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Photoelektrisch gesteuerte Vorrichtung zur Regelung der Flüssigkeitszufuhr
zu einem Behälter
Die Erfindung bezieht sich auf p;hotoelelitrische Regelvorrichtungen
und insbesondere auf eine pllotoelektrisch gesteuerte Regelung der Flüssigkeitszufuhr
zu einem Behälter.
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Es hat sich bei bestimmten industriellen Arbeits-Vorgängen, bei denen
eine angemessene Zufuhr einer hochviskosen Flüssigkeit zu einem Behälter aufrechterhalten
werden soll, von dem die Flüssigkeit gleichbleibend abgeführt wird, z. B. bei der
Herstellung von Filmschichtträgern, herausgestellt, daß die üblichen Regeleinlrichtungen
für die Höhe des Flüssigkeitsspiegiels unzureichend sind, weil eine derartige Flüssigkeit
sich zu langsam auf die Bedingungen. dieser Höhe einstellt.
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Infolge häufigen Nachfüllens des Behälterinhaltes neigt überdies ein
derartiger viskoser Stoff dazu, eine wellenförmige Oberfläche und im allgemeinen
einen Spiegel zu bilden, der in bezug auf die Waagerechte geneigt ist.
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Für die Regelung kommt es darauf an, daß das Nachfüllen bei einer
ganz bestimmten Flüssigkeitshöhle beginnt und bei Uberschreiten dieser Höhe fortgesetzt
wird. Die Verwendung photoelektrischer Regeleinrichtungen, die von der Spfegelreflexion
von Lichtstrahlen auf der Oberfläche der Flüssigkeit gesteuert werden, hat in diesen
Fällen den Nachteil, daß diese Einrichtungen überempfindlich auf die gerade vorliegende
besondere Form des Flüssigkeitsspiegels reagieren. Diese tberempfindlichkeit rührt
davon her, daß die unmittelbar durch Spiegelrefiexion reflektierten Lichtstrahlen
ein verhältnismäßig schmales Lichtbündel bilden und
schon bei kleinen
im Flüssigkeitsspiegel auftretenden Änderungen große Abweichungen des Reflexionswinkeis
hervorgerufen werden.
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Die Erfindung bezweckt, von diesen Nachteilen Abhilfe zu schaffen,
und zwar durch eine photoelektrisch gesteuerte Ventilregeivorrichtung für die Zufuhr
eines hochviskosen Stoffes zu einem Behälter, die es gestattet, den Flüssigkeitsspiegel
im Bfehätter innerhalb vorgegebener Grenzen zu haltell.
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Insbesondere soll eine Vorrichtung gemäß Erfindung die gewünschte
Steuerung über einen weiten Bereich von Refiexionswinkeln der reflektierten Strahlen
ausführen.
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Ein Grundgedanlçe der Erfindung besteht darin, das lichtempfindliche
System so auszubilden, daß Spieglelreflexionen der Strahlen von der Flüssiglçeitsoberffächle
von dem grundlegenden Steuervorgang ausgeschlossen werden und daß dieses System
in der Hauptsache auf diffuse Reflexionen anspricht. Gemäß. der Erfindung wird dieser
Grundgedanke durch Organe verkörpert, welche die Reflexion der von einer LichtquelLe
ausgehenden und auf der Flüssigkeitsoberfläche im Behälter gesammelten Strahlen,
soweit sie durch direkte Spiegelung- erzeugt wird, nicht zur lichtempfindlichen
Zelle gelangen lassen, wohl aber diffus von dieser Oberfläche reflektierte Strahlen
zu dieser Zelle hinleiteni und dabei auf eine bestimmte Bahn derart beschränken,
daß die die Photozelle erregende Lichtmenge (Intensität) durch die Höhe des Flüssigkeitsspiegels
bestimmt ist. Diese Organe können Führungsorgane für das Lichtbündel und Abschirmmittel
zur Beschränkung dieses Bündes auf eine bestimmte Bahn, z. B. in Form eines Rohres,
mit einem nach innen vorstehenden lichtundurchlässigen Schirm sein.
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Besondere Ausführungsformen der Erfindung gehen aus der nachstehenden
Beschreibung an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels hervor,
und zwar zeigt Fig. I die photoelektrische Regelvorrichtung für die Flüslsigkeitslhöhe
in einer schematischen Gesamtansicht für den Fall, sodaß die. Photozelle gerade
bei tberschreiten einer bestimmten Flüssigkeitshöhe erregt wird, Fig. 2 eine der
Fig. I ähnliche Ansicht für den Fall, daß die Photozelle gerade bei Unterschreiten
einer bestimmten Flüssigkeitshöhe nicht erregt wird und Fig. 3 ein Kurvenschaubiid
zur Darstellung des Verhältnisses des Photostromes zur Flüssiabnkeitshöhe.
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Ein Teil des Behälters 3 ist im Schnitt dargestellt, und in diesem
Behälter soll eine hoch viskose Flüssigkeit 4 auf einer vorgegebenen durchschnittlichen
Höhe des Flüssiglçeitsspiegels gehalten werden. Die Flüssd-gkeit 4 wird von einem
geeigneten Vorratsbehälter oder einer sonstigen Flüssigk.eitsquelle aus, die nicht
dargestellt ist, durch ein Zuführungsrohr 5 hindurch zugeführt.
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Ein Ventil 6 dient zur Regelung des Flüssigkeitsstromes im Zufüllrohr
5. Die Regelung des Ventils erfolgt durch einen geeigneten Eielctromotor 8 mit umkehrbarer
Drehrichtung. Die Drehrichtung des Motors 8, der im einen Drehsinn das Ventil 6
schließt und es im anderen Drehsinn öffnet, wird durch eine Reglereinheit gesteuert,
die in der Zeichnung als rechteckiger Block R dargestellt ist.
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Diese Reglereinheit spricht auf den in der Photozelle g fließenden
Strom an.
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Das Ventil 6, der Motor 8 und die Reglereinheit der Photozelle g
sind im einzelnen nicht gezeichnet. da sie für sich keinen Gegenstand der Erfindung
bilden und in irgendeiner üblichen Bauart mit normalen Bauelementen gebildet sein
können, die nach Maßgabe der Anforderungen im Einzelfall zu wählen sind. Die Reglereinheit
kann z. B. einen Verstärker und Relaisstromkreise von der Bauart enthalten, die
in dem Werk von H. J. Reich, Ausg. I939i, S. 505 und 506 »Theory and Applications
of Electron Tubes« (Theorie und Anwendung der Elektronenröhren) beschrieben sind;
stattdessen können Spezialschaitungen verwendet werden, die von der benutzten Photozelle
und von dem Energiebedarf des Motors abhängen.
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Der Behälter 3 ist mit einem optischen System ausgerüstet, das ein
senkrecht stehendes Lichtführungsrohr 10 aufweist. Dieses Rohr besitzt eine polierte,
lichtreflektierende innere Oberfläche ii und einen Boden I2, der eine Linse I3 führt.
Quer zur Längsachse der Führung 10 und über der Linse I3 erstreckt sich ein lichtundurchlässiger
Schirm I4 in Gestalt einer segmentförmigen Scheibe von der Wandung 11 weg. Der Zweck
dieses Schirmes wird weiter unten in Verbindung mit der Arbeitsweise der Vorrichtung
erläutert. Am Fußteil der Führung 10 ist in einem Winkel von ungefähr 45° geneigt
eine Linse I6 angebracht.
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Das ganze vorstehend beschriebene optische System ist schematisch
und nur zur Vereinfachung der Erläuterung des Erfindergedankens dargestellt. Selbstvgerständlich
bilden die Führung 10 und die Linsen 13 und 16 einen einheitlichen Gesamtaufbau,
der mit irgendwelchen geeigneten B-efestigungsvorrichtungen ausgerüstet sein kann,
z. B. mit einem Gewindleflansch oder einer Anschlußhülse, zur Anbringung an verschiedenen
Bauarten von Blehältern.
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Die Photozelle 9 oder ein gleichwertiges lichtempfindliches Organ
ist in der optischen Achse bzw. in der Verlängerung der Lichtführung 10 angeordnet,
und eine Lichtquelle 17 ist in Verbin dung mit einer Kondensorlinse IS so angebracht,
daß sie ein Lichtbündel auf die Linse 16 wirft.
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Dieses Strahlenbündel verläuft in einem Winkel von ungefähr 45Q in
bezug auf die Oberseite des Blehäl-ters 3. Die Linse I6 sammelt das Strahlen bündel
und läßt das Licht zu einem Punkt konvergieren, und zwar längs einer Linie, die
sich von der Längsachse der Lichtführung 10 nach unten erstreckt.
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Es ist zu beachten, daß die Lichtführung Io, die sich in einem Winkel
von go0 zur Oberseite des Behälters; 3 erstreckt, verhindert, daß die durch Spiegel
reflexion an der Flüssigkeitsoberfläche bei normalen Arbeitshöhen des Flüssigkeitsspiegels
erzeugte
Komponente der Lichtstrahlen durch sie hindurchdringt. Die spiegel reflektierten
Strahlen sind in vollausgezogenen Linien gezeichnet und ihr Reflexionswinkel, der
dem Einfal lswfnkel des von der Lichtquelle I7 kommenden Strahlenbündels gleich
ist, liegt bei 450 in bezug auf die getroffene spiegelnde Oberfläche. Gemäß der
Erfindung ist die Lichtführung I0 so bemessen, daß unmittelbar von der Flüssigkeitsoberfläche
reflektierte Strahlen die Photozelle 9 nicht erreichen können. Alle die Photozelle
g treffenden wirksamen Strahlen erreichen deren Kathode 7 nach einer oder mehreren
Reflexionen an der polierten inneren Oberfläche der Wandung II. Bei dem an dieser
Wandung reflektierten Licht herrscht die durch Spiegel reflexion erzeugte Komponente
vor, lveil durch die polierte Oberfläche diffuse bzw. zerstreute Reflexion auf einen
vernachlässigbar kleinen Betrag herabgesetzt wird, der weit unter der Empfindlichkeit
der Photozelle g liegt. Andererseits handelt es sich bei sder Reflexion, die die
Flüssigkeitshöhe bestimmt, und auf die Lin6eiI3 gerichtet ist, um diffuse bzw. gestreute
Reflexion. Da diffuse Reflexion von Lichtstrahlen herrührt, die von der Flüssigkeitsoberfläche
in allen Richtungen reflektiert werden, ist ersichtlich, daß ein Lichtfleck bzw.
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Lichtbündel von verhältnismäßig großem Querschnitt auftritt, der bzw.
das durch die Licht eintrittsöffnung der Lichtführung, nämlich durch die Linse 13
nach Maßgabe der Änderung der rohe des Flüssigleitsspiegels hindurchtritt.
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Die Arbeitsweise d;er Regelvorrichtung ergibt sich leicht aus einem
Vergleich der Fig. I, die einen hohen Flüssigkeitsspiegel zeigt, mit Fig. 2, bei
der ein niedriger Flüssigkeitsspiegel dargestellt ist.
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Die Flüssigkeitszufuhr ist so eingerichtet, daß der Motor 8 beständig
in dem Sinn erregt wird, daß er das Ventil 6 bei seiner Drehbewegung öffnet. Bei
dieser Ausführungsform des Steuervorganges wird ein Motor von der Drehmomentbauart
verwendet, bei der der Motor bei Erreichen der Grenze seiner Antriebsbewegung erregt
bleibt und das Ventil 6 offenhält. Die Umkehrbewegung des Motors, die von der Reglereinheit
hervorgerufen wird, schließt das Ventil 6 und hält es so lange geschlossen, als
der Motor in dieser Drehrichtung erregt bleibt, und zwar ist dieser Vorgang von
der Leitfähiglieit der Photozelle g abhängig.
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Es ist nun ersichtlich, daß die Strahlen der Lichtquelle 17, Idiie
durch die Linse I6 auf der Flüssi,glçeitsoberfläche gesammelt und diffus in allen
Richtungen reflektiert werden, durch Reflexionen an der Wandung 11 durch die Führung
10 hinldurchtreten können, wenn der Flüssigkeitsspiegel eine bestimmte Höhe hat
oder überschreitet, so daß sie der Kathode 7 der Photozelle g zugeführt werden.
Die Reglereinheit tritt dann in Tätigkeit und kehrt die Drehrichtung des Motors
8 und die Bewegungsrichtung des Ventils 6 um, das sich bis dahin in Offenstellung
befand, so daß das Ventil geschlossen wird und die Flüssigkeitszufuhr zum Behälter
3 abstellt. Sobald Flüssigkeit vom Behalter abgeführt wird, sinkt der Flüssigkeitsspiegel
und wird ein Punkt erreicht, an dem die Richtung der diffus reflektierten Strahlen
so verläuft, daß diese nicht mehr durch die Führung 10 hindurchtreten können (Fig.
2), weil die durch die Linse 13 einfaltenden Strahlen vom Schirm 14 abgeblendet
werden. Die Aufgabe dieses Schirmes besteht darin, den Durchtritt der Strahlen zu
hindern, die unter einem bestimmten vorgegebenen Winkel ankommen und diesen Winkel
überschreiten, so daß die Durchleitung von Licht durch die Führung 10 auf eine vorgegebene
Bahn eingeschränkt wird.
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Die auf diese Weise erzielte Regelung der Flüs siglteitshöhe gestattet
ein gleichmäßiges ./\rbeiten innerhalb eines großen Bereichs von Ände rungen der
Flüssigkeitshöhe oder der Art des flüssigen Stoffes. Dabei tritt kein scharfer Punkt
auf, an dem Änderungen einer bestimmten Flüssigkeitshöhe nach oben oder nach unten
ein Durchgehen des Ventil motors 8 verursachen würden.
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Vielmehr ist zu beachten, daß die Regelbewegnog in der einen oder
der anderen Richtung, ob nun die Flüssigkeit ansteigt oder absinkt, innerhalb gewiinschter
Grenzen beibehalten bleibt. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß die Änderung der Flüssigheitshöhe
eine Änderung der Lichtintensität bzw. Lichtmenge mit sich bringt, die die Photozelle
g erreicht und eine entsprechende Änderung des von ihr abgegebenen Stromes erzeugt.
Diese Änderung geht allmählich vor sich und der Anstieg oder die Neigung der Stromkurve
in ilrem gradlinigen Teil gibt den Bereich wieder, in dem der Stenervorgang zweckmäßig
vor sich geht. Gewünschte Grenzen können zwischen dem maximalen und dem minimalen
Strom längs des geradlinigen Teils der Stromcharakteristik für die Umkehr des Richtungssinns
des Ventil motors 8 gewählt werden.
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Die Wahl dieser Grenzen kann durch richtige Wahl der Photozellenreglereinheit
oder der Ansprechcharakteristik der Photozelle selbst getroffen werden.
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Wählt man z. B. die Ansprechpunlite zwischen a und b, so wird, wenn
die Flüssigkeitsmasse die Höhe erreicht, bei der sich eine derartige Lichtintensität
ergibt, daß die Größe des Stromes durch a wiederzugeben ist, die Drehrichtung des
Motors 8 umgekehrt und das Ventil 6 geschlossen.
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Sobald flüssige Masse entnommen und der Flüssiglçeitsspiegel gesenkt
wird, nimmt die Lichtintensität in der Führung 10 allmählich ab, weil mehr und mehr
von den diffus reflektierten Strahlen auf den lichtundurchlässigen Schirm 14 treffen.
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Demgemäß nimmt der Photostrom ab, bis er die durch b wiedergegebene
Größe erreicht, wobei die Drehrichtung des Motors 8 erneut umgekehrt und das Ventil
6 geöffnet wird.
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Bei hochviskoser Flüssigkeit ist eine derartige langsame und stetige
Arbeitsweise erwünscht. Oft treten bei der Zufuhr der Flüssigkeit Wellenbewegungen
zufolge ihrer Massenwirliuag ein und diese Wellenbewegungen können Wellenfronten
hervorrufen, die die Bedingungen eines scheinbaren, höheren Flüssigkeitsspiegels
als im Durchschnitt hervorrufen. Diese Erscheinung heeinflu ßt
das
Regelsystem nicht, und zwar vermöge des Umstandes, daß der eingesteuerte Steuervorgang
für die eine oder die andere Drehrichtung innerhalb bestimmter Grenzen zwischen
einem niedrigen und einem hohen Flüssigkeitsspiegel bzw. einem scheinbar niedrigen
und scheinbar hohen Flüssigkeitsspiegel aufrechterhalten bleibt.