DE3700832C2 - Sensor zur Füllstandsüberwachung mit Hilfe eines faseroptischen Lichtleiters - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Sensor zur Füllstandsüberwachung mit Hilfe eines faseroptischen Lichtleiters nach der Gattung des Hauptanspruchs. Ein derartiger z. B. aus der US-PS 42 87 427 oder der US-PS 41 59 420 bekannter Sensor ist einfach gekrümmt und weist somit einen U-förmigen Bereich auf. Das Licht der Licht­ quelle wird zu dem U-förmigen Bereich geführt und durchläuft im nicht eingetauchten Zustand den gebogenen Kern des Lichtleiters, um am Lichtdetektor gemessen zu werden. Im eingetauchten Zustand ist jedoch aufgrund der geänderten Brechzahldifferenz die am Detektor auftreffende Lichtmenge verändert. Diese Sensoren haben den Nach­ teil, daß der Kontrast, d. h. der Unterschied zwischen der auftref­ fenden Lichtmenge im eingetauchten und im nicht eingetauchten Zu­ stand gering ist und keine exakte Messung möglich ist.

In der nachveröffentlichten DE-OS 36 04 230 ist ein faseroptischer Füllstandssensor beschrieben, dessen eigentliche Meßstrecke aus zwei gleichsinnig gekrümmten Bereichen besteht. Aus baulichen Gegebenheiten weist der Leiter noch einen zur Meßstrecke gegensinnig gekrümmten Bereich auf. Dieser zweite Bereich ist aber in einem Gehäuse angeordnet und somit immer von der zu bestimmenden Flüssigkeit getrennt. Er hat somit, da kein Kontakt zur Flüssigkeit möglich ist, keinen Einfluß auf die Meßwerterfassung. Um den Verlust an Lichtintensität so gering wie möglich zu halten, kann der Bereich der zweiten Krümmung auch mit einer Silberschicht überzogen sein.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß dessen Empfindlich­ keit erhöht wird. Er hat einen guten Kontrast, d. h. ein großes Ver­ hältnis zwischen den vom optischen Detektor empfangenen Lichtmengen im eingetauchten und im nicht eingetauchten Zustand. Der Sensor ist preiswert, da kostengünstige Standardbauelemente verwendet werden können. Er ist über einen großen Temperaturbereich einsetzbar und kann sogar für aggressive Medien verwendet werden. Ferner ist ein Einsatz an baulich ungünstigen, z. B. dünnen Rohren und entlegenen Orten möglich, da das Meßsignal nahezu verlustfrei über lange Wege geführt werden kann. Der Sensor reagiert sehr schnell. Das vom Sen­ sor gewonnene Meßsignal kann mit Hilfe einer einheitlichen Auswerte­ schaltung für eine sehr große Anzahl von im Kfz-Sektor verwendeten Flüssigkeiten, z. B. Öl oder Kühlwasser, ausgewertet werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale möglich.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Meßprinzips mit eingezeichnetem Brechungsverhältnis und

Fig. 2 ein Ausführungs­ beispiel.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist mit 10 ein faseroptischer Leiter bezeichnet, der eine hohe Transparenz aufweisen und der in einem großen Temperaturbereich verwendbar sein soll. Er hat zwei gleichsinnige Krümmungen 11, 12, so daß ein U-förmiger Abschnitt gebildet wird. Daran schließt sich eine gegenläufige Krümmung 14 an. Der Radius r der drei Krümmungen 11, 12, 14 ist gleich, wobei aber auch unterschiedliche Radien mög­ lich sind. Die Brechzahl des Mediums des Leiters 10 ist mit n_F be­ zeichnet und die Brechzahl des umgebenden Mediums mit n_U, wobei es sich sowohl um das umgebende Medium im nicht eingetauchten Zustand, z. B. Luft, als auch im eingetauchten Zustand, also in der zu messen­ den Flüssigkeit, handeln kann. Der Leiter 10 weist im Bereich der Krümmung 11, 12, 14 keinen Mantel auf, an dem die einfallende Strah­ lung reflektiert würde.

Wird Strahlung (Pfeil F) einer in Fig. 1 nicht dargestellten Strah­ lungsquelle in den Leiter 10 eingekoppelt, so wird die Strahlung im Bereich der Krummung 11 an der Grenzfläche Leiter/Umgebung zum Teil gebrochen und verläßt dann teilweise den Leiter. Für diesen Teil der Strahlung ist der Auftreffwinkel ϕ kleiner als ein Grenzwinkel ψ_G gemäß der Beziehung

ϕ ϕ_G = arcsin (n_U/n_F)

Die restliche Strahlung kann den Leiter 10 nicht verlassen und brei­ tet sich darin weiter aus. Die Krümmung 12 hat hier den gleichen Krümmungsradius, so daß hier auch die selben optischen Brechungsver­ hältnisse vorliegen. Es kann also an der Krümmung 12 keine weitere Strahlung austreten. Sie wird durch Totalreflexion weitergeleitet. An der Krümmung 14 herrschen wegen desselben Radius r annähernd diesel­ ben Brechungsverhältnisse wie an der Krümmung 11 vor, so daß erneut ein Teil der Strahlung ausgekoppelt wird, der in der Fig. 1 ent­ sprechend schraffiert und mit 15 bezeichnet ist. Die dann noch am Empfänger auftreffende Strahlungsmenge ist hauptsächlich von der Grö­ ße des Radius r und vom Verhältnis x/d abhängig, wobei x < d/2 sein soll; dabei ist d die Leiterdicke und x der Anteil der Strahlung, die an der Krümmung 11 den Leiter verläßt. Ferner ist in der Fig. 1 mit 16 der Strahlengang des an der Krümmung 14 nicht ausgekoppelten und auf den Empfänger treffenden Anteils der Strahlung bezeichnet. Ob eine in den Leiter 10 eintretende Strahlung bei konstantem Verhält­ nis der Brechungszahlen n_U/n_F die Austrittsbedingung erfüllt, hängt ab vom Verhältnis des Krümmungsradius r zur Leiterdicke d, seiner Eintrittsposition x und den Eintrittswinkeln relativ zur Leiterachse.

Taucht der Leiter 10 nun in eine Flüssigkeit ein, so erhöht sich meist der Brechungsindex n_U gegenüber der Luft n_L und deshalb auch der Grenzwinkel ϕ_G. Es tritt mehr Strahlung aus dem Leiter 10 aus und es gelangt weniger zum Detektor.

Um einen großen Kontrast zu erhalten, scheint es günstig, die Krüm­ mungen 11, 12 und 14 derartig zu bemessen, daß beim Eintauchen in die Flüssigkeit mit dem größten in Frage kommenden Brechungsindex gerade kein Licht mehr zum Sensor gelangt. Dies hätte aber den Nach­ teil, daß zum einen die Differenz der Sensorsignale zwischen einge­ tauchtem und nicht eingetauchtem Zustand gering, zum anderen das Si­ gnal in beiden Zuständen kleiner wäre, was für die Auslegung der nachfolgenden Auswerteelektronik ungünstig wäre. Dies hätte den wei­ teren Nachteil, daß dann die Krümmungen 11, 12 und 14 sehr eng aus­ fallen müßten, was aus materialtechnischen Gründen unerwünscht ist.

Durch die gegenläufige Krümmung 14 ist aber eine wesentliche Verbes­ serung des Kontrastes möglich, da hier bei eingetauchtem Leiter auch diejenigen Strahlen austreten können, die aufgrund ihrer Eintritts­ position und Eintrittswinkel bei der Krümmung 11 zunächst durch To­ talreflexion weitergeleitet werden, denn diese Strahlen haben bei der Krümmung 14 einen besonders steilen Auftreffwinkel ϕ. Durch diese gegensinnige Krümmung ist es möglich, den Meßeffekt nahezu zu verdoppeln, ohne die oben angeführten Nachteile in Kauf zu nehmen.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Sensors zur Füllstands­ überwachung dargestellt. Auf dem Gehäuse 21 eines Reflexsensors ist eine Adapterscheibe 22 angeordnet. Der Reflexsensor weist bekannt­ lich eine Strahlungsquelle und einen Empfänger auf, deren Ebenen parallel oder leicht zueinander geneigt sind. Die Strahlungsquelle kann eine im infraroten Bereich arbeitende Lumineszenzdiode (LED) sein. Als Empfänger kann ein Fototransistor verwendet werden. Auf der Adapterscheibe sind die beiden Enden des in Fig. 1 dargestell­ ten Leiters 10 angekoppelt. Der Leiter 10 weist einen Mantel 23 auf, so daß in diesem Bereich keine Strahlung austreten kann. Der Leiter 10 hat ferner zwei gegensinnige Krümmungen 12, 14, einen U-förmigen Abschnitt und wieder zwei gegensinnige Krümmungen 14, 12, in deren Bereich jeweils der Mantel 23 entfernt ist. Das im Empfänger gewon­ nene Meßsignal wird einer in der Figur nicht dargestellten Auswerte­ schaltung zugeführt. Aufgrund des guten Kontrastes des Sensors kann für verschiedene Flüssigkeiten eine einheitliche Auswerteschaltung verwendet werden.

Claims (4)

1. Sensor zur Füllstandsüberwachung mit Hilfe eines faseroptischen Leiters (10) mit einem Sender und einem Empfänger, wobei die Strahlung an der Wand des Leiters (10) reflektiert wird bzw. durch die Wand des Leiters (10) austritt und die am Empfänger auftreffende, vom Brechzahlunterschied zwischen dem eingetauchten und dem nicht eingetauchten Zustand abhängige Strahlungsmenge ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrecke des Leiters (10) mindestens zwei in entgegengesetzten Richtungen gewundene Krümmungen (11, 14) hat und daß der Leiter (10) wenigstens im Bereich dieser Krümmungen (11, 14) keine Ummantelung (23) aufweist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender eine im infraroten Bereich arbeitende Lumineszenzdiode ist.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebenen des Senders und des Empfängers parallel oder unter einem kleinen Winkel zueinander gekippt sind und als Reflexsensor ausgebildet sind.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor Teil einer elektronischen Auswerteschaltung ist.