DE1817027B1

DE1817027B1 - Fuellstandanzeiger

Info

Publication number: DE1817027B1
Application number: DE19681817027
Authority: DE
Inventors: Krebs Hans Hermann
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1968-12-24
Filing date: 1968-12-24
Publication date: 1970-03-05

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Füllstandanzeiger für einen Behälter, insbesondere für Flüssigkeiten.
Für die indirekte Füllstandanzeige sind zahlreiche Verfahren bekannt. Weit verbreitet sind mechanische Füllstandanzeiger, die mit einem Schwimmerkörper arbeiten. Vielfach bereitet es jedoch Schwierigkeiten, die mechanische Bewegung nach außen zu übertragen, insbesondere wenn das mechanische Gestänge abgedichtet aus dem Behälter herausgeführt werden soll. Es ist auch bekannt, mit dem Schwimmkörper einen elektrischen Kontakt zu betätigen. Dies ist aber dann nicht möglich, wenn das zu überwachende Füllgut explosiv oder gegenüber den Schalterkontakten aggressiv ist. Andere Füllstandanzeiger arbeiten auf rein elektrischem Wege, z. B. durch Kapazitätsmessung. Diese Anzeiger sind aber relativ ungenau und haben einen komplizierten Aufbau.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Füllstandanzeiger anzugeben, der einen sehr einfachen Aufbau besitzt, auch in Verbindung mit einem explosiven oder aggressiven Medium verwendet werden kann und trotzdem eine genaeue Füllstandanzeige ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch mindestens zwei Lichtleiter, deren im Innern des Behälters befindliche Enden eine in Abhängigkeit vom Füllstand unterschiedliche optische Kopplung haben und das freie Ende des einen Lichtleiters durch eine Lichtquelle beleuchtet ist und das freie Ende des zweiten Lichtleiters zu einem lichtempfindlichen Fühler führt.
Die handelsüblichen Lichtleiter bestehen aus Faserbündeln, die mit einer lichtundurchlässigen Ummantelung versehen sind. Sie werden in der Form von flexiblen Lichtleitkabeln geliefert, was für die Verlegung des erfindungsgemäßen Füllstandanzeigers besonders vorteilhaft ist, oder in der Form von starren Faserstäben. Diese Lichtleiter haben einen kleinen optischen Querschnitt; beispielsweise kann er in der Größenordnung von 1 mm2 gehalten werden. Infolgedessen lassen sich sehr genaue Meßergebnisse erzielen, weil schon geringfügige änderungen des Füllstandes an der Meßstelle die optische Kopplung erheblich beeinflussen können. Im Behälter brauchen sich lediglich die optischen Teile des Füllstandanzeigers zu befinden. Es besteht daher keine Explosionsgefahr. Auch ist das Material der Lichtleiter gegen aggressive Medien. verhältnismäßig unempfindlich.
Die Lichtleiter können ohne Schwierigkeiten abgedichtet aus dem Behälter herausgeführt werden, so daß die gesamte übrige Einrichtung außerhalb des Behälters angeordnet werden kann. Auch diese übrige Einrichtung erfordert keinen wesentlichen Aufwand. Im einfachsten Fall kommt man mit einer Lichtquelle und einem Fühler, z. B. lichtelektrischen Fühler, der ein Anzeigesignal abgibt, aus.
Auf welche Weise die optische Kopplung zwischen den Lichtleitern in Abhängigkeit vom Füllstand geändert wird, hängt von den jeweiligen Umständen ab. Eine sehr einfache Möglichkeit besteht erfindungsgemäß darin, daß die Stirnseite der im Behälter befindlichen Lichtleiterenden einander zugewandt sind, aber einen Zwischenraum zwischen sich aufweisen, in den das Füllgut eintreten kann. Dies empfiehlt sich, wenn das Füllgut völlig andere optische Eigenschaften hat als die übrige Atmosphäre im Behälter, also beispielsweise, wenn das Füllgut lichtundurch- lässig ist oder eine erhebliche Lichtabsorption besitzt.
Diese Einrichtung ergibt sowohl für Flüssigkeiten als auch für feste Füllstoffe ein Signal bei Überschreiten eines bestimmten Füllstandes.
Für Flüssigkeiten kann man diese Einrichtung erfindungsgemäß dadurch weiter ausbauen, daß das eine Lichtleiterende an einem Schwimmer befestigt ist, so daß sich der Abstand zwischen den einander zugewandten Stirnseiten der Lichtleiterenden mit dem Füllsand ändert. Je größer der Abstand zwischen den beiden Lichtleiterenden ist, um so weniger Licht gelangt vom ersten Lichtleiter in den zweiten Lichtleiter, sei es wegen der Streuung, sei es wegen der Absorption des Lichts. Aus der Verminderung des übertragenen Lichts läßt sich die Füllstandhöhe ableiten.
Eine andere Möglichkeit, die optische Kopplung zu ändern, besteht erfindungsgemäß darin, daß die Stirnseiten der im Behälter befindlichen Lichtleiterenden in einem solchen Winkel zueinander stehen, daß das Licht aus dem ersten Lichtleiter durch Reflexion an einer vom Füllstand beeinflußten Oberfläche zum zweiten Lichtleiter umgelenkt wird. Auch hier ändert sich die Stärke des den zweiten Leiter erreichenden Lichts in Abhängigkeit vom Füllstand.
Beispielsweise kann erfindungsgemäß die Oberfläche von der Füllflüssigkeit selbst geblidet sein. In einem bestimmten Meßpunkt ergibt sich eine optimale Reflexion; bei jeder Abweichung von diesem Meßpunkt wird das aus dem ersten Leiter gebündelt austretende Licht in geringerem Maße in den zweiten Leiter eintreten.
Damit sich definierte Verhältnisse an einem Meßpunkt ergeben, empfiehlt es sich erfindungsgemäß, im Behälter einen sich mit FüllfLüssigkeit füllenden Becher vorzusehen und die beiden Lichtleiterenden unterhalb der waagerechten, durch den oberen Becherrand bestimmten Ebene anzuordnen. Bei dieser Anordnung tritt wenig oder kein Licht in den zweiten Lichtleiter, solange die Füllstandhöhe oberhalb des Becherrandes liegt. Erreicht sie jedoch den Becherrand, so ergibt sich - die gewünschte Lichtreflexion zum zweiten Leiter hin. Dieser Zustand bleibt erhalten, auch wenn der Füllstand weiter absinkt, weil der Becher mit Flüssigkeit gefüllt bleibt.
Infolgedessen zeigt die Vorrichtung deutlich an, ob der Füllstand sich oberhalb oder unterhalb des Becherrandes befindet.
Statt dessen kann erfindungsgemäß die Oberfläche auch von einem festen Material gebildet sein, dessen Reflexionsverhalten sich bei Berührung mit dem Füllgut ändert. Im einfachsten Fall handelt es sich um einen Spiegel, der bei Bedeckung mit dem Füllgut nicht mehr zu spiegeln vermag.
Besonders vorteilhaft ist es erfindungsgemäß, wenn das Material lichtdurchlässig ist und die beiden Lichtleiterenden in ihm festgehalten sind. Auf diese Weise sind die Lichtleiterenden in ihrer richtigen Zuordnung zueinander fixiert. Außerdem läßt sich das Reflexionsverhalten des lichtdurchlässigen Materials an der Oberfläche leicht dadurch ändern, daß es mit Füllgut abgedeckt wird. Beispielsweise wird der Winkel der Totalreflexion geändert, wenn die Oberfläche durch ein lichtdurchlässiges Füllgut abgedeckt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dafür gesorgt, daß sich die Meßstelle im Zwischenraum zwischen den Stirnseiten eines ersten und zweiten Lichtleiters befindet und ein dritter Lichtleiter mit Bezug auf den ersten Lichtleiter so angeordnet ist, daß das Licht aus dem ersten Lichtleiter durch Totalreflerion auf den dritten Lichtleiter übertragen wird, wenn die Oberfläche sich in Höhe der Meßstelle befindet. Auf diese Weise wird durch ein Signal am zweiten Lichtleiter eindeutig angegeben, daß der Füllstand die Meßstelle überschritten hat, während ein Signal am dritten Lichtleiter anzeigt, daß sich der Füllstand in Höhe der Meßstelle befindet (oder darunter, wenn die der Totalreflexion dienende Oberfläche mit den schon früher erwähnten Mitteln in Höhe der Meßstelle gehalten wird).
In diesem Zusammenhang empfiehlt sich eine Anordnung, bei der der erste und dritte Lichtleiter in einem Glas gehalten sind, das eine Oberfläche in Höhe der Meßstelle bildet und den gleichen Brechungsindex hat wie die Füllflüssigkeit.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es auch möglich, mindestens eine weitere gleichartige Meßstelle vorzusehen, deren erster Lichtleiter durch den zweiten Lichtleiter der vorangehenden Meßstelle gebildet ist. Auf diese Weise kann man eine beliebige Zahl von Meßstellen hintereinander schalten, wobei im wesentlichen nur ein Lichtleiter das vom ersten Lichtleiter zugeführte Licht nach außen leitet, so daß sich eine eindeutige Meßanzeige ergibt.
Besonders empfehlenswert ist der Füllstandanzeiger für Ölbehälter, einerseits, weil Öl explosible Gemische bilden kann, andererseits, weil aus verschiedenen Gründen (z. B. Oberlaufgefahr) eine genaue Füllstandanzeige auch noch nach jahrelangem Betrieb möglich sein muß, was z. B. mechanische Anzeigegeräte wegen Korrosion usw. nicht mit Sicherheit leisten. Man kann auch dafür sorgen, daß entweder nur der zweite oder nur der dritte Lichtleiter ein Signal erhält. In diesem Zusammenhang ist es günstig, wenn erfindungsgemäß die Lichtleiterenden an der Meßstelle in einem Winkel von 59 bis 700 zur Vertikalen stehen. Dann ist für Öl mit einem Brechungsindex von 1,6 und Luft mit einem Brechungsindex von 1,0 dafür gesorgt, daß das gesamte aus dem ersten Lichtleiter austretende Licht entweder von der Totalreflexion erfaßt wird oder überhaupt kein Licht den dritten Lichtleiter erreicht.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 in schematischer Darstellung einen Öltank mit dem erfindungsgemäßen Füllstandanzeiger, Fig. 2 die funktionswesentlichen Teile des Anzeigers der F i g. 1, F i g. 3 einen abgewandelten Teil des Anzeigers, Fig.4 in vergrößertem Maßstab zusammenwirkende Enden von zwei Lichtleitkabeln.
Ein üblicher Tank 1 mit durch einen Deckel 2 abgeschlossenen Stutzen 3 ist mit einem Füllstandanzeiger 4 versehen, der die Füllhöhe h des im Tank befindlichen Öls 5 anzeigt.
Der Deckel 2 ist in üblicher Weise mit nicht veranschaulichten Füll-, Entnahme- und Entlüftungsrohren versehen. Er besitzt zusätzlich eine abgedichtete Durchführung für fünf flexible Lichtleitkabel 6, 7, 8, 9 und 10, die von dem Einbauteil 11 des Anzeigers zum Auswerteteil 12 außerhalb des Tanks 1 führen.
Der Einbau 11 weist ein Rohr 13 mit durchbrochener Wand auf, in welches drei Gaskörper 14, 15 und 16 eingesetzt sind, die alle eine waagerechte Oberfläche a besitzen. Das Glas besitzt den gleichen Brechungsindex wie das Öl im Tank, also etwa 1,6.
Die Glaskörper 14 bis 16 können im Rohr 13 nach Belieben verschoben werden, so daß sich ihre Oberflächen a an einer jeweils gewünschten Stelle befinden. Die Lichtleiter 6 und 7 sind so in den Glaskörper 14 eingelassen, daß sie in einem Winkel or = 60° zur Vertikalen stehen. In Verlängerung des Lichtleiters 6 ist oberhalb der Oberfläche a ein Lichtleiter 17 angeordnet, der in den Glaskörper 15 einmündet und dort symmetrisch zum Lichtleiter 8 endet. In Verlängerung des Lichtleiters 17 ist oberhalb des Glaskörpers 15 ein Lichtleiter 18 angeordnet, der im Glaskörper 16 mündet, und zwar symmetrisch zum Lichtleiter 9. In Verlängerung des Leiters 18 befindet sich oberhalb des Glaskörpers 16 der Lichtleiter 10. An Netzklemmen 19 ist über einen Schalter 20 eine Lichtquelle 21 angeschlossen, die vor dem freien Ende des Lichtieiters 6 liegt. Den freien Enden der Lichtleiter 7 bis 10 ist je ein Fotowiderstand 22, 23, 24 und 25 zugeordnet, dessen Ausgangssignal einem Verstärker 26 zugeführt wird.
An dessen Ausgängen 27 bis 30, die den Fotowiderständen 22 bis 25 zugeordnet sind, kann dann jeweils ein Anzeigesignal abgeommen werden.
Die Funktion des Füllstandanzeigers ist folgende: Licht aus der Lichtquelle 21 gelangt durch den Lichtleiter 6 in den Glaskörper 14. Ist dessen Oberfläche a frei, befindet sich also der Öl spiegel unterhalb dieser Oberfläche a, so tritt eine Totalreflexion an der Oberfläche a auf, so daß das Licht durch den Leiter 7 zurückgeführt wird und den Fotowiderstand 22 belichtet. Steigt das Öl an, so daß die Oberfläche a bedeckt ist, dann wird das Licht nicht reflektiert, sondern tritt aus dem Leiter 6 in den Leiter 17 über.
Es wird dann an der Oberfläche a des Glaskörpers 15 total reflektiert und gelangt durch den Leiter 8 zum Fotowiderstand 23. Steigt das öl auch über die letztgenannte Oberfläche a, so wird das Licht über den Leiter 18 in den Glaskörper 16 geführt und dort durch Totalreflexion vom Leiter 9 übernommen, so daß der Fotowiderstand 24 belichtet wird. Übersteigt der Ölspiegel auch die Oberfläche a des Glaskörpers 16, so tritt das Licht vom Leiter 6 über die Leiter 17 und 18 in den LeiterlO über, und der Widerstand 25 wird belichtet. Die Anzeige an den Ausgängen 27, 28, 29 und 30 läßt daher genau erkennen, ob das Öl (a) über der Oberfläche a des Glaskörpers 16, (b) zwischen dieser Oberfläche und der Oberfläche a des Glaskörpers 15, (c) zwischen der letztgenannten Oberfläche und der Oberfläche a des Glaskörpers 14 oder (d) unter der letztgenannten Oberfläche steht.
Das Signal im Fall (a) kann benutzt werden, um die Ölzufuhr zu unterbrechen. Das Signal im Fall (b) kann benutzt werden, um den normalen Betriebszustand anzuzeigen. Das Signal im Fall (c) kann benutzt werden, um anzuzeigen, daß das Ö1 zur Neige geht. Das Signal im Fall (d) bedeutet, daß nachgefüllt werden muß.
Statt der Glaskörper 14 bis 16 können auch Becher 31 verwendet werden, deren Innenraum 32 sich beim ersten Füllvorgang mit Öl füllt. Dieses Öl bildet dann, auch wenn der Füllstand wieder sinkt, eine Oberfläche a, die für die gewünschte Reflexion benutzt werden kann.
In Fig. 4 sind die Enden zweier Lichtleiter 33 und 34 veranschaulicht, die koaxial angeordnet sind und einen Zwischenraum 35 zwischen sich belassen.
Jeder Lichtleiter besteht aus einem Mantel 36 und einem Glasfaserbündel 37. Tritt in den Zwischenraum 35 Füllgut, sei es flüssig, staubförmig oder körnig, ein, so wird der Lichtstrom vom Lichtleiter 33 zum Lichtleiter 34 unterbrochen und auf diese Weise die optische Kopplung zwischen beiden Leitern geändert. Wenn der obere Lichtleiter 34 durch einen Schwimmer in Richtung des Pfeiles 38 auf und ab bewegt wird, ändert sich der Spalt 35, so daß sich ebenfalls die optische Kopplung ändert.
Bei der Ausführufigsform nach Fig. 3 haben die Lichtleiter 6, 7 und 17 einen Winkel von etwa 450 zur Vertikalen. Wenn Ider Grenzwinkel für die Totalreflexion an der Berührungsfläche von Öl und Luft bei etwa 390 liegt, erfolgt auch hier eine Totalreflexion. Da aber das an der Stirnseite eines Lichtleiters austretende Licht eine gewisse seitliche Streuung besitzt, würde ein Teil des Lichtbündels durch die Oberfläche a nach außen treten und könnte vom Leiter 6 in den Leiterl7 gelangen. Dies kann man verhindern, wenn man den Stellungswinkela der Lichtleiter entsprechend Idem Öffnungswinkel des Lichtbündels vergrößert. Außerdem kann man dafür sorgen, daß die lichtempfindlichen Fühler 22 bis 25 erst beim Überschreiten eines bestimmten Grenzwertes ansprechen.

Claims

Patentansprüche:

1. Füllstandanzeiger für einen Behälter, insbesondere für Flüssigkeiten, g e ke n n z e i c hn e t durch mindestens zwei Lichtleiter (6 bis 10), deren im Innern des Behälters (1) befindliche Enden eine in Abhängigkeit vom Füllstand unterschiedliche optische Kopplung haben und das freie Ende des einen Lichtleiters (6) durch eine Lichtquelle (21) beleuchtet ist und das freie Ende des zweiten Lichtleiters (7 bis 10) zu einem lichtempfindlichen Fühler (22 bis 25) führt.

2. Füllstandanzeiger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseiten der im Behälter befindlichen Lichtleiterenden (33, 34) einander zugewandt sind, aber einen Zwischenraum (35) zwischen sich aufweisen.

3. Füllstandanzeiger nach Anspruch 1 oder 2 für Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Lichtleiterende (34) an einem Schwimmer befestigt ist.

4. Füllstandanzeiger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseiten der im Behälter (1) befindlichen Lichtleiterenden in einem solchen Winkel zueinander stehen, daß das Licht aus dem ersten Lichtleiter (6) durch Reflexion an einer vom Füllstand beeinflußten Oberfläche (a) zum zweiten Lichtleiter (7) umgelenkt wird.

5. Füllstandanzeiger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (a) von der Füliflüssigkeit selbst gebildet ist.

6. Füllstandanzeiger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Behälter (1) ein sich mit Füllflüssigkeit füllender Becher (31) vorgesehen ist und daß die beiden Lichtleiterenden unterhalb der waagerechten, durch den oberen Becherrand bestimmten Ebene angeordnet sind.

7. Füllstandanzeiger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (a) von einem festen Material (14 bis 16) gebildet ist.

8. Füllstandanzeiger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Material (14 bis 16) lichtdurchlässig ist und die beiden Lichtleiterenden in ihm festgehalten sind.

9. Füllstandanzeiger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Meßstelle im Zwischenraum zwischen den Stirnseiten eines ersten und zweiten Lichtleiters (6, 17) befindet und ein dritter Lichtleiter (7) mit Bezug auf den ersten Lichtleiter so angeordnet ist, daß das Licht aus dem ersten Lichtleiter durch Totalreflexion auf den dritten Lichtleiter übertragbar ist.

10. Füllstandanzeiger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und dritte Lichtleiter (6, 7) in einem Glas (14). gehalten sind, das eine Oberfläche (a) in Höhe der Meßstelle bildet und den gleichen Brechungsindex hat wie die Füllflüssigkeit.

11. Füllstandanzeiger nach Anspruch 9 und 10,..

dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine weitere gleichartige Meßstelle vorgesehen ist, -denen erster Lichtleiter (17, 18) durch den zweiten Lichtleiter der vorangehenden Meßstelle gebildet ist.

12. Füllstandanzeiger für Öl nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiterenden an der Meßstelle in einem Winkel (a) von 59 bis 700 zur Vertikalen stehen.

13. Füllstandanzeiger nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter flexible Lichtleitkabel sind.