DE3235591C2

DE3235591C2 - Faseroptische Flüssigkeitsstands-Anzeigevorrichtung

Info

Publication number: DE3235591C2
Application number: DE19823235591
Authority: DE
Inventors: Ralf Thomas Prof. Dipl.-Phys. Dr. 1000 Berlin Kersten; Seshadri Dipl.-Phys. Dr. 7800 Freiburg Ramakrishnan; Karl Dipl.-Phys. Dr. 7800 Freiburg Spenner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1982-09-25
Filing date: 1982-09-25
Publication date: 1987-03-26
Also published as: DE3235591A1

Abstract

Eine faseroptische Flüssigkeitsstands-Anzeigevorrichtung verfügt über einen ersten einer Lichtquelle (6) zugeordneten Lichtwellenleiter (11) und einen zweiten einem Lichtdetektor (9) zugeordneten Lichtwellenleiter (12). Die beiden Lichtwellenleiter (11, 12) sind über einen Faserkoppler (10) mit einem dritten Lichtwellenleiter (13) und einem vierten Lichtwellenleiter (14) gekoppelt. Der dritte Lichtwellenleiter (13) und der vierte Lichtwellenleiter (14) reichen mit ihren Enden (3, 15) verschieden tief in den die zu messende Flüssigkeit (1) enthaltenden Behälter hinein. Je nach dem Pegelstand wird das Licht an den Enden (3, 15) der Lichtwellenleiter (13, 14) ausgekoppelt oder reflektiert und der Fotodiode (9) zugeführt, so daß durch deren Strom der Pegelbereich der Flüssigkeit (1) erfaßbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine faseroptische Flüssigkeitsstands-Anzeigevorrichtung mit einem Lichtwellenleiter zum Einspeisen des Lichtes einer Lichtquelle für mehrere mit einer Sensorspitze in die zu überwachende Flüssigkeit eintauchbare Lichtwellenleiter und mit einem Lichtwellenleiter zum Auskoppeln des an den Sensorspitzen reflektierten Lichtes zu einem Lichtdetektor.
Eine solche Anzeigevorrichtung ist in der US-PS 41 34 022 beschrieben und verfügt über mehrere mit Sensorspitzen versehene Lichtwellenleiter, die in einer Reihenschaltung miteinander verbunden sind. Das von der Lichtquelle ausgesandte Licht durchquert nacheinander alle den Lichtwellenleitern zugeordnete Sensorspitzen, wenn keine von ihnen in die zu überwachende Flüssigkeit eintaucht. Ist dies für eine der Sensorspitzen der Fall, so wird an ihr Licht ausgekoppelt und es gelangt kein Licht mehr von der Lichtquelle zum Lichtdetektor. Eine entsprechende Situation ergibt sich, wenn mehrere Sensorspitzen von der oder den zu überwachenden Flüssigkeiten benetzt werden.
Die bekannte Anzeigevorrichtung gestattet es somit lediglich festzustellen, ob einer der Flüssigkeitsstände in einer Vielzahl von Behältern überschritten worden ist. Wenn eine solche Situation erfasst wird, kann nicht mehr festgestellt werden, in welchem Behälter das Licht ausgekoppelt wurde. Der Lichtdetektor der bekannten Vorrichtung kann nämlich nur zwischen zwei Zuständen diskriminieren, wobei der erste Zustand bedeutet, daß in keinem der durch die Lichtwellenleiter optisch in Serie geschalteten Behälter der vorgegebene Flüssigkeitsstand erreicht worden ist, und wobei der zweite Zustand bedeutet, daß in einem, aber nicht genau angebbaren Behälter der vorgegebene Flüssigkeitsstand überschritten worden ist.
In dem DE-GM 82 14 766 ist ein Niveaufühler für Flüssigkeiten beschrieben, der eine Reflektionszone aufweist, die durch die scharf abgeknickte Stelle eines Kunststofflichtleiters gebildet wird. Dabei können mehrere Reflektionszonen in Reihenschaltung in einem Lichtleiterkabel vorgesehen sein.
Bei einer in der US-PS 35 35 933 dargestellten Flüssigkeitsstands-Anzeigevorrichtung sind mehrere optisch voneinander getrennte Lichtleiterstäbe mit konischen Spitzen vorgesehen, die unterschiedlichen Flüssigkeitsständen zugeordnet sind, so daß bei einem Blick auf die den konischen Spitzen gegenüberliegenden ebenen Endflächen ein visuelles Erfassen eines Flüssigkeitsstandes erleichtert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine faseroptische Flüssigkeitsstands-Anzeigevorrichtung zu schaffen, die es gestattet durch einen einzelnen Lichtdetektor automatisch festzustellen, wieviele Sensorspitzen mit der zu überwachenden Flüssigkeit Berührung haben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß alle mit ihren Sensorspitzen in die zu überwachende Flüssigkeit eintauchbaren Lichtwellenleiter über einen gemeinsamen Faserkoppler sowohl mit dem der Lichtquelle zugeordneten Lichtwellenleiter als auch mit dem dem Lichtdetektor zugeordneten Lichtwellenleiter unmittelbar verbunden sind.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird erreicht, daß das Licht der Lichtquelle im Faserkoppler für die verschiedenen mit Sensorspitzen ausgerüsteten Lichtwellenleiter aufgeteilt wird. Hierdurch ergibt sich eine Parallelschaltung mehrerer Sensorspitzen, wobei jede Reflektion an einer der Sensorspitzen der Lichtwellenleiter zum Gesamtsignal am Lichtdetektor beiträgt, so daß die Ausgangssignalamplitude des Lichtdetektors eine Aussage darüber gibt, wieviele Sensorspitzen mit der zu überwachenden Flüssigkeit in Berührung stehen. Jede Sensorspitze, die mit der zu überwachenden Flüssigkeit in Berührung kommt, vermindert dabei die Intensität des Ausgangssignals.
Durch die Parallelschaltung der in unterschiedlichen Höhen in einem Behälter angeordneten Sensorspitzen macht es die Erfindung in vorteilhafter Weise möglich, mehrere Flüssigkeitsstände in einem Behälter voneinander zu diskriminieren, ohne jedem mit einer Sensorspitze ausgerüsteten Lichtwellenleiter eine gesonderte Lichtquelle und/oder einen gesonderten Lichtdetektor zuordnen zu müssen.
Ein besonders einfacher Aufbau der Anzeigevorrichtung ergibt sich, wenn die Zahl der auf beiden Seiten des Faserkopplers angeschlossenen Lichtwellenleiter gleich ist und auf der von der Flüssigkeit wegweisenden Seite des Faserkopplers ein Lichtwellenleiter zum Einkoppeln und die übrigen Lichtwellenleiter zum Auskoppeln von Licht eingesetzt sind.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Funktionsprinzips eines faseroptischen Reflektionssensors,
Fig. 2 eine bekannte faseroptische Flüssigkeitsstands-Anzeigevorrichtung zum Erfassen eines einzigen Grenzwertes,
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer faseroptischen Flüssigkeitsstands-Anzeigevorrichtung mit einem Faserkoppler und
Fig. 4 die Kennlinie der Flüssigkeitsstands-Anzeigevorrichtung gemäß Fig. 3.
Das Prinzip der faseroptischen Flüssigkeitsstands-Anzeigevorrichtung ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Es handelt sich um einen Reflektionssensor mit einem in eine Flüssigkeit 1 eintauchbaren Lichtwellenleiter 2, der an seinem vorderen Ende 3 schräg oder konisch angeschliffen und poliert ist. Der Winkel zwischen der Längsachse des Lichtwellenleiters 2 und der Endfläche 4 ist kleiner oder gleich dem Winkel der Totalreflektion für die betreffende Faser des Lichtwellenleiters 2 in Luft.
Wie man in Fig. 1 erkennt, wird in den Lichtwellenleiter 2 am oberen Ende 5 das Licht einer lichtemittierenden Diode 6 oder einer sonstigen Lichtquelle eingekoppelt. Wie durch den Lichtstrahl 7 veranschaulicht ist, gelangt das Licht zur Endfläche 4 und wird dort infolge der Totalreflektion entgegen der ursprünglichen Richtung umgelenkt. Am oberen Ende 5 wird der reflektierte Lichtstrahl 7 mit Hilfe eines lichtdurchlässigen Spiegels 8 ausgekoppelt und einer Fotodiode 9 oder einem sonstigen Lichtempfänger zugeführt.
Wenn der Flüssigkeitsspiegel der Flüssigkeit 1 so weit steigt, daß die Spitze des vorderen Endes 3 in die Flüssigkeit 1 eintaucht, tritt an der Endfläche 4 Licht aus, weil die Voraussetzungen für die Totalreflektion fehlen, so daß die Intensität des mit Hilfe der Fotodiode 9 erfaßten Lichtes absinkt. Die Intensität des reflektierten Lichtes zeigt daher an, ob das vordere Ende 3 des Lichtwellenleiters 2 in die Flüssigkeit eintaucht oder sich oberhalb des Flüssigkeitsspiegels befindet.
Bei der in Fig. 2 dargestellten faseroptischen Flüssigkeitsstands-Anzeigevorrichtung erfolgt die Einkopplung und Auskopplung des Lichtes mit Hilfe eines sogenannten Faserkopplers 10. Wie man in Fig. 2 erkennt, wird das Licht der lichtemittierenden Diode 6 über einen ersten Lichtwellenleiter 11 in den Faserkoppler 10 eingespeist. Über einen zweiten Lichtwellenleiter 12 gelangt Licht vom Faserkoppler 10 zur Fotodiode 9. Ein dritter Lichtwellenleiter 13, der die Funktion des in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 2 versehenen Lichtwellenleiters hat, ist ebenfalls mit dem Faserkoppler 10 verbunden.
Das von der lichtemittierenden Diode 6 in den ersten Lichtwellenleiter 11 eingekoppelte Licht gelangt über den Faserkoppler 10 und den dritten Lichtwellenleiter 13 zum vorderen Ende 3 und wird dort, je nach dem, ob das vordere Ende 3 in die Flüssigkeit 1 eintaucht oder nicht, ausgekoppelt oder reflektiert. Nach dem Eintauchen des vorderen Endes 3 in die Flüssigkeit 1 sind die Bedingungungen für eine Totalreflexion nicht mehr erfüllt, so daß die durch die Fotodiode 9 gemessene Intensität absinkt.
Die von der Fotodiode 9 gemessene Lichtintensität gibt somit an, ob der Flüssigkeitsstand mindestens das Niveau des vorderen Endes 3 erreicht.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Flüssigkeitsstands-Anzeigevorrichtung sind die bereits aus der Vorrichtung gemäß Fig. 2 bekannten Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen worden. Im Unterschied zur Flüssigkeitsstands-Anzeigevorrichtung nach Fig. 2 verfügt die in Fig. 3 dargestellte Anzeigevorrichtung über einen vierten Lichtwellenleiter 14. Dieser ist ebenfalls mit dem Faserkoppler 10 verbunden, der beispielsweise aus zwei miteinander verdrillten und unter Wärmeeinfluß gezogenen Lichtwellenleitern hergestellt sein kann. Solange das Niveau der Flüssigkeit 1 den in Fig. 3 dargestellten Pegel hat, wird das Licht des dritten Lichtwellenleiters 13 am vorderen Ende 3 ausgekoppelt.
Am vorderen Ende 15 des vierten Lichtwellenleiters 14 hingegen wird Licht reflektiert, so daß es über den Faserkoppler 10 und den zweiten Lichtwellenleiter 12der Fotodiode 9 zugeführt wird. Wenn jedoch der Flüssigkeitsspiegel so weit steigt, daß auch am vorderen Ende 15 die Bedingungen für eine Totalreflektion nicht mehr erfüllt sind, wird auch vom vierten Lichtwellenleiter 14 der Fotodiode 9 kein anteiliges Licht mehr zugeführt, so daß die von der Fotodiode 9 erfaßte Lichtintensität bei eingetauchten vorderen Enden 3 und 15 den Minimalwert erreicht.
Diese minimale Intensität ist in Fig. 4 im rechten Teil der treppenförmig verlaufenden Intensitäts-Linie dargestellt. Wenn die Füllhöhe auf das mit II gekennzeichnete Niveau zurückgeht, ist das vordere Ende 15 des vierten Lichtwellenleiters 14 von Luft umgeben, so daß sich an der Fotodiode 9 ein Intensitätsanstieg einstellt.
Ein weiterer Anstieg der von der Fotodiode 9 gemessenen Lichtintensität ergibt sich, wenn die Füllhöhe auf das in Fig. 4 mit I gekennzeichnete Niveau absinkt und auch das vordere Ende 3 des dritten Lichtwellenleiters 13 nicht mehr die Bedingungen der Totalreflektion erfüllt.
Wie man aus Fig. 4 erkennt, kann die Flüssigkeitsstands-Anzeigevorrichtung gemäß Fig. 3 drei verschiedene Pegelbereiche diskriminieren.
Bei einem in der Zeichnung nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden nicht nur zwei in die Flüssigkeit 1 eintauchbare Lichtwellenleiter, sondern eine Vielzahl von Lichtwellenleitern vorgesehen, deren Enden je nach den zu erfassenden Pegelbereichen in unterschiedlichen Höhen vom Boden des Gefäßes für die Flüssigkeit 1 angeordnet sind. Auf diese Weise ergibt sich eine Kennlinie, die sich von der in Fig. 4 dargestellten Kennlinie dadurch unterscheidet, daß die Zahl der Intensitätswerte und Füllhöhenbereiche entsprechend der Zahl der eintauchbaren Lichtwellenleiter vergrößert ist. Auf der Empfängerseite des Faserkopplers 10 wird dann der Fotodiode 9 das Licht zweckmäßigerweise ebenfalls über mehrere Lichtwellenleiter zugeführt.

Claims

1. Faseroptische Flüssigkeitsstands-Anzeigevorrichtung mit einem Lichtwellenleiter zum Einspeisen des Lichtes einer Lichtquelle für mehrere mit einer Sensorspitze in die zu überwachende Flüssigkeit eintauchbare Lichtwellenleiter und mit einem Lichtwellenleiter zum Auskoppeln des an den Sensorspitzen reflektierten Lichtes zu einem Lichtdetektor, dadurch gekennzeichnet, daß alle mit ihren Sensorspitzen (3, 15) in die zu überwachende Flüssigkeit eintauchbaren Lichtwellenleiter (13, 14) über einen gemeinsamen Faserkoppler (10) sowohl mit dem der Lichtquelle (6) zugeordneten Lichtwellenleiter (11) als auch mit dem dem Lichtdetektor (9) zugeordneten Lichtwellenleiter (12) unmittelbar verbunden sind.

2. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorspitzen (3, 15) der in die Flüssigkeit eintauchbaren Lichtwellenleiter (13, 14) auf verschiedenen Flüssigkeitsständen zugeordneten Niveaus angeordnet sind.

3. Anzeigevorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der auf beiden Seiten des Faserkopplers (10) angeschlossenen Lichtwellenleiter (11, 12, 13, 14) gleich ist und auf der von der Flüssigkeit (1) wegweisenden Seite des Faserkopplers (10) ein Lichtwellenleiter (11) zum Einkoppeln und die übrigen Lichtwellenleiter (12) zum Auskoppeln von Licht eingesetzt sind.