DE2515065A1 - Standhoehen-messgeraet fuer fluessigkeitslagerung - Google Patents

Standhoehen-messgeraet fuer fluessigkeitslagerung

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DE2515065A1 DE19752515065 DE2515065A DE2515065A1 DE 2515065 A1 DE2515065 A1 DE 2515065A1 DE 19752515065 DE19752515065 DE 19752515065 DE 2515065 A DE2515065 A DE 2515065A DE 2515065 A1 DE2515065 A1 DE 2515065A1
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Description

2515065 PATENTANWALT DIPL.-PHYS. HEINRICH SEIDS
62 Wiesbaden · Bierstadter Höhe 15 · Postfach 12068 · Telefon (0 6121) 56 53 82 Postscheck Frankfurt/Main 1810 08 - 602 · Bank Deutsche Bank 395 63 72 · Nass. Sparkasse 108 00 30 65
Wiesbaden, den 4.April 1975 E 282 S/v
Harrison F. EDWARDS
Norwich, N.Y., USA
Standhöhen-Meßgerät für Flüssigkeitslagerung Priorität: USA-Patentanmeldung Nr. 459 591 vom lO.APril 1974
SSSSS=SSSSSSSSSS=SSS=SSSSSSSBSSSSSSSSSSSSSSSSSSSS=SSSSSSSSaSS=S
Die Erfindung bezieht sich auf ein Standhöhe-Meßgerät für Flüssigkeits-Lagerungsanlagen, beispielsweise Flüssigkeitstanks ο.dgl.
Aus US-PS 2 398 375 ist ein System bekannt, das einen Tank und einen Indikator enthält, bei dem Leitungen jeweils mit der Decke und dem Boden des Tanks verbunden sind. Zwischen verschiedenen Membranen ist eine vertikale Kammer gebildet, in der sich ein Widerstandsdraht über die volle Länge erstreckt. Die Kammer ist mit Quecksilber gefüllt. Je nach dem relativen Druck, der durch die beiden Leitungen aufgenommen wird, ändert sich der Quecksilberspiegel in der Kammer, so daß das Queck-
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silber mehr oder weniger Länge des Widerstandsdrahts kurzschließt. Die Indikationseinrichtung, die den Widerstand des Drahtes mißt, gibt eine visuelle Anzeige. Zusätzlich wird eine Vielzahl von längs der Kammer angebrachten Kontakten nacheinander mit steigender Höhe der Quecksilbersäule eingetaucht. Die Kontakte sind mit Signallichtern verbunden, so daß mit steigendem Quecksilberspiegel zusätzliche Kontakte überbrückt werden und das Aufleuchten entsprechender Signallichter hervorrufen. Nachteile dieses Systems sind die nur begrenzte Auslenkbarkeit der Membranen, wodurch die Genauigkeit der Vorrichtung beeinträchtigt wird. Auch das gegen das Gewicht der zu messenden Flüssigkeit wirkende Gewicht des Quecksilbers und das unterschiedliche spezifische Gewicht verschiedener zu messender Flüssigkeiten ergeben zusätzliche Fehlerquellen und Irrtümer. Die Auslenkung der Membranen neigt dazu, intensiv zu sein, so daß kleine Änderungen im Flüssigkeitsspiegel auf der Indikationseinrichtung nicht merkbar sind.
Andere bekannte Systeme sahen Elektroden vor, die in der zu messenden Flüssigkeit untergetaucht wurden, um Stromkreise einzuschalten, die die elektrische bzw. elektronische Leitfähigkeit oder Impedanz der Flüssigkeit oder die Kapazität zwischen den Elektroden messen sollten. Diese Systeme waren Abhängigkeit von der Leitfähigkeit und bzw. oder der Dielektrizilässkonstanten der Flüssigkeit und erforderten deshalb jeweils neue Kalibrierung, wenn eine andere Flüssigkeit
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in den Tank o.dgl. gefüllt wurde. Solche Systeme hatten auch nur mangelhafte Genauigkeit und waren nicht benutzbar bei verschiedenen Flüssigkeiten, die grosse Bereiche von ?leitfähigkeit oder dielektrischer Charakteristik haben.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Standhöhe-Meßgerät für Flüssigkeitslagerung zu schaffen, das diese Nachteile vermeidet und dabei einfach im Aufbau bleibt und insbesondere Genauigkeit bietet. Dabei soll die Anzeige unabhängig von Leitfähigkeit, Dielektrizitätskonstante oder anderen Charakteristiken der zu messenden Flüssigkeit sein. Das Gerät soll nur eine Mindestzahl von Teilen aufweisen und sich durch geringe Herstellungskosten und verlässlichen, über grosse Zeiträume wartungsfreien Betrieb auszeichnen.
Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung durch ein StündLöhe-Meßgerät für Flüssigkeitslagerung gelöst, das sich kennzeichnet durch
a) eine aufrecht im Flüssigkeitsbehälter bzw. Flüssigkeitstank anzubringende Sonde mit einem im wesentlichen stabförmigen, an einer Vielzahl von Stellen mit der Flüssigkeit in Berührung zu bringenden elektrisch leitfähigen Sondenelement, einem zweiten, damit zusammenwirkenden Sondenteil, der eine aufrecht angeordnete Reihe von Elektroden enthält, die voneinander elektrisch isoliert, in Nachbarschaft zum Sondenelement
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zur Bildung elektrischer Kondensatoren mit dem Sondenelement angebracht und dazu ausgebildet sind, von der Flüssigkeit untergetaucht zu werden und mit einer elektrischen Abschirmung in Form einer elektrische leitfähigen, zylindrischen Wandung, die die Sondenteile umgibt und mit Einrichtungen zum Halten auf vorgegebenem elektrischen Potential verbunden sind;
b) eine Einrichtung zum Erzeugen eines Wechselspannungs-Signals und Auflegen af das Sondenelement;
c) eine der Anzahl der Elektroden entsprechelle Vielzahl von Gleichrichter- und Filter-Netzwerken, von denen jedes mit seinem Eingang an je eine der Elektroden ar Aufnahme der vom Sondenelement kapazitiv auf die jeweilige Elektrode übertragenen Energie angeschlossen ist;
d) eine der Anzahl der Elektroden und Netzwerke entsprechende Vielzahl von Komparatoren, die mit einem Eingang an den Ausgang jeweils eines der Netzwerke angeschlossen und zur Abgabe je nach Steuerungszustand eines "hohen" oder eines "niederen" Ausgangs-Signals ausgebildet sind, und
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mindestens eine an die Ausgänge der Komparatoren angeschlossene Indikationseinrichtung, die zur Erzeugung einer Anzeige darüber ausgebildet ist, an wie vielen Komparatoren "hohes" Ausgangssignal anliegt.
Durch die Erfindung wird ein neuartiges verbessertes Standhöhe-Meßgerät für Flüssigkeit geschaffen, das sich durch einfachen Aufbau unter Benutzung eines absoluten Minimum an getrennten Teilen auszeichnet und das eine relativ grobe Anzeige bereits in sehr billiger Ausführung ermöglicht, während bei gewünschter feinerer Anzeige nur verhältnismäßig wenig mehr Kosten für die Erstellung des Gerätes entstehen. Im Betrieb des Gerätes gemäß der Erfindung bildet jede Elektrode mit dem aufrecht angeordneten elektrisch leitfähigen Sondenelement einen kleinen Kondensator. Wenn eine Elektrode von der Flüssigkeit untergetaucht wird, ergibt sich aufgrund der grösseren Dielektrizitätskonstanten der Flüssigkeit eine Vergrösserung der Kapazität bzw. eine Verminderung des kapazitiven Blindwiderstandes, so daß ein höheres Schaltsignal über das entsprechende Gleichrichter- und Filter-Netzwerk auf den entsprechenden Komparator übertragen wird. Der so angesprochene Komparator gibt dann ein entsprechendes "Hoch"-Signal auf die Indikationseinrichtung.
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In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Ausgänge aller Komparatoren über summierende Widerstände an ein Meßinstrument angeschlossen. In anderer AusfUhrungsform können die Ausgänge der Komparatoren jeweils an nicht emittierende Dioden angeschlossen werden, die dann nacheinander je nach zunehmender Standhöhe der Flüssigkeit aufleuchten und dadurch zur Schaffung einer direkten digitalen Ablesung herangezogen werden können.
Alle Teile des Systems mit Ausnahme der Sonde selbst können außerhalb der eigentlichen Flüssigkeitsaufnahme, also beispielsweise des Flüssigkeitstanks, angeordnet werden. Der Aufbau der Elektroden und des elektrisch leitfähigen Sondenelements ist sowohl einfach als auch "foolproof". Die elektrische Schaltung ist ebenfalls einfach und weist hohe Ansprechempfindlichkeit auf, wobei sehr hohe Genauigkeit der Anzeige erzielbar ist. Hierdurch wird ein flexibles Anzeige- und Meßsystem hoher Genauigkeit, hoher Betriebssicherheit und guter Anpaßbarkeit an die verschiedensten Anlagen und Installationen bei niedrigen Herstellungskosten geschaffen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung} es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Schaltbild und eine
schematische Wiedergabe des Meßsystems, bei
dem eine Ablesung der Flüssigkeits-Standhöhe
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im Tank auf einem Anzeigegerät analogen Types vorgesehen ist und
Fig. 2 einen abgewandelten Teil des im übrigen Fig. 1 entsprechenden Schaltbildes für eine andere Ausführungsform der Erfindung zur Schaffung einer direkten digitalen Ablesung der Flüssigkeits-Standhöhe in einem Tank.
Fig. 1 zeigt einen Lagertank 10 für Heizöl, Benzin oder anderes flüssiges Produkt. Gemäss der Erfindung wird eine neuartige Sonde 12 vorgesehen, die eine Eintaucheinheit 14 aufweist, mit aufrecht angeordnetem elektrisch leitfähigem, im wesentlichen stabförmigem Sondenelement 16, das in die Flüssigkeit zur Berührung an den verschiedensten Standhöhen eingetaucht ist, und mit einer zweiten Sondeneinrichtung, die eine aufrecht angeordnete Reihe von elektrisch leitfähigen Elektroden 18 enthält, welche voneinander elektrisch isoliert gehalten und zum Eintauchen in Nachbarschaft des Sondenelements 16 ausgebildet sind. Das Sondenelement 16 und die Elektroden sind von einem zylindrischen Schild oder leitfähigen Zylinder 20 umgeben. Der Schild ist auf Masse- bzw. Erdpotential mittels der mit ihm verbundenen Leitung 22 gehalten.
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Ferner ist eine Einrichtung zum Anlegen von Spannung an das senkrecht angeordnete Sondenelement 16 vorgesehen, die einen astabilen Multivibrator 24 mit Ausgangsklemme 26 enthält, die über eine Leitung 27 mit dem Sondenelement 16 verbunden ist. Der Multivibrator erzeugt eine Rechteckwellenschwingung an seiner Ausgangsklemme 26 mit einer Frequenz zwischen 10 kHz und 100 kHz, bestimmt durch die Widerstände 28, 30 und den elektrischen Kondensator 32. Ein Widerstand 34 und ein elektrischer Kondensator 36 bilden ein Tiefpaßfilter zwischen dem Multivibrator 24 und dessen Zuführungsleitung 38 für die positive ,Betriebsspannung.
Gemäss der Erfindung bildet jede Elektrode 18 (mit dem Sondenelement 16) einen elektrischen Kondensator 40. Leitungen 42 erstrecken sich von jeder Elektrode 18 zu einer elektrischen Schaltanordnung mit Dioden 44, Widerständen 46 bzw. Kondensatoren 48. Diese Verbindungen sind mit den Bezeichnungen A bis H an den Leitungen 42 gekennzeichnet, um den Anschluß an die jeweilige Elektrode zu zeigen, da die jareils mit gleichen Buchstaben bezeichneten Leitungsenden 42 tatsächlich miteinander verbunden sind. Jedes dieser Netzwerke setzt ein Wechselstromsignal, das an seinem Eingang auf der Leitung 42 auftritt, in ein Gleichstromsignal an seinem Ausgang, nämlich der jeweiligen Leitung 50 um.
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Nach der Erfindung sind ferner Komparatoren 52 vorgesehen, die jeweils invertierende und nicht invertierende Eingänge 54 bzw. 5o und eine Ausgangsklemme 58 aufweisen. Wie dargestellt, nimmt die Eingangsklemme 46 Energie über das jeweilige elektrische Netzwerk von der entsprechenden Elektrode 18 auf. Der Eingang 54 ist über einen Widerstand 60 an eine Quelle konstanter Spannung, abgeleitet von der positiven Zuführungsleitung 38 auf und zwar bestimmt durch die Spannungsteilerwiderstände 62, 64. Die Komparatoren 52 bilden entweder einen "Hoch11- oder "NiederM-Digitalausgangssignal, je nachdem ob die an einen Eingang 56 angelegte Spannung höher oder niedriger als die am anderen Eingang 54 angelegte Spannung ist. Für diese Funktion sind kommerzielle gekapselte Verstärker des Typs LM 3900 zufriedenstellend, wobei zwei Kapseln zu je vier Verstärkern 52 vorgesehen sind.
An die Ausgangsklemmen 58 sämtlicher Komparatoren sind summierende Widerstände 66 gelegt, die sämtlich mit ihrem zweiten Ende an eine gemeinsame Leitung 68 gelegt sind. Als Indikatoreinrichtung ist ein MilliampCremeter 70 mit graduierter Skala 72 und Zeiger 74 vorgesehen, wobei die eine Klemme dieses Meßinstrumentes, wie dargestellt, an Masse bzw. Erde gelegt ist. Die Verstärker 52 haben Zuführungsleitungen 78 und 80 für ihre Betriebsspannung bzw. ihren Betriebsstrom.
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Im Betrieb legt der astabile Multivibrator 42 eine elektrische Rechteckschwingung auf das elektrisch leitfähige Sondenelement 16 j wie an der untersten Elektrode bzw. deren Komparator oder Verstärker 52 angedeutet, ist eine feste Bezugsspannung an die Eingangsklemme 54 gelegt. Bei leerem Tank hat die Kapazität und damit der kapazitive Blindwiderstand zwischen der untersten Platte 18 und dem Sondenelement 16 einen vorher bestimmten Wert,- Der Kondensator 48 und der Widerstand 46 sind so bemessen, dass die auf der Klemme 56 auftretende Gleichspannung kleiner als die auf die Klemme 54 gelegte Spannung bei nicht untergetauchter unterster Elektrode ist. Dies hat zum Ergebnis, dass auf der Ausgangsklemme 58 des in Fig. 1 untersten Verstärkers 52 ein rtNiedrigH-Signal erscheint. Wenn der Flüssigkeitsspiegel ansteigt und die unterste Elektrode 18 eintaucht, erhöht sich der Kapazitätswert des Kondensators wegen der höheren Dielektrizitätskonstanten der jeweiligen zu messenden Flüssigkeit in bezug auf die Dielektrizitätskonstanten der Luft. Eine solche Erhöhung erzeugt eine höhere Wechselspannung auf der Leitung 42, die nach Gleichrichtung durch die Diode 44 und Filtern durch den Widerstand 46 und den Kondensator 48 eine Erhöhung der Gleichspannung an der Eingangsklemme 56 des Komparators 52 ergibt. Diese Erhöhung reicht aus, um die Gleichspannung an der Klemme 54 zu überschreiten und so den Ausgang 58 des Verstärkers 52 auf "hohes11 Digitalsignal zu legen. Dieser Zustand wird auf dem Milliampdremeter 70 durch
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Ausschlagen des Zeigers um etwa ein Achtel der vollen Skalenlänge angezeigt, wenn die Ausgänge aller anderen Verstärker 52 auf "niederem" Digitalsignal liegen.
Angenommen, dass die nächst höhere Elektrode 18 teilweise oder voll eingetaucht wird, dann liegt auf dem Ausgang des entsprechenden Komparators 52 auch ein phones" Digitalsignal, das veranlaßt das Milliampe'remeter 70 einen größeren Prozentsatz seiner vollen Zahlenlänge anzuzeigen. Bei drei unteren Elektroden in eingetauchtem Zustand wird durch den entsprechenden Verstärker ein weiterer Beitrag zu dem das Milliampe'remeter 70 durchfließenden Strom erbracht, so dass der Ausschlag des Instruments wiederum um einen entsprechenden Prozentsatz des vollen Ausschlags vergrößert wird. Wenn alle Elektroden untergetaucht sind, liegt auf den Ausgängen aller acht Komparatoren 52 "hohes" Digitalsignal, das dann den Vollausschlag des Milliamperemeters 70 zur Folge hat. So ergibt das Meßinstrument zu jeglichem Zeitpunkt eine Anzeige über die Standhöhe der Flüssigkeit im Tank. Die Widerstände 66 sind im wesentlichen gleich und so ausgewählt, dass sie entsprechend dem am Ausgang der Verstärker 52 auftretenden Spannung des "Hoch"-Signals ein Achtel des Vollausschlages ergeben, wenn jeweils ein Verstärker 52 ein "Hoch"-Signal am Ausgang führt und alle übrigen Verstärker "Niedrigt!-Signal.
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Die Skala 72 kann in jeglichen geeigneten Einheiten kalibriert werden, beispielsweise in Fußmeter usw. Es kann auch jeglicher Genauigkeitsgrad erzielt werden, indem man die Anzahl der Elektroden 18 sowie die Anzahl der Netzwerke und Verstärker erhöht und dabei die vertikalen Dimensionen und die Abstände der Elektroden vermindert.
Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform, bei der gleiche Bezugszeichen ähnliche oder gleiche Elemente wie bei der ersten Ausführungsform bezeichnen. Nach dieser zweiten Ausführungsform ist eine Vielzahl optischer Anzeigeeinrichtungen, beispielsweise Licht emittierender Dioden 81, vorgesehen, die dazu ausgebildet sind, durch eine Vielzahl von Komparatoren oder Verstärkern 52 betrieben zu werden, wobei die Eingangsschaltung dieser Komparatoren oder Verstärker 52 die gleiche ist wie im ersten Ausführungsbeispiel. Die Ausgangsklemmen 58
t dieser Komparatoren oder Verstärker 52 sind über Strombegrenzungs-Widerstände 82 an die Dioden angeschlossen. Die eine Klemme jeder Elektrode 81 ist, wie dargestellt, an Masse bzw. Erde gelegt. Wenn im Betrieb das digitale Ausgangssignal eines Verstärkers 52 "nieder" ist, ergibt sich ein Strom, der nicht ausreicht, um die jeweilige Diode 81 zum Ausleuchten zu bringen. Sobald jedoch eine Elektrode teilweise oder voll in die Flüssigkeit untertaucht, fließt ein wesentlich größerer Strom durch den Widerstand 82 und die Diode 81, was zum Aufleuchten
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der Diode 81 führt. Mit zunehmender Flüssigkeits-Standhöhe im Tank 10 kommt dann eine entsprechend größere Anzahl von Dioden 81 zum Aufleuchten. Solche Dioden könnten beispielsweise auf einem geeigneten (nicht gezeigten) Anzeigebrett angeordnet sein, das eine der Standhöhe der Flüssigkeit im Tank entsprechende kalibrierte Anzeige ergibt. Man kann auf diese Weise eine direkte digitale Anzeige der Flüssigkeits-Standhöhe erzielen.
Änderungen und Modifikationen gegenüber diesen Ausführungsbeispielen sind ohne weiteres im Rahmen der Erfindung möglich.
Alle in der Beschreibung, den Patentansprüchen und der Zeichnung wiedergegebenen Merkmale können für sich allein oder in jeglicher Kombination von wesentlicher Bedeutung für die Erfindung sein.
- Patentansprüche -
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Claims (5)

Dipl.-Phys. Heinrich Seids · Patentanwalt · 62 Wiesbaden · Bierstadter Höhe 15 · Postfach 120 68 · ® (0 6121) 56 53 - 14 Patentansprüche
1.) Standhöhe-Messgerät für Flüssigkeits-Lagerungsanlagen, beispielsweise Flüssigkeitstanks, gekennzeichnet durch:
a) eine aufrecht im Flüssigkeitsbehälter bzw. Flüssigkeitstank (10) anzubringende Sonde (12) mit einem im wesentlichen stabförmigen, an einer Vielzahl von Stellen mit der Flüssigkeit in Berührung zu bringenden, elektrisch leitfähigen Sondenelement (16), einem zweiten damit zusammenwirkenden Sondenteil, der eine aufrecht angeordnete Reihe von Elektroden (18) enthält, die voneinander elektrisch isoliert, in Nachbarschaft zum Sondenelement (16) zur Bildung elektrischer Kondensatoren (40) mit dem Sondenelement (16) angebracht und dazu ausgebildet sind, von der Flüssigkeit untergetaucht zu werden, und mit einer elektrischen Abschirmung in Form einer
elektrisch leitfähigen, zylindrischen Wandung (20), die die Sondenteile (16, 18) umgibt, und mit Einrichtungen (22) zum Halten auf vorgegebenem elektrischen Potential verbunden ist;
b) eine Einrichtung (24, 26, 27) zum Erzeugen eines Wechselspannungs-Signals und Auflegen auf das Sondenelement (16) j
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-if-
c) eine der Anzahl der Elektroden (18) entsprechende Vielzahl von Gleichrichter- und Filter-Netzwerken (44, 46, 48), von denen jedes mit seinem Eingang (42) an je eine der Elektroden (18) zur Aufnahme der vom Sondenelement (16) kapazitiv auf die jeweilige Elektrode (18) übertragenen Energie angeschlossen ist;
d) eine der Anzahl der Elektroden und Netzwerke (44, 46, 48) entsprechende Vielzahl von Komparatoren (52), die mit einem Eingang (56) an den Ausgang (50) jeweils eines der Netzwerke (44, 46, 48) angeschlossen und zur Abgabe je nach Steuerungszustand eines "hohen1* oder eines "niederen" Ausgangssignals ausgebildet sind, und
e) mindestens eine an die Ausgänge (58) der Komparatoren (52) angeschlossene Indikationseinrichtung (66, 70; 82, 81), die zur Erzeugung einer Anzeige darüber ausgebildet ist, an wievielen Komparatoren (52) nhohesn Ausgangs-Signal anliegt.
2.) Standhöhe-Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Indikationseinrichtung eine der Anzahl der Komparatoren (52) entsprechende Vielzahl von summierenden Widerständen (66) enthält, die jeweils an den Ausgang (58) der Komparatoren (52) angeschlossen sind, sowie ein Messinstrument (70), wobei die summierenden Widerstände (66) über
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eine gemeinsame Leitung (68) an dieses Messinstrument (70) angeschlossen sind, derart, dass die Beiträge jedes !Comparators (52) zu dem vom Messinstrument (70) gemessenen Gesamtstrom algebraisch summiert werden.
3.) Standhöhe-Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Indikationseinrichtung eine der Anzahl der Komparatoren (52) entsprechende Yielzahl von Licht emittierenden Dioden (81) enthält, die elektrisch an die Ausgangsklemmen (58) der Komparatoren (52) angeschlossen sind, derart, dass sie den am Ausgang (58) anliegenden Zustand jedes Komparators (52) anzeigen.
4.) Standhöhe-Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (18) eine über der anderen in einer vertikalen Säule angeordnet sind, derart, dass die Anzahl der von der Flüssigkeit eingetauchten bzw. untergetauchten Elektroden (18) eine direkte Beziehung zur Standhöhe der Flüssigkeit im Tank (10) darstellt.
5.) Standhöhe-Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichter- und Filter-Netzwerke jeweils mindestens ein RC-Glied (46, 48) als Filter (Tiefpassfilter) enthalten.
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DE2515065A 1974-04-10 1975-04-07 Standhöhen-Meßgerät für Flüssigkeits-Behälter Expired DE2515065C2 (de)

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