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Vorrichtung zur Höhenstandsmessung von Flüssigkeiten
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in Behältern, insbesondere Füllstandsanzeige für Kraftfahrzeuge Die
Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung der im Gattungsbegriff des Anspruches
1 angegebenen Art.
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Die bekannten Vorrichtungen umfassen mechanisch bewegliche Elemente,
wie Schwimmer, und sind störanfällig und bauaufwendig. Die Meßelemente des Fühlglieds
treten mit der Flüssigkeit unmittelbar in Wechselwirkung, was insbesondere bei aggressiven
Flüssigkeiten zu Verschleißerscheinungen führt. Der Einbau und die Wartung der bekannten
Vorrichtungen ist schwierig.
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Zur Höhenstandsmessung von bestimmten Flüssigkeiten ist die Entwicklung
spezieller Vorrichtungen nötig.
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Grundsätzlich ist das Anwendungsgebiet der bekannten Vorrichtungen
begrenzt und in der Regel nur für bestimmte Flüssigkeiten geeignet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine preiswerte Vorrichtung
der im Gattungsbegriff des Anspruches 1 genannten Art zu entwickeln, die sich durch
eine zuverlässige störunanfällige Anzeige des Höhenstands der Flüssigkeit auszeichnet.
Dies wird durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angeführten Merkmale erreicht.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung führt die Höhenstandsmessung auf
optischem Wege durch, weshalb bewegliche,
einem Verschleiß unterworfene
Elemente grundsätzlich entbehrlich sind. Obwohl jede bekannte Strahlungsart infrage
kommt, hat sich die Verwendung von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von
Infrarotlicht bewährt. Die Strahlung beobachtet die an der Grenzfläche des Strahlungsleiters
eintretenden Veränderungen, nämlich ob die Grenzfläche des im Flüssigkeitsbehälter
befindlichen Strahlungsleiters von der Flüssigkeit benetzt wird oder nicht. Dies
führt nämlich an der Grenzfläche zu unterschiedlichem Brechungs- und Reflexionsverhalten
der Strahlung. Der Strahlungsempfänger erhält die von der Grenzfläche reflektierte
Strahlung und stellt sofort die hinsichtlich der Flüssigkeit geänderten Verhältnisse
an der Grenzfläche fest, weil sich die von ihm empfangene Bestrahlungsstärke verändert.
Diese Veränderung wird einem Auswertegerät zugeführt, das eine dementsprechende
Anzeige bewirkt. Die Messung erfolgt mittelbar über die Strahlung, denn nur die
widerstandsfähige Außenfläche des Strahlungsleiters wird außenseitig von der Flüssigkeit
umspült bzw. von der Flüssigkeit entblößt.
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Zweckmäßigerweise wird sowohl der Strahlungssender - als auch der
Empfänger im Medium des Strahlungsleiters angeordnet, weil sie dort von äußeren
Einflüssen am besten geschützt sind und als Baueinheit den Aufbau und die Montage
der Vorrichtung erleichtern. Einer oder beide dieser Elemente könnten auch im anderen
Medium angeordnet sein. Um die Veränderung des Brechungs-Reflexions-Verhaltens an
der Grenzfläche besonders ausgeprägt zu machen, empfiehlt es sich, den Einfallswinkel
der vom Sender kommenden Strahlung auf die Grenzfläche größer / gleich als den sogenannten
"Grenzwinkel der Totalreflexion" auszubilden, wenn die Grenzfläche von der Flüssigkeit
nicht benetzt wird. In diesem Meßfall fällt die im'Strahlungsleiter verlaufende
Strahlung auf die Grenzfläche zu einem optisch dünneren Medium hin ein, nämlich
zu dem von der Flüssigkeit freigegebenen leeren Raum, und wird dann bei einem solchen
den genannten Grenzwinkel übersteigenden Einfall total
reflektiert.
Dadurch wird das ganze Strahlungsbündel von der Grenzfläche auf den Empfänger zurückgeworfen,
weshalb dort eine besonders hohe Bestrahlungsstärke -eintritt.
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Ist aber die Grenzfläche von Flüssigkeit hinterfüllt, so liegt jetzt
ein optisch dichteres Medium vor, welches eine höhere "Brechungszahl" aufweist.
Jetzt tritt ein dementsprechend großer Anteil der Strahlung durch die Grenzfläche
gebrochen hindurch und verschwindet in der Flüssigkeit. Dadurch fällt auf den Strahlungsempfänger
eine wesentlich geringere Lichtmenge, weshalb das Meßergebnis sich in besonders
eklatanter Weise gegenüber dem vorausgehenden Fall unterscheidet, wo die Grenzfläche
von der Flüssigkeit benetzt worden ist. Um diese Totalreflexion auszunutzen genügt
es also, die Grenzfläche mit einer entsprechend großen Neigung gegenüber der Verlaufsrichtung
der einfallenden Strahlung anzuordnen.
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Eine weitere Verstärkung des Meßergebnisses erhält man, wenn man in
Verlaufsrichtung der Strahlung mehrere solche Grenzflächen im Strahlungsleiter vorsieht,
an denen sich jeweils die Brechung bzw. Reflexion abspielt. Will man dabei nur eine
bestimmte Höhenlage der Flüssigkeit überwachen, so wird man diese mehrfach hintereinander
geschalteten Grenzflächen in einer übereinstimmenden Höhenlage im Strahlungsleiter
anordnen. Der Meßwertunterschied zwischen den benetzten und nicht benetzten Grenzflächen
ist dadurch vervielfacht.
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Für eine kompakte Bauweise empfiehlt es sich die hintereinander geschalteten
Grenzflächen in ihrer Neigung zueinander wie Komplementärwinkel auszubilden, die
bewirken, daß für den Strahlengang der Reflexion die vom Strahlungsempfänger aufgenommene
Strahlung im wesentlichen entgegengerichtet parallel zu der vom Sender ausgehenden
Strahlung ist. Dadurch können Strahlungssender und -
Empfänger
am gleichen Ende des Strahlungsleiters angeordnet sein und dicht beieinander liegen.
Außer der kompakten Bauweise erhält man einen bequemen Einbau.
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Es genügt nämlich eine gemeinsame Aussparung am einen Ende des Strahlungsleiters,
um einen elektrischen Bausatz einzufügen, der auf seiner Innenfläche den Strahlungssender
- und Empfänger aufweist und auf seiner Außenfläche Steckkontakte trägt, die zum
Anschluß eines elektronischen Auswerte- und Anzeigegeräts dienen. Der Strahlungs-Sender
- und Empfänger kann dabei einfach in Strahlungskammern am Grund der Aussparung
eingesteckt werden und der Bausatz auf seiner Außenseite zu Abdichtzwecken vergossen
sein.
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Der Strahlungsleiter bildet zusammen mit dem Strahlungs-Sender und
- Empfänger eine Baueinheit, die als ganzes montiert wird. Die Montage des erfindungsgemäßen
kompakten Fühlglieds und die Zugänglichkeit der die flüssigkeitsbenetzten Grenzfläche
sind dadurch sehr einfach ausführbar.
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Der erfindungsgemäße Strahlungsleiter kann als stabförmiger Körper
ausgebildet sein, weil damit dem geometrischen Verhältnis des Behälters am besten
Rechnung zu tragen ist. Die Grenzfläche wird dabei wenigstens am zugespitzten Ende
des stabförmigen Leiters angeordnet. Je nach der Form des Behälters wird man den
Leiterstab gestreckt oder krumm machen, damit im Einbauzustand die Grenzfläche trotz
der verwinkelten Form des Behälters an den richtigen Ort zur Beobachtung der Flüssigkeit
kommt. Ein Rundstab hat sich bewährt.
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Der erfindungsgemäße Strahlungsleiter kann aber den Flüssigkeitsstand
zugleich in verschiedenen Höhen überwachen, wenn man ihn in dementsprechend verschiedenen
Höhenbereichen mit solchen Grenzflächen versieht. Zur Uberwachung dieser verschiedenen
Flüssigkeitshöhen kann dennoch ein gemeinsames Strahlungs-Sender-Empfänger-Paar
verwendet werden. Durch die Anwendung der erwähnten
Totalreflexion
und/oder durch Vielfachreflexionen der Strahlung an mehreren in gleicher zu überwachender
Höhe liegenden Grenzflächen läßt sich nämlich der Meßwert ausreichend deutlich verändern,
wenn der Flüssigkeitsstand zwischen zwei benachbarten überwachten Höhen auf-bzw.
absteigt. Bei Verwendung des erwähnten stabförmigen Leiters wird man dann Grenzflächen
nicht nur am zugespitzten Ende vorsehen, sondern auch in verschiedenen Axiallängenbereichen
anordnen. Diese entstehen durch eine entsprechend mehrfache Abstufung des Leiterstabs.
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Die Grenzflächen werden dabei durch die Ringstufen gebildet, die natürlich
in den gewünschten definierten Höhenlagen des Flüssigkeitsstandes zu liegen kommen,
wenn der Leiterstab im Behälter eingebaut ist. Wird ein ausreichend empfindlicher
Strahlungsempfänger mit Auswertegerät und Anzeigeglied verwendet, so ist es möglich
entsprechend viele Grenzflächen in zahlreichen Höhenlagen des Strahlungsleiters
anzuordnen, womit man dann eine nahezu kontinuierliche Höhenstandsmessung erhält.
Die Ausbildung der Grenzflächen an dem Strahlungsleiter kann in verschiedener Weise
erfolgen. So wäre es zwecks einer kontinuierlichen Messung bei einem Leiterstab
möglich, die Grenzflächen als eine um die Achse des Leiterstabes sich hochschraubende
Wendelfläche auszubilden; in Abhängigkeit vom Flüssigkeitsstand ändert sich das
Brechungs-Reflexions-Verhalten in einem dementsprechend größeren oder kleineren
Abschnitt des Leiterstabs.
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Statt eines langen Strahlungsleiters, der verschiedene Höhenlagen
des Flüssigkeitsstandes im Behälter überwachen soll, könnte man auch eine Schar
von unabhängigen Strahlungsleitern in verschiedenen Höhenlagen des Behälters anordnen,
die dann dementsprechend kurz ausgebildet sein brauchen. Wenn auch jeder einzelne
Leiter dieser Schar seinen eigenen Sender und Empfänger besitzt, die aber dann entsprechend
einfach und preiswert
gestaltet sein können, so wird man die ganze
Leiterschar zweckmäßigerweise an ein gemeinsames Auswerte-und Anzeigegerät anschließen.
Die Anzeige kann in jeder beliebigen Weise als Digital- oder Analoganzeige erfolgen.
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Man kann eine einfache Ja-Nein-Aussage verwenden, wenn es nur darum
geht das Unterschreiten bzw. Uberschreiten eines bestimmten Flüssigkeitsstandes
zu überwachen.
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Bei verschiedenen zu überwachenden Flüssigkeitshöhen könnte man auch
eine Leuchtbalkenanzeige verwenden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich auch auf verschiedenen
anderen Gebieten anwenden. Statt einer Höhenstandsmessung könnte man auch Dichtemessungen
der Flüssigkeiten, Gase oder andere Medien vorsehen, die an der von der Strahlung
überwachten Grenzfläche des Strahlungsleiters auftreten. Dadurch läßt sich die Qualitätsbestimmung
des dort befindlichen Mediums überwachen und gegebenenfalls eine Explosionsgefahr
feststellen. Man kann auch die Änderung des Zustands des zu überwachenden Mediums
an der Grenzfläche mit dieser Reflexions-Brechungs-Messung überwachen und beispielsweise
die Vereisung des äußeren Mediums. Bewährt hat sich die erfindungsgemäße Vorrichtung
aber vor allem für die Füllstandsanzeige. Da nur eine optische Messung und diese
sogar im Leiterinneren bei der Erfindung erfolgt, lassen sich die Messungen bei
der Erfindung auch unter ungünstigsten Bedingungen, wie sehr hohen oder sehr tiefen
Temperaturen und in explosiven Medien ausführen.
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Es genügt ein geeigneter Werkstoff für den Strahlungsleiter, der in
Form von Kunststoffen in einer weiten Palette zur Verfügung steht. Die Füllstandsanzeigeim
Fahrzeugbereich ist mit der Erfindung besonders einfach und zuverlässig ausführbar,
denn es genügt ein elektrischer Anschluß, der bei Kraftfahrzeugen ohnehin zur Verfügung
steht. Damit läßt sich beispielsweise das Waschwasser für die Scheiben oder Fahrzeugleuchten
in seinem Füllstand überwachen. Genauso könnte man den Kraftstoff im Tank
oder
das öl im Getriebe oder Motor beobachten. Auch die Bremsflüssigkeit, das Kühlwasser
oder das Hydraulikmedium in dem jeweiligen Vorratsbehälter kann mit einer erfindungsgemäßen
Füllstandsanzeige kontrolliert werden. Bei Bewegungen des Fahrzeugs ergeben sich
an der Flüssigkeitsoberfläche Wellenbildungen und Schwankungen des Flüssigkeitsspiegels
im Behälter. Die sich daraus ergebenden Meßschwierigkeiten an der beobachteten Grenzfläche
des erfindungsgemäßen Strahlungsleiters lassen sich leicht durch elektronische Dämpfungsschaltungen
und/oder durch mechanische Flüssigkeitsdämpfer beseitigen. Auf elektronischem Wege
geschieht dies durch Mittelwertbildung über eine bestimmte Zeit. Auf mechanischem
Wege würde es genügen, den Bereich der Grenzfläche des Strahlungsleiters von einem
Dämpfungstopf zu verschließen, der verhältnismäßig kleine Ein- und Ausströmöffnungen
für die Flüssigkeit besitzt. Die Schwankungen des Flüssigkeitsspiegels im Behälter
wirken sich dann wegen dieser engen Durchführungen nicht mehr im Inneren des Dämpfungstopfes
aus, so daß dort der richtige Flüssigkeitsstand bezüglich der Grenzfläche vorliegt.
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Die Erfindung ist auf verschiedenen Gebieten der Chemie und Technik
gleich gut anwendbar, wobei ihr robuster Aufbau sehr vorteilhaft ist. In den Zeichnungen
ist die Erfindung in mehreren Ausführungsbeispielen dargestellt. Es zeigen: Fig.
1 und 2 in schematischer Darstellung und im Axialschnitt die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen
Vorrichtung in zwei verschiedenen Betriebszuständen, Fig. 3 in Explosionsdarstellung
im Schnitt die Bestandteile einer erfindungsgemäßen Baueinheit, Fig. 4 und 5 die
Draufsicht auf die beiden Bestand-
teile der Baueinheit, Fig. 6
in einem anderen Ausführungsbeispiel die komplette Baueinheit, Fig. 7 in schematischer
Darstellung und im Axialschnitt eine Erläuterung der Wirkungsweise der in Fig. 6
gezeigten Ausführung der Erfindung, Fig. 8 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung, Fig. 9 das untere Teilstück einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Baueinheit und Fig. 1o eine Ausführungsmöglichkeit der Erfindung für eine Bremsflüssigkeitskontrolle
an Behältern von Kraftfahrzeugen.
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Wie aus Fig. 1 erkennbar, wird zur Uberwachung des Höhenstandes 11
einer Flüssigkeit 1o in einem Behälter 12 ein Leiterstab 13 verwendet, der aus einem
für Infrarotstrahlung 14 leitungsfähigem Werkstoff 15 besteht. In dem Leiterwerkstoff
15 sind ein Infrarotsender 16 und Empfänger 17 angeordnet, und zwar im oberen Endbereich
18 des Leiterstabs 13. Im vorliegenden Fall handelt es sich um einen Vorratsbehälter
12 für Waschwasser 1o für die Scheiben eines Kraftfahrzeugs.
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Im eingebauten Zustand reicht der Leiterstab mit seinem unteren Endbereich
19 bis in jene Höhenzone des Vorratsbehälters 12 hinab, an welcher der Höhenstand
des Waschwassers 1o überwacht werden soll, um ein Warnsignal abzugeben. In diesem
unteren Endbereich 19 befinden sich durch Zuschärfung gebildete Grenzflächen 20,
20', denen eine besondere Bedeutung zukommt. Ober eine an der elektrischen Anlage
angeschlossene Zuleitung 21
wird elektrische Spannung an den Infrarotsender
1 6 angelegt, der die Infrarotstrahlung 14 erzeugt. Im konkreten Ausführungsbeispiel
wird als Infrarotsender ein IR-LED verwendet, der durch eine linsenartige Kappe
22 o. dgl. ein die Strahlung 14 fokussierendes Element besitzt. Die austretende
Strahlung ist daher etwa gebündelt; in Abstrahlrichtung erscheint die Energieverteilung
in Form einer Senderkeule. Die Infrarotstrahlung 14 wird dadurch an den Längswänden
des Leiterstabs 13 reflektiert. Zur Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Verhältnisse
genügt aber zur Repräsentation der Strahlung der durch Pfeile angedeutete Lichtstrahlenverlauf,
weil damit die eintretenden Wirkungen am leichtesten zu erläutern sind.
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Wie aus den Pfeilen 23, 24, 25 der Fig. 1 zu entnehmen ist, liegt
eine grundsätzlich zweifach abgewinkelte Verlaufsrichtung der Strahlung 14 vor.
Ausweislich des Lichtstrahls 23 verläuft die vom Infrarotsender 16 abgegebene Strahlung
in Richtung der strichpunktiert in Fig. 1 angedeuteten Achse 26 gegen das Stabunterende
19, wo das Licht zunächst an die Grenzfläche 20 stößt.
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Im Fall der Fig. 1 wird angenommen, daß der Vorratsbehälter 12 geleert
ist und damit der Höhenstand des Waschwassers unterhalb des Stabendes 19 liegt.
Die Grenzfläche 20 ist also vom Waschwasser nicht benetzt und ist daher für die
Infrarotstrahlung 14 optisch dünner als der lichtleitende Werkstoff 15 des Leiterstabs
13. An der Grenzfläche 20 muß also der Lichtstrahl 23 aus einem optisch dichteren
Stoff in einen dünneren übertreten; die Brechzahl des Leiterwerkstoffs 15 ist wesentlich
höher als die des leeren Behälterinnerns, nämlich der dort befindlichen Luft. Nach
den Gesetzen der Physik gibt es in einem solchen Fall einen sogenannten Grenzwinkel
der Totalreflexion", an dem die auftreffende Strahlung nur reflektiert und nicht
mehr in das dünnere andere Medium gebrochen wird. Das. hängt dann
auschließlich
von der Größe des Einfallswinkels 27 ab, den der einfallende Lichtstrahl 23 gegenüber
der Grenzfläche 20 besitzt. Im vorliegenden Fall wird zweckmäßigerweise der Grenzfläche
2c eine solche Neigung gegenüber der Verlaufsrichtung des Lichtstrahls 23 gegeben
daß der dort mit dem Lot auf der Grenzfläche 20 angedeutete Einfallswinkel 27 größer/gleich
dem vorerwähnten Grenzwinkel der Totalreflexion ist. Das hat zur Folge, daß der
Lichtstrahl 23 mit einem entsprechend großen Ausfallwinkel 28 reflektiert wird,
wodurch sich der in Fig. 1 angedeutete Lichtstrahl 24 ergibt, der nun auf die gegenüberliegende
Grenzfläche 20' stößt. Hier liegen die gleichen Verhältnisse wie an der vorerwähnten
Grenzfläche 20 vor, weil beide Grenzflächen im gleichen Höhenbereich des Behälters
12 angeordnet sind. Es tritt daher auch dort wieder eine Totalreflexion ein, die
ausweislich des angedeuteten Lichtstrahles 25 antiparallel zu dem ausgesendeten
Lichtstrahl 23 ist. Der zurückreflektierte Lichtstrahl 25 wird vom Infrarotempfänger
17 erfaßt, der seinerseits, wie im konkreten Ausführungsbeispiel von Fig. 3 angedeutet,
mit einer entsprechenden fokussierenden Kappe. 22 versehen sein kann, die die empfangene
Lichtstrahlung auf eine in der Draufsicht von Fig. 5 erkennbare Meßstelle 29 fokussiert.
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Dort entsteht ein entsprechend hoher Fotostrom, der in einem Auswertegerät
30 verstärkt wird und auf ein Anzeigeglied 31 einwirkt. Im vorliegenden Fall gibt
das Auswertegerät 30, wenn ein bestimmter Schwellenwert im Meßergebnis überschritten
ist, eine Einschaltspannung zu einer als Anzeigeglied dienenden Warnleuchte 31,
die im Betriebsfalle der Fig 1 durch warnendes Leuchten angibt, daß der Behälter
12 über das gewünschte Maß von Waschwasser lo entleert ist.
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Im Betriebsfall von Fig. 2 wird angenommen, daß ein Höhenstand 11'des
Waschwassers 1o vorliegt, der die beiden in einer Höhe liegenden zu überwachenden
Grenzflächen
20, 20' eindeutig umspült; es liegt also ein ausreichender Waschwasservorrat vor.
Jetzt ergeben sich an den Grenzflächen andere Verhältnisse.
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Der einfallende Lichtstrahl 23 findet auf der gegenüberliegenden Seite
der Grenzfläche 20 ein gegenüber dem vorausgehenden Fall wesentlich dichteres Medium,
nämlich Waschwasser 1o vor, weshalb jetzt auf der Außenseite der Grenzfläche 20
ein Medium mit einer ähnlich hohen Brechzahl vorliegt wie im Inneren des Leiterwerkstoffs
15. Weil sich der oben erwähnte Grenzwinkel der Totalreflexion als Arcus-Sinus des
Verhältnisses der dabei wirksamen Brechzahlen auf der Außenseite und auf der Innenseite
der Grenzfläche 20 ergibt, ist dieser Grenzwinkel im Betriebsfall der Fig. 2 nicht
erreicht und es tritt daher nach den physikalischen Gesetzen neben einer Reflexion
24 auch eine durch den Pfeil 32 angedeutete Brechung der Infrarotstrahlung an dieser
Stelle auf. Der gebrochene Lichtstrahl 32 leitet einen Teil der Strahlungsenergie
folglich ins Waschwasser 1o, wo dieser Energieanteil verloren geht. Es wird lediglich
ein gegenüber dem vorausgehenden Betriebsfall nur geringerer Energieanteil als reflektierter
Lichtstrahl 24 der gegenüberliegenden Grenzfläche 20' zugeleitet. Der gebrochene
Lichtstrahl 32 tritt nach-den Brechungsgesetzen Cuhter einem Winkel 33 aus, der
von dem Verhältnis der Brechungszahlen des Waschwassers zu derjenigen des Leiterwerkstoffs
15 entspricht.
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An der Grenzfläche 20' liegen die an der vorausgehenden Grenzfläche
20 erläuterten Verhältnisse vor, weshalb auch dort wieder eine weitere Brechung
stattfindet, die durch den angedeuteten gebrochenen Lichtstrahl 34 einen weiteren
Anteil der Strahlungsenergie aus dem Leiterstab 13 ins Waschwasser 1o überführt,
das dann für die Messung am Infrarot-Empfänger 17 nicht mehr zur Verfügung steht.
Dieser Verlust an Strahlungsenergie ist in dem punktiert angedeuteten Lichtstrahl
25
im Betriebsfall von Fig. 2 verdeutlicht. Der Empfänger 17 mißt
daher eine wesentlich geringere Strahlung. Das Auswertegerät 30 stellt fest, daß
der vorgegebene Grenzwert nicht erreicht ist und gibt daher keinen Einschaltimpuls
an die Warnleuchte 31. Die Warnleuchte 31 bleibt dunkel und zeigt damit an, daß
ausreichend Waschwasser vorhanden ist. Es versteht sich, daß das Auswertegerät 30
hinsichtlich der Ein- und Ausschaltung der Warnleuchte in den beiden Betriebsfällen
von Fig. 1 und 2 genau umgekehrt verfahren könnte, d.h. sie könnte leuchten, solange
ausreichend Waschwasser vorhanden ist.
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Es versteht sich ferner, daß anstelle von Warnleuchten 31 auch andere
an sich bekannte digitale oder analoge Anzeigeglieder verwendet werden könnten.
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Die Fig. 3 zeigt eine konkrete Ausführung einer als erfindungsgemäßes
Fühlglied verwendbaren Baueinheit 35.
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Diese besteht aus einem aus transparentem Kunststoff bestehenden Rundstab
13, dessen endseitige Grenzflächen durch eine konische Zuspitzung 36 entstehen.Die
gesamte an den Zylinderwänden des Rundstabs 13 reflektierte Infrarotstrahlung fällt
auf die als umlaufende einheitliche Grenzfläche ausgebildete konische Spitze 36
und wird in ihrem Richtungsverlauf durch dortige Reflexion umgekehrt, um auf den
Infrarot-Empfänger 17 zu treffen Die Fig. 3 zeigt zunächst die in ihre wesentlichen
Bestandteile zerlegte Baueinheit 35. Zu ihr gehört, außer dem erwähnten Leiterstab
13 ein Bausatz 37 elektronischer Bauteile. Zu diesem Bausatz 37 zählt eine als Träger
dienende elektrische Leiterplatte 38 mit elektrischen Leiterbahnen 39, an welche
auf der Plattenunterseite 41 als Sender der erwähnte IR-LED 16 und der Infrarot-Empfänger
17 sitzen, während auf der Plattenoberseite 42 neben verschiedenen elektronischen
Bauteilen wie Widerständen und Kondensatoren Steckkontakte 40 sitzen, von denen,
um einen drehsicheren Anschluß zu ermöglichen, drei Exemplare vorliegen. Das Oberende
18
des Rundstabs 13 ist mit einer zur Stirnfläche hin offenen Aussparung
44 versehen, die in ihrem Grund mit zwei axialen Strahlungskammern 45, 46 versehen
ist.
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Die Aussparung 44 besitzt eine lichte Weite, die dem Umfangsquerschnitt
der elektrischen Leiterplatte 38 entspricht. Der vormontierte Bausatz 37 wird mit
dem Infrarot-Sender und Empfänger 16, 17 in die Aussparung eingesteckt, sodaß diese
in die beiden zugeordneten Strahlungskammern 45, 46 gelangen. Es liegt eine so dichte
Passung vor, daß auf die Plattenaußenseite 42 eine Vergußmasse 72 gebracht werden
kann, das nicht nur den elektrischen Bausatz 37 in der Montagestellung im Inneren
der Aussparung 44 fixiert, sondern diesen auch gegenüber Flüssigkeiten abdichtet.
Der Paßsitz zwischen dem Umfang der Leiterplatte 38 und der Seitenwand der Aussparung
44 ist so gewählt, daß die Gußmasse nicht bis in die Strahlungskammern 45, 46 gelangen
kann und dort die optischen Eigenschaften des Strahlungssenders 16 und - Empfängers
17 beeinträchtigt.
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Am die Aussparung 44 tragenden Oberende 18 befindet sich ein verbreiterter
Kopf 27, der nicht nur Platz für eine ausreichende Dimensionierung der Aussparung
44 ermöglicht, sondern auch Montageaufgaben für die fertige Baueinheit zu erfüllen
hat. In Fig. 6 ist; allerdings anhand eines neuen Ausführungsbeispiels, die komplette
vergossene Baueinheit 35' erkennbar. Der Kopf 27 besitzt eine umlaufende Nut 48,
die in die Wandung eines aus flexiblem Kunststoff bestehenden Vorratsbehälters 12
einschnappen kann. Die Montage erfolgt einfach dadurch, daß man die Baueinheit 35
mit ihrem konischen Ende 36 voraus durch eine entsprechende Aufnahme im Behälter
drückt. Nach dem Einschnappen sitzt die Behälterwandung in der Nut 48. Dann kann
auf die Steckkontakte 40 das Steckglied am Ende einer elektrischen Leitung aufgebracht
werden, das zu dem mit dem elektrischen Auswerte- und Anzeigegerät verbunden ist.
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In Fig. 6 ist ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel 35' dargestellt,
dessen Wirkungen anhand der Fig. 7 schematisch erläutert werden. Es braucht lediglich
auf die gegebenen Unterschiede eingegangen zu werden.
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Die Baueinheit 35' besitzt in verschiedenen, zueinander um definierte
Strecken 51 längsversetzten Axialbereichen 49, 49', 49'', 49''' jeweils gesonderte
Grenzflächen 50, 50', So'', 50"', die bei montierter Baueinheit 35' die entsprechenden
verschiedenen Höhen des Flüssigkeitsstandes in einem Behälter überwachen.
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Der Leiterstab 13' ist im vorliegenden Fall mehrfach abgestuft ausgebildet,
wobei die geneigt zur Längsachse verlaufenden Ringstufen 50, 50', So'' die drei
oberen Grenzflächen bilden, während die am Stabunterende befindliche Kegelspitze
50"' die schon im vorausgehenden Ausführungsbeispiel von Fig. 3 erläuterte unterste
Grenzfläche bildet. Die Überwachung dieser vier Grenzflächen 50 bis So''' erfolgt
in der anhand von Fiq. 7 näher erläuterten Weise. Im dortigen Behälter, z.B.
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einem Kraftstofftank 12' soll eine Flüssigkeit 1o', z.B. Kraftstoff
an den vier angedeuteten Behälterhöhen 52, 52', 52", 52''' überwacht werden. Dazu
ist der Rundstab 13' so montiert, daß die vorerwähnten Grenzflächen 50 bis So'''
in diesen Höhen zu liegen kommen.
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Im Fall der Fig. 7 sei angenommen, daß der Höhenstand 11'' der Flüssigkeit
1o' unter die Höhe 52' abgesunken ist, weshalb die oberste Grenzfläche 50 und die
nachfolgende Grenzfläche 50' des Leiterstabs 13' frei liegen, während die beiden
unteren Grenzflächen So'' und So''' von der Flüssigkeit 1o' benetzt sind. Dadurch
kommt es, wie schon im Zusammenhang mit Fig. 1 und 2 erwähnt wurde, an den beiden
obersten Grenzflächen 50, 50' zu Totalreflexionen, wie anhand der ausgezogen gezeichneten,
doppelt abgewinkelten Strahlenverläufe 53, 53' zwischen dem Sender 16 und dem Empfänger
17 zu erkennen. ist,
während aufgrund von Brechungsverlusten gegenüber
der Flüssigkeit 10 an den unteren Grenzflächen 50" und 50' " Verluste eintreten
und, wie punktiert verdeutlicht, nur geringe Strahlungsanteile 53'' und 53'" an
den Empfänger 17 zurückgelangen und diesen daher nicht mehr ausreichend anregen.
Dies wird bei der Verstärkung im Auswertegerät 30' festgestellt und daher an die
Analoganzeige 31' ein Ausgangswert angegeben, der einen halbentleerten Behälter
12' anzeigt.
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Durch einen höheren oder niedrigeren Höhenstand 11" kommt es dann
an den verschiedenen Grenzflächen 50 bis 5o''' zu einer dementsprechend mehrfachen
Totalreflexion bzw. Brechung, weshalb der Empfänger 17 die zugehörigen Intensitätsschwankungen
erreicht und in seinem Anzeigeglied 31' angibt. Links am Rand der Fig. 7 sind jene
Bereiche angedeutet, wo die jeweilige Anzeige 1/4, 1/2, 3/4 bzw. 1/1 erfolgt. Im
vorliegenden Fall handelt es sich also um eine sehr einfache und daher besonders
preiswerte Vorrichtung, die sich mit einer groben Füllstandsanzeige begnügt.
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Es versteht sich, daß die Genauigkeit der erfindungsgemäßen Anzeige
wesentlich erhöht werden kann, wenn man die in Fig. 6 angedeuteten Axialabstände
51 zunehmend kleiner macht. Die Axialabstände 51 können natürlich in den unterschiedlichen
Axialbereichen auch unterschiedlich sein, sofern der zu überwachende Behälter eine
entsprechende Ausbauchung aufweist, die abschnittweise eine unterschiedliche Volumenzunahme
bedingt.
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Setzt man die einzelnen Grenzflächen 50 bis 50''' sehr eng zueinander,
so erhält man eine quasi analoge Meßwertanzeige. Man kann auf diese Weise natürlich
auch wesentlich mehr als nur fünf Höhenbereiche des Behälters überwachen. Eine solche
Vielzahl von Stufen bedingt lediglich einen entsprechend empfindlichen Empfänger
17, der sich die dabei ergebenden Strahlungsunterschiede durch Benetzung bzw. Nichtbenetzung
einer
Grenzfläche eindeutig noch unterscheidet. Im Extremfall könnte
man den ganzen Leiterstab 13' von oben nach unten mit einer durchlaufenden Konizität
versehen, die entsprechend den höhenweisen Behälterdimensionen auch eine höhenweise
unterschiedliche Konizität aufweisen könnte. Dann wirkt praktisch jeder Bereich
der Längswand als "Grenzfläche". Der Empfänger 17 kann dann kontinuierlich messen
und feststellen, wie weit der Flüssigkeitsstand abgesunken ist.
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Im Ausführungsfall von Fig. 8 wird eine Flüssigkeit lo" in einem Behälter
12" durch eine ganze Schar von unterschiedlichen Leiterstäben 54, 54', 54", 54'"
überwacht. Obwohl diese, wie im Falle der Fiq. 1 und 2 vertikal eingetaucht sein
können und dazu eine zueinander unterschiedliche Höhe aufweisen könnten, ist es
sparsamer und einfacher, längengleiche und damit möglichst kurze Leiterstäbe 54
bis 54"' gemäß Fig. 8 zu verwenden, die von vorneherein in unterschiedlichen Höhenbereichen
des Behälter 12" montiert sind. In Abhängigkeit von dem Flüssigkeits-Höhenstand
werden dann eine mehr oder weniger große Anzahl dieser Leiterstäbe mit ihren endseitigen
Grenzflächen in Flüssigkeit tauchen bzw. von dieser entblößt sein, weshalb sie,
wenn sie hintereinander geschaltet werden, einen entsprechend großen bzw. kleinen
Fotostrom an ein Auswertegerät 55 liefern, das eine entsprechende Meßwertanzeige
an einem zugehörigen analogen oder digitalen Anzeigeglied 56 bewirkt. Es wäre natürlich
auch möglich, jedes dieser Leiterstäbe 54 bis 54"' gesondert in einem Anzeigeglied
56 bekanntzumachen, z.B. durch eine Leuchtbalkenanzeige. Durch eine entsprechende
Vielfalt von Strahlungsleitern 54 bis 54"' läßt sich natürlich auch hier die Genauigkeit
der Meßwertanzeige beliebig steigern.
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Es wäre auch denkbar, den ganzen zu überwachenden Höhenbereich des
Behälters 12" mit einer in der Höhe längs verlaufenden Leiste aus Leiterwerkstofzu
versehen,
welche nun die geschilderte Funktion der erfindungsgemäßen
Vorrichtung in Form einer analogen Messung bewirkt. Die der Flüssigkeit lo" zugekehrte,
zweckmäßigerweise geneigt verlaufende Längsseite dieser Leiterleiste würde als Grenzfläche
wirken, die eine amaloge Messung ermöglicht. Man könnte dabei mit einem einzigen
Strahlungs-Sender-Empfänger-Paar auskommen, doch wäre es möglich, zur Steigerung
der Meßwertanzeige mehrere oder zahlreiche solcher Sender bzw. Empfänger in den
unterschiedlichen Höhenbereichen einer solchen Leiterleiste anzuordnen. Die Wirkungsweise
vollzieht sich auch hier durch die geschilderten Unterschiede zwischen Reflexion
und Brechung, in Abhängigkeit davon, bis zu welcher Höhe der Flüssigkeitsspiegel
in einer solchen Leiterleiste hinaufragt.
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Es wäre auch nicht erforderlich, in jedem Fall eine solche Schräge
der wirksamen Grenzfläche gegenüber der Strahlenverlaufsrichtung anzuordnen, daß
im Falle der Nichtbenetzung durch die Flüssigkeit immer die genannte "Totalreflexion"
auftritt. Wenn ausreichend empfindliche Empfänger vorliegen, genügt es nämlich sich
mit normaler Reflexion zu begnügen, wo immer Brechungen auftreten, doch sind die
Lichtanteile bei der Brechung auch in diesem Fall stets unterschiedlich, in Abhängigkeit
davon, welches Medium an der überwachten Grenzfläche vorliegt, nämlich ob Flüssigkeit
oder leerer Raum.
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Die Erfindung eignet sich für die Anwendung im Fahrzeugbereich. Bei
Fahrzeugen kommt es wegen der Bewegung zu Wellenbildungen und Schwankungen des Wasserspiegels,
die sich im Ubergangsfall in einer wechselnden Benetzung bzw. Entblößung der in
Fig. 9 angedeuteten zu überwachenden Grenzfläche 57 eines Strahlungsleiters 58 äußern.
Diese Schwankungen sind für die Messung unerwünscht und können auf grundsätzlich
zweierlei Weise beseitigt werden. Die eine Möglichkeit erfolgt aufgrund
der
vorliegenden elektrischen Schaltung durch eine sogenannte "Dämpfungsschaltung".
Dazu wird aus den innerhalb eines Zeitraums erlangten Meßwertergebnissen ein Mittelwert
gebildet, der dann, unabhängig von sqlchen Flüssigkeitsspiegel-Schwankungen den
jeweils richtigen Meßwert anzeigt.
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Eine andere mechanische Möglichkeit ist in Fig. 9 verdeutlicht. Hier
ist um die zu überwachende Grenzfläche herum ein Dämpfungstopf 60 angeordnet, der
Ein- und Austrittöffnungen 61, 62 von kleinem Querschnitt besitzt, so daß die Flüssigkeitshöhe
63 im Topfinneren nicht mehr nennenswert aufgrund der angedeuteten Wellenbildung
59 kurzzeitig verändern kann. Erst wenn, unabhangig von der Wellenbildung 59 der
Flüssigkeitsspiegel im Außenbereich des Topfes abfällt, strömt durch die Austrittsöffnung
62 Flüssigkeit aus dem Topfinneren in den Behälter zurück und Luft gelangt, wie
durch Pfeile angedeutet, durch die Eintrittsöffnung 61 hindurch in das Topfinnere.
Dann sinkt die Flüssigkeitshöhe 63 im Topf dementsprechend und wird an der Grenzfläche
57 schließlich registriert.
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Im Ausführungsbeispiel von Fig. 9 ist ein Strahlungsleiter 64 im Eckbereich
eines Vorratsbehälters 65 angeordnet, um die dort befindliche Bremsflüssigkeit 66
zu überwachen. Die Leiterecke 64 ist in den Behälter 65 fest integriert. Von einer
Lichtquelle 67 od. dgl.
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wird ein Lichtstrahl 68 in den Strahlungsleiter 64 eingeleitet und
dort an der geneigt verlaufenden Grenzfläche 69 reflektiert, insbesondere totalreflektiert,
sofern die Bremsflüssigkeit 66 unter diesen überwachten Höhenbereich abgesunken
ist. Der reflektierte Lichtstrahl 70 fällt wieder auf einen Lichtempfänger 71 od.
dgl., wo der Meßwert ermittelt und über ein Auswertegerät einer üblichen Anzeige
zugeführt wird.
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Es versteht sich, daß statt Licht 68, 70 jede andere Strahlungsart
verwendet werden könnte, z.B. IR-Strahlung oder UV-Licht.
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56 Kennwort: "Füllstandsanzeige" Bezugszeichenliste 1o, 1o' Flüssigkeit,
Waschwasser lo" Kraftstoff 11, 11', 11'' Höhenstand 12, 12', 12'' Behälter, Vorratsbehälter
13, 13' Leiterstab, Rundstab 14 IR-Strahlung 1 5 Leiterwerkstoff 16 IR-Sender, IR-LED
17 Empfänger 18 oberer Endbereich 19 unterer Endbereich 20, 20' Grenzfläche 21 Zuleitung
22 fokussierende Kappe 23 ausgesendeter Lichtstrahl 24 reflektierter Lichtstrahl
25 empfangener Lichtstrahl 26 Achse 27 Einfallswinkel 28 Ausfallswinkel 29 Meßstelle
30, 30' Auswertegerät 31 Anzeigeglied, Warnleuchte 31' Analoganzeige 32 gebrochener
Lichtstrahl 33 Brechungswinkel 34 gebrochener Lichtstrahl 35, 35' Baueinheit
36
konische Spitze 37 elektronischer Bausatz 38 elektrische Leiterplatte 39 Leiterbahn
40 Steckkontakt 41 Platteninnenseite 42 Plattenaußenseite 43 elektrische Bauelemente
44 Aussparung 45 Strahlungskammer 46 Strahlungskammer 47 Kopf 48 Nut 49, 49', 49'',
49''' Axialbereich 50, 50', 50'', So''' Grenzfläche 51 Strecke 52, 52' , 52'', 52'''
Behälterhöhe 53, 53', 53'' , 53''' Strahlenverlauf 54, 54', 54'', 54"' Strahlungsleiter
55 Auswertegerät 56 Anzeigeglied 57 Grenzfläche 58 Strahlungsleiter 59 Wellenbildung
60- Dämpfungstopf 61 Eintrittsöffnung 62 Austrittsöffnung 63 Flüssigkeitshöhe 64
Strahlungsleiter 65 Vorratsbehälter 66 Bremsflüssigkeit 67 Lichtquelle 68 Lichtstrahl
69 Grenzfläche 70 reflektierter Lichtstrahl 71 Lichtempfänger 72 Vergußmasse