DE102017205981A1

DE102017205981A1 - Messvorrichtung und Messverfahren zur Überwachung einer Flüssigkeit in einem Flüssigkeitstank sowie Flüssigkeitstank

Info

Publication number: DE102017205981A1
Application number: DE102017205981.8A
Authority: DE
Inventors: Dominik Neeser; Christian Ohl; Benno Roesener; Juergen Class
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-04-07
Filing date: 2017-04-07
Publication date: 2018-10-11

Abstract

Es wird eine Messvorrichtung zur Überwachung einer Flüssigkeit in einem Flüssigkeitstank beschrieben, mit einem Laserabstandsmesser und einer Ablenkeinheit zum Ablenken eines Laserstrahls des Laserabstandsmessers um einen Ablenkwinkel, welche beide auf einer ersten Seite einer Flüssigkeitsoberfläche der Flüssigkeit derart anordbar sind, dass mittels dem Laserabstandsmesser ein Messwertverlauf einer optischen Weglänge zwischen dem Laserabstandsmesser und einer auf einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite der Flüssigkeitsoberfläche angeordneten Reflexionsfläche in Abhängigkeit von dem Ablenkwinkel ermittelbar ist, und mit einer Recheneinheit, die zur Berechnung des Füllstands und/oder des Brechungsindex der Flüssigkeit in dem Flüssigkeitstank anhand des ermittelten Messwertverlaufs konfiguriert ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Messvorrichtung sowie einem Messverfahren zur Überwachung einer Flüssigkeit in einem Flüssigkeitstank sowie von einem Flüssigkeitstank mit einer solchen Messvorrichtung.
Im Stand der Technik sind Messvorrichtungen zur Messung eines Füllstands einer Flüssigkeit in einem Flüssigkeitstank, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, bekannt. Derartige Messvorrichtungen umfassen üblicherweise Ultraschallsensoren, welche Ultraschall-Impulse aussenden, die an der Flüssigkeitsoberfläche reflektiert werden.
Um eine fehlerhafte Befüllung eines Flüssigkeitstanks erkennen zu können, sind ferner Messvorrichtungen und -verfahren bekannt, die Eigenschaften der Flüssigkeit ermitteln, wie z. B. die Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit, die Wärmeleitfähigkeit, die Viskosität, die Dichte oder die elektrische Permeabilität.
Die bekannten Messvorrichtungen und Messverfahren bringen den Nachteil mit sich, dass zur gleichzeitigen Überwachung mehrerer Größen der Flüssigkeit in der Regel mehrere Sensoren erforderlich sind. Beispielsweise muss zur gleichzeitigen Überwachung des Füllstands und zur Identifikation der Flüssigkeit eine erste Messvorrichtung zur Messung des Füllstands und eine zweite Messvorrichtung zur Identifikation der Flüssigkeit an dem Flüssigkeitstank verbaut werden. Hierdurch ergibt sich ein erhöhter Material- und Kostenaufwand.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund stellt sich die Erfindung die Aufgabe, den Material- und Kostenaufwand für die sensorische Überwachung des Inhalts eines Flüssigkeitstanks zu reduzieren.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung, der erfindungsgemäße Flüssigkeitstank und das erfindungsgemäße Messverfahren gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass in Abhängigkeit von einem Ablenkwinkel ein Messwertverlauf einer optischen Weglänge zwischen dem Laserabstandsmesser und einer auf einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite der Flüssigkeitsoberfläche angeordneten Reflexionsfläche ermittelbar ist. Aus diesem Messwertverlauf kann entweder der Füllstand der Flüssigkeit oder der Brechungsindex der Flüssigkeit oder sowohl Füllstand als auch der Brechungsindex der Flüssigkeit abgeleitet werden. Hierzu kommt erfindungsgemäß eine Recheneinheit zum Einsatz, welche zur Berechnung des Füllstands und/oder des Brechungsindex der Flüssigkeit in dem Flüssigkeitstank anhand des ermittelten Messwertverlaufs konfiguriert ist. Insofern kann durch die Messvorrichtung eine Doppelfunktionalität bereitgestellt werden, so dass der Material- und Kostenaufwand für die Überwachung der Flüssigkeit in dem Flüssigkeitstank verringert wird.
Unter der optischen Weglänge wird die geometrische Weglänge multipliziert mit dem Brechungsindex des jeweiligen Mediums verstanden.
Der Laserabstandsmesser ist bevorzugt derart ausgestaltet, dass die optische Weglänge durch Selbstmischung des von dem Laserabstandsmesser emittierten Laserstrahls mit dem Laserlicht, welches an der Reflexionsfläche reflektiert wurde, messbar ist (Self-Mixing Interferometrie, SMI). Der Laserabstandsmesser ist bevorzugt als Halbleiterlaser, insbesondere als vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL), ausgebildet. Der Halbleiterlaser weist bevorzugt eine integrierte Photodiode auf, über welche eine optische oder elektrische Größe gemessen werden kann. Ferner kann die Ablenkeinheit einen bewegbaren Spiegel umfassen, welcher bevorzugt als MEMS (microelectromechanical system) ausgebildeten ist. Über die Ablenkeinheit ist der Laserstrahl bevorzugt derart ablenkbar, dass er auf der Reflexionsfläche eine Linie beschreibt. Optional kann die der Laserstrahl über die Ablenkeinheit in zwei Dimensionen ablenkbar sein, beispielsweise derart, dass der Laserstrahl auf der Reflexionsfläche eine Fläche oder zwei gekreuzte Linien oder eine Lissajou-Figur beschreibt.
Eine alternativ bevorzugte Ausgestaltung des Laserabstandsmessers sieht vor, dass dieser zur Messung einer Laufzeit des von dem Laserabstandsmesser emittierten und zu diesem zurück reflektierten Laserlichts konfiguriert ist (Time-Of-Flight-Verfahren). Der Laserabstandsmesser kann einen Laser zur Emission eines Laserstrahls, einen Detektor zur Detektion von reflektiertem Laserlicht und eine Auswerteschaltung zur Bestimmung der Laufzeit des Laserlichts aufweisen.
Die Recheneinheit weist bevorzugt einen programmierbaren Prozessor, insbesondere einen Mikrocontroller, auf. Zur Berechnung des Füllstands und/oder des Brechungsindex ist die Recheneinheit bevorzugt derart konfiguriert, dass sie mittels eines vorgegebenen Funktionsverlaufs eine nicht-lineare Kurvenanpassung an den Messwertverlauf durchführen kann, wobei der Füllstand und/oder der Brechungsindex der Flüssigkeit ein Parameter des vorgegebenen Funktionsverlaufs sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstände der anhängigen Ansprüche.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Reflexionsfläche eine zumindest teilweise diffus reflektierende Reflexionsfläche ist. Durch die zumindest teilweise diffus reflektierende Reflexionsfläche wird ein Teil des auf die Reflexionsfläche fallenden Laserstrahls unabhängig von seinem Einfallswinkel zu dem Laserabstandsmesser reflektiert. Dies ermöglicht eine Messung der optischen Weglänge mittels des Laserabstandsmessers unabhängig vom Einfallswinkel. Bevorzugt ist die Reflexionsfläche eine vollständig diffus reflektierende Reflexionsfläche, so dass ein höherer Anteil des einfallenden Laserstrahls in Richtung des Laserabstandsmessers reflektiert werden kann.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Reflexionsfläche eine Oberfläche eines Schwimmkörpers ist. Der Schwimmkörper kann auf der Flüssigkeitsoberfläche schwimmend angeordnet sein. Eine derartige Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass keine besonderen Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit der Innenwände des Flüssigkeitstanks gestellt werden. Da der Schwimmkörper unmittelbar auf der Flüssigkeitsoberfläche aufliegt, muss der Laserstrahl nicht den Bereich jenseits der Flüssigkeitsoberfläche außerhalb der Flüssigkeit durchlaufen. Die optische Weglänge ist daher vergleichsweise kurz, wodurch sich das Signal-Rausch-Verhältnis des Laserabstandsmessers erhöht.
Gemäß einer alternativ bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Reflexionsfläche eine Innenwand des Flüssigkeitstanks. Bei einer derartigen Ausgestaltung sind keine Schwimmkörper erforderlich. Vielmehr kann der Laserstrahl auch den Bereich jenseits der Flüssigkeitsoberfläche außerhalb der Flüssigkeit durchlaufen, bevor er an der Innenwand des Flüssigkeitstanks reflektiert wird.
In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Reflexionsfläche mindestens eine Markierungsstruktur aufweist, welche geeignet ist, in dem Messwertverlauf der optischen Weglänge eine Stufe zu erzeugen, und die Recheneinheit zusätzlich zur Erkennung einer Stufe in dem Messwertverlauf und zur Berechnung des Brechungsindex der Flüssigkeit anhand der Stufe in dem Messwertverlauf konfiguriert ist. Bevorzugt weist die Reflexionsfläche mindestens zwei Markierungsstrukturen auf, die geeignet ist, in dem Messwertverlauf der optischen Weglänge jeweils eine Stufe zu erzeugen und die in einem vorgegebenen Abstand zueinander angeordnet sind. Bevorzugt ist die Recheneinheit zur Erkennung des Abstands zweier Stufen in dem Messwertverlauf und zur Berechnung des Brechungsindex der Flüssigkeit anhand des erkannten Abstands in dem Messwertverlauf konfiguriert.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Messvorrichtung einen vollständig innerhalb der Flüssigkeit angeordneten Referenzpfad mit einer vorgegebenen geometrischen Weglänge aufweist und die Recheneinheit zusätzlich zur Berechnung des Brechungsindex der Flüssigkeit anhand einer Messung der optischen Weglänge entlang des Referenzpfads konfiguriert ist. Bevorzugt ist der Referenzpfad derart angeordnet, dass für einen vorgegebenen Bereich des Ablenkwinkels der Ablenkeinrichtung der Laserstrahl nicht auf die Reflexionsfläche sondern in den Referenzpfad abgelenkt wird. Alternativ kann ein zusätzlicher Laserabstandsmesser zur Messung der optischen Weglänge entlang des Referenzpfads vorgesehen sein, so dass eine Ablenkeinrichtung nicht zwingend erforderlich ist. Der zusätzliche Laserabstandsmesser ist bevorzugt identisch mit dem ohnehin vorhandenen Laserabstandsmesser ausgebildet.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Messvorrichtung einen vollständig außerhalb der Flüssigkeit angeordneten Kalibrierungspfad mit einer vorgegebenen geometrischen Weglänge aufweist und die Recheneinheit zusätzlich zur Kalibrierung des Laserabstandsmessers anhand einer Messung der optischen Weglänge entlang des Kalibrierungspfads konfiguriert ist. Eine derartige Ausgestaltung bringt den Vorteil mit sich, dass vor oder während des Betriebs des Laserabstandsmessers eine Kalibrierung durchgeführt werden kann. Hierdurch kann unerwünschten Messfehlern infolge einer Veränderung der Betriebstemperatur entgegengewirkt werden.
Vorteilhaft ist es, wenn die Recheneinheit zusätzlich zur Berechnung einer Neigung der Flüssigkeitsoberfläche gegenüber dem Laserabstandsmesser oder gegenüber einer Horizontalen konfiguriert ist, so dass die Messvorrichtung auch zur Ermittlung der Lage des Flüssigkeitsspiegels im Raum herangezogen werden kann. Hierdurch kann bei einem Schrägstand des Flüssigkeitstanks eine fehlerhafte Interpretation des Messergebnisses des Füllstands verhindert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bevorzugt mittels der Recheneinheit zusätzlich eine Neigung der Flüssigkeitsoberfläche gegenüber dem Laserabstandsmesser oder gegenüber einer Horizontalen berechnet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können die im Zusammenhang mit der Messvorrichtung oder dem Flüssigkeitstank erläuterten vorteilhaften Merkmale ebenfalls Anwendung finden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand der in den Zeichnungen gezeigten Ausführungseispiele näher erläutert werden.
Figurenliste

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Flüssigkeitstanks mit einer Messvorrichtung gemäß der Erfindung in einer schematischen Darstellung.
2 zeigt einen Messwertverlauf der optischen Weglänge in Abhängigkeit von dem Ablenkwinkel sowie das Ergebnis einer nicht-linearen Kurvenanpassung der Messvorrichtung nach 1.
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Flüssigkeitstanks mit einer Messvorrichtung gemäß der Erfindung in einer schematischen Darstellung.
4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Flüssigkeitstanks mit einer Messvorrichtung gemäß der Erfindung in einer schematischen Darstellung.
5 zeigt einen Messwertverlauf der optischen Weglänge in Abhängigkeit von dem Ablenkwinkel sowie das Ergebnis einer nicht-linearen Kurvenanpassung der Messvorrichtung nach 5.
6 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines Flüssigkeitstanks mit einer Messvorrichtung gemäß der Erfindung in einer schematischen Darstellung.

Ausführungsformen der Erfindung
Die 1 zeigt einen Flüssigkeitstank 2, der teilweise mit einer Flüssigkeit 6 gefüllt ist. Der Flüssigkeitstank 2 kann beispielsweise als Flüssigkeitstank in einem Kraftfahrzeug ausgebildet sein. Bei der Flüssigkeit 6 kann es sich um einen Kraftstoff, insbesondere einen Diesel- oder Ottokraftstoff, oder um eine wässrige Harnstofflösung, insbesondere AdBlue®, handeln.
Zur Überwachung der Flüssigkeit 6 in dem Flüssigkeitstank 2 weist der Flüssigkeitstank 2 eine Messvorrichtung 1 auf, welche mit geringem Material- und Kostenaufwand die Messung mehrerer Messgrößen ermöglicht. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Messvorrichtung 1 sowohl die Bestimmung des Füllstands d_fl als auch die Bestimmung des Brechungsindex n_fl der Flüssigkeit 6 ermöglicht. Optional kann zusätzlich die Neigung der Flüssigkeitsoberfläche gegenüber einer Horizontalen ermittelt werden.
Die Messvorrichtung 1 umfasst einen Laserabstandsmesser 5, welcher derart ausgestaltet ist, dass die optische Weglänge durch Selbstmischung des von dem Laserabstandsmesser 5 emittierten Laserstrahls mit dem Laserlicht, welches an der Reflexionsfläche reflektiert wurde, messbar ist. Insofern arbeitet der Laserabstandsmesser 5 nach dem Prinzip der Self-Mixing Interferometrie (SMI). Der Laserabstandsmesser 5 ist als Halbleiterlaser ausgebildet, insbesondere als vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL), und weist eine integrierte Photodiode auf. Über eine Beobachtung der optischen Ausgangsleistung des Halbleiterlasers kann die optische Weglänge zwischen dem Laserabstandmesser 5 und der Reflexionsfläche ermittelt werden.
Die Messvorrichtung 1 umfasst ferner eine Ablenkeinheit 4 zum Ablenken des von dem Laserabstandsmesser 5 emittierten Laserstrahls um einen Ablenkwinkel θ. Die Ablenkeinheit 4 weist einen Mikrospiegel auf, welcher bevorzugt als MEMS ausgebildet ist. Die Ablenkeinheit 4 und der Laserabstandsmesser 5 sind beide auf einer ersten Seite der Flüssigkeitsoberfläche der Flüssigkeit 6 angeordnet. Beispielsweise können die Ablenkeinheit 4 und der Laserabstandsmesser 5 beide Teil eines Sensormoduls sein. Die Ablenkeinheit 4 und der Laserabstandsmesser 5 können wie in 1 gezeigt unterhalb der Flüssigkeit 6 angeordnet sein. Hierzu weist der Flüssigkeitstank 2 ein Fenster 3 auf, welches aus einem für den Laserstrahl transparenten Material besteht. Abweichend davon ist möglich, dass die Ablenkeinheit 4 und der Laserabstandsmesser 5 oberhalb der Flüssigkeit 6 angeordnet sind. Eine weitere Alternative sieht vor, dass die Ablenkeinheit 4 und der Laserabstandsmesser 5 innerhalb des Flüssigkeitstanks 2, also innerhalb der Flüssigkeit 6 angeordnet sind.
Durch den Laserabstandsmesser 5 kann im Zusammenspiel mit dem Ablenkspiegel 4 ein Messwertverlauf 102 einer optischen Weglänge zwischen dem Laserabstandsmesser 5 und einer Reflexionsfläche 2.1 in Abhängigkeit von dem Ablenkwinkel θ ermittelt werden. Ein beispielhafter Messwertverlauf 102 ist über dem Ablenkwinkel θ in dem Diagramm der 2 aufgetragen. In 2 ist auf der Ordinatenachse 100 ist die optische Weglänge d_opt und auf der Abszissenachse 101 der Ablenkwinkel θ aufgetragen. Die Reflexionsfläche 2.1 ist zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, diffus reflektierend ausgebildet. Über die Ablenkeinheit 4 kann der Laserstrahl derart abgelenkt werden, dass er auf der Reflexionsfläche 2.1 eine Linie beschreibt. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wird als Reflexionsfläche die Oberfläche 2.1 einer oberen Innenwand des Flüssigkeitstanks 2 verwendet. Diese Oberfläche 2.1 ist auf einer zweiten Seite der Flüssigkeitsoberfläche angeordnet, welche der ersten Seite gegenüberliegt, auf welcher der Laserabstandsmesser 5 und die Ablenkeinheit 5 angeordnet sind.
Ein weiterer Bestandteil der Messvorrichtung 1 ist eine Recheneinheit 7, welche mit dem Laserabstandsmesser 5 verbunden ist. Die Recheneinheit 7 weist einen programmierbaren Prozessor, insbesondere einen Mikrocontroller, auf. Die Recheneinheit 7 ist zur Berechnung des Füllstands d_fl und/oder des Brechungsindex der Flüssigkeit 6 anhand des ermittelten Messwertverlaufs 102 konfiguriert. Die Recheneinheit 7 kann mittels eines vorgegebenen Funktionsverlaufs eine nicht-lineare Kurvenanpassung 103 an den Messwertverlauf durchführen. Der Füllstand d_fl und der Brechungsindex der Flüssigkeit 6 sind dabei ein Parameter des vorgegebenen Funktionsverlaufs, so dass der Füllstand d_fl und der Brechungsindex aus der nicht-linearen Kurvenanpassung 103 ermittelt werden kann.
Bei dem Flüssigkeitstank 2 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wird ein Funktionsverlauf gemäß Gleichung 1 vorgegeben. Hierbei bezeichnet d_opt die ermittelte optische Weglänge, n den Brechungsindex der Luft bei der Wellenlänge des Laserabstandsmessers, n_fl den Brechungsindex der Flüssigkeit 6 bei der Wellenlänge des Laserabstandsmessers, n_win den Brechungsindex des Fensters 3 bei der Wellenlänge des Laserabstandsmessers, θ den Ablenkwinkel, d den geometrischen Abstand von Laserabstandsmesser 5 und/oder Ablenkeinheit 4 zu der Reflexionsfläche 2.1, d_fl den Füllstand der Flüssigkeit 6 und d_win die Dicke des Fensters 3. $d_{opt} = n \frac{d - d_{fl} - d_{win}}{cos θ} + n_{fl} \frac{d_{fl}}{\sqrt{1 - \frac{n^{2} {sin}^{2} θ}{n_{fl}^{2}}}} + n_{win} \frac{d_{win}}{\sqrt{1 - \frac{n^{2} {sin}^{2} θ}{n_{win}^{2}}}}$
Sofern der geometrische Abstand d, die Brechzahlen n, n_fl und n_win sowie die Fensterdicke d_win bekannt, d.h. vorgegeben, sind, kann aus der nicht-linearen Kurvenanpassung 103 an dem Messdatenverlauf 102 der Füllstand d_fl ermittelt werden. Somit ist es möglich, anhand des Messdatenverlaufs 102 den Füllstand d_fl zu ermitteln.
Sofern die Brechzahl n_fl der Flüssigkeit nicht bekannt ist, kann die Gleichung 1 zur gleichzeitigen Ermittlung von Füllstand d_fl und Brechzahl n_fl herangezogen werden. In diesem Fall sind lediglich der geometrische Abstand d, die Brechzahlen n und n_win sowie die Fensterdicke d_win bekannt, d.h. vorgegeben. Aus der nicht-linearen Kurvenanpassung 103 können Füllstands d_f und/oder Brechungsindex n_fl der Flüssigkeit 6 ermittelt werden. Die gleichzeitige Ermittlung von Füllstands d_f und Brechungsindex n_fl der Flüssigkeit 6 liefert verbesserte Ergebnisse, wenn der Messdatenverlauf 102 für einen Bereich des Ablenkwinkels θ größer als 45°, bevorzugt größer als 60°, besonders bevorzugt größer als 70°, vorliegt.
Gemäß einer Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels wird der von dem Laserabstandsmesser 5 emittierte Laserstrahl derart eingekoppelt, dass er nach Brechung beim Übergang in die Flüssigkeit 6 unter einem Winkel auf die Grenzfläche zwischen Flüssigkeit 6 und Luft trifft, der größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion. Bei einem Brechungsindex von 1,33 (Wasser bei 589 nm Wellenlänge) beträgt der Grenzwinkel beispielsweise 48,8°. Ist der Winkel größer als der Grenzwinkel Fall findet Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit 6 und Luft statt. Der Laserstrahl wird in Richtung der Innenwand des Flüssigkeitstanks reflektiert, an der das Fenster 3 angeordnet ist. Der reflektierte Laserstrahl wird an der Innenwand des Flüssigkeitstanks diffus gestreut. Auch in diesem Fall kann über die zurückgelegte optische Weglänge d_opt der Füllstand d_fl bestimmt werden, wobei jedoch eine modifizierte Gleichung 1 zugrunde gelegt werden muss.
In 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Flüssigkeitstanks 2 mit einer Messvorrichtung 1 gemäß der Erfindung dargestellt. Die Messvorrichtung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel weist eine Ablenkeinheit 4, einen Laserentfernungsmesser 5, die identisch zu denen des ersten Ausführungsbeispiels sind. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel sind in dem Flüssigkeitstank 2 mehrere Schwimmkörper 8 angeordnet, welche auf der Flüssigkeit 6 schwimmen. Die Messvorrichtung 1 des zweiten Ausführungsbeispiels verwendet die Oberfläche dieser Schwimmkörper 8 als Reflexionsfläche für den Laserstrahl des Laserabstandsmessers 5. Daher sind die Oberflächen der Schwimmkörper 8 zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, diffus reflektierend ausgestaltet. Die Schwimmkörper 8 können als Kugeln oder Scheiben ausgebildet sein.
Die Messvorrichtung 1 weist eine Recheneinheit 7 auf, die mit dem Laserabstandsmesser 5 verbunden ist. Und einen programmierbaren Prozessor, insbesondere einen Mikrocontroller, umfasst. Die Recheneinheit 7 ist zur Berechnung des Füllstands d_fl und/oder des Brechungsindex der Flüssigkeit 6 anhand des ermittelten Messwertverlaufs konfiguriert. Wie bei der Recheneinheit des ersten Ausführungsbeispiels wird ein Funktionsverlauf vorgegeben, um eine nicht-lineare Kurvenanpassung an den Messwertverlauf durchführen. Der Füllstand d_fl und der Brechungsindex der Flüssigkeit 6 sind dabei ein Parameter des vorgegebenen Funktionsverlaufs, so dass der Füllstand d_fl und der Brechungsindex aus der nicht-linearen Kurvenanpassung ermittelt werden kann. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel wird ein Funktionsverlauf gemäß Gleichung 2 vorgegeben. $d_{opt} = n \frac{d}{cos θ} + n_{fl} \frac{d_{fl}}{\sqrt{1 - \frac{n^{2} {sin}^{2} θ}{n_{fl}^{2}}}} + n_{win} \frac{d_{win}}{\sqrt{1 - \frac{n^{2} {sin}^{2} θ}{n_{win}^{2}}}}$
Hierbei bezeichnet d_opt die ermittelte optische Weglänge, n den Brechungsindex der Luft bei der Wellenlänge des Laserabstandsmessers, n_fl den Brechungsindex der Flüssigkeit 6 bei der Wellenlänge des Laserabstandsmessers, n_win den Brechungsindex des Fensters 3 bei der Wellenlänge des Laserabstandsmessers, θ den Ablenkwinkel, d den geometrischen Abstand von Laserabstandsmesser 5 und/oder Ablenkeinheit 4 zu dem Fenster 3, d_fl den Füllstand der Flüssigkeit 6 und d_win die Dicke des Fensters 3.
Die Gleichung 2 kann zur gleichzeitigen Ermittlung von Füllstand d_fl und Brechzahl n_fl herangezogen werden. In diesem Fall müssen der geometrische Abstand d, die Brechzahlen n und n_win sowie die Fensterdicke d_win bekannt, d.h. vorgegeben sein. Aus der nicht-linearen Kurvenanpassung 103 können Füllstands d_f und/oder Brechungsindex n_fl der Flüssigkeit 6 ermittelt werden. Die gleichzeitige Ermittlung von Füllstands d_f und Brechungsindex n_fl der Flüssigkeit 6 liefert verbesserte Ergebnisse, wenn der Messdatenverlauf für einen Bereich des Ablenkwinkels θ größer als 45°, bevorzugt größer als 60°, besonders bevorzugt größer als 70°, vorliegt.
Die 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Flüssigkeitstanks 2 mit einer Messvorrichtung 1 gemäß der Erfindung. Der Flüssigkeitstank 2 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ähnelt dem des ersten Ausführungsbeispiels, weshalb im Folgenden nur die Unterschiede gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben werden.
Bei dem Flüssigkeitstank 2 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel wird eine Innenwand des Flüssigkeitstanks 2 als Reflexionsfläche verwendet. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel weist die Reflexionsfläche zwei Markierungsstrukturen 8 auf. Die Markierungsstrukturen 8 sind als Erhebungen in der Oberfläche der Innenwand des Flüssigkeitstanks 2 ausgebildet. Beim Abtasten der Reflexionsfläche mit dem durch die Ablenkeinheit 4 abgelenkten Laserstrahl des Laserabstandsmessers 5 erzeugen die Markierungsstrukturen 8 jeweils eine Stufe in dem Messwertverlauf 102 der optischen Weglänge. Die Markierungsstrukturen 8 sind in einem vorgegebenen Abstand w zueinander angeordnet.
Die Stufen sind in dem in 5 gezeigten Messwertverlauf 102 zu erkennen. In 5 ist auf der Ordinatenachse 100 ist die optische Weglänge d_opt und auf der Abszissenachse 101 der Ablenkwinkel θ aufgetragen. Der Ablenkwinkel θ_step, bei welchem die Stufe in dem Messwertverlauf 102 besteht, ist mit dem Bezugszeichen 104 bezeichnet.
Die Recheneinheit 7 dieser Messvorrichtung 1 ist zur Berechnung des Brechungsindex n_fl der Flüssigkeit 6 anhand der Stufe in dem Messwertverlauf konfiguriert. Insbesondere ist die Recheneinheit 7 derart konfiguriert, dass sie eine Stufe in dem Messwertverlauf erkennt und den Ablenkwinkel θ_step bestimmt, bei welchem die Stufe in dem Messwertverlauf 102 besteht. Der Ablenkwinkel θ_step 104 kann zusammen mit der bei diesem Ablenkwinkel θ_step gemessenen optischen Weglänge d_opt verwendet werden, um den Brechungsindex n_fl der Flüssigkeit 6 zu bestimmen. Hierzu wird in der Recheneinheit 7 die Gleichung 3 ausgewertet. Der Gleichung 3 liegt die Annahme zugrunde, dass die Dicke d_win des Fensters 3 vernachlässigt werden kann. $w = d tan θ_{step} + (d_{opt} - n \frac{d}{cos θ_{step}}) {(\frac{n_{fl}}{\sqrt{1 - \frac{n^{2} {sin}^{2} θ_{step}}{n_{fl}^{2}}}} - \frac{n}{cos θ_{step}})}^{- 1} (tan [arcsin (\frac{n sin θ_{step}}{n_{fl}})] - tan θ_{step})$
Hierbei bezeichnet d_opt die ermittelte optische Weglänge, n den Brechungsindex der Luft bei der Wellenlänge des Laserabstandsmessers, n_fl den Brechungsindex der Flüssigkeit 6 bei der Wellenlänge des Laserabstandsmessers, θ_step den Ablenkwinkel, bei welchem die Stufe im Messwertverlauf 102 besteht, d den geometrischen Abstand von Laserabstandsmesser 5 und/oder Ablenkeinheit 4 zu der Reflexionsfläche und w den Abstand der Markierungsstrukturen 8. Zur Ermittlung des Brechungsindex n_fl der Flüssigkeit 6 muss also der Abstand w, der Abstand d sowie der Brechungsindex n der Luft bekannt sein.
Die Bestimmung des Füllstands d_fl kann bei dem Flüssigkeitstank 2 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel in gleicher Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel erfolgen.
In der 6 ist ein viertes Ausführungsbeispiel eines Flüssigkeitstanks 2 gemäß der Erfindung gezeigt. Der Flüssigkeitstank 2 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel ähnelt dem des ersten Ausführungsbeispiels, weshalb im Folgenden nur die Unterschiede gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben werden.
Bei dem vierten Ausführungsbeispiel weist die Messvorrichtung 1 einen vollständig innerhalb der Flüssigkeit 6 angeordneten Referenzpfad mit einer vorgegebenen geometrischen Weglänge auf. Ferner ist die Recheneinheit 7 zur Berechnung des Brechungsindex n_fl der Flüssigkeit 6 anhand einer Messung der optischen Weglänge entlang des Referenzpfads konfiguriert. Dies soll im Folgenden erläutert werden.
Der Referenzpfad ist derart angeordnet, dass für einen vorgegebenen Bereich des Ablenkwinkels θ der abgelenkte Laserstrahl des Laserabstandsmessers 5 nicht auf die Reflexionsfläche 2.1 sondern in den Referenzpfad abgelenkt wird. Zur Ablenkung in den Referenzpfad weist die Messvorrichtung 1 ein Spiegelelement 11 auf, welches bevorzugt an einer der Flüssigkeit 6 zugewandten Innenseite des Fensters 3 angeordnet ist. Das Spiegelelement 11 kann nach Art eines rechtwinkligen Prismas ausgebildet sein, dessen Hypotenuse verspiegelt ist. Das Spiegelelement 11 lenkt den Laserstrahl in Richtung einer Seitenwand des Flüssigkeitstanks ab. Alternativ kann der Laserstrahl in Richtung einer anderen Innenwand des Flüssigkeitstanks 2, beispielsweise in Richtung des Bodens, abgelenkt werden. Die geometrische Länge d_ref des Referenzpfads in der Flüssigkeit 6, hier der Abstand zwischen dem Spiegelelement 11 in der Seitenwand des Flüssigkeitstanks 2, ist bekannt. Über eine Messung der optischen Weglänge d_opt in dem Referenzpfad kann der Brechungsindex n_fl der Flüssigkeit 6 bestimmt werden, wenn die geometrische Länge d_ref des Referenzpfads in der Flüssigkeit 6 und die optische Weglänge des Laserstrahls vor dem Eintritt in die Flüssigkeit 6 bekannt ist.
Es ist möglich, den Brechungsindex n_fl der Flüssigkeit 6 über eine Messung der optischen Weglänge d_opt in dem Referenzpfad auch in solchen Fällen zu bestimmen, in denen die optische Weglänge des Laserstrahls vor dem Eintritt in die Flüssigkeit 6 nicht bekannt ist. Hierzu wird ein Teilbereich 12 der Fläche des Spiegelelements 11 durch welche das Laserlicht in die Flüssigkeit 6 eintritt diffus streuend ausgebildet. In diesem Teilbereich 12 wird daher das Laserlicht zu dem Laserabstandsmesser zurückgeworfen ohne die Flüssigkeit 6 zu passieren. In dem Teilbereich 12 findet insofern eine Messung der optischen Weglänge bis zu der Fläche des Spiegelelements 11 statt, durch welche das Laserlicht in die Flüssigkeit 6 eintritt. Der Laserabstandsmesser 5 kann somit einerseits die optische Weglänge im Referenzpfad, d.h. durch die Flüssigkeit 6 bis zu der Innenwand des Flüssigkeitstanks 2, messen und andererseits die optische Weglänge bis vor dem Eintritt in die Flüssigkeit 6. Es kann die Differenz dieser optischen Weglängen gebildet werden, um die optische Weglänge für den Bereich des Referenzpfads zu erhalten, der ausschließlich in der Flüssigkeit liegt.
Die Bestimmung des Füllstands d_fl kann bei dem Flüssigkeitstank 2 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel in gleicher Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel erfolgen.
Die vorstehend beschriebenen Flüssigkeitstanks 2 weisen jeweils eine Messvorrichtung 1 zur Überwachung einer Flüssigkeit 6 in dem Flüssigkeitstank 2 auf Die Messvorrichtungen 1 umfassen einen Laserabstandsmesser 5 und eine Ablenkeinheit 4 zum Ablenken eines Laserstrahls des Laserabstandsmessers 5 um einen Ablenkwinkel θ, welche beide auf einer ersten Seite einer Flüssigkeitsoberfläche der Flüssigkeit 6 derart angeordnet sind, dass mittels dem Laserabstandsmesser 5 ein Messwertverlauf 102 einer optischen Weglänge d_opt zwischen dem Laserabstandsmesser 5 und einer auf einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite der Flüssigkeitsoberfläche angeordneten Reflexionsfläche in Abhängigkeit von dem Ablenkwinkel θ ermittelbar ist. Ferner umfasst die Messvorrichtung 1 eine Recheneinheit 7, die zur Berechnung des Füllstands d_fl und/oder des Brechungsindex n_fl der Flüssigkeit 6 in dem Flüssigkeitstank 2 anhand des ermittelten Messwertverlaufs 102 konfiguriert ist. Optional kann die Recheneinheit 7 zusätzlich zur Berechnung einer Neigung der Flüssigkeitsoberfläche gegenüber dem Laserabstandsmesser 5 oder gegenüber einer Horizontalen konfiguriert sein.
In der vorstehenden Beschreibung soll die Verwendung eines bestimmten oder unbestimmten Artikels zusammen mit einem Substantiv auch den Plural des Substantivs einschließen, sofern nichts anderes erwähnt wird. Die Begriffe „erster“ und „zweiter“ in der Beschreibung und den Ansprüchen sollen das Unterscheiden ähnlicher Elemente voneinander ermöglichen und beschreiben keine bestimmte Abfolge dieser Elemente. Ferner werden nachfolgend identische Elemente mit identischen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Claims

Messvorrichtung (1) zur Überwachung einer Flüssigkeit (6) in einem Flüssigkeitstank (2), mit einem Laserabstandsmesser (5) und einer Ablenkeinheit (4) zum Ablenken eines Laserstrahls des Laserabstandsmessers (5) um einen Ablenkwinkel (θ), welche beide auf einer ersten Seite einer Flüssigkeitsoberfläche der Flüssigkeit (6) derart anordbar sind, dass mittels dem Laserabstandsmesser (5) ein Messwertverlauf (102) einer optischen Weglänge zwischen dem Laserabstandsmesser (5) und einer auf einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite der Flüssigkeitsoberfläche angeordneten Reflexionsfläche in Abhängigkeit von dem Ablenkwinkel (θ) ermittelbar ist, und mit einer Recheneinheit (7), die zur Berechnung des Füllstands (d_fl) und/oder des Brechungsindex der Flüssigkeit (6) in dem Flüssigkeitstank (2) anhand des ermittelten Messwertverlaufs (102) konfiguriert ist.
Flüssigkeitstank (2) mit einer Messvorrichtung (1) zur Überwachung einer Flüssigkeit (6) in dem Flüssigkeitstank (2), mit einem Laserabstandsmesser (5) und einer Ablenkeinheit (4) zum Ablenken eines Laserstrahls des Laserabstandsmessers (5) um einen Ablenkwinkel (θ), welche beide auf einer ersten Seite einer Flüssigkeitsoberfläche der Flüssigkeit (6) derart angeordnet sind, dass mittels dem Laserabstandsmesser (5) ein Messwertverlauf (102) einer optischen Weglänge d_opt zwischen dem Laserabstandsmesser (5) und einer auf einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite der Flüssigkeitsoberfläche angeordneten Reflexionsfläche in Abhängigkeit von dem Ablenkwinkel (θ) ermittelbar ist, und mit einer Recheneinheit (7), die zur Berechnung des Füllstands (d_fl) und/oder des Brechungsindex der Flüssigkeit (6) in dem Flüssigkeitstank (2) anhand des ermittelten Messwertverlaufs (102) konfiguriert ist.
Flüssigkeitstank nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsfläche eine zumindest teilweise diffus reflektierende Reflexionsfläche ist.
Flüssigkeitstank nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsfläche eine Oberfläche eines Schwimmkörpers (8) ist.
Flüssigkeitstank nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsfläche eine Innenwand (2.1) des Flüssigkeitstanks (2) ist.
Flüssigkeitstank nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsfläche mindestens eine Markierungsstruktur (8) aufweist, welche geeignet ist, in dem Messwertverlauf (102) der optischen Weglänge (d_opt) eine Stufe zu erzeugen, und die Recheneinheit (7) zusätzlich zur Erkennung einer Stufe in dem Messwertverlauf (102) und zur Berechnung des Brechungsindex der Flüssigkeit (6) anhand der Stufe in dem Messwertverlauf (102) konfiguriert ist.
Flüssigkeitstank nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (1) einen vollständig innerhalb der Flüssigkeit (6) angeordneten Referenzpfad mit einer vorgegebenen geometrischen Weglänge (d_ref) aufweist und die Recheneinheit (7) zusätzlich zur Berechnung des Brechungsindex der Flüssigkeit (6) anhand einer Messung der optischen Weglänge (d_opt) entlang des Referenzpfads konfiguriert ist.
Flüssigkeitstank nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (1) einen vollständig außerhalb der Flüssigkeit (6) angeordneten Kalibrierungspfad mit einer vorgegebenen geometrischen Weglänge (d_ref) aufweist und die Recheneinheit (7) zusätzlich zur Kalibrierung des Laserabstandsmessers (5) anhand einer Messung der optischen Weglänge (d_opt) entlang des Kalibrierungspfads konfiguriert ist.
Flüssigkeitstank nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (7) zusätzlich zur Berechnung einer Neigung der Flüssigkeitsoberfläche gegenüber dem Laserabstandsmesser (5) oder gegenüber einer Horizontalen konfiguriert ist.
Messverfahren zur Überwachung einer Flüssigkeit (6) in einem Flüssigkeitstank (2), mit einer Messvorrichtung (1), die einen Laserabstandsmesser (5) und eine Ablenkeinheit (4) aufweist, welche beide auf einer ersten Seite einer Flüssigkeitsoberfläche der Flüssigkeit (6) angeordnet sind, wobei mittels dem Laserabstandsmesser (5) ein Messwertverlauf (102) einer optischen Weglänge (d_opt) zwischen dem Laserabstandsmesser (5) und einer auf einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite der Flüssigkeitsoberfläche angeordneten Reflexionsfläche in Abhängigkeit von dem Ablenkwinkel (θ) ermittelt wird, und wobei mittels einer Recheneinheit (7), der Füllstand (d_fl) und/oder der Brechungsindex der Flüssigkeit (6) in dem Flüssigkeitstank (2) anhand des ermittelten Messwertverlaufs (102) berechnet wird.
Messverfahren nach Anspruch 10, wobei mittels der Recheneinheit (7) zusätzlich eine Neigung der Flüssigkeitsoberfläche gegenüber dem Laserabstandsmesser (5) oder gegenüber einer Horizontalen berechnet wird.