aufzubauen. Außerdem hängt die Funktion des Sensors stark von den Kühlungsbedingungen im Motor ab.
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Ein großer Nachteil ist auch, dass das die Umlenkung bildende Element sowohl an der Unter- als auch an der Oberseite die Strömung der Gasdruckwelle erschwert und dadurch den Druckverlauf zeitlich verschleppt. Des Weiteren kann mit dem, die Umlenkung bildenden Element kein Einfluss auf Temperaturen einzelner Widerstandsmäander genommen werden bzw. ein gezieltes Temperaturfeld eingestellt werden.
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Aufgabe
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kostengünstigen und thermodynamisch genauen Drucksensor aufzubauen, der unempfindlich gegenüber Verrußung und Temperatureinflüssen ist, wie sie bei der Druckmessung in Verbrennungsmotoren auftreten. Diese Unempfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen soll unabhängig von der Einbausituation im gekühlten Motorblock gewährleistet sein.
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Außerdem wird ein Sensor beschrieben, dessen Element zur Kompensation von Temperaturschwankungen die Strömung des unter Druck stehenden Mediums nur unwesentlich beeinflusst. Die vorliegende Erfindung beschreibt insbesondere einen Sensor, der auch den Einsatz von kleinen Druckmesszellen erlaubt und es ermöglicht, ein gezieltes Temperaturfeld auf der Druckmessmembran einzustellen.
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Lösung und Ausführungsbeispiele
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Die vorliegende Erfindung löst die genannte Problemstellung durch folgende Sensorkonstruktion: Ein Gewindekörper, der zum Beispiel in einen Zylinderkopf eines Hubkolbenmotors eingeschraubt wird, besitzt ein oder mehrere Kanäle mit einem oder mehreren Durchmessern. Auf der Stirn des Gewindekörpers tritt das unter Druck stehende Medium in den Kanal ein. An der Schulter des Gewindekörpers ist ein vom unter Druck stehenden Medium direkt beheizter Wärmeverteilungskörper angebracht, der so beschaffen ist, dass er einerseits die darüber befindliche Membran ideal beheizt und andererseits die Strömung des unter Druck stehenden Mediums möglichst wenig beeinflusst. Ein Beheizen des Wärmeverteilungskörpers durch das unter Druck stehenden Medium schützt die Membran selbst vor lokaler Überhitzung. Außerdem wird die Membran selbst dadurch indirekt beheizt und auf einer konstanten Temperatur gehalten. Somit werden lokale und zeitliche Temperaturgradienten an der Membran und damit auch der Thermoschockfehler auf ein Minimum reduziert. Zwischen der Wärmeverteilungskörperoberseite und der Membranunterseite verbleibt nur ein sehr kleiner Spalt, was eine geringe Veränderung des Motortotvolumens und eine effektivere Beheizung der Membran zur Folge hat. Ein oder mehrere Stege befestigen den Wärmeverteilungskörper am Gewindekörper. Der Verbindungsbereich ist möglichst kleinflächig ausgebildet.
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Dadurch werden eine effektivere Beheizung der Membran, bessere Strömungsverhältnisse und eine geringe Anfälligkeit für Verrußung erzielt. Somit sind alle für einen thermodynamisch hochgenauen Drucksensor erforderlichen Forderungen erfüllt: Die Membran wird auf konstanter Temperatur gehalten, der Gasaustausch ist sehr gut und das zu komprimierende Volumen ist sehr gering.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt demnach gemäß der Erfindung dadurch, dass im Druckraum unterhalb der Membran, welche das Druckmesselement trägt, ein Wärmeverteilungskörper angeordnet ist, dessen Abmessung etwa der Abmessung des Druckmesselementes entspricht und welcher von dem unter Druck stehenden Medium direkt angeströmt ist.
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Mit der gegebenen technischen Lehre ergibt sich der wesentliche Vorteil, dass nunmehr ein Wärmeverteilungskörper zu einer gleichmäßigen und gleichflächigen Wärmeverteilung des unter Druck stehenden Mediums in Richtung auf die Membran und dem auf der Membran angeordneten Druckmesselement sorgt.
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Dies war beim Stand der Technik nicht möglich, weil der dort gezeigte Wärmeverteilungskörper lediglich eine radiale Umlenkung des unter Druck stehenden Mediums in Richtung auf die Seitenwand des Membrankörpers ermöglichte, wodurch gerade keine gleichmäßige Wärmeverteilung unterhalb des Druckmesselementes erreicht werden konnte.
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Hier setzt die Erfindung ein, die einen speziellen Wärmeverteilungskörper im Druckraum unterhalb der Membran vorschlägt.
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In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist deshalb vorgesehen, dass der Wärmeverteilungskörper etwa scheibenförmig ausgebildet ist, und in seiner Flächenausdehnung etwa der Fläche des darüber angeordneten Druckmesselementes entspricht. Damit wird dafür gesorgt, dass das unter Druck stehende Medium erst frontal auf den Wärmeverteilungskörper auftrifft, und die im Gasstrom enthaltenen Temperaturunterschiede von dem Wärmeverteilungskörper aufgenommen und in einen gleichmäßigen, die gesamte Fläche überstreichenden Abstrahlwärmestrom umgesetzt werden, der somit über einen relativ eng dimensionierten Wärmeverteilungsspalt gegen die Unterseite der Membran gerichtet ist.
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Auf diese Weise wird erreicht, dass eine gleichmäßige Wärmeverteilung über einen Wärmeverteilungskörper erfolgt, der über einen klein dimensionierten Wärmeverteilungsspalt den gleichmäßig von ihm erzeugten Abstrahlwärmestrom gegen die Unterseite der Membran lenkt und somit erreicht, dass das auf der Membran angeordnete Druckmesselement gleichmäßig über die gesamte Fläche erwärmt wird.
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In der ersten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Wärmeverteilungskörper als einfache ebene Scheibe ausgebildet ist, wobei eine solche Scheibe eine Dicke von etwa 1 mm und einen Durchmesser von etwa 2 mm aufweist.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Wärmeverteilungskörper sowohl an der Oberseite und/oder an der Unterseite eine von der ebenen Kontor abweichende Kontur aufweist.
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Beide Konturen, die sowohl an der Oberseite als auch an der Unterseite angeordnet sind, sollen für eine gleichmäßige Wärmeverteilung des auf dem Wärmeverteilungskörper auftreffenden Gasstromes sorgen.
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Sämtliche Konturen, die nachfolgend beschrieben werden, können sich deshalb sowohl auf die Unterseite des Wärmeverteilungskörpers als auch auf die Oberseite des Wärmeverteilungskörpers beziehen, und sie können jede beliebige Kombination untereinander bezüglich Ober- und Unterseite einnehmen.
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Es werden deshalb nur einige wenige Konturen beschrieben, die sowohl an der Oberseite als auch an der Unterseite oder in Kombination untereinander angeordnet sein können.
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In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung kann es deshalb vorgesehen sein, dass der scheibenförmige Wärmeverteilungskörper an seiner Unterseite eine zentrische Einsenkung aufweist, die den an der Unterseite auftreffenden Wärmestrom in radialer Richtung auf die unterseitige Außenseite des Wärmeverteilungskörpers umlenkt.
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In einer anderen Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass die Oberfläche des Wärmeverteilungskörpers, welche in den Wärmeverteilungsspalt hineinragt und diesen Wärmeverteilungsspalt nach unten hin begrenzt, entweder konisch, konvex oder konkav ausgebildet sein kann.
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Ebenso kann die Unterseite und/oder die Oberseite mit zugeordneten, einseitig offenen Ausnehmungen oder Einsenkungen versehen werden, um an bestimmten Stellen auf der Oberfläche des Wärmeverteilungskörpers (entweder an der Oberseite und/oder an der Unterseite) wärmegekühlte Flächen zu ermöglichen, um so durch eine partielle und punktförmige Ausbildung der Oberseite und/oder der Unterseite des Wärmeverteilungskörpers dafür zu sorgen, dass die das Druckmesselement ausbildenden Dehnungsmessstreifen (DMS) gerade nicht aufgeheizt werden, sondern kühler bleiben als vergleichsweise die Bereiche der Membran, wo die DMS nicht angeordnet sind.
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Es kann demnach die Oberseite und/oder die Unterseite des Wärmeverteilungskörpers bestimmte Konturen aufweisen, die als Einsenkungen oder auch als Vorsprünge oder linsenförmige Erhebungen ausgebildet sind.
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Die vorliegende Erfindung beschreibt einen kostengünstigen Membrandrucksensor mit nur wenigen Bauteilen. Der offenbarte Wärmeverteilungskörper erlaubt das Einstellen einer einheitlichen Temperatur über die gesamte Fläche der Membran und bewahrt diese vor Überhitzung durch zu starke, direkte Beheizung durch das heiße, unter Druck stehende Medium. Durch die einheitliche, indirekte Beheizung der Membran werden zeitliche und lokale Temperaturunterschiede an der Membran auf ein Minimum reduziert und dadurch der Thermoschockfehler minimiert. Der offenbarte Wärmeverteilungskörper erlaubt demnach die thermodynamische Optimierung eines Drucksensors für eine Messung in heißen, strömenden Medien, speziell für Druckmessung in Verbrennungsräumen.
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Somit können auch mit dickeren, Überdruck-festeren und kleineren Messmembranen thermodynamisch gesehen sehr genaue Sensoren gebaut werden. Das ermöglicht die Schaffung von sehr betriebssicheren Sensoren mit kleiner Baugröße. Dadurch, dass keine Öffnungen verwendet werden, wie in
DE4419138A1 und
EP2023113B1 beschrieben, sondern kleinste Stege ist der Sensor erheblich unempfindlicher gegenüber Verrußung, was seine Betriebssicherheit speziell bei Dieselmotoren deutlich erhöht.
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Der beschriebene Sensoraufbau ist außerdem gekennzeichnet durch optimale Strömungseigenschaften und eine nur geringfügige Veränderung des Motor-Totvolumens. Durch die erfindungsgemäße Positionierung von Membran und Wärmeverteilungskörper zueinander kann an der Membran ein gewünschtes Temperaturfeld gezielt eingestellt werden. Außerdem ist der beschriebene Sensor-Aufbau auch bei den für Drucksensoren üblichen, langspanenden Stählen leicht und ohne ein Risiko, dass Späne am Sensor verbleiben, fertigbar.
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Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
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Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
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Es zeigen:
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1: Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines Membrandrucksensors mit einem Wärmeverteilungskörper
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1A: der Wärmeverteilungskörper nach 1 in einer vergrößerten Darstellung
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2: eine gegenüber 1 abgewandelte Ausführungsform eines Membrandrucksensors
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3: eine weitere abgewandelte Ausführungsform bezüglich der Formgebung des Wärmeverteilungskörpers
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4: eine dritte Ausführungsform der Ausbildung eines Wärmeverteilungskörpers in Verbindung mit einer anderen Ausführungsform eines Membrandrucksensors
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5: schematisiert die Wirkungsweise des Wärmeverteilungskörpers
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6: schematisiert eine Temperaturverteilung auf einem Druckmesselement nach dem Stand der Technik
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7: schematisiert die Temperaturverteilung über die Oberfläche des Druckmesselementes und der Membran mit einem Wärmeverteilungskörper nach der Erfindung
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8: eine weitere schematisierte Darstellung nach dem Stand der Technik (
EP 20 23 113 B1 ) mit einem Strömungsverteiler
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9: ein Temperaturprofil über der Membran und dem darauf angeordneten Druckmesselement bei einem Wärmeverteilungskörper 3 nach der Erfindung
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10: eine gegenüber 9 abgewandelte Ausführungsform eines Wärmeverteilungskörpers, der an seiner Oberseite punktuelle Ausnehmungen aufweist
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Die Erfindung beschreibt einen piezoresistiven Membrandrucksensor, der zum Beispiel mit dem Gewindekörper 1 in den Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors eingeschraubt wird und auf diese Weise mit dem Brennraum verbunden ist. Am Gewindekörper 1 ist mindestens ein Steg 2 angebracht, der einen Wärmeverteilungskörper 3 trägt. An der Schulter des Gewindekörpers 1 ist außerdem eine Membran 4 angebracht, deren elastische Auslenkung eine Wheatstonesche Brückenschaltung aus Dehnungsmessstreifen verstimmt und so ein elektrisches Signal erzeugt.
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Das unter Druck stehende Medium strömt in den Kanal 5. Bei Verwendung von Membranen mit kleinem Durchmesser und besseren thermodynamischen Eigenschaften verengt sich der Kanal an der Stelle 6. Die heiße Druckwelle trifft zunächst direkt (frontal) auf den Wärmeverteilungskörper 3, der dadurch an seiner Unterseite direkt beheizt wird. Der Wärmeverteilungskörper 3 ist aus einem Material hoher Wärmekapazität ausgeführt und gibt Wärme an seiner Oberseite an die Unterseite der Membran 4 ab. Die Membran 4 wird dadurch indirekt beheizt. Dadurch besitzt die Membran 4 jederzeit eine etwa gleiche Temperatur, was einen Thermoschockfehler und auch lokale Temperaturgradienten vermeiden lässt. Durch die gewählte Sensorkonstruktion in Verbindung mit den dünnen Stegen 2 ist selbst bei kleiner Membranbauform ein großflächiger Querschnitt für den Gasaustausch realisierbar.
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Gegenstand der Erfindung sind auch konkave und konvexe Formen an der Unter- und/oder Oberseite der Wärmeverteilungskörper 3 sowie Kombinationen aus diesen Geometrien. Diese Kombinationen und unterschiedlich hoch ausgeprägte Flächen am Wärmeverteilungskörper 3 erlauben eine gezielte Einstellung von Strömungsverhältnissen und Temperaturfeldern.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist eine Schlitzung/Vertiefung an der Unter- bzw. Oberseite der Wärmeverteilungskörper 3, die für einen besseren und gezielteren Mediumtransport sorgt. Durch die fluchtende Positionierung von Wärmeverteilungskörper 3 und Membran 4 zueinander können einzelne Membranbereiche kühler bzw. heißer gestaltet werden, um den Thermoschockfehler zu verringern, um dadurch die Temperaturschwankungen im Bereich der Dehnungsmessstreifen möglichst klein zu halten.
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Gegenstand der Erfindung ist auch der mechanische Aufbau des Sensors: Die Einheit aus Gewindekörper 1, Steg 2 und Wärmeverteilungskörper 3 kann aus einem Material herausgearbeitet oder mehrteilig ausgeführt sein. Für einen einteiligen Aufbau können klassische umformende und trennende Fertigungsverfahren (zum Beispiel Gießen, Drehen, Fräsen, Schleifen, Ätzen, Erodieren) eingesetzt werden. Bei einem mehrteiligen Aufbau können klassische form-, stoff- und kraftschlüssige Fügeverfahren angewandt werden.
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Zum Gegenstand der Erfindung zählt auch die Wahl der Materialien. Bei einteiligem Aufbau sind sowohl Metalle als auch keramische Werkstoffe vorgesehen. Die Eigenschaften beider Werkstoffgruppen können bei einem mehrteiligen Aufbau ideal miteinander kombiniert werden. Dabei kann das Stegmaterial ein Material mit schlechter Wärmeleitfähigkeit sein, während die Wärmeverteilungskörper 3 aus einem Material hoher Wärmekapazität, hoher Wärmeleitfähigkeit und guter Wärmeübergangseigenschaften ausgeführt sind.
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1 zeigt einen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Drucksensor in der Gestalt, dass Gewindekörper 1, Steg 2 und Wärmeverteilungskörper 3 aus einem Material herausgearbeitet sind. Bei dieser Ausgestaltung besitzt die Wärmeverteilungskörperunterseite eine Ausbuchtung (siehe 1a), was die Fertigung, etwa in Form einer auslaufenden Sacklochbohrung, erleichtert.
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Der Wärmeverteilungskörper 3 besitzt außerdem eine konkave Einbuchtung (Kontur 13) auf seiner Oberseite. Mit einer vorteilhaften Dimensionierung dieser Einbuchtung kann eine gleichmäßigere Beheizung der Membran 4 erreicht werden. Durch die Verwendung zweier Kanaldurchmesser können auch Sensoren mit kleinem Membrandurchmesser mit einem solchen Wärmeverteilungskörper 3 ausgestattet werden.
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2 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Einheit aus Gewindekörper 1, Steg 2 und Wärmeverteilungskörper 3 mehrteilig ausgebildet ist. Aus diesem Grund ist eine Linie an der Unterseite des Steges eingetragen. Der Gewindekörper 1 besitzt einen großen Kanaldurchmesser des Kanals 5, was die Strömung des unter Druck stehenden Mediums erleichtert, jedoch nur die Verwendung von Membranen mit großem Durchmesser erlaubt.
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Der Wärmeverteilungskörper 3 ist bei dieser Ausgestaltung an der Unterseite flach, was zu einer sehr gleichmäßigen Beheizung der Wärmeverteilungskörper 3 führt. Die Oberseite ist leicht konvex gewölbt (Kontur in 2), um die Strömung des unter Druck stehenden Mediums an der Membranunterseite zu erleichtern. Alternativ zu dieser Kontur kann die Wärmeverteilungskörperoberseite auch flach bzw. flach und leicht geschlitzt sein. Nur in dem Bereich, wo Steg 2 und Wärmeverteilungskörper 3 verbunden werden, ist der Wärmeverteilungskörper 3 größer dimensioniert. Es verbleibt ein sehr großer Querschnitt für die Strömung des unter Druck stehenden Mediums.
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3 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausgestaltung, bei der die Wärmeverteilungskörperunterseite für verbesserte Strömungsverhältnisse konvex mit der Kontur 14b ausgeführt ist. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung werden Wärmeverteilungskörper 3 und Membran 4 bzw. Widerstandsmäander zueinander positioniert. Durch die individuelle Gestaltung der Wärmeverteilungskörperoberseite aus einer Kombination von konvexen und konkaven Bereichen sowie Bereichen unterschiedlicher Höhen kann an der Membran 4 ein gewünschtes Temperaturfeld eingestellt werden und dadurch zum Beispiel genau in den Bereichen der Widerstandsmäander die Beheizung reduziert werden, während sie in Bereichen, die weniger temperaturempfindlich sind, erhöht werden kann.
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In 1 bis 3 ist allgemein ein Membrandrucksensor dargestellt, der in vereinfachter Form als Gewindekörper 1 ausgebildet ist, der mit einem zugeordneten Außengewinde 7 in den Gewindekopf zum Beispiel eines Hochleistungsdieselmotors eingeschraubt ist.
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Die heißen Verbrennungsgase mit einer Temperatur von etwa 1000°C strömen demnach in Pfeilrichtung 8 durch einen am Gewindekörper 1 angeordneten, zentrischen axialen Kanal 5 und gelangen über einen Übergangsquerschnitt 6 mit verringertem Durchmesser in einen Druckraum 9, in dem der erfindungsgemäße Wärmeverteilungskörper 3 angeordnet ist. Der Druckraum 9 ist Teil eines Messelements 21, das als einseitig offene Hülse ausgebildet ist, deren Deckfläche durch die Membran 4 gebildet ist. Auf der Oberseite der Membran 4 ist das Druckmesselement 16 angeordnet.
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Wichtig ist, dass das Gas in Pfeilrichtung 8 direkt die Unterseite des Wärmeverteilungskörpers 3 frontal anströmt, sodass dieser direkt von dem Gasstrom an der Unterseite getroffen wird und im Wesentlichen den gesamten Druckraum 9 unter Beibehaltung von geringen radialen Spalten ausfüllt.
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Wichtig ist ferner, dass die Oberseite des Wärmeverteilungskörpers 3 nur einen geringen axialen Spalt, nämlich einen Wärmeverteilungsspalt 10, in Richtung zur Unterseite der Membran 4 ausbildet, sodass eine günstige Wärmeübertragung eines vergleichmäßigten Abstrahlwärmestroms 28 auf die Unterseite der Membran 4 erfolgt. Lichte Weite des Warmeverteilungsspaltes liegt bevorzugt im Bereich zwischen 0,1 bis 1 mm, bevorzugt etwa 0,4 mm.
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Diese Unterseite der Membran 4 wird auch als Druckseite 4a bezeichnet, während dieser Druckseite 4a die Messseite 4b der Membran 4 gegenüberliegt.
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Auf der Messseite 4b der Membran 4 ist ein Druckmesselement 16 angeordnet, das im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einer Anzahl von Dehnungsmessstreifen (DMS) 26 besteht, die gemäß 1 mithilfe von Anschlusselementen 17 und über Bonddrähte 18 elektrisch nach außen geführt sind. Die durch ein Bondverfahren angeschlossenen Bonddrähte 18 enden in einem Keramikring in Form von Anschlusselementen 19. Die Anschlusselemente 19 sind mit den Anschlusspins 20 leitfähig verbunden. Die DMS 26 sind in der Art einer Messbrücke elektrisch miteinander verbunden.
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Somit bildet die Membran 4 mit dem darauf angeordneten Druckmesselement 16 und den Anschlussleitungen das als einseitig offene Hülse ausgebildete Messelement 21, welches in einer bevorzugten Ausgestaltung im Bereich der Befestigungsfläche 22 mit dem Gewindekörper 1 verschweißt oder in anderer Weise verbunden ist.
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Im Ausführungsbeispiel nach den 1 bis 3 ist der Wärmeverteilungskörper 3 über einen oder mehrere Stege 2 mit der Bodenseite des Druckraums 9 verbunden, das heißt die Stege 2 sind metallische dünne oder auch keramische Pins, welche dem Wärmeverteilungskörper 3 eine geforderte Standfestigkeit im Druckraum 9 zuordnen, der demnach im Druckraum 9 bevorzugt in axialer Richtung durch den einen oder die mehreren Stege 2 abgestützt ist.
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Um nun eine erfindungsgemäße Wärmeverteilung in Umsetzung des auf die Unterseite des Wärmeverteilungskörpers 3 auftreffenden Wärmestroms auf die Oberseite dieses Wärmeverteilungskörpers 3 zu erreichen, ist gemäß 1 vorgesehen, dass die Unterseite 14 des Wärmeverteilungskörpers 3 eine konische Einsenkung 14a aufweist, um so den Gasstrom an der Unterseite dieses Wärmeverteilungskörpers 3 zu zentrieren und erst nach der Zentrierung radial nach außen abzuleiten. Damit wird der Gasstrom sozusagen an der Unterseite des Wärmeverteilungskörpers 3 eingefangen und sorgt für eine gleichmäßige, über die gesamte Fläche des Wärmeverteilungskörpers 3 sich erstreckende Wärmeverteilung.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Oberseite des Wärmeverteilungskörpers entweder eben ausgebildet ist oder eine konkave Kontur 13 aufweist, wie es in 1 dargestellt ist. Die ebene Kontur ist mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet.
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Je nach den Erfordernissen der Wärmeverteilung, die an den Wärmeverteilungskörper 3 gerichtet sind, kann demnach sowohl die Unterseite als auch die Oberseite des Wärmeverteilungskörpers eine bestimmte Kontur 11, 12, 13, 15 aufweisen.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel nach 2 ist die Kontur 11 konvex ausgebildet, sodass sich im Wärmeverteilungsspalt 10 eine andere Wärmeverteilung in Richtung auf die Druckseite 4a der Membran 4 ergibt.
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Wichtig ist auch hier, dass die Unterseite 14c, die eben ausgebildet ist, direkt vom Gasstrom angeströmt wird, der demnach senkrecht (frontal) auf die Unterseite 14 des Wärmeverteilungskörpers 3 auftrifft.
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Die 3 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel, dass die Unterseite des Wärmeverteilungskörpers 3 eine konisch, radial nach außen ansteigende Kontur 14b aufweisen kann, wobei die Kontur entweder glatt oder geriffelt sein kann.
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Im Bereich der Unterseite 14 können auch Nuten oder halb offene Ringnuten eingearbeitet sein.
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Die Oberseite zeigt entweder eine ebene Kontur 12 oder auch eine Kontur 15, die durch Ringnuten oder die durch einzelne, über die Fläche des Wärmeverteilungskörpers 3 sich erstreckende Erhebungen gebildet sind, wodurch sich eine mit Erhöhungen besetzte Oberfläche als Kontur 15 für den Wärmeverteilungskörper 3 ergibt.
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Die 3 zeigt jeweils einen Halbschnitt durch den Wärmeverteilungskörper 3, wobei die linke Seite eine andere Ausführung als vergleichsweise die rechte Seite zeigt.
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Die 4 zeigt ein demgegenüber abgewandeltes Ausführungsbeispiel mit Darstellung weiterer Einzelheiten. Im Kanal 6 strömt das Heißgas in Pfeilrichtung 8 über ein sich an die Stirnseite des Kanals und des Gewindekörpers 1 anschließendes Strömungsrohr 23, das seitliche Ausströmöffnungen 24 aufweist, die als großvolumige Schlitze ausgebildet sind.
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Damit wird vermieden, dass das heiße Medium in Pfeilrichtung 25 gegen die Innenwand des Membrankörpers 4 stößt. Denn durch die Schlitzung trifft das heiße Medium zunächst direkt in Pfeilrichtung 25 auf die Unterseite des Wärmeverteilungskörpers 3, um diesen gleichmäßig über seine gesamte Unterseite zu beheizen.
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Im Hinblick auf die vorher genannten Ausführungsbeispiele nach den 1 bis 3 wird darauf hingewiesen, dass der Gasstrom, der im Übergangsquerschnitt 6 oder direkt über den Kanal 5 kommt, in seiner radialen Erstreckung durchaus nicht eine gleichmäßige Temperatur aufweist. Es ist bekannt, dass die radial äußeren Bereiche kälter sind als vergleichsweise die im Zentrumsbereich strömenden Gasanteile, sodass der erfindungsgemäße Wärmeverteilungskörper 3 für eine Vergleichmäßigung der mit unterschiedlicher Temperatur auf die Unterseite auftreffenden Gasströme sorgt.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel nach 4 werden die zentrisch aus dem Strömungsrohr 23 relativ geringen Durchmessers ausströmenden, heißen Gasanteile radial nach außen gegen die Unterseite des Wärmeverteilungskörpers 3 geleitet, um so für eine Wärme-Vergleichmäßigung zu sorgen.
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Die vergleichmäßigte Temperatur wird in der Art eines Abstrahlwärmestroms 28 in den Wärmeverteilungsspalt 10 oberhalb der Fläche des Wärmeverteilungskörpers 3 auf die Unterseite der Membran 4 eingestrahlt, und es ist erkennbar, dass auf der Oberseite der Membran, nämlich auf der Messseite 4b, eine Anzahl von Dehnungsmessstreifen 26 angeordnet sind. Es wird angestrebt, dass die Dehnungsmessstreifen einer gleichen Temperatur unterworfen sind, und dass im Bereich der Dehnungsmessstreifen kein Temperaturgefälle sein soll.
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Die Erfindung ist nicht auf die Anordnung von Dehnungsmessstreifen 26 beschränkt. Diese können sowohl gleichmässig verteilt sein oder auch nur auf einer Seite einer Messfläche angeordnet werden; und auch hier ist es wesentlich, dass dieser Bereich, wo die Dehnungsmessstreifen 26 angeordnet sind, einer gleichmäßigen Temperatur unterworfen ist, sodass in diesen Bereichen ein Temperaturgradient vermieden wird.
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5 zeigt schematisiert die Verteilung eines Wärmestroms 27, der in radial äußeren Bereichen eine niedrigere Temperatur hat als vergleichsweise in seinem Zentrumsbereich, und durch die Beströmung der Unterseite eines erfindungsgemäßen Wärmeverteilungskörpers 3 wird nun ein gleichmäßiger Abstrahlwärmestrom 28 im Wärmeverteilungsspalt 10 in Richtung auf die Druckseite 4a der Membran 4 erreicht.
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Die 6 zeigt die Temperaturverteilung nach dem Stand der Technik, wenn kein Wärmeverteilungskörper vorhanden ist. Hier ist erkennbar, dass es zu einer unerwünschten Temperaturkurve 29 aufgrund der im Zentrumsbereich mit höherer Temperatur strömenden Gase im anströmenden Wärmestrom 27 kommt. Der Wärmestrom 27 weist im Mittenbereich eine Spitze 31 auf, welche die Erfindung vermeiden soll. Der Randbereich ist somit kühler als der Mittenbereich.
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Die 7 zeigt die Wirkung des Wärmeverteilungskörpers 3, der dafür sorgt, dass im Wärmeverteilungsspalt 10 ein gleichmäßiger Abstrahlwärmestrom 28 über die gesamte Oberfläche 4a der Membran 4 erzeugt wird, sodass eine vergleichmäßigte Temperaturkurve 30 gemäß der Erfindung nach 7 an den Dehnungsmessstreifen 26 erzeugt wird.
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Die
8 zeigt eine Temperaturkurve
29 nach dem Stand der Technik, und zwar nach dem Gegenstand der
EP 20 23 113 B1 . Dort ist dargestellt, dass lediglich im Druckraum
9 weit unterhalb der Druckseite
4a einer Membran
4 ein Strömungsverteilungsrohr angeordnet ist, das den Gasstrom radial auswärts gegen die Wandung des Druckraumes
9 lenkt. Damit ist ebenfalls der Randbereich gegenüber dem Mittenbereich kühler, weist aber gegenüber der
6 ein Plateau auf.
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Daher kommt es in unerwünschter Weise zu einer ungleichmäßigen Wärmeverteilung 29 mit einem heißem Mittenbereich 31, was die Erfindung vermeidet.
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Die 9 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel die Beeinflussung eines Abstrahlwärmestroms 28 im Wärmeverteilungsspalt 10 dadurch, dass dem Wärmeverteilungskörper 3 eine konkave Kontur 13 zugeordnet wird.
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Die im mittleren Bereich entstehenden heißen Gase, die an der Unterseite des Wärmeverteilungskörpers anströmen, haben deshalb einen größeren Strahlungsabstand zur Unterseite der Druckseite 4a der Membran 4, und gelangen daher geschwächt auf die Druckseite 4a der Membran, während die radial außen liegenden Wärmeströme nun einen kürzeren Abstand zu der Druckseite 4a der Membran 4 haben und daher eine Vergleichmäßigung der Temperaturkurve 30a stattfindet.
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Somit werden die zentral einströmenden Wärmeströme aufgrund der konkaven Formgebung der Oberseite des Wärmeverteilungsstromes 3 vergleichmäßigt.
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Die genannten Darstellungen – für alle hier dargestellten Zeichnungen – bedeuten auch, dass die verschiedenen Konturen, die vorstehend erwähnt wurden, sowohl an der Oberseite und/oder an der Unterseite des Wärmeverteilungskörpers 3 angeordnet sein können. Die Erfindung betrifft also sämtliche Konturformen, unabhängig von deren Kombination an der Ober- und Unterseite des Wärmeverteilungskörpers.
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Die 10 zeigt, dass es nach einer Weiterbildung der Erfindung angestrebt wird, wenn im Bereich des Druckelementes 16 am Ort der Dehnungsmessstreifen 26 die Temperatur an den Dehnungsmessstreifen 26 erniedrigt wird.
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Zu diesem Zweck ist vorgesehen, dass im Bereich der Fluchtlinie 33 zu jedem Dehnungsmesselement 26 im Bereich der Oberfläche des Wärmeverteilungskörpers 3 Ausnehmungen 32 vorgesehen sind, und im Bereich der Ausnehmungen 32 ein verringerter Abstrahlwärmestrom 28a erzeugt wird als vergleichsweise in den Bereichen rund um die Ausnehmung 32, wo ein Abstrahlwärmestrom 28 vergrößerter Stärke erzeugt wird.
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Aufgrund der Ausnehmungen 32, die fluchtend unterhalb der Orte der Dehnungsmessstreifen 26 angeordnet sind, wird eine lokale Erwärmung am Ort der Dehnungsmessstreifen 26 vermieden.
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Auf diese Weise erfolgt eine Vergleichmäßigung des Abstrahlwärmestroms 28.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gewindekörper
- 2
- Steg
- 3
- Wärmeverteilungskörper
- 4
- Membran 4a Druckseite 4b Messseite
- 5
- Kanal (Gas)
- 6
- Übergangsquerschnitt
- 7
- Gewinde
- 8
- Pfeilrichtung
- 9
- Druckraum
- 10
- Wärmeverteilungsspalt
- 11
- Kontur (konvex)
- 12
- Kontur (eben)
- 13
- Kontur (konkav)
- 14
- Unterseite (von 3) 14a 14b 14c
- 15
- Kontur
- 16
- Druckmesselement
- 17
- Anschlusselement
- 18
- Bonddraht
- 19
- Anschlusselement
- 20
- Anschlusspin
- 21
- Messelement
- 22
- Befestigungsfläche
- 23
- Strömungsrohr
- 24
- Ausströmöffnung
- 25
- Pfeilrichtung
- 26
- DMS
- 27
- Wärmestrom
- 28
- Abstrahlwärmestrom 28a
- 29
- Temperaturkurve (St. d. T.)
- 30
- Temperaturkurve (Erfindung)
- 30a
- Temperaturkurve
- 31
- Spitze (von 29)
- 32
- Ausnehmung
- 33
- Fluchtlinie
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10232315 A1 [0004]
- DE 102004063598 A1 [0004]
- DE 102004024920 B4 [0004]
- DE 19847793 B4 [0005]
- EP 2446239 B1 [0006]
- DE 4419138 A1 [0007, 0010, 0034]
- DE 29716060 U1 [0008]
- US 3857287 A [0009]
- EP 2023113 B1 [0010, 0034, 0048, 0088]
