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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 00 867 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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Aus VDI-Berichte Nr. 231 Füllstand-Messtechnik, 1975, Seite 50, ist ein Füllstandssensor zum Messen eines Pegels einer Flüssigkeit in einem Behälter bekannt, umfassend eine Vertikalführung zur stehenden Montage im Behälter und einen Schwimmer, der entlang der Vertikalführung verstellbar angeordnet ist, wobei ein mittels Magnetkraft betätigbarer Positionssensor vorgesehen ist, der sich entlang des Verstellwegs des Schwimmers erstreckt, wobei der Schwimmer zumindest einen Betätigungsmagneten zum Betätigen des Positionssensors aufweist, wobei der Schwimmer eine Durchgangsöffnung aufweist, durch welche der Positionssensor hindurchgeführt ist, wobei der Schwimmer wenigstens einen Ausgleichsmagneten aufweist und wobei der wenigstens eine Ausgleichsmagnet und der wenigstens eine Betätigungsmagnet an sich gegenüberliegenden Seiten des Positionssensors so angeordnet sind, dass sie sich gegenseitig abstoßen. Beim bekannten Füllstandssensor sind Betätigungsmagnet und Ausgleichsmagnet im Schwimmer symmetrisch zueinander angeordnet. Ferner ist der Positionssensor beim bekannten Füllstandssensor durch eine Abfolge mehrerer Reed-Kontakte gebildet, die magnetisch betätigt bzw. geschlossen werden können.
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Weitere Füllstandssensoren sind aus der
JP 08-086 684 A , aus der
JP 01-032 121 A , aus der
KR 10 2004 0 038 532 A , aus der
DE 875 010 C und aus der
DE 34 39 087 A1 bekannt.
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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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Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, 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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Erfindungsgemäß ist außerdem vorgesehen, dass der Positionssensor als Foliensensor ausgestaltet ist und dass der wenigstens eine Betätigungsmagnet im Schwimmer näher an der Durchgangsöffnung angeordnet ist als der wenigstens eine Ausgleichsmagnet.
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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 bezüglich 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 Kallektorbahn, 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.