DE3629966C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Umwandlung einer physikalischen Größe in ein elektrisches Ausgangssignal mit einer Lichtquelle, aus der ein Bündel Lichtstrahlen in eine erste vordere Stirnfläche eines lichtleitenden Körpers eingekoppelt wird, wobei die Lichtstrahlen an einer Grenzfläche des Körpers in Abhängigkeit von der physikalischen Größe totalreflektiert bzw. aus dem Körper ausgekoppelt werden und die totalreflektierten Lichtstrahlen auf eine zweite Fläche, vorzugsweise eine der ersten Stirnfläche gegenüberliegende zweite, hintere Stirnfläche, fallen, und mit einer Mehrzahl lichtempfindlicher Elemente, die an eine Auswerteschaltung angeschlossen sind, zum Erfassen eines von dem Bündel nach erfolgter Totalreflexion bzw. Auskopplung eingenommenen Winkelbereichs.The invention relates to a sensor for converting a physical quantity in an electrical output signal with a light source, from which a bundle of light rays into a first front face a light-guiding body is coupled, the Light rays at an interface of the body depending totally reflected or from the physical size the body and the totally reflected Light rays on a second surface, preferably one of the first rear face opposite second rear face, fall, and with a plurality of photosensitive Elements that are connected to an evaluation circuit for detecting one of the bundle after Total reflection or decoupling of the angular range.
Ein derartiger Sensor ist aus Patents abstracts of Japan, 21. Juni, 1980, 55-53 878(A) bekannt.Such a sensor is from Patents abstracts of Japan, June 21, 1980, 55-53 878 (A).
Der bekannte Sensor dient zur Messung der Konzentration des Elektrolyten einer Blei-Akkumulatorbatterie. Er weist eine Lichtquelle auf, von der ein divergierendes Strahlenbündel durch eine Blende auf eine schräge Seitenfläche eines prismatischen, lichtleitenden Körpers fällt. Eine untere, langgestreckte Grenzfläche des Körpers grenzt an den zu messenden Elektrolyten. Die Lichtstrahlen des divergierenden Strahlenbündels, die auf die untere Grenzfläche fallen, werden dort, in Abhängigkeit von ihrem Auftreffwinkel und der Dichte des Elektrolyten entweder totalreflektiert oder aber aus dem Körper in den Elektrolyten ausgekoppelt. Die totalreflektierten Lichtstrahlen fallen auf eine weitere, ebenfalls geneigte Grenzfläche des prismatischen Körpers, auf der sich ein Gatter von lichtempfindlichen Elementen befindet. Je nachdem wie groß die Dichte des zu messenden Elektrolyten ist, verschiebt sich die Grenze zwischen den noch totalreflektierten und den ausgekoppelten Lichtstrahlen des Bündels auf der unteren Grenzfläche zu dem Elektrolyten und damit ebenfalls die entsprechende Grenzlinie der auf das Gatter lichtempfindlicher Elemente fallenden totalreflektierten Lichtstrahlen. Da auch dann, wenn Lichtstrahlen ausgekoppelt werden, ein Teilstrahl an der unteren Grenzfläche reflektiert wird, ergibt sich, über die Länge des Gatters der lichtempfindlichen Elemente gesehen, ein Intensitätsverlauf, der von einem verhältnismäßig niedrigen Signalwert sprungartig zu einem verhältnismäßig hohen Signalwert ansteigt. Der bekannte Sensor mißt nun die Amplitude der auf die verschiedenen Elemente des Gatters fallenden Lichtstrahlen und zieht die jeweilige Position des sprungartigen Signalanstiegs auf dem Gatter als Maß für die Dichte des Elektrolyten heran.The known sensor is used to measure the concentration of Lead accumulator battery electrolytes. He has one Light source on, from which a diverging beam through a diaphragm on an oblique side surface of a prismatic, light-guiding body falls. A lower, elongated one Interface of the body borders on the one to be measured Electrolytes. The light rays of the divergent Rays falling on the lower interface are there, depending on their angle of incidence and the density of the electrolyte either totally reflected or but decoupled from the body into the electrolyte. The totally reflected light rays fall on another, also inclined interface of the prismatic body, on which there is a gate of photosensitive elements located. Depending on how large the density of the measured Is electrolyte, the boundary between the shifts still totally reflected and the decoupled light rays of the bundle on the lower interface with the electrolyte and thus also the corresponding boundary line that on the Gate of light-sensitive elements covered by totally reflected Rays of light. Because even when rays of light be coupled out, a partial beam at the lower interface is reflected, results from the length of the gate seen the photosensitive elements, an intensity curve, that of a relatively low signal value suddenly to a relatively high signal value increases. The known sensor now measures the amplitude of the rays of light falling through the various elements of the gate and pulls the respective position of the jump-like Signal rise on the gate as a measure of the density of the Electrolytes.
Der bekannte Sensor hat jedoch den Nachteil, daß er mit sehr hoher Präzision justiert werden muß, weil bei der nur einmaligen Totalreflexion der Lichtstrahlen im prismatischen Körper bereits leichte Dejustierungen des einfallenden Bündels von Lichtstrahlen zu erheblichen Verfälschungen des Meßergebnisses führen. Außerdem hat der bekannte Sensor den Nachteil, daß eine Messung der Dichte des Elektrolyten praktisch nur punktförmig erfolgt, nämlich in einem in der Praxis sehr kleinen Längenabschnitt der Grenzfläche, in dem der Übergang von der Totalreflexion zur Auskopplung variiert, so daß das Meßergebnis nur dann charakteristisch für den Zustand des Elektrolyten in einem Behälter, z. B. einer Akkumulatorbatterie, insgesamt ist, wenn der Elektrolyt in der Batterie gleichförmig dieselbe Dichte aufweist. Dies ist jedoch in der Praxis keineswegs immer der Fall, weil zum einen sich leichtere, z. B. wärmere Elektrolytanteile, oben im Akkumulator ansammeln, während sich schwerere Anteile unten absetzen, andererseits aber bei Akkumulatoren, die Bewegungen unterliegen, wie dies beispielsweise bei Kraftfahrzeugen der Fall ist, durch die Bewegung der Akkumulatoren ebenfalls räumliche Dichteschwankungen mit erheblichem Ausmaß auftreten können. Der bekannte Sensor kann nicht die Säuredichte zwischen den Platten eines Akkumulators erfassen, und auch der Einbau in Rohre ist schwierig. Ein weiterer Nachteil des bekannten Sensors ist, daß er systematisch nur für eine einzige Meßaufgabe, nämlich die Messung der Dichte des an den prismatischen Körper angrenzenden Mediums, geeignet ist.However, the known sensor has the disadvantage that it is very high precision must be adjusted, because with the only one Total reflection of the light rays in the prismatic Body already slight misalignments of the incident Bundle of light rays to falsify the Lead measurement result. In addition, the known sensor has the Disadvantage that a measurement of the density of the electrolyte practically only in a point form, namely in one in the Practice very small length section of the interface in which the transition from total reflection to decoupling varies so that the measurement result is only characteristic of the state of the electrolyte in a container, e.g. B. one Accumulator battery, total is when the electrolyte is in the battery has the same density uniformly. This is in practice, however, not always the case, because at an easier one, e.g. B. warmer electrolyte, above in Accumulate accumulator while heavier parts are below discontinue, but on the other hand with accumulators, the movements subject, as is the case for example in motor vehicles the case is also due to the movement of the accumulators spatial density fluctuations occur to a considerable extent can. The known sensor cannot measure the acid density between the plates of a battery, and also installation in pipes is difficult. Another disadvantage of known sensor is that it is systematic for only one only measurement task, namely the measurement of the density of the the medium adjacent to the prismatic body.
Es sind weiter zahlreiche Sensoren bekannt, die auf optoelektronischem Wege unter Ausnutzung der Brechungseigenschaften eines Lichtleiters physikalische Größen in elektrische Ausgangssignale umwandeln.Numerous sensors based on optoelectronic are also known Paths using the refractive properties of a light guide physical quantities in electrical Convert output signals.
Aus der DE-OS 34 33 343 ist eine optische Meßanordnung mit faseroptischer Lichtübertragung bekannt. Bei dieser Anordnung wird Licht aus einer Lichtquelle in einen Lichtleiter eingekoppelt und tritt an einer radialen Grenzfläche wieder aus. Das in Form eines konischen Lichtbündels austretende Licht trifft auf eine verspiegelte Referenzfläche, die sich in einem zu messenden Abstand von der Stirnfläche des Lichtleiters befindet. Das von der Referenzfläche wiederum reflektierte Licht trifft auf Insichreflektoren, die bewirken, daß das Licht auf demselben Wege wieder zurückgeleitet wird, demzufolge in die Stirnfläche des Lichtleiters zurückgelangt und nach geeigneter Auskopplung vom Sendelicht einem Lichtdetektor zugeführt wird. Der Meßeffekt bei dieser bekannten Anordnung beruht auf der Strahlauffächerung, die bedingt ist durch die vom Beobachtungswinkel abhängige Lichtreflexion des Insichreflektors. Die Anwendung der bekannten Anordnung ist daher auf die Längenmessung bei einer Konfiguration der geschilderten Art beschränkt.From DE-OS 34 33 343 an optical measuring arrangement with fiber optic light transmission known. With this arrangement becomes light from a light source into a light guide coupled in and occurs again at a radial interface out. The one emerging in the form of a conical beam of light Light strikes a mirrored reference surface at a distance to be measured from the end face of the light guide located. That from the reference surface in turn reflected light hits insichreflectors, which cause that the light is guided back in the same way is consequently returned to the end face of the light guide and after suitable decoupling from the transmission light Light detector is supplied. The measuring effect in this known The arrangement is based on the beam spreading is due to the dependence on the observation angle Light reflection of the insichreflector. The application of the known arrangement is therefore based on the length measurement a configuration of the type described limited.
Aus der DE-OS 34 28 453 ist ferner eine Sensoreinrichtung bekannt, bei der ein transparentes Prisma mit zwei um 90° gegeneinander versetzten Grenzflächen in ein Meßmedium eintaucht. Wenn das Meßmedium eine erste vorbestimmte Dichte aufweist, so wird ein mittels eines ersten Lichtleiters auf die erste Grenzfläche schiefwinklig aufgestrahlter Lichtstrahl dort totalreflektiert, gelangt auf die zweite Grenzfläche und wird in einen zweiten Empfangslichtleiter zurückreflektiert. Erhöht sich nun die Dichte des Meßmediums, so tritt der Lichtstrahl bereits beim Auftreten auf die erste Grenzfläche des Prismas in das Medium aus und am Empfangslichtleiter steht ein Nullsignal an. Diese bekannte Sensoreinrichtung ist daher nur als Ja/Nein-Signalerzeuger einsetzbar, eine kontinuierliche digitalisierte Messung ist nicht möglich.From DE-OS 34 28 453 is also a sensor device known in which a transparent prism with two 90 ° mutually offset interfaces in a measuring medium immersed. If the measuring medium has a first predetermined density has, then a by means of a first light guide the first interface is a beam of light radiated at an oblique angle totally reflected there, reaches the second interface and is reflected back into a second receiving light guide. Now the density of the measuring medium increases, so the light beam strikes the first one as soon as it occurs Interface of the prism into the medium and on the receiving light guide there is a zero signal. This known sensor device can therefore only be used as a yes / no signal generator, is a continuous digitized measurement not possible.
Aus der DE-OS 34 03 887 ist ein weiterer Sensor bekannt, bei dem ein langgestreckter, einseitig eingespannter Lichtleiter durch einen Gasstrom auslenkbar ist. Gegenüber dem freien Ende des Lichtleiters befindet sich ein flächiger Detektor in Gestalt eines lumineszierenden Körpers. Je nach Auslenkung des Lichtleiters trifft das von diesem ausgestrahlte Licht auf einen anderen Oberflächenbereich des flächigen lumineszierenden Körpers auf, bei dem an einem oder an beiden Enden ein Detektor angeordnet ist. Aus der Intensität des Detektorssignals oder aus dem Quotienten der Intensitäten beider Detektorsignale kann nun der Auftreffpunkt des Lichtes und damit mittelbar die Auslenkung des Lichtleiters und daraus wiederum die Geschwindigkeit oder die Menge des auslenkenden Gases bestimmt werden. Auch dieser Sensor ermöglicht daher nur Analogmessungen und er ist wiederum auf einen speziellen Anwendungsfall der Messung von Gasgeschwindigkeiten oder Gasdurchsätzen beschränkt.Another sensor is known from DE-OS 34 03 887, at an elongated, one-sided clamped light guide can be deflected by a gas flow. Towards the free A flat detector is located at the end of the light guide in the form of a luminescent body. Depending on the deflection of the light guide hits the one it radiates Light on another surface area of the flat luminescent body on which on one or on a detector is arranged at both ends. From the intensity of the detector signal or from the quotient of the intensities of both detector signals can now be the point of impact of the Light and thus indirectly the deflection of the light guide and from it the speed or the amount of deflecting gas can be determined. This sensor too therefore only allows analog measurements and it is open again a special application of measuring gas velocities or gas flow rates limited.
Aus der DE-OS 20 34 344 ist eine Einrichtung zur Messung physikalischer Größen durch Messung der Intensität eines Lichtstrahlenbündels bekannt. Bei dieser bekannten Einrichtung macht man sich gleichfalls die Tatsache zunutze, daß Lichtstrahlen an den Grenzflächen eines Lichtleiters austreten oder totalreflektiert werden, je nachdem, wie das Verhältnis der Brechungsindizes bzw. der Dichten im Lichtleiter und im umgebenden Medium ist. Hierzu wird bei unterschiedlichen Anordnungen der Effekt ausgenutzt, daß durch Umgebung eines Teiles des Lichtleiters mit einem dichten Medium eine immer größere Lichtmenge aus dem Lichtleiter ausgekoppelt wird, wodurch Messungen, beispielsweise eines Füllstandes, möglich sind. Digitale Meßergebnisse können dabei durch Schwellwertschaltungen, die fotoelektrischen Wandlerelementen nachgeordnet sind, gebildet werden oder auch auf optischem Wege. Hierzu können z. B. eine Anzahl von Nummern zugeordneten Lichtleitern, die unterschiedlich tief in einen Behälter mit einem erstarrenden Stoff eintauchen, so ausgelegt sein, daß die auf einer Seite der Erstarrungsfront mündenden Lichtleiter Licht zu einer Anzeige lenken, die auf der anderen Seite hingegeen nicht. Die Nummer des gerade noch Licht zur Anzeige lenkenden Lichtleiters ist demnach ein Maß für die Lage der Erstarrungsfront.DE-OS 20 34 344 is a device for measurement physical quantities by measuring the intensity of a Light beam known. With this known device one also takes advantage of the fact that Light rays emerge at the interfaces of a light guide or be totally reflected, depending on how the relationship the refractive indices or the densities in the light guide and is in the surrounding medium. This is done at different Arrangements of the effect that exploited by environment a part of the light guide with a dense medium ever increasing amount of light is coupled out of the light guide becomes, whereby measurements, for example a level, possible are. Digital measurement results can through threshold circuits, the photoelectric conversion elements are subordinate, are formed or optically. For this purpose, e.g. B. a number of optical fibers assigned to numbers, the different depths in a container with a solidifying substance immerse, be designed so that the one side of the solidification front directing light guide light to a display on the other Side did not go. The number of the one just controlling light for display The light guide is therefore a measure of the position of the solidification front.
Schließlich ist aus der DE-OS 21 55 049 noch eine optische Vergleichsvorrichtung mit optischen Fasern bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung ist, wie bereits zu dem weiter oben geschilderten Ausführungsbeispiel erläutert, im axialen Abstand von einer Stirnfläche eines mit Licht beaufschlagten Lichtleiters eine mit einer reflektierten Oberfläche versehene Referenzebene angeordnet, deren axialer Abstand von der Stirnfläche des Lichtleiters gemessen werden soll. Hierzu sind radial neben dem Lichtleiter mehrere Empfangslichtleiter angeordnet, deren Signal jeweils einzelnen optischen Detektoren zugeführt wird. Diese optischen Detektoren sind ihrerseits an eine elektronische Analogschaltung angeschlossen. Bei dieser bekannten Vorrichtung macht man sich die Tatsache zunutze, daß bei sich vergrößerndem Abstand der reflektierenden Referenzfläche von der Stirnfläche des Lichtleiters der Rand des reflektierten Strahlenbündels immer weiter radial von der Stirnfläche des Lichtleiters fortwandert und nacheinander die Stirnflächen der verschiedenen radial beabstandeten Empfangslichtleiter überstreicht. Demzufolge kann ein bereichsweise lineares Ausgangssignal nur jeweils an dem Empfangslichtleiter abgenommen werden, dessen Stirnfläche gerade vom Rand des reflektierten Strahlenbündels überstrichen wird. Dies macht sich die bekannte Vorrichtung zunutze, indem das jeweils gerade "lineare" Signal zur Bildung eines insgesamt breiteren Linearbereichs herangezogen wird. Die bekannte Vorrichtung ist somit lediglich für eine einzige Meßaufgabe geeignet und ein digitaler Ausgangswert des Signals steht hier nicht zur Verfügung.Finally, from DE-OS 21 55 049 there is still an optical one Comparative device with optical fibers known. At this known device is, as already to the next The embodiment described above is explained in the axial Distance from an end face of one exposed to light Optical fiber one with a reflected surface provided reference plane, the axial distance to be measured from the end face of the light guide. For this purpose, there are several receiving light guides radially next to the light guide arranged, the signal of each individual optical detectors is supplied. These optical detectors are in turn connected to an electronic analog circuit connected. In this known device you do take advantage of the fact that as the distance increases the reflective reference surface from the front surface the edge of the reflected beam of light always radially from the end face of the light guide wanders and successively the faces of the different radially spaced receiving light guide sweeps. As a result, a regionally linear output signal can can only be removed from the receiving light guide, whose face is just reflected from the edge of the Beam is swept. This makes the take advantage of known device by doing the straight "linear" signal to form an overall broader Linear range is used. The well-known Device is therefore only for suitable for a single measurement task and a digital one The output value of the signal is not available here.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß er für eine Vielzahl von Meßaufgaben geeignet und unproblematisch in der Justierung ist, daß sich lokale Störungen in der Umgebung des Sensors nicht bemerkbar machen und daß schließlich vor allem eine kontinuierliche Digitalanzeige des jeweiligen Ausgangssignals möglich ist.The invention is based on the object, one To further develop sensors of the type mentioned in the introduction, that it is suitable for a variety of measuring tasks and The problem with the adjustment is that local Do not make disturbances in the vicinity of the sensor noticeable and finally, above all, a continuous digital display of the respective output signal is possible.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Körper als langgestreckter Lichtleiter ausgebildet ist, in dem Lichtstrahlen mehrfach totalreflektiert werden, daß die lichtempfindlichen Elemente in einem axialen Abstand von einer Stirnfläche angeordnet sind und eine Auftrefffläche für ein aus der Stirnfläche austretendes Bündel Lichtstrahlen bilden, und daß die Auswerteschaltung einen Zähler aufweist, der die Anzahl der von dem Bündel beleuchteten oder alternativ der nicht beleuchteten Elemente als Ausgangssignal in digitaler Form abgibt. Nachfolgend wird nur die Zählung der beleuchteten Elemente näher betrachtet. Soll die Zahl der unbeleuchteten Elemente gezählt und ausgewertet werden, so muß die Gesamtzahl aller Elemente bekannt sein.This object is achieved in that the Body is designed as an elongated light guide, in the light rays are totally reflected several times, that the photosensitive elements at an axial distance of an end face are arranged and an impact surface for a bundle of light rays emerging from the end face form, and that the evaluation circuit has a counter that counts the number of the bundle illuminated or alternatively the non-illuminated Outputs elements as an output signal in digital form. Below is just the count of the illuminated elements considered in more detail. Should be the number of unlit elements the total number must be counted and evaluated of all elements.
Bei Verwendung eines langgestreckten Lichtleiters mit mehrfacher Totalreflexion werden zum einen Justierungsprobleme vermieden, weil sich über die Länge des Lichtleiters gesehen ohnehin gleichförmige Lichtstrahlenverhältnisse ausbilden, außerdem werden in der Umgebung des Lichtleiters etwa bestehende Diskontinuitäten hierdurch ausgemittelt. Durch die Führung der Lichtstrahlen im Lichtleiter können zahlreiche unterschiedliche Meßaufgaben gelöst werden. So kann beispielsweise wie bei dem eingangs geschilderten bekannten Sensor der Brechungsindex und damit auch die Dichte eines den Lichtleiter umgebenden Mediums unabhängig von dessen Aggregatzustand gemessen werden, es sind weiterhin kontinuierliche Füllstandsmessungen möglich und es können auch geometrische Größen, insbesondere Längen, auf diese Weise gemessen werden. When using an elongated light guide with multiple total reflection become one Adjustment problems avoided because the length of the Seen light guide uniform light beam conditions anyway train, also in the area of the Any existing discontinuities in this way averaged. By guiding the light rays in the light guide can solve numerous different measuring tasks will. For example, like the one described at the beginning known sensor the refractive index and thus also the density of a medium surrounding the light guide is independent from its physical state are measured, there are continuous level measurements possible and there can also have geometric sizes, in particular lengths be measured this way.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, daß der Winkelbereich des aus dem Lichtleiter austretenden Bündels, mit anderen Worten der sogenannte "Akzeptanzkonus" in digitaler Form ausgemessen wird, indem die Anzahl der bei einem bestimmten Wert der physikalischen Größe beleuchteten Elemente ausgezählt und angezeigt wird. Irgendwelche Alterungserscheinungen oder sonstigen Drifterscheinungen wirken sich damit nicht störend auf das Meßergebnis aus, weil die Auswerteschaltung für jedes einzelne lichtempfindliche Element nur eine Ja/Nein-Entscheidung trifft, so daß bei geeignet eingestelltem Triggerpegel für das jeweilige Element ohne Bedeutung ist, wie groß die Intensität des jeweils auftreffenden Lichtstrahles ist bzw. wie sich der Konversionsfaktor von einfallendem Lichtstrahl zu abgegebener Spannung im Element selbst aufgrund von Alterungserscheinungen geändert hat.Another important advantage of the invention is that the Angular range of the bundle emerging from the light guide, in other words the so-called "acceptance cone" in digital Form is measured by the number of one certain value of physical size illuminated elements is counted and displayed. Any signs of aging or other drift phenomena have an effect so it does not interfere with the measurement result because the evaluation circuit for each individual photosensitive element only makes a yes / no decision, so that when appropriate set trigger level for the respective element without Significance is how great the intensity of each incident Light beam is or how the conversion factor from incident light beam to emitted voltage in the Element itself changed due to signs of aging Has.
Insgesamt stellt die Erfindung damit einen universell einsetzbaren, robusten, zuverlässigen und gegen Alterungserscheinungen unempfindlichen Sensor zur Verfügung.Overall, the invention thus represents a universal usable, robust, reliable and against signs of aging insensitive sensor available.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die lichtempfindlichen Elemente in einem axialen Abstand von der zweiten Stirnfläche angeordnet.In a preferred embodiment of the invention photosensitive elements at an axial distance from the second end face arranged.
Diese Maßnahme ergibt einen besonders einfachen Aufbau des Lichtleiters, weil beispielsweise bei einem zylindrischen Lichtleiter das Strahlenbündel in die eine radiale Stirnfläche eingekoppelt und der Akzeptanzkonus des aus der gegenüberliegenden radialen Stirnfläche austretenden Strahlenbündels gemessen wird. This measure results in a particularly simple structure of the Light guide, for example in the case of a cylindrical one The light beam guides the beam into one radial end face coupled and the acceptance cone from the opposite radial end face emerging radiation is measured.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die zweite Stirnfläche als Reflektor ausgebildet und die lichtempfindlichen Elemente sind in einem axialen Abstand von der ersten Stirnfläche angeordnet.In another embodiment of the invention second end face designed as a reflector and the photosensitive Elements are at an axial distance from the arranged first end face.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß unter Inkaufnahme eines etwas komplizierteren Aufbaus der Sensor nur von einer einzigen Seite her zugänglich sein muß, an der gleichzeitig das Licht in den Sensor eingekoppelt und zur Messung des Akzeptanzkonus wieder ausgekoppelt wird. Ein so gestalteter Sensor eignet sich damit insbesondere für Meßaufgaben an schwer zugänglichen Orten, beispielsweise zur Messung der Dichte oder des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem geschlossenen Behälter.This measure has the advantage that with the acceptance of a somewhat more complicated construction of the sensor from only one single side must be accessible, at the same time the light is coupled into the sensor and used to measure the Acceptance cone is coupled out again. So designed The sensor is therefore particularly suitable for measuring tasks difficult to access places, for example to measure the Density or level of a liquid in one closed container.
Bei einer Variante dieses Ausführungsbeispiels ist der Lichtleiter in zwei axial beabstandete Abschnitte unterteilt und das Bündel wird in die erste Stirnfläche des ersten axialen Abschnittes eingekoppelt, während die lichtempfindlichen Elemente in einem axialen Abstand von der ersten Stirnfläche des zweiten Abschnittes angeordnet sind.In a variant of this embodiment, the Light guide divided into two axially spaced sections and the bundle is in the first face of the first axial section coupled, while the photosensitive Elements at an axial distance from the first End face of the second section are arranged.
Eine weitere, ähnlichen Zwecken dienende Variante sieht vor, daß die erste Stirnfläche in zwei axial beabstandeten Stufen ausgebildet ist und daß das Bündel in die vordere Stufe eingekoppelt wird, während die lichtempfindlichen Elemente in einem axialen Abstand von der hinteren Stufe angeordnet sind.Another variant serving similar purposes provides that the first end face in two axially spaced stages is formed and that the bundle in the front stage is coupled in while the photosensitive elements spaced axially from the rear step are.
Diese beiden Varianten haben den gemeinsamen Vorteil, daß eine räumliche Trennung der Lichtquelle für das einzustrahlende Bündel von den lichtempfindlichen Elementen für die Messung des Akzeptanzkonus möglich ist, weil diese beiden Vorgänge in axial beabstandeten Positionen des Lichtleiters stattfinden.These two variants have the common advantage that a spatial separation of the light source for what is to be irradiated Bundle of photosensitive elements for the Measurement of the acceptance cone is possible because of these two Operations in axially spaced positions of the light guide occur.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Auftrefffläche zur Achse des Lichtleiters geneigt.In another embodiment of the invention Impact surface inclined to the axis of the light guide.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß bei Variation des Akzeptanzkonus infolge der Neigung der Auftrefffläche eine Vergrößerung des Bereiches erzeugt wird, in dem der Rand des Akzeptanzkonus schwankt.This measure has the advantage that when the acceptance cone is varied due to the inclination of the impact surface an enlargement of the area in which the edge of the Acceptance cone fluctuates.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung dieser Variante kann die Auftrefffläche auch in vorgegebener Weise gekrümmt verlaufen, um auf diese Weise gegebenenfalls vorhandene Nichtlinearitäten des Sensors zu kompensieren.In a preferred embodiment of this variant, the The impact surface is also curved in the specified manner, around any nonlinearities that may exist of the sensor to compensate.
Bei einem ersten Anwendungsbeispiel der Erfindung ist die physikalische Größe die Dichte eines den Lichtleiter umgebenden Mediums und der Lichtleiter ist nur mit seiner Mantelfläche optisch an das Medium gekoppelt. In a first application example of the invention physical quantity the density of a surrounding the light guide Medium and the light guide is only with its Shell surface optically coupled to the medium.
Das Medium kann eine Flüssigkeit variabler Dichte sein, es können jedoch auch Gase variablen Drucks gemessen werden, weil die Dichte des Gases mit dessen Druck variiert. The medium can make a liquid more variable Density, but it can also be gases of variable pressure be measured because the density of the gas with its pressure varies.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung besteht der Lichtleiter aus Glas oder Kunststoff, z. B. Polymethylacrylat (PMMA).In embodiments of the invention, the light guide is made made of glass or plastic, e.g. B. polymethyl acrylate (PMMA).
Diese Maßnahme hat auch den Vorteil, daß auf bekannte Materialien mit ebenfalls bekannten reproduzierbaren Eigenschaften zurückgegriffen werden kann.This measure also has the advantage that known materials with also known reproducible properties can be used.
Bei anderen Varianten der Erfindung weist der Lichtleiter ein lichtdurchlässiges Rohr auf, das mit einem Referenzmedium geüllt ist, dessen chemische Zusammensetzung derjenigen des das Rohr umgebenden Meßmediums bei einem vorbestimmten Wert der physikalischen Größe entspricht.In other variants of the invention, the light guide a translucent tube with a reference medium is filled, the chemical composition of which of the measuring medium surrounding the tube at a predetermined Value corresponds to the physical quantity.
Diese, an sich aus der DE-PS 34 02 374 bekannte Maßnahme hat den Vorteil, daß sich die Eigenschaften des Referenzmediums und des umgebenden Meßmediums bei Variationen der Umgebungsbedingungen gleichermaßen ändern, so daß auch insoweit Drifterscheinungen ausgeschlossen werden können.This measure, known per se from DE-PS 34 02 374, has the advantage that the properties of the reference medium and the surrounding measuring medium with variations in the ambient conditions alike change so that too Drift phenomena can be excluded.
Bei einer weiteren Variante der Erfindung weist der Lichtleiter lichtabgebende Elemente auf, die nach Bestrahlung mittels eines Primärlichtes Sekundärlicht abgeben.In a further variant of the invention, the light guide light-emitting elements after irradiation emit secondary light by means of a primary light.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß statt einer diffusen Lichteinstrahlung in den Lichtleiter auch eine Einstrahlung mittels eines parallelen Bündels möglich ist, wobei dann die für die Erfindung erforderlichen diffusen Lichtstrahlen durch das Sekundärlicht dargestellt werden. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß das Primärlicht auf Störstellen (Farbzentren) im Lichtleiter trifft, daß diffus reflektierende Grenzflächen, auf die das Primärlicht trifft, vorgesehen werden oder daß der Lichtleiter mit Lumineszenzzentren versehen wird, die ihrerseits Sekundärlicht erzeugen. This measure has the advantage that instead of a diffuse one Light radiation into the light guide also radiation is possible by means of a parallel bundle, in which case the diffuse light rays required for the invention can be represented by the secondary light. For example happen that the primary light on Impurities (color centers) in the light guide that diffuse reflective interfaces that the primary light hits, be provided or that the light guide with luminescence centers is provided, which in turn generate secondary light.
Schließlich ist noch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung bevorzugt, bei dem die Lichtquelle an einem Pulsgenerator angeschlossen ist und die Auswerteschaltung einen Differenzbildner aufweist, dessen Eingängen die Maßwerte bei eingeschalteter bzw. ausgeschalteter Lichtquelle zuführbar sind.Finally, there is another embodiment of the invention preferred, in which the light source on a pulse generator is connected and the evaluation circuit a difference generator has inputs whose measurement values are switched on or switched off light source can be supplied.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß durch Messungen in den Impulspausen Fremdlichteinflüsse ausgemessen und damit kompensiert werden können.This measure has the advantage that measurements in the Impulse pauses measured and thus external light influences can be compensated.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigtEmbodiments of the invention are in the drawing are shown and are described in the following description explained in more detail. It shows
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Lichtleiters zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung, Fig. 1 is a schematic representation of a light guide to illustrate the present invention,
Fig. 2 eine Darstellung eines Strahlenganges, wie er im Lichtleiter gemäß Fig. 1 auftritt, Fig. 2 is an illustration of an optical path, as occurs in the light guide of Fig. 1,
Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer flächenhaften Lichtmeßanordnung zur Verwendung beim erfindungsgemäßen Sensor, Fig. 3 shows a first embodiment of a planar Lichtmeßanordnung for use in the inventive sensor,
Fig. 4 eine Variante des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 3 mit linienförmiger Lichtmeßanordnung, Fig. 4 shows a variant of the embodiment of Fig. 3 with line-shaped Lichtmeßanordnung,
Fig. 5 eine erste Variante eines erfindungsgemäßen Sensors zur Messung der Dichte eines Mediums, Fig. 5 shows a first variant of an inventive sensor for measuring the density of a medium,
Fig. 6 eine zweite Variante hierzu, Fig. 6 shows a second variant of this,
Fig. 7 eine dritte Variante hierzu, Fig. 7 shows a third variant of this,
Fig. 8 eine erste Variante einer Konfiguration eines Lichtleiters zur Verwendung bei einem der Sensoren gemäß den Fig. 5 bis 11, Fig. 8 shows a first variant of a configuration of a light guide for use in one of the sensors shown in FIGS. 5 to 11,
Fig. 9 eine zweite Variante hierzu, FIG. 9 shows a second variant of this,
Fig. 10 eine dritte Variante hierzu, jedoch zur Verwendung bei einem der Sensoren der Fig. 5 bis 7, Fig. 10 shows a third variant of this, however, for use in one of the sensors of Figs. 5 to 7,
Fig. 11 einen stark schematisierten Stromlaufplan zur Erläuterung der Beschaltung eines erfindungsgemäßen Sensors, Fig. 11 is a highly schematic circuit diagram for explaining the connection of a sensor according to the invention,
Fig. 12 eine weitere Variante, ähnlich Fig. 1, zur Erhöhung der Meßempfindlichkeit eines erfindungsgemäßen Sensors. Fig. 12 shows a further variant, similar to Fig. 1, to increase the sensitivity of a sensor according to the invention.
In Fig. 1 bezeichnet 1 eine Lichtquelle, aus der ein divergierendes Strahlenbündel 2 aus- und in eine benachbarte obere Stirnfläche 3) eines zylindrischen Lichtleiters 10 eintritt. Die punktförmige Lichtquelle 1 mit dem divergierenden Strahlenbündel 2 ist hier nur beispielhaft zu verstehen, es wird weiter unten noch erläutert werden, daß auch parallele Strahlenbündel verwendet werden können, aus denen divergierendes Sekundärlicht im Inneren des Lichtleiters abgeleitet wird.In Fig. 1, 1 designates a light source from which a diverging ray beam 2 enters off and a cylindrical light guide 10 in a neighboring upper face 3). The point-shaped light source 1 with the diverging beam 2 is only to be understood here as an example, it will be explained further below that parallel beams can also be used, from which diverging secondary light in the interior of the light guide is derived.
In Fig. 1 erkennt man mit 11 einen ersten, axial gerichteten Lichtstrahl, der den Lichtleiter 10 ohne weitere Umlenkung oder Behinderung durchsetzt. Mit 12 a, 12 b ist ein zweiter Lichtstrahl gekennzeichnet, der so flach auf eine Mantelfläche 19 des Lichtleiters 10 trifft, daß er totalreflektiert wird. Auch der Lichtstrahl 12 a, 12 b setzt somit seinen Weg durch die Lichtleiter 10 in axialer Richtung fort. Mit 13 a, 13 b ist hingegen ein dritter Lichtstrahl bezeichnet, der unter einem solch steilen Winkel auf die Mantelfläche 19 trifft, daß er aus dem Lichtleiter 10 ausgekoppelt wird. In Fig. 1, 11 shows a first, axially directed light beam which passes through the light guide 10 without further deflection or obstruction. With 12 a, 12 b , a second light beam is identified, which strikes a lateral surface 19 of the light guide 10 so flat that it is totally reflected. The light beam 12 a, 12 b thus continues its path through the light guide 10 in the axial direction. 13 a, 13 b , on the other hand, denotes a third light beam which strikes the lateral surface 19 at such a steep angle that it is coupled out of the light guide 10 .
Dies bedeutet im Ergebnis, daß nach mehreren Reflexionsvorgängen im Lichtleiter 10 nur noch Lichtstrahlen 11 oder 12 a, 12 b geführt werden, die entweder streng axial oder so flach gerichtet sind, daß sie an der Mantelfläche 19 totalreflektiert werden. Hierdurch entsteht ein sogenannter "Akzeptanzkonus" 14 womit man die Gestalt eines aus einer unteren Stirnfläche 16 austretenden divergierenden Bündels 17 von Lichtstrahlen bezeichnet.As a result, this means that after several reflection processes in the light guide 10 only light rays 11 or 12 a, 12 b are guided, which are either strictly axially directed or so flat that they are totally reflected on the lateral surface 19 . This creates a so-called “acceptance cone” 14, which is used to denote the shape of a diverging bundle 17 of light rays emerging from a lower end face 16 .
In einem axialen Abstand h von der unteren Stirnfläche 16 ist eine Auftrefffläche 15 definiert. Bezeichnet man den Öffnungswinkel des Akzeptanzkonus 14 mit β, so ergibt sich in der Auftrefffläche 15 bei kreisförmiger unterer Stirnfläche 16 eine kreisförmige Lichtfläche mit einem umlaufenden Ringbereich der radialen Breite x, die vom Winkel β und dem axialen Abstand h abhängt.An impact surface 15 is defined at an axial distance h from the lower end face 16 . If one designates the opening angle of the acceptance cone 14 with β , then in the impact surface 15 with a circular lower end face 16 there is a circular light surface with a circumferential ring area of radial width x, which depends on the angle β and the axial distance h .
Ändert sich nun infolge einer Veränderung der Brechungsverhältnisse im Lichtleiter 10 oder im umgebenden Medium der Grenzwinkel der Totalreflexion, ändert sich ebenfalls der Winkel β und damit das Maß x.If, as a result of a change in the refraction conditions in the light guide 10 or in the surrounding medium, the critical angle of the total reflection changes, the angle β and thus the dimension x also change .
In Fig. 2 sind die zur Fig. 1 erläuterten Verhältnisse nochmals zur Quantifizierung des sich einstellenden Effektes dargestellt. Im Lichtleiter 10 sei jetzt ein vierter Lichtstrahl 18 geführt, dessen Abschnitt 18 a gerade unter dem Grenzwinkel α T der Totalreflexion auf die Mantelfläche 19 trifft. Anschaulich ausgedrückt bedeutet dies, daß alle in dem schraffierten Bereich der Fig. 2 einfallenden Lichtstrahlen totalreflektiert werden, während alle steiler als der Lichtstrahl 18 einfallenden Strahlen aus dem Lichtleiter 10 ausgekoppelt werden. Der Lichtstrahl 18 wird in seinem Abschnitt 18 a nun (gerade noch) totalreflektiert und ein reflektierter Abschnitt 18 b trifft auf die untere Stirnfläche 16. Unter der Voraussetzung, daß der Lichtstrahlabschnitt 18 b außerhalb des Totalreflexionsbereiches der an der unteren Stirnfläche 16 herrschenden Brechungsverhältnisse auftritt, wird ein Abschnitt 18 c des Lichtstrahls 18 aus der unteren Stirnfläche 16 ausgekoppelt und zwar unter einem Winkel β, der gerade dem Öffnungswinkel β des Akzeptanzkonus 14 in Fig. 1 entspricht. FIG. 2 shows the relationships explained for FIG. 1 again for the quantification of the effect that occurs. A fourth light beam 18 is now guided in the light guide 10 , the section 18 a of which strikes the lateral surface 19 just under the critical angle α T of total reflection. Expressed in graphic terms, this means that all light rays incident in the hatched area in FIG. 2 are totally reflected, while all rays incident more steeply than light beam 18 are coupled out of light guide 10 . The light beam 18 is now (just) still totally reflected in its section 18 a and a reflected section 18 b strikes the lower end face 16 . Provided that the light beam section 18 b occurs outside the total reflection area of the refraction conditions prevailing on the lower end face 16 , a section 18 c of the light beam 18 is coupled out of the lower end face 16 , namely at an angle β which is just the opening angle β of the acceptance cone 14 in Fig. 1 corresponds.
Bezeichnet man mit n i den Brechungsindex des Lichtleiters 10, mit n a den Brechungsindex des den Lichtleiter 10 im Bereich seiner Mantelfläche 19 umgebenden Mediums und mit n st den Brechungsindex des den Lichtleiter 10 an der unteren Stirnfläche 16 umgebenden Mediums, so kann man zeigen, daß für den Öffnungswinkel β des Akzeptanzkonus 14 gilt:If n i denotes the refractive index of the light guide 10 , n a the refractive index of the medium surrounding the light guide 10 in the region of its lateral surface 19 and n st the refractive index of the medium surrounding the light guide 10 on the lower end face 16 , it can be shown that that the following applies to the opening angle β of the acceptance cone 14 :
Wobei selbstverständlich gilt, daß n i größer ist als n a und n st. Für den Fall, daß die Brechungsverhältnisse an der Mantelfläche 19 und an der Stirnfläche 16 gleich sind, d. h. n a=n st, vereinfacht sich die angegebene Formel entsprechend.It goes without saying that n i is greater than n a and n st . In the event that the refraction ratios on the lateral surface 19 and on the end surface 16 are the same, ie n a = n st , the formula given is simplified accordingly.
Man erkennt somit, daß die in Fig. 1 zu erkennende Breite x über den Öffnungswinkel β und den Abstand h unmittelbar ein Maß für die Brechungsverhältnisse des Lichtleiters 10 zu dem ihn umgebenden Medium ist. It can thus be seen that the width x to be seen in FIG. 1, via the opening angle β and the distance h, is directly a measure of the refraction ratios of the light guide 10 to the medium surrounding it.
Die Breite x wird in digitalisierter Form als Meßwert ausgegeben.The width x is output in digitized form as a measured value.
Fig. 3 zeigt hierzu ein Ausführungsbeispiel, bei dem wiederum der Lichtleiter 10 zu erkennen ist, aus dem ein Lichtstrahlenbündel in Gestalt des Akzeptanzkonus 14 unten austritt. Zusätzlich ist gestrichelt ein Akzeptanzkonus 14 a eingezeichnet, der einen zweiten Meßwert symbolisieren soll. Fig. 3 shows in this respect an embodiment, in which again the light guide 10 can be seen, from which a light beam in the shape of the acceptance cone 14 emerges below. In addition, an acceptance cone 14 a is shown in broken lines, which is intended to symbolize a second measured value.
Unterhalb des Lichtleiters 10 ist im axialen Abstand in der gedachten Auftrefffläche ein flächiges Detektorarray 22 zu erkennen, das beispielsweise als Ladungsverschiebungs-Halbleiterbauelement (CCD) ausgebildet sein kann. Das Detektorarray 22 besteht aus einer Vielzahl in einer Fläche verteilter Detektorelemente 23, die individuell angesteuert und ausgelesen werden können. Eine symbolisiert dargestellte Datenleitung 24 führt zu einer Auswerteschaltung 25, die im wesentlichen einen digitalen Zähler enthält.Below the light guide 10 , a flat detector array 22 can be seen at an axial distance in the imaginary impact surface, which can be designed, for example, as a charge shift semiconductor component (CCD). The detector array 22 consists of a multiplicity of detector elements 23 distributed in an area, which can be individually controlled and read out. A symbolized data line 24 leads to an evaluation circuit 25 , which essentially contains a digital counter.
Im dargestellten Beispielsfall des durchgezogenen eingezeichneten Akzeptanzkonus 14 werden die in Fig. 3 schraffierten 8 Detektorelemente beleuchtet, so daß nach Auszählung dieser Elemente über die Datenleitung 24 in der Auswerteschaltung 25 am Ausgang derselben ein Digitalwert "8" ausgegeben wird. Man kann dabei durch entsprechende Vielzahl von Detektorelementen 23 eine nahezu beliebige Auflösung des Meßergebnisses erzielen und, sofern dies praktisch noch von Bedeutung sein sollte, durch Einstellung einer bestimmten Triggerschwelle für nur teilweise beleuchtete Detektorelemente 23 einen Grenzwert vorgeben, von dem ab ein Detektorelement 23 als beleuchtet oder unbeleuchtet gezählt wird. Auch eventuelle Grau-Übergänge im Randbereich des Akzeptanzkonus 14 lassen sich auf diese Weise präzise definieren.In the illustrated example the case of the solid drawn acceptance cone 14, hatched in Fig. 3 8 detector elements are illuminated, so that after counting of these elements of the same is a digital value "8" is output via the data line 24 in the evaluation circuit 25 at the output. Almost any resolution of the measurement result can be achieved by a corresponding number of detector elements 23 and, if this should be of practical importance, a limit value can be specified by setting a certain trigger threshold for only partially illuminated detector elements 23 , from which a detector element 23 is illuminated or counted unlit. Any gray transitions in the edge area of the acceptance cone 14 can also be precisely defined in this way.
Man erkennt aus Fig. 3 ohne weiteres, daß bei einer Vergrößerung des Akzeptanzkonus 14 in einen Konus 14 a (gestrichelt eingezeichnet) eine entsprechend größere Anzahl von Detektorelementen 23 beleuchtet und damit auch ein entsprechend größerer Digitalwert am Ausgang der Auswerteschaltung 25 angezeigt wird.It is seen from Fig. 3 without further ado that illuminated at a magnification of the acceptance cone 14 in a cone 14 a (shown in dashed lines) has a correspondingly larger number of detector elements 23 and hence also a correspondingly larger digital value appears at the output of the evaluation circuit 25th
Fig. 4 zeigt eine Variante, bei der der Abstand x aus Fig. 1 nicht durch eine Flächenmessung wie in Fig. 3 sondern nur durch eine Messung entlang einer Geraden bestimmt wird. Es ist hierzu ein lineares Detektorarray 26 vorgesehen, beispielsweise ein lineares Diodengatter oder dergleichen. Man erkennt aus Fig. 4, daß im Falle des durchgezogen eingezeichneten Akzeptanzkonus 14 vier Detektorelemente 23 beleuchtet werden, die in Fig. 4 wiederum schraffiert worden sind, während bei einer Öffnung des Akzeptanzkonus auf einen Wert 14 a im dargestellten Beispielsfalle sechs Detektorelemente beleuchtet werden. Auch in diesem Falle wird die Zahl der beleuchteten Detektorelemente ausgezählt und am Ausgang der Auswerteschaltung 25 in Form eines Digitalwertes ausgegeben. FIG. 4 shows a variant in which the distance x from FIG. 1 is not determined by an area measurement as in FIG. 3 but only by a measurement along a straight line. For this purpose, a linear detector array 26 is provided, for example a linear diode gate or the like. It can be seen from Fig. 4 that in the case of the solid acceptance cone 14 four detector elements 23 are illuminated, which in turn have been hatched in Fig. 4, while when the acceptance cone is opened to a value 14 a in the illustrated example six detector elements are illuminated. In this case too, the number of illuminated detector elements is counted and output in the form of a digital value at the output of the evaluation circuit 25 .
Die Fig. 5 bis 7 zeigen vier Ausführungsbeispiele, bei denen der erfindungsgemäße Sensor zum Messen der Dichte eines umgebenden Mediums, insbesondere einer Flüssigkeit, eingesetzt wird. Figs. 5 to 7 show four embodiments in which the sensor of the invention is for measuring the density of a surrounding medium, in particular a liquid, is used.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Dichtemessung, bei dem ein Lichtleiter 34 durch zwei miteinander fluchtende Öffnungen in den Wänden 31, 32 des Behälters für die Meßflüssigkeit 33 geführt ist. Im Bereich der Durchgänge sind Verspiegelungen 30, 30 a an der Mantelfläche 19 angebracht, während die Mantelfläche 19 im übrigen von der Meßflüssigkeit 33 umspült wird. Fig. 5 shows an embodiment for density measurement, in which an optical fiber 34 is guided through two aligned openings in the walls 31, 32 of the container for the measuring liquid 33 . In the area of the passages, reflectors 30, 30 a are attached to the outer surface 19 , while the outer surface 19 is washed around by the measuring liquid 33 .
Das Strahlenbündel in Gestalt des Akzeptanzkonus 14 tritt bei diesem Ausführungsbeispiel also außerhalb des Behälters aus dem Lichtleiter 24 aus und trifft auf das im axialen Abstand angeordnete Detektorarray 22 zu der bereits beschriebenen Meßwertverarbeitung.In this embodiment, the beam of rays in the form of the acceptance cone 14 emerges from the light guide 24 outside the container and strikes the detector array 22 arranged at an axial distance for the measurement value processing already described.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 bestimmen somit die Brechungsverhältnisse im Bereich der Mantelfläche 19 des Lichtleiters 34 die Messung. In the exemplary embodiment according to FIG. 5, the refraction conditions in the area of the lateral surface 19 of the light guide 34 determine the measurement.
Fig. 6 zeigt eine weitere Variante hierzu, bei der ein Lichtleiter 35 in zwei axial gegeneinander abgesetzte Abschnitte 35 a, 35 b unterteilt ist. Der obere Abschnitt 35 a ist mit einer oberen Stirnfläche 3 a versehen, in die das Strahlenbündel 2 eingekoppelt wird. Unterhalb der unteren Stirnfläche des oberen Abschnittes 35 a befindet sich entweder ein flächiges Detektorarray mit einer mit dem Lichtleiter 35 fluchtenden Öffnung oder seitlich zwei voneinander getrennte Detektorarrays 22 a, 22 b, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist, die zwischen sich einen entsprechenden Freiraum offen lassen, durch den das Strahlenbündel 2′, das unten aus dem oberen Abschnitt 35 a ausgetreten ist, hindurchtreten kann. Fig. 6 shows a further variant, in which a light guide 35 is divided into two axially offset sections 35 a, 35 b . The upper section 35 a is provided with an upper end face 3 a , into which the beam 2 is coupled. Below the lower end face of the upper section 35 a there is either a flat detector array with an opening aligned with the light guide 35 or laterally two separate detector arrays 22 a, 22 b , as shown in FIG. 6, with a corresponding free space between them leave open, through which the beam 2 ' , which has emerged from the lower portion 35 a below, can pass through.
Der untere Abschnitt 35 b durchsetzt eine Bohrung in der Wand 31 des Behälters für die Meßflüssigkeiten 33. Abgesehen von einer Verspiegelung 30 im Bereich des Durchganges durch die Wand 31 ist der untere Abschnitt 35 b im Bereich seiner Mantelfläche 19 unverspiegelt und grenzt unmittelbar an die Meßflüssigkeit 33. Die untere Stirnfläche 16 ist jedoch mit einem Spiegel 36 oder einem anderen geeigneten Reflektor versehen. Dies bedeutet, daß ein im unteren Abschnitt 35 b geführter Lichtstrahl 37 nach Auftreffen auf den Spiegel 36 wieder nach oben geleitet wird, so daß an einer oberen Stirnfläche 3 b des unteren Abschnittes 35 b ein Strahlenbündel in Gestalt des Akzeptanzkonus 14 austritt. Der Öffnungswinkel des Akzeptanzkonus 14 wird nun wiederum in der beschriebenen Weise durch das Detektorarray 22 a, 22 b ausgemessen.The lower section 35 b penetrates a bore in the wall 31 of the container for the measuring liquids 33 . Apart from a reflective coating 30 in the area of the passage through the wall 31 , the lower section 35 b is non-reflective in the area of its lateral surface 19 and borders directly on the measuring liquid 33 . However, the lower end face 16 is provided with a mirror 36 or another suitable reflector. This means that a light beam 37 guided in the lower section 35 b is directed upwards again after striking the mirror 36 , so that a beam in the form of the acceptance cone 14 emerges from an upper end face 3 b of the lower section 35 b . The opening angle of the acceptance cone 14 is again measured in the manner described by the detector array 22 a, 22 b .
Fig. 7 zeigt eine Variante zum Ausführungsbeispiel der Fig. 6. FIG. 7 shows a variant of the embodiment of FIG. 6.
Ein Lichtleiter 40, der wiederum die obere Wand 31 des Behälters für die Meßflüssigkeit 33 durchsetzt, ist im Bereich dieses Durchsatzes als unterer Abschnitt mit größerem Durchmesser ausgebildet, an den sich ein oberer Abschnitt 40 a mit kleinerem Durchmesser anschließt. Der untere Abschnitt 40 b weist dadurch eine kreisringförmige Stirnfläche 41 b auf, während der obere Abschnitt 40 a eine kreisförmige Stirnfläche 41 a aufweist. In diese Stirnfläche 41 a trifft das Strahlenbündel 2 ein und gelangt in den unteren Abschnitt 40 b, von dem ab nach unten der Sensor gemäß Fig. 7 ebenso wie der gemäß Fig. 6 ausgebildet ist. Das vom unteren Ende des Lichtleiters 40 an dessen in Fig. 7 nicht dargestellten Spiegel reflektierte Licht tritt nun durch die kreisringförmige Stirnfläche 41 b des unteren Abschnittes 40 b aus und gelangt auf das Detektorarrays 22 a, 22 b, das wiederum entsprechend Fig. 6 ausgebildet ist. A light guide 40 , which in turn passes through the upper wall 31 of the container for the measuring liquid 33 , is formed in the area of this throughput as a lower section with a larger diameter, to which an upper section 40 a with a smaller diameter adjoins. The lower section 40 b thereby has an annular end face 41 b , while the upper section 40 a has a circular end face 41 a . In this end face 41 a, the beam hits 2 and passes into the lower portion 40 b, by the downwards of the sensor of FIG. 7 as well as that of FIG. 6 is formed. The light reflected from the lower end of the light guide 40 at its mirror (not shown in FIG. 7) now emerges through the annular end face 41 b of the lower section 40 b and reaches the detector array 22 a, 22 b , which in turn is designed in accordance with FIG. 6 is.
Die Fig. 8 bis 10 zeigen noch einige Varianten von Lichtleitern, wie sie für jeweils einige der Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 5 bis 7 verwendet werden können. FIGS. 8 to 10 also show some variants of light guides as can be used for some of the exemplary embodiments according to FIGS. 5 to 7.
Fig. 8 zeigt zunächst eine Variante, bei der ein Lichtleiter 80 im wesentlichen aus einem lichtdurchlässigen Rohr 81, beispielsweise einem Glasrohr besteht, das mit einem Referenzmedium 82 gefüllt ist. Das Referenzmedium 82 ist entweder von derselben chemischen Art wie das umgebende Medium, beispielsweise die Meßflüssigkeit 33 oder von definiert abweichender Art, um auf diese Weise Störgrößen ausscheiden zu können. Fig. 8 shows the variant in which a light conductor 80 consisting essentially of a light-transmissive tube 81, such as a glass tube is filled with a reference media 82. The reference medium 82 is either of the same chemical type as the surrounding medium, for example the measuring liquid 33, or of a defined, different type in order to be able to eliminate disturbance variables in this way.
Wird beispielsweise der Lichtleiter 80 zur Messung der Dichte einer Säure verwendet, so kann man als Referenzmedium 82 eben diese Säure verwenden, deren Dichte einem bestimmten Referenzwert der als Meßflüssigkeit 33 dienenden Säure entspricht. Außeneinflüsse, die sich dann auf die Meßflüssigkeit und das Referenzmedium gleichermaßen auswirken, gehen dann in das Meßergebnis nicht mehr ein.If, for example, the light guide 80 is used to measure the density of an acid, then this acid can be used as the reference medium 82 , the density of which corresponds to a specific reference value of the acid serving as the measuring liquid 33 . External influences, which then affect the measuring liquid and the reference medium equally, are then no longer included in the measurement result.
Fig. 9 zeigt eine weitere Variante, bei der ein Lichtleiter 85 im wesentlichen aus einem lichtdurchlässigen Körper 86 aus Glas, Kunststoff oder dergleichen besteht. Am unteren Ende des Lichtleiters 85 ist jedoch, wie in der linken Hälfte von Fig. 14 dargestellt, ein Lumineszenzkörper 87 angeordnet, es kann aber auch, wie die rechte Hälfte von Fig. 14 zeigt, dort ein diffuser Reflektor 88 angeordnet sein. FIG. 9 shows a further variant in which a light guide 85 essentially consists of a translucent body 86 made of glass, plastic or the like. However, as shown in the left half of FIG. 14, a luminescent body 87 is arranged at the lower end of the light guide 85 , but, as the right half of FIG. 14 shows, a diffuse reflector 88 can also be arranged there.
Der Lichtleiter 85 ermöglicht es damit, den Sensor mit einem parallelen Strahlenbündel zu beaufschlagen, der am unteren Ende in ein diffuses sekundäremittiertes oder reflektiertes Strahlenbündel übergeht, das Lichtstrahlen unterschiedlicher Neigung wieder nach oben aussendet. Eine solche Anordnung kann beispielsweise bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 6 und 7 mit Vorteil verwendet werden.The light guide 85 thus makes it possible to apply a parallel beam to the sensor, which at the lower end merges into a diffuse, secondary-emitted or reflected beam which emits light beams of different inclinations upwards again. Such an arrangement can, for example, be used advantageously in the exemplary embodiments of FIGS. 6 and 7.
Fig. 10 zeigt eine Variante, bei der ein Lichtleiter 90 wiederum aus einem lichtdurchlässigen Körper 91 besteht, in dem gesamthaft entweder Lumineszenzelemente 92 oder Diffusionselemente, beispielsweise Farbzentren oder dergleichen eingebracht sind. FIG. 10 shows a variant in which a light guide 90 in turn consists of a translucent body 91 , in which either luminescent elements 92 or diffusion elements, for example color centers or the like, are introduced as a whole.
Wie die untere Hälfte von Fig. 10 zeigt, ist dies auch mit Flüssigkeiten, ähnlich den Ausführungsformen gemäß Fig. 8 möglich, indem in einem Glasrohr 93 eine Referenzflüssigkeit 94 vorgegebener chemischer Zusammensetzung enthalten ist, in der Schwebeteilchen 95 als Suspension enthalten sind.As the lower half of FIG. 10 shows, this is also possible with liquids, similar to the embodiments according to FIG. 8, in that a glass liquid 93 contains a reference liquid 94 of a predetermined chemical composition, in which suspended particles 95 are contained as a suspension.
Auch auf diese Weise kann in unterschiedlicher Art Sekundärlicht als reflektiertes oder durch Sekundäremission erzeugtes Licht verwendet werden, um in diffuser Weise an den Grenzflächen des Lichtleiters reflektiert oder ausgekoppelt zu werden.In this way, secondary light can also be used in different ways as reflected or generated by secondary emission Light used to diffuse the light Boundaries of the light guide reflected or coupled out to become.
Fig. 11 zeigt einen stark schematisierten Stromlaufplan einer Schaltungsanordnung zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Sensors. Fig. 11 shows a very schematic circuit diagram of a circuit arrangement for operating a sensor according to the invention.
Ein Pulsgenerator 100 betreibt die Lichtquelle 1, die aufgrund dessen ein getaktetes Strahlenbündel 2 auf einen Lichtleiter 102 abgibt. Auf den Lichtleiter 102 fällt ferner noch Fremdlicht 103. Der Lichtleiter 102 ist über geeignete Detektor- und Auswerteeinrichtungen, wie sie in den Fig. 3 und 4 erläutert wurden, an einen Verstärker 104 angeschlossen, der ferner vom Ausgang des Pulsgenerators 100 beaufschlagt wird.A pulse generator 100 operates the light source 1 , which emits a clocked beam 2 on a light guide 102 . External light 103 also falls on the light guide 102 . The light guide 102 is connected via suitable detector and evaluation devices, as explained in FIGS. 3 and 4, to an amplifier 104 , which is further acted upon by the output of the pulse generator 100 .
Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 11 hat den Sinn, den Einfluß des Fremdlichtes 103 auszuregeln. Hierzu wird im Verstärker 104 während der Impulspausen des Pulsgenerators 100 das vom Lichtleiter 102 aufgefangene, allein vom Fremdlicht 103 stammende Signal ermittelt und gespeichert. Während eines Impulses des Pulsgenerators 100 wird nun wiederum ein Meßwert gebildet, der im Lichtleiter 102 durch das Strahlenbündel 2 der Lichtquelle 1 und den Einfluß des Fremdlichtes 103 entstanden ist und es wird von diesem Meßwert der zuvor ermittelte Meßwert des Fremdlichtes 103 alleine subtrahiert. Da das Fremdlicht 103 in der Regel eine konstante Störgröße ist, kann auf diese Weise der Einfluß des Fremdlichtes 13 kompensiert werden.The circuit arrangement according to FIG. 11 has the sense of correcting the influence of the external light 103 . For this purpose, the signal captured by the light guide 102 and originating solely from the external light 103 is determined and stored in the amplifier 104 during the pulse pauses of the pulse generator 100 . During a pulse of the pulse generator 100 , a measured value is again formed, which has arisen in the light guide 102 by the beam 2 of the light source 1 and the influence of the external light 103 and the previously determined measured value of the external light 103 alone is subtracted from this measured value. Since the external light 103 is generally a constant disturbance variable, the influence of the external light 13 can be compensated for in this way.
Fig. 12 zeigt schließlich noch eine Möglichkeit, eine Vergrößerung der Breite x in Fig. 1 zur Erhöhung der Meßgenauigkeit durch Erhöhung der Auflösung zu erreichen.Finally, FIG. 12 shows a possibility of increasing the width x in FIG. 1 to increase the measuring accuracy by increasing the resolution.
Ein Lichtleiter 106 ähnlich demjenigen in Fig. 1 befindet sich mit seinem unteren Ende im axialen Abstand von einer Auftrefffläche 107, die jedoch zu einer Längsachse 108 des Lichtleiters 106 geneigt ist. Auf diese Weise ergibt sich eine vergrößerte Breite x′, wenn das Bündel der Lichtstrahlen in Gestalt des Akzeptanzkonus 14 auf die Auftrefffläche 107 fällt. A light guide 106 similar to that in FIG. 1 is located with its lower end at an axial distance from a striking surface 107 , which, however, is inclined to a longitudinal axis 108 of the light guide 106 . In this way, there is an increased width x ' when the bundle of light rays in the form of the acceptance cone 14 falls on the impingement surface 107 .
Es ist ferner in Fig. 12 mit 107 a, 107 b dargestellt, daß man der Auftrefffläche 107 zusätzlich zur oder anstelle der Neigung zur Achse 108 auch einen gekrümmten Verlauf geben kann, um auf diese Weise bestimmte Kennlinien zu kompensieren oder zu erzeugen, je nachdem, wie dies beim speziellen Anwendungsfall wünschenswert ist.It is further shown in Fig. 12 with 107 a, 107 b that one can give the impingement surface 107 in addition to or instead of the inclination to the axis 108 also a curved course in order to compensate for or generate certain characteristics, depending on , as is desirable in the specific application.
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