DE19959279A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Füllstandsmessung in einem geschlossenen Behälter - Google Patents

Abstract

Bei einem bekannten Verfahren zur Bestimmung des Füllstands eines Fluids (8) in einem geschlossenen Behälter (1) wird mittels eines Signalgebers (14) ein Prüfsignal erzeugt, einem im Bereich einer Meßhöhe angeordneten Sensor zugeführt und in Abhängigkeit von der Anwesenheit des Fluids (8) am Sensor verändert und mittels eines Detektors (16) das geänderte Prüfsignal erfaßt. Um hiervon ausgehend ein einfaches und betriebssicheres Verfahren für die Ermittlung des Füllstands in einem geschlossenen Behälter anzugeben, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß ein optisches Prüfsignal erzeugt wird und daß als Sensor ein Lichtleiter (2) mit einer sich über die Meßhöhe erstreckenden Sensorfläche ("M") in den Behälter eingesetzt wird, daß das Prüfsignal im Lichtleiter (2) geführt und entlang der Sensorfläche ("M") in Abhängigkeit vom Brechungsindex eines Umgebungsmediums (8; 9) geändert wird. Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß der Signalgeber eine ein optisches Prüfsignal erzeugende Lichtquelle (14) umfaßt und daß als Sensor mindestens ein im Behälter (1) angeordneter Lichtleiter (2) vorgesehen ist, der mit einer sich über die Meßhöhe erstreckenden Sensorfläche ("M") versehen ist, entlang der das Prüfsignal in Abhängigkeit vom Brechungsindex eines Umgebungsmediums (8; 9) geändert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Füllstands eines Fluids in einem geschlossenen Behälter, indem mittels eines Signalgebers ein Prüfsignal erzeugt, einem im Bereich einer Meßhöhe angeordneten Sensor zugeführt, und mittels eines Fluids am Sensor verändert, und mittels eines Detektor das geänderte Prüfsignal erfaßt wird.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstands eines Fluids in einem geschlossenen Behälter, mit mindestens einem im Bereich einer Meßhöhe angeordneten Sensor, der mit einem Signalgeber zur Erzeugung eines Prüfsignals und mit einem Detektor verbunden ist.

Bei derartigen geschlossenen Behältern handelt es sich zum Beispiel um Kryobehälter für die Aufnahme eines verflüssigten kryogenen Gases, die von einer Vakuumhülle umgeben sind, oder um Reaktions- und Speicherbehälter für Flüssigkeiten oder feinkörniges Schüttgut mit druck- oder temperaturfestem Mantel, wie sie in der chemischen Industrie gebräuchlich sind. Für die Ermittlung des Füllstands in diesen Behältern sind besondere Vorrichtungen erforderlich.

Verfahren und Vorrichtung der eingangs genannten Gattung sind aus der DE-A 34 21 803 bekannt. Darin geht es um die Ermittlung des Füllstandes tiefsiedender, verflüssigter Gase in einem Kryobehälter unter Einsatz elektrischer Meßfühler. Bei den Meßfühlern handelt es sich um stromdurchflossene Bauteile, die im Inneren des Kryobehälters angeordnet sind. Außerhalb des Kryotanks sind diese an ein Meßgerät angeschlossen, mittels dem eine temperaturabhängige elektrische Eigenschaft der Bauteile, wie etwa der elektrische Widerstand, fortlaufend erfaßt wird. Sobald das Bauteil in die kryogene Flüssigkeit eintaucht oder aus dieser auftaucht, ändert sich die überwachte elektrische Eigenschaft, so daß in Verbindung mit der lokalen Anordnung des betreffenden Meßfühlers im Kryobehälter unmittelbar der augenblickliche Füllstand abgelesen werden kann.

Um eine Information des Füllstandes über eine größere Meßhöhe zu erhalten, sind bei der bekannten Vorrichtung mehrere derartiger Meßfühler über den Bereich der Meßhöhe gleichmäßig verteilt.

Für die Ermittlung der Füllhöhe ist hier ein hoher apparativer und meßtechnischer Aufwand erforderlich. Für die elektrische Verbindung der Meßfühler mit dem Meßgerät außerhalb des Kryotanks sind isolierte Leiterdurchführungen erforderlich, die druckfest und temperaturstabil sein müssen. Ferner ist die im Kryobehälter eingebrachte Sensorik nicht austauschbar, ohne einen Temperaturausgleich herbeizuführen und den Behälter zu entleeren. Im Fall eines Versagens der Sensorik muß der vakuum-isolierte Kryotank geöffnet werden, was beträchtliche Kosten sowie Einbußen der Isolierqualität nach sich zieht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und betriebssicheres Verfahren für die Ermittlung des Füllstands in einem geschlossenen Behälter anzugeben, und eine einfache und wartungsarme Vorrichtung dafür bereitzustellen.

Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe ausgehend vom eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein optisches Prüfsignal erzeugt wird, und daß als Sensor ein Lichtleiter mit einer sich über die Meßhöhe erstreckenden Sensorfläche in den Behälter eingesetzt wird, und daß das Prüfsignal im Lichtleiter geführt und entlang der Sensorfläche in Abhängigkeit vom Brechungsindex eines Umgebungsmediums geändert wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird als Sensor ein Lichtleiter eingesetzt. Bei dem Lichtleiter handelt es sich um ein längliches Bauteil, beispielsweise ein Kabel, eine Faser oder ein Faserbündel oder um einen Stab aus einem für das optische Prüfsignal durchlässigen Werkstoff. Der Lichtleiter ist innerhalb des Behälters angeordnet. Er weist eine Sensorfläche auf, die sich mindestens über die Meßhöhe, innerhalb der die Füllhöhe zu bestimmen ist, erstreckt.

Dem Lichtleiter wird das optische Prüfsignal zugeführt. Dieses wird von einer Lichtquelle erzeugt. Erstreckt sich der Lichtleiter von außen in den Behälter, kann das Prüfsignal einfach von einer außerhalb des Behälters vorgesehenen Lichtquelle direkt in den Lichtleiter eingekoppelt werden. Andernfalls ist zwischen dem Lichtleiter und der Lichtquelle ein das Prüfsignal übertragendes Kopplungselement oder eine geeignete Optik erforderlich.

Bei dem optischen Prüfsignal handelt sich um ein inkohärentes oder kohärentes, monochromatisches oder polychromatisches Lichtsignal aus dem infraroten, sichtbaren oder ultravioletten Spektralbereich.

Das Prüfsignal wird im Bereich der Sensorfläche verändert, und zwar in Abhängigkeit vom Brechungsindex eines Umgebungsmediums. Das Umgebungsmedium ist das Fluid und/oder eine Gasphase oberhalb des Fluids. Die Veränderung des Prüfsignals beruht darauf, daß die Lichtführung des Lichtleiters im Bereich der Sensorfläche vom Brechungsindex des ihn umgebenden Mediums abhängt. Da die Sensorfläche den Bereich umfaßt, in dem der Füllstand ermittelt werden soll, taucht sie je nach Füllstand vollständig, teilweise oder nicht in das Fluid ein. Da sich die Brechungsindizes von Fluid und Gasphase stets unterscheiden, wird die Lichtführung im Lichtleiter je nach dem Grad des Eintauchens der Sensorfläche - und damit des Füllstands - unterschiedlich beeinflußt und das Prüfsignal entsprechend verändert.

Das Prüfsignal wird somit sowohl in Abhängigkeit der Anwesenheit von Fluid als auch in Abhängigkeit vom Füllstand kontinuierlich verändert. Das erfindungsgemäße Verfahren unter Einsatz eines eine Sensorfläche aufweisenden Lichtleiters ermöglicht daher bei geringem apparativen Aufwand eine kontinuierliche Messung der Füllhöhe über einen vorgegebenen räumlichen Meßbereich.

Das in Abhängigkeit vom Füllstand veränderte Prüfsignal wird dem Detektor zugeführt und dort gemessen. Aus der Abnahme der Intensität des Prüfsignals gegenüber der Anfangsintensität ist auf den augenblicklichen Füllstand zu schließen. Dazu wird zum Beispiel das Detektor-Meßsignal auf Basis einer oder mehrerer Kalibrier-Messungen, welche bei bekannten Füllhöhen vorgenommen werden, ausgewertet.

Bevorzugt wird als Sensor ein Lichtleiter mit einem Kern mit einem ersten, höheren Brechungsindex und mit einem den Kern umhüllenden Mantel mit einem zweiten, kleineren Brechungsindex eingesetzt, wobei der Mantel im Bereich der Sensorfläche mindestens teilweise entfernt ist. Durch den Mantel wird eine gute Lichtführung im Lichtleiter, damit eine geringe Abnahme der Intensität des Prüfsignals und somit eine hohe Empfindlichkeit der Messung gewährleistet. Die Lichtführung beruht dabei auf Totalreflexion des Lichts an der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel. Im Bereich der Sensorfläche ist der Mantel jedoch ganz oder teilweise entfernt, so daß der Brechungsindex des Umgebungsmediums die Lichtführung beeinflußt. Aufgrund der Verletzung der Totalreflexionsbedingung im Bereich der Sensorfläche kommt es daher zu einem Lichtverlust beim Prüfsignal durch Streuung von Licht in das die Sensorfläche umgebende Umgebungsmedium. Die Höhe des Lichtverlusts hängt jedoch vom Brechungsindex des Umgebungsmediums ab. Da die unterschiedlichen Umgebungsmedien (Fluid und Gasphase) unterschiedliche Brechungsindizes haben, hängt der Lichtverlust durch Streuung auch vom Grad des Eintauchens der Sensorfläche in das Fluid ab.

Ein Versagen eines derartigen Sensors ist sicherheitstechnisch eindeutig erkennbar. Denn ein überhöhter Lichtverlust, etwa bei Dejustierung oder Bruch des Lichtleiters, wird meßtechnisch als "maximale Füllhöhe erreicht oder überschritten" gewertet.

Vorteilhafterweise wird als Lichtleiter eine flexibles, zylinderförmiges, optisches Bauteil eingesetzt. Dabei handelt es sich zum Beispiel um eine Lichtleitfaser oder um ein Lichtleitkabel. Da ein derartiges optisches Bauteil einen gleichmäßigen radialen Querschnitt aufweist, kann es aus einer Öffnung des Behälters herausgezogen und wieder eingeführt werden, ohne den Behälter entleeren zu müssen. Wartung und Austausch werden dadurch beträchtlich erleichtert.

Als günstig hat es sich auch erwiesen, Änderungen der Eintrittsintensität des Prüfsignals zu kompensieren. Unter der Eintrittsintensität wird hier die anfängliche Intensität des Prüfsignals bei Eintritt in den Lichtleiter verstanden. Diese kann beispielsweise durch Änderungen der Intensität der Lichtquelle aufgrund Alterung, Verschmutzung oder durch Temperaturänderung eine Drift erfahren. Durch eine geeignete Kompensation wird die Meßgenauigkeit verbessert.

Hinsichtlich der Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstands wird die angegebene Aufgabe ausgehend von der eingangs genannten Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Signalgeber eine ein optisches Prüfsignal erzeugende Lichtquelle umfaßt, und daß als Sensor mindestens ein im Behälter angeordneter Lichtleiter vorgesehen ist, der mit einer sich über die Meßhöhe erstreckenden Sensorfläche versehen ist, entlang der das Prüfsignal in Abhängigkeit vom Brechungsindex eines Umgebungsmediums geändert wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird als Sensor ein oder mehrere Lichtleiter eingesetzt. Bei dem Lichtleiter handelt es sich beispielsweise um ein Kabel, eine Faser oder ein Faserbündel oder um einen Stab aus einem für das optische Prüfsignal durchlässigen Werkstoff. Der Lichtleiter ist innerhalb des Behälters angeordnet.

Das optische Prüfsignal wird von einer Lichtquelle erzeugt. Erstreckt sich der Lichtleiter von außen in den Behälter, kann das Prüfsignal einfach von einer außerhalb des Behälters vorgesehenen Lichtquelle direkt in den Lichtleiter eingekoppelt werden. Andernfalls ist zwischen dem Lichtleiter und der Lichtquelle ein das Prüfsignal übertragendes Kopplungselement oder eine geeignete Optik erforderlich. Eine Anordnung der Lichtquelle innerhalb des Behälters ist nicht ausgeschlossen.

Der Lichtleiter ist mit einer Sensorfläche versehen, die sich mindestens über die Meßhöhe, im Bereich derer der Füllstand zu ermitteln ist, erstreckt. Das Prüfsignal wird im Bereich der Sensorfläche verändert, und zwar in Abhängigkeit vom Brechungsindex eines Umgebungsmediums. Das Umgebungsmedium ist das Fluid und/oder eine Gasphase oberhalb des Fluids. Die Veränderung des Prüfsignals beruht darauf, daß die Lichtführung des Lichtleiters im Bereich der Sensorfläche vom Brechungsindex des ihn umgebenden Mediums abhängt. Die Sensorfläche taucht je nach Füllstand vollständig, teilweise oder nicht in das Fluid ein. Da sich die Brechungsindizes von Fluid und Gasphase stets unterscheiden, wird die Lichtführung im Lichtleiter je nach dem Grad des Eintauchens der Sensorfläche - und damit des Füllstandes - unterschiedlich beeinflußt und das Prüfsignal entsprechend verändert. Das Prüfsignal wird somit in Abhängigkeit der Anwesenheit von Fluid und damit in Abhängigkeit vom Füllstand verändert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine kontinuierliche Ermittlung des Füllstandes über einen vorgegebenen räumlichen Meßbereich, ohne großen apparativen Aufwand.

Der Lichtleiter ist mit einem Detektor verbunden, in dem das in Abhängigkeit vom Füllstand veränderte Prüfsignal erfaßt wird. Je nach Abnahme der Intensität des Prüfsignals gegenüber der Anfangsintensität ist auf den augenblicklichen Füllstand zu schließen. Der Detektor ist außerhalb oder innerhalb des Behälters angeordnet.

Bevorzugt umfaßt der Lichtleiter einen Kern mit einem ersten, höheren Brechungsindex und einen den Kern umhüllenden Mantel mit einem zweiten, kleineren Brechungsindex, wobei der Mantel im Bereich der Sensorfläche mindestens teilweise entfernt ist. Der Mantel gewährleistet eine gute Lichtführung im Lichtleiter und damit eine geringe Abnahme der Intensität des Prüfsignals. Die Lichtführung beruht dabei auf Totalreflexion des Lichts an der Grenzfläche zwischen Kem und Mantel. Im Bereich der Sensorfläche ist der Mantel jedoch ganz oder teilweise entfernt, so daß dort der Brechungsindex des Umgebungsmediums die Lichtführung im Lichtleiter beeinflußt. Aufgrund der definierten Verletzung der Totalreflexionsbedingung im Bereich der Sensorfläche kommt es daher zu einem definierten Lichtverlust beim Prüfsignal, der aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindizes der Umgebungsmedien (Fluid und Gasphase) vom Grad des Eintauchens in das Fluid abhängt. Mit dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine hohe Empfindlichkeit der Messung des Füllstands gewährleistet.

Vorteilhafterweise ist der Lichtleiter als flexibles, zylinderförmiges, optisches Bauteil ausgebildet. Dabei handelt es sich zum Beispiel um eine Lichtleitfaser oder um ein Lichtleitkabel. Da ein derartiges optisches Bauteil einen gleichmäßigen radialen Querschnitt aufweist, kann es aus einer Öffnung des Behälters herausgezogen und wieder eingeführt werden, ohne den Behälter entleeren zu müssen. Wartung und Austausch werden dadurch beträchtlich erleichtert.

Eine weitere Verbesserung in dieser Hinsicht ergibt sich, wenn ein Lichtleiter in Form eines flexiblen, zylinderförmigen, optischen Bauteils innerhalb des Behälters von einer offenen Führungshülse lose umgeben ist. Die Führungshülse ist innerhalb des Behälters fixiert. Der Lichtleiter ist innerhalb der Führungshülse leicht bewegbar; er kann herausgezogen und hineingeschoben werden und er ist durch die Führungshülse besonders einfach an einer vorgegebene Position innerhalb des Behälters fixierbar. Die Führungshülse ist offen, so daß sie mit Fluid entsprechend dem Füllstand gefüllt ist und der Sensorbereich in Kontakt mit dem Fluid stehen kann. Die Hülse umgibt den Lichtleiter nur lose, so daß gewährleistet ist, daß im Bereich der Sensorfläche das Umgebungsmedium (Fluid oder Gasphase) die Lichtführung im Lichtleiter beeinflußt (jedoch nicht das Material der Führungshülse).

Vorteilhafterweise weist die nach unten offene Führungshülse im oberen Bereich der Meßhöhe eine Öffnung auf. Es können auch mehrere Öffnungen in diesem Bereich vorgesehen sein. Durch die Öffnungen gelangt Fluid zum Lichtleiter, wobei die Führungshülse Fehlmessungen durch unkontrollierte Benetzungen des Lichtleiters mit dem Fluid, die etwa beim Befüllen des Behälters durch Schwankungen der Fluidoberfläche und durch Spritzer auftreten können, verhindert. Ist die Oberkante der obersten Öffnung genau auf der von den jeweiligen techn. Vorschriften geforderten maximal zulässigen Füllstandshöhe angebracht, kann diese bei einem flüssigen, kryogenen Fluid zur Peilung des max. zulässigen Füllstands bei einer nötigen Kalibrierung der Füllstands- Messeinheit dienen. Beim Befüllen mit der kryogenen baut sich ein Innendruck im geschlossenen Behälter auf, der dazu führt, daß kryogene Flüssigkeit aus dem Führungsrohr austritt, sobald die Oberkante der Öffnung mit der Flüssigkeit bedeckt und somit der Austritt für Gas verschlossen wird. Das Führungsrohr dient hierbei gleichzeitig als Überlaufrohr für die beschriebene Kalibrierung.

Es wird eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bevorzugt, bei der der Lichtleiter mit einer das Prüfsignal reflektierend ausgebildeten Stirnseite versehen ist. Dadurch ist es möglich, das optische Prüfsignal über den gleichen Lichtleiter zum Detektor zurückzuleiten. Es ist somit für Hin- und Rückleitung des Prüfsignals nur ein Lichtleiter erforderlich, so daß diese Ausführungsform der Vorrichtung besonders kostengünstig ist und einfach zu warten ist.

Als günstig hat es sich auch erwiesen, die Lichtquelle und den Detektor mit einer Kompensationseinrichtung zu verbinden. Mittels der Kompensationseinrichtung können Änderungen der anfänglichen Intensität des Prüfsignals kompensiert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen im einzelnen in schematischer Darstellung:

Fig. 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung des Füllstands in einem vakuum-isolierten Kryokraftstofftank unter Einsatz eines Lichtleiters,

Fig. 2 den in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 eingesetzten Lichtleiter im Detail in dreidimensionaler Ansicht, und

Fig. 3 den Lichtleiter gemäß Fig. 2 in einem radialen Querschnitt entlang der Linie "X" in vergrößerter Darstellung.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Füllstandssensor zum Einsatz in einem vakuum-isolierten Kryokraftstofftank 1 dargestellt. Der Füllstandssensor umfaßt einen in den Kryokraftstofftank 1 hineinragenden Lichtleiter 2 in Form einer Dickkernfaser aus Polymethyl-Metacrylat (PMMA) und eine Beleuchtungs-, Meß- und Auswerteeinheit, der insgesamt die Bezugsziffer 3 zugeordnet ist.

Der Lichtleiter 2 wird lose innerhalb eines Führungsrohrs 4 geführt, das über eine vakuumdichte Durchführung durch den Vakuummantel 5 des Kryokraftstofftanks 1 von außen in diesen hineinragt und im Bereich des Tankbodens 6 endet. Das Führungsrohr 4 ist unterbrechungsfrei soweit durch den Vakuummantel 5 nach außen geführt, daß der Lichtleiter 2 mit einer einfachen Durchführung aus dem mediumberührten Bereich herausgeführt werden kann. Im Falle von brennbaren oder explosiven Medien kann der Lichtleiter 2 bis in einen Bereich außerhalb der Explosionsschutzzone geführt werden.

Das Führungsrohr 4 ist nach unten hin offen und es weist innerhalb des Kryokraftstofftanks 1 eine weitere, oberste Öffnung 7 auf. Die Oberkante der Öffnung 7 liegt dabei in Höhe des maximalen Füllstands 10 des im Kryokraftstofftank 1 gespeicherten, kaltverflüssigten Erdgases 8. Die aktuelle Füllhöhe des kaltverflüssigten Erdgases 8 ist in Fig. 1 mit "F" bezeichnet. Oberhalb des flüssigen Erdgases 8 befindet sich eine Gasphase 9. Außerhalb des Kryokraftstofftanks 1 ist das Führungsrohr 4 mit einem Auslaßstutzen 12 versehen.

Der Lichtleiter 2 ist als U-Schleife mit Hinleitung 13 und Rückleitung 15 ausgeführt. Er erstreckt sich durch das gesamte Führungsrohr 4, wobei das in den Kryokraftstofftank 1 hineinragende, U-förmig gebogene Schleifenende 11 in unmittelbarer Nähe zum Tankboden 6 angeordnet ist. In das eine freie Ende der Hinleitung 13 wird mittels einer Lichtquelle 14 ein Prüfsignal in Form eines Lichtsignals eingekoppelt, das als verändertes Prüfsignal über das andere freie Ende der Rückleitung 15 einem Photodetektor 16 wieder zugeführt wird. Lichtquelle 14 und Photodetektor 16 sind Teil der Beleuchtungs-, Meß- und Auswerteeinheit 3, die außerdem eine Anzeigeeinheit 17 enthält.

In einer alternativen Ausführungsform erfolgt die Hin- und Rückleitung des Prüfsignals ohne Ausbildung einer Lichtleiterschleife. Hierbei wird ein einfacher gestreckter Lichtleiter eingesetzt, bei dem das im Bereich des Tankbodens angeordnete Ende für das Prüfsignal reflektierend ausgebildet ist, während in das gegenüberliegende Ende das Licht der Lichtquelle durch einen halbdurchlässigen Spiegel, dessen Fläche in einem Winkel von 45° zur Längsachse des Lichtleiters angeordnet ist, eingekoppelt wird. Das am endverspiegelten Ende reflektierte Lichtsignal wird am halbdurchlässigen Spiegel seitlich umgelenkt und dem an dieser Stelle angeordneten Photodetektor zugeführt. Der besondere Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß die längsausgedehnte Sensorfläche vom Lichtsignal auf dem Hin- und auf dem Rückweg durchlaufen wird, wodurch sich gegenüber dem einmaligen Durchlaufen eine verdoppelte Sensorfläche und damit ein größerer Signalhub und eine höhere Meßgenauigkeit ergeben. Es ist auch möglich, die Anordnung von Lichtquelle und Photodetektor gegeneinander zu vertauschen.

Wesentliches Element der Beleuchtungs-, Meß- und Auswerteeinheit 3 ist die Lichtquelle 14. Diese gibt Licht einer konstanten Lichtintensität und -wellenlänge ab. Im Ausführungsbeispiel wird eine Lichtwellenlänge von 650 nm verwendet. Mittels einer Optik wird Licht der Lichtquelle 14 in das freie Ende der Hinleitung 13 des Lichtleiters 2 eingekoppelt und mittels diesem zu einem Meßbereich geleitet, durch den sich der Lichtleiter 2 erstreckt. Der Meßbereich reicht im Ausführungsbeispiel vom Tankboden 6 des Kryokraftstofftanks 1 bis etwas oberhalb der maximalen Füllhöhe 10. Die Lichtführung des Lichtleiters 2 ist im Meßbereich verringert, da er in diesem Bereich über eine Länge der Hinleitung 13, die im folgenden als Meßlänge "M" bezeichnet wird, teilentmantelt ist, wie dies weiter unten anhand Fig. 2 näher erläutert wird.

Der Photodetektor 16 ist mit einem optoelektronischen Element wie beispielsweise einem Fototransistor ausgestattet, das eine dem empfangenen Licht proportionale Meßspannung erzeugt, die anschließend ausgewertet wird. Lichtquelle 14 und Photodetektor 16 sind mit einer Kompensationsschaltung versehen, mittels der die von der Lichtquelle in den Lichtleiter 2 eingekoppelte anfängliche Lichtintensität normiert wird, so daß Umwelteinflüsse (wie die Temperatur) sowie Veränderungen der Lichtquelle 14 (etwa durch Alterung und Verschmutzung) ausgesteuert werden und das auszuwertenden Nutzsignal dadurch nicht beeinflußt wird.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, besteht der Lichtleiter 2 aus einem lichtführenden Kern 21, der von einem optischen Mantel 22 umgeben ist. Der Brechungsindex des Mantels 22 ist geringer als der des Kerns 21, so daß eine Lichtführung im Kern 21 durch Totalreflexion des Lichts an der Grenzfläche zwischen Kern 21 und Mantel 22 gewährleistet ist.

Im Bereich einer Meßlänge "M", die eine Länge von 0,5 m aufweist, ist der Lichtleiter 2 im Bereich der Hinleitung 13 jedoch so bearbeitet, dass die Grenzbedingung der Totalreflexion zwischen Kern 21 und Mantel 22 verletzt wird. Hierzu wird der Mantel 22 über den Bereich der Meßlänge "M" teilweise entfernt. Dies kann durch Ritzen, Abschälen oder Abhobeln des Mantels oder durch abrasive Verfahren wie z. B. durch Schleifen oder Kugelstrahlen erfolgen. Im Bereich der Meßlänge "M" wird das im Kern geführte Licht teilweise gestreut, so daß es über die Meßlänge zu einem meßbaren Verlust der Lichtintensität kommt. Um die Meßempfindlichkeit weiter zu erhöhen, können dem Lichtleiter 2 im Bereich der Meßlänge "M" zusätzliche Biegungen aufgeprägt werden, die zu noch höheren Streuverlusten führen. Der Bereich der Meßlänge "M" wirkt als "Sensorfläche" im Sinne dieser Erfindung.

Alternativ dazu kann die Grenzbedingung der Totalreflexion zwischen Kern 21 und Mantel 22 auch dadurch verletzt werden, daß dem Lichtleiter 2 im Bereich der Meßlänge "M" eine oder mehrere enge Biegungen aufgeprägt werden, die den Mindest-Biegeradius, bei dem die Lichtführung gerade noch gewährleistet wäre, unterschreiten.

Der Kern 21 besteht im Ausführungsbeispiel aus einem einzigen, homogenen Faserstrang. Alternativ dazu kann der Kern 21 auch aus einer Vielzahl von Einzelfasern bestehen.

Aus der Ansicht von Fig. 3 ist erkennbar, daß der Mantel 22 im Bereich der Meßlänge "M" soweit entfernt ist, daß der Kern 21 teilweise freiliegt. Dadurch kommt es in Abhängigkeit vom Brechungsindex des den freiliegenden Kern 21 umgebenden Mediums zu Streuverlusten des im Kern 21 geführten Lichts, wie dies in Fig. 3 schematisch anhand der Richtungspfeile 23 symbolisiert ist.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren anhand den Fig. 1 bis 3 näher erläutert.

Der Kryokraftstofftank 1 ist bis zur Füllhöhe "F" mit kaltverflüssigtem Erdgas 8 gefüllt. Der Lichtleiter 2 taucht in das flüssige Erdgas 8 ein, derart, daß die Füllhöhe "F" im Bereich der Meßlänge "M", in der der Lichtleiter 2 teilentmantelt ist, liegt.

In das freie Ende der Hinleitung 13 des Lichtleiters 2 wird Licht der Lichtquelle 7 mit einer Intensität "I₀" eingekoppelt. Aufgrund der Kern-Mantel-Struktur des Lichtleiters 2 wird das Licht innerhalb des Kerns 21 praktisch verlustfrei geführt. Dies güt jedoch nicht für den Bereich der Meßlänge "M". Hier kommt es zu Lichtverlusten durch Streuung von Licht aus dem Kern 21. Die Streuverluste hängen vom Brechungsindex des Umgebungsmediums im Bereich der Meßlänge "M" ab. Oberhalb der Füllhöhe "F" handelt es sich dabei um eine Gasphase 9 aus gasförmigem Erdgas, unterhalb der Füllhöhe "F" um flüssiges Erdgas 8. Die Brechungsindizes von flüssigem Erdgas 8 und gasförmigem Erdgas unterscheiden sich deutlich. Daher hängt der Lichtverlust über der Meßlänge "M" in erster Näherung linear von demjenigen teilentmantelten Längenabschnitt des Lichtleiters 2 ab, der in das flüssige Erdgas 8 eintaucht.

Die Rest-Intensität I_R wird über den Rückleitung 15 dem Photodetektor 16 zugeführt, an dem sich somit eine vom Füllstand "F" abhängige Verringerung der Meßspannung einstellt.

Die Streuverluste sind umso größer, je größer der Brechungsindex im Bereich der Meßlänge "M" ist. Da der Brechungsindex des flüssigen Erdgases 8 größer ist, als derjenige der Gasphase 9, bewirkt eine Vergrößerung des eintauchenden Teils der Meßlänge "M" eine proportionale Reduzierung der auf den Photodetektor 16 übertragenen Rest-Intensität I_R. Die damit einhergehende Reduzierung der Meßspannung des Photodetektors 16 wird in der Auswerteeinheit 3 unter Bezug auf die in einer Kalibrierung ermittelten Werte für den minimal und maximal möglichen Füllstand in eine Angabe für den aktuellen Füllstand umgewandelt und mittels der Anzeigeeinheit 11 angezeigt.

Für die Kalibrierung des maximal möglichen Füllstands dient die oberste Öffnung 7 des Führungsrohres 4. Sobald der Flüssigkeitsspiegel die Oberkante der Öffnung 7 überschritten hat, wird infolge des Innendrucks flüssiges Erdgas 8 aus dem Kryokraftstofftank 1 durch das Führungsrohr 4 herausgedrückt. Sobald sich Flüssigkeit im Auslaßstutzen 12 sammelt ist somit der maximale Füllstand erreicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch eine hohe Fehlersicherheit bezüglich eines maximal zulässigen Füllstands im Behälter aus. Denn eine Verringerung der vom Photodetektor 16 gemessenen Licht-Intensität, etwa durch Dejustierung oder Bruch des Lichtleiters 2, wird meßtechnisch als "maximale Füllhöhe erreicht oder überschritten" gewertet und somit etwa ein automatischer Befüllprozeß des Kryokraftstofftanks 1 beendet.

Da der Lichtleiter 2 einen gleichmäßigen Querschnitt besitzt und im Führungsrohr 4 lose geführt ist, kann er einfach ausgetauscht werden, ohne daß der Kryokraftstofftank 1 geleert werden muß. Im Fall einer Wartung oder Reparatur wird der alte Lichtleiter einfach aus dem Führungsrohr 4 herausgezogen und ein neuer Lichtleiter 2 wird durch das Führungsrohr 4 in den Kryokraftstofftank 1 eingeführt. Der Tankboden 6 dient dabei als Anschlag.

Das für die Bestimmung des Füllstands eingesetzte optische System stellt keine Zündquelle für brennbare Füllgüter dar.

Claims (11)

1. Verfahren zur Bestimmung des Füllstands eines Fluids in einem geschlossenen Behälter, indem mittels eines Signalgebers ein Prüfsignal erzeugt, einem im Bereich einer Meßhöhe angeordneten Sensor zugeführt, mittels eines Fluids am Sensor verändert, und mittels eines Detektors das geänderte Prüfsignal erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein optisches Prüfsignal erzeugt wird, und daß als Sensor ein Lichtleiter (2) mit einer sich über die Meßhöhe erstreckenden Sensorfläche ("M") in den Behälter (1) eingesetzt wird, daß das Prüfsignal im Lichtleiter (2) geführt und entlang der Sensorfläche ("M") in Abhängigkeit vom Brechungsindex eines Umgebungsmediums (9; 8) geändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensor ein Lichtleiter (2) mit einem Kern (21) mit einem ersten, höheren Brechungsindex und mit einem den Kern (21) umhüllenden Mantel (22) mit einem zweiten, kleineren Brechungsindex eingesetzt wird, wobei der Mantel (22) im Bereich der Sensorfläche ("M") mindestens teilweise entfernt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtleiter (2) eine flexibles, zylinderförmiges, optisches Bauteil eingesetzt wird.

4. Verfahren nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Änderungen der Eintrittsintensität des Prüfsignals kompensiert werden.

5. Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstands eines Fluids in einem geschlossenen Behälter, mit mindestens einem im Bereich einer Meßhöhe angeordneten Sensor, der mit einem Signalgeber zur Erzeugung eines Prüfsignals und mit einem Detektor verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgeber eine ein optisches Prüfsignal erzeugende Lichtquelle (14) umfaßt, und daß als Sensor mindestens ein im Behälter (1) angeordneter Lichtleiter (2) vorgesehen ist, der mit einer sich über die Meßhöhe erstreckenden Sensorfläche ("M") versehen ist, entlang der das Prüfsignal in Abhängigkeit vom Brechungsindex eines Umgebungsmediums (8; 9) geändert wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (2) einen Kern (21) mit einem ersten, höheren Brechungsindex und einen den Kern (21) umhüllenden Mantel (22) mit einem zweiten, kleineren Brechungsindex aufweist, und daß der Mantel (22) im Bereich der Sensorfläche ("M") mindestens teilweise entfernt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (2) als flexibles, zylinderförmiges, optisches Bauteil ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (2) von einer innerhalb des Behälters (1) von einer nach unten offenen Führungshülse (4) lose umgeben ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungshülse (4) im oberen Bereich der Meßhöhe (10) eine Öffnung (7) aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (2) mit einer das Prüfsignal reflektierend ausgebildeten Stirnseite (11) versehen ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (14) und der Detektor (16) mit einer Kompensationseinrichtung verbunden sind.