DE3922951A1 - Fluessigkeitsniveaudetektor - Google Patents
FluessigkeitsniveaudetektorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft Detektoren für
Flüssigkeitsniveaus in Brunnen, Bohrlöchern und
anderen Erdhöhlungen.
Es besteht ein Bedürfnis, das Vorhandensein von
Flüssigkeiten in Erdhöhlungen aus der Ferne, d.h.
von der Oberfläche her festzustellen. In
Wasserbrunnen ist es ein übliches Erfordernis
festzustellen, in welcher Tiefe sich die
Wasseroberfläche im Brunnen befindet und ob auf dem
Wasser eine Schicht Gasolin oder eines anderen
flüssigen Kohlenwasserstoffes schwimmt. Falls eine
derartige schwimmende Schicht festgestellt wird, ist
es auch notwendig, die Dicke oder Tiefe der Schicht
genau zu bestimmen. Einige Kohlenwasserstoffe oder
andere verschmutzende Flüssigkeiten, welche mitunter
in Erdhöhlungen angetroffen werden, sind schwerer
als Wasser und können demzufolge eine Schicht
unterhalb des Wassers bilden. Auch in solchen Fällen
ist es wiederum erforderlich, derartige Schichten
festzustellen und ihre Dicke zu messen.
Es ist bekannt, festzustellen, ob eine aufgefundene
Flüssigkeit entweder Wasser oder ein
Kohlenwasserstoff wie Gasolin oder Öl ist. Diese
Feststellung erfolgt durch Messung der elektrischen
Leitfähigkeit der gefundenen Flüssigkeit. Flüssige
Kohlenwasserstoffe tendieren dazu, einen höheren
elektrischen Widerstand aufzuweisen als Grundwasser,
so daß der Unterschied bezüglich des Widerstandes
verwendet werden kann, um Kohlenwasserstoffe mit
angemessener Zuverlässigkeit und Eindeutigkeit unter
Verwendung einfacher elektrischer Techniken vom
Grundwasser zu unterscheiden. Andererseits ist der
Widerstand flüssiger Kohlenwasserstoffe so groß, daß
es ohne hochentwickelte Geräte nicht möglich ist,
den Widerstand als Meßgröße zur Bestimmung des
Unterschiedes zwischen flüssigen Kohlenwasserstoffen
und Luft zu verwenden.
Es ist auch bekannt, den Unterschied zwischen Luft
und einer Flüssigkeit, wie Wasser oder einem
flüssigen Kohlenwasserstoff, durch die Ausnutzung
der optischen Eigenschaften der Flüssigkeit zu
bestimmen.
Der Brechungsindex einer Flüssigkeit unterscheidet
sich wesentlich vom Brechungsindex der Luft. Die
Brechungsindizes verschiedener im Boden gefundener
Flüssigkeiten unterscheiden sich nicht wesentlich
voneinander, so daß es nicht praktisch ist, eine
bestimmte Flüssigkeit aus der Ferne zu
identifizieren, indem ihr Brechungsindex gemessen
wird. Man braucht auch lediglich nur die Anwesenheit
von Flüssigkeit - irgendeiner Flüssigkeit - optisch
festzustellen. Die Natur oder Identität der
Flüssigkeit kann wie beschrieben durch Messung der
elektrischen Leitfähigkeit bestimmt werden.
Nachfolgend wird eine bekannte Apparatur
beschrieben, bei der der Brechungsindex zur
Bestimmung einer Flüssigkeit verwendet wird. Die
Apparatur weist eine Sonde auf, die mit einer
Lichtquelle und einem Lichtsensor versehen ist. Der
Lichtstrahl von der Lichtquelle wird durch ein
Prisma geführt. Das Prisma ist so angeordnet, daß
der Lichtstrahl eine totale innere Reflexion im
Prisma erfährt, wenn das Prisma von Luft umgeben
ist. Wenn das Prisma jedoch von einer Flüssigkeit
umgeben ist, geht die interne Reflexion verloren,
was bedeutet, daß in der Flüssigkeit der Lichtstrahl
nicht auf den Lichtsensor trifft. Der Sensor erzeugt
ein Signal, welches an der Oberfläche empfangen
werden kann.
Nachteile der bekannten Apparatur bestehen nicht nur
darin, daß eine sehr sorgfältige Einstellung
erforderlich ist, sondern auch darin, daß die
Apparatur sehr empfindlich ist in dem Sinne, daß ein
Stoß die Einstellung des Prismas beeinträchtigen
kann. Es ist auch schwierig, eine solche Anordnung
zu erreichen, daß der Lichtpfad lang genug wird, so
daß eine Änderung des Winkels des Strahles infolge
einer Änderung des Brechungsindex den Strahl
hinreichend weit bewegt, um die gesamte interne
Reflexion zu beseitigen.
Es ergeben sich daher Zuverlässigkeitsprobleme: In
manchen Fällen unterbricht die Anwesenheit von
Flüssigkeit den Lichtstrahl zum Sensor nicht und in
anderen Fällen kann der Lichtstrahl einfach durch
unbeabsichtigte Stoßeinwirkung unterbrochen werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen
Detektor zu schaffen, der die Unterschiede im
Brechungsindex ausnutzt, dessen Sonde weniger
anfällig ist und genauer, empfindlicher und
gleichzeitig physisch robuster.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Merkmale
des Patentanspruches 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird somit der Unterschied der
Brechungsindizes zwischen Luft und Flüssigkeit
verwendet, um die Unterschiede zwischen Luft und
Flüssigkeit in der Höhlung festzustellen.
Bei der Erfindung wird ein Lichtstrahl von einer
Lichtquelle durch ein transparentes Medium geführt,
welches beispielsweise ein Stück eines
Kunststoffrohres sein kann. Eine Oberfläche des
transparenten Mediums ist dem Inhalt der Höhlung
ausgesetzt, d.h. entweder Luft oder irgendeine in
der Höhlung befindliche Flüssigkeit. Diese
Oberfläche bildet eine optische Grenzschicht, durch
die der Lichtstrahl hindurchgeht.
Erfindungsgemäß ist die Grenzschicht in einem Winkel
zum Lichtstrahl angeordnet. Die Anordnung ist so
vorgenommen, daß, wenn die Grenzschicht Luft
ausgesetzt ist, der Lichtstrahl an der Grenzschicht
gebrochen wird, und, nach der Brechung auf einen
Lichtsensor gerichtet wird, der im Pfad des
Lichtstrahles angeordnet ist. Wenn die Grenzschicht
einer Flüssigkeit ausgesetzt ist, wird der
Lichtstrahl gleichfalls an der Grenzschicht
gebrochen; die Anordnung ist jedoch derart, daß der
geänderte Winkel, unter dem der Lichtstrahl von der
Grenzschicht weiterverläuft, so bestimmt ist, daß
der Lichtstrahl nicht auf den Sensor trifft.
Um eine gute Empfindlichkeit zu erzielen, sollte der
Lichtsensor einen ausreichenden Abstand von der
Grenzschicht haben. Der Unterschied zwischen dem
Winkel und dem, unter dem der luftgebrochene Strahl
die Grenzschicht verläßt, und dem Winkel, unter dem
der flüssigkeitsgebrochene Strahl die Grenzschicht
verläßt, kann als Differenzwinkel bezeichnet werden.
Der Differenzwinkel hängt von den optischen
Eigenschaften der Luft, der Flüssigkeiten und des
transparenten Mediums ab. Der Lichtsensor sollte
hinreichend weit von der Grenzschicht angeordnet
sein, um zu gewährleisten, daß der Differenzwinkel
ausreicht, um den Lichtpfad soweit zu bewegen, daß
der Lichtstrahl nicht länger auf den Lichtsensor
fällt.
Es wurde für die Erfindung als zweckmäßig erkannt,
daß ein geeigneter Abstand zwischen der Grenzschicht
und dem Lichtsensor dadurch erreicht werden kann,
daß die Grenzschicht und der Lichtsensor auf
gegenüberliegenden Seiten eines Rohres angeordnet
sind; vorzugsweise wird ein Rohr mit diametralen
Dimensionen verwendet, um eine Sonde in eine Höhlung
abzusenken.
Ein typischer Wert für einen Differenzwinkel ist
15°. Der Abstand zwischen der Grenzschicht und dem
Lichtsensor kann in einer typischen Sonde etwa 5 mm
betragen. Es wurde erkannt, daß ein kleiner
Fototransistor zweckmäßig als Lichtsensor verwendet
werden kann, der genau und zuverlässig auf eine
derartige Bewegung reagiert.
Die Sonde arbeitet erfindungsgemäß sehr zuverlässig,
da der Lichtsensor klein genug ist, um in die
Sondenwand eingebettet zu werden: nicht nur die
Sonde selbst ist robust, sondern auch die
Einstellung des Lichtsensors wird selbst von starken
Stößen nicht beeinträchtigt.
Die Erfindung ermöglicht es, daß der optische Sensor
und der Leitfähigkeitssensor der Vorrichtung
kompatibel bezüglich der Servicezuverlässigkeit und
der Arbeitsgenauigkeit sind. Bei der Erfindung
können zwei physikalisch völlig unabhängige Sensoren
verwendet werden und dennoch können ihre Funktionen
miteinander kombiniert werden, um die erforderliche
Genauigkeit und eine Freiheit von falschen
Ergebnissen zu gewährleisten.
Ein Beispiel für einen Flüssigkeitsdetektor zum
Absenken in eine Höhlung oder Bohrung, der
gleichfalls die Brechung von Licht benutzt, ist in
der GB-PS 15 08 085 (Hectronic 1978) beschrieben.
Andere Beispiele von Vorrichtungen, welche die
Brechung von Licht zur Feststellung von
Flüssigkeitsoberflächen verwenden, sind in der US-PS
42 97 588 (Hastbacka 1981), in der GB-PS 13 59 161
(Jobling 1974) und der US-PS 41 93 004 (Lobdell
1980) dargestellt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den
Zeichnungen dargestellt und nachfolgend beschrieben.
Es zeigt
Fig. 1 eine perspektivische Gesamtansicht einer
Sonde;
Fig. 2 einen Querschnitt durch die Sonde gemäß
Fig. 1, entlang der Linie 2-2;
Fig. 3A und 3B Lichtpfaddiagramme der Sonde gemäß
Fig. 1;
Fig. 4 einen Längsschnitt durch die Sonde der
Fig. 1; und
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer
elektrischen Schaltung zur Verwendung mit
der Sonde.
Die in Fig. 1 zu sehende Sonde weist ein Gehäuse 2
und ein Aufhängeband 3 auf.
Das Aufhängeband 3 weist eine Meßskala 4 auf.
Entlang der beiden Kanten der Meßskala 4 erstrecken
sich Paare elektrisch leitender Drähte 5.
Das entfernte Ende des Aufhängebandes 3 ist auf eine
Trommel gewickelt, die an der Oberfläche bleibt,
während die Sonde 1 in eine Prüfhöhlung bzw. Bohrung
im Boden abgesenkt wird. Der elektrische Status der
Leiter wird mit einer geeigneten Einrichtung
überwacht.
Das Gehäuse 2 der Sonde 1 weist eine dicke Wand 7
auf, deren Innenfläche 8 einen inneren Hohlraum
begrenzt. Ein Stück 10 eines Glasrohres ist in das
Gehäuse eingesetzt und sitzt abgedichtet in der
inneren Bohrung 8 des Gehäuses. Das Rohr 10 kann
mittels einer Klebeverbindung fixiert sein.
In der dicken Wand 7 des Gehäuses 2 sind zwei
Taschen 11, 12 gebildet. Jede Tasche steht mit einer
entsprechenden engeren Bohrung 13, 14 in Verbindung.
Die engeren Bohrungen 13, 14 sind koaxial angeordnet
und als einzige sich durch das Gehäuse erstreckende
Bohrung hergestellt. Es sei angemerkt, daß die Achse
der durchgehenden Bohrung 13, 14 sich bezüglich des
Rohres 10 nicht diametral sondern sehnenartig
erstreckt.
Die Tasche 11 des Gehäuses bildet die
lichtausstrahlende Station und weist eine
lichtemittierende Diode 15 auf. Die elektrischen
Leitungen zur LED 15 verlaufen durch geeignete
Ausnehmungen und Durchgänge, die im Gehäuse
angebracht sind, wie in Fig. 1 zu sehen ist. Die LED
und ihre Leitungen sind im Gehäuse unter Verwendung
einer geeigneten Gießcompoundmasse verklebt.
Die äußere Tasche 12 nimmt eine lichtempfangende
Station auf und beinhaltet einen Phototransistor 16,
der, zusammen mit seinen elektrischen Leitungen, in
ähnlicher Weise im Gehäuse 2 verklebt bzw. vergossen
ist.
Das Innere des Rohrstückes 10 bildet eine Kammer 17.
Die Kammer 17 ist durchgängig offen. Wenn die Sonde
beim Absinken auf eine Flüssigkeit trifft, dringt
diese Flüssigkeit durch eine Eingangsöffnung 70 in
die Kammer 17 ein und verläßt diese durch eine
Ausgangsöffnung 76.
Der von der LED 15 emittierte Lichtstrahl wird bis
zu einem gewissen Grad von der Linse gesammelt, die
bei den meisten Ausführungsformen von LED′s
integraler Bestandteil ist. Der Lichtstrahl wird
ferner beim Durchgang durch die enge Bohrung 13
gesammelt.
Der gesammelte Strahl trifft auf die äußere
zylindrische Fläche 18 des durchsichtigen Rohres 10,
dringt durch die Wand des Rohres und tritt aus der
inneren Fläche 19 des Rohres 10 aus in die Kammer
17. Der Strahl geht dann durch die innere Fläche,
die Wand und die äußere Oberfläche und tritt in die
enge Bohrung 14 ein, bevor er schließlich den
Phototransistor 16 erreicht. Der Strahl wird entlang
dieses Pfades gebrochen, wie in Fig. 3A dargestellt.
Die innere Fläche 19 des Rohres 10 definiert eine
Grenzfläche 20 zwischen dem transparenten Material
des Rohres 10 und dem Inhalt der Kammer 17. Wenn die
Kammer Luft enthält, verläuft der Lichtstrahl von
der lichtemittierenden Station zur lichtaufnehmenden
Station entlang des in Fig. 3A dargestellten Weges.
Es sei angemerkt, daß der Einfallwinkel 26
beträchtlich ist. (Der Einfallwinkel 26 ist der
Winkel des Lichtweges zur Grenzfläche 20 hin
bezüglich der auf der Grenzfläche 20 bestehenden
Normalen 27). Das bedeutet, daß der einen
Richtungswechsel bewirkende Brechungseffekt sehr
deutlich ist.
Der Winkel, in dem die Grenzschicht bezüglich zum
Lichtstrahl verläuft, ist bei der beispielhaft
dargestellten Sonde festgelegt und wird automatisch
beibehalten. Es ist nicht notwendig, die richtigen
optischen Winkel der Sonde einzustellen und zu
justieren und es ist sehr unwahrscheinlich, daß die
Winkel sich verändern, selbst wenn die Sonde Stößen
ausgesetzt ist oder sonstwie unvorsichtig behandelt
wird.
Um eine gute Empfindlichkeit zu erreichen, ist die
Achse 24 der durchgehenden Bohrung 13, 14 mit
beträchtlichem Abstand von der Achse 25 des Rohres
10 angeordnet. Der vom Lichtstrahl (in Luft)
eingeschlagene tangentiale Weg 23 durch die Kammer
weist somit gleichfalls einen beträchtlichen Abstand
von der Achse 25 auf. Die Normale 27 zur Grenzfläche
20 verläuft daher automatisch in einem
beträchtlichen Winkel zum Einfallwinkel 26 des Weges
28 des Lichtstrahles zur Grenzfläche 20 hin.
Falls die Kammer 17 eine Flüssigkeit enthält, ändert
sich der Brechungsindex der Grenzfläche 20 und der
Lichtstrahl tritt daher entlang eines anderen Pfades
29 in die Kammer 17 ein, d.h. mit einem anderen
Brechungswinkel 37. Die Abmessungen der Bauteile
sind so vorgenommen, daß der unterschiedlich
gebrochene Strahl (d.h. der flüssigkeitsgebrochene
Strahl) nicht in die enge Öffnung 14 eintritt;
dieser Zustand ist in Fig. 3B dargestellt.
Wenn daher in der Kammer 17 eine Flüssigkeit
vorhanden ist, erreicht der Lichtstrahl den
Phototransistor 16 nicht. Der Transistor 16 sendet
ein entsprechendes Signal, welches an der Oberfläche
empfangen wird.
Der Ausdruck "Licht" in dieser Beschreibung schließt
sowohl infrarotes wie auch sichtbares Licht ein.
Infrarote Strahlungsquellen und Detektoren sind
tatsächlich im allgemeinen wesentlich preisgünstiger
bei einem bestimmten Grad optischer Zuverlässigkeit
als entsprechende Komponenten, die mit sichtbarem
Licht arbeiten.
Infrarote Lichtquellen werden bevorzugt, da sie mit
einem vernachlässigbaren Temperaturanstieg arbeiten.
Es wurde gefunden, daß jede klare Flüssigkeit (wie
sie normalerweise in Erdhöhlungen auftritt) den
Strahl vom Phototransistor 16 wegbricht. Die
erfindungsgemäße Vorrichtung ist weder
überempfindlich noch fehleranfällig. Es wird auch
vergleichsweise wenig Geschicklichkeit und Präzision
benötigt, um die Komponenten im Gehäuse derart zu
montieren, daß der Lichtstrahl immer auf den
Phototransistor trifft, wenn die Kammer frei von
Flüssigkeit ist.
Die Montageweise ist derart, daß die Einstellungen
und Winkel sich nicht verändern, selbst wenn die
Sonde grob behandelt wird und Stöße erleidet. Die
vergleichsweise empfindlichen elektrischen
Komponenten sind sicher in der dicken Gehäusewand
eingebettet.
Für die Erfindung ist es wichtig, daß der Lichtpfad
einen korrekten Abstand von der Achse 25 der Kammer
hat. Wenn die Mittellinie 24 zu weit von der Achse
25 entfernt ist, sind die Brechungswinkel zu groß
und der Lichtstrahl unterliegt einer totalen inneren
Reflexion und erreicht den Fototransistor überhaupt
nicht. Andererseits sollte die Mittellinie 24 nicht
zu nahe an der Achse 25 verlaufen, da sonst die
Brechung so gering ist, daß der Strahl auch nach der
Brechung noch auf den Fototransistor trifft.
Die tatsächlichen Grenzen hängen von den
Brechungsindizes der betreffenden Flüssigkeiten ab
und vom Brechungsindex und dem Durchmesser des
Rohres 10. Es wurde gefunden, daß der Abstand
zwischen der Achse 25 und der Mittellinie 24 umso
kritischer wird, je geringer der Durchmesser des
Rohres 10 ist. Es wurde ferner gefunden, daß bei
einem Außendurchmesser des Glasrohres von 16 mm und
einem nominalen Abstand der Mittellinie 24 von der
Achse 25 von 6,92 mm die Herstellungstoleranzen
bezüglich dieses Abstandes akzeptabel sind; die
Toleranzprobleme würden jedoch wesentlich
problematischer bei Rohren mit geringerem
Durchmesser. Tatsächlich wurde gefunden, daß bei
einem zu kleinen Rohrdurchmesser es praktisch
unmöglich wird, die Brechung des Lichtstrahles zu
verwenden, um den Fototransistor zu aktivieren, wie
dies die Erfindung vorsieht.
Es hat sich auch herausgestellt, daß die
erforderlichen Abmessungen des Rohres, die durch die
Anwendung der Sonde in unterirdischen Höhlungen
vorgegeben sind, in der Nähe eines
Abmessungsgrenzbereiches liegen, der eine geeignete
Brechungswirkung gewährleistet und annehmbare
Herstellungstoleranzen bezüglich des Abstandes der
Mittellinie 24 von der Achse 25, daß jedoch nichts
destoweniger das Rohr innerhalb eines annehmbaren
Bereiches liegt.
Es ist wichtig, daß die Leistung der LED 15
innerhalb annehmbarer Grenzen liegt. Natürlich muß
die LED eine hinreichende Leistung haben, um den
Transistor zu erreichen, jedoch braucht sie nicht zu
stark sein: wenn die Ausgangsleistung der LED zu
hoch ist, könnte Streulicht den Fototransistor
selbst dann erreichen, wenn der Strahl gebrochen ist.
Die Sonde 1 enthält einen Leitfähigkeitssensor 60,
der von herkömmlicher Bauart sein kann und zwei
Stifte aufweist, die mit geringem Abstand
voneinander angeordnet sind. Der
Leitfähigkeitssensor ist in die dicke Gehäusewand
eingebettet und die Leitungen verlaufen durch
geeignete Kanäle und Durchgänge im Gehäuse.
Als Alternative zur Form des Leitfähigkeitssensors,
wie er in Fig. 2 dargestellt ist, können zwei
Elektroden im Sensor voneinander beabstandet
angeordnet sein, entweder entlang des Umfanges des
Gehäuses oder an unterschiedlichen axialen Stellen
des Gehäuses.
Es ist vorteilhaft, wenn die Elektroden des
Leitfähigkeitssensors relativ groß sind, um einen
zuverlässigen Kontakt mit der Flüssigkeit zu
gewährleisten; die Elektroden weisen hierfür
zweckmäßig die Form zweier voneinander beabstandeter
Ringe auf, die das Gehäuse umgeben.
Um eine gute Genauigkeit bei der Tiefenmessung zu
erzielen, ist es vorteilhaft, wenn die Elektroden,
selbst wenn sie relativ großflächig sind, keine
große axiale Abmessung haben. Aus
Genauigkeitsgründen sind die Elektroden daher aus
entsprechenden Drahtstücken 86, 87 gebildet, die
sich am Umfang erstrecken und übereinander
angeordnet sind, wie in Fig. 4 dargestellt.
Wenn die Elektroden axial beabstandet sind, braucht
aus Gründen der Genauigkeit nur die obere Elektrode
eine geringe axiale Abmessung aufzuweisen. Die
andere Elektrode kann alternativ vom Gehäuse 7
selbst gebildet sein, falls dieses aus Metall
besteht; vorzugsweise besteht das Gehäuse jedoch aus
einem (inerten) Kunststoffmaterial, wie
beispielsweise PTFE.
Wenn die Sonde in eine Flüssigkeit eintaucht, wird
eine Tiefe L1 erreicht, bei der die Flüssigkeit den
Lichtstrahl vom Sensor 14 wegbricht, so daß das vom
optischen Bereich des Sensors ausgehende Signal
anzeigt, daß eine Flüssigkeit erreicht wurde. Es
wird auch eine Flüssigkeit L2 erreicht, bei der die
Flüssigkeit den Abstand zwischen den beiden
Elektroden überbrückt; wenn die Flüssigkeit Gasolin
usw. ist, ist der Widerstand über den Abstand meßbar
größer als in Wasser.
Ein großer oder kleiner Widerstand zwischen den
Elektroden des Leitfähigkeitssensors wird an der
Oberfläche festgestellt. Die Anwesenheit von Luft
oder Flüssigkeit kann mittels des optischen Sensors
ebenfalls an der Oberfläche festgestellt werden.
Fig. 5 zeigt eine elektrische Schaltung, wie sie in
Verbindung mit der beschriebenen Sonde zur Anwendung
kommen kann. (Mit dem Kaltdiagramm sollen lediglich
die erforderlichen Funktionen dargestellt werden:
Zur tatsächlichen Ausführung werden, für den
Fachmann erkennbar, kompliziertere Bauteile
erforderlich sein.)
An der Oberfläche können zwei Signallampen 90
vorgesehen sein, eine für den Leitfähigkeitssensor
und eine für den optischen Sensor und die
Kombination der Lampen kann verwendet werden, um die
Tiefe anzuzeigen, in der die Sonde in Gasolin
eintritt, sowie die (größere) Tiefe, in der die
Sonde in Wasser eintritt. Falls keine Gasolinschicht
vorhanden ist, ist dies durch die Art und Weise, wie
die Lampen 90 wirksam werden, klar feststellbar.
Anstelle der Signallampen können auch andere
Anzeigen verwendet werden, wie akustische
Alarmeinrichtungen und dergleichen.
Vorzugsweise sind der optische Sensor und der
Leitfähigkeitssensor so positioniert, daß beide in
genau der gleichen Tiefe betätigt werden, wobei es
aus Gründen der bequemen Handhabbarkeit zweckmäßig
ist, wenn diese Tiefe dem Nullpunkt auf der Skala 4
entspricht.
Wenn die zwei Sensoren nicht auf demselben Niveau
sind, beispielsweise wenn die Betätigungstiefe L1
des optischen Sensors höher liegt als die
Betätigungstiefe L2 des Leitfähigkeitssensors, wäre
es nicht möglich, eine schwimmende Gasolinschicht
festzustellen, wenn die Schichtdicke geringer ist
als der Abstand zwischen L1 und L2; umgekehrt würde
eine Gasolinschicht mit einer Dicke gleich dem
Abstand zwischen L1 und L2 angezeigt werden, selbst
wenn eine solche Schicht überhaupt nicht vorhanden
wäre, wenn L1 geringer ist als L2. In beiden Fällen
würde der von der Skala 4 abgelesene Abstand für die
Dicke oder Tiefe der Gasolinschicht durch den
Unterschied zwischen L1 und L2 fehlerhaft.
Wie in Fig. 4 dargestellt, ist das Glasrohr 10
mechanisch im Gehäuse 7 zwischen oberen und unteren
Schultern 78, 79 in der Bohrung 8 gehalten. Die
Abmessungen sind so gewählt, daß das Rohr
geringfügig kürzer ist als der Abstand zwischen den
Schultern.
In Nuten, die in der Bohrung 8 des Gehäuses gebildet
sind, werden Dichtungen 80 aufgenommen. Die
lichtemittierenden und lichtempfangenden Stationen
sind in dem Abschnitt der Bohrung untergebracht, der
zwischen den Dichtungen liegt, wodurch die Punkte,
an denen der Lichtpfad die äußere zylindrische
Fläche 18 schneidet, isoliert sind: die Flüssigkeit,
in die die Sonde eintaucht, erhält keinen Zutritt zu
den Schnittpunkten.
Es sei angemerkt, daß die konstruktive Anordnung der
beschriebenen Vorrichtung es ermöglicht, daß die
optischen und Leitfähigkeitssensoren unabhängig
voneinander arbeiten; es wird erreicht, daß die
Elektroden elektrisch von der Flüssigkeit und
voneinander isoliert sind; weiterhin können die
optischen Stationen robust und sicher gegen
Störungen geschützt montiert werden; und
gleichzeitig wird es ermöglicht, daß der
Leitfähigkeitssensor und der optische Sensor auf
demselben Niveau liegen.
Claims (11)
1. Vorrichtung zum Absenken in eine Höhlung und zum
Feststellen und Signalisieren der Anwesenheit
einer Testflüssigkeit in der Höhlung,
gekennzeichnet durch:
eine lichtemittierende Station (15), die in der Lage ist, einen Lichtstrahl auszusenden und eine lichtempfangende Station (16);
eine Einrichtung, um den von der lichtemittierenden Station (15) ausgehenden Lichtstrahl zu sammeln;
ein lichtübertragendes Medium, und eine Einrichtung zum Richten des gesammelten Lichtstrahles durch das Medium;
wobei das Medium aus einem transparenten, festen und im wesentlichen starren Material besteht;
eine Kammer (17);
wobei eine Wand der Kammer im Medium gebildet ist, derart, daß die Oberfläche der Wand eine Grenzfläche (20) zwischen dem Medium und dem Inhalt der Kammer bildet;
wobei die Anordnung derart vorgenommen ist, daß der Lichtstrahl durch die Grenzfläche (20) verläuft;
wobei ferner die Kammer (17) offen ist, so daß Prüfflüssigkeit in sie eintreten kann;
wobei die lichtempfangende Station (16) so angeordnet ist, daß sie im Pfad des Lichtstrahles liegt, nachdem dieser durch die Grenzschicht (20) getreten ist, wenn sich Luft in der Kammer befindet;
eine Signaleinrichtung, welche ein Signal aussendet, das unterscheidet, ob die lichtaufnehmende Station sich im Lichtpfad befindet oder ob die lichtaufnehmende Station sich nicht im Lichtpfad befindet;
wobei die Normale (27) auf die Grenzfläche (20) mit dem Bewegungsweg des Lichtstrahles an der Grenzfläche einen wesentlichen Winkel bildet; und
wobei der Lichtstrahl von der lichtaufnehmenden Station weggebrochen wird, wenn sich Flüssigkeit in der Kammer (17) befindet.
eine lichtemittierende Station (15), die in der Lage ist, einen Lichtstrahl auszusenden und eine lichtempfangende Station (16);
eine Einrichtung, um den von der lichtemittierenden Station (15) ausgehenden Lichtstrahl zu sammeln;
ein lichtübertragendes Medium, und eine Einrichtung zum Richten des gesammelten Lichtstrahles durch das Medium;
wobei das Medium aus einem transparenten, festen und im wesentlichen starren Material besteht;
eine Kammer (17);
wobei eine Wand der Kammer im Medium gebildet ist, derart, daß die Oberfläche der Wand eine Grenzfläche (20) zwischen dem Medium und dem Inhalt der Kammer bildet;
wobei die Anordnung derart vorgenommen ist, daß der Lichtstrahl durch die Grenzfläche (20) verläuft;
wobei ferner die Kammer (17) offen ist, so daß Prüfflüssigkeit in sie eintreten kann;
wobei die lichtempfangende Station (16) so angeordnet ist, daß sie im Pfad des Lichtstrahles liegt, nachdem dieser durch die Grenzschicht (20) getreten ist, wenn sich Luft in der Kammer befindet;
eine Signaleinrichtung, welche ein Signal aussendet, das unterscheidet, ob die lichtaufnehmende Station sich im Lichtpfad befindet oder ob die lichtaufnehmende Station sich nicht im Lichtpfad befindet;
wobei die Normale (27) auf die Grenzfläche (20) mit dem Bewegungsweg des Lichtstrahles an der Grenzfläche einen wesentlichen Winkel bildet; und
wobei der Lichtstrahl von der lichtaufnehmenden Station weggebrochen wird, wenn sich Flüssigkeit in der Kammer (17) befindet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das transparente Medium die
Form eines aufrechten zylindrischen Rohres (10)
aufweist;
wobei das hohle Innere des transparenten Rohres die Kammer (17) bildet; und
wobei der Ort der lichtemittierenden Station (15) bezüglich des transparenten Rohres derart gewählt ist, daß der Lichtstrahl, der die Grenzfläche (20) passiert hat, nicht durch die Achse des Rohres hindurchgeht, sofern in der Kammer Luft enthalten ist.
wobei das hohle Innere des transparenten Rohres die Kammer (17) bildet; und
wobei der Ort der lichtemittierenden Station (15) bezüglich des transparenten Rohres derart gewählt ist, daß der Lichtstrahl, der die Grenzfläche (20) passiert hat, nicht durch die Achse des Rohres hindurchgeht, sofern in der Kammer Luft enthalten ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet
durch:
ein Gehäuse (2), dessen Wand im wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet ist;
wobei das Rohr (10) im hohlen Inneren des Gehäuses (2) angeordnet ist;
eine Tasche (11), die in der Wand ausgebildet ist und in der die lichtemittierende Station (15) angeordnet ist;
eine enge, gerade zylindrische Bohrung (13), die durch die Wand des Gehäuses (2) hindurchführt und die mit der Tasche (11) in Verbindung ist;
wobei die enge Bohrung die Einrichtung zum Sammeln des Lichtstrahles bildet; und
wobei die Anordnung so vorgenommen ist, daß der Lichtstrahl durch die Bohrung (13) geführt wird, bevor er durch die Grenzfläche (20) hindurchgeht.
ein Gehäuse (2), dessen Wand im wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet ist;
wobei das Rohr (10) im hohlen Inneren des Gehäuses (2) angeordnet ist;
eine Tasche (11), die in der Wand ausgebildet ist und in der die lichtemittierende Station (15) angeordnet ist;
eine enge, gerade zylindrische Bohrung (13), die durch die Wand des Gehäuses (2) hindurchführt und die mit der Tasche (11) in Verbindung ist;
wobei die enge Bohrung die Einrichtung zum Sammeln des Lichtstrahles bildet; und
wobei die Anordnung so vorgenommen ist, daß der Lichtstrahl durch die Bohrung (13) geführt wird, bevor er durch die Grenzfläche (20) hindurchgeht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Achse der Bohrung (13)
tangential zum Rohr (10) verläuft und einen
wesentlichen Abstand von der Achse des Rohres
aufweist.
5. Vorrichtung zum Absenken in eine Prüfflüssigkeit
zum Feststellen und Signalisieren der
Anwesenheit der Prüfflüssigkeit, gekennzeichnet
durch:
eine lichtemittierende Station (15), die in der Lage ist, einen Lichtstrahl zu emittieren, eine lichtaufnehmende Station (16), ein Gehäuse (2) und ein Rohr (10):
wobei das Rohr (10) aus einem festen transparenten Material besteht und eine zylindrische Form aufweist, mit einer äußeren zylindrischen Fläche und einer inneren zylindrischen Fläche; und
wobei die innere zylindrische Fläche eine hohle innere Kammer der Vorrichtung bildet;
ein Gehäuse, das eine Befestigungseinrichtung zur Befestigung der lichtemittierenden Station (15), die lichtaufnehmende Station (16) und das Rohr (10) aufweist, wobei die Befestigungseinrichtung so angeordnet ist, daß die Stationen (15, 16) und das Rohr (10) mechanisch gegen eine Bewegung bezüglich des Gehäuses (10) und gegen eine Bewegung relativ zueinander gesichert sind;
wobei ferner die Befestigungseinrichtung so angeordnet ist, daß die Stationen (15, 16) außerhalb des Rohres an einer Tangentialen des Rohres angeordnet sind, die nicht einem Durchmesser des Rohres entspricht;
wobei die Befestigungseinrichtung weiterhin so angeordnet ist, daß das von der lichtemittierenden Station (15) ausgehende Licht infolge entlang eines Lichtpfades verläuft, der die äußere zylindrische Fläche schneidet, durch das transparente Material hindurchgeht, die innere zylindrische Fläche schneidet, die hohle Kammer durchquert, die innere zylindrische Fläche schneidet, durch das transparente Material verläuft, die äußere zylindrische Fläche schneidet und, sofern sich keine Flüssigkeit in der Kammer befindet, auf die lichtaufnehmende Station (16) trifft;
eine Signaleinrichtung, die ein Signal senden kann, welches unterscheidet, ob die lichtaufnehmende Station (16) im Bewegungspfad des Lichtes oder außerhalb desselben liegt;
wobei die Kammer (17) eine Öffnung aufweist, durch die Prüfflüssigkeit in die Kammer eintreten kann, wenn diese in Flüssigkeit gesenkt wird; und
ferner gekennzeichnet durch Dichtmittel, die so angeordnet sind, daß sie beim Einsenken der Vorrichtung in die Prüfflüssigkeit verhindern, daß die Flüssigkeit die beiden Punkte an der äußeren zylindrischen Fläche erreicht, an denen der Lichtpfad die äußere zylindrische Fläche schneidet.
eine lichtemittierende Station (15), die in der Lage ist, einen Lichtstrahl zu emittieren, eine lichtaufnehmende Station (16), ein Gehäuse (2) und ein Rohr (10):
wobei das Rohr (10) aus einem festen transparenten Material besteht und eine zylindrische Form aufweist, mit einer äußeren zylindrischen Fläche und einer inneren zylindrischen Fläche; und
wobei die innere zylindrische Fläche eine hohle innere Kammer der Vorrichtung bildet;
ein Gehäuse, das eine Befestigungseinrichtung zur Befestigung der lichtemittierenden Station (15), die lichtaufnehmende Station (16) und das Rohr (10) aufweist, wobei die Befestigungseinrichtung so angeordnet ist, daß die Stationen (15, 16) und das Rohr (10) mechanisch gegen eine Bewegung bezüglich des Gehäuses (10) und gegen eine Bewegung relativ zueinander gesichert sind;
wobei ferner die Befestigungseinrichtung so angeordnet ist, daß die Stationen (15, 16) außerhalb des Rohres an einer Tangentialen des Rohres angeordnet sind, die nicht einem Durchmesser des Rohres entspricht;
wobei die Befestigungseinrichtung weiterhin so angeordnet ist, daß das von der lichtemittierenden Station (15) ausgehende Licht infolge entlang eines Lichtpfades verläuft, der die äußere zylindrische Fläche schneidet, durch das transparente Material hindurchgeht, die innere zylindrische Fläche schneidet, die hohle Kammer durchquert, die innere zylindrische Fläche schneidet, durch das transparente Material verläuft, die äußere zylindrische Fläche schneidet und, sofern sich keine Flüssigkeit in der Kammer befindet, auf die lichtaufnehmende Station (16) trifft;
eine Signaleinrichtung, die ein Signal senden kann, welches unterscheidet, ob die lichtaufnehmende Station (16) im Bewegungspfad des Lichtes oder außerhalb desselben liegt;
wobei die Kammer (17) eine Öffnung aufweist, durch die Prüfflüssigkeit in die Kammer eintreten kann, wenn diese in Flüssigkeit gesenkt wird; und
ferner gekennzeichnet durch Dichtmittel, die so angeordnet sind, daß sie beim Einsenken der Vorrichtung in die Prüfflüssigkeit verhindern, daß die Flüssigkeit die beiden Punkte an der äußeren zylindrischen Fläche erreicht, an denen der Lichtpfad die äußere zylindrische Fläche schneidet.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Signaleinrichtung ein
Signal sendet, wenn die Vorrichtung bis zu einer
Tiefe (L1) in die Prüfflüssigkeit abgesenkt ist;
daß die Vorrichtung ein Paar Elektroden aufweist, die beabstandet voneinander am Gehäuse befestigt sind;
daß die Vorrichtung eine Widerstandsmeßeinrichtung aufweist zum Messen des elektrischen Widerstandes zwischen den Elektroden;
daß die Elektroden so angeordnet sind, um in elektrischen Kontakt mit der Flüssigkeit zu treten, wenn die Vorrichtung in die Prüfflüssigkeit gesenkt wird;
daß die Elektroden so angeordnet sind, daß der Abstand zwischen den Elektroden von der Prüfflüssigkeit nur dann überbrückt wird, wenn die Vorrichtung weiter als bis zu einer Tiefe (L2) in die Flüssigkeit gesenkt wird.
daß die Vorrichtung ein Paar Elektroden aufweist, die beabstandet voneinander am Gehäuse befestigt sind;
daß die Vorrichtung eine Widerstandsmeßeinrichtung aufweist zum Messen des elektrischen Widerstandes zwischen den Elektroden;
daß die Elektroden so angeordnet sind, um in elektrischen Kontakt mit der Flüssigkeit zu treten, wenn die Vorrichtung in die Prüfflüssigkeit gesenkt wird;
daß die Elektroden so angeordnet sind, daß der Abstand zwischen den Elektroden von der Prüfflüssigkeit nur dann überbrückt wird, wenn die Vorrichtung weiter als bis zu einer Tiefe (L2) in die Flüssigkeit gesenkt wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Niveaus L1 und L2 im
wesentlichen dieselben sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kammer (17) eine
Ausgangsöffnung aufweist, die so angeordnet ist,
daß die in der Kammer befindliche Flüssigkeit
aus dieser austreten kann, wobei die Anordnung
der Öffnungen so vorgenommen ist, daß die
Flüssigkeit in Aufwärtsrichtung durch die Kammer
läuft, wenn die Vorrichtung in die Flüssigkeit
abgesenkt wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) einander
gegenüberliegende obere und untere innere
Schultern bildet;
daß das Gehäuse (2) zwischen den Schultern eine zylindrische Bohrung bildet;
daß das Rohr (10) zwischen den Schultern in der Bohrung gehalten ist;
daß die Bohrung obere und untere Dichtnuten aufweist, die mit entsprechenden Dichtungen versehen sind, derart, daß die Dichtungen das Rohr (10) umgeben und den Abschnitt des Rohres, der zwischen der oberen und unteren Dichtung liegt, dicht abschotten;
daß die zwei Stationen (15, 16) in Stationsaufnahmeöffnungen angeordnet sind, die im Material des Gehäuses (2) ausgebildet sind, wobei die Ausnehmungen durch die zylindrische Bohrung des Gehäuses gebildet sind und zum Rohr hin offen sind; und
daß die stationsaufnehmenden Ausnehmungen in dem Bereich des Gehäuses (10) liegen, der sich zwischen den beiden Dichtungen befindet.
daß das Gehäuse (2) zwischen den Schultern eine zylindrische Bohrung bildet;
daß das Rohr (10) zwischen den Schultern in der Bohrung gehalten ist;
daß die Bohrung obere und untere Dichtnuten aufweist, die mit entsprechenden Dichtungen versehen sind, derart, daß die Dichtungen das Rohr (10) umgeben und den Abschnitt des Rohres, der zwischen der oberen und unteren Dichtung liegt, dicht abschotten;
daß die zwei Stationen (15, 16) in Stationsaufnahmeöffnungen angeordnet sind, die im Material des Gehäuses (2) ausgebildet sind, wobei die Ausnehmungen durch die zylindrische Bohrung des Gehäuses gebildet sind und zum Rohr hin offen sind; und
daß die stationsaufnehmenden Ausnehmungen in dem Bereich des Gehäuses (10) liegen, der sich zwischen den beiden Dichtungen befindet.
10. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß das Rohr aus Glas besteht.
11. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kammer (17) eine
Ausgangsöffnung aufweist, die so angeordnet ist,
daß das in der Kammer befindliche Wasser aus
dieser austreten kann, wobei die Anordnung so
vorgenommen ist, daß die Flüssigkeit in einer
aufwärts gerichteten Richtung durch die Kammer
strömt, wenn die Vorrichtung in die Flüssigkeit
abgesenkt wird;
daß das Gehäuse einander gegenüberliegende obere und untere innere Schultern aufweist;
daß das Gehäuse zwischen den Schultern eine zylindrische Bohrung bildet;
daß das Rohr (10) zwischen den Schultern in der Bohrung gehalten ist;
daß die Bohrung obere und untere Dichtnuten bildet, die mit entsprechenden Dichtungen versehen sind, so daß die Dichtungen das Rohr umgeben und den Abschnitt des Rohres, der zwischen den Dichtungen liegt, dicht abschotten;
daß die beiden Stationen (15, 16) in entsprechenden Ausnehmungen aufgenommen sind, die im Gehäusematerial angebracht sind, wobei die Ausnehmungen durch die zylindrische Bohrung des Gehäuses ausgebildet und zum Rohr geöffnet sind;
und die die Stationen aufnehmenden Ausnehmungen in dem Bereich des Gehäuses zwischen den Dichtungen liegen; und
daß das Rohrmaterial Glas ist.
daß das Gehäuse einander gegenüberliegende obere und untere innere Schultern aufweist;
daß das Gehäuse zwischen den Schultern eine zylindrische Bohrung bildet;
daß das Rohr (10) zwischen den Schultern in der Bohrung gehalten ist;
daß die Bohrung obere und untere Dichtnuten bildet, die mit entsprechenden Dichtungen versehen sind, so daß die Dichtungen das Rohr umgeben und den Abschnitt des Rohres, der zwischen den Dichtungen liegt, dicht abschotten;
daß die beiden Stationen (15, 16) in entsprechenden Ausnehmungen aufgenommen sind, die im Gehäusematerial angebracht sind, wobei die Ausnehmungen durch die zylindrische Bohrung des Gehäuses ausgebildet und zum Rohr geöffnet sind;
und die die Stationen aufnehmenden Ausnehmungen in dem Bereich des Gehäuses zwischen den Dichtungen liegen; und
daß das Rohrmaterial Glas ist.
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