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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entnahme von Flüssigkeiten aus Behältern im Analysenmaßstab mit einer in die Flüssigkeit von oben her eintauchenden Kanüle, die an einer Höhenbewegungseinrichtung angeordnet ist, der ein mit der Kanüle mitbewegter und die Flüssigkeit nicht berührender optischer Niveaufühler zugeordnet ist.
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Bei einer solchen bekannten Vorrichtung nach der DE-OS 19 03 077 ist ein zusätzlicher optischer Niveaufühler außerhalb des Behälters mechanisch starr an der Höhenbewegungseinrichtung angeordnet und in seiner Funktion quer zur Bewegungsrichtung von Kanülen gerichtet. Hierbei handelt es sich um die Empfangseinrichtung, welche die Oberfläche der Flüssigkeit abtastet, während die Sendeeinrichtung diagonal dazu außen am Behälter senkrecht angeordnet ist und eine Reihe von übereinander angeordneten Lichtquellen aufweist.
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Dieser optische Niveaufühler kommt erst zum Einsatz, nachdem eine Kanülenausbildung aus zwei Nadeln aus elektrisch leitendem Material und mit verschiedener Länge in die Flüssigkeit eingetaucht sind und damit aufgrund einer elektrischen Leitfähigkeitsmessung ein erstes Signal geliefert haben. Der Zweck dieser Ausführung ist, daß eine Flüssigkeit, die Sedimente hat, bei Erreichen einer bestimmten Entnahmehöhe weiter zuverlässig kontrolliert werden kann. Als besonderer Nachteil der elektrischen Leitfähigkeitsmessung ist anzusehen, daß dabei auftretende elektrische Ströme die Flüssigkeit verändern können.
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In einer älteren Anmeldung nach der DE-OS 30 39 475 ist eine vergleichbare Vorrichtung, allerdings mit einem Druckluft-Niveau-Fühler, gezeigt, welche nicht die Leitfähigkeit der Flüssigkeit ausnutzt, sondern die Oberflächenbeschaffenheit beachtet. In bezug zur letzteren ist eine optische Abtastung bisher als unzureichend angesehen worden, weil diese nicht nur vom Lichteinfall abhängig ist, sondern auch, insbesondere bei Schaumbildung auf der Flüssigkeitsoberfläche, täuschende Signale liefert. Das sind entscheidende Nachteile, weil dadurch eine berührungsfreie Abtastung zur Flüssigkeitsoberfläche praktisch ausgeschlossen wurde, wobei im Hinblick auf die in der älteren Anmeldung vorgeschlagene Ausführungsform davon auszugehen ist, daß Druckluft keine berührungsfreie, sondern eine physikalische, an sich starre Verbindung darstellt, die vor allem mit ihrer Energiewirkung auch die Oberfläche der Flüssigkeit beeinflußt.
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Eine Faseroptik-Sonde aus einem Faseroptik-Bündel ist nach der DE-OS 22 36 218 an einer Vorrichtung zur Feststellung fehlerhafter Zigarettenenden bei der Zigarettenherstellung bekannt. Diese Vorrichtung geht davon aus, daß die Fasern des Faseroptik-Bündels an ihrem äußeren Ende in Zweige unterteilt sind, deren einer mit der Lichtquelle und deren anderer mit einer Empfangseinrichtung in Verbindung steht. Die Unterteilung der Fasern kann wahllos sein. Je nach dem Zustand des betreffenden Zigarettenendes wird mehr oder weniger Licht auf die Enden der mit der Empfangseinrichtung verbundenen Fasern reflektiert, so daß die Intensität des reflektierten Lichtes ein Maß für den Zustand der Zigarettenenden ist. Das Faseroptik-Bündel hat hierbei einen Durchmesser wesentlich gleich dem einer Zigarette.
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In der gleichen Anwendung an Zigaretten ist nach der DE-OS 26 53 298 bekannt, den Füllzustand durch einen zusammendrückenden Luftstrahl gegen die Zigarettenumhüllung und dann in Abhängigkeit von der Einwärtsdeformierung festzustellen.
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Ferner ist aus dieser Literaturstelle bekannt, die Lichtdurchlässigkeit eines Zigarettenendes als Signalursache einzusetzen.
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Aus der DE-OS 28 13 866 ist in der gleichen Anwendung an Zigaretten unter Einsatz eines Lichtleitfaser-Bündels eine stirnseitig vor dem Zigarettenende vorgesehene Anordnung bekannt, in welcher die Lichtaustritts- und Lichteintrittsflächen voneinander durch eine neutrale Zone getrennt sind und nur solches Licht die Empfangsfläche erreicht, das quer zur Zigarettenachse die neutrale Zone überbrückt hat. Dabei wird eine vielfache Reflexion im Inneren des Zigarettenendes ausgenutzt.
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An sich ist aus "Ingenieur Digest", 9. Jahrgang, November 1970, Heft 11, Seiten 51 bis 54, eine Flüssigkeits-Niveaukontrolle, welche prinzipiell darauf beruht, daß sich die von der Flüsigkeitsoberfläche reflektierte und einem Lichtempfänger zugeführte Lichtmenge mit dem Abstand ändert (vgl. oben rechts in Bild 12 der Entgegenhaltung), als Flüssigkeitsstandsmesser allgemein ohne Flüssigkeitsentnahme- oder Übertragungsfunktion bekannt, wo aber lediglich ein kompakter Stab als Lichtleiter verwendet wird, dessen Genauigkeit, z. B. bei Schaumbildung der Flüssigkeit, relativ gering ist.
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Aus Literaturstelle "Haus der Technik-Vortragsveröffentlichungen", Heft 228, Seite 26, sind Reflexions-Lichtschranken zur Abstandsmessung mit in kleine Querschnittsabschnitte unterteilten Lichtleitern an sich bekannt. Eine Kanülenführung ergibt sich daraus nicht.
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Aus Literaturstelle "Ingenieur Digest", 14. Jahrgang, Mai 1975, Heft 5, Seiten 55 bis 57, sind Glasfaser-optische Geräte, auch Glasfaser-Bündel, bekannt, aus denen sich aber keine Flüssigkeitsentnahmevorrichtungen ableiten lassen. Im Zusammenhang mit Leuchtdioden ist dabei eine Modulationstechnik beschrieben, in welcher der Empfänger auf eine Zerhackerfrequenz des Senders abgestimmt wird, wobei Harmonische aus einer Störquelle vermieden werden. Außerdem wird dort auf die Vorteile der Verwendung von Licht im Infrarot-Bereich hingewiesen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs angegebene Vorrichtung dahingehend zu verbessern, daß eine Abtastung ohne unmittelbar oder mittelbar berührende bzw. starre Verbindung zur Flüssigkeit und ohne Berücksichtigung der elektrischen Leitfähigkeit der Flüssigkeit im Behälter an der Flüssigkeitsoberfläche, auch bei einzelnen, auf der Oberfläche vorhandenen Schaumblasen in einer räumlich kleinen und dabei günstigen Ausführung möglich ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der optische Niveaufühler mindestens um die Eintauchlänge der Kanüle oberhalb von deren nach unten gerichteter Spitze endend und zusammen mit der Kanüle in den Innenraum des Behälters einführbar an der Höhenbewegungseinrichtung angeordnet ist und aus einem Bündel von Lichtleitfasern besteht, von denen der eine Teil an eine optische Sendeeinrichtung und der andere Teil an eine optische Empfangseinrichtung angeschlossen ist.
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Dadurch ist es möglich, den optischen Niveaufühler mit der Kanüle innerhalb des Behälters zu bewegen, so daß nur geringer Raum beansprucht wird, und außerdem nehmen die kleinen Aufnahmeflächen jeweils für sich in Abhängigkeit von einer zunehmenden Annäherung an die Flüssigkeitsoberfläche sich ändernde Lichtmengen auf. Gerade aufgrund der flächenmäßig feinen Unterteilung des optischen Niveaufühlers wird selbst bei unruhigen oder schäumenden Oberflächen mit einzelnen Schaumblasen eine optische Abtastung zuverlässig möglich.
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Bevorzugt wird in einer Ausgestaltung, daß die Lichtleitfasern in einer Ringanordnung im wesentlichen alternierend um die Kanüle herum angeordnet sind. Dieses fördert den engen Aufbau um die Kanüle herum sowie die Verbindung mit der Kanüle.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung sind die Lichtleitfasern in Gruppen als zwei konzentrische Ringe in einem Ringraum angeordnet und die eine mit der Sendeeinrichtung verbundene Gruppe in einen Ring der Lichtleitfasern in gleichmäßiger Verteilung in bezug zu der anderen mit der Empfangseinrichtung verbundenen Gruppe im anderen Ring der Lichtleitfasern paarweise einander zugeordnet. Dieses führt zu einer besonders kompakten Ausgestaltung, wobei der Ringraum durch zwei konzentrische Rohre begrenzt ist.
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Einbezogen wird in einer zweckmäßigen Ausgestaltung ein optischer Niveaufühler als ein neben der Kanüle angeordneter Sensor. Auch dieser bewegt sich aber innerhalb des Behälters und tastet in diesem die Flüssigkeitsoberfläche ab, wobei in diesem Zusammenhang ein gewisser seitlicher Abstand angeordnet sein kann, der Oberflächenbeeinflussungen aufgrund des Eintauchens der Kanüle ausschließt.
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In der besonders bevorzugten Ausgestaltung sind mehr Empfänger-Lichtleitfasern als Sender-Lichtleitfasern vorgesehen, und insbesondere wird ein Faserdurchmesser in der Größenordnung von ≤0,25 mm verwendet. Hierdurch kann eine abgestufte räumliche Ausführung einbezogen werden. Insbesondere ist es dadurch möglich, die räumliche Flächenbelegung zu vermindern.
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Die Vorrichtung ist unter Taglicht betreibbar. Selbst unter Taglicht kann eine gleichbleibende Lichtausgabe vorgesehen sein. Dabei ist eine Abschirmung gegenüber Taglichteinfall oder gegenüber Einfall eines diesem entsprechenden Lichtes möglich.
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Bevorzugt wird, daß dem von der Sendeeinrichtung ausgegebenen Licht eine Impulsfrequenz wenigstens überlagert ist. Hierdurch können Probleme aufgrund gleichmäßig einfallenden Lichtes vermieden werden.
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Wenn auch Licht im gesamten Spektrum des erkennbaren Lichtes einbezogen wird, liegt eine bevorzugte Ausführungsform in der Verwendung von Licht im IR-Bereich. Dabei liegt zweckmäßig die Wellenlänge des Lichtes in der Größenordnung von 800 nm. Hierbei handelt es sich praktisch um Licht im IR- Bereich, wobei bevorzugt wird, daß mit einem solchen Licht Impulse in der Größenordnung von ≤10 µsec gegeben werden.
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Hierbei wird auch eine Aufnahme für einen Behälter bevorzugt, welche mit lichtschluckendem Material, insbesondere tiefschwarz, ausgeführt ist. Selbst wenn also die Flüssigkeit, für welche aber Transparenz und eine reflektierende, d. h. nicht absorbierende oder schluckende Oberfläche bzw. Masse vorausgesetzt wird, Lichtstrahlen durchläßt, wird durch die angegebenen Merkmale der Vorrichtung im Zusammenhang mit der Anlage für die Aufnahme eine verfälschende Reflexion ausgeschlossen.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
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Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Entnahme von Flüssigkeiten aus Behältern im Analysenmaßstab;
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Fig. 2 eine Teildarstellung einer ersten Ausführungsform mit Ringanordnung der Lichtleitfasern um die Kanüle im Schnitt;
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Fig. 3 eine Schnittansicht längs der Linie III-III in Fig. 2 in Teildarstellung;
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Fig. 4 eine der Fig. 3 entsprechende Schnittdarstellung zur Erläuterung einer anderen Ringanordnung der Lichtleitfasern, in vergrößertem Maßstab;
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Fig. 5 eine der Fig. 2 entsprechende Teildarstellung einer zweiten Ausführungsform mit Anordnung der Lichtleitfasern neben der Kanüle;
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Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie VI-VI durch Fig. 5 in Teildarstellung, in vergrößertem Maßstab;
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Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Empfängerbaugruppe;
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Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Senderbaugruppe.
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In Fig. 1 ist schematisch eine Vorrichtung gezeigt, welche eine nicht näher gezeigte, sondern nur schematisch angedeutete Aufnahme 1 für einen Behälter 2 besitzt, der ein Probengefäß ist. Die nicht näher gezeigte Aufnahme 1 hat eine korrespondierende Kontur aus lichtschluckendem Material, insbesondere mit einer tiefschwarzen Auskleidung.
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Oberhalb dieses Behälters 2 sind an einem Hubarm 3, der entsprechend dem Doppelpfeil 4 hin- und herbewegbar in einem Gestell 5 mit einer Höhenbewegungseinrichtung 6 als Hubantriebsmotor gelagert ist, eine Kanüle 7 und ein Niveaufühler 8 angeordnet. Die Kanüle 7 steht beispielsweise über einen Kunststoffschlauch 9 mit einer Dosierpumpe 10 in Verbindung, die über einen Antriebsmotor 11 angetrieben wird, der durch eine Funktionsleitung 12 mit einer Steuerung 13 in Verbindung steht.
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Der Niveaufühler 8 steht durch einen Lichtleitfasern 32, 43 enthaltenden Lichtleiter 15 über eine Verzweigung 16 einerseits mit einer Sendeeinrichtung 17 und andererseits einer Empfangseinrichtung 18 in Verbindung, die durch eine Funktionsleitung 19 mit einem Verstärker 20 und von diesem mit einer Steuerung 13 verbunden ist. Die Steuerung 13 selbst hat eine Befehlseinrichtung 21 in Form einer Eingabe. Ferner ist die Steuerung nicht nur über die Funktionsleitung 12 mit dem Antriebsmotor 11 der Dosierpumpe 10 verbunden, sondern auch über eine Funktionsleitung 22 mit der Höhenbewegungseinrichtung 6 in Form eines Hubantriebsmotors.
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Aus dieser Darstellung ist ersichtlich, daß die Kanüle 7 mit einem Sensor 8 bzw. 29 an einen Flüssigkeitsspiegel innerhalb des Behälters 2 heranbewegbar ist. In dem Behälter sind wäßrige Lösungen als Proben enthalten, die eine Oberfläche mit ausreichendem Reflexionsvermögen aufweisen.
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Hierbei ist nicht immer gewährleistet, daß eine solche Oberfläche spiegelglatt ist. Die beschriebene Ausführung mit einer Vielzahl von Lichtleitfasern 43, 32 berücksichtigt gerade auch eine bewegte Oberfläche, die bisher eine optische Überwachung durch Heranführung eines kompakten Glasstabs als Lichtleiter ausgeschlossen hat.
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In Fig. 2 ist ein Behälter 2 gezeigt, bei welchem die Kanüle 7 bereits in die Flüssigkeit eintaucht, aber der Niveaufühler 8 mit seiner Austrittsöffnung 23 oberhalb der Flüssigkeit gehalten ist.
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In den Niveaufühler 8, der nach Fig. 3 ein inneres Rohr 24, das die Kanüle 7 und ihren Schaft umgibt, und ein äußeres Rohr 25 hat, welches für Lichteinflüsse neutral oder inert ist, sind zwei Gruppen von Lichtleitfasern eingeführt, von denen eine Gruppe 26 von einer Sendeeinrichtung 17 kommt und eine andere Gruppe 27 zu einer Empfangseinrichtung 18 geführt ist. Zwischen den Rohren 24, 25 sind Lichtleitfasern 43 zur Sende- und Empfangseinrichtung alternierend angebracht, wobei in diesem Zusammenhang der Abstand zwischen beiden Rohren 24, 25 gleich dem Außendurchmesser von Lichtleitfasern ist. Dies ist im einzelnen aus der Schnittdarstellung nach Fig. 3 ersichtlich. Die Fig. 4 zeigt ebenfalls unter Einbeziehung von Rohren 24, 25, die einen Ringraum bilden, zum Teil willkürlich einander zugeordnete Gruppen 28 von Lichtleitfaserpaaren, von denen beispielsweise die außenliegenden zur Sendeeinrichtung 17 und die innenliegenden zur Empfangseinrichtung 18 geführt sind. Hierbei kann eine weitestgehend willkürliche Verteilung vorgesehen sein, wobei es möglich ist, daß mehr innere Empfangs-Lichtleitfasern zur Empfangseinrichtung 18 als Zuführungs-Lichtleitfasern von der Sendeeinrichtung 17 vorgesehen sind. Damit läßt sich die Signalausbeute vergrößern.
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Nach Fig. 5 und 6 ist in dem Behälter 2 neben der Kanüle 7, die mit dem Gestell 5 und der Höhenbewegungseinrichtung 6über den Hubarm 3 verbunden ist, ein separater Sensor 29 angeordnet, der nach Fig. 6 aus einem äußeren Rohr 30 mit seiner Austrittsöffnung 31 besteht, in der eine Vielzahl von Lichtleitfasern 32 angeordnet ist, von denen eine Gruppe 26 von einer Sendeeinrichtung kommt und eine andere Gruppe 27 zu einer Empfangseinrichtung geht. Hier ist dargestellt, daß eine unsortierte Verteilung innerhalb des Rohres 30 des Sensors 29 möglich ist, wobei es im wesentlichen auf die benachbarte dichte Anordnung der Lichtleitfasern ankommt. Im Ausführungsbeispiel ist für die Lichtleitfasern 32, 43 ein Durchmesser von vorzugsweise 0,25 mm vorgesehen.
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Über eine anhand der Fig. 7 und 8 erläuterten Schwellwertschaltung wird die Nachfolgebewegung des Sensors 8 bzw. 29 gemeinsam mit der Kanüle 7 gesteuert.
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In der Fig. 7 ist schematisch eine Empfangseinrichtung und in der Fig. 8 eine Sendeeinrichtung dargestellt. Ausgehend von einer elektrischen Stromversorgung 33, die über Zweige 34 und 35 der Empfangseinrichtung bzw. der Sendeeinrichtung zugeordnet ist, weist die Empfangseinrichtung einen Fototransistor 36 zur Aufnahme von Lichtimpulsen, einen Vorverstärker 37, einen Impulsgleichstromwandler 38 und einen Schwellwertschalter 39 mit einem Funktionsanschluß 40 für die Steuerung der in Fig. 1 vorgesehenen Höhenbewegungseinrichtung 6 auf. Gemäß Fig. 8 ist an die Stromversorgung 33 bezüglich der Sendeeinrichtung 41 eine Diode oder Lampe vorgesehen, der beispielsweise ein Impulsgenerator 42 vorgeschaltet ist.
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Die Lampe kann gemäß obigen Ausführungen für Gleich- oder Taglicht ausgestaltet sein, aber in Verbindung mit dem Impulsgenerator 42 so steuerbar sein, daß zur Empfangseinrichtung entsprechend der Lichtleitfasern 43 eine Impulsübertragung stattfindet. Bevorzugt wird jedoch eine Diode mit einer Wellenlänge in der Größenordnung von 800 nm.
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Die Wahl der Wellenlänge des Lichtes hängt von der Eigenabsorption aus dem Reflexionsgrad der Flüssigkeit, insbesondere des Wassers ab, wobei wegen des Einflusses von fremdem Taglicht mit seiner Wellenlänge gerade der Bereich von 800 nm besonders vorteilhaft ist.