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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Anzeigen eines Füllstandes
und zum Detektieren eines vorgebbaren Wertes des Füllstandes.
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Derartige
Vorrichtungen, die auch als Flüssigkeitsstandskontrolle
(FSK) bezeichnet werden, dienen der Anzeige des Niveaus einer Flüssigkeit
innerhalb eines Behälters,
wobei die Anzeigeeinheit außerhalb
des Behälters
angebracht, jedoch über mindestens
einen Fluidanschluss mit diesem in der Art von kommunizierenden
Röhren
verbunden ist. Außer
der Anzeige des aktuellen Füllstandes
kann über
ein Detektorelement durch Einwirken eines Auslösers bei einem vorgebbaren
Wert des Füllstandes ein
entsprechendes Signal erzeugt werden. Beim Auftreten des Signals
können
die bei Erreichen des vorgebbaren Füllstandes notwendigen Aktionen
manuell oder automatisch vorgenommen werden.
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Eine
aus der
DE 199 16
953 A1 bekannte gattungsgemäße Vorrichtung weist eine elektrische Schalteinrichtung
auf, die in einem mit dem Gehäuse der
Vorrichtung verbindbaren Anschlussteils angeordnet ist. Als Detektorelement
weist die Vorrichtung einen Reedschalter und als Auslöseelement
einen in einem Schwimmkörper
angeordneten Magneten auf. Eine ähnliche
Anordnung zeigt auch die
US 3,389,603 . Über ein
Steckerteil sind die Anschlussleitungen des Reedschalters an andere
Einrichtungen, wie Steuer- und Niveaureguliereinrichtungen anschließbar. Die
durch den verfahrbaren Schwimmkörper
gebildete Füllstandsanzeige
kann durch ein Plexiglasgehäuse
von einem Betrachter beobachtet werden. Das Signal des Reedschalters
wird über
Leitungen zu den anderen, von der Vorrichtung örtlich getrennten, Einrichtungen
weitergeführt.
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Die
US 2003/0037613 A1 zeigt
eine gattungsgemäße Vorrichtung
mit einem redundanten Messsystem, das einerseits einen Schwimmer
und andererseits einen Hohlleiter in einem Schauglas aufweist, wobei
in den Hohlleiter Radarwellen eingespeist werden, aus deren Reflexion
der Füllstand
ermittelt wird. Der Hohlleiter wird hierzu von oben in das Schauglas
eingeführt
und erstreckt sich bis unterhalb des Flüssigkeitsstandes.
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Die
GB 2 280 127 A zeigt
eine Ionentauscheranlage zur Wasseraufbereitung, insbesondere zur
Wasserenthärtung,
unter Verwendung eines Salzes, das in einem Vorratsbehälter vorgehalten
wird. Der Füllstand
des Salzes wird dabei visuell abgelesen und anschließend durch
Betätigen
von Tasten manuell in eine Steuereinrichtung eingegeben.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen,
welche die Einsatzmöglichkeiten
erweitert.
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Diese
Aufgabe ist durch die im Anspruch 1 bestimmte Vorrichtung gelöst. Besondere
Ausführungsarten
der Erfindung sind in den Unteransprüchen bestimmt.
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Diese
Aufgabe ist durch eine Vorrichtung zum Anzeigen eines Füllstandes
und zum Detektieren eines vorgebbaren Wertes des Füllstandes,
wobei das Anzeigen des Füllstandes
visuell durch die Position eines in Bezug auf einen feststehenden
Teil der Vorrichtung entsprechend dem Füllstand bewegbaren Schwimmkörper erfolgt,
und wobei das Detektieren des vorgebbaren Wertes des Füllstandes durch
das Einwirken eines an dem Schwimmkörper angeordneten Auslöseelementes
auf ein an dem feststehenden Teil der Vorrichtung angeordnetes Detektorelement
erfolgt, dadurch gelöst,
dass die Vorrichtung mindestens ein Signalelement zum optischen
und/oder akustischen Signalisieren beim Erreichen des vorgebbaren
Wertes des Füllstandes und
zusätzlich
zum Signalisieren eines Kabelbruchs in einer Zuleitung zu dem Detektorelement
aufweist und dass das Signalelement in der Vorrichtung integriert
ist.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
weist einen Schwimmkörper
auf, der vorzugsweise durch ein Sichtfenster in der Gehäuseabdeckung
der Vorrichtung von einem Betrachter beobachtet werden kann, wobei
die Position des Schwimmkörpers
in Bezug auf einen feststehenden Teil der Vorrichtung den Füllstand
des Behälters
repräsentiert,
an den die Vorrichtung angeschlossen ist. Der Schwimmkörper, bei dem
es sich zum Erreichen seiner Schwimmfähigkeit um einen Hohlkörper handeln
kann, enthält
mindestens ein Auslöseelement.
Das Detektieren eines vorgebbaren Füllstandes wird durch Einwirken
des Auslöseelementes
auf mindestens ein Detektorelement bewirkt, welches sich in einem
feststehenden Teil der Vorrichtung befindet.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind Signalelemente in die Vorrichtung integriert, die das Erreichen
des vorgebbaren Füllstandes
signalisieren; die Signalelemente können insbesondere an oder in
einem Gehäuse
der Vorrichtung angeordnet sein, mithin mit diesem in Baueinheit
ausgeführt
sein, oder an ein Gehäuse
der Vorrichtung ansteckbar oder anderweitig verbindbar sein. Die
oder weitere Signalelemente können
auch die Betriebsbereitschaft der Vorrichtung signalisieren, insbesondere das
Anliegen einer korrekten Versorgungsspannung für eine in die Vorrichtung integrierte
Auswerteschaltung signalisieren. Die Signaleelemente signalisieren auch
einen Kabelbruch in der Zuleitung zum Detektorelement. Je nach Leitungsführung von
einer Auswerteschaltung zu einem Detektorelement können diese
Zuleitungen mechanischen Beanspruchungen im Betrieb ausgesetzt sein
oder solche mechanischen Beanspruchungen können nach einem Beschädigen der
Vorrichtung auftreten und zu Kabelbruch führen. Das Erkennen eines Kabelbruchs
erhöht
die Betriebssicherheit der Vorrichtung, da die korrekte Funktion
des Detektorelements im Allgemeinen bei einem Kabelbruch in seinen
Zuleitungen nicht mehr gegeben ist.
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Das
Signalisieren kann auf unterschiedliche Weise erfolgen, insbesondere
optisch und/oder akustisch. Auch eine Kombination verschiedener
derartiger Signalelemente kann verwendet werden. So kann beispielsweise
die Verwendung eines akustischen Signalelementes von Vorteil sein
bei schlechten Sichtverhältnissen
oder falls sich eine verantwortliche Person nicht in unmittelbarer
Nähe der
Vorrichtung befindet. Durch ein akustisches Signal wird dann auch
unter diesen Bedingungen unverzüglich das
Erreichen des vorgebbaren Füllstandes
signalisiert werden und eine geeignete Maßnahme, sofern erforderlich,
unverzüglich
eingeleitet werden. In ähnlicher
Weise wird ein optisches Signalelement auch unter schwierigen akustischen
Bedingungen, wie beispielsweise Lärm, noch von einem Betrachter
beobachtet werden können,
sodass wiederum die bei Erreichen eines vorgebbaren Füllstandes
notwendige Maßnahme
umgehend vorgenommen werden kann.
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Zum
Detektieren des vorgebbaren Füllstandes
wird vorteilhafterweise ein schaltendes Element als Detektorelement
verwendet, wobei auch Lösungen
möglich
sind, bei denen das Detektorelement kontinuierliche Ausgangssignale
liefert, die jedoch in Abhängigkeit
der Nähe
des Auslöseelementes
in vorhersagbarer Weise variieren, beispielsweise ein ansteigendes
Ausgangssignal mit abnehmendem Abstand des Auslöseelementes vom Detektorelement. Hierbei übernimmt
die Auswerteschaltung die Funktion eines Komparators, dessen Ausgangssignal
wiederum mit dem eines schaltenden Detektorelements vergleichbar
ist. Als schaltendes Element kann das Detektorelement einen Schließer, Öffner oder Wechsler
aufweisen. Beispiele für
Detektorelemente sind Reedschalter, Hall-Sensoren, Magnetfeldsensoren,
wie z. B. Giant Magnetic Resistance-Sensoren (GMR), optische Sensoren,
wie z. B. Fototransistoren oder andere optische Sensoren aus Halbleitermaterialien.
Ebenso denkbar ist eine Anordnung, bei der das Detektorelement sowohl
einen Sender als auch einen Empfänger
enthält,
beispielsweise eine Leuchtdiode und einen Fototransistor, und wobei
das hier als Auslöseelement
bezeichnete Element als Reflektor dient. Über eine geeignete Einstellung
der Auswerteschaltung kann hierbei ein Schalten am Ausgang der vom
Detektorelement gesteuerten Auswerteschaltung bei einer vorgebbaren
Entfernung des Auslöseelementes
vom Detektorelement erreicht werden.
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Des
weiteren können
auch kapazitive Näherungsschalter
als Detektorelement zu Einsatz kommen, wobei sich eine zwischen
dem Auslöseelement und
dem Detektorelement gegebene Kapazität in Abhängigkeit des Abstandes zwischen
Auslöseelement und
Detektorelement ändert.
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Das
Auslöseelement
ist vorzugsweise passiv und erfordert insbesondere keine eigene
Energieversorgung, sondern ist hinsichtlich seiner Werkstoffeigenschaften
und/oder Oberflächeneigenschaften
an das eingesetzte Detektorelement angepasst, beispielsweise wird
bei Verwendung eines Reedschalters als Detektorelement ein Permanentmagnet
als Auslöseelement
eingesetzt.
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Ein
vorzugsweise transparentes, mindestens jedenfalls transluzentes
Sichtrohr für
den Schwimmkörper
ist vorzugsweise zylindrisch ausgebildet, vorzugsweise mit einem
elliptischen Querschnitt. Dementsprechend ist auch die geometrische
Form des Schwimmkörpers
ausgebildet, sodass dieser innerhalb des Sichtrohrs geführt wird,
aber dennoch verfahrbar ist.
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Die
Zufuhr der Versorgungsspannung und das Weiterleiten eines Ausgangssignals
zu einem von der Vorrichtung entfernten Gerät erfolgt vorzugsweise über einen
Steckverbinder, wodurch die Montage und Wartung vereinfacht ist.
Alternativ kann auch ein direkter Kabelanschluss vorgesehen sein, wobei
in diesem Fall Kontaktprobleme verhindert sind. Auch sind Lösungen denkbar,
bei denen die Versorgungsspannung über Leitungen zugeführt, das
Ausgangssignal jedoch drahtlos zu einem entfernten Empfänger übertragen
wird. Hierbei sind optische Übertragungsverfahren,
insbesondere unter Nutzung von infrarotem Licht oder auch eine Übertragung
per Funk möglich.
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In
vielen Anwendungsfällen
wird ein Auslöseelement
und ein Detektorelement ausreichend sein. Zum Detektieren mehrerer
vorgebbarer Füllstände sind
jedoch auch Ausführungsformen
mit mehreren Auslöseelementen
und/oder Detektorelementen möglich,
beispielsweise mit je einem Auslöseelement
am oberen und unteren Ende des Schwimmkörpers und je einem Detektorelement nahe
dem oberen und unteren Ende der Vorrichtung. Besonders vorteilhaft
ist die Vorrichtung im wesentlichen aus einem oberen und einem unteren
Anschlussteil gebildet, die durch das Sichtrohr miteinander fluiddicht
verbunden sind. In diesem Fall kann je ein Detektorelement am oberen
und am unteren Anschlussteil angeordnet sein.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen
und der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen ein Ausführungsform
im Einzelnen beschrieben ist. Dabei können die in den Ansprüchen und
in der Beschreibung erwähnten
Merkmale jeweils einzeln für
sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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1 zeigt
eine Vorderansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2 zeigt
eine Seitenansicht der Vorrichtung der 1,
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3 zeigt
eine Vorderansicht des Anschlussteils der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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4 zeigt
eine Seitenansicht des Anschlussteils der 3,
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5 zeigt
eine Draufsicht des Anschlussteils der 3,
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6 zeigt
eine Rückansicht
des Anschlussteils der 3, und
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7 zeigt
eine Auswerteschaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die 1 zeigt
eine Vorderansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Über einen
unteren Fluidanschluss 12 und einen oberen Fluidanschluss 10 steht
die Vorrichtung mit einem Behälter
in Verbindung, dessen Füllstand
durch die Vorrichtung 1 angezeigt werden soll. Die flüssigkeitsdichte
Verbindung der Vorrichtung 1 mit dem Behälter wird
mit Hilfe der Hohlschrauben 20 hergestellt. Eine Gehäuseabdeckung 26 erlaubt über den
darin ausgesparten Teil eines Sichtfensters 24 dem Betrachter
die Beobachtung des Schwimmkörpers 16,
der an seinem unteren Ende ein Auslöseelement 36 aufweist,
das durch einen Permanentmagnet gebildet ist. Das Auslöseelement 36 wirkt
bei hinreichender Nähe
auf das Detektorelement 38 ein, das sich am oberen Ende
eines teilweise in die Gehäuseabdeckung 26 eingeführten Anschlussteils 40 der
Vorrichtung 1 befindet. Unterhalb des Detektorelements 38 weist
das Anschlussteil 14 eine Ausströmöffnung 52 auf, die
in der Vorderansicht ungefähr
halbkreisförmig
ist und einen Flüssigkeitsstrom
von dem unteren Fluidanschluss 12 in ein Sichtrohr 56 (6)
ermöglicht.
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In
Abhängigkeit
des gewählten
Detektorelementes 38 sowie der Art und der Anordnung des
Auslöseelementes 36 am
Schwimmkörper 16 ergibt
sich ein Schaltniveau 44, das in der 1 bezogen
auf die Mitte des unteren Fluidanschlusses 12 die Position
des unteren Randes des Schwimmkörpers 16 beschreibt,
bei dem ein Schalten des Detektorelementes 38 ausgelöst wird.
Ein zur Vorrichtung 1 gehörender Steckverbinder 42 ist
an einem freien Ende des Anschlussteils 14 mittels einer
Dichtung 40 ansteckbar zum elektrischen Verbinden mit dem
Detektorelement 38. Die Steckverbindung ist mittels einer
vorzugsweise axial ausgerichteten Sicherungsschraube fixierbar.
Die Signalelemente 30, 32, bei denen es sich in
der dargestellten Ausführungsform
um Leuchtdioden handelt, sind in das Gehäuse des Steckverbinders 42 eingebaut.
An dem Steckverbinder 42 ist eine Buchse 34 angeordnet
zur elektrischen Verbindung der Vorrichtung 1 nach außen, insbesondere
zur Zuführung
der Versorgungsspannung sowie dem Anschluss des Ausgangssignals
an eine von der Vorrichtung 1 entfernte Einrichtung. Das
Anschlussteil 14 weist an einer den Signalelementen 30, 32 benachbarten
Stelle eine Freifläche 28 zur Aufnahme
eines Firmenlogo auf.
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Die 2 zeigt
eine Seitenansicht der Vorrichtung der 1, in der
nun auch zumindest abschnittsweise die Hohlräume der Hohlschrauben 20 erkennbar
sind. Die Vorrichtung 1 ist mittels der Hohlschrauben 20 an
einer Behälterwand 18 und
mithin an einem Behälter
befestigt. Behälterdichtungen 22 fügen sich
auf der Außenseite
einer Behälterwand 18 dichtend
zwischen diese und die erfindungsgemäße Vorrichtung 1.
Die Buchse 34 ist als vierpolige Rundbuchse ausgebildet,
die eine Führungsnase
aufweist, um das Einstecken eines zugehörigen Steckerelements in nur
einer Position zuzulassen.
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Die 3 zeigt
eine Vordersicht des Anschlussteils 14 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 und
die 4 zeigt die zugehörige Seitenansicht. Ein Vergleich
von 1 und 3 zeigt deutlich, zu welchem
Teil der Anschlussteil 14 von der Gehäuseabdeckung 26 in 1 abgedeckt
wird. Im oberen Bereich der 3 ist ein
O-Ring 46 dargestellt, der eine Abdichtung des Anschlussstücks 14 gegen
das in dieser Abbildung nicht dargestellte Sichtrohr 56 bewirkt,
in das der obere Bereich des Anschlussteils 14 eingeführt wird.
Eine Anlagefläche 66 für das Sichtrohr 56 ist
unterhalb des O-Rings 46 angeordnet. Der untere Fluidanschluss 12 ist
mit der Ausströmöffnung 52 verbunden.
Für den
in dieser Figur nicht dargestellten Schwimmkörper 16 begrenzt die
Anlagefläche 50 mit
daran angeordneten Vorsprüngen 54 die mögliche Abwärtsbewegung
des Schwimmkörpers 16.
Die Vorsprünge 54 gewährleisten
eine gute Umströmung
des Schwimmkörpers 16,
sodass dieser selbst bei leicht verschmutzten Fluiden, die zu einem Anhaften
des Schwimmkörpers 16 auf
der Anlagefläche 50 führen könnten, hinreichend
umspült
wird und es nicht zu einer Haftung kommen kann. Der obere Absatz 48 des
Anschlussteils 14 ist mit einer Fase versehen und im Querschnitt
dem Sichtrohr 56 nachgebildet.
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Die 5 zeigt
eine Draufsicht auf das Anschlussteil 14. Die Ausströmöffnung 52 weist
eine Form auf, die der Ellipsenform des Sichtrohrs 56 nachgebildet
ist. Der zugehörige
im Anschlussteil 14 ausgebildete Ausströmkanal verläuft gegenüber der Längsachse des Sichtrohrs 56 schräg unter
einem Winkel von weniger als 30°.
Die Signalelemente 30, 32 sind gegenüber dem
Sichtrohr 56 nach vorne versetzt angeordnet an einer Stirnfläche des
prismatischen Anschlussteils 14, so dass sowohl die Position des
Schwimmkörpers 16 als
auch die Signalelemente 30, 32 von einem ortsfesten
Betrachter beobachtbar sind.
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Die 6 zeigt
eine Rückansicht
des Anschlussteils 14, wobei in der 6 zusätzlich das Sichtrohr 56 dargestellt
ist und der Eingriff des Anschlussteils 14 in das Sichtrohr 56 sowie
die Anlage der O-Ring-Dichtung 46 erkennbar ist. Das Sichtrohr 56 liegt
dabei an der Anlagefläche 66 am
Anschlussstück 14 an.
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Die 7 zeigt
eine Auswerteschaltung 70 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1.
Die Elemente der Auswerteschaltung 70 können auf einer Platine angeordnet
sein. Einzelne Elemente können
auch räumlich
entfernt angeordnet und über
Verbindungsleitungen angeschlossen sein, insbesondere kann das Detektorelement 38 über Zuleitungen
angeschlossen sein, einschließlich
der Steckverbindung zwischen dem Steckverbinder 42 und
dem Anschlussteil 14.
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Zum
Betrieb der Schaltung ist eine Gleichspannung als Versorgungsspannung
zwischen den Anschlüssen
N1 und N3 der Buchse 34 erforderlich, wobei der Pluspol
der Versorgungsspannung am Anschluss N1 und der Minuspol der Versorgungsspannung
am Anschluss N3 zu liegen kommt. Der Anschluss N2 leitet ein Ausgangssignal
der Auswerteschaltung 70 zu einer externen von der Vorrichtung 1 beabstandeten
Steuereinrichtung. Das Detektorelement 38 ist ein als Öffner ausgebildeter
Reedschalter, der eine elektrische Verbindung öffnet, sobald ein an dem Schwimmkörper 16 angeordneter
Magnet dem Detektorelement 38 hinreichend nahe kommt, beispielsweise
weil ein vorgebbarer minimaler Füllstand
erreicht ist.
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Der
Transistor T1 wird in einer Emitterbasisschaltung betrieben, bei
der aus den Widerständen R1
und R2 der Basisspannungsteiler gebildet wird.
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Für den dargestellten
Fall des geöffneten Reedschalters
ergibt sich eine Basis-Emitterspannung des Transistors T1 von ungefähr 0 V;
das am Anschluss N2 des Buchse 34 anliegende Ausgangssignal
ergibt sich in diesem Fall ebenfalls zu ungefähr 0 V. in diesem Fall ist
die Kollektor-Emitterstrecke
des Transistors T1 gesperrt und ein über R3 fließender Gleichstrom durch die
als grüne
Leuchtdioden D1 und als rote Leuchtdiode D2 ausgebildeten Signalelemente 30, 32 wird
durch den Transistor T1 nicht beeinflusst. Somit leuchten beide
Signalelemente 30, 32.
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Bei
der dargestellten Schaltung wird das erste Signalelement 30 als
Betriebsanzeige eingesetzt, d. h. beim Anliegen der Versorgungsspannung
in der oben beschriebenen Weise leuchtet die Leuchtdiode D1 permanent
unabhängig
vom Zustand des Reedschalters. Das zweite Signalelement 32 wird
zum Signalisieren des minimalen Füllstandes eingesetzt. Durch
die erfindungsgemäße Verwendung
eines Öffners
entspricht der Fall eines Kabelbruchs in den Zuleitungen zum Reedschalter
dem zuvor beschriebenen Fall eines geöffneten Reedschalters und führt zu der
gleichen Wirkung, nämlich
dass beide Signalelemente 30, 32 leuchten.
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Bei
ausreichendem Füllstand
ist der Reedschalter geschlossen. An der aus den Widerständen R1
und R2 gebildeten Serienschaltung fällt in diesem Fall die zwischen
den Anschlüssen
N1 und N3 der Buchse 34 anliegende Versorgungsspannung
ab. Hierdurch ergibt sich zum einen eine an N2 anliegende Ausgangsspannung,
die der Versorgungsspannung entspricht; zum anderen ergibt sich
eine Basis-Emitterspannung des Transistors T1, die sich aus dem
Widerstandsverhältnis
der Parallelschaltung bestehend aus R2 und der Basis-Emitterstrecke
des Transistors T1 zu der Serienschaltung gebildet aus dem Widerstand
R1 und der Parallelschaltung bestehend aus R2 und der Basis-Emitterstrecke
des Transistors T1 ergibt.
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In
diesem Fall erhält
der Transistor T1 eine positive Basisemittervorspannung und wird
in den leitenden Betrieb übergeführt. Bei
geeigneter Wahl des Basisstroms des Transistors T1 sowie des durch
die Serienschaltung von R3 und D1 begrenzten Kollektorstroms des
Transistors T1 führt
dies im sogenannten Sättigungsbetrieb
zu einer sehr geringen Kollektor-Emitterspannung von beispielsweise
etwa 100 mV. Diese Spannung wiederum liegt an der Leuchtdiode D2
an, wird aber, das sie zu gering ist, die Leuchtdiode D2 nicht zum
Leuchten bringen. Die rote Leuchtdiode D2 bleibt also in diesem
Fall dunkel und signalisiert dadurch den ausreichenden Füllstand.
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Als
Verpolungsschutz dient die Diode D3, für die eine Standard-Gleichrichterdiode
verwendet werden kann. Liegt im Falle einer Verpolung der Versorgungsspannung
der Pluspol an N3, während
der Minuspol der Versorgungsspannung an N1 liegt, so führt dies
zu einem Stromfluss über
D3 und R3, wobei D3 die an den beiden Dioden D2 und D1 anliegende
Spannung auf die Durchflussspannung von D3 begrenzt, welche bei
einer Siliziumdiode ca. 700 mV beträgt. Der Rest der anliegenden
Versorgungsspannung wird an R3 abfallen. Somit können im Verpolungsfall an allen
wesentlichen Elementen der Auswerteschaltung 70 keine hinreichend
großen Spannungen
auftreten, die zu einer Zerstörung
der Elemente führen
könnten.