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Diese Erfindung betrifft einen Drucksensor für insbesondere
sehr hohe Drücke,
der vorzugsweise zum Wirken auf ein Messelement ausgelegt ist, wobei
das Messelement einen mittigen Hohlraum aufweist und aus zwei Teilen
zusammengesetzt ist, die dichtend miteinander verbunden sind, um
den Hohlraum zu bilden, und der Sensormittel für den mechanischen Beanspruchungszustand
des Messelements aufweist, wenn dieses Druck ausgesetzt ist.
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Im Prinzip besteht ein Drucksensor
aus einem Federelement (Messelement) und einer Mess- oder Sensoreinrichtung.
Gewöhnliche
auf Siliziumtechnik basierende, im Handel erhältliche Drucksensoren können Membranen
als Federelement verwenden, die mit piezo-resistiven Widerständen als
Sensormittel versehen sind. Federelemente als Membrane sind bei
hohen Drücken
unvorteilhaft, da sie empfindlich für Auswirkungen sind, die mit
dem Einspannen in einem Substrat mit einem Übergang zu Materialien mit
einem ungleichen Elastizitätsmodul
in Bezug stehen. Die in solchen Membranen detektierte Beanspruchung
wird eine Kombination aus Druck- und Zugbeanspruchungen sein. Wenn
die Zugbeanspruchungen ausreichend hoch werden, kann ein Bruch erfolgen.
Bei großen
Verformungen werden die Beanspru chungen in einer Membran keine lineare
Funktion des Drucks sein, was zu einem nichtlinearen Signal führt.
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Drucksensoren für hohe Drücke, wie oben aufgeführt, sind
allgemein bereits bekannt, und ein spezielles Beispiel ist in der
Norwegischen Patentanmeldung Nr. 94.0785 (WO-A-9524624) zu finden.
Ein Drucksensor gemäß der Norwegischen
Patentanmeldung Nr. 94.0785 basiert auf dem Bourdon-Effekt, mit
einer kapazitiven Ablesung der Durchbiegung. Dieser bekannte Drucksensor
basiert auf röhrenförmigen Messelementen,
aber der innere Hohlraum oder die Hohlräume ist/sind immer exzentrisch
angeordnet, um so eine Verbiegung des Elements zu erhalten. Wenn
eine solche Verbiegung erfolgt, können Scherbeanspruchungen in
den Verbindungsstellen oder Fugen erzeugt werden, die ihrerseits
zu Versagen in denselben führen
können.
Ein Nachteil bei kapazitiver Ablesung besteht darin, dass es, wenn
sehr hohe Drücke
betroffen sind, erwünscht
ist, sehr kleine Außendurchmesser
zu haben, was zu extrem kleinen Kapazitäten führt. Es ist sehr schwierig,
diese zu detektieren. Ein anderer Nachteil bei der kapazitiven Detektion
besteht darin, dass das Messelement nicht direkt dem Prozessmedium
ausgesetzt werden kann. Dies liegt darin begründet, dass die Kapazität empfindlich
für die
Dielektrizitätskonstante
des Mediums ist und sehr empfindlich auf Verunreinigung in Form von
Partikeln sein wird, die in den Kondensatorspalt gelangen können.
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In dem Buch "Instrumenteringsteknikk" von Ole A. Solheim,
Tapir Herausgeber Trondheim 1966, ist eine Beschreibung auf Seite
118 des hier verwendeten Messprinzips aufgeführt. Dem Buch zufolge umfasst
dieses Messprinzip die Befestigung von Dehnungsmessgeräten an einem
röhrenförmigen Messelement.
Auf der Oberfläche
des Elementes werden die Beanspruchungen in der Azimutrichtung immer
zweimal so hoch wie in der axialen Richtung sein. Die Differenz
in der Beanspruchung zwischen diesen beiden Richtungen wird proportional
zum Druck sein. Wenn die Anlegung des höchsten Drucks außerhalb
des röhrenförmigen Elements
vorgesehen ist, können
Zugbeanspruchungen, die zu Bruch führen können, vermieden werden. Das
bekannte Messprinzip wird zum Teil in einer moderneren Auslegung gemäß der Europäischen Patentveröffentlichung 0.107.549
verwendet. Die Auslegungen gemäß dieser
Veröffentlichung
nutzen jedoch nicht die Differenz zwischen der axialen und radialen
Beanspruchung bei Anlegung von äußerem oder
innerem Druck, sondern basieren auf Verformungsänderungen. Die Sensoreinrichtungen
arbeiten mit akustischen Oberflächenwellen,
was bedeutet, dass der vollständige Drucksensor
Gesamtabmessungen über
einer bestimmten unteren Grenze aufweisen muss.
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Ein anderes und etwas weniger interessantes
Beispiel aus der Patentliteratur ist in der französischen
Patentveröffentlichung
2.531.533 zu finden.
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Vor dem Hintergrund der vorhergehend
bekannten Techniken weist ein wie in der obigen Einführung genannter
Drucksensor neue und spezifische Merkmale auf, die in erster Linie
darin bestehen, dass die beiden Teile des Messelements in Planartechnik, vorzugsweise
aus Silicium oder Quarz hergestellt sind, und eine wesentlich größere Länge als
seitliche Abmessungen haben, wobei der Hohlraum in der Längsrichtung
orientiert ist, dass die Querschnittsform des Messelements um zwei
Längsebenen
symmetrisch ist, und dass die Sensoreinrichtungen in der Form von
piezo-resistiven Elementen vorliegen, die ei ner äußeren oder einer inneren Oberfläche des Messelement
benachbart angeordnet sind.
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Ein Teil oder beide Teile des Messelements ist/sind
mit länglichen
Ausnehmungen oder Kanälen von
einer der größeren Oberflächen desselben
versehen, so dass, wenn die beiden Teile verbunden werden, der genannte
Hohlraum gebildet wird, und allgemein kann der Hohlraum als röhrenförmig betrachtet
werden. Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße Messelement eine Länge wenigstens
der Größenordnung
von zehn mal der seitlichen Abmessungen auf. Normalerweise ist eine
gerade Auslegung bevorzugt, die so angeordnet ist, dass eine Differenz
im Druck an der Innenseite und Außenseite detektiert werden
kann. Es ist ein Vorteil, dass die Geometrie des Messelements dazu
dient, Verbiegung (Bourdon-Effekt) zu vermeiden, wenn es Druck ausgesetzt
wird, und dass Scherbeanspruchungen in den Verbindungsflächen sowie
Zugbeanspruchungen minimiert werden. Wie der folgenden Beschreibung
zu entnehmen sein wird, wird dies vorzugsweise erhalten, indem der
Hohlraum mittig im Querschnitt des Messelements angeordnet wird.
Der Hohlraum wird entweder für
einen Bezugsdruck für Differenzdruckmessung
verfügbar
gemacht, oder wird mit einem begrenzten Bezugsdruck, vorzugsweise
Vakuum, zum Messen von absolutem Druck verschlossen. Die Außenseite
des Messelements kann zu dem Zweck ausgelegt werden, dem zu messenden
Druck ausgesetzt zu werden, entweder, indem es direkt einem Prozessmedium
oder einem bekannten oder ausgewählten
Medium ausgesetzt wird, das von dem Prozessmedium mittels einer
Isoliermembran in einer an sich bekannten Weise getrennt ist.
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Indem die Erfindung auf der Verwendung
mikromechanischer Herstellungstechniken basiert, nämlich Planartechnik,
ist es möglich,
erfindungsgemäße Messelemente
mit sehr kleinen Abmessungen herzustellen, was besonders vorteilhaft
ist, wenn die Messung extrem hoher Drücke betroffen ist. Darüber hinaus
ist die längliche
Auslegung sehr vorteilhaft hinsichtlich erforderlicher Montage,
Integration oder Packung der tatsächlichen Messelemente in praktische
Messgeräte.
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Es ist ein unabhängiger Aspekt dieser Erfindung
an sich, ein neues und spezifisches Messgerät mit zugehörigen Halte- oder Montagemitteln
in einem umschließenden
Gehäuse
oder Halteelement zu schaffen.
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In der folgenden Beschreibung soll
die Erfindung detaillierter unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsformen
beschrieben werden, die als Beispiele in den Zeichnungen dargestellt
sind, in denen:
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1 in
perspektivischer Ansicht eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messelements
angebracht in einem Halter zeigt;
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2A einen
vergrößerten Querschnitt
des Hauptteils des Messelements in 1 zeigt;
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2B in
vergrößertem Querschnitt
einen Anlageteil des Messelements von 1 nahe
zu dem oben genannten Halter zeigt;
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3 in
entsprechendem Querschnitt wie in 2A und 2B eine Variante der Querschnittsform des
Messelements, d. h. des Querschnitts des Hohlraums zeigt,
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4 eine
andere Variante der Querschnittsform, d. h. eine rechteckige Hauptform
zeigt,
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5 in
vereinfachtem Aufriss ein Messgerät mit einem darin eingebauten
erfindungsgemäßen Messelement
zeigt,
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6 das
Gerät von 5 von dem (linken) Ende
zeigt,
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7 in
Aufriss eine spezielle Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Messelements
zeigt, wobei ein Hohlraum in einzelne Kanäle unterteilt ist,
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8 das
Messelement von 7 von
oben zeigt,
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9 das
Messelement in Querschnittansicht entlang der Linie IX-IX in 7 zeigt, und
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9A ein
vergrößertes Detail
des Querschnitts in 9 ist.
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In dem in 1 gezeigten Beispiel ist ein längliches
Messelement 1 aus zwei Teilen 1A und 1B zusammengesetzt.
Diese sind identisch und bilden zusammen einen internen Hohlraum 3 zwischen
zwei Endwänden 3A und 3B.
Daher erstreckt sich der Hohlraum 3 nicht ganz zu den Enden
des Hauptteils des Messelements 1, welches hier mit einem
achteckigen Querschnitt gezeigt ist.
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Eine Oberfläche 5 des Messelements
ist mit Sensoreinrichtungen 11, 12, 13 und 14 versehen, welche
durch eine Anzahl von Leitungen 15 an externe Elektronik-
oder Messschaltungen angeschlossen sind. Sensormittel 11, 12, 13 und 14 liegen
in Form piezo-resistiver Elemente vor, die an sich bekannt und vorzugsweise
in einer Brückenschaltung
angeordnet sind. Der Sensor ist empfindlich für Änderungen in dem mechanischen
Beanspruchungszustand oder der Verformung des Messelements, wenn
dieses variierenden Druckdifferenzen zwischen dem Umgebungsmedium
und dem inneren Hohlraum 3 ausgesetzt wird.
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An dem inneren Ende desselben ist
der achteckige Hauptteil 1 des Messelements als ein Anlageteil 2 mit
einer quadratischen äußeren Querschnittskontur
fortgesetzt, zu dem Zweck, mit einem Halteglied 18 zusammenzuwirken,
in dem das gesamte Messelement angebracht ist. Daher weist das Halteglied 18 ein
Durchgangsloch 19 auf, das vorzugsweise kreisförmig und
auslegt ist, um einen Montageteil 7 des Messelements aufzunehmen,
wobei dieser Teil 7 vorteilhaft die gleiche äußere Querschnittskontur wie
der Hauptteil 1 aufweist. Der Anlageteil 2 dient zur
Gewährleistung
eines sicheren Eingriffs des Messelements an dem Halteglied 18,
wobei dies von besonderem Interesse ist, wenn das Messelement sehr hohen äußeren Drücken ausgesetzt
wird. Solche Drücke
werden die Tendenz haben, das Messelement 1 in die axiale
Richtung in das Loch 19 zu drücken, aber die vorstehenden
Ecken 2A, 2B, 2C und 2D (siehe
auch 2A) werden wirksam
gegen Verschiebung des Messelements unter solcher Druckanlegung
blockieren. Durch das Loch 19 kann der Montageteil 7 zusätzlich mittels
eines geeigneten Klebstoffs befestigt werden, welcher den Zwischenraum zwi schen
dem achteckigen Querschnitt und dem kreisförmigen Loch 19 füllt.
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2A zeigt
detaillierter die Querschnittsform des Messelements, das die beiden
Teile 1A und 1B aufweist, welche an der bei 8 angezeigten
Ebene verbunden sind. In 2A sind
die vier Ecken 2A, 2B, 2C und 2D gezeigt,
die für
Anlage oder Eingriff an dem Halter 18 dienen.
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Die quadratische äußere Querschnittskontur in 2B entspricht dem Querschnitt
des Anlageteils 2, aber der innere Hohlraum 3 ist
tatsächlich
nicht innerhalb des Anlageteils 2 vorhanden, wenn Messung von
absolutem Druck betroffen ist, d. h. mit einem geschlossenen Hohlraum 3 zwischen
Endwänden 3A und 3B wie
in 1. Daher kann 2B so betrachtet werden,
dass sie eine alternative Hauptform der effektiven Länge eines
Messelements 1 zeigt, wobei der Hohlraum 3 die
gleiche Querschnittsform wie in 2A und 1 haben kann. Daher ist
es gemäß der Erfindung
ein Vorteil, den Hohlraum 3 mit einem diamantförmigen Querschnitt
auszulegen, der zwei Ecken positioniert in der Verbindungsebene 8 zwischen
den beiden Teile 1A und 1B aufweist.
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3 zeigt
eine Variante, durch die die äußere Querschnittskontur
des Messelements 31 die gleiche wie in 2A ist, d. h. achteckig, wohingegen der
innere Hohlraum 33 ein sechseckiges Querschnittsprofil
aufweist. Dies ist ähnlich
zu den Hohlräumen 3 mit
einer Diamantform gut für
Herstellung in Planartechnik geeignet, insbesondere durch Ätzen. Zusätzlich zu
einer rechteckigen und achteckigen äußeren Querschnittskontur kann
das erfindungsgemäße Messelement
mit einer polygonalen äußeren Querschnittskontur
in anderen Varianten her gestellt werden, wie zum Beispiel einem
sechseckigen Querschnitt.
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Basierend auf Planartechnik wie erwähnt, können die
beiden Teile des Messelements vorteilhaft durch anodisches Bonden
oder auch durch sogenanntes Schmelzbonden miteinander verbunden werden.
Während
die als Beispiele in den 1, 2A, 2B und 3 dargestellten
Messelementquerschnitte symmetrisch um die Verbindungsebene 8 sind
(und außerdem
um eine Mittelebene senkrecht zu dieser), ist der rechteckige Querschnitt
in 4 aus zwei Teilen 21A und 21B zusammengesetzt,
die nicht die gleiche Querschnittsform aufweisen. Teil 21A ist
dicker und ist der einzige, der mit einer Ausnehmung 23 versehen
ist, die den gewünschten
Hohlraum bildet. Eine Verbindungsebene ist bei 28 gezeigt,
wodurch der Teil 21B ganz einfach ein geeigneter plattenförmiger Teil
ist, der zusammen mit dem Teil 21A den vollständigen Querschnitt
des Messelements 21 bildet. Ferner wird in dieser Ausführungsform
der Hohlraum 23 jedoch mittig und symmetrisch innerhalb
des gesamten Querschnitts des Messelements 21 angeordnet
sein.
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Die 5 und 6 zeigen ein praktisches
Beispiel eines vollständigeren
Messgeräts,
das ein Messelement gemäß der Erfindung
enthält.
Ein Gehäuse oder
ein Halter, wie in 5 gezeigt,
umfasst drei Hauptteile, d. h. einen Hülsenteil 41 mit einer
mittigen Bohrung 41A, einen Innenteil 42, der
vorzugsweise mit Außengewinden
versehen sein kann, und einen Zwischenteil 43, der außen als
ein Mutterkopf ausführt
ist. Der Hülsenteil 41 soll
in die Zone eingeführt werden,
wo ein Druck zu messen ist, da der wirksame Hauptteil eines Messelements 51 so
angebracht wird, um in die Bohrung 41A vorzustehen. An
der anderen Seite ist der Innenteil 42 ausgelegt, um auf
der Seite niedrigen Drucks angeordnet zu werden, vorausgesetzt,
dass ein höherer
Druck durch das Messelement 51 zu messen ist. Der Zwischenteil 43 kann so
betrachtet werden, dass er ein Halteglied 48, welches dem
Halteglied 18 in 1 entspricht,
mit einem Loch 49 mit einem weiteren Teil 49A zum
Aufnehmen des Anlageteils des Messelements entsprechend Teil 2 von 1 aufweist. Ein zu dem Messelement 51 gehörender Montageteil 57 dringt
durch das Loch 49 und weiter in den Innenraum des Teils 42 für elektrische
Verbindung mit der Elektronik darin oder mit elektrischen Schaltungen
ein, die außerhalb auf
der niedrigen Druckseite angeordnet sind.
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Schließlich zeigen die 7, 8, 9 und 9A eine besondere erfindungsgemäße Ausführungsform,
bei der das Messelement eine stark abgeflachte Querschnittsform
aufweist, wie speziell von den 9 und 9A zu sehen sein wird. Zwei
in Planartechnik hergestellte Teile 61A und 61B sind
hier wie in vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen so verbunden,
dass das Messelement 61 eine typische Plattenform aufweisen
wird. Hier ist der innere Hohlraum in eine große Anzahl getrennter Kanäle unterteilt,
von denen vier Kanäle
bei 63 in 9A gezeigt sind.
Eine solche Anordnung mehrerer paralleler und in Längsrichtung
verlaufender Hohlräume
oder Kanäle
im Messelement 61 kann in bestimmter Hinsicht vorteilhaft
sein. Die Auswirkung hinsichtlich Detektion von Beanspruchungen,
die auftreten, wenn das Messelement Druck ausgesetzt wird, können auch hier
vorteilhaft mittels Sensoreinrichtungen in Form von piezo-resistiven
Elementen an oder benachbart einer größeren Oberfläche, zum
Beispiel der Oberfläche 65 detektiert
werden, wie in 7 gezeigt
ist. Sensoreinrichtungen mit elektrischen Leitungen sind nicht speziell
in irgendeiner der 7–9A gezeigt, können jedoch
in einer durchaus entspre chenden Weise wie an der Oberfläche 5 in 1 gezeigt angeordnet sein.
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Bei 60 in 7 ist schematisch eine Grenze zwischen
der Seite hohen Drucks und der Seite niedrigen Drucks angezeigt,
wobei ein Montageglied 68 an der größeren Oberfläche 65 des
Messelements zum Beispiel durch anodisches Bonden vorgesehen wird.
Das Montageglied 68 ist hohl, wie bei 69 gezeigt ist,
um elektrische Leitungen aus den Sensoreinrichtungen (nicht gezeigt)
an dem Messelement 61 herauszuführen. Der hohle Innenraum 69 des
Montageglieds 68 ist daher ausgelegt, um mit der Seite
niedrigen Drucks zu kommunizieren, so dass ein praktischer und vorteilhafter Übergang
zwischen der Seite hohen Drucks und der Seite niedrigen Drucks erhalten
wird, unter anderem hinsichtlich der erforderlichen elektrischen
Verbindung von den Sensoreinrichtungen. Wie auch in dem Fall in 1 werden die piezo-resistiven
Elemente hier vorteilhaft in die Struktur des Messelements integriert
werden, d. h. insbesondere Teil 61B benachbart der Oberfläche 65.
Das piezo-resistive Element sowie Leitungen zu diesem können, genauer
ausgedrückt,
als innerhalb der betreffenden Oberfläche an dem Messelement vergraben
angeordnet werden, d. h. der Oberfläche 5 in 1 und Oberfläche 65 in 7.
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Die Form der Anbringung oder "Packung" des Messelements 61,
wie sie aus den 7 und 8 deutlich wird, wobei das
Montageglied 68 eine wesentlichen Komponente darstellt,
ist in bestimmten Fällen
vorteilhaft, und dies hat eine wesentliche Bedeutung in einem vollständigen Messgerät. Die Anbringungsweise
in dieser Ausführungsform
steht in engem Bezug zu der stark abgeflachten, plattenartigen Form
des Messelements 61.
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Wie bereits oben erklärt wurde,
unterschiedet sich die Montage oder Packung des "normaleren" Messelements 1 in 1 beträchtlich von dem Packverfahren
in den 7 und 8. Außerdem wird erkannt werden,
dass das Packverfahren gemäß 1 (und 5) als solches auch von Interesse für Messelemente
anderer Auslegungen und für
andere Zwecke als den hier beschriebenen sein kann. In allen solchen
Varianten wird es jedoch einen Vorteil darstellen, dass das Messelement
stark verlängert ist,
wie oben erörtert,
wie zum Beispiel mit einer Längenabmessung
einer Größenordnung
von zehn mal der seitlichen Abmessung des Elements. Eine solche längliche
Form ist sehr praktisch für
dieses bestimmte Packverfahren, obwohl es für die Produktionswirtschaftlichkeit
an sich attraktiv sein könnte,
relativ kürzere
Elemente zu verwenden. Von wesentlicher Bedeutung sowohl in bezug
zu Produktion als auch für die
tatsächlich
Montage ist der in dieser Ausführungsform
beschriebene Anlageteil 2. Ein wichtiges Detail in diesem
Zusammenhang besteht darin, dass die Anlageflächen an den vorstehenden Ecken 2A, 2B, 2C und 2D (siehe
auch 2A) sich bei einer Neigung
und nicht direkt radial in einer Ebene in rechtem Winkel zu der
Achse des Messelements erstrecken können.
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In Verbindung mit Montage, Packung
und Einkapselung eines solchen Messelements ist es offensichtlich,
dass auf der Oberfläche
desselben ein Schutzfilm, zum Beispiel aus Si3N4 oder einem Polyamid-Kunststoffmaterial
aufgebracht werden kann, so dass das Messelement direkt dem betreffenden Druckmedium
ausgesetzt werden kann.
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Eine Anzahl anderer Modifikationen
und Varianten ist auch innerhalb des Rahmens der Erfindung möglich, möglicherweise
insbesondere in Verbindung mit den Wunsch, effiziente und wirtschaftliche
Produktionsprozesse zu erhalten. Zum Beispiel kann jeder der beiden
Teile des Messelements an sich eine zusammengebaute Struktur sein,
wo Schichten verschiedener Materialtypen eingeschlossen sein können. Darüber hinaus
ist es offensichtlich, dass aus reinen Stabilitätsgründen ein kreisförmiger innerer
Hohlraum die ideale Form gewesen wäre, aber hinsichtlich Produktion
eine solche Form nicht vorteilhaft ist. Noch eine weitere, mögliche Modifikation
besteht darin, dass die Sensoreinrichtungen an mehr als einer Oberfläche des
Messelements vorgesehen werden können,
zum Beispiel an zwei größeren Oberfläche, die
einander gegenüberliegen.