DE2424387A1

DE2424387A1 - Optisch elektrische vorrichtung zum ermitteln der anwesenheit eines fluessigen mediums

Info

Publication number: DE2424387A1
Application number: DE19742424387
Authority: DE
Inventors: Johann Kierner
Original assignee: Hectronic AG
Current assignee: Hectronic AG
Priority date: 1973-05-22
Filing date: 1974-05-20
Publication date: 1974-12-19
Also published as: GB1472185A; CH567715A5; NL7406910A; BE815349A; CA1010975A; FR2230996B1; AT324018B; FR2230996A1; DE2424387B2

Description

Electronic AG, Buchs (Aargau, Schweiz)

Optisch-elektrische Torrichtung zum Ermitteln der Anwesenheit eines flüssigen Mediums

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optisch-elektrische Torrichtung zum Ermittln der Anwesenheit eines flüssigen Mediums sowie eine besondere Terwendung dieser Torrichtung.

Die optisch-elektrische Torrichtung v/eist einen Sender für sichtbare oder unsichtbare lichtstrahlen, einen mit einem optisch-elektrischen wandler versehenen Empfänger für diese Lichtstrahlen und mindestens einen für die lichtstrahlen durchlässigen Körper auf, der mindestens eine freie Fläche besitzt, welche an einen Raum zur Aufnahme eines flüssigen Mediums angrenzt.

Bekannte Torrichtungen dieser Art sind so ausgebildet, dass bei Abwesenheit eines flüssigen Mediums an der freien Fläche des lichtdurchlässigen Körpers ein vom Sender in den

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lichtdurchlässigen Körper hinein gestrahltes Lichtstrahlenbündel an der genannten freien Fläche des lichtdurchlässigen Körpers total reflektiert und innerhalb dieses Körpers zum Empfänger geleitet wird, und dass hingegen bei Anwesenheit eines flüssigen Mediums an der freien Fläche des lichtdurchlässigen Körpers keine Totalreflexion des Lichtstrahlenbündels stattfindet, sondern praktisch das ganze Lichtstrahlenbündel durch die freie Fläche hindurch aus dem lichtdurchlässigen Körper austritt und folglich die Intensität des zum Empfänger gelangenden Lichtstromes deutlich abnimmt. (Vergl. z.B. die DT-PS 1 118 480 und die US-PS 3 120 025). Diese bekannten Vorrichtungen versagen die ihnen zugedachte Wirkung, wenn die Reflexionsfläche, des lichtdurchlässigen Körpers von einem wenig transparenten, trüben oder milchigen flüssigen Medium überflutet oder mit einem opaken Film belegt wird, weil dann das Lichtstrahlenbündel an der Reflexionsfläche nicht aus dem lichtdurchlässigen Körper austreten kann, sondern weiterhin mindestens teilweise zum Empfänger reflektiert wird. Die gewünschte Aenderung der Intensität des zum Empfänger gelangenden Lichtstromes beim Eintauchen der Reflexionsfläche in ein flüssiges Medium findet nicht oder nicht in ausreichendem Mass statt, was zu Fehlinformationen führt. Dies ist von besonderer Bedeutung, wenn die Vorrichtung ein Bestandteil einer automatischen Ueberfüllsicherungs-Einrichtung ist, die das Ueberlaufen von Behältern, wie z.B. Tanks für flüssige Brenn- und Treibstoffe, verhüten sollte.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optisch-elektrische Vorrichtung der eingangs erwähnten Art so auszugestalten, dass sowohl klare und transparente wie auch trübe, milchige oder gar vollständig undurchsichtige

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flüssige Medien die gewünschte Aenderung der Intensität des zum Empfänger gelangenden Lichtstromes herbeizuführen vermögen, sobald das flüssige Medium die freie Fläche des lichtdurchlässigen Körpers überflutet.

Diese Aufgabe ist bei der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Hauptsache dadurch gelöst, dass der Sender, der Empfänger, der lichtdurchlässige Körper und seine freie Fläche derart ausgebildet und angeordnet sind, dass bei Abwesenheit eines flüssigen Mediums an der freien Fläche des lichtdurchlässigen Körpers ein vom Sender ausgestrahltes Lichtstrahlenbündel durch optische Brechung an der genannten Fläche auf einem ausserhalb des lichtdurchlässigen Körpers durch den' Raum zur Aufnahme des flüssigen Mediums verlaufenden Weg zum Empfänger hin gelenkt wird und dass bei Anwesenheit eines von Gasblasen freien flüssigen Mediums an der freien Fläche des lichtdurchlässigen Körpers die durch diese Fläche hindurchtretenden Lichtstrahlen vom Empfänger weg gelenlrt werden.

Bei dieser erfindungsgemässen Ausbildung der Vorrichtung verläuft also ein vom Sender ausgestrahltes Lichtstrahlenbündel bei Abwesenheit eines flüssigen Mediums durch den Raum zur Aufnahme des flüssigen Mediums hindurch, wobei das Lichtstrahlenbündel auch durch die freie Fläche des lichtdurchlässigen Körpers hindurchtritt und dabei eine Brechung erfährt, durch welche das Lichtstrahlenbündel zum Empfänger hin gelenkt wird. Im Gegensatz hierzu wird bei den bekannten optisch-elektrischen Vorrichtungen das vom Sender ausgestrahlte Lichtstrahlenbündel bei Abwesenheit eines flüssigen Mediums an der freien Fläche des lichtdurchlässigen Körpers reflektiert, so dass das Lichtstrahlenbündel innerhalb des

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lichtdurchlässigen Körpers zum Empfänger gelangt. Wenn bei der erfindungsgemässen Vorrichtung die freie Fläche des lichtdurchlässigen Körpers von einem flüssigen Medium überflutet wird, ändert das optische Brechungsvermögen der genannten Fläche dermassen, dasc zumindest der grösste Teil des Lichtstrahlenbündels nicht mehr eubi Empfänger gelangt, gleichgültig, ob das flüssige Medium lichtdurchlässig ist oder nicht. Sollte sich an der freien Fläche des lichtdurchlässigen Körpers ein teilweise oder ganz opaker Film bilden, so wird zwar die Funktionsfähigkeit der Torrichtung gestört, aber in einer solchen Weise, dass das vom optisch-elektrischen Wandler des Empfängers abgegebene Signal die Anwesenheit eines flüssigen liediums meldet, was s.B. im Falle einer Ueberfüllsicherungs-Einrichtung eine "übertriebene" Sicherheit bedeutet, und nicht etwa umgekehrt.

Der lichtdurchlässige Körper mit seiner freien Fläche kann wahlweise zwischen dem Raum zur Aufnahme des flüssigen liediums und dem Sender oder zwischen dem genannten Raum und dem Empfänger angeordnet sein. Eine zweckmässige Ausführungsform der "vorrichtung weist jedoch sowohl zwischen dem Sender und dem Raum zur Aufnahme des flüssigen Mediums als auch zwischen diesem Raum und dem Empfänger je einen lichtdurchlässigen Körper mit einer an den erwähnten Raum angrenzenden freien Fläche auf, wobei die beiden freien Flächen durch optische Brechung ein vom Sender ausgehendes Lichtstrahlenbündel zum Empfänger lenken, sofern die freien Flächen nicht von einem flüssigen Medium überflutet sind. Zweckmässig können die zwei freien Brechungsflächen der lichtdurchlässigen Körper im wesentlichen Y-förmig zueinander stehen und zwischen sich einen Teil des Raumes zur Aufnahme des flüssigen Mediums aufweisen.

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Es würde auch gefunden, dass die neue optisch-elektrische Torrichtung in hervorragender /Weise zur Ermittlung von Gc.sblasen in einem lichtdurchlässigen flüssigen Medium, wie z.B. Ivraftfahraeug-Bensin, geeignet ist. ¥ie vorstehend erläutert, hat die Anwesenheit eines flüssigen Mediums an der freien Fläche des lichtdurchlässigen Körpers zur Folge, dass merklich weniger oder kein Licht zum Empfänger gelangt. ¥enn aber in einem transparenten flüssigen Medium Dampf- oder Luftblasen vorhanden sind und diese in das vom Sender ausgehende Lichtstrahlenbündel gelangen, das in den das flüssige Medium enthaltenden Pcaum austritt, so wird ein Teil der Lichtstrahlen durch Reflexion, Brechung und/oder Beugung an den Blasen so umgelenkt, dass diese Lichtstrahlen auf den Empfänger fallen und den optisch-elektrischen Wandler zum Ansprechen bringen. Die Empfindlichkeit der Vorrichtung kann so gross gemacht werden, dass der Empfänger auf jede einzelne Gasblase reagiert und einen elektrischen Impuls abgibt, jedesmal wenn eine Blase das vom Sender ausgehende, in das flüssige Medium austretende Lichtstrahlenbündel durchquert.

Die Ermittlung von Gasblasen in einer Flüssigkeit ist insbesondere bei der volumetrischen Mengenmessung von Flüssigkeiten mittels Durchflussmengenmesser von Bedeutung. In vielen Ländern bestehen amtliche oder gesetzliche Vorschriften, wonach der volumenmässige Anteil von Dampf- oder Luftblasen einen bestimmten Prozentsatz des gemessenen Gesamtvolumens nicht übersteigen darf. Während der Entleerung eines Flüssigkeitsvorratsbehälters entsteht im Spiegel der Flüssigkeit über der Entnahmeöffnung ein Lufttrichter, und es wird mit der Flüssigkeit auch Luft in Form von Luftblasen mitgerissen. Bei leicht flüchtigen Stoffen, wie z.B, Benzin, kann auch ein Teil der Flüssigkeit durch Vakuumerscheinungen verdampft werden, was

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zur Bildung von Daapfblasen in der E'lüssigkeit führt. In einigen !ändern ist deshalb vorgeschrieben, dass dem Durchflussmengenmesser ein Expansionsgefäss oder eine andere Einrichtung zum Abscheiden und Ablassen der in der Flüssigkeit enthaltenen Luft- und Dampfblasen vorgeschaltet wird. Durch das im Expansionsgefäss oder dergl. abgeschiedene gasförmige Hedium wird der Flüssigkeitsspiegel nach unten gedruckt. Eine Flüssigkeitsniveausonde, die kapazitätiv arbeitet oder einen Schwimmer aufweist, soll das Volumen des abgeschiedenen gasförmigen Mediums überwachen und bei dessen Zunahme ein Absperrorgan in der Flüssigkeits-ilntnahmeleitung schliessen. Ls ist verständlich, dass die Ermittlung von Gasblasen auf dem Umweg über eine Hiveaumessung verhältnismässig ungenau und mit einer gewissen Zeitverzögerung behaftet ist. Auf diese "Weise können bestenfalls 1 YoI.-^i übersteigende Dampf- und Luftmengen in der su messenden Flüssigkeitsmenge festgestellt werden. Dieser Ilachteil lässt sich durch eine unmittelbare Ermittlung der Gasblasen unter Verwendung der erfindungsge-Eiässen optisch-elektrischen Vorrichtung vermeiden, die schon bei einen mittleren Gasblasengehalt von etwa 0,1 VoI.-^ anspricht .

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, aus der nun folgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den zugehörigen Zeichnungen, in denen die Erfindung rein beispielsweise und schematisch veranschaulicht ist.

Fig. 1 zeigt einen schematischen waagrechten Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen optisch-elektrischen Vorrichtung, wobei der ¥eg eines Lichtstrahlenbündels bei Abwesenheit -eines flüssigen Mediums angedeutet ist;

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Fig. 2 zeigt in analoger Darstellung den Weg eines Lichtstrahlenbündels bei Anwesenheit eines flüssigen ί-Jediuins;

Fig. 3 ist eine analoge Darstellung, die den Weg eines Strahlenbündels bei Anwesenheit von Gasblasen in dem flüssigen I Tedium zeigt;

Fig. 4 stellt einen schematischen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung dar;

Fig. 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel in analoger Darstellung.

Gemäss den Fig. 1 bis 3 ist an der Innenseite einer ¥and

1 eines zur Aufnahme von Flüssigkeit bestimmten Behälters ein lichtdurchlässiger Körper 2 angeordnet, der die Form eines Zylinder- oder Kugelabschnittes mit einer freien Oberfläche 3 hat. Im Innern des Körpers 2 befindet sich ein Sender 4 für Lichtstrahlen, beispielsweise eine Gallium-Arsenid-Diode, deren Lichtemission nahe dem Infrarotboreicli liegt. Unmittelbar neben dem Körper 2 ist ein zweiter gleichartiger lichtdurchlässiger Körper 12 ebenfalls an der Ivand 1 angeordnet. Im Innern des zweiten Körpers 12 befindet sich ein Phototransistor 14 als Empfänger für Lichtstrahlen, die vom Sender 4 ausgestrahlt werden, und zum Erzeugen eines elektrischen Signals, wenn Lichtstrahlen auf den Phototransistor auftreffen. Die freien Flaschen 3 und 13 der beiden lichtdurchlässigen Körper

2 und 12 grenzen an den zur Aufnahme von Flüssigkeit dienenden Raum an. Die Körper 2 und 12 bestehen z.B. aus anorganischem oder organischem Glas, wie beispielsweise Acrylglas, und weisen vorzugsweise einen optischen Brechungsindex von etwa 1,5 auf.

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Die beiden lichtdurchlässigen Körper 2 und 12, deren freie Flächen 3 und 13 vie auch der Sender 4 und der Empfänger 14 sind derart ausgebildet und angeordnet, dass
sich die folgende ν/irkungsweise der beschriebenen Vorrichtung ergibt:

Wenn der an die freien Flächen 3 und 13 der lichtdurchlässigen Körper 2 und 12 angrenzende Raum mit Luft
erfüllt ist, weisen die optischen Brechungsindizes der
Stoffe beiderseits der Flächen 3 und 13 einen verhältnismässig grossen Unterschied auf. Ein vom Sender 4 ausgehendes Lichtstrahlenbündel S wird gemäss Fig. 1 an der Stelle 6 seines Durchtrittes durch die freie Fläche 3 von der Lotrechten 5 weg in Richtung 9 gegen den andern Körper 12 hin gebrochen. Das Strahlenbündel trifft die freie Fläche 13 des zweiten durchsichtigen Körpers 12 an der Stelle 16 und wird dort zur Lotrechten 15 hin gebrochen, so dass es den Phototransistor 14 erreicht. Letzterer gibt demzufolge ein elektrisches Signal ab.

Ist hingegen der an die freien Flächen 3 und 13 der
beiden Körper 2 und 12 angrenzende Raum mit einer Flüssigkeit 10 (Fig. 2) gefüllt, wird der Unterschied der Brechungsindizes der Stoffe beiderseits der Flächen 3 und 13 erheblich geringer. Infolgedessen wird das vom Sender 4
ausgehende Lichtstrahlenbündel 8 bei seinem Durchtritt durch/ die Fläche 3 des Körpers 2 weniger stark gebrochen, so dass es gemäss Fig. 2 in Richtung 9a am zweiten lichtdurchlässigen Körper 12 vorbei geht. Der Phototransistor 14 bleibt
daher von dem Lichtstrahlenbündel unberührt und gibt kein elektrisches Signal ab. Der Wegfall des elektrischen Signals bedeutet die Meldung, dass die freien Flächen 3 und 13 der lichtdurchlässigen Körper 2 und 12 mit Flüssigkeit überflutet sind.

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der an die freien Flächen 3 und 13 angrenzende Raum mit einer Flüssigkeit 10 erfüllt ist, in der Luft- oder Dampfblasen 17 (Fig. 5) vorhanden sind, dann haben die von Lichtstrahlen des Senders 4 getroffenen Blasen zur Folge, dass diese Lichtstrahlen durch Reflexion, Beugung und/oder Brechung umgelenkt werden, wobei zumindest ein Teil der so umgelenkten Lichtstrahlen wieder den Phototransistor 14 erreichen. Da die Blasen 17 in der Flüssigkeit 10 nicht stationär bleiben, sondern durch den hydrostatischen Auftrieb nach oben wandern oder durch eine der Flüssigkeit erteilte Strömung fortgetrieben werden, sind die auf den Phototransistor 14 fallenden Lichtstrahlen Aenderungen unterworfen, die auch entsprechende Variationen des vom Phototransistor abgegebenen elektrischen Signals hervorrufen. Die einzelnen Blasen oder Gruppen von Blasen in der 'Flüssigkeit 10 verursachen daher verhältnismässig kurse elektrische Impulse am Ausgang des Phototransistors 14. Die Häufigkeit dieser Impulse ist angenähert ein Mass für den volumenmässif;en Anteil der Gasblasen in der Flüssigkeit 10.

Das in Fig. 4 dargestellte aweite Ausführungsbeispiel ist grundsätzlich gleich ausgebildet wie das soeben beschriebene, und es sind die gleichen Bezugszeichen benutzt, soweit es sich um übereinstimmende Teile und Elemente handelt. Die beiden je mit einer gekrümmten Brechungsfläche 3 bzw. 13 versehenen Eörper 2 und 12 sind durch ein einziges lichtdurchlässiges Materialstück 20 gebildet, das in ein an der Behälterwand 1 befestigtes Gehäuse 21 eingesetzt ist. Die Brechungsflachen 3 und 13 sind V-förmig zueinander angeordnet, so dass der Raum sur Aufnahme einer Flüssigkeit sich zwischen die beiden Flächen 3 und 13 hinein erstreckt. Eine in das I-Iaterialstück 20 eingefügte, lichtundurchlässige Trennwand 22 verhütet einen direkten Uebertritt von Lichtstrahlen vom. Sender 4 sum

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liapfanger 14. Die Gebrauchs- und wirkungsweise der Vorrichtung nach Fig. 4 ist gleich, wie mit Bezug auf das erste Beispiel ausführlich dargelegt wurde.

Bei den Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 5 ist lediglich dem Lichtsender 4 ein lichtdurchlässiger Körper 2 mit einer freien, an den Raum zur Aufnahme einer Flüssigkeit angrenzenden Brechungsflache 3 zugeordnet. Im Gegensatz zu den vorherigen Beispielen ist die Brechungsfläche 5 in Fig. 5 im wesentlichen eben ausgebildet. Der Mchtempfanger 14 ist bloss durch ein optisch praktisch unwirksames Schutzglas 25 von dein Raum zur Aufnahme von Flüssigkeit getrennt. Die Anordnung ist derart, dass ein vom Sender ausgehendes Lichtstrahlenbündel 8, &^! beim Austritt aus dem lichtdurchlässigen Körper 2 an der freien Fläche 3 eine optische Brechung in Richtungen 9» 9' erfährt, wenn sich keine Flüssigkeit in dem an die Fläche 3 angrensenden Raum befindet, wonach das gebrochene Strahlenbündel 9, 9¹ auf den Lichtempfänger 14 auftrifft. Ist der Rrivurn zwischen der Fläche 3 und dem Lichteinpf anger 14 hingegen mit einer Flüssigkeit erfüllt, so wird die Brechung der Lichtstrahlen beim Durchtritt durch die freie Fläche 3 des lichtdurchlässigen Körpers 2 beträchtlich weniger stark, so dass das Lichtstrahlenbündel 9a, 9a* nicht mehr auf den lichtempfanger 14 fällt. Sofern in der Flüssigkeit jedoch Gasblasen auftreten, werden die Lichtstrahlen 9a, 9a¹ wenigstens zum Teil durch Reflexion, Beugung und/oder Brechung an den Gasblasen zum Lichtempfanger 14 hin geworfen.

ius ist noch au bemerken, dass die !form der an den Raum zur Aufnahme von Flüssigkeit angrenzenden Brechungsflächen in allen Ausführungsbeispielen nicht kritisch ist. Wenn vom Lichtsender 4 ein verhältnismässig breites Strahlenbündel ausgeht ' und das "Gesichtsfeld" des Lichtempfängers ebenfalls verhält-

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nismässig breit ist, ergibt sich der Vorteil, dass das Feld, innerhalb welchem Gasblasen ermittelt v/erden können, grosser ist. In der Praxis wird ein vernünftiger ICompromiss zwischen der Grosse dieses Feldes und der Empfindlichkeit der Vorrichtung auf einzelne Gasblasen zweckdienlich sein.

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Claims

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Patentansprüche

Optisch-elektrische Vorrichtung sum Ermitteln der Anwesenheit eines flüssigen Mediums, mit einem Sender für sichtbare oder unsichtbare Lichtstrahlen, einem einen optischelektrischen Wandler aufweisenden Empfänger für diese Lichtstrahlen und mindestens einem für die Lichtstrahlen durchlässigen Körper, der mindestens eine freie Fläche aufweist, welche an einen Raum zur Aufnahme eines flüssigen Mediums angrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (4)j der Empfänger (14)1 der lichtdurchlässige Eörper (2) und seine freie Fläche (3) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass bei Abwesenheit eines flüssigen Mediums (10) an der freien Fläche (3) des lichtdurchlässigen Körpers (2) ein vom Sender (4) ausgestrahltes Lichtstrahlenbündel durch optische Brechung an der genannten Fläche (3) auf einem ausserhalt) des lichtdurchlässigen Körpers (2) durch den Raum zur Aufnahme des flüssigen Ilediums verlaufenden vfög sum Empfänger (14) hin gelenkt wird und dass bei Anwesenheit eines von Gasblasen freien flüssigen I-Iediums (10) an der freien Fläche (3) des lichtdurchlässigen Körpers (2) die durch diese Fläche hindurchtre-^tenden Lichtstrahlen vom Empfänger (14) weg gelenkt werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der lichtdurchlässige Körper (2) zwischen dem Sender (4) und dem Raum zur Aufnahme des flüssigen Mediums (10) und ein zweiter lichtdurchlässiger Körper (12) zwischen dem genannten Raum und dem Empfänger (14) angeordnet ist, wobei der zweite

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lichtdurchlässige Körper (12) ebenfalls eine an den genannten Raum angrenzende freie Fläche (13) aufweist, und dass die genannten freien Flächen (3> 13) der beiden lichtdurchlässigen Körper (2, 12) derart eingeordnet sind, dass bei ^bwesonheit eines flüssigen I-Iediums an den genannten Flächen (3, 13) ein vom Sender (4) ausgestrahltes Strahlenbündel durch optische Brechung an den beiden Flächen (5, 13) zum Linpxanger (14) hin gelenkt wird, nicht aber bei Anwesenheit eines von Gasblasen freien flüssigen Eediums (IC) an den beiden Flächen (3? 13).
3. Torrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten zwei freien Flächen (3» 13) im wesentlichen 7-förmig zueinander stehen und zwischen sich einen Teil des Raumes zur Aufnahme eines flüssigen I-Iediums (10) aufweisen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, dass die zwei freien Flächen (3» 13) je annähernd ein Teil der Oberfläche einer Kugel oder eines Zylinders sind, in deren Innern der Sender (4) bzw. der Empfänger (14) angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtdurchlässigen Körper (2, 12) nebeneinander angeordnete Segmente oder Sektoren von Kugeln oder Zylindern sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der lichtdurchlässige Körper (2, 12) aus einem Katerial mit einem optischen Brechungsindex von etwa 1,5 für die vom Sender (4)' ausgestrahlten Lichtstrahlen besteht.

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