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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Fluid-Erkennung in transparenten Schläuchen, insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen der An- bzw. Abwesenheit des Fluids bzw. Störungen in Fluiden in transparenten Schläuchen.
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Um in transparenten Schläuchen bzw. transparenten Behältnissen bzw. transparenten Leitungen festzustellen, ob der Schlauch mit einem Fluid bzw. einer Flüssigkeit gefüllt ist oder nicht, gibt es verschiedene Möglichkeiten.
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Oftmals kommen Ultraschallsensoren zum Einsatz. Ultraschallsensoren arbeiten mit akustischen Wellen in einem Übertragungsmedium (Gas, Flüssigkeit, Festkörper). Bei der weit verbreiteten Laufzeitmessung sendet der Sensor ein Ultraschall-Impulspaket aus und misst die Zeit bis zum Eintreffen eines Echos. Dazu wird in der Regel ein einziger Ultraschallwandler als Sender und Empfänger verwendet.
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Bei Wasser und leitfähigen Flüssigkeiten können auch induktive Sensoren verwendet werden. Bei diesen Sensoren wird durch die Wechselwirkung zwischen einer leitfähigen, strömenden Flüssigkeit und einem Magnetfeld eine elektrische Spannung erzeugt. Dieses Verfahren kann zur Strömungsmessung verwendet werden, kann jedoch auch, da Gase im allgemeinen nicht leitfähig sind, dazu verwendet werden, zu ermitteln, ob der Schlauch mit Flüssigkeit gefüllt ist oder nicht.
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Eine weitere Möglichkeit ist ein kapazitiver Sensor. Im Prinzip funktioniert der kapazitive Sensor wie ein offener Kondensator. Zwischen zwei Elektroden wird ein elektrisches Feld aufgebaut. Sollte ein Material mit einer Dielektrizitätszahl εr größer als Luft in das elektrische Feld eindringen, vergrößert sich je nach εr dieses Materials die Kapazität des Feldes. Durch die Messung der Kapazitätserhöhung, kann entschieden werden, ob der Schlauch mit Flüssigkeit gefüllt ist oder nicht.
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Die Erkennung von Flüssigkeiten in transparenten Schläuchen oder Behältern gestaltet sich in der Praxis oft sehr schwierig. Insbesondere bei einer präzisen Detektion des Fluid-Levels zur Erzielung eines genauen Schaltpunkts sind die oben genannten Verfahren zur Fluiderkennung oftmals nicht präzise genug und daher ungeeignet. Zusätzlich bestehen bei den obigen Verfahren Limitationen in Bezug auf den minimal möglichen Schlauchdurchmesser.
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Hier können optische Methoden Abhilfe bringen.
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Man kann das Prinzip der optischen Absorption zur Flüssigkeitserkennung in transparenten Schläuchen anwenden. Hier werden beispielsweise Nahinfrarotsensoren verwendet, die bei ca. 1450 nm–1480 nm arbeiten und speziell für die Wassererkennung angewandt werden können. Diese Sensoren sind jedoch auf eine bestimmte Flüssigkeit, wie in diesem Fall Wasser, festgelegt.
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Bei diesen Nahinfrarotsensoren werden Sender und Empfänger auf einer optischen Achse angeordnet. Sender und Empfänger werden so ausgerichtet, dass von der elektromagnetischen Strahlung, die vom Sender auf den mit Flüssigkeit gefüllten Schlauch trifft, weniger im Empfänger registriert wird, als wenn diese elektromagnetische Strahlung auf einen leeren Schlauch trifft.
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Diese Sensoren sind für die Erkennung von Wasser in Schläuchen mit einem minimalen Innendurchmesser von ca. 2 mm geeignet, da sonst die Intensitätserhöhung durch die bei zylindrischen Schläuchen immer vorhandene Lichtbrechung (Sammellinsenwirkung des gefüllten Schlauchs) gegenüber der Absorption überwiegt. Jedoch sind mittlerweile in verschiedenen Industriebereichen, beispielsweise in der Medizintechnik oder in der Lebensmittelindustrie Schläuche mit einem viel geringeren Innendurchmesser üblich. In diesen Schläuchen fließen oftmals Flüssigkeiten, die so hochwertig und damit so teuer sind, dass schon der Verlust von kleinsten Mengen ungewollt ist.
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Alternativ kann bei für die gewählte Wellenlänge transparenten Flüssigkeiten eine gewöhnliche Durchlichtschranke verwendet werden. Dabei wird die Lichtbrechung (Sammellinsenwirkung des gefüllten Schlauchs bzw. Zerstreuungslinsenwirkung des leeren Schlauchs) genutzt. Das Verhältnis von auf dem Empfänger eintreffender elektromagnetischer Strahlung für einen mit Flüssigkeit gefüllten Schlauch zu einem leeren Schlauch beträgt dabei typischerweise ungefähr einen Faktor 2 bis 3. Dieses Prinzip (Linsenwirkung) bedingt ein hohes Signal bei einem vollen Schlauch. Das wiederum heißt, dass dieses Verfahren nicht oder nur schlecht bei dunklen oder trüben Flüssigkeiten anwendbar ist. Außerdem kann es zu Problemen kommen, wenn der Schlauch nach einer gewissen Zeit Abnutzungserscheinungen, wie beispielsweise eine Trübung oder Verfärbung des Schlauches aufweist. Es kann dann nicht mehr zuverlässig zwischen einem vollen und einem leeren Schlauch unterschieden werden.
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Außerdem ist dieses Prinzip nicht dafür geeignet, Störungen in der Flüssigkeit zu erkennen. Solche Störungen sind beispielsweise Luft- bzw. Gasblasen in der Flüssigkeit, Dreck in der Flüssigkeit oder auf dem Schlauch, Schwebstoffe oder kleine Objekte in der Flüssigkeit, Suspensionen, Fluide oder Alterungs- oder Verschleißeffekte des Schlauches.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Fluiderkennung in für die benutzte Wellenlänge transparenten Schläuchen bereitzustellen, welche zuverlässig und präzise zwischen einem vollen und einem leeren Schlauch unterscheiden, die oben genannten Störungen präzise erfassen kann und für sehr kleine Schlauchdurchmesser geeignet ist. Außerdem soll dieses Verfahren die Limitationen der bisherigen optischen Verfahren aufheben und auch für nicht-wässrige Lösungen, wie Alkohole, Öle, Silikone und ähnliches, sowie für dunkle und nicht-transparente Fluide geeignet sein.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und einer Vorrichtung gemäß Anspruch 7 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstände der Unteransprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Fluid-Erkennung in mindestens einem transparenten Schlauch bereitgestellt. Dieses Verfahren umfasst ein Bestrahlen zumindest eines Teilbereichs des Schlauches mit mindestens einer Quelle für elektromagnetische Strahlung und ein Erfassen der elektromagnetischen Strahlung aus der Quelle durch mindestens einen Empfänger.
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Dabei sind die mindestens eine Quelle und der mindestens eine Empfänger so angeordnet, dass das Signal, das durch die elektromagnetische Strahlung aus der mindestens einen Quelle in dem mindestens einen Empfänger verursacht wird, erhöht wird, wenn das Fluid nicht vorhanden ist bzw. eine Störung aufweist.
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Das bedeutet, wenn die elektromagnetische Strahlung, beispielsweise in Form von Licht im sichtbaren, Ultraviolett- oder Infrarot-Bereich, aus der Quelle auf einen vollständig mit Fluid bzw. Flüssigkeit gefüllten Schlauch trifft und die Flüssigkeit keine Störung wie insbesondere, dass das Fluid nicht vorhanden ist bzw. der Schlauch leer ist, oder beispielsweise eine Gasblase, eine Verunreinigung, Schwebstoffe, Suspensionen, andere Fluide, andere Objekte oder Abnutzungserscheinungen oder Verunreinigungen des Schlauchmaterials aufweist, dann registriert der Empfänger für elektromagnetische Strahlung kein oder nur ein geringes Signal. Wenn jedoch eine der genannten Störungen vorliegt, wird das Signal in dem Empfänger erhöht. Insbesondere kann das Signal maximal werden, wenn der Schlauch leer bzw. nicht mit Flüssigkeit gefüllt ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegen die mindestens eine Quelle und der mindestens eine Empfänger nicht auf einer gemeinsamen optischen Achse.
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Wenn nun die elektromagnetische Strahlung beispielsweise in Form von Licht im sichtbaren, Ultraviolett- oder Infrarot-Bereich auf einen leeren transparenten Schlauch bzw. auf einen Schlauch trifft, der nicht mit der zu erkennenden Flüssigkeit gefüllt ist, dann erreicht diese elektromagnetische Strahlung die zunächst die äußere und dann die innere Wand des Schlauchs und wird von diesen reflektiert bzw. gebrochen. Die so abgelenkte elektromagnetische Strahlung trifft dann auf den Empfänger, welcher in einem bestimmten Winkel zur optischen Achse der Quelle für elektromagnetische Strahlung orientiert ist.
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Auch bei Gas- bzw. Luftblasen tritt dieser Effekt auf. Hier wirkt die Grenzfläche zwischen Gas und Flüssigkeit als reflektierende Oberfläche. Das bedeutet, ein elektromagnetischer Strahl trifft aus der Quelle für elektromagnetische Strahlung auf diese Grenzfläche und wird reflektiert. Dieser elektromagnetische Strahl wird dann in dem Empfänger registriert, welche in einem Winkel zur optischen Achse der Quelle für elektromagnetische Strahlung angeordnet ist.
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Analog kann bei weiteren Störungen, wie Verunreinigungen, Schwebstoffen, Objekten, Suspension oder anderen Fluiden im Schlauch, auch hier jeweils die Grenzfläche zwischen der Flüssigkeit und der Störung eine Reflexion des elektromagnetischen Strahles bewirken, sodass der elektromagnetische Strahl in einen Empfänger abgelenkt wird, welcher in einem Winkel zur optischen Achse der Quelle für elektromagnetische Strahlung angeordnet ist.
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Wenn nun die elektromagnetische Strahlung beispielsweise in Form von Licht im sichtbaren, Ultraviolett- oder Infrarot-Bereich auf einen mit der zu erkennenden Flüssigkeit gefüllten transparenten Schlauch trifft, ist die Reflexion an der inneren Wand des Schlauchs nicht mehr vorhanden bzw. ist so gering, dass sie nicht messbar ist. Zusätzlich ist der Ablenkungswinkel durch die Lichtbrechung ein deutlich anderer. Dies kommt daher, dass die Brechungsindizes der Flüssigkeit und des Schlauchmaterials, wie beispielsweise eines Kunststoffes, so gewählt werden können, dass sie näherungsweise gleich sind. Dadurch wird der elektromagnetische Strahl von der Quelle für elektromagnetische Strahlung nicht bzw. nur sehr gering reflektiert. Der elektromagnetische Strahl verlässt die optische Achse der Quelle für elektromagnetische Strahlung gar nicht oder nur in sehr geringem Maße. Dadurch geht der elektromagnetische Strahl am Empfänger, welcher in einem Winkel zur optischen Achse der Quelle für elektromagnetische Strahlung angeordnet ist, vorbei und wird von diesem nicht registriert.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine deutliche Verbesserung der Erkennung von Flüssigkeiten und Störungen, wie eine Luftblase, eine Verunreinigung, Schwebstoffe, Suspensionen, andere Fluide, andere Objekte oder Abnutzungserscheinungen oder Verunreinigungen des Schlauchmaterials, in Flüssigkeiten in transparenten Schläuchen erreicht.
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Ein deutlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in dem großen Unterschied zwischen der auf dem Empfänger eintreffenden elektromagnetischen Strahlung für einen mit Flüssigkeit gefüllten Schlauch zu einem leeren Schlauch bzw. einem Schlauch, welcher eine Störung aufweist.
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Diese sogenannten Signalhübe betragen für das erfindungsgemäße Verfahren mindestens einen Faktor 10, bei angepassten Bedingungen konnten auch schon Signalhübe von 40 und mehr erreicht werden.
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Das bedeutet, selbst wenn der Schlauch nach einer gewissen Zeit Abnutzungserscheinungen, wie beispielsweise eine Trübung oder Verfärbung des Schlauches, aufweist, kann noch zuverlässig zwischen einem vollen und einem leeren Schlauch unterschieden werden.
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Außerdem können auch kleine Gasblasen, Verunreinigungen, Schwebstoffe und Objekte, die sich nicht über die gesamte Schlauchbreite erstrecken, zuverlässig gemessen werden. Beispielsweise lassen sich momentan Gasblasen von einer Größe von 10 μm (in einem Schlauch mit Innendurchmesser 2 mm) zuverlässig messen, es sind jedoch auch kleinere Durchmesser denkbar.
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Des Weiteren lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Messverfahren verschiedene Schlauchmaterialien abdecken. Das bedeutet, eine Messanordnung, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet, kann mit verschiedenen Schlauchmaterialen arbeiten. Das erfindungsgemäße Verfahren kann also in großen Bereichen schlauchunabhängig arbeiten. Wenn es jedoch benötigt wird, sind durch eine feinere Auswertung auch beispielsweise Unterschiede im Schlauchmaterial, Dickenänderungen oder mögliche Flüssigkeitsschichten auf der Schlauchinnenseite messbar.
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Außerdem kann das erfindungsgemäße Verfahren bei verschiedenen Flüssigkeiten, sowohl bei transparenten, als auch bei nichttransparenten Flüssigkeiten eingesetzt werden. Bei unterschiedlichen Brechungsindizes lassen sich auch Fluide oder Fluidgemische mit dem erfindungsgemäßen Verfahren unterscheiden.
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Ein weiterer, wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass das Verfahren auch bei Schläuchen, die sehr kleine Durchmesser aufweisen, eingesetzt werden kann und sinnvolle Ergebnisse liefert. So kann das erfindungsgemäße Verfahren bei kleinen Schläuchen bzw. Kapillarschläuchen mit Außendurchmessern von 1/10 Zoll bzw. 2,5 mm und Innendurchmessern von 0,2 mm eingesetzt werden. Es sind jedoch auch geringere Innen- und Außendurchmesser denkbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die optischen Eigenschaften der mindestens einen Quelle an die Eigenschaften des mindestens einen Schlauches angepasst.
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Dazu kann beispielsweise die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung aus der Quelle für ein bestimmtes Schlauchmaterial optimiert werden.
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Auch kann der elektromagnetische Strahl aus der Quelle für elektromagnetische Strahlung derart optimiert werden, dass dieser auf eine solche Weise auf den Schlauch trifft, dass die Messergebnisse die größtmögliche Genauigkeit und den größtmöglichen Signalhub aufweisen. Dazu wird der Strahl durch optische Blenden so geformt, dass er auf eine optimale Weise auf den Schlauch trifft. Um die besten Messergebnisse für einen bestimmten Schlauch zu erhalten, ist es in den meisten Fällen am besten, den gesamten Innenraum des Schlauches vollständig zu bestrahlen, aber auch nicht darüber hinaus.
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Dazu wird der elektromagnetische Strahl durch den optimalen Durchmesser und die optimale Länge der optischen Blenden so eingestellt, dass eben das Innere des Schlauches vollständig bestrahlt wird. Dabei sollte der Strahl jedoch durch die Blenden auch nicht zu breit eingestellt werden, sodass möglichst wenig elektromagnetische Strahlung durch die Randbereiche des Schlauchs geht. Nicht nur, dass dadurch weniger elektromagnetische Strahlung für die Messung vorhanden ist, zusätzlich dazu kann das Messergebnis verfälscht werden.
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Der Schlauch, der mit Flüssigkeit gefüllt ist, kann durch den gekrümmten Querschnitt als zylindrische Linse wirken und den Strahl bündeln. Deshalb ist die optimale Position des Empfängers für elektromagnetische Strahlung außerhalb des Fokus dieser Linse.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die optischen Eigenschaften des mindestens einen Empfängers an die Eigenschaften des mindestens einen Schlauches angepasst.
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Dabei kann beispielsweise die Wellenlänge der Strahlung von der mindestens einen Quellen für elektromagnetische Strahlung und/oder die Anordnung der mindestens einen Quellen und des mindestens einen Empfängers so eingestellt werden, dass die Messergebnisse optimiert werden. Dazu werden die Winkel zwischen den optischen Achsen der mindestens einen Quellen für elektromagnetische Strahlung und den optischen Achsen des mindestens einen Empfängers so eingestellt, dass ein möglichst hoher Anteil, wenn nicht die gesamte elektromagnetische Strahlung aus der mindestens einer Quelle auf den mindestens einen Empfänger trifft wenn der Schlauch leer ist.
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So optimiert kann das erfindungsgemäße Verfahren beliebige transparente und nicht transparente Flüssigkeiten treffsicher erkennen. Außerdem ist das Verfahren auch zur sicheren Erkennung von Gasblasen gut verwendbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden ein bis vier Quellen für elektromagnetische Strahlung und ein bis zwei Empfänger für elektromagnetische Strahlung verwendet. In der Praxis hat sich ein Verfahren bei einer Anordnung mit einer Quellen- und Empfängeranzahl in diesem Bereich als sinnvoll erwiesen.
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Vorzugsweise werden zwei Quellen für elektromagnetische Strahlung und ein Empfänger für elektromagnetische Strahlung verwendet, deren optische Achsen in einem gegenseitigen Winkel von 120° angeordnet sind.
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Diese Anordnung von Quellen und Empfänger für elektromagnetische Strahlung ist gut dafür geeignet, Flüssigkeiten oder Störungen dieser Flüssigkeiten in transparenten Schläuchen zu untersuchen. Durch das symmetrische Arrangement von Quellen und Empfänger weist diese Anordnung eine verminderte Sensitivität gegenüber der Position des Schlauches auf. Das bedeutet, dass die absolute Position des Schlauches innerhalb der Messapparatur keine so hohe Relevanz aufweist und beispielsweise eine Abweichung der Schlauchposition von der Mitte der Messapparatur keine großen Auswirkungen auf das Messergebnis hat. Durch die Symmetrie der Messapparatur können eventuelle Abweichungen des Schlauches von der Mitte der Messapparatur herausgerechnet werden. Auch Schrägstellungen des Schlauches und unterschiedliche Dicken der Schlauchwände lassen sich durch diese Maßnahme kompensieren.
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Es lassen sich Messanordnungen bauen, welche beispielsweise derart konstruiert werden, dass der Schlauch einfach durch einen Schlitz in die Messapparatur eingelegt und auch wieder entnommen werden kann, ohne den Fluidkreislauf zu unterbrechen. Die Messapparatur muss also nicht mehr fest am Schlauch angebracht und mit diesem verankert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Vorrichtung zur Fluid-Erkennung in mindestens einem transparenten Schlauch bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst mindestens eine Quelle für elektromagnetische Strahlung zum Bestrahlen zumindest eines Teilbereichs des Schlauches und mindestens einen Empfänger für elektromagnetische Strahlung zum Erfassen der elektromagnetischen Strahlung aus der Quelle für elektromagnetische Strahlung. Dabei sind die mindestens eine Quelle und der mindestens eine Empfänger so angeordnet, dass das Signal, das durch die elektromagnetische Strahlung aus der mindestens einen Quelle in dem mindestens einen Empfänger verursacht wird, erhöht ist, wenn das Fluid nicht vorhanden ist oder eine Störung aufweist.
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Vorzugsweise liegen die mindestens eine Quelle und der mindestens eine Empfänger nicht auf einer optischen Achse. Das bedeutet, die optischen Achsen der mindestens einen Quelle und die optischen Achsen des mindestens einen Empfängers sind gegeneinander in einem Winkel orientiert. Dadurch ergibt sich in dem mindestens einen Empfänger ein Signal von der elektromagnetischen Strahlung aus der mindestens einen Quelle, wenn diese elektromagnetische Strahlung an einer Störung, wie der inneren Wand des Schlauches, einer Gasblase, Dreck, Schwebstoffe, einem Objekt, einer Suspension, Fluide oder Abnutzung oder Verunreinigungen des Schlauches reflektiert werden.
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Dahingegen geht die elektromagnetische Strahlung an dem mindestens einen Empfänger vorbei, wenn diese Reflexion an einer der oben genannten Störungen nicht stattfindet. Das bedeutet, wenn der Schlauch komplett mit Flüssigkeit gefüllt ist und auch keine Störung wie eine Gasblase, Dreck, Schwebstoffe, ein Objekt, eine Suspension, Fluide oder Abnutzung oder Verunreinigungen des Schlauches vorhanden ist, wird in dem mindestens einen Empfänger kein Signal hervorgerufen.
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Vorzugsweise sind die optischen Eigenschaften der mindestens einen Quelle an die Eigenschaften des mindestens einen Schlauches angepasst.
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Vorzugsweise sind die optischen Eigenschaften des mindestens einen Empfängers an die Eigenschaften des mindestens einen Schlauches angepasst.
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Durch eine dieser beiden oder beide Maßnahmen kann das Messergebnisse so optimiert werden, dass sowohl die elektromagnetische Strahlung aus der mindestens einen Quelle das Innere des Schlauches vollständig bestrahlt oder/und die an der Störung, wie der inneren Wand des Schlauches, einer Luftblase, Dreck, Schwebstoffe, einem Objekt, einer Suspension, Fluiden oder Abnutzung oder Verunreinigungen des Schlauches, reflektierte elektromagnetische Strahlung den mindestens einen Empfänger möglichst vollständig trifft.
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Vorzugsweise werden ein bis vier Quellen für elektromagnetische Strahlung und ein bis zwei Empfänger für elektromagnetische Strahlung verwendet.
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Vorzugsweise werden zwei Quellen für elektromagnetische Strahlung und ein Empfänger für elektromagnetische Strahlung verwendet, deren optische Achsen in einem gegenseitigen Winkel von 120° angeordnet sind.
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Mit dieser Anordnung aus zwei Quellen und einem Empfänger kann eine Messanordnung gestaltet werden, die eine verminderte Sensitivität gegenüber der Schlauchposition und Schlauchstellung aufweist. Daher kann mit einer solchen Messanordnung ein Sensor konstruiert werden, in die der Schlauch einfach eingelegt werden kann.
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Eine Ausführungsform der Vorrichtung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen detailliert erklärt. Die Figuren zeigen in schematischer Darstellung:
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1 ein Querschnitt einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem transparenten Schlauch, der nicht mit einer Flüssigkeit gefüllt ist;
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2 ein Querschnitt der gleichen Ausführungsform wie 1 der vorliegenden Erfindung mit einem mit einer Flüssigkeit gefüllten transparenten Schlauch.
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1 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dabei soll bei einem transparenten Schlauch 10 festgestellt werden, ob dieser mit Flüssigkeit gefüllt ist oder nicht. 1 zeigt dabei die Verhältnisse, wenn der transparente Schlauch 10 nicht mit einer Flüssigkeit gefüllt ist. Ähnliche Verhältnisse sind auch anzutreffen, wenn sich in der Flüssigkeit in dem Schlauch 10 Gasblasen oder Luftblasen, Dreck, Schwebstoffe, Objekte, eine Suspension, fremde Fluide befinden oder eine Abnutzung oder Verunreinigung des Schlauches vorliegt.
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Der transparente Schlauch 10 kann in diesem Fall beispielsweise ein Kapillarschlauch sein, also ein Schlauch mit einem extrem kleinen Außendurchmesser von 1/10 Zoll (das entspricht ungefähr 2,5 mm) oder darunter und einem Innendurchmesser von 0,2 mm oder darunter.
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Der Schlauch 10 weist eine Außenwand 13 und eine Innenwand 15 auf. Die Innenwand 15 schließt so ein Volumen 17 ein, welches entweder mit Gas bzw. Luft oder mit einer Flüssigkeit gefüllt sein kann. Im vorliegenden Fall ist der Schlauch leer bzw. mit Gas gefüllt.
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Dieser transparente Schlauch 10 ist von zwei Quellen 20 für elektromagnetische Strahlung und einem Empfänger 30 für elektromagnetische Strahlung umgeben. Dabei schließen die optischen Achsen 40 der Quellen 20 jeweils einen Winkel von 120° mit der optischen Achse 50 des Empfängers 30 ein. Daraus ergibt sich für die optischen Achsen 40 der beiden Quellen 20 auch ein Zwischenwinkel von 120°.
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In der in 1 dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schneiden sich die optischen Achsen der Quellen 20 und des Empfängers 30 im Zentrum des Schlauches 10. Dies muss jedoch nicht zwangsläufig der Fall sein, vielmehr sind jegliche andere denkbare Schnittpunkte innerhalb, auf und auch außerhalb des Schlauches auch möglich. Dadurch können noch mehr unterschiedliche Schlauchmaterialien und Schlauchdurchmesser abgetastet werden. Auch können die Schnittpunkte der optischen Achsen der Quellen 20 für elektromagnetische Strahlung jeweils von den Schnittpunkten der optischen Achsen des Empfängers 30 der elektromagnetischen Strahlung mit den Quellen 20 für elektromagnetische Strahlung abweichen. Außerdem lassen sich so sehr hohe Signalhübe zwischen einer Messung mit einem leeren Schlauch bzw. einem Schlauch, der eine Störung aufweist und einem vollständig mit Flüssigkeit gefüllten Schlauch erzielen.
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Die Quellen 20 für elektromagnetische Strahlung emittieren elektromagnetische Strahlen 60. Diese werden durch die optischen Elemente in der Quelle 20 wie Linsen und optischen Blenden 70 so geformt, dass sie optimal auf den Schlauch 10 treffen. Dazu werden in dem in 1 gezeigten Fall die Linsen sowie die Durchmesser und die Längen der Blenden 70 so eingestellt, dass das gesamte innere Volumen 17 des transparenten Schlauches 10 von den elektromagnetischen Strahlen 60 bestrahlt werden. Das bedeutet, durch die Blenden 70 werden Randstrahlen 65 erzeugt, die gerade noch auf das innere Volumen 17 treffen.
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Die durch die Blenden 70 geformten elektromagnetischen Strahlen 60 aus der Quelle 20 treffen an den Stellen 80 auf die Innenwand 15 des Schlauches 10. Dort werden die elektromagnetischen Strahlen 60 reflektiert bzw. gebrochen. Die reflektierten elektromagnetischen Strahlen 90 treffen dann auf den Empfänger 30 für elektromagnetische Strahlung.
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Das bedeutet, in einem leeren Schlauch, oder wenn im Inneren des Schlauches 10 eine Störung vorhanden ist, wie eine Luftblase, Dreck, Schwebstoffe, Objekte, eine Suspension, fremde Fluide oder der Schlauch 10 Abnutzung oder Verunreinigungen aufweist, werden die elektromagnetischen Strahlen 60 aus den Quellen 20 an der Innenwand 15 des Schlauches 10 oder an der Störung reflektiert und ergeben dadurch in dem Empfänger 30 für elektromagnetische Strahlung ein messbares Signal.
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2 zeigt die gleiche Ausführungsform von 1, jedoch ist in diesem Beispiel der Schlauch mit einer Flüssigkeit gefüllt. In dieser Darstellung wird eine transparente Flüssigkeit, wie beispielsweise Wasser, verwendet. Es ist jedoch auch jede andere Flüssigkeit möglich. Die elektromagnetische Strahlung erreicht unabhängig vom Grad der Transparenz der Flüssigkeit den Empfänger nicht.
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Der transparente Schlauch 110 weist eine Außenwand 113 und Innenwand 115 auf. Die Innenwand 115 schließt das Volumen 117 ein, welches komplett mit der transparenten Flüssigkeit gefüllt ist. Dabei weist die Flüssigkeit keinerlei Störung auf.
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Der transparente, mit Flüssigkeit gefüllte Schlauch 110 ist auch in diesem Fall wieder von zwei Quellen 120 für elektromagnetische Strahlung und einem Empfänger 130 für elektromagnetische Strahlung umgeben. Dabei bilden die optischen Achsen 140 der beiden Quellen 120 für elektromagnetische Strahlung mit der optischen Achse 150 des Empfängers 130 für elektromagnetische Strahlung jeweils einen 120° Winkel. Dadurch bilden auch die beiden optischen Achsen 140 der Quellen 120 für elektromagnetische Strahlung einen 120° Winkel zueinander.
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In der hier vorliegenden Ausführungsform schneiden sich die optischen Achsen 140 der Quellen 120 für elektromagnetische Strahlung und die optischen Achsen 150 des Empfängers 130 für elektromagnetische Strahlung im Zentrum des transparenten Schlauches 110. Es ist jedoch auch jeder andere denkbare Schnittpunkt innerhalb, auf oder außerhalb des Schlauches möglich. Dadurch sind verschiedene Schlauchmaterialien, Schlauchdurchmesser und auch Störungen messbar.
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Bei der Messung emittieren die Quellen 120 elektromagnetische Strahlung 160. Diese elektromagnetische Strahlung 160 wird durch Linsen und optische Blenden 170 so geformt, dass sie das gesamte innere Volumen 117 ausleuchten. Dies kann mit dem Durchmesser und der Länge der Blenden 170 eingestellt werden.
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Nun kann das erfindungsgemäße Messverfahren so angewandt werden, dass die Brechungsindizes der Flüssigkeit in dem Volumen 117 und in dem Material des Schlauches 110, meist ein Kunststoff, näherungsweise gleich sind. Dann ist die Reflexion an der inneren Schlauchwand 115 nicht mehr vorhanden und die elektromagnetischen Strahlen 160 gehen nahezu unabgelenkt durch den transparenten Schlauch 110.
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Dadurch gehen die elektromagnetischen Strahlen 160 an dem Empfänger 130 für elektromagnetische Strahlung vorbei und können daher in dem Empfänger 130 nicht registriert werden. Wie anhand der Zeichnung gesehen werden kann, werden selbst die elektromagnetischen Randstrahlen 165 nicht vom Empfänger 130 für elektromagnetische Strahlung registriert.
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Das bedeutet, solange der transparente Schlauch 110 komplett in dem Volumen 117 mit der Flüssigkeit gefüllt ist, gehen die elektromagnetischen Strahlen 160 an dem Empfänger 130 vorbei bzw. werden in der Flüssigkeit absorbiert, falls eine nicht-transparente Flüssigkeit benutzt wird. Wenn jedoch in dem Volumen eine Störung, wie ein leerer Schlauch, Gas- oder Luftblasen, Dreck, Schwebstoffe, Objekte, eine Suspension, fremde Fluide oder Abnutzung oder Verunreinigungen des Schlauches auftritt, dann werden die elektromagnetischen Strahlen 160 an der Störung an der Grenzfläche Luft – Schlauchwand 115 oder an der Grenzfläche Flüssigkeit – Störung reflektiert und treffen so auf den Empfänger 130 für elektromagnetische Strahlung.
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Durch diese Messanordnung lassen sich Signalhübe von mindestens 10–40 erreichen. Dadurch fallen Abweichungen durch Abnutzungserscheinungen oder Verunreinigungen des transparenten Schlauches 110 kaum mehr ins Gewicht.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das hier vorgestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern lässt sich auch gemäß dem Gegenstand der Erfindung modifizieren.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 110
- transparenter Schlauch
- 13, 113
- Außenwand des transparenten Schlauches
- 15, 115
- Innenwand des transparenten Schlauches
- 17, 117
- Volumen, das von dem Schlauch eingeschlossen wird
- 20, 120
- Quellen für elektromagnetische Strahlung
- 30, 130
- Empfänger für elektromagnetische Strahlung
- 40, 140
- optische Achsen der Quellen für elektromagnetische Strahlung
- 50, 150
- optische Achsen des Empfängers für elektromagnetische Strahlung
- 60, 160
- elektromagnetische Strahlen
- 65, 165
- elektromagnetische Randstrahlen
- 70, 170
- optische Blenden
- 80
- optischer Reflexionspunkt
- 90
- reflektierter elektromagnetischer Strahl
