DE3539308C2 - - Google Patents
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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 (7)
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.
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