DE8616350U1 - Füllstandssensor - Google Patents

Description

VON KR!e!5l€R·..· 5.CHGNWAtD EISHOLD FUES VON KREISLER KELLER SELTING WERNER

PATENTANWÄLTE

Dr.-Ing. von Kreisler + 1973
Dr.-Ing. K. W. Eishold 11981
Dr.-Ing. K. Schönwald

ANMELDER: ^'.^⁰.., „ ..

Dipl.-Chem. Alek von Kreisler

Dipl.-Chem. Carola Keller Ekkehard WoSthoff DipL-lng. G. Selling

Harksheider Weg 104 Dr. H.-K.Werner

2085 Quickborn

DEICHMANNHAUS AM HAUPTBAHNHOF \

D-5000 KULN 1 I

Sg/rk I

18. Juni 1986

Füllstandssensor

Die Erfindung betrifft einen Füllstandssensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Ermittlung des Flüssigkeitsstandes in Tankbehältern u.dgl. erfolgt in der Regel mit Schwimmerkörpern, die auf der Flüssigkeit schwimmen und deren Höhe in elektrische Signale umgesetzt wird, um an einem Anzeigegerät angezeigt werden zu können. Bekannt sind ferner Widerstandsmeßeinrichtungen und kapazitive Füllstandssensoren. Die bekannten Füllstandssensoren erfordern einen relativ hohen Aufwand. Sie sind häufig störanfällig, weil sie bewegbare Teile enthalten. Ein weiterer Nachteil der bekannten Füllstandssensoren besteht darin, daß eine Linearisierung des Sensorsignals in Abhängigkeit von dem Tankinhalt schwierig durchzuführen ist. Tanks haben häufig eine unregelmäßige Form, wobei der Tankinhalt nicht proportional zur Füllstandshöhe ist. Da die Füllstandshöhe gemessen wird, muß erst eine

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Umrechnung oder Umformung des Höhensignals auf das gefüllte Tankvolumen erfolgen. Diese Umrechnung oder Umformung erfordert den Einsatz nicht-linearer Bauelemente oder Rechenschaltungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Füllstandssensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, der bei einfachem konstruktiven Aufbau eine sichere Anzeige der Füllstandshöhe mit optischen Mittel ermöglicht.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Nach der Erfindung sendet eine erste Lichtleitergruppe mehrere gebündelte Lichtstrahlen auf den Flüssigkeitsspiegel, wenn die Enden der Lichtleiter sich oberhalb des Flüssigkeitsstandes befinden. Die Lichtstrahlen werden von dem Flüssigkeitsspiegel reflektiert und von Lichtleitern der anderen Gruppe aufgenommen und dem lichtelektrischen Umsetzer zugeführt. Sind dagegen die Enden der Lichtleiter in die Flüssigkeit eingetaucht, dann entsteht keine Lichtreflektion, so daß der lichtelektrische Umsetzer kein Signal liefert. Der Füllstandssensor kann entweder dazu benutzt werden, festzustellen, ob ein vorbestimmter Flüssigkeitsstand unterschritten oder überschritten wird, oder auch zur kontinuierlichen Erfassung des Füllstandes. Im ersten Fall sind prinzipiell nur zwei Lichtleiter erforderlich, von denen der eine der Sendegruppe und der andere der Empfangsgruppe angehört. Im zweiten Fall sind mehrere Lichtleiterpaare erforderlich, die in unterschiedlichen Höhen im Tank enden. Bei kontinuierlicher Füll-

seandsmessüng gibt die Größe des auf den lichtelektri-

dchen Umsetzer auftreffenden Lichtstroms die Anzahl der

Lichtleiter an, die niGht in die Flüssigkeit einge-

taucht sind. Die Größe dieses Lichtstromes ist also ein

} Maß für das nicht von Flüssigkeit eingenommene Tank-

ί 5 volumen.

Der erfindungsgemäße Füllstandssensor eignet sich für die Detektion und Messung von Flüssigkeitsständen in industriellen Anlagen, Öltanks, Kraftfahrzeugtanks und generell für alle Behälter, in denen ein Flüssigkeitsstand überwacht werden muß.

Bei dem Füllstandssensor sind jeweils zwei Lichtleiter, von denen jeder einer anderen Gruppe angehört, einander zugeordnet und auf denselben Flächenbereich der Flüssigkeitsoberfläche gerichtet. Der Lichtstrahl, der aus dem einen Lichtleiter austritt, wird nach Reflektion an der Flüssigkeitsoberfläche und entsprechender Aufweitung durch Streuung hauptsächlich von dem benachbarten Lichtleiter der Empfängergruppe aufgenommen und dem lichtelektrischen Umsetzer zugeführt. Prinzipiell sind auch Wechselwirkungen zwischen Lichtleitern unterschiedlicher Lichtleiterpaare möglich.

Vorzugsweise sind die Lichtleiter zu einer zweilagigen Bahn zusammengeklebt. In dieser Bahn sind jeweils die Lichtleiter eines Paares, die unterschiedlichen Gruppen angehören, dicht nebeneinander angeordnet. Ein besonderer Vorteil besteht darin, daß die Lichtleiterbahn 0 flexibel ist und zum Einführen in den Behälter auch um Hindernisse herumgebogen werden kann.

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Bei dem erfindungsgemäßen Füllstandssensor ist· auf einfache Weise eine Linearisierung zwischen Anzeigesignal und Tankinhalt auch bei unregelmäßig geformten Behältern möglich, dadurch daß die Bahn eine schräg oder kurvenförmig verlaufende Unterkante aufweist, an der sich die freiliegenden Enden der Lichtleiter befinden. Auf jedem Niveau des Behälters sollte die Steigung der Unterkante im wesentlich proportional dem Plächenqüerschnitt des Behälters sein.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines in einen

Tank hineinragenden Füllstandssensors zur Detektion eines vorgegebenen Füllstandes, bei hohem Flüssigkeitsstand,

Fig. 2 die gleiche Anordnung wie Fig. 1 bei

niedrigem Flüssigkeitsstand,

Fig. 3a einen Füllstandssensor für die

kontinuierliche Pegelmessung schematisch in Seitenansicht,

Fig. 3b eine Stirnansicht des Füllstandssensors nach Fig. 3a, und

Fign. 4 und 5 verschiedene Ausführungsformen von

Tankquerschnitten in Verbindung mit entsprechend geformten Unterkanten des Füllstandssensors .

Fig. 6 eine Ausführungsform des Füllstandssensors

mit gekrümmten Lichtleiterband. I^s

Der Füllstandsdetektor nach den Fign. 1 und 2 besteht aus zwei Gruppen 10,11 von Lichtleitern, von denen die Gruppe 10 nur einen einzigen Lichtleiter und die Gruppe 11 ebenfalls nur einen einzigen Lichtleiter aufweist. Jeder Lichtleiter besteht aus einer flexiblen Glasoder Kunststoffaser. Die beiden Lichtleiter ragen senkrecht in den Behälter 12 oder Tank hinein. Die unteren Abschnitte der Lichtleiter verlaufen parallel zueinander. In diesem Bereich liegen die Lichtleiter seitlich aneinander an und sie sind miteinander verklebt. Die unteren Enden 13,14 der beiden Lichtleiter 15,16 befinden sich im Behälter 12 in einer Höhe, die dem zu erkennenden Flüssigkeitsstand entspricht. Die Lichtleiter 15,16 sind in ihren oberen Bereichen in entgegengesetzten Richtungen abgebogen. Das obere Ende des Lichtleiters 15 ist gegenüber einer Lichtquelle 17, z.B. einer lichtimitierenden Diode, angeordnet. Die Lichtquelle 17 ist zusammen mit dem Ende des Lichtleiters 15 in einem lichtundurchlässigen Gehäuse 18 gekapselt. In ähnlicher Weise ist das obere Ende des Lichtleiters 16 gegenüber der Sensorfläche eines fotoelektrischen Umsetzers 19, z.B. in Form eines Foto- transistors, angeordnet. Der Umsetzer 19 ist zusammen mit dem oberen Ende des Lichtleiters 16 in einem lichtundurchlässigen Gehäuse 20 gekapselt untergebracht. Der Emitter des Fototransistors ist über einen Widerstand 21 mit einem Spannungspotential U verbunden und andererseits auch mit dem Ausgang A. Wenn aus dem Ende des Lichtleiters 16 Licht ^:< f die Sensorfläche des Fototransistors fällt, wird üxuser Strom leitend, wobei die Inpedanz der einfallenden Lichtmenge proportional

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bzw. 16 besteht. Die Lichtleitergruppen 10 und 11 bil

ist. Am Ausgang A entsteht ein elektrisches Signal, das der einfallenden Lichtmenge umgekehrt proportional ist. Dieses Signal kann über einen Schwellwertschalter digitalisiert werden.

In Fig. 1 ist der Zustand dargestellt, daß der Flüssigkeitsstand 22 im Behälter 12 über die unteren Enden 13,14 der Lichtleiter hinausgeht, so daß die unteren Enden in die Flüssigkeit eingetaucht sind. Ein Lichtstrahl, der das untere Ende 13 des Lichtleiters 15 verläßt und in die Flüssigkeit eindringt, wird in dieser bzw. am Behälterboden absorbiert, so daß der Lichtleiter 16 kein Licht erhält. Erforderlichenfalls kann das Innere des Behälters mit einer licht absorbierenden Beschichtung versehen sein.

Fig. 2 zeigt den Fall, daß der Flüssigkeitsstand 22 unter den Enden 13,14 der Lichtleiter liegt. In diesem Fall wird der aus dem Ende 13 austretende Lichtstrahl von der Flüssigkeitsoberfläche 22 zum Ende 14 des Lichtleiters 16 reflektiert. An dem Umsetzer 19 wird ein elektrisches Signal erzeugt, das angibt, daß der Füllstand unter dem durch die Enden 13,14 vorgegebenen I Niveau liegt. |

Fign. 3a und 3b zeigen eine Ausführungsform, bei der I jede Lichtleitergruppe 10 bzw. 11 aus zahlreichen in j einer gemeinsamen Ebene angeordneten Lichtleitern 15 t

den eine zweilagige Bahn, wobei jeweils zwei Licht- S

leiter aus beiden Gruppen nebeneinander angeordnet j

sind. Sämtliche Lichtleiter der Bahn sind durch Ver- j

klebung miteinander verbunden. Die Lichtleiter 15 der

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Gruppe 10 führen in das die Lichtquelle enthaltende Gehäuse 18 hinein und die Lichtleiter 16 der Gruppe 11 führen in das den lichtelektrischen Umsetzer enthaltende Gehäuse 20 hinein. Die Gehäuse 18 und 20 sind an einem Halter 23 montiert, an dem ein lichtundurchlässiges Rohr 24 befestigt ist, welches die zu einer zweilagigen Bahn miteinander verbundenen Lichtleiter 15,16 mit Abstand umschließt. Das Rohr 24 ist am unteren Ende offen und am oberen Ende mit einer Entlüftungsöffnung 26 versehen.

Die unteren Enden 13 und 14 der zu der zweilagigen Bahn paarweise zusammengefügten Lichtleiter 15,16 sind gemäß Fig. 3a schräg abgeschnitten, so daß die Unterkante der Bahn entlang einer schrägen Geraden verläuft. Im Bereich dieser Geraden kann der Füllstand kontinuierlich gemessen werden. Diejenigen Paare von Lichtleitern, deren Enden Ij,14 in die Flüssigkeit eingetaucht sind, liefern an den fotoelektrischen Umsetzer keinen Signalanteil, während diejenigen Paare, die über dem Flüssigkeitsstand 22 liegen, infolge der Reflektion an der Flüssigkeitsoberfläche Licht an den fotoelektrischen Umsetzer liefern. Da der Fototransistor im linearen Bereich betrieben wird, ist die Höhe des Ausgangssignals proportional bzw. umgekehrt proportional zu der Anzahl derjenigen Lichtleiter 16, die dem Umsetzer Licht zuführen. Das Rohr 24 verhindert, daß dem Füllstandssensor von außen Fremdlicht zugeführt wird. Der in den Fign. 3a und 3b dargestellte Füllstandssensor kann daher auch in offenen Tanks benutzt werden.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Flächenquerschnitt des Tanks 22a sich von oben nach

unten kontinuierlich erweitert. Um eine lineare Füllstandsanzeige zu erhalten, hat die Unterkante 27 der zweilagigen Lichtleiterbahn 25 den dargestellten Verlauf. Die Steigung der Unterkante 27 (in bezug auf die Horizontale) entspricht in jeder Höhe dem Flächenquerschnitt des Behälters 22 auf diesem Niveau. Wenn der Behälterquerschnitt sich zum oberen Ende verjüngt, ist die Unterkante 27 daher konkav.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Anpassung der Unterkante 27 der Bahn 25 an die Form eines Behälters 22b, dessen Querschnitt sich von unten nach oben zunächst vergrößert und anschließend wieder verkleinert. Auch hier ist auf jedem Niveau die Steigung der Unterkante 27 proportional zu der Querschnittsfläche des Behälters 22t auf diesem Niveau.

Während bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen das Band 25 aus den paarweise nebeneinander angeordneten Lichtleitern 15 und 16 jeweils ebenflüchi?

ist, hat bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 6 das Band 25 eine runde oder halbrunde Form, wobei jeweils ebenfalls neben einem Lichtleiter 15 der Sendergrappe 10 ein Lichtleiter 16 der Empfängergruppe 11 angeordnet ist. Die Form des Bandes 25 in Fig. 6 kann insbesondere für Tankbehälter mit rundem Querschnitt zweckmäßig sein. Natürlich kann das Band 25 durch entsprechende Fixierung der Lichtleiter auch eine andere Form erhalten.

Claims (5)

III·· »ere rei - 9 - ANSPRÜCHE :

1. Füllstandssensor zur Bestimmung des Flüssigkeitsstandes in einem Behälter, mit einer in den Behälter ragenden Sonde,

dadurch gekennzeichnet,
daß die Sonde aus mindestens zwei Lichtleitergruppen (10,11) besteht, deren parallel verlau

fende Lichtleiter (15,16) seitlich miteinander verbunden sind, daß jeweils benachbarte Lichtleiter (15,16) beider Gruppen (10,11) in gleicher Höhe enden und daß die rückwärtigen Enden der Lichtleiter der einen Gruppe (10) auf eine Lichtquelle (17) gerichtet und die rückwärtigen Enden der Lichtleiter der anderen Gruppe (11) auf einen lichtelektrischen Umsetzer (19) gerichtet sind.

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2. Füllstandssensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn

zeichnet, daß die Lichtleiter (15,16) zu einer zweilagigen Bahn zusammengeklebt sind.

3. Füllstandssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahn (25) eine schräg oder kurvenförmig verlaufende Unterkante (27) aufweist, an der sich die freiliegenden Enden

(13,14) der Lichtleiter (15,16) befinden.

4. Füllstandssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf jedem Niveau die Steigung der Unterkante (27) im wesentlichen proportional dem Flächenquerschnitt des Behälters (12) ist»

5. Füllstandssensor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitergruppen (10,11) von einem undurchsichtigen, unten offenen Rohr (24) umgeben sind.