DE102011089703B3

DE102011089703B3 - Optische Messanordnung zur Bestimmung eines Füllstands und/oder einer Konzentration einer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE102011089703B3
Application number: DE201110089703
Authority: DE
Inventors: Willibald Reitmeier
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2013-05-23
Anticipated expiration: 2031-12-23

Abstract

Messanordnung zur Bestimmung eines Füllstands und/oder einer Konzentration einer Flüssigkeit mit
– einer ersten Lichtquelle,
– einem Körper aus einem für das Licht der ersten Lichtquelle transparenten Material, der eine erste Grenzfläche aufweist, die an einen Aufnahmeraum für die Flüssigkeit angrenzt, und
– einem ersten Lichtsensor,
wobei
– die erste Lichtquelle, die erste Grenzfläche und der erste Lichtsensor so angeordnet sind, dass von der ersten Lichtquelle ausgesendetes Licht durch den Körper unter einem Winkel α auf die erste Grenzfläche und nach Reflexion an der ersten Grenzfläche auf den ersten Lichtsensor auftrifft, und
– der Winkel α so bemessen ist, dass an der ersten Grenzfläche Totalreflexion auftritt, wenn in dem Aufnahmeraum ein Medium vorhanden ist, dessen Brechungsindex einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Messanordnung zur Bestimmung eines Füllstands und/oder einer Konzentration einer Flüssigkeit, die insbesondere für den Automobilbereich vorgesehen ist.
Die Bestimmung von Füllständen oder Konzentrationen von Flüssigkeiten ist in Kraftfahrzeugen in unterschiedlichen Situationen erforderlich. Beispielsweise wird der Füllstand von Kraftstoff-, Kühlwasser und Öltanks überwacht. Hierfür werden unterschiedliche Messverfahren eingesetzt, beispielsweise basierend auf einem sich verändernden elektrischen Widerstand zwischen zwei Kontakten, die von der Flüssigkeit benetzt werden, Kapazitätsänderungen im Bereich elektrischer Kontaktflächen oder mit Hilfe von Laufzeitmessungen von an einer Flüssigkeitsoberfläche reflektierten Ultraschallwellen.
Einen ebenfalls breiten Anwendungsbereich finden Konzentrationsmessungen, beispielsweise zur Bestimmung einer Konzentration von Ethanol in Benzin, Biodiesel in Dieselkraftstoff, Motoröl im Kraftstoff oder der Konzentration einer wässrigen Harnstofflösung (bekannt unter dem Markennamen „AdBlue”) in SCR-Systemen (Selective Catalytic Reduction) zur Abgasbehandlung. Für derartige Konzentrationsmessungen werden ebenfalls unterschiedliche Messverfahren eingesetzt, beginnend von chemischen Analysen wie einer Titration bis hin zu Ultraschall-Laufzeitverfahren. Solche Ultraschall-Laufzeitverfahren beruhen auf mit der Konzentration der Flüssigkeit variierenden Schallgeschwindigkeiten, was in der Regel eine sehr genaue und entsprechend aufwendige Messtechnik erfordert.
US-Patent Nr. 4,870,292 offenbart eine Messanordnung zur Bestimmung eines Füllstands mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Druckschrift US 2002/0125589 A1 beschreibt ein optisches Element für eine Infrarotspektroskopie in unterschiedlichen medizinischen Anwendungen.
Die Druckschriften WO01/69236 A1 , DE 10 2004 047 078 A1 , US 2004/0021849 A1 und US-Patent Nr. 5,548,393 beschreiben unterschiedliche Vorrichtungen und Verfahren zur Detektion von Rußpartikeln im Motoröl. An einer Grenzfläche zu einem Aufnahmeraum für das Motoröl soll eine Totalreflexion erfolgen.
Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Messanordnung zur Bestimmung eines Füllstands und/oder einer Konzentration einer Flüssigkeit zur Verfügung zu stellen, mit der auf einfache Weise festgestellt werden kann, ob der Füllstand und/oder die Konzentration der Flüssigkeit einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, sowie ein entsprechendes Verfahren.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Messanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den sich anschließenden Unteransprüchen angegeben.
Die Messanordnung dient zur Bestimmung eines Füllstands und/oder einer Konzentration einer Flüssigkeit und hat

– eine erste Lichtquelle,
– einen Körper aus einem für das Licht der ersten Lichtquelle transparenten Material, der eine erste Grenzfläche aufweist, die an einen Aufnahmeraum für die Flüssigkeit angrenzt, und
– einen ersten Lichtsensor, wobei
– die erste Lichtquelle, die erste Grenzfläche und der erste Lichtsensor so angeordnet sind, dass von der ersten Lichtquelle ausgesendetes Licht durch den Körper unter einem Winkel α auf die erste Grenzfläche und nach Reflexion an der ersten Grenzfläche auf den ersten Lichtsensor auftrifft, und
– der Winkel α so bemessen ist, dass an der ersten Grenzfläche Totalreflexion auftritt, wenn in dem Aufnahmeraum ein Medium vorhanden ist, dessen Brechungsindex einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass mit der Konzentration einer Flüssigkeit nicht nur die Schallausbreitungsgeschwindigkeit innerhalb der Flüssigkeit, sondern auch die Lichtgeschwindigkeit innerhalb der Flüssigkeit und damit der Brechungsindex der Flüssigkeit variiert, und dass Änderungen des Brechungsindex der Flüssigkeit unter Ausnutzung des Effekts der Totalreflexion an einer Grenzfläche relativ einfach festgestellt werden können.
Bei der Erfindung ist die Grenzfläche an einem Körper aus einem für das Licht der ersten Lichtquelle transparenten Material ausgebildet. Das transparente Material kann beispielsweise Polymethylmethacrylat (PMMA, auch bekannt als Acrylglas oder Plexiglas) sein. Andere Materialien, die für das für die Messung verwendete Licht hinreichend durchlässig sind, können ebenfalls verwendet werden, beispielsweise herkömmliches Glas oder spezielle optische Gläser.
Die Grenzfläche kann von einer hinreichend glatten Oberfläche des Körpers gebildet werden. Sie grenzt an einen Aufnahmeraum für die Flüssigkeit an, so dass sich auf einer Seite der Grenzfläche das transparente Material, auf der anderen Seite bei entsprechendem Füllstand die Flüssigkeit befindet.
Eine erste Lichtquelle und ein erster Lichtsensor sind relativ zu der ersten Grenzfläche so angeordnet, dass von der ersten Lichtquelle ausgesendetes Licht durch den Körper unter einem Winkel α auf die erste Grenzfläche und nach Reflexion an der ersten Grenzfläche auf den ersten Lichtsensor auftrifft. Für die Reflexion an der Grenzfläche gilt der bekannte Zusammenhang „Einfallswinkel = Ausfallswinkel”, sodass der Strahlengang innerhalb des Körpers relativ zu der Grenzfläche symmetrisch verläuft. Das Licht der ersten Lichtquelle trifft durch den Körper auf die Grenzfläche auf, wobei der Strahlengang zwischen der Lichtquelle und der Grenzfläche auch teilweise außerhalb des Körpers verlaufen kann. Das gleiche gilt für den Strahlengang von der Grenzfläche zum Lichtsensor.
Bei der Erfindung ist der Winkel α so bemessen, dass an der ersten Grenzfläche Totalreflexion auftritt, wenn in dem Aufnahmeraum ein Medium vorhanden ist, dessen Brechungsindex einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet.
Totalreflexion an der Grenzfläche tritt auf, wenn der Winkel α, gemessen gegenüber einer Normalen auf die Grenzfläche, größer ist als der sogenannte Grenzwinkel ε_g der Totalreflexion, der sich aus dem Verhältnis der Brechungsindices n2 des zweiten Mediums, also des Mediums in dem Aufnahmeraum, und n1 des ersten Mediums, also des transparenten Materials, wie folgt ergibt: sin(ε_g) = n2/n1.
Der Brechungsindex n1 des transparenten Materials ist eine Materialkonstante. Für PMMA beträgt dieser Brechungsindex n1 beispielsweise 1,5. Der Brechungsindex n2 auf der anderen Seite der Grenzfläche hängt von den optischen Eigenschaften des dort befindlichen Mediums ab. Für Luft, also bei leerem Aufnahmeraum, beträgt der Brechungsindex n2 beispielsweise 1,0, für 32,5%ige Harnstofflösung beispielsweise 1,38. Für diese beiden Beispiele ergeben sich Grenzwinkel ε_g für die Totalreflexion von 41,8° für den Übergang von PMMA zu Luft und 66,9° für den Übergang von PMMA zur 32,5%igen Harnstofflösung. Es gibt also für jedes optische Medium in dem Aufnahmeraum einen bestimmten Grenzwert ε_g, ab dem Totalreflexion auftritt. Dementsprechend kann der Winkel α so gewählt werden, dass Totalreflexion auftritt, solange das optische Medium in dem Aufnahmeraum einen Brechungsindex aufweist, der einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet. Überschreitet der Brechungsindex des Mediums in dem Aufnahmeraum diesen vorgegebenen Wert, ist der Winkel α kleiner als der Grenzwinkel ε_g der Totalreflexion, so dass die Bedingung für Totalreflexion verletzt ist und keine Totalreflexion mehr auftritt. In diesem Fall wird ein Teil der eingestrahlten Lichtintensität durch die Grenzfläche in das in dem Aufnahmeraum befindliche Medium transmittiert, einhergehend mit einer entsprechenden Schwächung der Intensität des reflektierten Lichts. Anhand dieser Schwächung der reflektierten Lichtintensität kann einfach festgestellt werden, ob Totalreflexion aufgetreten ist oder nicht, d. h. ob die in dem Aufnahmeraum befindliche Flüssigkeit den vorgegebenen Brechungsindex überschreitet oder nicht.
Dadurch ist eine gleichzeitig besonders einfache und genaue Feststellung der Konzentration bzw. des Füllstands der Flüssigkeit in dem Aufnahmeraum möglich.
Die Messanordnung kann ein Beruhigungsrohr aufweisen, das insbesondere den Körper umgibt. Das Beruhigungsrohr verhindert, dass eine in dem Aufnahmeraum befindliche Flüssigkeit eine zu unruhige Oberfläche aufweist. Bewegungen der Oberfläche können dabei durch Bewegungen der gesamten Messanordnung, etwa Beschleunigungs- oder Bremsvorgänge in einem Kraftfahrzeug, ausgelöst werden, aber auch durch Vibrationen. Das Beruhigungsrohr kann auch dazu beitragen, eine Bildung oder Ablagerung von Schaum oder Blasen im Bereich der Grenzfläche zu verhindern.
Der Körper kann eine Form aufweisen, an der sich in dem Aufnahmeraum bildendes Eis abgleiten kann. Dadurch kann eine Beschädigung der Messanordnung durch in dem Aufnahmeraum vereisende Flüssigkeit verhindert werden. Die Form kann insbesondere eine oder mehrere Flächen aufweisen, die gegenüber angrenzenden Wandabschnitten des Aufnahmeraums geneigt angeordnet sind. Dies ist insbesondere an denjenigen Seiten des Körpers sinnvoll, die in einem geringen Abstand von einem Wandabschnitt angeordnet sind und wenn zwischen der Seite des Körpers und dem Wandabschnitt Flüssigkeit vorhanden sein kann.
In einer Ausgestaltung weist das transparente Material einen Brechungsindex n1 und die Flüssigkeit einen Brechungsindex n2 auf und der Winkel α ist kleiner als der Grenzwinkel ε_g, der sich aus dem genannten Zusammenhang sin ε_g= n2/n1 ergibt. „Die Flüssigkeit” ist dabei diejenige Flüssigkeit, deren Füllstand und/oder deren Konzentration bestimmt werden soll und die sich bei dem vorgesehenen Verwendungszweck der Messanordnung gegebenenfalls in dem Aufnahmeraum befinden sollte. Wird die Messanordnung beispielsweise zur Überwachung des Inhalts eines Vorratsbehälters für 32,5%ige Harnstofflösung verwendet, beträgt der Brechungsindex n2 1,38. Der Brechungsindex n1 kann beispielsweise bei der Verwendung von PMMA für das transparente Material 1,5 betragen. Der Winkel α wird dann kleiner gewählt als der sich aus dem genannten Zusammenhang ergebende Grenzwinkel ε_g, vorzugsweise nur geringfügig kleiner, beispielsweise 0,1°, 0,5°, oder 1,0° oder 5° kleiner. Dadurch wird erreicht, dass bei einer Flüssigkeit, die die vorgegebene Konzentration und den damit einhergehenden Brechungsindex n2 aufweist, gerade keine Totalreflexion mehr auftritt. Bleibt die Konzentration der Flüssigkeit und damit der Brechungsindex n2 hinter dem vorgegebenen Wert zurück, kommt es jedoch zur Totalreflexion. Es kann dadurch mit großer Genauigkeit erfasst werden, ob die Flüssigkeit die vorgesehene Konzentration erreicht.
In einer Ausgestaltung weist der Körper eine zweite Grenzfläche auf, die an den Aufnahmeraum angrenzt und so angeordnet ist, dass das an der ersten Grenzfläche reflektierte Licht unter dem Winkel α auf die zweite Grenzfläche und nach Reflexion an der zweiten Grenzfläche auf den ersten Lichtsensor auftrifft. Es findet also eine Mehrfachreflexion innerhalb des Körpers statt und zwar an der ersten und zweiten Grenzfläche jeweils unter demselben Winkel α. Kommt es an beiden Grenzflächen zur Totalreflexion, wird die vom Lichtsensor erfasste Lichtintensität auch durch die zweite Grenzfläche nicht nennenswert geschwächt. Ist das Kriterium der Totalreflexion jedoch verletzt, findet an beiden Grenzflächen eine Schwächung der reflektierten Lichtintensität statt, wobei die vom Lichtsensor erfasste Lichtintensität quadratisch mit dieser Schwächung abnimmt. Dadurch erhöht sich die Empfindlichkeit der Messanordnung.
In einer Ausgestaltung weist der Körper mindestens eine dritte Grenzfläche auf, die an den Aufnahmeraum angrenzt und so angeordnet ist, dass das an der zweiten Grenzfläche reflektierte Licht unter dem Winkel α auf die dritte Grenzfläche und nach Reflexion an der dritten Grenzfläche auf den ersten Lichtsensor auftrifft. Dadurch kommt es gegebenenfalls auch an der dritten Grenzfläche zu einer Schwächung der reflektierten Lichtintensität, so dass die vom Lichtsensor erfasste Lichtintensität mit der dritten Potenz der Schwächung abnimmt, was die Empfindlichkeit weiter steigert. Es ist weiterhin möglich, mehr als drei Grenzflächen nacheinander im Strahlengang anzuordnen, an denen das von der jeweils vorigen Grenzfläche reflektierte Licht nochmals unter dem Winkel α reflektiert wird. Dadurch kann die Messempfindlichkeit noch weiter gesteigert werden, so dass beispielsweise eine Schwächung der Lichtintensität an einer einzelnen Grenzfläche von beispielsweise nur 0,1% oder 1% zuverlässig detektiert werden kann.
In einer Ausgestaltung sind die erste und zweite Grenzfläche bezüglich eines Füllstands der Flüssigkeit in dem Aufnahmeraum auf gleicher Höhe angeordnet. Bei dieser Anordnung ändert sich das Reflexionsverhalten an den beiden Grenzflächen daher gleichzeitig bei Erreichen eines bestimmten Füllstands. Die vom Lichtsensor erfasste Lichtintensität ändert sich daher bei Erreichen dieses Füllstands besonders stark, bedingt durch die zweifache Schwächung an den beiden Grenzflächen. Ebenfalls möglich ist die Anordnung einer dritten, vierten und gegebenenfalls weiteren Grenzfläche, an denen jeweils eine Reflexion unter dem Winkel α auf gleicher Höhe erfolgt. Dadurch kann die Empfindlichkeit der Messung insbesondere mit Blick auf nur leichte Konzentrationsänderungen der Flüssigkeit bei Erreichen des vorgegebenen Füllstands gesteigert werden.
In einer Ausgestaltung sind die erste und zweite Grenzfläche bezüglich eines Füllstands der Flüssigkeit in dem Aufnahmeraum auf unterschiedlicher Höhe angeordnet. Dadurch wird die erste Grenzfläche von der Flüssigkeit bei einem ersten Füllstand benetzt, die zweite Grenzfläche bei einem davon abweichenden, zweiten Füllstand. Die vom ersten Lichtsensor erfasste Lichtintensität ändert sich daher bei wechselndem Füllstand zwei Mal. Durch geeignete Auswertung der erfassten Lichtintensität kann daher festgestellt werden, ob der Füllstand der Flüssigkeit unterhalb oder oberhalb beider Grenzflächen oder zwischen den beiden Grenzflächen ist. Auch diese Ausgestaltung kann durch Verwendung von mehr als zwei Grenzflächen, die im Strahlengang zwischen der ersten Lichtquelle und dem ersten Lichtsensor angeordnet sind und an denen das Licht jeweils unter dem Winkel α reflektiert wird, verfeinert werden, wenn die mehr als zwei Grenzflächen jeweils auf unterschiedlichen Höhen bezüglich des Füllstands angeordnet sind. Beispielsweise können 3, 4 oder mehr auf definierten Höhen angeordnete Grenzflächen verwendet werden, so dass eine relativ hoch aufgelöste Erfassung des Füllstands möglich ist.
In einer Ausgestaltung ist der Körper stabförmig ausgebildet und ragt von unten in den Aufnahmeraum hinein, wobei die erste Lichtquelle und der erste Lichtsensor an einem unteren Ende des Materials angeordnet sind. Auf diese Weise bildet die Messanordnung eine kompakte Einheit, die beispielsweise in einen Tank eingesetzt werden kann. Die Reflexion des Lichts an der ersten Grenzfläche erfolgt insbesondere an einem der ersten Lichtquelle und dem ersten Lichtsensor gegenüberliegenden, oberen Ende des Körpers. Die erste Lichtquelle und/oder der erste Lichtsensor können mit dem Körper verklebt und/oder in Aufnahmeöffnungen in den Körper eingesetzt sein.
In einer Ausgestaltung weist der Körper ein erstes Ende, an dem die erste Lichtquelle und ein zweites Ende, an dem der erste Lichtsensor angeordnet ist, auf, und einen mittleren Abschnitt, an dem die erste Grenzfläche angeordnet ist. Abhängig vom gewünschten Winkel α ist auch bei dieser Anordnung eine besonders kompakte Gestaltung möglich. Die erste Lichtquelle und der erste Lichtsensor können ebenfalls beispielsweise mit dem Körper verklebt und/oder in Aufnahmeöffnungen des Körpers eingesetzt sein.
In einer Ausgestaltung ist die zweite Grenzfläche ebenfalls an dem mittleren Abschnitt angeordnet, sodass die erste Grenzfläche und die zweite Grenzfläche einander gegenüberliegen. Bei dieser Ausgestaltung kann auf geringem Raum eine Mehrfachreflexion herbeigeführt werden. Dies gilt auch für die Verwendung einer dritten oder gegebenenfalls noch weiteren Grenzfläche, die in der bereits beschriebenen Weise im Strahlengang zwischen Lichtquelle und Lichtsensor nacheinander angeordnet sind. Diese Grenzflächen können sämtlich einander im mittleren Abschnitt des Körpers gegenüberliegen.
Bei der Erfindung ist eine zweite Lichtquelle und/oder ein zweiter Lichtsensor vorhanden, so dass zwischen der zweiten Lichtquelle und dem ersten Lichtsensor oder zwischen der ersten Lichtquelle und dem zweiten Lichtsensor ein Strahlengang mit einer an den Aufnahmeraum angrenzenden Grenzfläche vorhanden ist, an der das Licht der ersten bzw. zweiten Lichtquelle unter einem Winkel β, der von dem Winkel α verschieden ist, auftrifft und zu dem ersten bzw. zweiten Lichtsensor reflektiert wird. Bei dieser Ausgestaltung ist also ein zweiter Strahlengang vorhanden, wobei entweder die erste Lichtquelle als Lichtquelle für beide Strahlengänge benutzt wird und das an den unterschiedlichen Grenzflächen unter den Winkeln α bzw. β reflektierte Licht auf zwei unterschiedliche Lichtsensoren auftrifft, oder zwei unterschiedliche Lichtquellen verwendet werden, deren Licht nach Reflexion an den Grenzflächen unter den Winkeln α bzw. β auf einen gemeinsamen Lichtsensor auftrifft. Bei diesen Ausgestaltungen wird also entweder ein Lichtsensor für beide Strahlengänge gemeinsam genutzt, oder eine Lichtquelle. Alternativ ist es auch möglich, die beiden getrennten Strahlengänge jeweils mit einem eigenen Lichtsensor und einer eigenen Lichtquelle zu versehen. Die Verwendung unterschiedlicher Reflexionswinkel α und β ermöglicht, das Überschreiten unterschiedlicher Grenzwerte des Brechungsindex n2 der Flüssigkeit zu erfassen. Dies ist mit einem besonders einfachen und kompakten Aufbau möglich, beispielsweise mit zwei benachbart angeordneten Lichtquellen und/oder zwei benachbart angeordneten Lichtsensoren.
In einer Ausgestaltung sendet die erste Lichtquelle Licht mit einer ersten Wellenlänge und die zweite Lichtquelle Licht mit einer von der ersten Wellenlänge verschiedenen, zweiten Wellenlänge aus. Wegen der Dispersion ist der Brechungsindex n2 der Flüssigkeit und gegebenenfalls auch der Brechungsindex n1 des transparenten Materials von der Wellenlänge des Lichts abhängig. Unter Einbeziehung von zwei oder mehr unterschiedlichen Wellenlängen können daher zusätzliche Informationen über die Flüssigkeit gewonnen werden. Auch eine höhere Genauigkeit bei der Erkennung und Auswertung des Brechungsindex' ist durch Berücksichtigung unterschiedlicher Wellenlängen erreichbar. Eine Alternative zu der erläuterten Verwendung von zwei unterschiedlichen Lichtquellen, die ebenfalls eine Nutzung unterschiedlicher Wellenlängen erlaubt, ist die Verwendung einer durchstimmbaren Lichtquelle. Derartige Lichtquellen können mit unterschiedlichen Wellenlängen betrieben werden.
In einer Ausgestaltung ist der Aufnahmeraum ein Vorratsbehälter, ein Tank oder eine Flüssigkeitsleitung für ein Kraftfahrzeug. Es kann beispielsweise eine Ölwanne, ein Kraftstofftank oder ein Tank für wässrige Harnstofflösung sein oder eine Leitung für eine der genannten Flüssigkeiten. Der Körper der Messanordnung ist dann in oder an dem Vorratsbehälter angeordnet, so dass die Grenzfläche bei einem bestimmten Füllstand an die Flüssigkeit in dem Vorratsbehälter angrenzt.
In einer Ausgestaltung sendet die erste und/oder zweite Lichtquelle im Wesentlichen monochromatisches und/oder paralleles Licht aus. Grundsätzlich sind beliebige Lichtquellen für die Messanordnung geeignet, beispielsweise Glühlampen, Leuchtdioden oder Laserdioden. Monochromatisches Licht kann beispielsweise durch Verwendung eines Spektralfilters erzeugt werden, paralleles Licht zum Beispiel unter Verwendung einer geeigneten Optik, beispielsweise mit einer Blende und/oder einem Kollimator. Die Verwendung von monochromatischem und/oder parallelem Licht kann die Trennschärfe verbessern.
In einer Ausgestaltung ist an der ersten und/oder zweiten Lichtquelle und/oder an dem ersten und/oder zweiten Lichtsensor eine Blende und/oder eine Sammeloptik im Strahlengang angeordnet. Mit Hilfe einer Blende kann die Messung möglicherweise verfälschendes Licht ausgeblendet werden. Eine Sammeloptik kann das ausgesendete oder empfangene Licht bündeln und dadurch die für die Messung zur Verfügung stehende Lichtintensität erhöhen.
Ein Verfahren dient zur Bestimmung eines Füllstands und/oder einer Konzentration einer Flüssigkeit mit einer Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und weist die folgenden Schritte auf:

– Aussenden von Licht mit der ersten Lichtquelle,
– Ermitteln einer Lichtintensität des auf den ersten Lichtsensor auftreffenden Lichts,
– Vergleichen der ermittelten Intensität mit einer Referenzintensität,
– Feststellen, dass ein Füllstand der Flüssigkeit einen vorgegebenen Wert und/oder dass eine Konzentration der Flüssigkeit eine vorgegebene Konzentration überschreitet, wenn die ermittelte Intensität geringer ist als die Referenzintensität.

Zu den Merkmalen des Verfahrens wird auf die vorstehenden Erläuterungen der erfindungsgemäßen Messanordnung verwiesen, die entsprechend gelten. Das Verfahren beschreibt insbesondere eine bestimmungsgemäße Verwendung der erfindungsgemäßen Messanordnung. Das Verfahren kann in weiteren – nicht im einzelnen erläuterten – Ausgestaltungen zusätzliche Schritte aufweisen, die sich aus den vorstehend erläuterten Merkmalen der Messanordnung ergeben, beispielsweise die Reflexion des von der ersten Lichtquelle ausgesendeten Lichts an einer oder an mehreren Grenzflächen.
Bei dem Verfahren wird die ermittelte Intensität mit einer Referenzintensität verglichen. Die Referenzintensität kann insbesondere diejenige Lichtintensität sein, die von dem ersten Lichtsensor erfasst wird, wenn an der Grenzfläche Totalreflexion auftritt, beispielsweise wenn in dem an die Grenzfläche angrenzenden Aufnahmeraum keine Flüssigkeit vorhanden ist. Wird diese Referenzintensität von der ermittelten Intensität nicht erreicht, bedeutet dies, dass ein Teil der Lichtintensität an der ersten oder einer sonstigen Grenzfläche ausgekoppelt wird, mit anderen Worten, dass in dem Aufnahmeraum eine Flüssigkeit vorhanden ist, deren Brechungsindex n2 den vorgegebenen Wert überschreitet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Messprinzips,
2 eine weitere schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Messprinzips,
3 ein erstes Beispiel einer Messanordnung,
4 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messanordnung.
Für einander entsprechende Komponenten werden in allen Figuren dieselben Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt eine waagerechte Linie, die eine erste Grenzfläche 10 darstellt. Oberhalb der ersten Grenzfläche 10 befindet sich Luft mit einem Brechungsindex von n2 = 1,0. Unterhalb der ersten Grenzfläche 10 ist ein Körper 12 aus PMMA angeordnet, also aus einem transparenten Material mit einem Brechungsindex von n1 = 1,5.
Die erste Grenzfläche 10 ist von einer glatten Oberfläche des Körpers 12 gebildet. In einem Abstand von der ersten Grenzfläche 10 und in einem Abstand voneinander sind an dem Körper 12 eine erste Lichtquelle 14 und ein erster Lichtsensor 16 angeordnet. Das von der ersten Lichtquelle 14 ausgesendete, im Wesentlichen parallele und monochromatische Licht trifft durch den Körper 12 unter einem Winkel von α = 60° auf die erste Grenzfläche 10 auf und wird dort reflektiert, sodass es nach Reflexion an der ersten Grenzfläche 10 ebenfalls unter einem Winkel von α = 60° auf den ersten Lichtsensor 16 auftrifft. Der Strahlengang wird durch die beiden Pfeile veranschaulicht. Die Winkel α beziehen sich stets auf eine Normale 18 (Senkrechte) auf die erste Grenzfläche 10.
Der aus den genannten Brechungsindices n1 und n2 berechnete Grenzwinkel ε_g der Totalreflexion beträgt 41,8°. Bei dem beispielhaft dargestellten Winkel α von 60°, der größer ist als der Grenzwinkel ε_g, findet daher Totalreflexion statt und die gesamte, auf die erste Grenzfläche 10 auftreffende Lichtintensität wird auf den ersten Lichtsensor 16 reflektiert.
2 stellt dieselbe Anordnung von erster Grenzfläche 10, erster Lichtquelle 14 und erstem Lichtsensor 16 dar. Oberhalb der ersten Grenzfläche 10 befindet sich jetzt allerdings nicht Luft, sondern 32,5%ige wässrige Harnstofflösung mit einem Brechungsindex von n2 = 1,38. Aus diesen Brechungsindices ergibt sich ein Grenzwinkel ε_g für Totalreflexion von 66,9°. Das unter dem kleineren Winkel von α = 60° auf die erste Grenzfläche 10 auftreffende Licht wird daher nicht vollständig an der ersten Grenzfläche reflektiert, sondern nur zum Teil. Dieser Teil wird durch den gestrichelten Pfeil veranschaulicht, der zum ersten Lichtsensor 16 führt. Der verbleibende Teil der Lichtintensität durchdringt die erste Grenzfläche 10 und breitet sich nach Brechung an der Grenzfläche 10 in der Harnstofflösung oberhalb der ersten Grenzfläche 10 aus, wie durch den Pfeil 20 veranschaulicht. Befindet sich oberhalb der ersten Grenzfläche 10 also ein optisches Medium mit einem Brechungsindex n2, für den der sich aus den Brechungsindices ergebende Grenzwinkel ε_g der Totalreflexion größer ist als der Winkel α, wird die am ersten Lichtsensor 16 auftreffende Lichtintensität durch die Auskopplung des transmittierten Lichts (Pfeil 20) geschwächt.
3 zeigt eine erfindungsgemäße Messanordnung mit einem stabförmigen Körper 12 aus PMMA mit einem Brechungsindex von n1 = 1,5. An einem unteren Ende des Körpers 12 sind eine erste Lichtquelle 14 und ein erster Lichtsensor 16 angeordnet. Ein Sockelelement 28 hält den Körper 12, die erste Lichtquelle 14 und den ersten Lichtsensor 16 und weist eine nicht dargestellte Steckverbindung mit Kontakten zum Anschließen der ersten Lichtquelle 14 und des ersten Lichtsensors 16 auf. Am von der ersten Lichtquelle 14 und dem ersten Lichtsensor 16 abgewandten, oberen Ende des Körpers 12 ist dieser spitz zulaufend mit zwei einander gegenüberliegenden Schrägflächen ausgebildet. An der in der 3 links gezeigten Schrägfläche befindet sich die erste Grenzfläche 10, an der gegenüberliegenden Schrägfläche die zweite Grenzfläche 26. Die erste Grenzfläche 10 und die zweite Grenzfläche 26 grenzen jeweils an einen Aufnahmeraum an, der in der Figur mit einer Flüssigkeit 24, im gezeigten Beispiel mit einer wässrigen Harnstofflösung, gefüllt ist. Der Winkel zwischen der ersten Grenzfläche 10 und der zweiten Grenzfläche 26 beträgt ungefähr 90°.
Der Körper 12 und die Flüssigkeit 24 sind innerhalb eines Vorratsbehälters 22 angeordnet, der als Teil eines SCR-Systems in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist.
Das von der ersten Lichtquelle 14 ausgesendete Licht trifft unter einem Winkel α von 45° auf die erste Grenzfläche 10 auf, wird dort auf die zweite Grenzfläche 26 reflektiert, wo es ebenfalls unter dem Winkel α auftrifft. Nach erneuter Reflexion, diesmal an der zweiten Grenzfläche 26, trifft das Licht auf den ersten Lichtsensor 16 auf. Ist der Vorratsbehälter 22 leer, grenzen die erste Grenzfläche 10 und die zweite Grenzfläche 26, die sich bezüglich des Flüssigkeitsstands auf der gleichen Höhe befinden, an Luft an, deren Brechungsindex n2 = 1 beträgt. Bei dieser Anordnung beträgt der Grenzwinkel ε_g der Totalreflexion 41,8°, sodass an der ersten Grenzfläche 10 und der zweiten Grenzfläche 26 Totalreflexion auftritt.
Ist der Vorratsbehälter 22 hingegen mit der Flüssigkeit 24 mit einem Brechungsindex von n2 = 1,38 gefüllt, d. h. mit wässriger Harnstofflösung mit einer Konzentration von 32,5%, beträgt der maßgebliche Grenzwinkel ε_g der Totalreflexion 66,9°, sodass sowohl an der ersten Grenzfläche 10 als auch an der zweiten Grenzfläche 26 ein Teil der Lichtintensität in die Flüssigkeit 24 hineingebrochen wird, wie durch die Pfeile 30 und 32 veranschaulicht. Dementsprechend ist die am ersten Lichtsensor 16 auftreffende Lichtintensität gegenüber dem Fall eines leeren Vorratsbehälters 22 deutlich geschwächt. Im Ergebnis ist mit der 3 eine einfache Feststellung möglich, ob der bei 34 angedeutete Füllstand überschritten wird und ob die Flüssigkeit 24 einen vorgegebenen Brechungsindex überschreitet.
Das weitere Ausführungsbeispiel der 3 zeigt ebenfalls einen Körper 12 innerhalb eines Vorratsbehälters 22, der mit einer Flüssigkeit 24 gefüllt ist. Auch dieser Körper 12 besteht aus PMMA mit einem Brechungsindex n1. Dieser Körper 12 weist eine langgestreckte Form auf, mit einem ersten Ende 34, an dem die erste Lichtquelle 14 angeordnet ist, und einem zweiten Ende 36, an dem der erste Lichtsensor 16 angeordnet ist. Der Körper 12 ist brückenförmig ausgebildet, wobei zwischen dem ersten Ende 34 und dem zweiten Ende 36 ein mittlerer Abschnitt 38 ausgebildet ist, in dem der Körper 12 eine geringere Höhe aufweist als an den ersten und zweiten Enden 34, 36. In diesem mittleren Abschnitt 38 weist der Körper 12 einen Abstand von einem Boden 40 des Vorratsbehälters 22 und von einem Sockelelement 28 auf. Im Bereich dieses Abstands befindet sich ebenfalls die in dem Vorratsbehälter 22 aufgenommene Flüssigkeit 24.
Der mittlere Abschnitt 38 weist eine Vielzahl von Grenzflächen auf. Der Strahlengang zwischen der ersten Lichtquelle 14 und dem ersten Lichtsensor 16 verläuft dabei wie folgt: Das von der ersten Lichtquelle 14 ausgesendete Licht trifft unter einem Winkel α (nicht eingezeichnet) auf eine erste Grenzfläche 10 am mittleren Abschnitt 38 des Körpers 12 auf. Dort wird das Licht reflektiert, hin zu einer auf einer gegenüberliegenden Seite des Körpers 12 ausgebildeten zweiten Grenzfläche 26. Dort trifft das Licht ebenfalls unter dem nicht eingezeichneten Winkel α auf und wird erneut reflektiert, hin zu einer wiederum an der Oberseite des Körpers 12 angeordneten, dritten Grenzfläche 42. Von dort wird das Licht abermals reflektiert, sodass es auf den ersten Lichtsensor 16 auftrifft.
Außerdem zeigt 4 eine zweite Lichtquelle 44, die ebenfalls am ersten Ende 34 des Körpers 12 angeordnet ist. Das von hier ausgesendete Licht ist durch gestrichelte Pfeile veranschaulicht und wird insgesamt an fünf Grenzflächen, die am mittleren Abschnitt 38 des Körpers 12 ausgebildet sind, reflektiert, um schließlich auf den ersten Lichtsensor 16 aufzutreffen. Bezüglich dieses Strahlengangs gibt es eine erste Grenzfläche 10', eine zweite Grenzfläche 26', eine dritte Grenzfläche 42', eine vierte Grenzfläche 46 und eine fünfte Grenzfläche 48. Die erste Grenzfläche 10', die dritte Grenzfläche 42' und die fünfte Grenzfläche 48 sind an einer Oberfläche an der Oberseite des Körpers 12 in einer Ebene liegend angeordnet. Auf jede der genannten Grenzflächen dieses Strahlengangs trifft das Licht unter einem Winkel β auf, der etwas kleiner ist als der Winkel α.
Die zweite Grenzfläche 26' und die vierte Grenzfläche 46 liegen ebenfalls in einer Ebene, an einer unteren Oberfläche des Körpers 12, und parallel versetzt zur Ebene der anderen Grenzflächen.
Die in der 4 gezeigte Anordnung ist einerseits sehr empfindlich, da in beiden Strahlengängen bei Vorhandensein einer entsprechenden Flüssigkeit 24 in dem Vorratsbehälter 22 eine Schwächung an mehreren aufeinander folgenden Grenzflächen erfolgt. Andererseits kann wegen der beiden für eine Auswertung zur Verfügung stehenden Strahlengänge, die unterschiedliche Reflexionswinkel α und β aufweisen, zwischen Flüssigkeiten mit nur geringfügig abweichenden Brechungsindices differenziert oder interpoliert werden.
Mit der Messanordnung der 4 kann auf die beschriebene Weise eine Information über eine Konzentration der Flüssigkeit 24 gewonnen werden. Gleichzeitig kann festgestellt werden, ob der Füllstand der Flüssigkeit 24 das Niveau der oberen Oberfläche des Körpers 12 überschreitet.
Bezugszeichenliste

10: erste Grenzfläche
12: Körper
14: erste Lichtquelle
16: erster Lichtsensor
18: Normale
20: Pfeil
22: Vorratsbehälter
24: Flüssigkeit
26: zweite Grenzfläche
28: Sockelelement
30: Pfeil
32: Pfeil
34: erstes Ende des Körpers 12
36: zweites Ende des Körpers 12
38: mittlerer Abschnitt des Körpers 12
40: Boden des Vorratsbehälters 22
42: dritte Grenzfläche
44: zweite Lichtquelle
46: vierte Grenzfläche
48: fünfte Grenzfläche

Claims

Messanordnung zur Bestimmung einer Konzentration einer Flüssigkeit (24) mit – einer ersten Lichtquelle (14), – einem Körper (12) aus einem für das Licht der ersten Lichtquelle (14) transparenten Material, der eine erste Grenzfläche (10) aufweist, die an einen Aufnahmeraum für die Flüssigkeit (24) angrenzt, und – einem ersten Lichtsensor (16), wobei – die erste Lichtquelle (14), die erste Grenzfläche (10) und der erste Lichtsensor (16) so angeordnet sind, dass von der ersten Lichtquelle (14) ausgesendetes Licht durch den Körper (12) unter einem Winkel α auf die erste Grenzfläche (10) und nach Reflexion an der ersten Grenzfläche (10) auf den ersten Lichtsensor (16) auftrifft, und – der Winkel α so bemessen ist, dass an der ersten Grenzfläche (10) Totalreflexion auftritt, wenn in dem Aufnahmeraum ein Medium vorhanden ist, dessen Brechungsindex einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet, dadurch gekennzeichnet, dass – eine zweite Lichtquelle (44) und/oder ein zweiter Lichtsensor vorhanden ist, so dass zwischen der zweiten Lichtquelle (44) und dem ersten Lichtsensor (16) oder zwischen der ersten Lichtquelle (14) und dem zweiten Lichtsensor (16) ein Strahlengang mit einer an den Aufnahmeraum angrenzenden Grenzfläche vorhanden ist, an der das Licht der ersten (14) bzw. zweiten Lichtquelle (44) unter einem Winkel β, der von dem Winkel α verschieden ist, auftrifft und zu dem ersten (16) bzw. zweiten Lichtsensor reflektiert wird.
Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Material einen Brechungsindex n1 und die Flüssigkeit (24) einen Brechungsindex n2 aufweist und der Winkel α kleiner ist als der Grenzwinkel ε_g, der sich aus dem folgenden Zusammenhang ergibt: sin (ε_g) = n2/n1.
Messanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (12) eine zweite Grenzfläche (26) aufweist, die an den Aufnahmeraum angrenzt und so angeordnet ist, dass das an der ersten Grenzfläche (10) reflektierte Licht unter dem Winkel α auf die zweite Grenzfläche (26) und nach Reflexion an der zweiten Grenzfläche (26) auf den ersten Lichtsensor (16) auftrifft.
Messanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (12) mindestens eine dritte Grenzfläche (42) aufweist, die an den Aufnahmeraum angrenzt und so angeordnet ist, dass das an der zweiten Grenzfläche (26) reflektierte Licht unter dem Winkel α auf die dritte Grenzfläche (42) und nach Reflexion an der dritten Grenzfläche (42) auf den ersten Lichtsensor (16) auftrifft.
Messanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Grenzfläche (10, 26) bezüglich eines Füllstands der Flüssigkeit (24) in dem Aufnahmeraum auf gleicher Höhe angeordnet sind.
Messanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Grenzfläche (10, 26) bezüglich eines Füllstands der Flüssigkeit (24) in dem Aufnahmeraum auf unterschiedlicher Höhe angeordnet sind.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (12) stabförmig ausgebildet ist und von unten in den Aufnahmeraum hineinragt, wobei die erste Lichtquelle (14) und der erste Lichtsensor (16) an einem unteren Ende des Körpers (12) angeordnet sind.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (12) ein erstes Ende (34), an dem die erste Lichtquelle (14) und ein zweites Ende (36), an dem der erste Lichtsensor (16) angeordnet ist, aufweist, und einen mittleren Abschnitt (38), an dem die erste Grenzfläche (10) angeordnet ist.
Messanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Grenzfläche (26) ebenfalls an dem mittleren Abschnitt (38) angeordnet ist, so dass die erste Grenzfläche (10) und die zweite Grenzfläche (26) einander gegenüberliegen.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lichtquelle (14) Licht mit einer ersten Wellenlänge und die zweite Lichtquelle (44) Licht mit einer von der ersten Wellenlänge verschiedenen, zweiten Wellenlänge aussendet. 11. Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmeraum ein Vorratsbehälter (22), ein Tank oder eine Flüssigkeitsleitung für ein Kraftfahrzeug ist.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Lichtquelle (14, 44) im Wesentlichen monochromatisches und/oder paralleles Licht aussendet.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass an der ersten und/oder zweiten Lichtquelle (14, 44) und/oder an dem ersten und/oder zweiten Lichtsensor (16) eine Blende und/oder eine Sammeloptik im Strahlengang angeordnet ist.