DE102019121605A1 - Optical liquid detector with flat detection surface and coplanar optoelectronic components - Google Patents

Optical liquid detector with flat detection surface and coplanar optoelectronic components Download PDF

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Abstract

Optischer Flüssigkeitsdetektor (100) zum Detektieren einer Flüssigkeit in der Umgebung einer ebenen Detektionsfläche (102), wobei der optische Flüssigkeitsdetektor (100) ein optisches Element (104), das die ebene Detektionsfläche (102) aufweist und zumindest zum Teil aus einem für elektromagnetische Strahlung (108) transparenten Medium gebildet ist, eine elektromagnetische Strahlungsquelle (106) zum Erzeugen elektromagnetischer Strahlung (108) und zum Einkoppeln der elektromagnetischen Strahlung (108) in das optische Element (104), wobei die elektromagnetische Strahlungsquelle (106) eine Montagefläche (180) zum Montieren an einer Montageplatte (184) aufweist, und einen elektromagnetischen Strahlungsdetektor (110) aufweist, der eine Montagefläche (182) zum Montieren an der Montageplatte (184) aufweist und ausgebildet ist, die elektromagnetische Strahlung (108) nach Durchlaufen des optischen Elements (104) und nach Reflexion an der Detektionsfläche (102) zu detektieren, wenn in der Umgebung der ebenen Detektionsfläche (102) keine Flüssigkeit vorhanden ist, und die elektromagnetische Strahlung (108) nach Durchlaufen des optischen Elements (104) nicht oder nur mit verminderter Intensität zu detektieren, wenn in der Umgebung der ebenen Detektionsfläche (102) eine Flüssigkeit vorhanden ist, wobei die Montagefläche (180) der elektromagnetischen Strahlungsquelle (106) und die Montagefläche (182) des elektromagnetischen Strahlungsdetektors (110) koplanar sind.

Figure DE102019121605A1_0000
An optical fluid detector (100) for detecting a fluid in the vicinity of a planar detection surface (102), the optical fluid detector (100) comprising an optical element (104) having the planar detection surface (102) and at least partially electromagnetic radiation (108) transparent medium, an electromagnetic radiation source (106) for generating electromagnetic radiation (108) and for coupling the electromagnetic radiation (108) into the optical element (104), wherein the electromagnetic radiation source (106) has a mounting surface (180). for mounting on a mounting plate (184), and an electromagnetic radiation detector (110) having a mounting surface (182) for mounting to the mounting plate (184) and adapted to transmit the electromagnetic radiation (108) after passing through the optical element (18) 104) and after reflection at the detection surface (102) when in the environment of the flat detection surface (102) no liquid is present, and the electromagnetic radiation (108) after passing through the optical element (104) not or only with reduced intensity to detect when in the vicinity of the flat detection surface (102) a liquid present wherein the mounting surface (180) of the electromagnetic radiation source (106) and the mounting surface (182) of the electromagnetic radiation detector (110) are coplanar.
Figure DE102019121605A1_0000

Description

TECHNISCHER HINTERGRUNDTECHNICAL BACKGROUND

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Flüssigkeitsdetektor, eine Anordnung und ein Verfahren zum optischen Detektieren einer Flüssigkeit.The present invention relates to an optical liquid detector, an arrangement and a method for optically detecting a liquid.

Zur Detektion einer Flüssigkeit kann die Absorption von Licht oder auch das Verschwinden von Totalreflexion detektiert werden, wenn der optische Flüssigkeitssensor in die Flüssigkeit eintaucht oder daran angrenzt. Der optoelektronische Flüssigkeitssensor kann eine Lichtquelle, wie zum Beispiel eine Infrarot-LED, und einem Lichtempfänger aufweisen. Das Licht der Lichtquelle wird in ein Prisma oder in einen Kegel an der Spitze eines Messaufnehmers gerichtet. Solange die Spitze nicht in Flüssigkeit eingetaucht ist, wird das Licht innerhalb des Prismas oder Kegels zweimal zum Empfänger reflektiert. Steigt die Flüssigkeit und umschließt die Spitze, wird das Licht durch die Flüssigkeit gebrochen und erreicht nicht mehr oder nur abgeschwächt den Empfänger.For the detection of a liquid, the absorption of light or the disappearance of total reflection can be detected when the optical fluid sensor is immersed in or adjacent to the fluid. The opto-electronic liquid sensor may include a light source such as an infrared LED and a light receiver. The light from the light source is directed into a prism or into a cone at the tip of a sensor. As long as the tip is not immersed in liquid, the light within the prism or cone is reflected twice to the receiver. If the liquid rises and encloses the tip, the light is refracted by the liquid and does not reach the receiver any more or only weakens.

Herkömmliche optische Flüssigkeitssensoren können einen relativ hohen Platzbedarf aufweisen.Conventional optical fluid sensors may require a relatively large amount of space.

OFFENBARUNGEPIPHANY

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen optischen Flüssigkeitssensor mit geringem Platzbedarf bereitzustellen. Die Aufgabe wird mittels der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen gezeigt.It is an object of the invention to provide an optical fluid sensor with a small footprint. The object is achieved by means of the independent claims. Further embodiments are shown in the dependent claims.

Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein optischer Flüssigkeitsdetektor zum Detektieren einer Flüssigkeit (zum Beispiel Wasser oder eine wässrige Lösung) in der Umgebung einer ebenen Detektionsfläche (zum Beispiel unmittelbar angrenzend an die ebene Detektionsfläche oder zu der ebenen Detektionsfläche durch eine Behälterwand beanstandet) geschaffen, aufweisend ein optisches Element, das die ebene Detektionsfläche aufweist und zumindest zum Teil aus einem für elektromagnetische Strahlung (insbesondere für sichtbares Licht oder Infrarotstrahlung) transparenten Medium gebildet ist, eine elektromagnetische Strahlungsquelle zum Erzeugen elektromagnetischer Strahlung und zum Einkoppeln der elektromagnetischen Strahlung in das optische Element, wobei die elektromagnetische Strahlungsquelle eine (insbesondere ebene) Montagefläche zum Montieren an einer (insbesondere ebenen) Montageplatte aufweist, und einen elektromagnetischen Strahlungsdetektor, der eine (insbesondere ebene) Montagefläche zum Montieren an der Montageplatte aufweist und ausgebildet ist, die elektromagnetische Strahlung nach Durchlaufen des optischen Elements und nach Reflexion an der Detektionsfläche zu detektieren, wenn in der Umgebung der ebenen Detektionsfläche keine Flüssigkeit (sondern zum Beispiel Luft oder ein anderes Gas) vorhanden ist, und die elektromagnetische Strahlung nach Durchlaufen des optischen Elements nicht oder nur mit verminderter Intensität zu detektieren, wenn in der Umgebung der ebenen Detektionsfläche eine Flüssigkeit vorhanden ist, wobei die Montagefläche der elektromagnetischen Strahlungsquelle und die Montagefläche des elektromagnetischen Strahlungsdetektors koplanar sind (d.h. in einer Ebene liegen).According to an exemplary embodiment of the present invention, an optical liquid detector for detecting a liquid (for example, water or an aqueous solution) in the vicinity of a flat detection surface (for example, immediately adjacent to the flat detection surface or to the flat detection surface through a container wall) is provided comprising an optical element having the planar detection surface and formed at least in part of a transparent to electromagnetic radiation (in particular visible or infrared radiation) medium, an electromagnetic radiation source for generating electromagnetic radiation and for coupling the electromagnetic radiation in the optical element wherein the electromagnetic radiation source has a (in particular flat) mounting surface for mounting on a (in particular flat) mounting plate, and an electromagnetic radiation detector, which has a (in particular planar) mounting surface for mounting on the mounting plate and is designed to detect the electromagnetic radiation after passing through the optical element and after reflection at the detection surface, if in the vicinity of the flat detection surface no liquid (but for example air or another gas), and to detect the electromagnetic radiation after passing through the optical element not or only with reduced intensity when in the vicinity of the flat detection surface, a liquid is present, the mounting surface of the electromagnetic radiation source and the mounting surface of the electromagnetic radiation detector coplanar are (ie lie in one plane).

Gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel ist eine Anordnung bereitgestellt, aufweisend einen Behälter zum Aufnehmen von Flüssigkeit, der durch eine Behälterwand begrenzt ist, und einen Flüssigkeitsdetektor mit den oben beschriebenen Merkmalen, der an der Behälterwand angebracht oder anbringbar ist, um Flüssigkeit in dem Behälter zu detektieren.According to another exemplary embodiment, there is provided an assembly comprising a container for containing liquid confined by a container wall and a liquid detector having the above-described features attached or attachable to the container wall to detect liquid in the container ,

Gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel ist ein Verfahren zum optischen Detektieren einer Flüssigkeit in der Umgebung einer ebenen Detektionsfläche eines optischen Elements bereitgestellt, wobei das Verfahren ein Erzeugen elektromagnetischer Strahlung mittels einer elektromagnetischen Strahlungsquelle und ein Einkoppeln der elektromagnetischen Strahlung in das zumindest teilweise aus einem für die elektromagnetische Strahlung transparenten Medium gebildete optische Element aufweist. Die elektromagnetische Strahlungsquelle kann eine Montagefläche haben, die auf einer Montageplatte montiert ist. Das Verfahren kann ferner ein Detektieren der elektromagnetischen Strahlung nach Durchlaufen des optischen Elements und nach Reflexion an der ebenen Detektionsfläche mittels eines elektromagnetischen Strahlungsdetektors aufweisen, wenn in der Umgebung der ebenen Detektionsfläche keine Flüssigkeit vorhanden ist. Ferner kann das Verfahren kein oder nur ein intensitätsvermindertes Detektieren der elektromagnetischen Strahlung nach Durchlaufen des optischen Elements aufweisen, wenn angrenzend an die Detektionsfläche eine Flüssigkeit vorhanden ist. Der elektromagnetische Strahlungsdetektor kann eine Montagefläche haben, die koplanar mit der Montagefläche der elektromagnetischen Strahlungsquelle ist und auf der Montageplatte montiert ist. Strahlungsquelle, Strahlungsdetektor und Montageplatte können eine Baugruppe bilden.According to another exemplary embodiment, there is provided a method of optically detecting a liquid in the vicinity of a planar detection surface of an optical element, the method comprising generating electromagnetic radiation by means of an electromagnetic radiation source and injecting the electromagnetic radiation at least partially from one for the electromagnetic Radiation transparent medium formed optical element. The electromagnetic radiation source may have a mounting surface mounted on a mounting plate. The method may further comprise detecting the electromagnetic radiation after passing through the optical element and after reflection at the planar detection surface by means of an electromagnetic radiation detector when no liquid is present in the vicinity of the planar detection surface. Furthermore, the method may have no or only an intensity-reduced detection of the electromagnetic radiation after passing through the optical element, if a liquid is present adjacent to the detection surface. The electromagnetic radiation detector may have a mounting surface that is coplanar with the mounting surface of the electromagnetic radiation source and mounted on the mounting plate. Radiation source, radiation detector and mounting plate can form an assembly.

Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein optischer Flüssigkeitsdetektor geschaffen, bei dem elektromagnetische Strahlung in ein optisches Element eingekoppelt wird und nach Reflexion an einer Detektionsfläche von einem elektromagnetischen Strahlungsdetektor erfasst werden kann, wenn angrenzend bzw. in der Nachbarschaft der Detektionsfläche keine Flüssigkeit enthalten ist. Ist hingegen Flüssigkeit in der Umgebung der Detektionsfläche enthalten, so kann die elektromagnetische Strahlung an einer Grenzfläche zu der Flüssigkeit aufgrund des nun veränderten Brechungsindex zumindest teilweise in die Flüssigkeit propagieren, so dass ein Detektorsignal vermindert oder auf Null reduziert wird. Mit Vorteil kann die Detektionsfläche eben ausgebildet werden, so dass ein Anbringen des Flüssigkeitsdetektors an einer zum Beispiel ebenen Behälterwand eines Behälters, dessen Flüssigkeitsstand gemessen werden soll, vereinfacht oder ermöglicht ist. Ferner vermindert dies den Platzbedarf des Flüssigkeitsdetektors. Darüber hinaus ist es von Vorteil, dass eine Montagefläche zum Montieren der elektromagnetischen Strahlungsquelle an einer Montageplatte (zum Beispiel eine Leiterplatte, PCB) und eine Montagefläche des elektromagnetischen Strahlungsdetektors zum Montieren an derselben Montageplatte in einer Ebene liegen, das heißt koplanar sind. Diese platzsparende Konfiguration vorzugsweise ohne erhabenen Überstand kann durch ein geeignetes Design des Strahlengangs (und insbesondere des optischen Elements) erreicht werden. Auf diese Weise ist eine platzsparende Montage des optischen Elements mit daran angebrachtem elektromagnetischen Strahlungsdetektor und elektromagnetischer Strahlungsquelle und somit auch unter beengten räumlichen Gegebenheiten ermöglicht. Die ebenfalls ebene Detektionsfläche trägt ebenfalls zur Kompaktheit des optischen Flüssigkeitsdetektors bei und erlaubt eine Herstellung des Flüssigkeitsdetektors mit geringem Aufwand. Durch die beschriebene Konfiguration ist eine platzsparende kompakte Herstellung des Flüssigkeitsdetektors ermöglicht, wobei aufgrund eines entsprechenden Designs des Strahlengangs (Bildung eines Spalts bzw. einer Ausnehmung, Fokussierung, etc.) gleichzeitig ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis erreicht werden kann. Außerdem ist ein solcher optischer Flüssigkeitsdetektor mit geringem Aufwand herstellbar.According to an exemplary embodiment of the invention, an optical liquid detector is provided in which electromagnetic radiation is coupled into an optical element and after reflection at a detection surface of an electromagnetic radiation detector can be detected when adjacent to or in the vicinity of the detection surface no liquid is contained. On the other hand, if liquid is contained in the vicinity of the detection surface, the electromagnetic radiation at an interface to the liquid can at least partially propagate into the liquid due to the now changed refractive index, so that a detector signal is reduced or reduced to zero. Advantageously, the detection surface can be formed flat so that attaching the liquid detector to a flat container wall, for example, of a container whose liquid level is to be measured is simplified or made possible. Furthermore, this reduces the space requirement of the liquid detector. In addition, it is advantageous that a mounting surface for mounting the electromagnetic radiation source to a mounting plate (for example, a printed circuit board, PCB) and a mounting surface of the electromagnetic radiation detector for mounting on the same mounting plate are in a plane, that is, coplanar. This space-saving configuration preferably without raised projection can be achieved by a suitable design of the beam path (and in particular of the optical element). In this way, a space-saving installation of the optical element with it attached electromagnetic radiation detector and electromagnetic radiation source and thus also in confined spatial conditions possible. The also flat detection surface also contributes to the compactness of the optical liquid detector and allows a production of the liquid detector with little effort. Due to the described configuration, a space-saving compact production of the liquid detector is made possible, wherein due to a corresponding design of the beam path (formation of a gap or a recess, focusing, etc.) simultaneously a high signal-to-noise ratio can be achieved. In addition, such an optical liquid detector can be produced with little effort.

Im Weiteren werden zusätzliche Ausgestaltungen das optischen Flüssigkeitsdetektors, der Anordnung und des Verfahrens beschrieben.In addition, additional embodiments of the optical fluid detector, the arrangement and the method will be described.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann optional die Detektionsfläche eine ebene Frontfläche des Flüssigkeitsdetektors bilden, die einer aus den Montageflächen der optoelektronischen Komponenten (d.h. Strahlungsquelle und Strahlungsdetektor) gebildeten rückseitigen Montageebene gegenüberliegt. Aufgrund dieser Ausgestaltung kann die Frontfläche des Flüssigkeitsdetektors von Erhebungen oder Überständen freigehalten werden und somit eine kompakte Konfiguration erreicht werden. Außerdem ist eine solche ebene Frontfläche kompatibel mit einer Anbringung des Flüssigkeitsdetektors an der Außenseite eines Behälters, der die zu detektierende Flüssigkeit enthalten kann. Es ist allerdings anzumerken, dass die Flächen alternativ auch beliebig anders orientiert sein können.According to an embodiment, optionally, the detection surface may form a flat front surface of the liquid detector opposite to a rear mounting plane formed of the mounting surfaces of the optoelectronic components (i.e., radiation source and radiation detector). Due to this configuration, the front surface of the liquid detector can be kept free of elevations or projections and thus a compact configuration can be achieved. In addition, such a flat front surface is compatible with attachment of the liquid detector to the outside of a container which may contain the liquid to be detected. It should be noted, however, that the surfaces can alternatively be oriented in any other way.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Detektionsfläche so ausgebildet sein, dass die elektromagnetische Strahlung nach Durchlaufen des optischen Elements und nach genau einmaliger oder mehrmaliger Totalreflexion an der Detektionsfläche mittels des elektromagnetischen Strahlungsdetektors detektierbar ist, wenn in der Umgebung der (zum Beispiel angrenzend an die) Detektionsfläche keine Flüssigkeit vorhanden ist. Indem Totalreflexion der elektromagnetischen Strahlung an der Detektionsfläche verwendet wird, kann bei Abwesenheit von Flüssigkeit die elektromagnetische Strahlung totalreflektiert werden und bei Anwesenheit von Flüssigkeit im Umgebungsbereich der Detektionsfläche die elektromagnetische Strahlung zu einem erheblichen Teil in die Flüssigkeit eingekoppelt werden.According to one exemplary embodiment, the detection surface may be formed so that the electromagnetic radiation after passing through the optical element and after exactly one or more total reflection at the detection surface by means of the electromagnetic radiation detector is detectable, if in the environment of (for example, adjacent to the) detection surface no Liquid is present. By using total reflection of the electromagnetic radiation at the detection surface, in the absence of liquid, the electromagnetic radiation can be totally reflected and, in the presence of liquid in the surrounding area of the detection surface, the electromagnetic radiation can be coupled to a considerable extent into the liquid.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Detektionsfläche so ausgebildet sein, dass die elektromagnetische Strahlung an der Detektionsfläche nicht totalreflektiert wird, wenn in der Umgebung der (zum Beispiel angrenzend an die) Detektionsfläche eine Flüssigkeit vorhanden ist. Mit anderen Worten kann in Anwesenheit einer Flüssigkeit aufgrund der dann anderen Verhältnisse der Brechungsindizes keine Totalreflexion mehr stattfinden, so dass eine deutlich messbare Signalreduktion am Ort des elektromagnetischen Strahlungsdetektors auftreten kann.According to one embodiment, the detection surface may be configured such that the electromagnetic radiation at the detection surface is not totally reflected when a liquid is present in the vicinity of (for example, adjacent to) the detection surface. In other words, no total reflection can take place in the presence of a liquid due to the then different ratios of the refractive indices, so that a clearly measurable signal reduction at the location of the electromagnetic radiation detector can occur.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Detektionsfläche so ausgebildet sein, dass die elektromagnetische Strahlung bei Reflexion an der Detektionsfläche um 90° umgelenkt wird, wenn in der Umgebung der (zum Beispiel angrenzend an die) Detektionsfläche keine Flüssigkeit vorhanden ist. Anders ausgedrückt kann bei Totalreflexion auf die Detektionsfläche einfallende elektromagnetische Strahlung ebenso einen 45°-Winkel mit einer Normalen auf die Detektionsfläche einschließen wie die totalreflektierte elektromagnetische Strahlung.According to an exemplary embodiment, the detection surface may be formed such that the electromagnetic radiation is deflected by 90 ° when it is reflected at the detection surface if no liquid is present in the vicinity of the (for example adjacent to) the detection surface. In other words, upon total reflection on the detection surface incident electromagnetic radiation may also include a 45 ° angle with a normal to the detection surface as the totally reflected electromagnetic radiation.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das optische Element eine primäre Reflexionsfläche aufweisen, die ausgebildet ist, dass die elektromagnetische Strahlung an der primären Reflexionsfläche zu der Detektionsfläche reflektiert wird, insbesondere an der primären Reflexionsfläche totalreflektiert wird. Durch das Ausbilden einer ersten Reflexionsfläche als Außenfläche des optischen Elements angrenzend an Luft ist es möglich, das von der elektromagnetischen Strahlungsquelle ausgesandte Licht hinsichtlich seiner Winkelstellung auf ein günstiges Einfallen auf die Detektionsfläche vorzubereiten. Da die erste Reflexionsfläche ansonsten keine Aufgaben zu erfüllen hat, ist ein Gestalter des Flüssigkeitsdetektors hinsichtlich der Geometrie der ersten Reflexionsfläche frei.According to one embodiment, the optical element may have a primary reflection surface, which is designed such that the electromagnetic radiation at the primary reflection surface is reflected to the detection surface, in particular is totally reflected at the primary reflection surface. By forming a first reflection surface as an outer surface of the optical element adjacent to air, it is possible to prepare the light emitted by the electromagnetic radiation source with respect to its angular position for a favorable incidence on the detection surface. Otherwise the first reflection surface is not assigned any tasks has met, a designer of the liquid detector is free with respect to the geometry of the first reflection surface.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die primäre Reflexionsfläche so ausgebildet sein, dass die elektromagnetische Strahlung nach Reflexion an der primären Reflexionsfläche unter einem 45° Winkel auf die Detektionsfläche gerichtet wird. Anders ausgedrückt kann die erste Reflexionsfläche so ausgebildet werden, dass der besonders vorteilhafte 45°-Winkel beim Einfallen der elektromagnetischen Strahlung auf die eigentliche Detektionsfläche (zum Beispiel angrenzend an zu detektierende Flüssigkeit, falls vorhanden) mit hoher Präzision erreicht werden kann.According to one embodiment, the primary reflection surface may be formed such that the electromagnetic radiation is directed onto the detection surface at a 45 ° angle after reflection at the primary reflection surface. In other words, the first reflection surface can be formed such that the particularly advantageous 45 ° angle can be achieved with high precision when the electromagnetic radiation is incident on the actual detection surface (for example adjacent to liquid to be detected, if present).

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die primäre Reflexionsfläche eben oder gekrümmt sein. Eine ebene Reflexionsfläche lässt sich mit sehr geringem Herstellungsaufwand herstellen, zum Beispiel wenn das optische Element mittels Fräsens aus einem Rohling hergestellt wird. Beim Fräsen sind in der Regel nur eine begrenzte Anzahl von Flächen frei definierbar. Alternativ kann jedoch die erste Reflexionsfläche gekrümmt (insbesondere konvex gekrümmt) ausgebildet sein, um die elektromagnetische Strahlung, die von der elektromagnetischen Strahlungsquelle häufig divergent abgestrahlt wird, zu kollimieren. Dies führt zu einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis und schärft außerdem die Übertragungsfunktion. Anschaulich kann ein kleiner Strahldurchmesser auf wenigstens einer Halbachse erreicht werden.According to an embodiment, the primary reflection surface may be flat or curved. A flat reflection surface can be produced with very low production costs, for example when the optical element is produced by milling from a blank. When milling usually only a limited number of surfaces are freely definable. Alternatively, however, the first reflection surface may be curved (in particular convexly curved) in order to collimate the electromagnetic radiation, which is often divergently emitted by the electromagnetic radiation source. This leads to a high signal-to-noise ratio and also sharpens the transfer function. Clearly, a small beam diameter can be achieved on at least one semi-axis.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das optische Element eine sekundäre Reflexionsfläche aufweisen, die ausgebildet ist, dass die elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise an der Detektionsfläche auf die sekundäre Reflexionsfläche reflektiert wird, insbesondere auf die sekundäre Reflexionsfläche totalreflektiert wird. Nach Reflexion an der Detektionsfläche und vor Erreichen des elektromagnetischen Strahlungsdetektors kann somit die elektromagnetische Strahlung an einer äußeren sekundären Reflexionsfläche des Flüssigkeitsdetektors bzw. des optischen Elements (d.h. angrenzend an Luft oder dergleichen) wiederum reflektiert werden, um den elektromagnetischen Strahl gezielt durch das optische Element zu führen.According to one exemplary embodiment, the optical element may have a secondary reflection surface, which is designed such that the electromagnetic radiation is at least partially reflected at the detection surface onto the secondary reflection surface, in particular is totally reflected onto the secondary reflection surface. Thus, after reflection at the detection surface and before reaching the electromagnetic radiation detector, the electromagnetic radiation at an outer secondary reflection surface of the liquid detector or optical element (ie, adjacent to air or the like) may be reflected again to selectively direct the electromagnetic beam through the optical element to lead.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die sekundäre Reflexionsfläche so ausgebildet sein, dass die elektromagnetische Strahlung an der sekundären Reflexionsfläche reflektiert wird, insbesondere totalreflektiert wird. Die sekundäre Reflexionsfläche kann also frei so gestaltet werden, dass eine gewünschte Strahlrichtung vor dem Einfallen auf den elektromagnetischen Detektor erreicht wird. Durch Reflexion, bevorzugt Totalreflexion, der von der Detektionsfläche reflektierten, elektromagnetischen Strahlung an der sekundären Reflexionsfläche des optischen Elements kann also erreicht werden, dass allenfalls ein geringer Signalverlust mit dieser Reflexion einhergeht.According to one embodiment, the secondary reflection surface may be formed so that the electromagnetic radiation is reflected at the secondary reflection surface, in particular is totally reflected. Thus, the secondary reflection surface can be freely designed so that a desired beam direction is achieved prior to the collision with the electromagnetic detector. By reflection, preferably total reflection, of the detection surface reflected, electromagnetic radiation to the secondary reflection surface of the optical element can thus be achieved that at most a small signal loss is associated with this reflection.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die sekundäre Reflexionsfläche so ausgebildet sein, dass die elektromagnetische Strahlung an der sekundären Reflexionsfläche um 90° umgelenkt wird. Indem auch die sekundäre Reflexionsfläche ausgebildet ist, die elektromagnetische Strahlung nach Reflexion an der Detektionsfläche um 90° umzulenken, kann die elektromagnetische Strahlung in eine geeignete Winkelstellung gebracht werden, um danach - insbesondere direkt oder indirekt - auf den elektromagnetischen Strahlungsdetektor zum Detektieren einzufallen.According to an embodiment, the secondary reflection surface may be formed so that the electromagnetic radiation is deflected at the secondary reflection surface by 90 °. By also the secondary reflection surface is formed to deflect the electromagnetic radiation after reflection at the detection surface by 90 °, the electromagnetic radiation can be brought into a suitable angular position to thereafter - especially directly or indirectly - incident on the electromagnetic radiation detector for detecting.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die sekundäre Reflexionsfläche eben oder gekrümmt sein. Wenn die sekundäre Reflexionsfläche gekrümmt ausgebildet ist, kann der teilweise divergente Lichtstrahl vor dem Einfallen auf den elektromagnetischen Strahlungsdetektor mit Vorteil kollimiert werden. Dies trägt zu einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis bei, selbst wenn die eingesetzte elektromagnetische Strahlungsquelle ein relativ hohes Maß an Divergenz zeigt. Durch die kollimierende Wirkung der zweiten Reflexionsfläche ist es mit Vorteil möglich, auch elektromagnetische Strahlungsquellen geringerer Güte in dem Flüssigkeitsdetektor zu verbauen und den Flüssigkeitsdetektor daher mit geringem Aufwand herzustellen.According to an embodiment, the secondary reflection surface may be flat or curved. If the secondary reflecting surface is curved, the partially divergent light beam may be advantageously collimated before it is incident on the electromagnetic radiation detector. This contributes to a high signal-to-noise ratio, even if the electromagnetic radiation source used exhibits a relatively high degree of divergence. Due to the collimating effect of the second reflection surface, it is advantageously possible to obstruct also electromagnetic radiation sources of lesser quality in the liquid detector and therefore to produce the liquid detector with little effort.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das optische Element mindestens eine Ausnehmung (zum Beispiel mindestens ein Sackloch oder mindestens ein Luftspalt) aufweisen, die von Seitenwänden das optischen Elements begrenzt ist. Beispielsweise kann die Ausnehmung eine azylindrische Öffnung sein. Eine solche Ausnehmung kann zum Beispiel als Schlitz in das optische Element eingebracht werden. Zum Beispiel kann ein solcher Schlitz durch Fräsen hergestellt werden. Wenn der Schlitz ohne Hinterschnitt ausgebildet wird, ist eine kostengünstige Ausbildung des Schlitzes durch Fräsen ermöglicht. Auch ist eine spritzgusstechnische Fertigung ermöglicht, wenn die Ausnehmung zum Beispiel als Schlitz ausgebildet ist oder allgemeiner ohne Hinterschnitt gebildet ist. Sowohl ein Fräsen als auch ein Herstellen der Ausnehmung durch ein Spritzgussverfahren ermöglicht jeweils ein Herstellen des Flüssigkeitsdetektors mit geringem Aufwand.According to one embodiment, the optical element may have at least one recess (for example at least one blind hole or at least one air gap) bounded by side walls of the optical element. For example, the recess may be an acylindrical opening. Such a recess can be introduced, for example, as a slot in the optical element. For example, such a slot can be made by milling. If the slot is formed without undercut, a cost-effective design of the slot is made possible by milling. An injection molding production is also possible if the recess is designed as a slot, for example, or is generally formed without an undercut. Both a milling and a production of the recess by an injection molding process in each case enables a production of the liquid detector with little effort.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Ausnehmung so ausgebildet sein, dass die elektromagnetische Strahlung nach Reflexion an der Detektionsfläche, und insbesondere zusätzlich nach Reflexion an der sekundären Reflexionsfläche, von einer der Seitenwände in Richtung des elektromagnetischen Strahlungsdetektors reflektiert wird. Indem in dem Inneren des optischen Elements also die Ausnehmung ausgebildet wird, kann ohne wesentlichen Zusatzaufwand eine weitere Reflexionsfläche geschaffen werden, an der die von der Detektionsfläche direkt oder über die zweite Reflexionsfläche kommende elektromagnetische Strahlung abermals reflektiert, vorzugsweise totalreflektiert, wird. Die Ausnehmung unterbindet gleichzeitig ein Propagieren der elektromagnetischen Strahlung in unerwünschte Bereiche des optischen Elements und unterdrückt dadurch Streulicht. Dadurch kann ein unerwünschtes Übersprechen bzw. eine unerwünschte Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung vor und nach Reflexion an der Detektionsfläche vermieden werden.According to an exemplary embodiment, the recess may be formed so that the electromagnetic radiation after reflection at the detection surface, and in particular additionally after reflection at the secondary reflection surface, from one of the side walls in the direction of the electromagnetic radiation detector is reflected. By thus forming the recess in the interior of the optical element, a further reflection surface can be created without substantial additional expenditure, at which the electromagnetic radiation coming from the detection surface directly or via the second reflection surface is reflected again, preferably totally reflected. The recess simultaneously prevents propagation of the electromagnetic radiation into undesired regions of the optical element and thereby suppresses stray light. As a result, undesired crosstalk or undesired interaction of electromagnetic radiation before and after reflection at the detection surface can be avoided.

Optional ist es möglich, die Ausnehmung ganz oder teilweise mit einem zum Beispiel optisch absorbierenden Material zu füllen und/oder außenseitig zu verschließen. Durch beide Maßnahmen kann sichergestellt werden, dass kein Schmutz in die Ausnehmung gelangt, der die Totalreflexion an einer Seitenfläche der Ausnehmung stören könnte. Wenn die Ausnehmung vollständig mit optisch absorbierendem Material ausgefüllt wird, kann dafür Sorge getragen werden, dass dieses Material mit einem geeigneten Brechungsindex gewählt wird, um die Totalreflexion der von der Detektionsfläche direkt oder indirekt kommenden elektromagnetischen Strahlung nicht zu beeinträchtigen. Auf diese Weise kann das Signal-Rausch-Verhältnis weiter erhöht werden.Optionally, it is possible to fill the recess completely or partially with an optically absorbing material, for example, and / or to close it on the outside. By both measures can be ensured that no dirt enters the recess, which could interfere with the total reflection on a side surface of the recess. When the recess is completely filled with optically absorbent material, care can be taken to choose this material with a suitable index of refraction so as not to interfere with the total reflection of the electromagnetic radiation coming directly or indirectly from the detection surface. In this way, the signal-to-noise ratio can be further increased.

Das optische Element, insbesondere in Kombination mit einem oder mehreren Ausnehmungen in dessen Inneren, kann ausgebildet sein, entweder eine einzige Reflexion der elektromagnetischen Strahlung an der Detektionsfläche oder mehrere Reflexionen zu bewirken. Bei einer Reflexion kann der optische Pfad kurz gehalten werden. Bei mehreren Reflexionen kann das Signal-Rausch-Verhältnis weiter verbessert werden. Mit Vorteil kann eine einzige Reflexion oder können auch mehrere Reflexionen an der Detektionsfläche erfolgen, ohne dass ein erhabener Überstand gebildet wird.The optical element, in particular in combination with one or more recesses in its interior, can be designed to effect either a single reflection of the electromagnetic radiation at the detection surface or several reflections. Upon reflection, the optical path can be kept short. With multiple reflections, the signal-to-noise ratio can be further improved. Advantageously, a single reflection or even multiple reflections on the detection surface can take place without a raised projection being formed.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Mantelfläche des optischen Elements gekrümmt sein, insbesondere zylindrisch oder kegelförmig gekrümmt sein. Durch eine Krümmung der Mantelfläche des optischen Elements, die ebenfalls in einfacher Weise durch Spritzguss oder Fräsen hergestellt werden kann, kann eine Kollimation der elektromagnetischen Strahlung erreicht werden, selbst wenn die elektromagnetische Strahlungsquelle die elektromagnetische Strahlung mit Divergenz aussendet. Kollimation kann die Parallelrichtung divergenter Lichtstrahlen oder allgemeiner die Verringerung von Divergenz der elektromagnetischen Strahlung bezeichnen.According to one embodiment, a lateral surface of the optical element can be curved, in particular be curved in a cylindrical or conical manner. By a curvature of the lateral surface of the optical element, which can also be produced in a simple manner by injection molding or milling, a collimation of the electromagnetic radiation can be achieved, even if the electromagnetic radiation source emits the electromagnetic radiation with divergence. Collimation may refer to the parallel direction of divergent light rays or, more generally, to the reduction of electromagnetic radiation divergence.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das optische Element so ausgebildet sein, dass die elektromagnetische Strahlung unmittelbar nach Emission an der elektromagnetischen Strahlungsquelle und unmittelbar vor Erreichen des elektromagnetischen Strahlungsdetektors zueinander antiparallel propagiert. Die Strahlungsbündel direkt nach Emission und direkt vor Detektion können sich somit parallel, aber in entgegengesetzter Richtung bewegen. Besonders vorteilhaft ist eine Reflexion des Lichts bzw. der elektromagnetischen Strahlung derart, dass der Strahlungspfad direkt nach Emission und jener direkt vor Detektion zueinander antiparallel sind, d.h. einen Winkel von 180° zueinander haben. Gemeinsam mit der optionalen, aber bevorzugten parallelen Anordnung zwischen der ebenen Detektionsfläche und der ebenen Montageebene führt dies zu einer besonders kompakten Konfiguration des Flüssigkeitsdetektors und gleichzeitig zu einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis.According to one exemplary embodiment, the optical element may be configured such that the electromagnetic radiation propagates antiparallel to one another immediately after emission at the electromagnetic radiation source and immediately before reaching the electromagnetic radiation detector. The radiation beams directly after emission and directly before detection can thus move in parallel, but in the opposite direction. Reflection of the light or of the electromagnetic radiation is particularly advantageous in such a way that the radiation path directly after emission and that directly before detection are antiparallel to one another, ie. have an angle of 180 ° to each other. Together with the optional but preferred parallel arrangement between the planar detection surface and the plane mounting plane, this leads to a particularly compact configuration of the liquid detector and at the same time to a high signal-to-noise ratio.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das optische Element einen Hauptkörper und ein an den Hauptkörper ansetzbares oder daran angesetztes Ansatzstück aufweisen, das zum Bilden der ebenen Detektionsfläche eine freiliegende Endfläche aufweist. Mit Vorteil kann ein solches Ansatzstück auf einen vorzugsweise einstückigen Hauptkörper des optischen Elements angestückt werden, zum Beispiel aufgeklebt werden. Durch ein solches Ansatzstück ist eine Einpassung des Flüssigkeitsdetektors in ein Loch in einer Behälterwand mit zu detektierender Flüssigkeit ermöglicht. Ferner erlaubt das Anstücken eines Ansatzstücks an den Hauptkörper des optischen Elements das Erreichen einer Medienkompatibilität, wenn also der Flüssigkeitsdetektor mit unterschiedlichen Materialien und Medien verwendet werden soll. Das Ansatzstück kann zum Beispiel als Zusatzscheibe auf den Hauptkörper aufgebracht werden. Ansatzstück und Hauptkörper können gleiche oder unterschiedliche Materialien und daher gleiche oder unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen.According to an embodiment, the optical element may comprise a main body and a lug attachable or attached to the main body having an exposed end surface for forming the planar detection surface. Advantageously, such an extension can be attached to a preferably one-piece main body of the optical element, for example glued. By such an extension fitting of the liquid detector is made possible in a hole in a container wall with liquid to be detected. Further, fitting an extension piece to the main body of the optical element permits achieving media compatibility, that is, when the liquid detector is to be used with different materials and media. The extension piece can be applied to the main body as an additional disk, for example. The endpiece and the main body may have the same or different materials and therefore the same or different refractive indices.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Flüssigkeitsdetektor derart ausgebildet, dass nach genau einmaliger oder mehrmaliger Reflexion an der Detektionsfläche die elektromagnetische Strahlung an dem elektromagnetischen Strahlungsdetektor detektierbar ist, wenn in der Umgebung der (insbesondere angrenzend an die) Detektionsfläche keine Flüssigkeit vorhanden ist. Eine genau einmalige Reflexion hat den Vorteil eines kurzen und daher dämpfungsarmen Strahlenwegs. Mit einer mehrmaligen Reflexion an der Detektionsfläche kann ein sehr hohes Signal-Rausch-Verhältnis erreicht werden, da sich bei jeder (vorzugsweise Total-) Reflexion der Intensitätsunterschied am elektromagnetischen Strahlungsdetektor zwischen den Szenarien erhöht, in denen in der Umgebung der Detektionsfläche (insbesondere daran angrenzend) Flüssigkeit oder Luft vorhanden ist.According to one exemplary embodiment, the liquid detector is designed in such a way that, after exactly one or more reflections on the detection surface, the electromagnetic radiation on the electromagnetic radiation detector can be detected if there is no liquid present in the surroundings of the detection surface (in particular adjacent to the) detection surface. An exactly unique reflection has the advantage of a short and therefore low-attenuation beam path. With a multiple reflection on the detection surface, a very high signal-to-noise ratio can be achieved, since at each (preferably total) reflection the difference in intensity at the electromagnetic radiation detector increases between the scenarios in which in the vicinity of the detection surface (in particular adjacent thereto ) Liquid or air is present.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Flüssigkeitsdetektor die (insbesondere ebene) Montageplatte (insbesondere eine Leiterplatte) aufweisen, wobei die Montagefläche der elektromagnetischen Strahlungsquelle und die Montagefläche des elektromagnetischen Strahlungsdetektors an (insbesondere auf und/oder in) der Montageplatte montiert sind. Somit kann der Flüssigkeitsdetektor eine Montageplatte, insbesondere eine Leiterplatte, aufweisen, auf der die elektromagnetische Strahlungsquelle und der elektromagnetische Strahlungsdetektor an der ersten Montagefläche bzw. an der zweiten Montagefläche montiert sind. Eine ebene Montageplatte, die zum Beispiel als gedruckte Leiterplatte (PCB, printed circuit board) ausgebildet sein kann, dient zum elektrischen Ankoppeln der elektromagnetischen Strahlungsquelle und des elektromagnetischen Strahlungsdetektors. Die Leiterplatte kann eine elektrische Schaltung zum Koppeln dieser Bauelemente beinhalten. Ferner können auf der Montageplatte weitere elektronische Komponenten zur Signalerzeugung bzw. Signalauswertung aufgebracht werden. Die Implementierung einer ebenen Montageplatte in den in vertikaler Richtung kompakten Flüssigkeitsdetektor ist besonders vorteilhaft. According to one embodiment, the liquid detector may comprise the (in particular flat) mounting plate (in particular a printed circuit board), wherein the mounting surface of the electromagnetic radiation source and the mounting surface of the electromagnetic radiation detector are mounted on (in particular on and / or in) the mounting plate. Thus, the liquid detector may comprise a mounting plate, in particular a printed circuit board, on which the electromagnetic radiation source and the electromagnetic radiation detector are mounted on the first mounting surface and on the second mounting surface, respectively. A planar mounting plate, which may be formed, for example, as a printed circuit board (PCB), serves to electrically couple the electromagnetic radiation source and the electromagnetic radiation detector. The circuit board may include an electrical circuit for coupling these components. Furthermore, further electronic components for signal generation or signal evaluation can be applied to the mounting plate. The implementation of a planar mounting plate in the vertically compact liquid detector is particularly advantageous.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine der ersten Montagefläche und der zweiten Montagefläche zugeordnete Montageebene parallel zu der ebenen Detektionsfläche sein. Mit Vorteil kann die Montageebene, die durch die koplanaren Montageflächen definiert ist, und die ebene Detektionsfläche zueinander parallel ausgebildet sein. Auf diese Weise ist eine besonders platzsparende Konfiguration des Flüssigkeitsdetektors ermöglicht.According to one embodiment, a mounting plane associated with the first mounting surface and the second mounting surface may be parallel to the planar detection surface. Advantageously, the mounting plane, which is defined by the coplanar mounting surfaces, and the flat detection surface may be formed parallel to each other. In this way, a particularly space-saving configuration of the liquid detector is possible.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann bei der Anordnung der Flüssigkeitsdetektor derart an der Behälterwand angebracht sein, dass die Detektionsfläche durch eine Öffnung der Behälterwand in Berührkontakt mit Flüssigkeit in dem Behälter bringbar ist. Gemäß einer solchen Ausgestaltung der Anordnung ist es somit möglich, den Flüssigkeitsdetektor in ein Loch in einer Behälterwandung eines Behälters mit zu detektierender Flüssigkeit einzupassen. Auch dann befindet sich der Flüssigkeitsdetektor mit Ausnahme der Detektionsfläche vorteilhaft nicht in Kontakt mit der Flüssigkeit. Anschaulich bildet die Detektionsfläche dann einen Teil der Begrenzung des Behälters, in dem die zu detektierende Flüssigkeit enthalten sein kann. Insbesondere kann bevorzugt sein, dass die Detektionsfläche nicht über die Wände in den Behälter hineinragt.According to one embodiment, in the arrangement, the liquid detector may be mounted on the container wall such that the detection surface can be brought into contact with liquid in the container through an opening of the container wall. According to such an arrangement of the arrangement, it is thus possible to fit the liquid detector in a hole in a container wall of a container with liquid to be detected. Even then, the liquid detector with the exception of the detection surface is advantageously not in contact with the liquid. Illustratively, the detection surface then forms part of the boundary of the container in which the liquid to be detected can be contained. In particular, it may be preferred that the detection surface does not project beyond the walls into the container.

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Flüssigkeitsdetektor derart an der Behälterwand angebracht sein, dass in dem Behälter enthaltene Flüssigkeit von der Detektionsfläche durch die Behälterwand beabstandet ist. Alternativ zu dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel kann in der Anordnung der Flüssigkeitsdetektor also vollständig extern außenseitig auf eine geschlossene Behälterwand aufgesetzt werden, so dass keinerlei Flüssigkeitskontakt stattfindet. Dies ist insbesondere bei der Verwendung aggressiver chemischer Flüssigkeiten vorteilhaft.According to another embodiment, the liquid detector may be mounted to the container wall such that liquid contained in the container is spaced from the detection surface by the container wall. As an alternative to the exemplary embodiment described above, in the arrangement the liquid detector can thus be placed completely externally on the outside on a closed container wall, so that no liquid contact takes place. This is particularly advantageous when using aggressive chemical liquids.

Figurenlistelist of figures

Andere Ziele und viele der begleitenden Vorteile von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden leicht wahrnehmbar werden und besser verständlich werden unter Bezugnahme auf die folgende detailliertere Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen. Merkmale, die im Wesentlichen oder funktionell gleich oder ähnlich sind, werden mit denselben Bezugszeichen versehen.

  • 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines optischen Flüssigkeitsdetektors gemeinsam mit einem Behälter, der gegebenenfalls mit zu detektierender Flüssigkeit gefüllt ist, gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 2 zeigt eine räumliche Ansicht eines Teils des Flüssigkeitsdetektors gemäß 1.
  • 3 zeigt den Querschnitt eines optischen Elements eines Flüssigkeitsdetektors gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 4 zeigt einen Teil eines Flüssigkeitsdetektors an einer durchgehenden Behälterwandung eines Flüssigkeitsbehälters aus einem optisch transparenten Material gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Other objects and many of the attendant advantages of embodiments of the present invention will be readily appreciated and become better understood by reference to the following more particular description of embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings. Features that are substantially or functionally the same or similar are given the same reference numerals.
  • 1 shows a cross-sectional view of an optical liquid detector together with a container, which is optionally filled with liquid to be detected, according to an exemplary embodiment of the invention.
  • 2 shows a spatial view of a portion of the liquid detector according to 1 ,
  • 3 shows the cross section of an optical element of a liquid detector according to another embodiment of the invention.
  • 4 shows a portion of a liquid detector on a continuous container wall of a liquid container made of an optically transparent material according to yet another embodiment of the invention.

Die Darstellung in der Zeichnung ist schematisch.The illustration in the drawing is schematic.

Bevor bezugnehmend auf die Figuren exemplarische Ausführungsbeispiele beschrieben werden, sollen einige grundlegende Überlegungen zusammengefasst werden, basierend auf denen exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung abgeleitet worden sind.Before describing exemplary embodiments with reference to the figures, some basic considerations will be summarized based on which exemplary embodiments of the invention have been derived.

Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein zum Beispiel als optischer Flüssigkeitsstand-Schalter ausgebildeter Flüssigkeitsdetektor mit flacher Vorderseite und planarer Montageebene für eine elektromagnetische Strahlungsquelle und einen elektromagnetischen Strahlungsdetektor (sowie optional für mindestens ein weiteres optoelektronisches Bauelement) geschaffen.According to one exemplary embodiment of the invention, a liquid detector with a flat front surface and planar mounting plane for an electromagnetic radiation source and an electromagnetic radiation detector (and optionally for at least one further optoelectronic component) is provided, for example as an optical liquid level switch.

Optische Füllstandsmessgeräte basieren auf dem Prinzip der Totalreflexion an einer Feststoff-Luft-Grenzfläche oder an einer Feststoff-Flüssig-Grenzfläche. Aufgrund der Brechungsindexabhängigkeit des kritischen Winkels für optische Totalreflexion kann eine Änderung des Brechungsindex an der Grenzfläche zu unterschiedlichen Strahlengängen führen.Optical level gauges are based on the principle of total reflection at a solid-air interface or at a solid-liquid interface. Due to the refractive index dependence The critical angle for total optical reflection may result in a change in refractive index at the interface to different optical paths.

Herkömmlich werden häufig optische Elemente mit Kegelwinkeln oder prismatischen Strukturen mit einem Spitzenwinkel von 45° verwendet, um Licht von einer Lichtquelle (wie zum Beispiel einer Leuchtdiode, LED oder einem Laser) zu führen. Ein Spitzenwinkel von 45° bewirkt eine Änderung der Strahlrichtung um 180° nach zwei aufeinanderfolgenden Reflexionen an Grenzflächen eines optischen Elements, wodurch sowohl ein optisches Senderelement als auch ein optisches Empfängerelement an derselben ebenen Leiterplattenoberfläche montiert werden können. Ferner kann optische Totalreflexion für viele Kunststoff- oder Glasmaterialien erreicht werden, aus denen das optische Element gefertigt sein kann, wenn solche Materialien mit Luft oder ähnlichen Gasen in Berührung kommen. Besagter Spitzenwinkel von 45° ist nahe genug an dem kritischen Winkel für Totalreflexion, so dass Flüssigkeiten mit ihren im Vergleich zu Gasen üblicherweise deutlich höheren Werten des Brechungsindex die Anforderungen für Totalreflexion nicht erfüllen. Dies führt zu einer starken Änderung der Lichtintensität am optischen Empfängerelement, da das meiste Licht in die Flüssigkeit übertragen wird.Conventionally, optical elements with cone angles or prismatic structures with a point angle of 45 ° are often used to guide light from a light source (such as a light emitting diode, LED, or laser). An apex angle of 45 ° causes a 180 ° change in the beam direction after two successive reflections at optical element interfaces, whereby both a transmitter optical element and an optical receiver element can be mounted on the same planar circuit board surface. Furthermore, total optical reflection can be achieved for many plastic or glass materials from which the optical element can be made when such materials come in contact with air or similar gases. Said point angle of 45 ° is close enough to the critical angle for total reflection, so that liquids with their, compared to gases, usually much higher values of the refractive index do not meet the requirements for total reflection. This results in a large change in the light intensity at the receiver optical element, since most of the light is transferred into the liquid.

Dieser herkömmliche Ansatz weist jedoch Nachteile auf. Zum einen ragt die Kegel- oder Prismenstruktur des optischen Elements über Behälterwände des optischen Flüssigkeitsdetektors hinaus und ist daher einer mechanischen Beschädigung durch bewegliche Teile oder feste Bestandteile der Flüssigkeit in einer Umgebung ausgesetzt. Die vorstehenden Flächen bzw. Kanten können darüber hinaus an hochviskosen Flüssigkeiten anhaften und sind häufig schwierig zu reinigen oder steril zu machen. Außerdem ist der Platzbedarf für einen solchen Flüssigkeitsdetektor hoch, da das optische Element weit nach vorne herausragt.However, this conventional approach has disadvantages. First, the cone or prism structure of the optical element projects beyond container walls of the optical fluid detector and is therefore subject to mechanical damage by moving parts or solid components of the fluid in an environment. The protruding surfaces may also adhere to highly viscous liquids and are often difficult to clean or sterilize. In addition, the space required for such a liquid detector is high because the optical element protrudes far forward.

Ein Signal-Rausch-Verhältnis eines optischen Flüssigkeitsdetektors wird maßgeblich durch die Kollimationsqualität der elektromagnetische Strahlungsquelle, die Empfindlichkeit der Detektionstechnik gegenüber Umgebungslicht sowie durch Volumen- und/oder Oberflächenstreuung des optischen Elements eingeschränkt. Darüber hinaus verschlechtern verbleibende Flüssigkeit oder Feststoffe an den Grenzflächenoberflächen des optischen Flüssigkeitsdetektors das Signal-Rausch-Verhältnis zusätzlich.A signal-to-noise ratio of an optical liquid detector is significantly limited by the collimation quality of the electromagnetic radiation source, the sensitivity of the detection technique to ambient light as well as by volume and / or surface scattering of the optical element. In addition, remaining liquid or solids at the interface surfaces of the optical liquid detector additionally deteriorate the signal-to-noise ratio.

Bestimmte Flüssigkeiten oder Herstellungsverfahren verwenden Materialien mit stark nicht-idealen optischen Eigenschaften, wie beispielsweise teilkristalline Polymere. Solche Materialien können eine starke Volumenstreuung aufweisen, die einen direkten Lichtweg zwischen Senderelement und Empfängerelement generieren kann. Dadurch kann die erreichbare Modulation der Intensität vermindert werden, was die Empfindlichkeit des Flüssigkeitsdetektors verschlechtert.Certain liquids or manufacturing processes use materials with highly non-ideal optical properties, such as semicrystalline polymers. Such materials can have a high volume spread that can generate a direct light path between transmitter element and receiver element. Thereby, the achievable modulation of the intensity can be reduced, which deteriorates the sensitivity of the liquid detector.

Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein optischer Flüssigkeitsdetektor mit kompakter Konfiguration und hohem Signal-Rausch-Verhältnis geschaffen. Mit einem solchen Flüssigkeitsdetektor ist es insbesondere möglich, Grenzstände in Flüssigkeitsbehältern zu erfassen. Mit anderen Worten kann der Flüssigkeitsdetektor erfassen, ob ein bestimmter Grenzstand an Flüssigkeit (korrespondierend zu einer Position des Flüssigkeitsdetektors an dem Flüssigkeitsbehälter) erreicht bzw. überschritten oder unterschritten ist. Somit gestattet der Flüssigkeitsdetektor eine qualitative Aussage, ob oder ob nicht Flüssigkeit in einem Behälter einen bestimmten Füllstand erreicht hat. Mittels Verwendens von mehreren der Flüssigkeitsdetektoren an einem Behälter kann auch ein Füllstand der Flüssigkeit quantitativ ermittelt werden.According to an exemplary embodiment of the invention, an optical liquid detector with a compact configuration and a high signal-to-noise ratio is provided. With such a liquid detector, it is particularly possible to detect limit levels in liquid containers. In other words, the liquid detector can detect whether a certain limit level of liquid (corresponding to a position of the liquid detector on the liquid container) has been reached or exceeded or undershot. Thus, the liquid detector allows a qualitative statement as to whether or not liquid in a container has reached a certain level. By using several of the liquid detectors on a container, a liquid level can also be quantitatively determined.

Mit Vorteil kann der Flüssigkeitsdetektor, der vorzugsweise auf dem Prinzip der Totalreflexion beruht, für im Wesentlichen alle beliebigen Flüssigkeiten verwendet werden, die Brechungsindizes in vorbekannten Wertebereichen aufweisen. Da allenfalls die Detektionsfläche des Flüssigkeitsdetektors in Kontakt mit der Flüssigkeit zu bringen ist, ist eine einfache Reinigung des Flüssigkeitsdetektors möglich und kann auch der Füllstand von Flüssigkeiten aus aggressiven Chemikalien in einfacher Weise ermittelt werden. Die Konfiguration des Flüssigkeitsdetektors mit einer koplanaren Montageebene zum Montieren von elektromagnetischer Strahlungsquelle und elektromagnetischem Strahlungsdetektor sowie das Vorsehen einer ebenen bzw. planen Detektionsfläche angrenzend an die zu detektierende Flüssigkeit führen zu einer kompakten und wenig aufwendigen Herstellbarkeit des Flüssigkeitsdetektors. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Flüssigkeitsdetektor entsprechend dem Prinzip einer Totalreflexionsmessung fungieren. Weiter vorteilhaft ist es, eine 45°-Totalreflexion an Luft zu bewerkstelligen, nicht aber in einem Flüssigkeitsmedium. Dann erfasst der elektromagnetische Strahlungsdetektor eine deutlich geringere Intensität, wenn die Detektionsfläche an Flüssigkeit angrenzt, als wenn diese an Luft angrenzt.Advantageously, the liquid detector, which is preferably based on the principle of total reflection, can be used for substantially all liquids which have refractive indices in previously known value ranges. Since at most the detection surface of the liquid detector is to be brought into contact with the liquid, a simple cleaning of the liquid detector is possible and also the level of liquids from aggressive chemicals can be determined in a simple manner. The configuration of the liquid detector with a coplanar mounting plane for mounting electromagnetic radiation source and electromagnetic radiation detector and the provision of a planar detection surface adjacent to the liquid to be detected lead to a compact and inexpensive production of the liquid detector. According to one embodiment, the liquid detector may function according to the principle of total internal reflection measurement. It is also advantageous to effect a 45 ° total reflection in air, but not in a liquid medium. Then, the electromagnetic radiation detector detects a significantly lower intensity when the detection surface is adjacent to liquid than when it is adjacent to air.

Während viele Anwendungen eines Flüssigkeitsdetektors möglich sind, ist eine bevorzugte Anwendung das Anbringen an einem Behälter mit zu detektierender Flüssigkeit. Die Flüssigkeit kann zum Beispiel eine Probenflüssigkeit oder eine mobile Phase, das heißt ein Lösungsmittel oder eine Lösungsmittelzusammensetzung, sein. Beispielsweise können Nadeln eines Probentrenngeräts mit Flüssigkeit aus einem solchen Flüssigkeitsbehälter befüllt werden. Von Interesse kann dann sein, ob der Füllstand in dem Flüssigkeitsbehälter für eine gewünschte Aufgabe oder Anwendung ausreicht oder nicht. Mit Vorteil können Einbauten des Flüssigkeitsdetektors in der Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsbehälter selbst vermieden werden.While many applications of a liquid detector are possible, a preferred application is attachment to a container of liquid to be detected. The liquid may be, for example, a sample liquid or a mobile phase, that is, a solvent or a solvent composition. For example, needles of a sample separator can be filled with liquid from such a liquid container become. Of interest may then be whether the level in the liquid container for a desired task or application is sufficient or not. With advantage, internals of the liquid detector in the liquid in the liquid container itself can be avoided.

Beispielsweise kann als elektromagnetische Strahlungsquelle eine Leuchtdiode (LED) oder eine Laserdiode verwendet werden. Als elektromagnetischer Strahlungsdetektor kann zum Beispiel eine Fotodiode verwendet werden. Mit Vorteil kann eine Alterung einer elektromagnetischen Strahlungsquelle (zum Beispiel einer LED) bzw. eine Veränderung der Eigenschaften der Detektionsfläche (zum Beispiel durch das Erzeugen von Kratzern während längeren Betriebs) dadurch kompensiert werden, dass eine Nachkalibrierung mit moduliertem Licht erfasst wird. Beispielsweise kann ein Stimulussignal (zum Beispiel mit einem Rechteckprofil) angelegt werden und die Intensität der LED oder einer anderen elektromagnetischen Strahlungsquelle nachgeführt werden, so dass der Arbeitspunkt konstant gehalten werden kann. Dies führt zu einem gleichbleibend hohen Signal-Rausch-Verhältnis des Flüssigkeitsdetektors.For example, a light-emitting diode (LED) or a laser diode can be used as the electromagnetic radiation source. As the electromagnetic radiation detector, for example, a photodiode can be used. Advantageously, aging of an electromagnetic radiation source (for example an LED) or a change in the properties of the detection surface (for example, by generating scratches during prolonged operation) can be compensated by detecting a recalibration with modulated light. For example, a stimulus signal (for example with a rectangular profile) can be applied and the intensity of the LED or another electromagnetic radiation source tracked, so that the operating point can be kept constant. This leads to a consistently high signal-to-noise ratio of the liquid detector.

1 zeigt eine Querschnittsansicht eines optischen Flüssigkeitsdetektors 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung, der in eine Behälterwand 190 eines Flüssigkeitsbehälters 192 eingesetzt ist. 2 zeigt eine räumliche Ansicht eines Teils des Flüssigkeitsdetektors 100 gemäß 1. 1 shows a cross-sectional view of an optical liquid detector 100 according to an exemplary embodiment of the invention, in a container wall 190 a liquid container 192 is used. 2 shows a three-dimensional view of a part of the liquid detector 100 according to 1 ,

Der in 1 und 2 dargestellte optische Flüssigkeitsdetektor 100 dient zum Detektieren einer Flüssigkeit (beispielsweise Wasser oder eine wässrige Substanz) in der Umgebung einer ebenen Detektionsfläche 102 des optischen Flüssigkeitsdetektors 100. Letztere kann an die zu detektierende Flüssigkeit oder an Luft angrenzen, je nachdem ob der Flüssigkeitsbehälter 192 mit Flüssigkeit gefüllt ist (siehe zum Beispiel 4) oder mit Luft (wie in 1).The in 1 and 2 illustrated optical liquid detector 100 serves to detect a liquid (for example, water or an aqueous substance) in the vicinity of a flat detection surface 102 of the optical liquid detector 100 , The latter may adjoin the liquid or air to be detected, depending on whether the liquid container 192 filled with liquid (see for example 4 ) or with air (as in 1 ).

Der Flüssigkeitsdetektor 100 weist ein optisches Element 104 auf, das die ebene Detektionsfläche 102 als vordere Grenzfläche hat und das aus einem für elektromagnetische Strahlung 108 (insbesondere sichtbares Licht) transparenten Medium gebildet ist (zum Beispiel Kunststoff oder Glas).The liquid detector 100 has an optical element 104 on, this is the level detection area 102 as the front interface and the one for electromagnetic radiation 108 (in particular visible light) transparent medium is formed (for example plastic or glass).

Eine elektromagnetische Strahlungsquelle 106 (beispielsweise eine optische Lichtquelle wie eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode) ist auf eine Rückfläche des optischen Elements 104 aufgesetzt oder ist in einem Abstand dazu positioniert und fungiert zum Erzeugen und Einkoppeln von sichtbarem Licht als elektromagnetische Strahlung 108 in das optische Element 104. Die elektromagnetische Strahlungsquelle 106 ist an einer Montagefläche 180 an einer ebenen Montageplatte 184 (beispielsweise eine gedruckte Leiterplatte, PCB) oberflächenmontiert. Die Montagefläche 180 ist an einer Grenzfläche des optischen Elements 104 gegenüberliegend der ebenen Detektionsfläche 102 angeordnet.An electromagnetic radiation source 106 (For example, an optical light source such as a light emitting diode or a laser diode) is on a rear surface of the optical element 104 mounted or positioned at a distance therefrom and functions to generate and couple visible light as electromagnetic radiation 108 in the optical element 104 , The electromagnetic radiation source 106 is on a mounting surface 180 on a flat mounting plate 184 (For example, a printed circuit board, PCB) surface mounted. The mounting surface 180 is at an interface of the optical element 104 opposite the plane detection surface 102 arranged.

Darüber hinaus weist der optische Flüssigkeitsdetektor 100 einen elektromagnetischen Strahlungsdetektor 110 auf, der ebenfalls auf die Rückfläche des optischen Elements 104 aufgesetzt ist oder in einem Abstand dazu positioniert ist. Der elektromagnetische Strahlungsdetektor 110 fungiert zum Detektieren von optischem Licht und ist zum Beispiel als Fotodiode ausgebildet. Anschaulich ist der elektromagnetische Strahlungsdetektor 110 ausgebildet und angeordnet, um von der elektromagnetischen Strahlungsquelle 106 emittierte elektromagnetische Strahlung 108 nach Durchlaufen des optischen Elements 104 zu detektieren, wenn an die ebene Detektionsfläche 102 ein Gas wie Luft angrenzt. Diese Detektionsfähigkeit beruht auf einer Totalreflexion der elektromagnetischen Strahlung 108 an der ebenen Detektionsfläche 102 an einer Schnittstelle zu Luft. Besagte Totalreflexion ist aufgrund der Gesetze der Optik ermöglicht, wenn an die ebene Detektionsfläche 102 ein Gas angrenzt. Der elektromagnetische Strahlungsdetektor 110 hat eine Montagefläche 182, an welcher der elektromagnetische Strahlungsdetektor 110 an derselben planaren Montageebene der Montageplatte 184 montiert ist wie die elektromagnetische Strahlungsquelle 106.In addition, the optical liquid detector has 100 an electromagnetic radiation detector 110 also on the back surface of the optical element 104 is attached or positioned at a distance therefrom. The electromagnetic radiation detector 110 acts to detect optical light and is designed for example as a photodiode. Illustrative is the electromagnetic radiation detector 110 formed and arranged to receive from the electromagnetic radiation source 106 emitted electromagnetic radiation 108 after passing through the optical element 104 to detect when to the flat detection surface 102 a gas like air adjoins. This detection capability is based on a total reflection of the electromagnetic radiation 108 at the level detection surface 102 at an interface to air. Said total reflection is possible due to the laws of optics, if applied to the flat detection surface 102 a gas adjoins. The electromagnetic radiation detector 110 has a mounting surface 182 at which the electromagnetic radiation detector 110 at the same planar mounting plane of the mounting plate 184 is mounted like the electromagnetic radiation source 106 ,

Mit Vorteil sind also die Montagefläche 180 der elektromagnetischen Strahlungsquelle 106 und die Montagefläche 182 des elektromagnetischen Strahlungsdetektors 110 koplanar, d.h. liegen in derselben Ebene. Besagte Ebene ist identisch mit der planaren Montageebene 186 der Montageplatte 184. Aufgrund dieser Konfiguration ist eine einfache und platzsparende Montage der elektromagnetischen Strahlungsquelle 106 und des elektromagnetischen Strahlungsdetektors 110 an der Montageplatte 184 und gegebenenfalls auch ein Anbringen des optischen Elements 104 an der Montageplatte 184 ermöglicht. Aufgrund dieser Maßnahmen liegt die planare Detektionsebene 102 der planaren Montageebene 186 gegenüber und ist zu dieser parallel. Dies fördert zudem die kompakte Geometrie des Flüssigkeitsdetektors 100.Advantageously, so are the mounting surface 180 the electromagnetic radiation source 106 and the mounting surface 182 of the electromagnetic radiation detector 110 coplanar, ie lie in the same plane. Said plane is identical to the planar mounting plane 186 the mounting plate 184 , Due to this configuration is a simple and space-saving installation of the electromagnetic radiation source 106 and the electromagnetic radiation detector 110 on the mounting plate 184 and optionally also attaching the optical element 104 on the mounting plate 184 allows. Due to these measures lies the planar detection level 102 the planar mounting plane 186 opposite and is parallel to this. This also promotes the compact geometry of the liquid detector 100 ,

Durch die Montage der elektromagnetischen Strahlungsquelle 106 und des elektromagnetischen Strahlungsdetektors 110 an der Montageplatte 184 kann nicht nur eine mechanische Ankopplung, sondern auch eine elektrische Kontaktierung der elektromagnetischen Strahlungsquelle 106 und des elektromagnetischen Strahlungsdetektors 110 bewerkstelligt werden. Obgleich dies in 1 nicht dargestellt ist, hat die Montageplatte 184 auch elektrische Verbindungsleitungen, welche die elektromagnetische Strahlungsquelle 106 und den elektromagnetischen Strahlungsdetektor 110 zum Beispiel mit einer nicht dargestellte Steuereinrichtung (zum Beispiel ein Controller Chip) koppeln. Die Steuereinrichtung steuert dann den Betrieb des Flüssigkeitsdetektors 100.By mounting the electromagnetic radiation source 106 and the electromagnetic radiation detector 110 on the mounting plate 184 not only a mechanical coupling, but also an electrical contact of the electromagnetic radiation source 106 and the electromagnetic radiation detector 110 be accomplished. Although this in 1 not shown, has the mounting plate 184 also electrical connection lines, which are the electromagnetic radiation source 106 and the electromagnetic radiation detector 110 for example, with a control device, not shown (for example, a controller chip) couple. The controller then controls the operation of the liquid detector 100 ,

Der elektromagnetische Strahlungsdetektor 110 ist an einer solchen Position bezogen auf das optische Element 104 und die elektromagnetische Strahlungsquelle 106 positioniert, dass die von der elektromagnetischen Strahlungsquelle 106 emittierte und in das optische Element 104 eingekoppelte elektromagnetische Strahlung 108 nach Durchlaufen des optischen Elements 104 und nach Reflexion an der Detektionsfläche 102 durch den elektromagnetischen Strahlungsdetektor 110 detektiert werden kann, wenn in der Umgebung der ebenen Detektionsfläche 102 keine Flüssigkeit vorhanden ist und es daher an der Detektionsfläche 102 als Grenzfläche zwischen dem optischen Element 104 und der Umgebungsluft zu einer Totalreflexion der elektromagnetische Strahlung 108 kommen kann. Hingegen kann die von der elektromagnetischen Strahlungsquelle 106 emittierte elektromagnetische Strahlung 108 nach Durchlaufen des optischen Elements 104 nicht oder nur mit verminderter Intensität an dem elektromagnetischen Strahlungsdetektor 110 detektiert werden, wenn in der Umgebung der ebenen Detektionsfläche 102 eine Flüssigkeit (wie zum Beispiel Wasser) vorhanden ist. Aufgrund der dann anderen Verhältnisse hinsichtlich der beteiligten Brechungsindizes erfolgt keine Totalreflexion der elektromagnetischen Strahlung 108 an der ebenen Detektionsfläche 102. Stattdessen wird elektromagnetische Strahlung 108 in nennenswerter Weise in die Flüssigkeit eingekoppelt. Dadurch ändert sich das Detektorsignal, dass an dem elektromagnetischen Strahlungsdetektor 110 erfasst werden kann. Das Detektorsignal ist also dafür indikativ, ob an die ebene Detektionsfläche 102 Luft oder eine Flüssigkeit angrenzt.The electromagnetic radiation detector 110 is at such a position relative to the optical element 104 and the electromagnetic radiation source 106 positioned that from the electromagnetic radiation source 106 emitted and into the optical element 104 coupled electromagnetic radiation 108 after passing through the optical element 104 and after reflection at the detection surface 102 through the electromagnetic radiation detector 110 can be detected when in the vicinity of the flat detection surface 102 no liquid is present and therefore it is at the detection surface 102 as an interface between the optical element 104 and the ambient air to a total reflection of the electromagnetic radiation 108 can come. On the other hand, that of the electromagnetic radiation source 106 emitted electromagnetic radiation 108 after passing through the optical element 104 not or only with reduced intensity at the electromagnetic radiation detector 110 be detected when in the vicinity of the flat detection surface 102 a liquid (such as water) is present. Due to the then different conditions with regard to the refractive indices involved, there is no total reflection of the electromagnetic radiation 108 at the level detection surface 102 , Instead it becomes electromagnetic radiation 108 Significantly coupled into the liquid. As a result, the detector signal that changes at the electromagnetic radiation detector 110 can be detected. The detector signal is thus indicative of whether the flat detection surface 102 Air or a liquid adjacent.

Wie in 1 und 2 dargestellt, bildet die Detektionsfläche 102 eine ebene Frontfläche des Flüssigkeitsdetektors 100. Dabei ist die Detektionsfläche 102 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel so ausgebildet, dass die elektromagnetische Strahlung 108 nach Durchlaufen des optischen Elements 104 und nach genau einmaliger Totalreflexion an der Detektionsfläche 102 mittels des elektromagnetischen Strahlungsdetektors 110 detektierbar ist, wenn angrenzend an die Detektionsfläche 102 keine Flüssigkeit vorhanden ist. Ferner ist die Detektionsfläche 102 so ausgebildet ist, dass die elektromagnetische Strahlung 108 an der Detektionsfläche 102 nicht totalreflektiert wird, wenn angrenzend an die Detektionsfläche 102 eine Flüssigkeit vorhanden ist. Der Strahlengang gemäß 1 und 2 entspricht einem Szenario, in dem an die Detektionsfläche 102 Luft angrenzt. Darüber hinaus ist die Detektionsfläche 102 so ausgebildet ist, dass die elektromagnetische Strahlung 108 bei Reflexion an der Detektionsfläche 102 um einen Winkel α≈90° umgelenkt wird, wenn angrenzend an die Detektionsfläche 102 keine Flüssigkeit, sondern ein Gas wie Luft, vorhanden ist.As in 1 and 2 represented, forms the detection surface 102 a flat front surface of the liquid detector 100 , Here is the detection area 102 formed in the embodiment shown so that the electromagnetic radiation 108 after passing through the optical element 104 and after exactly one time total reflection at the detection surface 102 by means of the electromagnetic radiation detector 110 is detectable when adjacent to the detection surface 102 no liquid is present. Furthermore, the detection surface 102 is designed so that the electromagnetic radiation 108 at the detection area 102 not totally reflected when adjacent to the detection surface 102 a liquid is present. The beam path according to 1 and 2 corresponds to a scenario in which the detection area 102 Air adjoins. In addition, the detection surface 102 is designed so that the electromagnetic radiation 108 at reflection at the detection surface 102 is deflected by an angle α≈90 ° when adjacent to the detection surface 102 no liquid, but a gas such as air, is present.

Überdies hat das optische Element 104 eine an Luft angrenzende primäre Reflexionsfläche 112, die ausgebildet ist, dass die von der elektromagnetischen Strahlungsquelle 106 erzeugte elektromagnetische Strahlung 108 direkt nach Einkopplung in das optische Element 104 an der primären Reflexionsfläche 112 zu der Detektionsfläche 102 hin totalreflektiert wird. Diese erste Totalreflexion definiert im Hinblick auf die Kompaktheit des Flüssigkeitsdetektors 100 der elektromagnetischen Strahlung 108 eine günstige Winkelstellung. Die primäre Reflexionsfläche 112 ist vorteilhaft so ausgebildet ist, dass die elektromagnetische Strahlung 108 nach Reflexion an der primären Reflexionsfläche 112 unter einem 45° Winkel auf die Normale zur Detektionsfläche 102 gerichtet wird. Die primäre Reflexionsfläche 112 ist gemäß 1 in 2 eben, was eine einfache Herstellung des optischen Elements 104 fördert. Alternativ kann die primäre Reflexionsfläche 112 aber auch konvex gekrümmt sein, um die elektromagnetische Strahlung 108 vor Erreichen der ebenen Detektionsfläche 102 zu kollimieren.Moreover, the optical element has 104 an airborne primary reflective surface 112 that is formed by that of the electromagnetic radiation source 106 generated electromagnetic radiation 108 directly after coupling into the optical element 104 at the primary reflection surface 112 to the detection area 102 is totally reflected. This first total reflection defines with regard to the compactness of the liquid detector 100 the electromagnetic radiation 108 a favorable angular position. The primary reflection surface 112 is advantageously designed so that the electromagnetic radiation 108 after reflection at the primary reflection surface 112 at a 45 ° angle to the normal to the detection surface 102 is directed. The primary reflection surface 112 is according to 1 in 2 just what a simple manufacture of the optical element 104 promotes. Alternatively, the primary reflection surface 112 but also be curved convex to the electromagnetic radiation 108 before reaching the level detection surface 102 to collapse.

Ferner weist das optische Element 104 eine sekundäre Reflexionsfläche 114 auf, die so ausgebildet ist, dass die elektromagnetische Strahlung 108 von der Detektionsfläche 102 kommend auf die sekundäre Reflexionsfläche 114 reflektiert werden kann. Darüber hinaus kann die sekundäre Reflexionsfläche 114 mit Vorteil so ausgebildet werden, dass die elektromagnetische Strahlung 108 an der sekundären Reflexionsfläche 114 totalreflektiert wird. Auch dadurch kann ein Intensitätsverlust der elektromagnetischen Strahlung 108 gering gehalten werden und somit ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis erhalten werden. Bevorzugt die sekundäre Reflexionsfläche 114 so ausgebildet, dass die elektromagnetische Strahlung 108 an der sekundären Reflexionsfläche 114 um einen Winkel β≈90° umgelenkt wird. Gemäß 1 und 2 kann die sekundäre Reflexionsfläche 114 konvex gekrümmt sein, um die elektromagnetische Strahlung 108 nach Einfall von der ebenen Detektionsfläche 102 zu kollimieren. In entsprechender Weise kann eine Mantelfläche 120 des optischen Elements 104 zum Beispiel abschnittsweise gekrümmt sein, beispielsweise zylindrisch oder kegelförmig gekrümmt sein. Die sekundäre Reflexionsfläche 114 kann alternativ eben ausgebildet werden, was eine einfache Herstellung des optischen Elements 104 fördert.Furthermore, the optical element 104 a secondary reflection surface 114 on, which is designed so that the electromagnetic radiation 108 from the detection area 102 coming to the secondary reflection surface 114 can be reflected. In addition, the secondary reflection surface 114 be designed with advantage so that the electromagnetic radiation 108 at the secondary reflection surface 114 is totally reflected. This can also cause a loss of intensity of the electromagnetic radiation 108 be kept low and thus a high signal-to-noise ratio can be obtained. Preferably, the secondary reflection surface 114 designed so that the electromagnetic radiation 108 at the secondary reflection surface 114 is deflected by an angle β≈90 °. According to 1 and 2 can be the secondary reflection surface 114 be curved convex to the electromagnetic radiation 108 after incidence of the flat detection surface 102 to collapse. In a corresponding manner, a lateral surface 120 of the optical element 104 for example, be curved in sections, for example, be curved cylindrically or conically. The secondary reflection surface 114 can alternatively be formed flat, which is a simple production of the optical element 104 promotes.

Wie 1 und 2 ebenfalls entnommen werden kann, weist das optische Element 104 ein schlitzförmiges Sackloch als Ausnehmung 116 auf, die von Seitenwänden 118 des optischen Elements 104 begrenzt ist. Besagte Ausnehmung 116 kann so ausgebildet sein, dass die elektromagnetische Strahlung 108 nach Reflexion an der Detektionsfläche 102 und nach Reflexion an der sekundären Reflexionsfläche 114, von einer der Seitenwände 118 in Richtung des elektromagnetischen Strahlungsdetektors 110 reflektiert wird.As 1 and 2 can also be removed, the optical element has 104 a slot-shaped blind hole as a recess 116 on, by side walls 118 of the optical element 104 is limited. Said recess 116 can be designed so that the electromagnetic radiation 108 after reflection at the detection surface 102 and after reflection at the secondary reflection surface 114 , from one of the side walls 118 in the direction of the electromagnetic radiation detector 110 is reflected.

Wie in 1 und 2 zu erkennen ist, ist das optische Element 104 so ausgebildet, dass die elektromagnetische Strahlung 108 zwischen der elektromagnetischen Strahlungsquelle 106 und dem elektromagnetischen Strahlungsdetektor 110 so umgelenkt wird, dass eine Strahlrichtung direkt nach Emission und direkt vor Detektion miteinander einen 180°-Winkel einschließen. Dies ermöglicht in einfacher Weise eine zueinander parallele Anordnung der Montageebene 186 und der Detektionsfläche 102. Somit können die erste Montagefläche 180 und die zweite Montagefläche 182 in der gemeinsamen Montageebene 186 liegen, die parallel zu der ebenen Detektionsfläche 102 ist.As in 1 and 2 can be seen, is the optical element 104 designed so that the electromagnetic radiation 108 between the electromagnetic radiation source 106 and the electromagnetic radiation detector 110 is deflected so that a beam direction directly after emission and just before detection with each other include a 180 ° angle. This allows in a simple manner a mutually parallel arrangement of the mounting plane 186 and the detection surface 102 , Thus, the first mounting surface 180 and the second mounting surface 182 in the common assembly level 186 lie parallel to the plane detection surface 102 is.

1 zeigt noch ein Ansatzstück 185, das an einen Hauptkörper 148 des optischen Elements 104 zum Bilden der ebenen Detektionsfläche 102 als freiliegende Fläche des Ansatzstücks 185 angestückt werden kann. Somit kann das optische Element 104 den Hauptkörper 148 (zum Beispiel ein erstes Spritzgussteil) und das an den Hauptkörper 148 ansetzbare oder daran angesetzte Ansatzstück 185 (zum Beispiel ein zweites Spritzgussteil) aufweisen, das zum Bilden der ebenen Detektionsfläche 102 eine freiliegende Endfläche aufweist. Die Wahl von Material und geometrischen Parametern des Ansatzstücks 185 ermöglicht eine Verwendung des Flüssigkeitsdetektors 100 mit ganz unterschiedlichen Flüssigkeitsbehältern 192. 1 shows another attachment 185 attached to a main body 148 of the optical element 104 for forming the flat detection surface 102 as an exposed surface of the endpiece 185 can be added. Thus, the optical element 104 the main body 148 (For example, a first injection molded part) and the main body 148 attachable or attached attachment 185 (For example, a second injection molded part), which is used to form the flat detection surface 102 has an exposed end surface. The choice of material and geometric parameters of the endpiece 185 allows use of the liquid detector 100 with very different liquid containers 192 ,

Gemäß 1 mit 2 ist der Flüssigkeitsdetektor 100 derart an der Behälterwand 190 angebracht, dass die Detektionsfläche 102 durch eine Öffnung 196 der Behälterwand 190 in Berührkontakt mit Flüssigkeit in dem Behälter 192 bringbar ist, wenn das Behälterinnere mit einer solchen Flüssigkeit gefüllt ist (was in 4, nicht in 1 der Fall ist). Alternativ kann der Flüssigkeitsdetektor 100 derart an der Behälterwand 190 angebracht werden, dass in dem Behälter 192 enthaltene Flüssigkeit 194 von der Detektionsfläche 102 durch die Behälterwand 190 beabstandet ist (vergleiche 4). Letztere Ausgestaltung ist vorteilhaft, wenn die Behälterwand 190 ohne Öffnung 196 ausgebildet sein soll.According to 1 With 2 is the liquid detector 100 such on the container wall 190 attached that the detection surface 102 through an opening 196 the container wall 190 in contact with liquid in the container 192 can be brought when the container interior is filled with such a liquid (which in 4 , not in 1 the case is). Alternatively, the liquid detector 100 such on the container wall 190 be attached that in the container 192 contained liquid 194 from the detection area 102 through the container wall 190 is spaced (see 4 ). The latter embodiment is advantageous if the container wall 190 without opening 196 should be trained.

In der Schnittansicht der Sensorgeometrie gemäß 1 ist die ebene Detektionsfläche 102 als Detektionsschnittstelle zu der umgebenden Flüssigkeit oder Luft ausgebildet. Die Ausnehmung 116 dient als Isolationslücke für die elektromagnetische Strahlung 108. Die elektromagnetische Strahlungsquelle 106 fungiert als Lichtsender, der elektromagnetische Strahlungsdetektor 110 als Lichtempfänger. Die sekundäre Reflexionsfläche 114 kann eine gebogene Fläche zur Fokussierung des Lichts sein. Winkelflächen der primären Reflexionsfläche 112 wirken anschaulich als Lichtleiter bzw. als lichtführende Einrichtung.In the sectional view of the sensor geometry according to 1 is the plane detection area 102 designed as a detection interface to the surrounding liquid or air. The recess 116 serves as an isolation gap for the electromagnetic radiation 108 , The electromagnetic radiation source 106 acts as a light emitter, the electromagnetic radiation detector 110 as a light receiver. The secondary reflection surface 114 may be a curved surface for focusing the light. Angular surfaces of the primary reflection surface 112 act vividly as a light guide or as a light-guiding device.

Der Flüssigkeitsdetektor 100 verwendet eine spezielle optische Geometrie, um ein signifikantes Herausragen oder Überstehen über die Behälterwand 190 hinaus zu vermeiden. Letztere kann durch Hinzufügen von Winkelflächen (vergleiche Reflexionsflächen 112, 114) erreicht werden, was das Vorsehen einer ebenen vorderseitigen Detektionsfläche 102 ermöglicht. Der Emitter in Form der elektromagnetischen Strahlungsquelle 106 sendet einen vorzugsweise schmalen Kegel in das optische Element 104 aus, der an besagten Winkelflächen durch Totalreflexion abgelenkt wird. Dies führt zu einem Einfallswinkel von 45 ° an der ebenen Detektionsfläche 2. Der reflektierte Strahl der elektromagnetischen Strahlung 108 trifft auf die zylindrische Außenfläche des optischen Elements 104, d.h. auf die sekundäre Reflexionsfläche 114. Die Krümmung derselben kompensiert einen Teil der Strahlaufweitung, die durch die Divergenz der elektromagnetischen Strahlungsquelle 106 verursacht wird, und kann auf die Sensorgröße und -position abgestimmt werden. Die zweite Winkelfläche in Form der sekundären Reflexionsfläche 114 komplettiert einen gesamten Ablenkwinkel der elektromagnetischen Strahlung 108 zwischen elektromagnetischer Strahlungsquelle 106 und elektromagnetischem Strahlungsdetektor 110 um 180°, wenn eine Strahlrichtung der elektromagnetischen Strahlung 108 direkt nach Verlassen der elektromagnetischen Strahlungsquelle 106 mit einer hierzu antiparallelen Strahlrichtung der elektromagnetischen Strahlung 108 direkt vor Erreichen des elektromagnetischen Strahlungsdetektors 110 verglichen wird. Diese Umlenkung ermöglicht es, den Lichtempfänger in Form des elektromagnetischen Strahlungsdetektors 110 in der gleichen Montageebene 186 wie den Lichtsender in Form der elektromagnetischen Strahlungsquelle 106 anzuordnen.The liquid detector 100 uses a special optical geometry to significantly protrude or overhang the container wall 190 to avoid. The latter can be achieved by adding angled surfaces (see Reflective Surfaces 112 . 114 ), which provides for the provision of a planar front detection surface 102 allows. The emitter in the form of the electromagnetic radiation source 106 sends a preferably narrow cone into the optical element 104 out, which is deflected at said angular surfaces by total reflection. This leads to an angle of incidence of 45 ° on the flat detection surface 2 , The reflected beam of electromagnetic radiation 108 meets the cylindrical outer surface of the optical element 104 ie on the secondary reflection surface 114 , The curvature thereof compensates for part of the beam expansion caused by the divergence of the electromagnetic radiation source 106 and can be tuned to the sensor size and position. The second angular surface in the form of the secondary reflection surface 114 completes an entire deflection angle of the electromagnetic radiation 108 between electromagnetic radiation source 106 and electromagnetic radiation detector 110 by 180 °, if a beam direction of the electromagnetic radiation 108 directly after leaving the electromagnetic radiation source 106 with an anti-parallel beam direction of the electromagnetic radiation 108 directly before reaching the electromagnetic radiation detector 110 is compared. This deflection allows the light receiver in the form of the electromagnetic radiation detector 110 in the same mounting plane 186 like the light emitter in the form of the electromagnetic radiation source 106 to arrange.

Das gesamte optische Element 104 kann so ausgelegt werden, dass es als einziges Teil gegossen (zum Beispiel mittels Spritzguss) oder bearbeitet (zum Beispiel durch Fräsen) werden kann. Verbesserte Medienkompatibilität, Geometrie und/oder Kostenbeschränkungen können eine nichtideale Materialauswahl unter optischen Gesichtspunkten bedingen. Während die Absorption durch eine erhöhte Empfindlichkeit oder Emitterleistung kompensiert werden kann, kann Streustrahlung - zum Beispiel durch Materialien mit starker Volumenstreuung verursacht - das Signal-Rausch-Verhältnis verschlechtern. Die Isolationslücke in Form der Ausnehmung 116 verringert oder minimiert ein unerwünschtes Übersprechen zwischen der elektromagnetischen Strahlungsquelle 106 und dem elektromagnetischen Strahlungsdetektor 110. Die Ausnehmung 116 kann so erweitert werden, dass es sich bis zu der Detektionsschnittstelle bzw. Detektionsfläche 102 erstreckt. Für ein weiter verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis kann die Ausnehmung 116 auch mit lichtabsorbierendem Material gefüllt werden (nicht dargestellt). Die Unempfindlichkeit gegen Umgebungslicht bzw. Streulicht kann durch eine Amplitudenmodulation des emittierten Lichts und/oder durch eine synchrone Gleichrichtung des empfangenen Signals erreicht werden.The entire optical element 104 can be designed so that it can be cast as a single part (for example by injection molding) or machined (for example by milling). Improved media compatibility, geometry and / or cost constraints may cause non-ideal material selection from an optical point of view. While absorption can be compensated by increased sensitivity or emitter power, stray radiation - caused, for example, by materials with high volume scattering - can degrade the signal-to-noise ratio. The insulation gap in the form of the recess 116 reduces or minimizes unwanted crosstalk between the electromagnetic radiation source 106 and the electromagnetic radiation detector 110 , The recess 116 can be extended so that it reaches up to the detection interface or detection surface 102 extends. For a further improved signal-to-noise ratio, the recess 116 also be filled with light-absorbing material (not shown). The insensitivity to ambient light or scattered light can be achieved by an amplitude modulation of the emitted light and / or by a synchronous rectification of the received signal.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 und 2 sind die Montagefläche 180 der elektromagnetischen Strahlungsquelle 106 und die Montagefläche 182 des elektromagnetischen Strahlungsdetektors 110 in einer Ebene liegend. Diese Montageebene 186 bezeichnet eine Ebene, in der die elektromagnetische Strahlungsquelle 106 und der elektromagnetische Strahlungsdetektor 110 auf der Montageplatte 184 montiert sind, die als gedruckte Leiterplatte ausgebildet ist. Die Montageplatte 184 stellt elektrische Verbindungen zum Ankontaktieren der elektromagnetischen Strahlungsquelle 106 und des elektromagnetischen Strahlungsdetektors 110 bereit und versorgt diese mit elektrischen Signalen und elektrischer Energie. Ferner können Signale, die von dem elektromagnetischen Strahlungsdetektor 110 erfasst werden, über die Montageplatte 184 zu einer elektronischen Peripherie geleitet werden.In the embodiment according to 1 and 2 are the mounting surface 180 the electromagnetic radiation source 106 and the mounting surface 182 of the electromagnetic radiation detector 110 lying in one plane. This mounting level 186 denotes a plane in which the electromagnetic radiation source 106 and the electromagnetic radiation detector 110 on the mounting plate 184 are mounted, which is designed as a printed circuit board. The mounting plate 184 provides electrical connections for contacting the electromagnetic radiation source 106 and the electromagnetic radiation detector 110 ready and provides them with electrical signals and electrical energy. Furthermore, signals generated by the electromagnetic radiation detector 110 be detected, via the mounting plate 184 be routed to an electronic periphery.

Im Betrieb emittiert die elektromagnetische Strahlungsquelle 106 elektromagnetische Strahlung 108, insbesondere sichtbares Licht (zum Beispiel im roten Bereich) oder Infrarotlicht. Besonders bevorzugt ist möglichst langwellige elektromagnetische Strahlung, da unerwünschte Streuung stark mit einer Verringerung der Wellenlänge zunimmt. Elektromagnetische Strahlung 108 in den zugehörigen Wellenlängenbereichen führt zu einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis. Die zum Beispiel als Leuchtdiode ausgebildete elektromagnetische Strahlungsquelle 106 koppelt die elektromagnetische Strahlung 108 in das optische Element 104 ein. Die elektromagnetische Strahlung 108 wird an der primären Reflexionsfläche 112 an einer Außenwand des optischen Elements 104 reflektiert, vorzugsweise totalreflektiert. Selbst wenn die elektromagnetische Strahlungsquelle 106 als kostengünstige und qualitativ einfache LED mit einer gewissen Divergenz ausgebildet wird, kann die divergente elektromagnetische Strahlung 108 durch eine entsprechend gekrümmte erste Reflexionsfläche 112 kollimiert werden. Der an der ersten Reflexionsfläche 112 reflektierte Strahl der elektromagnetischen Strahlung 108 trifft dann auf die ebene, planare bzw. ungekrümmte Detektionsfläche 102, die gemäß 1 in die Behälterwand 190 des Flüssigkeitsbehälters 192 eingepasst ist. Anders ausgedrückt hat die Behälterwand 190 eine Öffnung 196, in die das Ansatzstück 185 an einer Vorderseite des elektromagnetischen Strahlungsdetektors 100 eingepasst ist. Befindet sich keine Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsbehälter 192 (wie in 1 gezeigt), so kann die elektromagnetische Strahlung 108 an der Detektionsfläche 102 totalreflektiert werden. Befindet sich Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsbehälter 192, so grenzt an die Detektionsfläche 102 diese Flüssigkeit an, und es kommt aufgrund des höheren Brechungsindex der Flüssigkeit im Vergleich zu Luft keine Totalreflexion an der Detektionsfläche 102 zustande. Es wird somit erheblich weniger elektromagnetische Strahlung 108 an der Detektionsfläche 102 zurück in das optische Element 104 reflektiert als im Falle von Luft angrenzend an die Detektionsfläche 102. Die reflektierte elektromagnetische Strahlung 108 trifft auf die zweite Reflexionsfläche 114, die zum weiteren Kollimieren vorzugsweise ebenfalls gekrümmt sein kann. Danach, das heißt nach einer weiteren Totalreflexion an der zweiten Reflexionsfläche 114, trifft die elektromagnetische Strahlung 108 auf die innere Grenzfläche in dem optischen Element 104, die durch die Ausnehmung 116 gebildet ist und wird dort ebenfalls totalreflektiert. Nach dieser weiteren Totalreflexion trifft die elektromagnetische Strahlung 108 auf den elektromagnetischen Strahlungsdetektor 110 zur Detektion derselben. Wird eine hohe Intensität der elektromagnetischen Strahlung 108 detektiert, hat an der Detektionsfläche 102 eine Totalreflexion stattgefunden, was den Schluss erlaubt, dass keine Flüssigkeit 194, sondern Luft (oder allgemeiner ein gasförmiges Medium oder Vakuum) in dem Behälter 192 enthalten ist. Ist in dem Behälter 192 Flüssigkeit enthalten, kommt es an der Detektionsfläche 102 zu keiner Totalreflexion. Die von dem elektromagnetischen Strahlungsdetektor 110 detektierte Intensität an elektromagnetischer Strahlung 108 ist dann wesentlich geringer. Letzteres erlaubt also den Schluss, dass Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsbehälter 192 einen zugehörigen Füllstand erreicht oder überschritten hat.In operation emits the electromagnetic radiation source 106 electromagnetic radiation 108 , in particular visible light (for example in the red region) or infrared light. Particularly preferred is long-wave electromagnetic radiation, since unwanted scattering increases strongly with a reduction of the wavelength. Electromagnetic radiation 108 in the associated wavelength ranges leads to a high signal-to-noise ratio. The example designed as a light emitting diode electromagnetic radiation source 106 couples the electromagnetic radiation 108 in the optical element 104 one. The electromagnetic radiation 108 becomes at the primary reflection surface 112 on an outer wall of the optical element 104 reflected, preferably totally reflected. Even if the electromagnetic radiation source 106 is designed as a low-cost and high quality LED with a certain divergence, the divergent electromagnetic radiation 108 by a correspondingly curved first reflection surface 112 be collimated. The one on the first reflection surface 112 reflected beam of electromagnetic radiation 108 then hits the plane, planar or non-curved detection surface 102 according to 1 into the container wall 190 of the liquid container 192 is fitted. In other words, the container wall has 190 an opening 196 into which the extension piece 185 at a front of the electromagnetic radiation detector 100 is fitted. There is no liquid in the liquid container 192 (as in 1 shown), so the electromagnetic radiation 108 at the detection area 102 be totally reflected. There is liquid in the liquid container 192 , so adjoins the detection area 102 this liquid, and it comes due to the higher refractive index of the liquid compared to air no total reflection at the detection surface 102 conditions. There is thus considerably less electromagnetic radiation 108 at the detection area 102 back into the optical element 104 reflected as in the case of air adjacent to the detection surface 102 , The reflected electromagnetic radiation 108 meets the second reflection surface 114 which may preferably also be curved for further collimation. After that, that is, after a further total reflection at the second reflection surface 114 , the electromagnetic radiation hits 108 on the inner interface in the optical element 104 passing through the recess 116 is formed and is also totally reflected there. After this further total reflection, the electromagnetic radiation hits 108 on the electromagnetic radiation detector 110 for the detection of the same. Will be a high intensity of electromagnetic radiation 108 detected, has at the detection area 102 a total reflection took place, which allows the conclusion that no liquid 194 but air (or more generally a gaseous medium or vacuum) in the container 192 is included. Is in the container 192 Liquid, it comes at the detection surface 102 to no total reflection. The of the electromagnetic radiation detector 110 detected intensity of electromagnetic radiation 108 is then much lower. The latter therefore allows the conclusion that liquid in the liquid container 192 has reached or exceeded an associated level.

Bezugnehmend auf 2 kann ein Durchmesser D der Detektionsfläche 102 zum Beispiel in einem Bereich zwischen 1 mm und 500 mm liegen, vorzugsweise zwischen 3 mm und 20 mm. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser D zum Beispiel 5 mm.Referring to 2 may be a diameter D of the detection surface 102 for example, in a range between 1 mm and 500 mm, preferably between 3 mm and 20 mm. In the illustrated embodiment, the diameter D is, for example, 5 mm.

Die Innenflächen, welche die Ausnehmung 116 begrenzen, können abweichend von 1 und 2 auch gekrümmt sein. Ferner kann die Ausnehmung 116 mit einem optisch absorbierenden Medium gefüllt sein (nicht gezeigt), das eine Totalreflexion an der oberen Grenzfläche aber nicht stören soll. Wenn, wie in 1 und 2, die Ausnehmung 116 ohne Hinterschnitt ausgebildet ist, kann dieses einfach mittels Fräsens oder Spritzgießens hergestellt werden.The inner surfaces which the recess 116 limit, may differ from 1 and 2 also be curved. Furthermore, the recess 116 be filled with an optically absorbing medium (not shown), but should not interfere with total reflection at the upper interface. If, as in 1 and 2 , the recess 116 is formed without undercut, this can be easily made by milling or injection molding.

Als Materialien für das optische Element 104 können beispielsweise Glas oder Kunststoff verwendet werden. Glas kann zum Beispiel in eine Form gegossen und gesintert werden (sogenanntes Sol-Gel-Verfahren). Kunststoff kann mittels Spritzgießens zu dem optischen Element 104 in der gewünschten Form verarbeitet werden. Beispielsweise kann als Kunststoff Polymethylmethacrylat, Polyethylen, Polypropylen, Cycloolefin-Copolymer, Cycloolefin-Copolymer, Polyethersulfon, etc. verwendet werden. Die Ausnehmung 116 dient der Streulichtverbesserung und der Strahlenführung.As materials for the optical element 104 For example, glass or plastic can be used. For example, glass can be poured into a mold and sintered (so-called sol-gel process). Plastic can be injection molded into the optical element 104 be processed in the desired shape. For example, polymethylmethacrylate, polyethylene, polypropylene, cycloolefin copolymer, cycloolefin copolymer, polyethersulfone, etc. may be used as the plastic. The recess 116 serves the scattered light improvement and the beam guidance.

3 zeigt den Querschnitt eines optischen Elements 104 eines Flüssigkeitsdetektors 100 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gemäß 3 kann ein Schlitz bzw. eine Ausnehmung 116 im Inneren des optischen Elements 104 so ausgebildet sein, dass mehrere (vorzugsweise Total-)Reflexionen an der Detektionsfläche 102 ermöglicht sind. Dadurch kann das Signal-Rausch-Verhältnis weiter verbessert werden. 3 shows the cross section of an optical element 104 a liquid detector 100 according to another embodiment of the invention. According to 3 may be a slot or a recess 116 inside the optical element 104 be formed so that several (preferably total) reflections on the detection surface 102 are possible. This can further improve the signal-to-noise ratio.

4 zeigt eine Anordnung aus einem Behälter 192 und einem Flüssigkeitsdetektor 100 gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gemäß 4 ist der Flüssigkeitsdetektor 100 an einer durchgehenden Behälterwand 190 des Flüssigkeitsbehälters 192 aus einem optisch transparenten Material angebracht. Zur Herstellung von Medienkompatibilität zur Grenzfläche kann optional ein zusätzliches Ansatzstück 185 auf die Detektionsfläche 102 aufgesetzt werden. Dadurch ist ein und derselbe Flüssigkeitsdetektor 100 für gänzlich verschiedene Anforderungen einsetzbar. Die geschlossene Behälterwand 190 des Behälters 192 verringert ein Anhaften von Flüssigkeits- und/oder Feststoffrückständen an dem Flüssigkeitsdetektor 100 und die Gefahr mechanischer Beschädigungen des Flüssigkeitsdetektors 100. Dies ist auch und insbesondere in einer Umgebung mit beengten Platzverhältnissen von Vorteil. 4 shows an arrangement of a container 192 and a liquid detector 100 according to another exemplary embodiment of the invention. According to 4 is the liquid detector 100 on a continuous container wall 190 of the liquid container 192 made of an optically transparent material. Optionally, an additional attachment may be used to establish media compatibility with the interface 185 on the detection surface 102 be put on. This is one and the same liquid detector 100 applicable for completely different requirements. The closed container wall 190 of the container 192 reduces adhesion of liquid and / or solid residues to the liquid detector 100 and the risk of mechanical damage to the liquid detector 100 , This is also and especially in an environment with limited space of advantage.

Es sollte angemerkt werden, dass der Begriff „aufweisen“ nicht andere Elemente ausschließt und dass das „ein“ nicht eine Mehrzahl ausschließt. Auch können Elemente, die in Zusammenhang mit unterschiedlichen Ausführungsbeispielen beschrieben sind, kombiniert werden. Es sollte auch angemerkt werden, dass Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Schutzbereich der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.It should be noted that the term "comprising" does not exclude other elements and that the "on" does not exclude a plurality. Also, elements described in connection with different embodiments may be combined. It should also be noted that reference signs in the claims should not be construed as limiting the scope of the claims.

Claims (20)

Optischer Flüssigkeitsdetektor (100) zum Detektieren einer Flüssigkeit in der Umgebung einer ebenen Detektionsfläche (102), wobei der optische Flüssigkeitsdetektor (100) aufweist: ein optisches Element (104), das die ebene Detektionsfläche (102) aufweist und zumindest zum Teil aus einem für elektromagnetische Strahlung (108) transparenten Medium gebildet ist; eine elektromagnetische Strahlungsquelle (106) zum Erzeugen elektromagnetischer Strahlung (108) und zum Einkoppeln der elektromagnetischen Strahlung (108) in das optische Element (104), wobei die elektromagnetische Strahlungsquelle (106) eine Montagefläche (180) zum Montieren an einer Montageplatte (184) aufweist, und einen elektromagnetischen Strahlungsdetektor (110), der eine Montagefläche (182) zum Montieren an der Montageplatte (184) aufweist und ausgebildet ist: die elektromagnetische Strahlung (108) nach Durchlaufen des optischen Elements (104) und nach Reflexion an der Detektionsfläche (102) zu detektieren, wenn in der Umgebung der ebenen Detektionsfläche (102) keine Flüssigkeit vorhanden ist; die elektromagnetische Strahlung (108) nach Durchlaufen des optischen Elements (104) nicht oder nur mit verminderter Intensität zu detektieren, wenn in der Umgebung der ebenen Detektionsfläche (102) eine Flüssigkeit vorhanden ist; wobei die Montagefläche (180) der elektromagnetischen Strahlungsquelle (106) und die Montagefläche (182) des elektromagnetischen Strahlungsdetektors (110) koplanar sind.An optical fluid detector (100) for detecting a fluid in the vicinity of a planar detection surface (102), the optical fluid detector (100) comprising: an optical element (104) having the planar detection surface (102) and formed at least in part of a medium transparent to electromagnetic radiation (108); an electromagnetic radiation source (106) for generating electromagnetic radiation (108) and for coupling the electromagnetic radiation (108) into the optical element (104), wherein the electromagnetic radiation source (106) has a mounting surface (180) for mounting to a mounting plate (184) has, and an electromagnetic radiation detector (110) having and being formed with a mounting surface (182) for mounting to the mounting plate (184): detecting the electromagnetic radiation (108) after passing through the optical element (104) and after reflection at the detection surface (102) when no liquid is present in the vicinity of the flat detection surface (102); the electromagnetic radiation (108) after passing through the optical element (104) not or only with reduced intensity to detect when in the vicinity of the flat detection surface (102) a liquid is present; wherein the mounting surface (180) of the electromagnetic radiation source (106) and the mounting surface (182) of the electromagnetic radiation detector (110) are coplanar. Flüssigkeitsdetektor (100) gemäß Anspruch 1, aufweisend die, insbesondere ebene, Montageplatte (184), insbesondere eine Leiterplatte, wobei die Montagefläche (180) der elektromagnetischen Strahlungsquelle (106) und die Montagefläche (182) des elektromagnetischen Strahlungsdetektors (110) an der Montageplatte (184) montiert sind.Liquid detector (100) according to Claim 1 comprising, in particular, a planar mounting plate (184), in particular a printed circuit board, wherein the mounting surface (180) of the electromagnetic radiation source (106) and the mounting surface (182) of the electromagnetic radiation detector (110) are mounted to the mounting plate (184). Flüssigkeitsdetektor (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Detektionsfläche (102) eine ebene Frontfläche des Flüssigkeitsdetektors (100) bildet, die einer aus den Montageflächen (180, 182) gebildeten rückseitigen Montageebene (186) gegenüberliegt.Liquid detector (100) according to Claim 1 or 2 wherein the detection surface (102) forms a flat front surface of the liquid detector (100) facing a rear mounting plane (186) formed of the mounting surfaces (180, 182). Flüssigkeitsdetektor (100) gemäß einen der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Detektionsfläche (102) so ausgebildet ist, dass die elektromagnetische Strahlung (108) nach Durchlaufen des optischen Elements (104) und nach genau einmaliger oder mehrmaliger Totalreflexion an der Detektionsfläche (102) mittels des elektromagnetischen Strahlungsdetektors (110) detektierbar ist, wenn in der Umgebung der Detektionsfläche (102) keine Flüssigkeit vorhanden ist.Liquid detector (100) according to one of Claims 1 to 3 wherein the detection surface (102) is formed so that the electromagnetic radiation (108) after passing through the optical element (104) and after exactly one or more total reflection at the detection surface (102) by means of the electromagnetic radiation detector (110) is detectable, if in the vicinity of the detection surface (102) no liquid is present. Flüssigkeitsdetektor (100) gemäß einen der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Detektionsfläche (102) so ausgebildet ist, dass die elektromagnetische Strahlung (108) an der Detektionsfläche (102) nicht totalreflektiert wird, wenn in der Umgebung der Detektionsfläche (102) eine Flüssigkeit vorhanden ist.Liquid detector (100) according to one of Claims 1 to 4 wherein the detection surface (102) is formed so that the electromagnetic radiation (108) at the detection surface (102) not is totally reflected when in the vicinity of the detection surface (102) a liquid is present. Flüssigkeitsdetektor (100) gemäß einen der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Detektionsfläche (102) so ausgebildet ist, dass die elektromagnetische Strahlung (108) bei Reflexion an der Detektionsfläche (102) um im Wesentlichen 90° umgelenkt wird, wenn angrenzend an die Detektionsfläche (102) keine Flüssigkeit vorhanden ist.Liquid detector (100) according to one of Claims 1 to 5 wherein the detection surface (102) is formed so that the electromagnetic radiation (108) is deflected by substantially 90 ° upon reflection at the detection surface (102) when no liquid is present adjacent to the detection surface (102). Flüssigkeitsdetektor (100) gemäß einen der Ansprüche 1 bis 6, wobei das optische Element (104) eine primäre Reflexionsfläche (112) aufweist, die ausgebildet ist, dass die elektromagnetische Strahlung (108) an der primären Reflexionsfläche (112) zu der Detektionsfläche (102) hin reflektiert wird, insbesondere totalreflektiert wird.Liquid detector (100) according to one of Claims 1 to 6 wherein the optical element (104) has a primary reflection surface (112), which is formed such that the electromagnetic radiation (108) on the primary reflection surface (112) is reflected toward the detection surface (102), in particular totally reflected. Flüssigkeitsdetektor (100) gemäß Anspruch 7, aufweisend zumindest eines der folgenden Merkmale: wobei die primäre Reflexionsfläche (112) so ausgebildet ist, dass die elektromagnetische Strahlung (108) nach Reflexion an der primären Reflexionsfläche (112) unter einem im Wesentlichen 45° Winkel auf die Detektionsfläche (102) einfällt; wobei die primäre Reflexionsfläche (112) gekrümmt, insbesondere konvex gekrümmt, oder eben ist.Liquid detector (100) according to Claim 7 comprising at least one of the following features: wherein the primary reflective surface (112) is formed such that the electromagnetic radiation (108), after reflection at the primary reflective surface (112), is incident on the detection surface (102) at a substantially 45 ° angle; wherein the primary reflection surface (112) is curved, in particular convexly curved, or planar. Flüssigkeitsdetektor (100) gemäß einen der Ansprüche 1 bis 8, wobei das optische Element (104) eine sekundäre Reflexionsfläche (114) aufweist, die ausgebildet ist, dass die elektromagnetische Strahlung (108) zumindest teilweise an der Detektionsfläche (102) auf die sekundäre Reflexionsfläche (114) reflektiert wird, insbesondere auf die sekundäre Reflexionsfläche (114) totalreflektiert wird.Liquid detector (100) according to one of Claims 1 to 8th wherein the optical element (104) has a secondary reflection surface (114) configured to reflect the electromagnetic radiation (108) at least partially on the detection surface (102) to the secondary reflection surface (114), in particular to the secondary reflection surface (114) is totally reflected. Flüssigkeitsdetektor (100) gemäß Anspruch 9, aufweisend zumindest eines der folgenden Merkmale: wobei die sekundäre Reflexionsfläche (114) so ausgebildet ist, dass die elektromagnetische Strahlung (108) an der sekundären Reflexionsfläche (114) reflektiert wird, insbesondere totalreflektiert wird; wobei die sekundäre Reflexionsfläche (114) so ausgebildet ist, dass die elektromagnetische Strahlung (108) an der sekundären Reflexionsfläche (114) um im Wesentlichen 90° umgelenkt wird; wobei die sekundäre Reflexionsfläche (114) gekrümmt, insbesondere konvex gekrümmt, oder eben ist.Liquid detector (100) according to Claim 9 comprising at least one of the following features: wherein the secondary reflecting surface (114) is formed so that the electromagnetic radiation (108) is reflected at the secondary reflecting surface (114), in particular totally reflected; the secondary reflecting surface (114) being configured to deflect the electromagnetic radiation (108) at the secondary reflecting surface (114) by substantially 90 °; wherein the secondary reflecting surface (114) is curved, in particular convexly curved, or flat. Flüssigkeitsdetektor (100) gemäß einen der Ansprüche 1 bis 10, wobei das optische Element (104) eine, insbesondere von Hinterschnitten freie, Ausnehmung (116) aufweist, die von, insbesondere gekrümmten oder ebenen, Seitenwänden (118) begrenzt ist.Liquid detector (100) according to one of Claims 1 to 10 , wherein the optical element (104) has a, in particular free from undercuts, recess (116) which is bounded by, in particular curved or planar, side walls (118). Flüssigkeitsdetektor (100) gemäß Anspruch 11, wobei die Ausnehmung (116) so ausgebildet ist, dass die elektromagnetische Strahlung (108) nach Reflexion an der Detektionsfläche (102), und insbesondere zusätzlich nach Reflexion an der sekundären Reflexionsfläche (114), von einer der Seitenwände (118) in Richtung des elektromagnetischen Strahlungsdetektors (110) reflektiert wird, insbesondere totalreflektiert wird.Liquid detector (100) according to Claim 11 wherein the recess (116) is formed so that the electromagnetic radiation (108) after reflection at the detection surface (102), and in particular additionally after reflection at the secondary reflection surface (114), from one of the side walls (118) in the direction of electromagnetic radiation detector (110) is reflected, in particular totally reflected. Flüssigkeitsdetektor (100) gemäß einen der Ansprüche 1 bis 12, wobei eine Mantelfläche (120) des optischen Elements (104) zumindest abschnittsweise gekrümmt ist, insbesondere zylindrisch oder kegelförmig gekrümmt ist.Liquid detector (100) according to one of Claims 1 to 12 , wherein a lateral surface (120) of the optical element (104) is at least partially curved, in particular is curved cylindrically or conically. Flüssigkeitsdetektor (100) gemäß einen der Ansprüche 1 bis 13, wobei das optische Element (104) so ausgebildet ist, dass die elektromagnetische Strahlung (108) unmittelbar nach Emission an der elektromagnetischen Strahlungsquelle (106) und unmittelbar vor Erreichen des elektromagnetischen Strahlungsdetektors (110) zueinander antiparallel propagiert.Liquid detector (100) according to one of Claims 1 to 13 wherein the optical element (104) is formed so that the electromagnetic radiation (108) immediately after emission at the electromagnetic radiation source (106) and immediately prior to reaching the electromagnetic radiation detector (110) propagates antiparallel to each other. Flüssigkeitsdetektor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das optische Element (104) einen Hauptkörper (148) und ein an den Hauptkörper (148) ansetzbares oder daran angesetztes Ansatzstück (185) aufweist, das zum Bilden der ebenen Detektionsfläche (102) eine freiliegende Endfläche aufweist.Liquid detector (100) according to one of Claims 1 to 14 wherein the optical element (104) comprises a main body (148) and a lug (185) attachable to or attached to the main body (148) having an exposed end surface for forming the planar detection surface (102). Flüssigkeitsdetektor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, derart ausgebildet, dass nach genau einmaliger oder nach mehrmaliger Reflexion an der Detektionsfläche (102) die elektromagnetische Strahlung (108) an dem elektromagnetischen Strahlungsdetektor (110) detektierbar ist, wenn in der Umgebung der Detektionsfläche (102) keine Flüssigkeit vorhanden ist.Liquid detector (100) according to one of Claims 1 to 15 , such that after exactly one time or after repeated reflection at the detection surface (102), the electromagnetic radiation (108) on the electromagnetic radiation detector (110) is detectable, if in the vicinity of the detection surface (102) no liquid is present. Flüssigkeitsdetektor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, aufweisend zumindest eines der folgenden Merkmale: wobei eine durch die erste Montagefläche (180) und durch die zweite Montagefläche (182) definierte Montageebene (186) parallel zu der ebenen Detektionsfläche (102) ist, wobei die Strahlungsquelle (106), der Strahlungsdetektor (110) und die Montageplatte (184) eine gemeinsame Baugruppe bilden.Liquid detector (100) according to one of Claims 1 to 16 , comprising at least one of the following features: wherein a mounting plane (186) defined by the first mounting surface (180) and the second mounting surface (182) is parallel to the planar detection surface (102), the radiation source (106), the radiation detector ( 110) and the mounting plate (184) form a common assembly. Anordnung, aufweisend: einen Behälter (192) zum Aufnehmen von Flüssigkeit, der durch eine Behälterwand (190) begrenzt ist; einen Flüssigkeitsdetektor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, der an der Behälterwand (190) angebracht oder anbringbar ist, um Flüssigkeit in dem Behälter (192) zu detektieren.An assembly comprising: a container (192) for receiving liquid defined by a container wall (190); a liquid detector (100) according to any one of Claims 1 to 17 attached to the container wall (190) or attachable to detect liquid in the container (192). Anordnung gemäß Anspruch 18, aufweisend eines der folgenden Merkmale: der Flüssigkeitsdetektor (100) ist derart an der Behälterwand (190) angebracht oder anbringbar, dass die Detektionsfläche (102) durch eine Öffnung (196) der Behälterwand (190) hindurch in Berührkontakt mit Flüssigkeit in dem Behälter (192) bringbar ist; der Flüssigkeitsdetektor (100) ist derart an der Behälterwand (190) angebracht oder anbringbar, dass in dem Behälter (192) enthaltene Flüssigkeit von der Detektionsfläche (102) durch die Behälterwand (190) beabstandet ist. Arrangement according to Claim 18 comprising one of the following features: the liquid detector (100) is mounted or attachable to the container wall (190) such that the detection surface (102) passes through an opening (196) of the container wall (190) into contact with liquid in the container (190). 192) can be brought; the liquid detector (100) is mounted or attachable to the container wall (190) such that liquid contained in the container (192) is spaced from the detection surface (102) by the container wall (190). Verfahren zum optischen Detektieren einer Flüssigkeit in der Umgebung einer ebenen Detektionsfläche (102) eines optischen Elements (104), wobei das Verfahren aufweist: Erzeugen elektromagnetischer Strahlung (108) mittels einer elektromagnetischen Strahlungsquelle (106) und Einkoppeln der elektromagnetischen Strahlung (108) in das zumindest teilweise aus einem für die elektromagnetische Strahlung (108) transparenten Medium gebildete optische Element (104), wobei die elektromagnetische Strahlungsquelle (106) eine Montagefläche (180) hat, die auf einer Montageplatte (184) montiert ist; und Detektieren der elektromagnetischen Strahlung (108) nach Durchlaufen des optischen Elements (104) und nach Reflexion an der ebenen Detektionsfläche (102) mittels eines elektromagnetischen Strahlungsdetektors (110), wenn in der Umgebung der ebenen Detektionsfläche (102) keine Flüssigkeit vorhanden ist; oder kein oder nur intensitätsvermindertes Detektieren der elektromagnetischen Strahlung (108) nach Durchlaufen des optischen Elements (104), wenn angrenzend an die Detektionsfläche (102) eine Flüssigkeit vorhanden ist; wobei der elektromagnetische Strahlungsdetektor (110) eine Montagefläche (182) hat, die koplanar mit der Montagefläche (180) der elektromagnetischen Strahlungsquelle (106) ist und auf der Montageplatte (184) montiert ist.A method of optically detecting a liquid in the vicinity of a planar detection surface (102) of an optical element (104), the method comprising: Generating electromagnetic radiation (108) by means of an electromagnetic radiation source (106) and coupling the electromagnetic radiation (108) into the optical element (104) formed at least partially from a medium transparent to the electromagnetic radiation (108), wherein the electromagnetic radiation source (106) a mounting surface (180) mounted on a mounting plate (184); and Detecting the electromagnetic radiation (108) after passing through the optical element (104) and after reflection at the planar detection surface (102) by means of an electromagnetic radiation detector (110) when no liquid is present in the vicinity of the planar detection surface (102); or no or only reduced intensity detection of the electromagnetic radiation (108) after passing through the optical element (104), if a liquid is present adjacent to the detection surface (102); wherein the electromagnetic radiation detector (110) has a mounting surface (182) coplanar with the mounting surface (180) of the electromagnetic radiation source (106) and mounted on the mounting plate (184).
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112987119A (en) * 2019-12-16 2021-06-18 安德烈·斯蒂尔股份两合公司 Optical working liquid detector for optically detecting a working liquid and handheld gardening, forestry and/or construction processing device
WO2024037694A1 (en) * 2022-08-19 2024-02-22 Continental Automotive Technologies GmbH Braking device for a vehicle with increased operating safety and method for operation

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