DE2139865B2

DE2139865B2 - Fuellstandsanzeiger oder zustandsdetektor mit einem durch eine trennwand hindurchgefuehrten, im wesentlichen geraden lichtleiterstab

Info

Publication number: DE2139865B2
Application number: DE19712139865
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Ulrich, Helmut, Dipl.-Chem., 8000 München
Priority date: 1971-08-09
Filing date: 1971-08-09
Publication date: 1976-12-02
Also published as: FR2148650B1; DE2139865A1; CH567714A5; NL7210710A; FR2148650A1; GB1387672A; BE787319A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Füllstandsanzeiger oder Zustandsdetektor mit einem durch eine Trennwand hindurchgeführten, im wesentlichen geraden Lichtleiterstab.

Bei bekannten lichtelektrischen Flüssigkeitsdetektoren oder Füllstandsanzeigern, wie sie etwa in der deutschen Offenlegungsschrift 15 48 983 oder der deutschen Auslegeschrift 18 17 027 beschrieben sind. werden Lichtzuleitungen und Lichtableitungen in Form von '.ichtleitern verwendet, die durch eine Trennwand oder Behälterwand geführt werden müssen, so daß mindestens jeweils zwei Durchführungen erforderlich sind und der Aufbau kompliziert und teuer ist, da wegen der räumlichen Trennung der Lichteinleitungsstelle von der Lichtempfangsstelle komplizierte Armaturen notwendig sind.

Aus der deutschen OffenlegungsYchrift 19 38 032 oder der US-PS 35 89 191 ist es bekannt, die Licht/uleitung und die Lichtableitung in einem einzigen, sich von einer Behälterwand in das Behälterinnere erstreckenden Lichtleiterstab vorzusehen, wobei das Ende des Lichtleiterstabes die Gestalt eines kegelförmigen oder dachförmigen Prismas hat, an welchem, solange keine Flü'jsigkeit das Lichtleiterstabende benetzt, Totalrefle xion auftritt, während diese Totalreflexion beseitigt und damit die Lichtrückleitung zu dem nahe der Behälterwand gelegenen Lichtleiterstabende unterbrochen oder geschwächt wird, sobald das kegelförmige oder dachförmige Lichtleiterstabende von der Flüssigkeit im Behälterinneren benetzt wird. Diese bekannten Füllstandsanzeiger zeichnen sich durch einen verhältnismäßig einfachen Aufbau aus, doch ist die Ausgangsanzeige oder das Ausgangssignal von der Eintauchtiefe des kegelförmigen oder dachförmigen, unteren Lichtleiterstabendes in die Flüssigkeit abhängig, was in bestimmten Fällen nicht erwünscht ist.

Weiter ist in der deutschen Offenlegungsschrift 16 14 865 ein beschrieben, bei welchem sich in einem in einen zu überwachenden Bereich hineinragenden, rotationsparaboliodförmigen Lichtleiterkörper nahe der Basis eine Strahlungsquelle und nahe dem Scheitel ein lichtempfindliches Organ befinden, derart, daß Strahlung von der Strahlungsquelle und dem lichtempfindlichen Organ aufgrund innerer Totalreflexion gelangen kann, solange die Außenfläche des Lichtleiterkörpers nicht von Flüssigkeit benetzt wird, während die zu dem strahlungsempfindlichen Organ nahe dem Scheitel des Lichtleiterkörpers gelangende Strahlung in zunehmendem Maße stärker abgedämpft wird, je größer der Anteil der von Flüssigkeit benetzten Oberfläche des Lichtleiterkörpers wird. Ähnlich den zuvor beschriebenen, bekannten Einrichtungen besitzt

demgemäß die Einrichtung nach der deutschen Offenlegungsschrift 16 14865 die in vielen Fällen nicht erwünschte Eigenschaft, daß ein den Zustand in dem überwachten Bereich meldendes Signa« in seiner Stärke von der Eintauchtiefe oder dem Grad der Benetzung der Oberfläche des Lichtleiterkörpers abhängig ist

Aus der US-PS 34 48 616 ist schließlich ein Füllstandsanzeiger mit einem durch eine Trennwand hindurchgeführten, im wesentlichen geraden Lichtleiterstab bekannt, welcher in einer Durchführung der Trennwand verankert ist und im nicht ansprechenden Zustand mit seinem in den zu untersuchenden Bereich hineinragenden, inneren Teil in den Lichtleiterstab eingeleitetes Licht unter Totalreflexion zu einem an dem dem inneren Teil gegenüberliegenden Ende des Lichtieiterstabes befindlichen, lichtempfindlichen Organ reflektiert, wäh- ,end bei Auftreten zu meldender Zustände an dem genannten inneren Teil des Lichtk'iterstabes die Totalreflexion beseitigt wird.

Der innere Teil des Lichtleiterstabes des bekannten Füllstandsanzeigers ist konisch geformt und endet in einer kleinen, mit einem reflektierenden Belag versehenen Radialfläche. Die konische Form des Lichtleiterstabes soll eine bestimmte Ansprechcharakteristik des lichtempfindlichen Organes erzeugen, wenn beispiek weise ein Flüssigkeitsspiegel längs des konischen Teiles des Lichtleiterstabes hochsteigt, so daß das Ausgangssignal nicht einer ganz bestimmten Meßstelle, sondern den Umgebungsbedingungen in einem größeren Bereich, nämlich längs des konischen Lichtleuerstabcs. entspricht.

Demgegenüber soll durch die Erfindung die Aufgabe gelöst werden, einen Füllstandsanzeiger oder Zustande detektor so auszubilden, daß an einer definierten, nahezu punktformigen Mcßstelle eine Umgebungsbedintrung oder ein den Brechungsindex in dieser Umgebung beeinflussender Zustand oder der Brechungsindex selbst festgestellt bzw. gemessen werden können, wobei trotz einfachen Aufbaues ein starkes Ausgangssignal erhalten werden soll.

Ausgehend von einem Füllstandsanzeiger oder Zustandsdetektor mit einem durch eine Trennwand hindurchgeführten, im wesentlichen geraden Lichtleiterstab, welcher in einer Durchführung der Trennwand verankert ist und im nichtansprechenden Zustand mit seinem in den zu untersuchenden Bereich hineinragenden, inneren Teil in den Lichtleiterstab eingeleitetes Licht unter Totalreflexion zu einem an dem den inneren Teil gegenüberliegenden Ende des Lichtleiterstabes befindlichen, lichtempfindlichen Organ reflektiert, während bei Auftreten zu meldender Zustände an dem genannten inneren Teil des Lichtleiterstabes die Totalreflexion beseitigt wird, kann durch die Erfindung eine Lösung der vorstehend angegebenen Aufgabe dadurch erreicht werden, daß das innere Ende des Lichtleiterstabes einen zur Längsachse zunehmend kleiner werdenden Krümmungsradius aufweist.

Insbesondere kann das innere Ende des Lichtleiterstabes in einem Axialschnitt entsprechend einer Parabel oder einer Hyperbel oder einer Ketteniinie oder einer Ellipsenhälfte profiliert sein.

Eine solche Form des inneren Endes des Lichtieiterstabes hat zur Folge, daß diejenigen von der Lichtquelle ausgehenden Lichtstrahlen, welche vor Auftreten des zu meldenden Zustandes zum lichtempfindlichen Organ reflektiert werden, in diesem Falle im wesentlichen sämtlich jedenfalls im Scheitelbereich des inneren Endes des Lichtleiterstabes eine Totalreflexion erfahren und daher bei Auftreten des zu meldenden Zustandes oder Änderung des Zustandes im genannten Scheitelbereich des Lichtieiterstabes in ihrer Gesamtheit nicht mehr zu dem lichtempfindlichen Organ gelangen. Die erhaltene Anzeige ist daher von der Eintauchtiefe des Lichtieiterstabes im wesentlichen unabhängig und besitzt eine scharf ausgeprägte Charakteristik.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind an der vom inneren Ende abgewandten Stirnseite des Lichtieiterstabes unmittelbar eine Lichtquelle und das lichtempfindliche Organ ohne Zwischenschaltung von Abbildungsmitteln angesetzt oder eingesetzt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des hier vorge schlagenen Füllstandsanzeigers oder Zustandsdetektors sind in den anliegenden Ansprüchen gekennzeichnet Einige Ausführungsbeispiele werden nunmehr unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:

F i g. 1 einen Füllstandsanzeiger oder Zusiandsdeiektor. te.!weise im Axialschnitt,

Fig. 2 eine abgewandelte Form des inneren Endes des Lichtieiterstabes,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform mit einer Schutzhülse fur den Lichtleiterstab.

Fig. 4 und 5 verschiedene Bauformen des dem inneren Ende gegenüberliegenden Lichtleiterstabcndes.

F i g. 6 eine wieder andere Ausführungsforni eines Zustandsdetektors und

F i g. 7 eine perspektivische Ansicht eines Ausschnittes einer nochmals anderen Ausführungsform.

Bei der Ausführungsforni nach F i g. 1 isi in eine Gewindebohrung einer Trennwand 1 ein Linsatz 2 eingeschraubt, welcher auf der Außenseile der Trennwand 1 mit einem Schlüsselprofil 3 versehen ist und am inneren Ende eine konzentrische Senkbohrung 4 aufweist, in der ein Teil eines Lichtieiterstabes 5 Aufnahme findet. Der Lichtleiterstab 5 ist mittels, einer Überwurfmutter 6 und eines Dichtungsringes 7 in der dargestellten Weise in dem Einsatz 2 festgehalten uiul abgedichtet.

Das in den hinter der Trennwand 1 gelegenen Innenraum hineinweisende, innere Ende 8 des Lichtieiterstabes 5 besitzt mit Bezug auf einen Axialschnitt ein Profil entsprechend einer Halbellipse, während das von dem Ende 8 ab liegende, in der Senkbohrung 4 befindliche Endendes Lichtieiterstabes flach abschließt und sich gegen den Grund der Senkbohrung 4 derart abstützt, daß selbst außerordentlich hohe Drücke, beispielsweise in der Größenordnung von 1000 atü von dem Lichtleiterstab 5 aufgenommen werden können.

Durch Abschrauben der Überwurfmutter 6 kann der Lichtleiterstab 5 in sehr einfacher Weise /um Zwecke dcv Austausches oder der Reinigung von dem Einsat/ 2 gelöst werden.

In bestimmtem Abstand von dem Grund der Senkbohrung 4 endet eins von der Außenseite durch den Einsatz 2 geführte Bohrung 10, welche über zwei dünne Bohrungskanäle 11 und 12 mit der Senkbohrung 4 verbunden ist. Durch die Kanäle 11 bzw. 12 sind Zuleitungen zu einer Strahlungsquelle 13 bzw. zu einem lichtempfindlichen Organ 14 geführt. Die Strahlungquc!- Ie 13 kann von einer Strahlung emittierenden Halbleiterdiode gebildet sein, während das strahlungsenipfindliche Organ 14 die Form einer Photozelle oder eines photoempfindlichen Widerstandes haben kann. Die Anschlüsse zu den Bauteilen 13 und 14 haben über ein Kabel 15 mit einer Spannungsquelle bzw. mit einem Anzeigegerät Verbindung.

Der in F i g. 2 ausschnittweise gezeigte Lichtleiterstab besitzt einen im wesentlichen flachen Abschluß an seinem unteren oder inneren Ende, welcher von einer Vielzahl den gesamten Stabquerschnitt überdeckender, kleiner Ansätze 18 gebildet ist, die ihrerseits wiederum entsprechend einem Paraboloid oder einem Hyperboloid oder einem Ellipsoid od. dgl. profiliert sind. Eine solche Ausführungsform liefert wiederum eine von der Eintauchtiefe im wesentlichen unabhängige Anzeige, doch ist die Anzeige beispielsweise von dem Grad der Berührung des Stabquerschnittes abhängig, was für bestimmte Anwendungsfälle vorteilhaft sein kann.

Wird eine Einrichtung der hier vorgeschlagenen Art als Flüssigkeits-Füllstandsanzeiger mit senkrecht stehender Achse des Lichtleiterstabes verwendet, so ergibt sich die in F i g. 3 schematisch gezeigte Anordnung. Bei dieser Ausführungsform ist außerdem zum Schutz des Lichtleiterstabes in dem aus der Trennwend 1 hervorstehenden Bereich eine Schutzhülse 19 vorgesehen, die eine Entlüftungsöffnung 20 aufweist, um einen das Meßergebnis verfälschenden Lufteinschluß in der Schutzhülse 19 zu vermeiden. Selbstverständlich kann auch eine entsprechende Schutzhülse in Verbindung mit der Ausführungsform nach F i g. 1 Anwendung finden.

Die Einleitung von Licht und die Ableitung des vom inneren Stabende reflektierenden Lichtes vom jeweils anderen Ende des Lichtleiterstabes kann zwar durch strahlenteilende Mittel oder durch Abbildungsmittel mit im Winkel zueinander verlaufenden optischen Achsen erfolgen, doch sind die Strahlungsquelle und das lichtempfindliche Organ vorzugsweise unmittelbar an der vom inneren Stabende 8 abgewandten Stirnfläche 21 angesetzt oder eingesetzt. Bei der Ausführungsform nach F i g. 4 befinden sich die Strahlungsquelle 13 und das strahlungsempfindliche Organ 14 in bestimmtem Abstand voneinander in exzentrischen Bereichen mit Bezug auf die Achse des Lichtleiterstabes 5. während bei der Ausführungsform nach Fig.5 die Strahlungsquelle 13 konzentrisch zu der ringförmig ausgebildeten Photozelle 14 gelegen ist. Durch in den Zeichnungen nicht dargestellte Abschirmungsmittel ist dafür Sorge getragen, daß von der Strahlungsquelle aus nicht etwa unmittelbar Strahlung zu dem strahlungsempfindlichen Organ gelangen kann.

Bei Anwendung des Füllstandsanzeigers oder Zu-Standsdetektors auf bestimmten Gebieten besteht die Gefahr, daß sich an dem hochempfindlichen inneren Ende 8 des Lichtleiterstabes 5 ein Belag oder eine Verunreinigung ansetzt, welche zu einer dauernden Verfälschung des Meßergebnisses oder der erwünschten Anzeige führen. In solchen Fällen findet bevorzugtermaßen die in Fig.6 vereinfacht dargestellte Ausführungsform Anwendung, bei welcher der Lichtleiterstab 5 im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Ausführungsformen nicht in einem Einsatz endet, sondern über eine Einspannstelle, im vorliegenden Falle über einen Kegelabschnitt 22, durch die Trennwand 1 hindurchreicht und nach außen um ein bestimmtes Stück 23 verlängert ist. Die in Fig.6 mit 24 bezeichnete Einspannstelle ist mit Bezug auf den Lichtleiterstab 5 in seiner Gesamtheit so gewählt, daß diese Stelle am Orte eines Schwingungsknotens mit Bezug auf einen Transversal- oder Longitudinal-Schwingungszustand des Lichtleiterstabes 5 gelegen ist Wird der Lichtleiterstab mittels eines Ultraschallgenerators vom außenliegenden Ende 23 her in Schwingungen versetzt, so kann ein Belag oder eine Verunreinigung vom inneren Ende 8 des Lichtleiterstabes 5 gleichsam abgeschüttelt werden, ohne daß an der Stelle 24 eine den dichten Abschluß der Durchführung gefährdende Bewegung auftritt Die Strahlungsquelle und das strahlungsempfindliche Organ sind hier in einem das äußere Ende des Lichtleiterstabes 5 umfassenden Ansatz 25 untergebracht

Die Erfindung umfaßt auch Anordnungen, bei welchen der Lichtleiterstab die Form eines Balkens 26 hat, der mit seiner größeren Querschnittsabmessung mit Bezug auf eine parallel zur Trennwand 1 gelegte Schnittebene in Richtung eines abzutastenden, möglichen Wanderungsweges einer Grenzfläche, insbesondere eines Flüssigkeitsspiegels, liegt. Eine Ausführungsform dieser Art ist in F i g. 7 gezeigt Der Lichtleiter 26 weist auf seiner Innenseite durch Furchen getrennte Stege auf, die entsprechend einer Parabel, Hyperbel Kettenlinie oder Ellipse mit Bezug auf einen Horizontalschnitt profiliert sind. Der Lichtleiter 26 ist über einer Flansch 28 dicht in einen Durchbruch 29 der Trennwand 1 eingespannt und trägt auf seiner Außenseite einer Abtastkopf 30, der wiederum die Strahlungsquelle 13 und das strahlungsempfindliche Organ 14 enthält. Dei Abtastkopf 30 kann mit Bezug auf die Darstellung nach F i g. 7 in Vertikalrichtung einstellbar ausgebildet sein so daß ein bestimmtes Flüssigkeitsniveau abgetastewerden kann, wobei im Falle des Ansprechens an dei Profilierung 27 durch die hochsteigende Flüssigkeit die Totalreflexion für die von der Strahlungsquelle 13 zurr strahlungsempfindlichen Organ 14 gelangende Strah lung beseitigt wird, so daß das strahlungsempfindliche Organ 14 eine entsprechende Anzeige oder Warnunj auslösen kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Füllstandsanzeiger oder Zustandsdetektor mit einem durch eine Trennwand hindurchgeführten, im wesentlichen geraden Lichtleiterstab, welcher in einer Durchführung der Trennwand verankert ist und im nicht ansprechenden Zustand mit seinem in den zu untersuchenden Bereich hineinragenden, inneren Teil in den Lichtleiterstab eingeleitetes Licht unter Totalreflexion zu einem an dem dem inneren Teil gegenüberliegenden Ende des 1 ichtleiterstabes befindlichen, lichtempfindlichen Organ reflektiert, während bei Auftreten zu meldender Zustände an dem genannten inneren Teil des Lichtleiterstabes die Totalreflexion beseitigt, wird, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Ende (8) des Lichtleiterstabes (5) einen zur Längsachse stetig zunehmend werdenden, endlich bleibenden Krüm mungsradius aufweist.

2. Füllstandsanzeiger oder Zustandsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Ende (8) des Lichtleiterstabcs (5) in einem Axialschnitt entsprechend einer Parabel profiliert ist.

3. Füllstandsanzeiger oder Zustandsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Ende (8) des Lichtleiterstabes (5) in einem Axialschnitt entsprechend einer Hyperbel profiliert ist.

4. Füllstandsanzeiger oder Zustandsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Ende (8) des Lichtleiterslabes (5) entsprechend einer Kettenlinie profiliert ist.

5. Füllstandsanzeiger oder Zustandsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Ende (8) des Lichtleiterstabes (5) entsprechend einer Ellipsenhälfte profilieri ist.

6. Füllstandsanzeiger oder Zustandsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an der von dem inneren Ende abgewandten Stirnseite (21) des Lichtleiterstabes (5) unmittelbar eine Lichtquelle (13) und das lichtempfindliche Organ (14) ohne Zwischenschaltung von Abbildungsmitteln angesetzt oder eingesetzt sind.

7. Füllstandsanzeiger oder Zustandsdeteklor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die von dem inneren Ende (8) abgewandte Stirnseite (21) des Lichtleiterstabes gegen eine Stützfläche eines an der Trennwand (1) verankerten Konstruktionsteiles (2) abstützt.

8. Füllstandsanzeiger oder Zustandsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiterstab (5) in dem zu untersuchenden Bereich von einer Schutzhülse (19) umgeben ist.

9. Füllstandsanzeiger oder Zustandsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiterstab (5) ein Rotationskörper ist.

10. Füllstandsanzeiger oder Zustandsdeteklor nach einem der Ansprüche ! bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiterstab balkenartig ausgeführt ist.

! 1. Füllstandsanzeiger nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiterstab (26) derart ausgeführt ist, daß die größere Abmessung der Querschnittsflache eines parallel zur Trennwand (1) gelegten Schnittes durch den Stab in Richtung eines abzutastenden, möglichen Wanderungsweges einer Grenzfläche erstreckt unc daß außerhalb der Trennwand an einer Stirnfläche ein sowohl eine Strahlungsquelle (13) als auch ein strahlungsempfindliches Organ (14) enthaltender Abtastkopf (30) unmittelbar angesetzt ist

12. Füllstandsanzeiger oder Zustandsdetektor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet daß das innenliegende Ende des balkenartigen Lichtleiterstabes (26) mehrere im Querschnitt im wesentlichen entsprechend einer Parabel, Hyperbel, Kettenlinie oder Ellipse geformte, nebeneinanderliegende Profilstege besitzt die parallel zu dem Wanderungsweg der Grenzfläche verlaufen.