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Vorrichtung zur Messung und Uberwachung des Füllstandes
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eines Flüssiffkeitsbehälters.
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DieErfindungbetrifft eine Vorrichtung zur Messung und überwachung
des Füllstandes eines Flüssigkeitsbehälters, insbesondere des Ölstands eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors,
mit einer Lichtquelle, mit einem Lichtempfänger und mit einer in die Flüssigkeit
eintauchenden Sonde aus lichtleitendem Material, die eine Mehrzahl von stufigen
Reflexionsflächen aufweist, die gegenüber der Längsachse der Sonde geneigt sind
und von denen jeweils zwei Reflexionsflächen symmetrisch zur Längsachse der Sonde
angeordnet sind und ein Reflexionsflächenpaar bilden.
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Aus der DE-OS 31 28 925 ist ein Niveaugeber für Flüssigkeiten bekannt,
bei dem eine Lichtquelle und ein Lichtempfänger in einer Sonde aus lichtleitendem
Material mit im wesentlichen rechteckigen Querschnitt angeordnet sind.
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Zwei gegenüberliegende Stirnseiten der Sonde sind gestuft. Die Absätze
dieser Stufen sind als um 450 gegen die Längsachse der Sonde geneigte Reflexionsflächen
ausgebildet. Jeweils zwei Reflexionsflächen in den verschiedenen Stirnseiten bilden
ein Reflexionsflächenpaar, das das Licht der Lichtquelle, abhängig davon, ob die
Reflexionsfläche von Flüssigkeit benetzt ist, auf den Lichtempfänger reflektiert.
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Diese vorbekannte Vorrichtung hat den Nachteil, daß die Stufen in
einer Ebene angeordnet sind. Dadurch sind die einzelnen Strahlengänge des Lichts
in der Sonde nicht vollständig getrennt und die durch den Licht empfänger meßbaren
Tntensitätsunterschiede sind gering. Verwendet man die vorbekannte Vorrichtung zur
Messung des Ölstandes in Motorölbehältern von Verbrennungsmotoren, so
können
gegebenenfalls die temperaturabhängigen Schwankungen der Ausgangsgröße des Licht
empfängers größer sein als die flüssigkeitsniveauabhängigen Änderungen der Ausgangsgröße.
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Eine zuverlässige Messung mehrerer Flüssigkeitsstände ist dann nicht
möglich. Bei der vorbekannten Vorrichtung ist es nicht möglich, zur Messung mehrere
Licht empfänger zu verwenden.
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Es ist die Aufgabe der vorliegendenErfindungt eine Vorrichgung zur
Messung und Überwachung des Füllstandes eines Flüssigkeitsbehälters zu schaffen,
die eine einfache und zuverlässige Messung verschiedener Flüssigkeitsstände mit
ausreichenden Intensitätsunterschieden ermöglicht, z. B.
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auch bei großen Schwankungen der Umgebungstemperatur.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein Teil der Reflexionsflächenpaare
gegenüber den anderen Reflexionsflächenpaaren um die Längsachse der Sonde verdreht
ist.
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Dieerfindungsemäße Vorrichtung hat den Vorteil, daß durch die besondere
Gestaltung der Sonde die Lichtstrahlengänge der einzelnen Reflexionsflächenpaare
im lichtleitenden Material weitgehend getrennt sind. Im lichtleitenden Material
durch Verunreinigungen und Fertigungsfehler gestreutes Licht eines Lichtstrahlengangs
ändert nicht die meßbare Intensität in dem Lichtstrahlengang eines anderen Reflexionsflächenpaares.
Die meßbaren Lichtintensitätsunterschiede sind entsprechend groß und erzeugen im
Lichtempfänger auch bei großen Schwankungen der Umgebungstemperatur genügend große
AlXsgangsgrößenänderungen. Durch den einfachen Aufbau der Sonde ist die Vorrichtung
einfach und kostengünstig herstellbar. Die kompakte Bauweise erlaubt es, dieerfindungEemäße
Vorrichtung als Ersatz für andere Motorölstandsgeber in Verbrennungsmotoren mit
z. B.
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Ringschwimmer und Reedmagnet zu verwenden, da keine kosten-
aufwendigen
Änderungen am Motorblock oder der Motorölwanne des Verbrennungsmotors erforderlich
sind.
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Wird die erfindunggemäße Vorrichtung zur Messung des Motorölstandes
einerseits bei Motorstillstand und andererseits beim Motorbetrieb verwendet, so
ist es vorteilhaft, die zwei dazu erforderlichen Reflexionsflächenpaare im Winkel
0 von 90 gegeneinander um die Längsachse der Sonde verdreht anzuordnen. Dadurch
wird eine möglichst vollständige Trennung der Lichtstrahlengänge erzielt.
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Um auch die Lichtsignalverarbeitungseinrichtungen vollständig zu trennen,
ist es vorteilhaft, jedem Reflexionsflächenpaar eine separate Lichtquelle und/oder
einen separaten Licht empfänger zuzuordnen.
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Dabei kann man auch Lichtquellen unterschiedlich farbigen Lichts und/oder
Licht empfänger, die auf unterschiedlich farbiges Licht empfindlich sind, verwenden.
Auch die Verwendung geeigneter Farbfilter ist möglich.
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Man kann dann die Lichtquellen jeweils innerhalb der Sonde abweichend
von der Längsachse der Sonde in der Nähe einer Reflexionsfläche des Reflexionsflächenpaares
anordnen. Dadurch wird der Lichtstrahlengang im Sondenmaterial kürzer und die Intensitätsverluste
durch Reflexion oder Absorption des Lichts im Sondenmaterial werden verringert.
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Die Lichtempfänger können außerhalb der Sonde angeordnet werden, um
den Einfluß der Temperatur in der Umgebung der Sonde auf die Ausgangsgröße des Licht
empfängers zu vermeiden.
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Dabei werden vorteilhaft insbesondere faseroptische Lichtleiter mit
ihrer Eingangsseite innerhalb der Sonde abweichend von der Längsachse der Sonde
in der Nähe der
anderen Reflexionsflächen der Reflexionsflächenpaare
angeordnet. Dadurch werden ebenfalls die Lichtintensitätsverluste durch Reflexion
oder Absorption im Sondenmaterial verringert.
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Die Licht empfänger können dann mit der Ausgangsseite des insbesondere
faseroptischen Lichtleiters außerhalb der Sonde verbunden werden. Die Lichtintensitätsverluste
durch die Übertragung des Lichts im Lichtleiter sind vernachlässigbar.
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Ein besonders einfacher Aufbau ergibt sich, wenn die Sonde einen im
wesentlichen runden Querschnitt aufweist.
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Die konstruktive Ausgestaltung z. B. der Flanschverbindung zum Flüssigkeitsbehälter
ist einfach und es wesen Schwierigkeiten bei der Abdichtung des Behältrinnenraumes
gegen den Behälteraußenraum vermieden.
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Man kann als Lichtquellen Glühlampen verwenden, die auch bei höheren
Temperaturen in der Umgebung der Sonde, z. B.
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bei Verwendung der neuerungsgemäßen Vorrichtung in der Ölwanne eines
Verbrennungsmotors, gleichbleibende mechanische und lichtelektrische Eigenschaften
aufweisen.
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Verwendet man als Licht empfänger Fototransistoren, Fotodioden oder
Fotowiderstände, so ist die Ausgangsgröße eine elektrische Größe und entsprechend
einfach durch bekannte elektrische Vergleichsschaltungen auszuwerten.
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Wird dieerfindungsgemäße Vorrichtung in Umgebungen mit hohen Temperaturen
verwendet, so ist es vorteilhat, die Sonde einstückig aus Polyäthersulfon oder Polysulfon
zu fertigen, da dieses Material seine mechanischen und optischen Eigenschaften auch
z. B. bei den typischen Umgebungstemperaturen von 200 OC in der Ölwanne eines Verbrennungstiotörs
behält. Bei Verwendung der erfindungsgemäßen *Fotoelemente
Vorrichtung
zum Messen des Motorölstandes eines Verbrennungsmotors ist es vorteilhaft, die Sonde
mit einem Dämpfungsbecher zu umgeben, um in der Umgebung der Sonde den Flüssigkeitsspiegel
zu beruhigen. Dadurch wird auch die Schwankung der Lichtintensität und damit die
Ausgangsgröße des Licht empfängers beruhigt. Der Dämpfungsbecher kann auch Teil
des Sonden-Gehäuses sein, um den Dämpfungsbecher besonders* Ein Ausführungsbeispiel
desErfindungsgegenstandes ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden
beschrieben: Es zeigen Fig. 1. einslchnitt durch eine Vorrichtung zur Messung und
Überwachung zweier Füllstände eines Flüssigkeitsbehälters mit der Schnittebene durch
die Längsachse der Sonde und durch die Schwerpunkte des ersten Reflexionsflächenpaares
und Fig. 2 einen weiteren Schnitt durch dieselbe Vorrichtung 0 gedreht um 90 In
den Figuren ist die Sonde 1 aus dem licht leitenden Material Polysulfon oder Polyäthersulfon
viermal schräg abgestuft. Diese schrägen Abstufungen wirken als Reflexionsflächen
für das Licht und schließen mit der strichpunktiert gezeichneten Längsachse der
Sonde 1 einen Winkel von 450 ein. Jeweils zwei Reflexionsflächen sind symmetrisch
zur Längsachse der Sonde 1 angeordnet und bilden die Reflexionsflächenpaare 2, 3,
deren Reflexions-0 flächen jeweils einen Winkel von 90 einschließen. Das erste Reflexionsflächenpaar
2 ist gegen das zweite Reflexionsflächenpaar 3 auf der Längsachse der Sonde 1 verschoben
und zm die Längsachse der Sonde 1 um 900 verdreht. Die Sonde 1 weist in den Figuren
oberhalb des ersten Reflexionsflächenpaares 2 einen runden Querschnitt *klein zu
gestalten.
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auf. Jedem Reflexionsflächenpaar 2, 3 ist eine separate Glühlampe
4, 6 als Lichtquelle und ein in den Figuren nicht dargestellter separater Lichtempfänger
zugeordnet.
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Die Glühlampen 4, 6 sind jeweils innerhalb der Sonde 1 abweichend
von der Längsachse der Sonde 1 in der Nähe einer Reflexionsfläche der Reflexionsflächenpaare
2, 3 angeordnet. Die in den Figuren nicht dargestellten Lichtempfänger sind außerhalb
der Sonde 1 angeordnet. Die faseroptischen Lichtleiter 8, 9 sind mit ihrer in den
Figuren dargestellten Eingangsseite jeweils innerhalb der Sonde 1 abweichend von
der Längsachse der Sonde 1 in der Nähe der anderen Reflexionsfläche des jeweiligen
Reflexionsflächenpaares 2, 3 angeordnet. Die faseroptischen Lichtleiter 8, 9 und
die elektrischen Versorgungsleitungen 5, 7 der Glühlampen 4, 6 sind in den Figuren
nach oben aus der Sonde 1 herausgeführt. De in den Figuren nicht dargestellte Ausgangsseite
der faseroptischen Lichtleiter 8, 9 ist in bekannter Weise mit der lichtempfindlichen
Fläche eines Fototransistors oder einer Fotodiode oder eines Fotowiderstandes als
Lichtempfänger verbunden. Diese Licht empfänger wandeln die Intensität des Lichts
in eine Stro elektrische Spannung,oder einen elektrischen Widerstand um. Die Sonde
1 wird mit ihren in den Figuren nach oben gerichteten Fußteil mit rundem Querschnitt
in bekannter Weise durch eine dichtende Flanschverbindung in dem Flüssigkeitsbehälter
10 befestigt.
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Der Behälter 10 kann die Motorölwanne eines Verbrennungsmotors sein,
um den Motorölfüllstand im Verbrennungsmotor zu überwachen. In diesem Fall wird
der Abstand der Reflexionsflächenpaare 2, 3 zum Boden der Ölwanne so gewählt, daß
durch das aeite Reflexionsflächenpaar 3 der minimale zulässige Motorölfüllstand
bei laufendem Verbrennungsmotor gemessen und überwacht wird. Das erste Re-2.
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flexionsflächenpaar wird in seiner Höhe über dem Boden
der
Ölwanne so angeordnet, daß der minimale zulässige Motorölfüllstand bei ruhendem
Verbrennungsmotor gemessen und überwacht wird. So ist eine ständige Überwachung
des minimalen zulässigen Motorölfüllstands bei allen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine
mit dieser raumsparenden Vorrichtung möglich.
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Die in den Figuren dargestellte Vorrichtung funktioniert folgendermaßen:
Der Flüssigkeitsstand im Flüssigkeitsbehälter sei derart, daß der Flüssigkeitsspiegel
zwischen dem ersten Reflexionsflächenpaar 2 und dem zweiten Reflexionsflächenpaar
3 steht. Dies ist in den Figuren durch 11 eine Schlangenlinie dargestellt. Dann
sind die Reflexionsflächen des aeiten Reflexionsflächenpaares 3 in die Flüssigkeit
eingetaucht. Die Reflexionsflächen des ersten Reflexionsflächenpaares 2 werden nicht
von Flüssigkeit umgeben.
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Das von der ersten Lichtquelle 4 ausgesandte Licht wird an der Grenzfläche
lichtleitendes Medium/Luft des ersten Reflexionsflächenpaares 2 zweimal total reflektiert
in Richtung auf die ringangsseite des ersten faseroptischen Lichtleiters 8 Der Lichtstrahlengang
bei Totalreflexion am ersten Reflexionsflächenpaar 2 ist in Figur 1 gestrichelt
gezeichnet. Die Reflexionsflächen des ersten Reflexionsflächenpaares 2 wirken zusammen
als 90 -Prisma.
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Der erste faseroptische L'chtleiter 8 leitet die eingangsseitig aufgenommene
Lichtintensität zur Ausgangsseite weiter. Dort verursacht das Licht im Licht empfänger
aufgrund elektro-optischer Effekte eine der Intensität des infallenden Lichts proportionale
elektrische Ausgangsgröße. Diese Ausgangsgröße des Licht empfängers wird durch bekannte
elektrische Schwellwert- oder Vergleichs schaltungen ausgewertet.
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Da die Reflexionsflächen des Zeiten Reflexionsflächenpaares 3in die
Flüssigkeit eingetaucht sind, trifft das Licht, das von
der weiten
Lichtquelle ausgesandt wird, auf die Grenzfläche lichtleitendes Medium/Flüssigkeit
des weiten Reflexionsflächenpaares 3. Es kann keine Totalreflexion des Lichts an
den Grenzflächen stattfinden. Das Licht wird an den Grenzflächen aus der Sonde 1
heraus in die Flüssigkeit hineingebrochen und absorbiert. Deshalb tritt kein Licht
an der Eingangsseite in denzweitenfaseroptischen Lichtleiter 9 ein, so daß der an
der Ausgangsseite angeschlossene elektrische Lichtempfänger keine Lichtintensität
wahrnimmt. Die nachfolgende elektrische Auswerteschaltung verarbeitet einen ntsprechenden
elektrischen Widerstand, Strom oder eine elektrische Spannung. Steigt der Flüssigkeitsspiegel
über die Höhe des ersten Reflexionsflächenpaares 2*keine Totalreflexion des Lichts
der ersten Glühlampe 4 mehr statt, da die Reflexionsflächen von Flüssigkeit umgeben
sind. Der erste Licht empfänger registriert dann keine Lichtintensität mehr.
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Sinkt der Flüssigkeitsspiegel unter das Niveau des zweiten Reflexionsflächenpaares
3, so findet auch am zweiten Reflexionsflächenpaar 3 Totalreflexion des Lichts der
zweiten Glühlampe 6 statt, weil die Reflexionsflächen nicht von Flüssigkeit umgeben
sind. Der zweite Licht empfänger nimmt dann eine entsprechend große Lichtintensität
wahr.
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Mit Hilfe bekannter dem Licht empfänger nachgeschalteter Auswerteschaltungen
läßt sich also anhand der vom Lichtempfänger aufgenommenen Lichtintensität eindeutig
auf den Flüssigkeitsstand im Behälter schließen. Da im Gegensatz zum Vorbekannten
keine geringen Intensitätsunterschiede ausgewertet werden müssen, sondern durch
strenge Trennung der optischen Wege und der Wege der elektrischen Signalverarbeitung
für ;eden zu messenden Füllstand die Auswerteschaltung nur abfragt, ob die elektrische
Größe vorhanden ist oder nicht, ist die neuerungsgemäße Vorrich-*, so findet auch
am ersten Reflexionsflächenpaar 2
tung auch bei Umgebungstemperaturen
von 180 OC und mehr betriebssicher.
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Die Verknüpfung der Meßergebnisse für jeden Füllstand kann durch einfache
logische Schaltglieder erfolgen.
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Die Längsachse der Sonde 1 kann durchaus von der Achse durch den Schwerpunkt
der Sonde 1 abweichen.