DE1207103B

DE1207103B - Vorrichtung zur Messung der Lage einer reflektierenden Flaeche

Info

Publication number: DE1207103B
Application number: DEC29080A
Authority: DE
Inventors: Jean Passe
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1962-02-07
Filing date: 1963-02-04
Publication date: 1965-12-16
Also published as: BE628071A; GB973466A; FR1321540A; LU43128A1

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

GOIf

Deutsche Kl.: 42e-34

Nummer: 1207103

Aktenzeichen: C 29080IX b/42 e

Anmeldetag: 4. Februar 1963

Auslegetag: 16. Dezember 1965

Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung zur Messung der Lage einer reflektierenden Fläche unveränderlicher Richtung; die Erfindung ist insbesondere für die Ermittlung und bzw. oder die Regelung des Niveaus der freien Oberfläche einer Flüssigkeit anwendbar, beispielsweise zur Messung des Niveaus eines flüssigen Moderators bei bestimmten Kernreaktoren, bei denen das Moderatorniveau sehr genau und aus größerer Entfernung gemessen werden muß. ίο

Keine der unterschiedlichen, bisher benutzten Vorrichtungen zur genauen Ermittlung der Niveauhöhe einer freien Flüssigkeits-Oberfläche arbeitet in sämtlichen Fällen vollkommen zufriedenstellend. Die meisten dieser Vorrichtungen bedingen einen unmittel- is baren mechanischen Kontakt zwischen einer Sonde und der Flüssigkeit. Diese Lösung läßt sich nur dann anwenden, wenn das Material der Sonde und die Flüssigkeit nicht chemisch miteinander reagieren. Außerdem ist dabei die genaue Bestimmung des zo Flüssigkeitsniveaus durch das Phänomen der Oberflächenspannung gestört.

Man hat auch bereits optische Vorrichtungen für die Messung der Niveauhöhe einer Flüssigkeit benutzt, bei denen von einer Reflexion Gebrauch gemacht wird. Diese Vorrichtungen hatten im allgemeinen den Nachteil, daß sie nur schlecht geeignet waren, den Richtungssinn der Abweichung der Niveauhöhe gegenüber einem Bezugsniveau zu ermitteln; außerdem bedingen diese Vorrichtungen für die ständige Überwachung oder Bestimmung der Niveauhöhe der Flüssigkeit eine Messung der Lichtstromstärke eines Lichtsignals, die durch äußere Parameter beeinflußt werden und infolgedessen zu Irrtümern führen kann.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine optische Vorrichtung zur Ermittlung der Niveauhöhe einer reflektierenden Fläche aus einer gewissen Entfernung und gewährleistet eine große Genauigkeit, ohne die Nachteile der bekannten älteren Vorrichtungen aufzuweisen.

Die Vorrichtung zur Messung der Lage einer reflektierenden Fläche unveränderlicher Orientierung, insbesondere des Niveaus der freien Oberfläche einer Flüssigkeit, wozu die Vorrichtung eine Lichtquelle und ein optisches System enthält, das ein Bild der Lichtquelle in der Ebene eines Schirmes erzeugt, der einen Spalt enthält, nachdem das von der Lichtquelle ausgehende Strahlenbündel an der zu messenden Oberfläche reflektiert wurde, und außerdem ein lichtempfindliches Element aufweist, das hinter dem Spalt angeordnet ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß Vorrichtung zur Messung der Lage einer
reflektierenden Fläche

Anmelder:

Commissariat ä l'Energie Atomique, Paris

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Beetz

und Dipl.-Ing. K. Lamprecht, Patentanwälte,

München 22, Steinsdorfstr. 10

Als Erfinder benannt:

Jean Passe, Clamart, Seine (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 7. Februar 1962 (887 308)

die Lichtquelle aus zwei im wesentlichen gleichen lichtaussendenden Objekten besteht, die in einer vorbestimmten Frequenz wechselweise Licht ausstrahlen, daß der Spalt des Schirmes derart angeordnet ist, daß bei jeder Abweichung der reflektierenen Fläche aus einer vorbestimmten Lage eines der Bilder mehr oder weniger verdeckt wird und daß eine durch das lichtempfindliche Element gespeiste Vorrichtung, die auf die Frequenz der wechselweisen Lichtausstrahlung anspricht, zur Anzeige jeder Lagenänderung der reflektierenden Fläche aus ihrer vorbestimmten Stellung dient.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird nunmehr ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben, das in den Zeichnungen veranschaulicht ist. Es zeigt

F i g. 1 ein Prinzipschema der erfindungsgemäßen Vorrichtung, das deren wesentlichste Element enthält,

F i g. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, die es gestattet, größere Amplituden der Niveauänderungen einer Oberfläche messend zu verfolgen,

F i g. 3 a eine Kurve, welche die Lichtintensität einer der als Objekt benutzten Elektroden einer Neonlampe darstellt,

Fig. 3b eine Kurve des Stromes, der von der photoelektrischen Zelle geliefert wird, welche das empfindliche Element der Vorrichtung bildet,

509 758/181

Fig. 3c — ähnlich der Fig. 3b — eine Kurve des erhaltenen Stromes, wenn die freie Oberfläche sich gegenüber der Meßvorrichtung in einer Richtung aus der Gleichgewichtslage bewegt,

Fig. 3d — ähnlich der Fig. 3b — eine Kurve des erhaltenen Stromes, wenn die freie Oberfläche sich gegenüber der Meßvorrichtung in einer anderen Richtung aus der Gleichgewichtslage bewegt,

Fig. 4 einen axialen Längsschnitt durch den »Meßkopf« der Vorrichtung gemäß F i g. 2.

Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung, deren Wirkungsweise schematisch in F i g. 1 veranschaulicht und die insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist, dient zur Messung kleiner Änderungen des Niveaus einer freien Flüssigkeitsoberfläche 12 im Bereich einer Gleichgewichtslage.

Die Vorrichtung enthält eine doppelte Strahlenquelle 14, die eine Neonröhre mit zwei im wesentlichen gleichen Elektroden 16 und 18 ist, von denen jede ein »Objekt« darstellt. Diese Röhre wird mit Wechselstrom konstanter Frequenz, beispielsweise aus einem Netz mit 50 Hz gespeist; die beiden Elektroden leuchten infolgedessen abwechselnd auf, und zwar jede mit der Frequenz von 50 Hz. Wenn die Elektroden 16 und 18 einander gleich sind, so haben die beiden strahlenden Objekte, welche sie darstellen, jeweils eine Kurve der Leuchtdichte oder Leuchtstärke, wie sie in der F i g. 3 a dargestellt ist. Es dürfte überdies klar sein, daß die Neonröhre durch irgendeine andere Vorrichtung ersetzt werden könnte, welche die Eigenschaft hat, zwei abwechselnd mit konstanter Frequenz aufleuchtende Objekte zu bilden, beispielsweise durch eine Vorrichtung, die eine Lampe mit konstant bleibender Leuchtstärke enthält und zwei Lichtbündel aussendet, welche abwechselnd durch eine rotierende Blende unterbrochen bzw. abgeschirmt werden.

Ein optisches System, das durch eine Sammellinse 20 versinnbildlicht ist und dessen optische Achse in der Mittelebene der beiden Elektroden 16 und 18 liegt, erzeugt ein Bild der Elektroden vor einem lichtempfindlichen Element 22 (beispielsweise einer photoelektrischen Zelle) in der Ebene eines Schirmes 24, der einen Spalt 26 aufweist. Der Spalt 26 liegt symmetrisch zu dem gesamten Strahlengang und ist derart angeordnet, daß bei der Gleichgewichtslage des zu messenden Niveaus 12 die Bilder der Elektroden sich symmetrisch zu dem Zentrum des Spaltes jeweils an beiden Rändern dieses Spaltes bilden. Auf diese Weise erreichen die Strahlenbündel der beiden Objekte jeweils mit gleichen Anteilen die lichtempfindliche Zelle; jede Höhenänderung der Flüssigkeitsoberfläche 12 bewirkt jedoch eine seitliche Verschiebung der Bilder derart, daß eines von ihnen zunehmend von dem Schirm 24 abgefangen wird. Auf diese Weise ist in dem von der Zelle 22 gelieferten elektrischen Strom die periodische Lichtstärke des anderen Objekts vorherrschend, was zum Auftreten einer entsprechenden Strom-Grundkomponente von 50 Hz führt. Die Amplitude dieser Komponente nimmt offensichtlich mit dem Abstand des Niveaus gegenüber der Gleichgewichtslage bis zu einem Maximum zu, das der vollständigen Abdekkung eines der Bilder durch den Schirm entspricht.

Die Empfindlichkeit der Vorrichtung ist um so größer, je kleiner die Bilder und je enger der Spalt ist. Andererseits wird der Meßbereich offensichtlich mit zunehmender Empfindlichkeit verkleinert.

Wie bereits gesagt, zeigt die F i g. 3 a die Intensität der Lichtstrahlung, die von einer der Elektroden der Neonröhre 14 in Abhängigkeit von der Zeit geliefert wird. Wenn die Lichtintensitäten beider Elektroden sich überdecken, ist die Gesamtlichtstärke periodisch mit einer Frequenz von 100 Hz, wenn die Röhre mit einem Strom von 50Hz gespeist wird. Hieraus folgt, daß bei einer Lage des Oberflächenniveaus 12, bei der die Bilder symmetrisch zur Achse des Spaltes 26 liegen, der Ausgangsstrom der photoelektrischen Zelle 22 eine Grundfrequenz von 100 Hz aufweist und in dem Falle, in dem die beiden Elektroden 16 und 18 eine gleiche Lichtstärke haben oder aussenden, enthält dieser Strom keine Komponente mit 50 Hz; der Ausgangsstrom der Zelle 22 hat dann den Verlauf gemäß Fig. 3b.

Wenn das Niveau der Oberfläche etwas unter diese Gleichgewichtslage absinkt, wird das Bild der Lichtquelle 16 mehr und mehr abgedeckt. Der Ausgangsstrom der Zelle hat dann den Verlauf gemäß F i g. 3 c, und es erscheint in diesem Strom eine Komponente mit der Grundfrequenz von 50 Hz. Andererseits nimmt der Strom einen Verlauf gemäß Fig. 3d an, wenn das Niveau aus der Gleichgewichtslage heraus ansteigt.

Wenn hinter der photoelektrischen Zelle 22 ein Detektorsystem vorgesehen wird, das selektiv auf die Frequenz von 50 Hz anspricht, so ergibt jede Höhenverschiebung des Niveaus aus seiner Gleichgewichtslage eine Beeinflussung der Meßvorrichtung, wobei die Phase des aufgenommenen Signals die Richtung der Niveauabweichung angibt.

Es ist möglich, aus dem Wert bzw. der Größe des erhaltenen Signals die Abweichung bzw. Verlagerung der freien Oberfläche gegenüber der Gleichgewichtslage zu ermitteln oder eine Vorrichtung vorzusehen, die das 50-Hz-Signal auf den Wert Null zurückführt und eine Anzeige liefert, die es gestattet, das gesamte Meßsystem als Ganzes zu verschieben, bis das Fehler- oder Abweichungssignal von 50Hz verschwindet. Schließlich kann man durch das Signal auch eine Zufuhr oder einen Abfluß der Flüssigkeit steuern, bis das Niveau sich wiederum in der Gleichgewichtslage befindet.

Die erste Lösung gestattet es, eine sehr hohe Empfindlichkeit auf Kosten des Meßbereichs zu erzielen, der nur klein ist. Die zweite Lösung gestattet es, Niveauabweichungen großer Amplitude zu verfolgen. Die dritte Lösung macht es möglich, das Niveau der Flüssigkeit entweder auf einen bestimmten Wert einzuregeln (unbewegliche Anordnung des Meßgerätes) oder nach einer vorgegebenen Gesetzmäßigkeit in Abhängigkeit von der Zeit zu verändern (durch eine Bewegung der Meßvorrichtung, die diesem Gesetz folgt).

Die in der Fig. 2 schematisch dargestellte Vorrichtung bewirkt ein automatisches Zurückführen des »Fehlersignals« auf den Wert Null durch eine entsprechende gemeinsame Bewegung der Sende- und Empfangsorgane der Vorrichtung. Die Einzelteile in der F i g. 2, die den bereits in F i g. 1 dargestellten Teilen entsprechen, sind jeweils mit gleichen Bezugszahlen versehen, denen jedoch ein Strichindex beigefügt ist. Die noch nicht vorher geschilderten Elemente sind in weiterer Folge mit Zahlen bezeichnet.

Die Meßvorrichtung nach Fig. 2 enthält ein bewegbares Gehäuse 28, in dem die Neonlampe 14', ein

Umlenkspiegel 30, ein mit einem Spalt versehener Schirm 24' und eine photoelektrische Zelle 22' untergebracht sind. Eine biegsame Stromleitung, die an ein äußeres Netz oder eine in dem Gehäuse angeordnete elektrische Stromquelle (nicht dargestellt) angeschlossen ist, speist die Neonröhre 14' mit einer konstanten Frequenz, im allgemeinen 50 Hz, über einen Widerstand 32. Die linke Seite der Linse 20' erzeugt reelle Bilder der Objekte 16' und 18' in der Nähe der freien Oberfläche 12 und der rechte Teil der Linse nimmt diese Bilder auf und liefert ein definitives Bild in der Ebene des Schirmes 24'. Das lichtempfindliche Element 22' wird aus einer Gleichstromquelle 34 gespeist und steuert einen Verstärker 36 über einen Kondensator 38, welcher durch einen Widerstand 40 entkoppelt ist. Der Verstärker mit einem schmalen Durchlaßband bei einer abgestimmten Frequenz von 50Hz speist seinerseits eine der Wicklungen eines Zweiphasenmotors 42, der an einen Bewegungsmechanismus 44 angekuppelt ist, der seinerseits mit dem Gehäuse 28 verbunden ist. Dieser Mechanismus 44 ist in Form einer Seilscheibe dargestellt, an der das Gehäuse 28 über ein Seil 45 hängt. Die Schaltung des Zweiphasenmotors 42, von dem eine Wicklung mit 50Hz gleichphasig mit der Speisung der Neonröhre gespeist wird, muß selbstverständlich derart sein, daß der Motor das Gehäuse 28 stets in eine Lage führt, in der der Ausgangsstrom des Verstärkers 36 zu Null wird. Die Bewegungen des Motors 42 und der Seilscheibe 44 können entweder unmittelbar angezeigt werden oder auf ein Fernmeßgerät 46 übertragen werden, wozu ein mit dem Motor gekuppelter Geber verwendet wird, der das Meßgerät nach dem bekannten Prinzip einer elektrischen Fernübertragung steuert, das beispielsweise als »Selsyn«-Prinzip bekannt ist. Ganz allgemein kann überdies der Verstärker auch eine entsprechend ausgebildete Anzeigevorrichtung unmittelbar steuern.

Die F i g. 4 zeigt den mechanischen Aufbau des beweglichen Bauteiles 28 der Anordnung gemäß F i g. 2. Sämtliche Organe befinden sich in einem äußeren Rohr 50. Das obere Ende dieses Rohres 50 ist durch eine Stopfbuchse 52 abgeschlossen, die in das obere Ende 52 eingeschraubt ist. Diese Stopfbuchse besteht aus zwei Teilen, dem äußeren mit Gewinde versehenen Buchsenteil 54, der einen Sechskant-Betätigungsknopf aufweist und zwischen einer Radialschulter 56 des inneren Teiles 58 und einem Sprengring 60 festgehalten wird, der in eine Ringnut des inneren Teiles 58 eingreift. Der Teil 58 ist mit einer Muffe 62 verbunden, welche den gesamten beweglichen Bauteil mit dem Seil 45 verbindet.

In dem inneren Teil 58 ist eine Ausnehmung vorgesehen, die zur Aufnahme der elektronischen Geräte dient, die der photoelektrischen Zelle 22' nachgeschaltet sind. Die Stromversorgung des beweglichen Elementes und die Übertragung des Ausgleichssignals erfolgen über ein nicht dargestelltes elektrisches Kabel, das aus dem oberen Ende des inneren Teils herausgeführt wird.

Die elektrische Photozelle 22, die aus einem Photomultiplikator besteht, der gegenüber einer normalen Photozelle den Vorteil hat, stabiler zu sein, wenn die Temperatur schwankt, ist in einem zweiten Innenrohr 64 angeordnet. Der Photomultiplikator 22' liegt auf dem Schirm 24' auf, der seinerseits von einem Tragring 66 getragen wird; dieser Tragring ist an einer Verlängerung 68 befestigt, die an dem zweiten Innenrohr 64 angebracht ist.

Die Lichtquelle 14', der Spiegel 30 und eine Abschirmung 70, die eine direkte Bestrahlung des Photomultiplikators durch die Lichtquelle verhindert, sind an der Verlängerung 68 durch bekannte Verbindungsmittel festgelegt, die nicht im einzelnen beschrieben werden müssen. Schließlich sind ein Linsensatz 20' und eine Blendenscheibe 72, die zur Trennung des einfallenden und reflektierenden Strahlenbündels dient, in dem unteren Teil des Rohres 50 angeordnet.

Um die Wirkungsweise deutlich zu machen, ist der Strahlengang eines Lichtstrahles innerhalb des beweglichen Bauteiles mit starken gestrichelten Linien in der Fi g. 4 dargestellt. Der von der Lichtquelle 14' ausgesandte Strahl wird durch den Spiegel 30 reflektiert, er geht durch ein Fenster 76 des Blendenschirmes 72 und wird von dem Linsensatz 20' gebrochen. Der an der spiegelnden Oberfläche der Flüssigkeit reflektierte Strahl geht erneut durch den Linsensatz 20', durch das zweite Fenster 78 des Blendenschirmes 72 und trifft auf die untere Stirnfläche des Photomultiplikators 22' auf.

Man sieht, daß die Vorrichtung nach den F i g. 2 und 4 eine sehr genaue Messung der Höhe des Flüssigkeitsspiels gestattet, da die Betätigung der Verstellvorrichtung durch das Auftreten eines Fehlersignals mit bestimmter Frequenz bewirkt wird und nicht mehr (wie in den bekannten Vorrichtungen für den gleichen Zweck) durch die Differenz zwischen den Amplituden eines Meßsignals und eines Referenzsignals.

Claims

Patentansprüche:

!.Vorrichtung zurMesssung der Lage einer reflektierenden Fläche unveränderlicher Orientierung, insbesondere des Niveaus der freien Oberfläche einer Flüssigkeit, wozu die Vorrichtung eine Lichtquelle und ein optisches System enthält, das ein Bild der Lichtquelle in der Ebene eines Schirmes erzeugt, der einen Spalt enthält, nachdem das von der Lichtquelle ausgehende Strahlenbündel an der zu messenden Oberfläche reflektiert wurde, und außerdem ein lichtempfindliches Element aufweist, das hinter dem Spalt angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle aus zwei im wesentlichen gleichen lichtaussendenden Objekten (16,18 oder 16', 18') besteht, die in einer vorbestimmten Frequenz wechselweise Licht ausstrahlen, daß der Spalt (26) des Schirmes (24 oder 24') derart angeordnet ist, daß bei jeder Abweichung der reflektierenden Fläche (12) aus einer vorbestimmten Lage eines der Bilder mehr oder weniger verdeckt wird und daß eine durch das lichtempfindliche Element (22 oder 22') gespeiste Vorrichtung (36), die auf die Frequenz der wechselweisen Lichtausstrahlung anspricht, zur Anzeige jeder Lagenänderung der reflektierenden Fläche aus ihrer vorbestimmten Stellung dient (Fig. 1 oder 2).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem lichtempfindlichen Element (22 oder 22') gespeiste Vorrichtung (36) ausschließlich bzw. selektiv auf Signale der vorbestimmten Frequenz anspricht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ihr lichtempfindliches Element ein Photomultiplikator ist, der einen Verstärker mit einem schmalen, im Bereich der vorbestimmten Frequenz liegenden Durchlaßband S beaufschlagt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht aussendenden Objekte (16, 18 oder 16', 18') zwei Elektroden einer mit Wechselstrom von bestimmter Frequenz gespeisten Neonröhre oder -lampe (14 oder 14') sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine bewegliche Baugruppe (28) der Vorrichtung, welche zumindest die Licht aussendenden Objekte (16', 18'), das optische System (20') und das lichtempfindliche Element (22') enthält, senkrecht zu der zu messenden Oberfläche bewegbar ist und einen Bewegungsmechanismus (42,44,45) umfaßt, der die bewegliche Baugruppe in eine Stellung führt, in der das von dem lichtempfindlichen Element gelieferte Signal keine Komponente mit der vorherbestimmten Frequenz enthält.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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