DE19637830C2 - Optoelektronische Vorrichtung zur Füllstandskontrolle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE 41 27 686 A1 bekannt. Diese Vorrichtung dient zur Ermittlung von Restflüssigkeit in Behältern. Unterhalb des zumindest teilweise lichtdurchlässigen Bodens des Behälters sind ein Sender und eine diesem nachgeordnete Strahlungsstreuplatte vorgesehen. Der Sender emittiert Sendelichtstrahlen im sichtbaren Bereich und im Infrarotbereich. Oberhalb des Behälters sind zwei Empfänger vorgesehen, wobei einem der Empfänger ein optisches Filter vorgeordnet ist, welches nur für Infrarotstrahlung durchlässig ist. Dieser Empfängeranordnung ist eine Kondensorlinse zur Bündelung der Sendelichtstrahlen vorgeordnet.

Die vom Sender emittierten Sendelichtstrahlen durchsetzen den Behälterboden und die Flüssigkeit im Behälter in axialer Richtung. Durch die Strahlungsstreuplatte wird eine gleichmäßige Ausleuchtung des Behälterbodens erzielt.

Der Infrarotanteil der Sendelichtstrahlen wird beim Durchsetzen der Restflüssigkeit sehr stark gedämpft, so dass die auf den Empfänger mit dem vorgeordneten optischen Filter auftreffende Lichtmenge im Vergleich zu der auf den anderen Empfänger auftreffenden Lichtmenge sehr gering ist. Entsprechend ergibt sich eine Differenz der Ausgangssignale der beiden Empfänger.

Ist im Behälter keine Restflüssigkeit enthalten, sind dagegen die verstärkten Empfangssignale der Empfänger gleich groß.

Aus der DE 295 13 600 U1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei welcher der Sender und der Empfänger so angeordnet sind, dass deren optische Achsen in unterschiedlichen Winkeln zur Oberfläche einer in einem Behälter befindlichen Flüssigkeit angeordnet sind. Dabei liegt bei einem vorgegebenen Füllstand der Schnittpunkt der optischen Achsen im Bereich der Oberfläche der Flüssigkeit. Mit einer derartigen Anordnung ist nur ein sehr enger Füllstandsbereich erfaßbar.

Aus der DE 39 13 730 A1 ist eine Füllstandsmessvorrichtung bekannt, welche einen Sender aufweist, dessen Sendelichtstrahlen den Querschnitt eines Flaschenhalses ausleuchten. Dabei ist der Sender und eine Empfängeranordnung beidseits des Flaschenhalses so angeordnet, dass die Strahlachse der Sendelichtstrahlen quer zur Längsachse der Flasche angeordnet ist. Der Empfänger weist vorzugsweise drei nebeneinanderliegende Empfänger auf.

Bei einer im Strahlengang der Sendelichtstrahlen befindlichen Flasche trifft auf die äußeren Empfänger nur eine geringe Lichtmenge, da die auf diese Empfänger treffenden Sendelichtstrahlen jeweils den Rand des Flaschenhalses durchsetzen und dabei stark gedämpft werden.

Die auf den mittleren Empfänger treffenden Sendelichtstrahlen durchsetzen das Zentrum des Flaschenhalses. Ist die Flasche leer, werden durch die Krümmung des Flaschenhalses die Sendelichtstrahlen in geringem Maße auf den Empfänger fokussiert, so dass die dort auftreffende Lichtmenge etwas größer als bei den äußeren Empfängern ist.

Ist die Flasche mit Flüssigkeit befüllt, so wird durch die Flüssigkeit der Fokussierungseffekt verstärkt, so dass eine erhöhte Lichtmenge auf den mittleren Empfänger auftrifft. Durch die Auswertung der Lichtmengen, die auf die Empfänger treffen, kann erkannt werden, ob sich im Strahlengang der Sendelichtstrahlen eine Flasche befindet und ob diese befüllt ist.

Aus der DE-OS 21 13 711 ist eine optoelektronische Vorrichtung zur Füllstandsmessung bekannt, bei welcher ein Sender unterhalb eines Behälters mit einem konvex ausgewölbten, lichtdurchlässigen Boden angeordnet ist.

Seitlich neben dem Behälter sind mehrere Empfänger untereinander angeordnet. Die vom Sender emittierten Sendelichtstrahlen durchdringen die Flüssigkeit im Behälter in axialer Richtung und werden am Meniskus der Flüssigkeit teilweise zu dem jeweils in dieser Höhe befindlichen Empfänger reflektiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genan­ nten Art dahin zu verbessern, dass ein möglichst großer Füllstandsbereich erfaßbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vor­ teilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Sender auf, welcher unterhalb eines Behälters, dessen Füllstand kontrolliert werden soll, angeordnet ist. Ober­ halb des Behälters ist ein Empfänger so angeordnet, dass dieser dem Sender ge­ genübersteht.

Der Boden des Behälters und die im Behälter befindliche Flüssigkeit sind zumin­ dest teilweise lichtdurchlässig, so dass vom Sender emittierte Sendelichtstrahlen den Boden des Behälters durchdringen und die Flüssigkeit im Behälter in axialer Richtung durchsetzen.

Dabei sind die im Bereich des Behälters verlaufenden Sendelichtstrahlen fokus­ siert und weisen dementsprechend bei Eintritt in die Flüssigkeit eine vorgegebene Strahldivergenz auf. Bei Austritt aus der Flüssigkeit ändert sich durch Brechung beim Übergang Flüssigkeit-Luft die Strahldivergenz der Sendelichtstrahlen. Die auf den Empfänger auftreffende, aufgrund der Strahldivergenz in Abhängigkeit vom Abstand der Flüssigkeitsoberfläche vom Empfänger variierende Sendelichtmenge wird als Maß für den Füllstand des Behälters in der Auswerteeinheit ausgewertet.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann mit einem sehr einfachen und kostengünstigen Sensorsystem ein großer Füllstandsbereich kontrolliert werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Boden des Behälters eine vorgegebene konvexe Krümmung auf. Dabei ist vorteil­ hafterweise die Unterseite des Behälterbodens konvex gekrümmt, während die Oberseite des Behälterbodens plan ausgebildet ist. In diesem Fall werden vom Sender emittierte parallel verlaufende Sendelichtstrahlen beim Durchgang durch den Behälterboden in vorgegebener Weise fokussiert. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn Füllstände verschiedener Behälter mit derselben Vorrichtung kontrolliert werden sollen. Die einzelnen Behälter weisen unterschiedlich gekrümmte Böden auf, die die Sendelichtstrahlen in unterschiedlicher Weise fokussieren. Bei sämtlichen Behältern kann zur Füllstandskontrolle die Optik der Vorrichtung unverändert bleiben. Insbesondere können die von dem Sender emittierten Sendelichtstrahlen jeweils parallel verlaufen, da die zur Füllstands­ kontrolle notwendige Fokussierung der Sendelichtstrahlen durch den Behälterbo­ den erfolgt. Die durch die verschiedenen Behälter bewirkten unterschiedlichen Strahlengänge der Sendelichtstrahlen können in Form von Tabellen oder Kenn­ linien in der Auswerteeinheit abgespeichert sein. Ebenfalls können in der Auswerteeinheit die Materialparameter der zu kontrollierenden Flüssigkeit, wie zum Beispiel Brechungsindex und Transmissionsgrad, abgespeichert sein. Auf diese Weise kann die Vorrichtung zur Kontrolle unterschiedlicher Flüssigkeiten eingesetzt werden.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: Schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der optoelektronischen Vorrichtung.

Fig. 2: Schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der optoelektronischen Vorrichtung für verschiedene Füllstände (a-c) des Behälters.

In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer optoelektronischen Vorrich­ tung zur Kontrolle des Füllstands einer in einem Behälter 1 befindlichen Flüs­ sigkeit 2 dargestellt.

Die Vorrichtung weist einen Sender 3 und einen Empfänger 4 auf. Der Empfän­ ger 4 und zweckmäßigerweise auch der Sender 3 sind an eine nicht dargestellte Auswerteeinheit angeschlossen.

Der Sender 3 ist unterhalb des Behälters 1 angeordnet, so daß die vom Sender 3 emittierten Sendelichtstrahlen 5 auf das Zentrum des Bodens des Behälters 1 auftreffen.

Der Empfänger 4 ist oberhalb des Behälters 1 dem Sender 3 gegenüberliegend angeordnet. Der Sender 3 und der Empfänger 4 können an einer nicht dargestel­ lten Halterung befestigt sein. Auch der Behälter 1 kann an dieser Halterung be­ festigt sein, wobei der Behälter 1 mit seiner Mantelfläche an einer ebenfalls nicht dargestellten Aufnahme anliegt.

Der Boden des Behälters 1 sowie die Flüssigkeit 2 des Behälters 1 sind zumin­ dest teilweise lichtdurchlässig. Die Flüssigkeit 2 kann von wässrigen Lösungen oder dergleichen gebildet sein. Somit durchdringen die Sendelichtstrahlen 5 zu­ mindest teilweise den Behälterboden und die Flüssigkeit 2, wobei die Sende­ lichtstrahlen 5 in axialer Richtung den Behälter 1 und die darin befindliche Flüssigkeit 2 durchsetzen.

Die im Bereich des Behälters 1 verlaufenden Sendelichtstrahlen 5 sind auf einen vorgegebenen Fokus F fokussiert. Entsprechend weisen die Sendelichtstrahlen 5 in diesem Bereich eine Strahldivergenz auf. Diese Strahldivergenz ist vom Füllstand des Behälters 1 abhängig. Da die Flüssigkeit 2 einen größeren Brech­ ungsindex als die umgebende Atmosphäre aufweist, werden die Sendelicht­ strahlen 5 beim Übergang Flüssigkeit/Luft gebrochen, wodurch sich die Strahl­ divergenz ändert. Je nach Füllstand des Behälters 1 ist der Lichtweg innerhalb der Flüssigkeit 2 sowie von der Flüssigkeitsoberfläche zum Empfänger 4 ver­ schieden groß, so daß der Durchmesser des Sendelichtflecks am Ort des Emp­ fängers 4 in charakteristischer Weise vom Füllstand des Behälters 1 abhängt. Demzufolge ist die auftreffende Sendelichtmenge auf den Empfänger 4 ein Maß für den Füllstand des Behälters 1.

Der Sender 3 ist vorzugsweise von einer Leuchtdiode gebildet, der eine nicht dargestellte Sendeoptik nachgeordnet ist. Bei den in den Zeichnungen dargestel­ lten Ausführungsbeispielen emittiert der Sender 3 parallel verlaufende Sende­ lichtstrahlen 5.

Die Fokussierung der Sendelichtstrahlen 5 erfolgt in diesem Fall beim Durch­ gang durch den Behälterboden. Der Boden des Behälters ist konvex gekrümmt und wirkt dadurch fokussierend. Zweckmäßigerweise ist dabei der Behälter 1 von einem Reagenzglas gebildet.

Falls der Behälter 1 einen ebenen Boden aufweist, werden die Sendelichtstrah­ len 5 durch eine entsprechend ausgebildete Sendeoptik fokussiert.

Zweckmäßigerweise liegt der Fokus F der Sendelichtstrahlen 5 im Strahlengang vor dem Empfänger 4. In den dargestellten Ausführungsbeispielen liegt der Fokus F im Bereich des Behälters 1.

Beim Austritt der Sendelichtstrahlen 5 aus der Flüssigkeit 2 findet eine Aufweit­ ung der Sendelichtstrahlen 5 statt. Dies führt zu einer vom Füllstand des Behäl­ ters 1 abhängigen Größe des Sendelichtflecks, wobei der Durchmesser des Sen­ delichtflecks umso größer ist, je geringer der Füllstand des Behälters 1 ist.

Die Änderung des Durchmessers des Sendelichtflecks bewirkt eine Änderung des Ausgangssignals des Empfängers 4. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Aus­ führungsbeispiel besteht der Empfänger 4 aus einer Photodiode. Vor dem Emp­ fänger 4 ist zweckmäßigerweise eine Blende 6 angeordnet. Je stärker die Auf­ weitung der Sendelichtstrahlen 5 und je größer der Durchmesser des Sendelicht­ flecks in der Ebene des Empfängers 4, desto geringer ist die auf den Empfänger 4 auftreffende Sendelichtmenge. Somit kann in der Auswerteeinheit aus der am Empfänger 4 registrierten Sendelichtmenge der Füllstand des Behälters 1 be­ rechnet werden. Hierzu sind zweckmäßigerweise die geometrischen Kenndaten der Vorrichtung und des Behälters 1 in der Auswerteeinheit abgespeichert.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der Empfänger 4 aus einem CCD-Zeilenelement. Die Ausdehnung dieses Zeilenelements sowie dessen Anordnung relativ zum Sender 3 und zum Behälter 1 ist so gewählt, daß bei jedem Füllstand die gesamte Breite des Sendelichtflecks vom Empfänger 4 erfaßt wird.

Der restliche Teil der optoelektronischen Vorrichtung sowie deren Anordnung relativ zu dem Behälter 1 entspricht dem Aufbau gemäß Fig. 1.

Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 2 liefert der von den Sendelichtstrahlen 5 be­ leuchtete Anteil des CCD-Zeilenelements ein Maß für den Füllstand des Behäl­ ters 1. Analog zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 werden die Sende­ lichtstrahlen 5 beim Austritt aus der Flüssigkeit 2 aufgeweitet. Wie aus den Fig. 2a, b, c ersichtlich ist, ist dadurch der Durchmesser des Sendelicht­ flecks auf dem CCD-Zeilenelement umso größer, je geringer der Füllstand des Behälters 1 ist.

Die in den Fig. 2a, b, c dargestellte Vorrichtung ist so dimensioniert, daß für die dargestellten Füllstände die Sendelichtstrahlen 5 im Inneren des Behäl­ ters 1 geführt sind und nicht auf die Seitenwände des Behälters 1 treffen.

Wird der Füllstand gegenüber dem in Fig. 2c dargestellten Fall noch weiter re­ duziert, so würden die Sendelichtstrahlen 5 bei Austritt aus der Flüssigkeit 2 noch stärker aufgeweitet und träfen auf die Innenwände des Behälters 1. Dort würden die Sendelichtstrahlen 5 zumindest teilweise reflektiert werden, wodurch die auf dem CCD-Zeilenelement auftreffende Lichtmenge im Zentrum erhöht würde. Prinzipiell könnte dieser Effekt durch eine entsprechende Vorgabe einer Kennlinie in der Auswerteeinheit berücksichtig werden, so daß auch dieser Füll­ standsbereich mit der Vorrichtung erfasst werden könnte. Jedoch ist bei einer derartigen Ausdehnung des Meßbereichs eine eindeutige Zuordnung des Emp­ fangssignals zu einem bestimmten Füllstand erschwert, wenn nicht sogar un­ möglich.

Zweckmäßigerweise ist der erfaßbare Füllstandsbereich daher insoweit begrenzt, daß für sämtliche Füllstände die Sendelichtstrahlen 5 vollständig im Innern des Behälters 1 geführt sind und nicht auf die Behälterwände treffen. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel kennzeichnet demzufolge Fig. 2a den maximalen Füllstand, nämlich einen vollständig gefüllten Behälter 1. Fig. 2c zeigt den kleinsten erfaßbaren Füllstand, bei welchem die Sendelichtstrahlen 5 gerade noch ohne Reflexion an der Behälterwand auf den Empfänger 4 gelan­ gen. Durch eine hinreichend kleine Wahl des Sendelichtstrahldurchmessers und einer geeigneten Krümmung des Behälterbodens im Verhältnis zu Höhe und Breite des Behälters 1 kann der kontrollierbare Füllstandsbereich gezielt erwei­ tert werden.

Bei den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Geometrien der optoelektronischen Vorrichtung und des Behälters 1 besteht zwischen dem Empfangssignal und den unterschiedlichen Füllständen innerhalb des nutzbaren Füllstandsbereichs eine eindeutige Zuordnung. Diese Zuordnung ist abhängig von der Beschaffenheit der Flüssigkeit 2, insbesondere von deren Brechungsindex und Transmissions­ grad.

Für unterschiedliche Brechungsindizes werden an der Oberfläche der Flüssigkeit 2 verschiedene Strahlaufweitungen erhalten. Je nach Transmissionsgrad der Flüssigkeit 2 variiert die auf den Empfänger 4 auftreffende Sendelichtmenge. In einer vorteilhaften Ausführungsform sind diese materialbedingten Einflüsse in der Auswerteeinheit in Form von Kennlinien hinterlegt. Auf diese Weise kön­ nen die am Empfänger 4 anstehenden Empfangssignale für die verschiedenen zu kontrollierenden Flüssigkeiten 2 geeicht werden. Auf diese Weise kann die Vor­ richtung zur Füllstandskontrolle unterschiedlicher Flüssigkeiten 2 eingesetzt werden.

Claims (8)

1. Optoelektronische Vorrichtung mit einem Sender (3), einem Empfänger (4) und einer dem Empfänger (4) nachgeschalteten Auswerteeinheit zur Kon­ trolle des Füllstands einer in einem Behälter (1) befindlichen Flüssigkeit (2), wobei die Flüssigkeit (2) und der Boden des Behälters (1) zumindest teilweise lichtdurchlässig sind und der Sender (3) unterhalb des Behälters (1) so angeordnet ist, dass von dem Sender (3) emittierte Sendelichtstrahlen (5) den Boden des Behälters (1) durchdringen und die Flüssigkeit (2) in axialer Richtung durchsetzen, dadurch gekennzeichnet, dass die die Flüssigkeit (2) durchdringenden Sendelichtstrahlen (5) bei Eintritt in die Flüssigkeit fokussiert sind und dadurch bei Austritt aus der Flüssigkeit eine sich durch Brechung beim Übergang Flüssigkeit-Luft ändernde Strahldivergenz aufweisen, dass der Empfänger (4) oberhalb des Behälters (1) dem Sender (3) gegenüberliegend angeordnet ist und dass die auf den Empfänger (4) auftreffende, auf Grund der Strahldivergenz in Abhängigkeit vom Abstand der Flüssigkeitsoberfläche vom Empfänger (4) variierende Sendelichtmenge als Maß für den Füllstand des Behälters (1) in der Auswerteeinheit auswertbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden des Behälters (1) eine vorgegebene konvexe Krümmung aufweist, so dass vom Sender (3) emittierte, parallel verlaufende Sendelichtstrahlen (5) beim Durchgang durch den Boden des Behälters (1) fokussiert werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterseite des Bodens des Behälters (1) konvex gekrümmt und die Oberseite des Bodens plan ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (1) von einem Reagenzglas gebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (4) von einer Photodiode gebildet ist, auf welche ein vom Füllstand des Behälters (1) abhängiger Teil der Sendelichtmenge auftrifft.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (4) von einem CCD-Zeilenelement gebildet ist, welches zu einem vom Füllstand des Behälters (1) abhängigen Teil von den Sen­ delichtstrahlen (5) ausgeleuchtet wird.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlquerschnitt der Sendelichtstrahlen (5) im Bereich des Behälters (1) kleiner als der Innendurchmesser des Behälters (1) ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die am Ausgang des Empfängers (4) anstehenden Empfangssignale in der Auswerteeinheit für verschiedene Brechungsindizes und Transmissions­ grade der Flüssigkeit (2) geeicht werden.