AT413762B - Messeinrichtung - Google Patents

Description

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AT 413 762 B

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zur Bestimmung des Füllungszustandes zumindest eines Teilbereichs eines Rohres mit einem gasförmigen oder flüssigen transparenten oder opaken Medium, wobei das Rohr zumindest einen für wenigstens einen Wellenlängenbereich lichtdurchlässigen Wandabschnitt umfasst, wobei mehrere Sender außerhalb des Rohres vor-5 gesehen sind, die Licht durch den zumindest einen durchlässigen Wandabschnitt in einem Winkel zur Normalen der Längsachse des Teilbereichs des Rohres senden, wobei auf der den Sendern gegenüberliegenden Seite des Teilbereichs des Rohres diesen zugeordnete Detektoren angeordnet sind, die geeignet sind, in Abhängigkeit des Brechungsindex n und/oder der Opazität des Mediums das vom jeweiligen Sender gesendete Licht zu registrieren. 10

Um feststellen zu können, ob sich in einem bestimmten Bereich eines Behälters eine Flüssigkeit befindet, ist bekannt, dass ein prismatischer Körper aus Glas oder transparentem Kunststoff in den Behälter hineinragt, wobei die Begrenzungsflächen des Primas derart angeordnet sind, dass ein von außen einfallender Lichtstrahl jeweils an zwei schrägen Flächen reflektiert wird 15 (Totalreflexion) und von einem Empfänger registriert wird, wenn der Behälter nur mit Luft gefüllt ist. Sofern das Prisma in eine Flüssigkeit ragt, wird der Großteil des Lichts in die Flüssigkeit übergehen (Brechung), und nur ein kleiner Lichtanteil vom Empfänger registriert, womit sich eine Detektionsmöglichkeit für den Füllstand eines Behälters ergibt. Als nachteilig bei dieser Lösung erweist sich, dass zur Einbringung des prismatischen Körpers eine Ausnehmung in der 20 Wand des Behälters vorgesehen sein muss, was die Dichtheit des Behälters beeinträchtigen kann. Im Falle der Messung des Füllzustands eines Rohres ergibt sich als weiterer Nachteil, dass durch einen in den Rohrquerschnitt hineinragenden prismatischen Körper die Strömung eines fluiden Mediums im Rohr behindert wird und ungewünschte Verwirbelungen bzw. verringerte Strömungsgeschwindigkeiten auftreten können. 25

Weiters ist bekannt, dass der Füllungszustand eines transparenten Rohres mit einer herkömmlichen Lichtschranke gemessen werden kann. Diese Methode eignet sich vor allem zur Detektion von nicht oder nur wenig transparenten Flüssigkeiten. Im Falle transparenter Flüssigkeiten wäre es notwendig, die Bewegung eines Meniskus, der Grenzfläche zwischen Luft und Flüssig-30 keit, zu erfassen, was einerseits einen erhöhten Messaufwand bedeutet und andererseits insbesondere bei hochtransparenten und dünnflüssigen Medien eine nur unzuverlässige Detektion ermöglicht.

Weiters wurde durch die DE 44 10 515 A1 eine Kontrollvorrichtung für Füllstände von Behältern 35 bekannt, insbesondere für Behälter mit rundem Querschnitt, wie z.B. Getränkeflaschen. Bei dieser Kontrollvorrichtung sind eine IR-Sendevorrichtung und ein Empfänger mit einem optischen Sensor vorgesehen, wobei der Empfänger je nach Füllstand des Füllgutes unterschiedliche Messsignale ausgibt. Dabei kann auch eine Anordnung von Empfängern vorgesehen sein, die einem Array aus mehreren optischen Sensoren entspricht, deren Signale in eine Steuer-40 und Speichereinheit übertragen werden.

Bei dieser bekannten Lösung ergibt sich der Nachteil, dass bei eng nebeneinanderliegenden Sender-Detektor-Paaren jeweils ein Detektor nicht nur auf das Licht des zugeordneten Senders, sondern auch auf etwaiges Streulicht anderer Sender ansprechen kann. Damit werden unzuver-45 lässige bzw. ungenaue Messergebnisse erzielt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Messeinrichtung zur Bestimmung des Füllungszustandes zumindest eines Teilbereichs eines Rohres derart weiterzubilden, dass bekannte Nachteile vermieden werden und auch bei eng nebeneinanderliegenden Sender-Detektor-Paaren eine so hohe Ortsauflösung bei einer Füllstandsbestimmung erzielt wird.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass eine Taktungseinrichtung vorgesehen ist, die nacheinander jeweils nur ein zusammengehöriges Sender-Detektor-Paar aktiv schaltet. 55 So lässt sich beispielsweise die Füllhöhe eines Rohres oder auch die Geschwindigkeit der 3

AT 413 762 B Änderung der Füllhöhe ermitteln. So kann gewährleistet werden, dass auch bei eng nebeneinanderliegenden Sender-Detektor-Paaren jeweils ein Detektor nur auf das Licht des zugeordneten Senders, nicht aber auf etwaiges Streulicht anderer Sender, anspricht. Damit kann eine höhere Ortsauflösung bei einer Füllstandsbestimmung erzielt werden. Eine derartige Einrich-5 tung ermöglicht die berührungslose Detektion sowohl von opaken als auch von hochtransparenten Flüssigkeiten, ohne dass der Rohrquerschnitt beeinträchtigt wird.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Rohr als Schlauch oder als Kanal mit rundem oder eckigem Querschnitt ausgeführt ist. In der Praxis ist der Einsatz von Schläuchen mit run-io dem Querschnitt besonders häufig anzutreffen. Der Einsatz der vorgeschlagenen Einrichtung bei Kanälen mit eckigem Querschnitt bietet den zusätzlichen Vorteil, dass der Eintritt eines Lichtstrahls vom Sender in eine ebenflächige Rohrwandung zu noch präziseren Strahlverläufen führt, was die Messgenauigkeit erhöhen kann. 15 In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der wenigstens eine durchlässige Wandabschnitt für infrarotes und/oder sichtbares und/oder ultraviolettes Licht durchlässig ist. So ist die Einrichtung auf den Wellenbereich des vom Sender ausgestrahlten Lichts abstimmbar.

In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass die Sender für infrarotes und/oder 20 sichtbares und/oder ultraviolettes Licht ausgelegt sind. So lässt sich die Wellenlände des eingesetzten Lichts optimal auf die Brechungseigenschaften des zu detektierenden Mediums abstimmen. Insbesondere durch den Einsatz eines Senders in Form eines Lasers oder einer Leuchtdiode kann der Wellenbereich des Lichts besonders gut eingegrenzt werden. 25 In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Detektoren für einen eingegrenzten Wellenbereich, insbesondere auf den des wenigstens einen Senders, ausgelegt sind. Dadurch kann der störende Einfluss von Streulicht herabgesetzt werden.

In besonderer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Winkelbereich für 30 0! zwischen 5° und 85°, vorzugsweise zwischen 30° und 80°, speziell zwischen 45° und 75° liegt. Diese Winkelbereiche erweisen sich in der Praxis als besonders geeignet, um gängige Medien mit vorgeschlagener Einrichtung zu detektieren.

Eine Variante der Erfindung kann weiters darin bestehen, dass wenigstens einer der weiteren 35 Sender und der wenigstens eine diesem wenigstens einem Sender zugeordnete weitere Detektor auf ein Medium mit dem Brechungsindex n' abgestimmt ist, wobei n' ungleich n des Mediums ist. So kann gezielt die Befüllung mit einem Medium mit definierter optischer Dichte detek-tiert werden. 40 In besonderer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Sender und die Detektoren in einer Hülse, integriert sind. Eine einstückige Ausführung der Messeinrichtung erlaubt für den Anwender eine besonders einfache Anwendung bzw. Montage derselben, bei der die Hülse, beispielsweise ein Drehteil, einfach über den betreffenden Teilbereich des Rohres gestülpt wird. 45

Weiters betrifft die Erfindung eine Auswerteeinheit für die erfindungsgemäße Messeinrichtung. Aufgabe der Auswerteeinheit ist es, in Abhängigkeit des Füllungszustands eines Teilbereiches eines Rohres eine Meldung, eine Protokollierung oder einen Steuervorgang auszulösen. so Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Auswerteeinheit in Abhängigkeit des von den Detektoren registrierten Lichts eine Ausgabeeinrichtung, insbesondere eine Anzeigeeinrichtung, eine Meldeeinrichtung, eine Rechnereinheit oder eine Steuereinrichtung, ansteuert.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen, in welchen 55 Ausführungsformen dargestellt sind, näher beschrieben. Dabei zeigt: 4

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Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Teilbereich eines leeren Rohres mit erfindungsgemäßer Messeinrichtung und Auswerteeinheit,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Teilbereich eines gefüllten Rohres mit erfindungsgemäßer Messeinrichtung, 5 Fig. 3 einen Längsschnitt gemäß Fig. 2 mit einem Detektor, der zwei optische Sensoren umfasst,

Fig. 4 einen Detektor mit einem ortsauflösenden optischen Sensor, und

Fig. 5 einen Längsschnitt durch ein teilweise gefülltes und von einer Hülse umschlossenes Rohr mit erfindungsgemäßer Messeinrichtung mit zwei Sendern und zwei Detektoren. 10

Fig. 1 zeigt einen Teilbereich 1 eines Rohres 2 mit einem lichtdurchlässigen Wandabschnitt 4. Ein Sender 5 sendet Licht über den lichtdurchlässigen Wandabschnitt 4 in das Innere des Rohres 2, wobei das Licht im Wesentlichen als Strahl gebündelt mit einem Winkel ch zur Normalen der Längsachse 6 des Teilbereichs 1 des Rohres 2 einfällt. An der äußeren Wand des licht-15 durchlässigen Wandabschnitts 4 des Rohres wird dieser Strahl nach dem bekannten Snellius’-schen Brechungsgesetz (n1 * sin ai = n2 * sin a2) gebrochen und verläuft nun innerhalb des lichtdurchlässigen Wandabschnitts 4 in einem Winkel a2 zur Normalen der Längsachse 6 des Teilbereichs 1. Beim Eintritt in das Innere des Rohres 2 verläuft der Lichtstrahl wiederum parallel zu seiner ursprünglichen Richtung, da der Teilbereich 1 leer ist und somit der Brechungsin-20 dex dort, genauso wie außerhalb des Rohres, im Wesentlichen eins beträgt. In gleicher Art und Weise gestaltet sich der Strahlenverlauf beim Austritt aus dem Rohr, sodass der Strahl nun parallelverschoben auf den optischen Sensor 8 eines Detektors 7 trifft. An den Detektor 7 kann weiters eine Auswerteeinheit 9 angeschlossen sein, die in Abhängigkeit eines Signals vom Detektor 7 eine Ausgabeeinrichtung 10, wie z.B. einen PC, ein ansteuerbares Ventil, eine Sig-25 nallampe oder dgl. ansteuert.

Fig. 2 zeigt den Strahlenverlauf bei einem mit einem Medium 3 gefüllten Teilbereich 1 eines Rohres 2, wobei das Medium einen Brechungsindex n > 1 aufweist. Dementsprechend verlässt der Strahl den Teilbereich 1 des Rohres 2 parallelverschoben im Vergleich zu Fig. 1, sodass er 30 den optischen Sensor 8 des Detektors 7 nicht erreicht und also auch nicht registriert wird. Ist das Medium 3 opak, also für das vom Sender 5 ausgesendete Licht nicht transparent, so erreicht ebenfalls kein Licht den Sensor 8 des Detektors 7 und wird daher auch nicht registriert. D.h. der Detektor funktioniert für opake Medien ebenso wie für transparente Medien. Die Auswerteeinheit 9 ist hier der Einfachheit halber nicht neuerlich dargestellt. 35

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Detektor 7 zwei parallel zueinander versetzte optische Sensoren 8, 8' umfasst, sodass bei leerem Rohr 2 der optische Sensor 8 anspricht und bei Befüllung des Rohres 2 mit einem Medium 3 mit einem definierten Brechungsindex n der optische Sensor 8' anspricht. Bei Befüllung des Rohres 2 mit einem Medium 3 eines anderen 40 Brechungsindex n' würde keiner der beiden optischen Sensoren 8, 8' ansprechen.

Fig. 4 zeigt einen Detektor mit einem ortsauflösenden optischen Sensor 8”, der je nach Brechungsindex n, n' an einer anderen Stelle anspricht, sodass bei der Detektion eines Mediums 3 zwischen einer Vielzahl von optischen Brechungsindices n, n'... unterschieden werden kann. 45

Fig. 5 zeigt ein Rohr 2 mit zwei Teilbereichen T, 1", wobei der Teilbereich T mit einem Medium mit einem Brechungsindex n > 1 befüllt ist, während der Teilbereich 1" im Wesentlichen leer ist und daher sein Inneres einen Brechungsindex n = 1 aufweist. Das Rohr 2 ist hier transparent ausgeführt und von einer nicht transparenten Hülse 11 umgeben, die transparente Wandab-50 schnitte 4 umfasst. Die transparenten Wandabschnitte 4 wirken hier gleichzeitig als Blenden, die beim Strahleintritt für eine Bündelung des einfallenden Lichts sorgen, selbst wenn der Sender 5', 5" selbst nicht gebündeltes Licht ausstrahlen sollte. Die strahlenausgangsseitigen transparenten Wandabschnitte 4 sind ebenfalls als Blenden wirksam, die nur Lichtstrahlen, die sich durch einen leeren Teilbereich 1" des Rohres 2 ausbreiten, durchlassen. Auf diese Art und 55 Weise wird mittelbar eine Ortsauflösung der Detektoren 7’, 7" mit einfachen Mitteln realisiert.

Claims (9)

1. 5 AT 413 762 B Eine andere Art, eine hohe Ortsauflösung bei den Detektoren 7, 7', 7" zu erzielen, bestünde darin, gebündeltes Laserlicht zu verwenden, die Sender 5, 5', 5" also als Laser auszubilden. Die Sender 5', 5" können, ebenso wie die Detektoren T, 7", fest mit der Hülse 11 verbunden 5 oder auch in diese integriert sein. So ergibt sich eine besonders einfache Handhabbarkeit der Messeinrichtung. Für den Fall, dass die zusammengehörigen Sender-Detektor-Paar (5'-7', 5"-7", ...) sehr dicht nebeneinander angeordnet sind, bestünde die Gefahr, dass Streulicht von einem Sender, bei-io spielsweise vom Sender 5", auf einen diesem nicht zugeordneten Detektor, beispielsweise dem Detektor 7', auftrifft. Um dies zu vermeiden, kann eine Taktungseinrichtung vorgesehen ist, die nacheinander jeweils nur ein zusammengehöriges Sender-Detektor-Paar (5-7, 5'-7', 5"-7", ...) aktiv schaltet, womit die Zuverlässigkeit der Messeinrichtung z.B. als hochauflösende Füllstandseinrichtung verbessert wird. 15 Bei hinreichender Messgenauigkeit bzw. größeren Rohrquerschnitten ist die vorgeschlagene Einrichtung geeignet, neben flüssigen auch gasförmige Medien 3 zu detektieren. Die Bre-chungsindices n der Gase könnten dabei zusätzlich auch durch Temperatur- oder Druckänderungen beeinflusst sein, sodass auch diese Parameter mittelbar bestimmbar wären. 20 Patentansprüche: 1. Messeinrichtung zur Bestimmung des Füllungszustandes zumindest eines Teilbereichs 25 (1, T, 1", ...) eines Rohres (2) mit einem gasförmigen oder flüssigen transparenten oder opaken Medium (3), wobei das Rohr (2) zumindest einen für wenigstens einen Wellenlängenbereich lichtdurchlässigen Wandabschnitt (4) umfasst, wobei mehrere Sender (5, 5', 5", ...) außerhalb des Rohres (2) vorgesehen sind, die Licht durch den zumindest einen durchlässigen Wandabschnitt (4) in einem Winkel Oi zur Normalen der Längsachse (6) des Teil-30 bereichs (1) des Rohres (2) senden, wobei auf der den Sendern (5, 5', 5", ...) gegenüber liegenden Seite des Teilbereichs (1, T, 1", ...) des Rohres (2) diesen zugeordnete Detektoren (7, 7', 7", ...) angeordnet sind, die geeignet sind, in Abhängigkeit des Brechungsindex n und/oder der Opazität des Mediums (3) das vom jeweiligen Sender (5, 5', 5", ...) gesendete Licht zu registrieren, dadurch gekennzeichnet, dass eine Taktungseinrichtung vorgesehen 35 ist, die nacheinander jeweils nur ein zusammengehöriges Sender-Detektor-Paar (5-7, 5'-7', 5"-7",...) aktiv schaltet.
2. 2. Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (2) als Schlauch oder als Kanal mit rundem oder eckigem Querschnitt ausgeführt ist. 40
3. 3. Messeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine durchlässige Wandabschnitt (4) für infrarotes und/oder sichtbares und/oder ultraviolettes Licht durchlässig ist.
4. 4. Messeinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sender (5, 5', 5”,...) für infrarotes und/oder sichtbares und/oder ultraviolettes Licht ausgelegt sind.
5. 5. Messeinrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoren (7, 7', 7",...) für einen eingegrenzten Wellenbereich, insbesondere auf den der Sender so (5, 5', 5",...), ausgelegt sind.
6. 6. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelbereich für ai zwischen 5° und 85°, vorzugsweise zwischen 30° und 80°, speziell zwischen 45° und 75° liegt. 55 6 AT 413 762 B
7. 7. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der weiteren Sender (5', 5", ...) und der wenigstens eine diesem wenigstens einem Sender zugeordnete weitere Detektor (7, 7", ...) auf ein Medium (3') mit dem Brechungsindex n' abgestimmt ist, wobei n' ungleich n des Mediums (3) ist. 5
8. 8. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sender (5, 5', 5",...) und die Detektoren (7, 7, 7",...) in einer Hülse (11), integriert sind.
9. 9. Auswerteeinheit (9) für eine Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch io gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (9) in Abhängigkeit des von den Detektoren (7, 7, 7", ...·) registrierten Lichts eine Ausgabeeinrichtung (10), insbesondere eine Anzeigeeinrichtung, eine Meldeeinrichtung, eine Rechnereinheit oder eine Steuereinrichtung, ansteuert. 15 Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 20 25 30 35 40 45 50 55