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Schwimmermesser Die Erfindung bezieht sich auf einen Schwimmermesser
zum Messen und Anzeigen verschiedener Eigenschaften eines Mediums mittels einer
magnetischen Kopplungseinrichtung, die einen stabförmigen, permenentmagnetischen
Fühlkörper enthält, der in einem aus nichtmagnetischem Material bestehenden Rohr
bewegbar und mit einem schraubenlinienförmig gewundenen Element magnetisch gekoppelt
ist, das um eine zur Rohrachse parallele Achse drehbar ist und eine Anzeigevorrichtung
trägt.
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Eine Möglichkeit zur Bestimmung verschiedener Eigenschaften eines
in einem abgeschlossenen Behälter befindlichen Mediums und zur Übertragung der Meßergebnisse
an eine außerhalb des Behälters gelegene Stelle besteht darin, einen Magnet und
ein mit diesem magnetisch gekoppeltes Element zu verwenden und den einen dieser
beiden Bauteile im Behälter, den anderen dagegen außerhalb des Behälters anzuordnen.
Der im Behälter befindliche Bauteil ändert seine Lage entsprechend den Eigenschaften
des Mediums innerhalb des Behälters, z. B. entsprechend der Höhe eines Flüssigkeitsspiegels
oder entsprechend der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases, während der außerhalb
des Behälters befindliche Bauteil auf Grund der magnetischen Kopplung den Lageänderungen
folgt und sie anzeigt.
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Die magnetische Kopplung muß so stark sein, daß der getriebene Bauteil
stets genau und sofort den Lageänderungen des treibenden Bauteils folgt. Daneben
ist es jedoch auch erwünscht, daß der treibende Bauteil einen weiten Bereich von
Lageänderungen durchlaufen kann. Gleichzeitig muß eine derartige Einrichtung robust
sein, zuverlässig arbeiten und leicht bedient und gewartet werden können. Außerdem
soll zumindest der Bauteil innerhalb des Behälters eine gegenüber Verschmutzung,
z. B. Grünspanbildung, möglichst unempfindliche Form aufweisen.
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Es sind bereits Schwimmermesser bekannt, bei denen ein im Schwimmer
angeordneter Permanentmagnet einen außerhalb des Strömungsrohrs befindlichen Hufeisenmagnet
steuert, der eine Anzeigevorrichtung trägt und auf einer vertikalen Welle verschieb-
und feststellbar angeordnet ist. Bei anderen Schwimmermessern ist die Anzeigevorrichtung
auf einem schraubenlinienförmig gewundenen Anker befestigt, der von dem einen Pol
eines Permanentmagnets gesteuert wird. Beide Ausführungsformen besitzen insbesondere
den Nachteil, daß die magnetische Kopplung zwischen dem treibenden und dem getriebenen
Element relativ klein ist. Die Magnetfeldstärke nimmt bekanntlich mit zunehmendem
Abstand
vom Magnet sehr schnell ab und hängt außerdem vom Medium ab, in dem sich
das Feld ausbreitet.
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In den meisten bekannten Schwimmermessern mit einer magnetischen Kopplungseinrichtung
ist nicht dafür gesorgt, daß das getriebene Element von einem ausreichend magnetischen
Fluß durchsetzt wird.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Schwimmermesser
zu schaffen, der nicht nur die beiden obenerwähnten Eigenschaften aufweist, sondern
deren getriebener Bauteil auch besonders fest mit dem treibenden Bauteil magnetisch
gekoppelt ist.
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Bei dem eingangs beschriebenen Schwimmermesser ist daher der Fühlkörper
so lang, daß die von ihm ausgehenden magnetischen Kraftlinien über einen vorgewählten
Bereich parallel zu seiner Achse verlaufen, und ist das im Verhältnis zum Fühlkörper
um ein Vielfaches längere Element, das in an sich bekannter Weise in Form eines
schraubenlinienförmig gewundenen, einen Anker bildenden Streifens vorliegt, derart
angeordnet, daß es in allen Winkelstellungen über den vorgewählten Bereich von den
zur Rohrachse parallelen magnetischen Kraftlinien durchsetzt ist.
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Bei dieser Wahl des Kraftlinienverlaufs wird sich der vom magnetischen
Fluß durchsetzte Teil des Streifens immer so einstellen, daß er in einer Ebene liegt,
die die Achse des Stabmagnets und die Achse des Streifens enthält. Da in dieser
Stellung ein größerer Teil des Streifens in Längsrichtung von
magnetischen
Feldlinien durchsetzt ist, ist auch die magnetische Kopplung besonders groß.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung fällt die Achse
der Schraubenfläche des Elementes mit der in Längsrichtung verlaufenden Mittellinie
des Streifens zusammen. Außerdem ist der Streifen um seine in Längsrichtung verlaufende
Mittellinie bevorzugt in einem Winkel von etwa 1800 gewunden.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand einiger Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. In der F i g. 1 ist eine teilweise
geschnittene Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gezeigt;
F i g. 1 a ist eine Draufsicht auf die Anzeigevorrichtung der Ausführungsform nach
der F i g. 1; Fig. 2 zeigt den Verlauf der magnetischen Feldlinien bei der Ausführungsform
nach der F i g. 1; Fig. 3 und 4 zeigen weitere Ausführungsformen der Erfindung.
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Gemäß der Fig. 1 enthält ein erfindungsgemäßer Schwimmermesser ein
Gehäuse 10, das auf einem Behälter 11, in dem sich das zu untersuchende Medium befindet,
befestigt ist. Bei den Eigenschaften des Mediums, die bestimmt werden sollen, kann
es sich beispielsweise um die Höhe eines Flüssigkeitsspiegels, um die Strömungsgeschwindigkeit
einer Flüssigkeit oder eines Gases, um die Viskosität und das spezifische Gewicht
von Medien handeln. Die in der Fig. 1 dargestellte Ausführungsform ist ein Schwimmermesser
zum Bestimmen der Höhe eines Flüssigkeitsspiegels, wobei die Höhe des Flüssigkeitsspiegels
fortlaufend überwacht und mit Hilfe eines Drehzeigers 12 und einer Skala 13 angezeigt
wird.
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Im Gehäuse 10 ist ein längliches, gasdichtes, zylindrisches Rohr
14 in vertikaler Stellung angeordnet, das sich bis zur Oberseite des Behälters 11
erstreckt. Vom Behälter 11 her ragt eine Stange 15 in das Rohr 14, die an ihrem
oberen Ende einen zylindrischen Stabmagnet 16 trägt, während an ihrem unteren Ende
ein (nicht gezeigter) Schwimmer od. dgl. befestigt ist, der auf der Flüssigkeit
schwimmt.
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Das zum Behälter hin offene Ende des Rohrs 14 ist um die Stange 15
herum geeignet abgedichtet.
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Bei Änderungen der Höhe des Flüssigkeitsspiegels wird die Stange
15 entsprechend entweder weiter in das Rohrl4 geschoben oder aus dem Rohrl4 gezogen.
Der treibende Bauteil, d. h. der Permanentmagnet, wird dabei auf einer geraden Linie
nach oben bzw. unten bewegt. An der Stange 15 ist außerdem ein Anschlag 17 befestigt,
durch den die Aufwärtsbewegung der Stange 15 auf das untere Ende des Rohrs 14 begrenzt
wird.
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Außerhalb des Rohrs 14, aber dicht neben demselben, ist ein schraubenlinienförmig
gewundenes, langgestrecktes Element 18 in Lagern 19 und 20 gehaltert, so daß es
um eine Achse 21 drehbar ist, die parallel zur Achse des Rohrs 14 verläuft. Das
Element 18 besteht aus einem dünnen Streifen aus einem magnetisch empfindlichen
Material, z. B. aus Weicheisen, und kann innerhalb eines zylindrischen Rohrs 22
aus einem unmagnetischen Material angeordnet sein, an dem außerdem der Zeiger 12
mittels eines Arms 23 und eines Zapfens 24 befestigt ist. Bei einer Drehung des
Elementes 18 um die Achse 21 wird der Zeigerl2 entsprechend mitgedreht, so daß man
an der Skala 13 den Drehwinkel ablesen kann.
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Wenn der treibende Stabmagnet 16 innerhalb des Rohrs 14 entsprechend
einer Anderung der Höhe des Flüssigkeitsspiegels auf- und abbewegt wird, dann wird
das Elementl8 auf Grund der magnetischen Kräfte zwischen dem Stabmagnet und dem
Element 18 derart gedreht, daß der in Höhe des Stabmagnets 16 befindliche Teil des
Randes 25 des Elementes 18 den kleinsten Abstand vom Stabmagnet 16 aufweist.
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Da der Rand 25 regelmäßig und fortlaufend um die Achse 21 gewunden
ist, entspricht jeder vertikalen Lage des Stabmagnets eine und nur eine Winkelstellung
des Elementes 18. Wenn der Stabmagnet 16 gehoben oder gesenkt wird, wird somit das
Element 18 entsprechend in der einen oder anderen Drehrichtung mitgedreht.
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Wie in der F i g. 2 dargestellt ist, wird das schraubenlinienförmig
gewundene Element 18 innerhalb eines gewissen Bereichs im wesentlichen parallel
zur Achse 21 von den vom Stabmagnet 16 ausgehenden Feldlinien 26 durchsetzt. Wenn
der Stabmagnet 16 eine und herbewegt wird, dann werden auch die Feldlinien in Längsrichtung
verschoben. Hierdurch ergibt sich eine hohe Zuverlässigkeit und Stärke der magnetischen
Kopplung. Außerdem kann der Stabmagnet über einen relativ großen Bereich eine und
herbewegt werden. Schließlich können die benötigten Bauteile leicht und billig hergestellt,
zusammengesetzt, bedient und gereinigt werden.
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Die magnetischen Feldlinien 26 können modellmäßig als Gummibänder
angesehen werden, die zwar gestreckt, verdrillt oder anderweitig verformt werden
können, die aber bei einer Auslenkung aus ihrem normalen Zustand stets ihre ursprüngliche
Gestalt wiederzugewinnen suchen. Die magnetischen Feldlinien suchen entsprechend
den Gesetzen der Magnetostatik den Weg des geringsten magnetischen Widerstandes
und sind erfindungsgemäß auf einem möglichst großen Bereich durch das Element 18
geführt. Wird infolgedessen das Elementl8 bei einer gegebenen vertikalen Lage des
Stabmagnets derart aus seiner richtigen Winkelstellung ausgelenkt, daß sein Rand
25 nicht dem Maßstabmagnet direkt gegenübersteht, dann werden die durch das Element
18 verlaufenden Feldlinien verzerrt, so daß das Element 18 durch magnetische Kräfte
so lange gedreht wird, bis es wieder die richtige Winkelstellung einnimmt und die
Feldlinien nicht mehr verzerrt sind. Unabhängig von dem Ausmaß einer solchen Lageänderung
zwischen Stabmagnet und Element 18 ist durch die parallele Anordnung der beiden
Bauteile stets gewährleistet, daß das Element 18 innerhalb eines großen Längenbereichs
von Feldlinien durchsetzt ist, so daß es immer wieder in die richtige Lage gedreht
wird und die magnetische Kopplung erhalten bleibt.
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Da außerdem der Stabmagnet in Längsrichtung und stets mit gleichem
Abstand von der Achse 21 am Element 18 vorbeigeführt wird, ist der Bereich, innerhalb
dessen der Stabmagnet 16 verschoben werden kann, nur durch die Längen des Rohrs
14 und des Elementes 18 begrenzt, die beide entsprechend den Anforderungen variiert
werden können.
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Die Dimensionen der verschiedenen Bauteile der beschriebenen Einrichtung
werden bevorzugt derart gewählt, daß der wirksame Abschnitt des Elementes 18 um
etwas weniger als 900, beispielsweise 850, gewunden ist. Dies kann man dadurch erreichen,
daß man den Anschlag 17 so einstellt, daß der Bewegungsbereich des Magnets 16 auf
einen Teil begrenzt
wird, in dem das Element 18 um weniger als 900
gewunden ist. Bei einer solchen Dimensionierung ist es unmöglich, daß der Stabmagnet
und das Element 18 um 180 oder 3600 außer Phase kommen.
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In den Fig. 3 und 4 sind weitere Ausführungsformen für das Element
18 nach der Erfindung gezeit. Nach der F i g. 3 ist das Element in Form eines flachen
Streifens 28 aus Eisen, Stahl oder einem anderen magnetisch empfindlichen Material
schraubenlinienförmig um den Mantel einer Trommel 27 mit der Längsachse 29 gewickelt.
Gemäß der F i g. 4 besteht das Element 18 dagegen aus zwei oder mehreren Drähten31
und 32 aus einem magnetischen Material, die schraubenlinienförmig um den Mantel
einer Trommel 30 oder eines anderen zylindrischen Körpers mit einer Achse 33 gewickelt
sind. Die übrigen Bauteile des Schwimmermessers sind bei beiden Ausführungsformen
die gleichen wie bei der Ausführungsform nach der Fig. 1, wobei wiederum der Stabmagnet
und das Element auf parallelen Achsen bewegbar gelagert sind. In ähnlicher Weise
wie beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 verlaufen die Feldlinien im wesentlichen
parallel zu diesen Achsen, so daß sie bei einer Bewegung des treibenden Stabmagnets
16 in Achsrichtung verschoben werden.
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Der beschriebene Schwimmermesser kann als Teil eines automatisch
arbeitenden Systems zur Regelung der Höhe des Flüssigkeitsspiegels im Behälter 11
verwendet werden, wozu nur die Winkelstellung des Elementes 18 in ein pneumatisches
oder elektrisches Signal umgeformt werden muß, mit dem ein Steuerventil od. dgl.
betätigt wird. Die Umformung kann mit Hilfe eines Steuergliedes 34 vorgenommen werden,
das am Zapfen 24 befestigt und mit diesem drehbar ist (Fig. 1). Mit Hilfe eines
pneumatischen oder elektrischen Umformers, mit dem die Winkelstellung des Steuergliedes
34 abgetastet wird, können dann die benötigten Signale erzeugt werden.
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Der Erfindungsgegenstand bietet nicht nur in konstruktiver Hinsicht
viele Vorteile, sondern zeichnet sich insbesondere durch eine verbesserte magnetische
Kopplung zwischen dem Stabmagnet 16 und dem Element 18 aus. Dabei ist nur der Stabmagnet
16 in einem gasdichten Rohr 14 angeordnet, während das Element 18 und der Zeiger
12 mit der Skala 13 in der umgebenden Atmosphäre angeordnet sind. Hierdurch entfallen
die Schwierigkeiten bei der Abdichtung des Elementes 18 bezüglich dem Zeiger 12,
die entstehen, wenn das Elementl8 an Stelle des trei-
benden Stabmagnets in einem
gasdichten Rohr untergebracht ist. Außerdem zeichnet sich der Stabmagnet 16 durch
seine einfache Bauweise aus und kann entsprechend einer Kolben-Zylinder-Anordnung
in einem Rohrl4 auf- und abbewegt werden, so daß keine kompliziert ausgebildeten
gasdichten Kammern zur Aufnahme von Hufeisenmagneten oder anderen unsymmetrischen
Magneten notwendig sind, die außerdem, wenn sie mit konstantem Abstand im Vergleich
zum Element 18 eine und herbewegt werden sollen, nur unter Schwierigkeiten in die
richtige Lage gebracht und ausbalanciert werden können.