DD226070A1

DD226070A1 - ARRANGEMENT FOR THE ASSESSMENT OF A LIMIT LAYER

Info

Publication number: DD226070A1
Application number: DD26479584A
Authority: DD
Inventors: Bernd Donath; Rolf Roeder
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1984-07-02
Filing date: 1984-07-02
Publication date: 1985-08-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Hoehenlagebestimmung einer Grenzschicht, die zwischen einem Gas und einem Fluid oder zwei sich nicht mischenden Fluiden entsteht, in dem die die Grenzschicht bildenden Medien unterschiedliche Brechzahlen aufweisen und durch eine Aufhebung der Totalreflexion im Bereich des Mediums der hoeheren Brechzahl eine Hell-Dunkel Flaeche auf einem optoelektronischen Empfaenger ausgebildet wird. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Grenzschichthoehe mit hoher Genauigkeit innerhalb eines bestimmten Messbereiches zu ermitteln. Das wird dadurch erreicht, dass eine Seitenwand des Messgefaesses als optisch-abbildendes Bauelement senkrecht zur Grenzschichtebene vorgesehen ist, dass eine optische Baugruppe, umfassend ein Prisma, an dessen Hypothenusenflaeche eine planparallele Platte und an der einen Kathetenflaeche ein optoelektronischer Positionsempfaenger angeordnet ist, mit dem optisch-abbildenden Bauelement loesbar verbunden ist und dass oberhalb der anderen Kathetenflaeche des Prismas eine Lichtquelle vorgesehen ist, mit senkrecht zu der Kathetenflaeche einfallendem Lichtstrahlenbuendel. Fig. 1The invention relates to an arrangement for determining the height of a boundary layer, which is formed between a gas and a fluid or two non-mixing fluids, in which the boundary layer forming media have different refractive indices and by canceling the total reflection in the medium of the higher refractive index a bright -Dark area is formed on an optoelectronic receiver. The object of the invention is to determine the boundary layer height with high accuracy within a certain measuring range. This is achieved in that a side wall of the measuring vessel is provided as an optical imaging component perpendicular to the boundary layer plane, that an optical assembly, comprising a prism, at the Hypothenusenflaeche a plane-parallel plate and on a Kathetenflaeche an optoelectronic position receiver is arranged with the optical -implementing component is loesbar connected and that above the other Kathetenflaeche of the prism, a light source is provided, with perpendicular to the Kathetenflaeche incident Lichtstrahlenbuendel. Fig. 1

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Höhenlagebestimmung einer Grenzschicht, die zwischen einem Gas und einem Fluid oder zwei sich nicht mischenden Fluiden entsteht, indem die die Grenzschicht bildenden Medien unterschiedliche Brechzahlen enthalten und durch eine Aufhebung der Totalreflexion im Bereich des Mediums der höheren Brechzahl eine Hell-Dunkel Fläche auf einem optoelektronischen Positionsempfänger sich ausbildet. Die Erfindung ist insbesondere für eine automatische Bestimmung von Grenzschichten bei vorgegebenen Meßbereichen unter genauer Angabe einer Füllstandshöhe anwendbar.The invention relates to an arrangement for determining the height of a boundary layer, which is formed between a gas and a fluid or two non-mixing fluids, by the media forming the boundary layer containing different refractive indices and by canceling the total reflection in the region of the medium of higher refractive index. Dark surface on an optoelectronic position receiver is formed. The invention is applicable in particular for an automatic determination of boundary layers at predetermined measuring ranges with precise indication of a filling level height.

Characteristic of the known technical solutions

Für die Höhenlagebestimmung von Grenzschichten mit elektrooptischen Bauelementen unterscheidet man drei verschiedene ^Meßanordnungen. Anordnungen, die Auflicht- oder Durchlicht verwenden und Anordnungen, die die Aufhebung der Totalreflexion an optischen Bauelementen ausnutzen.For the height determination of boundary layers with electro-optical components a distinction is made between three different measuring arrangements. Arrangements that use reflected light or transmitted light and arrangements that take advantage of the cancellation of total reflection on optical components.

Aus der DD-WP 2493405 ist eine Anordnung bekannt, bei der eine Flüssigkeitsoberfläche so mit diffusem Licht beleuchtet wird, daß am Rande des Meßgefäßes, das aus einem optischen Werkstoff besteht, an der Grenzfläche Fluid/Gas sich eine Llchtkante ausbildet, deren Lage mit einem elektrooptischen Empfänger ausgewertet wird. Nachteilig ist hier die Abbildungsfähigkeit der Uchtkante. In den DE-OS 2511427, DE-OS 2920199, CH-PS 581830, CH-PS 556529 und CH-PS 620518 werden Anordnungen beschrieben, die auf dem Meßprinzip der Aufhebung der Totalreflexion an optischen Bauelementen beruhen, indem ein in ein optisches Bauelement eintretender Lichtstrahl an seinem Oberflächenteil reflektiert oder bei Berührung mit der Flüssigkeit in das ^f!uide Medium gebrochen wird. Diese Anordnungen haben einen Nachteil, daß nur bestimmt werden kann, ob die Grenzschicht in dem Meßbereich ist oder nicht. Außerdem kann durch das Eintauchen des optischen Bauelementes in das fluide Medium eine Volumenänderung im Medium entstehen, was zu einem nichtlinearen Zusammenhang zwischen Meßgröße und Meßsignai führt. Nachteilig ist weiterhin, daß ein Auswechseln des optoelektronischen Bauelementes zur Abbildung nicht ohne Ablassen der Flüssigkeit möglich ist. In der DE-OS 3144541 ist eine Anordnung beschrieben, in der durch einen senkrecht in einem Behälter stehenden Lichtleiter eine elektromagnetische Strahlung hindurchgeschickt wird, die an einem entsprechend ausgebildeten Oberflächenteil reflektiert wird. Der Lichtleiter ist dabei in Achsenrichtung einseitig abgeflacht. In Abhängigkeit vom Bsnetzungsgrad mit der Flüssigkeit wird durch Aufhebung der Totalreflexion an dem optischen Bauelement die empfangene, reflektierte elektromagnetische Strahlung geändert. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß die Meßergebnisse von den Eigenschaften der Strahlungsquelle stark abhängig sind.From the DD-WP 2493405 an arrangement is known in which a liquid surface is illuminated with diffused light, that at the edge of the measuring vessel, which consists of an optical material, forms a Llchtkante at the interface fluid / gas whose position with a electro-optical receiver is evaluated. The disadvantage here is the ability to image the Uchtkante. In the DE-OS 2511427, DE-OS 2920199, CH-PS 581830, CH-PS 556529 and CH-PS 620518 arrangements are described which are based on the principle of measurement of the cancellation of total reflection of optical components by a entering into an optical device light beam reflected at its surface portion or is broken in contact with the liquid in the ^f! uid medium. These arrangements have a disadvantage that it can only be determined whether the boundary layer is in the measuring range or not. In addition, by the immersion of the optical component in the fluid medium, a volume change in the medium arise, resulting in a non-linear relationship between the measured variable and Meßsignai. A further disadvantage is that a replacement of the optoelectronic component for imaging is not possible without draining the liquid. In DE-OS 3144541 an arrangement is described, in which an electromagnetic radiation is transmitted through a standing vertically in a container light guide, which is reflected at a correspondingly formed surface portion. The light guide is flattened on one side in the axial direction. Depending on the Bsnetzungsgrad with the liquid, the received, reflected electromagnetic radiation is changed by canceling the total reflection on the optical component. This arrangement has the disadvantage that the measurement results are highly dependent on the properties of the radiation source.

Object of the invention

Durch die Erfindung sollen die genannten Nachteile beseitigt und eine einfache, stabile mit hoher Zuverlässigkeit sowie ohne mechanisch bewegte Bauelemente arbeitende Anordnung erhalten werden.The invention is intended to eliminate the disadvantages mentioned and to obtain a simple, stable arrangement operating with high reliability and without mechanically moving components.

Explanation of the essence of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, die Höhenlage einer Grenzschicht zwischen einem Gas und einem Fluid oder zwei sich nicht mischenden Fluiden mit hoher Genauigkeit innerhalb eines vorgegebenen Meßbereiches zu bestimmen.The object of the invention is to determine the altitude of a boundary layer between a gas and a fluid or two non-mixing fluids with high accuracy within a predetermined measuring range.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, das eine Seitenwand des Meßgefäßes als optisch abbildendes Bauelement senkrecht zur Grenzschicht vorgesehen ist, daß eine optische Baugruppe, umfassend ein Prisma, an dessen Hypothenusenfläche eine planparailele Platte und an der einen Kathetenfläche ein optoelektronischer Positionsempfänger angeordnet ist, mit dem optisch abbildenden Bauelement lösbar verbunden ist, daß zur anderen Katheterfiäche des Prismas e<ne Lichtquelle vorgesehen ist, mit einem senkrecht zu dieser Fläche einfallenden Lichtstrahlenbündel, und daß eine scharfe Trennkante de^r Hell-Ounkelfläche auf den optoelektronischen Positionsempfänger abgebildet und in nachgeoraneten elektronischen Einrichtungen ausgewertet und angezeigt wird.According to the invention, this object is achieved in that a side wall of the measuring vessel is provided as an optically imaging device perpendicular to the boundary layer that an optical assembly, comprising a prism, at the Hypothenusenfläche a planparailele plate and on one Kathetenfläche an optoelectronic position receiver is arranged is releasably connected to the optically imaging device that is provided to the other catheter surface of the prism e <ne light source, with a perpendicular to this surface incident light beam, and that a sharp separation edge de ^r Hell-Ounkelfläche imaged on the optoelectronic position receiver and nachgeoraneten electronic Facilities is evaluated and displayed.

Vorteilhaft ist es, die optische Baugruppe so lösbar an dem optisch abbildenden Bauelement des Meßgefäßes anzuordnen,It is advantageous to arrange the optical assembly so detachably on the optically imaging component of the measuring vessel,

l_Dsevo>gang ruchtänuBm. Außerdem Ist e«l_Dsevo> gang ruchtänuBm. Besides, e is «

vorteilhaft, durch eine elektronische Mittelwertbildung die Kantenunschärfe der Trennkante zu kompensieren und als Beleuchtung eine Lichtquelle vorzusehen, die ins Unendliche abgebildet wird und keine thermische Beeinflussung des Meßvorganges hervorruft.advantageous to compensate by electronic averaging the edge blurring of the separating edge and provide as illumination a light source, which is imaged to infinity and does not cause any thermal influence on the measuring process.

Durch die Erfindung ist es möglich, eine einfache, stabile mit hoher Zuverlässigkeit und Genauigkeit sowie ohne mechariscri bewegte Bauelemente arbeitende Anordnung zur Bestimmung der Höhenlage einer Grenzschicht, mit auswechselbaren optischen Bauelementen ohne Änderung der Grenzschichthoho und der Querschnittsfiäche des Meßgefäßes zu erhalten.The invention makes it possible to obtain a simple, stable arrangement with high reliability and accuracy and without mechariscri moving components for determining the altitude of a boundary layer, with interchangeable optical components without changing the Grenzschichthoho and Querschnittsfiäche the Meßgefäßes.

-з- 647 95-z- 647 95

AusführungsbeispieiAusführungsbeispiei

Die Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung zur Höhenlagebestimmung einer Grenzschicht F!g,2 eine Kurvendarstellung der Beleuchtungsstärke über dem Meßbereich eines optoelektronischen Positionsempfängers. Fig. 1 zeigt ein vorzugsweise abgedunkeltes Meßgefäß 1, bei dem eine Seitenwand durch eine planparallele Platte 2,3ls optisch abbildendes Element senkrecht zur Grenzschichtebene, mit einer Kittverbindung 14 fest verschlossen ist. Die planparaileie Platte 2 wird zusätzlich über einen Zwischenring 9 mit einem Vorschraubring 10, der gleichzeitig zur Führung einer Fassung 12 dient, lagegesichert. In der Fassung 12 wird eine weitere planparaileie Platte 3 geführt, an der durch eine FeinkittverDindung 8 ein Reflexionsprisma 4 befestigt ist. An der einen Kathetenfläche des Reftexionsprisma 4 befestigt ist. An der einenThe invention will be explained in more detail below with reference to the schematic drawings. 2 shows a curve representation of the illumination intensity over the measuring range of an optoelectronic position receiver. Fig. 1 shows a preferably darkened measuring vessel 1, in which a side wall is closed by a plane-parallel plate 2,3ls optically imaging element perpendicular to the boundary layer plane, with a cemented connection 14. The planparaileie plate 2 is additionally secured in position via an intermediate ring 9 with a Vorschraubring 10, which also serves to guide a socket 12. In the version 12, a further planparaileie plate 3 is guided, on which by a FeinkittverDindung 8 a reflection prism 4 is attached. Attached to the one catheter surface of the Reflektionsprisma 4. At the one

AQ Kathetenfläche des Reflexionsprismas 4 ist ein optoelektronischer Positionsempfänger 6 angeordnet. Von diesem Empfänger 6 führt ein Anschlußkabel 16 durch eine Abdeckkappe 15 zu einer Auswerteelektronik 19. Die Fassung 12, mit den Teilen 3,4, 5 und 6, und die Abdeckkappe 15 werden durch Schrauben 13 am Meßgefäß 1 befestigt. Die die planparallelen Platten 2 und 3 verbindende lösbare Feinkittschicht 7 wird bei Erwärmung flüssig. Dadurch wird die Baugruppe bestehend aus den Teilen 3,4, 6 und 12 abnehmbar, ohne Änderung der Grenzschichthöhe und der Querschnittsffäche im Meßgefäß 1. Die Dicke der AQ catheter surface of the reflection prism 4, an optoelectronic position receiver 6 is arranged. From this receiver 6 leads a connecting cable 16 through a cap 15 to a transmitter 19. The socket 12, with the parts 3,4, 5 and 6, and the cap 15 are fixed by screws 13 on the measuring vessel 1. The releasable Feinkittschicht 7 connecting the plane-parallel plates 2 and 3 is liquid when heated. Thereby, the assembly consisting of the parts 3,4, 6 and 12 is removable, without changing the boundary layer height and the cross-sectional area in the measuring vessel 1. Die Dicke der

a * Feinkittschicht 7 wird durch Abstimmscheiben 11 eingestellt. Wird auf eine Lösbarkeit der Baugruppe (3,4,6 und 12) verzichtet, kann das Reflexionsprisma 4 direkt auf die planparallele Platte 2 aufgekittet werden. Über der anderen Kathetenfläche des Reflexionsprismas 4 ist als Beleuchtung eine ins Unendliche abgebildete Lichtquelle 5, die über ein Kabel 17 an eine Stromversorgung 18 angeschlossen ist, vorgesehen. Die Lichtquelle 5 ist dafür so eingerichtet, daß ihre austretenden Lichtstrahlen senkrecht zur Kathetenfläche in das Reflexionsprisma 4 einfallen und daß bei leerem Meßgefäß 1 infolge der a * Feinkittschicht 7 is adjusted by tuning disks 11. If a detachability of the assembly (3, 4, 6 and 12) is dispensed with, the reflection prism 4 can be cemented directly onto the plane-parallel plate 2. Above the other catheter surface of the reflection prism 4, a light source 5 shown at infinity, which is connected to a power supply 18 via a cable 17, is provided as illumination. The light source 5 is set up so that their exiting light rays perpendicular to the catheter surface in the reflection prism 4 and that when empty measuring vessel 1 due to the

г" Totalreflexion der gesamte Meßbereich des optoelektronischen Positionsempfängers 6 mit gleichmaßiger Beleuchtungsstarke bestrahlt wird. Übersteigt die Grenzschichthöhe den Meßbereich, wird die Totalreflexion vollständig aufgehoben und der Positionsempfänger 6 gibt ein Dunkeisignal ab. Befindet sich die Grenzschichthöhe im Meßbereich, entsteht auf dem Positionsempfänger 6 eine Heil-Dunkeltrennkante, deren Position in einer Auswerteelektronik 19 ermittelt und auf einem Display 20 angezeigt wird. Das Ausgangssignal der Auswerteelektronik 19 kann auch an eine Zentraleinheit zur Auswertung l<weitergeleitet werden. Die Hell-Ounkeltrennkante verhält sich analog zur Grenzschichthöhe. Es besteht der Zusammenhang: h = s, + s h — GrenzschichthoheIf the boundary layer height exceeds the measuring range, the total reflection is completely canceled out and the position receiver 6 emits a dark signal . -Dunkeltrennkante whose position is determined in an electronic evaluation system 19 and displayed on a display 20. the output of the transmitter 19 can also be forwarded to a central unit for evaluation l <the light-Ounkeltrennkante behaves analogously to the boundary layer height, there is the relationship..: h = s, + sh - boundary layer height

s₀ — Meßbereichsunterkantes ₀ - lower measuring range

s — gemessene Grenzschichthöhes - measured boundary layer height

I-¹ S₀ entspricht der Nuliposition auf dem Positionsempfänger 6.I- ¹ S ₀ corresponds to the zero position on the position receiver 6.

а а — Position der Hell-Dunkeltrennkante auf dem- the position of the bright-dark separation edge on the

^{3 =} ~ J" Empfänger 6 ^{3 =} ~ J " receiver 6

In Fig.2 isjt die Beleuchtungsstärke qualitativ über dem Meßbereich des optoelektronischen Positionsempfängers 6 dargestellt. Durch eine elektronische Mittelwertbildung ist die technisch bedingte Unscharfe ΔΙ zu komoensieren, um die Position χ der Trennkante zu ermitteln, da die Hell-Dunkeitrennkante ein Maß für die Grenzschichthöhe ist. Der Winkel β des ReflexionsprismasFIG. 2 shows the illuminance qualitatively above the measuring range of the optoelectronic position receiver 6. By electronically averaging the technically induced blur ΔΙ is komosensieren to determine the position of the separating edge,, since the Hell-Dunkeitrennkante is a measure of the boundary layer height. The angle β of the reflection prism

4 ist abhängig von den Brechzahlen4 depends on the refractive indices

n-,... гц iFig. 1K Unter der Voraussetzung n₃ = n₄ = n₅ n-, ... гц iFig. 1K Assuming n ₃ = n ₄ = n ₅

n₂>n,n ₂ > n,

n₃>n, folgt für den halben Prismenwinkel ß/2 die Ungleichungn ₃ > n, the inequality follows for half the prism angle ß / 2

90° - arc sin (—) <4<S0" - arc sin (— \ n₃/ 2 \ n₃.90 ° - arc sin (-) <4 <S0 "- arc sin (- \ n _3/2 \ n ₃ .

in diesem Bereich, der sich aus den Bedingungen für die Totalreflexion ergibt, kann der ^Drismenwinkei β und der AbbildungsmaSstab M_a variiert wardenIn this area, which results from the conditions for the total reflection, the ^D rismenwinkei β and the mapping scale M _{a can be} varied

M_a --τ¹- sin (4r) [Fig. 1!M _a -τ ¹ -sin (4r) [Fig. 1!

Voraussetzungen für die Bestimmung der Höhenlage einer Grenzschicht, die zwiscnen einem Gas und einem Fiuid oder zwei sich nicht mischenden Fluiden entsteht, sind unterschiedliche Brechzahlen der die Grenzschicht bildenden Medien und das einwandfreie Ablaufen dieser Medien an dem optisch abbildenden Bauelement 2. Weiterhin wird die Aufhebung der Totalreflexion im Bereich des Mediums der höheren Brechzahl ausgenutzt, um eine Hell-Dunkeitrennkante auf einem optoelektronischen Positionsempfänger 6 auszubilden. Das von der Lichtquelle 5 ausgesendete Strahlenbündel tritt senkrecnt zur Kathetenfiäche in das Reflexionsprisma 4 ein und wird im Bereich des Mediums der niedrigen Brecnzahl n·. an der planparalleien Platte 2 reflektiert und als helle Fläche auf den Positionsempfängsr 6 abgebildet. Im Bereich des Mediums der höheren Brechzahl n₂ wird durch die Aufhebung der Totalreflexion an der pianparal'elen Platte 2 das Strahlenbündel in das Medium mit der höheren Brechzahl n₂ gebrochen and als dunkle Fläche auf den Positionsempfänger 6 abgebildet. Die Position der Hell-Dunkeitrennkante ist aas Maß für die Grenzschichthohe.Prerequisites for the determination of the altitude of a boundary layer which arises between a gas and a fluid or two non-mixing fluids are different refractive indices of the media forming the boundary layer and the proper draining of these media on the optically imaging device 2. Furthermore, the abolition of the Total reflection in the range of the medium of higher refractive index exploited to form a Hell-Dunkeitrennkante on an optoelectronic position receiver 6. The beam emitted by the light source 5 enters the reflection prism 4 perpendicular to the face of the catheter and becomes n · in the region of the medium of low number of rays. reflected on the plane parallelepiped plate 2 and shown as a bright surface on the Positionsempfängsr 6. In the area of the medium of the higher refractive index n ₂ , the radiation beam is refracted into the medium with the higher refractive index n ₂ by the cancellation of the total reflection at the pianparal'elen plate 2 and imaged onto the position receiver 6 as a dark surface. The position of the Hell-Dunkeitrennkante is aas measure of the boundary layer height.

Claims

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claims:

1. Arrangement for determining the height of a boundary layer, which is formed in a measuring vessel of media of different refractive indices, with a light source for emitting a light beam to optically imaging components, so that while canceling the total reflection in the medium with the higher refractive index, a healing-dark surface an optoelectronic receiver is formed and with means for evaluating and displaying the healing dark area, characterized in that a side wall of the measuring vessel is provided as an optically imaging device perpendicular to the boundary layer surface, that an optical assembly comprising a prism, at its Hypothenusenfläche a plane-parallel plate and at the one Kathetenfläche an optoelectronic position receiver is arranged, is releasably connected to the optically imaging device, that above the other surface of the prism Cathodes a light source is provided with perpendicular to de r Catheter surface incident light beam and that a sharp separation edge of the light-Ounkerfläche imaged on an optoelectronic position receiver and evaluated in downstream electronic devices and displayed.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the optical assembly is detachable, without changing the boundary layer height and the cross-sectional area of the measuring vessel.

3. Arrangement according to claim 1, characterized in that a light source is provided as lighting, which is imaged to infinity and does not cause any thermal influence on the measuring process.

4. Arrangement according to claim ^, characterized in that the edge blurring of the bright-dark separation edge is compensated by electronic averaging.

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