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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Füllstandssensor,
mit dessen Hilfe in einem Behälter ein Flüssigkeitspegel
gemessen werden kann, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs
1.
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Aus
der
DE 102 00 876
A1 ist ein Füllstandssensor bekannt, der eine
Vertikalführung zur stehenden Montage in einem Behälter
sowie einen entlang der Vertikalführung verstellbar angeordneten Schwimmer
umfasst. Ferner ist ein mittels Magnetkraft betätigbarer
Positionssensor vorgesehen, der sich entlang des Verstellwegs des
Schwimmers erstreckt. Der Schwimmer weist einen Betätigungsmagneten
zum Betätigen des Positionssensors auf. Außerdem
ist der Schwimmer mit einer Durchgangsöffnung ausgestattet,
durch welche die Vertikalführung bzw. der Positionssensor
hindurchgeführt ist.
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Beim
bekannten Füllstandssensor ist die Vertikalführung
durch einen Schlauchkörper gebildet, in dessen Mantel der
Positionssensor integriert ist. Hierzu besitzt der Positionssensor
einen mehrschichtigen Aufbau auf. Eine vom Betätigungsmagneten abgewandte
Innenschicht ist magnetisch anziehbar ausgestaltet und weist von
einer dem Magneten zugewandten Außenschicht einen Abstand
auf. Ferner ist die Innenschicht flexibel ausgestaltet und kann
mit Hilfe der Magnetkraft des Betätigungsmagneten gegen
die Außenschicht angezogen werden. Hierdurch kann eine
elektrische Kontaktierung auf dem Niveau des Betätigungsmagneten
realisiert werden, die von einer entsprechenden Positionserfassungsschaltung als
Positionssignal genutzt werden kann. Um beim bekannten Füllstandssensor
ein Verkanten des Schwimmers bei seiner Verstellbewegung entlang des
Schlauchs zu vermeiden, werden unterschiedliche Maßnahmen
vorgeschlagen. Zum einen kann ein zusätzliches Führungsrohr
vorgesehen sein, das eine außenliegende Führung
für den Schwimmer bildet. Zum anderen kann eine Führungsstange
vorgesehen sein, die durch eine, in den Schwimmer zusätzlich
eingearbeitete Führungsöffnung hindurchgeführt
ist. Hierdurch ist es insbesondere auch möglich, einen
Radialspalt zwischen der schlauchförmigen inneren Vertikalführung
und dem Schwimmer herzustellen, der eine reibungsarme Verstellung
des Schwimmers an der Vertikalführung ermöglicht.
Hierbei verbleibt die Gefahr, dass sich nun der Schwimmer an der
zusätzlichen Führungsstange verkantet. Darüber
hinaus ist die Herstellung des in die Wand der schlauchförmigen
Vertikalführung integrierten Positionssensors relativ aufwändig,
so dass der bekannte Füllstandssensor vergleichsweise teuer
ist.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem,
für einen Füllstandssensor eine verbesserte oder
zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, die sich
insbesondere durch eine preiswerte Herstellbarkeit auszeichnet.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand
des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Innenquerschnitt
der Durchgangsöffnung sowie einen Außenquerschnitt
der Vertikalführung bzw. des Positionssensors so aufeinander abzustimmen,
dass sich eine Verdrehsicherung für den Schwimmer relativ
zur Vertikalführung bzw. relativ zum Positionssensor ergibt.
Durch diese Verdrehsicherung ist es beispielsweise möglich,
den Positionssensor auf einen Bereich zu beschränken, der dem
Betätigungsmagneten ausgesetzt ist. Insbesondere kann dadurch
auf einen schlauchförmigen Positionssensor verzichtet werden.
Beispielsweise kann ein konventioneller, flacher, ebener Positionssensor verwendet
werden, der dem Betätigungsmagneten gegenüberliegend
positioniert wird. Somit kann durch den verdrehsicheren Schwimmer
ein besonders preiswerter Positionssensor verwendet werden, wodurch
die Herstellung des Füllstandssensors mit vergleichsweise
niedrigen Kosten realisierbar ist. Auch kann auf zusätzliche
externe Maßnahmen verzichtet werden, die eine Verdrehsicherung
zwischen Schwimmer und Vertikalführung bzw. Positionssensor
gewährleisten.
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Entsprechend
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen
sein, den Schwimmer mit wenigstens einem Ausgleichsmagneten auszustatten,
der an einer vom Betätigungsmagneten abgewandten Seite
des Positionssensors angeordnet ist, und zwar so, dass sich Betätigungsmagnet
und Ausgleichsmagnet gegenseitig abstoßen. Diese Bauweise
erleichtert die Verstellung des Schwimmers entlang der Vertikalführung
bzw. entlang des Positionssensors. Um den Positionssensor betätigen
zu können, erzeugt der Betätigungsmagnet eine
auf den Positionssensor einwirkende magnetische Kraft. Eine diesbezügliche
zwangsläufig erforderliche Reaktionskraft wirkt auf den
Betätigungsmagneten ein und somit auf den Schwimmer, so
dass der Schwimmer gegen den Positionssensor angezogen wird. Dies
kann zu einer Kontaktierung und Haftung des Schwimmers am Positionssensor
bzw. an der Vertikalführung führen, die eine Verstellung
des Schwimmers entlang der Vertikalführung bzw. des Positionssensors
behindert. Durch den Ausgleichsmagneten kann nun auf den Positionssensor
ebenfalls eine Anziehungskraft eingeleitet werden, die über
die damit einhergehende Reaktionskraft den Schwimmer ebenfalls in
Richtung zum Positionssensor bzw. in Richtung zur Vertikalführung
antreibt, jedoch in der Gegenrichtung zur Anziehungskraft des Betätigungsmagneten.
Somit kann die Haftung des Schwimmers an der Vertikalführung
bzw. am Positionssensor reduziert und im Idealfall aufgehoben werden.
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Besonders
vorteilhaft ist dabei eine spezielle Ausführungsform, bei
welcher der Ausgleichsmagnet und der Betätigungsmagnet
so angeordnet bzw. aufeinander abgestimmt sind, dass sich im Schwimmer die
am Positionssensor wirkenden Magnetkräfte im Mittel weitgehend
kompensieren. In der Folge kann weder der Betätigungsmagnet
noch der Ausgleichsmagnet eine signifikante Haftung des Schwimmers an
der Vertikalführung bzw. am Positionssensor erzeugen. Der
Schwimmer ist dadurch vergleichsweise leichtgängig entlang
der Vertikalführung bzw. des Positionssensors verstellbar.
Dass dabei trotzdem eine Betätigung des Positionssensors
möglich ist, wird dadurch erklärt, dass sich die
magnetischen Kräfte nur im Mittel ausgleichen, so dass
insbesondere lokal, nämlich zur Betätigung des
Positionssensors, die Anziehungskräfte des Betätigungssensors überwiegen, während
an anderer Stelle, insbesondere beiderseits der Betätigungsstelle,
die Anziehungskräfte des Ausgleichsmagneten überwiegen,
so dass die insgesamt am Schwimmer angreifenden Reaktionskräfte
weitgehend ausgeglichen sind. Dies kann insbesondere durch eine
asymmetrische Anordnung der Magnete innerhalb des Schwimmers realisiert
werden. Darüber hinaus können unterschiedlich
positionierte und unterschiedliche dimensionierte Rückflusselemente den
einzelnen Magneten zugeordnet werden, um die gewünschte
Magnetkraft- bzw. Magnetflussverteilung realisieren zu können.
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Durch
die vorgestellte Bauweise ist der Schwimmer im Wesentlichen frei
beweglich, quasi „schwimmend” am Positionssensor
bzw. an der Vertikalführung gelagert. Dabei ist dieser
Aufbau vergleichsweise einfach und preiswert realisierbar.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es
zeigen, jeweils schematisch,
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1 einen
stark vereinfachten Längsschnitt durch einen Füllstandssensor,
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2 einen
vereinfachten Querschnitt durch den Füllstandssensors entsprechend
Schnittlinien II in 1.
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Entsprechend 1 umfasst
ein Füllstandssensor 1 eine Vertikalführung 2 und
einen Schwimmer 3. Die Vertikalführung 2 ist
im montierten Zustand des Füllstandssensors 1 in
einem Behälter 4 stehend bzw. aufrecht angeordnet.
Mit anderen Worten, die Vertikalführung 2 ist
im montierten Zustand im Wesentlichen vertikal orientiert. Mit Hilfe
des Füllstandssensors 1 kann ein Pegel 5 einer
Flüssigkeit 6, die sich im Behälter 4 befindet,
gemessen werden. Hierzu ist der Schwimmer 3 entlang der
Vertikalführung 2 verstellbar angeordnet, wobei
er durch die von der Flüssigkeit 6 erzeugte Auftriebskraft
angetrieben ist. Dabei hebt und senkt sich der Schwimmer 3 mit dem
Pegel 5 entsprechend Bewegungspfeilen 7 und kann
sich geführt durch die Vertikalführung 2 entlang eines
Verstellwegs 8 verstellen.
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Der
Füllstandssensor 1 arbeitet mit einem Positionssensor 9,
der sich hierzu entlang des Verstellwegs 8 des Schwimmers 3 erstreckt.
Der Positionssensor 9 ist so ausgestaltet, dass er mittels
Magnetkraft betätigt werden kann. Der Schwimmer 3 ist nun
mit wenigstens einem Betätigungsmagneten 10 ausgestattet,
mit dessen Hilfe der Positionssensor 9 betätigt
werden kann. Bevorzugt wird ein einziger Betätigungsmagnet 10 verwendet,
bei dem es sich insbesondere um einen Dauermagneten handelt. Die Polung
des Betätigungsmagneten 10 ist in üblicher Weise
mit S und N bezeichnet. Der Betätigungsmagnet 10 ist
so angeordnet, dass einer seiner Pole, hier der Nordpol N dem Positionssensor 9 zugewandt
ist.
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Der
Schwimmer 3 weist eine Durchgangsöffnung 11 auf,
die so bemessen ist, dass die Vertikalführung 2 bzw.
der Positionssensor 9 durch die Durchgangsöffnung 11 hindurchführbar
sind. Beim hier vorgestellten Füllstandssensor 1 weist
die Durchgangsöffnung 11 entsprechend 2 einen
Innenquerschnitt 12 auf, der komplementär, jedoch
geringfügig größer dimensioniert ist
als ein Außenquerschnitt 13 der Vertikalführung 2 bzw.
des Positionssensors 9. Auf diese Weise ist die Vertikalführung 2 bzw.
der Positionssensor 9 mit Spiel 14 durch die Durchgangsöffnung 11 durchführbar.
Innenquerschnitt 12 und Außenquerschnitt 13 sind
gemäß 2 so aufeinander abgestimmt,
dass der Schwimmer 3 an der Vertikalführung 2 bzw.
am Positionssensor 9 verdrehsicher angeordnet ist. Diese
Verdrehsicherung bezieht sich dabei auf eine Achse 15,
die sich entsprechend 1 parallel zur Führungsrichtung
der Vertikalführung 2 und somit parallel zur Verstellbewegung 7 des
Schwimmers 3 erstreckt. Die Achse 15 entspricht
insoweit einer Längsachse der Vertikalführung 2.
Insofern ist der Schwimmer 3 be züglich Drehbewegungen
um die Längsachse 15 der Vertikalführung 2 verdrehsicher
an der Vertikalführung 2 bzw. am Positionssensor 9 angeordnet.
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Erreicht
wird dies entsprechend 2 im Wesentlichen durch einen
Formschluss bzw. durch Querschnittsgeometrien, die eine Drehmomentübertragung
zwischen Schwimmer 3 und Vertikalführung 2 bzw.
Positionssensor 9 um die Längsachse 15 ermöglichen.
Im gezeigten Beispiel der 2 sind der Innenquerschnitt 12 und
der Außenquerschnitt 13 bevorzugt, jedoch ohne
Beschränkung der Allgemeinheit rechteckförmig
ausgestaltet.
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Die
Verdrehsicherung zwischen Schwimmer 3 und Vertikalführung 2 ermöglicht
insbesondere die Verwendung eines besonders preiswert aufgebauten Positionssensors 9.
Insbesondere kann es sich somit beim Positionssensor 9 entsprechend 2 um
einen Foliensensor handeln, der im Folgenden ebenfalls mit 9 bezeichnet
wird. Der Foliensensor 9 weist zumindest eine Folie 16 auf,
die flexibel ausgestaltet ist und elastisch verformbar ist. Im Beispiel
trägt diese Folie 16 an einer Innenseite ein magnetisch
anziehbares Betätigungselement 17, beispielsweise
in Form einer an die Betätigungsfolie 16 angeklebten, elastisch
verformbare Metallfolie. Gegenüber der Folie 16 ist
eine weitere Folie 18 oder eine Trägerplatte 18 angeordnet,
die vergleichsweise steif ausgestaltet ist. Die Trägerplatte 18 weist
an ihrer Innenseite eine Positionssensorschaltung 19 auf.
Hierbei kann es sich im einfachsten Fall um eine Potentiometerschaltung 19 handeln,
die eine Widerstandsbahn und eine Kollektorbahn umfasst, wobei sich
diese Bahnen in der Längsrichtung des Positionssensors 9 erstrecken.
Durch diese Potentiometerschaltung 19 ist der Positionssensor 9 bzw.
der Foliensensor 9 als Potentiometer ausgestaltet. Das
Betätigungselement 17 kann elektrisch leitend
ausgestaltet sein oder eine elektrisch leitende Beschichtung aufweisen
oder selbst die Kollektorbahn bilden. Durch die magnetische Anziehung
des Betätigungsmagneten 10 verformt sich die Folie 16 mit
dem Betätigungselement 17 am Ort des Betätigungsmagneten 10 und
führt zu einer elektrischen Verbindung der Widerstandsbahn mit
der Kollektorbahn, wodurch ein mit der Position des Schwimmers 3 korrelierendes
elektrisches Signal generiert wird, das an Anschlüssen 20 des
Positionssensors 9 abgreifbar ist und insbesondere einer entsprechenden
Auswerteschaltung bzw. Auswerteeinrichtung zuführbar ist.
Im Beispiel der 2 weist der Foliensensor 9 außerdem
eine rahmenartige Distanzfolie 21 auf, die einen Spalt 22 zwischen
dem Betätigungselement 17 und der Potentiometerschaltung 19 erzeugt.
Der Aufbau des Foliensensors 9 ist hier jedoch rein exemplarisch
und kann bei anderen Ausführungsformen auch abweichend
ausfallen. Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform
ist der Positionssensor 9 in sich so steif ausgestaltet, dass
er die Funktion der Vertikalführung 2 übernehmen
kann. Mit anderen Worten, der Positionssensor 9 bildet
selbst die Vertikalführung 2. Beim Foliensensor 9 kann
dies beispielsweise dadurch realisiert werden, dass er mit einer
vergleichsweise steifen Versteifungsfolie ausgestattet ist oder
wie im gezeigten Beispiel einen vergleichsweise steifen Träger,
zum Beispiel in Form einer Trägerplatte 18 aufweist.
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Erkennbar
ist der Positionssensor 9 bzw. die Vertikalführung 2 flach
ausgestaltet, so dass quer zur Längsachse 15 eine
Breite des Positionssensors 9 deutlich größer
ist als eine Dicke des Positionssensors 9. Beispielsweise
ist der Positionssensor 9 mindestens zehnmal breiter als
dick. Ferner ist der Positionssensor 9 bzw. die Vertikalführung 2 zweckmäßig eben
ausgestaltet, was die Verstellbewegung des Schwimmers 3 einerseits
und die Führungsfunktion andererseits vereinfacht. Vorzugsweise
ist der Positionssensor 9 hermetisch dicht ausgestaltet,
so dass er ohne weiteres in die Flüssigkeit 6 eintauchen
kann.
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Entsprechend 1 weist
der Schwimmer 3 außerdem zumindest einen Ausgleichsmagneten 23 auf.
Im Beispiel ist genau ein einziger Ausgleichsmagnet 23 vorgesehen.
Er kann als Dauermagnet ausgestaltet sein. Der Ausgleichsmagnet 23 und
der Betätigungsmagnet 10 sind am bzw. im Schwimmer 3 so
angeordnet, dass sie sich an gegenüberliegenden Seiten
des Positionssensors 9 befinden. Ferner sind sie bezüglich
ihrer Polarisierung so angeordnet, dass sie sich gegenseitig abstoßen.
Im Beispiel sind die Nordpole N der beiden Magnete 10, 23 einander
zugewandt. Die magnetische Betätigungskraft des Betätigungsmagneten 10 zum
Betätigen des Positionssensors 9 erzeugt eine
Reaktionskraft, die den Betätigungsmagneten 10 und
somit den Schwimmer 3 in Richtung Positionssensor 9 antreibt.
Der Ausgleichsmagnet 23 erzeugt ebenfalls eine Anziehungskraft zwischen
Ausgleichsmagnet 23 und Positionssensor 9, die
den Schwimmer 3 ebenfalls in Richtung Positionssensor 9 antreibt.
Da die beiden Magnete 10, 23 jedoch an sich gegenüberliegenden
Seiten des Positionssensors 9 angeordnet sind, heben sich
die Anziehungskräfte, die den Schwimmer 3 zum
Positionssensor 9 antreiben, zumindest teilweise wieder
auf. Hierdurch kann eine Haltekraft, mit welcher der Schwimmer 3 am
Positionssensor 9 bzw. an der Vertikalführung 2 anhaftet,
reduziert werden, wodurch der Schwimmer 3 leichter Pegeländerungen
folgen kann.
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Besonders
vorteilhaft ist dabei eine Ausführungsform, bei der der
Ausgleichsmagnet 23 und der Betätigungsmagnet 10 gezielt
so angeordnet und aufeinander abgestimmt sind, dass sich im Schwimmer 3 eine
weitgehende Kompensation der am Positionssensor 9 wirkenden
Magnetkräfte einstellt In der Folge kann keiner der Magnete 10, 23 den
Schwimmer 3 gegen den Positionssensor 9 anziehen,
so dass keine oder nur noch eine vernachlässigbare Haftung
zwischen Schwimmer 3 und Positionssensor 9 bzw.
Vertikalführung 2 vorliegt. Hierdurch wird der Schwimmer 3 besonders
leichtgängig, wodurch die Präzision der Pegelstandsmessung
erhöht werden kann.
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Damit
dennoch der Positionssensor 9 mit Hilfe des Betätigungsmagneten 10 ordnungsgemäß betätigt
werden kann, erfolgt die Anordnung bzw. Positionierung und Abstimmung
der Magnete 10, 23 gezielt so, dass lokal, zum
Beispiel in einem zentralen Betätigungsbereich 24,
die Anziehungskräfte des Betätigungsmagneten 10 überwiegen,
um am Positionssensor 9 die gewünschte Betätigung
für die Füllstandsmessung realisieren zu können.
In dazu benachbarten Ausgleichsbereichen 25 kann dann die magnetische
Anziehung des Ausgleichsmagneten 23 überwiegen.
Durch gezielte Abstimmung ist es dadurch möglich, dass
sich die am Positionssensor 9 insgesamt wirkenden Magnetkräfte
im Mittel weitgehend kompensieren. Um diesen Zustand erzeugen zu
können, kann insbesondere vorgesehen sein, den Betätigungsmagneten 10 mit
einem Rückflusselement 26 auszustatten, das zur
Ausrichtung und/oder Verstärkung der magnetischen Feldlinien
des Betätigungsmagneten 10 dient. Zusätzlich
oder alternativ kann dem Ausgleichsmagneten 23 ein Rückflusselement 27 zum
Verstärken und/oder Ausrichten der magnetischen Feldlinien
zugeordnet werden. Durch gezielte Anordnung bzw. Dimensionierung
der Rückflusselemente 26, 27 bzw. der
Magnete 10, 23 kann der gewünschte „schwebende” oder „schwimmende” Zustand
für den Schwimmer 3 bezüglich des Positionssensors 9 bzw.
bezüglich der Vertikalführung 2 realisiert
werden. Zweckmäßig kann vorgesehen sein, den Ausgleichsmagneten 23 hinsichtlich
seines Abstands zum Betätigungsmagneten einstellbar im Schwimmer 3 anzuordnen.
Eine entsprechende Verstellbarkeit des Ausgleichsmagneten 23 ist
in 1 durch Pfeile 28 angedeutet. Durch die
Verstellbarkeit kann eine Feinjustierung des Ausgleichsmagneten 23 durchgeführt
werden, um das gewünschte Kräftegleichgewicht
einstellen zu können.
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Im
gezeigten Beispiel ist der Betätigungsmagnet 10 im
Schwimmer 3 so angeordnet, dass er sich unmittelbar an
der Durchgangsöffnung 11 befindet. Er besitzt
somit einen minimalen Abstand zum Positionssensor 9 bzw.
zur Vertikalführung 2. Im Unterschied dazu weist
der Ausgleichsmagnet 23 einen Abstand zur Durchgangsöffnung 11 auf.
Auf diese Weise werden die magnetischen Feldlinien des Ausgleichsmagneten 23 um
vom zentralen Betätigungsbereich 24 zu den benachbarten
Ausgleichsbereichen 25 verschoben.
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Der
Schwimmer 3 ist bei der hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsform
mit einem Gehäuse 29 ausgestattet, das als Hohlkörper
ausgebildet ist und dementsprechend einen nicht näher bezeichneten
Hohlraum enthält. In diesem Hohlraum sind die Magnete 10, 23 und
gegebenenfalls die Rückflusselemente 26, 27 angeordnet.
Das Gehäuse 29 kann mit einem Füllstoff 30 ausgefüllt
sein. Beispielsweise ist das Gehäuse 29 ausgeschäumt.
Der Füllstoff, insbesondere ein aushärtender Schaum,
kann dabei zur Positionierung und Fixierung der Magnete 10, 23 und gegebenenfalls
der Rückflusselemente 26, 27 dienen.
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Den 1 und 2 ist
entnehmbar, dass der Schwimmer 3 bei der hier gezeigten,
bevorzugten Ausführungsform kugelförmig ausgestaltet
sein kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10200876
A1 [0002]
- - DE 10329045 A1 [0004]
- - DE 102007055253 A1 [0004]
- - DE 4309442 A1 [0004]