DE3539308C2

DE3539308C2 -

Info

Publication number: DE3539308C2
Application number: DE19853539308
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. 7000 Stuttgart De Ruhrmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-05-09
Filing date: 1985-11-06
Publication date: 1989-07-27
Also published as: DE3539308A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zum Messen des Füllstandes einer Flüssigkeit mit einem lichtdurchlässigen Rohr, das mit einem verschlossenen Ende in die Flüssigkeit derart eintaucht, daß eine im Rohr vorgesehene längliche Lichtquelle sich sowohl oberhalb als auch unterhalb eines zu messenden Füllstandes der Flüssigkeit erstreckt und im Bereich des aus der Flüssigkeit herausweisenden Endes des Rohres ein fotoempfindliches Element vorgesehen ist, das ein dem Füllstand der Flüssigkeit ent sprechendes Signal erzeugt, wobei

a) die längliche Lichtquelle von einem optisch leitenden Referenzmedium, vorzugsweise einer Referenzflüssigkeit allseitig umgeben ist, das eine optische Brechzahl aufweist, die kleiner oder gleich einer Brechzahl der zu messenden Flüssigkeit ist,
b) Lichtstrahlen unter einem Winkel zur Längsachse der länglichen Lichtquelle über die Länge des Rohres in die Referenzflüssigkeit eintreten, derart, daß die Lichtstrahlen an der Grenzfläche der Referenzflüssigkeit und der Flüssigkeit gebrochen und über dem Flüssig keitsspiegel an der Grenzfläche zum benachbarten Medium zumindest teilweise totalreflektiert werden, und
c) das fotoempfindliche Element in die von der Flüssigkeit weg weisende Endfläche des Rohres eingebaut ist.

Ein derartiger Sensor ist Gegenstand des Hauptpatents 34 17 023.

Aus der DE-OS 16 48 103 ist ein Sensor zum Messen des Füll standes einer Flüssigkeit mit einem lichtdurchlässigen Rohr bekannt, das mit einem verschlossenen Ende in die Flüssigkeit derart eintaucht, daß eine im Rohr vorgesehene längliche Lichtquelle sich sowohl oberhalb als auch unterhalb eines zu messenden Füllstandes der Flüssigkeit erstreckt und im Bereich des aus der Flüssigkeit herausweisenden Endes des Rohres ein fotoempfindliches Element vorgesehen ist, das ein dem Füllstand der Flüssigkeit entsprechendes Signal erzeugt.

Bei dem bekannten Sensor befinden sich einzelne Lichtquellen übereinander in dem Rohr, das mit einem Gas gefüllt ist und die Lichtquellen sind jeweils einzelnen Reflektoren zugeordnet, die sich in der das Rohr umgebenden Flüssigkeit befinden. Der einzelne Reflektor reflektiert die ihm zugeordnete Strahlung der Lichtquelle nur dann, wenn sich der Reflektor oberhalb eines zu kontrollierenden Flüssigkeitsspiegels befindet. Die reflektierten Strahlen treffen auf ein strahlenempfindliches Schauzeichen. Über die Vielzahl von Lichtquellen und Reflek toren, die in unterschiedlichen Höhen in den Sensor eingebaut werden, können unterschiedliche Flüssigkeitsstände der Flüssig keit diskret erfaßt werden.

Der bekannte Sensor hat dabei den Nachteil, daß eine quasi kontinuierliche Veränderung des Flüssigkeitsspiegels nicht erfaßt werden kann. Jeder Füllstandshöhe muß nämlich neben einer Lichtquelle auch ein Reflektorstab zugeordnet werden. Der Sensor kann auch in kleinen Behältern für die Erfassung des Flüssigkeitsspiegels nicht mehr eingesetzt werden.

Aus der DE-PS 10 52 700 ist ein fotoelektrischer Flüssigkeits standsanzeiger bekannt, der ein bestimmtes Flüssigkeitsniveau eines durchsichtigen Standrohres anzeigt. Dabei ist zwischen einem Lichtsensor und einem Lichtempfänger ein durchsichtiges Standrohr angebracht. Die von der Lichtquelle ausgehenden Strahlen werden derart durch das Glasrohr abgelenkt, daß sie nur bei einem bestimmten Flüssigkeitsniveau den Lichtempfänger erreicht. Diese Flüssigkeitsstandanzeige eignet sich für eine bestimmte Füllstandsregelung, aber nicht für die Anzeige einer unterschiedlichen Höhe eines Flüssigkeitsspiegels.

Aus der DE-AS 12 53 472 ist ein Verfahren zur fotoelektrischen Messung von transparenten und nicht transparenten Medien bekannt geworden. Die fotoelektrische Kontrolle eines Flüssigkeits standes wird durch die Anordnung eines Lichtwerfers und eines Lichtempfängers beidseitig eines durchstrahlbaren Behälters erzielt. Ist in der Position des Lichtwerfers der Behälter frei von Flüssigkeit, so wird der von ihm ausgehende Lichtstrahl an einer Eintrittswandung in den Behälter und an einer Aus trittswandung aus dem Behälter abgelenkt. Der Lichtempfänger wird so positioniert, daß er von dem zweimal abgelenkten Lichtstrahl getroffen wird und eine Leerkontrolle signalisiert. Ist nun in der Position des Lichtwerfers der Behälter mit Flüssigkeit gefüllt, so wird bedingt durch die Brechzahl der Flüssigkeit der Lichtstrahl durch den Lichtempfänger nicht erfaßt und ein Füllstand wird signalisiert.

Diese Kontrollvorrichtung hat dabei den Nachteil, daß sie nur an durchstrahlbaren Behältern einsetzbar ist. Ferner muß bei Flüssigkeiten unterschiedlicher Brechzahl eine aufwendige Justierung zwischen Lichtwerfer und Lichtempfänger durchgeführt werden. Eine weitere Gefahr einer Fehlmessung kann dadurch entstehen, daß durch Verschmutzung der Behälteraußenwand Fehlsignale entstehen.

In der DE-AS 11 19 532 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Standmessung in Glasrohren mittels Fotozelle beschrieben. Eine Vorrichtungseinheit wird an einen durchstrahlbaren Behälter auf seinen Außenseiten in der Weise angebracht, daß auf einer Behälterseite unter einem bestimmten Winkel eine Lichtquelle und eine Fotozelle in der Vorrichtung untergebracht sind und auf der gegenüberliegenden Behälterseite die Vorrichtung einen Reflexionsspiegel aufweist. Von der Lichtquelle ausgehende Strahlen werden von dem Reflexionsspiegel abgelenkt und der Fotozelle nur dann zugeführt, wenn zwischen der Fotozelle und dem Reflexionsspiegel eine Flüssigkeitssäule steht. Diese Vorrichtung ist nicht zum kontinuierlichen Erfassen eines sich verändernden Flüssigkeitsspiegels geeignet.

Schließlich ist aus der US-PS 38 34 235 eine Kontrollvorrichtung für die Füllstandshöhe einer Flüssigkeit bekannt, bei der eine Lichtquelle auf ein Prisma strahlt. Ist das Prisma von einer gasförmigen Atmosphäre umgeben, so werden die Licht strahlen entsprechend ihrer Einfallwinkel reflektiert und einem lichtempfindlichen Element zugeführt. Taucht das Prisma in eine Flüssigkeit ein, so treten die Lichtstrahlen mindestens teilweise aus dem Prisma in die Flüssigkeit, und eine Signal veränderung des lichtempfindlichen Elements zeigt eine Zustands veränderung an.

Diese Kontrollvorrichtung eignet sich nur zum Erkennen von Füllstands-Grenzwerten, nicht jedoch zum kontinuierlichen Erfassen eines Füllstandes, d. h. zum Erzeugen eines dem Füll stand entsprechenden kontinuierlichen Analogwertes.

Der Lehre des Hauptpatents 34 17 023 liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor, wie er aus der eingangs erläuterten DE-OS 16 48 103 bekannt ist, dahingehend weiterzubilden, daß bei minimalem Aufwand eine kontinuierliche Erfassung des Füllstandes durch Erzeugen eines sich kontinuierlich ändernden Analogwertes bei einer Vielzahl von Flüssigkeiten unterschiedlicher optischer Leitfähigkeit möglich wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt dieselbe Aufgabe zugrunde, jedoch soll es zusätzlich möglich sein, der länglichen Licht quelle alternativ ein Meßlicht von oben oder von unten zuzu führen.

Diese sich gesamthaft ergebende Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Lichtquelle einen länglichen, licht durchlässigen Körper aufweist, der von einer Stirnseite mit Licht beaufschlagt wird, wobei der Körper Stellen zum Streuen des eingestrahlten Lichtes oder zum Erzeugen von durch das Licht induziertem Sekundärlicht aufweist.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird damit vollkommen gelöst, weil durch die Streuung des eingestrahl ten Lichtes bzw. das Erzeugen von Sekundärlicht eine gleich mäßige Lichtabstrahlung im gesamten länglichen Körper er reicht wird, und zwar in alle Richtungen, während es bei einem an seiner Oberfläche verletzten Lichtleiter nur möglich ist, das an den Verletzungsstellen austretende Licht "nach vorne" abzustrahlen und bei mehreren an einem Stab befindlichen elektrischen Lichtquellen, wie sie auch beim gat tungsbildenden Stand der Technik vorgesehen sind, einen relativ hohen Aufwand mit mehreren Stromzuführungen für parallelgeschaltete Leuchten erfordet, da eine Reihenschal tung wegen des Totalausfalls des Sensors bei Ausfall nur einer Leuchte ausscheidet.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Körper ein Glas stab oder eine Glasfaser mit eingebrachten Streuzentren.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß der Körper mit an sich bekannten Mitteln reproduzierbar und mit stabilen Langzeit eigenschaften hergestellt werden kann, beispielsweise durch Bestrahlung eines Glases mit hochenergetischen Strahlen, die im Kristallgefüge des Körpers Fehlstellen in Gestalt soge nannter "Streuzentren" bzw. "Farbzentren" erzeugen.

Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist der Körper ein Kunststoff stab mit eingebrachten Fluoreszenzzentren.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß in der bereits erwähnten Weise Sekundärlicht vom eingestrahlten Meßlicht erzeugt wird, und zwar ebenfalls mit industriell vorgebbaren physi kalischen und langzeitbeständigen Eigenschaften.

Schließlich ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung bevorzugt, bei der der Körper eine in einem Glasrohr ange ordnete Säule einer flüssigen Suspension ist.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß auch durch Einstellen der Konzentration der Suspension definierte Verhältnisse eingestellt werden können, wobei Konzentration und Art der suspendierten Schwebeteilchen in geeigneter Weise vorgewählt werden können, so daß sich der bekannte Tyndall-Effekt durch Streuung des eingestrahlten Meßlichtes an den suspendierten Schwebeteilchen ergibt.

Das letztgenannte Ausführungsbeispiel eröffnet insbesondere in besonders vorteilhafter Weise die Möglichkeit, die Refe renzflüssigkeit selbst als Suspension auszubilden, so daß sich ein besonders einfacher Aufbau des erfindungsgemäßen Sensors ergibt.

Schließlich ist noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung bevorzugt, bei dem am freien Ende des Körpers ein weiteres fotoempfindliches Element angeordnet ist.

Diese Maßnahme hat den besonderen Vorteil, daß das am freien Ende des Körpers austretende Restlicht, das nicht in die Referenzflüssigkeit bzw. die Meßflüssigkeit ausgetragen ist, als Referenzlicht verwendet werden kann, so daß in einer geeigneten Auswertungsschaltung, beispielsweise einem Quotientenbildner, ein Meßwert als Quotient aus Meßlicht und Referenzlicht erzeugt werden kann, in den Alterungserschei nungen im optischen System nicht eingehen.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Darstellung im Schnitt eines ersten Ausfüh rungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensors in einem Behälter;

Fig. 2 eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbei spiels eines erfindungsgemäßen Sensors mit einer in einem weiteren Glasrohr eingeschlossenen Suspen sion;

Fig. 3 eine Darstellung wie Fig. 2, jedoch für ein weite res Ausführungsbeispiel, bei dem eine Referenzflüs sigkeit selbst als Suspension ausgebildet ist;

Fig. 4 einen weiteren Ausschnitt aus einer Darstellung gemäß Fig. 2 oder 3, jedoch für ein weiteres Aus führungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine Refe renzbildung möglich ist.

In Fig. 1 ist mit 10 ein Behälter in abgebrochener Darstel lung angedeutet, in dem sich eine Flüssigkeit 11 mit einem Füllstand 12 befindet. Ein Sensor 13 taucht teilweise in die Flüssigkeit 11 ein. Er weist ein Glasrohr 14 auf, in dem sich eine Referenzflüssigkeit 15, beispielsweise Wasser, befindet. Es versteht sich jedoch, daß auch andere Referenz flüssigkeiten oder optisch leitende Referenzmedien Verwen dung finden können, die der jeweils zu messenden Flüssigkeit im Brechungsindex angepaßt werden können.

Wichtig ist jedoch, daß die optische Brechzahl n ₁ der Referenzflüssigkeit 15 kleiner oder gleich ist wie die optische Brechzahl n ₂ der Flüssigkeit 11.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist angenommen, daß sich oberhalb der Flüssigkeit 11 Luft befindet. Es kann dort jedoch auch ein anderes gasförmiges oder flüssiges Medium angeordnet sein, und der erfindungsgemäße Sensor ist so lange funktionsfähig, wie die optische Brechzahl n ₃ dieses oberhalb der Flüssigkeit 11 angeordneten Mediums kleiner ist als die Brechzahl n ₁ der Referenzflüssigkeit 15.

Im Glasrohr 14 befindet sich koaxial ein langer Lichtlei ter 16. Das Glasrohr 14 ist an seiner Oberseite verschlossen, und in diesem Verschluß befinden sich fotoempfindliche Elemente 20 neben der durch den Verschluß geführten Glasfa ser 16, wobei die fotoempfindlichen Elemente 20 mit An schlüssen 21 versehen sind.

Von der Oberseite der Glasfaser 16 wird Licht 24 von oben in die Glasfaser 16 eingeleitet.

Die Glasfaser 16 weist über ihre in der Referenzflüssig keit 15 befindliche Länge Streuzentren auf, von denen zwei beispielhaft mit 25 und 26 bezeichnet sind. Derartige Streu- oder Farbzentren 25 oder 26 können in an sich bekannter Weise durch Bestrahlung der Glasfaser 16 mit harter Strah lung erzeugt werden.

Am Beispiel des Streuzentrums 25, das sich oberhalb des Füllstandes 12 befindet, ist angedeutet, daß ein darauf auftreffender Lichtstrahl 35 "nach hinten" abgelenkt wird und schräg auf das Glasrohr 14 auftrifft. Dieser reflektier te Lichtstrahl 36 wird, weil das Glasrohr 14 sich an dieser Stelle in der Luft befindet, an der Außenoberfläche 37 des Glasrohrs 40 reflektiert und gelangt - gegebenenfalls nach weiteen Totalreflektionen - als Lichtstrahl 38 in den Bereich der fotoempfindlichen Elemente 20.

Anders liegen die Verhältnisse bei dem unterhalb des Füll standes 12 befindlichen Streuzentrum 26. Ein darauf auftref fender Lichtstrahl 40 wird zwar ebenfalls zunächst "nach hinten" als Lichtstrahl 41 reflektiert, da sich das Glas rohr 14 in diesem Bereich 14 jedoch in der Flüssigkeit 11 befindet, tritt der Lichtstrahl 41 als Lichtstrahl 42 in die Flüssigkeit 11 aus.

Im Ergebnis bedeutet dies, daß die unterhalb des Füllstan des 12 befindlichen Streuzentren das auf sie auftreffende Licht gesamthaft nach außen in die Flüssigkeit reflektieren, so daß das an den Anschlüssen 21 abnehmbare Signal ein Maß für den integralen Lichtstrom ist, der über die in Luft befindliche Länge des Glasrohrs 14 total reflektiert wird.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist am freien Ende der Glasfaser 16 ein Absorber 27 vorgesehen, der das dort auf treffende Restlicht absorbiert.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von demjenigen gemäß Fig. 1 dadurch, daß anstelle einer Glasfa ser 16 ein zweites Glasrohr 50 vorgesehen ist, in dem sich eine flüssige Suspension, das heißt ein disperses System aus unlöslichen Feststoffteilen und einer Basisflüssigkeit befindet. Es ist bekannt, daß sich bei Auftreffen des Lich tes 24 auf eine solche Suspension 51 der sogenannte Tyndall- Effekt einstellt, nachdem Licht an den suspendierten klei nen Teilchen in Abhängigkeit von dessen Größe, Form und Material gestreut wird. Auf diese Weise ist das Licht 21 beim Durchtritt durch die Suspension 51 von der Seite her sichtbar, was in Fig. 2 durch zwei suspendierte Teilchen 52 und 53 oberhalb bzw. unterhalb des Füllstandes 12 veran schaulicht ist. An diesen suspendierten Teilchen 52, 53 stellt sich derselbe Strahlengang ein, wie er bereits aus führlich zu Fig. 1 geschildert wurde.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 stellt eine Variante des Ausführungsbeispiels von Fig. 2 dar und ist insoweit noch vereinfacht, als nunmehr das gesamte Glasrohr 14 von einer Suspension 51 a ausgefüllt ist. Die Suspension 51 a dient bei diesem Ausführungsbeispiel sowohl als längliche diffuse Lichtquelle wie auch als Referenzflüssigkeit, wie sie in Fig. 1 mit 15 bezeichnet war.

Auch in Fig. 3 sind wieder beispielhaft zwei suspendierte Teilchen 54 und 55 oberhalb bzw. unterhalb des Füllstan des 12 eingezeichnet, um den jeweiligen Strahlengang zu veranschaulichen.

Schließlich zeigt Fig. 4 noch eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Sensors, bei dem am freien Ende der läng lichen Lichtquelle, beispielsweise der mit Streuzentren versehenen Glasfaser 16 ein weiteres fotoempfindliches Element 60 angebracht ist, das über einen Anschluß 61 mit einer Klemme 62 in Verbindung steht.

Auf das weitere fotoempfindliche Element 60 fällt das nicht an den Streuzentren diffus reflektierte Licht, so daß an der Klemme 62 ein Referenzsignal abgenommen werden kann. Wird nun das an der Klemme 62 abnehmbare Referenzsignal zu einer Quotientenbildung mit dem an den Klemmen 21 abnehmbaren Meßsignal benutzt, entsteht ein Quotientensignal, bei dem sämtliche Temperatur- und Alterungserscheinungen des optischen Systems des Sensors kompensiert sind.

Claims

1. Sensor zum Messen des Füllstandes einer Flüssigkeit (11) mit einem lichtdurchlässigen Rohr (14), das mit einem verschlossenen Ende in die Flüssigkeit (11) derart eintaucht, daß eine im Rohr (14) vorgesehene längliche Lichtquelle sich sowohl oberhalb als auch unterhalb eines zu messenden Füllstandes (12) der Flüssigkeit (11) erstreckt und im Bereich des aus der Flüssigkeit (11) herausweisenden Endes des Rohrs (14) ein foto empfindliches Element (20) vorgesehen ist, das ein dem Füllstand (12) der Flüssigkeit (11) entsprechendes Signal erzeugt, wobei

a) die längliche Lichtquelle von einer optisch leiten den Referenz flüssigkeit (15) allseitig umgeben ist, die eine optische Brechzahl (n) aufweist, die kleiner oder gleich einer Brechzahl (n) der zu messenden Flüs sigkeit (11) ist,
b) Lichtstrahlen unter einem Winkel zur Längsachse der länglichen Lichtquelle über die Länge des Rohres (14) in die Referenzflüssigkeit (15) eintreten, derart, daß die Lichtstrahlen an der Grenzfläche der Referenzflüssigkeit (15) und der Flüssigkeit (11) gebrochen und über dem Flüssigkeitsspiegel an der Grenzfläche zum benachbarten Medium zumindest teilweise total reflektiert werden, und
c) das fotoempfindliche Element (20) in die von der Flüssigkeit (11) weg weisende Endfläche des Rohres (11) eingebaut ist,

nach Patent 34 17 023, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle einen länglichen, lichtdurchlässigen Körper aufweist, der von einer Stirnseite mit Licht beaufschlagt wird, wobei der Körper Stellen (25, 26; 52, 53; 54, 55) zum Streuen des eingestrahlten Lichtes (24) oder zum Erzeugen von durch das Licht (24) induziertem Sekundärlicht aufweist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper ein Glasstab oder eine Glasfaser (16) mit eingebrachten Streuzentren (25, 26) ist.

3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper ein Kunststoffstab im eingebrachten Fluoreszenzzen tren ist.

4. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper eine in einem Glasrohr (50) angeordnete Säule einer flüssigen Suspension (51) ist.

5. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper die als Suspension (51 a) ausgebildete Referenzflüssigkeit ist.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß am freien Ende des Körpers ein weiteres fotoempfindliches Element (60) angeordnet ist.