SE511605C2

SE511605C2 - level sensors

Info

Publication number: SE511605C2
Application number: SE9703980A
Authority: SE
Inventors: Rolf Westerlund
Original assignee: Rolf Westerlund
Priority date: 1997-10-30
Filing date: 1997-10-30
Publication date: 1999-10-25
Also published as: SE9703980L; EP1032807A1; AU1057599A; SE9703980D0; WO1999026044A1

Abstract

A detector for detecting the level of a boundary surface or interface between a first medium (A) and a second medium (B) in a tank (1) includes a radiation emitter (3) and a radiation sensor. A reflective device (2) is disposed in the tank for irradiation by the emitter (3). The reflector device (2) is chosen to change a property of the radiation emitted by the emitter when reflecting said radiation, in relation to the extent to which the two medium (A, B) are present at the reflective device (2). The sensor (4) is adapted to sense said change as an indication of the position of the interface surface relative to the reflective device, which is retroreflexive and which is chosen to impart essentially different angles of scatter to the reflected radiation depending on whether said reflection takes place in the presence of one of said media (A, B).

Description

15 20 25 30 35 511605 med sådan reflextejp är emellertid att dess retroreflektion väsentligt försämras när reflextejpen blir regnvát. Just denna effekt hos reflextejp av retroreflektortyp utnyttjas på gynn- samt vis vid uppfinningen. Man kan såsom ett exempel montera en sådan retroreflektortejp i tanken, och placera emittern och sensorn så att emittern kan belysa tejpenq och så att sensorn kan mäta den retroreflekterade ljusmängden. Retroreflektionen innebär att en ljusstråle som riktas mot reflextejpen reflekte- ras med förhållandevis liten spridningsvinkel mot ljuskällan. 511605 with such reflective tape, however, is that its retroreflection significantly deteriorates when the reflective tape becomes rain-wet. Precisely this effect of reflective tape of the retroreflector type is utilized in a favorable manner in the invention. As an example, such a retroreflective tape can be mounted in the tank, and the emitter and the sensor placed so that the emitter can illuminate the tape and so that the sensor can measure the amount of retroreflected light. The retroreflection means that a light beam directed at the reflective tape is reflected with a relatively small scattering angle towards the light source.

När reflextejpen är neddoppad i vätska, blir emellertid denna spridningsvinkel mycket större. Även om vätskan har hög trans- parens, kommer enbart en obetydlig andel av reflekterat ljus från den retroreflekterande anordningen under vätskenivån att avkännas av sensorn. Härav inses att uppfinningen är oberoende av transparensen hos materialet vars nivå i tanken skall mätas.However, when the reflective tape is immersed in liquid, this spreading angle becomes much larger. Even if the liquid has a high transparency, only an insignificant proportion of reflected light from the retroreflective device below the liquid level will be sensed by the sensor. From this it is understood that the invention is independent of the transparency of the material whose level in the tank is to be measured.

Uppfinningsidén är emellertid mer generell än det givna illus- trativa exemplet.However, the inventive idea is more general than the illustrative example given.

Emittern, sensorn och reflektorn är sålunda generellt anpassade för elektromagnetisk strålning. Det för enkelhets skull utnytt- jade uttrycket "ljus" skall därför tolkas som elektromagnetisk strålning, av vilken som helst våglängd.The emitter, sensor and reflector are thus generally adapted for electromagnetic radiation. The term "light" used for simplicity should therefore be construed as electromagnetic radiation, of any wavelength.

Vidare är reflektorn generellt av sådan art att den förändrar en egenskap hos det "ljus" den emottar från emittern, beroende på i vilken omfattning reflektorn befinner sig i det ena eller det andra mediet i tanken. Sensorn är belägen så att den kan emotta det från emittern avgivna ljuset som reflekterats av reflektorn mot sensorn så att denna kan avkänna den ifråga- varande egenskapsförändringen. Sensorn är anordnad att på basis av denna egenskapsförändring etablera en indikation på läget för gränsytan mellan de ifrågavarande medierna.Furthermore, the reflector is generally of such a nature that it changes a property of the "light" it receives from the emitter, depending on the extent to which the reflector is in one or the other medium in the tank. The sensor is located so that it can receive the light emitted from the emitter which is reflected by the reflector towards the sensor so that it can sense the change in property in question. The sensor is arranged to establish an indication of the position of the interface between the media in question on the basis of this change in property.

Emittern och sensorn behöver givetvis inte vara placerade inuti tanken, men kan av praktiska skäl vara placerade i denna. 10 15 20 25 30 35 511605 Uppfinningen är naturligtvis användbar för nivåmätning av mate- rial som inte är flytande/vätskeformiga. Om materialet i fråga består av exempelvis sand, kommer visserligen materialets nivå att vara ojämn, men fackmannen inser möjligheten av att begrän- sa denna olägenhet genom att man tillhandahåller flera retro- reflekterande anordningar i tanken, på avstånd från varandra.The emitter and sensor do not of course have to be located inside the tank, but can for practical reasons be located in it. The invention is of course useful for level measurement of non-liquid / liquid materials. If the material in question consists of, for example, sand, the level of the material will admittedly be uneven, but the person skilled in the art realizes the possibility of limiting this inconvenience by providing several retro-reflecting devices in the tank, at a distance from each other.

Ett sådant utförande är givetvis av intresse även för sådana applikationer där tanken lutas eller snedställes under använd- ning, eller där tankens vätska intar en snedställning relativt horisontalplanet.Such an embodiment is of course also of interest for such applications where the tank is tilted or inclined during use, or where the liquid of the tank occupies an inclination relative to the horizontal plane.

En mätning av höjdläget/nivån för gränsytan mellan ett medium A och ett annat medium B i en tank ger möjlighet till att utvär- dera t ex medium Azs vätskevolym i tanken. Om exempelvis tanken har konstant tvärsnittsarea utmed sin höjd, kommer den avkända nivån att vara direkt proportionell mot medium Azs volym i tan- ken, så att sensorns utsignal blir direkt indikativ på medium Azs volym, utan behov av bearbetning av ljussensorns utsignal för beräkning av vätskevolymen. Genom uppfinningen kan man variera den retroreflektiva anordningens breddvariation i ver- tikalled så, att den retroreflektiva anordningens relativa bredd på en nivå motsvarar tankens relativa area på denna nivå, var- igenom ljusmängden som avkännes av sensorn är proportionell mot tankvolymen ovanför materialnivån. Alternativt kan skärmens effektivitet varieras så att samma effekt uppnås.A measurement of the height / level of the interface between a medium A and another medium B in a tank provides an opportunity to evaluate, for example, medium Az's liquid volume in the tank. For example, if the tank has a constant cross-sectional area along its height, the sensed level will be directly proportional to the volume of the medium Az in the tank, so that the output of the sensor becomes directly indicative of the volume of the medium Az, without the need to process the output of the light sensor. . By means of the invention, the width variation of the retroreflective device can be varied vertically so that the relative width of the retroreflective device at a level corresponds to the relative area of the tank at this level, whereby the amount of light sensed by the sensor is proportional to the tank volume above the material level. Alternatively, the efficiency of the screen can be varied so that the same effect is achieved.

Om reflektorn ("skärmen") har en effektivitet som är beroende av belysningsvinkeln, kan detta kompenseras antingen genom att man återigen varierar skärmens bredd eller genom att man varie- rar transmittansen så att uppmätt reflektion blir likformig över hela skärmen när tanken är tom. Med effektivitet avses graden av retroreflektivitet eller absorptionen i skärmen. Om mer än en skärm installeras eller alla sidor i tanken utformas som eller förses med skärmar, kommer avläsningen att vara obe- roende av tankens orientering eller rörelse. Den uppmätta strål- ningsstyrkan blir ett mått på materialnivån i tanken. iWi-ﬁ 10 15 20 25 30 35 511 605 I en aspekt på uppfinningen kommer den del av skärmen som omges av ett medium A under en gränsyta mellan detta medium A och ett medium B i tanken, att sända ljus från emittern át alla häll.If the reflector ("screen") has an efficiency that depends on the lighting angle, this can be compensated either by varying the width of the screen again or by varying the transmittance so that measured reflection becomes uniform over the entire screen when the tank is empty. Efficiency refers to the degree of retroreflectivity or absorption in the screen. If more than one screen is installed or all sides of the tank are designed as or fitted with screens, the reading will be independent of the orientation or movement of the tank. The measured radiation intensity becomes a measure of the material level in the tank. In one aspect of the invention, the part of the screen surrounded by a medium A below an interface between this medium A and a medium B in the tank will emit light from the emitter to all hobs.

Irradiansen mot detektorn frán denna del av skärmen blir liten även om medium A är transparent.The irradiance towards the detector from this part of the screen becomes small even if medium A is transparent.

Den del av skärmen som finns i medium B ovanför gränsytan, kom- mer att fungera som en retroreflektor och sända tillbaka nästan allt ljus till ett område nära strålningsemittern. Irradiansen mot detektorn från denna del av skärmen blir hög. Den totala irradiansen mot detektorn blir därmed beroende av nivån för materialet/medium A. Man antar att medium A och B har olika brytningsindex.The part of the screen that is in medium B above the interface, will act as a retroreflector and send back almost all the light to an area near the radiation emitter. The irradiance towards the detector from this part of the screen becomes high. The total irradiance towards the detector thus becomes dependent on the level of the material / medium A. It is assumed that medium A and B have different refractive indices.

Uppfinningen kommer i det följande att beskrivas i exempelform med hänvisning till den bilagda ritningen.The invention will be described in the following in an exemplary form with reference to the accompanying drawing.

Fig 1-4 visar schematiskt olika utföringsformer av en nivá- givare enligt uppfinningen.Figures 1-4 schematically show different embodiments of a level sensor according to the invention.

Fig 5 visar en variant av nivågivarna enligt fig 1-4.Fig. 5 shows a variant of the level sensors according to Figs. 1-4.

Fig 6 visar en utföringsform av en retroreflektiv skärm som kan användas i en tank enligt uppfinningen.Fig. 6 shows an embodiment of a retroreflective screen which can be used in a tank according to the invention.

I fig 3 visas en tank 1 som med sin undre del innehåller ett medium A, t ex en transparent vätska, och som i sin övre del ovanför medium A innehåller ett medium B, t ex luft. Brytnings- index för medium A avviker från det för medium B.Fig. 3 shows a tank 1 which with its lower part contains a medium A, eg a transparent liquid, and which in its upper part above medium A contains a medium B, eg air. The refractive index for medium A differs from that for medium B.

En retroreflektiv skärm 2 visas i tanken l, exempelvis pà en sidovägg därav. Denna skärm/retroreflektor 2 är i utförings- exemplet en kommersiellt tillgänglig flexibelt retroreflektor.A retroreflective screen 2 is shown in the tank 1, for example on a side wall thereof. This screen / retroreflector 2 is in the exemplary embodiment a commercially available flexible retroreflector.

Sá länge skärmen är omgiven av luft/gas, har den en retro- reflekterande egenskap, dvs att den,när det träffas av en ljusstràle från en ljuskälla,reflekterar denna ljussträle med liten spridningsvinkel tillbaka mot området för ljuskällan. 10 15 20 25 30 35 511 605 I tankens 1 överdel visas vidare en ljuskälla 3 som är anordnad att kunna belysa skärmen 2. En ljussensor 4 är placerad för att kunna avskärma det retroreflekterade ljuset från skärmen 2.As long as the screen is surrounded by air / gas, it has a retro-reflective property, ie when it is hit by a light beam from a light source, it reflects this light beam with a small scattering angle back towards the area of the light source. In the upper part of the tank 1 a light source 3 is further shown which is arranged to be able to illuminate the screen 2. A light sensor 4 is placed in order to be able to shield the retroreflected light from the screen 2.

I fig 3 visas en retroreflektorn 2 som, då denna är omgiven av mediet A reflekterar ljuset från källan 3 med en relativ stor spridningsvinkel, vilket innebär att enbart en försumbar andel av det ljus som reflekteras från reflektorns 2 i mediets A be- lägna del när sensorn 4. Den ljusintensitet som sensorn 4 av- känner, utgör därför ett mätt på den totala arean av reflex- bandet 2 ovanför mediets A överyta. Om skärmen 2 har jämn bredd utmed sin längd, utgör den av sensorn 4 uppmätta ljusmängden en indikation på längden av bandet 2 cwanför vätskans A ytan Härav kan man enkelt härleda nivån för vätskan A i tanken. Denna vät- skenivá motsvarar volymen av vätskan i tanken, om tankens hori- sontella tvärsnittsarea är konstant i tankens alla höjdniväer.Fig. 3 shows a retroreflector 2 which, when surrounded by the medium A, reflects the light from the source 3 with a relatively large scattering angle, which means that only a negligible proportion of the light reflected from the reflector 2 in the opposite part of the medium A when the sensor 4. The light intensity sensed by the sensor 4 therefore constitutes a measure of the total area of the reflective band 2 above the upper surface of the medium A. If the screen 2 has an even width along its length, the amount of light measured by the sensor 4 is an indication of the length of the band 2 across the surface of the liquid A. From this one can easily derive the level of the liquid A in the tank. This liquid level corresponds to the volume of the liquid in the tank, if the horizontal cross-sectional area of the tank is constant at all height levels of the tank.

Om tankens horisontella tvärsnittsarea varierar över tankens höjd, kan man kompensera för detta genom att exempelvis utforma retroreflektorskärmen (som förutsetts ha likformig retroreflek- tionsförmàga per ytenhet) med en bredd som varierar i höjdled motsvarande tankens tvärsnittsareavariation i höjdled, såsom illustreras i fig 6, där den yttre konturen ll indikerar tan- kens tvärsnitt och den inre konturen 21 indikerar skärmens 2 motsvarande form.If the horizontal cross-sectional area of the tank varies over the height of the tank, this can be compensated for by, for example, designing the retroreflector screen (which is assumed to have uniform retroreflective capacity per unit area) with a width varying in height corresponding to the tank cross-sectional variation. the outer contour 11 indicates the cross section of the tank and the inner contour 21 indicates the corresponding shape of the screen 2.

I fig 1 visas en utföringsform där skärmen 2 i stället erbjuder spegelreflex i närvaro av medium B och retroreflex eller lam- bertreflex i närvaro av medium B, varvid sensorn 4 är placerad i tankens undre del för att avkänna reflexen från skärmen i medium B.Fig. 1 shows an embodiment where the screen 2 instead offers a mirror reflex in the presence of medium B and a retroreflex or lambert reflex in the presence of medium B, the sensor 4 being placed in the lower part of the tank to detect the reflection from the screen in medium B.

I fig 2 visas en utföringsform där skärmen i stället erbjuder retroreflex eller lambertreflex i medium B och spegelreflex i medium A, varvid sensorn år placerad för att avskärma spegel- reflexljuset. 10 15 20 25 30 35 511605 I fig 4 visas en utföringsform där skärmen i stället har lam- bertreflex eller spegelreglex i medium B och har retroreflektiv reflex i medium A varvid sensorn 4 är placerad i närheten av ljuskällan 3.Fig. 2 shows an embodiment where the screen instead offers retroreflex or lambert reflex in medium B and SLR in medium A, the sensor being positioned to shield the SLR light. Fig. 4 shows an embodiment in which the screen instead has a lamp reflex or mirror reflex in medium B and has a retroreflective reflex in medium A, the sensor 4 being placed in the vicinity of the light source 3.

Som ett alternativ kan naturligtvis retroreflektionsskärmen ha en likformig bredd men en varierande reflektivitet i höjdled.As an alternative, of course, the retroreflection screen may have a uniform width but a varying reflectivity in height.

Om ljuskällan 3 eller sensorn 4 har varierande intensitet/käns- lighet i olika riktningar, kan man kompensera för detta på mot- svarande sätt.If the light source 3 or the sensor 4 has varying intensity / sensitivity in different directions, this can be compensated for in a corresponding manner.

I det fall nivåmätaren enbart skall användas som nivávakt, kan man ersätta den lângsträckta skärmen 2 med en liten retroflek- tionsskärm vid den nivå man önskar bevaka.In case the level meter is only to be used as a level monitor, you can replace the elongated screen 2 with a small retro-reflection screen at the level you want to monitor.

I fig 5 visas tanken 1 innehålla två åtskilda skärmar 2. Dessa kan båda belysas av en och samma ljuskälla 3, varvid retroref- lekterat ljus från båda skärmarna kan avkännas med enda sensor 4.Fig. 5 shows the tank 1 containing two separate screens 2. These can both be illuminated by one and the same light source 3, whereby retroreflected light from both screens can be sensed with a single sensor 4.

En utföringsform enligt fig 5 erbjuder kompensation för att tanken 1 under drift intar ett lutande läge, eller för situa- tionen att vätskans A yta avviker från horisontalplanet.An embodiment according to Fig. 5 offers compensation for the tank 1 occupying an inclined position during operation, or for the situation that the surface of the liquid A deviates from the horizontal plane.

En utföringsform motsvarande fig 5 är av fördel även i det fall att mediet A inte är flytbart utan har en varierande överyta.An embodiment corresponding to Fig. 5 is advantageous even in the case that the medium A is not flowable but has a varying surface.

Exempelvis skulle mediet A kunna vara sand, varvid den av sen- sorn 4 avkända ljusintensiteten utgör ett slags medelvärde för sandens nivå i tanken.For example, the medium A could be sand, whereby the light intensity sensed by the sensor 4 constitutes a kind of average value for the level of the sand in the tank.

Det bör vidare stå klart att den uppfinningsenliga nivåmätaren även är operabel om materialet A är icke-transparent.It should further be clear that the level meter according to the invention is also operable if the material A is non-transparent.

Uppfinningen finner generell användning för mätning av nivå och/eller volym av ett medium i en tank. Åtminstone i det fall då reflektorn 2 är retroreflektiv, bör de aktuella medierna ha olika brytningsindex. Uppfinningen kan tillämpas särskilt en- kelt i de fall då medierna är sådana, att gränsytan dem emellan 10 15 511605 blir plan och horisontell då tanken och medierna befinner sig i vila. Men uppfinningen kan även användas då tankens lutning förändras,<3ch då tanken accelereras, roteras eller dylikt, genom lämplig placering av retroreflektorn och/eller användning av flera uppfinningsenliga anordningar i en och samma tank, för etablering av mätvärden för gränsytan i olika områden av tanken.The invention finds general use for measuring the level and / or volume of a medium in a tank. At least in the case where the reflector 2 is retroreflective, the media in question should have different refractive indices. The invention can be applied particularly easily in cases where the media are such that the interface between them becomes flat and horizontal when the tank and the media are at rest. However, the invention can also be used when the inclination of the tank changes, <3ch when the tank is accelerated, rotated or the like, by suitable placement of the retroreflector and / or use of several devices according to the invention in one and the same tank, for establishing measured values for the interface in different areas of the tank. .

I den ovan givna redovisningen är medium A och medium B sins- emellan utbytbara. I fig 1-4 visas emittern 3 och sensorn 4 placerade i tanken, men de kan givetvis även placeras utanför tanken, om tanken förses med lämpliga fönster eller vid använd- ning av fiberoptik. Vidare behöver naturligtvis inte sensorn vara belägen i närheten av emittern, utan bör generellt place- ras i en position där den reflekterade strålningen bäst kan avkännas. Tankens insida kan behandlas, helt eller delvis, så att den blir retroreflexibel.In the report given above, medium A and medium B are interchangeable. Figures 1-4 show the emitter 3 and the sensor 4 placed in the tank, but they can of course also be placed outside the tank, if the tank is provided with suitable windows or when using fiber optics. Furthermore, of course, the sensor does not have to be located close to the emitter, but should generally be placed in a position where the reflected radiation can best be sensed. The inside of the tank can be treated, in whole or in part, so that it becomes retroreflexible.

Claims

1.0 15 20 25 30 35 511605 P a t e n t k r a v

A sensor for detecting the position of an interface between a first medium (A) and a second medium (B) in a tank (1), comprising a radiation emitter (3) and a radiation sensor (4), and a reflective device (2) placed in the tank for irradiation by the emitter (3), the reflective device (2) being selected to change a property of the radiation emitted by the emitter during radiation reflection, depending on the extent of the presence of the two media (A, B) at the reflective device (2), and wherein the sensor (4) is arranged to sense the change as an indication of the position of the interface, relative to the reflective device, characterized in that the reflective device the device (2) is retroreflective and is selected to give substantially different scattering angles of the reflected radiation, depending on whether the reflection takes place in the presence of one of the media (A, B).

Sensor according to Claim 1, characterized in that the retro-reflective device has a small vertical spread, whereby the sensor acts as a level monitor.

Sensor according to claim 1, characterized in that the retro-reflective device has a vertical spread over a selected level measuring range to allow evaluation of the volume of the medium.

Sensor according to one of Claims 1 and 3, characterized in that the sensor contains several separate retroreflective devices which are irradiated by one or more emitters and whose reflected light is sensed by one or more sensors.

Sensor according to one of Claims 1, 3 and 4, characterized in that the retroreflective device has a reflectivity distribution in the vertical direction, which corresponds to the vertical variation of the tank in the free horizontal area. 10 511 605

Sensor according to one of Claims 1, 3, 4 and 5, characterized in that the reflective device has an even reflectivity per unit area and in that the width of the device varies in vertical direction, corresponding to the vertical joint variation in the free horizontal area of the tank.

Sensor according to one of Claims 1, 3, 4, 5 and 6, characterized in that the retroreflective device has a slope or curvature which produces a reflectivity which corresponds to the vertical joint variation in the free horizontal area of the tank.