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Schaltungseinrichtung für die photoelektrische Abtastung
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eines Flüssigkeitsstandes Die Erfindung betrifft eine elektronische
Schaltungseinrichtung zur photoelektrischen Abtastung eines Flüssigkeitsstandes
in lichtdurchlässigen Kapillarrohren. Sie besteht im Prinzip aus einer Lichtschranke
und einer Schaltung zur Erkennung des beim Durchgang der Flüssigkeitssäule durch
die Lichtschranke auftretenden Signales.
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Photoelektrische Abtastvorrichtungen mit nachgeschalteter Schaltelektronik
zur Erfassung von Flüssigkeitsständen in lichtdurchlässigen Kapillarrohren, vor
allem zur Automatisierung von Kapillarviskosimetern nach Ubbelohde, Ostwald und
Cannon-Fenske sind bekannt. Diese Abtastvorrichtungen arbeiten entweder nach dem
Prinzip der Abdunklung und/oder Aufhellung oder sie erfassen den Meniskusdurchgang
oder sie verwenden das Reflexions-bzw. Streulichtprinzip.
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Das Meßprinzip der Abdunklung erfaßt nur lichtundurchlässige bzw.
lichtabsorbierende Flüssigkeiten, während das Meßprinzip der Aufhellung nur für
klare Flüssigkeiten anwendbar ist, die in der Kapillare die Wirkung einer Zylinderlinse
haben. Nachteilig ist jedoch, daß z.B.
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in Verbindung mit gegebenen Kapillardimensionen nicht alle Flüssigkeiten
einen Abdunklungs- oder Aufhelleffekt zeigen. Das in Chemie-Ingenieur-Technik 42.
Jahrgang, Heft 20 (1977), Seite 1274 bis 1278 beschriebene Gerät arbeitet nach dem
Meßprinzip der Abdunklung oder Aufhellung. Von Nachteil ist hier außerdem noch,
daß vor der Abtastung feststehen muß, ob die Flüssigkeit abgedunkelt oder aufhellt.
Außerdem müssen die Arbeitspunkte der Lichtschranken manuell einjustiert werden.
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Die häufigste Anwendung findet das Prinzip der Meniskusabtastung (Zeitschrift
Chemie-Ingenieur-Technik, 31.
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Jahrgang 1959, Nr. 8, Seite 525 bis 526; J. SCI. Instrum Vol. 42,
Seite 751 bis 752). Durchläuft der Flüssigkeitsmeniskus die photoelektrische Abtastung,
so wird das Licht gestreut und man erhält einen Dunkelimpuls. Auch dieses Abtastverfahren
hat den Nachteil, daß es nicht universell einsetzbar ist, da nicht alle Flüssigkeiten
in Kapillarrohren einen Meniskus ausbilden, der den notwendigen Effekt liefert.
Besonders störend kann sich hier u.a. ein statischer Druck oder ein Vakuum auf der
Flüssigkeitssäule auswirken.
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Das Reflexions- bzw. Streulichtprinzip zur photoelektrischen Abtastung
von Flüssigkeitsständen in Kapillarrohren spielt eine untergeordnete Rolle, da es
von der Ausführung
der photoelektrischen Abtastung ler cjesehen
kritisch und aufwendiger ist (Ein- und Ausstrahlung unter einem bestimmten Winkel)
und außerdem eine Abhängigkeit von der Art der Flüssigkeit und der Form der Flüssigkeitsoberfläche
besteht.
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Es sind elektronische Schaltungseinrichtungon bekannt, die das bei
der Abtastung anfallende statische photoelektrische Signal zur Weiterverarbeitung
direkt verwerten, oder elektronisch differenzieren. Von Vorteil ist bei letztgenannter
Ausführung das weitgehende Ajsschalten von langsamen Drifterscheinungen (Lampenalterungen,
Verschmutzungen usw.) und die einfache Signalauswertung in elektronischen Zähleinrichtungen.
Nachteilig ist jedoch der notwendige Kompromiß zwischen der Systemzeitkonstanten
- d.h. Festlegung der Abtastschwelle für das differenzierte Signal - und der zeitlichen
Standhöhenäderung der Flüssigkeit beim Passieren der photoelektrischen Abtastung.
Außerdem können kurzzeitige optische Fehlersignale, bedingt durch Luftblasen, Schlieren
oder Schmutzteilchen nicht von Meßsignalen unterschieden werden.
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Es ist außerdem Stand der Technik, durch entsprechende Schaltungen
den Arbeitspunkt der photoelektrischen Abtastung automatisch auf einen Sollwert
abzugleichen und damit obengenannte langsame Drifterscheinungen auszukompensieren
Unabhängig vom verwendeten Meßprinzip haben alle bekannten photoelektrischen Abtastvorrichtungen
mit nachgeschalteter Schaltelektronik zur Messung von Flüssigkeitsständen in lichtdurchlässigen
Kapillarrohren dann Nach-
teile oder versagen, wenn Flüssigkeitsstände
hochviskoser dunkler Flassigkeiten erfaßt werden sollen, die beim Ablauf einen bleibenden
Film auf der Kapillarwand hinterlassen, der den Meßeffekt stark herabsetzt. Dieser
Effekt tritt z.B. bei der Viskositätsmessung von dunklen hochviskosen Ölen in Kapillarviskosimetern
auf.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die elektronische Signalauswertung
bei der eingangs beschriebenen Lichtschrankenanordnung so zu verbessern, daß der
Durchgang der Flüssigkeitssäule durch die Lichtschranke unabhängig von den optischen
Eigenschaften der Flüssigkeiten (durchsichtig, undurchsichtig) und der Viskosität
der Flüssigkeiten (niedrigviskos, hozhviskos) zuverlässig und reproduzierbar erkannt
wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schaltung
zur Signalerkennung folgende Merkmale aufweist: a) Der Photoempfänger der Lichtschranke
steht mit einem elektronischen Speicher in Verbindung, in dem jeweils das vor dem
Durchgang des Flüssigkeitsspiegels durch die Lichtschranke anstehende Signal Uo
abgespeichert wird.
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b) Die Eingangsspannung und die Ausgangsspannung des Speichers werden
einem Spannungskomparator zugeführt, der ein digitales Signal (0,1) abgibt, wenn
die Differenz Uv - Uo zwischen dem beim Durchgang des Flüssigkeitsspiegels durch
die Lichtschranke am Speichereingang auftretenden Ansprechsignals Uv und dem abgespeicherten
Signal Uo am Speicherausgang einen vorgegebenen Minimalwert überschreitet.
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Die Schaltung zur Signalerkennung erfaßt also nur die Änderung des
Photoempfängersignals gegenüber dem jeweils vor dem Durchgang der Flüssigkeitssäule
durch die Lichtschranke abgespeicherten Photoempfängersignal. Aufgrund dieser Differenzmessung
ist die Erkennung unabhängig davon, ob die Signaländerung negativ oder positiv von
einer Abdunklung oder Aufhellung, von einem Dunkelimpuls nach dem Miniskuseffekt
oder einem Hellimpuls nach dem Reflexions- oder Streulichtprinzip herrührt. Die
elektronische Signalerkennung an der Lichtschranke beruht hier auf einem Vergleich
der Photoempfängersignale vor und nach dem Durchgang der Flüssigkeitssäule durch
die Lichtschranke; d.h. das vor dem Durchgang der Flüssigkeitssäule anstehende Signal
wird als Referenzsignal benutzt.
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Vorteilhaft wird der Vergleich der beiden Signale innerhalb kurzer
Zeit mehrere Male wiederholt,um kurzzeitige optische Fehlsignale, bedingt durch
Luftblasen, Schlieren oder Schmutzteilchen von dem echten Meßsignal logisch zu unterscheiden.
Zu diesem Zweck ist der Spannungskomparator mit einer Steuerlogik verbunden, die
den Komparator kurz nacheinander mehrere Male abt ragt und erst dann ein Steuersignal
abgibt, wenn bei jeder Abfrage der gleiche Status erhalten wird.
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Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung werden die Nachteile
der bekannten Vorrichtung bezüglich der Abtastung von Flüssigkeitsständen hochviskoser
dunkler Flüssigkeiten, die beim Auslauf einen Film auf der Kapillarwand nachziehen,
dadurch vermieden, daß die Steuer-
logik automatisch die Intensität
der Lichtquelle durch Nachstellen der Lampenspannung erhöht, wenn der Absolutwert
der Spannung am Photodetektor einen bei gefüllter Kapillare vorgewählten Wert unterschreitet.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Signalverarbeitung bestehen darin,
daß der Durchgang einer Flüssigkeitssäule durch die an einem lichtdurchlässigen
Kapillarrohr angebrachte Lichtschranke unabhängig von den optischen Eigenschaften
und der Viskosität der Flüssigkeit zuverlässig und fehlerfrei erkannt wird. Die
Abtastung ist also unabhängig davon, ob es sich um eine durchsichtige, undurchsichtige,
trübe oder eingefärbte Flüssigkeit handelt.
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Insbesondere wird auch die bisher problematische Abtastung einer hochviskosen
dunklen Flüssigkeit, z.B. Altöl, die einen dunklen Film auf der Kapillarrohrinnenwand
hinterläßt, einwandfrei beherrscht. Außerdem wird die Sicherheit der Abtastung durch
Alterungserscheinungen der Lichtquelle, sowie durch permanente Verschmutzungen in
den Kapillarrohren praktisch nicht beeinflußt.
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Die neue Abtasteinrichtung hat sich vor allem bei automatisierten
Kapillarviskosimetern für den Routinebetrieb bewährt. Da solche Viskosimeter auf
der Messung der Auslaufzeit für ein bestimmtes Flüssigkeitsvolumen beruhen, ist
die Signalerkennung an der Lichtschranke beim Durchgang der Flüssigkeit von entscheidender
Bedeutung.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer
Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen Figur 1 das Herzstück eines Kapillarviskosimeters
mit Lichtschranken am oberen und unteren Ende des Meßvolumens und Figur 2 die elektronische
Schaltung zur Auswertung der Lichtschrankensignale.
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Die Meßzelle eines Kapillarviskosimeters besteht gemäß Figur 1 aus
einer Glaskapillaren 1 mit einem Meßvolumen 2. Die Glaskapillaren haben normalerweise
einen Innendurchmesser von 2 bis 5 mm. Das Meßvolumen 2 ist durch die beiden Lichtschrankenelemente
3 und 4 definiert. Sie bestehen jeweils aus einer Lichtquelle 5 und 6 und Photoempfängern
7 und 8. Das Kapillarrohr 1 geht nach unten in die Meßkapillare 9 des Kapillarviskosimeters
über. Das Volumen 2 des Kapillarviskosimeters wird von unten her durch die Meßkapillare
9 und das anschließende Kapillarrohr 1 mit Flüssigkeit 10 gefüllt.
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Dabei durchläuft der Flüssigkeitsspiegel 1Oa die untere Lichtschranke
3 und bewirkt eine Lichtintensitätsänderung am Photoempfänger 8. Beim weiteren Füllen
des Volumens 2 passiert im Kapillarrohr 1 der Flüssigkeitsspiegel 10a die obere
Lichtschranke 4 und bewirkt eine Lichtintensitätsänderung am Photoempfänger 7. Entsprechende
Lichtintensitätsänderungen erhält man auch beim Ausfließen der Flüssigkeit 10 aus
dem Volumen 2.
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Figur 2 zeigt das Schaltungsprinzip zur Erfassung und
Auswertung
der von den Photoempfängern7 bzw. 8 erzeugten elektrischen Signale. In den Verstärkern
11, 12 werden die Lichtsignale in zur Beleuchtungsstärke proportionale analoge Signale
13,14 umgesetzt. Über einen steuerbaren Eingangswahlschalter 15 wird das jeweils
zu erfassende Analogsignal 13,14 einer Auswerteschaltung zugeführt. Die Auswerteschaltung
besteht aus einem Analogspeicher 16 und einem Spannungskomparator 17. Mit dem Steuersignal
18 kann der Analogspeicher 16 gelöscht oder gesetzt werden.
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Wird der Analogspeicher 16 durch die Steuerlogik 24 gelöscht, so ist
das analoge Speicher-Eingangssignal 19 gleich dem Speicher-Ausgangssignal 20. Wird
der Analogspeicher 16 gesetzt, so entspricht das Speicher-Ausgangssignal 20 dem
zum Zeitpunkt des Setzens anstehenden Speicher-Eingangssignal 19 und nachfolgende
Speicher-Eingangssignale 19 haben keinen Einfluß mehr auf das Speicher-Ausgangssignal
20. Der Spannungskomparator 17 hat die Signaleingänge 21 und 22 und den Logikstatusausgang
23. Sind die Pegel an den Signaleingängen 21 und 22 gleich, so nimmt der Logikstatusausgang
23 den Zustand "O" an. Sind die Pegel an den Signaleingängen 21 und 22 unterschiedlich,
so nimmt der Logikstatusausgang 23 den Zustand 1 an. Der Spannungskomparater 17
ist so aufgebaut, daß erst eine vorgegebene Minimalpegeldifferenz, z.B. Uv-Uo 5
0,5 V, an den Signaleingängen 21 und 22 einen Logikzustandswechsel von Noll nach
1 am Logikstatusausgang 23 bewirkt. Der Logikstatusausgang 23 wird von der Steuerlogik
24 abgefragt und zur Steuerung des automatisierten Kapillarviskosimeters genutzt.
Hierbei werden der Eingangswahlschalter 15, der Analogspeicher 16 und der Spannungskomparater
17 über Steuersignalleitungen 25 mit der Steuerlogik 24, gekoppelt.
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Der Abtastvorgang beim Durchgang der Flüssigkeitssäule läuft in folgender
Weise ab: Zu Beginn des Abtastvorganges sei das Kapillarrohr 1 leer.
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Über den Eingangswahlschalter 15 ist der Verstärker 12 der unteren
Lichtschranke 3 mit der Auswerteschaltung verbunden. Der Analogspeicher 16 wird
mit dem Steuersignal 18 gelöscht. Damit sind die Signalpegel 21 und 22 gleich und
der Logikstatusausgang 23 zeigt "O" an.
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Ist eine Signaländerung von derchtschranke 3 zu erwarten -bedingt
durch den von der Steuerlogik besonr.enen Füllvorgang des Kapillarviskosimeters
- so wird mit dem Steuersignal 18 der Analogspeicher 16 gesetzt. Damit wird das
zum Zeitpunkt des Setzens der Beleuchtungsstärke des Photoempfängers 8 entsprechende
Analogsignal 14 im Analogspeicher 16 gespeichert und steht fest am Signaleingang
22 des Spannungs-Komparators 17 an. Steigt jetzt der Flüssigkeitsspiegel 10a im
Kapillarrohr 1 in die Lichtschranke 3, so ändert sich das Analogsignal 14 positiv
oder negativ und es tritt eine Pegeländerung Uv - Uo am Signaleingang 21 des Spannungskomparators
17 ein. Bei Überschreiten der vorgegebenen Minimalpegeldifferenz am Spannungskomparator
17 wechselt der Logikstatusausgang 23 von "O" auf "1". Dieses Logiksignal an 23
bedeutet für die folgende Steuerlogik 24 das Ansprechen der Lichtschranke 3. Es
steht zeitlich so lange an, wie die Minimalpegeldifferenz Uv - UO an den Signaleingängen
21,22 des Spannungskomparators 17 gegeben ist. Für Flüssigkeiten, die nur den Meniskuseffekt
zeigen, steht das Logiksignal "1" an 23 nur für die Zeit des Meniskusdurchganges
durch die Lichtschranke 3 an. Bei Flüssigkeiten mit Aufhellungs-
oder
Abdunklungseffekt steht an 23 das Logiksignal "1" so lange an, wie das Kapillarrohr
1 im Lichtschrankenbereich mit der Flüssigkeit 10 gefüllt ist. Durch wiederholtes
Abfragen des Logikstatusausganges 23 auf den Signalzustand lassen sich kurzzeitige
Ansprechsignale der Lichtschranke 3, bedingt durch Luftblasen, Schlieren oder Schmutzteilchen
durch logischen Vergleich mit dem zeitlichen Verhalten eines normalen Lichtschranken-Ansprechsignales
als Störungen erkennen und entsprechend ausschalten. Die wiederholte Abfrage des
Spannungskomparators 17 durch die Steuerlogik 24 erfolgt z.B. dreimal hintereinander
mit einem Abstand von einer Zehntel Sekunde. Die Steuerlogik erzeugt erst dann ein
Steuersignal, wenn bei allen 3 Abfragen der Status 11111 erhalten wird. Ist das
Ansprechsignal am Logikstatusausgang 23 von der Steuer logik 24 als Durchgang des
Flüssigkeitsspiegels 10a im Lichtschrankenbereich erkannt, so wird der Analogspeicher
16 wieder gelöst. Danach wird von der Steuerlogik 24 über den Eingangswahlschalter
15 die obere Lichtschranke 4 mit dem Analogsignal 13 angewählt und wie für die untere
Lichtschranke 3 beschrieben, beim FUllvorgang abgefragt.
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Die beschriebene Flüssigkeitsabtastung gilt für die Füllung des Kapillarviskosimeters
von unten durch die Meßkapillare 9, das Kapillarrohr 1 und das Volumen 2. Beim Ausfließen
der Flüssigkeit 10 aus dem Kapillarviskosimeter läuft der Lichtschranken-Abtastvorgang
in gleicher Weise ab, jedoch wird der Analogspeicher 16 bei gefülltem Kapillarrohr
1 gesetzt. Dieser gespeicherte Analogwert kann abhängig von den optischen Eigenschaften
der Flüssigkeit 10 höher oder niedriger als bei der leeren Abtastkapillare 1 sein.
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Nach dem Füllvorgang, d.h. beim gefülltem Kapillarrohr 1 wird das
Analogsignal 14 über den Eingangswahlschalter 15 an den Signaleingang 21 des Spannungskomparators
17 geschaltet, dort mit einem fest vorgegebenen Minimal-Referenzpegel verglichen
und als Signal am Logikstatusausgang 23 ausgegeben. Wird der Minimal-Referenzpegel
unterschritten - dies ist z.B. bei abdunkelnden Flüssigkeiten der Fall - so wird
über die Steuerlogik 24 die Intensität der Lichtquellen 5 und 6 durch Erhöhung der
Lampenspannung gesteigert.
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Es ist denkbar, den in Figur 2 dargestellten Analogspeicher 16 und
den Spannungskomparator 17 durch entsprechende digitale Schaltungen zu ersetzen.
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