DE2328117A1 - Vorrichtung zur bestimmung eines fluessigkeitsniveaus - Google Patents

Vorrichtung zur bestimmung eines fluessigkeitsniveaus

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DE2328117A1
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    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
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Description

DR.-IN·. DIPL.-IN·. M. »C. - Ol^t.-^M>«. m. ' DIfL-FMVf.
HÖGER - STELLRECHTt GRtESSBACh - HAECKER
PATENTANWÄLTE IN STUTTGART
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22. Mai 1973
SocieteFrancaise d1Instruments de Controle et d'Analyses 78320 Le Mesnil Saint-Denis
Vorrichtung zur Bestimmung eines Flüssigkeitsniveaus
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Flüssigkeitsniveaus einer durch ein durchsichtiges Rohr fließenden und dabei einen Meniskus bildenden Flüssigkeit, wobei eine Strahlungsquelle, die eine dieses Rohr von einer durch dessen Außenwand gebildeten, ersten Zone her durchdringende ,Strahlung aussendet, auf einer Seite des Rohres an-geordnet ist und eine auf die Strahlung ansprechende fotoelektrische Zelle vorgesehen ist.
Eine derartige Vorrichtung findet eine interessante Anwendung in automatischen Kapillarviskosimetern. Sie kann.aber auch überall dort verwendet werden, wo es wichtig ist, an einem bestimmten Niveau den Durchgang des von einer Flüssigkeit in einem durchsichtigen Rohr ,gebildeten Meniskus mit Präzision zu bestimmen. Im folgenden wird zum besseren Verständnis der Erfindung als Beispiel auf ein automatisches Viskosimeter Bezug genommen, aber dies ist, wie gesagt, nur ein Beispiel.
Es ist bekannt, daß in automatischen Viskosimetern die Viskosität einer Flüssigkeit durch die beim Durchgang eines be-
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kannten Volumens der Flüssigkeit durch eine Kapillare benötigte Zeit bestimmt wird. Diese zum Durchgang benötigte Zeit v/ird ihrerseits dadurch gemessen, daß der Durchgang des von der in einem durchsichtigen Rohr fließenden Flüssigkeit gebildeten Meniskus an einem ersten Niveau und an einem zweiten Niveau bestimmt wird.
Der Durchgang des Meniskus bei den beiden Niveaus v/ird durch fotoelektrische Zellen bestimmt/ die in der Nähe des durchsichtigen Rohres direkt gegenüber einer dauernd betriebenen Strahlungsquelle, ζ. Β. einer elektrischen Lampe, angeordnet sind.
Die fotoele^ktrischen Zellen empfangen die direkt durch das Rohr einfallende Strahlung. Wenn sich in dem Rohr eine Flüssigkeit mit einem Brechungsindex, der dem Brechungsindex des Glases wesentlich ähnlicher ist als dem Brechungsindex von Luft, befindet, dann dringt ein erheblicher Teil der Strahlung durch das Rohr und die Flüssigkeit und trifft auf die entsprechende Fotozelle. Wenn das Rohr dagegen keine Flüssigkeit mehr, sondern Luft mit einem von dem des Glases sehr verschiedenen Brechungsindex enthält, dann wird ein beträchtlicher Teil der Strahlung an der Innenfläche des Glasrohres derart abgelenkt, daß der durch das Glasrohr hindurchtretende Teil der Strahlung erheblich kleiner ist.
Üblicherweise ist das Verhältnis- der von der Fotozelle im ersten-Fall (mit Flüssigkeit im Rohr) und im zweiten Fall (ohne Flüssigkeit im Rohr) gelieferten Signale bei bekannten Viskosimetern ungefähr 3:1. Dieses Verhältnis ist allerdings
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infolge der oft ungleichmäßigen Umgebungsbeleuchtung sehr empfindlich gegen Störungen. Außerdem wird bei farbigen, undurchsichtigen oder sehr viskosen Flüssigkeiten wegen der starken Absorption innerhalb der Flüssigkeit der Teil der direkt durch das Rohr gelangenden Strahlung beträchtlich erniedrigt,-Dadurch wird das oben erwähnte Verhältnis in'vielen Fällen nicht erreicht. Praktisch -ist es daher nicht möglich, mit den bekannten Viskosimetern mit direkter Durchstrahlung die Viskosität von farbigen, undurchsichtigen und sehr viskosen Flüssigkeiten zu messen.
Es ist Aufgäbe der Erfindung, eine Niveaubestimmungsvorrichtung für automatische Viskosimeter vorzustellen, mit der man in einem-durchsichtigen Rohr die Anwesenheit oder Abwesenheit einer, durchsichtigen Flüssigkeit ebenso bestimmen kann wie bei einer farbigen, stark absorbierenden oder sogar völlig undurchsichtigen Flüssigkeit, und die weniger als bekannte Vorrichtungen auf Störungen durchschwankende Umgebungsbeleuchtung oder Alterung der Strahlungs- und Empfängereinrichtungen reagiert.
Die Aifgäbe wird dadurch gelöst, daß die fotoelektrische Zelle gegenüber einer zweiten Zone der Rohraußenwand in einem Gebiet angeordnet ist, das den an dem Rohr total reflektierten" Anteil der Strahlung empfängt, wenn das Rohr statt Flüssigkeit vorwiegend Luft enthält.
Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang, mit beiliegender Zeichnung
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der v/eiteren Erläuterung. Es zeigen:
Fig. 1Ä und Fig. 1B schematische Ansichten einer bekannten Vorrichtung zur Bestimmung eines Flüssigkeitsniveaus;
Fig. 2A und Fig. 2B schematische. Ansichten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zu Bestimmung eines Flüssigkeitsniveaus;
Fig. 3 eine vereinfachte Gesamtansicht
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung als Teil eines automatischen Viskosimeter und
Fig. 4 , eine Draufsicht auf einen Teil
eines Viskosimeters nach Fig. 3
Die Figuren 1A und IB dienen dazu, die Neuheitf die Vorteile und den Fortschritt der Erfindung gegenüber den in diesen Figuren schemafeisch dargestellten, bekannten Vorrichtungen zur NiveaubeStimmung aufzuzeigen.
Beiderseits eines Glasrohres 1 sind einander diametral gegenüber eine Lichtquelle 2 und eine fotoelektrische Zelle 3 angeordnet.
Der Brechungsindex des verwendeten Glases hat. die Größenordnung 1,5 und der der Flüssigkeit ist diesem ziemlich ähnlich ( der Brechungsindex von Paraffinöl beträgt 1,43 und der von Wasser. 1,22). Wenn sich in dem Rohr 1 eine durchsichtige Flüssigkeit 4 befindet, dann fällt eine beträchtlicher Teil 5 eines von der
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Lichtquelle 2 äusgesandten Bündel· 6 direkt durch das Rohr 1 und die Flüssigkeit 4 auf die Fotozelle 3.
Wenn sich dagegen im Rohr 1 Luft 7 (Fig. 1B) mit einem vom Wert 1,5 des Glases stark abweichenden Brechungsindex mit dem Wert 1,0 befindet, dann erleidet ein großer Teil des Bündels 6 eine Reflexion an einer Innenfläche 8 des Rohres 1. Die Intensität eines auf die Fotozelle 3 fallenden Bündels 9 ist stark verringert.
Eine Verringerung der Intensität des von der Fotozelle 3 empfangenen Bündels ergibt sich auch bei einer undurchsichtigen, farbigen oder sehr viskosen Flüssigkeit. Der Hauptgrund für diese Verringerung liegt in der Absorption eines Teils des Bündels in der Flüssigkeit. Sobald diese Absorption 50 % erreicht, wird eine Messung unmöglich. Trotzdem ergibt sich in diesem Falle keine ins Gewicht fallende Totalreflexion· wie auf Fig. 1B, da das Rohr Flüssigkeit und nicht Luft enthält.
Erstaunlicherweise hat sich herausgestellt, daß durch die Totalreflexion an der Fläche 8 in einer gleichen Zone 10 (Fig.. 2B) ein reflektiertes Bündel 11 entsteht, welches auf der einen oder der anderen Seite des Rohres empfangen werden kann. Die Totalreflexion findet an der Grenzfläche 8 zwischen Glas und Luft oder an der Grenzfläche zwischen Restflüssigkeit und Luft statt, wenn die Innenfläche des Rohres von einer herabgeflossenen Flüssigkeit benetzt bleibt.
Das Strahlungsbündel 6 fällt in einer ersten Zone 12 der Außenwand des Rohres 1 ein. Das reflektierte Bündel erhält man in einer zweiten Zone 13, die gegen die erste Zone 12 um einen
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Winkel von etwa 105 gedreht ist. Erfindungsgemäß wird also die Fotozelle 3 in dem Gebiet 10 auf die zweite Zone 13 gerichtet angeordnet. Wenn sich im Rohr 1 Flüssigkeit 4 (Fig. 2A) befindet, so findet keine Reflexion statt, und die Fotozelle 3 empfängt bei dieser Anordnung nichts. Es ist dabei unwichtig, ob die Flüssigkeit durchsichtig, stark gefärbt oder sogar völlig undurchsichtig ist.
Es handelt sich also um eine Alles -.oder - Nichts - Messung im Gegensatz zu bekannten Vorrichtungen, bei denen eine Alles - oder - Wenig - Messung durchgeführt wird. Bei den bekannten Vorrichtungen muß man eine Justierung vorsehen, um den Empfangsbereich der Fotozelle 3 zwischen der Maximalintensität des Bündels 5 und der Minimalintensität des Bündels 9 einzuregeln. Die Minimalintensität des Bündels'9 wird zudem noch leicht von der ümgebungsbeleuchtung, der Alterung der verwendeten Elemente und deren Toleranzen sowie durch ungleiche Fabrikation dieser Elemente beeinflußt.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung vermeidet man diese Störeinflüsse durch eine Justierung des Arbeitspunktes der Fotozelle 3 auf einen beispielsweise einem Viertel der Intensität des intensivsten Bündels entsprechenden Wert.
Das reflektierte Bündel 11 hat eine recht schwache Intensität. Man verwendet daher vorzugsweise eine stärkere Lichtquelle 2 oder man fokus-siert dieses Bündel mit bekannten optischen Mitteln
Es ist vorteilhaft, im Gegensatz zu bekannten Vorrichtungen mit Dauerbestrahlung, in der Erfindung eine gepulste Lichtquelle zu verwenden. Sie bildet einen Teil einer einen Impulsgenerator
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enthaltenden Schaltung. Dies führt zu einer weiteren, erhöhten Unempfindlichkeit der Vorrichtung gegenüber Störein-· flüssen der Umgebung.
In Figuren 3 und 4 wird der Gebrauch von zwei erfiridungsgemäßen Vorrichtungen zur Bestimmung des Flüssigkeitsniveaus in einem automatischen Viskosimeter für al-le Arten von Flüssigkeiten sei es durchsichtig oder undurchsichtig, dargestellt. Die bekannten Teile des Viskosimeters sind nicht dargestellt und v/erden nicht beschrieben. Es ist lediglich ein aus Glas bestehendes Viskosimeterrohr 14 mit. einer Kapillare unterhalb eines ersten Meßgefäßes 16 -dargestellt, über dem ein Vörratsgefäß 17 angeordnet ist. Im Rohr 14 befindet sich die Flüssigkeit 4/ deren Oberfläche einen Meniskus 18 bildet» Man bestimmt die Durchgangsgeschwindigke'itder Flüssigkeit 4 durch die Kapillare' 15, und damit die Viskosität durch eine Messung, der Zeit zwischen dem Durchgang des Meniskus 18 an einem ersten Niveau 19 und. anschließend an einem zweiten Niveau 20.
Auf der Hohe der .Niveaus 19 und 20 sind zwei im Handel er·- hältliche Lumineszenzdioden 21 angeordnet, die einer gepulsten Stromquelle oder einem Impulsgenerator 22 zugeordnet sind. Diese Dioden sind vorzugsweise Galliumarsenidd^öden mit einer Emission im Infraroten bei 9000 S, durch die keine störende · Fluoreszenz erzeugt wird.
Die Impulse haben eine Länge in der Größenordnung von"einigen Mikrosekunden während einer Zeitdauer von einer bis zu 5 Millisekunden; man kann beispielsweise eine Einschaltzeit von 10 Mikrosekunden während jder Millisekunde oder von 5 Mikro-
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sekunden während jeweils 5 Millisekunden wählen.
Durch die Verwendung von Impulsen erhält man ein intensives Bündel 11 und verbraucht dabei nur eine begrenzte Leistung. Selbstverständlich kann man an Stelle der hier beschriebenen äquivalente Mittel einsetzen und die Zeitdauer sowie die Pulsfolgefrequenz der impulse den Erforderungen der Messungen ■ ■■-entsprechend wählen.
Auf der Höhe jedes Niveaus 19, 20 ist in einem der beiden Gebiete 10 (Fig. 4), bezogen auf die Diode 21, wie oben be- ' sprochen, ein für die von der entsprechenden Diode 21 ausge- ,__ sandten Impulse empfindlicher Fototransistor 23 angeordnet. Im Rahmen der Erfindung muß nicht unbedingt ein Fototransistor verwendet werden. Jedes für die Registrierung von Impulsen, gleichwertige, optoelektronische Element kann verwendet v/erden.
In dem beschriebenen Viskosimeter ist jedem Fototransistor 23 ein Impulsübertragungskondensator und ein mit einer monostabilen Schaltung 25 verbundenes Schwellwertmeßgerät 24 zugeordnet. Die beiden monostabilen Schaltungen 25 formen die Impulse in einen Zustand I oder 0 um. Sie sind ihrerseits gemeinsam mit.einer bistabilen Kippschaltung 26 verbunden, die selbst mit einem an einen Zeitablenkgenerator 28 gekoppelten. Zähler 27 in Verbindung steht.
Die von-den Lumineszenzdioden 21 ausgesandten Impulse sind in Fig. 3 bei a durch rechteckige Signale schematisch dargestellt.
Ohne den Empfang von Lichtimpulsen liefern die Fototransistoren 23 einen-im wesentlichen konstanten Strom vom Niveau 29, der von ihrem eigenen Dunkelstrom und von der Umgebungsbeleuchtung
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herrührt. Dieser fast konstante Strom wird von den Kondensatoren nicht übertragen. Beim Empfang von'Impulsen dagegen liefern die Fototransistoren 23 ein Signal vom Niveau 30, in Fig. -3 bei b schematisch dargestellt, welches viel höher ist und leicht von den Kondensatoren übertragen werden kann. So läßt sich das Nutzsignal von dem unerwünschten, die Transistoren beeinflussenden Effekt der Umgebungsbeleuchtung und der Temperaturschwankung trennen.
Das Nutzsignal kann bei einer Schwelle 31 gemessen werden. Das Schwellwertmeßgerät 24 sendet ein Signal c aus, das in der Schaltung 25 in ein Signal d umgewandelt wird, welches seinerseits den. Zustand der Kippschaltung 26 ändern kann. Mit dem Zähler 27 mißt man automatisch und mit großer Präzision die Zeit, die der Meniskus 18 zum Durchgang, vom Niveau 19 zum Niveau 20 benötigt. -
Wenn man natürlich mit Hilfe der erfindungsgeraäßen Vorrichtung nur ein einziges Flüssigkeitsniveau .überwachen will, kann man das von der Schaltung 25 ausgesandte Signal d beispielsweise für Ein- und Ausschaltbefehle für eine motorgetriebene Pumpeneinheit verwenden.
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Claims (7)

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    Patentansprüche
    .) Vorrichtung zur Bestimmung eines Flüssigkeitsniveaus einer durch ein durchsichtiges Rohr fließenden und dabei einen Meniskus bildenden Flüssigkeit, wobei ein Strahlungquelle, die eine dieses Rohr von einer durch dessen Außenwand gebildeten, ersten Zone her durchdringende Strahlung aussendet, auf einer Seite des Rohres angeordnet ist und eine auf die Strahlung ansprechende fotoelektrisch^ Zelle vorgesehen ist, dadurch gekennzeich net, daß die fotoelektrische Zelle (3) gegenüber einer zweiten Zone (13) der Rohraußenwand in einem Gebiet (10) angeordnet ist, das den an dem Rohr (1) total reflektierten Anteil der Strahlung empfängt, wenn das Rohr statt Flüssigkeit vorwiegend Luft enthält.
  2. 2.· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die fotoelektrische Zelle (3) gegenüber einer zweiten Zone (13) der Rohraußenwand angeordnet ist, die'gegenüber der ersten Zone (12) um einen Winkel der Größenordnung 105 verdreht ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (2) eine Lumineszenzdiode und gepulst ist und einen Teil einer einen Impulsgenerator (22) umfassenden Schaltung bildet.
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  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulse eine Dauer in der Größenordnung einiger Mikrosekunden während einer Zeit von 1 bis 5 Millisekunden haben.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lumineszenzdiode eine Galliumarseniddiode mit einer Emission bei 9000 S ist.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die fotoelektrische Zelle (3) ein Element wie ein Fototransistor in Verbindung mit einem die Pulse übertragenden Kondensator ist.
  7. 7. Automatisches Viskosimeter, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Bestimmung des oberen und des unteren Flüssigkeitsniveaus (19, 20) in einem durchsichtigen Rohr (1) zwei Vorrichtungen nach Anspruch 1-6 vereinigt, wobei jedes der fotoelektrischen Elemente (23) mit je einer monostabilen Schaltung (25) und die beiden monostabilen Schaltungen ihrerseits gemeinsam mit einer bistabilen Kippschaltung (26) verbunden sind, die selbst mit einem an einen Zeitablenkgenerator (28) gekoppelten Zähler (27) in Verbindung ste'ht.
    309850/1015
    It
    Leerseite
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