DE2328117B2

DE2328117B2 - Vorrichtung zur bestimmung eines fluessigkeitsniveaus

Info

Publication number: DE2328117B2
Application number: DE19732328117
Authority: DE
Inventors: Jeean Marcel Le Mesnil Saint-Denis Virloget (Frankreich)
Original assignee: Societe Francaise D'instruments De Controle Et D'analyses, Le Mesnil Saint-Denis, Yvelines (Frankreich)
Priority date: 1972-06-02
Filing date: 1973-06-01
Publication date: 1977-02-03
Also published as: SU504137A1; GB1426824A; US3908441A; FR2188146A1; JPS4963466A; DE2328117A1; FR2188146B1; NL7307399A; CA1006599A; IT988860B

Description

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 angeordnet 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 Viskosimetem die Viskosität einer Flüssigkeit durch die beim Durchgang eines bekannten Volumens der Flüssigkeit durch eine Kapillare benötigte Zeit bestimmt wird. Diese zum Durchgang benötigte Zeit wird ihrerseits dadurch gemessen, daß der Durchgang des von der in

ίο 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 wird durch fotoelektrische Zellen bestimmt, die in der Nähe des durchsichtigen Rohres direkt gegenüber einer dauernd betriebenen Strahlungsquelle, z.B. einer elektrischen Lampe, angeordnet sind.

Die fotoelektrischen 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 dutch 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 Viskosimetem ungefähr 3:1. Dieses Verhältnis ist allerdings infolge der oft ungleichmäßiger Umgebungsbeleuchtung sehr empfindlich geger 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 Viskosimetem mit direkter Durchstrahlung die Viskosität von farbigen, undurchsichtigen und sehr viskosen Flüssigkeiten zu messen.

Es ist ferner eine photoelektrische Meß- und Regelvorrichtung für Flüssigkeitsstandanzeiger bekannt, bei der das Standrohr zwischen Lichtquelle und Photozelle und eine Blende zwischen Standrohr und Photozelle angeordnet sind, und bei der durch eine weitere Blende die durch den Mittelpunkt des Rohres gehenden Hauptstrahlen von der Photozelle abgeschirmt werden (DT-AS 10 52 700). Die Funktion der Vorrichtung beruht darauf, daß bei leerem Rohr die einfallenden Lichtstrahlen von der Verbindungslinie Lichtquelle — Photozelle weggebrochen werden, bei gefülltem Rohr aber zu dieser Verbindungslinie hingebrochen und dadurch auf die Photozelle gelenkt werden. Diese Vorrichtung kann jedoch nur für durchsichtige Flüssigkeiten mit einer bestimmten, festgelegten Brechungszahl verwendet werden.

Es ist Aufgabe 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

Tarbigen, stark absorbierenden oder sogar völlig undurchsichtigen Flüssigkeit, und die weniger als bekannte Vorrichtung auf Störungen durch schwankende Umgebungsbeleuchtung oder Alterung der Strahiungs- und Empfängereinrichtungen reagiert Ferner soll die Vorrichtung im wesentlichen unabhängig von der Brechungszahl der verwendeten Flüssigkeit arbeiten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß die photoelektrische Zelle gegenüber einer zweiten Zone der Rohraußenwand in einem Gebiet angeordnet ist, daß den an dem Rohr total reflektierbaren Anteil der Strahlung empfängt und gegenüber der ersten Zone um einen Winkel der Größenordnung 105° gedreht ist.

Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es 2eigt

Fig. IA und IB schematische Ansichten einer bekannten Vorrichtung zur Bestimmung eines Flüssigkeitsniveaus,

Fig.2A und 2B schematische Ansichten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zu Bestimmung eines Flüssigkeitsniveaus.

F i g. 3 eine vereinfachte Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung als Teil eines automatisehen Viskosimeter und

F i g. 4 eine Draufsicht auf einen Teil eines Viskos^:meters nach F i g. 3.

Die Fig. IA und IB dienen dazu, die Neuheit, die Vorteile und den Fortschritt der Erfindung gegenüber den in diesen Figuren schematisch dargestellten, bekannten Vorrichtungen zur Niveaubestimmung aufzuzeigen.

Beiderseits eines Glasrohres 1 sind einander diai ietral gegenüber eine Lichtquelle 2 und eine fotoelektrisehe 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 ein beträchtlicher Teil 5 eines von der Lichtquelle 2 ausgesandten Bündels 6 direkt durch das Rohr 1 und die Flüssigkeit 4 auf die Fotozelle 3.

Wenn sich dagegen im Rohr 1 Luft 7 (F i g. 1 B) 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 6 in der Flüssigkeit. Sobald diese Absorption 50% erreicht, wird eine Messung unmöglich. Trotzdem ergibt sich in diesem Fall keine ins Gewicht fallende Totalreflexion wie auf F i g. 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 Winkei 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 (F i g. 2A) befindet so findet keine Reflexion statt, und die Fotozelle 3 empfängt bei dieser Anordnung nichts. Es ist dabei unwichtig, ob die Flüssigkeit durchsichtig, staiik 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 Umgebungsbeleuchtung, 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 fokussiert dieses Bündel mit bekannten optischen Mitteln.

Es ist vorteilhaft, im Gegensatz zu bekannten Vorrichtungen mit Dauerbestrahlung eine gepulste Lichtquelle zu verwenden. Sie bildet einen Teil einer einen Impulsgenerator enthaltenden Schaltung. Dies führt zu einer weiteren, erhöhten Unempfindlichkeit der Vorrichtung gegenüber Störeinflüssen der Umgebung.

In Fig. 3 und 4 wird der Gebrauch von zwei erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Bestimmung des Flüssigkeitsniveaus in einem automatischen Viskosimeter für alle Arten von Flüssigkeiten, sei es durchsichtig oder undurchsichtig, dargestellt. Die bekannten Teile des Viskosimeters sind nicht dargestellt und werden nicht beschrieben. Es ist lediglich ein aus Glas bestehendes Viskosimeterrohr 14 mil einer Kapillare unterhalb eines ersten Meßgefäßes 16 dargestellt, über dem ein Vorratsgefäß 17 angeordnet ist. Im Rohr 14 befindet sich die Flüssigkeit 4, deren Oberfläche einen Meniskus 18 bildet. Man bestimmt die Durchgangsgeschwindigkeit der 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 Höhe der Niveaus 19 und 20 sind zwei im Handel erhältliche Lumineszenzdioden 21 angeordnet, die einer gepulsten Stromquelle oder einem Impulsgenerator 22 zugeordnet sind. Diese Dioden sind vorzugsweise Galliumarseniddioden mit einer Emission im Infraroten bei 9000 Ä, 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 wäh-

rend der Millisekunde oder von 5 Mikrosekunden 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 besprochen, ein für die von der entsprechenden Diode 21 ausgesandten 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 werden.

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 O 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 2i ausgesandten Impulse sind in F i g. 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 herrührt. Dieser fast konstante Strom wird von den Kondensatoren nicht übertragen. Beim Empfang von Impulsen dagegen liefern die Fototransistoren 23 ein

ίο 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 q 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 erfindungsgemä-

Ben 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.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

L 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 angeordnet ist und eine auf die Strahlung ansprechende fotoelektrische ,Zelle vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die fo«oelektrische Zelle (3) gegenüber einer zweiten Zone (13) der Rohraußenwand in einem Gebiet (10) angeordnet ist das den an dem Rohr (1) total reflektierbaren Anteil der Strahlung empfängt und gegenüber der ersten Zone (12) um einen Winkel der Größenordnung von 105° gedreht ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (2) eine Lumineszenzdiode und gepulst ist und einen Teil einer einen Impulsgenerator (22) umfassenden Schaltung bildet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulse eine Dauer in der Größenordnung einiger MikroSekunden während einer Zeit von 1 bis 5 Millisekunden haben.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lumineszenzdiode eine Galliumarseniddiode mit einer Emission bei 9000 Ä ist.
5. 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.
6. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die fotoelektrische Zelle (23) über einen die Pulse übertragenden Kondensator mit einem Schwellwertmeßgerät (24) und einer monostabilen Schaltung (25) verbunden ist.
7. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in verschiedenen Niveaus desselben durchsichtigen Rohres (1) je eine derartige Vorrichtung angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquellen (21) der beiden Vorrichtungen Teile derselben Schaltung sind.