DE3617717C2 - Faseroptischer Füllstandssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen faseroptischen Füllstandssensor für Flüssigkeiten.

In vielen Gebieten der Meß- und Regelungstechnik werden Detektoren zur Messung und Überwachung des Füllstandes von Flüssigkeiten in Behältern benötigt. Dabei hat sich insbesondere gezeigt, daß faseroptische Füllstandssen­ soren gegenüber konventionellen, beispielsweise mecha­ nisch-elektrischen Sensoren, bei denen ein Schwimmer mechanisch-elektrische Kontakte betätigt, eine Reihe von Vorteilen haben. Diese bestehen beispielsweise in der möglichen Miniaturisierung der Bauform, in der problemlosen Handhabung im Ex-Bereich als auch ihrer Hochdruckbeständigkeit und ihrer möglichen kurzen Reaktionszeit.

Es ist beispielsweise ein faseroptischer Füllstands­ sensor bekannt (US-Patentschrift 4 274 705), bei dem zwei Lichtwellenleiter mit jeweils einem ihrer Enden mit einem optischen Element, das die Gestalt eines halbierten Rotationsellipsoids hat, verbunden sind. Die Verbindungsstellen der beiden Lichtwellenleiter mit der ebenen Rückseite des Rotationsellipsoids befinden sich bei dessen Brennpunkten und die Lichtwellenleiter sind derart gegeneinander geneigt, daß sich deren Mittel­ achsen auf dem Punkt der Oberfläche des optischen Elements schneiden, dessen durch diesen Punkt ver­ laufende Tangentialebene parallel zur ebenen Rück­ seite des optischen Elementes ist. Das Licht, das von einem Lichtwellenleiter in das optische Element ein­ tritt, wird dann bei ideal spiegelnder Oberfläche des optischen Elements nahezu unabhängig von seiner Ausbreitungsrichtung in den zweiten Lichtwellenleiter hinein reflektiert, da die Austritts- bzw. Eintritts­ öffnung der beiden Lichtwellenleiter in den Brenn­ punkten eines Rotationsellipsoids angeordnet sind. Der Anteil des in den zweiten Lichtwellenleiter re­ flektierten Lichtes hängt vom Unterschied zwischen dem Brechungsindex des optischen Elementes und des ihn um­ gebenden Mediums ab und ist um so kleiner, je geringer dieser Unterschied ist. Dadurch kann von der Inten­ sität des in den zweiten Lichtwellenleiter reflek­ tierten Lichtes daraus geschlossen werden, ob sich das optische Element beispielsweise innerhalb oder außer­ halb einer Flüssigkeit befindet. Der Miniaturisierung sind jedoch dadurch Grenzen gesetzt, daß die Abmessungen des Rotationsellipsoids groß gegenüber dem Durchmesser der Lichtwellenleiter sein müssen, damit die Stirn­ flächen der Lichtwellenleiter als punktförmige Quellen oder Senken betrachtet werden können.

Es ist weiterhin ein faseroptischer Füllstandssensor bekannt (Spenner, K., Sing, M.D., Schnete, H., Boehnel, H.J.: Experimental investigations on fiber optic liquid level sensor and refractometers. First International Conference on Optical Fiber Sensors, London, IEE (1983), Seiten 96-99) bei dem das freie Ende eines einzigen Lichtwellenleiters zugleich als Sensorkopf ausgebildet ist. Eine Lichtquelle und ein Lichtdetektor sind in dieser Anordnung über einen Faserkoppler mit einem Lichtwellenleiter verbunden, der sowohl das von der Licht­ quelle emittierte Licht als auch das von seinem freien Ende teilweise reflektierte Licht transportiert. Das freie Ende des Lichtwellenleiters hat die Gestalt einer Kegel­ spitze, deren Kegelwinkel etwa 90° beträgt. Diese Kegel­ spitze stellt somit den eigentlichen Sensorkopf dar. Auch bei diesem Sensor ändert eine Änderung der Brechzahldiffe­ renz zwischen dem Lichtwellenleiter und der Umgebung den Anteil des an der Spitze in den Lichtwellenleiter zurück­ reflektierten Lichtes und somit das Signal am Detektor. Dieser Sensortyp ist insbesondere für Messungen unter räumlich beengten Verhältnissen geeignet, da die Größe des Sensorkopfes den Durchmesser des Lichtwellenleiters nicht überschreitet.

Ferner ist ein faseroptischer Füllstandssensor für Flüs­ sigkeiten bekannt, bei dem eine Lichtquelle mit dem einen Ende eines ersten Lichtwellenleiters und ein Lichtempfän­ ger mit dem einen Ende eines zweiten Lichtwellenleiters optisch verbunden sind und die anderen Enden dieser beiden Lichtwellenleiter mittels eines Faserkopplers jeweils mit einem Ende eines dritten Lichtwellenleiters und eines vierten Lichtwellenleiters optisch gekoppelt sind. Die anderen Enden des dritten und vierten Lichtwellenleiters sind frei und ragen unterschiedlich tief in den die zu messende Flüssigkeit enthaltenden Behälter hinein. Die freien Enden des dritten Lichtwellenleiters und des vierten Lichtwellenleiters weisen jeweils eine kegel­ förmige Gestalt auf (DE-A-32 35 591).

Diese bekannten Sensoren haben jedoch den Nachteil, daß eine durch Adhäsionskräfte verursachte Benetzung des Sensorkopfes durch Flüssigkeit, die stattfindet, wenn der Flüssigkeitsspiegel unter das Fühlerniveau ab­ sinkt, eine Hysterese zur Folge hat, die sich auf das Auflösungsvermögen des Sensors ungünstig auswirkt. Durch eine Benetzung des Sensorkopfes mit Flüssigkeit wird außerdem das Verhältnis zwischen den am Detektor bei eingetauchtem und nicht eingetauchtem Sensor gemessenen Signalen verschlechtert. Die Kegelform stellt zwar, vom theoretischen Gesichtspunkt aus unter Vernachlässigung der adhäsiven Eigenschaften der Flüssigkeit betrachtet, die günstigste Spitzenform dar. Der Erfindung liegt jedoch die Erkenntnis zugrunde, daß durch eine bei der Kegelform stattfindende ungleichmäßige Benetzung mit Flüssigkeit die theoretisch zu erwartenden Resulte nicht erreicht werden können.

Es ist auch ein Füllstandssensor mit einem im wesentlichen geraden Lichtleiterstab bekannt, bei dem ein freies Ende dieses Lichtleiterstabs die Gestalt eines Rotationskörpers hat, dessen Hüllkurve glatt ist und einen zur Längsachse des Rotationskörpers hin zunehmend kleiner werdenden Krümmungsradius aufweist. Die Höhe des Rotationskörpers ist größer als der Radius des Lichtleiterstabes. Als glatte Hüllkurven sind Ellipsen, Kettenlinien, Parabeln und Hyperbeln offenbart (DE-AS 21 39 865 und DE 25 05 485 A1).

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen faser­ optischen Füllstandssensor anzugeben, der sowohl eine ge­ genüber der Kegelform verringerte Hysterese als auch ein erhöhtes Signalverhältnis zwischen eingetauchtem und be­ netztem Zustand hat.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Da die Hüllkurve des Rotations­ körpers, die durch den Schnitt seiner Oberfläche mit einer die Drehachse enthaltenden Ebene gebildet wird, gekrümmt ist und im Bereich der Spitze einen glatten Verlauf hat, wird eine gegenüber der spitzen Kegelform gleichmäßigere Benetzung erreicht, die bewirkt, daß sich die für die Brechungs- und Reflexionsverhältnisse relevante geometri­ sche Form des Sensors nur geringfügig ändert. Die den Sen­ sor außerhalb des Flüssigkeitsspiegels umgebende Flüssig­ keitsschicht bildet dann gegenüber dem Umgebungsmedium eine totalreflektierende Grenzfläche, die der geometri­ schen Form der Oberfläche des Sensors weitgehend ent­ spricht und somit die Eigenschaften des Sensors nicht verändert. Der vom Schnittpunkt der Drehachse des Rota­ tionskörpers mit seiner Oberfläche zur Seitenfläche des dritten Lichtwellenleiters verlaufende Teil der Hüllkurve hat die Gestalt eines Polynoms wenigstens dritten Grades.

Für Faserlängen die kleiner als etwa 10 m sind, eignen sich insbesondere Lichtwellenleiter aus Kunststoff, vorzugsweise Polymethacrylsäuremethylester PMMA, da diese besonders einfach zu bearbeiten sind und eine kostengünstige Herstellung der optimalen Spitzen­ form ermöglichen.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in deren

Fig. 1 ein faseroptischer Füllstandssensor gemäß der Erfindung schematisch dargestellt ist und deren,

Fig. 2 eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Sensorkopfes im Schnitt zeigt.

Gemäß Fig. 1 enthält ein faseroptischer Füllstands­ sensor 2 eine Lichtquelle 4 und einen Lichtempfänger 6. Die Lichtquelle 4 und der Lichtempfänger 6 sind jeweils mit dem einen Ende eines ersten Lichtwellenleiters 8 und eines zweiten Lichtwellenleiters 10 optisch ver­ bunden. Die anderen Enden der Lichtwellenleiter 8 und 10 sind mit einem Faserkoppler 12 optisch gekoppelt. Der Faserkoppler 12 verknüpft die beiden Lichtwellen­ leiter 8 und 10 mit einem Ende eines dritten Licht­ wellenleiters 14. Der Lichtwellenleiter 14 hat ein freies Ende 16, das die Gestalt eines Rotationskörpers hat. Befindet sich das freie Ende 16 des Lichtwellen­ leiters 14 außerhalb einer Flüssigkeit 20 in einem Medium, beispielsweise Luft, dessen Brechungsindex n₂ deutlich geringer ist als der Brechungsindex n₁ des Lichtleitermaterials, so wird ein großer Teil des sich von der Lichtquelle 4 in Richtung zum freien Ende 16 ausbreitenden Lichtes dort total reflektiert und über die Verzweigung des Faserkopplers 12 und den Licht­ wellenleiter 10 zum Lichtempfänger 6 weitergeleitet. Taucht das freie Ende 16 in die Flüssigkeit 20 ein, deren Brechungsindex n₃ größer ist als der Brechungs­ index n₂ des Mediums oberhalb des Flüssigkeitsspiegels, so wird die Totalreflexionsbedingung für einen Teil des auf die Oberfläche des freien Endes 16 auftreffenden Lichtes nicht mehr erfüllt und dieser Anteil gelangt nicht mehr zum Lichtempfänger 6 zurück. Die auf den Lichtempfänger 6 auftreffende Lichtmenge ist dann verringert und das am Lichtempfänger 6 gemessene elektrische Signal ist ebenfalls entsprechend reduziert.

Gemäß Fig. 2 ist das als Rotationskörper ausgebildete freie Ende 16 des Lichtwellenleiters 14 derart ge­ staltet, daß seine in Richtung der Drehachse 18 ge­ messene Höhe h größer als der Radius r des Licht­ wellenleiters 14 ist. Die Hüllkurve 22 des freien Endes 16 wird durch die Schnittkurve seiner Oberfläche mit einer Ebene gebildet, die die Drehachse 18 des Rotationskörpers enthält. Die Spitze S des freien Endes 16 ist der Schnittpunkt der Drehachse 18 mit der Ober­ fläche des Rotationskörpers. Im Bereich der Spitze S hat die Hüllkurve 22 des Rotationskörpers einen glatten, stetig differenzierbaren Verlauf. Der von der Spitze S des freien Endes 16 zur Seitenfläche 24 des Lichtwellenleiters 14 verlaufende Teil der Hüllkurve 22 läßt sich mathematisch durch ein Polynom wenigstens dritten Grades beschreiben. Eine besonders vorteilhafte Form bei der Verwendung von Polymethacrylsäuremethyl­ ester PMMA als Lichtleitermaterial und Wasser als die überwachende Flüssigkeit hat die Gestalt

für die sich die Höhe h zu 2r ergibt. Die Ordinate y wird durch die Drehachse 18 gebildet und die Abszisse x liegt senkrecht dazu in der durch die Stirnfläche des zylindrischen Teils des Lichtwellenleiters 14 definierten Ebene. Durch diese Gestaltungsmerkmale wird eine gleich­ mäßige Benetzung des freien Endes 16 des Lichtwellenlei­ ters 14 mit der Flüssigkeit bewirkt und eine Optimierung des faseroptischen Füllstandssensors sowohl hinsichtlich seiner Hystereseeigenschaften als auch hinsichtlich seiner Signaldynamik erreicht.

Claims (2)

1. Faseroptischer Füllstandssensor (2) für Flüssigkeiten (20), bei dem eine Lichtquelle (4) mit dem einen Ende eines ersten Lichtwellenleiters (8) und ein Lichtempfänger (6) mit dem einen Ende eines zweiten Lichtwellenleiters (10) optisch verbunden und die anderen Enden dieser Licht­ wellenleiter (8, 10) gemeinsam mittels eines Faserkopplers (12) mit einem Ende eines dritten Lichtwellenleiters (14), dessen anderes Ende (16) frei ist, optisch gekoppelt sind, mit den weiteren Merkmalen, daß das freie Ende (16) des dritten Lichtwellenleiters (14) die Gestalt eines Rotationskörpers hat, dessen Höhe (h) größer ist als der Radius (r) des dritten Lichtwellenleiters (14) und der eine gekrümmte, glatte Hüllkurve (22) aufweist, deren vom Schnittpunkt der Drehachse (18) des Rotations­ körpers mit seiner Oberfläche zur Seitenfläche (24) des dritten Lichtwellenleiters (14) verlaufender Teil die Gestalt eines Polynoms wenigstens dritten Grades hat.

2. Faseroptischer Füllstandssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenleiter (8, 10, 14) aus Polymethacrylsäure­ methylester PMMA bestehen.