DE3614130A1 - Fluid level sensor - Google Patents

Fluid level sensor

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Abstract

A fluid level sensor for monitoring a minimum level consists of a transmission light waveguide (1) which ends at the level of the liquid level to be monitored and a reception light waveguide (3) which begins there and between whose endfaces (5, 6) which extend preferably obliquely to the respective longitudinal axes there is a gap (a) which is accessible for the fluid (7). In this way, it is ensured that the optoelectric transducer (4) which is coupled to the reception light waveguide (3) supplies a signal whenever the fluid level is above the minimum level. This reversal of the previously customary principle of signal emission prevents a defect in the monitoring circuit being incorrectly interpreted as a satisfactory level. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Flüssigkeitspegelfühler zur Minimumüberwachung, bestehend aus einem in Höhe des zu überwachenden Pegels endenden Sendelichtwellen­ leiter und einem dort beginnenden Empfangslichtwellen­ leiter.The invention relates to a liquid level sensor for minimum monitoring, consisting of one in height of the transmitted light waves to be monitored conductor and a reception light waves starting there ladder.

Solche Flüssigkeitspegelfühler sind bekannt und dienen zur Signalisierung der Unterschreitung der Mindestfüll­ standshöhe einer Flüssigkeit, die für den Betrieb irgendeiner Vorrichtung betriebsnotwendig ist. Der Nachteil der bisher bekannten optischen Flüssigkeits­ pegelfühler der einleitend genannten Gattung, die ins­ besondere dann eingesetzt werden, wenn entsprechende elektrische Sensoren nicht zulässig sind, liegt darin, daß ein Reflexionsprinzip verwendet wird, bei dem auf die Empfangsseite kein optisches Signal übertragen wird, solange der überwachte Pegel größer oder gleich dem Minimumpegel ist, hingegen der Empfänger ein optisches Signal erhält, wenn der Minimumpegel unterschritten ist. Jeder Defekt, sei es auf der Sendeseite, sei es auf der Empfangsseite oder in der nachgeschalteten Auswerte­ elektronik, unterbindet daher eine Signalgabe bei Minimumunterschreitung, täuscht also einen ordnungs­ gemäßen Pegelstand auch dann vor, wenn das Minimum unterschritten ist. Dies kann wiederum schwerwiegende Folgen für Geräte und Anlagen haben, für deren störungs­ freien Betrieb die Flüssigkeit unerläßlich ist.Such liquid level sensors are known and are used to signalise that the minimum fill level has not been reached level of a liquid necessary for operation any device is operational. The Disadvantage of the previously known optical liquid level sensor of the type mentioned in the introduction, which ins special when used accordingly electrical sensors are not permitted, lies in that a reflection principle is used, in which no optical signal is transmitted on the receiving side, as long as the monitored level is greater than or equal to that Minimum level is, however, the receiver is an optical Receives signal when the minimum level is undershot. Every defect, be it on the transmission side, be it on on the receiving side or in the downstream evaluation electronics, therefore prevents signaling Below the minimum, deceives an order appropriate level even if the minimum is below. Again, this can be serious Consequences for devices and systems, for their malfunction free operation the liquid is essential.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Flüssigkeitspegelfühler der einleitend angegebenen Gattung zu schaffen, die insofern redundant ist, als sowohl ein Ausfall des Pegelfühlers selbst als auch ein Defekt in der nachgeschalteten Auswerteelektronik sich in gleicher Weise wie eine Unterschreitung des überwachten Pegels bemerkbar machen.The invention is therefore based on the object Liquid level sensor of the initially specified To create genre that is redundant in that both a failure of the level sensor itself and a defect in the downstream evaluation electronics in the same way as falling below the the monitored level.

Diese Aufgabe ist bei einem Flüssigkeitspegelfühler der einleitend genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich zwischen den Stirnflächen der beiden Lichtwellenleiter ein für die Flüssigkeit zugänglicher Spalt befindet.This task is with a liquid level sensor the genus mentioned in the introduction according to the invention solved that between the end faces of the two Optical fiber an accessible for the liquid Gap is located.

Auf diese Weise wird erreicht, daß das Licht von dem Sende- zu dem Empfangslichtwellenleiter nur dann gelangen kann, wenn der in Höhe des Minimumpegels angeordnete Spalt optisch durch die Flüssigkeit überbrückt wird. Der Spalt ist selbstverständlich so dimensioniert, daß die Flüssigkeit nicht allein aufgrund ihrer Ober­ flächenspannung in dem Spalt haften bleibt. Fällt also die Flüssigkeit unter den vorgegebenen Pegel, so wird infolge Reflexion des Lichts an den Stirnflächen sowohl des Sende- als auch des Empfangslichtwellenleiters auf die Empfangsseite kein oder praktisch kein Licht übertragen und dieser Zustand an geeigneter Stelle signalisiert. Im gleichen Sinne würde sich aber auch ein etwaiger Defekt an irgendeiner Stelle bzw. in irgendeinem der Teile des Pegelfühlers bemerkbar machen.In this way it is achieved that the light from the Then only transmit to the receiving light waveguide can, if the arranged at the level of the minimum level Gap is bridged optically by the liquid. The gap is of course dimensioned so that the liquid is not due to its surface alone surface tension sticks in the gap. Falls so the liquid below the given level, as a result of reflection of light on the end faces of both the transmitting and the receiving light waveguide no or practically no light on the receiving side transferred and this state in a suitable place signals. In the same sense, however, would also a possible defect at any point or in make any of the parts of the level sensor noticeable.

Die Ausführungsform nach Anspruch 2 schafft verbesserte Bedingungen für die Totalreflexion der Lichtstrahlung an den jeweiligen Glas/Luft-Grenzflächen.The embodiment of claim 2 provides improved Conditions for total reflection of light radiation at the respective glass / air interfaces.

Die Ausführungsform nach Anspruch 3 ergibt eine über den Querschnitt der Lichtwellenleiter konstante Spaltbreite und verhindert, daß eine Flüssigkeitsbrücke in dem Spalt bestehen bleibt, wie dies bei einem Spalt zwischen nicht parallelen Stirnflächen in dessen schmaleren Teil eintreten kann.The embodiment according to claim 3 results in a  Cross section of the optical waveguide constant gap width and prevents a liquid bridge in the Gap remains, as is the case with a gap between non-parallel faces in its narrower part can occur.

Die Spaltbreite hängt vom Brechungsindex und von der Transparenz der Flüssigkeit ab. Für große Spaltbreiten empfiehlt sich die Ausführungs­ form nach Anspruch 4, die bei flüssigkeitsgefülltem Spalt die Kopplung zwischen Sendelichtwellenleiter und Empfangslichtwellenleiter verbessert.The slit width depends on the refractive index and the transparency of the Liquid. The execution is recommended for large gap widths mold according to claim 4, the liquid-filled Gap the coupling between the transmission fiber and Receiving light waveguide improved.

Eine nochmalige Erhöhung der Kopplung wird durch die im Anspruch 5 angegebene Maßnahme erreicht.A further increase in the coupling is achieved by the Claim 5 specified measure achieved.

Die Totalreflexion muß nicht notwendigerweise an den jeweiligen Stirnflächen, insbesondere an schräg ange­ schliffenen Stirnflächen von Sendelichtwellenleiter und Empfangslichtwellenleiter stattfinden. Gemäß Anspruch 6 kann alternativ hierzu in dem Spalt ein geeigneter optischer Keil oder ein Prisma angeordnet werden.The total reflection does not necessarily have to go to the respective end faces, in particular at an angle ground end faces of transmission fiber and Reception light waveguide take place. According to claim 6 can alternatively be a suitable one in the gap optical wedge or a prism can be arranged.

In der Ausgestaltung dieser Ausführungsform gemäß Anspruch 7 können dann auch Lichtwellenleiter mit besonders kleinem Kerndurchmesser verwendet werden.According to the embodiment of this embodiment Claim 7 can then also with optical fibers particularly small core diameter can be used.

Eine platzsparende Bauweise des Pegelfühlers erhält man durch die Ausführungsform gemäß Anspruch 8, die es erlaubt, den Sendelichtwellenleiter und den Empfangslichtwellenleiter parallel zueinander an den zu überwachenden Minimumpegel heranzuführen.A space-saving design of the level sensor is obtained one by the embodiment according to claim 8, which allows the transmission optical fiber and the Receiving light waveguide in parallel to each other minimum levels to be monitored.

In der Zeichnung ist der Pegelfühler nach der Erfindung in mehreren Ausführungsformen schematisch vereinfacht dargestellt. Es zeigt: In the drawing is the level sensor according to the invention schematically simplified in several embodiments shown. It shows:  

Fig. 1a und 1b eine erste Ausführungsform mit schräg angeschliffenen Stirnflächen der beiden Lichtwellenleiter, Fig. 1a and 1b, a first embodiment with an obliquely sharpened end faces of the two optical waveguides,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform mit verbesserter Kopplung, Fig. 2 shows a second embodiment with an improved coupling,

Fig. 3a und 3b eine dritte Ausführungsform für große Spaltweiten und/oder kleine Kerndurchmesser und FIGS. 3a and 3b, a third embodiment for large gap widths and / or small core diameter and

Fig. 4a und 4b eine vierte Ausführungsform mit parallelen Lichtwellenleitern. FIGS. 4a and 4b, a fourth embodiment with parallel optical waveguides.

Der in den Fig. 1a und 1b dargestellte Pegelfühler umfaßt einen Sendelichtwellenleiter 1, in den z.B. mittels einer Luminiszenzdiode 2 Lichtstrahlung eingekoppelt wird, sowie einen Empfangslichtwellenleiter 3, der mit einer Fotodiode 4 oder einem anderen optoelektrischen Wandler gekoppelt ist. Zwischen den unter einem Winkel α schräg in bezug auf die jeweilige Längsachse geneigten Stirnflächen 5 bzw. 6 des Sendelichtwellenleiters 1 bzw. des Empfangslichtwellenleiters 3 befindet sich ein Spalt der Breite a. Steht der Pegel der Flüssigkeit 7 unterhalb dieses Spaltes, so tritt an der Stirnfläche 5 des Sendelichtwellenleiters 1 Totalreflexion ein. Auch die Stirnfläche 6 des Empfangslichtwellenleiters 3 wirkt bei luftgefülltem Spalt a totalreflektierend (Fig. 1a). Ist hingegen der Spalt flüssigkeitsgefüllt, so wird je nach dem Brechungsindex der Flüssigkeit 7 im Verhältnis zu dem Brechungsindex der Lichtwellenleiter ein mehr oder minder großer Teil der Lichtstrahlung von dem Sendelichtwellenleiter 1 in den Empfangslichtwellen­ leiter 3 gekoppelt (Fig. 1b). The level sensor shown in FIGS . 1a and 1b comprises a transmission optical waveguide 1 , into which light radiation is coupled, for example, by means of a luminance diode 2 , and a reception light waveguide 3 , which is coupled to a photodiode 4 or another optoelectric converter. There is a gap of width a between the end faces 5 or 6 of the transmission optical waveguide 1 or of the reception optical waveguide 3 , which are inclined at an angle α with respect to the respective longitudinal axis. If the level of the liquid 7 is below this gap, total reflection occurs at the end face 5 of the transmission optical waveguide 1 . The end face 6 of the reception light waveguide 3 also has a total reflection effect when the gap a is filled with air ( FIG . If, on the other hand, the gap is filled with liquid, depending on the refractive index of the liquid 7 in relation to the refractive index of the optical waveguide, a more or less large part of the light radiation from the transmitting optical waveguide 1 is coupled into the receiving light waveguide 3 ( FIG. 1b).

Nur in diesem Fall liefert die Fotodiode 4 ein ausreichend hohes Ausgangssignal, das angibt, daß der Pegel der Flüssigkeit 7 sich über dem Minimum befindet.Only in this case does the photodiode 4 deliver a sufficiently high output signal, which indicates that the level of the liquid 7 is above the minimum.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 wird bei im übrigen unveränderter Funktion ein Empfangslichtwellenleiter 3 a verwendet, der einen wesentlich größeren Durchmesser als der Sendelichtwellenleiter 1 hat. Der letztere endet in einem optisch transparenten Körper 8, der etwa den gleichen Brechungsindex wie der Sendelichtwellenleiter 1 hat und dessen Stirnfläche 9 schräg zur Längsachse parallel zu der gegenüberliegenden Stirnfläche 6 a des Empfangslichtwellenleiters 3 a ange­ schliffen ist. Diese Ausführungsform hat eine größere Schaltdynamik bzw. erlaubt eine Vergrößerung der Spaltbreite a.In the embodiment according to FIG. 2, a receiving optical waveguide 3 a is used with otherwise unchanged function, which has a substantially larger diameter than the transmitting optical waveguide 1 . The latter ends in an optically transparent body 8 , which has approximately the same refractive index as the transmission optical waveguide 1 and whose end face 9 is grinded obliquely to the longitudinal axis parallel to the opposite end face 6 a of the receiving light waveguide 3 a . This embodiment has greater switching dynamics or allows the gap width a to be increased .

Eine weitere Möglichkeit der Vergrößerung der Spaltbreite a ist in Fig. 3a ohne Flüssigkeit und in Fig. 3b mit Flüssigkeit dargestellt. Die Stirnfläche 5 des Sendelichtwellenleiters 1, der einen sehr kleinen Kerndurchmesser haben kann, verläuft rechtwinklig zur Längsachse, ebenso die Stirn­ fläche 6 des Emfpangslichtwellenleiters 3. In den Spalt a sind eine Kugellinse 11 im Abstand ihrer Brenn­ weite f von der Stirnfläche 5 des Sendelichtwellenleiters 1, ein Prisma 10 mit zu der Längsachse des Sendelicht­ wellenleiters 1 rechtwinkliger Kathetenfläche 10 a und dem Empfangslichtwellenleiter 3 zugewandter Hypothenusen­ fläche 10 c, sowie eine zweite Linse 12 im Abstand ihrer Brennweite f von der Stirnfläche 6 des Empfangslicht­ wellenleiters 3 angeordnet. Befindet sich keine Flüssigkeit in dem Spalt a so wird die Strahlung an der Hypothenusenfläche 10 c des Prismas 10 totalreflektiert (Fig. 3a). Ist der Spalt mit Flüssigkeit 7 gefüllt, so fokussiert die Linse 12 das durch das Prisma 10 hindurch­ tretende Parallellichtbündel auf die dünne Faser des Empfangslichtwellenleiters 3. Another possibility of increasing the gap width a is shown in FIG. 3a without liquid and in FIG. 3b with liquid. The end face 5 of the transmission optical waveguide 1 , which can have a very small core diameter, extends at right angles to the longitudinal axis, as does the end face 6 of the receiving optical waveguide 3 . In the gap a are a spherical lens 11 at a distance of their focal length f from the end face 5 of the transmission light waveguide 1 , a prism 10 with the longitudinal axis of the transmission light waveguide 1 right-angled catheter surface 10 a and the receiving light waveguide 3 facing hypothenus surface 10 c , and a second Lens 12 is arranged at a distance of its focal length f from the end face 6 of the receiving light waveguide 3 . There is no liquid in the gap a so that radiation is on the hypotenuse surface 10 c of the prism 10 is totally reflected (Fig. 3a). If the gap is filled with liquid 7 , the lens 12 focuses the parallel light bundle passing through the prism 10 onto the thin fiber of the receiving light waveguide 3 .

Die Fig. 4a und 4b zeigen eine Ausführungsform, bei der der Sendelichtwellenleiter 1 und der Empfangs­ lichtwellenleiter 3 platzsparend parallel bis an den zu überwachenden Minimumpegel herangeführt werden können. Zur Kopplung dienen zwei aneinandergrenzende, gegebenen­ falls auch einstückige Dachkantprismen 13 bzw. 14, an deren Hypothenusenflächen 13 c bzw. 14 c der Sendelichtwellenleiter 1 bzw. der Empfangslichtwellen­ leiter 3 gegenüber den jeweils außenliegenden und zur Strahlumlenkung totalreflektierend ausgebildeten Katheten­ flächen 13 a bzw. 14 b enden. Der Spalt befindet sich zwischen den einander zugewandten Kathetenflächen 13 b und 14 a der Prismen 13 und 14. An der Kathetenfläche 13 b tritt bei luftgefülltem Spalt ebenfalls Totalreflexion auf (Fig. 4a). Sofern die Flüssigkeit 7 den Spalt a ausfüllt, tritt hingegen die Strahlung zum größten Teil aus dem Prisma 13 aus und in das Prisma 14 ein (Fig. 4b). An die Prismen 13 und 14 werden keine hohen optischen Anforderungen gestellt. Sie können daher auch als einstückiges Bauteil aus transparentem Kunststoff an die Enden der Lichtwellenleiter angegossen werden, wobei die Lichtwellenleiter mit entsprechend abgeschräg­ ten Stirnflächen unmittelbar an den entsprechenden Kathetenseiten 13 a bzw. 14 b enden können. FIGS. 4a and 4b show an embodiment in which the transmitting optical fiber 1 and the reception can be optical fiber 3 a space-saving zoom out parallel to the monitoring at the minimum level. Two adjoining, if necessary also one-piece roof prisms 13 and 14 are used for coupling, on the hypotenuse surfaces 13 c and 14 c of the transmission optical waveguide 1 and the reception light waveguide 3 relative to the respective outer catheter surfaces 13 a and 14, which are designed to be totally reflective for beam deflection b end. The gap is between the mutually facing catheter surfaces 13 b and 14 a of prisms 13 and 14 . B at the cathetus 13 also occurs in air-filled gap total reflection (Fig. 4a). If the liquid 7 fills the gap a , on the other hand, the radiation largely exits the prism 13 and enters the prism 14 ( FIG. 4b). No high optical requirements are imposed on prisms 13 and 14 . They can therefore also be cast as a one-piece component made of transparent plastic at the ends of the optical waveguides, the optical waveguides with correspondingly beveled end faces can end directly on the corresponding catheter sides 13 a or 14 b .

Claims (8)

1. Flüssigkeitspegelfühler zur Minimumüberwachung, bestehend aus einem in Höhe des zu überwachenden Pegels endenden Sendelichtwellenleiter und einem dort beginnenden Empfangslichtwellenleiter, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen den Stirn­ flächen (5, 6) der beiden Lichtwellenleiter (1, 3) ein für die Flüssigkeit (7) zugänglicher Spalt (a) befindet.1. Liquid level sensor for minimum monitoring, consisting of a transmitting optical waveguide ending at the level to be monitored and a receiving optical waveguide starting there, characterized in that between the end faces ( 5 , 6 ) of the two optical waveguides ( 1 , 3 ) one for the liquid ( 7 ) accessible gap ( a ). 2. Pegelfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Stirnfläche (5) des Sendelichtwellen­ leiters (1) unter einem spitzen Winkel (a) gegen dessen Längsachse geneigt ist.2. Level sensor according to claim 1, characterized in that at least the end face ( 5 ) of the transmission light waveguide ( 1 ) is inclined at an acute angle ( a ) against its longitudinal axis. 3. Pegelfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stirnfläche (6) des Empfangslicht­ wellenleiters (3) parallel zu derjenigen des Sende­ lichtwellenleiters (1) verläuft.3. Level sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the end face ( 6 ) of the receiving light waveguide ( 3 ) runs parallel to that of the transmitting optical waveguide ( 1 ). 4. Pegelfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfangslichtwellen­ leiter (3 a) einen größeren Kerndurchmesser als der Sendelichtwellenleiter (1) hat.4. Level sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the receiving light waveguide ( 3 a ) has a larger core diameter than the transmitting optical waveguide ( 1 ). 5. Pegelfühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Sendelichtwellenleiters (1) durch einen optisch transparenten Körper (8) von etwa dem gleichen Brechungsindex vergrößert ist, wobei die Stirnfläche (9) dieses Körpers (8) an die Stelle der Stirnfläche des Sendelichtwellenleiters (1) tritt.5. Level sensor according to claim 4, characterized in that the diameter of the transmission optical waveguide ( 1 ) is increased by an optically transparent body ( 8 ) of approximately the same refractive index, the end face ( 9 ) of this body ( 8 ) in place of the end face of the transmission optical fiber ( 1 ) occurs. 6. Pegelfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen (5, 6) des Sendelichtwellenleiters (1) und des Empfangslicht­ wellenleiters (2) jeweils rechtwinklig zu deren Längsachsen verlaufen, und daß sich in dem Spalt (a) ein optischer Keil oder ein Prisma (10) befindet, dessen eine Kathetenfläche (10 a) rechtwinklig zu der Längsachse des Sendelichtwellenleiters (1) verläuft, und dessen Hypothenusenfläche (10 c) dem Empfangs­ lichtwellenleiter (3) zugewandt ist.6. Level sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the end faces ( 5 , 6 ) of the transmission optical waveguide ( 1 ) and the receiving light waveguide ( 2 ) each extend at right angles to their longitudinal axes, and that in the gap ( a ) there is an optical wedge or a prism ( 10 ), the one catheter surface ( 10 a ) of which runs at right angles to the longitudinal axis of the transmitting optical waveguide ( 1 ), and the hypotenuse surface ( 10 c ) of which faces the receiving optical fiber ( 3 ). 7. Pegelfühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Strahlengang vor und/oder hinter dem optischen Keil oder Prisma (10) eine Linse (11,12) befindet,deren Brennweite (f) gleich ihrem Abstand von der jeweiligen Stirnfläche (5, 6) ist.7. Level sensor according to claim 6, characterized in that there is a lens ( 11, 12 ) in the beam path in front of and / or behind the optical wedge or prism ( 10 ), the focal length ( f ) of which is equal to its distance from the respective end face ( 5 , 6 ) is. 8. Pegelfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sendelichtwellen­ leiter (1) an der Hypothenusenfläche (13 c) und gegen­ über einer verspiegelten Kathetenfläche (13 a) eines Dachkantprismas (13) endet, daß der parallel zu dem Sendelichtwellenleiter (1) verlaufende Empfangs­ lichtwellenleiter (3) an der Hypothenusenfläche (14 c) eines zweiten, spiegelbildlich zu dem ersten Dach­ kantprisma (13) angeordneten und ausgebildeten Dachkantprismas (14) beginnt, und daß der Spalt (a) sich zwischen den unverspiegelten Kathetenflächen (13 b, 14 a) der beiden Prismen (13, 14) befindet.8. Level sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the transmission light waveguide ( 1 ) on the hypotenuse surface ( 13 c ) and against a mirrored catheter surface ( 13 a ) of a roof prism ( 13 ) ends that parallel to that Transmitting optical waveguide ( 1 ) receiving optical waveguide ( 3 ) on the hypotenuse surface ( 14 c ) of a second roof prism ( 13 ) arranged and formed in mirror image to the first roof prism ( 14 ) begins, and that the gap ( a ) between the non-mirrored catheter surfaces ( 13 b , 14 a ) of the two prisms ( 13 , 14 ).
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