DE2837920C2

DE2837920C2 - Liquid sensor

Info

Publication number: DE2837920C2
Application number: DE19782837920
Authority: DE
Inventors: Hermann 8000 München Münnich-Debus
Original assignee: Münnich-Debus Meßtechnik KG, 8000 München
Current assignee: MUENNICH-DEBUS MESSTECHNIK KG 8000 MUENCHEN DE
Priority date: 1978-08-31
Filing date: 1978-08-31
Publication date: 1987-04-16
Also published as: DE2837920A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Flüssigkeitsmeßgeber zum Erfassen einer auf einer ersten Flüssigkeit, insbesondere Wasser, auftretenden mindestens zweiten Flüssigkeit, insbesondere Öl, mit einem Paar Meßelektroden, die mit einer elektrischen Verarbeitungsschaltung verbunden sind, mit der mindestens eine spezifische Materialgröße der Flüssigkeiten bestimmbar ist.The invention relates to a liquid measuring sensor for detecting at least a second liquid, in particular oil, occurring on a first liquid, in particular water, with a pair of measuring electrodes which are connected to an electrical processing circuit with which at least one specific material size of the liquids can be determined.

Bisher eingesetzte Flüssigkeitsmeßgeber zur Unterscheidung verschiedenartiger Medien, insbesondere von Öl und Wasser, verwenden als Unterscheidungskriterium jeweils ein einziges Meßprinzip, nämlich z. B. eine Kapazitäts- oder Dielektrizitätsmessung oder eine Leitfähigkeitsmessung. Optische Verfahren unter Ausnutzung des Brechungsindex als sich ändernde Größe einzusetzen, erfordert einen großen technischen Aufwand.Liquid measuring sensors used to date to distinguish between different media, especially oil and water, use a single measuring principle as a distinguishing criterion, for example a capacitance or dielectric measurement or a conductivity measurement. Using optical methods that utilize the refractive index as a changing variable requires a great deal of technical effort.

Bei dem kapazitiven Meßverfahren können sich auch Schwierigkeiten bei der elektronischen Verarbeitung einstellen, denn die Dielektrizitätskonstante von Öl beträgt etwa 3 während die von Wasser etwa 80 beträgt, so daß eine nachgeschaltete Meßschaltung sowohl auf kleine als auch größere Kapazitätswerte ansprechen muß. Mit dem kapazitiven Meßverfahren lassen sich nur relativ dicke Schichten der leichteren Flüssigkeit auf der schwereren Flüssigkeit erfassen.The capacitive measuring method can also cause difficulties in electronic processing, because the dielectric constant of oil is about 3 while that of water is about 80, so that a downstream measuring circuit must respond to both small and large capacitance values. The capacitive measuring method can only detect relatively thick layers of the lighter liquid on the heavier liquid.

Wird zur Unterscheidung der beiden Flüssigkeiten als Meßparameter die Leitfähigkeit vorgesehen, so kann ohne relativ hohen Aufwand das Eintauchen in nahezu nicht stromleitende Flüssigkeiten, wie z. B. Öl, nicht festgestellt werden, sondern erst das Eintauchen in Wasser. Bei sehr reinem Wasser können auch hier Schwierigkeiten auftreten.If conductivity is used as a measurement parameter to distinguish between the two liquids, immersion in liquids that are almost non-conductive, such as oil, cannot be determined without relatively high expenditure, but only immersion in water. Difficulties can arise here too with very pure water.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Flüssigkeitsmeßgeber der eingangs genannten Art derart weiter zu bilden, daß zuverlässiger zwischen den beiden Flüssigkeiten unterschieden werden kann.The invention is based on the object of developing a liquid measuring sensor of the type mentioned at the beginning in such a way that a more reliable distinction can be made between the two liquids.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Lichtschranke mit einer Lichtquelle und einem Lichtempfangselement vorgesehen ist und einen Schrankenabschnitt aufweist, der durch zwei unter einem Winkel zueinander verlaufende und die Lichtschranke schneidende Flächen begrenzt ist derart, daß, wenn sich Flüssigkeit in diesem Schrankenabschnitt befindet, der Lichtstrahl unter Öffnung der Lichtschranke von dem Lichtempfangselement fortgelenkt wird, daß sich die freien Enden der beiden Meßelektroden über die Lichtschranke hinaus in Richtung der zu untersuchenden Flüssigkeit erstrecken, und daß mit der elektrischen Verarbeitungsschaltung gleichzeitig jeweils ein dem Ohm'schen Widerstandswert zwischen den beiden Meßelektroden und ein den Wert des von den beiden Meßelektroden gebildeten Kondensators bzw. der Dielektrizitätskonstanten der Flüssigkeit zwischen den Meßelektroden anzeigendes Meßsignal erzeugbar ist.This object is achieved according to the invention in that a light barrier with a light source and a light receiving element is provided and has a barrier section which is delimited by two surfaces which run at an angle to one another and intersect the light barrier in such a way that, when liquid is located in this barrier section, the light beam is deflected away from the light receiving element while the light barrier is opened, that the free ends of the two measuring electrodes extend beyond the light barrier in the direction of the liquid to be examined, and that the electrical processing circuit can simultaneously generate a measuring signal which indicates the ohmic resistance value between the two measuring electrodes and a measuring signal which indicates the value of the capacitor formed by the two measuring electrodes or the dielectric constant of the liquid between the measuring electrodes.

Aufgrund der Erfindung ist es nun nicht mehr problematisch, unterschiedliche, einander überschichtete Flüssigkeiten zu erfassen, wenn jeweils nur eine bestimmte Materialgröße der zu untersuchenden Flüssigkeiten erfaßt wird. Auch wenn die Werte der zu erfassenden spezifischen Materialgrößen nicht sehr unterschiedlich voneinander sind, können zuverlässige Meßergebnisse erhalten werden.Thanks to the invention, it is no longer a problem to measure different liquids that are layered on top of each other if only a specific material size of the liquids to be examined is measured. Even if the values of the specific material sizes to be measured are not very different from each other, reliable measurement results can be obtained.

Bei dem erfindungsgemäßen Flüssigkeitsmeßgeber stehen die Meßelektroden über die Lichtschranke in Richtung der zu untersuchenden Flüssigkeit hervor. Wenn der Flüssigkeitsmeßgeber in Richtung zu dieser Flüssigkeit bewegt wird, tauchen zunächst die beiden Meßelektroden in die Flüssigkeit ein. Da sowohl eine Widerstandsmessung als auch eine Kapazitätsmessung vorgenommen wird, erhält man zwei Informationen über die Flüssigkeit, in die die Meßelektroden eingetaucht sind. Wenn der Flüssigkeitsmeßgeber weiter in Richtung zu der zu untersuchenden Flüssigkeit bewegt wird, so gelangt die Flüssigkeit in den Schrankenabschnitt, wodurch die Lichtschranke unterbrochen und an dem Lichtempfangselement ein Unterbrechungssignal abgenommen werden kann. Das Auftreten dieses Signals gibt an, daß die Meßelektroden unterhalb der Lichtschranke vollkommen in die Flüssigkeit eingetaucht sind.In the liquid measuring sensor according to the invention, the measuring electrodes protrude over the light barrier in the direction of the liquid to be examined. When the liquid measuring sensor is moved in the direction of this liquid, the two measuring electrodes are initially immersed in the liquid. Since both a resistance measurement and a capacitance measurement are carried out, two pieces of information are obtained about the liquid in which the measuring electrodes are immersed. When the liquid measuring sensor is moved further in the direction of the liquid to be examined, the liquid reaches the barrier section, whereby the light barrier is interrupted and an interruption signal can be picked up from the light receiving element. The appearance of this signal indicates that the measuring electrodes below the light barrier are completely immersed in the liquid.

Wenn beispielsweise festgestellt werden soll, ob auf einer Wasseroberfläche Öl mit mindestens einer Schichtdicke t vorhanden ist, so wird die Länge des über die Lichtschranken hinausragenden Meßelektrodenabschnittes etwas kleiner als t gewählt. Bei der Durchführung einer Messung wird durch die Unterbrechung der Lichtschranke durch die in den Schrankenabschnitt eintretende Flüssigkeit während einer kurzen Zeit eine Information über die gerade vorliegende relative Lage zwischen Flüssigkeitsoberfläche und Flüssigkeitsmeßgeber erhalten. Wenn das am Lichtempfangselement abnehmbare Unterbrechungssignal dazu verwendet wird, eine normalerweise geschlossene Torschaltung zu öffnen, an deren Eingang die Signale anliegen, die den gemessenen Werten der Leitfähigkeit bzw. der Dielektrizitätskonstanten entsprechen, so erhält man Meßsignale für die Lage der Meßelektroden, welche sich mit ihren Endabschnitten, die kürzer als t sind, von der Flüssigkeitsoberfläche in die Flüssigkeit erstrecken. Erhält man einen relativ hohen Wert für die Leitfähigkeit, so ergibt sich daraus, daß die Meßelektroden bereits in das Wasser eintauchen, woraus folgt, daß die Dicke der Ölschicht kleiner als t ist.If, for example, it is to be determined whether there is oil on a water surface with a layer thickness of at least t , the length of the measuring electrode section extending beyond the light barriers is selected to be slightly smaller than t . When a measurement is carried out, information about the current relative position between the liquid surface and the liquid sensor is obtained by interrupting the light barrier for a short time by the liquid entering the barrier section. If the interruption signal that can be taken from the light receiving element is used to open a normally closed gate circuit, at the input of which the signals corresponding to the measured values of the conductivity or dielectric constant are present, measurement signals are obtained for the position of the measuring electrodes, which extend from the liquid surface into the liquid with their end sections, which are shorter than t . If a relatively high value is obtained for the conductivity, this means that the measuring electrodes are already immersed in the water, which means that the thickness of the oil layer is smaller than t .

Das an dem Lichtempfangselement der Lichtschranke abnehmbare Unterbrechungssignal liefert mit seiner ersten Signalflanke eine Information darüber, daß der Lichtstrahl der Lichtschranke gerade unterbrochen wird. Dann ist zu diesem Zeitpunkt auch bekannt, daß die Meßelektroden mit ihren sich über die Lichtschranke hinaus erstreckenden Abschnitten in die Flüssigkeit eintauchen. Da die Länge dieser Abschnitte bekannt ist, läßt sich eine Information über die Schichtdicke der auf der ersten Flüssigkeit (z. B. Wasser) vorhandenen zweiten Flüssigkeit (z. B. Öl) erhalten.The interruption signal, which can be picked up from the light receiving element of the light barrier, provides information with its first signal edge that the light beam of the light barrier is currently being interrupted. At this point in time, it is also known that the measuring electrodes with their sections extending beyond the light barrier are immersed in the liquid. Since the length of these sections is known, information can be obtained about the layer thickness of the second liquid (e.g. oil) present on the first liquid (e.g. water).

In vorteilhafter Weise lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Flüssigkeitsmeßgeber sehr dünne Flüssigkeitsschichten, wie z. B. Ölaugen, die auf Wasser schwimmen, erfassen. Die Grenze zwischen zwei Medien, z. B. Öl und Wasser läßt sich auch dann sehr gut feststellen, wenn das Wasser sehr rein ist.Very thin liquid layers, such as oil spots floating on water, can advantageously be detected using the liquid sensor according to the invention. The boundary between two media, e.g. oil and water, can be determined very well even when the water is very pure.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous further developments arise from the subclaims.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß weitere Paare von Meßelektroden vorgesehen sind, deren freie Enden sich über die Lichtschranke hinaus in Richtung der zu untersuchenden Flüssigkeit erstrecken und die paarweise von der Lichtschranke unterschiedliche Abstände aufweisen. Dadurch ist es möglich, beispielsweise die Schichtdicke einer auf Wasser schwimmenden Ölschicht festzustellen. Die Genauigkeit der Schichtdickenmessung hängt von den einzelnen Abstandsintervallen der Meßelektroden ab. Besonders vorteilhaft ist, wenn der Abstand zwischen der Lichtschranke und den freien Enden der Meßelektroden eingestellt werden kann, wodurch es auf einfache Weise möglich ist, den unterschiedlichen Meßsituationen gerecht zu werden.A particularly advantageous development is characterized in that further pairs of measuring electrodes are provided, the free ends of which extend beyond the light barrier in the direction of the liquid to be examined and which are at different distances from the light barrier in pairs. This makes it possible, for example, to determine the layer thickness of an oil layer floating on water. The accuracy of the layer thickness measurement depends on the individual distance intervals of the measuring electrodes. It is particularly advantageous if the distance between the light barrier and the free ends of the measuring electrodes can be adjusted, which makes it easy to meet different measuring situations.

Der Erfindungsgegenstand wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigtThe subject matter of the invention is explained in more detail below using exemplary embodiments with reference to the drawings. It shows

Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Verwendung mit einem Flüssigkeitsmeßgeber nach der Erfindung, Fig. 1 is a block diagram for use with a liquid measuring device according to the invention,

Fig. 2 eine Längsschnittdarstellung einer ersten Ausführungsform eines Flüssigkeitsmeßgebers nach der Erfindung, Fig. 2 is a longitudinal sectional view of a first embodiment of a liquid sensor according to the invention,

Fig. 3 eine Schnittdarstellung des in Fig. 2 gezeigten Flüssigkeitsmeßgebers längs der Linie A-A, und Fig. 3 is a sectional view of the liquid sensor shown in Fig. 2 along the line AA, and

Fig. 4 eine Längsschnittdarstellung einer anderen Ausführungsform eines Flüssigkeitsmeßgebers nach der Erfindung. Fig. 4 is a longitudinal sectional view of another embodiment of a liquid sensor according to the invention.

Im folgenden wird anhand von Fig. 1 das Meßverfahren mittels eines Flüssigkeitsmeßgebers nach der Erfindung näher erläutert. Ein Oszillator 1 liefert hochfrequente Impulse an einen zweistufigen Meßverstärker 2. Der Eingang des Meßverstärkers 2 ist mit den Meßelektroden 10 verbunden, die jeweils eine Basis der Transistoren des symmetrisch aufgebauten Verstärkers steuern. Mit den Elektroden 10 wird sowohl die Leitfähigkeit (größer 10^-6 S) als auch die Kapazität bzw. Dielektrizitätskonstante des sich zwischen den Meßelektroden 10 befindenden Mediums erfaßt, wobei die Kapazität größer als 1 pF sein soll. Der Ausgang des Meßverstärkers 2 ist mit dem Eingang einer Treiberstufe 3 verbunden, deren Ausgang mit dem Eingang einer Torschaltung 4 verbunden ist.The measuring method using a liquid measuring sensor according to the invention is explained in more detail below with reference to Fig. 1. An oscillator 1 supplies high-frequency pulses to a two-stage measuring amplifier 2. The input of the measuring amplifier 2 is connected to the measuring electrodes 10 , which each control a base of the transistors of the symmetrically constructed amplifier. The electrodes 10 are used to measure both the conductivity (greater than 10 ^-6 S) and the capacitance or dielectric constant of the medium located between the measuring electrodes 10 , whereby the capacitance should be greater than 1 pF. The output of the measuring amplifier 2 is connected to the input of a driver stage 3 , the output of which is connected to the input of a gate circuit 4 .

Die Lichtschranke 12, d. h. genauer gesagt, das Lichtempfangselement ist mit dem Eingang eines Verstärkers 5 verbunden, dessen Ausgangssignal über einen Inverter 6 an den Steuereingang der Torschaltung 4 gegeben wird. Sobald die Lichtschranke 12 unterbrochen wird, wird durch das erzeugte Ausgangssignal des Verstärkers 5 die Torschaltung 4 über den Inverter 6 geöffnet. Das Ausgangssignal der Torschaltung 4 und des Verstärkers 5 liegt jeweils an logischen Schaltungen 7, 8 und 9, die dazu dienen, in Abhängigkeit von der Lage des Flüssigkeitsmeßgebers ein Ausgangssignal abzugeben.The light barrier 12 , or more precisely the light receiving element, is connected to the input of an amplifier 5 , the output signal of which is passed via an inverter 6 to the control input of the gate circuit 4. As soon as the light barrier 12 is interrupted, the gate circuit 4 is opened via the inverter 6 by the output signal generated by the amplifier 5. The output signal of the gate circuit 4 and the amplifier 5 is respectively applied to logic circuits 7, 8 and 9 , which serve to emit an output signal depending on the position of the liquid sensor.

Die Fig. 2 und 3 zeigen eine Längs- bzw. Querschnittdarstellung einer Ausführungsform eines Flüssigkeitsmeßgebers nach der Erfindung. Figures 2 and 3 show a longitudinal and cross-sectional view of an embodiment of a liquid sensor according to the invention.

In einem Schutzrohr 16 aus Metall oder Kunststoff, welches einen abgedichteten Deckel 17 und eine Kabeldurchführung 18 aufweist und auf der der Flüssigkeit zugewandten Seite unten mit einem Plexiglaskopf 14 abgeschlossen ist, befindet sich eine gedruckte Leiterplatte 13, auf der elektronische Bauteile angeordnet sind. Ferner ist die Lichtschranke 12 in Höhe der mit M 1 bezeichneten Meßebene vorgesehen. Durch den Plexiglaskopf 14 sind die Meßelektroden 10 hindurchgeführt, deren zu der zu messenden Flüssigkeit hinweisenden Enden sich in der etwas tiefer als M 1 liegenden Meßebene M 2 befinden. Der Abstand der beiden Meßebenen M 1 und M 2 entspricht der Dicke einer zu messenden Ölschicht. In dem Plexiglaskopf 14 ist mit 11 ein Schrankenabschnitt der Lichtschranke 12 bezeichnet. Dieser Schrankenabschnitt ist primenförmig ausgebildet, wobei sich die brechende Kante parallel zur Längsachse des Flüssigkeitsmeßgebers erstreckt. Die den Schrankenabschnitt 11 der Lichtschranke 12 begrenzenden Flächen sind so ausgebildet, daß, wenn Flüssigkeit in den Schrankenabschnitt 11 eintritt, der Lichtstrahl der Lichtschranke 12 so ausgelenkt wird, daß die Lichtschranke 12 unterbrochen ist.A protective tube 16 made of metal or plastic, which has a sealed cover 17 and a cable duct 18 and is closed off at the bottom with a Plexiglas head 14 on the side facing the liquid, contains a printed circuit board 13 on which electronic components are arranged. The light barrier 12 is also provided at the level of the measuring plane designated M 1. The measuring electrodes 10 are led through the Plexiglas head 14 , the ends of which point towards the liquid to be measured being located in the measuring plane M 2 which is slightly lower than M 1. The distance between the two measuring planes M 1 and M 2 corresponds to the thickness of an oil layer to be measured. In the Plexiglas head 14, a barrier section of the light barrier 12 is designated 11. This barrier section is prime-shaped, with the breaking edge extending parallel to the longitudinal axis of the liquid sensor. The surfaces delimiting the barrier section 11 of the light barrier 12 are designed such that when liquid enters the barrier section 11 , the light beam of the light barrier 12 is deflected such that the light barrier 12 is interrupted.

Es ist ferner ein Beruhigungsrohr 15 vorgesehen, welches den Plexiglaskopf 14 umgibt und dazu dient, im Bereich der Meßstelle eine beruhigte Flüssigkeitsoberfläche zu haben. An dem flüssigkeitsfernen Ende weist das Beruhigungsrohr 15 Entlüftungslöcher 19 auf, die einen Luftstau verhindern.A calming tube 15 is also provided which surrounds the Plexiglas head 14 and serves to have a calmed liquid surface in the area of the measuring point. At the end remote from the liquid, the calming tube 15 has vent holes 19 which prevent air build-up.

Eine Reinigungsdüse 20 ist an dem Beruhigungsrohr 15 auf der Höhe der Meßebenen M 1 und M 2 vorgesehen. Mittels dieser Reinigungsdüse kann der dem Messen dienende Bereich mit einem Reinwasserstrahl gesäubert werden.A cleaning nozzle 20 is provided on the calming pipe 15 at the height of the measuring planes M 1 and M 2. By means of this cleaning nozzle, the area used for measuring can be cleaned with a jet of pure water.

Die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform eines Flüssigkeitsmeßgebers nach der Erfindung ist der in Fig. 2 dargestellten ähnlich. Gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 2 bezeichnet. Die Ausführungsform gemäß Fig. 4 unterscheidet sich von der vorhergehend beschriebenen jedoch dadurch, daß ein Schutzrohr 22 vorgesehen ist, welches über die Meßebenen M 1 und M 2 hinaus verlängert ist und in dem verlängerten Bereich gleichzeitig als Beruhigungsrohr wirkt. Statt des Plexiglaskopfes 14 in Fig. 2 ist ein Plexiglasrohr 21 vorgesehen, in welchem an der Unterseite ein Schrankenabschnitt der Lichtschranke derart eingearbeitet ist, daß die Schnittlinie der beiden diesen Schrankenabschnitt begrenzenden Flächen im wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Flüssigkeitsmeßgebers verläuft. Die Meßelektroden 10 sind in die Begrenzungswände des Schrankenabschnittes 11 eingesetzt.The embodiment of a liquid sensor according to the invention shown in Fig. 4 is similar to the one shown in Fig. 2. similar. The same parts are designated with the same reference numerals as in Fig. 2. The embodiment according to Fig. 4 differs from the one described above in that a protective tube 22 is provided which is extended beyond the measuring planes M 1 and M 2 and simultaneously acts as a calming tube in the extended area. Instead of the Plexiglas head 14 in Fig. 2, a Plexiglas tube 21 is provided in which a barrier section of the light barrier is incorporated on the underside in such a way that the intersection line of the two surfaces delimiting this barrier section runs essentially perpendicular to the longitudinal axis of the liquid sensor. The measuring electrodes 10 are inserted into the boundary walls of the barrier section 11 .

Um einen Luftstau zu verhindern, ist das Schutzrohr 22 auch hier mit Entlüftungslöchern 19 versehen.To prevent air build-up, the protective tube 22 is also provided with ventilation holes 19 .

Claims

1. Liquid measuring device for detecting at least a second liquid, in particular oil, occurring on a first liquid, in particular water, with a pair of measuring electrodes which are connected to an electrical processing circuit with which at least one specific material size of the liquids can be determined, characterized in that a light barrier ( 12 ) with a light source and a light receiving element is provided and has a barrier section ( 11 ) which is delimited by two surfaces which run at an angle to one another and intersect the light barrier ( 12 ) in such a way that, when there is liquid in this barrier section ( 11 ), the light beam is deflected away from the light receiving element while the light barrier is opened, that the free ends of the two measuring electrodes ( 10 ) extend beyond the light barrier ( 12 ) in the direction of the liquid to be examined and that the electrical processing circuit ( 1, 2 ) can simultaneously generate a measuring signal indicating the ohmic resistance value between the two measuring electrodes ( 10 ) and a measuring signal indicating the value of the capacitor formed by the two measuring electrodes ( 10 ) or the dielectric constant of the liquid between the measuring electrodes ( 10 ).

2. Liquid measuring sensor according to claim 1, characterized in that the electrical processing circuit ( 1, 2 ) is followed by a gate circuit ( 4 ) connected to the light receiving element, which can be controlled into the open position when the light barrier ( 12 ) is interrupted, in which the measuring signals can be obtained at the output of the gate circuit ( 4 ).

3. Liquid measuring sensor according to claim 1 or 2, characterized in that further pairs of measuring electrodes are provided, the free ends of which extend beyond the light barrier ( 12 ) in the direction of the liquid to be examined and which have different distances from the light barrier ( 12 ) in pairs.

4. Liquid sensor according to claim 1 or 3, characterized in that the distance between the light barrier ( 12 ) and the free ends of the measuring electrodes ( 10 ) is adjustable.

5. Liquid measuring sensor according to claim 1, characterized in that the surfaces running at an angle to each other are flat.

6. Liquid measuring sensor according to claim 1 or 5, characterized in that the angle between the surfaces of the barrier section ( 11 ) opens in the direction of the measuring electrodes ( 10 ).