DE3614130C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Flüssigkeitspegelfühler der im Oberbegriff der Patentansprüche 1, 5 und 7 angegebenen Art.

Ein Flüssigkeitspegelfühler mit diesen Merkmalen sowie dem weiteren Merkmal, daß die beiden Lichtwellenleiter hintereinander längs einer gemeinsamen Längsachse angeordnet sind, ist aus der DE-OS 26 4 919 bekannt. Der Sendelichtwellenleiter und der Empfangslichtwellenleiter sind im Bereich des Spaltes zu Glasfaseroptiken aufgeweitet. Am freien Ende des Empfangslichtwellenleiters kann der Flüssigkeitsspiegel im Spalt abgelesen werden. Sofern der Fflüssigkeitspegel keinen gut sichtbaren Spiegel bildet, wird im Spalt ein lichtundurchlässiger Schwimmer angeordnet.

Ein weiterer Flüssigkeitspegelfühler der eingangs genannten Art, bei dem der Sendelichtwellenleiter und der Empfangslichtwellenleiter entweder eine gemeinsame Längsachse haben oder parallel zueinander verlaufen, ist aus der DE-OS 33 28 141 bekannt. In Höhe des Minimumpegels befindet sich ein optisches Prisma, das so angeordnet und gestaltet ist, daß dann, wenn der Minimumpegel unterschritten wird, das von der Stirnfläche des Sendelichtwellenleiters abgestrahlte Licht infolge Totalreflexion an einer oder auch an zwei Flächen des Prismas in die Stirnfläche des Empfangslichtwellenleiters eintritt.

Ein ähnlicher Flüssigkeitspegelfühler, bei dem der Sendelichtwellenleiter und der Empfangslichtwellenleiter im Abstand zueinander parallel verlaufen, ist aus der US-PS 41 56 149 bekannt. Die in Höhe des zu überwachenden Pegels angeordneten Stirnflächen der Lichtwellenleiter schließen mit deren Längsachse einen Winkel von jeweils 45° ein und sind so orientiert, daß sie voneinander weg weisen. Sinkt daher der Flüssigkeitsstand unter den zu überwachenden Pegel und werden deshalb die schrägen Stirnflächen nicht mehr benetzt, so wirken sie totalreflektierend, so daß der dem Empfangslichtwellenleiter nachgeschaltete Empfänger ein entsprechendes Signal erhält.

Den bekannten Flüssigkeitspegelfühlern ist gemeinsam, daß sie auf einem Transmissions- oder einem Reflexionsprinzip beruhen, bei dem auf die Empfangsseite kein optisches Signal übertragen wird, solange der überwachte Pegel größer oder gleich dem Minimumpegel ist. Im selben Sinne wirkt sich aber auch jeder Defekt aus, sei es auf der Sendeseite, sei es auf der Empfangsseite oder in der nachgeschalteten Auswerteelektronik. Mithin täuscht ein solcher Defekt einen ordnungsgemäßen Pegelstand auch dann vor, wenn der wahre Flüssigkeitspegel unter dem zu überwachenden Minimumpegel liegt. Dies kann schwerwiegende Folgen für Geräte und Anlagen haben, für deren störungsfreien Betrieb die Flüssigkeit unerläßlich ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Flüssigkeitspegelfühler der einleitend angegebenen Gattung zu schaffen, der insofern redundant ist, als sowohl ein Ausfall des Pegelfühlers selbst als auch ein Defekt in der nachgeschalteten Auswerteelektronik sich in gleicher Weise wie eine Unterschreitung des überwachten Pegels bemerkbar macht.

Eine erste Lösung dieser Aufgabe ist für einen Flüssigkeitspegelfühler der einleitend genannten Gattung im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegeben.

Auf diese Weise wird erreicht, daß das Licht von dem Sende- zu dem Empfangslichtwellenleiter nur dann gelangen kann, wenn der in Höhe des Minimumpegels angeordnete Spalt optisch durch die Flüssigkeit überbrückt wird. Der Spalt ist selbstverständlich so dimensioniert, daß die Flüssigkeit nicht allein aufgrund ihrer Oberflächenspannung in dem Spalt haften bleibt. Fällt also die Flüssigkeit unter den vorgegebenen Pegel, so wird infolge Reflexion des Lichts an den Stirnflächen sowohl des Sende- als auch des Empfangslichtwellenleiters auf die Empfangseite kein oder praktisch kein Licht übertragen und dieser Zustand an geeigneter Stelle signalisiert. Im gleichen Sinne würde sich aber auch ein etwaiger Defekt an irgendeiner Stelle bzw. in irgendeinem der Teile des Pegelfühlers bemerkbar machen.

Die im Anspruch 2 angegebene Ausführungsform ergibt eine über den Querschnitt der Lichtwellenleiter konstante Spaltbreite und verhindert, daß eine Flüssigkeitsbrücke in dem Spalt bestehen bleibt, wie dies bei einem Spalt zwischen nicht parallelen Stirnflächen in dessen schmaleren Teil eintreten kann.

Die Spaltbreite hängt vom Brechungsindex und von der Transparenz der Flüssigkeit ab. Für große Spaltbreiten empfiehlt sich die Ausführungsform nach Anspruch 3, die bei flüssigkeitsgefülltem Spalt die Kopplung zwischen Sendelichtwellenleiter und Empfangslichtwellenleiter verbessert.

Eine nochmalige Erhöhung der Kopplung wird durch die im Anspruch 4 angegebene Maßnahme erreicht.

Eine zweite Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 5 angegeben. Sie unterscheidet sich von der ersten Lösung im wesentlichen dadurch, daß die Totalreflexion nicht an den jeweiligen Stirnflächen von Sendelichtwellenleiter und Empfangslichtwellenleiter, sondern an den Flächen eines optischen Keils oder eines Prismas stattfindet, das in den Spalt angeordnet ist.

In der im Anspruch 6 angegebenen Ausgestaltung dieser zweiten Lösung können auch Lichtwellenleiter mit besonders kleinem Kerndurchmesser verwendet werden.

Eine dritte Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 7 angegeben. Bei unveränderter Funktion des Flüssigkeitspegelfühlers erlaubt diese Lösung es, den Sendelichtwellenleiter und den Empfangslichtwellenleiter parallel zueinander an den zu überwachenden Minimumpegel heranzuführen.

In der Zeichnung ist der Pegelfühler nach der Erfindung in mehreren Ausführungsformen schematisch vereinfacht dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1a und 1b eine erste Ausführungsform mit schräg angeschliffenen Stirnflächen der beiden Lichtwellenleiter,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform mit verbesserter Kopplung,

Fig. 3a und 3b eine dritte Ausführungsform für große Spaltweiten und/oder kleine Kerndurchmesser und

Fig. 4a und 4b eine vierte Ausführungsform mit parallelen Lichtwellenleitern.

Der in den Fig. 1a und 1b dargestellte Pegelfühler umfaßt einen Sendelichtwellenleiter 1, in den z.B. mittels einer Luminiszenzdiode 2 Lichtstrahlung eingekoppelt wird, sowie einen Empfangslichtwellenleiter 3, der mit einer Fotodiode 4 oder einem anderen optoelektrischen Wandler gekoppelt ist. Zwischen den unter einem Winkel α schräg in bezug auf die jeweilige Längsachse geneigten Stirnflächen 5 bzw. 6 des Sendelichtwellenleiters 1 bzw. des Empfangslichtwellenleiters 3 befindet sich ein Spalt der Breite a. Steht der Pegel der Flüssigkeit 7 unterhalb dieses Spaltes, so tritt an der Stirnfläche 5 des Sendelichtwellenleiters 1 Totalreflexion ein. Auch die Stirnfläche 6 des Empfangslichtwellenleiters 3 wirkt bei luftgefülltem Spalt a totalreflektierend (Fig. 1a). Ist hingegen der Spalt flüssigkeitsgefüllt, so wird je nach dem Brechungsindex der Flüssigkeit 7 im Verhältnis zu dem Brechungsindex der Lichtwellenleiter ein mehr oder minder großer Teil der Lichtstrahlung von dem Sendelichtwellenleiter 1 in den Empfangslichtwellen­ leiter 3 gekoppelt (Fig. 1b).

Nur in diesem Fall liefert die Fotodiode 4 ein ausreichend hohes Ausgangssignal, das angibt, daß der Pegel der Flüssigkeit 7 sich über dem Minimum befindet.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 wird bei im übrigen unveränderter Funktion ein Empfangslichtwellenleiter 3 a verwendet, der einen wesentlich größeren Durchmesser als der Sendelichtwellenleiter 1 hat. Der letztere endet in einem optisch transparenten Körper 8, der etwa den gleichen Brechungsindex wie der Sendelichtwellenleiter 1 hat und dessen Stirnfläche 9 schräg zur Längsachse parallel zu der gegenüberliegenden Stirnfläche 6 a des Empfangslichtwellenleiters 3 a ange­ schliffen ist. Diese Ausführungsform hat eine größere Schaltdynamik bzw. erlaubt eine Vergrößerung der Spaltbreite a.

Eine weitere Möglichkeit der Vergrößerung der Spaltbreite a ist in Fig. 3a ohne Flüssigkeit und in Fig. 3b mit Flüssigkeit dargestellt. Die Stirnfläche 5 des Sendelichtwellenleiters 1, der einen sehr kleinen Kerndurchmesser haben kann, verläuft rechtwinklig zur Längsachse, ebenso die Stirn­ fläche 6 des Empfangslichtwellenleiters 3. In den Spalt a sind eine Kugellinse 11 im Abstand ihrer Brenn­ weite f von der Stirnfläche 5 des Sendelichtwellenleiters 1, ein Prisma 10 mit zu der Längsachse des Sendelicht­ wellenleiters 1 rechtwinkliger Kathetenfläche 10 a und dem Empfangslichtwellenleiter 3 zugewandter Hypotenusen­ fläche 10 c, sowie eine zweite Linse 12 im Abstand ihrer Brennweite f von der Stirnfläche 6 des Empfangslicht­ wellenleiters 3 angeordnet. Befindet sich keine Flüssigkeit in dem Spalt a, so wird die Strahlung an der Hypotenusenfläche 10 c des Prismas 10 totalreflektiert (Fig. 3a). Ist der Spalt mit Flüssigkeit 7 gefüllt, so fokussiert die Linse 12 das durch das Prisma 10 hindurch­ tretende Parallellichtbündel auf die dünne Faser des Empfangslichtwellenleiters 3.

Die Fig. 4a und 4b zeigen eine Ausführungsform, bei der der Sendelichtwellenleiter 1 und der Empfangs­ lichtwellenleiter 3 platzsparend parallel bis an den zu überwachenden Minimumpegel herangeführt werden können. Zur Kopplung dienen zwei aneinandergrenzende, gegebenen­ falls auch einstückige Dachkantprismen 13 bzw. 14, an deren Hypotenusenflächen 13 c bzw. 14 c der Sendelichtwellenleiter 1 bzw. der Empfangslichtwellen­ leiter 3 gegenüber den jeweils außenliegenden und zur Strahlumlenkung totalreflektierend ausgebildeten Katheten­ flächen 13 a bzw. 14 b enden. Der Spalt befindet sich zwischen den einander zugewandten Kathetenflächen 13 b und 14 a der Prismen 13 und 14. An der Kathetenfläche 13 b tritt bei luftgefülltem Spalt ebenfalls Totalreflexion auf (Fig. 4a). Sofern die Flüssigkeit 7 den Spalt a ausfüllt, tritt hingegen die Strahlung zum größten Teil aus dem Prisma 13 aus und in das Prisma 14 ein (Fig. 4b). An die Prismen 13 und 14 werden keine hohen optischen Anforderungen gestellt. Sie können daher auch als einstückiges Bauteil aus transparentem Kunststoff an die Enden der Lichtwellenleiter angegossen werden, wobei die Lichtwellenleiter mit entsprechend abgeschräg­ ten Stirnflächen unmittelbar an den entsprechenden Kathetenseiten 13 a bzw. 14 b enden können.

Claims (7)

1. Flüssigkeitspegelfühler zur Minimumüberwachung, bestehend aus einem in Höhe des zu überwachenden Pegels endenden Sendelichtwellenleiter und einem dort beginnenden Empfangslichtwellenleiter, wobei sich zwischen den einander zugewandten Stirnflächen der beiden Lichtwellenleiter ein für die Flüssigkeit zugänglicher Spalt befindet, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) die beiden Lichtwellenleiter (1, 3) sind hintereinander längs einer gemeinsamen Längsachse angeordnet,
• b) zumindest die Stirnfläche (5) des Sendelichtwellenleiters (1) ist unter einem spitzen Winkel (α) gegen die Längsachse der Lichtwellenleiter (1, 3) geneigt, so daß infolge Totalreflexion an der Stirnfläche (5) des Sendelichtwellenleiters (1) kein Licht in den Empfangslichtwellenleiter (3) gelangt, wenn sich keine Flüssigkeit (7) im Spalt (a) befindet.

2. Pegelfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche (6) des Empfangslichtwellenleiters (3) parallel zu derjenigen des Sendelichtwellenleiters (1) verläuft.

3. Pegelfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfangslichtwellenleiter (3 a) einen größeren Kerndurchmesser als der Sendelichtwellenleiter (1) hat.

4. Pegelfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Sendelichtwellenleiters (1) durch einen optisch transparenten Körper (8) von etwa dem gleichen Brechungsindex vergrößert ist, wobei die Stirnfläche (9) dieses Körpers (8) an die Stelle der Stirnfläche des Sendelichtwellenleiters (1) tritt.

5. Flüssigkeitspegelfühler nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Lichtwellenleiter (1, 3) hintereinander längs einer gemeinsamen Längsachse angeordnet sind, daß die Stirnflächen (5, 6) des Sendelichtwellenleiters (1) und des Empfangslichtwellenleiters (2) jeweils rechtwinklig zu deren Längsachsen verlaufen, und daß sich in dem Spalt (a) ein optischer Keil oder ein Prisma (10) befindet, dessen eine Kathetenfläche (10 a) rechtwinklig zu der Längsachse des Sendelichtwellenleiters (1) verläuft, und dessen Hypotenusenfläche (10 c) dem Empfangslichtwellenleiter (3) zugewandt ist, so daß infolge Totalreflexion an der Hypotenusenfläche (10 c) kein Licht in den Empfangslichtwellenleiter (3) gelangt, wenn sich keine Flüssigkeit (7) in dem Spalt (a) befindet.

6. Pegelfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Strahlengang vor und/oder hinter dem optischen Keil oder Prisma (10) eine Linse (11, 12) befindet, deren Brennweite (f) gleich ihrem Abstand von der jeweiligen Stirnfläche (5, 6) ist.

7. Flüssigkeitspegelfühler nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sendelichtwellenleiter (1) an der Hypotenusenfläche (13 c) und gegenüber einer verspiegelten Kathetenfläche (13 a) eines Dachkantprismas (13) endet, daß der parallel zu dem Sendelichtwellenleiter (1) verlaufende Empfangslichtwellenleiter (3) an der Hypotenusenfläche (14 c) eines zweiten, spiegelbildlich zu dem ersten Dachkantprisma (13) angeordneten und ausgebildeten Dachkantprismas (14) beginnt, und daß sich zwischen den unverspiegelten Kathetenflächen (13 b, 14 a) der beiden Prismen (13, 14) der für die Flüssigkeit (7) zugängliche Spalt (a) befindet, so daß infolge Totalreflexion an der unverspiegelten Kathetenfläche (13 b) des dem Sendelichtwellenleiter (1) zugeordneten Prismas (13) kein Licht in den Empfangslichtwellenleiter (3) gelangt, wenn sich keine Flüssigkeit in dem Spalt (a) befindet.