Flüssigkeits-Überwachungs-Detektor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Flüssigkeitsüberwachungs-Detektor, der insbesondere für Anwendungen im Kernreaktorbetrieb geeignet ist, beispielsweise zur automatischen Anzeige von Undichtigkeiten des Schwerwasser-Kreislaufes. Ganz allgemein ist der Flüssigkeitsüberwachungs-Detektor gemäss der Erfindung dazu bestimmt, das Auftreten oder das Niveau einer Flüssigkeit dort zu überwachen, wo eine unmittelbare visuelle Beobachtung ausgeschlossen ist. Des weiteren soll der Detektor unempfindlich gegenüber hoher Luftfeuchtigkeit und Wasserdampf sein. Weitgehende Unempfindlichkeit gegen Vibrationen und Erschütterungen sowie-Beständigkeit gegenüber radioaktiven Strahlen sind weitere Eigenschaften, die der Detektor aufweisen sollte.
Es wurde gefunden, dass sich die genannten Aufgaben durch einen Flüssigkeitsüberwachungs-Detektor lösen lassen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Strahlenbündel zwischen einer Lichtquelle und einem photoelektrischen Wandler über mindestens eine Reflexionsfläche geführt ist, deren Reflexionseigenschaften durch die zu überwachende Flüssigkeit beeinflussbar sind.
Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen des Detektors ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der zugehörigen Zeichnung, in welcher rein beispielsweise einige Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes schematisch veranschaulicht sind.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Leck-Detektors im Schnitt.
Fig. 2 ist eine analoge Darstellung einer anderen Ausbildungsform eines Leck-Detektors.
Fig. 3 veranschaulicht in perspektivischer Darstellung eine Variante zum Beispiel nach- Fig. 2.
Fig. 4 zeigt einen Flüssigkeitsbehälter und einen Detektor zur Überwachung des Flüssigkeitsniveaus im Behälter im senkrechten Schnitt.
Fig. 5 ist eine analoge Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles für die Niveanüberwachung einer Flüssigkeit.
Der in Fig. 1 veranschaulichte Leck-Detektor weist ein Gehäuse 10 auf, in welchem ein optisches Prisma 11 mit der Querschnittsfläche eines rechtwinkligen, gleichschenkligen Dreieckes befestigt ist.
Gegenüber der einen Kathetenfläche des Prismas 11 befindet sich im Gehäuse 10 eine Ausnehmung, in welcher eine als Lichtquelle dienende elektrische Glühlampe 12 untergebracht ist. Steht die Lampe 12 mit einer nicht gezeichneten elektrischen Stromquelle in Verbindung, so sendet sie durch eine Blendenöffnung 13 ein verhältnismässig dünnes Lichtstrahlenbündel senkrecht durch die benachbarte Kathetenfläche des Prismas hindurch zu seiner Hypothenusenfläche. Der anderen Kathetenfläche des Prismas 11 gegenüber ist in einer Ausnehmung des Gehäuses 10 ein photoelektrischer Wandler 14, beispielsweise ein Photowiderstand, dessen lichtempfindliche Zone dem Prisma 11 zugekehrt ist, angeordnet. Zwischen dem Wandler 14 und dem Prisma 11 ist im Gehäuse 10 eine Lichtdurchlassöffnung 15 vorhanden.
Der photoelektrische Wandler 14 steht mit einem nicht dargestellten elektrischen Stromkreis in Verbindung, wie dies bei lichtelektrischen Schranken oder Alarmvorrichtungen bekannt ist.
Parallel zur Hypothenusenfläche des Prismas 11 und in einigem Abstand davon verläuft die Innenfläche eines Deckels 16, der durch nicht gezeigte Mittel auf dem Gehäuse 10 befestigt ist und mittels nachgiebiger Dichtungen 17 das Prisma 11 im Ge häuse 10 festhält. Der Raum 18 zwischen der Hypothenusenfläche des Prismas 11 und dem Deckel 16 dient zur Aufnahme der durch den Detektor festzu stellenden Leckflüssigkeit, die über einen am Dekkel 16 ausgebildeten Gewindestutzen 19 und gegebenenfalls eine daran angeschlossene, nicht dargestellte Rohrleitung zugeführt wird.
Die Gebrauchs- und Wirkungsweise des beschriebenen Detektors ist wie folgt: Im Normalfall ist im Raum 18 keine Flüssigkeit, sondern Luft oder ein anderes gasförmiges Medium vorhanden. Das von der Glühlampe 12 durch die Blendenöffnung 13 ausgesandte Lichtstrahlenbündel wird an der Hypothenusenfläche des Prismas 11 innerhalb des letzteren durch Totalreflexion rechtwinklig umgelenkt und fällt anschliessend zur Gänze durch die Öffnung 15 hindurch auf die lichtempfindliche Zone des Wandlers 14, der im angeschlossenen Stromkreis eine vorbestimmte Stromstärke bewirkt, durch welche zum Beispiel ein Relais erregt wird.
Wenn durch den Gewindestutzen 19 hindurch Leckflüssigkeit in den Raum 18 eindringt und diese Flüssigkeit die Reflexionsstelle des Lichtstrahlenbündels an der Hypothenusenfläche des Prismas 11 bedeckt, werden die Reflexionseigenschaften des Prismas geändert, da der optische Brechungsindex der Flüssigkeit stark von jenem der Luft oder eines anderen Gases abweicht und angenähert mit dem Brechungsindex des Prismenglases übereinstimmt. Auf den photoelektrischen Wandler 14 fällt dann nicht mehr die gleiche Lichtmenge wie vorher, so dass sich die elektrische Stromstärke im angeschlossenen Stromkreis gegenüber vorher beträchtlich verringert.
Der Anker des im Stromkreis liegenden Relais fällt demzufolge in seine Ruhelage, wodurch ein elektrischer Signalgeber, beispielsweise eine Lampe oder eine Glocke, eingeschaltet wird, um das Personal auf das Auftreten von Leckflüssigkeit aufmerksam zu machen.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist wieder in einem Gehäuse 20 ein optisches Prisma 21 mit der Querschnittsfläche eines rechtwinkligen, gleiche schenkligen Dreieckes vorhanden. Zum Unterschied vom ersten Beispiel sind nun eine als Lichtquelle dienende Glühlampe 22 und ein photo-elektrischer Wandler 24 beide gegenüber der Hypothenusenfläche des Prismas 21 angeordnet. Die Lampe 22 und der Wandler 24 befinden sich in voneinander getrennten Ausnehmungen des Gehäuses 20. Zwischen der Lampe 22 und dem Prisma 21 ist wieder eine Blendenöffnung 23 vorhanden, die das senkrecht durch die Hypothenusenfläche in das Prisma eintretende Lichtstrahlenbündel verhältnismässig eng begrenzt.
Eine Lichtdurchlassöffnung 25 befindet sich zwischen dem Prisma 21 und der lichtempfindlichen Zone des Wandlers 24. Auf dem Gehäuse 20 sitzt ein Deckel 26, der durch nicht dargestellte Mittel am Gehäuse befestigt ist und das Prisma 21 in seiner Lage festhält. Zwischen jeder Kathetenfläche des Prismas und der Innenfläche des Deckels 26 ist ein Raum 28 zur Aufnahme von Leckflüssigkeit vorhanden, die durch einen am Deckel 26 ausgebildeten Gewindestutzen 29 und im Deckel 26 eingearbeitete Bohrungen 30 in die Räume 28 eingeleitet wird.
Wenn in den Räumen 28 keine Flüssigkeit, sondern nur Luft oder ein Gas vorhanden ist, wird das von der Glühlampe 22 erzeugte und durch die Blendenöffnung 23 hindurch senkrecht zur Hypothenusenfläche in das Prisma 21 eindringende Lichtstrahlenbündel zuerst an der einen und nachher an der anderen Kathetenfläche des Prismas durch Totalreflexion je rechtwinklig umgelenkt, so dass das Strahlenbündel das Prisma wieder senkrecht zur Hypothenusenfläche verlässt und anschliessend durch die Öffnung 25 hindurch zur Gänze auf die lichtempfindliche Zone des Wandlers 24 fällt. Falls durch den Gewindestutzen 29 und die Bohrungen 30 Leckflüssigkeit in die Räume 28 eindringt, so werden die Reflexionseigenschaften der Kathetenflächen des Prismas allmählich gestört.
Dabei fällt ein immer geringer werdender Teil des Lichtstrahlenbündels auf den Wandler 24, so dass im angeschlossenen Stromkreis die elektrische Stromstärke erheblich abnimmt, wodurch ein Signalgeber in Betrieb gesetzt wird.
Die in Fig. 3 veranschaulichte Ausführungsvariante unterscheidet sich von dem Beispiel nach Fig. 2 dadurch, dass ein Prisma 31 von etwa doppelter Länge und ein Paar Lichtquellen 22a und 22b sowie ein Paar zugehörige photoelektrische Wandler 24a und 24b vorhanden sind. Zudem ist ein Teil jeder Kathetenfläche des Prismas 31 mit einer lichtundurchlässigen Abdeckung 32a bzw. 32b versehen.
Das von der Lichtquelle 22a ausgehende und nach zweimaliger Totalreflexion an den Kathetenflächen des Prismas 31 auf den Wandler 24a fallende Strahlenbündel wird einmal an einer mit dem Belag 32a versehenen Teil der einen Kathetenfläche und das andere Mal an einem unbelegten Teil der zweiten
Kathetenfläche des Prismas je um 90 abgelenkt.
Demgegenüber erfährt das von der Lichtquelle 24b ausgehende Strahlenbündel zunächst eine Totalreflexion an einem mit dem Belag 32b versehenen Teil der zweiten Kathetenfläche und nachher eine Totalreflexion an dem unbelegten Teil der ersten Kathetenfläche des Prismas. Das Prisma 31 ist derart in ein nicht dargestelltes Gehäuse eingebaut, dass die beiden Kathetenflächen an voneinander getrennte Räume zur Aufnahme von Flüssigkeit angrenzen.
In Abänderung von Fig. 2 müsste der Deckel 26 zwei separate Gewindestutzen zum Zuführen von Flüssigkeit je in einen der genannten Räume aufweisen.
Die beiden photoelektrischen Wandler sind zweckmässig in einer elektrischen Differential-Schaltung an geordnet.
Die Gebrauchs- und Wirkungsweise der Variante nach Fig. 3 ist wie folgt: Wenn keine der Kathetenflächen des Prismas 31 von Flüssigkeit benetzt ist, fällt jedes der Lichtstrahlenbündel nach zweimaliger Totalreflexion an den Kathetenflächen auf den zu gehörigen photoelektrischen Wandler 24a bzw. 24b.
Die angeschlossene Differential-Schaltung ist im Gleichgewicht. Gelangt Flüssigkeit nur in den einen Raum, welcher an die mit dem Belag 32a versehene Kathetenfläche angrenzt, so erleidet das Strahlenbündel von der Lichtquelle 22a zum photoelektrischen Wandler 24a keine Veränderung, weil der Belag 32a die Flüssigkeit von der dieses Strahlenbündel reflektierenden Zone der betreffenden Kathetenfläche fernhält. Das andere Strahlenbündel, das von der Lichtquelle 22b ausgeht, wird jedoch durch die Flüssigkeit beeinflusst, welche die zweite Reflexionsstelle dieses Strahlenbündels benetzt. Auf den photoelektrischen Wandler 24b fällt folglich weniger Licht, weshalb das Gleichgewicht der elektrischen Differentialschaltung gestört wird.
Eine analoge Störung des elektrischen Gleichgewichtes ergibt sich, wenn Flüssigkeit nur die andere, mit dem Belag 32b versehene Kathetenfläche des Prismas benetzt. Durch gleichzeitige Benetzung beider Kathetenflächen des Prismas 31 kann die Differentialschaltung wieder in ihr elektrisches Gleichgewicht gebracht werden.
Wenn Flüssigkeit überhaupt nur zu einer der Kathetenflächen des Prismas 31 Zutritt hat, kann die beschriebene Einrichtung als Leckdetektor verwendet werden, welcher den Vorteil hat, dass Schwankungen der Speisespannung für die Glühlampe 22a des zur Flüssigkeitsüberwachung benutzten Strahlenbündels oder den mit dem Wandler 24a verbundenen Stromkreis automatisch kompensiert werden, falls die Glühlampe 22a des anderen Strahlenbündels und der an den Wandler 24b angeschlossene Stromkreis von der gleichen elektrischen Stromquelle aus gespeist sind.
Der Detektor nach Fig. 3 lässt sich aber auch für den automatischen Niveau-Vergleich zweier Flüssigkeitsgefässe benutzen, wenn die Flüssigkeit im einen Gefäss nur zur einen Kathetenfläche des Prismas 31 und die Flüssigkeit im andern Gefäss nur zur anderen Kathetenfläche Zutritt hat. Durch die elektrische Differentialschaltung wird dann bei jeder Abweichung des einen oder anderen Flüssigkeitsniveaus von einem für beide Gefässe gemeinsamen Sollwert der angeschlossene Signalgeber in Betrieb gesetzt. Es ist sogar möglich, verhältnismässig geringe Unterschiede der beiden Flüssigkeitsniveaus innerhalb der Höhe des Prismas stufenlos an einem elektrischen Spannungsmesser anzuzeigen, der an die Differentialschaltung angeschlossen ist und auf die Differenz der elektrischen Widerstände beider Wandler 24a und 24b anspricht.
Bei der in Fig. 4 lediglich schematisch gezeigten Ausführungsform des Detektors ist eine als Lichtquelle dienende elektrische Glühlampe 42 oberhalb eines Gefässes 40 angeordnet, in welchem sich eine Flüssigkeit 41 befindet, deren Niveau mittels des Detektors überwacht werden soll. Mit Hilfe einer Linse 43 wird ein enges Strahlenbündel von der Lampe 42 in spitzem Winkel gegen die Oberfläche der Flüssigkeit 41 gestrahlt. Die optische Axe der Linse 43 und die damit übereinstimmende Richtung des Strahlenbündels sind fest eingestellt. Vor der lichtempfindlichen Zone eines photoelektrischen Wandlers 44 ist eine zweite Linse 45 angeordnet, deren optische Axe gegenüber der Horizontalen die gleiche Neigung aufweist wie die optische Axe der Linse 43.
Die beiden genannten optischen Axen verlaufen zudem in einer gemeinsamen Vertikalebene und schneiden sich in einem Punkt 46, dessen Höhenlage dem Sollniveau der Flüssigkeit 41 entspricht.
Wenn die Oberfläche der Flüssigkeit 41 mit dem Schnittpunkt 46 der optischen Axen beider Linsen 43 und 45 zusammenfällt, wird das von der Lampe 42 ausgesandte Lichtstrahlenbündel am Flüssigkeitsspiegel reflektiert und durch die Linse 45 auf den photoelektrischen Wandler 44 geworfen. Sobald das Niveau der Flüssigkeit 41 steigt oder sinkt, weicht das reflektierte Strahlenbündel von der optischen Axe der Linse 45 ab, d. h. er verläuft parallel dazu.
Demzufolge gelangt weniger oder schliesslich gar kein Licht mehr auf den photoelektrischen Wandler 44, so dass die Stromstärke im angeschlossenen elektrischen Stromkreis sinkt, was beispielsweise zur Steuerung eines Signalgebers benutzt werden kann.
Das in Fig. 5 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem vorstehend beschriebenen im wesentlichen dadurch, dass eine als Lichtquelle dienende Glühlampe 52 und eine davor angeordnete Linse 53 in ein dichtes Gehäuse 50a eingebaut sind, da sich unterhalb des Spiegels einer in einem Gefäss 50 vorhandenen Flüssigkeit 51 befindet. Die Lampe 52 und die Linse 53 erzeugen ein enges Strahlenbündel, das längs der optischen Axe der Linse 53 unter einem vorbestimmten Winkel a gegenüber der Vertikalen schräg nach oben verläuft.
Der Winkel a ist der Grenzwinkel für Totalreflexion für einen innerhalb der Flüssigkeit 51 wandernden Lichtstrahl. Wenn die Flüssigkeit 51 z. B. Wasser ist, beträgt der Winkel a = 48,50. An einer Seitenwand des Gefässes 50 ist eine lichtdurchlässige Fensteröffnung 55 vorhanden, hinter welcher die lichtempfindliche Zone eines photoelektrischen Wandlers 54 liegt, der sich ausserhalb des Gefässes 50 befindet.
Gemäss optischen Gesetzen wird das von der Glühlampe 52 ausgehende Strahlenbündel bei seinem Durchtritt durch die Oberfläche der Flüssigkeit 51 so stark gebrochen, dass das Strahlenbündel nachher genau entlang der Flüssigkeitsoberfläche verläuft. Erreicht das Niveau der Flüssigkeit 51 die Fensteröffnung 55, so fällt das gebrochene Strahlenbündel auf den photoelektrischen Wandler 54. Wenn jedoch das Flüssigkeitsniveau steigt oder sinkt, trifft das gebrochene und in der Flüssigkeitsoberfläche verlaufende Lichtstrahlenbündel nicht mehr zum Wandler 54. Der am Wandler 54 angeschlossene elektrische Stromkreis führt dann eine wesentlich niedrigere Stromstärke, was zur automatischen Steuerung irgend eines Vorganges, beispielsweise zum Einschalten eines Signalgebers, benutzt werden kann.
Selbstverständlich brauchen die Gefässe 40 und 50 der beiden Ausführungsbeispiele nach den Fig. 4 und 5 nicht in jedem Fall oben offen zu sein; an ihre Stelle können ebensogut ganz oder teilweise geschlossene Gefässe treten.