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.
Opposite electrical device for the detection of the presence of liquid
The invention relates to an optlsch- electrical device for the detection of liquid, in which a light beam between a light source and a photoelectric converter is guided through a light-conducting body, namely over totally reflective interfaces of the same in the absence of liquid.
Such devices, in practice briefly called liquid sensors, are known in various designs. They are based on the physical phenomenon that the reflection property of an interface of the light-guiding body depends on whether the interface with a gaseous medium, e.g. B. air, or is in contact with a liquid. It depends on the difference in the optical refractive indices of the material forming the body and the adjacent medium. If this difference is small or zero, the light rays are not reflected, which is why they exit the body into the liquid and no longer act on the photoelectric converter or only act to a small extent.
The invention is based on the object of designing such a device, including a light source and photoelectric converter, as a compact structural unit that is suitable for a wide range of purposes, has high sensitivity, is largely insensitive to mechanical stresses and does not require any subsequent adjustment.
This object is achieved according to the invention in that the body is rod-shaped and has an interface inclined at one end with respect to the longitudinal axis of the body, that the light source is arranged in a central recess of the body in the area of said interface, and that the transducer is equipped with a light-sensitive On the other end of the body.
In the accompanying drawing, an embodiment of the invention is shown in axial section.
The opto-electrical device has a light-conducting body 11, preferably made of organic glass, such as. B. Acrylic glass. The body 11 has the shape of a cylindrical rod, the lower end portion 12 of which is designed as a cone with the boundary surface 20 and a right-angled apex, which is bisected by the body axis. A small cylindrical extension 14 adjoins the apex of the cone.
The end of the body 11 opposite the end section 12 has a flat end face which is perpendicular to the body axis. From this end face a recess 18, preferably a bore, the axis of which coincides with the body axis, is worked into the body 11 and extends to close to the apex of the end portion 12. The recess 18 is provided with a light-absorbing lining 15 and the body 11 with a light-absorbing sheath 13 equipped.
A small, base-free electrical light source 19 is arranged in the axis of the end section 12 in such a way that its center is at least approximately halfway up the end section. It is encased in silicone grease, which fills part of the recess 18 and is covered with the membrane 31. The remaining part of the recess 18 is filled with casting resin. The electrical conductors 21 for supplying the light source 19 are led to the outside through the recess. The flat end face of the body 11 has two radially extending grooves into each of which one of the conductors 21 is inserted.
Directly adjacent to the flat end face of the body 11 is the gray filter 16, to which the photoelectric converter 23, for example a photoresistor, is directly connected with its light-sensitive surface which is approximately the same size as the base of the end section 12. The electrical connection conductors 24 of the converter 23 and the two conductors 21 for feeding the light source 19 are combined in a 4-core connection cable 25.
The body 11 with the exception of the interface 20, the transducer 23, the exposed parts of the conductors 21 and 24 as well as part of the cable 25 are enclosed by the casting resin 26, which is introduced into the protective sleeve 17 and, after solidification, the enclosed parts in the desired position. It is advantageous if the casting resin forms a hollow groove 32, which can easily be achieved with a corresponding position of the device when the casting resin cools during the assembly of the device. By coloring the casting resin, it can at least partially replace the casing 13 and the lining 15.
The protective sleeve 17 is closed on one side with the cover 30, which is supported with the extension 33 against the extension 14 of the body 11 and is held in the sleeve by the Seeger ring 34. As a result of this arrangement, a cavity 28 is formed around the end section 12, in which a sieve 27 surrounding the interface 20 is accommodated. The openings 22 and 35 are located in the protective sleeve 17 at the level of the base of the end section 12 and near the cover 30. On the other side, the sleeve 17 is provided with the connecting thread 29, which illustrates one of the fastening options for the device.
The use and operation of the described device is as follows:
The entire device structurally forms a compact unit, which is preferably installed in a vertical position where the presence or absence of a liquid is to be determined. If there is no liquid at the named location or if the liquid level is below the end section 12, the boundary surface 20 thereof is surrounded by the air of the atmosphere or possibly another gas. Most of the light emitted by the light source 19 falls on the boundary surface 20 of the end section 12 and is largely deflected by reflection and thrown through the gray filter 16 against the photoelectric converter, as indicated by the dot-dash lines 36, and acts on the light-sensitive Area of the transducer 23.
The latter therefore has a lower internal resistance than in the dark.
If, on the other hand, the boundary surface 20 of the end section 12 is wetted to a considerable extent or entirely by liquid, the rays of the light source 19 largely emerge from the body 11 at the boundary surface 20, since the difference in the optical refractive indices on both sides of this boundary surface is great is decreased. Thus, only a considerably reduced part of the light or none at all reaches the light-sensitive surface of the transducer 23, which is why its internal resistance is now much greater than before.
The described change in the internal resistance of the photoelectric converter 23 can be used, for example, for electroacoustic or electrooptical signaling or for the automatic control of regulating processes, etc.
In order to keep the internal resistance of the photoelectric converter 23 in the event of the presence or absence of liquid at the interface 20 within as precisely determinable limits as possible, it is necessary to largely absorb all the scattered light that could strike the photosensitive surface of the converter. The casing 13 of the body 11 serves this purpose in order to absorb the light emitted by the light source 19 that is not reflected directly onto the transducer 23 or, for example, hits the outer surface of the body 11 first. The same task is fulfilled by the light-absorbing lining 15 of the recess 18. Direct irradiation of the transducer 23 from the light source 19 is prevented by the casting resin in the recess 18.
If the light permeability of the resin is still too great, the membrane 31 or an upper cover (not shown) of the resin can prevent the passage of light. The sleeve 17 also serves to protect against stray light or extraneous light from the outside.
At a certain voltage at the light source 19, the same output variable should always arrive from the converter 23 to the signal or control device. The light intensity of the light source 19 can have large individual differences, and the sensitivity of the transducer can also vary widely and further interfering influences are possible. All of this can be compensated for by the gray filter 16, of which, as experience has shown, a scale of five graded color tones is sufficient to achieve approximately the same output variable from the light source with the appropriate selection, despite the above-mentioned scatter and interference variables Converter.
The space around the light source 19 is filled with silicone grease in order to dissipate the resulting heat quickly. The recess 18 can also be completely filled with casting resin if its coefficient of thermal expansion and that of the body 11 are approximately the same. The translucency of the resin is large enough to allow sufficient light to reach the interface 20 while generally covering the transducer 23 sufficiently against direct radiation.
The extension 14 at the apex of the end section 12 serves the purpose of causing the liquid to drain off quickly when the liquid level falls, so that there is no creeping change in resistance of the transducer 23. If the extension 14 were absent, a more or less large drop of liquid would adhere to the tip of the end section 12, as a result of which part of the interface 20 would also remain wetted. In the embodiment shown, on the other hand, this drop of liquid flows off via the extension 14 and the entire interface quickly becomes completely free of liquid. The extension 33 of the cover 30 facilitates the drainage, which is particularly important in the case of highly viscous liquids.
The cage-like design of the lower part of the sleeve 17 keeps waves on the surface of the liquid from the cavity 28, whereby the output size of the sensor is more precise. It also protects the interface 20 from foam and splashes, which would lead to inaccurate detection of the liquid level and thus to a change in the light intensity hitting the transducer. The openings 22 and 35 facilitate the inflow and outflow of the liquid to be monitored to and from the cavity 28. The fillets 32 in the casting resin 26 serve on the one hand to expose the interface 20 more quickly from liquid, on the other hand to protect the interface from wetting z. B.
by returning oil or dripping water, which run off the outside but not run into the cavity 28 and should wet the boundary surfaces. The sieve 27 prevents dirt from reaching the interface 20 and being able to accumulate there, which can also influence the output size of the device and even switch off its function.
The light-guiding body 11 can also be designed as a prismatic rod, in which case the end section designed as a pyramid also expediently has a corresponding number of inclined surfaces as light-reflecting boundary surfaces. But it is also entirely possible to attach a conical or roof-shaped end section to a prismatic rod.
The reverse could be done on a body that conducts light
11 with a circular cross-section, the end portion can be designed in the form of a pyramid or a roof prism. The vertex of the boundary surfaces can also be somewhat smaller than right-angled, whereby a certain bundling of the light rays is possible.
The optical-electrical device described has mainly the following advantages: By arranging the light source inside the light-guiding body and in close proximity to the surfaces of this body that reflect in the unwetted state, better light utilization is made possible, so that a lower electrical power is sufficient to feed the light source. Furthermore, a photo-electrical converter with a relatively large light-sensitive surface and a correspondingly high sensitivity can be used and fully utilized. The output size of the control pulse from the converter can be precisely adjusted with simple means when assembling the device and protective measures are taken to avoid gradual changes.
A special adjustment of the light source and the transducer with respect to the reflective interfaces is not necessary either when assembling the device or at any later time. The device can be used in practically any position. The manufacture and assembly of the individual components of the device are simple, which is why a lower cost price can be achieved. The entire structural unit is compact and robust, which also simplifies the assembly of the device at the place of use. It should only be mentioned as an example that the diameter of the device can be around 20 mm.