DE3605403A1

DE3605403A1 - Optoelektronischer niveausensor

Info

Publication number: DE3605403A1
Application number: DE19863605403
Authority: DE
Inventors: Peter Faubel
Original assignee: Individual
Current assignee: UHLE, MATHIAS, PROF. DR.-ING., 44149 DORTMUND, DE
Priority date: 1986-02-20
Filing date: 1986-02-20
Publication date: 1987-08-27
Anticipated expiration: 2006-02-21
Also published as: DE3605403C2

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und ein Gerät zur Messung der Lage eines Flüssigkeitsniveaus mittels optischer Abbildung.

Eine weitverbreitete Möglichkeit zur Messung eines Flüssigkeitsniveaus ist die Verwendung von Schaugläsern. Es gibt weiterhin Geräte und Verfahren, die mittels übereinander angeordneter "Lichtschranken" den Stand des Flüssigkeitsniveaus in den Schaugläsern erfassen und ihn als elektrisches Signal für die Weiterverarbeitung in Meß- und Automatisierungsgeräten zur Verfügung stellen.

Ein Nachteil dieser Verfahren ist jedoch, daß die Meßgenauigkeit und -auflösung durch den vertikalen Abstand der Strahlungsempfänger untereinander begrenzt wird.

Die Erfindung löst die Aufgabe, das Flüssigkeitsniveau mit wesentlich höherer Meßgenauigkeit und -auflösung zu vermessen und diese Information als elektrisches Signal zur Verfügung zu stellen.

Das Verfahren gemäß dieser Erfindung beruht darauf, daß im Bereich des Flüssigkeitsniveaus ein kontinuierlicher Übergang der Bestrahlungsstärke vorliegt. Dieser Übergang muß so breit sein, daß wenigstens zwei Strahlungsempfänger in seinem Bereich liegen. Aus den von diesen Empfängern gemessenen Werten der Bestrahlungsstärke wird anhand ihrer Lage und des von der gewählten optischen Abbildung abhängigen erwarteten Verlaufs die exakte Lage des Flüssigkeitsniveaus interpoliert.

Es ist dabei prinzipiell ohne Bedeutung, ob die Bestrahlungsstärke oberhalb des Flüssigkeitsniveaus größer ist, als unterhalb oder umgekehrt.

Anhand einer möglichen Ausführungsform eines Gerätes gemäß diesem Verfahren, dargestellt in Fig. 1 und Fig. 2, sei die Arbeitsweise näher erläutert:

Das Rohr (1) des Schauglases ist im unteren Bereich von der Flüssigkeit (2), im oberen Bereich von dem darüberliegenden Gas (3) erfüllt.

Auf der einen Seite dieses transparenten Rohres ist eine linienförmige Strahlungsquelle (4) angeordnet, die in vertikaler Richtung ungerichtet abstrahlt.

Auf der anderen Seite des Rohres ist eine Reihe von Strahlungsempfängern (5) übereinander so angeordnet, daß ihre vertikale Lage genau bekannt ist, zum Beispiel durch Montage in gleichem Rasterabstand (6) zueinander.

Es seien zunächst die beiden Grenzfälle des vollständig gasgefüllten bzw. flüssigkeitsgefüllten Rohres betrachtet:

Befindet sich keine Flüssigkeit im Rohr, so mißt jeder Empfänger eine für diesen Fall charakteristische Bestrahlungsstärke E _g(z _i), wobei z _i die vertikale Lage des i-ten Empfängers bezeichnet und der Index g den gasgefüllten Zustand kennzeichnet.

Im Fall des vollständig mit Flüssigkeit gefüllten Rohres wird entsprechend eine Bestrahlungsstärke E _f(z _i), die ungleich E _g(z _i) ist, ermittelt, wobei der Index f den flüssigkeitsgefüllten Zustand kennzeichnet.

Im allgemeinen Fall des teilweise flüssigkeitsgefüllten Rohres messen die Empfänger eine Bestrahlungsstärke E _t, wobei der Index t den teilweise flüssigkeitsgefüllten Zustand kennzeichnet.

Weit oberhalb des Flüssigkeitsniveaus ist E _t etwa gleich E _g, weit unterhalb des Flüssigkeitsniveaus ist E _t näherungsweise gleich E _f. Im Bereich des Flüssigkeitsniveaus muß sich demnach ein Übergang der Bestrahlungsstärke von E _g auf E _f ergeben. Die Ausdehnung dieses Übergangsbereiches ist abhängig von den Richtcharakteristiken der verwendeten Strahlungsquelle und Empfänger.

Innerhalb dieses Übergangsbereiches mißt nun der Empfänger k die Bestrahlungstärke E _t(z _k) und der Empfänger l die Bestrahlungsstärke E _t(z _l), die ungleich E _t(z _k) ist.

In einem ersten Ansatz kann hieraus die Lage h des Flüssigkeitsniveaus linear interpoliert werden:

Hierbei wird für die Bestrahlungsstärke in Höhe des Flüssigkeitsniveaus der Mittelwert 1/2 · (E _g + E _f) vorgegeben. Da der Bestrahlungsstärkeverlauf theoretisch exakt bestimmbar ist, sind auch weitergehende Interpolationsalgorithmen denkbar.

Eine Voraussetzung für die korrekte Arbeitsweise dieses Verfahrens ist, daß E _f(z _i) ungleich E _g(z _i) ist. Im Fall transparenter Flüssigkeiten läßt sich dies beispielsweise durch Einfärbung der Flüssigkeit erreichen. Da das Verfahren jedoch nur Forderungen bezüglich des Strahlungsverhaltens in vertikaler Richtung stellt, ist es möglich, in dazu orthogonalen Ebenen den Strahlungsfluß so zu lenken, daß eine unterschiedliche Bestrahlungsstärke E _g(z _i) = E _f(z _i) erreicht wird.

Dies ist z. B. dadurch möglich, daß - wie in Fig. 2 gezeigt - das transparente Rohr (1) als optisches Abbildungselement zwischen der Strahlungsquelle (4) und den Empfängern (5) verwendet wird:

Aufgrund des im allgemeinen größeren Brechungsindex von Flüssigkeiten besitzt das flüssigkeitsgefüllte Rohr, wenn man es als optische Zylinderlinse ansieht, eine positive Brennweite. Bei geeignet gewähltem Abstand der Strahlungsquelle bzw. der Empfänger zu der Rohrachse läßt sich damit der Strahlungsfluß auf die Empfänger bündeln. Da im Gegensatz dazu die Brennweite des gasgefüllten Rohres negativ ist, beobachtet man am Ort der Empfänger einen deutlichen Unterschied in der Bestrahlungsstärke:

E _g(z _i) ≦ωτ E _f(z _i)

Die Messung der Signale der Strahlungsempfänger, z. B. Fotodioden, Fototransistoren usw., erfolgt auf bekannte Art und Weise mit elektronischen Mitteln. Benutzt man nur einen elektronischen Meßwertumsetzer mit vorgeschaltetem Umschalter, an den jeweils ein Empfangselement angeschlossen ist, und steuert diesen Umschalter durch einen Mikrorechner, der auch Zugriff auf die von einem Analog-Digital-Wandler umgesetzten Meßwerte hat, so läßt sich das Verfahren sehr einfach automatisieren, da der Rechner auch die Interpolationsrechnung ausführen kann.

Claims

1. Verfahren zur optischen Bestimmung der Lage eines Flüssigkeitsniveaus, dadurch gekennzeichnet, daß der durch unterschiedliche optische Transmissivität im Bereich der Flüssigkeit und des darüberliegenden Gases hervorgerufene Bestrahlungsstärkeverlauf in Höhe des Flüssigkeitsniveaus einen kontinuierlichen Übergang besitzt. Dieser Bestrahlungsstärkeverlauf wird an bekannten Orten punktuell erfaßt und anhand dieser Stichprobenwerte wird die exakte Lage des Flüssigkeitsniveaus interpoliert.

2. Gerät zur Ausführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1., gekennzeichnet durch in bekannter Höhe übereinander angeordnete Strahlungsempfänger zur Ermittlung des Bestrahlungsstärkeverlaufs.

3. Gerät zur Ausführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1., gekennzeichnet durch ein transparentes Rohr, das flüssigkeitsgefüllt wie eine optische Zylinderlinse mit positiver Brennweite wirkt, sodaß sich auch bei transparenten Flüssigkeiten eine unterschiedliche Bestrahlungsstärke in den Bereichen unter- und oberhalb des Flüssigkeitsniveaus einstellt.

4. Gerät zur Ausführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1. und 2., gekennzeichnet durch optoelektronische Meßwertumsetzer, die ihre Meßwerte einem Mikrorechner zur automatischen Durchführung der Interpolationsrechnung direkt zur Verfügung stellen.