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Optische Vorrichtung zur Messung eines Flüssigkeitsstandes Zum Messen
eines Flüssigkeitsstandes in einem Behälter werden bereits optische Meßvorrichtungen
verwendet, die im wesentlichen aus einer lichtführenden Stange bestehen, die in
den Behälter eintaucht und so geformt ist, daß ein Lichtkegel, welcher in die Stange
von ihrem oberen Ende her eingeführt wird, entweder einer totalen Reflexion vom
unteren Ende der Stange her ausgesetzt wird oder nicht, je nachdem das untere Ende
in den Lichtkegel eingetaucht ist oder nicht, so daß der Lichtkegel von dem oberen
Ende (um z. B. in einer Photozelle gesammelt zu werden) nur in dem Falle auftaucht,
wenn der Flüssigkeitsstand das untere Ende der Stange nicht erreicht. Sonst wird
das Licht durch die Unterseite der Stange gebrochen und verliert sich in der umgebenden
Flüssigkeit. Dies ist eine Folge des zwischen dem Brechungsindex der Flüssigkeit
und dem Brechungsindex der die Flüssigkeit überlagernden Atmosphäre.
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Optische Meßvorrichtungen dieser Art sind infolge ihrer Einfachheit,
ihrer gedrungenen Bauart und Robustheit sowie ihrer Unempfindlichkeit gegenüber
großen Temperaturschwankungen sehr zweckmäßig.
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Sie werden in großem Umfange zum Messen der Flüssigkeit in Sauerstoffbehältern
an Bord von Flugzeugen und bei anderen Gelegenheiten verwendet.
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Sie weisen jedoch einen offensichtlichen Mangel auf, indem sie nur
eine Anzeige in der Form geben können, ob Flüssigkeit oder gar keine vorhanden ist.
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Das heißt, eine Anzeige, die angibt, ob der Flüssigkeitsspiegel das
untere Ende der Stange erreicht oder nicht. Hierbei wird entweder im wesentlichen
das gesamte Licht oder gar kein Licht in der Photozelle gesammelt.
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Die Erfindung sieht eine optische Meßvorrichtung für den Flüssigkeitsstand
vor, die sich des gleichen Prinzips bedient, indem ihre Verwendung auf Grund des
Unterschiedes zwischen den Brechungsindizes der Flüssigkeit und der darüber befindlichen
Atmosphäre durchgeführt wird, um den Weg des Lichtes durch eine lichtleitende Stange
abzuändern und dadurch eine Flüssigkeitsstandmessung zu erhalten, wobei jedoch der
große Vorteil gegenüber bekannten optischen Meßvorrichtungen dieser Art dadurch
gegeben ist, daß sie imstande ist, eine dauernde Messung des Flüssigkeitsstandes
hinsichtlich der Menge vorzusehen. Das heißt, daß die Menge des am Ausgangsende
der Stange gesammelten Lichtes eine veränderliche Funktion des Flüssigkeitsspiegels
über einen weiten Bereich ist.
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Die Erfindung ist daher auf eine optische Flüssigkeitsstandmeßvorrichtung
gerichtet, die aus einem
stangenartigen, lichtleitenden Körper besteht, der in den
zu messenden Behälter hineinragt und von einer Lichtquelle aus beleuchtet wird,
dadurch gekennzeichnet, daß der lichtleitende Körper so angeordnet ist, daß er das
Licht durch Reflexion an seinen Seitenflächen auf seiner Länge entlangführt und
daß mindestens eine Seitenfläche etwa (d. h. vollkommen oder nahezu vollkommen)
über ihre gesamte Länge mit einem Bereich ausgestattet ist, der einen Lichtstrahl
reflektiert oder bricht, je nachdem, ob ihn der Strahl oberhalb oder unterhalb des
Flüssigkeitsspiegels trifft, wobei dieser Bereich derart auf der Seitenfläche angeordnet
ist, daß der Anteil des Lichtes, der infolge dieses Bereiches durch Brechung verlorengeht,
sich mit dem Flüssigkeitsstand ändert.
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Hierdurch ist eine Messung des Flüssigkeitsstandes über einen ununterbrochenen
Bereich möglich.
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Die Seitenfläche der Stange kann über den größeren Teil ihrer Fläche
reflektierend gestaltet werden, indem sie versilbert (oder mit einem anderen gleichwertigen
Überzug überzogen) wird, während der für die Lichtbrechung bestimmte Abschnitt durchscheinend
verbleiben kann. Dieser Abschnitt kann die Form eines Bandes annehmen, das sich
diagonal über eine schmale senkrechte Seitenfläche der Stange erstreckt, die z.
B. die Form eines rechtwinkligen Prismas haben kann.
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Weitere Eigenschaften der Erfindung gehen aus der Beschreibung in
Verbindung mit den Zeichnungen einiger Ausführungsbeispiele hervor.
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Fig. 1 ist eine vereinfachte Gesamtdarstellung der Meßvorrichtung
innerhalb eines Behälters, wobei die Meßvorrichtung schaubildlich dargestellt ist;
F i g. 2 ist eine schaubildliche Darstellung der Meßvorrichtung in vergrößertem
Maßstab zusammen mit ihren zugeordneten optischen und photoelektrischen Mitteln,
und F i g. 3 ist eine Vorderansicht einer abgewandelten Form.
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Die in den F i g. 1 und 2 gezeigte Meßvorrichtung besteht aus einer
im ganzen mit 10 bezeichneten Stange aus durchscheinendem plastischem Material,
z. B. Akrylharz rechteckiger prismatischer Form, wobei zwei ihrer gegenüberliegenden
parallelen Seiten mit 18 und 22 bezeichnet sind. An ihrem unteren Ende, welches
in die Flüssigkeit eintauchen soll, ist die Stange mit einer abgeschrägten Endfläche
20 versehen, deren Winkel bestimmt werden muß. An ihrem oberen Ende ist die Stange
mit einer Stirnfläche 26 versehen, die sich senkrecht zur Hauptabmessung der Stange
erstreckt, und weist ferner einen dreieckigen Vorsprung auf, der im Bereich der
Stirnfläche26 eine weitere Fläche 28 in einer schrägen Ebene mit einem bestimmten
Winkel aufweist.
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In der dargestellten! Ausführungsform werden die Seite 18, die untere
Endfläche 20 und der größere Teil der Seitenfläche 22 durch die Aufbringung von
Silber oder eines anderen Überzuges reflektierend gestaltet. Die Fläche 22 wird
jedoch durch ein schmales Transparentband24 diagonal durchschnitten, welches nicht
versilbert ist (oder nicht überzogen ist). In der F i g. 2 ist das Band 24 durch
parallele gerade Linien begrenzt.
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Wie in der Fig. 1 gezeigt ist, taucht die Stange senkrecht in einen
Vorratsbehälter mit einer darin enthaltenen Flüssigkeit 12 ein, wobei das obere
Ende der Stange über den Behälter hinaus vorsteht. Eine Lichtquelle 14 sendet einen
Lichtkegel aus, welcher nach seinem Durchgang durch eine Kollimationslinse 15 senkrecht
nach unten in die Stange eine und durch deren waagerechte obere Endfläche 26 hindurchtritt.
Gegenüber der im Winkel angeordneten Oberfläche 28 ist eine Photozelle 16 oder ein
anderer Körper zur Sammlung des Lichtes angeordnet. Die Vorrichtung arbeitet wie
folgt: Der durch die Oberfläche26 in die Stange eintretende Lichtkegel, der durch
die drei getrennten Lichtstrahlen 50, 60 und 70 schematisch dargestellt ist, verläuft
senkrecht in der Stange nach unten und trifft auf die abgeschrägte untere Endfläche
20 auf, von welcher er reflektiert wird. Der Neigungswinkel der Fläche 20 ist so
gewählt, daß die von ihr reflektierten Strahlen auf die Seite 22 in einem solchen
Einfallswinkel auftreffen, daß die durchscheinende Zone 24 der Fläche 22 es gestattet,
daß diese Strahlen durch Brechung die Stange wieder verlassen und in das äußere
Medium eintreten, wenn dieses am Einfallpunkt die Flüssigkeit 12 ist, die jedoch
die Strahlen durch totale Reflexion in den Stangenkörper zurückreflektiert, wenn
das äußere Medium an dem Einfallpunkt die die Flüssigkeit überlagernde Atmosphäre
ist (im allgemeinen der Dampf der Flüssigkeit in reiner Form oder mit Luft gemischt).
Andererseits wird jeder Strahl, der im versilberten Bereich der Fläche 22 auftrifft,
in das Innere der Stange
zurückreflektiert, ungeachtet der Beschaffenheit des äußeren
Mediums an dem Einfallspunkt, d. h. gleichgültig ob das Medium eine Flüssigkeit
oder ein Dampf ist. Unter diesen Umständen ist ein gegebener Lichtstrahl nur durch
wiederholte Reflexionen zwischen den Flächen 18 und 22 der Stange in der Lage, seinen
Weg durch die Stange nach oben zu vollenden, wenn der in Betracht stehende Strahl
das brechende Band 24 oberhalb des Flüssigkeitsspiegels berührt. Andererseits werden
alle Strahlen, die unterhalb des Flüssigkeitsspiegels auf das Band 24 auftreffen,
durch das Band gebrochen und verlieren sich in der das Band umgebenden Flüssigkeit.
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Diejenigen Strahlen, die ihren Weg nach oben vollenden, tauchen von
der Fläche 28 auf, deren Winkel vorzugsweise so gewählt ist, daß die Fläche 28 senkrecht
zu den auftauchenden Strahlen verläuft. Die Strahlen werden dann in einer Photozelle
16 gesammelt, die eine beliebige Anzeige- oder Steuervorrichtung steuern kann.
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In dieser Weise sind in der Fig. 2 die beiden Strahlen 50 und 60
dargestellt, die das brechende Band 24 oberhalb des Flüssigkeitsspiegels berühren
und daher die Fläche 28 und den Sammler 16 erreichen. Der Strahl 70 trifft unterhalb
des Flüssigkeitsspiegels auf das brechende Band 24 auf und tritt in die das Band
umgebende Flüssigkeit ein, so daß er für die Sammelvorrichtung 16 verloren ist.
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Der gesamte den Sammler 16 beeinflussende Durchfluß ist eine veränderliche
Funktion des Flüssigkeitsspiegels und stellt eine ununterbrochene genaue Messung
dieses Flüssigkeitsspiegels dar. Das gesammelte Licht ist bei einer Mindestmenge
an Flüssigkeit ein Maximum an Licht und nimmt allmählich mit dem Anstieg des Flüssigkeitsspiegels
ab.
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Als Beispiel sei angenommen, daß die zu messende Flüssigkeit Sauerstoff
ist, über der sich innerhalb des Behälters gasförmiger Sauerstoff befindet. Der
Brechungsindex des gasförmigen Sauerstoffes sei mit 1, derjenige des flüssigen Sauerstoffes
etwa mit 1,220 und derjenige des die Stange bildenden Akrylharzes mit etwa 1,480
angenommen.
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Die elementaren Gesetze der Optik besagen, daß der kritische Winkel
für die totale Reflexion eines Lichtstrahles, der den durchscheinenden Bereich 24
an einem Punkt gegenüber dem flüssigen Sauerstoff berührt, gleich sin 1,220 550
30' ist, und der entsprechende Wert für einen Lichtstrahl, welcher an einem Punkt
gegenüber dem Gas in dem Bereich 24 auftrifft, gleich sin 1 420 30' 1,480 ist. Bei
der beschriebenen beispielsweisen Vorrichtung ist es erforderlich, daß der Einfallswinkel
der Strahlen auf der Fläche 22 zwischen den beiden so errechneten kritischen Werten
liegt. Es ist dann möglich, durch eine elementare Ausführung der optischen Geometrie
den Winkel für die untere abgeschrägte Endfläche 20 zu wählen. So sollte in der
als Beispiel gezeigten Ausführungsform der Neigungswinkel der Fläche 20 mit Bezug
auf die Fläche 22 einen Winkel von 450 + 2 haben, damit der Einfallswinkel der 2
Strahlen auf der Fläche 22 den erforderlichen Wert o
aufweist, der
zwischen den beiden oben errechneten kritischen Werten liegt. Offensichtlich sind
jedoch verschiedene Ausführungsformen der Erfindung möglich, bei denen die zu erfüllenden
geometrischen Bedingungen von der obigen Darstellung abweichen können.
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Es ist zu beachten, daß hierbei durch die Verminderung des Brechungsindex
des Materials der Stange 10 zur Annäherung an den Brechungsindex der Flüssigkeit
der obere kritische Winkelwert erhöht würde. Es ist jedoch auch zu beachten, daß
die Brechung des Lichtes stets von einer gewissen Reflexion begleitet ist und daß
der abhängige Anteil des reflektierten Lichtes sehr schnell ansteigt, wenn der Einfallswinkel
einen Wert von etwa 600 überschreitet.
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Vorzugsweise sind daher gemäß der Erfindung die Bedingungen einschließlich
der Geometrie der Stange und der Lichtquelle sowie des Index des Stangenmaterials
so gewählt, daß der Einfallswinkel auf der Fläche 22 wesentlich geringer als 600
ist.
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Die verbesserte optische Flüssigkeitsmeßvorrichtung der Erfindung
kann in vielen Formen zur Anwendung kommen. So kann die Kontur des lichtbrechenden
Bandes 24 zur Erlangung jedes beliebigen Veränderungsgesetzes für übertragenes Licht
als eine Funktion des Flüssigkeitsstandes abgewandelt werden, und es können insbesondere
Vorkehrungen getroffen werden, daß ein lineares Gesetz vorhanden ist, obwohl der
zu messende Behälter einen ungleichmäßigen waagerechten Querschnitt über seine Tiefe
aufweist. Somit kann, wie es in der Fig. 3 gezeigt ist, indem einem Brechungsbereich
32 einer mit 30 bezeichneten Fläche der Stange eine bikonvexe, linsenartige Form
gegeben wird, ein lineares Gesetz eines Lichtausganges gegenüber dem Flüssigkeitsstand
bei einem kugeligen Behälter erreicht werden.
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Die Reflexions- und Brechungsbereiche, in welche die Seitenflächen,
z. B. 22, der Stange unterteilt sind, müssen nicht unbedingt durch zwei Grenzen
gemäß den F i g. 2 und 3 voneinander getrennt sein. So kann z. B. die Seitenfläche
durch eine einzige diagonale Linie (gerade oder gebogen) getrennt werden, und es
kann dann eine der so entstehenden allgemein dreieckigen Flächen mit Silber überzogen
und die andere unversilbert gelassen werden.
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Es ist nicht erforderlich, daß die ganze Seiten-(und die untere End-)
Oberfläche der Stange durch Versilberung oder einen anderen Überzug mit Ausnahme
des Brechungsbereiches reflektierend gemacht wird. Die charakteristischen Eigenschaften
der Vorrichtung (Brechungsindex, Stangengeometrie) können so gewählt werden, daß
sie, sowohl wenn das äußere Medium eine Flüssigkeit als auch wenn es ein Gas ist,
eine totale Reflexion der Lichtstrahlen von einem Teil der Seiten- (und/oder End-)
Oberfläche der Stange hervorrufen.
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Der Brechungsbereich kann auf mehr als einer der Seiten der gezeigten
Stange vorgesehen sein, z. B. auf beiden gegenüberliegenden Seiten, wie z. B. 18
und 22 in der Fig. 2. Darüber hinaus braucht die allgemeine Form der Stange nicht
unbedingt rechtwinklig prismatisch und auch nicht unbedingt prismatisch zu sein.
Sie kann ganz oder teilweise zylindrisch sein, und der Brechungsbereich braucht
nicht unbedingt auf einer flachen Seite der Stange angeordnet zu sein.
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In einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung, die bei vielen
praktischen Anwendungs-
zwecken von besonderem Vorteil sein kann, kann der Weg des
Lichtkegels entlang der Stange unter Umständen an einer Endfläche der Stange keiner
Reflexion unterworfen sein. Es kann dann die Lichtquelle an dem einen Ende und der
Lichtsammler an dem anderen Ende der Stange angeordnet werden.
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Bei der in der Fig. 2 gezeigten Ausführungsform können die Lichtquelle
14 und die Kollimationslinse 15 unterhalb der unteren Endfläche 20 angeordnet werden
(die selbst unterhalb des Behälterbodens angeordnet sein kann), und der Sammler
16 kann gegenüber einer Schrägfläche angeordnet sein, die am oberen Ende der Stange
gebildet ist; in diesem Falle kann der Vorsprung, der die zusätzliche Fläche 28
bildet, in Fortfall kommen.
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Die Möglichkeit der Verwirklichung einer solchen Ausführungsform,
bei der eine ständige Wanderung des Lichtkegels auf einem bestimmten Weg durch die
Stange stattfindet, die sich vollkommen durch einen Behälter hindurch erstreckt,
stellt einen bedeutenden Vorteil der Erfindung dar.