DE10035263C2

DE10035263C2 - Optische Vorrichtung

Info

Publication number: DE10035263C2
Application number: DE10035263A
Authority: DE
Inventors: David R Nowak; Ryan Lindsay
Original assignee: Illinois Tool Works Inc
Current assignee: Illinois Tool Works Inc
Priority date: 1999-06-09
Filing date: 2000-05-22
Publication date: 2001-09-27
Anticipated expiration: 2020-05-23
Also published as: DE10035263A1; ITTO20000520A0; IT1320357B1; US6429447B1; ITTO20000520A1

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung zur Messung eines Flüssigkeitsstandes in einem Behälter gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Eine solche Vorrichtung ist aus der DE 31 28 925 A1 bekannt. Weitere solche Vorrichtungen sind aus der DE 32 43 839 A1, der DE 17 73 260 A1, welche jedoch nur an einem Ende gestufte Endflächen aufweist, und aus der DE-PS 11 18 480, welche nur eine gestufte Endfläche an jedem Ende enthält, bekannt.

Flüssigkeitsstandsensoren, insbesondere für die Anwendung in Kraftstofftanks, sind empfindlich gegen Verschmutzung durch das Eintauchen in die Flüssigkeit, Beeinträchtigung durch spritzende Flüssigkeit, welche sich nachteilig auf die Genauigkeit der Ausgangsgröße auswirkt, Fehlfunktionen, welche sich aus einer Fülle von bewegten Teilen ergeben, und andere potentielle Fehlfunktionen und/oder fehlerhafte Auslesungen.

Flüssigkeitsstandsensoren für die Anwendung in Kraftstofftanks wie beispielsweise in Autos, bauen typischerweise auf einem Schwimmarm auf, der bezüglich einer lasergeätzten Karte verbunden ist. Dies führt zu einem veränderlichen Widerstand, der einem Ausgangssensor abhängig von der relativen Position des Schwimmarmes in dem Kraftstoff zur Verfügung gestellt wird. Diese Schwimmarmmethode ist weit verbreitet und akzeptiert, obwohl sie auf bewegten Teilen und einem präzisionsgeätzten Sensor aufbaut, der nur schwer exakt herzustellen ist.

Andere Stand-der-Technik-Methoden zur Flüssigkeitsstandserfassung, die zur Verwendung in Verbindung mit Kraftstofftanks versucht wurden, enthalten eine Elektrode, die verwendet wird, um einen Flüssigkeitsstand basierend auf einer Änderung in einer Kapazität um die Elektrode herum zu messen; eine empfindliche Messmembran zur Messung eines Druckes, der durch das Gewicht der Flüssigkeit erzeugt wird; einen Ultraschallsender zur Erzeugung von Schalldruckwellen, die von der Flüssigkeitsoberfläche reflektiert werden; einen Mikrowellensender und -empfänger, welche auf einem gedämpften Energiesignal, basierend auf einer Änderung des Flüssigkeitsstandes, aufbauen; ein Gewicht, welches von einer messbaren Kabellänge herunterhängt und wiederholt in die Flüssigkeit abgesenkt wird um den Flüssigkeitsstand zu bestimmen; oder eine Reihe von einfachen Schaltkreisen, welche durch den Flüssigkeitsstand und eine Messsonde, die mit einer niedrigen Wechselspannung versorgt wird, gebildet ist. Die obigen Geräte und Methoden zur Bestimmung eines Flüssigkeitsstandes in einem Kraftstofftank bauen alle auf bewegten Teilen, teurer Elektronik oder Geräten auf, die nicht an breite Variationen von Kraftstofftankgrößen und Konfigurationen anpassbar sind.

Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung, in welcher eine Helligkeit, die an einer Deckfläche der optischen Vorrichtung angezeigt wird, umgekehrt proportional zu dem Prozentsatz der Vorrichtung ist, welcher in die Flüssigkeit eingetaucht ist. Je höher der Flüssigkeitsstand, desto dunkler erscheint die optische Vorrichtung.

Die optische Vorrichtung arbeitet durch Lichtreflexion. Wenn eine gewinkelte Oberfläche innerhalb eines bestimmten Bereiches von Winkeln sich unter der Flüssigkeit befindet, reflektiert sie das Licht nicht, sondern sie bricht das Licht. Die optische Vorrichtung nach der Erfindung beruht auf dem Prinzip der inneren Totalreflexion. Eine optische Vorrichtung, wie beispielsweise eine Lichtröhre, welche eine gewinkelte Oberfläche zwischen ungefähr 40° und 60° relativ zur Normalen aufweist, wird eine interne Reflexion des gesamten Lichtes erlauben. In einer typischen Lichtröhre mit einem Brechungsindex von 1,5 wird interne Totalreflexion auftreten, wenn der Brechungsindex eines Materials auf der anderen Seite der gewinkelten Oberfläche niedriger als 1,5 ist, wie beispielsweise der Brechungsindex der meisten Gase, einschließlich Luft. Wenn der Brechungsindex des Materials auf der anderen Seite der gewinkelten Oberfläche sich 1,5 annähert, wie beispielsweise in vielen Flüssigkeiten, einschließlich Wasser und Kraftstoff, wird Licht durch die gewinkelte Oberfläche hindurchtreten und gebrochen werden. Aus diesem Grund wird Licht, wenn die optische Vorrichtung nach der Erfindung in eine Flüssigkeit, wie beispielsweise Kraftstoff, eingetaucht wird, nicht von einer gewinkelten Oberfläche zur anderen reflektiert, sondern stattdessen in der Flüssigkeit absorbiert.

Durch Erhöhung der Anzahl an eingetauchten Oberflächen verringert sich der Anteil des reflektierten Lichtes. Durch Erhöhung der Gesamtanzahl an reflektierenden Oberflächen kann die Auflösung der Vorrichtung erhöht werden. Die Gesamtlänge kann an spezifische Tanktiefen angepasst werden. Durch Variationen dieser beiden Parameter kann die Vorrichtung in einer optimalen Weise und für jeden Typ von Pegelfühleranwendung konfiguriert werden.

Die Helligkeit der optischen Vorrichtung kann mit dem Auge betrachtet oder kann für eine genauere Ablesung elektronisch abgefühlt werden. Durch Kolorieren der reflektierenden Oberflächen kann die Vorrichtung als eine Farbänderung anstelle der Intensitätsänderung betrachtet werden. Die optische Vorrichtung kann an eine optische Faser gekoppelt und entfernt betrachtet werden, entweder durch Augenscheinnahme oder durch elektronische Umwandlung.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine optische Vorrichtung zur Messung eines Flüssigkeitsstandes bereitzustellen, das nicht auf bewegten Teilen oder komplexer Elektronik beruht.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine optische Vorrichtung zur Messung eines Flüssigkeitsstandes bereitzustellen, das eine unmittelbare Ausgabe des momentanen Flüssigkeitsstandes bereitstellt.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine optische Vorrichtung zur Messung eines Flüssigkeitsstandes bereitzustellen, das genaue inkrementelle Flüssigkeitsstands-Auslesungen ohne nennenswerte Beeinflussung durch Spritzer bereitstellt.

Eine nochmals weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung bereitzustellen zur Verwendung in Verbindung mit einer Vielzahl von Tankgrößen und Konfigurationen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Messung eines Flüssigkeitsstandes bereitzustellen das geeignet ist, den Flüssigkeitsstand direkt oder in einen elektronischen Empfänger anzuzeigen.

Eine nochmals weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Messung eines Flüssigkeitsstandes in Kraftstofftanks bereitzustellen, die dauerhaft und billig ist.

Die oben genannten und andere Merkmale und Ziele der Erfindung können besser durch die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen verstanden werden. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 schematisch eine perspektivische Darstellung einer optischen Vorrichtung nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Systems, welches eine optische Vorrichtung nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet;

Fig. 3 schematisch eine Seitenansicht der optischen Vorrichtung aus Fig. 1;

Fig. 4 schematisch eine Seitenansicht einer optischen Vorrichtung nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 eine Detailansicht eines gewinkelten Ausschnittes nach einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung;

Fig. 6 eine vereinfachte schematische Darstellung einer optischen Vorrichtung, welche nicht in eine Flüssigkeit untergetaucht ist;

Fig. 7 eine vereinfachte schematische Darstellung einer optischen Vorrichtung, welche teilweise in eine Flüssigkeit untergetaucht ist;

Fig. 8 eine vereinfachte schematische Darstellung einer optischen Vorrichtung, welche teilweise in eine Flüssigkeit untergetaucht ist;

Fig. 9 eine Frontansicht einer optischen Vorrichtung nach einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung;

Fig. 10 eine Frontansicht einer optischen Vorrichtung nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 11 eine Frontansicht einer optischen Vorrichtung nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine optische Vorrichtung 10 zur Messung eines Flüssigkeitsstandes in einem Behälter nach einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung. Der Behälter 70, wie in Fig. 2 gezeigt, ist vorzugsweise, obwohl nicht notwendigerweise, ein Kraftstofftank, beispielsweise zur Verwendung in Verbindung mit einem Fahrzeug. Gleichwohl ist die optische Vorrichtung 10 für eine Vielzahl von Verwendungen vorgesehen, die eine Flüssigkeitsstandsermittlung erfordern, und ein Kraftstofftank, wie in der folgenden Beschreibung beschrieben, wird nur beispielhaft verwendet.

Die optische Vorrichtung 10 enthält vorzugsweise einen lichtleitenden Körper 15 mit einer Deckfläche 20, einer Bodenfläche 25, einem ersten Ende 30 und einem zweiten Ende 35. Der lichtleitende Körper 15 ist vorzugsweise aus Nylon 12, Styrol-Acrylnitril (SAN) für andere Flüssigkeiten als Kraftstoff, oder einem ähnlich bearbeitbaren, lichtleitenden, bekannten Material geformt, z. B. gegossen. Wie in Fig. 1 gezeigt, nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, sind die Deckfläche 20 und die Bodenfläche 25 im Wesentlichen planare Oberflächen.

Eine Vielzahl von gestuften Endflächen 40 ist vorzugsweise sowohl am ersten Ende 30 als auch am zweiten Ende 35 gebildet. Eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform der gestuften Endflächen 40 ist in Fig. 3 gezeigt. Die gestuften Endflächen 40 sind vorzugsweise unter einem Winkel zwischen ungefähr 40° und 60° bezüglich der Normalen des einfallenden Lichtes, in diesem Fall von der Deckfläche 20, gebildet. Der minimale Winkel zu der Normalen, unter welchem das gesamte Licht reflektiert wird, ist ungefähr 40° für Luft und ungefähr 60° für Flüssigkeit. Winkel unter 40° führen zu einem erhöhten Prozentsatz an Lichtverlust durch Brechung.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Vielzahl von Rippen 45 in dem lichtleitenden Körper 15 zwischen dem ersten Ende 30 und dem zweiten Ende 35 gebildet. Solche Rippen 45 sind vorzugsweise in einer Dicke und Position angeordnet, die einer Höhe der gestuften Endfläche 40 des ersten Endes 30 und des zweiten Endes 35 entsprechen. Deshalb durchläuft intern reflektiertes Licht vorzugsweise eine oder mehrere Rippen 45 innerhalb des lichtleitenden Körpers 15. Aufgrund der Rippen 45 sind notwendigerweise Lücken zwischen dem ersten Ende 30 und dem zweiten Ende 35 gebildet. Solche Lücken erlauben eine Übertragung von Licht nur in gewünschten Ebenen.

Obwohl andere Querschnitte möglich sind, ist nach einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung das erste Ende 30 von dem zweiten Ende 35 durch zwei im Wesentlichen planare Oberflächen 50 getrennt. Der Querschnitt des ersten Endes 30 und des zweiten Endes 35 kann alternativ rund sein oder jeden anderen bevorzugten Querschnitt aufweisen, der die gewünschte Lichtübertragung verbessert. Weitere Ausführungsformen der optischen Vorrichtung 10 sind in den Fig. 9, 10 und 11 gezeigt.

Wie in den Fig. 5, 10 und 11 für eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gezeigt ist, enthält die optische Vorrichtung 10 ferner einen gewinkelten Ausschnitt 55, welcher durch den lichtleitenden Körper 15 hidurch benachbart zu der Deckfläche 20 gebildet ist. Der gewinkelte Ausschnitt 55 richtet einfallendes Licht in den bevorzugten, oben diskutierten Winkelbereich.

Wenn die Anzahl der gestuften Endflächen 40 auf jedem von dem ersten Ende 30 und dem zweiten Ende 35 entsprechend erhöht wird, wird die Auflösung der optischen Vorrichtung 10 verbessert. Deshalb ist eine größere Zahl von inkrementellen Ausgangsanzeigen für eine erhöhte Anzahl von spezifischen Flüssigkeitsständen innerhalb des Behälters 70 verfügbar. Die Ausführungsformen der optischen Vorrichtung 10, die in den Zeichnungen gezeigt sind, sind zur Klarheit dargestellt. Eine optische Vorrichtung 10, welches eine praktische Auflösung aufweist, würde vorzugsweise fünfzig oder mehr gestufte Endflächen 40 enthalten, um einen entsprechend großen Bereich an möglichen Ausgangsanzeigen zu ermöglichen. Dies ist insbesondere in Kraftstofftanks wichtig, bei welchen ein plötzlicher Abfall in einem Ausgangsmessinstrument von ¹/₈ voll zu leer ernsthafte Probleme für den Benutzer erzeugen kann.

Alternativ, wie in Fig. 4 gezeigt, sind gestufte Endflächen 40 in mindestens zwei Spalten entlang jedem von dem ersten Ende 30 und dem zweiten Ende 35 angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die gestuften Endflächen 40 in jeder Spalte vorzugsweise bezüglich der gestuften Endflächen 40 in der jeweils anderen Spalte versetzt. Eine solche Anordnung erhöht die Auflösung des Ausgangswertes der optischen Vorrichtung 10 ohne der optischen Vorrichtung 10 unnötiges Material zuzufügen oder die optische Vorrichtung 10 unnötig zu vergrößern.

In einem System, welches die optische Vorrichtung 10 zur Messung eines Flüssigkeitsstandes in dem Behälter 70 verwendet, ist die Bodenfläche 25 innerhalb des Behälters 70 angeordnet und sie erstreckt sich in die Flüssigkeit hinein, wie schematisch in Fig. 2 dargestellt. Das erste Ende 30 und das abgewandt angeordnete zweite Ende 35 weisen eine Vielzahl von gestuften Endflächen 40 auf und bilden ein im Wesentlichen sich verjüngendes Profil, so dass die Bodenfläche 25, in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, schmäler als die Deckfläche 20 ist. Eine resultierende Helligkeit der Deckfläche 20 ist umgekehrt proportional zu dem Stand der Flüssigkeit innerhalb des Containers 70. Die resultierende Helligkeit ist schematisch in den Fig. 6 bis 8 dargestellt, die eine Darstellung des Lichtweges von einer Lichtquelle 80 durch den optischen Körper 10 als eine Funktion des Pegels der Flüssigkeit 95 zeigen.

Wie in den Fig. 2 und 6 bis 8 gezeigt, ist nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Lichtquelle 80 benachbart zu der Deckfläche 20 des lichtleitenden Körpers 15 angeordnet. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine lichtempfangende Vorrichtung 85 zusätzlich oder alternativ benachbart zu der Deckfläche 20 des lichtleitenden Körpers 15 angeordnet. Die lichtempfangende Vorrichtung 85 kann einen elektronischen Sensor, wie beispielsweise eine Fotodiode, oder eine mechanische Verbindung wie beispielsweise ein faseroptisches Kabel 97 enthalten. Eine mechanische Verbindung, wie beispielsweise das faseroptische Kabel 97, ermöglicht eine direkte Übertragung der Ausgangshelligkeit von der Deckfläche 20 der optischen Vorrichtung 10 zu einem Ausgangsmessinstrument 90. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wie in Fig. 2 gezeigt, ist die optische Vorrichtung 10 durch ein faseroptisches Kabel 97 direkt mit dem Ausgangsmessinstrument 90 in einem Armaturenbrett eines Fahrzeuges verbunden. Wie beschrieben, kann die optische Vorrichtung 10 alternativ bezüglich eines Bordcomputers (nicht gezeigt) des Fahrzeuges verbunden sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die besonders für die Anwendung in einer direkten Verbindung zwischen der optischen Vorrichtung 10 und dem Ausgangsmessinstrument 90 geeignet ist, kann mindestens eine der gestuften Endflächen 40 koloriert sein. Durch Kolorierung einer oder mehrerer der gestuften Endflächen 40 kann das Ausgangsmessinstrument 90 die Farbe wechseln, um Flüssigkeitsstände innerhalb des Behälters 70 anzuzeigen.

Die Bodenfläche 25 ist vorzugsweise federnd vorgespannt bezüglich einer Innenfläche des Behälters 70, beispielsweise durch eine Feder 75. Eine solche federnd vorgespannte Verbindung erlaubt dem Behälter 70 sich zu verbiegen, auszudehnen und/oder zusammenzuziehen ohne die Unversehrtheit oder die Ausgangsgröße der optischen Vorrichtung 10 zu beeinflussen. Die optische Vorrichtung kann sich in den Behälter 70 in einer im wesentlichen vertikalen Richtung oder unter jedem für den Einbau geeigneten Winkel erstrecken.

Während in der vorangegangenen Beschreibung die Erfindung mit Bezug auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, und viele Details zum Zwecke der Illustration hervorgehoben wurden, ist es für den Fachmann ersichtlich, dass die optische Vorrichtung nach der Erfindung weiteren Ausführungsformen zugänglich ist und dass bestimmte hierin beschriebene Details beträchtlich variiert werden können, ohne von den grundlegenden Prinzipien der Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Optische Vorrichtung zur Messung eines Flüssigkeitsstandes in einem Behälter (70), enthaltend einen lichtleitenden Körper (15) mit einer Deckfläche (20), einer Bodenfläche (25), einem ersten Ende (30) und einem zweiten Ende (35); eine Vielzahl von gestuften Endflächen (40), die an jedem von dem ersten Ende (30) und dem zweiten Ende (35) gebildet sind; und eine Helligkeit der Deckfläche (20), die umgekehrt proportional zu dem Anteil des lichtleitenden Körpers (15) ist, der in eine Flüssigkeit (95) getaucht ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Rippen (45) in dem lichtleitenden Körper (15) zwischen dem ersten Ende (30) und dem zweiten Ende (35) gebildet ist, deren Dicke und Position der Höhe der gestuften Endflächen (40) entsprechen, wobei in dem lichtleitenden Körper (15) aufgrund der Rippen (45) Lücken zwischen dem ersten Ende (30) und dem zweiten Ende (35) gebildet sind und das an den gestuften Endflächen (40) intern reflektierte Licht eine oder mehrere Rippen (45) innerhalb des lichtleitenden Körpers (15) durchläuft.

2. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ende (30) von dem zweiten Ende (35) durch zwei im Wesentlichen planare Oberflächen (50) getrennt ist.

3. Optische Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein gewinkelter Ausschnitt (55) durch den lichtleitenden Körper (15) nahe der Deckfläche (20) gebildet ist.

4. Optische Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede gestufte Endfläche (40) unter einem Winkel zwischen ungefähr 40° und 60° bezüglich der Deckfläche (20) gebildet ist.

5. Optische Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine erhöhte Anzahl von gestuften Endflächen (40) zur Erhöhung einer Auflösung eines gemessenen Flüssigkeitsstandes in dem Behälter (70).

6. Optische Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gestuften Endflächen (40) in mindestens zwei Spalten entlang jedem von dem ersten Ende (30) und dem zweiten Ende (35) angeordnet sind.

7. Optische Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die gestuften Endflächen (40) in jeder Spalte bezüglich der gestuften Endflächen (40) in der jeweils anderen Spalte versetzt sind.

8. Optische Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes von dem ersten Ende (30) und dem zweiten Ende (35) eine Vielzahl von gestuften Endflächen (40) aufweist, welche ein sich im wesentlichen verjüngendes Profil bilden, so dass die Bodenfläche (25) schmäler als die Deckfläche (20) ist.

9. Optische Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine lichtempfangende Vorrichtung (85), die der Deckfläche (20) des lichtleitenden Körpers (15) benachbart angeordnet ist.

10. Optische Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtempfangende Vorrichtung (85) einen elektronischen Sensor enthält.

11. Optische Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle (80), welche der Deckfläche (20) des lichtleitenden Körpers (15) benachbart angeordnet ist.

12. Optische Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der gestuften Endflächen (40) koloriert ist.

13. Optische Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der gestuften Endflächen (40) mit einer gewinkelten Oberfläche gebildet ist.

14. Optische Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenfläche (25) bezüglich einer Innenfläche des Behälters (70) federnd vorgespannt ist.