DE3417023C2

DE3417023C2 - Sensor zum Messen des Füllstandes einer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE3417023C2
Application number: DE19843417023
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. 7000 Stuttgart Ruhrmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-05-09
Filing date: 1984-05-09
Publication date: 1987-04-09
Also published as: DE3417023A1

Abstract

Ein Sensor dient zum Messen des Füllstandes einer Flüssigkeit (11). Er ist mit einem optisch leitenden stabförmigen Teil versehen, der in die Flüssigkeit (11) eintaucht. Weiterhin ist ein an der von der Flüssigkeit (11) wegweisenden Endfläche des Teiles angeordnetes fotoempfindliches Element (20) vorgesehen, das in Abhängigkeit von der Reflexion von Lichtstrahlen (22, 23) an der Innenwand des Teiles ein den Füllstand (12) entsprechendes Signal erzeugt. Um den Füllstand auch kontinuierlich messen zu können, d. h. um ein dem Füllstand entsprechendes Analogsignal zu erzeugen, ist das Teil als mit einem optisch leitenden Referenzmedium, vorzugsweise einer Referenzflüssigkeit (15) gefülltes Glasrohr (14) ausgebildet. Die optische Brechzahl (n1) des Referenzmediums ist kleiner als die Brechzahl (n2) der Flüssigkeit (11). Im Glasrohr (14) ist eine längliche Lichtquelle angeordnet, die sich sowohl oberhalb wie unterhalb des Füllstandes (12) der Flüssigkeit (11) im Glasrohr (14) erstreckt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor zum Messen des Füllstandes einer Flüssigkeit mit einem lichtdurchlässigen Rohr, das mit einem verschlossenen Ende in die Flüssigkeit derart eintaucht, daß eine im Rohr vorgesehene längliche Lichtquelle sich sowohl oberhalb als auch unterhalb eines zu messenden Füllstandes der Flüssigkeit erstreckt und im Bereich des aus der Flüssigkeit herausweisenden Endes des Rohres ein fotoempfindliches Element vorgesehen ist, das ein dem Füllstand der Flüssigkeit entsprechendes Signal erzeugt.
Ein derartiger Sensor ist aus der DE-OS 16 48 103 bekannt.
Bei dem bekannten Sensor befinden sich einzelne Lichtquellen übereinander in dem Rohr, das mit einem Gas gefüllt ist und die Lichtquellen sind jeweils einzelnen Reflektoren zugeordnet, die sich in der das Rohr umgebenden Flüssigkeit befinden. Der einzelne Reflektor reflektiert die ihm zugeordnete Strahlung der Lichtquelle nur dann, wenn sich der Reflektor oberhalb eines zu kontrollierenden Flüssigkeitsspiegels befindet. Die reflektierten Strahlen treffen auf ein strahlenempfindliches Schauzeichen. Über die Vielzahl von Lichtquellen und Reflektoren, die in unterschiedlichen Höhen in den Sensor eingebaut werden, können unterschiedliche Flüssigkeitsstände der Flüssigkeit diskret erfaßt werden.
Der bekannte Sensor hat dabei den Nachteil, daß eine quasikontinuierliche Veränderung des Flüssigkeitsspiegels nicht erfaßt werden kann. Jeder Füllstandshöhe muß nämlich neben einer Lichtquelle auch ein Reflektorstab zugeordnet werden. Der Sensor kann auch in kleinen Behältern für die Erfassung des Flüssigkeitsspiegels nicht mehr eingesetzt werden.
Aus der DE-OS 16 23 936 ist eine optische Füllstandsanzeigeeinrichtung für Flüssigkeitsbehälter bekannt, bei der an einer Lichtquelle ein Lichtleitstab angeordnet ist, der Lichtstrahlen zu einer Lichtaustrittsstelle führt. Der Lichtleitstab wird dabei in einem Behälter durch eine Flüssigkeit geführt und so umgelenkt, daß an der Umlenkstelle des Lichtleitstabes die in ihm geführten Strahlen austreten, wenn sich die Umlenkstelle des Lichtleitstabes in der Flüssigkeit befindet. Nimmt ein Flüssigkeitsspiegel soweit ab, daß diese Umlenkstelle frei von umspülter Flüssigkeit ist, so werden die im Lichtleitstab geführten Strahlen an seiner Umlenkstelle reflektiert und weiter im Lichtleitstab bis zu der Lichtaustrittsstelle geführt. Die aus dem Ende des Lichtleitstabes austretenden Strahlen treffen auf eine Mattscheibe, die als Zustandsanzeige ausgebildet ist. Mit dieser Füllstandsanzeigevorrichtung kann nur ein Über- bzw. Unterschreiten einer vorgegebenen Füllstandsschwelle angezeigt werden.
Weiterhin ist aus der DE-AS 12 53 472 ein Verfahren zur fotoelektrischen Messung von transparenten und nicht transparenten Medien bekannt geworden. Die fotoelektrische Kontrolle eines Flüssigkeitsstandes wird durch die Anordnung eines Lichtwerfers und eines Lichtempfängers beidseitig eines durchstrahlbaren Behälters erzielt. Ist in der Position des Lichtwerfers der Behälter frei von Flüssigkeit, so wird der von ihm ausgehende Lichtstrahl an einer Eintrittswandung in den Behälter und an einer Austrittswandung aus dem Behälter abgelenkt. Der Lichtempfänger wird so positioniert, daß er von dem zweimal abgelenkten Lichtstrahl getroffen wird und eine Leerkontrolle signalisiert. Ist nun in der Position des Lichtwerfers der Behälter mit Flüssigkeit gefüllt, so wird bedingt durch die Brechzahl der Flüssigkeit der Lichtstrahl durch den Lichtempfänger nicht erfaßt und ein Füllstand wird signalisiert.
Diese Kontrollvorrichtung hat dabei den Nachteil, daß sie nur an durchstrahlbaren Behältern einsetzbar ist. Ferner muß bei Flüssigkeiten unterschiedlicher Brechzahl eine aufwendige Justierung zwischen Lichtwerfer und Lichtempfänger durchgeführt werden. Eine weitere Gefahr einer Fehlmessung kann dadurch entstehen, daß durch Verschmutzung der Behälteraußenwand Fehlsignale entstehen.
In der DE-AS 11 19 532 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Standmessung in Glasrohren mittels Fotozelle beschrieben. Eine Vorrichtungseinheit wird an einen durchstrahlbaren Behälter auf seinen Außenseiten in der Weise angebracht, daß auf einer Behälterseite unter einem bestimmten Winkel eine Lichtquelle und eine Fotozelle in der Vorrichtung untergebracht sind und auf der gegenüberliegenden Behälterseite die Vorrichtung einen Reflexionsspiegel aufweist. Von der Lichtquelle ausgehende Strahlen werden von dem Reflexionsspiegel abgelenkt und der Fotozelle nur dann zugeführt, wenn zwischen der Fotozelle und dem Reflektionsspiegel eine Flüssigkeitssäule steht. Diese Vorrichtung ist nicht zum kontinuierlichen Erfassen eines sich verändernden Flüssigkeitsspiegels geeignet.
Eine Abtastvorrichtung für Flüssigkeitszustände in zylindrischen Röhren ist durch DE-AS 10 70 838 bekannt geworden. Die Abtastvorrichtung ist an den Außenseiten eines durchstrahlbaren Behälters angebracht und ist in vertikaler Richtung längs des Behälters verschiebbar. Eine Lichtquelle durchstrahlt den Behälter und in Abhängigkeit einer Lichtintensität, die ein lichtelektrischer Indikator erkennt, verändert sich die Position der Abtastvorrichtung. Die Abtastvorrichtung ist so eingestellt, daß sie die Höhe eines Flüssigkeitsspiegels anzeigt und einem veränderten Flüssigkeitsspiegel über einen Motorantrieb nachläuft. Diese Flüssigkeitsspiegelanzeige nützt eine Bündelung und Streuung von Lichtstrahlen für die kontinuierliche Erfassung einer Füllstandshöhe.
Weiterhin ist aus der DE-PS 10 52 700 ein fotoelektrischer Flüssigkeitsstandanzeiger bekannt geworden, der ein bestimmtes Flüssigkeitsniveau eines durchsichtigen Standrohres anzeigt. Dabei ist zwischen einem Lichtsender und einem Lichtempfänger ein durchsichtiges Standrohr angebracht. Die von der Lichtquelle ausgehenden Strahlen werden derart durch das Glasrohr abgelenkt, daß sie nur bei einem bestimmten Flüssigkeitsniveau den Lichtempfänger erreicht. Diese Flüssigkeitsstandanzeige eignet sich für eine bestimmte Füllstandsregelung, aber nicht für die Anzeige einer unterschiedlichen Höhe eines Flüssigkeitsspiegels.
Aus DE-OS 19 04 568 ist ein lichtelektrisches Steuergerät bekannt, das auf einen bestimmten Flüssigkeitsspiegel in einem durchstrahlbaren Behälter anspricht und aus einer punktförmigen Lichtquelle und einem lichtelektrischen Element besteht. Dieses Steuergerät hat jedoch den Nachteil, daß es vertikal längs der Außenwandung des Behälters verschoben werden muß, wenn sich der Flüssigkeitsspiegel im Behälter ändert und die Höhe des Flüssigkeitsspiegels erfaßt werden soll.
Schließlich sind durch die CH-PS 4 04 224, US-PS 38 34 235 und US-PS 38 64 577 Kontrollvorrichtungen für die Füllstandshöhe einer Flüssigkeit bekannt geworden. Allen Vorrichtungen ist gemeinsam, daß eine Lichtquelle auf ein Prisma strahlt. Ist das Prisma von einer gasförmigen Atmosphäre umgeben, so werden die Lichtstrahlen entsprechend ihrer Einfallswinkel reflektiert und einem lichtempfindlichen Element zugeführt. Taucht das Prisma in eine Flüssigkeit ein, so treten die Lichtstrahlen mindestens teilweise aus dem Prisma in die Flüssigkeit und eine Signalveränderung des lichtempfindlichen Elements zeigt eine Zustandsveränderung an.
Diese Kontrollvorrichtungen eignen sich nur zum Erkennen von Füllstands-Grenzwerten, nicht jedoch zum kontinuierlichen Erfassen eines Füllstandes, d. h. zum Erzeugen eines dem Füllstand entsprechenden kontinuierlichen Analogwertes.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß bei minimalem Aufwand eine kontinuierliche Erfassung des Füllstandes durch Erzeugen eines sich kontinuierlich ändernden Analogwertes bei einer Vielzahl von Flüssigkeiten unterschiedlicher optischer Leitfähigkeit möglich wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die längliche Lichtquelle von einem optisch leitenden Referenzmedium, vorzugsweise einer Referenzflüssigkeit, allseitig umgeben ist, das eine optische Brechzahl n aufweist, die kleiner oder gleich einer Brechzahl n der zu messenden Flüssigkeit ist, daß Lichtstrahlen unter einem Winkel zur Längsachse der länglichen Lichtquelle über die Länge des Rohres in die Referenzflüssigkeit austreten, derart, daß die Lichtstrahlen an der Grenzfläche der Referenzflüssigkeit und der Flüssigkeit gebrochen und über den Flüssigkeitsspiegel an der Grenzfläche zum benachbarten Medium zumindest teilweise total reflektiert werden, und daß das fotoempfindliche Element in die von der Flüssigkeit wegweisende Endfläche des Rohres eingebaut ist.
Diese Merkmale lösen die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe vollkommen, weil in dem Bereich, in dem das Rohr in die zu messende Flüssigkeit eintaucht, das in diesem Bereich von der länglichen Lichtquelle ausgestrahlte Licht größtenteils in die Flüssigkeit übergeht, so daß sich die gesamte nach oben zum fotoempfindlichen Element reflektierte Lichtmenge kontinuierlich vermindert, je tiefer das Rohr in die Flüssigkeit eintaucht.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Lichtquelle ein an seiner Mantelfläche verletzter, insbesondere ganz oder teilweise geätzter, und von seiner unteren Endfläche her mit Licht gespeister Lichtleiter, vorzugsweise eine Glasfaser.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß eine extrem dünne Bauweise des erfindungsgemäßen Sensors möglich ist, weil derartige Lichtleiter mit minimalen Querschnitten hergestellt werden können, so daß mit der den Lichtleiter umgegebenden Referenzflüssigkeit und dem Rohr der Sensor so klein aufgebaut werden kann, daß er nur wenige Millimeter aufweist. Ein weiterer Vorteil des an seiner Oberfläche verletzten Lichtleiters zusammen mit der Lichteinspeisung von der Unterseite ist der, daß der verletzte Lichtleiter über seine Grenzflächen Licht nur in Speiserichtung abstrahlt, nicht jedoch entgegengesetzt zur Speiserichtung. Damit wird der Meßeffekt besonders gut erfaßbar, weil das gesamte Licht in einer Richtung auf das fotoempfindliche Element hin abgestrahlt wird, so daß sich Verluste durch Austritt in die umgebende Flüssigkeit besonders stark auf das Ausgangssignal des fotoempfindlichen Elementes auswirken. Die Verletzung der Lichtleiter-Oberfläche durch eine Ätzung hat den Vorteil, daß sie besonders gut reproduzierbar ist.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Lichtquelle ein über seine Länge mit einer Vielzahl von Leuchtdioden versehener Stab ist.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß eine gesonderte Zuführung von Licht entbehrlich ist, außerdem können durch geeignete Anordnung der Leuchtdioden beliebige Lichtverteilungsprofile über die Länge des Stabes eingestellt werden, beispielsweise um eine Dämpfung innerhalb der Säule der Referenzflüssigkeit zu kompensieren.
Schließlich ist eine Ausführungsform der Erfindung bevorzugt, bei welcher der Lichtleiter bzw. der Stab an seinem von der Flüssigkeit wegweisenden Ende mit einer Abdeckung versehen ist, deren Abdeckfläche so bemessen ist, daß kein Licht direkt aus dem Lichtleiter bzw. von den Leuchtdioden auf das fotoempfindliche Element fällt.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß das fotoempfindliche Element ausschließlich auf das an den seitlichen Grenzflächen des Rohrs totalreflektierte Licht, nicht jedoch auf direkte Einstrahlung vom Lichtleiter oder den Leuchtdioden anspricht.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Darstellung im Schnitt eines ersten Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Sensors;
Fig. 2 eine Darstellung eines Ausführungsbeispieles einer länglichen Lichtquelle, wie sie alternativ beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 verwendet werden kann.
In Fig. 1 ist mit 10 ein Behälter in abgebrochener Darstellung angedeutet, in dem sich eine Flüssigkeit 11 mit einem Füllstand 12 befindet. Ein Sensor 13 taucht teilweise in die Flüssigkeit 11 ein. Er weist ein Glasrohr 14 auf, in dem sich eine Referenzflüssigkeit 15, beispielsweise Wasser, befindet. Es versteht sich jedoch, daß auch andere Referenzflüssigkeiten oder optisch leitende Referenzmedien Verwendung finden können, die der jeweils zu messenden Flüssigkeit im Brechungsindex angepaßt werden können.
Wichtig ist jedoch, daß die optische Brechzahl n ₁ der Referenzflüssigkeit 15 kleiner oder gleich ist als die optische Brechzahl n ₂ der Flüssigkeit 11.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist angenommen, daß sich oberhalb der Flüssigkeit 11 Luft befindet. Es kann dort jedoch auch ein anderes gasförmiges oder flüssiges Medium angeordnet sein und der erfindungsgemäße Sensor ist so lange funktionsfähig, wie die optische Brechzahl n ₃ dieses oberhalb der Flüssigkeit 11 angeordneten Mediums kleiner ist als die Brechzahl n ₁ der Referenzflüssigkeit 15.
Im Glasrohr 14 befindet sich koaxial ein langer Lichtleiter 16 , dessen Oberfläche 17 verletzt ist. Die Verletzung der Oberfläche 17 kann entweder auf rein mechanischem Wege durch Anritzen oder Anschleifen erfolgen, man kann die Oberfläche 17 aber auch durch chemische Verfahren verletzen, beispielsweise durch Ätzen in Fluorwasserstoffsäure. Der Lichtleiter 16 wird von ihrer Unterseite her mit Licht gespeist, wie dies mit einem Pfeil 18 angedeutet ist.
Das von der Einfallrichtung des Lichtes abgewandte Ende des Lichtleiters 16 ist mit einer Abdeckung 19 versehen.
Dieses mit der Abdeckung 19 versehene Ende des Lichtleiters 16 weist auf ein fotoempfindliches Element 20 hin, das am Ende des Glasrohres 14 angeordnet oder über einen weiteren Lichtleiter daran angeschlossen ist.
Die Wirkungsweise des in Fig. 1 dargestellten Sensors ist wie folgt:
Wird in den Lichtleiter 16 Licht von unten eingeleitet, fällt dieses Licht über die verletzte Oberfläche 17 des Lichtleiters 16 nach allen Seiten hin in die Referenzflüssigkeit 15 aus, wobei die Richtung des abgestrahlten Lichtes immer von der Richtung des Pfeiles 18 wegweist, d. h. zu dem mit dem fotoempfindlichen Element 20 versehenen Ende des Glasrohres 14 zu gerichtet ist.
In dem Bereich des Glasrohres 14, der in die Flüssigkeit 11 eintaucht, tritt ein Lichtstrahl 22, beispielsweise in der in Fig. 1 eingezeichneten Weise, aus und wird beim Übergang in das optisch dichtere Medium der Flüssigkeit 11 zum Einfallslot hin gebrochen, so daß in diesem eingetauchten Bereich des Glasrohres 14 praktisch die gesamte von dem Lichtleiter 16 seitlich abgestrahlte Lichtmenge aus dem Glasrohr 14 aus- und in die Flüssigkeit 11 eintritt.
Oberhalb des Füllstandes 12 jedoch wird ein Lichtstrahl 23 wegen des dort an der Außenseite des Glasrohres 14 herrschenden im Vergleich zur Referenzflüssigkeit optisch dünneren Mediums vom Einfallslot weg gebrochen, d. h. im wesentlichen totalreflektiert, so daß dieses Licht zum fotoempfindlichen Element 20 hin gelangt.
An Anschlüssen 21 des fotoempfindlichen Elementes 20 kann nun ein Analogsignal abgenommen werden, das ein Maß für den Füllstand 12 ist.
Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung ist insofern auch selbstkompensierend, weil die aus dem Lichtleiter 16 austretende Lichtmenge zu der Abdeckung 19 hin abnimmt, so daß eine Kompensation der optischen Dämpfung durch die Referenzflüssigkeit 15 eintritt.
Die Abdeckung 19 verhindert, daß Licht direkt aus der Endfläche dem Lichtleiter 16 austritt und das fotoempfindliche Element 20 "blendet".
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine längliche Lichtquelle, die anstelle des Lichtleiters 16 in Fig. 1 in das Glasrohr 14 eingesetzt werden kann.
Auf einem langgestreckten Stab 30 ist eine Mehrzahl von Leuchtdioden 31 über die Länge des Stabes 30 verteilt angeordnet. Hierdurch wird ebenfalls allseitig Licht in die Referenzflüssigkeit 15 ausgesandt, so daß sich der zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 beschriebene Meßeffekt für den Füllstand 12 einstellt. Das Ende des Stabes 30 ist mit einer Abdeckung 32 versehen, deren Abdeckfläche so groß gewählt ist, daß wiederum kein direktes Licht von den Leuchtdioden 31 auf das fotoempfindliche Element 20 fallen kann.
Die Speisung der Leuchtdioden 31 erfolgt über Anschlüsse 33, die an der Unterseite oder der Oberseite des Stabes 30 austreten können.

Claims

1. Sensor zum Messen des Füllstandes einer Flüssigkeit (11) mit einem lichtdurchlässigen Rohr (14), das mit einem verschlossenen Ende in die Flüssigkeit ( 11) derart eintaucht, daß eine im Rohr (14) vorgesehene längliche Lichtquelle sich sowohl oberhalb als auch unterhalb eines zu messenden Füllstandes (12) der Flüssigkeit (11) erstreckt und im Bereich des aus der Flüssigkeit (11) herausweisenden Endes des Rohres (14) ein fotoempfindliches Element (20) vorgesehen ist, das ein dem Füllstand ( 12) der Flüssigkeit (11) entsprechendes Signal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die längliche Lichtquelle von einem optisch leitenden Referenzmedium, vorzugsweise einer Referenzflüssigkeit (15), allseitig umgeben ist, das eine optische Brechzahl (n) aufweist, die kleiner oder gleich einer Brechzahl (n) der zu messenden Flüssigkeit (11) ist,

b) Lichtstrahlen (22, 23) unter einem Winkel zur Längsachse der länglichen Lichtquelle über die Länge des Rohres (14) in die Referenzflüssigkeit (15) eintreten, derart, daß die Lichtstrahlen (22, 23) an der Grenzfläche der Referenzflüssigkeit (15) und der Flüssigkeit (11) gebrochen und über dem Flüssigkeitsspiegel an der Grenzfläche zum benachbarten Medium zumindest teilweise total reflektiert werden, und

c) das fotoempfindliche Element (20) in die von der Flüssigkeit (11) wegweisende Endfläche des Rohres (14) eingebaut ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ein an seiner Mantelfläche (17) verletzter, insbesondere ganz oder teilweise geätzter, und von seiner unteren Endfläche her mit Licht gespeister Lichtleiter (16), vorzugsweise eine Glasfaser, ist.

3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ein über seine Länge mit einer Vielzahl von Leuchtdioden (31) versehener Stab (30) ist.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (16) bzw. der Stab (30) an seinem von der Flüssigkeit (11) wegweisenden Ende mit einer Abdeckung (19; 32) versehen ist, deren Abdeckfläche so bemessen ist, daß kein Licht direkt aus dem Lichtleiter (16) bzw. von den Leuchtdioden (31) auf das fotoempfindliche Element (20) fällt.