DE3526266A1 - Optischer fuellstandssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Füll­ standssensor mit einem einen lichtführenden Kern und einen diesen umgebenden Mantel aufweisenden U-för­ mig gebogenen Lichtwellenleiter, dessen erster Schen­ kel mit einer Lichtquelle und dessen zweiter Schenkel mit diesem Lichtdetektor gekoppelt ist durch den die beim Eintauchen des U-förmigen Endes in eine Flüssig­ keit auftretenden Transmissionsänderungen erfaßbar sind.

Ein derartiger Füllstandssensor ist aus der US-PS 42 40 747 bekannt und gestattet es, das Überschreiten eines vorgegebenen Füllstandes optisch zu erfassen, in­ dem die bei einer Berührung des U-förmig gebogenen Lichtwellenleiters mit der Flüssigkeit auftretende Inten­ sitätsänderung ausgewertet wird. Es hat sich jedoch ge­ zeigt, daß sich nach dem Absinken des Flüssigkeitsstan­ des bzw. nach dem Herausziehen des Lichtwellenleiters aus der Flüssigkeit nicht immer ein ausreichender Si­ gnalhub einstellt weil eine Benetzung des U-förmig ge­ bogenen Endes sowie häufig eine lokale Tropfenbildung auftreten. Aus diesem Grunde wird der Signalhub zwi­ schen dem eingetauchten und nicht eingetauchten Zu­ stand meist stark reduziert Flüssigkeiten, wie z. B. Öle, können je nach ihrer Zähigkeit in einer dicken Schicht den ganzen Lichtwellenleiterkern umschließen. Die Si­ gnaldifferenz zwischen dem eingetauchten und nicht eingetauchten Zustand kann dann sehr klein werden. Ist die Füssigkeit selbst auch noch stark lichtabsorbierend, wie dies bei Altöl der Fall ist so kann zwischen dem eingetauchten und nicht eingetauchten Zustand nicht mehr unterschieden werden, da das Licht in dem ganzen Bereich, wo der Lichtwellenleiterkern von dem lichtab­ sorbierenden Flüssigkeitsfilm umschlossen ist stark ge­ dämpft wird.

Neben dem großflächig am Lichtwellenleiter anhaf­ tenden Füssigkeitsfilm tritt üblicherweise noch eine mehr lokale Tropfenbildung auf. Zeigt z. B. der U-förmi­ ge Sensorbogen nach unten, so läuft die Rastflüssigkeit nach dem Eintauchen an den Schenkeln herunter und sammelt sich am unteren Ende des Sensors. Dabei wird das U-förmige Ende in Form eines Tropfens ganz einge­ hüllt. Der Signalunterschied zwischen eingetauchtem und nicht eingetauchtem Zustand verschwindet dann weitgehend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen fa­ seroptischen Füllstandssensor der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem eine Beeinträchtigung des Si­ gnalhubs durch haftenbleibende Flüssigkeiten verrin­ gert wird.

Diese Aufgabe wird erflndungsgemäß dadurch gelöst daß das U-förmige Ende im Innern eines einen einseitig geöffneten Meßraum bildenden Schutzrohres gegen­ über dem Rohrende zurückgezogen angeordnet ist und daß die an das U-förmige Ende angrenzenden geraden Abschnitte des Lichtwellenleiters von wenigstens einem einen umlaufenden hervorspringenden Absatz an den geraden Abschnitten ausbildenden Tropfenfänger um­ geben sind.

Durch die Ausbildung des Absatzes um die geraden Abschnitte werden Adhäsionskräfte erzeugt die die Flüssigkeiten vom U-förmigen Ende wegziehen und in dem durch den Absatz gebildeten Winkel festhalten so daß der Füllstandssensor im nicht eingetauchten Zu­ stand von Flüssigkeitsresten weitgehend unbeeinflußt bleibt.

Bei einem zweckmäßigen Ausführungsbeispiel ist der Tropfenfänger als Innenrohr mit einer sich im rechten Winkel zur Längsachse erstreckenden Stirnfläche aus­ gebildet. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel sind Flüssigkeitsfangringe mit rechtwinklig verlaufenden Stirnflächen vorgesehen, durch die umlaufende recht­ winklige Ecken gebildet werden, in denen sich die Flüs­ sigkeit sammeln kann.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungs­ gemäßen faseroptischen Füllstandssensors im Längs­ schnitt in vergrößerter Darstellung und

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel für einen Füll­ standssensor gemäß der Erfindung in einer Fig. 1 ent­ sprechenden Darstellungsweise.

Der in Fig. 1 dargestellte faseroptische Sensor ver­ fügt über ein Schutzrohr 1, das vorzugsweise aus Edel­ stahl hergestellt ist und an dem in Fig. 1 unten gezeich­ neten Ende 2 eine Öffnung 3 aufweist die in einen Meß­ raum 4 mündet. Der Meßraum 4 hat im wesentlichen die Gestalt eines Hohlzylinders. Neben der Öffnung 3 ver­ fügt der Meßraum 4 über zwei radial gegenüberliegend angeordnete Luftaustrittslöcher 5, 6, durch die beim Hochsteigen einer Flüssigkeit durch die Öffnung 3 in den Meßraum 4 die im Meßraum 4 eingeschlossene Luft entweichen kann.

Eine im Meßraum 4 hochsteigende Füssigkeit insbe­ sondere Öl, gelangt vor dem Erreichen der Luftaustritts­ löcher 5, 6 mit einem U-förmigen Ende 7 eines Lichtwel­ lenleiters 8 in Berührung. Der Lichtwellenleiter 8 weist einen lichtführenden Kern 9 auf, der von einem Mantel 10 mit einem geringeren Brechungsindex und teilweise von einem Schutzmantel 11 umgeben ist.

Wie man in Fig. 1 erkennt ist der Lichtwellenleiter 8 U-förmig gebogen, so daß am oberen Ende 12 ein erster Schenkel 13 und ein zweiter Schenkel 14 aus dem Schutzrohr 1 herausragen. Einer der beiden Schenkel 13, 14 ist mit einer in Fig. 1 nicht dargestellten Licht­ quelle verbunden. Der andere Schenkel 14, 13 ist an einen Lichtdetektor gekoppelt dessen Ausgangssignah es gestattet, Transmissionsänderungen des Lichtwellen­ leiters 8 zu erfassen, die auftreten, wenn das U-förmige Ende 7 mit der zu überwachenden Flüssigkeit in Berüh­ rung kommt und dabei Licht aus dem Kern 9 und dem Mantel 10 in die Füssigkeit ausgekoppelt wird.

Der Lichtwellenleiter 8 besteht vorzugsweise aus ei­ nem Allglas-Lichtwellenleiter. Jedoch kann anstelle des Allglas-Lichtwellenleiters auch ein Plastik-Lichtwellen­ leiter verwendet werden, falls keine besonderen Anfor­ derungen an die Temperaturfestigkeit des Sensor ge­ stellt wenden. Bei der Herstellung des U-förmigen En­ des 7 muß sichergestellt werden, daß der Plastikmantel so um den Lichtwellenleiterkern voll erhalten bleibt. Ent­ sprechendes gilt für einen Allglas-Lichtwellenleiter. Wie man aus der Zeichnung erkennt ist nur der Schutzman­ tel 11 im Bereich des U-förmigen Endes 7 entfernt wor­ den, während der eigentliche Mantel 10 den Kern 9 weiterhin voll umschließt. Der lichtleitende Kern 9 kommt daher nicht direkt mit der Füssigkeit in Verbin­ dung. Die Flüssigkeit die nach dem Eintauchen an den beiden geraden Abschnitten 15, 16 über dem U-förmi­ gen Ende 7 haftet bleibt ohne Einfluß auf das Signal des Lichtdetektors und die Messung. Nur in einem sehr klei­ nen Bereich starker Krümmung tritt das Licht vom Kern 9 in den Mantel 10 über. Im eingetauchten Zustand wird Licht im Bereich der stärksten Knümmung in die Füssigkeit übergekoppelt während im nicht einge­ tauchten Zustand das Licht vom Mantel 10 in den Kern 9 zurückreflektiert wird.

Der empfindliche Sensorbereich ist bei einer Allglas- Lichtwellenleiteranordnung sehr klein. Verwendet man beispielsweise einen Allglas-Lichtwellenleiter von 200 µm Kerndurchmesser und 300 µm Manteldurchmesser, so wählt man den äußeren Krümmungsradius zweckmä­ ßigerweise kleiner als 400 µm. Damit wird die empfindli­ che Sensorfläche im Krümmungsbereich klein (weniger als 1 mm²). Die optische Dämpfung in einem so kleinen Obenflächenbereich ist durch den anhaftenden Flüssig­ keitsfilm relativ gering. Die ausgekoppelte Lichtintensi­ tät im eingetauchten Zustand ist dagegen bei dem klei­ nen Krümmungsradius sehr groß. Aus diesem Grunde kann man große Signalverhältnisse zwischen dem ein­ getauchten Zustand und dem nicht eingetauchten Zu­ stand erzielen. Signalverhältnisse über 100 sind für nied­ rig brechende Flüssigkeiten und Signalverhältnisse oberhalb von 10000 für höher brechende Flüssigkeiten erzielbar.

Während ein dünner Flüssigkeitsfilm bei einem Licht­ wellenleiter mit dem oben erörterten Aufbau keinen Einfluß auf die Messung hat reduzieren große Tropfen, die das U-förmige Ende 7 vollständig einhüllen, das Si­ gnalverhältnis, da Licht in den Tropfen ausgekoppelt wird. Dieser Einfluß ist zwar wegen der kleinen effekti­ ven Oberfläche des Sensors und wegen des Vorhanden­ seins des Mantels 10 geringer als bei U-förrmigen Sen­ soranordnungen ohne Mantel 10. Um eine Beeinflus­ sung durch große Tropfen weitgehend zu verhindern, sind den geraden Abschnitten 15, 16 des Lichtwellenlei­ ters 8 Tropfenfänger zugeordnet, die nachfolgend an­ hand der Fig. 1 und 2 näher beschrieben werden.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der U-förmige Lichtwellenleiter 8 in ein Innenrohr 17 aus Edelstahl eingebaut oder eingegossen. Wenn der Außendurchmesser des verwendeten Allglas-Lichtwel­ lenleiters (z B. AS 200-300) bei etwa 0,5 mm liegt, wird ein Innenrohr 17 mit einem Außendurchmesser von 1,2 bis 2 mm verwendet. Wie man in Fig. 1 erkennt, bildet die Stirnfläche 26 des Innenrohres 17 mit den Mantelflä­ chen der geraden Abschnitte 15, 16 des Lichtwellenlei­ ters 8 einen rechten Winkel. In der so gebildeten um die Mantelflächen umlaufenden Ecke bildet sich ein Sam­ melraum für durch Adhäsionskräfte festhaltbare Flüs­ sigkeiten.

Wie man in Fig. 1 erkennt ist das Innenrohr 17 in einer Halterung 18 befestigt Das Innenrohr 17 ragt um 2 bis 3 mm über die den Meßraum 4 oben begrenzende Halterung 18 in den Meßraum 4 hinein.

Wegen des kleinen Krümmungsradius vom Lichtwel­ lenleiter 8 und Innenrohr 17 wird aufgrund der Oberflä­ chenspannung die nach dem Absinken des Flüssigkeits­ spiegels unterhalb des U-förmigen Endes 7 anhaftende Flüssigkeitsschicht dünn. Die Gesamtoberfläche des In­ nenrohres 17 und des Lichtwellenleiters 8 ist ebenfalls klein, so daß die Flüssigkeitsmenge, die zur Tropfenbil­ dung führen kann klein ist. Am rechtwinkligen Über­ gang oder Absatz 25 zwischen dem Innenrohr 17 und dem Lichtwellenleiter 8 aammelt sich aufgrund von Ad­ häsionskräften die herunterlaufende Flüssigkeit. Außer­ dem zieht die Adhäsionskraft bei vielen Flüssigkeiten, z. B. bei Ölen, den am Lichtwellenleiter 8 haftenden Flüssigkeitsfilm nach oben in den Absatz 25 am Über­ gang zwischen dem Lichtwellenleiter 8 und der Stirnflä­ che 26 des Innenrohres 17. Hierdurch wird eine Trop­ fenbildung weitgehend verhindert.

Anstelle des in Fig. 1 dargestellten gemeinsamen In­ nenrohres 17 für die beiden geraden Abschnitte 15, 16 können auch zwei getrennte Innenrohre für jeweils ei­ nen Abschnitt 15, 16 bzw. Schenkel 13, 14 verwendet werden.

Anstelle eines Innenrohres 17 oder zweier Innenröh­ ren können auch Ölfangringe 20, 21, 22 am Lichtwellen­ leiter 8 befestigt werden, die infolge ihrer Stirnflächen ebenfalls einen rechtwinklig hervorspringenden Absatz mit einer umlaufenden rechtwinkligen Ecke bilden, wie dies in Fig. 2 veranschaulicht ist. Die Ölfangringe 20, 21, 22 verhindern das Ablaufen von Flüssigkeit zum U-för­ migen Ende 7 und ziehen den Flüssigkeitsfilm von der Oberfläche des Lichtwellenleiters 8 in eine rechtwinkli­ ge Kehle oder eine rechtwinklig umlaufende Ecke zwi­ schen dem Lichtwellenleiter 8 und dem Ölfangring 20, 21, 22 ab. Es ist möglich, lediglich einen Ölfangring 20 zu verwenden, der beide geraden Abschnitte 15, 16 um­ schließt. Statt dessen oder zusätzlich können aber auch getrennte Ölfangringe 21, 22 an jedem geraden Ab­ schnitt 15, 16 angebracht sein.

Das Schutzrohr 1, das mit einer oberen Abdeckung 23 den Meßraum 4 einschließt schützt den faseroptischen Füllstandsmesser sowohl gegen mechanische Beschädi­ gungen als auch gegen Flüssigkeitsspritzer, die zu einer Tropfenbildung führen könnten. Die nach dem Absen­ ken des Flüssigkeitsspiegels aus dem Meßraum 4 aus­ laufende Flüssigkeit wird vorzugsweise von den Ober­ flächen mit kleinen Krümmungsradien im Bereich des U-förmigen Endes 7 zu den Flächen mit großen Krüm­ mungsradien an den Rand des Meßraums 4 gezogen. So kriecht z. B. ein Ölfilm von der Oberfläche des Lichtwel­ lenleiters 8 immer in Richtung der Außenwand 24. Auch auftretende Flüssigkeitsblasen werden meist gegen den Rohrrand abgezogen. Der von dem Schutzrohr 1 umge­ bene Meßraum 4 hat daher die Eigenschaft die Flüssig­ keit nach dem Absinken des Flüssigkeitsspiegels schnell an die zylindrische Außenwand abzuziehen und das Nachlaufen der Flüssigkeit zum U-förmigen Ende 7 zu vermindern.

Claims (10)

1. Faseroptischer Füllstandssensor mit einem einen lichtführenden Kern und einen diesen umgebenden Mantel aufweisenden U-förmig gebogenen Licht­ wellenleiter, dessen erster Schenkel mit einer Licht­ quelle und dessen zweiter Schenkel mit einem Lichtdetektor gekoppelt ist, durch den die beim Eintauchen des U-förmigen Endes in eine Flüssig­ keit auftretenden Transmissionsänderungen erfaß­ bar sind, dadurch gekennzeichnet, daß das U-för­ mige Ende (7) im Innern eines einen einseitig geöff­ neten Meßraum (4) bildenden Schutzrohres (1) ge­ genüber dem Rohrende (2) zurückgezogen ange­ ordnet ist und daß die an das U-förmige Ende (7) angrenzenden geraden Abschnitte (15, 16) des Lichtwellenleiters (8) von wenigstens einem einen umlaufenden hervorspringenden Absatz (25) an den geraden Abschnitten (15, 16) ausbildenden Tropfenfänger (17, 20, 21, 22) umgeben sind.

2. Füllstandssensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die geraden Abschnitte (15, 16) des Lichtwellenleiters (8) von einem gemeinsamen Innenrohr (17) umgeben sind, dessen Stirnfläche (26) sich im rechten Winkel zu seiner Längsachse erstreckt.

3. Füllstandssensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jeder gerade Abschnitt (15, 16) des Lichtwellenleiters (8) von einem Innenrohr mit einer rechtwinklig zur Längsachse verlaufenden Stirnfläche umgeben ist.

4. Füllstandssensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auf den geraden Abschnitten (15, 16) des Lichtwellenleiters (8) wenigstens ein Flüs­ sigkeitsfangring (20, 21, 22) befestigt ist, dessen Siirnflächen rechtwinklig von der Oberfläche des Lichtwellenleiters (8) hervorspringen.

5. Füllstandssensor nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Flüssigkeitsfangring vorge­ sehen ist, der beide sich an das U-förmige Ende (7) anschließende gerade Abschnitte (15, 16) umgibt.

6. Füllstandssensor nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zusätzlich auf jeden der beiden geraden Abschnitte (15, 16) ein separater Flüssig­ keitsfangring (21, 22) vorgesehen ist.

7. Füllstandssensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meß­ raum (4) mit wenigstens einem gegenüber dem U- förmigen Ende (7) des Luchtwellenleiters (8) zu­ rückversetzten radialen Luftaustrittsloch (5, 6) ver­ sehen ist.

8. Füllstandssensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meß­ raum (4) die Gestalt eines einseitig geöffneten Hohlzylinders hat in den das U-förmige Ende (7) des Lichtwellenleiters (8) vom geschlossenen Ende (23) her hineinragt.

9. Füllstandssensor nach Anspruch 8 und Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein­ dringtiefe der Innenrohre (17) in den Meßraum (4) 2 bis 3 mm beträgt.

10. Füllstandssensor nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Innenrohr (17) einen Durch­ messer von 1,2 bis 2 mm aufweist.