DD226070A1 - Anordnung zur hoehenlagebestimmung einer grenzschicht - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Hoehenlagebestimmung einer Grenzschicht, die zwischen einem Gas und einem Fluid oder zwei sich nicht mischenden Fluiden entsteht, in dem die die Grenzschicht bildenden Medien unterschiedliche Brechzahlen aufweisen und durch eine Aufhebung der Totalreflexion im Bereich des Mediums der hoeheren Brechzahl eine Hell-Dunkel Flaeche auf einem optoelektronischen Empfaenger ausgebildet wird. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Grenzschichthoehe mit hoher Genauigkeit innerhalb eines bestimmten Messbereiches zu ermitteln. Das wird dadurch erreicht, dass eine Seitenwand des Messgefaesses als optisch-abbildendes Bauelement senkrecht zur Grenzschichtebene vorgesehen ist, dass eine optische Baugruppe, umfassend ein Prisma, an dessen Hypothenusenflaeche eine planparallele Platte und an der einen Kathetenflaeche ein optoelektronischer Positionsempfaenger angeordnet ist, mit dem optisch-abbildenden Bauelement loesbar verbunden ist und dass oberhalb der anderen Kathetenflaeche des Prismas eine Lichtquelle vorgesehen ist, mit senkrecht zu der Kathetenflaeche einfallendem Lichtstrahlenbuendel. Fig. 1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Höhenlagebestimmung einer Grenzschicht, die zwischen einem Gas und einem Fluid oder zwei sich nicht mischenden Fluiden entsteht, indem die die Grenzschicht bildenden Medien unterschiedliche Brechzahlen enthalten und durch eine Aufhebung der Totalreflexion im Bereich des Mediums der höheren Brechzahl eine Hell-Dunkel Fläche auf einem optoelektronischen Positionsempfänger sich ausbildet. Die Erfindung ist insbesondere für eine automatische Bestimmung von Grenzschichten bei vorgegebenen Meßbereichen unter genauer Angabe einer Füllstandshöhe anwendbar.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Für die Höhenlagebestimmung von Grenzschichten mit elektrooptischen Bauelementen unterscheidet man drei verschiedene ^Meßanordnungen. Anordnungen, die Auflicht- oder Durchlicht verwenden und Anordnungen, die die Aufhebung der Totalreflexion an optischen Bauelementen ausnutzen.

Aus der DD-WP 2493405 ist eine Anordnung bekannt, bei der eine Flüssigkeitsoberfläche so mit diffusem Licht beleuchtet wird, daß am Rande des Meßgefäßes, das aus einem optischen Werkstoff besteht, an der Grenzfläche Fluid/Gas sich eine Llchtkante ausbildet, deren Lage mit einem elektrooptischen Empfänger ausgewertet wird. Nachteilig ist hier die Abbildungsfähigkeit der Uchtkante. In den DE-OS 2511427, DE-OS 2920199, CH-PS 581830, CH-PS 556529 und CH-PS 620518 werden Anordnungen beschrieben, die auf dem Meßprinzip der Aufhebung der Totalreflexion an optischen Bauelementen beruhen, indem ein in ein optisches Bauelement eintretender Lichtstrahl an seinem Oberflächenteil reflektiert oder bei Berührung mit der Flüssigkeit in das ^f!uide Medium gebrochen wird. Diese Anordnungen haben einen Nachteil, daß nur bestimmt werden kann, ob die Grenzschicht in dem Meßbereich ist oder nicht. Außerdem kann durch das Eintauchen des optischen Bauelementes in das fluide Medium eine Volumenänderung im Medium entstehen, was zu einem nichtlinearen Zusammenhang zwischen Meßgröße und Meßsignai führt. Nachteilig ist weiterhin, daß ein Auswechseln des optoelektronischen Bauelementes zur Abbildung nicht ohne Ablassen der Flüssigkeit möglich ist. In der DE-OS 3144541 ist eine Anordnung beschrieben, in der durch einen senkrecht in einem Behälter stehenden Lichtleiter eine elektromagnetische Strahlung hindurchgeschickt wird, die an einem entsprechend ausgebildeten Oberflächenteil reflektiert wird. Der Lichtleiter ist dabei in Achsenrichtung einseitig abgeflacht. In Abhängigkeit vom Bsnetzungsgrad mit der Flüssigkeit wird durch Aufhebung der Totalreflexion an dem optischen Bauelement die empfangene, reflektierte elektromagnetische Strahlung geändert. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß die Meßergebnisse von den Eigenschaften der Strahlungsquelle stark abhängig sind.

Ziel der Erfindung

Durch die Erfindung sollen die genannten Nachteile beseitigt und eine einfache, stabile mit hoher Zuverlässigkeit sowie ohne mechanisch bewegte Bauelemente arbeitende Anordnung erhalten werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, die Höhenlage einer Grenzschicht zwischen einem Gas und einem Fluid oder zwei sich nicht mischenden Fluiden mit hoher Genauigkeit innerhalb eines vorgegebenen Meßbereiches zu bestimmen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, das eine Seitenwand des Meßgefäßes als optisch abbildendes Bauelement senkrecht zur Grenzschicht vorgesehen ist, daß eine optische Baugruppe, umfassend ein Prisma, an dessen Hypothenusenfläche eine planparailele Platte und an der einen Kathetenfläche ein optoelektronischer Positionsempfänger angeordnet ist, mit dem optisch abbildenden Bauelement lösbar verbunden ist, daß zur anderen Katheterfiäche des Prismas e<ne Lichtquelle vorgesehen ist, mit einem senkrecht zu dieser Fläche einfallenden Lichtstrahlenbündel, und daß eine scharfe Trennkante de^r Hell-Ounkelfläche auf den optoelektronischen Positionsempfänger abgebildet und in nachgeoraneten elektronischen Einrichtungen ausgewertet und angezeigt wird.

Vorteilhaft ist es, die optische Baugruppe so lösbar an dem optisch abbildenden Bauelement des Meßgefäßes anzuordnen,

l_Dsevo>gang ruchtänuBm. Außerdem Ist e«

vorteilhaft, durch eine elektronische Mittelwertbildung die Kantenunschärfe der Trennkante zu kompensieren und als Beleuchtung eine Lichtquelle vorzusehen, die ins Unendliche abgebildet wird und keine thermische Beeinflussung des Meßvorganges hervorruft.

Durch die Erfindung ist es möglich, eine einfache, stabile mit hoher Zuverlässigkeit und Genauigkeit sowie ohne mechariscri bewegte Bauelemente arbeitende Anordnung zur Bestimmung der Höhenlage einer Grenzschicht, mit auswechselbaren optischen Bauelementen ohne Änderung der Grenzschichthoho und der Querschnittsfiäche des Meßgefäßes zu erhalten.

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Ausführungsbeispiei

Die Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung zur Höhenlagebestimmung einer Grenzschicht F!g,2 eine Kurvendarstellung der Beleuchtungsstärke über dem Meßbereich eines optoelektronischen Positionsempfängers. Fig. 1 zeigt ein vorzugsweise abgedunkeltes Meßgefäß 1, bei dem eine Seitenwand durch eine planparallele Platte 2,3ls optisch abbildendes Element senkrecht zur Grenzschichtebene, mit einer Kittverbindung 14 fest verschlossen ist. Die planparaileie Platte 2 wird zusätzlich über einen Zwischenring 9 mit einem Vorschraubring 10, der gleichzeitig zur Führung einer Fassung 12 dient, lagegesichert. In der Fassung 12 wird eine weitere planparaileie Platte 3 geführt, an der durch eine FeinkittverDindung 8 ein Reflexionsprisma 4 befestigt ist. An der einen Kathetenfläche des Reftexionsprisma 4 befestigt ist. An der einen

AQ Kathetenfläche des Reflexionsprismas 4 ist ein optoelektronischer Positionsempfänger 6 angeordnet. Von diesem Empfänger 6 führt ein Anschlußkabel 16 durch eine Abdeckkappe 15 zu einer Auswerteelektronik 19. Die Fassung 12, mit den Teilen 3,4, 5 und 6, und die Abdeckkappe 15 werden durch Schrauben 13 am Meßgefäß 1 befestigt. Die die planparallelen Platten 2 und 3 verbindende lösbare Feinkittschicht 7 wird bei Erwärmung flüssig. Dadurch wird die Baugruppe bestehend aus den Teilen 3,4, 6 und 12 abnehmbar, ohne Änderung der Grenzschichthöhe und der Querschnittsffäche im Meßgefäß 1. Die Dicke der

a * Feinkittschicht 7 wird durch Abstimmscheiben 11 eingestellt. Wird auf eine Lösbarkeit der Baugruppe (3,4,6 und 12) verzichtet, kann das Reflexionsprisma 4 direkt auf die planparallele Platte 2 aufgekittet werden. Über der anderen Kathetenfläche des Reflexionsprismas 4 ist als Beleuchtung eine ins Unendliche abgebildete Lichtquelle 5, die über ein Kabel 17 an eine Stromversorgung 18 angeschlossen ist, vorgesehen. Die Lichtquelle 5 ist dafür so eingerichtet, daß ihre austretenden Lichtstrahlen senkrecht zur Kathetenfläche in das Reflexionsprisma 4 einfallen und daß bei leerem Meßgefäß 1 infolge der

г" Totalreflexion der gesamte Meßbereich des optoelektronischen Positionsempfängers 6 mit gleichmaßiger Beleuchtungsstarke bestrahlt wird. Übersteigt die Grenzschichthöhe den Meßbereich, wird die Totalreflexion vollständig aufgehoben und der Positionsempfänger 6 gibt ein Dunkeisignal ab. Befindet sich die Grenzschichthöhe im Meßbereich, entsteht auf dem Positionsempfänger 6 eine Heil-Dunkeltrennkante, deren Position in einer Auswerteelektronik 19 ermittelt und auf einem Display 20 angezeigt wird. Das Ausgangssignal der Auswerteelektronik 19 kann auch an eine Zentraleinheit zur Auswertung l<weitergeleitet werden. Die Hell-Ounkeltrennkante verhält sich analog zur Grenzschichthöhe. Es besteht der Zusammenhang: h = s, + s h — Grenzschichthohe

s₀ — Meßbereichsunterkante

s — gemessene Grenzschichthöhe

I-¹ S₀ entspricht der Nuliposition auf dem Positionsempfänger 6.

а а — Position der Hell-Dunkeltrennkante auf dem

^{3 =} ~ J" Empfänger 6

In Fig.2 isjt die Beleuchtungsstärke qualitativ über dem Meßbereich des optoelektronischen Positionsempfängers 6 dargestellt. Durch eine elektronische Mittelwertbildung ist die technisch bedingte Unscharfe ΔΙ zu komoensieren, um die Position χ der Trennkante zu ermitteln, da die Hell-Dunkeitrennkante ein Maß für die Grenzschichthöhe ist. Der Winkel β des Reflexionsprismas

4 ist abhängig von den Brechzahlen

n-,... гц iFig. 1K Unter der Voraussetzung n₃ = n₄ = n₅

n₂>n,

n₃>n, folgt für den halben Prismenwinkel ß/2 die Ungleichung

90° - arc sin (—) <4<S0" - arc sin (— \ n₃/ 2 \ n₃.

in diesem Bereich, der sich aus den Bedingungen für die Totalreflexion ergibt, kann der ^Drismenwinkei β und der AbbildungsmaSstab M_a variiert warden

M_a --τ¹- sin (4r) [Fig. 1!

Voraussetzungen für die Bestimmung der Höhenlage einer Grenzschicht, die zwiscnen einem Gas und einem Fiuid oder zwei sich nicht mischenden Fluiden entsteht, sind unterschiedliche Brechzahlen der die Grenzschicht bildenden Medien und das einwandfreie Ablaufen dieser Medien an dem optisch abbildenden Bauelement 2. Weiterhin wird die Aufhebung der Totalreflexion im Bereich des Mediums der höheren Brechzahl ausgenutzt, um eine Hell-Dunkeitrennkante auf einem optoelektronischen Positionsempfänger 6 auszubilden. Das von der Lichtquelle 5 ausgesendete Strahlenbündel tritt senkrecnt zur Kathetenfiäche in das Reflexionsprisma 4 ein und wird im Bereich des Mediums der niedrigen Brecnzahl n·. an der planparalleien Platte 2 reflektiert und als helle Fläche auf den Positionsempfängsr 6 abgebildet. Im Bereich des Mediums der höheren Brechzahl n₂ wird durch die Aufhebung der Totalreflexion an der pianparal'elen Platte 2 das Strahlenbündel in das Medium mit der höheren Brechzahl n₂ gebrochen and als dunkle Fläche auf den Positionsempfänger 6 abgebildet. Die Position der Hell-Dunkeitrennkante ist aas Maß für die Grenzschichthohe.

Claims (4)

1. 2- 647 95

   Patentansprüche:

   1. Anordnung zur Höhenlagebestimmung einer Grenzschicht, die іл einem Meßgefäß von Medien unterschiedlicher Brechzahlen gebildet wird, mit einer Lichtquelle zum Aussenden eines Lichtstrahlenbündels auf optisch abbildende Bauelemente, so daß unter Aufhebung der Totalreflexion im Bereich des Mediums mit der höheren Brechzahl eine Heil-Dunkelfläche auf einem optoelektronischen Empfänger entsteht und mit Einrichtungen zur Auswertung und Anzeige der Heil-Dunkelfläche, gekennzeichnet dadurch, daß eine Seitenwand des Meßgefäßes als optisch abbildendes Bauelement senkrecht zur Grenzschichtoberfläche vorgesehen ist, daß eine optische Baugruppe, umfassend ein Prisma, an dessen Hypothenusenfläche eine planparallele Platte und an der einen Kathetenfläche ein optoelektronischer Positionsempfänger angeordnet ist, mit dem optisch abbildenden Bauelement lösbar verbunden ist, daß oberhalb der anderen Kathetenfläche des Prismas eine Lichtquelle vorgesehen ist, mit senkrecht zu der Kathetenfläche einfallendem Lichtstrahlenbündel und daß eine scharfe Trennkante der Hell-Ounkerfläche auf einem optoelektronischen Positionsempfänger abgebildet und in nachgeordneten elektronischen Einrichtungen ausgewertet und angezeigt wird.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die optische Baugruppe lösbar ist, ohne Änderung der Grenzschichthöhe und der Querschnittsfläche des Meßgefäßes.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Beleuchtung eine Lichtquelle vorgesehen ist, die ins Unendliche abgebildet wird und keine thermische Beeinflussung des Meßvorganges hervorruft.
4. 4. Anordnung nach Anspruch ^gekennzeichnet dadurch, daß durch eine elektronische Mittelwertbildung die Kantenunschärfe der Hell-Dunkeltrennkante kompensiert wird.

   Hierzu 1 Seite Zeichnung