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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft eine Verfahrens- bzw. Prozeßfensterdichtung, die Mikrowellenenergie durchläßt und einen umgebenden Ring mit Dichtungen aufweist, um Mikrowellenenergieaustritt zu senken oder zu verhindern. Der Ring enthält die Fensterdichtung, um Kriechen oder Kaltfließen über einen breiten Temperaturbereich zu verhindern und so Ausfälle unter Betriebsdrücken zu unterbinden.
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In der Vergangenheit gab es umfangreiche Entwicklungen beim Einsatz von Mikrowellen-(Radar-)Meßgeräten zum Bestimmen von Tankfüllständen. Diese Meßgeräte beruhen auf dem Aussenden von Mikrowellenenergie zu einer Materialoberfläche in einem Tank oder Behälter und dem anschließenden Empfangen eines Echo- oder Rücklaufsignals, um den Füllstand des das Echo sendenden Materials zu bestimmen. Zum Teil hängt die richtige Geräteart von der zu messenden Gesamtstrecke ab, also von der Höhe des Materials im Tank zwischen seinem tiefsten Niveau und seinem höchsten Niveau. Bei der Messung des Tankfüllstands sind weiterhin die Oberflächenbedingungen der Materialien von Bedeutung, was auch für die dielektrische Konstante oder Leitfähigkeit der zu messenden Materialien gilt.
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Beim Einsatz eines Radarmeßgeräts kann der zu überwachende Prozeßtank oder -behälter mitunter eine sehr hohe Temperatur haben und unter einem hohen Druck stehen. In solchen Fällen ist eine druckfeste Fensterdichtung zwischen Radarinstrument und Tankinneren erforderlich, um das Instrument vor ätzenden, aggressiven Prozeßmaterialien zu schützen. Die Fensterdichtung muß in der Lage sein, Mikrowellenenergie zum Betrieb des Radarmeßgeräts durchzulassen.
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Radarmeßgeräte wurden von verschiedenen Herstellern vorgestellt, u. a. das von Endress + Hauser produzierte und vertriebene MICROPILOT-Radarmeßgerät. Diese Geräte dienen zur Füllstandsbestimmung verschiedener Materialien.
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Gewöhnlich kommen aus Polytetrafluorethylen (PTFE) hergestellte Fensterdichtungen zum Einsatz, die aber unter hohen Temperaturen und hohen Drücken zum Fließen neigen, weshalb das Druckwiderstandsvermögen bei solch hohen Temperaturen reduziert ist. Normalerweise benötigt man hohes Druckleistungsvermögen, wenn auch die Temperatur hoch ist. Um also das PTFE-Fließen bei Prozeßtemperaturen einzudämmen, ist eine maximale Ausnutzung der Fenstermaterialien erwünscht.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft eine mit isolierender Prozeßdichtung versehene und Mikrowellenenergie aussendende Anordnung zur Materialfüllstandsbestimmung in einem Behälter. Oben hat der Behälter eine Öffnung, die von einer Begrenzungsfläche umgeben ist. Ein Mikrowellenenergie-Meßgerät oder -Sender ist über der Öffnung an einem mikrowellendurchlässigen Fensterdichtungsteil angeordnet, das eine solche Größe hat, daß es die Öffnung verschließt, und das einen auf der Begrenzungsfläche abgestützten Flansch hat. Ein Einschlußring aus elektromagnetischem Abschirmmaterial umgibt das Mikrowellen-Fensterdichtungsteil und umschließt die Kantenfläche des Mikrowellen-Fensterdichtungsteil. Die Kante des Einschlußrings trägt einen elastischen elektromagnetisch abschirmenden O-Ring, der auch zur Begrenzungsfläche abdichtet. Vorzugsweise steuert der Einschlußring die Umfangsgröße des Mikrowellen-Fensterdichtungsteils unter Spannkräften benachbart zum Umfang der Dichtung.
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Beim gezeigten Behälter handelt es sich um einen Prozeßfluidtank, an dem ein Mikrowellen-Radarfüllstandsmesser oder -sender angeordnet ist. Wie gezeigt, ist ein Stützflansch der Fensterdichtung zwischen der Begrenzungsfläche am Tankflansch des Kundentanks und einem Standrohr verspannt, das eine Horn- oder Trichterantenne am Mikrowellen-Füllstandsmesser oder -sender umgibt. Die Einspannung des Mikrowellen-Fensterdichtungsteils zwischen den Flanschen hält es sicher fest und erzeugt eine Abdichtung, aber unter hohen Tankdrücken sowie hoher Temperatur und Feuchtigkeit und bei stark korrodierenden Materialien neigt das bevorzugte PTFE-Material für das Fensterdichtungsteil zum Kaltfließen oder Kriechen. Zum Kriechen kann es sogar bei geringeren Temperaturen kommen, wenn die Drücke hoch sind. Der das Fensterdichtungsteil umgebende Einschlußring steuert bzw. dämmt den Kriech- oder Kaltfließbetrag radial nach außen ein, was die Scherbeanspruchung im PTFE verringert und den Druckbemessungswert für eine bestimmte Temperatur in einer Dichtung vergleichbarer Größe erhöht.
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Der Einschlußring trägt dazu bei, die Form des PTFE-Fensterdichtungsteils im Lauf der Zeit beizubehalten. Vorzugsweise hat der Einschlußring eine sich nach innen erstreckende Lippe, die über einem Abschnitt des Dichtungsflansches liegt. Spannkräfte werden auf den Einschlußring ausgeübt, und die Lippe bildet eine Querschnittfläche, die einen Eingriff mit dem Dichtungsflansch herstellt, auf den die ausgeübten Spannlasten wirken, der kleiner als der Standrohrflansch ist. Außerdem wird die Last aufgrund des Drucks im Prozeßfluidtank über dieser kleineren Querschnittfläche ausgeübt, die durch die Lippe des Einschlußrings gebildet ist. Scherbeanspruchung ist verringert, und der Bemessungsdruck ist erhöht.
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Der Einschlußring ist aus einem solchen Material wie rostfreiem Stahl hergestellt, das gegen elektromagnetische Beeinflussung (EMB) abschirmt. Andere Spalte, an denen Mikrowellenstrahlung entweichen kann, sind durch einen O-Ring geschlossen, der Materialien enthält, die für EMB-Abschirmung zwischen der Kante des Einschlußrings und der Begrenzungsfläche sorgen. Der O-Ring bildet zudem eine Druckdichtung zwischen der Kante des Einschlußrings und der Begrenzungsfläche des Tankflansches.
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Die Senkung elektromagnetischer Streustrahlungsemissionen vom Radarmeßgerät oder -sender ermöglicht einen Einbau, ohne dafür eine gesonderte Lizenz von solchen Behörden wie der US-Fernmeldeverwaltung (Federal Communications Commission) zu erwirken.
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Eine Spiraldichtung aus Metall kommt über der Lippe des Einschlußrings zum Einsatz und ist an Ort und Stelle mit dem Standring verspannt, um die Unversehrtheit der Abdichtung weiter zu erhöhen.
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An der PTFE-Fensterdichtung kann auch ein O-Ring zur Umgebungsabdichtung des Prozeßfluids vorgesehen sein. Wie gezeigt, ist der O-Ring in einer Absatznut angeordnet, die am Umfang des PTFE-Fensterdichtungsflansches offen ist. Der Ein schlußring verschließt die Absatznut, so daß der zur Umgebung abdichtende O-Ring an Ort und Stelle eingefangen ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Darstellung eines typischen Prozeßmaterialtanks mit einem daran angeordneten Radarfüllstandsmesser oder -sender unter Ausnutzung einer Fensterdichtungsanordnung der Erfindung;
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2 ist eine Explosionsansicht der Fensterdichtungsanordnung der Erfindung;
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3 ist eine Schnittansicht des Radarmeßgeräts, dargestellt in der Anordnung an einer Düse des Tanks gemäß 1 sowie mit der Fensterdichtungsanordnung der Erfindung;
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4 ist eine vergrößerte fragmentarische Schnittansicht einer Seite der eingebauten Fensterdichtung der Erfindung, die zwischen Einbauflanschen eingebaut gezeigt ist; und
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5 ist eine weitere vergrößerte Schnittansicht einer Kante der eingebauten Fensterdichtungsanordnung zur näheren Darstellung von O-Ringdichtungen.
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NÄHERE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Darstellungsgemäß enthält ein Prozeßtank oder -behälter 10 eine Prozeßflüssigkeit 12 mit einer Oberfläche 14, wobei das Niveau dieser Oberfläche 10 relativ zum Tankboden zu bestimmen ist. Ein Radarmeßgerät oder -sender 16, der Mikrowellenenergie über eine Trichterantenne 18 überträgt, ist oben am Tank 10 positioniert. Das Radarmeßgerät oder der Radarsender 16 ist an einem zylindrischen Standrohr oder Spulenstück 20 angeordnet, das einen oberen Flansch 22 hat, an dem ein Flansch 15 des Radarmeßgeräts oder -senders 16 angeordnet ist. Eine spiralförmig gewickelte Metalldichtung 17 kann zwischen den Flanschen 15 und 22 verwendet werden (2). Das Standrohr 20 ist zylindrisch und umgibt die Trichterantenne 18 in der gezeigten Form.
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Das Standrohr 20 hat einen unteren Flansch 24, dessen Schraubmuster und -form Normgröße hat (ANSI- oder DIN-Norm), um sich mit einer Begrenzungsstützfläche 25 eines Anbauflansches 26 in Normgröße oben auf einer Düse oder einem Hals 28 auf dem Tank 10 zu paaren. Alle Flansche haben Lochkreise nach Industrienorm. Die Düse oder der Hals 28 ist an einer oberen Wand 29 des Tanks befestigt und umgibt einen Anschluß oder eine Öffnung 27 in der oberen Wand. Der Anschluß wird von der Oberfläche 25 des Flansches 26 begrenzt.
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Der Tank 10 kann unter hohem Druck sowie von Zeit zu Zeit unter relativ hoher Temperatur stehen, wobei eine zuverlässige Isolierdichtung zwischen der Unterseite des Flansches 24 des Standrohrs 20 und der Oberfläche 25 des Anbauflansches 26 erwünscht ist. Da vom Radarmeßgerät oder -sender 16 Mikrowellenenergie zum Bestimmen des Niveaus der Oberfläche 14 gesendet und empfangen wird, muß die Isolierdichtung auch für Mikrowellenenergie durchlässig sein, wodurch sie als Durchlaßfenster für Mikrowellenstrahlung wirkt. Zudem muß die isolierende Prozeßfensterdichtungsanordnung druckdicht und fluiddicht sein, so daß im Tank 10 enthaltende ätzende Materialien und mitunter sogar giftige Materialien von der Antenne 18 oder dem noch empfindlicheren Radarmeßgerät 16 isoliert sind und sie nicht berühren können.
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Die Dicke des Rands der Fensterdichtung zwischen den Oberflächen des Flansches 24 und Flansches 26 ist von Bedeutung, da elektromagnetische Strahlung oder Mikrowellenenergie durch das Material hindurch zerstreut werden oder austreten kann. Die PTFE-Fensterdichtung muß ausreichend dick sein, um den Drücken im Tank zu widerstehen.
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Beim Tank oder Behälter 10 ist die Öffnung oder der Anschluß 27 auf seiner Oberseite von der Begrenzungsfläche 25 umgeben. Über der Öffnung 27 ist das Mikrowellenmeßgerät oder der Mikrowellensender 16 vorgesehen. Eine allgemein mit 30 bezeichnete, isolierende mikrowellendurchlässige Fensterdichtungsanordnung verfügt über ein Fensterdichtungsteil 31, das durch einen ringförmigen Dichtungsteil-Anbauflansch 32 auf der Begrenzungsfläche 25 gestützt wird. Der Dichtungsteilflansch 32 hat einen größeren Umfang als der Innendurchmesser der Öffnung 27, des Halses 28 und des Standrohrs 20. Der Flansch 32 hat einen Umfang 42, der eine solche Größe hat, daß er sich in die bei 34 (3) gezeigten Schrauben einpaßt, die in einem Normlochkreis für Normflansche angeordnet sind und durch Ausrichtöffnungen im Flansch 24 und Flansch 26 durchgehen. Somit hat das Fensterdichtungsteil 31 mit dem Flansch 32 eine solche Größe, daß es über dem Anschluß 27 am Behälter oder Tank liegt und auf der Begrenzungsfläche 25 gestützt wird.
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In dieser Form der Erfindung ist das Fensterdichtungsteil 31 als ein bei 36 gezeigter umgekehrter Kegel in seinem Mittelabschnitt in der Öffnung 27 ausgebildet. Der Kegel 36 bedeckt die durch den Hals 28 gebildete Öffnung 27, dichtet sie ab und erstreckt sich nach unten in den durch den Hals 28 gebildeten Durchgang. An seinem unteren Ende bildet der Kegel 36 eine Tropfspitze 38.
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Der Dichtungsteilflansch stützt den Mikrowellensender oder das Mikrowellenmeßgerät 16 über das Standrohr 20 oberhalb der Öffnung 27 ab.
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Die Komponenten der isolierenden Fensterdichtungsanordnung 30 sind in 2 in Explosionsansicht und in 3, 4 und 5 im Querschnitt dargestellt. Ein Ring 40 aus Material, das gegen elektromagnetische Beeinflussung abschirmt, schiebt sich sehr enganliegend über die Umfangskantenfläche 42 des Dichtungsteilrands oder -flansches 32. Vorzugsweise liegt die Passung im Bereich von 0,015 Inch Gesamtspiel. Der Ring 40 hat eine Außenumfangswand 56 mit einer Kantenfläche, die eine Nut 48 zum Halten eines elastischen O-Rings 46 hat, der aus einem gegen elektromagnetische Beeinflussung (EMB) abschirmendem Material hergestellt ist, um elektromagnetische Streustrahlung einzuschließen. Der O-Ring 46 dichtet an der Begrenzungsfläche 25 ab. Der zur EMB-Abschirmung vorgesehene O-Ring 46 ist aus einem zusammendrückbaren Material hergestellt, das mit Metallflocken imprägniert ist und im Handel aus solchen Quellen wie Chomerics Division of Parker Hannifin PLC, Woburn, Massachusetts, USA bezogen werden kann.
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Der Ring 40 ist ein Einschlußring und dient zum Steuern der Maximaldehnung des Umfangs 42 des Dichtungsteilflansches 32 von einer Mittelachse radial nach außen. Der Umfang 42 des Fensterdichtungsteils wird innerhalb der Grenzen einer Umfangswand 56 des Einschlußrings 40 festgehalten, um Neigungen des Rands oder Flansches 32 zum Kaltfließen oder Kriechen unter Spanndrücken oder Lastdrücken zu überwinden. Der Einschlußring 40 kann aus rostfreiem Stahl oder anderen geeigneten Materialien hergestellt sein, die gegen elektromagnetische Beeinflussung abschirmen und die Einschlußfunktion erfüllen.
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Der Rand oder Flansch 32 der isolierenden Fensterdichtung hat eine in seiner Unterseite gebildete Absatznut 39, die zum Umfang des Rands oder Flansches 32 offen ist. In der Nut 39 ist ein zur Prozeßumgebung abdichtender O-Ring 41 angeordnet, der aus geeignetem Elastomermaterial hergestellt ist, das mit dem Tankinhalt chemisch verträglich ist, so daß es der Umgebung widersteht. Festgestellt wurde, daß ein unter der Marke VITON vertriebenes Elastomer für den O-Ring 41 zufriedenstellend ist. Geeignete O-Ringe werden von Parker Seal Group, O-Ring Division, Lexington, Kentucky, USA hergestellt.
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Der Einschlußring 40 weist einen ringförmigen Lippenabschnitt 54 auf, der über dem Dichtungsteilflansch 32 benachbart zum Umfang des Dichtungsteilflansches liegt. Der Ring 40 ist ein kontinuierlicher Ring, der beschreibungsgemäß mit engen Durchmessertoleranzen hergestellt ist und zudem eine enge Toleranz in Axialhöhe (Länge) von der Bodenfläche der ringförmigen Lippe 54 zur Unterkante der Außenumfangswand 56 hat. In 5 ist die Höhe mit 44 bezeichnet.
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Die ringförmige Lippe 54 des Einschlußrings 40 ist mit der Außenumfangswand 56 des Einschlußrings 40 einstückig und rechtwinklig zu ihr. Die Lippe 54 ist ebenfalls ringförmig und umgibt eine Mittelöffnung, durch die das Fensterdichtungsteil 31 in Bereichen über der Öffnung 27 frei bleibt.
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Das Einspannen mit den Flanschschrauben 34 erzeugt eine Drucklast über die Lippe 54 auf den isolierenden Fensterdichtungsflansch 30 und belastet den O-Ring 41 zur Umgebungsabdichtung, wenn der Ring 40 zur Begrenzungsfläche 25 verspannt wird. Die O-Ringnut 39 im Dichtungsteil öffnet sich zum Umfang des Dichtungsteilflansches 32, und die Umfangswand 56 des Einschlußrings bildet eine ringförmige Außenseitenfläche für die O-Ringnut 39. Der Querschnitt der Lippe 54 ist kleiner als der Flansch 24 und so ausgewählt, daß die geeignete Last auf den Flansch 32 der Fensterdichtung ausgeübt wird.
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Eine herkömmliche spiralgewickelte Metalldichtung 50 ist oben auf die Oberseite der Lippe 54 gelegt und wird gegen die Lippe 54 gedrückt, wenn der Flansch 24 mit den Schrauben 34 zum Flansch 26 verspannt wird. Die Spiralwickeldichtung 50 erzeugt eine Druckabdichtung zwischen der Oberseite der Lippe 54 und der Unterseite des Flansches 24 des Spulenstücks oder Standrohrs 20. Zu beziehen ist die Spiraldichtung von Lamons Gasket, Houston, Texas, USA.
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Verständlich sollte sein, daß bei unterschiedlichen Antennen das Standrohr 20 seine Konfiguration variieren kann, und sofern keine Antenne notwendig ist oder eine Antenne benötigt wird, die teilweise in die Düse des Kundentanks vorsteht, kann die isolierende PTFE-Fensterdichtung 30 so ausgebildet sein, daß sie die Antenne umgibt, und der Flansch des Füllstandsmesser oder -sendergehäuses kann gegen die Lippe 54 verspannt sein.
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Wie 3 und 4 wohl am besten zeigen, ruht der Dichtungsteilrand oder -flansch 32 auf der Begrenzungsfläche 25 des Flansches 26 am Hals 28, und das Fensterdichtungsteil 31 erstreckt sich über den Anschluß oder die Öffnung 27, die durch den Hals gebildet ist und zum Behälter oder Tank 10 führt. 4 und 5 sind vergrößerte Ansichten und zeigen die Nut 48 sowie den O-Ring 46 zur EMB-Abschirmung, der auf der Begrenzungsfläche 25 des Flansches 26 der Tankdüse zu sitzen kommt, wenn sich die Lippe 54 des Einschlußrings 40 auf den Flansch 32 aufspannt und sich die Kante des Rings 40 zur Oberfläche 25 bewegt. Der gegen EMB abschirmende O-Ring 46 wird durch den Einschlußring 40 so getragen, daß er an dieser Begrenzungsfläche 25 abdichtet, wenn Spannkräfte auf den Einschlußring ausgeübt werden.
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Die Nut 39 im Dichtungsteilflansch 32 ist auch in 4 und 5 gezeigt, die zeigen, daß der O-Ring 41 zur Prozeßumgebungsabdichtung durch die Innenfläche des ringförmigen Bands 56 des Einschlußrings 40 und die Oberfläche der Absatznut 39 in der Kante des Dichtungsteilflansches 32 eingeschlossen ist.
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Die zum gegenseitigen Verspannen der Flansche 24 und 26 dienenden Schrauben 34 sind auf das Solldrehmoment angezogen, und die ringförmige Lippe 54 des Einschlußrings 40 übt Last auf die Außenabschnitte des Dichtungsteilflansches 32 des Fensterdichtungsteils 31 aus. Dies gewährleistet einen ausreichenden Dichtungsdruck auf den Dichtungsteilflansch 32 über einen breiten Bereich von Drücken und Temperaturen im Tank und bewirkt auch das Zusammendrücken des O-Rings 41.
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Der Dichtungsteilflansch 32 ist etwas dicker als die Höhe 44 der Lippe, so daß es beim Festziehen der Schrauben 34 zu einer Sollspannkraft kommt, um den Dichtungsteilflansch 32, den O-Umgebungsring 41 und den gegen EMB abschirmenden O-Ring 46 zur Abdichtung und zur elektromagnetischen Strahlungsabschirmung zusammenzudrücken. Sehr hohen Tank- oder Behälterinnendrücken kann ausfallfrei widerstanden werden. Zudem ist aufgrund des Einschlußrings und der Dichtungen der Druckaustritt im Lauf der Zeit sehr gering.
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Es wird ferner ein Verfahren zum Abdichten der von der Oberfläche 25 begrenzten Öffnung 27 unter Verwendung des über der Öffnung 27 liegenden Fensterdichtungsteils 31 beschrieben, das nicht in den Wortlaut der Ansprüche fällt. Das Dichtungsteil 31 hat einen Umfang 42, der einen Dichtungsteil-Flanschabschnitt 32 bildet, der über der Begrenzungsfläche 25 liegt. Das Verfahren verfügt über den Schritt des Umfassens des Umfangs des Fensterdichtungsteils 31 mit einem Einschlußring 40, der aus Material zur Abschirmung gegen elektromagnetische Beeinflussung (EMB) hergestellt ist, sowie des Plazierens eines zusammendrückbaren EMB-Abschirmungsmaterials zwischen der Kante des Rings 40 und den Begrenzungsflächen. Das Verfahren verfügt über einen Aspekt der Ausbildung des Rings 40 in einer solchen Größe, daß die maximale Umfangsgröße des Dichtungsteils 31 unter Spannkräften benachbart zum Umfang des Dichtungsteils von den Schrauben 34 und unter auf das Dichtungsteil 31 wirkenden Drücken gesteuert wird, bis hin zur weiteren Ausbildung einer Druckabdichtung zwischen der Begrenzungsfläche 25 und dem Dichtungsteil 31 mit einem O-Umgebungsring 41, der in einer Nut 39 gehalten wird, wobei der Einschlußring 40 Teil des Verfahrens ist.
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Obwohl ein isolierendes Fensterdichtungsteil mit Kegelform gezeigt wurde, funktioniert der Einschlußring 40 auch gut mit anderen Konfigurationen isolierender Fensterdichtungsteile, da der Einschlußring die Ausdehnung der Umfangsmaße des Umfangs 42 des isolierenden Fensterdichtungsteils verhindert, wenn es zum Kriechen oder Kaltfließen des isolierenden Fensterdichtungsteils kommt. So profitieren Linsendichtungen, ebene oder plattenförmige Dichtungen und andere geometrische Konfigurationen vom gezeigten Einschlußring.
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Durch die Fensterdichtungsanordnung können das Radarmeßgerät oder der Radarsender und die Trichterantenne ohne Störung der Isolierfensterdichtung so entfernt werden, daß der Tankinhalt nicht der Atmosphäre ausgesetzt wird. Damit läßt sich das Radarmeßgerät ohne Beeinträchtigung der Tankabdichtung warten oder austauschen.
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Obwohl die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungs formen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, daß Änderungen in Form und Detail vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.
