DE3300824A1

DE3300824A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung der hoehe einer fluessigkeitssaeule

Info

Publication number: DE3300824A1
Application number: DE19833300824
Authority: DE
Inventors: Hans Dr. 8000 München Hofmann-Reinecke
Original assignee: HOFMANN REINECKE HANS DR
Current assignee: HOFMANN REINECKE HANS DR
Priority date: 1983-01-12
Filing date: 1983-01-12
Publication date: 1984-07-12
Also published as: DE3300824C2

Description

PATENTANWÄLTE SCHÄUMBURG, SCHÜLZ-DÖRLAM * THOENES EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

Herrn

Dr. Hans Hofmann-Reinecke Himmelreichstraße 4 8000 München 22

KARL-HEINZ SCHAUMBURG, Dlpl.-lng.

WOLFGANG-SCHULZ-DÖRLAM tngonleur dlplömo E.N.S.I. Gr»nobla

DR. DIETER THOENES, Dlpl.-Phya.

H 7300 DE - THwi

Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Höhe einer Flüssigkeitssäule

P.O.BOX 8015β0 . D-βΟΟΟ MÜNCHEN 80 · MAUERKIRCHEFtSTRASSE 31 TELEFON (089) 987897 und 987898 · TELEX 5 32019 ESPAT D

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Höhe einer Flüssigkeitssäule sowie eine Vorrichtung zu seiner Durchführung.

Sofern ein direktes Ablesen der Füllstandshöhe einer Flüssigkeit in einem Behälter beispielsweise durch ein Schauglas nicht möglich oder sinnvoll ist, erfolgt üblicherweise die Messung des Pegels einer Flüssigkeit in einem Behälter durch die Messung einer elektrischen Größe, wobei der Meßwert analog angezeigt wird. In der Regel sind diese Meßverfahren bei einem wirtschaftlich vertretbaren Aufwand relativ ungenau. Aus diesem Grunde ist es auch in der Regel nicht sinnvoll, den Meßwert digital darzustellen.

Man hat sich beispielsweise daran gewöhnt, daß der Treibstofftank eines Kraftfahrzeuges noch einige Liter Treibstoff enthält, obwohl der Zeiger der Treibstoff anzeige bereits auf Null steht. Bei einer Digitalanzeige wäre es jedoch für den Automobilhersteller peinlich, wenn sein Fahrzeug bei einer digitalen Treibstoffanzeige von 5 Litern wegen Treibstoffmangels stehen bliebe.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren anzugeben, das eine genaue Messung und digitale Anzeige der Höhe einer Flüssigkeitssäule in einem Behälter ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man auf einen Reflektor, dessen Höhenlage mit dem Niveau der Flüssigkeitsoberfläche variiert, einen Lichtstrahl so auffallen läßt, daß der einfallende

und/oder reflektierte Strahl im wesentlichen horizontal gerichtet ist und daß die Lage des horizontal gerichteten Strahles bezüglich einer vertikalen Skala in diskreten Schritten gemessen wird.

Zunächst ist festzustellen, daß sich die Begriffe horizontal und vertikal stets auf die Normallage eines die Flüssigkeitssäule aufnehmenden Behälters, also beispielsweise auf die horizontale Lage eines den Behälter aufnehmenden Fahrzeuges beziehen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Lage des horizontal gerichteten Strahles und damit der Pegel der Flüssigkeitsoberfläche durch eine einfache HeIl-Dunkel-Messung beispielsweise mittels optoelektronischer Bauelemente ermittelt werden. Das daraus resultierende Signal kann unmittelbar digital verarbeitet werden. Jeder Skaleneinheit oder jedem diskreten Schritt kann ein eindeutiger digitaler Wert zugeordnet werden. Dadurch entfallen die Ungenauigkeiten, die beispielsweise durch die Messung einer physikalischen Größe wie Strom oder Spannung und die Umwandlung des analogen Meßsignales in einen digitalen Wert auftreten würden.

Vorzugsweise läßt man den Lichtstrahl auf den Reflektor derart auffallen, daß ein Teil des Strahlweges im wesentlichen vertikal und der andere Teil des Strahlweges im wesentlichen horizontal verläuft. Unabhängig von der Höhe der Flüssigkeitssäule bleibt der vertikale Teil des Strahlweges stets unverändert, wodurch sich die zur Durchführung des Verfahrens erforderliche Vorrichtung erheblich vereinfacht.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als Reflektor der von der Flüssigkeit an der Wand eines sie aufnehmenden Behälters gebildete Meniskus verwendet. Dadurch werden zur Messung des Pegels der Flüssigkeitsoberfläche keine bewegten Teile benötigt. Der Pegel der Flüssigkeitsoberfläche wird unmittelbar erfaßt. Es kann jedoch auch unter bestimmten Umständen zweckmäßig sein, einen kleinen Schwimmer zu verwenden, der als Reflektor ausgebildet ist oder einen Reflektor trägt.

Die Höhenlage des horizontalen Lichtstrahles bzw. der Flüssigkeitsoberfläche läßt sich unmittelbar in einen digitalen Wert umsetzen, wenn man den horizontalen Strahl auf eine Maske mit Fenstern fallen läßt, die gemäß einem vorgegebenen Code in Zeilen und Reihen derart angeordnet sind, daß jeder horizontalen Fensterzeile ein eindeutiger Wert zugeordnet ist. Bei der Verwendung von η vertikalen Fensterreihen lassen sich offensichtlich 2 unterschiedliche Werte darstellen, so daß sich je nach Höhe der Fenster und Anzahl der vertikalen Fensterreihen eine gewünschte Auflösung und Anzeigegenauigkeit erreichen läßt.

Der dem Pegel der Flüssigkeitsoberfläche entsprechende Wert kann mit Hilfe der genannten Maske dadurch ermittelt werden, daß die vertikalen Fensterreihen der Maske nacheinander von außen beleuchtet werden und daß aus den dabei jeweils im vertikalen Teil des Strahlweges aufgefangenen Signalen seriell ein Codewert erzeugt wird. Es ist jedoch auch möglich, umge-

ο¹ J U U Ö14

kehrt vorzugehen und das Licht in vertikaler Richtung einzustrahlen, wobei die an den vertikalen Fensterreihen auftretenden Signale gleichzeitig abgetastet werden.
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Eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens setzt voraus, daß die Wand eines die Flüssigkeitssäule aufnehmenden Behälters mindestens in einem sich über den Meßbereich erstreckenden Abschnitt transparent ist. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Lichtquelle und mindestens ein Lichtempfänger bezüglich eines mit dem Flüssigkeitsniveau variierenden Reflektors derart angeordnet sind, daß ein Teil des zwischen ihnen über dem Reflektor verlaufenden Strahlweges im wesentlichen parallel und der andere Teil des Strahlweges im wesentlichen senkrecht zur Behälterwand gerichtet ist, und daß sich in dem senkrecht zur Behälterwand gerichteten Teil des Strahlweges eine Maske mit einer Vielzahl von Fenstern befindet, die gemäß einem vorgegebenen Code so angeordnet sind, daß jeder horizontalen Fensterzeile ein eindeutiger Wert zugeordnet ist.

Es wäre nicht zweckmäßig, für die Fenster einen normalen Binärcode zu verwenden. Bei dem normalen Binärcode werden beispielsweise die Zahlen 7 und 8 durch die Ziffern 0-1-1-1 und 1-0-0-0 dargestellt. In der Zeile 7 der Maske wäre also die Fensterkombination "zu-auf-auf-auf" anzutreffen, in der 8. Zeile dagegen die Fensterkombination "auf-zu-zu-zu". Da die Flüssigkeitsoberfläche jede Höhenlage zwischen der 7. und 8. Zeile einnehmen kann, wird das Licht

zeitweise sowohl durch Fenster der 7. als auch durch Fenster der 8. Zeile fallen, wobei es ungewiß ist, ob ein Signal für "auf" oder "zu" erzeugt wird. In dem gegebenen Beispiel wechseln beim übergang von 7 auf 8 alle Fenster ihren Zustand. Da sie das jedoch in der Praxis nicht genau gleichzeitig tun werden, kann es zwischendurch zu Fehlanzeigen kommen.

Zur Behebung dieses Mangels sind die Fenster in der Maske entsprechend einem Graycode angeordnet. Dabei handelt es sich um einen binären Code, bei dem sich von einer Zahl zur nächsten jeweils nur eine Stelle ändert. Beim oben geschilderten Beispiel ändert sich also beim Übergang zwischen der 7. und der 8. Zeile nur der Zustand eines einzigen Fensters.

Entsprechend den oben geschilderten Verfahrensweisen ist gemäß einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung vorgesehen, daß entlang jeder vertikalen Fensterreihe eine stabförmige Lichtquelle angeordnet ist, daß der Lichtempfänger im vertikalen Teil des Strahlenweges angeordnet ist und daß eine Steuereinheit vorgesehen ist, die das serielle Einschalten der Lichtquellen und das serielle Zusammensetzen eines dem Codewert entsprechenden Signales aus den beim Einschalten der Lichtquelle empfangenen Einzelsignalen steuert. Die Lichtquellen werden also der Reihe nach angeschaltet und bei jedem Einschalten einer Lichtquelle empfängt der einzige Empfänger das Signal hell oder dunkel. Diese Signale bilden aneinandergereiht unmittelbar die binäre Darstellung des der jeweiligen Höhe der Flüssigkeitssäule oder

dem Pegel der Flüssigkeitsoberfläche zugeordneten Wertes.

Die stabförmigen Lichtquellen können auf sehr einfache Weise jeweils unter Verwendung eines halbzylindrischen Elementes aus transparentem Material hergestellt werden, das mit seiner Flachseite an der Außenseite der Maske anliegt und dem jeweils an mindestens einem seiner Stirnenden eine Lichtquelle zugeordnet ist. Wenn die Flachseite des halbzylindrischen Elementes mattiert oder weiß ist, erscheint das halbzylindrische Element über seine gesamte Länge hell, sowie die Lichtquelle an seinem Stirnende eingeschaltet wird.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist die Anordnung so getroffen, daß entlang jeder vertikalen Fensterreihe ein stabförmiger Lichtempfänger angeordnet ist und daß die Lichtquelle mit vertikaier Einstrahlrichtung angeordnet ist. In diesem Falle leuchtet die Lichtquelle ständig oder wird bei Bedarf eingeschaltet, wobei dann die stabförmigen Lichtempfänger gleichzeitig ein ihrem Beleuchtungszustand in Höhe des Reflektors entsprechendes Signal liefern. In diesem Falle werden also die einzelnen Stellen des binären Codewertes nicht seriell sondern parallel erzeugt.

Die Lichtquelle und/oder die Lichtempfänger sind zweckmäßigerweise von optoelektronischen Elementen ' gebildet. Dem oder den Lichtempfängern kann jeweils eine Sammellinse vorgeschaltet sein, um auch bei

schwachem Licht noch eine eindeutige Anzeige zu erhalten.

Um eine eindeutige Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu gewährleisten, ist es zweckmäßig, wenn nur mindestens annähernd horizontal, das heißt senkrecht zur Maske gerichtete Lichtstrahlen durch die Maske hindurchtreten. Dies wird dadurch erreicht, daß entsprechend der Dicke der Maske schräg einfallendes Licht auf die Berandung der Fenster fällt und dort absorbiert wird. Dazu muß die Dicke der Maske vergleichbar mit oder größer als die Höhe eines Fensters sein. Das könnte dazu führen, daß bei einer Fensterhöhe von einem oder einigen Zentimetern die Maske sehr dick sein müßte. Dies kann man dadurch vermeiden, daß die offenen Fenster durch mehrere horizontale Lamellen unterteilt sind, deren Abstand untereinander kleiner als die Dicke des Maskenmaterials ist. Schräg einfallendes Licht wird dann durch die Lamellen absorbiert.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann an Behältern, beispielsweise Tankwänden installiert werden. Sie kann aber auch als selbständiges, in einen Tank einbaubares Gerät ausgebildet sein, indem beispielsweise der die Flüssigkeitssäule aufnehmende Behälter von einem an seinem unteren Ende mit Öffnungen versehenen transparenten Rohr gebildet ist, das von der Maske umgeben ist und an dem die Lichtquellen und der Lichtempfänger bzw. die Lichtquelle und die Lichtempfänger befestigt sind.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat folgende Vorteile:

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Das Meßergebnis wird in digitaler Form erzeugt, was der modernen Entwicklung der Datendarstellung und -verarbeitung entgegenkommt. Das digitale Meßergebnis ist nicht das Produkt einer Analog-Digital-Wandlung. Es treten somit keine Ungenauigkeiten auf, wie sie durch Nullpunktwanderung oder Änderung des Konversionsfaktors in einem Analog/Digitalwandler beobachtet werden. Die Höhe des Flüssigkeitsstandes wird direkt gemessen und nicht über die Messung eines anderen physikalischen Parameters, wie der elektrischen Leitfähigkeit oder Kapazität eines Kondensators indirekt bestimmt. Es treten also keine Ungenauigkeiten im Zusammenhang mit einer Eichkurve auf. Die Meßgenauigkeit ist hoch und liegt etwa bei einem oder zwei Millimeter Flüssigkeitshöhe· Dies entspricht beispielsweise bei einem typischen Pkw-Tank einer Meßgenauigkeit von weniger als 1% gegenüber bestenfalls 10% bei den heute üblichen Anzeigen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist wartungs- und nahezu verschleißfrei. Bei Verwendung des Flüssigkeitsmeniskus an der Behälterwand als Reflektor besitzt sie keinerlei bewegliche Teile.

Zur Bestimmung von Flüssigkeitsvorräten in Behältern, die gekippt werden, wie etwa Treibstofftanks in Fahrzeugen und Flugzeugen, können zwei oder drei vorstehend beschriebene Vorrichtungen installiert werden, deren Anzeigen man in einem kleinen Rechner zusammenfaßt. Ein entsprechendes Rechnerprogramm sorgt dann dafür, daß auch bei unterschiedlicher Orientierung der Flüssigkeitsoberfläche zum Behälter immer der tatsächliche Behälterinhalt angezeigt wird.

Wie bereits oben beschrieben wurde, kann die Höhe der Flüssigkeitssäule in einem Rohr bestimmt werden, das innerhalb oder außerhalb eines größeren Flüssigkeitsbehälters angeordnet und mit diesem durch kleine öffnungen oder ein Verbindungsrohr verbunden ist. Wählt man für die Verbindung zwischen dem Rohr und dem größeren Flüssigkeitsbehälter einen kleinen Öffnungsquerschnitt, so werden kurzzeitige Änderungen der Flüssigkeitsoberfläche in dem größeren Be-TO halter, wie etwa Wellenbewegungen nicht auf das Niveau in dem Meßrohr übertragen. Durch entsprechende Wahl des Öffnungsquerschnittes kann also eine Dämpfung der Anzeige erzielt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können mit Vorzug in Verbindung mit Treibstofftanks von Fahrzeugen, Flugzeugen und Schiffen, Vorratstanks in Produktionsanlagen, insbesondere bei zentraler Prozeßsteuerung, Flüssigkeitsbarometern und -thermometern, insbesondere in unbemannten entlegenen meteorologischen Stationen mit Funkübertragung der Meßwerte, und hydrostatischen Manometern, etwa zur Blutdruckmessung, sowie Differentialmanometern zur Messung von Durchflußmengen in Rohren verwendet werden. Dies stellt keineswegs eine erschöpfende Aufzählung der Einsatzmöglichkeiten dar.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung, welche in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 einen schematischen Teilschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erläuterung des Funktionsprinzips der vorliegenden Erfindung,
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Fig. 2 eine perspektivische Teilansicht eines Meßrohres mit einer halbabgewickelten Maske,

Fig. 3 ein Codeschema für die Herstellung einer

Maske,

Fig. 4 eine schematische perspektivische Darstellung einer beispielsweise in einem Kfz-Treibstofftank verwendbaren erfindungs

gemäßen Vorrichtung,

Fig. 5 einen Schnitt durch einen Treibstofftank mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, 20

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Elemente, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an einer ebenen Behälterwand benötigt werden und
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Fig. 7 eine schematische Schnittdarstellung zur Erläuterung einer abgewandelten Form des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die folgende Beobachtung zugrunde:

Man stelle sich ein mit einem transparenten Boden versehenes Glasrohr von ca. 1 cm Durchmesser vor, das senkrecht gehalten wird und teilweise mit Wasser gefüllt ist. Durch die transparente Bodenfläche läßt man Licht etwa parallel zur Rohrachse in das Rohr einfallen. Beobachtet man diese Anordnung im Dunkeln, so erkennt man nur in Höhe der Oberfläche der Wassersäule einen hellen Ring, während der Rest des Rohres dunkel bleibt. Dieser Effekt beruht darauf, daß alle Lichtstrahlen, auch die nicht genau parallel zur Rohrachse gerichteten Lichtstrahlen, innerhalb des Rohres bleiben, da sie an der Oberfläche Glas-Luft durch Totalreflektion daran gehindert werden, das optisch dichtere Medium Glas zu verlassen. Erst wenn die Lichtstrahlen von unten auf den Meniskus treffen, den die Wasseroberfläche an der Glaswand bildet, können sie seitlich aus dem Rohr herausgelenkt werden. Der Meniskus entsteht dadurch, daß durch zwischen dem Wasser und der Glaswand wirkende Adhäsionskräfte Wasser an der Glaswand hochgezogen wird, so daß die Wasseroberfläche mit der Glaswand einen Winkel bildet, der von 90° verschieden ist. Das Licht wird an der gekrümmten Wasseroberfläche dem Reflexionsgesetz entsprechend abgelenkt und verläßt das Rohr. Dabei werden Lichtstrahlen, die mit dem Meniskus einen Winkel von weniger als 42° bilden, mit 100 % ihrer Intensität nach außen reflektiert (Totalreflexion ). Insgesamt wird also ein beträchtlicher Anteil des gesamten einfallenden Lichtes am Meniskus nach außen gelenkt, wodurch der zu beobachtende helle Ring entsteht.

Da der Weg des Lichtes in optischen Anordnungen umkehrbar ist, trifft auch die folgende Beobachtung zu: Wird das Rohr seitlich beleuchtet, so werden nur Lichtstrahlen, die in Höhe des Meniskus einfallen, so abgelenkt, daß sie annähernd parallel zur Rohrachse weiterlaufen und schließlich zur Bodenfläche des Rohres gelangen. Diese Verhältnisse sind in der Fig. 1 dargestellt. Man erkennt in einem die Achse enthaltenden Schnitt die Wand 10 eines Glasrohres oder Behälters 12, das an seinem unteren Ende durch einen Boden 14 abgeschlossen ist und teilweise mit einer Flüssigkeit, beispielsweise Wasser 16 gefüllt ist. Die Flüssigkeitsoberfläche 18 bildet nahe der Wand 10 einen konkaven Meniskus 20, der dadurch entsteht, daß die Flüssigkeit nahe der Wand 10 durch Adhäsionskräfte an der Wand 10 nach oben gezogen wird.

Parallel zur Wand 10 ist eine flächige Lichtquelle 22 angeordnet. Zwischen der Lichtquelle 22 und der Wand 10 sind horizontale Blenden oder Abschirmflächen 24 so angeordnet, daß von den Lichtstrahlen 26, die von beliebigen Lichtpunkten 28 der Lichtquelle 22 ausgehen, nur die annähernd senkrecht zur Wand 10 verlaufenden Lichtstrahlen in das Glasrohr 12 eintreten können. Wie man in der Fig. 1 erkennt/ werden von den in das Glasrohr 12 eintretenden Lichtstrahlen 26 nur die durch ausgezogene Linien wiedergegebenen Strahlen in Richtung auf den Boden 14 des Glasrohres 12 abgelenkt, die unter einem bestimmten Winkel auf den Meniskus 20 auftreffen. Die durch gestrichelte Linien wiedergegebenen Strahlen 26 dagegen werden in irgendeine andere Richtung abgelenkt oder treten

durch das Glasrohr 12 unverändert hindurch. Die in Richtung auf den Boden 14 des Glasrohres 12 abgelenkten Lichtstrahlen 26 werden durch eine unter dem Boden 14 angeordnete Sammellinse 30 auf ein optoelektronisches Bauelement 3 2 hin abgelenkt. Wie man erkennt, gelangen also nur die Lichtstrahlen 26 zum photoelektronischen Bauelement 32, die von den annähernd in Höhe des Meniskus 20 bzw. der Flüssigkeitsoberfläche 18 liegenden Leuchtpunkten 28 ausgehen.

Diese Erkenntnis wird nun dazu benutzt, die Lage der Flüssigkeitsoberflache 18 bzw. des Meniskus 20 und damit die Höhe der Flüssigkeitssäule in dem Rohr 12 durch einen eindeutigen digitalen Wert auszudrücken. Hierzu wird gemäß Fig. 2 eine Maske 34 um das Rohr 12 herumgelegt. In der Maske 34 sind in mehreren vertikalen Reihen oder Spuren Fenster 3 6 entsprechend einem in der Fig. 3 dargestellten binären Code angeordnet. Die Anzahl der Fensterreihen richtet sich nach der Größe des Meßbereiches sowie dem gewünschten Auflösungsvermögen. Mit η Fensterreihen lassen sich 2ⁿ unterschiedliche Werte erzeugen.

D'ie in der Fig. 3 wieder gegebene schema ti sehe Darstellung der Verteilung der offenen und geschlossen Fenster auf der Maske umfaßt sieben Reihen oder Spuren, so daß sich die Zahlen von 0 bis 127 erzeugen lassen. Die Abbildung zeigt allerdings nur die ersten 30 Zahlen.

Das gestrichelte Rechteck entspricht dem Höhenabschnitt, in dem der Meniskus der Flüssigkeitsober—
fläche Licht zu dem optoelektronischen Bauelement
32 reflektiert. Im Bereich des gestrichelt angegebenen Rechteckes verdunkelt die Maske offensichtlieh die Spuren 1, 5, 6 und 7, während das Licht in den Spuren 2 und4 durchgelassen wird. Der Zustand
in Spur 3 ist ungewiß. Registriert das optoelektronische Bauelement 32 Dunkelheit, so wird die Zahl angezeigt. Registriert das Bauelement 3 2 dagegen
Helligkeit, so entspricht dies der Zahl 11.

Der zur Erzeugung der Zahlen verwendete Graycode ist so ausgelegt, daß von einer Zahl zur nächsten immer nur- der Zustand einer einzigen Spur wechselt. Es
kann daher nur der Zustand einer einzigen Spur ungewiß sein, wodurch die Anzeige nur zwischen zwei benachbarten Werten schwanken kann. Fehlanzeigen werden vermieden.

Wenn jeder Spur eine Lichtquelle zugeordnet wird

und die Lichtquellen der Spuren 1 bis 7 im konstanten Takt nacheinander aufleuchten, gibt das Bauelement 32 ein serielles Signal ab, das dem Graycode
der Zahl in Höhe des Flüssigkeitssipiegels ent-

spricht. Im Bereich des gestrichelten Rechtecks erhält man also das Signal 0-1-0-1 0-0-0 oder 0-1-1-1 0-0-0.

Die Maske 34 besteht vorzugsweise aus einem dunklen biegsamen Material, beispielsweise schwarzem Gummi. Um sicherzustellen, daß schräg einfallendes Licht
absorbiert wird, sollte die Dicke der Maske min-

destens gleich der Höhe der einzelnen Fenster 36 sein. Wenn dies zu einer zu dicken Maske führen würde, können die Fenster 36 durch horizontale Lamellen 38 unterteilt sein, wie dies in der Fig. 2 für ein Fenster dargestellt ist.

Jeder Spur der Maske 34 wird eine stabförmige Lichtquelle 40 zugeordnet, wie sie schematisch in Fig. 2 angedeutet sind. Bei der in Fig. 4 dargestellten konkreten Ausführungsform werden die stab-oder streifenfÖrmigen Lichtquellen von einem rosettenförmigen Mantel 41 gebildet, der mit der Maske 34 parallel zum Glasrohr 12 gerichtete Kanäle 42 bildet. Jedem Kanal 42 ist eine Leuchtdiode 43 oder ein anderes entsprechendes Leuchtelement zugeordent, das an der Unterseite einer Schaltungsplatine 44 angeordent ist, so daß es in das jeweilige Stirnende eines Kanales 42 hineinleuchtet. Der Mantel ist auf seiner Innenseite vorzugsweise weiß, um eine g"¹ oichmäßige Verteilung des Lichtes zu erreichen. Die Schaltungsplatine trägt eine elektronische Schaltungsanordnung, welche das serielle Aufleuchten der Leuchtdioden 43 steuert, so daß die Spuren oder Reihen von Fenstern nacheinander beleuchtet werden können. Falls die Beleuchtung der einzelnen Kanäle 42 durch die Dioden 43 an einem Ende nicht ausreicht, können am unteren Ende dieser Kanäle ebenfalls Leuchtdioden angeordnet werden. Die Schaltungsplatine 44 kann mit dem Mantel 41 luft- und lichtdicht verklebt werden. Am unteren Ende des Glasrohres sind wieder wie in dem in der Fig. 1 dargestellten schematischen Beispiel eine Sammellinse und ein optoelektronisches Element angeordnet, die in der Fig. 4 jedoch nicht dargestellt sind. Die von dem opto^l ektronischen Element erzeugten Signale

werden ebenfalls von der auf der Schaltungsplatine 44 angeordneten Schaltung verarbeitet. Die von der Schaltungsanordnung erzeugten Signale können entweder direkt einer Anzeigevorrichtung zugeführt oder auf andere Weise verarbeitet werden.

Fig. 5 zeigt ein Anwendungsbeispiel für die anhand der Fig. 4 beschriebene Vorrichtung. Man erkennt einen Treibstofftank 46, in den die anhand der Fig. 4 beschriebene Vorrichtung so eingesetzt ist, daß sie mit ihrem unteren Ende bis in die tiefste Stelle des Treibstoff tanks 4 6 hineinragt. Nahe seinem Boden weist das Glasrohr 12 der Vorrichtung Öffnungen 48 auf, von denen eine in dem Schema der Fig. 1 dargestellt ist.

Durch diese Öffnungen 48 kann Treibstoff in das Glasrohr 12 eintreten. Da die Öffnungen relativ klein sind, werden Wellenbewegungen in dem Treibstofftank 46 oder Schwankungen aufgrund einer Schräglage des Treibstofftankes 46 gedämpft, so daß sich die Höhe der Flüssigkeitssäule in dem Glasrohr 12 nur langsam ändert.

Während es sich bei dem anhand der Fig. 2, 4 und 5 erläuterten Ausführungsbeispiel um eine in einen Behälter einsetzbare oder mit einem Behälter nach dem

Prinzip der kommunizierenden Rohren verbundene Meßvprrichtung handelt, zeigt Fig. 6 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die beispielsweise an der transparenten ebenen Wand eines größeren Behälters

angebracht werden kann. Die Fig. 6 zeigt einen Schnitt durch einen 30

rechteckigen Flüssigkeitsbehälter mit einer transparenten Wand 50. Auf die transparente Wand 50 wird eine ebene Maske 34 gelegt, die bezüglich der Anordnung ihrer Fenster 36 genauso ausgebildet. ist wie die Maske des anhand der Fig. 2 bis 5 beschriebenen Ausführungsbeispiels. Den einzelnen vertikalen Fensterreihen oder Spuren sind ebenso stabförmige Lichtquellen zugeordnet, wie dies anhand des obigen Beispieles bereits beschrieben wurde. Anstelle einer kugelschalenförmigen Sammellinse 30 ist jedoch eine Zylinderlinse 52 am Boden des Behälters angeordnet. Dieser Zylinderlinse 52 ist ein lineares optoelektronisches Empfangselement 54 zugeordnet. Das im wesentlichen senkrecht zur Wand des Behälters 50 durch die Fenster 36 der Maske 34 fallende Licht wird nur dort in Richtung auf die Zylinderlinse und das Bauelement 54 reflektiert, wo es auf den Meniskus 20 der Flüssigkeitsoberfläche 18 fällt. Die Funktionsweise der Vorrichtung stimmt mit der der oben beschriebenen Anordnung überein.

Wie bereits eingangs erwähnt wurde, läßt sich die gesamte Anordnung in der Weise verändern, daß in der Fig. 1 anstelle des optoelektronischen Empfangselementes 32 eine Lichtquelle angeordnet wird und daß anstelle der stabförmigen Lichtquelle stabförmige Empfangselemente gesetzt werden. In diesem Fall wird also das Licht von unten her in das Glasrohr eingestrahlt und verläßt nach seiner Reflexion an dem Meniskus 20 das Glasrohr im wesentlichen senkrecht zu dessen Seitenwand. Sämtliche stabförmigen Empfangselemente liefern gleichzeitig ein Signal, so daß man den der Höhe der Flüssigkeitsoberfläche

entsprechenden Wert direkt erhält.

Es ist zu betonen, daß sich das crfindunqsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht nur für transparente Flüssigkeiten oder Flüssigkeiten mit einem konkaven Meniskus eignen, sondern daß das erfindungsgemäße Verfahren auch beispielsweise bei der Messung der Höhe einer Quecksilbersäule verwendet werden kann. Quecksilber bildet mit einer Glaswand einen konvexen, das heißt nach unten gekrümmten Meniskus. Die ganze Anordnung kann genauso bleiben, wie es in der Fig. 1 dargestellt ist. Da jedoch die Lichtstrahlen an dem Meniskus nach oben reflektiert werden, müssen die Sammellinse und das optoelektronische Bauelement am oberen Ende des Glasrohres angeordnet werden. Im übrigen bleibt die Funktion der Anordnung genau dieselbe.

Bildet eine Flüssigkeit mit der Wand eines sie aufnehmenden Gefäßes keinen ausgeprägten Meniskus, so kann dies gegebenenfalls durch eine geeignete Beschichtung der Gefäßwand erreicht werden. Führt auch dies nicht zum Ziel, so kann gemäß Fig. 7 ein Schwimmer 56 in das Rohr 12 eingesetzt werden, der an seinem unteren Ende eine unter 45° geneigte Reflexionsfläche 58 aufweist. Der Schwimmer ist vorzugsweise schwarz und an seinem unteren Ende und seinem oberen Ende jeweils mit einigen in gleichmäßigen Winkelabständen angeordneten Distanzelementen 60 versehen, die verhindern sollen, daß der Schwimmer kippt oder flach an· der Rohrwand anliegt und an dieser haften bleibt.

Es ist noch zu bemerken, daß das beschriebene Glas-

rohr nicht rund zu sein braucht. Es können auch Rohre mit polygonalem Querschnitt verwendet werden.

Grundsätzlich wäre es auch denkbar, keine Maske zu verwenden, sondern eine große Anzahl von Lichtempfängern, beispielsweise optoelektronischen Empfängern in engen Schritten vertikal untereinander anzuordnen und der Reihe nach abzutasten. Sofern für jedes Empfangselement ein seiner Höhe entsprechender Wert gespeichert ist, kann auch auf diese Weise die Höhenlage der Flüssigkeitsoberfläche erfaßt werden. Je nach der gewünschten Genauigkeit kann der Schaltungsaufwand für diese Anordnung jedoch beträchtlich werden.

Claims

Patentansprüche

, 1./Verfahren zur Messung der Höhe einer Flüssigkeitssäule, dadurch gekennzeichnet, daß man auf einen Reflektor (20; 58), dessen Höhenlage mit dem Niveau der Flüssigkeitsoberfläche (18) variiert, einen Lichtstrahl so auffallen läßt, daß der einfallende und/oder reflektierte Strahl im wesentlichen horizontal gerichtet ist und daß die Lage des horizontal gerichteten Strahles bezüglich einer vertikalen Skala in diskreten Schritten gemessen wird. 10
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Lichtstrahl auf den Reflektor (20; 58) derart auffallen läßt, daß ein Teil des Strahlweges im wesentlichen vertikal und der andere Teil des Strahlweges im wesentlichen horizontal verläuft.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Reflektor der von der Flüssigkeit an der Wand (10) eines sie aufnehmenden Behälters (12) gebildete Meniskus (20) verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e kennzeichnet, daß als Reflektor ein Schwimmer (56, 58) verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a durch gekennzeichnet, daß man den horizontalen Strahl auf eine Maske (34) mit Fenstern (36) fallen läßt, die gemäß einem vorgegebenen Code in horizontalen Zeilen und vertikalen Reihen derart angeordnet sind, daß jeder horizontalen Fensterzeile ein eindeutiger Wert zugeordnet ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch g e kennzeichnet, daß die vertikalen Fensterreihen der Maske (34) nacheinander von außen beleuchtet werden und daß aus den dabei jeweils im vertikalen Teil des Strahlweges aufgefangenen Signalen seriell ein Codewert erzeugt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht in vertikaler Richtung eingestrahlt wird und daß die an den vertikalen Fensterreihen auftretenden Signale gleichzeitig abgetastet werden.
8. Vorrichtung zur Messung der Höhe einer Flüssigkeitssäule, wobei die Wand eines die Flüssigkeitssäule aufnehmenden Behälters mindestens in einem sich über den Meßbereich erstreckenden Abschnitt transparent ist, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Anspüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet ,

a) daß mindestens eine Lichtquelle (40) und mindestens ein Lichtempfänger (32, 54) bezüglich eines

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mit dem Plüssigkextsniveau (18) variierenden Reflektors (20; 58) derart angeordnet sind, daß ein Teil des zwischen ihnen über den Reflektor (20; 58) verlaufenden Strahlweges im wesentlichen parallel und der andere Teil des Strählweges im wesentlichen senkrecht zur Behälterwand (10; 50) gerichtet sind, und

b) daß sich in dem senkrecht zur Behälterwand (10; 50) gerichteten Teil des Strahlweges eine Maske (34) mit einer Vielzahl von Fenstern (36) befindet, die gemäß einem vorgegebenen Code so angeordnet sind, daß jeder horizontalen Fensterzeile ein eindeutiger Wert zugeordnet ist. 15
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Fenster (36) in der Maske (34) entsprechend einem binären Graycode angeordnet sind.
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10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet , daß entlang jeder vertikalen Fensterreihe eine stabförmige Lichtquelle (40) angeordnet ist, daß der Lichtempfänger (32; 54) im vertikalen Teil des Strahlweges angeordnet ist und daß eine Steuereinheit vorgesehen ist, die das serielle Einschalten der Lichtquellen (40) und das serielle Zusammensetzen eines dem Codewert entsprechenden Signales aus den beim Einschalten der Lichtquellen (40) empfangenen Einzelsignalen steuert.
11. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß entlang jeder

vertikalen Fensterreihe ein stabformiger Lichtempfänger angeordnet ist und daß die Lichtquelle mit vertikaler Einstrahlrichtung angeordnet ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11,

dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (42) und/oder der Lichtempfänger (32; 54) von optoelektronischen Elementen gebildet sind.
10
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß dem oder den Lichtempfängern (32; 54) eine Sammellinse (30; 52) vorgeschaltet ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske (34) aus einem elastischen Material besteht.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Fenster (36) durch horizontale Lamellen (38) unterteilt sind, deren gegenseitiger Abstand höchstens gleich der Dicke der Maske (34) ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der die Flüssigkeitssäule aufnehmende Behälter von einem an seinem unteren Ende mit öffnungen (48) versehenen transparenten Rohr (12) gebildet ist, das von der Maske (34) umgeben ist.