Die Erfindung betrifft ein optisch-elektrisches Gerät für den Nachweis des Vorhandenseins von Flüssigkeit, mit einem strahlendurchlässigen, stabförmigen Körper, der an einem Ende mindestens eine gegenüber seiner Längsachse geneigte Grenzfläche und in einer zentralen Ausnehmung im Bereich der Grenzfläche eine Strahlenquelle aufweist, deren Strahlen durch den Körper über die bei Nichtvorhandensein von Flüssigkeit nahezu totalreflektierende Grenzfläche zu einer strahlenempfindlichen Fläche eines Wandlers gelangen.
Es ist ein Gerät dieser Art bekannt (CH-PS 512 060), bei welchem der Wandler ein Signal auslöst, wenn sich sein innerer Widerstand bei Änderung der einwirkenden Lichtintensität verändert. Es ist daher wichtig, den Anteil jenes Lichtes, das nicht über die Reflexion an der Grenzfläche den Wandler erreicht, möglichst klein zu halten. Aus diesem Grunde ist der lichtdurchlässige Körper an seiner Aussenseite und teilweise in der Ausnehmung mit einer lichtabsorbierenden Schicht versehen, die sich vom freiliegenden. nicht mehr in Giessharz eingebetteten Teil des Körpers ablösen und die Funktion des Gerätes beeinträchtigen kann. Ferner kann auch an jenen Flächen, die mit der lichtabsorbierenden Schicht bedeckt sind, noch immer eine gewisse, wenn auch geringe Reflexion eintreten. welche das zuverlässige Funktionieren des Gerätes in Frage stellt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei optischelektrischen Geräten der eingangs genannten Art die Ansprechtoleranzen herabzusetzen und die Betriebssicherheit zu erhöhen.
Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe besteht darin, dass der Körper an seiner Aussenseite mindestens teilweise eine Profilierung aufweist.
Durch diese Massnahme lässt sich erreichen, dass nur mehr die an den Grenzflächen reflektierten Strahlen und praktisch keine Streustrahlen zum Wandler gelangen, wodurch die Genauigkeit des Gerätes und die allgemeine Betriebssicherheit wesentlich ansteigt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Danach weist das optisch-elektrische Gerät den strahlendurchlässigen Körper 11 aus Glas auf, wie z.B. Acrylglas. Er hat die Form eines zylindrischen Stabes, dessen Endpartie 12 als Kegel mit der Grenzfläche 20 und rechtwinkligem Scheitel ausgebildet ist, an den ein kleiner zylindrischer Fortsatz 14 anschliesst.
An seiner Aussenseite ist der Körper 11 mit einer Profilierung versehen, beispielsweise mit Rillen 37. Dieselben können, je nach Herstellungsart, im Längsschnitt verschiedenartige Formen aufweisen, z.B. schlangenlinien- oder sägezahnförmig oder zinnenartig sein. Ferner können die Rillen jede in sich geschlossen oder unterbrochen, sie können aber auch zu einer Schraubenlinie verbunden sein. Als weitere Beispiele zweckentsprechender Profilformen sind Noppen, Zacken oder sonstige Erhebungen, ferner Einkerbungen und Randrierung zu nennen. Diese Profilierung kann sich über die gesamte Aussenseite des Körpers 11 oder nur über einen Teil, vor allem über jenen nahe der Strahlenquelle erstrecken.
Das der Endpartie 12 gegenüberliegende Ende des Körpers 11 weist eine ebene Stirnfläche auf, von der aus die Ausnehmung 18, vorzugsweise eine Bohrung, deren Achse mit der Körperachse zusammenfällt, in den Körper 11 eingearbeitet ist und bis nahe an den Scheitel der Endpartie reicht. Die Ausnehmung 18 ist mit derstrahlenabsorbierenden Auskleidung 15 versehen.
Die Strahlenquelle, im vorliegenden Ausführungsbeispiel die kleine sockelfreie elektrische Lichtquelle 19 ist in der Achse der Endpartie 12 so angeordnet, dass ihr Zentrum annähernd auf halber Höhe der Endpartie liegt. Sie ist von Silikonfett umgeben, 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 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 sind in einem 4adrigen 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 des Gerätes beim Auskühlen des Giessharzes anlässlich des Zusammenbaues des Gerätes leicht erreicht werden kann.
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 Befestigungsarten 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 die Grenzfläche 20 von Luft oder gegebenenfalls von einem anderen Gas umgeben.
Das von der Lichtquelle 19 ausgesandte Licht fällt grossteils auf die Grenzfläche 20 der Endpartie 12, wird an dieser total reflektiert und durch das Graufilter 16 gegen den fotoelektrischen Wandler 23 geworfen. wie mit den strichpunktierten Linien 36 angedeutet ist, und beaufschlagt die lichtempfindliche Fläche des Wandlers. Letzterer weist daher einen niedrigeren Innenwiderstand als im Dunkelfall 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 und praktisch null werden kann. Somit gelangt nur noch ein stark reduzierter Teil des Lichts auf die lichtempfindliche Fläche des Wandlers 23, weshalb nun sein Innenwiderstand viel grösser ist als zuvor.
Die geschilderte Änderung 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 Wandlers im Falle des Vorhandenseins 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, von diesem möglichst fernzuhalten. Diesem Zwecke dient die auf der Aussenseite des Körpers 11 angebrachte Profilierung. Wenn Lichtstrahlen auf eine Flanke der Rillen 37 treffen, werden sie reflektiert, was sich mehrmals wiederholen kann - sie können dabei auch in die Richtung der Lichtquelle zurückgeworfen werden - und treffen, falls überhaupt, nur noch so abgeschwächt auf den Wandler, dass sie praktisch keinen Einfluss mehr ausüben.
Eine zusätzliche, für den praktischen Gebrauch aber kaum mehr notwendige geringe Verbesserung ergibt sich, wenn die Rillen 37 mit einer lichtabsorbierenden Ummantelung 13 versehen sind, wofür beispielsweise ein schwarzer Farbanstrich mit Vorteil verwendet werden kann. Selbst wenn sich dieser ablösen sollte, wo ihn das Giessharz 26 nicht mehr umgibt, ist die Verschlechterung der Funktion des Gerätes so minimal, dass sie nahezu ohne Bedeutung ist; in den meisten Fällen genügen die Rillen allein. Auch ein reflektierender Belag auf den der Strahlenquelle zugekehrten Flächen der Profilierung kann gelegentlich vorteilhaft sein.
Die gleiche Aufgabe der Absorption von Streulicht erfüllt die Auskleidung 15 der Ausnehmung 18. Eine direkte Bestrahlung des Wandlers 23 von der Lichtquelle her wird durch das Giessharz in der Ausnehmung 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 Schutz gegen Streulicht oder Fremdlicht von aussen her. Durch Einfärben des Giessharzes kann dieses mindestens teilweise die Ummantelung 13 und die Auskleidung 15 ersetzen.
Bei einer bestimmten Ausgangsleistung an der Strahlenquelle soll immer die gleiche Ausgangsgrösse vom Wandler zur Signal- oder Steuereinrichtung gelangen. Die Intensität der Strahlenquelle kann grosse individuelle Unterschiede aufweisen, ebenso kann die Empfindlichkeit des Wandlers stark streuen und weitere Störeinflüsse sind möglich. Das alles kann durch Filter, im Falle von Lichtstrahlen durch das Graufilter 16 ausgeglichen werden, von dem, wie die Erfahrung zeigte, eine Skala von fünf abgestuften Grautönen genügt, um bei entsprechender Auswahl bei gleicher Spannung an der Lichtquelle annäherend die gleiche Ausgangsgrösse vom Wandler zu erhalten.
Der Raum um die Lichtquelle 19 ist mit Silikonfett ausgefüllt, um die entstehende Wärme der Lichtquelle 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 eine genügende Lichtintensität über die Grenzfläche 20 zum Wandler 23 gelangen zu lassen, während es ihn 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 entsteht. Würde der Fortsatz fehlen, so bliebe an der Spitze der Endpartie 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 Hülle 17 hält Wellen an der Oberfläche der Flüssigkeit vom Hohlraum 28 ab, wodurch die Ausgangsgrösse des Gerätes exakter wird.
Sie schützt auch die Grenzfläche 20 vor Schaum und Spritzern, was zu einer ungenauen Erfassung des Flüssigkeitsstandes und somit zu einer Änderung der den Wandler treffenden Strahlenintensität führen würde. Die Öffnungen 22 und 35 ermöglichen das Zu- und Abfliessen der zu überwachenden Flüssigkeit zum bzw. vom Hohlraum 28. Die Hohlkehlen 32 im Giessharz 26 dienen einerseits 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 Grenzfläche benetzen sollen. Durch das Sieb 27 wird verhindert, dass Schmutz zur Grenzfläche gelangen und sich dort anlagern kann, was gleichfalls die Ausgangsgrösse des Gerätes beeinflussen, ja sogar sein Funktionieren verhindern kann.
Wenn im beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Lichtquelle verwendet wurde, so gehören auch die Leuchtdioden (LED) dazu und es sei ausdrücklich vermerkt, dass ausser Lichtstrahlen noch verschiedene andere Strahlenarten anwendbar sind und gleicherweise unter den Erfindungsgedanken fallen. Zu nennen sind beispielsweise Infrarot-, Ultraviolettund Laserstrahlen. Der Werkstoff des strahlendurchlässigen Körpers und die Art des Wandlers, nötigenfalls auch die strahlenabsorbierende Auskleidung der Ausnehmung und die Ummantelung, der Farbanstich, die Membrane, das Einfärben des Harzes oder das Filter sind an die jeweilige Strahlenart anzupassen.
Der strahlendurchlässige Körper 11 kann auch als prismatischer Stab ausgebildet sein, in welchem Falle zweckmässigerweise auch die als Pyramide ausgebildete Endpartie eine entsprechende Anzahl Schrägflächen als strahlenreflektierende Grenzflächen aufweist. Es ist aber auch durchaus möglich, an einen prismatischen Stab eine kegel- oder dachförmige Endpartie anzusetzen. Umgekehrt könnte an einem strahlendurchlässigen Körper mit kreisrundem Querschnitt die Endpartie in der Form einer Pyramide oder eines Dachkantprismas ausgebildet sein. Der Scheitel der Grenzfläche kann auch etwas kleiner als rechtwinklig sein, wodurch eine gewisse Bündelung der Strahlen möglich ist.
Strahlendurchlässiger Körper und Wandler können auch örtlich getrennt sein, denn gerade ein Strahl bzw. ein Strahlenbündel bietet eine gute Möglichkeit, selbst grössere Entfernungen zu überbrücken. Dabei ist auch eine Ablenkung der Strahlen durch Spiegelung oder eine nochmalige Reflexion möglich, ferner können die Strahlen durch eine Linse gesammelt und der Wandler im Brennpunkt derselben angebracht werden, auch kann die Selektionierung einer bestimmten Wellenlänge von Vorteil sein.