DE3539308A1 - Sensor zum messen des fuellstandes einer fluessigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zum Messen des Füllstan­ des einer Flüssigkeit, mit einem lichtdurchlässigen Rohr, in dem eine Lichtquelle angeordnet ist, das in die Flüssigkeit eintaucht, in der sich das Rohr und die längliche Lichtquel­ le sowohl oberhalb als auch unterhalb eines Füllstandes erstrecken, mit mindestens einem fotoempfindlichen Element, das an die von der Flüssigkeit weg weisende Endfläche des Sensors angeschlossen ist, und 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 zugeord­ net, die sich in der das Rohr umgebenden Flüssgkeit befin­ den. 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 strah­ lenempfindliches Schauzeichen. Über die Vielzal von Licht­ quellen und Reflektoren, die in unterschiedlichen Höhen in den Sensor eingebaut werden, können unterschiedliche Flüs­ sigkeitsstände der Flüssigkeit diskret erfaßt werden.

Der bekannte Sensor hat dabei den Nachteil, daß eine quasi kontinuierliche Veränderung des Flüssigkeitsspiegels nicht erfaßt werden kann. Jeder Füllstandshöhe muß nämlich neben einer Lichtquelle auch ein Reflektorstab zugeordnet werden. Auch kann der bekannte Sensor in kleinen Behältern für die Erfassung des Flüssigkeitsspiegels nicht mehr eingesetzt werden.

Weitere Füllstandsmeßvorrichtungen, die sich optische Meß­ verfahren zunutze machen, sind aus der DE-OS 16 23 936, der DE-AS 12 53 472, der DE-AS 11 19 532, der DE-AS 10 70 838, der DE-PS 10 52 700, der DE-OS 19 04 568, der CH-PS 4 04 224, der US-PS 38 34 235 und der US-PS 38 64 577 bekannt.

Gemäß der der vorliegenden Zusatzanmeldung zugrunde liegen­ den Hauptanmeldung P 34 17 023.5-52 soll ein Sensor der eingangs genannten Art dahingehend weitergebildet werden, daß bei minimalem Aufwand eine kontinuierliche Erfassung des Füllstandes durch Erzeugen eines sich kontinuierlich ändern­ den Analogwertes bei einer Vielzahl von Flüssigkeiten unter­ schiedlicher optischer Leitfähigkeit möglich wird.

Die Hauptanmeldung sieht hierzu vor, daß das Rohr mit einem optisch leitenden Referenzmedium, vorzugsweise einer Refe­ renzflüssigkeit gefüllt ist, wobei die optische Brechzahl des Referenzmediums vorzugsweise kleiner oder gleich ist wie die Brechzahl der zu messenden Flüssigkeit, und daß das fotoempfindliche Element in die von der Flüssigkeit weg weisende Endfläche des Rohres eingebaut ist.

Hierdurch wird nach der Hauptanmeldung erreicht, daß in dem Bereich, in dem das Rohr in die zu messende Flüssigket eintaucht, das in diesem Bereich von der länglichen Licht­ quelle ausgestrahlte Licht größtenteils in die Flüssigkeit übergeht, so daß sich die gesamte nach oben zum fotoempfind­ lichen Element reflektierte Lichtmenge kontinuierlich ver­ mindert, je tiefer das Rohr in die Flüssigkeit eintaucht.

Der vorliegenden Patentanmeldung liegt dieselbe Aufgabe wie der Hauptanmeldung zugrunde, jedoch soll es zusätzlich möglich sein, der länglichen Lichtquelle alternativ ein Meßlicht von oben oder von unten zuzuführen.

Diese sich gesamthaft ergebende Aufgabenstellung wird erfin­ dungsgemäß dadurch gelöst, daß die Lichtquelle einen längli­ chen, lichtdurchlässigen Körper aufweist, der von einer Stirnseite mit Licht beaufschlagt wird, wobei der Körper Stellen zum Streuen des eingestrahlten Lichtes oder zum Erzeugen von durch das Licht induziertem Sekundärlicht aufweist.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird damit vollkommen gelöst, weil durch die Streuung des eingestrahl­ ten Lichtes bzw. das Erzeugen von Sekundärlicht eine gleich­ mäßige Lichtabstrahlung im gesamten länglichen Körper er­ reicht wird, und zwar in alle Richtungen, während es bei einem in der Hauptanmeldung beispielhaft genannten, an seiner Oberfläche verletzten Lichteiter nur möglich ist, das an den Verletzungsstellen austretende Licht "nach vorne" abzustrahlen und die bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Hauptanmeldung vorgesehenen, an einem Stab befindlichen, mehreren elektrischen Lichtquellen, wie sie auch beim gat­ tungsbildenden Stand der Technik vorgesehen sind, einen relativ hohen Aufwand mit mehreren Stromzuführungen für parallelgeschaltete Leuchten erfordern, da eine Reihenschal­ tung wegen des Totalausfalls des Sensors bei Ausfall nur einer Leuchte ausscheidet.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Körper ein transparenter Festkörper, vorzugsweise ein Glas­ stab oder Glasfaser mit eingebrachten Streuzentren.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß der Körper mit an sich bekannten Mitteln reproduzierbar und mit stabilen Langzeit­ eigenschaften hergestellt werden kann, beispielsweise durch Bestrahlung eines Glases mit hochenergetischen Strahlen, die im Kristallgefüge des Körpers Fehlstellen in Gestalt soge­ nannter "Streuzentren" bzw. "Farbzentren" erzeugen.

Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist der Körper ein transparenter Festkörper, vorzugsweise ein Kunststoff­ stab mit eingebrachten Fluoreszenzzentren.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß in der bereits erwähnten Weise Sekundärlicht vom eingestrahlten Meßlicht erzeugt wird, und zwar ebenfalls mit industriell vorgebbaren physi­ kalischen und langzeitbeständigen Eigenschaften.

Schließlich ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung bevorzugt, bei der der Körper eine in einem Glasrohr ange­ ordnete Säule einer flüssigen Suspension ist.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß auch durch Einstellen der Konzentration der Suspension definierte Verhältnisse eingestellt werden können, wobei Konzentration und Art der suspendierten Schwebeteilchen in geeigneter Weise vorgewählt werden können, so daß sich der bekannte Tyndall-Effekt durch Streuung des eingestrahlten Meßlichtes an den suspendierten Schwebeteilchen ergibt.

Das letztgenannte Ausführungsbeispiel eröffnet insbesondere in besonders voteilhafter Weise die Möglichkeit, die Refe­ renzflüssigkeit selbst als Suspension auszubilden, so daß sich ein besonders einfacher Aufbau des erfindungsgemäßen Sensors ergibt.

Schließlich ist noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung bevorzugt, bei dem am freien Ende des Körpers ein weiteres fotoempfindliches Element angeordnet ist.

Diese Maßnahme hat den besonderen Vorteil, daß das am freien Ende des Körpers austretende Restlicht, das nicht in die Referenzflüssigkeit bzw. die Meßflüssigkeit ausgetreten ist, als Referenzlicht verwendet werden kann, so daß in einer geeigneten Auswertungsschaltung, beispielsweise einem Quotientenbildner, ein Meßwert als Quotient aus Meßlicht und Referenzlicht erzeugt werden kann, in den Alterungserschei­ nungen im optischen System nicht eingehen.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.

Es versteht sich, daß die vorstehend geschilderten und die nachstehend noch erläuterten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen sowie jeweils in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlas­ sen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung im Schnitt eines ersten Ausfüh­ rungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensors in einem Behälter;

Fig. 2 eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbei­ spiels eines erfindungsgemäßen Sensors mit einer in einem weiteren Glasrohr eingeschlossenen Suspen­ sion;

Fig. 3 eine Darstellung wie Fig. 2, jedoch für ein weite­ res Ausführungsbeispiel, bei dem eine Referenzflüs­ sigkeit selbst als Suspension ausgebildet ist;

Fig. 4 einen weiteren Ausschnitt aus einer Darstellung gemäß Fig. 2 oder 3, jedoch für ein weiteres Aus­ führungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine Refe­ renzbildung möglich ist.

In Fig. 1 ist mit 10 ein Behälter in abgebrochener Darstel­ lung 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 Referenz­ flüssigkeiten oder optisch leitende Referenzmedien Verwen­ dung 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, wie 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 Brechzhal 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 Lichtlei­ ter 16. Das Glasrohr 14 ist an seiner Oberseite verschlossen und in diesem Verschluß befinden sich fotoempfindliche Elemente 20 neben der durch den Verschluß geführten Glasfa­ ser 16, wobei die fotoempfindlichen Elemente 20 mit An­ schlüssen 21 versehen sind.

Von der Oberseite der Glasfaser 16 wird Licht 24 von oben in die Glasfaser 16 eingeleitet.

Die Glasfaser 16 weist über ihre in der Referenzflüssig­ keit 15 befindliche Länge Streuzentren auf, von denen zwei beispielhaft mit 25 und 26 bezeichnet sind. Derartige Streu­ oder Farbzentren 25 oder 26 können in an sich bekannter Weise durch Bestrahlung der Glasfaser 16 mit harter Strah­ lung erzeugt werden.

Am Beispiel des Streuzentrums 25, das sich oberhalb des Füllstandes 12 befindet, ist angedeutet, daß ein darauf auftreffender Lichtstrahl 35 "nach hinten" abgelenkt wird und schräg auf das Glasrohr 14 auftrifft. Dieser reflektier­ te Lichtstrahl 36 wird, weil das Glasrohr 14 sich an dieser Stelle in der Luft befindet, an der Außenoberfläche 37 des Glasrohrs 40 reflektiert und gelangt - gegebenenfalls nach weiteren Totalreflektionen - als Lichtstrahl 38 in den Bereich der fotoempfindlichen Elemente 20.

Anders liegen die Verhältnisse bei dem unterhalb des Füll­ standes 12 befindlichen Streuzentrum 26. Ein darauf auftref­ fender Lichtstrahl 40 wird zwar ebenfalls zunächst "nach hinten" als Lichtstrahl 41 reflektiert, da sich das Glas­ rohr 14 in diesem Bereich 14 jedoch in der Flüssigkeit 11 befindet, tritt der Lichtstrahl 41 als Lichtstrahl 42 in die Flüssigkeit 11 aus.

Im Ergebnis bedeutet dies, daß die unterhalb des Füllstan­ des 12 befindlichen Streuzentren das auf sie auftreffende Licht gesamthaft nach außen in die Flüssigkeit reflektieren, so daß das an den Anschlüssen 21 abnehmbare Signal ein Maß für den integralen Lichtstrom ist, der über die in Luft befindliche Länge des Glasrohrs 14 total reflektiert wird.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist am freien Ende der Glasfaser 16 ein Absorber 27 vorgesehen, der das dort auf­ treffende Restlicht absorbiert.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von demjenigen gemäß Fig. 1 dadurch, daß anstelle einer Glasfa­ ser 16 ein zweites Glasrohr 50 vorgesehen ist, in dem sich eine flüssige Suspension, das heißt ein disperses System aus unlöslichen Feststoffteilen und einer Basisflüssigkeit befindet. Es ist bekannt, daß sich bei Auftreffen des Lich­ tes 24 auf eine solche Suspension 51 der sogenannte Tyndall- Effekt einstellt, nachdem Licht an den suspendierten klei­ nen Teilchen in Abhängigkeit von dessen Größe, Form und Material gestreut wird. Auf diese Weise ist das Licht 21 beim Durchtritt durch die Suspension 51 von der Seite her sichtbar, was in Fig. 2 durch zwei suspendierte Teilchen 52 und 53 oberhalb bzw. unterhalb des Füllstandes 12 veran­ schaulicht ist. An diesen suspendierten Teilchen 52, 53 stellt sich derselbe Strahlengang ein, wie er bereits aus­ führlich zu Fig. 1 geschildert wurde.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 stellt eine Variante des Ausführungsbeispiels von Fig. 2 dar und ist insoweit noch vereinfacht, als nunmehr das gesamte Glasrohr 14 von einer Suspension 51 a ausgefüllt ist. Die Suspension 51 a dient bei diesem Ausführungsbeispiel sowohl als längliche diffuse Lichtquelle wie auch als Referenzflüssigkeit, wie sie in Fig. 1 mit 15 bezeichnet war.

Auch in Fig. 3 sind wieder beispielhaft zwei suspendierte Teilchen 54 und 55 oberhalb bzw. unterhalb des Füllstan­ des 12 eingezeichnet, um den jeweiligen Strahlengang zu veranschaulichen.

Schließlich zeigt Fig. 4 noch eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Sensors, bei dem am freien Ende der läng­ lichen Lichtquelle, beispielsweise der mit Streuzentren versehenen Glasfaser 16 ein weiteres fotoempfindliches Element 60 angebracht ist, das über einen Anschluß 61 mit einer Klemme 62 in Verbindung steht.

Auf das weitere fotoempfindliche Element 60 fällt das nicht an den Streuzentren diffus reflektierte Licht, so daß an der Klemme 62 ein Referenzsignal abgenommen werden kann. Das auf das weitere fotoempfindliche Element 60 fallende Restlicht ist nämlich allen Temperatur- und Alterungsprozessen sowie sonstigen Veränderungen unterworfen, denen das optische System des erfindungsgemäßen Sensors ausgesetzt ist. Wird nun das an der Klemme 62 abnehmbare Referenzsignal zu einer Quotientenbildung mit dem an den Klemmen 21 abnehmbaren Meßsignal benutzt, entsteht ein Quotientensignal, bei dem sämtliche Temperatur- und Alterungserscheinungen u.dgl. kompensiert sind.

Claims (6)

1. Sensor zum Messen des Füllstandes einer Flüssig­ keit (11), mit einem lichtdurchlässigen Rohr (14), in dem eine längliche Lichtquelle angeordnet ist, das in die Flüssigkeit (11) eintaucht, in der sich das Rohr (14) und die längliche Lichtquelle sowohl ober­ halb als auch unterhalb eines Füllstandes (12) er­ strecken, mit mindestens einem fotoempfindlichen Element (20), das an die von der Flüssigkeit (11) weg weisende Endfläche des Sensors angeschlossen ist, und das ein dem Füllstand (12) der Flüssigkeit (11) ent­ sprechendes Signal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (14) mit einem optisch leitenden Refe­ renzmedium, vorzugsweise einer Referenzflüssgkeit (15) gefüllt ist, wobei die optische Brechzahl (n ₁) des Referenzmediums vorzugsweise kleiner oder gleich ist wie die Brechzahl (n ₂) der zu messenden Flüssig­ keit (11), daß das fotoempfindliche Element (20) in die von der Flüssigkeit (11) weg weisende Endfläche des Rohres (14) eingebaut ist (insbesondere nach Patentanmeldung P 34 17 023.5-52), und daß die Licht­ quelle einen länglichen, lichtdurchlässigen Körper aufweist, der von einer Stirnseite mit Licht (24) beaufschlagt wird, wobei der Körper Stellen (25, 26; 52, 53; 54, 55) zum Streuen des eingestrahlten Lich­ tes (24) oder zum Erzeugen von durch das Licht (24) induziertem Sekundärlicht aufweist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper ein transparenter Festkörper, vorzugsweise ein Glasstab oder Glasfaser (16) mit eingebrachten Streuzentren (25, 26) ist.

3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper ein transparenter Festkörper, vorzugsweise ein Kunststoffstab mit eingebrachten Fluoreszenzzen­ tren ist.

4. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper eine in einem Glasrohr (50) angeordnete Säule einer flüssigen Suspension (51) ist.

5. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper die als Suspension (51 a) ausgebildete Referenzflüssigkeit ist.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß am freien Ende des Körpers ein weiteres fotoempfindliches Element (60) angeordnet ist.