DE2855651C2

DE2855651C2 - Schaltungseinrichtung für die photoelektrische Abtastung eines Flüssigkeitsstandes

Info

Publication number: DE2855651C2
Application number: DE19782855651
Authority: DE
Inventors: Werner 5000 Koeln Lessnig; Guenter Metz; Willi 5090 Leverkusen Spiegel
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1978-12-22
Filing date: 1978-12-22
Publication date: 1983-10-06
Also published as: DE2855651A1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung des Durchgangs des Flüssigkeitsspiegels einer Flüssigkeitssäule an einem vorgegebenen Niveau eines lichtdurchlässigen Steigrohres mit mindestens einer Lichtschranke, die aus einer Lichtquelle und einem *>o gegenüberliegenden Photoempfänger besteht, sowie einer Auswerteschaltung zur Erkennung des Durchganges des Flüssigkeitsspiegels.

Photoelektrische Abtastvorrichtungen mit nachgeschalteter Schaltelektronik zur Erfassung von Flüssig- *>"> keitsständen in lichtdurchlässigen Kapillarrohren, vor allem zur Automatisierung von Kapillarviskosimetern nach Ubbelohde, Ostwald und Cannon-Fenske sind bekannt. Diese Abtastvorrichtungen arbeiten entweder nach dem Prinzip der Abdunklung und/oder Aufhellung oder sie erfassen den Meniskusdurchgang oder sie verwenden das Reflexions- bzw. Streulichtprinzip.

Das Meßprinzip der Abdunklung erfaßt nur lichtundurchlässige bzw. lichtabsorbierende Flüssigkeiten, während daß Meßprinzip der Aufhellung nui für klare Flüssigkeiten anwendbar ist, die in der Kapillare die Wirkung einer Zylinderlinse haben. Nachteilig ist jedoch, daß z. B. in Verbindung mit gegebenen Kapillardimensionen nicht alle Flüssigkeiten einen Abdunklungs- oder Aufhelleffekt zeigen. Das in Chemie-Ingenieur-Technik 42. Jahrgang, Heft 20 (1977), Seiten 1274 bis 1278 beschriebene Gerät arbeitet nach dem Meßprinzip der Abdunklung oder Aufhellung. Von Nachteil ist hier außerdem noch, daß vor der Abtastung feststehen muß, ob die Flüssigkeit abdunkelt oder aufhellt. Außerdem müssen die Arbeitspunkte der Lichtschranken manuell einjustiert werden.

Die häufigste Anwendung findet das Prinzip der Meniskusabiastung (Zeitschrift Chemie-Ingenieur-Technik, 31. Jahrgang 1959, Nr. 8, Seiten 525 bis 526; J. SCI. Instrum. Vol. 42, Seiten 751 bis 752). Durchläuft der Flüssigkeitsmeniskus die photoelektrische Abtastung, so wird das Licht gestreut und man erhält einen Dunkelimpuls. Auch dieses Abtastverfahren hat den Nachteil, daß es nicht universell einsetzbar ist, da nicht alle Flüssigkeiten in Kapillarrohren einen Meniskus ausbilden, der den notwendigen Effekt liefert. Besonders störend kann sich hier u. a. ein statischer Druck oder ein Vakuum auf der Flüssigkeitssäule auswirken.

Das Reflexions- bzw. Streulichtprinzip zur photoelektrischen Abtastung von Flüssigkeitsständen in Kapillarrohren spielt eine untergeordnete Rolle, da es von der Ausführung der photoelektrischen Abtastung her gesehen kritisch und aufwendiger ist (Ein- und Ausstrahlung unter einem bestimmten Winkel) und außerdem eine Abhängigkeit von der Art der Flüssigkeit und der Form der Flüssigkeitsoberfläche besteht. Eine gewisse Verbesserung läßt sich erreichen, wenn die Lichtschranke aus mehreren untereinander angeordneten Photoempfängern besteht, die auf einem Schlitten in Richtung der Flüssigkeitssäule verschiebbar sind (DE-AS 10 64 728). Damit kann eine verbesserte Genauigkeit bei der Standanzeige nach dem Reflexionsbzw. Streulichtprinzip erreicht werden.

Ferner ist versucht worden, durch rein optische Maßnahmen die Erkennung des Durchgangs einer Flüssigkeitssäule durch eine Lichtschranke zu verbessern. So wird z. B. in der DE-AS 12 02 514 vorgeschlagen, den Zylinderlinseneffekt der im Steigrohr befindlichen Flüssigkeit auszunutzen. Das durch die Zylinderlinse fokussierte Licht wird dabei durch eine Blende von der Photozelle ferngehalten. Sobald der Meniskus der Flüssigkeit im Steigrohr abfällt, verändert sich jedoch die Brennweite und das Licht kann jetzt auf die Photozelle auftreffen. Diese Lichtschrankenoptik soll vor allem bei gefärbten oder stark lichtundurchlässigen Flüssigkeiten angewandt werden.

Es sind elektronische Schaltungseinrichtungen bekannt, die das bei der Abtastung anfallende statische photoelektrische Signal zur Weiterverarbeitung direkt verwerten oder elektronisch differenzieren. Von Vorteil ist bei letztgenannter Ausführung das weitgehende Ausschalten von langsamen Drifterscheinungen (Lampenalterungen, Verschmutzungen usw.) und die einfache Signalauswertung in elektronischen Zähleinrichtungen. Nachteilig isL jedoch der notwendige Kompromiß

zwischen der Systemzeitkonstanten — d. h. Festlegung der Abtastschwelle für das differenzierte Signal — und der zeitlichen Standhöhenänderung der Flüssigkeit beim Passieren der photoelektrischen Abtastung. Außerdem können kurzzeitige optische Fehlersignale, bedingt durch Luftblasen, Schlieren oder Schmutzteilchen nicht von Meßsignalen unterschieden werden. Es ist außerdem Stand der Technik, durch entsprechende Schaltungen den Arbeitspunkt der photoelektrischen Abtastung automatisch auf einen Sollwert abzugleichen und damit obengenannte langsame Drifterscheinungen auszukompe.-^ieren.

Schließlich gehört es zum allgemeinen Stand der physikalischen Meßtechnik, Differenzverfahren anzuwenden, wenn es darauf ankommt, Änderungen einer bestimmten Meßgröße zu erfassen. So wird z. B. in dem Buch von Dr. H. F. Grave, Elektrische Messung nichtelektrischer Größen, Akadem. Verlagsgesellschaft Geest und Portig KG, Leipzig (1962), auf Seite 253 die Messung der Schichtdickenänderung auf einem Substrat mittels Beta-Strahlenabsorption beschrieben. Zu diesem Zweck sind längs des Substrates Differenzmeßsteilen angeordnet. In dem gleichen Buch wird auch die Standhöhenmessung mittels Beta-Strahlung behandelt (Seite 266 und 267). In diesem Zusammenhang wird der Einfluß der Wandstärke des Behälters, in dem die Standhöhenmessung erfolgen soll, eingehend diskutiert. Es finden sich jedoch keinerlei Hinweise zur Verbesserung der optoelektronischen Erkennung des Durchgangs eines Flüssigkeitsspiegels an einer vorgegebenen Stelle eines Steigrohres.

Unabhängig vom verwendeten Meßprinzip hab-^n alle bekannten photoelektrischen Abtastvorrichtungen mit nachgeschalteter Schaltelektronik zur Messung von Flüssigkeitsständen in lichtdurchlässigen Kapillarrohren dann Nachteile oder versagen, wenn Flüssigkeitsstände hochviskoser dunkler Flüssigkeiten erfaßt werden sollen, die beim Ablauf einen bleibenden Film auf der Kapillarwand hinterlassen, der den Meßeffekt stark herabsetzt. Dieser Effekt tritt z. B. bei der Viskositätsmessung von dunklen hochviskosen Ölen in Kapillarviskosimetern auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die elektronische Signalauswertung bei der eingangs beschriebenen Lichtschrankenanordnung so zu verbessern, daß der Durchgang der Flüssigkeitssäule durch die Lichtschranke unabhängig von den optischen Eigenschaften der Flüssigkeiten (durchsichtig, undurchsichtig) und der Viskosität der Flüssigkeiten (niedrigviskos, hochviskos) zuverlässig und reproduzierbar erkannt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß die Schaltung zur Signalerkennung folgende Merkmale aufweist:

a) der Photoempfänger der Lichtschranke steht mit einem elektronischen Speicher in Verbindung, in dem jeweils das vor dem Durchgang des Flüssigkeitsspiegels durch die Lichtschranke anstehende Signal als Referenzsignal U„ abgespeichert wird;

b) die beim Durchgang des Flüssigkeitsspiegels durch die Lichtschranke auftretende Signalspannung ίΛ wird in einem Spannungskomparator mit der abgespeicherten Signalspannung U„ verglichen;

c) der Spannungskomparator gibt ein digitales Signal (0 oder 1) ab, wenn die Differenz der beiden Signalspannungen U_n und ίΛ einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.

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Die Schaltung zur Signalerkennung erfaßt also nur die Änderung des Photoempfängersignals gegenüber dem jeweils vor dem Durchgang der Flüssigkeitssäule durch die Lichtschranke abgespeicherten Photoempfängersignal. Aufgrund dieser Differenzmessung ist die Erkennung unabhängig davon, ob die Signaländerung negativ oder positiv von einer Abdunklung oder Aufhellung, von einem Dunkelimpuls nach dem Meniskuseffekt oder einem Hellirnpuls nach dem Reflexions- oder Streulichtprinzip herrührt Die elektronische Signalerkennung an der Lichtschranke beruht hier auf einem Vergleich der Photoempfängersignale vor und nach dem Durchgang der Flüssigkeitssäule durch die Lichtschranke; d. h. das vor dem Durchgang der Flüssigkeitssäule anstehende Signal U₀ wird als Referenzsignal benutzt

Vorteilhaft wird als Speicher ein Analogspeicher eingesetzt, der durch externe Steuersignale von der Steuerschaltung gesetzt bzw. gelöscht werden kann.

Um kurzzeitige optische Fehlsignale, bedingt durch Luftblasen, Schlieren oder Schmutzteilchen von einem echten Meßsignal logisch zu unterscheiden, ist die Steuerschaltung so ausgebildet, daß sie den Komparator kurz nacheinander mehrere Male abfragt und erst dann ein Steuersignal erzeugt, wenn bei jeder Abfrage der gleiche Status (0 oder 1) am Logikstatusaufgang 23 der Steuerschaltung erhalten wird.

Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung werden die Nachteile der bekannten Vorrichtungen bezüglich der Abtastung von Flüssigkeitsständen hochviskoser dunkler Flüssigkeiten, die beim Auslauf einen Film auf der Kapillarwand nachziehen, dadurch vermieden, daß die Steuerschaltung die Intensität der Lichtquelle in Abhängigkeit des Absolutwertes des Referenzsignales nachregelt.

Im Hinblick auf die Eindeutigkeit der Messung ist es zweckmäßig, daß das Referenzsignal erst unmittelbar vor dem Durchgang des Flüssigkeitsspiegels durch die Lichtschranke abgespeichert wird.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Signalverarbeitung bestehen darin, daß der Durchgang einer Flüssigkeitssäule durch die an einem lichtdurchlässigen Kapillarrohr angebrachte Lichtschranke unabhängig von den optischen Eigenschaften und der Viskosität der Flüssigkeit zuverlässig und fehlerfrei erkannt wird. Die Abtastung ist also unabhängig davon, ob es sich um eine durchsichtige, undurchsichtige, trübe oder eingefärbte Flüssigkeit handelt Insbesondere wird auch die bisher problematische Abtastung einer hochviskosen dunklen Flüssigkeit z. B. Altöl, die einen dunklen Film auf der Kapillarrohrinnenwand hinterläßt, einwandfrei beherrscht. Außerdem wird die Sicherheit der Abtastung durch Alterungserscheinungen der Lichtquelle, sowie durch permanente Verschmutzungen in den Kapillarrohren praktisch nicht beeinflußt. Diese Sicherheit konnte bisher nicht erreicht werden. Während die Lichtschranken einschließlich der dazugehörigen Elektronik nach dem Stand der Technik in der Regel nur auf ganz bestimmte Anwendungen zugeschnitten sind (entweder helle oder dunkle Flüssigkeiten), zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung durch universelle Einsatzmöglichkeiten aus. Sie hat sich vor allem bei automatisierten Kapillarviskosimetern für den Routinebetrieb bewährt. Da solche Viskosimeter auf der Messung der Auslaufzeit für ein bestimmtes Flüssigkeitsvolumen beruhen, ist die Signalerkennung an der Lichtschranke beim Durchgang der Flüssigkeit von entscheidender Bedeutung für eine zuverlässige und

genaue Messung.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 das Herzstück eines Kapillarviskosimeters mit Lichtschranken am oberen und unteren Ende des Meßvolumensund

F i g. 2 die elektronische Schaltung zur Auswertung der Lichtschrankensignale.

Die Meßzelle eines Kapillarviskosimeters besteht gemäß Fig. 1 aus einer Glaskapillaren 1 mit einem Meßvolumen 2. Die Glaskapillaren haben normalerweise einen Innendurchmesser von 2 bis 5 mm. Das Meßvolumen 2 ist durch die beiden Lichtschrankenelemente 3 und 4 definiert. Sie bestehen jeweils aus einer Lichtquelle 5 und 6 und Photoempfängein 7 und S. Das Kapillarrohr 1 geht nach unten in die Meßkapillare 9 des Kapillarviskosimeters über. Das Volumen 2 des Kapillarviskosimeters wird von unten her durch die Meßkapillare 9 und das anschließende Kapillarrohr 1 mit Flüssigkeit 10 gefüllt. Dabei durchläuft der Flüssigkeitsspiegel 10a die untere Lichtschranke 3 und bewirkt eine Lichtintensitätsänderung am Photoempfänger 8. Beim weiteren Füllen des Volumens 2 passiert im Kapillarrohr 1 der Flüssigkeitsspiegel 10a die obere Lichtschranke 4 und bewirkt eine Lichtintensitätsänderung am Photoempfänger 7. Entsprechende Lichtintensitätsänderungen erhält man auch beim Ausfließen der Flüssigkeit 10 aus dem Volumen 2.

F i g. 2 zeigt das Schaltungsprinzip zur Erfassung und Auswertung der von den Photoempfängern 7 bzw. 8 erzeugten elektrischen Signale. In den Verstärkern II, 12 werden die Lichtsignale in zur Beleuchtungsstärke porportionaie analoge Signale 13, 14 umgesetzt. Über einen steuerbaren Eingangswahlschalter 15 wird das jeweils zu erfassende Analogsignal 13, 14 einer Auswerteschaltung zugeführt. Die Auswerteschaltung besteht aus einem Analogspeicher 16 und einem Spannungskomparator 17. Mit dem Steuersignal 18 kann der Analogspeicher 16 gelöscht oder gesetzt werden. Wird der Analogspeicher 16 durch die Steuerschaltung 24 gelöscht, so ist das analoge Speicher-Eingangssignal 19 gleich dem Speicher-Ausgangssignal 20. Wird der Analogspeicher 16 gesetzt, so entspricht das Speicher-Ausgangssignal 20 dem zum Zeitpunkt des Setzens anstehenden Speicher-Eingangssignal 19 und nachfolgende Speicher-Eingangssignale 19 haben keinen Einfluß mehr auf das Speicher-Ausgangssignal 20. Der Spannungskomparator 17 hat die Signaleingänge 21 und 22 und den Logikstatusausgang 23. Sind die Pegel an den Signaleingängen 21 und 22 gleich, so nimmt der Logikstaiusausgang 23 den Zusianu »0« an. Sind die Pegel an den Signaleingängen 21 und 22 unterschiedlich, so nimmt der Logikstatusausgang 23 den Zustand »1« an. Der Spannungskomparator 17 ist so aufgebaut, daß erst eine vorgegebene Minimalpegeldifferenz, z. B. Uv — U_n ä 0.5 V, an den Signaleingängen 21 und 22 einen Logikzustandswechsel von »0« nach «1« am Logikstatusausgang 23 bewirkt. Der Logikstatusausgang 23 wird von der Steuerschaltung 24 abgefragt und zur Steuerung des automatisierten Kapiliarviskosimeters genutzt. Hierbei werden der Eingangswahlschalter 15. der Analogspeicher 16 und der Spannungskomparator 17 über Steuersignaileitungen 25 mit der Steuerschaltung 24 gekoppelt.

Der Abtastvorgang beim Durchgang der Flüssigkeitssäule läuft in folgender Weise ab:

Zu Beginn des Abtastvorganges sei das Kapillarrohr 1

leer. Über den Eingangswahlschalter 15 ist der Verstärker 12 der unteren Lichtschranke 3 mit der Auswerteschaltung verbunden. Der Analogspeicher 16 wird mit dem Steuersignal 18 gelöscht. Damit sind die Signalpegel 21 und 22 gleich und der Logikstatusausgang 23 zeigt »0« an. 1st eine Signaländerung von der Lichtschranke 3 zu erwarten — bedingt durch den von der Steuerschaltung 24 eingeleiteten Füllvorgang des Kapillarviskosimeters — so wird mit dem Steuersignal 18 der Analogspeicher 16 gesetzt. Damit wird das zum Zeitpunkt des Setzens der Beleuchtungsstärke des Photoempfängers 8 entsprechende Analogsignal ίΛ. (14) im Analogspeicher 16 gespeichert und steht fest am Signaleingang 22 des Spannungskomparators 17 an. Steigt jetzt der Flüssigkeitsspiegel 10a im Kapillarrohr 1 in die Lichtschranke 3, so ändert sich das Analogsigna! 14 positiv oder negativ und es tritt eine Pegeländerung Uv— U_n am Signaleingang 21 des Spannungskomparators 17 ein. Bei Überschreiten der vorgegebenen Minimalpegeldifferenz am Spannungskomparator 17 wechselt der Logikstatusausgang 23 von »0« auf »1«. Dieses Logiksignal an 23 bedeutet für die folgende Steuerschaltung 24 das Ansprechen der Lichtschranke 3. Es steht zeitlich so lange an, wie die Minimalpegeldifferenz Uv-U, an den Signaleingängen 21, 22 des Spannungskomparators 17 gegeben ist. Für Flüssigkeiten, die nur den Meniskuseffekt zeigen, steht das Logiksignal »1« an 23 nur für die Zeit des Meniskusdurchganges durch die Lichtschranke 3 an. Bei Flüssigkeiten mit Aufhellungs- oder Abdunklungseffekt steht an 23 das Logiksignal »1« so lange an, wie das Kapillarrohr 1 im Lichtschrankenbereich mit der Flüssigkeit IO gefüllt ist. Durch wiederholtes Abfragen des Logikstatusausganges 23 auf den Signalzustand lassen sich kurzzeitige Ansprechsignale der Lichtschranke 3, bedingt durch Luftblasen, Schlieren oder Schmutzteilchen durch logischen Vergleich mit dein zeitlichen Verhalten eines normalen Lichtschranken-Ansprechsignales als Störungen erkennen und entsprechend ausschalten. Die wiederholte Abfrage des Spannungskomparators 17 durch die Steuerschaltung 24 erfolgt z. B. dreimal hintereinander mit einem Abstand von einer zehntel Sekunde. Die Steuerlogik erzeugt erst dann ein Steuersignal, wenn bei allen 3 Abfragen der Status »1« erhalten wird. Ist das Ansprechsignal am Logikstatusausgang 23 von der Steuerschaltung 24 als Durchgang des Flüssigkeitsspiegels 10a im Lichtschrankenbereich erkannt, so wird der Analogspeicher 16 wieder gelöscht. Danach wird von der Steuerschaltung 24 über den Eingangswahlschalter 15 die obere Lichtschranke 4 mit dem Analogsignal 13 angewählt und wie für die unicre Lichtschranke 3 beschrieben, beim Füllvorgang abgefragt.

Die beschriebene Flüssigkeitsabtastung gilt für die Füllung des Kapillarviskosimeters von unten durch die Meßkapillare 9, das Kapillarrohr 1 und das Volumen 2. Beim Ausfließen der Flüssigkeit 10 aus dem Kapillarviskosimeter läuft der Lichtschranken-Abtastvorgang in gleicher Weise ab, jedoch wird der Analogspeicher 16 bei gefülltem Kapillarrohr 1 gesetzt. Dieser gespeicherte Analogwert kann abhängig von den optischen Eigenschaften der Flüssigkeit 10 höher oder niedriger als bei der leeren Abtastkapillare 1 sein.

Nach dem Füllvorgang, d. h. beim gefüllten Kapillarrohr 1 wird das Analogsignal 14 über den Eingangswahischslter !5 an der. Signaieirsgang 21 des Spannüngskornparators 17 geschaltet, dort mit einem fest vorgegebenen Minimal-Referenzpegel verglichen und als Signal

am Logikslatusausgang 23 ausgegeben. Wird der Minimal-Referenzpegel unterschritten — dies ist z. B. bei abdunkelnden Flüssigkeiten der Fall — so wird über die Steuerschaltung 24 die Intensität der Lichtquellen 5 und 6 durch Erhöhung der Lampenspannung gesteigert. Es ist denkbar, den in Fig. 2 dargestellten Analogspeicher 16 und den Spannungskomparator 17 durch entsprechende digitale Schaltungen zu ersetzen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Erkennung des Durchgangs des Flüssigkeitsspiegels einer Flüssigkeitssäule an einem vorgegebenen Niveau eines lichtdurchlässigen Steigrohres mit mindestens einer Lichtschranke, bestehend aus einer Lichtquelle und gegenüberliegendem Photoempfänger, und einer Auswerteschaltung zur Erkennung des Durchgangs des Flüssigkeitsspiegels, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:

a) der Photoempfänger (8) der Lichtschranke (3) steht mit einem elektronischen Speicher (16) in iü Verbindung, in dem jeweils das vor dem Durchgang des Flüssigkeitsspiegels (10a) durch die Lichtschranke (3) anstehende Signal U₀ als Referenzsignal abgespeichert wird;

b) die beim Durchgang des Flüssigkeitsspiegels durch die Lichtschranke (3) auftretende Signalspannung Uv wird in einem Spannungskomparator mit der abgespeicherten Signalspannung Uo verglichen;

c) der Spannungskomparator gibt ein digitales Signal (0 oder 1) ab, wenn die Differenz der beiden Signalspannungen U_n und Uv einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (16) ein Analogspeicher ist. der durch externe Steuersignale von der Steuerschaltung (24) gesetzt bzw. gelöscht werden kann.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungskomparator (1) mit der Steuerschaltung (24) verbunden ist, die den Komparator (17) kurz nacheinander mehrere Male abfragt und erst dann ein Steuersignal erzeugt, wenn bei jeder Abfrage der gleiche Status (0 oder 1) am Logikstatusausgang (23) der Steuerschaltung (24) erhalten wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (24) bei abdunkelnden Flüssigkeiten die Intensität der Lichtquelle (5) in Abhängigkeit des Absolutwertes des Referenzsignales nachregelt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzsignal (U₀) unmittelbar vor Durchgang des Flüssigkeitsspiegels ίο abgespeichert wird.