DE1926760A1

DE1926760A1 - Density meter for liquids and gases

Info

Publication number: DE1926760A1
Application number: DE19691926760
Authority: DE
Inventors: Heinz Bernard
Original assignee: Ludwig Krohne GmbH and Co KG
Current assignee: Ludwig Krohne GmbH and Co KG
Priority date: 1969-05-24
Filing date: 1969-05-24
Publication date: 1970-11-26

Description

Dichtemesser für Flüssigkeiten und Gase Die Erfindung beschreitet einen neuen Weg zur Dichtemessung von Medien wie Flüssigkeiten und Gase. Sie nutzt zu diesem Zweck die Erscheinungen im Grenzbereich zwischen der Lichtbrechung beim Übergang von einem Medium in das andere Iiedium und der Reflexion eines Lichtstrahles an der Übergangsfläche aus Beim Übergang eines Lichtstrahles aus einem optisch dichteren in ein optisch dünneres Medium wird nach dem Snellius'schen Brechungsgesetz sin t3 uns sin n1 2,1 der Lichtstrahl vom Lot weg gebrochen (n2.1 = Quotient der absoluten Brechungszahlen der beiden Medien, siehe Fig. 1). Der max. Wert von sin ß kann 1 betragen, doh. ß = 900. In diesem Fall tritt der in das dünnere ediur gebrochene Strahl streifend zur Grenzfläche ein, Für Einfallwinkel#, die größer sind als der zuß= 900 gehörende Grenzwinkel, existiert kein reeller Brechungswinkel mehr. Das Licht tritt nicht mehr in das diüinere Medium ein. Es wird an der Grenzflache mit seiner vollen Intensität reflektiert (Totalreflexion).Density meter for liquids and gases The invention breaks new ground in measuring the density of media such as liquids and gases. For this purpose, it uses the phenomena in the border area between the refraction of light at the transition from one medium to the other Iiedium and the reflection of a light beam at the transition surface sin t3 us sin n1 2.1 the light beam is broken away from the perpendicular (n2.1 = quotient of the absolute refractive indices of the two media, see Fig. 1). The maximum value of sin ß can be 1, doh. ß = 900. In this case the ray refracted into the thinner ediur strikes the boundary surface. For angles of incidence # that are greater than the critical angle belonging to ß = 900, there is no real angle of refraction. The light no longer enters the more delicate medium. It is reflected at the interface with its full intensity (total reflection).

Der Grenzwin£el der Totalreflexion ist also definiert durch sin alpha;g = n1,2.The limit angle of total reflection is thus defined by sin alpha; g = n1.2.

Die Brechungszahl eines Stoffes hängt u.a. von dem spezifischen Gewicht '(damit z.B. auch von der Konzentration von Lösungen) ab, d.h. mit sich änderndem spezifischen Gewicht ändert sich ebenfalls der Grenzwinkel der Totalreflexion.The refractive index of a substance depends, among other things, on its specific weight '(thus e.g. also on the concentration of solutions), i.e. with changing specific weight also changes the critical angle of total reflection.

Dieser Sachverhatt wird nach der Erfindung zur Dichtemessung benutzt, wobei der Lichtstrahl selbst nicht in das zu messende Medium eintritt, Dazu läßt man einen breiten Lichtstrahl in einem optisch dichteren Medium auf eine Grenzfläche zu einemoptisch dünneren Medium fallen. Diese Grenzfläche ist so ausgebildet, daß sie an jedem Punkt einen anderen Einfallwinkel mit dem Lichtstrahl bildet. Die Grenzfläche kann z.B. so ausgebildet erde, daß bei dem kleinsten spezifischen Gewicht des gewünschten Meßbereiches entweder der gesamte Lichtstrahl oder nur noch eine geringe Reststrs.hlung reflektiert wird0 Dadurch tritt bei sich änderndem spezifischen Gewicht die Totalreflexion jeweils an einem anderen Punkt der Grenzfläche ein und damit wandert- die scharfe Trennlinie zwischen der Bell- und Dunkelzone über eine geeignete Projektionseinrichtung, die z.BO eine graduierte Skala oder eine lichtempfindliche Fotozelle sein kann.This fact is used according to the invention for density measurement, whereby the light beam itself does not enter the medium to be measured, In addition a broad beam of light in an optically denser medium is allowed to hit an interface fall to an optically thinner medium. This interface is designed so that it forms a different angle of incidence with the light beam at each point. The interface can for example be designed so that with the lowest specific weight of the desired Measuring range either the entire light beam or only a small residual radiation is reflected0 As a result, when the specific weight changes, total reflection occurs in each case at a different point of the interface and thus migrates - the sharp one Separation line between the bell and dark zone via a suitable projection device, which can be e.g. a graduated scale or a light-sensitive photocell.

Die Trennung zwischen der hell- und Dunkelzone ist sehr exakt, da alles Licht, das unter einem kleineren Winkel als dem Grenzwinkel der Totalreflexion auf die Grenzfläche auftrifft, durch die Pläche in das optisch dünnere Medium eintritt, während exakt vom Punkt der Totalreflexien ab und an allen Punkten, an denen der Einfallwinkel größer als der Grenzwinkel ist, der Strahl mit voller Intensität reIl£ktiert wird.The separation between the light and dark zones is very precise, there all light that is at an angle smaller than the critical angle of total reflection hits the interface, through the plane enters the optically thinner medium, while exactly from the point of total reflexions and at all points where the If the angle of incidence is greater than the critical angle, the beam travels with full intensity will.

Die Erfindung benutzt danach den reflektierten Anteil des Strahles zur SignalgabeO Im einfachsten Ball wird die Überschreitung oder Unterschreitung eines bestimmten Dichtewertes der zu messenden Flüssigkeit angezeigt, bei welcher der Lichtstrahl von der Reflexion zum Eintritt in das Meßfluidum überwechselt oder umgekehrt von der Lichtbrechung zur Reflexion.The invention then uses the reflected portion of the beam for signalingO In the simplest ball, exceeding or falling below of a certain density value of the liquid to be measured, at which the light beam changes over from the reflection to the entry into the measuring fluid or vice versa from refraction to reflection.

Zu die sein Zweck wird ein aus Glas oder einem sonstigen strahlendurchlässigen Stoff bestehender Körper: in die zu messende Flüssigkeit eineetaucht, der mit einer Grenzfläche versehen ist, die schräg zu einem im Glaskörper verlaufenden Lichtstrahl steht, und zwar in einer Neigung nahe dem Grenzwinkel.For its purpose, one made of glass or some other radiolucent will be used Substance of existing body: in the the liquid to be measured is immersed, which is provided with an interface which is inclined to one in the glass body Light beam is, and in an inclination close to the critical angle.

Sie Grenzfläche kann gerade ve@laufen, wenn nur der Grenzwert angezeigt worden soll.You interface can just ve @ run if only the limit value is displayed should have been.

Wenn dagegen eine quantitative Messung der Dichte vorgenommen werden soll, so wird die Grenzflache nach einer Kurve gekrümmt. Bei sich ändernder Dichte der Flüssigkeit und damit veränderlichem Brechungsindex wird der reflektierte teil des Lichtstrahles größer oder kleiner, auch ändert die Hell-Dunkel-Grenzlinie ihre Winkellage.On the other hand, when a quantitative measurement of density is made should, the boundary surface is curved according to a curve. With changing density The reflected part becomes the liquid and thus the variable refractive index of the light beam larger or smaller, the light-dark borderline also changes its Angular position.

Eine in oder an dem Glaskörper angebrachte optische oder fotoelektrische Hefeinrichtung mißt den Reflexionsstrahl nach Lage oder Winkel oder nach seiner Intensität. Die Dichte wird auf diese Weise ohne bewegte Teile kontinuierlich oder i beliebigen Intervelien gemessen und angezeigt.An optical or photoelectric one attached in or on the glass body Yeast device measures the reflection beam by position or angle or by its Intensity. The density becomes continuous in this way or with no moving parts Measured and displayed in any interval.

Ein ganz wesentlicher Vorteil des neuen Dichtemessers beruht darauf, daß der Lichtstrahl selbst nicht in das Iedium eintritt, dessen Dichte gemessen werden coll. Er bleibt in dem Glaskörper. Trübungen und Versclmutzungen des Lediums haben somit keinen Einflus auf das Meßergebnis. Weiterhin ist die Messung unabhängig von veränderlichen Durchflußgeschwindigkeiten, von Viskositätsschwankunden und ähnlichen äußeren Einflüssen. Die Totzeit ist pr@ktisch zu vernàchlàssigen, sie ist lediglich bedingt durch die Tr@gheit der elektronischen Verstärkerelemente. Auch Verschmutzurgen der Grenzflächen haben keinen Einflu@ auf d235 Leßergebnis, sofern es sich - besonders bei Flüssigkeiten - um schlummförrige Anlagerungen handelt, die wie ein Schwamm von der umgebenden Flüssigkeit durchsetzt werden. Dabei kann sicl lediglich die Totzeit erhöhen. Durch eine geeignete Strömungsfübrung kann dafür gesorgt werden, daß die Grenzfläche selbsttätig von der Strömung freigespült wird.A very important advantage of the new densitometer is based on that the ray of light itself does not enter the medium whose density is measured become coll. It remains in the vitreous body. Opacities and soiling of the ledium thus have no influence on the measurement result. Furthermore, the measurement is independent of variable flow rates, viscosity fluctuations and the like external influences. The dead time is practically negligible, it is only due to the inertia of the electronic amplifier elements. Also pollutants of the interfaces have no influence on the d235 measurement result, provided that it is - especially in the case of liquids - sluggish deposits are involved, the be penetrated by the surrounding liquid like a sponge. In doing so, sicl only increase the dead time. By means of a suitable flow control, this can be achieved it must be ensured that the interface is automatically flushed free by the flow.

Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Erfindung.Figure 2 shows an embodiment of the invention.

Danach tritt das Licht einer langlebigen Niederspannungslampe 1 hinter einem Linsensystem 2 als paralleler Lichtstrahl 3 in einen Block 4 oder ähnlichen Körper aus L @las, durchsichtigem Kunststoff oder dergl. ein. Dieser Block ragt zumindest mit der Grenzfläche 5 in das zu messende Medium 6. Der Block kann ganz mit einer Schutzhülle aus Eetall, Kunststoff oder @hnlichem Eaterialien verkleidet sein, nur die Grenzfläche 5 muß frei bleiben. An dieser Grenzfläclie v.ird der Lichtstrahl 3 je nach Krümmung der Grenzfläche und des umgebenden mediums sgenz oder teilweise reflektiert.The light of a long-life low-voltage lamp 1 then steps behind a lens system 2 as a parallel light beam 3 in a block 4 or the like Body made of L @las, transparent plastic or the like. This block protrudes at least with the interface 5 in the medium 6 to be measured. The block can be whole covered with a protective cover made of metal, plastic or similar materials be, only the interface 5 must remain free. At this boundary surface the light beam becomes 3 Depending on the curvature of the interface and the surrounding medium, partially or partially reflected.

Je nach dem funktionellen Zusammenhang zwischen Brechungsindex und Dichte des @ediums und je nach der gewünschten Anzeigechara@teristik (steigende Dichte = steigende oder fallende Anzeige) kann diose Grenzfläche 5 konkav oder konvex gekrümmt ausgebildet werden. Dabei kann die Kr@@-mung stetig in einem Kurvenzug oder schrittweise durch facettenartige Schliffe verlaufen. Der reflektierte Anteil 7 des Lichtstrahles wird auf ein fotoelektrisches Element 8 geleitet, von dem ein von Aer belauchtetan F1 -che und da ein von der Dichte abhangiges elektrisches Signal abgegeben wird, das dann in geeigneten nachgeschalteten Verstärkereinrichtungen in ein elektrisches Stand@rdsignal umgewandelt wird.Depending on the functional relationship between the refractive index and Density of the medium and, depending on the desired display characteristics (increasing Density = rising or falling display) the interface 5 can be concave or convex be formed curved. The curvature can be continuous in a curve or run gradually through facet-like cuts. The reflected portion 7 of the light beam is directed to a photoelectric element 8, one of which from Aer illuminated to F1 -che and there an electrical signal depending on the density is delivered, which is then in suitable downstream amplifier devices is converted into an electrical stand @ rdsignal.

Die Speisespannung der Lampe 1 ist stabilisiert. Weiterhin wird über einen selbständigen Regelkreis, bestehend aus einer Fotodiode und einef Kompenst tionsschaltung, die sick eventuell ändernde Lampenleistung durch die selbsttätige Regelung der la@pensapnnung konstant gehalten und bei einer eventuellen Lampenstörung ein Kontat ausgelöst.The supply voltage of the lamp 1 is stabilized. Furthermore, over an independent control circuit, consisting of a photodiode and a compensator tion circuit that sick possibly changing lamp power the automatic regulation of the pension is kept constant and in the event of a possible Lamp fault a contact triggered.

In den Strahlengang des reflektierten Strahles 7 kann z.B. ein Spiegelsystem 10 eingebracht werden, über das der reflektierte Anteil des Gesamtstrahles auf eine graduierte Skals zur örtlichen Anzeigen des Dichtewertes gelenkt wird.A mirror system, for example, can be placed in the beam path of the reflected beam 7 10 are introduced, via which the reflected portion of the total beam on a graduated scales for local display of the density value.

@it Hilfe eines elektrischen Temperaturfühlers, der in der N%'he des Blocks in die Strömung ragt,und einer geeigneten Kompensationsschaltung im Verstärker kann der Dichtewert auf eine bestimmte Bezugsfemperatur korriinert werden.@ With the help of an electrical temperature sensor, which is located near the Blocks protruding into the flow, and a suitable compensation circuit in the amplifier the density value can be corrected to a specific reference temperature.

-enn noch kleinste Dichtedifferenzen angezeigt und messen werden sollen, wird eine Linse oder ein Linsensystem in den Strahlengang des reflektierten Strahles 7 gebracht, des eine Spreizung des Strahls und damit eine bessere Meßwertauflösung bewirkt.-if even the smallest density differences are to be displayed and measured, a lens or a lens system is placed in the path of the reflected beam 7 brought a spreading of the beam and thus a better measured value resolution causes.

Wenn nur die Erreichung oder Überschreitung einer bestimmten Dichte (Grenzwertsignal) angezeigt werden soll, läßt man den Lichtstrahl 3 unter dem Grenzwinkel der To@ tairefle@ion, der dem gewünschten Dichtewert entspricht, auf eine ebene Grenzfiäche auftreffen, welche an die Stelle der Karve 5 tritt. Bei Flüssigkeiten mit einem kleineren spezifischen Gewicht tritt dann der Lichtstrahl durch die Grenzfl@che hindurch, während bei Erreichen des Grenzwinkels die Totalreflexion eintritt und bei allen spezifischen Gewichten, die größer sind, erhalten bleibt.If only reaching or exceeding a certain density (Limit value signal) is to be displayed, the light beam 3 is left below the limit angle the to @ tairefle @ ion, which corresponds to the desired density value, on one level The boundary surface, which takes the place of the carve 5, strike. With liquids The light beam then passes through the interface with a lower specific weight through, while when the critical angle is reached, total reflection occurs and is retained for all specific weights that are larger.

Der Li@@tatrahl braucht nicht aus sichtbarem Licht zu bestehen, kann auch durch andere Strahlen ersetzt werden, soweit sie den Brechungsgesetzen unterworfen sind. Als Meßmcllion s-onnen auch Gase dienen.The Li @@ tatray does not have to consist of visible light, it can can also be replaced by other rays, insofar as they are subject to the laws of refraction are. Gases can also serve as measuring devices.

Um den Dichtemesser für verschiedene Meßberiche anpaßbar zu machen, kann man den Lichtstrahl 3 relativ zum Kurvenzug der Grenzfläche 5 verànderlich einrichteno Das kann Z.D. durch Umsetzen der Lampe 1 und des optischen Systems 2 geschehen oder durch eine gemeinsame oder getrennte Drehung dieser beiden. Auch ein bewegbares optisches Ablenksystem kann eingebaut wer den.To make the density meter adaptable for different measuring ranges, the light beam 3 can be changed relative to the curve of the interface 5 o That can Z.D. by moving the lamp 1 and the optical system 2 happen or by a joint or separate rotation of these two. Even a movable optical deflection system can be installed.

Bs kann zweckmäßig sein, z.3. enn Explosionsgefahr besteht, die Lichtquelle nicht unmittelbar am sichtemesser anzubringen, sie vielmehr in größerer Entfernung aufzustellen und den Lichtstrahl etwa durch Linsensysteme, Spiegel, Prismen, aus Glasfasern bestehende Lichtleiter oder dergleichen dem Dichtemesser zuzuführen Für besonders genaue Messungen empfiehlt es sich, elektromagnetische kurzwellige Strahlen, z.B. ultraviolette Strahlen, evtl. sogar Röntgenstrahlen zu benutzen, da sich bei diesen der Brechungsindex bei Änderung eines Mediums stärker ändert als bei langwelligem Licht.Bs can be appropriate, e.g. 3. If there is a risk of explosion, the light source not to be attached directly to the sighting knife, but rather at a greater distance set up and the light beam through lens systems, mirrors, prisms, for example To feed existing optical fibers or the like to the density meter For For particularly precise measurements, it is recommended to use electromagnetic short-wave radiation, e.g. to use ultraviolet rays, possibly even X-rays, because the refractive index changes more strongly when a medium changes than with a long-wave medium Light.

Claims

1. Density meter for liquids and gases, characterized in that under use:; ung the refraction and light reflection a light beam (3) within a translucent body 4 on at least one almost at the critical angle to it outside of the measuring medium (6) touched surface (5) is directed and the reflected portion 7 of the beam is used for signaling, 2o density meter for liquids and gases according to claim 1), characterized by several adjacent, angularly only slightly deviating boundary surfaces (5.) 3. Density meter for liquids and gases according to Claim 1) characterized in that the boundary surface (50 is formed by a curve.

4. density meter for liquids and gases according to claim 1) thereby characterized in that the reflected portion (7) of a device (8) for measurement the brightness is fed0 5. Density meter for liquids and gases according to claim 1) Characterized in that the light-dark boundary line on the reflected beam to measure 'e.g. on a scale 0 Go density meter for liquids and gases according to Claims 1) to 5), characterized in that such the reflected Part (7) runs in the light-length body (4) and the associated measuring device device (8) is attached in or on this body.

7. Density meter for liquids and gases according to claim 1) to 6) as a limit value transmitter, when the permissible density of the measuring fluid is exceeded directs the reflected beam to a light-sensitive signal transmitter or him steers out of the range of the signal transmitter.

8. Density meter for liquids and gases according to claim 1) to 7Y characterized in that in the \) eg of the light beam and or the reflected Beam optical systems for collecting the light beam or spreading the reflected one Part of the light beam are built in, 9. Density meter for liquids and gases according to claim 1) to 8) characterized in that the light beam relative to The boundary surface is adjustable, e.g. by moving or pivoting the light source or an intermediate optical S-stem.

10. Density meter for liquids and G @ se according to claim 1), which indicates you @ ch a light source @ or shortwave rays insheson @ ere ultraviolet spots.

L e r s e t e