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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter, insbesondere für Brandschutzsysteme.
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In vielen Industriebetrieben gibt es hydraulische Anlagen, die Öle unter hohem Druck enthalten, die im Falle eines Austritts leicht entflammbare Dispersionen erzeugen können.
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Daher besteht ein Bedarf für Vorrichtungen zur Messung des Füllstandes einer Flüssigkeit in Behältern, insbesondere zur Benutzung in Systemen, die dazu bestimmt sind, mögliche Freisetzungen von entflammbaren Flüssigkeiten umgehend zu melden.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine neuartige Vorrichtung zur Messung des Füllstandes vorzuschlagen, welche dazu geeignet ist, dieses Bedürfnis zu erfüllen, und welche besonders zuverlässig funktioniert.
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Diese und andere Aufgaben werden gemäß der vorliegenden Erfindung mittels einer Vorrichtung zur Messung des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter mit
einer Trägerstruktur, die dazu bestimmt ist, an einer Öffnung des Behälters montiert zu werden, und welche eine Sonde trägt, die oben einen Generator/Empfänger von Schallwellen umfasst, und unten einen stabförmigen Hohlleiter, der mit diesem Generator/Empfänger verbunden ist und sich im Betrieb in senkrechter Richtung im Behälter erstreckt;
Schaltungsvorrichtungen zur Steuerung und Verarbeitung, die durch die Trägerstruktur getragen werden und mit diesem Generator/Empfänger verbunden sind;
einem rohrförmigen Element, welches mit der Trägerstruktur verbunden ist und um diesen Hohlleiter herum angeordnet ist, so dass es mit ihm einen ringförmigen Zwischenraum begrenzt, welcher im Betrieb hydraulisch mit dem Behälter verbunden ist und eine Menge dieser Flüssigkeit aufnimmt, deren Stand dem Füllstand der Flüssigkeit im Behälter entspricht; und
einen Schwimmer aus geschlossenzelligem Polymer-Material, welcher entlang des Hohlleiters verschiebbar in diesem Zwischenraum montiert ist und einen Permanentmagneten trägt, um im Betrieb Schallwellen auf diesen Generator/Empfänger zu reflektieren, mit einer Ausbreitungszeit, die mit dem Füllstand der Flüssigkeit in diesem Zwischenraum korreliert;
wobei die Schaltungsvorrichtungen derart beschaffen sind, dass sie Ausgangs-Signale oder -Daten bereitstellen, die bezeichnend für den Füllstand der Flüssigkeit sind, der auf Grundlage von dieser Ausbreitungszeit bestimmt wird, gelöst.
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Gemäß einer weiteren Eigenschaft ist am distalen Ende dieses oben genannten rohrförmigen Elements ein elektrischer Temperatursensor angeordnet, welcher dazu bestimmt ist, bei Betrieb in diese Flüssigkeit eingetaucht zu werden, um Signale, die bezeichnend für ihre Temperatur sind, an die o. g. Schaltungsvorrichtungen zur Steuerung und Verarbeitung zu liefern.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile der Vorrichtung zur Messung des Füllstandes der Flüssigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, die rein beispielhaften und nicht einschränkenden Charakter hat, in Bezug auf die beigefügten Figuren, wobei
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1 eine perspektivische Ansicht einer Füllstandsmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine teilweise perspektivische Ansicht ist, die im vergrößerten Maßstab das distale Ende der Füllstandsmessvorrichtung gemäß 1 zeigt;
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3 ein teilweiser Querschnitt gemäß der Linie III-III von 1 ist; und
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4 ein teilweiser Querschnitt gemäß der Linie IV-IV von 2 ist.
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In den 1 und 3 ist mit LS insgesamt eine Füllstandsmessvorrichtung für Flüssigkeiten gemäß der vorliegenden Erfindung bezeichnet.
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Diese Vorrichtung LS umfasst eine Trägerstruktur, welche in ihrer Gesamtheit mit 1 bezeichnet ist. In der beispielhaft dargestellten Ausführungsform umfasst diese Struktur 1 ein plattenförmiges Element 3, vorzugsweise in Form einer Scheibe, welches aus einem thermisch isolierenden Material, wie einem Kunststoffmaterial, hergestellt ist.
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In Bezug auf 3, weist das plattenförmige Element 3 eine durchgängige zentrale Öffnung 4 auf. Von der unteren Seite des plattenförmigen Elements 3, um die Öffnung 4 herum, erstreckt sich ein rohrförmiger Vorsprung 5, mit einem inneren und äußeren Gewinde. An das innere Gewinde des Vorsprungs 5 ist ein ringförmiges Element 5a mit einem äußeren Gewinde gekoppelt.
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Die Trägerstruktur 1 umfasst zudem ein Gehäuse 6, mit einem Basisteil 6a aus Wärme-isolierendem Material, vorzugsweise einstückig hergestellt, d. h. in einem Stück mit dem plattenförmigen Element 3, wie in der 3 dargestellt.
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Das Gehäuse 6 umfasst zudem einen oberen Teil 6b, mit einer im Wesentlichen zylindrischen seitlichen Wand 6c, die geeigneterweise aus einem Wärmeleitenden Material hergestellt ist, wie Aluminium, der oben durch einen Deckel 6d verschlossen ist, welcher vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist und einen elektrischen Anschluss aufweist oder insgesamt einen elektrischen Anschluss bildet (auf per se bekannte und nicht dargestellte Weise).
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Die zylindrische Wand 6c ist fest mit dem Basisteil 6a verbunden.
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Die Füllstandsmessvorrichtung umfasst zudem ein rohrförmiges Element 2, zum Beispiel aus Messing, dessen oberes Ende mit einem ringförmigen Element 8 verbunden ist, welches ein inneres Gewinde hat und mit dem Vorsprung 5 des plattenförmigen Elements 3 verschraubt ist (siehe insbesondere 3).
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Auf der Trägerstruktur 1 ist eine Sonde montiert, insgesamt mit 9 bezeichnet, die oben einen Generator/Empfänger 10 von Schallwellen vom per se bekannten Typ umfasst, und unten einen stabförmigen Hohlleiter 11, welcher sich durch die Öffnung 4 und den ringförmigen Vorsprung 5 des plattenförmigen Elements 3 und danach koaxial im Inneren des rohrförmigen Elements 2 erstreckt.
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In der gezeigten Ausführungsform ist der Körper des Generators/Empfängers 10 mit dem plattenförmigen Element 3 mittels Schnappverschluss zwischen einem seiner unteren Flansche 10b unterhalb einer Vielzahl von vom Basisteil 6a des Gehäuses 6 vorstehenden Vorsprüngen 6f verbunden. In der in 3 gezeigten Ausführungsform gibt es drei vorspringende Rückhaltevorsprünge 6f, die im 120° Winkel zueinander angeordnet sind.
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Wie aus 4 ersichtlich, ist um den Hohlleiter 11 herum vorzugsweise eine Hülle 12 aus Kunststoffmaterial angeordnet, deren distales Ende 12a eine hauptsächlich spitzbogenförmige Form hat.
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Im Inneren des Elements 2, ist um die Hülle 12 herum ein weiteres rohrförmiges Element 13 angeordnet, zum Beispiel ebenfalls aus Messing, ziemlich nah an dieser Hülle. Wie aus 4 ersichtlich, erstreckt sich das rohrförmige Element 13 unterhalb über die spitzbodenförmige Form 12a der Hülle 12 hinaus.
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Am unteren Ende des äußeren rohrförmigen Elements 2 ist ein Abschluss-Element befestigt, welches in den 1, 2 und 4 mit 14 gekennzeichnet ist.
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Zwischen dem äußeren rohrförmigen Element 2 und dem inneren rohrförmigen Element 13 ist ein Zwischenraum gebildet, welcher in den 3 und 4 mit 15 gekennzeichnet ist.
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In Bezug auf die 1 und 2, weist das Abschluss-Element 14 eine Vielzahl von Öffnungen 16 auf, durch welche im Betrieb die im dazu vorgesehenen Behälter der Füllstandsmessvorrichtung LS enthaltene Flüssigkeit in den Zwischenraum 15 einströmen kann, um dort denselben Stand wie die im Behälter enthaltenen Flüssigkeit zu erreichen.
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In Bezug auf 3, ist im Inneren des oberen Gehäuses 6 mindestens eine Platte 17 mit elektronischen Schaltungen untergebracht, welche in der beispielhaft gezeigten Ausführungsform von hauptsächlich runder Form ist und quer zur Längsachse der Füllstandsmessvorrichtung LS angeordnet ist. Übrigens sind auch andere Formen und Anordnungen möglich.
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Die Platte 17 trägt Steuer- und Verarbeitungsschaltungen, die mit dem Generator/Schallwellenempfänger 10 verbunden sind, der beispielsweise vom Typ mit magnetostriktiver Wirkung ist.
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Im Zwischenraum 15 ist ein ringförmiger Schwimmer um das innere rohrförmige Element 13 herum montiert, der entlang des Hohlleiters 11 verschiebbar ist.
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Vorzugsweise ist dieser Schwimmer, der bei Betrieb mit der Flüssigkeit in Kontakt kommt, deren Stand es zu ermitteln gilt, aus geschlossenzelligem Polymer-Material hergestellt, so dass er sich nicht mit dieser Flüssigkeit vollsaugt.
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Der Schwimmer 18 besteht beispielsweise aus Polyurethan-Material.
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Im Inneren des Schwimmers 18 ist ein Permanentmagnet 19 befestigt, der ebenfalls ringförmig ist, beispielsweise aus einem Ferrit hergestellt.
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In Bezug auf 4 ist im distalen Ende des rohrförmigen Elements 2, insbesondere im Inneren des weiteren rohrförmigen Elements 13, in der Nähe des Abschluss-Elements 14 ein elektrischer Temperatursensor 20 angeordnet, wie bereits bekannt (4). Dieser Temperatursensor ist, auf nicht dargestellte Weise, mit den von der Platte 17 getragenen Schaltungen verbunden, welche in dem oberen Gehäuse 6 montiert ist, mittels Stromleitungen, die sich zwischen der Hülle 12 und dem rohrförmigen Element 13 erstrecken und das plattenförmige Element 3 durchqueren, wobei sie durch eine auf diesem ausgeführte schräge Passage 3a (3) bis in das Gehäuse 6 verlaufen. In diesem Gehäuse verlaufen diese Kabel vorzugsweise in ein längliches Loch oder eine längliche Passage 10a des Körpers des Generators/Empfängers 10, in der Nähe der schrägen Passage 3a, um dann die Schaltungsplatte 17 zu erreichen.
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Die oben beschriebene Füllstandsmessvorrichtung wird vorzugsweise am einer Öffnung des Behälters montiert, der die Flüssigkeit enthält, deren Füllstand gemessen werden soll.
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Das rohrförmige Element 2 und der Ring 8 weisen ausreichende Querschnittsgrößen auf, die ein Einführen in die Öffnung des Behälters gestatten, und diese hat einen Durchmesser, der deutlich geringer ist als der des plattenförmigen Elements 3, welcher im montierten Zustand der Vorrichtung LS an die Wand des Behälters oder Gefäßes angrenzt, in welchem diese Öffnung hergestellt worden ist.
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Im eingebauten Zustand erstreckt sich das rohrförmige Element 2 in hauptsächlich vertikaler Richtung und ist größtenteils in die in diesem Behälter oder Gefäß enthaltene Flüssigkeit eingetaucht, so dass sich der Schwimmer 18 mit dem Permanentmagneten 19 entlang des Hohlleiters 11 auf einer dem Füllstand der Flüssigkeit im Behälter oder Gefäß entsprechenden Höhe anordnet.
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Im Betrieb, unter der Kontrolle der von der Platte 17 getragenen Schaltungen, erzeugt der Generator/Empfänger 10 Schallwellen, die sich nach unten, entlang des Leiters 11 ausbreiten. Diese Wellen erreichen den Schwimmer 18 und den Magneten 19 und werden teilweise zum Generator/Empfänger 10 zurückreflektiert. Auf Grundlage der Ausbreitungszeit der empfangenen reflektierten Wellen, die offensichtlich von der Position des Schwimmers 18 und des Magneten 19 entlang des Leiters 11, und folglich vom Füllstand der Flüssigkeit im Behälter oder Gefäß abhängig ist, liefern die Schaltungen 17 Ausgangs-Signale oder Daten bezüglich des Füllstandes dieser Flüssigkeit.
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Diese Signale können zum Beispiel Signale vom Typ PWM sein, mit einer Impulsbreite, die den Füllstand der Flüssigkeit anzeigt.
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Diese Signale können an eine I/O-Link-Vorrichtung übertragen werden, welche über eine Ausgangsleitung ein codiertes Impulssignal gibt, welches für den gemessenen Füllstand der Flüssigkeit bezeichnend ist.
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Der Einsatz eines derartigen Standardkommunikationssystems (I/O-Link) gestattet eine drastische Kostenreduzierung im Vergleich zur Benutzung von diskreten und parallelen I/O-Vorrichtungen, und einen sehr beachtlichen Anstieg der Menge an übertragbaren Informationen.
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Die Schaltungen 17 erhalten zudem die vom Temperatursensor 20 bereitgestellten Signale, welcher sich am distalen Ende des rohrförmigen Elements 2 befindet. Die Messvorrichtung LS ist folglich dazu in der Lage, ausgangsseitig nicht nur Signale oder Daten bezüglich des Füllstands der Flüssigkeit zu geben, sondern auch Signale, die Aufschluss über seine Temperatur geben. Daher ermöglicht die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer extrem kompakten und robusten Hardware die integrierte Kontrolle des Füllstandes und der Temperatur, d. h., der Hauptparameter zur Überwachung des Verhaltens von Hydraulikanlagen.
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Vorzugsweise bilden das plattenförmige Element 3 und das Basisteil 6a des Gehäuses 6 im eingebauten Zustand eine Art thermische Barriere, welche dazu geeignet ist, die Wärmeübertragung vom Behälter oder Tank zum Inneren des Gehäuses 6 einzuschränken. Zudem ermöglicht die Wärme-leitende Wand 6c des Gehäuses 6 eine effektive Ableitung der Wärme nach außen, welche andernfalls dazu neigen würde, sich im Inneren dieses Gehäuses anzusammeln.
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Der unmittelbar unterhalb der Öffnung 4 des plattenförmigen Elements 3 befindliche Bereich bildet eine Art Luftkammer, die dazu beiträgt, die thermische Isolierung und Abtrennung zu verbessern.
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Um die thermische Abtrennung zwischen dem inneren Bereich des Gehäuses 6 und dem Behälter, mit welchem die Füllstandsmessvorrichtung verbunden ist, vorteilhafterweise zu verbessern, verbindet man das Basisteil 6a des Gehäuses 6 mit dem plattenförmigen Element 3 mittels eines radial zurückspringenden Teils 6e (3), so dass zwischen dem plattenförmigen Element und dem Basisteil 6a ein Zwischenraum oder Trennungsspalt 21 gebildet wird.
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Die von der Platte 17 getragenen Schaltungen können so beschaffen sein, dass sie die Wirkung der langsamen natürlichen Abnahme des Flüssigkeitsstands im zugeordneten Behälter oder Tank kompensieren, die z. B. auf Undichtheit, Abnahme der Dichtigkeitswirkung von Dichtungen usw. zurückgehen. Diese Abnahmen des Füllstandes könnten langfristig einen voreingestellten Schwellenwert überschreiten und einen unbegründete Anzeige eines Austritts auslösen.
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Um die Ausgabe eines unbegründeten Signals zu vermeiden, sind die Schaltungen 17 vorzugsweise so ausgebildet, dass sie die Abnahmegeschwindigkeit des Füllstandes der Flüssigkeit im zugeordneten Behälter zu überwachen, und wenn diese Geschwindigkeit unter einem festgelegten Schwellenwert liegt (langsame Abnahme, die man als natürlich ansehen kann), führen diese Schaltkreise eine Kompensation im Tempo der Füllstandsabnahme aus, in einem vorab zwischen einem Minimal- und Maximalwert voreinstellbaren Maß.
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Wenn durch diese Schaltkreise mit der Zeit keine Füllstandsabnahme festgestellt wird, wird keine Kompensation durchgeführt. So ist jedwede Möglichkeit einer Überkompensation ausgeschlossen.
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Die o. g. Schaltkreise können zudem so beschaffen sein, dass sie schnelle Abnahmen des Füllstands der Flüssigkeit kompensieren, die nicht auf Austritte zurückgehen, sondern auf normale Ereignisse in der Anlage, von welcher der zugeordnete Behälter oder Tank Teil ist. Zum Beispiel, nimmt in der ölhydraulischen Anlage einer hydraulischen Blechpresse der Füllstand des hydraulischen Fluids (Öl) in einem Tank plötzlich ab, wenn der hydraulische Haupt-Zylinder einen Abwärtshub mit dem Stempel ausführt, und dann der Füllstand dieses Fluids im Tank anschließend wieder ansteigt.
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Zur Erkennung und Kompensation dieser schnellen 'normalen' Abnahmen, sind die Schaltungen der Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung so ausgebildet, dass sie die Abnahmegeschwindigkeit des Füllstandes der Flüssigkeit im zugeordneten Behälter oder Tank überwachen und, bei Erkennung eines solchen 'normalen' Ereignisses, oder infolge eines externen Befehls, ein Zeitfenster von vorbestimmter Dauer einleiten, und in diesem Zeitfenster messen, ob die Abnahmegeschwindigkeit des Füllstandes der Flüssigkeit gemäß eines festgelegten Abnahmeverlaufs abnimmt: bejahendenfalls wird das Ereignis der schnellen Abnahme des Füllstands als 'normal' angesehen und wird kompensiert, im gegenteiligen Fall wird dieses Ereignis als Austritt angesehen und ein entsprechendes Signal wird gegeben.
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Ein Tank mit hydraulischem Fluid in einer ölhydraulischen Anlage ist im Allgemeinen mit einer Pumpe verbunden und seine 'normale' Entleerungsgeschwindigkeit kann nicht das Leistungsvermögen dieser Pumpe überschreiten. Deswegen kann in diesem Fall die o. g. Schwelle bei der Abnahme des Füllstands entsprechend mit dem Leistungsvermögen dieser Pumpe voreingestellt sein.
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Die von der Platte 17 getragenen Schaltungen können einen Mikroprozessor umfassen, der zusätzliche Eingänge aufweisen kann, damit man auch andere Sonden als die vom oben beschriebenen Typ wählen kann, zum Beispiel eine Kapazitätssonde oder eine Mikro-Reedsonde mit analogem Signal. Dieser letzte Typ von Sonden kann vorzugsweise am inneren Gewinde des ringförmigen Vorsprungs 5 des plattenförmigen Elements 3 festgeschraubt sein.
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Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist zahlreiche Vorteile auf, einige davon wurden bereits oben genannt.
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Die Messung des Füllstands kann mit hoher Auflösung durchgeführt sein (bis zu 0,2 mm) und ermöglicht die Messung auch von minimalen Austritten.
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Die Vorrichtung ist zudem auch durch eine genaue Gestaltung der Wärmeleitung gekennzeichnet, wodurch sie zum Betrieb in einem breiten Betriebstemperaturbereich (über 100°C im Tank und bis zu 70°C an der stützenden Wand) geeignet ist.
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Zudem reduziert die Anordnung der Elektronik im Inneren der Struktur der Vorrichtung die Komplexität der Verbindungen und die Anfälligkeit für EMV-Störungen.
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Natürlich, unbeschadet des Erfindungsprinzips, können die Ausführungsformen und die Besonderheiten großzügig variieren in Bezug auf die rein beispielhafte, nicht einschränkende Beschreibung und Veranschaulichung, wobei sich die Erfindung auf alle Ausführungsformen gleichen Nutzens erstreckt, den sie dank derselben innovativen Konzepte erreichen.
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Die Vorrichtung (LS) umfasst
eine Trägerstruktur (1), die dazu gedacht ist, an einer Öffnung des Behälters montiert zu werden, und welche eine Sonde (9) trägt, die oben einen Generator/Empfänger von Schallwellen (10) umfasst, und unten einen stabförmigen Hohlleiter (11), der mit diesem Generator/Empfänger (10) verbunden ist und sich in senkrechter Richtung im Behälter erstreckt;
Schaltungen zur Steuerung und Verarbeitung (17), die mit dem Generator/Empfänger (10) verbunden sind;
ein rohrförmiges Element (2), welches mit der Trägerstruktur (1) verbunden ist und um diesen Hohlleiter (11) herum angeordnet ist, so dass es mit ihm einen ringförmigen Zwischenraum (15) begrenzt, welcher im Betrieb hydraulisch mit dem Behälter verbunden ist und eine Menge dieser Flüssigkeit aufnimmt, deren Stand dem Füllstand im Behälter entspricht; und
einen Schwimmer (18) aus geschlossenzelligem Polymer-Material, der verschiebbar entlang dem Hohlleiter (11) im Zwischenraum (15) montiert ist und einen Permanentmagneten (19) trägt, um im Betrieb Schallwellen zum Generator/Empfänger (10) zu reflektieren mit einer Ausbreitungszeit, die dem Füllstand der Flüssigkeit im Zwischenraum (15) entspricht;
wobei die Schaltungen (17) derart beschaffen sind, dass sie Ausgangs-Signale oder Daten bereitstellen, die bezeichnend für den Füllstand der Flüssigkeit sind, der auf Grundlage von dieser Ausbreitungszeit festgestellt wird.
