DE2515116A1

DE2515116A1 - Manometer-pegelnachweisvorrichtung

Info

Publication number: DE2515116A1
Application number: DE19752515116
Authority: DE
Inventors: Robert Frederick Akers
Original assignee: Datagage Systems Inc
Current assignee: Datagage Systems Inc
Priority date: 1974-04-08
Filing date: 1975-04-07
Publication date: 1975-10-16
Also published as: FR2266874A1; BE827684A; IT1034879B; JPS50137565A; AU7985575A; US3908129A

Description

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8 MÜNCHEN 80
Pienzenauerstraße 2

Datagage Systems, Inc.
Fountain Valley, Kalifornien
U. S. A.

"Manometer-Pegelnachweisvorrichtung"

Bekannte Manometer sind zweiarmige, ein Flüssigkeitsvolumen enthaltende Lehren zur Messung der Differenz zweier Flüssigkeitsdrucke. Diese Lehren sind die Standardinstrumente zur Messung kleiner Druckdifferenzen. Die beiden Haupttypen von Manometern sind das Glasrohr-Manometer mit einer durchsichtigen Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, zur Anzeige von Druckdifferenzen; ferner das in einem Gehäuse untergebrachte Quecksilber-Manometer zum Nachweis von Druckdifferenzen oder Flüssigkeitsdurchfluß. Gewöhnlich wird ein Skalenstreifen zwischen den Manome-ter-Armen angebracht.

Es ist bekannt, optische Fühler zum Nachweis von geringen Veränderungen des Pegels der Flüssigkeitssäule im Manometer zu verwenden. Bei diesen bekannten Fühlern wird gewöhnlich

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ein Lichtstrahl durch die Manometer-RÖhre auf eine Photozelle auf der anderen Seite der Röhre gelenkt. Der Lichtstrahl wird von der in der Röhre enthaltenen Flüssigkeit blockiert, es sei denn, die Flüssigkeit fällt unter den zu überwachenden Pegelstand. Diese bekannten Fühler können den Manometer-Pegel nicht nachweisen, wenn eine durchsichtige Flüssigkeit verwendet wird. Außerdem .wird der Betrieb bekannter Fühler meistens durch Streulicht aus der Umgebung beeinträchtigt. Bei bekannten Anordnungen ergaben sich ferner Schwierigkeiten bei der richtigen Anbringung der optischen Fühlereinheit an der Manometer-Röhre, da der geeichte Skalenstreifen zur Ablesung der Manometer-Anzeige räumlich nur schwer anzubringen ist.

Einer der Vorteile der erfindungsgemäßen Fühlereinheit ist es, daß der Betrieb durch UmgebungsStreulicht praktisch nicht beeinflußt wird und daß ein bestimmter Flüssigkeitspegel im Manometer nachgewiesen werden kann, unabhängig davon, ob die Manometer-Flüssigkeit undurchsichtig ist, wie beispielsweise Quecksilber, oder durchsichtig, wie beispielsweise Wasser. Die erfindungsgemäße Fühlereinheit stellt eine optische Nachweisvorrichtung mit einer äußerst geringen Anzahl von Bauteilen dar und kann den Pegel von Manometer-Flüssigkeiten aller Art, d.h. durchsichtige und undurchsichtige Flüssigkeiten, Flüssigkeiten verschiedener Farbe und Dichte, nachweisen. Der Nachweisvorgang ist dabei von dem Umgebungslicht praktisch unbeeinflußbar.

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Die erfindungsgemäße Fühlereinheit ist so ausgebildet und so groß, daß sie leicht an Manometer-Höhren angebracht werden kann und längs denselben auf einen gewissen Pegelstand eingestellt werden kann. Die erfindungsgemäße Fühlereinheit kann deshalb das Manometer auf jeden gewünschten Pegel ablesen und ein elektrisches Signal dann einer an anderer Stelle befindlichen Anzeigevorrichtung oder Alarmvorrichtung zuführen, sobald die Flüssigkeit im Manometer an dem zu überwachenden Pegel vorbeigeht.

Die Lichtquelle in der erfindungsgemäßen Fühlereinheit kann beispielsweise aus einer Licht emittierenden Diode mit einer Linse zur Strahlausbildung bestehen. Die Farbe des auf diese Weise erzeugten Lichtstrahls entspricht vorzugsweise dem roten oder dem nahen infraroten Spektralbereich. Die photoelektrische Nachweisvorrichtung in der erfindungsgemäßen Fühlereinheit kann beispielsweise aus einem Phototransistor bestehen, dessen Ansprechcharakteristik auf einige wenige Winkelgrade beschränkt ist und dessen Anspreehempfindlichkeit auf den roten oder nahen infraroten Spektralbereich beschränkt ist. Die Licht emittierende Diode und der Phototransistor sind in der Fühlereinheit angebracht und werden in ihr in einer bestimmten festen, kritischen Winkelstellung gehalten. Diese Stellung wird so gewählt, daß der Phototransistor optimal auf Änderungen des Lichtpegels anspricht, die von Veränderungen des Brechungswinkels im optischen Weg aufgrund der Manometerflüssigkeit herrühren,

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wenn gebündelte Strahlungsenergie von der Licht emittierenden Diode eingestrahlt wird.

Eine einfache, empfindliche elektronische Nachweisschaltung wird zusammen mit der oben beschriebenen Fühlereinheit verwendet und spricht auf das elektrische Ausgangssignal des Phototransistors an, wobei dann ein elektrisches Ausgangssignal gebildet wird, das der an anderer Stelle befindlichen Anzeige- oder Alarmeinheit zugeführt wird.

Das elektronische System ist so ausgebildet, daß es auf äußerst geringe Änderungen der Brechungsverhältnisse auf dem optischen Weg anspricht. In der im folgenden beschriebenen elektronischen Detektoreinheit werden eine phasenempfindliche Rückkopplungsschaltung, bei der es sich um eine integrierte Schaltung handeln kann, und ein Verstärker verwendet. Die Licht emittierende Diode und der Phototransistor der Fühlereinheit sind in die Rückkopplungsleitung der phasenempfindlichen Schaltung und des Verstärkers eingesetzt, wie weiter unten noch ausführlich beschrieben wird. Die phasenempfindliche Rückkopplungsschaltung, der Verstärker und die zugeordneten Kreise sowie ein geeignete Stromversorgung und ein Steuerrelais können in einem kleinen Gehäuse untergebracht werden, das an der Seite des Manometer-Gehäuses befestigt wird.

Die Tatsache, daß der Phototransistor im roten oder nahen infraroten Spektralbereich anspricht, trägt dazu bei, daß die Nachweisvorrichtungen von der Umgebungsbeleuchtung

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im wesentlichen unabhängig sind. Außerdem ergibt sich zusätzlich ein Schutz gegen Außenbeleuchtung durch den kritischen Winkel, in dem Lichtquelle und lichtempfindlicher Detektor gegenüber der Lichtquelle durch die Pühlereinheit gehalten werden. Die phasenempfindliche Rückkopplungsschaltung und der Verstärker ergeben zusammen mit der Lichtquelle und dem Detektor den größten Beitrag zur Unabhängigkeit der Pühlereinheit von Außenbeleuchtung. Außerdem ist es ein besonderer Vorteil, daß ein Detektor verwendet wird, der eine hohe Ansprechempfindlichkeit auf äußerst geringe Energieänderungen hat, die sich aus dem Fehlen oder der Anwesenheit der Manometer-Plüssigkeit auf dem optischen Weg ergeben.

Pigur 1 ist ein teilweiser Seitenriss einer typischen Manometer-Anordnung mit einer an ihr angebrachten Pühlereinheit und der am Gehäuse montierten Elektronik-Einheit gemäß vorliegender Erfindung.

Pigur 2 ist eine Aufsicht auf die in Pigur 1 dargestellte Pühlereinheit längs der in Pigur 1 mit 2-2 bezeichneten Linie, wobei der Maßstab gegenüber Pigur 1 vergrößert ist.

Pigur 3 ist ein Blockschaltbild der Detektor-Anordnung, die in dem in Pigur 1 dargestellten Gehäuse untergebracht ist.

Pigur 4 ist schließlich die Schaltung des in Pigur 3 dargestellten Detektor-Systems.

Zu der in Pigur 1 dargestellten Manometer-Lehre gehören Gehäuse 1 und vertikales Glasrohr 2. Erfindungsgemäß wird Pühlkopf 3 an Röhre 2 angebracht und kann an ihr nach oben

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bzw. nach, unten auf den gewünschten nachzuweisenden Pegel verschoben und eingestellt werden.

Ein Leitungskabel 4 verbindet das vom Fühlkopf 3 abgegebene Ausgangssignal mit der im Gehäuse 5 untergebrachten Schaltung, wobei das Gehäuse zweckmäßigerweise an der Seite des Gehäuses 1 angebracht wird. Die in Gehäuse 5 untergebrachte Schaltung wird von einer Wechselstromquelle 6 mit Strom versorgt. Die Schaltung liefert ein Ausgangssignal, das an eine akustische oder visuelle Anzeige- bzw. Alarmeinheit 7 angelegt wird.

Bei Kabel 4 kann es sich um ein biegsames vieradriges Kabel von geringem Durchmesser handeln, das eingezogen werden kann. Das Kabel geht durch Manometer-Gehäuse 1 an die in Gehäuse 5 untergebrachte Schaltung. Stromquelle 6 liefert beispielsweise eine Wechselspannung an die im Gehäuse untergebrachte Schaltung, die eine vom Wechselstrom gespeiste, an sich bekannte Gleichstromversorgung umfaßt. In der dargestellten Ausführungsform werden die von der in Gehäuse 5 untergebrachten Schaltung abgegebenen Signale an eine an anderer Stelle befindliche Anzeigeeinheit bzw. Alarmeinheit 7 geführt. Bei Einheit 7 kann es sich beispielsweise um Anzeigelämpchen oder eine elektrisch gespeiste Alarmvorrichtung handeln. Bei Bedarf können die Anzeigelämpchen oder die akustische Alarmvorrichtung direkt am Gehäuse 5 angebracht werden.

Wie aus dem vergrößerten Querschnitt der Figur 2

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ersichtlich., umfaßt Fühlkopf 3 einen Rahmen 10, der zweckmäßigerweise durchsichtig ist und aus einem durchsichtigem Akryl-Kunststoff oder einem anderen geeigneten Material hergestellt werden kann. Rahmen 10 haltert zwei Bretter mit gedruckten Schaltungen 12 und H in einer bestimmten Winkelstellung. Ein Phototransistor 13 ist an gedruckter Schaltung

12 angebracht, während eine Licht emittierende Diode 15 an gedruckter Schaltung 14 befestigt ist. Diese beiden Bauteile sind über geeignete Verbindungen auf den Leiterbrettern an das Kabel 4 angeschlossen. Die Leiterbretter 12 und H dienen damit zur richtigen Befestigung, Einstellung und Verbindung des Phototransistors 13 und der Licht emittierenden Diode

Fühlkopf 3 wird mit der Manometer-Röhre in Berührung gehalten durch zwei in Abständen voneinander angebrachte Federclips, von denen ein Clip 17 dargestellt ist. Dies ermöglicht Einstellung des Fühlkopfs in Vertikalrichtung, ohne daß dabei der Kopf von der Röhre abgenommen werden muß. Der Winkel θ bezeichnet den Winkel zwischen Phototransistor

13 und der Licht emittierenden Diode 15; ein günstiger Wert dieses Winkels ist 144°.

Wie in Figuren 3 und 4 dargestellt, ist Phototransistor 13 an eine phasenempfindliche Rückkopplungsschaltung 106 angeschlossen, die ihrerseits wieder mit der Licht emittierenden Diode 15 über einen Rückkopplungskreis mit Verstärker 104 verbunden ist. Der Ausgang der phasenempfindlichen Rückkopplungsschaltung ist mit einem Relais 109 verbunden, das

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jedes Mal erregt wird, wenn die Flüssigkeit in Manometer-Röhre 2 unter den zu überwachenden Pegel absinkt. Dadurch wird dann Anzeigeeinheit oder Alarmeinheit 7 ausgelöst.

Wie aus Figur 3 ersichtlich, sind die Lichtquelle (beispielsweise die Licht emittierende Diode 15)ι der lichtempfindliche Detektor (beispielsweise der Phototransistor 13) und die phasenempfindliche Rückkopplungsschaltung 106 mit Verstärker 104 in einen geschlossenen Kreis geschaltet. Ein Schwingungssignal von etwa 5 kHz wird von dem phasenempfindlichen Rückkopplungskreis 106 über Verstärker 104 an die Licht emittierende Diode 15 angelegt. Der von Licht emittierender Diode 15 ausgehende, pulsierende Lichtstrahl fällt auf Manometer-Röhre 2 und erreicht Phototransistor 13, in dem das Lichtsignal in ein 5 kHz-Signal zur Einrastung der phasenempfindlichen Rückkopplungsschaltung 106 umgewandelt wird. Solange der eingerastete Zustand erhalten bleibt, bleibt auch Relais 109 geschlossen.

Wenn der Flüssigkeitsspiegel im Manometer einen Punkt erreicht, an dem er auf dem optischen Weg zwischen der Licht emittierenden Diode und dem Phototransistor liegt, ändert sich der Beugungswinkel und dadurch wird die Intensität der von Phototransistor 13 aufgenommenen Energie reduziert. Das umgewandelte Ausgangssignal fällt dann unter den Minimalwert, der benötigt wird, um die eingerastete Lage der Schaltung 106 aufrecht zu erhalten. Dadurch fällt Relais 109 ab. Solange Relais 109 abgefallen bleibt, arbeitet das

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System normal, da die Manometer-Flüssigkeit auf dem gewünschten Pegelstand ist. Wenn jedoch die Manometer-Flüssigkeit absinkt, wodurch der eingerastete Zustand der Schaltung 106 wieder hergestellt wird, wird Relais 109 erregt und dadurch Anzeigeeinheit 7 eingeschaltet.

Die phasenempfindliche Rückkopplungsschaltung 106 besteht aus mehreren Bauteilen, die im wesentlichen einen geschlossenen Servo-Stromkreis mit einem Phasendetektor, einem Tiefpaß-Filter und einem spannungsgesteuerten Oszillator umfassen. Phasenempfindliche Rückkopplungsschaltungen, die in dem in Figuren 3 und 4 dargestellten System verwendet werden können, sind im Handel als integrierte Schaltungen beispielsweise der Type HE567 erhältlich.

In einer Ausführungsform der Erfindung wurde festgestellt, daß eine Zunahme des Flüssigkeitspegels im Manometer um 2,5 mm über den zu überwachenden Pegelstand hinaus ausreichte, um den von der Licht emittierenden Diode 15 ausgesandten Lichtstrahl soweit abzulenken, daß Photοtransistor 13 nicht mehr ausreichend ausgesteuert wurde, sodaß der eingerastete Zustand der phasenabhängigen Schaltung 106 nicht mehr gewährleistet war, was zum Abfall des Relais 109 führte. Sobald dieser Zustand erreicht worden war, reichten Veränderungen der Umgebungsbeleuchtung oder der Netzspannung oder mechanische Schwingungen nicht mehr aus, um den eingerasteten Zustand wieder herzustellen. Wenn andrerseits der Flüssigkeitspegel im Manometer um etwa 2,5 mm unter

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den zu überwachenden Pegelstand absank, wurde die Ansprechschwelle des Phototransistors 13 überschritten und der eingerastete Zustand wurde im Bruchteil einer Sekunde wieder erreicht und damit auch das Relais erregt.

In der vorhandenen Ausführungsform wurde ein FPT-I20-Phototransistor 13 verwendet, während eine Diode des Typs I¹LVI04 als Licht emittierende Diode 15 verwendet wurde.

In der in Figur 4 dargestellten Schaltung wird die in Gehäuse 5 untergebrachte Gleichstromversorgung mit dem von Wechselstromquelle 6 gelieferten Strom betrieben und liefert eine Gleichspannung von 10 Volt an den Leitungen A und B, wobei Leitung B geerdet ist. Der Kollektor des Phototransistors 13 ist direkt mit Leitung A verbunden, während der Emitter durch ein Potentiometer 102 mit der geerdeten Leitung B verbunden ist. Potentiometer 102 hat einen Widerstand von beispielsweise 10 Kiloohm. An den Schleifer des Potentiometers 102 ist über einen Kondensator 103 der Stift 3 der integrierten Schaltung 106 angeschlossen. Kondensator 103 kann eine Kapazität von beispielsweise 0,005 Mikrofarad haben.

Stift 5 der Schaltung 106 ist mit einem Widerstand 104 verbunden, der seinerseits wieder mit Stift 6, der Basis des npn-Transistors 110 und dem geerdeten Kondensator 105 verbunden ist. Widerstand 104 kann beispielsweise 10 Kiloohm haben und der Kondensator 105 eine Kapazität von 0,02 Mikrofarad aufweisen. Bei Transistor 110 kann es sich um die Type 2N3641 handeln.

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Stift 4 der integrierten Schaltung 106 ist direkt mit Leitung A verbunden, während Stift 7 an die geerdete Leitung B gelegt ist. Stift 1 ist mit dem geerdeten Kondensator verbunden, während Stift 8 über die Erregerspule des Relais 109 an Leitung A gelegt ist. Kondensator 107 kann eine Kapazität von 2,0 Mikrofarad haben, Kondensator 108 eine Kapazität von 4,0 Mikrofarad.

Der Kollektor des Transistors 110 ist direkt mit Leitung A verbunden, während der Emitter dieses Transistors mit dem geerdeten Widerstand 111 und der Basis des npn-Transistors 112 verbunden ist. Widerstand 111 kann beispielsweise ein 4,7 0hm Widerstand sein, während Transistor 112 vom Typ 2N3641 ist. Der Kollektor des Transistors 112 ist über einen Widerstand 113 mit Leitung A verbunden, während der Emitter durch Widerstand 115 mit Leitung A verbunden ist. An den Emitter ist ferner der geerdete Widerstand 114 gelegt. Der Wert von Widerstand 113 ist 4,7 Kiloohm, der von Widerstand 114 1 Kiloohm und der von Widerstand 115 1»8 Kiloohm.

Der Kollektor des Transistors 112 ist mit der Basis eines pnp-Transistors 116 verbunden. Der Emitter des Transistors 116 ist direkt mit Leitung A verbunden, während der Kollektor über einen Widerstand 117 an die Anode der Licht emittierenden Diode 15 geschaltet ist, deren Kathode geerdet ist. Bei Transistor 116 handelt es sich um die Type 2N3638, und der Widerstandswert von Widerstand 117 beträgt 62 0hm.

Widerstand 104 und Kondensator 105 bestimmen die Frequenz,

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die unter den angegebenen Bedingungen etwa 5 kHz für die phasenabhängige Rückkopplungsschaltung beträgt. Das Ausgangssignal hat die Form von Rechteckimpulsen und wird von Transistoren 110, 112 und 116 verstärkt, die zusammen den in Figur 5 mit 104 bezeichneten Verstärker bilden. Transistor 116 liefert einen Strom, der stark genug ist, um die Licht emittierende Diode 15 zu betreiben. Die Diode emittiert dann Lichtimpulse mit einer Frequenz von etwa 5 kHz mit einem Tastverhältnis von 50$.

Mit Potentiometer 102 läßt sich die Ansprechempfindlichkeit für das von Phototransistor 13 erhaltene Einrastsignal einstellen. Die entsprechende Einstellung muß beim Einbau der Anordnung vorgenommen werden und darf nicht verändert werden, solange die Manometer-Flüssigkeit unverändert bleibt.

Die Erfindung schafft damit einen neuartigen Detektor zum Nachweis des Pegelstands im Manometer, der mit seiner hohen Empfindlichkeit und Genauigkeit für durchsichtige und undurchsichtige Manometer-Flüssigkeiten jeder Farbe und Dichte geeignet ist. Der erfindungsgemäße Pegelstandsdetektor ist einfach aufgebaut und läßt sich preisgünstig herstellen.

Die Beschreibung bezieht sich auf eine bestimmte Ausführungsform der Erfindung, doch sind im Rahmen der Erfindung Abänderungen möglich. Die folgenden Patentansprüche umfassen die Abänderungen, die im Rahmen der Erfindung vorgenommen werden können.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

O Optische Fühleinheit zum Nachweis des Flüssigkeitspegels in einer durchsichtigen, innen hohlen Röhre mit einer Außenwand mit einem bestimmten Brechungsindex, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle, einen lichtempfindlichen Detektor, ein Kopfteil (Fühlkopf) zur Halterung der Lichtquelle und des Detektors an der Röhre unter einem bestimmten Winkel zueinander, sodaß der Detektor auf Licht anspricht, das von der Lichtquelle ausgehend durch die Röhre fällt und an ihrer Wandung um einen Winkel gebeugt wird, der vom Brechungsindex abhängt.
2. Optische Fühleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine im roten und infraroten Spektralbereich Licht emittierende Diode (15) umfaßt, sowie eine an der Diode angebrachte Linse zur Bündelung der Diodenstrahlung, und daß der lichtempfindliche Detektor aus einem Phototransistor (13) besteht, dessen spektrale Empfindlichkeit ihr Maximum im roten und nahen, infraroten Spektralbereich hat.
3. Optische Fühleinheit nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch am Fühlkopf (3) angebrachte Clips (17) zur Befestigung des Fühlkopfs an der Röhre (2), derart, daß der Fühlkopf (3) längs der Röhre (2) verschoben werden kann.
4. Optische Fühleinheit nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine an den Detektor angeschlossene Elektronikschaltung

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zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignals, das mit dem Ausgangssignal des Detektors in Beziehung steht·
5. Optische Fuhleinheit nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronikschaltung einen an die Lichtquelle zurückgeführten Rüc-kkopplungskreis umfaßt, um ein erregendes Schwingungssignal der Lichtquelle zurückzuführen.
6. Optische lühleinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronikschaltung eine phasenmäßig eingerastete Rückkopplungsschaltung (106) umfaßt.

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