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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen
Füllstandsanzeiger mit unter Druck stehendem,
magnatischen Schwimmer für Behälter, die Flüssigkeiten
unter hohem Druck und/oder bei hoher Temperatur
enthalten.
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Um den Füllstand der in geschlossenen Behältern wie
Tanks, Boilern und dgl. enthaltenen Flüssigkeit
festzustellen, wird in vorteilhafter Weise von
magnetischen Füllstandsanzeigern Gebrauch gemacht,
die einen Schwimmer besitzen, der sich in einem an
seinen beiden Enden mit dem Behälter, dessen
Füllstand angezeigt werden soll, in Verbindung
stehenden rohrförmigen Körper axial bewegt und einen
Permanentmagneten lagert, der so ausgebildet ist,
daß er mehrere magnetische Anzeigedipole
orientiert, deren Lage den Füllstand in dem Behälter
anzeigt.
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Ein Füllstandsanzeiger dieses Typs ist in der
italienischen Patentanmeldung, 24279 A/81 der Anmelder
beschrieben, auf die hier Bezug genommen wird.
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Dieser Füllstandsanzeiger ist in den meisten Fällen
besonders zuverlässig und sicher, da er
insbesondere keine transparenten Bauteile enthält, bei denen
es sich um Bauteile geringerer Gesamtfestigkeit
handelt, und die es häufig schwierig machen, den
vorhandenen Füllstand zu sehen, da in sämtlichen
Fällen die Einheit von außen abgedichtet ist; in
einigen Fällen jedoch, die aufgrund der hohen
Temperatur und des hohen Drucks der Flüssigkeit in
dem Behälter, dessen Füllstand anzuzeigen ist,
besonders problematisch sind, kann auch dieser
Anzeigetyp in einen kritischen Zustand ge-langen.
Der den Magneten lagernde Schwimmer muß in der Lage
sein, unter solchen Bedingungen zu arbeiten, ohne
daß sein Aufbau, der zum Zwecke der
Schwimmfähigkeit sehr leicht ist, durch den äußeren
Druck und die hohe Temperatur beeinträchtigt wird.
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Ein Beispiel für derartige Situationen sind die
zylindrischen Körper von Dampferzeuger-Boilern,
z.B. in thermoelektrischen Anlagen, die mit Wasser
bei einer Temperatur arbeiten, die 370ºC erreichen
kann, was einem Gleichgewichtsdruck von 220 bar bei
einer Wasserdichte von etwa 0,5 g/cm³ entspricht.
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Unter diesen Umständen ist der bauliche Widerstand
eines Schwimmers, der im Hinblick auf die
Wasserdichte sehr leicht sein muß, nicht ausreichend, um
seine Beeinträchtigung als Ergebnis einer durch
äußeren Druck verursachten Instabilität zu
verhindern. Man kann unter Druck stehende Schwimmer
verwenden, das sind Schwimmer mit einem internen
Druck, welcher unter Betriebsbedingungen den
äußeren Druck teilweise ausgleicht, jedoch selbst
solche Schwimmer eignen sich nicht bei extremen
Bedingungen, da sie bis zu einem Wert unter Druck
gesetzt werden müssen, der bei Umgebungstemperatur zu
hoch ist, wenn sie dem Außendruck bei
Arbeitstemperatur wirksam entgegenwirken sollen.
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Es ist ebenfalls möglich, im Inneren des Schwimmers
eine Menge einer verdampfenden Flüssigkeit
vorzusehen,
deren Dampfdruck mit der Temperatur rasch
ansteigt, z.B. die gleiche wie die externe
Flüssigkeit, jedoch muß diese innere Flüssigkeit in extrem
geringen Mengen eingesetzt werden, so daß sie die
Schwimmfähigkeit nicht abträglich beeinflußt. Diese
Schwimmer sind mit dem weiteren Problem behaftet,
daß während der Wärmeübergänge, wenn die Temperatur
im Inneren des Schwimmers sich von der
Außentemperatur des Schwimmers unterscheidet, kein
Gleichgewicht mehr zwischen Innen- und Außendruck vorhanden
ist, was unter diesen Umständen zu einer
Beeinträchtigung des Schwimmeraufbaus führen kann.
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Ein Beispiel für diese Nutzung ist in der DE 21 32
439 gegeben, die eine unter Druck stehende
Schwimmer-Anzeige zeigt, bei der ein den Außendruck
ausgleichender Innendruck vorhanden ist, wobei eine
solche Gleichgewichtsbedingung erhalten wird durch
ein unter Druck stehendes Fluid, welches dasselbe
Fluid ist, dessen Füllstand gemessen werden soll.
Diese Gleichgewichtsbedingungen sind die einzigen
und sicher bei Geschwindigkeit arbeitenden
Bedingungen, wohingegen keine Gleichgewichts-Garantie
für den Übergang gegeben ist, also für eine rasche
äußere Druckerhöhung, bei der der Innendruck
verzögert ist und der Schwimmer brechen kann, sowie
während einer raschen Druckverminderung, bei der
der Innendruck wiederum verzögert ist und der
Schwimmer explodiert.
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Dies führt zu dem Problem der Schaffung eines
Schwimmers für magnetische Füllstandsanzeigen, der
besonders harten Arbeitsbedingungen zu widerstehen
vermag, ohne daß während der Übergangsphasen eine
Beeinträchtigung stattfindet.
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Dies wird erreicht durch die vorliegende Erfindung,
die einen unter Druck stehenden Füllstandsanzeiger
mit magnetischem Schwimmer für Behälter schafft,
die Flüssigkeiten unter hohem Druck und bei hoher
temperatur enthalten, umfassend: einen rohrförmigen
Körper mit vertikaler Achse, welcher endseitig
geschlossen und oben und unten mit dem Behälter (1)
verbunden ist, dessen Flüssigkeitsstand angezeigt
werden soll, und in welchem rohrförmigen Körper
sich ein Schwimmer befindet, der mit einem
Magnetelement versehen ist, das derart ausgebildet ist,
daß es mehrere Dreh-Magnetdipole ausrichtet, die
parallel zu dem rohrförmigen Körper ausgerichtet
sind, wobei der Schwimmer mit inneren
Verstärkungsringen versehen und mittels eines verdampfenden
Gemischs aus zumindest einem wasserlöslichen Gas
und Helium unter Druck gesetzt ist, der Dampfdruck
des Gemischs in dem Schwimmer ansprechend auf
Schwankungen der Temperatur und des Drucks der
Flüssigkeit in dem Behälter variiert, um zumindest
teilweise den Druck außerhalb des Schwimmers
auszugleichen.
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Insbesondere besitzt der Schwimmer einen
zylindrischen Körper mit einer vertikalen Achse mit
halbkugelförmigen Endkappen, wobei die inneren
Verstärkungsringe ziemlich eng nebeneinander liegen und
ein magnetischer Dipol so gelagert ist, daß er frei
um eine vertikale Achse zwischen einem Paar
benachbarter innerer Ringe dreht.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Gemisch
auch eine Menge derselben Flüssigkeit enthalten,
die in dem Behälter enthalten ist, an den die
Anzeige angeschlossen ist, und wenn der Betrieb in
Druckwasser bei hoher Temperatur durchgeführt wird,
wird das in dem Schwimmer enthaltene verdampfende
Gemisch durch eine Menge Wasser gebildet, die in
Lösung ein wasserlösliches, separierbares Gas
enthält, sowie Helium, wobei all dies auf einem
Druck gehalten wird, der höher als der
atmosphärische Druck bei Umgebungstemperatur ist, wobei
speziell das separierbare Gas durch Ammoniak in einem
bevorzugten Verhältnis von etwa 1/200 bis 1/20 des
internen Wasservolumens gebildet wird, welches ein
in Lösung separierbares Gas enthält.
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In einer bevorzugten Anwendung und für den Betrieb
in Verbindung mit Druckwasser bei hoher Temperatur
befindet sich in dem Schwimmer Helium, das bei
Umgebungstempertur einen Druck zwischen 20 und 70
bar hat.
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Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der
nachstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die
begleitenden Zeichnungen. In diesen zeigen:
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Fig. 1 eine teilweise geschnittene Gesamtansicht
einer Füllstandsanzeige mit einem erfindungsgemäßen
Schwimmer;
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Fig. 2 eine Axial-Schnittansicht durch den
Schwimmer gemäß der Erfindung;
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Fig. 3 ein Druck/Temperatur-Diagramm der
Arbeitsbedingungen des Schwimmers.
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Wie Fig. 1 zeigt, wird ein magnetischer
Füllstandsanzeiger, der in Verbindung mit einem geschlossenen
Druckbehälter 1 verwendet wird, der seinerseits
beispielsweise durch den zylindrischen Körper eines
Boilers für die Dampferzeugung gebildet ist, durch
ein rohrförmiges Element mit einer vertikalen Achse
2 ausgebildet, das an seinen Enden geschlossen ist
und über zugehörige, mit während des Betriebs
offenen Sperrventilen 4 ausgestattete Glieder 3 mit
dem Behälter 1 kommuniziert. Innerhalb des
rohrförmigen Elements 2, wo der Flüssigkeitspegel
identisch mit dem innerhalb des damit verbundenen
Behälts 1 ist, befindet sich ein Schwimmer 5, der im
Inneren in der Höhe, mit der er in der Flüssigkeit
schwimmt, mit einem Permanentmagneten ausgestattet
ist. Parallel zu dem rohrförmigen Element 2
befindet sich eine Mehrzahl kleiner Zylinder 6 mit
drehbar gelagerten horizontalen Achsen in einem
zugehörigen Gehäuse 7 und jeweils mit inneren
magnetischen Gliedern ausgestattet, deren Achse quer
zu ihrer Drehachse verlaufen.
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Diese kleinen Zylinder werden durch die Wirkung des
in dem Schwimmer 5 enthaltenen Magneten orientiert,
und anhand der unterschiedlichen Färbung auf ihrer
Oberfläche zeigen sie die Stellung des Schwimmers
und mithin den Füllstand der Flüssigkeit innerhalb
des rohrförmigen Elements 2 und des Behälters 1
an.
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Im Hinblick auf die Verwendung in Behältern, die
unter besonders harten Bedingungen betrieben
werden, d.h. bei hohem Druck und hoher Temperatur, und
insbesondere für den Fall zylindrischer
Boilerkörper, in denen die Flüssigkeit, deren Pegel
festzustellen ist, Wasser ist, welches darüber hinaus
eine ziemlich niedrige Dichte unter diesen
Umständen besitzt, muß der Schwimmer außerdem besonders
gute Festigkeit und Leichtgewichtigkeit besitzen.
Der Aufbau des erfindungsgemäßen Schwimmers, der
dazu ausgelegt ist, mittels seines intern
vorhandenen Drucks den Bedingungen zu widerstehen, die in
der Anlage möglicherweise auftreten, ist in Fig. 2
dargestellt. Der Schwimmer enthält einen
zylindrischen
Körper 8, der an seinen Enden durch
halbkugelförmige Kappen 9 verschlossen und mit inneren
Verstärkungsringen 10 ausgestattet ist.
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Der Magnet 11 befindet sich auf der Schwimmhöhe der
Einheit zwischen zwei Innenringen 10 und wird so
gelagert, daß er um die Längsachse des Schwimmers
quer zu seiner Magnetisierungsachse an zwei, durch
Schweißen mit den Ringen 10 verbundenen Platten 12
dreht.
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Um Schweißungen zu gewährleisten, die eine
vollständig bauliche Festigkeit zwischen dem
zylindrischen Körper und den Ringen 10 gewährleisten, ist
der Körper 8 aus benachbarten zylindrischen
Segmenten zusammengebaut, jedes von der Höhe zwischen
zwei aufeinander folgenden Ringen, die miteinander
und mit den Ringen durch zugehörige Schweißnähte 13
verschweißt sind. Ein Rohr 14 ermöglicht das
Eingeben von Flüssigkeit und Druckgas in das Innere des
Schwimmers, woraufhin der Schwimmer vor seinem
Einsatz verschlossen wird, um die gewünschten
internen Druckbedingungen aufrechtzuerhalten.
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Damit der Schwimmer leicht genug ist, um in einer
Flüssigkeit schwimmen zu können, deren Dichte im
Fall von Druckwasser bei einer Temperatur von
beispielsweise 350-360º einen Wert von angenähert
0,5 g/cm³ aufweisen kann, während gleichzeitig
seine Widerstandsfähigkeit gegenüber dem äußeren
Betriebsdruck gewährleistet ist, besteht er
vorzugsweise aus Titan.
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Der auf diese Weise erhaltene mechanische Aufbau
reicht allerdings nicht aus, den Drücken zu
widerstehen, die unter sämtlichen Temperaturbedingungen
auftreten, so daß das Innere des Schwimmers unter
Druck gesetzt werden muß, um ein Gegengewicht
gegenüber dem Außendruck zu schaffen.
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Der auf den Schwimmer einwirkende Außendruck kann
bewirken, daß eine seiner Wände, die nicht dick
genug sind, einbeult und dadurch eine
Beeinträchtigung des Aufbaus als Resultat elastischer
Instabilität auch bei Belastungen verursacht, die
bedeutend niedriger sind als die für das Material
zulässigen Werte bei Beaufschlagung mit Innendruck.
Deshalb wird die Festigkeit innerhalb des Schwimmers
gewährleistet durch ein unter Druck stehendes
Gasgemisch, welches das Druck-Ungleichgewicht an
diesen Wänden verschiebt oder vermindert.
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Wie in Figur 3 gezeigt ist, ändert sich der Druck
der in dem Behälter, in welchem der Schwimmer
eingesetzt werden soll, enthaltenen Flüssigkeit, d.h.
im vorliegenden Fall des Wassers, nach Maßgabe der
Kurve 15 bei Temperaturschwankungen. Der Druck im
Inneren des Schwimmers muß deshalb diesem äußeren
Druck entgegenwirken, die Schwimmerwände bei
sämtlichen Spannungswerten intakt halten, wobei sowohl
der Innendruck als auch der Außendruck zu
berücksichtigen sind, die im wesentlichen nicht größer
sind als die Sicherheitswerte bei jeder Temperatur
des verwendeten Materials.
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Um den Außendruck zumindest teilweise
auszugleichen, kann ein leicht unter Druck zu setzendes Gas
wie Helium in den Schwimmer eingebracht werden. Mit
zunehmender Temperatur allerdings folgt der
Innendruck im Inneren des Schwimmers einem Verlauf des
Typs, der in Fig. 3 durch die Kurve 16 dargestellt
ist, die entsprechend den Gasgesetzen im
wesentlichen linear ansteigt. Wie man sehen kann, wird
oberhalb eines gewissen Temperaturwerts der
Innendruck, der anfängich größer als der Außendruck ist,
wesentlich niedriger als der Außendruck, wodurch
der Schwimmer der Gefahr einer Beeinträchtigung
durch Einbeulen ausgesetzt ist, während es nicht
möglich ist, den anfänglichen Vordruck des
Schwimmers über einen gewissen Grenzwert anzuheben, damit
die Wände des Schwimmers im Fall geringer
Außendruckwerte nicht übermäßigen Belastungen ausgesetzt
sind.
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Deshalb wird vorgesehen, im Inneren des Schwimmers
eine geringe Menge eines Gemischs zu verwenden,
welches verdampfende Flüssigkeit und ein darin
gelöstes Gas enthält, die insgesamt eine
Dampfdruckkurven-Änderung als Funktion der Temperatur
aufweisen, die sich in der Nähe derjenigen der
Flüssigkeit befindet, in die der Schwimmer eingetaucht
ist, d.h. im vorliegenden Fall Wasser, ohne daß die
zur Erzielung einer adäquaten Kompensation
eingegebene Gemischmenge derart groß ist, daß sich das
Gewicht des Schwimmers übermäßig erhöht.
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Für den Betrieb in Druckwasser, also im Fall von
zylindrischen Boilerkörpern, wird das Gemisch durch
eine Menge Wasser gebildet, in der eine Menge
Ammoniak gelöst ist.
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Die Gesamtmenge des Flüssigkeitsgemischs macht
vorteilhafterweise zwischen 1/200 bis 1/20 des
Innenvolumens aus, wobei Ammoniak in einer
Konzentration von 20 bis 50% vorhanden ist. Das Unter-
Druck-Setzen wird mit Helium bei einem Druck von
zwischen 20 und 70 bar bei Umgebungstemperatur
erreicht.
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Beispielsweise kann bei einem Schwimmer mit einem
Volumen von annähernd 1 Liter und einem Gewicht von
500 g für den Betrieb in Druckwasser bis zu
Temperaturen von 360-380º die Gesamtmenge des
Flüssigkeitsgemischs zwischen 5 und 50 cc liegen, wobei
ein Gemisch von Ammoniak in Wasser mit der oben
angegebenen Konzentration gebildet wird.
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Dieses Gemisch ist derart ausgelegt, daß beim
Übergang von Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck,
d.h. etwa 20º und 1 bar, zu der maximalen
Arbeitstemperatur und dem maximalen Arbeitsdruck, eine
rasche anfängliche Zunahme des Innendrucks aufgrund
des Ammoniakdrucks oberhalb der Lösung bis zu
dessen vollständiger Separierung erreicht wird. Von
dort an gibt es eine progressive Druckzunahme, die
in starkem Maß auf den Dampfdruck des Wassers
zurückzuführen ist, der im wesentlichen gleich der
temperaturabhängigen Druckänderung der äußeren
Flüssigkeit ist, bis der Arbeitsdruck und die
Arbeitstemperatur erreicht sind, entsprechend der
Kurve 17 in Fig. 3, die empirisch ermittelt wurde.
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Wie die Figur zeigt, erhöht sich der durch das in
dem Schwimmer enthaltene Gemisch geschaffene Druck
nicht über einen gewissen Grenzwert, und der Druck
hat einen Verlauf, welcher demjenigen der äußeren
Flüssigkeit gleicht, wie durch die Kurve 15 gezeigt
ist. Der zwischen dem auf dem Schwimmer
einwirkenden Außendruck und dem Innendruck des Schwimmers
selbst vorhandene Wert δ, welcher den
Absolutwert des auf den Schwimmer einwirkenden Außendrucks
repräsentiert, ist derart, daß ihm durch die
verstärkte Schwimmerstruktur widerstanden wird.
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Während des Abkühlens der Einheit bleibt die
Temperatur im Inneren des Schwimmers höher als die
Außentemperatur, und zwar als Ergebnis der
begrenzten Wärmeleitfähigkeit des die Wände des
Schwimmers bildenen Materials.
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Dies bedeutet, daß der Innendruck in dem Schwimmer
höher ist als der Wert im Gleichgewichtszustand und
einer der Kurve 17 ähnelnden Kurve 18 folgt, jedoch
im wesentlichen nach links versetzt ist, d.h. in
Richtung niedrigerer Temperaturwerte.
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Beim Auftreten dieses Phänomens jedoch muß die
Kurve 18 unterhalb der Kurve 19 gehalten werden,
die den Innendruck zeigt, bei welchem das Material
bei Vorhandensein eines Außendrucks nachgibt, der
nach Maßgabe der Kurve 15 bei verschiedenen
Temperaturen schwankt. Das heißt: die Temperatur und
mithin der Innendruck in dem Schwimmer, darf im
Vergleich zu dem Außendruck als Resultat des
Abkühlungs-Wärmeübergangs nicht zu hoch bleiben, da
dies für die bauliche Unversehrtheit des Schwimmers
selbst gefährlich wäre.
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Kurve 20 in Fig. 3 zeigt den Druckwert in dem
Schwimmer entsprechend einer theoretisch
berechneten Streckspannung in dem Material bei nicht
vorhandenem Außendruck.
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Wie Fig. 3 zeigt, kann ein kleiner Schnittbereich
zwischen Kurve 18 und Kurve 19 zulässig sein,
vorausgesetzt, daß seine Größe beschränkt ist. Unter
diesen Bedingungen gibt es eine geringfügige
Dauerverformung des Materials als Ergebnis des
Innendrucks. Allerdings ist diese von kontrollierter
Größe und verursacht, daß der Schwimmer eine Form
annimmt, die widerstandsfähig ist, ohne jedoch zu
Rißbildungen oder dergleichen zu neigen. Diese
Spannung ist in jedem Fall ein Resultat des
Innendrucks
und führt deshalb nicht zu Problemen der
Instabilität und Einbeulung.
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Das erfindungsgemäße Gemisch macht es deshalb
möglich, das Innere des Schwimmers derart unter
Druck zu setzen, daß wenn die Temperatur ansteigt,
ein Innendruck mit einem Verlauf zunimmt, welcher
demjenigen des Außendrucks ähnelt, wodurch die
Wände des Schwimmers im ausgeglichenen Zustand
verbleiben oder in jedem Fall zumindest teilweise
den auf die Wände einwirkenden Druckunterschied
kompensieren, ohne daß zusätzliche Spannungen
aufgrund von Verzögerungen vorhanden sein, mit denen
die internen Zustände mit der Außenumgebung in
Einklang gebracht wird.
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Wenngleich der Schwimmer im einzelnen unter
Bezugnahme auf in Wasser gelöstem Ammoniak beschrieben
wurde, so könnte auch von einer anderen Substanz
Gebrauch gemacht werden, die in Wasser bei
Umgebungstemperatur leicht löslich ist, und die
deshalb sich rasch bei zunehmender Temperatur
separiert, um einer gewünschten Druckzunahme nach
Maßgabe eines Gesetzes zu führen, welches unter
sämtlichen Bedingungen eine Kompensation des
Außendrucks sicherstellt, um die Wände des Schwimmers in
einem widerstandsfähigen Zustand zu halten.
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Obschon der Schwimmer unter Bezugnahme auf seinem
Einsatz in Wasser bei hoher Temperatur und hohem
Druck beschrieben wurde, kann der Schwimmer auch in
anderen Flüssigkeiten eingesetzt werden. Das
verdampfende Gemisch, welches er enthält, sollte für
diesen Zweck so ausgewählt werden, daß die
gewünschte Gesetzmäßigkeit der Innendruckänderung
gewährleistet ist.