DE69024203T2 - Montagekopf für abtastanordnung des bandwiderstandspiegels - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft Füllstandssensoren, insbesondere Widerstand-Pegelstandssensoren.
• Die Erfindung bezieht sich auf einen an sich bekannten Widerstandsfilmsensor, der in der Literatur unter der Marke "Metritape" Sensor beschrieben ist und Gegenstand verschiedener US Patente, u.a. USPS 3,511,090, USPS 3,583,221 und USPS 3,792,407 ist.
• Der Metritape Sensor weist einen länglichen, metallischen, an den Kanten und der Rückseite elektrisch isolierten Basisstreifen auf.Dadurch wird in seiner Längsrichtung ein nicht isolierter Bereich begrenzt. Ein Widerstandsdraht oder Band ist helikal um den isolierten Basisstreifen gewickelt, wobei die helikalen Windungen die isolierten Kantenbereiche, die von den darunter liegenden nichtisolierten Bereichen des Basisstreifens beabstandet sind, überbrücken. Der Sensor ist in einem nahtlosen Schlauch aus polymeren Kunststoff oder einem anderen Schutzmaterial angeordnet, der eine trockene und saubere Innenkammer für den Sensor bildet. Der Sensor befindet sich in einem Tank oder Behälter mit einer Flüssigkeit oder einem flüssigen Medium, dessen Pegelstand überwacht werden soll. Der Druck des Mediums, das den eingetauchten Sensor umgibt, verursacht im eingetauchten Bereich des Sensors eine Verformung des den Sensor umgebenden Schlauchs und der helikalen Windungen. Dadurch wird elektrischer Kontakt mit dem darunter liegenden Basisstreifen hergestellt, und ein elektrischer Widerstand,der proportional zum Füllstand ist, erzeugt.
• Dieser längliche Widerstandsfilmsensor wird sowohl in flachen, landgestützten Tanks als auch in tiefen Öl- und Ballasttanks, sogenannten Ozeantanks eingesetzt. Weitere Anwendungsbereiche sind: die offenen atmosphärischen Tanks und die geschlossenen dickwandigen Tanks mit mehreren Atmosphären Druck; Tanks, die nie über 98% gefüllt werden und Tanks, die häufig überfüllt werden mit der Folge von Überdruck auf Tank- und Sensorbauteile; Tanks gefüllt mit Wasser und Flüssigkeiten, die korrosive Chemikalien und aggressive Lösungen enthalten. Der Widerstandssensor eignet sich auch für Anwendungen in denen sein Kopf unabsichtlich oder absichtlich unter die Oberfläche der zu messenden Flüssigkeit getaucht wird.
• Unter Berücksichtigung dieser Anwendungsgebiete soll ein Sensorkopf angegeben werden, der die Materialien des oberen Sensorenendes einschließt und positioniert, den Sensor mechanisch in der vorgesehenen Position festhält und den Bintritt von Dampf und Flüssigkeiten in die innere Sensorkammer von unten oder oben verhindert. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, Mittel anzugeben, durch die der Druck in der Sensorkammer dem umgebenden Tankdruck angeglichen wird und weitere Mittel anzugeben, die das Widerstandselement und elektronische Schaltkreise mit äußeren Anschlüssen verbinden ohne daß Leckpfade für Flüssigkeit oder Dampf entstehen.
• Es wurde verschiedentlich versucht, eine derartige Mehrzweckopfbefestigung für einen Widerstandsfilmsensor anzugeben. Eine mögliche Lösung ist, das Kopfende des Sensors in eine Metallröhre einzuschließen, die erweitert ist, um das Gewicht des Sensors gegen den Gewindeflansch abzufangen. Die Sensorelemente sind in dem unteren Teil der Röhre angeordnet und eine Belüftungsröhre und Verbindungsdrähte sind durch die Kopfplatte oder das Kopfteil nach außen zu der einschließenden Röhre geführt. Bei der Endmontage wird die einschließende Röhre umgedreht und mit den korrekt am Ein- und Auslaß der Röhre positionierten Teilen, z.B. durch ein aushärtendes Epoxid verschlossen.
• Anwendungsbedingt kann ein solcher verkapselter Kopf Leckpfade aufweisen. Die zu Anfang feste mechanische Verbindung der Bauteile kann sich durch mechanische Erschütterungen oder Temperaturwechsel lockern, so daß kleine Leckpfade oder Leckebenen entstehen. Desweiteren verursacht die exotherme Aushärtereaktion des Epoxids einen Temperaturanstieg an den einzuschließenden Elementen. Bei dem darauffolgenden Vorgang der Verfestigung und der Abkühlung schrumpfen die Teile, wodurch mikroskopisch kleine Leckpfade entstehen. Es ist schwierig, diese, nach dem Aushärten entstandenen Leckagen zu lokalisieren und zuverlässig zu verschließen oder sogar die Sensorkomponenten erneut gegeneinander abzudichten.
• Eine andere Lösung für den Sensorkopfabschluß sieht eine Röhrenstruktur am Kopf vor, mit der der äußere Schaft des Sensors verbunden ist, wobei das Kopfende des Schafts über mechanische Klemmstruktur, z.B. aus Polytetrafluarethylen, die die notwendige chemische Korrosionsbeständigkeit aufweist, eingeschlossen wird und an die obere Röhrenstruktur gepreßt. Vorteilhaft dabei ist, daß derartige mechanische Klemmung, falls kleine Leckpfade auftreten, festgezogen werden kann. Es können jedoch durch die unregelmäßige Form des Schaftes, insbesondere dann, wenn er gefaltet wird, um unter der Klammer durchgeführt zu werden, kleine Leckpfade auftreten. Für diesen Fall sind weitere Dichtungsmittel erforderlich. Durch den Einfluß von Temperaturen oder Lösungsmitteln können durch das Wandern des Dichtungsmittels kleine Leckpfade in den Sensorkopf und in die innere Sensorkammer entstehen.
• Die vorliegende Erfindung ermöglicht ein zuverlässiges Abdichten des oberen Sensorkopfes auf vielfältige Art und Weise, wodurch ein breiter Anwendungsbereich für Widerstandsfilmsensoren gegeben ist.
• US-A-3,583,221 offenbart ein Füllstandssensorsystem für Schüttgüter, bei dem der Füllstandssensor von der Decke des Speicherbehälters in konventioneller Montageanordnung herabhängt.
• Folgender Stand der Technik beschreibt elastische Elemente, die einen halbzylindrischen Körper in Längsrichtung abdichten:
• US-A-3,697,089 offenbart einen Stopfbüchsendeckel zur Umrandung eines Teiles eines polymerummantelten Drahtes. Ein Bauteil der Stoffbüchse weist einen, mit an den ummantelten Draht anpreßbaren Schichten aus einem viskoelastischen Material versehenen Hohlraum auf, wodurch eine rückhaltende Reibungskraft entsteht.
• US-A-4,013,423 beschreibt eine Ventilspindelführung zur Befestigung innerhalb eines Ventilkörpers, mit einem zylindrischen Führungsteil, durch den die Ventilspindel durchgeführt ist und mit mindestens einem elastischen Dichtungsring in einer Ringnut im Inneren des Führungsteiles. Der Dichtungsring ist elastisch, wodurch eine Abdichtung zwischen der Ventilspindel und der Oberfläche der Nut erreicht wird, so daß unter Druck stehende Materialien innerhalb des Ventilkörpers nicht durch die Ventilspindelführung hindurch fließen können.
• US-A-4,717,159 offenbart einen Apparat zum Befestigen und Dichten eines Flußmessers in Form einer Staudüse in einer Röhre. Die Staudüse erreicht die Röhre in der sie angeordnet ist über eine röhrenförmige Halterung. Ein ringförmiger Raum zwischen der Außenseite der Staudüse und der Innenseite der röhrenförmigen Halterung ist durch ein elastisches Dichtungsmaterial ausgefüllt, wodurch die Staudüse flüssigkeitsdicht wird.
• US-A-2,750,436 beschreibt eine Vorrichtung, die eine flüssigkeits- und druckdichte Dichtung eines Kabels am Eintritt in die Öffnung einer Behälterwand bewirkt. Die Anordnung verwendet eine elastische Dichtung.
• Der erfindungsgemäße Gegenstand weist folgende Merkmale auf: durch die Erzeugung eines positiven Drucks werden die den Kopfabschluß bildenden Bauteile miteinander verbunden und fest zusammengehalten; es sind Mittel zur Druckkraftanpassung und zur Druckkrafterhöhung bei Anwendungen in einem erweiterten Betriebstemperaturbereich vorgesehen; der Sensorkopfabschluß verklammert mechanisch die unteren Elemente des Sensors, um zuverlässig ihr Gewicht und zugkräfte aufzufangen, die durch Turbulenzen in der zu messenden Flüssigkeit oder durch die im Schlamm vorhandene Festkörper auftreten können; die am Sensorkopf austretenden Belüftungsröhren und elektrische Leiter sind mit demselben verbunden und abgedichtet; der Sensorkopf weist eine modulare Bauweise auf, wodurch seine Konstruktionsmatenahen den zu messenden Stoffen und den Betriebsbedingungen angepaßt werden können, und dadurch der Herstellungspreis dieser Bauteile bzw. des Kopfes reduziert werden kann; an dem Sensorkopf kann ein Handgriff und ein eng- passender Kanal für die Verbindung und den Schutz des unteren Sensors in seiner Längsrichtung befestigt werden; der Kopf weist eine solche Aufnahme auf, daß bestehende Sensormontage-Anordnungen damit nachgerüstet werden können; der Sensorkopf ist leicht zerlegbar und nacharbeitbar, um z. B. eventuelle Herstellungsfehler zu beheben. Die Teile des zerlegten Kopfes können z.B. nach einiger Gebrauchszeit gereinig, ersetzt oder verbessert werden, anschließend in den Sensor wieder eingesetzt und dieser wieder in Betrieb genommen werden. Der Sensorkopf besteht aus metallischen und polymeren Materialien oder aus beschichteten Elementen aus Verbundwerkstoffen und erlaubt somit einen optimalen Gebrauch bei ökonomischen Kosten.
• Die Erfindung wird anhand einiger Ausführungsbeispiele, die in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen:
• Fig. 1 Einen Schnitt des Widerstandsfilmsensorkopfes in Explosionsdarstellung mit großen elastomeren Einsätzen innerhalb eines Zweikammerhohlraumbehälters.
• Fig. 2 Einen Schnitt einer anderen Ausführungsform, bei der die laminaren elastomeren Einsätze in einer äußeren Hülle angeorndet sind.
• Fig. 3 Einen Schnitt einer Variante der Ausführungsform der Fig. 2, mit beiden großen, laminaren Anordnungen der elastomeren Einsätze mit Oberflächen, die den linien- oder zonenförmigen Kontakt bilden.
• Fig. 4A, 4B Einen Schnitt in Explosionsdarstellung und in Schnittbilddarstellung einer anderen Ausführungsform des Sensorkopfes.
• Fig. 5A-5C Darstellung des Schaftabschlusses für den Einsatz im Montagekopf durch Wiedergabe von Endansichten eines segmentierten Widerstandsfilmsenorschaftes Fig. 6A-6C Einen Schnitt von O-Ring Dichtungen zum Einsatz im Widerstandsfilmsensorschaft in der Ausführungsform der Fig. 4.
• Fig. 7 Einen Schnitt eines höhenverstellbaren Nippels, an dem der Sensorkopf der Erfindung angeordnet ist, in Explosionsdarstellung.
• Der Widerstandsfilm-Füllstands-Sensor, der mit dem Gegenstand der Erfindung verbunden werden kann, wird unter dem Namen "metritape" Sensor angeboten. Ein kopfseitiger Abschluß dieses Sensors ist in Fig. 1 dargestellt. Ein äußerer Körper 1 mit einem zylindrischen Querschnitt weist obere und untere durch eine Wand 1a getrennte Hohlräume 2, 3 auf, wobei ihre Querschnitte eine ausreichende Festigkeit aufweisen, um die beim Dichten des oberen oder unteren Kopfendes entstehenden Druckkräfte aufzunehmen.
• Körper 1 ist am Kopf und am Boden mit ebenen Platten 4, 5 verbunden, die durch longitudinale Zuganker, wie Bolzen 6 zusammengehalten und durch Mutter 7 gesichert werden. Die Kopfplatte 4 erstreckt sich über den Durchmesser des Körpers 1 hinaus, wodurch ein Flansch zum sicheren Klammern und Abdichten des Kopfes in seiner Betriebslage und ein justierbarer Nippel der Fig. 7. gebildet werden.
• Innerhalb der durch die Endstücke verschlossenen Hohlräume 2,3 befinden sich verformbare Elemente 8, 9 aus elastomerem oder ähnlichem Material. Sie weisen Durchbrüche zum Durchtritt von verschiedenen, in das Innere des Sensorkopfes A von oben und unter geführten, mechanischen und elektrischen Bauteilen auf. Die verformbaren Elemente 8, 9 ebenso wie die verformbaren Elemente der später beschriebenen Ausführungsform, bestehen aus verformbarem elastomerem Material, das grundsätzlich inkompressibel ist. Das Material wird unter Krafteinwirkung formstabil deformiert, ohne daß eine Kompression oder eine Volumenreduktion auftritt, wodurch die Verformung zu einer dichtenden Verbindung mit den zusammenwirkenden Teilen des Montagekopfes führt. Bei dem verformbaren elastomeren Material handelt es sich typischerweise um ein Copolymer aus Vinyliden, Fluand und Hexafluaropropylen, Neopren oder Buna-N.
• Unterhalb des Sensorkopfes A der Fig. 1 befindet sich der obere Abschluß des Widerstandsfilmssensors, der aus einem helikal, um einen stählernen Basisstreifen 14 gewundenen Widerstandselement 10 besteht, und der einen einschließenden Schaft 11 und Schutzeckstücke 12 aufweist, wie es in US Serial No. 07/030,445 vom 25. März 1987, (die als US-A-4,816,799 am 28. März 1989 veröffentlicht wurde) beschrieben ist. Der Basisstreifen 14 dieses Sensors weist am Ende einen Durchbruch auf, der mittels eines aus nichtleitendem Material bestehenden Pins 13a mit einer zylindrischen Zunge 13 verbunden ist.
• Die Zunge 13 erreicht den Sensorkopf A durch eine engpassende, zylindrische Öffnung im Boden. Der Schaft 11, der das gesamte untere Element des Widerstandsfilmsensors einschließt, ist hinterschnitten und so geformt, daß er die Zunge 13 umgibt und sie um den Sensorkopf A führt, wo er selbst von dem elastomeren Einsatz 9 umgeben wird. Die Zunge 13 ist mit dem Körper 1 durch einen Federring 15 mechanisch verbunden. Der Federring 15 stützt sich nach der Verbindung an der Wand 1a ab und verhindert, daß sich die Zunge vom Sensorkopf A löst.
• Am oberen Ende des Kopfes sind die Kopfplatte 4 und der verformbare Einsatz 8 so ausgeführt, daß ein Belüftungsrohr 16 und Leiter 17 (deren Anzahl gewöhnlich zwischen zwei und zehn liegt, aber auch höher sein kann) die innere Kopfkammer von oben her erreichen können. Die Verbindung aller dieser Elemente erfolgt durch einen engen Sitz, um ein effektives Abdichten des Kopfes gegen das Eindringen von Flüssigkeiten oder Dämpfen zu erreichen. Die Belüftungsröhre 16 ist mit dem Inneren des Sensors verbunden und verhindert Druckunterschiede zwischen dem Inneren und Äußeren des Sensors, die seine Funktion beeinflussen können. Die Leiter 17 stellen eine elektrische Verbindung zum Füllstandssensor her. Dieser kann um einen oder mehrere Temperatursensoren, die in Längsrichtung des Streifens angeordnet sind, erweitert werden. Der Sensoraufbau ist nicht Gegenstand dieser Erfindung und ist detailliert in den oben angegebenen Patentschriften des Anmelders beschrieben.
• Wenn der Sensorkopf A der Fig. 1 zusammengebaut wird und die Zugbolzen 6 und die Muttern 7 verbunden und angezogen werden, werden die elastomeren Einsätze 8, 9, die in den jeweiligen Hohlräumen 2, 3 eingeschlossen sind, verformt, wodurch eine zunehmend feste Verbindung mit den inneren und äußeren benachbarten Elementen und Oberflächen ensteht. Die Einsätze 8,9 werden als grundsätzlich inkompressible Flüssigkeiten angesehen und der Druck der Verbindung und die resultierenden Dichtungskräfte korrelieren direkt mit der Längsspannung der Zugbolzen 6, die zwei- vier- oder mehrfach am Umfang des Sensorkopfes A angeordnet sein können. Der Schafteintritt 11 in den Sensorkopf A und die miteinander verdrillten Leiter 17 sind durch besondere Maßnahmen zusätztlich abgedichtet.
• Wie in Fig. 2 dargestellt, wurde der Körper des Sensorkopfes A der Fig. 1 durch eine Hülle 20 ersetzt, mit einer Wandstärke, die ausreichend ist, um die inneren Ausdehnungskräfte aufzunehmen. Ferner sind die verformbaren Elemente durch laminare Scheibeneinsätze ersetzt, die ökonomisch (im Gegensatz zum Gießen) durch Stanzen hergestellt werden können. Die Scheiben 21 am Boden des Kopfes sind so geformt, daß sie die Zunge 13 und den sie umgebenden Schaft 11 und die Zugbolzen 6, wie in Fig. 1 dargestellt, aufnehmen können.
• Die verformbaren Scheiben 22 am oberen Ende des Kopfes sind derart geformt, daß eine Belüftungsröhre 16 und mehrere Leiter 17 eintreten können, zusätzlich zu den Zugbolzen 6, die für die Befestigung der Muttern 7 hervorstehen. Es sind mindestens zwei dieser Befestigungsmittel vorgesehen.
• Innerhalb des Stapels der verformbaren Scheiben dieser Ausführungsform befindet sich eine starre, schwimmende, ringförmige Unterlegscheibe, die innerhalb des zusammengedrückten Stapels fixiert ist, um den Federring 15 zu halten, der seinerseits die zylindrische Zunge 13 im Sensorkopf A festhält. Ferner zeigt Fig. 2 die vergrößerte Darstellung der Kopfplatte 4 der Fig. 1 und eine starre, ringförmige Platte 24, die genau in den ringförmigen, durch die äußere Hülle 20, die Zunge 13 und den Schaft 11, gebildeten Raum paßt. Beim Anbringen und Festziehen der Bolzen 6 wird die meistens aus Teflon hergestellte starre ringförmige Platte 24 in ihrem Sitz soweit hochgezogen, daß der Stapel der verformbaren Scheiben 10 zusammengepreßt wird, so daß er fest mit den inneren und äußeren ihn einschließenden Flächen verbunden wird.
• Da der Sensorkopf A dieser Erfindung auch in korrosiven Flüssigkeiten und Dämpfen eingesetzt wird, sind seine Werkstoffe, Metalle und Polymere, chemisch beständig. Die Metalle können mit einem schützenden Polymerüberzug, der ihre chemische Beständigkeit erhöht, beschichtet sein. Die Scheiben können aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen. Beispielsweise können die äußeren, oben und unten befindlichen Scheiben 21, 26 aus einem relativ teuren, chemisch beständigen Werkstoff ausgeführt sein und als Schutz für die inneren, aus billigerem Werkstoff bestehenden Scheiben dienen. Vorteilhafterweise weisen alle Scheiben den gleichen Durchmesser auf, was eine über den gesamten Scheibenstapel gleichförmige Verformung herbeiführt.
• Als zusätzlicher Schutz gegen den chemischen Angriff durch Tankflüssigkeit oder Dampf ist am Boden des Sensorkopfes A ein dünner ringförmiger Distanzstück 25 vorgesehen (Fig. 2). Dieser kann z.B. aus Polytetrafluoroethylen hergestellt sein, das eine sehr hohe chemische Beständigkeit aufweist und dadurch die oben und unten benachbarten, elastomeren Scheiben gegen Flüssigkeit oder Dampf schützt.
• Dementsprechend ist ein Keilkranz 27 für die Abdichtung der oberen Montagefläche des Kopfes ebenfalls aus einem Elastomeren wie Polytetrafluareethylen oder Neopren hergestellt. Er ist so geformt, daß er mit dem oberen Umschlag des Montagenippels an dem der Sensorkopf A befestigt werden kann, wie in Fig. 7 dargestellt,zusammenwirkt. Ein solcher Keilkranz 27 verhindert den Austritt von in dem Tank befindlichen korrosiven Flüssigkeiten und Dämpfen und nimmt den, durch eine Schutzgasatmosphäre im Behälter auftretenden, Überdruck auf.
• In Fig. 3 ist ein Sensorkopf A dargestellt, der gleiche Bauteile wie Fig. 1 und 2 aufweist, jedoch ist die geometrische Anordnung der verformbaren elastomeren Elemente eine andere. In der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2 liegen die elastomeren Elemente großflächig auf, wodurch große Druckkräfte erforderlich sind (gemessen in Kraft pro Flächeneinheit) um hohe Dichtungskräfte zu erreichen. Die Verbindungskräfte an den potentiellen Leckpfaden können jedoch erhöht werden indem die Verbindungsfläche reduziert und der Verbindungsdruck auf einzelne Linien oder Zonen des Oberflächenkontaktes aufgebracht wird.
• Im unteren Bereich des Sensorkopfes A der Fig. 3 ist ein Stapel geformter Scheiben 30 mit trommelförmigem Querschnitt dargestellt, der eine Serie von Kontaktbereichen 31 zu den benachbarten inneren und äußeren Flächen bildet. Vermittels aufeinanderfolgender Scheiben wird eine labyrinthartige Dichtung gebildet, um das Eindringen von Flüssigkeiten oder Dämpfen von außen nach innen zu verhindern. Solche Scheibenanordnung nutzt die Vorteile der häufig verwendeten O-Ring- Dichtungen.
• Im oberen Bereich des Sensorkopfes A (Fig. 3) ist ein einzelner, verformbarer Einsatz 32 angeordnet, der so geformt ist, daß mehrere Bereiche mit relativ hohem Verbindungsdruck entstehen. Beispielsweise bildet die äußere Fläche dieses Einsatzstückes auch eine Aufeinanderfolge von Kontaktzonen 33, die eine labyrinthartige Dichtung gegen das Eindringen vom oberen Sensorkopfende her bilden.
• Innerhalb des Einsatzes 32 sind die Öffnungen für die Zugbolzen 6 so ausgebildet, daß eine Vielzahl geformter Kanten 24 entsteht, die mit dem äußeren Durchmesser der Bolzen fest verbunden sind und eine labyrinthartige Dichtung gegen den Eintritt von Flüssigkeiten oder Dämpfen bilden. Eine ähnliche Verbindung ist zwischen dem elastomeren Einsatz und der äußeren Isolierung von Leitern 17 dargestellt. Diese Figur zeigt einige mögliche Ausführungsformen und Anordnungen elastomerer Teile, wobei alle diese Teile durch ihre Verformung beim Einwirken longitudinaler Kräfte, wie etwa durch das Anziehen der Zugbolzen, laterale Dichtungskräfte erzeugen.
• Eine weitere Anordnung der Erfindung ist in Fig. 4A und in der perspektivischen Ansicht der Fig. 4B dargestellt. Ein Strukturkörper 40 ist starr mit einer zylindrischen Zunge 41 verbunden. Die Zunge ist mit einer axialen Öffnung versehen, die den inneren Durchgang zwischen dem unten montierten Widerstandsfilmsensor 42 und dem inneren Kopfhohlraum 43 bildet. Am Boden des dargestellten Sensorkopfes A tritt der einschließende Schaft 44 entlang der zylindrischen äußeren Fläche der Zunge 41 in einen unteren zylindrischen Hohlraum mit konischer Fläche 45 ein. Ein dichtender O-Ring 46, auf den der zylindrische Druckring 47 einwirkt, ist zwischen dem Schaft 44 und der konischen Fläche 45 angeordnet.
• Diese Elemente sind ferner durch eine Grundplatte 48, die durch mindestens zwei Schrauben 49 gegen das Unterteil des Körpers 40 fixiert ist, verbunden. Die beschriebenen Elemente sind so dimensioniert und angeordnet, daß das Anziehen der Schrauben 49 die Grundplatte 48 gegen das Unterteil des Körpers 40 treibt, wodurch der Druckring 47 den O-Ring 46 in den Kegel 45 hinuntertreibt, was zu einer engen dichten Verbindung gegen den Sensorschaft 44 führt. Weitere Details derartiger Abdichtungen werden später dargestellt und beschrieben.
• Am Oberteil des Sensorkopfes A der Figur 4 ist eine Anordnung 50 integriert, die eine Belüf tungsröhre 51 und mehrere elektrische Leiter 52 hält, die durch die Verkapselung dieser eintretenden Teile gebildet werden kann. Diese Durchführungsanordnung 50 steht im Kontakt mit dem Körper 40 mittels eines dickwandigen O-Ringes 53 und wird durch einen geflanschten Niederhalter 54 festgehalten, der wiederum durch Schrauben 55 festgehalten ist.
• Der untere Bereich des Kopfes 54 erstreckt sich über den Durchmesser des Körpers 40 hinaus, wodurch eine äußere Lippe oder Flansch gebildet wird, die als Montage- und Dichtungsfläche für den Sensorkopf A dient und die in Verbindung mit einem elastomeren Keilkranz oder O-Ring als Abdichtung gegen den oberen Umschlag des Montagenippels dienen kann, wie in Figur 7 dargestellt. An den geflanschten Kopf 54 kann auch ein Hebegriff 56 angebracht werden, zum Herablassen oder zur Entnahme des gesamten Widerstandsfilmsenors. Die Verbindung der Schrauben 55 zur Befestigung der beschriebenen Elemente in ihrer Gebrauchslage und zum Anpressen der Durchführungsanordnung 50 gegen den O-Ring 53 damit Flüssigkeiten und Dämpfe nicht in den Sensorkopfinnenraum 43 von oberhalb dieser Struktur eindringen können, ermöglicht den Einsatz des Sensors im untergetauchten Zustand.
• Der Kopf ist leicht montierbar und ebenso leicht für Reparaturen und/oder Ersatzzwecke zerlegbar. Im allgemeinen ist die Reihenfoge des mechanischen Zusammenbaus des Sensorkopfes A wie folgt: Zuerst wird das Kopfoberteil zusammengesetzt, wobei die Verbindungsdrähte 52 von der Unterseite der vergossenen Anordnung 50 nach unten durch den Körper 40 und die zentrale Öffnung der Zunge 41 geführt werden. Die dichtenden Bauteile des Bodens (O-Ring 46, Druckring 47 und Grundplatte 48, in nahtloser ringförmiger Bauweise und nicht in geteilter Bauweise) werden zur Vervollständigung der Kopfmontage in der richtigen Reihenfolge auf die Zunge 41 aufgefädelt.
• Der Kopf und das vorbereitete Ende des Basisstreifens 42 werden dann ausgerichtet und mit dem isolierten Pin 13a verbunden. Das auf die richtige Form und Maß geschnittene (falls notwendig) Schaftende 44 wird an den Boden des Kopfkörpers 40 gebracht und die unteren dichtenden Komponenten werden auf das Schaftende 44 aufgebracht. Das Schaftende wird dann vollständig in das Unterteil des Kopfkörpers 40 eingedrückt, der O- Ring 46 und der Druckring 47 werden in den kegelförmigen Hohlraum 45 eingepresst und die Grundplatte 48 fest befestigt. Der Handgriff 56 wird nun zusammen mit der Belüftungsröhre und den Leitern montiert.
• Die Figuren 5A bis 5D zeigen wichtige Details des erfindungsgemäßen Sensors. In Figur 5A wird der Querschnitt eines extrudierten Schaftes dargestellt, der das längliche Element eines Widerstandsfilmsensors ganz einschließt. Erkennbar ist, daß die obere und untere Filmoberfläche 60 an zwei Kanten 62 versiegelt ist und anschließend, bei dieser Ausführungsform in äußeren Rändern so geformt, daß diese einen mechanischen -16- Schutz der empfindlichen Oberflächen 60 des Elementes gewährleisten. Um den Schaft der Fig. 5A in den Sensorkopf dieser Erfindung einzusiegeln, werden die äußeren Ösen 62 an der gestrichelt gezeichneten Schnittlinie abgetrennt, wodurch ein Querschnitt 63 ( wenn abgerundet),wie in Fig. 5B dargestellt, entsteht.
• Die kleinen herausragenden Ohren 64 werden für eine feste Abdichtung des Sensorkopfes im folgenden näher beschrieben. Sie können, herausragend angeordnet (Fig. 5B), oder übergefaltet werden. Eine vergrößerte Darstellung der versiegelten Verbindung der beiden übereinandergefalteten Filme ist in den Figuren 5C und 5D (Ziffer 65) wiedergegeben. Die kleinen Falten und Nähte, die sich beim Übereinanderfalten der Ohren 65 ergeben, müssen hinreichend zusammengepresst werden, damit alle Leckpfade, die sich entwickeln können, geschlossen werden.
• Bei dünnen und faltbaren Schaftfilmen können die durch das Übereinanderfalten der Ohren 65 entstehenden Lücken meistens effektiv durch die in den Figuren dagestellten Kopfanordnungen,bei denen Druckkräfte entstehen, abgedichtet werden. Bei dickeren Schaftbereichen jedoch kann die Verwendung von viskosen Dichtungsmitteln beim Verschließen von Leckpfaden hilfreich sein, ist jedoch mit dem Nachteil des Angriffs durch die zu messenden Lösungen, Chemikalien und Erdöle behaftet.
• In einer Ausführungsform dieser Erfindung ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Ohren 64 sich gerade nach außen und in den Kopf der Fig. 4 fortsetzten und daß der untere O-Ring 46 der Fig. 6B mit Kerben versehen ist, so daß die Ohren 64, wie in Fig. 6A dargestellt, gebildet werden. In einer anderen, in - Fig. 6D dargestellten Anordnung kann der O-Ring 46 aus zwei unabhänigen Hälften 67 und 68 bestehen, um die Schaftohren 64 beim Eintritt derselben in die Unterseite des Sensorkopfes A der Fig. 4 aufzunehmen.
• Die Konstruktion mit geteilten Bauteilen kann auch zu einer oder mehreren anderen Bodenverschlußanordnungen erweitert werden. Durch Teilung des Druckringes 47 und/oder der Bodenplatte 48 in etwa zwei Hälften können diese Bauelemente ohne Demontage des Basisstreifens 42 von der Zunge 41 montiert werden. Diese geteilte Konstruktion erfordert generell mindestens vier Halteschrauben 49 und das Abrunden der Elemente, um das Einschneiden in das darunter befindliche Schaftmaterial zu vermeiden.
• Die Formgebung der Schaftenden 44 muß sorgfätig durchgeführt werden, eventuell mit einem Werkzeug, das an das Ende des Schaftes befestigt ist und geformte Kanten aufweist, um die Schaftenden in die erforderliche Kontur zu schneiden. Durch eine solche Führung ist gewährleistet, daß die Schaftenden so geschnitten werden, daß der Bereich der kritischen Schaftkantennähte nicht eingeengt wird. Durch Klammern der Kantennähte erlaubt dieses Werkzeug auch, daß die Schaftfrontflächen für den Fall eines zu engen Sitzes des Schaftes über der zylindrischen Zunge 41 gespannt werden, ohne daß die Schaftkantennähte überspannt werden.
• Zusätzliche Dichtungsmaßnahmen gegen Eindringen von Flüssigkeiten und Dämpfen an den Verbindugsdrähten können insbesondere dann erforderlich sein, wenn diese verseilt sind und dem Tank- oder Eintauchdruck ausgesetzt sind. Die Prinzipien solcher Abdichtungen sind bekannt und sind nicht Teil dieser Erfindung. Zusammengefaßt werden die Verbindungsdrahtenden freigelegt, gespleißt und leicht mit Lötzinn benetzt, um das anschließende Einbetten in eine Epoxydmatrix oder ein anderes Aufnahmematerial wie in Teil 50 von Fig. 4 dargestellt, zu ermöglichen. Der Widerstandsfilmsensor wird an einem Tank oder an einem anderem Meßort angebracht, indem ein Gewindestutzen oben am Tank befestigt wird. In den Stutzen wird der Kopf so eingesetzt, daß die groß dimensionierte Platte 50 der Fig. 4 sich auf der Oberkante des Stutzens abstützt. Häufig ist es wünschenswert, die Höhe des Sensors so einzustellen, daß er fast bis zum Tankboden reicht, jedoch den Boden nicht berührt, da dies zu einem hohen Verschleiß der unteren Sensorelemente führen würde.
• Um dies zu erreichen kann sich der obere Montagestutzen aus einer Reihe von Schraubenringen 70 (Fig. 7) zusammensetzten, die aufeinanderfolgend miteinander verbunden werden. Der Widerstandsfilmsensor kann in seine Montageposition angehoben werden, indem ein oder mehrere Ringe an dem am Gehäuseboden 72 befestigten Nippel 71 angebracht werden.
• Befindet sich der Sensor zu hoch über dem Tankboden, können ein oder mehrere Ringe entfernt werden, so daß eine niedrigere Montagefläche zum Anbringen des erfinderischen Sensorskopfes entsteht. Weist der Tank einen Gasüberdruck auf, können Dichtungen 73 zwischen den Verbindungsflächen benachbarter Gewinderinge eingefügt werden.
• Andere Anwendungsformen und Anordungen unter Verwendung ähnlicher Grundsätze fallen in den durch die Patentansprüche definierten Schutzbereich dieser Erfindung. Weiterhin ist die Erderinge eingefügt werden.
• Erfindungsgemäß können mehrere Sensorkopfanordnungen unter Verwendung von Bauteilen unterschiedlicher Ausführungsformen - und Zusammensetzungen miteinander kombiniert werden, ohne den Schutzbereich dieser Erfindung zu verlassen. Diese Kombinationen betreffen sowohl den Unter- als auch den Oberteil des Sensorkopfes und können den Umgebungsbedingungen angepasst werden. Sensorköpfe können ebenfalls durch Verwendung barbeitbarer Metalle oder gespritzter Kunststoffe oder zusammengesetzter Teile den funktionellen Anforderungen angepaßt werden unter Berücksichtigung einer ökonomischen Lösung für den gegebenen Anwedungsfall.
• Andere Anwendugsformen und Anordnungen unter Verwendung ähnlicher Grundsätze fallen in den durch die Patentansprüche definierten Schutzbereich dieser Erfindung. Weiterhin ist die Erfindung ebenso anwendbar auf Metritape und andere streifenförmige Sensoren, die zu anderen Zwecken als zu Füllstandshöhenmessung eingesetzt werden können, wie etwa Positionsbestimmung, Messungen an zähen Flüssigkeiten und zu Temperaturbestimmung. Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die beschriebenen Ausführungenbeispiele und Formen, vielmehr ist der Schutzbereich der Erfindung durch die Patentansprüche definiert.
Zusammenfassung
• Die Erfindung verwendet eine zylindrische, im zentralen Bodenbereich für die Aufnahme einer starren Röhre erweiterte, äußere Hülle zur Aufnahme von verformbaren elastomeren Materialien. Der Widerstandsfilmsensor wird seiner Länge nach in der starren Röhre gehalten, die von dem offenen Ende eines Sensorschaftes umgeben, und an ihrem oberen Ende erweitert ist für die Aufnahme von elektrischen Verbindungskabeln und des Sensorbelüftungsrohres. Starre Endplatten werden oben und unten an der äußeren Hülle eingesetzt für die Aufnahme von innerem elastomerem Material; die Endplatten werden durch Bolzen, Klammern oder andere Mittel zusammengezogen, um hohe innere Druckkräfte zu erzeugen.
• Die aufgenommenen Druckkräfte bewirken, daß die verformbaren elastomeren Bauteile in Spalte und Leckpfade fließen und die Sensorkopfelemente zusammenhalten, um ein integrales mechanisches Abschlußelement zu bilden. Die Abhänigkeit von Kapsel- Mitteln und ihrer Aushärtezeit wird reduziert und die Druckdichtungskräfte sind hinreichend groß, um die Änderung der Abmessungen und Dichtefehler auszugleichen, die durch Temperaturzyklen, mechanische Erschütterungen oder Vibration bedingt, auftreten können.

Claims (14)

1. Montagekopf (A) für einen Widerstandsfilmsensor mit:

- einem zylindrischen Körper (1) aus starrem Material mit einem oberen und einem unteren Hohlraum (2,3),

- einer kaaxial im unteren Bereich des Körpers (1) angeordeten zylindrische Zunge (13) aus starrem Material zur Aufnahme des Widerstandsfilmsensors,

- einem ersten, in oberem Hohlraum (2) angeordneten verformbaren elastomeren Element (8),

- elektrischen, in der zylindrischen Zunge (13) installierbaren Leitern (17), die durch das erste verformbare elastomere Element (8) durchgeführt und mit dem Sensor verbindbar sind,

- in der zylindrischen Zunge (13) installierbaren Belüftungsmitteln (16), die durch das erste verformbare elastomere Element (8) durchgeführt und mit dem Inneren des Sensors koppelbar sind,

- einem zweiten, verformbaren elastomeren Element (9), der im unteren Hohlraum (3) angeordnet ist und die Zunge (13) umgibt und mit ihr in Verbindung steht,

- einer über einer Endfläche des ersten ersten verformbaren elastomeren Elementes (8) angeordneten Kopfplatte (4),

- einer um die Zunge (13) herum und an einer Endfläche des zweiten verformbaren elastomeren Elementes (9) angeordneten Bodenplatte (5),

- Befestigungsmitteln (6, 7) zum Zusammenziehen der Kopfplatte (4) und der Bodenplatte (5) um durch die dadurch entstehende Verformung der ersten und der zweiten verformbaren elastomeren Elemente (8,9) alle Leckpfade in den Montagekopf (A) abzudichten.

2. Montagekopf (A) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Hohlraum (2) und der untere Hohlraum (3) des zylindrischen Körpers (1) durch eine, eine Öffnung aufweisende, transversale Trennwand (1a) getrennt sind, die in Verbindung mit dem oberen und dem unteren Hohlraum (2,3) steht, wobei die Zunge (13) in die Öffnung in der transversalen Trennwand (1a) bringbar ist und durch Haltemittel (15) im Körper (1) gehalten wird.

3. Montagekopf (A) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der ersten und zweiten verformbaren elastomeren Elemente (32, 31) an den äußeren Kontaktflächen so angeformt ist, daß eine Reihe von Rippen (34) gebildet ist, wodurch der Anpreßdruck konzentriert und ein Labyrinth geschaffen wird, das den Durchgang von Flüssigkeit oder Dampf in das Innere der Sensorkammer verhindert.

4. Montagekopf (A) nach Anspriich 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der ersten und zweiten verformbaren elastomeren Elemente (32, 31) aus chemisch beständigem Material aus laminaren Scheiben (31) besteht, die auf den äußeren oder inneren Oberflächen angeformt sein können, wodurch der dichtende Druck konzentriert und ein Labyrinth aus Dichtungen geformt wird, so daß die Leckage von Flüssigkeit oder Dampf verhindert wird.

5. Montagekopf (A) nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der ersten und zweiten verformbaren elastomeren Elemente (8, 9) ein einstückiger Block aus verformbarem elastomerem Material ist.

6. Montagekopf (A) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltemittel (15) für die Zunge (13) so ausgebildet sind, daß sie die Zunge (13) in der Trennwand (1a) des Körpers (1) halten.

7. Montagekopf (A) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Kopfplatte (54) größer ist als der Durchmesser des Körpers (40), wodurch ein Flansch für die Verklammerung und das Abdichten des Kopfes (A) an einer Montagestruktur (56) gebildet wird.

8. Montagekopf (A) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsmittel (6, 7) mehrere, sich durch die Öffnungen in der Bodenplatte (5) erstreckende Bolzen (6) enthalten, wobei erste und zweite Elemente (8, 9), die Kopfplatte (4) und Muttern (7) mit den Bolzen (6) so zusammenwirken, daß die Kopfplatte (4) und die Bodenplatte (5) zusammengezogen werden und die dadurch entstehende Verformung und die Abdichtung von Durchgängen in den ersten und zweiten Elementen (8,9) bewirkt wird.

9. Montagekopf (A) für einen Widerstandsfilmsensor mit:

- einem zylindrischen Gehäuse (20) aus starrem Material,

- einer Mehrzahl von in dem Gehäuse (20) übereinander angeordneten verformbaren elastomeren Scheiben (21, 22), wobei diese im unteren Hohlraum (3) des Gehäuses (20) mit einer Öffnung zur Aufnahme der Zunge (13) und des umgebenden Schafts (11) des Widerstandsfilmsensors versehen sind, und die Scheiben (22) im oberen Bereich (2) des Gehäuses (20) kaaxial ausgerichte Öffnungen aufweisen, zur Aufnahme einer Belüftungsröhre (16) und Verbindungskabeln (17) des einzusetzenden Sensors,

- einer ringförmigen, starren Unterlegscheibe (23), die innerhalb des Scheibenstapels (21) in der Nähe des oberen Endes der axial verlaufenden Öffnung im unteren Hohlraum (3) des Gehäuses (20) angeordnet ist und mit Haltemitteln (15) der Zunge (13) zusammenwirkt, und dadurch die Zunge (13) innerhalb des Gehäuses (20) sichert,

- einer am oberen Ende des Gehäuses (20) angeordneten Kopfplatte (4),

- einer am unteren Ende des Gehäuses (20) angeordneten Bodenplatte (24),

- Befestigungsmitteln (6,7), um die Bodenplatte (24) in Richtung zur Kopfplatte (4) hin zu ziehen, wodurch die Scheiben (21, 22) im Gehäuse (20) verformt werden, und dadurch die in die innere Kammer des Gehäuses (20) eintretenden Elemente abgedichtet werden.

10. Montagekopf (A) in Verbindung mit einem länglichen, streifenförmigen in einem, ein flüssiges Medium enthaltenden Behälter montierbaren Sensor zur Überwachung des Behälter-Füllstands, wobei der Sensor einen elektrischen Widerstand proportional zum Füllstand erzeugt, mit:

- einer starren Röhre (13), die ein entgegengesetzes Ende des verlängerten streifenförmigen Sensors aufnimmt,

- elektrischen Leitern (17), die in der starren Röhre (13) elektrisch mit dem Sensor verbunden sind,

- Belüftungsmitteln (16), die in der starren Röhre (13) und in der Flüssigkeit mit dem Inneren des Sensors verbunden sind,

- einem verformbaren elastomeren Material (21, 22), das einen Abschnitt der starren Röhre (13) umgibt,

- einer äußeren Hülle (20), die zumindest teilweise das verformbare elastomere Material einschließt,

- Befestigungsmitteln (6, 7) an den jeweiligen Enden der äußeren Hülle (20), durch welche das elastomere Material (21, 22) eingefaßt wird wodurch hohe innere Drücke auf die starre Röhre (13) ausgeübt werden,

- elektrischen Leitern und mit Belüftungsmitteln, deren Abschnitte sich vom Inneren der starren Röhre (13) bis außerhalb des Kopfes (A) erstrecken.

11. Montagekopf (A) für einen Widerstandsfilmsensor mit:

- einem zylindrischen Körper (40) aus starrem Material mit einem oberen Hohlraum und mit einem unteren Hohlraum und einem sich nach außen erweiternden Bereich (45),

- einer zylindrischen Zunge (41) aus starrem Material, die kaaxial in dem unteren Bereich des Körpers (40) angeordnet ist und die einen Widerstandsfilmsensor (42) trägt,

- einem ersten im oberen Hohlraum angeordneten verformbaren elastomeren Element (50),

- elektrischen Leitern (52), die in der zylindrischen Zunge (41) installierbar und sich durch das erste verformbare elastomere Element (50) erstrecken und mit dem Sensor (42) verbindbar sind,

- Belüftungsmitteln (51), die in der zylindrischen Zunge (41) installierbar sind und sich durch das erste verformbare elastomere Element (50) erstrecken und mit dem Inneren des Sensors (42) verbindbar sind,

- einem zweiten im sich erweiternden Bereich (45) befindlichem elastomeren Element (46), das die Zunge (41) umgibt und mit ihr in Verbindung steht,

- einem starrem Ringelement (47), das im sich erweiterndem Bereich (45) angeordnet ist und das gegen das zweite verformbare elastomere Element (46) wirkt,

- einer Kopfplatte (54), die über einer Endfläche des ersten elastomeren Elementes angeordnet ist,

- einer Bodenplatte (48), die um die Zunge (41) und eine Endfläche des starren Ringelementes (47) angeordnet ist,

- und Befestigungsmitteln (49, 55) zum Zusammenziehen der Kopfplatte (54) und der Bodenplatte (48), um die Verformung des ersten und des zweiten verformbaren elastomeren Elements (50, 46) zu bewirken, so daß alle Leckpfade in den Montagekopf (A) abgedichtet werden.

12. Montagekopf (A) nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, daß das zweite verformbare elastomere Element (46) ein im sich erweiternden Bereich (45) des Körpers (40) angeordneter O-Ring ist.

13. Montagekopf (A) nach Anspruch 11 oder 12 dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer, zwischen einem Bereich des ersten verformbaren elastomeren Elementes (50) und einem gegenüberliegenden Bereich des Körpers (40) angeorneter O-Ring vorhanden ist.

14. Montagekopf (A) nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsmittel (49, 55) Schraubverbindungsmittel sind, die in Öffnungen des Körpers (40) einschraubbar sind.