Opffschaelektrisches Gerät für den Nachweis des Vorhandenseins von Flüssigkeit
Die Erfindung betrifft ein optlsch- elektrisches Gerät für den Nachweis von Flüssigkeit, bei welchem ein Lichtstrahlenbündel zwischen einer Lichtquelle und einem fotoelektrischen Wandler durch einen das Licht leitenden Körper, und zwar über bei Nichtvorhandensein von Flüssigkeit totalreflektierende Grenzflächen desselben geführt ist.
Derartige Geräte, in der Praxis kurz Flüssigkeitsfüh ler genannt, sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Sie beruhen auf der physikalischen Erscheinung, dass die Reflexionseigenschaft einer Grenzfläche des das Licht leitenden Körpers davon abhängt, ob die Grenzfläche mit einem gasförmigen Medium, z. B. Luft, oder mit einer Flüssigkeit in Berührung steht. Es kommt auf den Unterschied der optischen Brechungsindizes des den Körper bildenden Werkstoffs und des angrenzenden Mediums an. Ist dieser Unterschied gering oder null, so erfolgt keine Reflexion der Lichtstrahlen, weshalb diese aus dem Körper in die Flüssigkeit austreten und den fotoelektrischen Wandler nicht länger oder nur mehr in geringem Masse beaufschlagen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches Gerät einschliesslich Lichtquelle und fotoelektrischen Wandler als kompakte bauliche Einheit auszubilden, die für mannigfache Verwendungszwecke geeignet ist, hohe Ansprechempfindlichkeit aufweist, gegen mechanische Beanspruchungen weitgehend unempfindlich ist und keiner nachträglichen Justierung bedarf.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Körper stabförmig ist und an einem Ende eine gegenüber der Längsachse des Körpers geneigte Grenzfläche aufweist, dass in einer zentralen Ausnehmung des Körpers die Lichtquelle im Bereich der genannten Grenzfläche angeordnet ist, und dass der Wandler mit einer lichtempfindlichen Fläche am anderen Ende des Körpers anliegt.
In der zugehörigen Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Axialschnitt dargestellt.
Das optisch-elektrische Gerät weist einen das Licht leitenden Körper 11 aus vorzugsweise organischem Glas auf, wie z. B. Acrylglas. Der Körper 11 hat die Form eines zylindrischen Stabes, dessen untere Endpartie 12 als Kegel mit der Grenzfläche 20 und rechtwinkligem Scheitel ausgebildet ist, der von der Körperachse halbiert wird. An den Scheitel des Kegels schliesst ein kleiner zylindrischer Fortsatz 14 an.
Das der Endpartie 12 gegenüberliegende Ende des Körpers 11 weist eine ebene Stirnfläche auf, die rechtwinklig zur Körperachse steht. Von dieser Stirnfläche ist eine Ausnehmung 18, vorzugsweise eine Bohrung, deren Achse mit der Körperachse zusammenfällt, in den Körper 11 eingearbeitet und reicht bis nahe an den Scheitel der Endpartie 12. Die Ausnehmung 18 ist mit einer lichtabsorbierenden Auskleidung 15 und der Körper 11 mit einer lichtabsorbierenden Ummantelung 13 ausgestattet.
Eine kleine sockelfreie elektrische Lichtquelle 19 ist in der Achse der Endpartie 12 so angeordnet, dass ihr Zentrum wenigstens annähernd auf halber Höhe der Endpartie liegt. Sie ist mit Silikonfett umgossen, das einen Teil der Ausnehmung 18 ausfüllt und mit der Membrane 31 abgedeckt ist. Der restliche Teil der Ausnehmung 18 ist mit Giessharz ausgefüllt. Die elektrischen Leiter 21 zur Speisung der Lichtquelle 19 sind durch die Ausnehmung nach aussen geführt. Die ebene Stirnfläche des Körpers 11 weist zwei radial verlaufende Nuten auf, in die je einer der Leiter 21 eingelegt ist.
Unmittelbar an die ebene Stirnfläche des Körpers 11 grenzt das Graufilter 16, an das der fotoelektrische Wandler 23, beispielsweise ein Fotowiderstand, mit seiner lichtempfindlichen Fläche unmittelbar anschliesst, die annähernd die gleiche Grösse wie die Basis der Endpartie 12 hat. Die elektrischen Anschlussleiter 24 des Wandlers 23 und die beiden Leiter 21 zur Speisung der Lichtquelle 19 sind in einem 4-adrigen Anschlusskabel 25 zusammengefasst.
Der Körper 11 mit Ausnahme der Grenzfläche 20, der Wandler 23, die freiliegenden Teile der Leiter 21 und 24 sowie auch ein Teil des Kabels 25 sind vom Giessharz 26 umschlossen, das in die Schutzhülse 17 eingebracht wird und nach dem Erstarren die umschlossenen Teile in der gewünschten Lage festhält. Es ist vorteilhaft, wenn das Giessharz eine Hohlkehle 32 bildet, was bei entsprechender Lage der Gerätes beim Auskühlen des Giessharzes anlässlich des Zusammenbaues des Gerätes leicht erreicht werden kann. Durch Einfärben des Giessharzes kann dieses mindestens teilweise die Ummantelung 13 und die Auskleidung 15 ersetzen.
Die Schutzhülse 17 ist auf der einen Seite mit dem Deckel 30 verschlossen, der sich mit dem Ansatz 33 gegen den Fortsatz 14 des Körpers 11 abstützt und in der Hülse durch den Seegerring 34 gehalten ist. Durch diese Anordnung ist um die Endpartie 12 ein Hohlraum 28 gebildet, in welchem ein die Grenzfläche 20 umschliessendes Sieb 27 untergebracht ist. In der Höhe der Basis der Endpartie 12 und nahe dem Deckel 30 befinden sich in der Schutzhülse 17 die Öffnungen 22 bzw. 35. Auf der anderen Seite ist die Hülse 17 mit dem Anschlussgewinde 29 versehen, womit eine der Befestigungsmöglichkeiten des Gerätes veranschaulicht ist.
Die Gebrauchs- und Wirkungsweise des beschriebenen Gerätes ist die folgende:
Das ganze Gerät bildet baulich eine kompakte Einheit, die vorzugsweise in vertikaler Lage dort angebracht wird, wo das Vorhandensein oder die Abwesenheit einer Flüssigkeit festgestellt werden soll. Ist am genannten Ort keine Flüssigkeit vorhanden oder liegt der Flüssigkeitsspiegel unterhalb der Endpartie 12, so ist deren Grenzfläche 20 von der Luft der Atmosphäre oder gegebenenfalls einem anderen Gas umgeben. Das von der Lichtquelle 19 ausgesandte Licht fällt grösstenteils auf die Grenzfläche 20 der Endpartie 12 und wird an dieser zum wesentlichen Teil durch Reflexion umgelenkt und durch das Graufilter 16 gegen den fotoelektrischen Wandler geworfen, wie mit den strichpunktierten Linien 36 angedeutet ist, und beaufschlagt die lichtempfindliche Fläche des Wandlers 23.
Letzterer weist daher einen niedrigeren Innenwiderstand als im Dunkelfalle auf.
Wenn hingegen die Grenzfläche 20 der Endpartie 12 zu einem beträchtlichen Teil oder ganz von Flüssigkeit benetzt ist, treten die Strahlen der Lichtquelle 19 zu einem grossen Teil bereits an der Grenzfläche 20 aus dem Körper 11 aus, da der Unterschied der optischen Brechungsindizes beiderseits dieser Grenzfläche stark vermindert ist. Somit gelangt nur noch ein erheblich reduzierter Teil des Lichtes oder gar keines mehr auf die lichtempfindliche Fläche des Wandlers 23, weshalb nun sein Innenwiderstand viel grösser ist als zuvor.
Die geschilderte Anderung des inneren Widerstandes des fotoelektrischen Wandlers 23 kann beispielsweise zur elektroakustischen oder elektrooptischen Signalgebung oder zur automatischen Steuerung von Regelvorgängen usw. benutzt werden.
Um den inneren Widerstand des fotoelektrischen Wandlers 23 im Falle des Vorhadenseins bzw. Nichtvorhandenseins von Flüssigkeit an der Grenzfläche 20 in möglichst genau bestimmbaren Grenzen zu halten, ist es notwendig, alles Streulicht, das auf die lichtempfindliche Fläche des Wandlers treffen könnte, weitgehend zu absorbieren. Diesem Zwecke dient die Ummantelung 13 des Körpers 11, um das von der Lichtquelle 19 ausgesandte Licht, das nicht direkt auf den Wandler 23 reflektiert wird oder beispielsweise zuerst auf die Mantelfläche des Körpers 11 trifft, zu absorbieren. Die gleiche Aufgabe erfüllt die lichtabsorbierende Auskleidung 15 der Ausnehmung 18. Eine direkte Bestrahlung des Wandlers 23 von der Lichtquelle 19 her wird durch das Giessharz in der Ausnehmung 18 verhindert.
Sollte die Lichtdurchlässigkeit des Harzes noch zu gross sein, so kann die Membrane 31 oder eine (nicht gezeichnete) obere Abdeckung des Harzes den Lichtdurchtritt verhindern. Auch die Hülse 17 dient dem Schutze gegen Streulicht oder Fremdlicht von aussen her.
Bei einer bestimmten Spannung an der Lichtquelle 19 soll immer die gleiche Ausgangsgrösse vom Wandler 23 zur Signal- oder Steuereinrichtung gelangen. Die Lichtintensität der Lichtquelle 19 kann grosse individuelle Unterschiede aufweisen, ebenso kann die Empfindlichkeit des Wandlers stark streuen und weitere Störeinflüsse sind möglich. Das alles kann durch das Graufilter 16 ausgeglichen werden, von dem, wie die Erfahrung zeigte, eine Skala von fünf abgestuften Farbtönen genügt, um bei entsprechender Auswahl, trotz der genannten Streu- und Störgrössen, bei gleicher Spannung an der Lichtquelle annähernd die gleiche Ausgangsgrösse vom Wandler zu erhalten.
Der Raum um die Lichtquelle 19 ist mit Silikonfett ausgegossen, um die entstehende Wärme rasch abzuführen. Die Ausnehmung 18 kann auch gänzlich mit Giessharz ausgegossen sein, wenn sein Wärmeausdehnungskoeffizient und jener des Körpers 11 ungefähr gleich sind. Die Lichtdurchlässigkeit des Harzes ist gross genug, um genügend Licht zur Grenzfläche 20 gelangen zu lassen, während es den Wandler 23 im allgemeinen ausreichend gegen direkte Bestrahlung abdeckt.
Der Fortsatz 14 am Scheitel der Endpartie 12 dient dem Zweck, beim Sinken des Flüssigkeitsspiegels ein rasches Abfliessen der Flüssigkeit zu bewirken, damit keine schleichende Widerstandsänderung des Wandlers 23 entsteht. Würde der Fortsatz 14 fehlen, so bliebe an der Spitze der Endpartie 12 ein mehr oder weniger grosser Flüssigkeitstropfen haften, wodurch auch ein Teil der Grenzfläche 20 benetzt bliebe. Bei der dargestellten Ausführungsform hingegen fliesst dieser Flüssigkeitstropfen über den Fortsatz 14 ab und die gesamte Grenzfläche wird rasch völlig frei von Flüssigkeit. Durch den Ansatz 33 des Deckels 30 wird das Abfliessen noch erleichtert, was besonders bei hochviskosen Flüssigkeiten wichtig ist.
Die käfigartige Ausbildung des unteren Teils der Hülse 17 hält Wellen an der Oberfläche der Flüssigkeit vom Hohlraum 28 ab, wodurch die Ausgangsgrösse des Fühlers exakter wird. Sie schützt auch die Grenzfläche 20 vor Schaum und Spritzern, was zu einer ungenauen Erfassung des Flüssigkeitsstandes und somit zu einer Anderung der den Wandler treffenden Lichtintensität führen würde. Die Öffnungen 22 und 35 erleichtern das Zu- und Abfliessen der zu überwachenden Flüssigkeit zum bzw. vom Hohlraum 28. Die Hohlkehlen 32 im Giessharz 26 dienen einerseits dem rascheren Freiwerden der Grenzfläche 20 von Flüssigkeit, andererseits dem Schutz der Grenzfläche vor der Benetzung z. B.
durch rücklaufendes Öl oder Tropfwasser, die aussen abrinnen, aber nicht in den Hohlraum 28 hineinrinnen und die Grenzflächen benetzen sollen. Durch das Sieb 27 wird verhindert, dass Schmutz zur Grenzfläche 20 gelangt und sich dort anlagern kann, was gleichfalls die Ausgangsgrösse des Gerätes beeinflussen, ja sogar seine Funktion ausschalten kann.
Der das Licht leitende Körper 11 kann auch als prismatischer Stab ausgebildet sein, in welchem Falle zweckmässigerweise auch die als Pyramide ausgebildete Endpartie eine entsprechende Anzahl Schrägflächen als lichtreflektierende Grenzflächen aufweist. Es ist aber auch durchaus möglich, an einen prismatischen Stab eine kegel- oder dachförmige Endpartie anzusetzen.
Umgekehrt könnte an einem das Licht leitenden Körper
11 mit kreisförmigem Querschnitt die Endpartie in der Form einer Pyramide oder eines Dachkantprismas ausgebildet sein. Der Scheitel der Grenzflächen kann auch etwas kleiner als rechtwinklig sein, wodurch eine gewisse Bündelung der Lichtstrahlen möglich ist.
Das beschriebene optisch-elektrische Gerät hat hauptsächlich die folgenden Vorteile: Durch die Anordnung der Lichtquelle im Innern des das Licht leitenden Körpers und in nächster Nähe der im unbenetzten Zustand reflektierenden Grenzflächen dieses Körpers wird eine bessere Lichtausnützung ermöglicht, so dass für den Betrieb des Gerätes eine niedrigere elektrische Leistung zum Speisen der Lichtquelle ausreicht. Des weiteren kann ein foto elektrischer Wandler mit verhältnismässig grosser lichtempfindlicher Fläche und entsprechend hoher Ansprechempfindlichkeit verwendet und voll ausgenützt werden. Die Ausgangsgrösse des Steuerimpulses vom Wandler lässt sich mit einfachen Mitteln beim Zusammenbau des Gerätes genau einregeln und es sind Schutzmassnahmen getroffen, um schleichende Änderungen zu vermeiden.
Eine besondere Justierung der Lichtquelle und des Wandlers in Bezug auf die reflektierenden Grenzflächen ist weder beim Zusammenbau des Gerätes noch zu irgendeinem späteren Zeitpunkt erforderlich. Das Gerät kann praktisch in jeder beliebigen Lage verwendet werden. Die Herstellung und die Montage der einzelnen Bestandteile des Gerätes sind einfach, weshalb ein niedriger Gestehungspreis erzielt werden kann. Die ganze ibauliche Einheit ist kompakt und robust, wodurch auch die Montage des Gerätes am Verwendungsort vereinfacht ist. Nur beispielsweise sei erwähnt, dass der Durchmesser des Gerätes etwa 20 mm betragen kann.