DE3341265C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Füllstandsmesser für
Flüssigkeitsbehälter der im Oberbegriff des Anspruchs 1
angegebenen Gattung.
Bei heute üblichen Füllstandsmessern wird die durch den
Flüssigkeitsspiegel vorgegebene Position des Schwimmers auf
verschiedene Weise in eine elektrische Größe und diese dann
in der Meß- und Anzeigevorrichtung in eine sichtbare
Meßwertanzeige umgewandelt. Solche Füllstandsmesser haben
zwar ein großes Auflösungsvermögen, erfordern allerdings
einen großen technischen Aufwand.
Es sind auch schon Füllstandsmesser bekannt, bei welchen ein
dauermagnetischer Schwimmer magnetische Anzeigeelemente
einstellt, so daß der Füllstand in diskreten Werten abgelesen
werden kann. Eine solche direkte Kopplung von mechanischen
Anzeigeelementen an den Meßwertaufnehmer ist
fertigungstechnisch sehr aufwendig und empfindlich gegen
rauhe Betriebsbedingungen. Darüber hinaus ist das
Auflösungsvermögen recht begrenzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen
Füllstandsmesser der eingangs genannten Art mit hohem
Auflösungsvermögen zu schaffen, bei welchem die erfaßte
Meßgröße "Füllstand" ohne elektrische, elektronische und
mechanische Hilfsmittel direkt optisch angezeigt wird.
Die Aufgabe ist bei einem Füllstandsmesser der im Oberbegriff
des Anspruchs 1 genannten Art durch die Merkmale im
Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Füllstandsmesser wird von einem an
sich bekannten sog. Faraday-Rotator Gebrauch gemacht.
Faraday-Rotatoren sind magnetooptische Elemente, die durch
geeignete Auswahl des Magnetmaterials die Polarisationsebene
des sie in Achsrichtung durchdringenden polarisierten Lichtes
um einen Drehwinkel in oder entgegen Uhrzeigersinn drehen,
wenn sie von einem Magnetfeld durchsetzt werden, dessen
Feldlinien parallel zur Lichteinfallsrichtung verlaufen. Die
Größe des Drehwinkels ist von der Größe der magnetischen
Feldstärke abhängig und erreicht bei magnetischer Sättigung
π/4. Die Drehrichtung der Polarisationsebene ändert sich mit
der Feldrichtung des magnetischen Feldes.
Die Drehung der Polarisationsebene des polarisierten
Lichtes, im allgemeinen Faraday-Effekt oder Faraday-Drehung
genannt, wird in der Technik vielfach angewendet. So bei
Meßgeräten wie z. B. Strommesser für Hochspannungsanlagen,
bei bistabilen magnetooptischen Schaltern, z. B.
Hell-Dunkel-Schaltern, digitalen und analogen
magnetooptischen Speicher u. dgl. mehr. Als Materialien für
das magnetooptische Element werden Yttriumeisengranate, die
gadolinium- und galliumsubstituiert sein oder Beimengungen
aus seltenen Erden enthalten können, in Form von
Einstristallen oder expitaxialen Schichten verwendet.
Aus der DE-OS 27 29 890 ist es auch schon bekannt, die
magnetooptischen Elemente in Domänen aus parallelen dünnen
Streifen zu magnetisieren, deren Magnetisierungsrichtungen,
d. h. magnetischen Vorzugsrichtungen, von einer Domäne zur
nächsten regelmäßig abwechseln, wobei die
Magnetisierungsvorrichtungen zweier unmittelbar
aneinandergrenzender Domänen einander entgegengesetzt sind.
Solche magnetooptischen Elemente werden als magnetooptische
Ablenker verwendet, in welchen unter einem Winkel zu den
Domänen einfallendes monochromatisches Licht an diesen
teilweise gebeugt wird.
Aus der Literaturstelle "Revue Generale de l′Electricite,
Juli/August 1967, S. 1045-1051" ist ein Strommesser
bekannt, der unter Ausnutzung des sog. Faraday-Effektes den
elektrischen Strom bei Hochspannungsanlagen berührungslos
mißt. Der Faraday-Rotator ist mit einer stromführenden Spule
umwickelt und in Achsrichtung von polarisiertem Licht
durchdrungen, das durch Beleuchten eines Polarisators mit
einer monochromatischen Lichtquelle gewonnen wird. Die
Polarisationsebene des dem Rotator in Lichteinfallsrichtung
nachgeordneten Analysators ist um 45° gegenüber der
Polarisationsebene des Polarisators gedreht. Ein
Fotoverstärker mißt das am Analysator austretende Licht. Die
Intensität dieses Lichtes ist proportional der Drehung der
Polarisationsebene des polarisierten Lichtes bei Durchlaufen
des Rotators und erreicht bei einer Drehung von 45° ihr
Maximum. Die Lichtintensität ist wiederum proportional der
Größe des den Rotator durchsetzenden Magnetfeldes, das
wiederum proportional dem die Meßspule durchfließenden Strom
ist.
Aus der DE-OS 23 46 199 ist ein bistabiler magnetooptischer
Hell-Dunkel-Schalter bekannt, bei dem Licht einen
Polarisator, einen Faraday-Rotator und einen Analysator
durchstrahlt. Der Faraday-Rotator besteht aus einer
Einkristallplatte mit einer zur Plattenfläche senkrechten
magnetischen Vorzugsachse und ist so ausgebildet, daß er eine
Drehung der Polarisationsebene des Lichtes um +45° oder -45°
bewirkt, wenn er in einer Richtung oder in der Gegenrichtung
bis zur Sättigung magnetisiert wird. Je nach Feldrichtung des
angelegten magnetischen Feldes wird Licht durch den
Analysator hindurchtreten oder nicht. Der Schalter nimmt
damit seinen Hell- bzw. Dunkel-Zustand an.
Aus der DE-OS 22 55 796 ist eine Schaltmaske mit steuerbarer
Transparenz aus Magnetmaterial bekannt, das von einer optisch
transparenten Einkristallscheibe aus substituiertem
Eisen-Granant mit Dotierungen aus seltenen Erden besteht.
Durch geeigneten Aufbau besitzt die Einkristallscheibe eine
Anzahl periodisch nebeneinanderliegender Kompensationslinien
mit einer Sättigungsmagnetisierung Null, an denen sich bei
Anlegen eines magnetischen Feldes sog. Kompensationswände
ausbilden. Wird ein solches Magnetmaterial von polarisiertem
Licht durchleuchtet, so erscheinen bei geeigneter
Azimutstellung des Analysators die kreisförmigen
Domänenbereiche dunkel und der Untergrund hell oder umgekehrt
(unbeschriebener Zustand). Durch Aufwärmen einzelner
Domänenbereiche mittels eines Lichtstrahls lassen sich
beliebige Kompensationsbubbles löschen (eingeschriebener
Zustand), wobei die Kompensationswand verbreitert bzw.
entfernt wird, und ein Domänenbereich mit geänderter
Reflexion oder Transmutation entsteht. Dieser Zustand bleibt
auch nach Belichtung erhalten. Erst durch starke Abkühlung
oder Erhöhung bzw. Umpolung des Magnetfeldes bilden sich alle
Kompensationsbubbles zurück.
Die DE-PS 26 06 596 zeigt eine Lichtmodulationsmatrix für die
Bilddarstellung von Bildprojektoren, bei welcher mit zeilen-
und spaltenweise angeordnete magnetooptische Schaltzellen aus
ferrimagnetischem Material durch einen vom Schaltzustand
abhängigen Faraday-Effekt mit Hilfe von Polarisatoren und
Analysatoren ein auf die Schaltzellen auftreffender
Lichtstrahl modulierbar ist. Eine solche
Lichtmodulationsmatrix besteht beispielsweise aus
strukturierten magnetooptischen Schichten, z. B.
Eisengranatschichten, die senkrecht zur Schichtfläche
magnetisiert sein können. Im Bereich der sog.
Kompensationstemperatur verschwindet die Magnetisierung.
Durch Ätztechnologie werden Teile des Materials entfernt, bis
magnetisch voneinander isolierte Inseln oder Zellen
übrigbleiben, in denen die Magnetisierung zur Schichtnormalen
parallel oder antiparallel ausgerichtet werden kann und die
damit zwei Schaltzustände einnehmen. Alle diese Schaltzellen
sind auf Kompensationstemperatur gehalten und von einem
Magnetfeld gleichzeitig durchdrungen. Auf jeder Schaltzelle
ist ein lichtdurchlässiges Widerstandselement angebracht.
Durch Erzeugung lokaler Stromwärme in ausgewählten
Widerstandselementen wird die Temperatur in den zugehörigen
Schaltzellen über die Kompensationstemperatur erhöht und der
Schaltzustand der Schaltzellen entsprechend der Richtung des
angelegten Magnetfeldes geändert.
Bei dem erfindungsgemäßen Füllstandsmesser wird durch
Ausnutzung des Faraday-Effekts die Meßgröße "Füllstand" als
scharfe Hell-Dunkel-Grenze unmittelbar auf dem Analysator
dargestellt. Da diese Grenze oder Kante mit Veränderung der
Meßgröße auf dem Analysator wandert, z. B. von oben nach unten
oder umgekehrt, ist ihre Lage auf dem Analysator ein direktes
Maß für die Meßgröße, wobei der optische Eindruck einer
kontinuierlichen Anzeige entsteht. Zur Anzeige der Meßgröße
sind keinerlei Hilfsmittel, wie Lichtverstärker,
Intensitätsmesser oder sonstige elektrische Bauteile
erforderlich, die das Licht in eine elektrische Größe und
diese dann in eine Informationsgröße, z. B. einem digitalen
oder analogen Zahlenwert, umwandeln. Messung und Anzeige
erfolgen mit dem gleichen Medium Licht. Der Füllstandsmesser
benötigt keine elekrische Energie. Der angezeigte Meßwert
wird solange sichtbar gespeichert, bis ein neuer Meßwert
erfaßt wird. Die Auflösung des Füllstandsmessers ist sehr
hoch und nur vom Aufwand bei der Herstellung des
magnetooptischen Elements, d. h. bei der Erzeugung der aus
Domänen zusammengesetzten Struktur des magnetooptischen
Elements mit Hilfe fotografischer Verfahren oder von
Elektronenstrahllithografie, beschränkt. Zur Ansteuerung des
magnetooptischen Elements sind nur geringe Feldstärken von
etwa 5-10 Oe erforderlich. Dadurch können Schwimmer mit
extrem leichtem Magnetfeldgenerator, z. B. kleinem
Dauermagnet, verwendet werden und damit wiederum kleinere
Schwimmer und kleinere Meßrohre. Neben technischen Vorteilen
ergeben sich erhebliche Kosteneinsparungen. Außerdem bieten
sich für die eigentliche Meßanordnung im Meßrohr neue
Gestaltungsmöglichkeiten und damit größere Freiheiten in der
konstruktiven Gestaltung des Meßrohrs nebst Inhalt. Insgesamt
läßt sich eine verbesserte Ergonomie, erhöhte Genauigkeiten
und mechanische Unempfindlichkeit und bei gleichzeitiger
Systemverkleinerung ein geringerer Gesamtaufwand erzielen.
Der erfindungsgemäße Füllstandsmesser ist äußerst robust, da
mechanisch unempfindlich, und eignet sich zum Einsatz unter
rauhen Betriebsbedingungen, auch in explosionsgefährdeter
Umgebung. Da keine beweglichen mechanischen Bauteile
vorhanden sind, ist es unempfindlich gegen Erschütterungen
und zeigt langsfristig keine materialbedingten
Ermüdungserscheinungen.
Zweckmäßige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Füllstandsmesser mit vorteilhaften Weiterbildungen und
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren
Ansprüchen.
Wird gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung nach
Anspruch 2 am Analysator eine Skalierung vorgesehen, deren
Skalenteilung den Abmessungen der Domänen in Hubrichtung des
Schwimmers oder einem Vielfachen davon entspricht, so kann
die Meßgröße "Füllstand" am Analysator exakt abgelesen
werden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich
aus Anspruch 3. Bei Anordnung von magnetooptischem Element
und Polarisationsanordnung auf einem Lichtsammler, in dem
zweckmäßigerweise noch Fluoreszenzpartikel eingegossen
werden, genügt als Lichtquelle zur Erzeugung einer hellen
Anzeige Umgebungslicht. Eine evtl. zur Verbesserung der
Ablesehelligkeit vorzusehende Kunstlichtquelle kann
entfallen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich
auch aus Anspruch 5. Das von dem Dauermagneten erzeugte
Magnetfeld durchsetzt die jeweils ober- und unterhalb der
Magnetmitte liegenden Domänen in entgegengesetzter Richtung.
Damit wird der hinter den Domänen mit gleichgerichteter
Magnetisierungsrichtung jeweils sich erstreckende
Skalenbereich beleuchtet bzw. abgedunkelt. Die Magnetmitte
stimmt dann mit dem momentanen Füllstand überein, der durch
die Trennkante zwischen Hell- und Dunkel-Bereich der Skala
angezeigt wird.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich
auch aus Anspruch 6. Bei dieser Ausbildung des
Magnetfeldgenerators wird das magnetooptische Element in drei
Richtungen vom Magnetfeld durchsetzt, wobei das etwa mit der
Scheibe fluchtende Magnetfeld beidseitig von zwei
Magnetfeldern begrenzt wird, die jeweils gleiche aber dem
mittleren Magnetfeld entgegengerichtete Feldrichtungen
aufweisen. In diesem Fall wird vorteilhaft der Analysator auf
die Polarisationsebenen-Drehung durch das mittlere Magnetfeld
eingestellt. Dadurch wird eine sehr schmale Zone der Skala
beleuchtet, die einen den Füllstand kennzeichnende
Strichmarkierung sichtbar macht und damit eine punktweise
Anzeige ermöglicht.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich
auch aus Anspruch 8. Mittels solcher Magnetfeldsensoren läßt
sich in einfacher Weise eine elektrische Fernanzeige der
Meßwerte realisieren. Solche Sensoren sind mit preiswerten
Verfahrenstechniken auf oder in dem magnetooptischen Element
anbringbar.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich
auch aus Anspruch 9. Solche Permalloy-Sensoren lassen sich
entsprechend dem Raster der Domänen ausbilden, so daß die
Auflösung bei einer solchen elektrischen Fernanzeige
wesentlich höher ist, als dies mit bekannten
Reedkontakt-Leisten möglich ist. In explosionsgefährdeter
Umgebung können aber auch optische Sensoren, wie
Gabellichtschranken, eingesetzt werden.
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Es
zeigt jeweils in schematischer Darstellung
Fig. 1 eine Seitenansicht eines Flüssigkeitsbehälters
mit daran angeschlossenem Füllstandmesser,
Fig. 2 einen Querschnitt des Füllstand
messers gemäß Linie II-II in
Fig. 1,
Fig. 3 einen vergrößerten Schnitt eines
magnetooptischen Elements des
Füllstandmessers in Fig. 1,
ausschnittweise,
Fig. 4 eine vergrößerte perspektivische
Ansicht von Polarisator, magneto
optischem Element, Analysator und
Skalenträger des Füllstandmessers
in Fig. 1, ausschnittweise, zur Er
läuterung der Wirkungsweise
Fig. 5 eine vergrößerte Seitenansicht eines
Magnetfeldgenerators des Füllstand
messers in Fig. 1 mit angedeutetem
Magnetfeld,
Fig. 6 und 7 jeweils eine vergrößerte Ansicht
eines Skalenträgers des Füllstand
messers in Fig. 1, ausschnittweise,
Fig. 8 ein Blockschaltbild einer Schaltungs
anordnung zur elektrischen Fernüber
tragung von Meßwerten.
Mittels des in Fig. 1 und 2 dargestellten Füllstandmes
sers soll der Flüssigkeitspegel 10 in einem Flüssig
keitsbehälter 11 optisch angezeigt werden. Zu diesem
Zweck ist ein Meßrohr 12 als Bypass an dem Flüssig
keitsbehälter 11 angeschlossen, so daß nach dem Prinzip
der kommunizierenden Röhren der Flüssigkeitsspiegel
10′ im Meßrohr 12 das gleiche Niveau einnimmt. Die
Lage des Flüssigkeitsspiegels 10′ wird über einen
Schwimmer 13 auf die Meß- und Anzeigevorrichtung 14
des Füllstandmessers übertragen. Zur Übertragung
dient ein im Gehäuse 15 des Schwimmers angeordneter
Magnetfeldgenerator 16, dessen Magnetfeld auf den
Meßwertaufnehmer des Meßgerätes wirkt, der wiederum
die Meßwertanzeige steuert. Der Magnetfeldgenerator
16 ist im einfachsten Fall als kleiner Dauermagnet
ausgebildet, dessen Polachse sich in Hubrichtung des
Schwimmers 13 bzw. Flüssigkeitsspiegels 10′ erstreckt.
Der Meßwertaufnehmer und die Meßwertanzeige der Meß-
und Anzeigevorrichtung 14 des Füllstandmessers wird
von einem magnetooptischen Element 17 mit einer Polari
tätsanordnung 47 gebildet. Letztere weist einen Polari
sator 18 und einen Analysator 19 auf, jeweils in Licht
einfallsrichtung vor bzw. hinter dem Element 17 angeordnet. Hinter
dem Analysator 19 ist ein transparenter Skalenträger 20 angeord
net, auf dem eine Skalierung 21 angebracht ist (Fig. 4).
Solche Skalierungen 21 können - wie Fig. 6 und 7 zei
gen - verschieden ausgebildet sein und mittels Auf
dampfprozesse bzw. Ätztechniken problemlos auf den
Skalenträger 20 aufgebracht werden. Es ist auch möglich, auf
den Skalenträger 20 ganz zu verzichten und die Skalie
rungen 21 mit entsprechenden Verfahren auf der Rückseite
des Analysators 19 oder des Elements 17 unmittelbar anzubringen.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist die Meß- und Anzeige
vorrichtung 14 außen auf dem aus diamagnetischem Material
bestehenden Meßrohr 12 aufgebracht. Zur Befestigung der
Meß- und Anzeigevorrichtung 14 am Meßrohr 12 ist ein
Träger 22 vorgesehen, der gleichzeitig als Lichtsammler
ausgebildet ist. Der Träger 22 ist aus transparentem
Kunststoff und weist eingeschlossene Fluoreszenz
partikel auf, so daß die Meßwertanzeige auch bei schwa
chem Umgebungslicht einwandfrei abzulesen ist. Zur
Erzielung farbiger Gestaltung können die Fluoreszenz
partikel farbig sein. Zur Wärmeisolation ist zwi
schen der Wand des Meßrohrs 12 und der Unterseite
des Trägers 22 eine isolierende Unterlage 23 ange
bracht.
Wie aus Fig. 3 hervorgeht, ist das magnetooptische
Element 17 aus einer Vielzahl von sog. Domänen 24,
das sind Zonen mit jeweils einheitlicher Magneti
sierungsrichtung aufgebaut. Diese Domänen 24 sind
quer zur Lichteinfallsrichtung aneinandergereiht und
durch im wesentlichen gradlinig verlaufende scharfe
Domänengrenzen 25 voneinander getrennt. In dem Aus
führungsbeispiel sind die Domänen aus einem
Granatkristall mit Beimengungen anderer Metalle, wie
Gadolinium oder Yttrium hergestellt. Jede Domäne 24 besteht
aus einem dünnen Plättchen, das aus einem sog. Einkristall
geschnitten wird. Als Domänen 24 können aber auch im
sog. Epitaxieverfahren aufgedampfte dünne Schichten
zur Anwendung kommen. Die dünnen Plättchen bzw.
Schichten liegen quer zur Lichteinfallsrichtung 26
(Fig. 4). Der Polarisator 18, der Analysator 19 und
der Skalenträger 20 erstrecken sich quer zur Lichtein
fallsrichtung über die gesamte Länge des aus einzelnen
Domänen 24 bestehenden magnetooptischen Elements 17,
und die gesamte Meßanordnung 14 erstreckt sich über den
maximalen Hub des Schwimmers bzw. des Magnetfeldgenera
tors 16, also letztlich über den Hubbereich des Flüssig
keitsspiegels 10′ im Meßrohr 12. Die Skalierung 21 ist
dabei so gewählt, daß die Skaleneinteilung der quer
zur Lichteinfallsrichtung sich erstreckenden Abmessung
der Domänen oder einem ganzzahligen Vielfachen davon
entspricht.
In der Meß- und Anzeigevorrichtung 14 wird der bei
magnetooptischen Substanzen bekannte Faraday-Effekt
ausgenutzt. Dies sei kurz anhand der Fig. 4 erläutert:
Aus der Richtung 26 einfallendes, in beliebig vielen Polarisations
ebenen schwingendes Licht 27 wird durch den Polarisa
tor 18 in der Schwingungsrichtung 28 polarisiert, wie
sie in Fig. 4 durch einen Pfeil symbolisch angedeutet
ist. Zwei aneinanderliegende und durch die Domänen
grenze 25 voneinander getrennte Gruppen von Domänen 24
werden mittels des von dem Magnetfeldgenerator 16 er
zeugten Magnetfelds in entgegengesetzter Richtung ma
gnetisiert, was in Fig. 4 durch Feldlinienpfeile ange
deutet ist. Nach dem Faraday-Effekt wird dann die Po
larisationsebene 28 des durch das magnetooptische
Element 17 hindurchtretenden Lichtes bis zu 45° ge
dreht, und zwar in der oberen Domänengruppe in Licht
einfallsrichtung 26 gesehen im Linkssinn, also ent
gegen Uhrzeigersinn, und in der unteren Domänegruppe
im Rechtssinn. Die Polarisationsebene des die oberen
Domänengruppe verlassenden Lichtes ist in Fig. 4 mit 29
gekennzeichnet, während die Polarisationsebene des die
untere Domänengruppe verlassenden Lichtes mit 30
gekenneichnet ist. Der Analysator 19 ist nunmehr so
eingestellt, daß er nur Licht hindurchtreten läßt, das
in der Polarisationsebene 29 schwingt. Für den Betrach
ter zeigt sich das in Fig. 4 dargestellte Bild des
Skalenträgers 20, nämlich eine obere Hellzone 31 und
eine untere Dunkelzone 32 mit einer scharfen Trennungs
linie 33. Diese Trennungslinie 33 bildet sich immer
dort aus, wo Domänen 24 mit entgegengesetzter Feld
richtung aneinanderstoßen. Die Magnetisierung der
Domänen 24 bleibt solange erhalten, bis entweder
der Curiepunkt überschritten wird oder ein entgegen
gesetztes Magnetfeld an die betreffende Domäne 24
gelegt wird. Damit bleibt der Meßwert, der durch die
Trennungslinie 33 an der Skalierung 21 ablesbar ist,
auf lange Zeit gespeichert, und zwar solange, bis
der nächste demgegenüber veränderte Meßwert ange
zeigt wird. Die beiden Magnetfelder mit jeweils im
wesentlichen in Lichteinfallsrichtung 26 sich erstrec
kender aber antiparalleler Magnetisierungsrichtung
werden von dem Magnetfeldgenerator 16 erzeugt. Die
beschriebene obere Hellzone und untere Dunkelzone 32
mit Trennungslinie 33 (Fig. 4 und 7) ergibt sich bei
Ausbildung des Magnetfeldgenerators 16 als kleiner
Permanentmagnet, dessen Polachse in Hubrichtung aus
gerichtet ist. Die Trennungslinie 33 liegt dann etwa
in Höhe der Magnetmitte und zeigt damit das Niveau
des Flüssigkeitsspiegels 10′ an. Verschiebt sich die
ses, so wandert die Trennungslinie 33 an der Skalierung
21 entsprechend nach oben oder unten.
Wie aus Fig. 5 und Fig. 2 ersichtlich, kann der Ma
gnetfeldgenerator 16 auch aus zwei in entgegengesetzter
Richtung von einer ferromagnetischen Scheibe 34 im
wesentlichen rechtwinklig abstehenden Dauermagneten 35, 36
gebildet sein, wobei die Polachsen 37, 38 der Dauer
magnete 35, 36 fluchten. Die Dauermagnete 35, 36 wei
sen gleiche Abmessungen auf, und die Polachsen 37, 38
sind antiparallel ausgerichtet, so daß die Nordpole
der Dauermagnete 35 und 36 an den freien Enden und die
Südpole an der Scheibe 34 liegen. Das von diesem Ma
gnetfeldgenerator 16 ausgebildete Magnetfeld ist in
Fig. 5 strichliniert symbolisch dargestellt. Das magneto
optische Element 17 wird in einem gewissen Bereich
oberhalb und unterhalb des momentanen Flüssigkeits
spiegels 10′, d. h., der momentanen Lage des Schwim
mers 13 und damit des Magnetfeldgenerators 16, von
insgesamt drei Magnetfeldern in Lichteinfallsrichtung
durchsetzt. Eine mittlere, mit der Scheibe 24 im wesent
lichen fluchtende Zone des magnetooptischen Elements
17 wird von einem Magnetfeld durchsetzt, dessen Feld
richtung der Lichteinfallsrichtung 26 entgegenge
setzt gerichtet ist. Die daran sich anschließenden
oberen und unteren Bereiche des magnetooptischen
Elements 17 werden von Magnetfeldern durchsetzt, deren
Magnetisierungsrichtung gleich ist, aber der des mitt
leren Magnetfeldes entgegengesetzt. Bei dieser Aus
richtung der Magnetfelder am magnetooptischen Element
17 wird die Polarisationsebene 28 des durch das ma
gnetooptische Element 17 hindurchtretenden Lichtes wie
beschrieben gedreht, und zwar in den äußeren Domänen
gruppen in Lichteinfallsrichtung gesehen im Rechts-
oder Uhrzeigersinn und in der mittleren, sehr viel
kleineren und meist nur wenige Domänen 24 umfassende
Domänengruppe im Linkssinn. Der Analysator 19 läßt
wiederum nur Licht, welches in der Polarisationsebene 29
schwingt, hindurch. Auf dem Skalenträger 21 entsteht
ein optischer Eindruck wie er in Fig. 6 dargestellt
ist, und zwar erscheint auf der Skalierung 21 eine mitt
lere sehr schmale Hellzone 39, die beidseitig von
ausgestreckten Dunkelbereichen 40 bzw. 41 begrenzt
ist. Diese sehr schmale Hellzone 39 bildet die An
zeigemarke, die ein Ablesen des momentanen Flüssigkeits
niveaus an der Skalierung 21 erlaubt.
In vielen Fällen ist eine elektrische Fernanzeige
der an der Skalierung sichtbaren Meßwerte erwünscht.
Bei explosionsgefährdeter Umgebung können z. B. optische
Sensoren, wie Gabellichtschranken verwendet werden, die
die Anzeigewerte optisch abtasten und als elektri
sche Signale an eine Auswerteschaltung geben.
in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind hin
gegen sog. Magnetfeldsensoren verwendet, die als
Permalloy-Schichten 42 (Fig. 3), das sind Eisen-
Nickel-Legierungen mit besonders hoher magnetischer
Suszeptibilität, ausgebildet
sind. Diese Permalloy-Schich
ten 42 sind innerhalb der Domänen 24 angeordnet,
wobei ihre Abmessungen kleiner sind als die der
Domänen 24. Diese Permalloy-Schichten 42 können
ebenfalls durch Aufdampfen bei der Herstellung des
magnetooptischen Elements 17 erzeugt werden. Die
elektrischen Signalausgänge der Permalloy-Schichten 42
sind - wie in Fig. 8 schematisch angedeutet - mit
einer Auswertelogik 43 verbunden, die einerseits eine
digitale Meßwertanzeige 44 und andererseits eine Grenz
wertanzeige 45 mit Warnlampe 46 steuert. Anstelle der
Warnlampe 46 können auch Ventile oder Pumpen angesteuert
werden. Da eine Permalloy-Schicht 42 in jeder Domäne
24 vorhanden sein kann, läßt sich eine dem Raster
der Domänen entsprechende Auflösung bei der Fernan
zeige erreichen. Diese Auflösung ist höher als sie
heute mit bekannten Reedleisten realisiert werden
kann.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschrie
bene Ausführungsbeispiel des Meßgeräts als Füll
standmesser beschränkt. So kann dieses Meßgerät mit
allen beschriebenen Vorteilen überall dort angewendet
werden, wo sich die zu messende physikalische Größe
in irgendeiner Art und Weise über ein Magnetfeld
darstellen läßt. Dies gilt z. B. sowohl für Längen
messung als auch für Stromstärkemessung als auch
für Temperaturmessung. Das als Thermometer ausge
bildete Meßgerät wurde eingangs bereits beschrie
ben und beruht auf der Tatsache, daß die magnetische
Ausrichtung der Domänen 24 bei Überschreiten des
Curiepunktes aufgehoben wird. Werden die Domänen
24 durch Anlegen eines magnetischen Feldes in
gleicher Richtung magnetisiert und sind die Do
mänen so eingestellt, daß der Curiepunkt aufein
anderfolgender Domänen mit zunehmender Temperatur
überschritten wird, so läßt sich in sehr einfacher
Weise ein Temperaturmeßgerät realisieren.
Weiterhin braucht bei dem beschriebenen Füllstand
messer der Magnetfeldgenerator 16 nicht mit dem
Schwimmer 13 beweglich und die Meß- und Anzeigevor
richtung 14 nicht feststehend am Meßrohr 12 ange
ordnet zu sein. Da es nur auf die Relativbewegung
zwischen beiden Baugruppen ankommt, ist eine Ver
tauschung ohne weiteres möglich.
Auch kann der Skalenträger 20 zwischen dem Analy
sator 19 und dem magnetooptischen Element 17 ange
ordnet sein. Ein Verzicht auf den Skalenträger 20
und die Anbringung der Skalierung 21 unmittelbar auf
dem Analysator 19 oder dem magnetooptischen Element 17
ist möglich.
Claims (12)
1. Füllstandsmesser für Flüssigkeitsbehälter mit einem in
die Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsbehälter oder in einem
mit diesem kommunizierenden Meßrohr eintauchenden
Schwimmer und mit einer Meß- und Anzeigevorrichtung für
die Schwimmerposition, dadurch gekennzeichnet, daß die
Meß- und Anzeigevorrichtung (14) ein als Faraday-Rotator
wirkendes, belichtetes und magnetfelddurchsetztes
magnetooptisches Element (17) und eine
Polarisationsanordnung (47) aufweist, die aus einem
jeweils in Lichteinfallsrichtung dem magnetooptischen
Element (17) vorgeordneten Polarisator (18) und einem dem
magnetooptischen Element (17) nachgeordneten Analysator
(19) besteht, dessen Polarisationsebene gegenüber der des
Polarisators (18) um einen Drehwinkel gedreht ist, der
einer von dem Magnetfeld hervorgerufenen Drehung der
Polarisationsebene des polarisierten Lichtes im
magnetooptischen Element (17) entspricht, daß das
magnetooptische Element (17) mit Polarisationsanordnung
(47) sich über mindestens einen Teilhubweg des Schwimmers
(13), vorzugsweise über dessen maximalen Hubweg
erstreckt und eine Vielzahl von Domänen (24) genannten
Zonen mit einheitlicher Magnetisierungsrichtung aufweist,
die in einer zum Polarisator (18) etwa parallelen
Ebene liegen, in Richtung der Normalen zur
Polarisationsebene (28) des Polarisators (18) in
Hubrichtung des Schwimmers (13) unmittelbar
aneinandergereiht und durch im wesentlichen scharfe
Domänengrenzen (25) voneinander getrennt sind, und daß
der Schwimmer (13) derart ausgebildet ist, daß er bei
Änderung des Flüssigkeitsspiegels und seinem dadurch
bewirkten Hub eine Änderung des das magnetooptische
Element (17) durchsetzenden Magnetfelds in Teilbereichen
bewirkt.
2. Füllstandsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß in Lichteinfallsrichtung vor oder hinter dem
Analysator (19) eine Skalierung (21) angebracht ist und
daß die Skalenteilung der in Richtung der Normalen zur
Polarisationsebene (28) des Polarisators (18) sich
erstreckenden Abmessung der Domänen (24) oder einem
ganzzahligen Vielfachen davon entspricht.
3. Füllstandsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß das magnetooptische Element (17) mit
Polarisationsanordnung (47) auf einem als Lichtsammler
ausgebildeten Träger (22) angeordnet ist, in dem
vorzugsweise Fluoreszenzpartikel eingegossen sind.
4. Füllstandsmesser nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Magnetfeld von einem am Schwimmer
(13) angeordneten Magnetfeldgenerator (16) erzeugt ist,
der derart ausgebildet ist, daß in mindestens einem
Teilbereich der Längserstreckung des magnetooptischen
Elements (17) zwei parallel zur Lichteinfallsrichtung
(26) sich erstreckende, einander entgegengesetzte
magnetische Feldrichtungen des Magnetfelds auftreten, die
ober- und unterhalb einer Domänengrenze (25) verlaufen.
5. Füllstandsmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Magnetfeldgenerator (16) als ein sich in
Hubrichtung erstreckender stabförmiger Dauermagnet
ausgebildet ist.
6. Füllstandsmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Magnetfeldgenerator (16) zwei auf
gegenüberliegenden Seiten einer ferromagnetischen Scheibe
(34) von dieser in deren Achsrichtung abstehende
Dauermagnete (35, 36) mit vorzugsweise gleichen
Abmessungen aufweist, deren Polachsen in Hubrichtung des
Magnetfeldgenerators (16) ausgerichtet sind und
vorzugsweise miteinander fluchten und deren
Magnetisierungsrichtungen einander entgegengesetzt sind.
7. Füllstandsmesser nach einem der Ansprüche 4-6, dadurch
gekennzeichnet, daß der zur Aufnahme des
Magnetfeldgenerators (16) hohl ausgebildete Schwimmer
(13) und das Meßrohr (12) aus eine diamagnetischen
Werkstoff bestehen.
8. Füllstandsmesser nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch
gekennzeichnet, daß im oder am magnetooptischen Element
(17) zum Zwecke der magnetischen Fernanzeige
Magnetfeldsensoren (42) vorgesehen sind, deren
elektrische Signalausgänge mit einer Auswertelogik (43)
verbunden sind.
9. Füllstandsmesser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß in jeder Domäne (24) ein vorzugsweise als
Permalloy-Schicht (42) ausgebildeter Magnetfeldsensor
vorgesehen ist.
10. Füllstandsmesser nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Domänen (24) von aus einem
Einkristall geschnittenen dünnen Plättchen gebildet sind.
11. Füllstandsmesser nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Domänen (24) von im
Expitaxieverfahren aufgedampften dünnen Schichten gebildet
sind.
12. Füllstandsmesser nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch
gekennzeichnet, daß die Domänen (24) aus Granat, ggef.
mit Beimengungen anderer Metalle, wie Gadolinium oder
selten Erden, bestehen.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
D2 | Grant after examination | ||
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Owner name: INCATRONIC-PHOENIX MESSTECHNIK GMBH, 60386 FRANKFU |
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