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Die
Erfindung betrifft einen Füllstandsmelder für eine Fluidspeicher
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Einen
eingangs genannten Füllstandsmelder für einen
Fluidspeicher offenbart die
DE
23 55 931 B2 . Dort weist der Flüssigkeitsstandmelder einen Schwimmer
auf, der über
einen Stab und ein quer zu diesem angeordnetes, bewegliches Magnet
in einer Kammer eines Flüssigkeitsbehälters beweglich
ausgehängt
ist. Oberhalb des beweglichen Magnets ist ein zweites Magnet in
unmittelbarer Nähe
eines magnetisch gesteuerten Kontakts fest an dem Behälter angeordnet.
Der Kontakt wird durch den Streufluss der Magnetanordnung geschlossen
gehalten, solang die Magnete von einander entfernt sind und einen Luftspalt
zwischen ihren Polen aufweisen. Steigt die Flüssigkeit im Behälter an,
so wird der Schwimmer mit dem Magnet ebenfalls nach oben angehoben.
Ab einem bestimmten vorgegebenen Flüssigkeitsstand übersteigt
die magnetische Zugkraft zwischen den Magneten die Gewichtskraft
des Schwimmers, sodass sich das bewegliche Magnet sprunghaft nach oben
zu dem ortsfesten Magnet hin bewegt und an diesem anhaftet. Hierdurch
werden die magnetischen Feldlinien fast ausschließlich in
den beiden Magneten geführt,
wodurch sich der Streufluss stark vermindert und der vorher geschlossen
gehaltene Kontakt öffnet.
Zwar ermöglicht
dieser Flüssigkeitsstandmelder
das Überschreiten
eines vorgegebenen Füllstandsgrenzwerts,
doch lässt
sich dieser Grenzwert lediglich durch das Gewicht des Schwimmers oder
die Eigenschaften der Magneten vor der Installation des Flüssigkeitsstandmelders
festlegen. Eine nachträgliche Änderung
des Grenzwerts ist nicht mehr möglich.
Auch ist dieser Flüssigkeitsstandmelder
kompliziert aufgebaut und schwer zu eichen, da die Abstände zwischen
den Magneten und deren magnetische Eigenschaften sehr genau aufeinander
abgestimmt werden müssen.
Ebenfalls nachteilig ist, dass dieser Flüssigkeitsstandmelder durch
das sprunghafte Anlegen der Magneten aneinander lediglich angibt,
dass der vorgegebene Grenzwert überschritten
wurde, weitere Rückschlüsse auf
die Änderungsgeschwindigkeit
des Füllstands
lassen sich nicht ableiten.
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Um
den Nachteil der fehlenden Einstellbarkeit an veränderte äußere Bedingungen
bei dem obigen Flüssigkeitsstandmelder
zu überwinden,
wurde in der
DE 39
07 489 C2 eine weitere gattungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung
der Flüssigkeitshöhe in einem
Behälter vorgestellt.
Bei der dortigen Vorrichtung wurde hierzu der ursprünglich am
Behälter fest
angeordnete Gegenmagnet verschieblich gegenüber dem Behälter angebracht, sodass der
Abstand zwischen dem Gegenmagneten und dem beweglichen Magneten
am Schwimmer und somit die Rückstellkraft
bei Annäherung
der Magneten einstellbar ist. Diese bewegliche Anordnung des Gegenmagneten
ist fertigungstechnisch aufwendig und lässt insbesondere keine Rückschlüsse über die
Veränderungsgeschwindigkeit
des Niveauanstiegs oder eine ferngesteuerte Änderung der Auslösekriterien
zu.
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Auch
weisen die in beiden Druckschriften offenbarten Flüssigkeitsstandmelder
den Nachteil auf, dass bei einer seitlichen Auslenkung des Schwimmers
auf der Flüssigkeit
das Überschreiten
des vorgegebenen Grenzwerts nicht exakt bestimmt werden kann. Derartige
seitliche Auslenkungen treten beispielsweise bei Biogasanlagen auf,
in denen die im Speicherbehälter
gelagerte Gülle
ständig
gerührt
und umgewälzt
wird. Wird bei dem in der
DE
23 55 931 B2 offenbarten Flüssigkeitsstandmelder der Schwimmer seitlich
ausgelenkt, gelangt die entsprechende Seite des beweglichen Magnets
schneller an den entsprechenden Bereich des ortsfest angeordneten
Magnets, sodass diese Bereiche früher sprunghaft aneinander gezogen
werden als beim gleichmäßigen Anheben
aller Magnetflächen
zueinander. Hierdurch kann der magnetische Streufluss bereits früher so stark
geschwächt
sein, dass der magnetische Kontaktschalter unerwünscht früh öffnet oder zwischen geöffneter
und geschlossener Stellung hin und her springt. Bei der in der
DE 39 07 489 C2 offenbarten Vorrichtung
hingegen kann es aufgrund von seitlichen Auslenkungen des Schwimmers
zu Verklemmungen in der Führung
des Hebels kommen, so dass eine sichere Detektion des Flüssigkeitsstands
nicht gewährleistet
werden kann.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen Füllstandsmelder
der eingangs genannten Art bereitzustellen, der möglichst
einfach aufgebaut und zu fertigen ist, sowie eine einfache und leicht
anpassbare Detektion eines Fluidniveaus, insbesondere das Übersteigen
eines vorgegebenen Füllstands,
in einem Fluidspeicher, auch bei Auslenkung des Schwimmers in alle
Raumrichtungen ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Füllstandsmelder
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Der
erfindungsgemäße Füllstandsmelder
ist dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Sensorelement
so zueinander angeordnet sind, dass sich bei einem Ansteigen des
Fluids im Fluidspeicher das erste Sensorelement sowohl bei einer
senkrecht zur Fluidoberfläche
gerichteten Bewegung des Schwimmers als auch bei einer Verschiebung
des Schwimmers auf der Fluidoberfläche von dem zweiten Sensorelement
wegbewegt. Hierdurch können
sicher Änderungen
des Füllstands
bzw. des Fluidniveaus detektiert werden, auch wenn sich das Fluid im
Speicher bewegt und seitliche Kräfte
auf den Schwimmer ausgeübt
werden.
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Ist
das Halteelement in dem Lager senkrecht zur Fluidoberfläche bewegbar,
so können
vorteilhaft die Änderungen
des Fluidniveaus bei nicht seitlich ausgelenktem Schwimmer detektiert
werden. Ist das Lager mittels eines flexiblen Trägers, insbesondere einer flexiblen
Folie, an dem Fluidspeicher angeordnet, so kann hierdurch einfach
und vorteilhaft eine Auslenkung des Haltelements aus der Senkrechten zur
Fluidoberfläche
ermöglicht
werden. Die Kombination dieser beiden Merkmale der Erfindung ermöglicht es,
auf besonders vorteilhafte Weise Bewegungen des Schwimmers bei gleichzeitigem
Ansteigen des Fluidniveaus und Auslenkung des Schwimmers senkrecht
zur Fluidoberfläche
zu erfassen und Verklemmungen des Halteelements im Lager zu verhindern.
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Sind
das Haltelement und das zweite, ortsfeste Sensorselement zueinander
fluchtend ausgerichtet, beispielsweise in axialer Längsrichtung
eines das Halteelement bildenden Stabs, und umgreift das mit dem
ersten Sensorelement versehene Ende des Halteelements das zweite,
ortsfeste Sensorselement, so kann hierdurch vorteilhaft eine Kollision
zwischen den beweglichen und den ruhenden Teilen des Füllstandsmelders
verhindert werden. In einer fertigungstechnisch vorteilhaften Ausführung der
Erfindung ist das sensorseitiges Ende des Halteelements in Form
eines liegenden U ausgebildet und das erste Sensorelement an dem
weiter vom Schwimmer entfernten U-förmigen Schenkel des Halteelements
angeordnet, um das kollisionsfreie Umgreifen des zweiten Sensorelements
sicherzustellen.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführung ist das eine Sensorelement
ein Zapfen, insbesondere aus Metall, während das andere Sensorelement
ein Abstandssensor, insbesondere ein Induktionssensor, ist. Durch
den Abstandssensor kann auf einfache Weise der Abstand des Zapfen
vom Abstandssensor gemessen werden, ohne das auf beiden Seiten aktive,
insbesondere magnetische Sensorelement vorgesehen werden müssen. Alternativ
kann das zweite Sensorelement auch als induktiver Näherungssensor,
der bei Überschreiten
einer vorgegebenen Entfernung zwischen den Sensorelementen umschaltet, ausgebildet
sein. Gleichermaßen
kann das zweite Sensorelement als Magnetschalter und das erste Sensorelement
als Magnet ausgebildet sein.
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Weitere
Besonderheiten und Vorzüge
der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines
bevorzugten Ausführungsbeispiels
anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
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1 einen
Querschnitt durch einen in einen Fluidspeicher eingebauten erfindungsgemäßen Füllstandsmelder
in Normalstellung;
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2 eine
Draufsicht auf eine Befestigungsplatte mit einer Lagerung des Füllstandsmelders.
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In 1 ist
die Verwendung eines erfindungsgemäßen Füllstandsmelders 1 bei
einem an sich bekannten Fluidspeicher in Form eines Güllespeichers
einer Biogasanlage dargestellt. Der Fluidspeicher ist hierbei nur
schematisch angedeutet durch Beton-Decken 2, die zusammen
mit zeichnerisch nicht dargestellten Seitenwänden und einem Boden einen
Speicherraum 3 für
ein Fluid, hier Gülle, bereitstellen.
Die Oberfläche
bzw. das Niveau der im Speicher gespeicherten Gülle wir in 1 mit
der Bezugsziffer 4 bezeichnet. Der erfindungsgemäße Füllstandsmelder 1 kann
aber auch bei anderen Speichern, beispielsweise aus Stahl oder Kunststoff,
und auch bei anderen Fluiden verwendet werden.
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Der
Füllstandsmelder 1 besteht
im wesentlichen aus einem an sich bekannten Schwimmer 5,
der an einem als Stab 6 ausgebildeten Halteelement befestigt
ist. Der Schwimmer 5 schwimmt auf der Gülle in der in 1 gezeigten
Normalstellung. Der Stab 6 reicht durch eine kreisförmige Öffnung in
der Decke 2.
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Zur
Lagerung des Stabs 6 am Speicher ist ein Lager 7 mit
einer kreisförmigen
Lageröffnung 8 zur
gleitenden Führung
des Stabs 6 in der in 1 senkrechten,
axialen Richtung des Stabs 6 vorgesehen. Das Lager 7 ist über einen
als flexible Folie 9 ausgebildeten flexiblen Träger und
einen kreisringförmigen
Flansch 10 an einer Befestigungsplatte 11 befestigt,
die ihrerseits fest mit der Außenseite
der Speicherdecke 2 verbunden ist. Da das im Speicher gespeicherte
Fluid leicht explodieren kann, darf es nicht aus dem Fluidspeicher
austreten, und es darf auch möglichst
keine Luft in den Fluidspeicher gelangen. Um dies sicherzustellen
und gleichzeitig ein möglichst
gutes Gleiten des Stabs 6 in der Lageröffnung 8 zu ermöglichen,
ist darin eine Gleitdichtung vorgesehen. Um den Füllstandsmelder 1 gegen äußere Störungen zu
schützen,
ist eine Abdeckung 12 über der
Befestigungsplatte 11 angebracht.
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Zusätzlich zu
der durch das Lager 7 ermöglichten, in 1 senkrechten,
axialen Bewegung des Stabs 6 nach oben und unten ermöglicht die
flexible Folie 9 in gewissen Grenzen eine Bewegung des
Lagers 7 und somit des Stabs 6 aus der in 1 gezeigten
senkrechten Normalstellung heraus. Durch die flexible Folie 8 kann
das Lager 7 also in gewissen Grenzen in 1 nach
oben oder unten verschoben oder auch gegen die Ebene der Befestigungsplatte 11 gekippt
werden. Hierdurch werden Auslenkungen des Schwimmers 5 in
waagrechter Richtung entlang der Fluidoberfläche 4 zugelassen,
wobei der Stab 6 dann aus seiner in 1 gezeigten
senkrechten Stellung um das Lager 7 gekippt wird. Anstelle
der flexiblen Folie 9 kann der Träger auch durch ein dünnes, flexibles
Blech aus Metall, Kunststoff oder Materialien mit ähnlichen
flexiblen Eigenschaften gebildet werden. Je nach Grad der Flexibilität des Materials
kann der Schwimmer in der in 1 gezeigten
Normalstellung gegenüber
der Befestigungsplatte 11 auch etwas nach unten hängen.
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Das
dem Schwimmer 5 entgegengesetzte, hintere, in 1 obere,
Ende des Stabs 6 ist als im wesentlichen liegende U-förmige Verlängerung
ausgebildet, hier in Form eines U-förmig gebogenen und am Stab 5 angeschweißten Stahlbügels 13.
An seinem dem Schwimmer 5 abgewandten Ende weist der Stahlbügel 13 einen
Zapfen 14 aus Metall auf, der in der Achse S des Stabs 6 liegt
und zum Schwimmer 5 hin weißt. Der Zapfen 14 bildet
das erste Sensorelement entsprechend der Erfindung.
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Aufgrund
seiner liegenden U-Form umgreift der Stahlbügel 13 einen Induktionssensor 15,
der mittels eines Winkeleisens 16 fest an der Befestigungsplatte 11 angeordnet
ist. Der Induktionssensor 15 ist in der in 1 gezeigten
Normalstellung des Stabs 6 zentral über der Stabachse S angeordnet,
sodass die Stabachse S und die Messachse des Induktionssensors 15 miteinander
fluchten. Der Induktionssensor 15 misst den Abstand des
Metallzapfens 14 und bildet das zweite Sensorelement entsprechend
der Erfindung. Hierzu ist der Zapfen 14 beispielsweise
aus Metall ausgebildet, z.B. als Schraube. Es sind aber auch andere
Ausformungen und Ausbildungen des Zapfens 14 denkbar, beispielsweise
als Kegel, Halbkugel oder Ähnliches.
Auch können
andere Materialien für
den Zapfen 14 verwendet werden, die eine Änderung
des durch den Induktionssensor 15 erfassbaren Abstandes
ermöglichen.
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Der
Induktionssensor 15 ist in dem in 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel
mit einer zeichnerisch nicht dargestellten, an sich bekannten Steuereinheit
verbunden. Dies kann beispielsweise ein herkömmlicher Rechner oder eine Überwachungsanlage
sein, in der die vom Induktionssensor 15 übermittelten
Messwerte aufgenommen und verarbeitet werden. Wird der Induktionssensor
als schaltendes Element ausgestaltet, z.B. als induktiver Näherungsschalter,
so kann hierdurch bevorzugt das Überschreiten
eines vorgegebenen Grenzwerts für
den Füllstand
und somit das Fluidniveau detektiert werden.
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Alternativ
zu der in 1 dargestellten Ausführung können der
Induktionssensor 15 und der Zapfen 14 auch vertauscht
am Stahlbügel 13 und dem
Winkeleisen 16 angeordnet sein, wobei die dargestellte
Ausführung
die Kabelführung
des Induktionssensors 15 vereinfacht.
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Um
das Niveau der Fluidoberfläche 4 zu
detektieren, befindet sich der Schwimmer 5 in der in 1 gezeigten
Normalstellung, sodass die Stabachse S senkrecht auf der Fluidoberfläche 4 steht und
der Induktionssensor 15 und der Zapfen 14 in der Stabachse
S liegen.
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Steigt
nun das Fluidniveau 4, was beispielsweise durch temperaturabhängige Ausdehnungen des
Fluids oder Befüllen
des Speichers bedingt sein kann, so sind grundsätzlich zwei Fälle zu unterscheiden.
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In
einem ersten Fall wird der Schwimmer 5 senkrecht nach oben
geschoben, sodass folglich der Zapfen 14 vom Induktionssensor 15 senkrecht
nach oben wegbewegt wird, wobei die Stabachse S nach wie vor durch
den Induktionssensor 15 geht. Der Induktionssensor 15 liefert
kontinuierlich ein entsprechendes Messsignal an die Steuereinheit,
welche die Abstandsänderung
misst. Dass Messsignal entspricht dann dem jeweiligen Fluidniveau 4. Überschreitet
nun das Fluidniveau 4 einen vorgegebenen Grenzwert und
hierzu korrespondierend das Messsignal des Induktionssensors 15 einen
vorgegebenen Messsignalgrenzwert in der Steuereinheit aufgrund des
immer größer werdenden
Abstands zwischen Induktionssensor 15 und Zapfen 14,
gibt die Steuereinheit ein entsprechendes Alarmsignal aus. Dies
kann beispielsweise dazu verwendet werden, um aus dem Fluidspeicher
Fluid abzulassen, eine Entlüftung
des Speichers durchzuführen,
die Überschreitung
anzuzeigen oder andere geeignete Maßnahmen zu ergreifen, um ein
weiteres Ansteigen des Fluidniveaus 4 im Fluidspeicher
zu verhindern.
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Alternativ
zu dem geschilderten Fall kann aufgrund äußerer Einflüsse, beispielsweise der dauernden
Umwälzung
des im Speicher gespeicherten Fluids der Schwimmer 5 beim
Ansteigen des Fluidniveaus 4 in 1 seitlich
auf der Fluidoberfläche 4 verschoben
werden, sodass sich der Stab 6 um das Lager 7 dreht.
Hierdurch wird der Stahlbügel 13 mit dem
Zapfen 14 aus der in 1 gezeigten
Normalstellung des Schwimmers 5 gedreht und Kreisbogenförmig vom
Induktionssensor 15 entfernt. Ebenfalls kann der Schwimmer 5 aufgrund
eines durch das Befüllen
verursachten Wellengangs oder Unruhe der Fluidoberfläche 4 seitlich
ausgelenkt werden.
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Hierbei
kann aufgrund der speziellen Ausformung des Zapfens 14 und
der durch die seitliche Auslenkung bedingten Änderung des Messsignals des
Induktionssensors 15 in der Steuereinheit auch ein zweiter
Grenzwert vorgegeben werden, welcher aufgrund der Änderung
des Messsignals feststellen kann, dass der Schwimmer seitlich aus
der in 1 gezeigten Normalstellung gedreht oder wegbewegt wird.
Derartige Unterscheidungen aufgrund des Verlaufs der Messsignaländerung
können
sowohl empirisch als auch analytisch bestimmt und in der Steuereinheit
abgelegt werden, sodass der Füllstand
im Fluidspeichers sehr genau ermittelt werden kann.
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Auch
kann sich die Bewegung des Schwimmer 5 und des Stabs 6 sowohl
aus einer Bewegung in axialer, in 1 senkrechter
Richtung und einer Drehbewegung des Schwimmer 5 um das
Lager 7 bzw. die flexible Folie 8 zusammensetzen.
Der Zapfen 14 bewegt sich dann gleichzeitig bogenförmig und
in Richtung der Stabachse S vom Induktionssensor 15 weg.
Durch die spezielle Ausbildung der sensorseitigen Ende des Stabs 6 und
der Anordnung des Zapfens 14 sowie des Induktionssensors 15 kann diese
Bewegung auf einfache Weise detektiert werden.
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Aufgrund
der in 2 dargestellten kreisförmigen Öffnung in der Decke 2 und
des kreisförmigen Lagers 7 kann
der Schwimmer 5 in jede Richtung aus der in 1 gezeigten
senkrechten Normalstellung ausgelenkt werden, wobei es durch die
spezielle Anordnung des Zapfens 14 und des U-förmig ausgebildeten
Stahlbügels 13 in
einem ausreichenden, vorgegebenen Bereich zu keinen Kollisionen
zwischen dem Induktionssensor 15, dem Haltewinkel 16,
dem Stab 6 oder dem Stahlbügel 13 kommen kann.