DE2809087A1

DE2809087A1 - Fuellstandsanzeiger

Info

Publication number: DE2809087A1
Application number: DE19782809087
Authority: DE
Inventors: Johann Dipl Phys D Kammermaier; Wolfgang Dipl Phys D Schneider
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-03-02
Filing date: 1978-03-02
Publication date: 1979-09-06

Description

Füllstandsanzeiaer
Die Erfindung betrifft einen Füllstandsanzeiger nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die zuverlässige quantitative Erfassung des Pegels einer in einem Vorratsbehälter befindlichen Flüssigkeit, wie z.B. Kraftstoff im Tank eines Kraftfahrzeugs, erfordert ein mit elektronischen Vorrichtungen kompatibles Meß-und Anzeigesystem.
Die Füllstandsmessung von Flüssigkeiten in Behältern erfolgt bisher mit Hilfe mechanisch arbeitender Einrichtungen. So wird z.B. ein Schwimmkörper verwendet, dessen jeweilige Lage über ein Hebelsystem auf einen abgreifbaren elektrischen Widerstand übertragen wird, wodurch die Füllstandshöhe meßbar erfaßt werden kann. Aufgrund der bewegten Massen sind derartige Meßsysteme aber insbesondere bei Erschütterungen störanfällig und außerdem lediglich bei annähernd quaderförmigen Behältern und nicht bei beliebig geformten Behältern anwendbar.
Im Hauptpatent wird ein Füllstandsanzeiger angegeben, der gegenüber äußeren Einflüssen möglichst wenig störanfällig ist und außerdem bei beliebig geformten Behältern eingesetzt werden kann.
Dieser Füllstandsanzeiger für Flüssigkeiten oder Fluids in einem Behälter zeichnet sich aus durch eine sich im Behälter von unten nach oben erstreckende längliche Einrichtung mit lichtleitenden Eigenschaften, die mit einem Lichtsender und einem Lichtempfänger versehen ist, so daß aus dem empfangenen Lichtstrom die Füllstandshahe ablesbar ist. Für die vorzugsweise die Form eines Stabes aufweisende Einrichtung wird als Material ein lichtdurchlässiger Kunststoff oder Glas vorgeschlagen, wobei der Kunststoff Polymethylmethacrylat oder Polycarbonat ist.
Glasstäbe sind für sichtbares und infrarotes Licht durchsichtig und in flüssigen Kraftstoffen durchweg beständig.
Es hat sich aber gezeigt, daß sie gegenüber einer Formgebung mit Kerben (vgl. unten) bruchempfindlich sind.
Polymethylmethacrylat und Polycarbonat sind thermoplastische und für sichtbares und infrarotes Licht durchsichtige Kunststoffe, die wegen ihrer Elastizität weniger bruchempfindlich als Glas sind. Es hat sich aber gezeigt, daß diese Kunststoffe in bestimmten Kraftstoffen mit Benzol- und Methanolgehalt eine gewisse Unbeständigkeit zeigen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Werkstoff für die längliche Einrichtung mit lichtleitenden Eigenschaften anzugeben, der einerseits wenig bruchempfindlich ist und andererseits gegenüber Kraftstoffen eine hohe Beständigkeit zeigt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen thermoplastischen Kunststoffe sind für sichtbares und infrarotes Licht klar durchsichtig und können als stab-bzw. rohrförmiges Halbzeug bezogen oder als Granulat im Spritzgußverfahren verarbeitet werden. Das Copolymerisat aus Methylmethacrylat und Acrylnitril (AMMA) und Polyvinylfluorid (PVF) sind in Benzin, Benzol, Mineralöl und Methanol dauerbeständig. Polychlortrifluoräthylen (PCTFE) ist in Benzin, Mineralöl und Methanol dauerbeständig und wird von Benzol erst bei Temperaturen über 80°C angegriffen.
Der Stab kann auch aus einem Kern aus Polymethylmethacrylat oder Polycarbonat bestehen und mit einer dünnen, zusammenhängenden Schicht aus einem Fluorkohlenstoffpolymerisat überzogen werden, was z.B. durch Glimmpolymerisation von gasförmigen Fluorkohlenstoffmonomeren geschehen kann. Durch diese dünne Schicht, die in Benzin, Mineralöl, Benzol und Methanol unlöslich ist, wird Dauerbeständigkeit des Stabkernes aus Polymethylmethacrylat oder Polycarbonat in allen üblichen flüssigen Kraftstoffen erreicht.
Vorzugsweise ist die Schicht dünner als 1/um, so daß sie in den Kerben, Riefen oder Rillen des als Lichtleiter dienenden Stabes den Lichtaustritt nicht merklich beeinflußt und die Funktionsfähigkeit des Lichtleiters nicht beeinträchtigt wird. An den Stellen jedoch, an denen das Licht streifend zum Stabrand gelangt, führt die Schicht wegen ihrer niedrigen Brechzahl zu Totalreflexion, so daß diese Lichtanteile in den Stab zurückgelenkt und undefinierte Lichtverluste durch Streuung vermieden werden. Die dünne Schicht ist daher auch bei einem lichtleitenden Stab aus einem Copolymerisat aus Methylmethacrylat und Acrylnitril oder aus Polyvinylfluorid oder aus Glas vorteilhaft9 wobei sie zusätzlich die Bruchfestigkeit von Glas verbessert.
Die Einrichtung kann ein Stab sein Der Stab kann mit Kerben oder Riefen oder Rillen versehen sein. Der Lichtsender kann an einem Ende des Stabes und der Lichtempfänger am anderen Ende des Stabes vorgesehen sein Es ist auch möglich9 den Lichtsender und den Lichtempfänger am einen Ende des Stabes und einen Lichtreflektor am anderen Ende des Stabes vorzusehen Der Stab kann weiterhin.
U förmig gestaltet sein und an seinem einen Ende den Lichtsender und an seinem anderen Ende den Lichtempfänger aufweisen. Die Biegung des Stabes kann mit einen reflektierenden Material versehen werden. Die Kerben können senkrecht zur Achsrichtung auf der Mantelfläche-des Stabes verlaufen und ringförmig gestaltet sein. Als Lichtsender ist eine Leuchtdiode vorgesehen Der Lichtempfänger kann eine Fotodiode oder ein Fototransistor oder allgemein eine Fotozelle sein Der vom Lichtempfänger abgegebene Strom kann durch eine Darlington -Schaltung verstärkt werden.
Der erfindungsgemäße Füllstandsanzeiger ist besonders für Tanks von Kraftfahrzeugen geeignet. Er kann jedoch auch z.B. im Bereich der Maschinen- und Regeltechnik eingesetzt werden9 etwa um in strömenden Flüssigkeiten durch Messung des Strömungsdruckes mit Hilfe der in einer Flüssigkeitssäule sich ausbildenden Pegelhöhe Strömungsgeschwindigkeit und Durchflußmenge zu erfassen und zu steuern. Diese Flüssigkeitssäule entsteht dabei in einem Rohr, das von dem Rohr abzweigts in dem sich die zu messende Flüssigkeit befindet.
Bei der Erfindung wird also die Pegelhöhe einer Flüssigkeit durch Messung des Lichtes im sichtbaren oder kurz- welligen Infrarot-Bereich bestimmt, welches durch die in der Flüssigkeit befindliche und über den Flüssigkeits-* spiegel herausragende lichtleitende Einrichtung hindurchgeht. Infrarot-Licht ist von Verschmutzungen sowie von Farbstoffen im Kraftstoff unabhängiger als sichtbares Licht und bietet zudem eine etwas höhere Lichtausbeute.
Als lichtleitend wirkendes Material sind die angegebenen Werkstoffe besonders geeignet. Die Einrichtung ist in vorteilhafter Weise ein Rundstab, der geradlinig oder gekrümmt der jeweiligen Behälterform angepaßt sein kann.
Als Lichtquelle eignen sich wegen ihrer hohen Lebensdauer und Konstanz der Lichtemission besonders Leuchtdioden (LED).
Als Licht empfänger werden wegen ihrer hohen Empfindlichkeit vorzugsweise Fototransistoren eingesetzt, die das auf sie auftreffende Licht in ein elektrisch verarbeitbares Signal umwandeln. Die Lichtquelle und der Lichtempfänger sind an die längliche Einrichtung mit lichtleitenden Eigenschaften angekoppelt. Befindet sich der Lichtleiter in Luft oder in einem anderen gasförmigenMedium mit kleinem Brechungsindex in der Größenordnung von 1, so wird wegen des wesentlich höheren Brechungsindex des Kunststoffmaterials das in dieses eingekoppelte Licht vorzugsweise durch Totalreflexion weitergeleitet. Wird jedoch der Lichtleiter von einer Flüssigkeit umgeben, deren Brechungsindex merklich größer als der des umgebenden gasförmigen Mediums ist, sm ist der Anteil des seitlich austretenden und damit den Licht empfänger nicht mehr erreichenden Lichtes größer. Damit kann prinzipiell durch Messung des vom Lichtempfänger aufgenommenen Lichtes die Pegelhöhe einer Flüssigkeit stetig und kontinuierlich bestimmt werden.
Die Anwendbarkeit eines Lichtleiters für Füllstandsmessungen kann allerdings dann beeinträchtigt sein, wenn vor allem in geschlossenen Gefäßen an dem in die Dampfphase der Flüssigkeit bzw. in den Luftraum ragenden Teil des Lichtleiters ein dünner Film der Flüssigkeit kondensiert oder bestehen bleibt. Um einen dadurch bedingten störenden Effekt zu vermeiden, hat der Lichtleiter vorzugsweise in bestimmten Abständen Kerben oder Riefen oder Rillen oder Furchen oder dergleichen.
Die auf die Randzonen des Lichtleiters auftreffenden Lichtstrahlen werden an diesen Kerben usw. in Luft oder in einem anderen gasförmigen Medium durch Brechung und partielle Reflexion zu einem größeren Teil als bei dem glatten Teil nach außen abgelenkt. Das im Lichtleiter weitergeleitete Licht wird unter dieser Voraussetzung damit an jeder Kerbe usw. in definierter Weise schwächer. Dieser Effekt nimmt ab, wenn die Kerbe usw. in die Flüssigkeit eintauchen, das aufgrund der geänderten Brechungsverhältnisse, nämlich eines höheren Brechungsindex in der Flüssigkeit, ein größerer Lichtanteil im Lichtleiter weitergeführt wird. Befindet sich so ein Lichtleiter in Luft oder in einem von einem gasförmigen Medium erfüllten Raum, so ist die zum Lichtempfänger gelangende Lichtenergie am geringsten. Mit wachsender Zahl der von der Flüssigkeit umgebenen Kerben usw. erhöht sich der zum Licht empfänger gelangende Lichtstrom monoton und reproduzierbar. Durch eine entsprechende Anzahl von Kerben usw. mit geeigneter Form und gegebenenfalls variabler Tiefe kann damit für beliebige Behälterformen eine genaue Füllstandsmessung unabhängig von mechanisch bewegten Teilen durchgeführt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Füllstandsanzeigers, Fig. 2 und 3 weitere Ausführungsbeispiele für die Gestaltung der länglichen Einrichtung, (Lichtleiter) mit lichtleitenden Eigenschaften, Fig. 4 die elektrische Schaltung für den Lichtempfänger, und Fig. 5 die elektrische Schaltung für den Lichtsender.
In Fig. 1 ist in einem Behälter 1 eine Flüssigkeit 2 mit einem Flüssigkeitspegel 3 vorgesehen. Durch den Behälter 1 erstreckt sich ein Lichtleiter 4, an dessen unterem Ende eine Leuchtdiode 5 und an dessen oberen Ende ein Fototransistor 6 liegen. Der Lichtleitet 4 besteht aus einem Kern aus Polymethylmethacrylat und ist mit einer zusammenhängenden Schicht 19 aus Fluorkohlenstoffpolymerisat überzogen.
Fig. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem am oberen Ende des mit Kerben 20 versehenen Lichtleiters 4 eine Leuchtdiode 5 und ein Fototransistor 6 vorgesehen sind. Am unteren Ende des Lichtleiters 4 ist dabei ein Spiegel oder eine reflektierende Fläche 8 angeordnet.
Selbstverständlich können die Kerben 20 bei allen Ausführungsbeispielen vorgesehen sein.
In Fig. 3 ist der Lichtleiter 4 U-förmig und hat an seineu ende eine Leuchtdiode 5 bzw. einen Fototransistor 6.
Die Biegung des Lichtleiters ist dabei mit einer reflektierenden Schicht 9 versehen.
Fig. 4 zeigt die Schaltung des Fototransistors 6, der in Darlington-Schaltung mit einem weiteren Transistor 11 verbunden ist. Die beiden Kollektoren der Transistoren 6 und 11 sind mit dem einen Anschluß eines Strombegrenzungswiderstandes 12 von 10 bis 1000 Ohm verbunden, dessen anderer Anschluß über eine Stromquelle 13 an eine Anzeigeeinrichtung (Strommesser) 14 angeschlossen ist.
Der Emitter des Transistors 11 ist ebenfalls mit der Anzeigeeinrichtung 14 verbunden.
Wenn Licht auf den Fototransistor 6 einfällt, wie dies durch Pfeile 15 dargestellt ist, so wird der vom Transistor 6 abgegebene Strom durch den Transistor 11 verstärkt und bewirkt so einen dem einfallenden Licht entsprechenden Ausschlag der Anzeigeeinrichtung 14.
Fig. 5 zeigt die Schaltung der Leuchtdiode 5, die durch Pfeile 16 angedeutetes Licht in den Lichtleiter 4 abgibt Die Leuchtdiode 5 ist einerseits über einen Strombegrenzungswiderstand 17 mit dem einen Pol einer Stromquelle 18 und andererseits direkt mit der Stromquelle 18 verbunden.
2 Patentansprüche 5 Figuren

Claims

Patentansprüche /Dyi Füllstandsanzeiger für Flüssigkeiten oder Fluids in einem Behälter mit einer sich im Behälter von unten nach oben erstreckenden länglichen Einrichtung mit lichtleitenden Eigenschaften, die mit einem Lichtsender und einem Lichtempfänger versehen ist, so daß aus dem empfangenen Lichtstrom die Füllstandshöhe ablesbar ist, nach Patent ........(Patentanmeldung P 28 04 63901)s d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Einrichtung (4) aus einem Copolymerisat aus Methylmethacrylat und Acrylnitril oder aus Polyvinylfluorid oder aus Polychlortrifluoräthylen oder aus einer dünnen Schicht (19) aus Fluorkohlenstoffpolymerisat auf einem Kern aus Polymethylmethacrylat oder einem Kern aus Polycarbonat oder einem Kern aus einem Copolymerisat aus Methylmethacrylat und Acrylnitril oder einem Kern aus Polyvinylfluorid oder einem Kern aus Glas besteht.
2. Füllstandanzeiger nach Anspruch 1, d a d u r c g e k e n n z e i c h n e t, daß die Schicht (19) dünner als Ijum ist.