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Die Erfindung betrifft eine Füllstandmessvorrichtung zum Ermitteln eines Flüssigkeitsfüllstandes in einem Behälter.
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Zur Messung des Flüssigkeitsfüllstandes in Behältern sind Füllstandmessgeräte üblich, bei denen die Standhöhe der in einem Behälter befindlichen Flüssigkeit rein mechanisch in Verbindung mit einem auf der Flüssigkeitsoberfläche schwimmenden Schwimmkörper erfasst wird. Zwar sind diese Messgeräte in der Regel vergleichsweise kostengünstig herstellbar, allerdings ist die Messgenauigkeit diese Geräte nicht sehr hoch.
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Daneben sind auch Messvorrichtungen bekannt, die eine mit sich änderndem Füllstand einhergehende Änderung elektrischer Größen wie elektrische Leitfähigkeit, Kapazität oder Induktivität erfassen oder solche Messvorrichtungen, bei denen mittels einer Sender-Empfänger-Anordnung die Laufzeit eines auf die Flüssigkeitsoberfläche geleiteten und dort reflektierten Ultraschall- oder Mikrowellenstrahls erfasst wird. Diese Messvorrichtungen weisen gegenüber den mechanischen Füllstandmessgeräten üblicherweise eine höhere Messgenauigkeit auf, sie sind aber aufgrund ihres aufwändigen technologischen Aufbaus vergleichsweise kostspielig.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine kostengünstig herstellbare Füllstandmessvorrichtung zu schaffen, mit der der Flüssigkeitsfüllstand in einem Behälter mit hoher Messgenauigkeit erfasst werden kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Füllstandmessvorrichtung, mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Füllstandmessvorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen. Hierbei können gemäß der Erfindung die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale jeweils für sich aber auch in technologisch sinnvoller Kombination die erfindungsgemäße Lösung gemäß Anspruch 1 weiter ausgestalten.
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Die erfindungsgemäße Füllstandmessvorrichtung zum Ermitteln eines Flüssigkeitsfüllstandes in einem Behälter weist einen Schwimmkörper auf, der auf der in dem Behälter befindlichen Flüssigkeit schwimmt. Mit diesem Schwimmkörper ist ein Reflektor also ein mit einer Licht reflektierenden Oberfläche ausgestattetes Bauteil zur gemeinsamen Auftriebsbewegung gekoppelt, d. h. der Reflektor bewegt sich entsprechend der Bewegung des Schwimmkörpers gemeinsam mit diesem auf und ab. Der Reflektor wird von einer Lichtquelle angestrahlt. Zum Erfassen des von dem Reflektor reflektierten Lichts ist ein optischer Sensor vorgesehen. Dieser Sensor ist in der Füllstandmessvorrichtung raumfest angeordnet, d. h. er bewegt sich nicht gemeinsam mit dem Reflektor. Vorteilhaft kann er z. B. oberhalb des größtmöglichen Flüssigkeitspegels in dem Behälter angeordnet sein.
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Bei dem optischen Sensor kann es sich beispielsweise um eine Fotodiode oder eine Gruppe von Fotodioden handeln, in der bzw. denen das auf die Fotodiode/Fotodioden einfallende Licht in ein von der Lichtmenge abhängiges Spannungssignal umgewandelt wird. Besonders vorteilhaft kann als optischer Sensor auch ein Fototransistor oder eine Gruppe von Fototransistoren eingesetzt werden, da diese in der Regel eine größere Lichtempfindlichkeit als Fotodioden aufweisen.
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Diese Ausgestaltung der Füllstandmessvorrichtung ermöglicht bei einem vergleichsweise einfachen und damit kostengünstigen Aufbau eine exakte Erfassung des Flüssigkeitsfüllstandes in nahezu jedem mit Flüssigkeit gefüllten Behälter. Hierzu arbeitet die erfindungsgemäße Füllstandmessvorrichtung nach dem Prinzip der optischen Entfernungsmessung, bei der die Tatsache genutzt wird, dass sich die von einer Lichtquelle zu einem optischen Sensor übertragene Lichtmenge mit einer Änderung der Entfernung zwischen der Lichtquelle und dem Sensor, d. h. der Entfernung der Lichtquelle von dem Reflektor zuzüglich der Entfernung des Reflektors von dem optischen Sensor, ändert. Das heißt, mit zunehmendem Abstand zwischen Lichtquelle und Sensor nimmt die von dem Sensor erfasste Lichtmenge ab, während sie bei abnehmendem Abstand zwischen Lichtquelle und Sensor zunimmt. Typischerweise ändert sich sowohl der Abstand der Lichtquelle von dem Reflektor als auch der Abstand zwischen dem Reflektor und dem optischen Sensor bei einer Änderung des Flüssigkeitsfüllstandes in dem Behälter. Entsprechend ist jedem Flüssigkeitsfüllstand eine bestimmte von dem Reflektor zu dem optischen Sensor reflektierte Lichtmenge bzw. ein bestimmtes von der Fotodiode bzw. dem Fototransistor erzeugtes Spannungssignal zugeordnet. Auf Grundlage dieses Spannungssignals kann dieses in einer hierfür geeigneten Steuerungsvorrichtung derart weiterverarbeitet werden, dass der ermittelte Füllstand an einer Anzeigeeinrichtung dargestellt werden kann.
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Je nach Kopplung des Reflektors mit dem Schwimmkörper sowie Anordnung des optischen Sensors relativ zu dem Reflektor kann der Strahlengang des von dem Reflektor zu dem Sensor reflektierten Lichts durch die in dem Behälter befindliche Flüssigkeit oder vollständig außerhalb dieser Flüssigkeit verlaufen, wobei letztgenannter Strahlengangverlauf in der Regel zu bevorzugen ist, damit sich gegebenenfalls in der Flüssigkeit befindliche Verunreinigungen oder eine grundsätzliche Inhomogenität der Flüssigkeit nicht auf die von dem Reflektor zu dem Sensor reflektierte Lichtmenge auswirken und zu einem fehlerhaften Messergebnis führen.
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Zweckmäßigerweise ist sicherzustellen, dass eine gemeinsame optische Achse von Reflektor und optischem Sensor bzw. der Strahlengang des von dem Reflektor zu dem optischen Sensor reflektierten Lichts parallel zur Auftriebsrichtung des Schwimmkörpers und des Reflektors verläuft, so dass die von dem optischen Sensor erzeugten Spannungssignale jeweils direkt einem bestimmten Flüssigkeitsfüllstand in dem Behälter zugeordnet werden können. Hierzu kann der Reflektor vorteilhaft in einer Führung in Auftriebsrichtung und entgegengesetzt zur Auftriebsrichtung relativ zu der Position des optischen Sensors geführt sein. Demgemäß kann eine Linearführung vorgesehen sein, die derart ausgestaltet und ausgerichtet ist, dass lediglich Reflektorbewegungen senkrecht zum Flüssigkeitspegel, d. h. vertikale Bewegungen des Reflektors in dem Behälter möglich sind. Alternativ ist es auch möglich, eine Führung bereitzustellen, in der der Schwimmkörper oder der Schwimmkörper zusammen mit dem Reflektor in der beschrieben Weise geführt sind.
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Bevorzugt ist der Reflektor von der Flüssigkeitsumgebung in dem Behälter isoliert in einem geschlossenen Hohlraum angeordnet. D. h. der Reflektor ist vorzugsweise in einem Hohlkörper angeordnet, der nicht mit der in dem Behälter befindlichen Flüssigkeit gefüllt ist. Diese Flüssigkeit befindet sich außenseitig des den Hohlraum bildenden Hohlkörpers. Dies ist insofern vorteilhaft, als sich gegebenenfalls in der Flüssigkeit befindliche Feststoffpartikel oder andere Verunreinigungen nicht auf dem Reflektor absetzten können oder eine durch die Flüssigkeit verursachte Korrosion der Reflektionsfläche des Reflektors nicht stattfinden kann, was ansonsten zu einer Änderung der von dem Reflektor reflektierten Lichtmenge führen würde.
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Besonders vorteilhaft kann eine den Hohlraum begrenzende Wandung die Führung für den Reflektor bilden. Bei dieser Ausgestaltung erstreckt sich zweckmäßigerweise eine den Hohlraum umgebende Innenwandung eines Hohlkörpers parallel zur Auftriebsrichtung bzw. senkrecht zu dem Flüssigkeitspegel in dem Behälter, wobei der von dieser Wandung eingefasste Innenquerschnitt des Hohlraums hinsichtlich seiner Form und Abmessungen mit dem Außenquerschnitt des in den Hohlraum befindlichen Reflektors derart korrespondiert, dass der Reflektor mit einem geeigneten Spiel in dem Hohlraum linear geführt ist. D. h., der Reflektor ist in einem rohrförmigen Hohlkörper linear beweglich geführt.
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Bei einer Anordnung des Reflektors in einem von der Flüssigkeitsumgebung in dem Behälter isolierten geschlossenen Hohlraum ist der Reflektor von dem außerhalb des Hohlraums in der Flüssigkeit schwimmenden Schwimmkörper durch die den Hohlraum außenseitig begrenzende Wandung räumlich getrennt. In diesem Fall kann der Reflektor vorteilhafterweise magnetisch mit dem Schwimmkörper gekoppelt sein. Diese magnetische Kopplung ermöglicht es, den Reflektor durch die den Hohlraum begrenzende Wandung hindurch mit dem Schwimmkörper so zu verbinden, dass sich der Reflektor bei einer durch eine Füllstandänderung verursachte Bewegung des Schwimmkörpers mit dem Schwimmkörper korrespondierend mitbewegt. Hierzu weist sowohl der Reflektor als auch der Schwimmkörper mindestens ein magnetisches Koppelelement auf. Der Schwimmkörper wird bei dieser Ausgestaltung zweckmäßigerweise so an der Außenseite der den Hohlraum begrenzenden Wandung angeordnet, dass sein magnetisches Koppelelement einem an einer Außenseite des Reflektors angeordneten Koppelelement gegenüberliegt, so dass der Schwimmkörper und der Reflektor durch direkten magnetischen Fluss durch die Wandung miteinander verbunden werden. Zweckmäßigerweise wird zumindest eines der magnetischen Koppelelemente von Schwimmkörper und Reflektor von einem Permanentmagneten gebildet, während das andere Koppelelement gegebenenfalls lediglich aus einem ferromagnetischen Material bestehen kann. Die Wandung des die Führung für den Reflektor bildenden Hohlkörpers ist bei dieser Ausgestaltung typischerweise nicht magnetisierbar ausgebildet.
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Vorzugsweise bildet die Führung für den Reflektor auch eine Führung für den Schwimmkörper. So kann beispielsweise bei einem in einem geschlossenen Hohlraum geführten Reflektor die Innenseite der den Hohlraum begrenzenden Wandung die Führung für den Reflektor bilden, während der Schwimmkörper an der Außenseite diese Wandung geführt ist. Die Führung ist zweckmäßigerweise so lang ausgebildet, dass der Schwimmkörper bei jedem möglichen Flüssigkeitsfüllstand in dem Behälter frei schwimmt.
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In diesem Zusammenhang ist weiter vorteilhaft vorgesehen, dass der Schwimmkörper die Führung des Reflektors außenseitig umgreift. Der Schwimmkörper kann dann zum Beispiel eine innere, in Auftriebsrichtung des Schwimmkörpers verlaufende Durchbrechung aufweisen, durch die die Führung mit einem darin angeordneten Reflektor geführt ist.
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Vorzugsweise bildet ein Hohlzylinder die Führung für den Reflektor und den Schwimmkörper. Der in dem Hohlzylinder geführte Reflektor kann dann zweckmäßigerweise eine zylindrische Form aufweisen und der außenseitig des Hohlzylinders geführte Schwimmkörper kann ringförmig ausgebildet sein und die äußere Mantelfläche des Hohlzylinders vollständig umgeben. Um eine möglichst gute magnetische Kopplung zwischen Schwimmkörper und Reflektor zu gewährleisten, ist der Hohlzylinder vorteilhaft zumindest im Bereich seiner Umfangswandung vergleichsweise dünnwandig ausgebildet.
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Zweckmäßigerweise kann der zur Anordnung des Reflektors vorgesehene Hohlraum evakuiert sein. Demnach kann in dem Hohlraum ein Vakuum erzeugt und gehalten werden. Hierzu ist der den Hohlraum bildende Hohlkörper typischerweise gasdicht verschließbar ausgebildet. Dies ist insofern vorteilhaft, als hierdurch eine durch Luft oder durch die in dem Behälter befindliche Flüssigkeit verursachte Korrosion des Reflektors, die zu einer Änderung der Reflektionseigenschaften des Reflektors führen könnte, verhindert wird.
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In alternativer vorteilhafter Ausgestaltung zur Verhinderung einer Korrosion des Reflektors kann der zur Anordnung des Reflektors vorgesehene Hohlraum mit einem Inertgas gefüllt sein. Auch dies setzt voraus, dass der den Hohlraum bildende Hohlkörper gasdicht verschließbar ausgebildet ist, so dass das in dem Hohlraum befindliche Inertgas nicht aus dem Hohlkörper entweichen kann.
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Bevorzugt bildet eine Infrarotleuchtdiode die Lichtquelle, mit der der Reflektor angestrahlt wird. Dementsprechend ist vorzugsweise vorgesehen, den Reflektor mit einem nicht sichtbaren Licht mit einer Wellenlänge von etwa 700 bis 1000 nm anzustrahlen. Die Verwendung einer Infrarotleuchtdiode ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der optische Sensor von einem oder mehreren Fototransistoren gebildet wird, da diese in dem Wellenlängenbereich des von Infrarotleuchtdioden erzeugten Lichts üblicherweise ihre größte Lichtempfindlichkeit aufweisen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Füllstandmessvorrichtung ist es vorgesehen, den optischen Sensor an einem Boden des Behälters also in einem Bereich der Füllstandmessvorrichtung anzuordnen, der unmittelbar an die von dem Flüssigkeitspegel abgewandten Unterseite des Behälters angrenzt. In diesem Fall ist der Reflektor in Auftriebsrichtung oberhalb des optischen Sensors angeordnet, während eine den Reflektor anstrahlende Lichtquelle ebenfalls im Bereich des Bodens des Behälters angeordnet ist. Die Anordnung des optischen Sensors an dem Behälterboden ermöglicht es, den Füllstand insbesondere bei einer geringen Standhöhe der Flüssigkeit in dem Behälter, d. h. bei nahezu leerem Behälter, mit einer erhöhten Messwertauflösung zu erfassen, da dann der Abstand zwischen dem optischen Sensor und dem Reflektor entsprechend gering ist.
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Zweckmäßigerweise ist der optische Sensor mit einer Auswerteeinrichtung signalverbunden. Diese Auswerteeinrichtung dient dazu, die von dem optischen Sensor gelieferten Spannungswerte in eine Füllstandangabe umzuwandeln und gegebenenfalls anzuzeigen.
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Nachfolgend ist die erfindungsgemäße Füllstandmessvorrichtung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
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1 schematisch vereinfacht eine Füllstandmessvorrichtung in einer Seitenansicht und
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2 die Füllstandmessvorrichtung nach 1 angeordnet in einem mit Flüssigkeit gefüllten Behälter in einem Längsschnitt.
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Die dargestellte Füllstandmesseinrichtung weist einen Fuß 2 auf, auf dem die Füllstandmessvorrichtung auf dem Boden eines teilweise mit Flüssigkeit befüllten Behälters 3, dessen Füllstand ermittelt werden soll, steht. Der Fuß 2 weist hierzu einen zylindrischen Grundkörper 4 auf, bei dem eine Flachseite die Aufstellfläche 6 des Fußes 2 bildet. An der von der Aufstellfläche 6 abgewandten Flachseite des Grundkörpers 4 ist ein zylindrischer Vorsprung 8 ausgebildet, dessen Durchmesser kleiner als der Durchmesser des Grundkörpers 4 ist.
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Der Vorsprung 8 greift in ein offenes Ende eines Rohres 10 ein, das auf diese Weise an dem Fuß 2 formschlüssig fixiert ist. Das Rohr 10 besteht aus einem nicht magnetisierbaren Material und ist im Bereich des Vorsprungs 8 gegenüber dem Vorsprung 8 gasdicht abgedichtet. In einem Hohlraum 12 des Rohres 10 ist ein Rohrstück 14, dessen Außenquerschnitt mit dem Querschnitt des Hohlraums 12 korrespondiert, in Längsrichtung des Rohres 10 verschiebbar geführt. Das Rohrstück 14 ist aus einem ferromagnetischen Material ausgebildet. Innerhalb des Rohrstücks 14 teilt eine Trennwand 16 das Innenlumen des Rohrstücks 14 in zwei zu den voneinander abgewandten Enden des Rohrstücks 14 offene Hohlräume. Der an seinem von dem Fuß 2 abgewandten Ende offene Hohlraum dient zur Aufnahme eines Reflektors 18. Dieser hat die Form einer zylindrischen Scheibe und liegt auf der Trennwand 16 auf. An einer von der Trennwand 16 abgewandten Flachseite ist eine Spiegelfläche 20 des Reflektors 18 ausgebildet.
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Außenseitig wird das Rohr 14 von einem ringförmigen Schwimmkörper 22 umgriffen. Dieser Schwimmkörper besteht typischerweise aus einem auftriebsfähigen Material und schwimmt auf der Oberfläche der in dem Behälter 3 befindlichen Flüssigkeit in Höhe eines Flüssigkeitspegels 23. Der Innenquerschnitt des Schwimmkörpers ist so dimensioniert, dass der Schwimmkörper 22 entlang der Mantelfläche des Rohres 10 in Richtung dessen Längsausdehnung bewegbar ist. Insofern bildet das Rohr 10 nicht nur eine Führung für das in dem Rohr 10 verschiebbare Rohrstück 14 mit dem daran angeordneten Reflektor 18 sondern auch eine Führung für den Schwimmkörper 22 bei sich änderndem Flüssigkeitspegel 23 in dem Behälter 3. Die Länge des Schwimmkörpers 22 bzw. dessen Ausdehnung in Achsrichtung entspricht im Wesentlichen der Länge des Rohrstücks 14.
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An dem von dem Fuß 2 abgewandten Ende des Schwimmkörpers 22 ist an dessen Innenumfang ein ringförmiger Absatz 24 ausgebildet. Der Absatz 24 dient zur Aufnahme eines ringförmigen Permanentmagneten 26. Der Innenquerschnitt des Permanentmagneten 26 korrespondiert mit dem Innenquerschnitt des Schwimmkörpers 22. Über den Permanentmagneten 26 sind der Reflektor 18 und der Schwimmkörper 22 miteinander gekoppelt. Hierbei dient neben dem Permanentmagneten 26 das ferromagnetische Rohrstück 14 als ein Koppelelement, wobei die Kopplung durch magnetischen Fluss durch die nicht magnetisierbare Wandung des Rohres 10 hindurch erfolgt. Die Kopplung des Reflektors 18 mit dem Schwimmkörper 22 bewirkt, dass der Reflektor 18 in dem Rohr 10 seine vertikale Position in Abhängigkeit von dem Flüssigkeitspegel 23 in dem Behälter 3 ändert.
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An dem von dem Fuß 2 abgewandten Ende des Rohres 10 greift ein sich in Richtung des Fußes 2 absatzförmig verjüngendes hülsenförmiges Bauteil 28 in den Hohlraum 12 des Rohres 10 ein. Das Bauteil 28 ist gegenüber dem Rohr 10 gasdicht abgedichtet. Auch ein von dem Bauteil 28 gebildeter Hohlraum 32 verjüngt sich in Form von zwei darin ausgebildeten Absätzen in Richtung des Fußes 2
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Der Hohlraum 32 dient zur Aufnahme einer Leiterplatte 34, die koaxial zu einer Mittelachse A des Rohres 10 ausgerichtet ist. An einer der Spiegelfläche 20 des Reflektors 18 gegenüber liegenden Seite der Leiterplatte 34 sind eine Lichtquelle 36 in Form einer Infrarotleuchtdiode 36 und eine oder mehrere Fotodioden oder Fototransistoren als optischer Sensor 38 angeordnet. Die Infrarotleuchtdiode 36 ist mit einer in den Zeichnungen nicht dargestellten Spannungsquelle leitungsverbunden, während der optische Sensor 38 mit einer elektronischen Auswerteeinrichtung 40 signalverbunden ist.
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An dem von dem Rohr 10 abgewandten Ende des Bauteils 28 greift in dieses ein Verschlusskörper 42 ein, der den Hohlraum 12 des Rohrs 10 gasdicht verschließt. Um eine Korrosion der Spielfläche 20 zu verhindern, kann in dem Hohlraum 12 des Rohres 10 ein Vakuum erzeugt werden oder der Hohlraum 12 kann mit einem Inertgas gefüllt werden. Hierzu kann an dem in das Bauteil 28 eingreifenden Verschlusskörper 42 ein nicht dargestellter Anschluss ausgebildet sein, an dem eine Vakuumpumpe oder eine Inertgasversorgung angeschlossen werden können.
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Die Funktionsweise der Füllstandmessvorrichtung ist wie folgt:
Wie bereits angemerkt worden ist, ändert sich die Position des Reflektors 18 durch dessen magnetische Kopplung mit dem Schwimmkörper 22 mit abnehmender oder zunehmender Höhe des Flüssigkeitspegels 23, d. h. mit dem Füllstand in dem Behälter 3. Die Spiegelfläche 20 des Reflektors 18 wird mit der Infrarotleuchtdiode 36, die an der Leiterplatte 34 in dem Bauteil 28 angeordnet ist, angestrahlt. Von der Spiegelfläche 20 des Reflektors 18 wird das von der Infrarotleuchtdiode 36 emittierte Licht wieder zu der Leiterplatte 34 zurückreflektiert und von dem dort angeordneten optischen Sensor 38 aufgefangen. In Abhängigkeit von dem Abstand der in dem Bauteil 28 angeordneten Leiterplatte 34 mit der Infrarotleuchtdiode 36 und dem optischen Sensor 38 zu der Spiegelfläche 20 des Reflektors 18 ändert sich die zu dem optischen Sensor 38 übertragene Lichtmenge. Diese nimmt mit zunehmendem Abstand von Leiterplatte 34 und Reflektor 18, d. h. fallendem Flüssigkeitspegel 23 in dem Behälter 3 ab und vergrößert sich bei abnehmendem Abstand von Leiterplatte 34 und Reflektor 18 bzw. steigendem Flüssigkeitspegel 23. Insofern ist jedem Flüssigkeitsfüllstand in dem Behälter 3 ein bestimmtes von dem optischen Sensor 38 erzeugtes Spannungssignal zugeordnet, das in der mit dem optischen Sensor signalverbundenen Auswerteeinrichtung 40 in eine Flüssigkeitsstandangabe umgewandelt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Fuß
- 3
- Behälter
- 4
- Grundkörper
- 6
- Aufstellfläche
- 8
- Vorsprung
- 10
- Rohr
- 12
- Hohlraum
- 14
- Reflektor
- 16
- Trennwand
- 18
- Reflektor
- 20
- Spiegelfläche
- 22
- Schwimmkörper
- 23
- Flüssigkeitspegel
- 24
- Absatz
- 26
- Permanentmagnet
- 28
- Bauteil
- 30
- Absatz
- 32
- Hohlraum
- 34
- Leiterplatte
- 36
- Lichtquelle, Infrarotleuchtdiode
- 38
- Sensor
- 40
- Auswerteeinrichtung
- 42
- Verschlusskörper
- A
- Mittelachse
