EP2044399A2 - Vorrichtung und verfahren zur kontinuierlichen optischen bestimmung des füllstands von flüssigkeiten in flüssigkeitsvorratsbehältern von fahrzeugen oder flugzeugen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur kontinuierlichen optischen bestimmung des füllstands von flüssigkeiten in flüssigkeitsvorratsbehältern von fahrzeugen oder flugzeugen

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EP2044399A2
EP2044399A2 EP07723548A EP07723548A EP2044399A2 EP 2044399 A2 EP2044399 A2 EP 2044399A2 EP 07723548 A EP07723548 A EP 07723548A EP 07723548 A EP07723548 A EP 07723548A EP 2044399 A2 EP2044399 A2 EP 2044399A2
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EP
European Patent Office
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light
measuring channel
liquid
emitting device
wall
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07723548A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sven Cierullies
Ingo Bebermeier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MUT Aviation Technology GmbH
Original Assignee
MUT Aviation Technology GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284—Electromagnetic waves
    • G01F23/292—Light, e.g. infrared or ultraviolet
    • G—PHYSICS
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    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making

Definitions

  • the present invention relates to a device for the continuous optical determination of the level of liquids in liquid reservoirs of vehicles or aircraft and in particular for the continuous optical determination of the level of liquid fuel in a fuel tank of a vehicle or aircraft.
  • the liquid is irradiated by light having two or more different wavelengths and with known incident intensities, and the intensity for each wavelength is measured after passing through the liquid. Because of the known absorption coefficients which are different for the individual wavelengths, the length of the light path dependent on the filling level in the liquid can be calculated from the ratio of the measured intensities.
  • measuring light beams traverse the interface between the liquid and the gaseous atom above the free liquid surface.
  • a device for the continuous optical determination of the level of liquids which have a refractive index of at least 1.33 at room temperature and a wavelength of 589 nm, in an air reservoir of a vehicle or aircraft having an elongated measuring channel can be arranged on or in a liquid reservoir, that in the liquid reservoir liquid located in the measuring channel and can form a liquid column in the measuring channel, the dimension in the longitudinal direction of the measuring channel depends on the level of the liquid in the liquid reservoir. Accordingly, the liquid forms in the measuring channel a free liquid surface whose position provides a measure of the level.
  • the level measurement can be made in an advantageous manner in the measuring channel to protect the measuring structure, even with strong movements to avoid the measurement disturbing waves and the level even during a filling process in which it can come to foam depending on the liquid to be able to measure.
  • the apparatus further comprises a light-emitting device which is arranged so that light emitted by the light-emitting device can be introduced into the measuring channel.
  • light should be understood to mean not only visible light, but any type of visible or invisible electromagnetic radiation with which the measurement principles mentioned can be realized.
  • the light-emitting device is further arranged so that the light introduced into the measuring channel can pass through this in the longitudinal direction. It is not necessary that the light runs exactly parallel to the longitudinal axis of the measuring channel. Rather, it is only necessary that the light extends along at least part of the length of the measuring channel in such a way that the light or part of the light at least partially passes through the liquid column in use in the measuring channel.
  • the light introduced into the measuring channel by the light-emitting device may be a light beam or a parallel or divergent light beam. Of course, there is also the possibility that the light enters laterally into the measuring channel and is deflected in the measuring channel in the longitudinal direction of this.
  • the light-emitting device is selected so that it can generate light of a predetermined wavelength or from a predetermined wavelength range.
  • this wavelength range can not only contain a continuous spectrum but can also be formed by light of a plurality of discrete or substantially discrete wavelengths. the. Accordingly, monochromatic light can also be used in the context of the present invention. In the case of using a plurality of discrete or substantially discrete wavelengths, all of the discrete wavelengths may be included in the light simultaneously or, optionally, one or more wavelengths switchable in time.
  • a detector arrangement is furthermore provided which is arranged such that light emitted by the light-emitting device into the measuring channel strikes the detector arrangement after passing through at least part of the liquid column.
  • the extension of this part of the liquid column in the longitudinal direction of the measuring channel must of course be characteristic of the longitudinal extent of the liquid column in the desired measuring range.
  • the wall of the measuring channel, i. the surface bounding the interior of the measuring channel is formed in such a way that the reflection coefficient for light of the predetermined wavelength or from the predetermined wavelength range for arbitrary angles of incidence or at least for angles of incidence up to a predetermined critical angle, i. in a predefined angle of incidence range, at least 70%.
  • the reflection coefficient is defined as the percentage of the reflected intensity determined with respect to the incident intensity.
  • the device according to the invention has the advantage that even at large deviations of the position of the liquid reservoir from the horizontal position of the reflective wall along the measuring channel to the detector array is guided and can impinge on the liquid surface broken and deflected light. In this way, the power loss due to refraction or due to the use of light beams of large aperture angle is substantially reduced or avoided. It is particularly advantageous if the narrowest possible measuring light beam and ideally a parallel light beam is used. The invention makes it possible in this way to use weaker and thus less expensive light sources and to increase the dynamic range and the accuracy of measurement.
  • the wall is formed in such a way that the reflection coefficient is at least 80%, preferably at least 90%, even more preferably at least 95%, and most preferably at least 99%. Overall, the reflection coefficient should be as close as possible to 100% and ideally 100%. A larger reflection coefficient has the advantage that the power loss is further reduced.
  • the wall is formed of gold, silver, stainless steel or aluminum.
  • the reflection coefficient is substantially independent of the angle of incidence.
  • care must be taken to ensure that the material chosen is stable, taking into account the nature of the liquid in relation to the ambient conditions in the liquid reservoir. This is to be considered, for example, especially in the level measurement in fuel tanks.
  • the selected material in the differential absorption measuring method for the individual measuring wavelengths used must have the same or a reflection factor which is as similar as possible, otherwise measuring errors will result.
  • the wall is formed of a material having a refractive index of less than 1.33 at room temperature and a wavelength of 589 nm. This embodiment is suitable for level measurement of water and all liquids that have a higher refractive index than water.
  • the refractive index of a medium in the context of this application is defined in the usual way as the ratio of the propagation velocity of electromagnetic radiation into the medium to the propagation velocity in vacuum at a specific wavelength.
  • a suitable material is amorphous fluoropolymer, and more particularly an amorphous fluoropolymer known as Teflon AF described in US Pat. No. 4,754,009 and having a refractive index of 1.29.
  • the wall is formed of a material which is at room temperature and a wavelength of 589 nm has a refractive index of less than 1.39.
  • This embodiment is intended to determine the level of a liquid, which has a refractive index of at least 1.39 at room temperature and a wavelength of 589 nm.
  • Such liquids include kerosene having a refractive index in the range of about 1.43 to 1.47. The refractive index of kerosene can be reduced to as high as 1.39 at high temperatures.
  • the level of kerosene can be determined at high temperatures well above room temperature.
  • the refractive indices of gasoline and diesel are in the same range.
  • a suitable material that also has high resistance to kerosene is the polytetrafluoroethylene, also known as Teflon, which has a refractive index of about 1.38.
  • Teflon FEP fluorinated ethylene-propylene copolymer
  • Teflon FEP fluorinated ethylene-propylene copolymer
  • Teflon FEP fluorinated ethylene-propylene copolymer
  • Teflon FEP fluorinated ethylene-propylene copolymer
  • the light-emitting device and the detector arrangement are arranged in such a way, and the measuring channel is formed in such a way that the irradiated in the use of the light-emitting device in the measuring channel light enters near one end of the measuring channel in the measuring channel and near opposite end of the measuring channel exits the measuring channel to impinge on the detector assembly.
  • the light passes through the liquid column or part of it once.
  • the light-emitting device and the detector arrangement are arranged in such a way, and the measuring channel is formed in such a way that the light irradiated in the use of the light-emitting device in the measuring channel near the end of the measuring channel enters and near the measuring channel the same end of the measuring channel again exits the measuring channel to impinge on the detector assembly.
  • a suitably arranged reflector element is provided in the measuring channel or outside the measuring channel. In such a construction, the light passes through the liquid column or part of it twice.
  • the reflector element is designed in such a way that the incident light beams are reflected back substantially independently of their angle of incidence in themselves or only with a small parallel lateral offset, in order to avoid an adverse lateral offset of the light beams .
  • reflector elements can be used, which have a retroreflector.
  • particularly advantageous retroreflectors are phase-conjugate mirrors or preferably microprism arrays. Suitable microprism arrays with sizes of individual prism elements in the range of 0.2 mm are available from 3M, Reflexite or Avery-Dennison.
  • the light-emitting device is arranged away from the measuring channel and between the light-emitting device and the measuring channel a light guide for coupling light of the light-emitting device is arranged in the measuring channel.
  • the detector assembly is disposed away from the measuring channel and between the detector assembly and the measuring channel, an optical fiber for supplying light emerging from the measuring channel to the detector array is arranged.
  • a light guide is used both for coupling and for decoupling, then it is particularly preferred if the light guide for supplying from the measuring channel Exiting light to the detector array is arranged between the light-emitting device and the measuring channel, that also light of the light-emitting device can be coupled into the measuring channel through it. In other words, only a single optical fiber is used for both purposes.
  • the particular advantage comes into play that the light path for different wavelengths contained in the light beam is identical, so that intensity-changing influences may need to be taken into account only if they affect the selected wavelengths differently.
  • This light guide helps to guide light to and from the liquid column to be measured. In this way, a particularly simple and flexible arrangement can be realized.
  • the light-emitting device is arranged in such a way that in the use of her in the measuring channel coupled light enters through the free surface of the liquid column in the liquid column, ie when the Meßlichtbündel penetrates from above into the fuel.
  • the measuring channel is formed in a tubular remplisstechniksruh TrentsAvem, which can be arranged in a liquid reservoir. It is further preferred if the device is designed as a submersible probe with a housing which comprises the measuring channel. In this way, the device can be introduced as a unit from one side into a liquid reservoir, without it being necessary to provide multiple accesses to the liquid reservoir. As a result, the required modifications to existing liquid storage containers for the use of the device are limited.
  • the measuring channel is formed in the wall of a liquid reservoir, ie it is an integral part of the liquid reservoir.
  • the predetermined wavelength range preferably comprises wavelengths of 700 nm to 1000 nm.
  • those wavelengths are suitable in which the liquid to be measured has a characteristic absorption spectrum.
  • wavelengths of 850 nm and 904 nm are particularly suitable for the measurement of kerosene.
  • wavelengths are particularly advantageous in which low-cost laser diodes are available as sources.
  • the device according to the invention further comprises means for generating a signal which is characteristic of the inclination of the liquid reservoir in relation to the free surface of the liquid in the liquid reservoir and thus for the deviation of the position of the liquid reservoir from the horizontal position, and an evaluation unit, which is adapted to receive the signal and to calculate from this and a signal supplied by the detector arrangement, the level. Due to the knowledge of, for example, the attitude dependent angle of inclination may from the due to the refraction if necessary. extended path of the liquid can be deduced in liquid on the actual level.
  • an apparatus for continuously optically determining the level of a given liquid in a liquid reservoir of a vehicle or aircraft may be constructed in the following manner.
  • an elongate measuring channel is provided, which is arranged on or in a liquid reservoir can be that in this liquid present enter the measuring channel and can form a liquid column in the measuring channel, whose extension in the longitudinal direction of the measuring channel depends on the level of the liquid in the fuel tank.
  • a light-emitting device is provided which can generate light of a predetermined wavelength or from a predetermined wavelength range.
  • This light-emitting device is arranged in such a way that radiated light can be introduced into the measuring channel and longitudinally pass through it in such a way that the light at least partially passes through the liquid column in use in the measuring channel.
  • a detector arrangement is provided and arranged in such a way that light emitted by the light-emitting device into the measuring channel hits the detector arrangement after passing through at least part of the liquid column.
  • the wall of the measuring channel is formed so that in use in the liquid column, the reflection coefficient at the wall for light of the predetermined wavelength or from the predetermined wavelength range at least for angles of incidence up to a predetermined critical angle at least 70%, preferably at least 80th %, more preferably at least 90%, even more preferably at least 95% and most preferably at least 99%.
  • a material is selected for the wall which has a smaller refractive index than the predetermined liquid at the predetermined wavelength or in the predetermined wavelength range.
  • total reflection can advantageously occur at the interface between the given liquid and the measuring channel wall.
  • the material of the wall of the measuring channel is adapted to the liquid to be measured that total reflection is possible. It is not only the type of fluid, but also the intended temperature range in which the measurement is to take place, as well as to take into account the wavelengths used for the measurement.
  • the devices according to the invention can be carried out advantageously methods for the continuous optical determination of the level of a liquid in a liquid reservoir of a vehicle or aircraft, which are independent of the position of the liquid reservoir in a wide range.
  • a light pulse is emitted with the aid of the light-emitting device and the transit time of the light pulse between the light-emitting device and the detector arrangement is measured.
  • the device has a clock which is located in the detector device or in a separate evaluation device, such as the evaluation device described above.
  • the level is determined based on the measured transit time.
  • the device according to the invention may comprise a light source which emits the wavelengths separated in time, for example monochromatically, or a broadband light source whose emission spectrum comprises the individual wavelengths.
  • a device for the spectral separation of the incident light preferably favors and operates preferably spatially selectively.
  • Figure 1 shows schematically the structure of a device according to the invention for determining the level of fuel
  • Figure 2 shows schematically the structure of another embodiment of a device according to the invention for determining the level of fuel.
  • the apparatus 1 shown in FIG. 1 is arranged on a kerosene tank (not shown) of an aircraft, which contains the fuel to be measured.
  • the apparatus 1 includes a tube 2 disposed in the kerosene container. This is adapted to allow kerosene to rise from the kerosene container in the tube 2 to a height which depends on the level of kerosene in the kerosene container. This can for example be realized in such a way that the tube 2 is open at the bottom, so that kerosene can enter from below into the tube 2.
  • the interior of the tube 2 forms a measuring channel 3, in which the actual measurements takes place.
  • a column 4 of the liquid kerosene forms in the measuring channel 3.
  • the liquid column 4 has a free surface 5 which at the same time forms an interface between the kerosene 4 and the gaseous atmosphere 6 located above the kerosene.
  • the position of the surface 5 in the longitudinal direction of the measuring channel 3 is a measure of the level of kerosene in the kerosene tank.
  • a light source 8 and a collimating optics 9 are arranged in such a way that a parallel light beam 10 is generated and irradiated parallel to the longitudinal axis of the tube 2 and the measuring channel 3 in the measuring channel 3 and in the direction of the free liquid surface 5 extends.
  • the light source 8 is designed to generate light of at least two different wavelengths. In this case, it is possible to separate the wavelengths both on the source side by temporal methods and on the detector side by means of spectral-spatial methods.
  • the tube 2 is formed of a material having a lower refractive index than the wavelengths used for the measurement the kerosene 4 has.
  • the tube 2 is formed eg of Teflon PTFE, Teflon FEP or Teflon AF.
  • Teflon PTFE has a refractive index of 1.38 at 589 nm, Teflon FEP and Teflon AF even lower refractive indices. These refractive indices are smaller than the refractive index of kerosene.
  • FIG. 2 shows a further embodiment I 1 of a device according to the invention.
  • identical components with identical reference numerals and modified components are identified by the addition of a dash to the reference numeral.
  • the device I 1 shown in FIG. 2 differs from the device 1 on the one hand in that the light source 8 'is arranged away from the tube 2 and the collimation optics 9.
  • the light guide 16 is provided for supplying the light emitted by the light source to the collimating optics 9 and into the measuring channel 3.
  • the device I 1 shown in Figure 2 differs from the device 1 in that at the end 7 of the light coupling opposite end 11 of the tube 2 is not a Dektektor, but a reflector element 17 is arranged in the form of a micro prism array. This reflector element 17 reflects the incident on the reflector element 17 light beams 13, 14 in itself back. Accordingly, they run up again in the measuring channel 3 and are coupled into the light guide 16 via the collimating optics 9.
  • the Light source 8 ' designed as a combined light source and detector array.
  • the length of the beam path in the Kerosinklade depends not only on their extent in the longitudinal direction of the measuring channel 3, but also on the angular orientation of the liquid surface 5 with respect to the tube 2 and the incident light beams 13, 14.
  • the inclination must also be determined independently. This information is e.g. already available in aircraft having corresponding attitude sensors. In vehicles which do not contain such devices by themselves, the device according to the invention should contain suitable means for determining the inclination.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur kontinuierlichen optischen Bestimmung des Füllstands von Flüssigkeiten in einem Flüssigkeitsvorratsbehälter eines Fahrzeugs oder Flugzeugs, die bei Raumtemperatur und einer Wellenlänge von 589 nm einen Brechungs index von mindestens 1,33 aufweisen. Die Vorrichtung weist einen länglichen Meßkanal (3) auf , der so an oder in einem Flüssigkeitsvorratsbehälter angeordnet werden kann, daß die in dem Flüssigkeitsvorratsbehälter befindliche Flüssigkeit in den Meßkanal (3) eintreten und eine Flüssigkeitssäule (4) in dem Meßkanal (3) bilden kann, deren Ausdehnung in Längsrichtung des Meßkanals (3) von dem Füllstand der Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsvorratsbehälter abhängt. Eine lichtemittierende Einrichtung (8, 8' ) ist so angeordnet, daß von der lichtemittierenden Einrichtung (8, 8' ) abgestrahltes Licht (13, 14) in den Meßkanal (3) eingeleitet und diesen in der Weise in Längsrichtung durchstrahlen kann, daß das Licht (13, 14) die im Einsatz in dem Meßkanal (3) befindliche Flüssigkeitssäule (4) zumindest teilweise durchläuft. Die lichtemittierende Einrichtung (8, 8' ) kann zumindest Licht einer vorbestimmten Wellenlänge oder aus einem vorbestimmten Wellenlängenbereich erzeugen. Eine Detektoranordnung (12, 8' ) ist so angeordnet, daß von der lichtemitierenden Einrichtung (8, 8' ) in den Meßkanal (3) abgestrahltes Licht (10) nach Durchlaufen von zumindest einem Teil der Flüssigkeitssäule (4) auf die Detektoranordnung (12, 8' ) auftrifft. Die den Meßkanal (3) definierende Wandung (15) ist so ausgebildet, daß im Einsatz im Bereich der Flüssigkeitssäule (4) der Reflexionskoeffizient für Licht der vorbestimmten Wellenlänge bzw. aus dem vorbestimmten Wellenlängenbereich an der Wandung (15) zumindest für Einfallswinkel bis zu einem vorbestimmten Grenzwinkel mindestens 70% beträgt.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur kontinuierlichen optischen Bestimmung des Füllstands von Flüssigkeiten in Flüssigkeitsvorratsbehältern von Fahrzeugen oder Flugzeugen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontinuierlichen optischen Bestimmung des Füllstands von Flüssigkeiten in Flüssigkeitsvorratsbehältern von Fahrzeugen oder Flugzeugen und insbesondere zur kontinuierlichen optischen Bestimmung des Füllstands von flüssigem Kraftstoff in einem Kraftstofftank eines Fahrzeugs oder Flugzeugs.
In zahlreichen technischen Anwendungen besteht die Notwendigkeit, den Füllstand von Flüssigkeiten kontinuierlich zu messen. Von großer Bedeutung ist diese Möglichkeit insbesondere im Bereich der Füllstandstnessung flüssiger Kraftstoffe in Kraftstoffvorratsbehältern von Flugzeugen und Fahrzeugen, wie etwa Autos, Lastkraftwagen oder Panzern. In diesen Anwendungen ist nur durch eine kontinuierliche bzw. stufenlose Kenntnis des aktuellen Kraftstoffvorrats eine Abschätzung über die verbleibende Reichweite des Flugzeugs bzw. Fahrzeugs möglich. Im Fahrzeug- und Flugzeugbereich besteht darüber hinaus auch die Notwendigkeit, den Füllstand für weitere Flüssigkeiten, wie z.B. Wasser, zu bestimmen.
Aufgrund dieser großen Bedeutung sind eine Vielzahl unterschiedlicher Systeme zur Messung des Füllstands von Flüssigkeiten und insbesondere von Wasser sowie von flüssigen Kraftstoffen, wie z.B. Kerosin, Diesel oder Benzin, entwickelt worden. Eine Gruppe dieser Systeme basiert auf optischen Verfahren. Da elektromagnetische Strahlung dem eigentlichen Ort der Messung über Lichtleiter zugeführt und von diesem weggeleitet werden kann, sind auf optischen Verfahren basierende Systeme in explosionsgefährdete Bereiche umfassenden Anwendungen von besonderem Vorteil. Den Meßsystemen dieser Gruppe ist gemein, daß elektromagnetische Strahlung so in einen Flüssigkeitsvor- ratsbεhälter eingeleitet oder in diesem erzeugt wird, daß die elektromagnetische Strahlung die Flüssigkeit in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche der Flüssigkeit durchläuft. Der Füllstand kann dann aufgrund der Beobachtung des Einflusses bestimmt werden, den die Flüssigkeit auf die Ausbreitung oder die Eigenschaften der elektromagnetischen Strahlung ausübt .
Es ist zum Beispiel bekannt, die Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Strahlung von dem Brechungsindex des Ausbreitungsmediums auszunutzen, um über Laufzeitmessungen die Länge des Weges eines Lichtpulses in einer Flüssigkeit zu bestimmen. Derartige Verfahren nutzen aus, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Strahlung in Luft größer als in der Flüssigkeit ist. Ferner ist es auch bekannt, die Wellenlängenabhängigkeit des Absorptionskoeffizienten von Flüssigkeiten gegenüber elektromagnetischer Strahlung auszunutzen. Ein solches, als differentielle Absorption bezeichnetes Messverfahren und ein System zur Ausführung dieses Verfahrens sind in dem Artikel "Differential Absorption Fiber-Optic Liquid Level Sensor", C. P. Yakymyshyn und C. R. Pollock, Journal of Lightwave Technology, Band LT-5, Nr. 7, Juli 1987, 941 beschrieben. Im Rahmen dieses Verfahrens wird die Flüssigkeit von Licht mit zwei oder mehreren unterschiedlichen Wellenlängen und mit bekannten Einfallsintensitäten durchstrahlt und für jede Wellenlänge die Intensität nach Durchlaufen der Flüssigkeit gemessen. Aufgrund der für die einzelnen Wellenlängen unterschiedlichen, bekannten Absorptionskoeffizienten kann aus dem Verhältnis der gemessenen Intensitäten die Länge des von dem Füllstand abhängigen Lichtweges in der Flüssigkeit berechnet werden.
Bei all diesen optischen Meßverfahren durchqueren Meßlichtstrahlen die Grenzfläche zwischen der Flüssigkeit und der über der freien Flüssigkeitsoberfläche befindlichen gasförmigen At- mosphäre. Dies gilt sowohl für Anordnungen, in denen die elektromagnetische Strahlung von oben, d.h. von der Gasseite, auf die Flüssigkeitsoberfläche gerichtet und aus der gasförmigen Atmosphäre in die Flüssigkeit eintritt, als auch für Anordnungen, in denen die elektromagnetische Strahlung durch ein Fenster, das zum Beispiel im Boden des Flüssigkeitsvorratsbehälters vorgesehen ist, von unten in die Flüssigkeit eintritt und durch die freie Flüssigkeitsoberfläche aus der Flüssigkeit in die gasförmige Atmosphäre übertritt. Aus diesem Grunde muß berücksichtigt werden, daß die elektromagnetische Strahlung mit Ausnahme des Sonderfalls senkrechter Inzidenz an der Grenzfläche gebrochen und abgelenkt wird. Dieser Sonderfall wird jedoch im Falle von Flüssigkeitsvorratsbehältern, wie z.B. Kraftstofftanks, von Fahrzeugen und Flugzeugen im allgemeinen nicht vorliegen, da Fahrzeuge und Flugzeuge im Betrieb häufig keine waagerechte Lage einnehmen und die Neigung der Flüssigkeitsoberfläche in Bezug auf den vorgegebenen Strahlengang aus diesem Grunde regelmäßig starken Variationen unterworfen ist. Bei einer zu starken Ablenkung durch Brechung und der Verwendung eines einzelnen Lichtstrahls oder eines eng kollimierten Lichtbündels mit geringem Öffnungswinkel wird das Licht jedoch nicht mehr auf den zur Intensitätsmessung oder zum Nachweis des Lichtes verwendeten Detektor auftreffen. Daher tritt in diesen Anwendungen bei eng kollimierten Lichtbündeln das Problem auf, daß die kontinuierliche Messung des Füllstands in nachteiliger Weise nur in einem relativ geringen Bereich von Neigungswinkeln möglich ist. Um dieses Problem zu lösen, wird regelmäßig ein Lichtbündel mit einem relativ großen Öffnungswinkel eingesetzt. Auch wenn auf diese Weise gewährleistet werden kann, daß auch bei größeren Neigungswinkeln noch ein Teil des Lichts auf den Detektor auftrifft, hat diese Vorgehensweise jedoch wiederum den Nachteil, daß die Aufweitung des Lichtbündels einen starken Verlust an Empfangsintensität bedingt, der quadratisch mit der Meßstrecke zunimmt. Dieser Umstand ist insbesondere bei großen Flüssigkeitsvorratsbehäl- tern, wie zum Beispiel Tanks von Flugzeugen oder Panzern, problematisch.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfach und flexibel aufgebaute Vorrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung des Füllstands von einer Flüssigkeit in einem Flüssigkeitsvorratsbehälter eines Fahrzeugs oder Flugzeugs und insbesondere von flüssigem Kraftstoff in einem Kraftstofftank eines Fahrzeugs oder Flugzeugs so auszugestalten, daß die Füllstandsmessung in einem größeren Bereich von Neigungswinkeln als bei bekannten Systemen mit hoher Genauigkeit möglich ist und somit die genannten Nachteile beseitigt werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale von Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung sind Gegenstand der zugehörigen Unteransprüche .
Nach der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß eine Vorrichtung zur kontinuierlichen optischen Bestimmung des Füllstands von Flüssigkeiten, die bei Raumtemperatur und einer Wellenlänge von 589 nm einen Brechungsindex von mindestens 1,33 aufweisen, in einem Flüssigkeitsvorratsbehälter eines Fahrzeugs oder Flugzeugs einen länglichen Meßkanal aufweist, der so an oder in einem Flüssigkeitsvorratsbehälter angeordnet werden kann, daß in dem Flüssigkeitsvorratsbehälter befindliche Flüssigkeit in den Meßkanal eintreten und eine Flüssigkeitssäule in dem Meßkanal bilden kann, deren Abmessung in Längsrichtung des Meßkanals von dem Füllstand der Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsvorratsbehälter abhängt. Die Flüssigkeit bildet demnach in dem Meßkanal eine freie Flüssigkeitsoberfläche aus, deren Lage ein Maß für den Füllstand liefert. Durch das Vorsehen eines Meßkanals kann die Füllstandsmessung in vorteilhafter Weise in dem Meßkanal vorgenommen werden, um den Meßaufbau zu schützen, auch bei starken Bewegungen die Messung störende Wellen zu vermeiden und den Füllstand auch während eines Befüllungsvorgangs, bei dem es in Abhängigkeit der Flüssigkeit zu Schaumbildung kommen kann, messen zu können.
Die Vorrichtung weist ferner eine lichtemittierende Einrichtung auf, die so angeordnet ist, daß von der lichtemittierenden Einrichtung abgestrahltes Licht in den Meßkanal eingeleitet werden kann. Dabei ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter Licht nicht nur sichtbares Licht zu verstehen, sondern jede Art sichtbarer oder unsichtbarer elektromagnetischer Strahlung, mit der die genannten Meßprinzipien verwirklicht werden können. Die lichtemittierende Einrichtung ist ferner so angeordnet, daß das in den Meßkanal eingeleitete Licht diesen in Längsrichtung durchlaufen kann. Dabei ist es nicht erforderlich, daß das Licht genau parallel zur Längsachse des Meßkanals verläuft. Vielmehr ist es nur erforderlich, daß das Licht in der Weise entlang zumindest eines Teils der Länge des Meßkanals verläuft, daß das Licht bzw. ein Teil des Lichts die im Einsatz in dem Meßkanal befindliche Flüssigkeitssäule zumindest teilweise durchläuft. Unabhängig davon, ob die Flüssigkeitssäule im Einsatz vollständig oder nur entlang eines Teils ihrer Länge durchstrahlt wird, ist es dabei erforderlich, daß die Länge des durchstrahlten Längsabschnitts der Flüssigkeitssäule charakteristisch für die Länge der Flüssigkeitssäule in dem gewünschten Meßbereich ist. Das von der lichtemittierenden Einrichtung in den Meßkanal eingeleitete Licht kann ein Lichtstrahl oder ein paralleles oder divergentes Lichtbündel sein. Dabei besteht natürlich auch die Möglichkeit, daß das Licht seitlich in den Meßkanal eintritt und in dem Meßkanal in die Längsrichtung von diesem umgelenkt wird. Die lichtemittierende Einrichtung ist so gewählt, daß sie Licht einer vorbestimmten Wellenlänge oder aus einem vorbestimmten Wellenlängenbereich erzeugen kann. Dabei kann dieser Wellenlängenbereich nicht nur ein kontinuierliches Spektrum enthalten, sondern kann auch durch Licht mehrerer diskreter oder im wesentlichen diskreter Wellenlängen gebildet wer- den. im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann demnach auch monochromatisches Licht eingesetzt werden. Im Fall der Verwendung mehrerer diskreter oder im wesentlichen diskreter Wellenlängen können alle diskreten Wellenlängen gleichzeitig oder wahlweise eine oder mehrere Wellenlängen umschaltbar zeitlich getrennt in dem Licht enthalten sein.
Erfindungsgemäß ist ferner eine Detektoranordnung vorgesehen, die so angeordnet ist, daß von der lichtemittierenden Einrichtung in den Meßkanal abgestrahltes Licht nach Durchlaufen von zumindest einem Teil der Flüssigkeitssäule auf die Detektoranordnung auftrifft. Die Ausdehnung dieses Teils der Flüssigkeitssäule in Längsrichtung des Meßkanals muß dabei natürlich in dem gewünschten Meßbereich charakteristisch für die Längsausdehnung der Flüssigkeitssäule sein. Die Wandung des Meßkanals, d.h. die den den Innenraum des Meßkanals begrenzende Fläche ist in der Weise ausgebildet, daß der Reflexions- koeffizient für Licht der vorbestimmten Wellenlänge bzw. aus dem vorbestimmten Wellenlängenbereich für beliebige Einfallswinkel oder zumindest für Einfallswinkel bis zu einem vorbestimmten Grenzwinkel, d.h. in einem vordefinierten Einfallswinkelbereich, mindestens 70% beträgt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist der Reflexionskoeffizient als der in Bezug auf die einfallende Intensität ermittelte prozentuale Anteil der reflektierten Intensität definiert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, daß an der Flüssigkeitsoberfläche gebrochenes und abgelenktes Licht auch bei großen Abweichungen der Lage des Flüssigkeitsvorratsbehälters von der horizontalen Lage von der reflektierenden Wandung entlang des Meßkanals zu der Detektoranordnung geleitet wird und auf diese auftreffen kann. In dieser Weise wird der Leistungsverlust aufgrund der Brechung oder aufgrund der Verwendung von Lichtbündeln großen Öffnungswinkels wesentlich verringert oder vermieden. Dabei ist es insbesondere von Vorteil, wenn ein möglichst enges Meßlichtbündel und im Idealfall ein paralleles Lichtbündel verwendet wird. Durch die Erfindung wird es auf diese Weise möglich, schwächere und damit kostengünstigere Lichtquellen einzusetzen sowie den Dynamikbereich und die Meßgenauigkeit zu erhöhen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Wandung in der Weise ausgebildet, daß der Reflexionskoeffizient mindestens 80%, bevorzugt mindestens 90%, noch mehr bevorzugt mindestens 95% und am meisten bevorzugt mindestens 99% beträgt. Insgesamt sollte der Reflexionskoeffizient möglichst nahe an 100% liegen und idealerweise 100% betragen. Ein größerer Reflexionskoeffizient hat den Vorteil, daß der Leistungsverlust weiter verringert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Wandung aus Gold, Silber, Edelstahl oder Aluminium ausgebildet. Dabei kann der gesamte Körper, in dem der Meßkanal ausgebildet ist, oder nur ein an den Innenraum des Meßkanals unmittelbar angrenzender Teil dieses Körpers aus diesen Materialien bestehen. So ist es möglich, daß nur eine Beschichtung dieser Materialien vorgesehen ist, die den Innenraum des Meßkanals begrenzt. Durch eine solche Ausgestaltung und Materialwahl ist der Reflexionskoeffizient im wesentlichen unabhängig von dem Einfallswinkel. Es ist aber darauf zu achten, daß das gewählte Material unter Berücksichtigung der Art der Flüssigkeit gegenüber den Umgebungsbedingungen in dem Flüssigkeitsvorratsbehälter beständig ist. Dies ist z.B. insbesondere bei der Füllstandsmessung in Kraftstofftanks zu berücksichtigen. Weiterhin muß das gewählte Material bei dem Meßverfahren der differentiellen Absorption für die einzelnen verwendeten Meßwellenlängen den gleichen oder einen möglichst ähnlichen Reflexionsfaktor aufweisen, da sich ansonsten Messfehler ergeben. In einer alternativen, besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Wandung aus einem Material ausgebildet, das bei Raumtemperatur und einer Wellenlänge von 589 nm einen Brechungsindex von weniger als 1,33 aufweist. Diese Ausführungsform eignet sich zur Füllstandsmessung von Wasser und allen Flüssigkeiten, die einen größeren Brechungsindex als Wasser haben. Der Brechungsindex eines Mediums ist im Rahmen dieser Anmeldung in üblicher Weise als Verhältnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Strahlung in den Medium zu der Ausbreitungsgeschwindigkeit in Vakuum bei einer bestimmten Wellenlänge definiert. Ein geeignetes Material ist amorphes Fluorpolymer und insbesondere ein als Teflon AF bekanntes amorphes Fluorpolymer, das in dem U.S. -Patent Nr. 4,754,009 beschrieben ist und einen Brechungsindex von 1,29 aufweist. Durch die Wahl eines solchen Materials, das einen Brechungsindex hat, der kleiner als der Brechungsindex von Wasser ist, kann an der Grenzfläche zwischen der Wandung des Meßkanals und der Flüssigkeit Totalreflexion stattfinden. In diesem Fall ist die tolerierbare Abweichung der Lage des Flüssigkeitsvorrats- behälters von der horizontalen Lage lediglich durch den Grenzwinkel der Totalreflexion begrenzt. Dabei kann wieder der gesamte Körper, in dem der Meßkanal ausgebildet ist, oder nur ein an den Innenraum des Meßkanals unmittelbar angrenzender Teil dieses Körpers aus diesem Material bestehen. So ist es wiederum möglich, daß nur eine Beschichtung dieses Materials vorgesehen ist, die den Innenraum des Meßkanals begrenzt.
In einer weiteren alternativen, besonders bevorzugten Ausfüh- rungsform, die speziell zur Bestimmung des Füllstands von Ke- rosin in einem Kerosintank und zur Bestimmung des Füllstands von Benzin oder Diesel in einem Kraftstofftank geeignet ist, ist die Wandung aus einem Material ausgebildet, das bei Raumtemperatur und einer Wellenlänge von 589 nm einen Brechungsindex von weniger als 1,39 aufweist. Diese Ausführungsform ist zur Bestimmung des Füllstands einer Flüssigkeit vorgesehen, die bei Raumtemperatur und einer Wellenlänge von 589 nm einen Brechungsindex von mindestens 1,39 aufweist. Solche Flüssigkeiten umfassen Kerosin mit einem Brechungsindex im Bereich von etwa 1,43 bis 1,47. Der Brechungsindex des Kerosins kann sich bei hohen Temperaturen auf bis zu 1,39 verringern. Daher kann mit dieser Ausführungsform auch der Füllstand von Kerosin bei hohen Temperaturen deutlich oberhalb der Raumtemperatur bestimmt werden. Die Brechungsindizes von Benzin und Diesel liegen in demselben Bereich. Ein geeignetes Material, das auch eine hohe Beständigkeit gegenüber Kerosin besitzt, ist das auch als Teflon bekannte Polytetrafluorethylen, das einen Brechungsindex von ungefähr 1,38 aufweist. Weitere bevorzugte Materialien sind das als Teflon FEP bekannte fluorierte Ethylen- Propylen-Kopolymer mit einem Brechungsindex von 1,341 bis 1,347 und das genannte Teflon AF. Durch die Wahl eines solchen Materials, das einen Brechungsindex hat, der kleiner 1,39 ist, kann an der Grenzfläche zwischen der Wandung des Meßkanals und den betreffenden Flüssigkeiten Totalreflexion stattfinden, was die oben genannten Vorteile mit sich bringt.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die lichtemittierende Einrichtung und die Detektoranordnung in der Weise angeordnet, und der Meßkanal ist in der Weise ausgebildet, daß das im Einsatz von der lichtemittierenden Einrichtung in den Meßkanal eingestrahlte Licht nahe einem Ende des Meßkanals in den Meßkanal eintritt und nahe dem gegenüberliegenden Ende des Meßkanals aus dem Meßkanal austritt, um auf die Detektoranordnung aufzutreffen. Bei einem derartigen Aufbau durchläuft das Licht die Flüssigkeitssäule bzw. einen Teil von ihr einmal. In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform sind die lichtemittierende Einrichtung und die Detektoranordnung in der Weise angeordnet, und der Meßkanal ist in der Weise ausgebildet, daß das im Einsatz von der lichtemittierenden Einrichtung in den Meßkanal eingestrahlte Licht nahe einem Ende des Meßkanals in den Meßkanal eintritt und nahe demselben Ende des Meßkanals wieder aus dem Meßkanal austritt, um auf die Detektoranordnung aufzutreffen. Für die in diesem Fall erforderliche Lichtumlen- kung ist in dem Meßkanal oder außerhalb des Meßkanals ein geeignet angeordnetes Reflektorelement vorgesehen. Bei einem derartigen Aufbau durchläuft das Licht die Flüssigkeitssäule bzw. einen Teil von ihr zweimal. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn das Reflektorelement in der Weise ausgestaltet ist, daß die auf dieses auftreffenden Lichtstrahlen im wesentlichen unabhängig von ihrem Einfallswinkel in sich selbst oder nur mit einem geringen parallelen seitlichen Versatz zurückreflektiert werden, um einen nachteiligen seitlichen Versatz der Lichtstrahlen zu vermeiden. Zu diesem Zweck können Reflektorelemente zum Einsatz kommen, die einen Retroreflektor aufweisen. In diesem Zusammenhang besonders vorteilhafte Retrore- flektoren sind phasenkonjugierende Spiegel oder bevorzugt Mi- kroprismenarrays . Geeignete Mikroprismenarrays mit Größen der einzelnen Prismenelemente im Bereich von 0,2 mm sind von 3M, Reflexite oder Avery-Dennison erhältlich.
Es ist bevorzugt, daß die lichtemittierende Einrichtung entfernt von dem Meßkanal angeordnet ist und zwischen der licht- emittierenden Einrichtung und dem Meßkanal ein Lichtleiter zur Einkopplung von Licht der lichtemittierenden Einrichtung in den Meßkanal angeordnet ist. In ähnlicher Weise ist es bevorzugt, daß die Detektoranordnung entfernt von dem Meßkanal angeordnet ist und zwischen der Detektoranordnung und dem Meßkanal ein Lichtleiter zum Zuleiten von aus dem Meßkanal austretenden Licht zu der Detektoranordnung angeordnet ist . Durch die Verwendung von Lichtleitern wird eine hohe Flexibilität des Aufbaus erreicht, und es kann dem Einsatz in einem explo- sionsgefährdeten Bereich optimal Rechnung getragen werden. Die Ansteuerung und Meßwertausgabe ist über wenige Lichtwellenleiter möglich. Wird sowohl zum Einkoppeln als auch zum Auskoppeln ein Lichtleiter eingesetzt, so ist es besonders bevorzugt, wenn der Lichtleiter zum Zuleiten von aus dem Meßkanal austretenden Licht zu der Detektoranordnung so zwischen der lichtemittierenden Einrichtung und dem Meßkanal angeordnet ist, daß durch ihn auch Licht der lichtemittierenden Einrichtung in den Meßkanal eingekoppelt werden kann. Mit anderen Worten wird nur ein einziger Lichtleiter für beide Zwecke eingesetzt. Dabei kommt der besondere Vorteil zum Tragen, daß der Lichtweg für verschiedene in dem Lichtbündel enthaltene Wellenlängen identisch ist, so daß intensitätsverändernde Einflüsse ggf. nur dann berücksichtigt werden müssen, wenn sie sich auf die gewählten Wellenlängen unterschiedlich auswirken. Dieser Lichtleiter wirkt dabei mit, Licht zu der zu vermessenden Flüssigkeitssäule hin und von ihr weg zu leiten. Auf diese Weise läßt sich eine besonders einfache und flexible Anordnung realisieren.
Bei einer Materialwahl, mit deren Hilfe Totalreflexion im Bereich der Flüssigkeitssäule realisiert wird, ist es notwendig, daß die lichtemittierende Einrichtung in der Weise angeordnet ist, daß im Einsatz von ihr in den Meßkanal eingekoppeltes Licht durch die freie Oberfläche der Flüssigkeitssäule in die Flüssigkeitssäule eintritt, d.h. wenn das Meßlichtbündel von oben in den Kraftstoff eindringt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Meßkanal in einem rohrförmigen Flüssigkeitsberuhigungskörper ausgebildet, der in einem Flüssigkeitsvorratsbehälter angeordnet werden kann. Dabei ist es weiter bevorzugt, wenn die Vorrichtung als Tauchsonde mit einem Gehäuse ausgeführt ist, das den Meßkanal umfaßt. In dieser Weise kann die Vorrichtung als Einheit von einer Seite in einen Flüssigkeitsvorratsbehälter eingebracht werden, ohne daß es erforderlich ist, mehrere Zugänge zu dem Flüssigkeitsvorratsbehälter zu schaffen. Dadurch werden die für den Einsatz der Vorrichtung erforderlichen Modifikationen an bestehenden Flüssigkeitsvorratsbehältern in Grenzen gehalten. In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform ist der Meßkanal in der Wandung eines Flüssigkeitsvorratsbehälters ausgebildet, d.h. er ist integraler Bestandteil des Flüssigkeitsvorratsbehälters .
Der vorbestimmte Wellenlängenbereich umfasst bevorzugt Wellenlängen von 700 nm bis 1000 nm. Dabei sind insbesondere solche Wellenlängen geeignet, bei denen die zu vermessende Flüssigkeit ein charakteristisches Absorptionsspektrum aufweist. Beispielsweise sind Wellenlängen von 850 nm und 904 nm für die Messung von Kerosin besonders geeignet. Weiterhin sind Wellenlängen besonders vorteilhaft, bei denen kostengünstige Laserdioden als Quellen verfügbar sind.
Es ist bevorzugt, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung ferner eine Einrichtung zur Erzeugung eines Signals, das für die Neigung des Flüssigkeitsvorratsbehälters in Bezug auf die freie Oberfläche der Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsvorratsbehälter und damit für die Abweichung der Lage des Flüssigkeitsvorratsbehälters von der horizontalen Lage charakteristisch ist, und eine Auswerteeinheit aufweist, die angepaßt ist, um das Signal zu empfangen und aus diesem und einem von der Detektoranordnung gelieferten Signal den Füllstand zu berechnen. Durch die Kenntnis des zum Beispiel von der Fluglage abhängigen Neigungswinkels kann aus dem aufgrund der Brechung ggf . verlängerten Strahlenweg in Flüssigkeit auf den tatsächlichen Füllstand rückgeschlossen werden.
Erfindungsgemäß kann eine Vorrichtung zur kontinuierlichen optischen Bestimmung des Füllstands einer vorgegebenen Flüssigkeit in einem Flüssigkeitsvorratsbehälter eines Fahrzeugs oder Flugzeugs in der folgenden Weise aufgebaut bzw. hergestellt werden. Zunächst wird ein länglicher Meßkanals bereitgestellt, der so an oder in einem Flüssigkeitsvorratsbehälter angeordnet werden kann, daß in diesem befindliche Flüssigkeit in den Meßkanal eintreten und eine Flüssigkeitssäule in dem Meßkanal bilden kann, deren Ausdehnung in Längsrichtung des Meßkanals von dem Füllstand der Flüssigkeit in dem Kraftstofftank abhängt. Ferner wird eine lichtemittierende Einrichtung bereitgestellt, die Licht einer vorbestimmten Wellenlänge oder aus einem vorbestimmten Wellenlängenbereich erzeugen kann. Diese lichtemittierende Einrichtung wird in der Weise angeordnet, daß abgestrahltes Licht in den Meßkanal eingeleitet und diesen in der Weise in Längsrichtung durchstrahlen kann, daß das Licht die im Einsatz in dem Meßkanal befindliche Flüssigkeitssäule zumindest teilweise durchläuft. Schließlich wird eine Detektoranordnung bereitgestellt und in der Weise angeordnet, daß von der lichtemittierenden Einrichtung in den Meßkanal abgestrahlte Licht nach Durchlaufen von zumindest einem Teil der Flüssigkeitssäule auf die Detektoranordnung auftrifft.
Im Rahmen dieses Verfahrens wird die Wandung des Meßkanals so ausgebildet, daß im Einsatz im Bereich der Flüssigkeitssäule der Reflexionskoeffizient an der Wandung für Licht der vorbestimmten Wellenlänge bzw. aus dem vorbestimmten Wellenlängenbereich zumindest für Einfallswinkel bis zu einem vorbestimmten Grenzwinkel mindestens 70%, bevorzugt mindestens 80%, mehr bevorzugt mindestens 90%, noch mehr bevorzugt mindestens 95% und am meisten bevorzugt mindestens 99% beträgt.
Dabei ist es insbesondere bevorzugt, wenn für die Wandung ein Material gewählt wird, das bei der vorbestimmten Wellenlänge bzw. in dem vorbestimmten Wellenlängenbereich einen kleineren Brechungsindex als die vorgegebene Flüssigkeit aufweist. In diesem Fall kann an der Grenzfläche zwischen der vorgegebenen Flüssigkeit und der Meßkanalwandung in vorteilhafter Weise Totalreflexion auftreten. Mit anderen Worten wird das Material der Wandung des Meßkanals so an die zu vermessende Flüssigkeit angepaßt, daß Totalreflexion möglich ist. Dabei ist nicht nur die Art der Flüssigkeit, sondern auch der beabsichtigte Temperaturbereich, in dem die Messung stattfinden soll, sowie die zur Messung verwendeten Wellenlängen zu berücksichtigen.
Mit den erfindungsgemäßen Vorrichtungen können in vorteilhafter Weise Verfahren zur kontinuierlichen optischen Bestimmung des Füllstands einer Flüssigkeit in einem Flüssigkeitsvorratsbehälter eines Fahrzeugs oder Flugzeugs ausgeführt werden, die in einem weiten Bereich unabhängig von der Lage des Flüssigkeitsvorratsbehälters sind. Bei einem solchen Verfahren wird mit Hilfe der lichtemittierenden Einrichtung ein Lichtpuls ausgesendet und die Laufzeit des Lichtpulses zwischen der lichtemittierenden Einrichtung und der Detektoranordnung gemessen. Zu diesem Zweck weist die Vorrichtung eine Uhr auf, die sich in der Detektoreinrichtung oder in einer separaten Auswerteeinrichtung, wie z.B. der oben beschriebenen Auswerteeinrichtung, befindet. Schließlich wird der Füllstand anhand der gemessenen Laufzeit bestimmt. In einem alternativen bevorzugten Verfahren zur kontinuierlichen optischen Bestimmung des Füllstands einer Flüssigkeit in einem Flüssigkeitsvorratsbehälter eines Fahrzeugs oder Flugzeugs wird mit Hilfe der lichtemittierenden Einrichtung Licht mit zumindest zwei unterschiedlichen Wellenlängen ausgesendet und mit der Detektoranordnung die auf diese auftreffende Intensität für jede der Wellenlängen gemessen. Dann wird das Verhältnisses der von der lichtemittierenden Einrichtung ausgesandten Intensität zu der an der Detektoranordnung gemessenen Intensität für jede der Wellenlängen bestimmt und der Füllstand anhand der bestimmten Intensitätsverhältnisse berechnet. Dieses Verfahren entspricht der differentiellen Absorption. Zu diesem Zweck kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Lichtquelle aufweisen, die die Wellenlängen zeitlich getrennt, z.B. monochromatisch, abstrahlt oder eine breitbandige Lichtquelle, deren Ausstrahlungsspektrum die einzelnen Wellenlängen umfaßt. Zur separaten Messung der Intensitäten an der Detektoranordnung weist diese im letzteren Fall bevorzugt eine Einrichtung zur spektralen Trennung des auftreffenden Lichtes auf und arbeitet bevorzugt räumlich selektiv.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, der Füllstandsmessung von Kerosin, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, in denen
Figur 1 schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstands von Kraftstoff zeigt, und
Figur 2 schematisch den Aufbau einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstands von Kraftstoff zeigt.
Die in Figur 1 gezeigte Vorrichtung 1 ist an einem nicht dargestellten Kerosinbehälter eines Flugzeugs angeordnet, der den zu vermessenden Kraftstoff enthält. Die Vorrichtung 1 enthält ein in dem Kerosinbehälter angeordnetes Rohr 2. Dieses ist so ausgebildet, daß Kerosin aus dem Kerosinbehälter in dem Rohr 2 bis zu einer Höhe emporsteigen kann, die von dem Füllstand des Kerosins in dem Kerosinbehälter abhängt. Dies kann beispielsweise in der Weise realisiert werden, daß das Rohr 2 unten offen ist, so daß Kerosin von unten in das Rohr 2 eintreten kann. Das Innere des Rohrs 2 bildet einen Meßkanal 3, in dem die eigentliche Messungen stattfindet.
Aufgrund der beschriebenen Ausgestaltung bildet sich in dem Meßkanal 3 eine Säule 4 des flüssigen Kerosins aus. Die Flüssigkeitssäule 4 weist eine freie Oberfläche 5 auf, die gleichzeitig eine Grenzfläche zwischen dem Kerosin 4 und der über dem Kerosin befindlichen gasförmigen Atmosphäre 6 bildet. Die Lage der Oberfläche 5 in Längsrichtung des Meßkanals 3 ist ein Maß für den Füllstand des Kerosins in dem Kerosinbehälter. In der Nähe des oberen Endes 7 des Rohrs 2 sind eine Lichtquelle 8 und eine Kollimationsoptik 9 in der Weise angeordnet, daß ein paralleles Lichtbündel 10 erzeugt und parallel zur Längsachse des Rohrs 2 und des Meßkanals 3 in den Meßkanal 3 eingestrahlt wird und in Richtung auf die freie Flüssigkeitsoberfläche 5 verläuft. In der Nähe des unteren Endes 11 des Rohrs 2 ist ein Detektor 12 angeordnet, der bei dem Auftreffen von Licht auf den Detektor 12 ein für dessen Intensität charakteristisches Signal erzeugt. Ist die Vorrichtung 1 für das oben beschrieben Meßverfahren der differentiellen Absorption vorgesehen, so ist die Lichtquelle 8 so ausgestaltet, daß sie Licht mindestens zweier verschiedener Wellenlängen erzeugen kann. Dabei ist eine Trennung der Wellenlängen sowohl quellen- seitig durch zeitliche Methoden, als auch detektorseitig durch spektral-räumliche Methoden möglich.
Es ist ersichtlich, daß im Falle einer zu der Längsachse des Meßkanals 3 senkrechten Flüssigkeitsoberfläche 5, d.h. im Falle fehlender Neigung des Kerosinbehälters, das parallele Lichtbündel 10 ohne Ablenkung in die Kerosinsäule 4 eintreten und somit das gesamte Licht des Lichtbündels 10, das nicht in der Kerosinsäule 4 absorbiert wird, auf den Detektor auftreffen würde. In dem gezeigten Beispiel ist jedoch eine Neigung des Kerosinbehälters vorhanden, so daß die Flüssigkeitsoberfläche 5 nicht senkrecht zu der Längsachse des Meßkanals 3 ausgerichtet ist. Daher werden die einzelnen Lichtstrahlen 13, 14 des parallelen Lichtbündels 10 an der Grenzfläche 5 gebrochen und in Richtung auf die den Meßkanal 3 begrenzende Innenwandung 15 des Rohrs 2 abgelenkt. Dies würde grundsätzlich dazu führen, daß die Lichtstrahlen 13, 14 nicht mehr auf den Detektor 12 auftreffen und die Füllstandsmessung unmöglich wird. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Rohr 2 jedoch aus einem Material ausgebildet, das bei den für die Messung verwendeten Wellenlängen einen geringeren Brechungsindex als der Kerosin 4 aufweist. Insbesondere ist das Rohr 2 z.B. aus Teflon PTFE, Teflon FEP oder Teflon AF ausbebildet. Teflon PTFE weist einen Brechungsindex von 1,38 bei 589 nm auf, Teflon FEP und Teflon AF noch niedrigere Brechungsindizes.. Diese Brechungsindizes sind kleiner als der Brechungsindex von Kerosin. Daher kommt es an der Grenzfläche zwischen dem Kerosin 4 und dem Rohr 2 zur Totalreflexion, solange der Grenzwinkel der Totalreflexion nicht überschritten wird. Auf diese Weise können die Lichtstrahlen 13, 14 trotz der Ablenkung an der Kerosinoberfläche 5 auch bei relativ großen Neigungswinkeln auf den Detektor 12 auftreffen. Das Licht der Lichtquelle 8 wird optimal ausgenutzt.
Figur 2 zeigt eine weitere Aufführungsform I1 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. In Figur 2 sind identische Komponenten mit identischen Bezugszeichen und modifizierte Komponenten durch Hinzufügung eines Striches zu dem Bezugszeichen gekennzeichnet. Die in Figur 2 dargestellte Vorrichtung I1 unterscheidet sich von der Vorrichtung 1 zum einen dadurch, daß die Lichtquelle 8' entfernt von dem Rohr 2 und der Kollimationsop- tik 9 angeordnet ist. Zum Zuleiten des von der Lichtquelle abgestrahlten Lichts zu der Kollimationsoptik 9 und in den Meßkanal 3 ist ein Lichtleiter 16 vorgesehen.
Ferner unterscheidet sich die in Figur 2 dargestellte Vorrichtung I1 von der Vorrichtung 1 dadurch, daß an dem Ende 7 der Lichteinkopplung gegenüberliegenden Ende 11 des Rohrs 2 kein Dektektor, sondern ein Reflektorelement 17 in Form eines Mi- kroprismenarrays angeordnet ist. Dieses Reflektorelement 17 reflektiert die auf das Reflektorelement 17 auftreffenden Lichtstrahlen 13, 14 in sich selbst zurück. Sie laufen demnach in dem Meßkanal 3 wieder nach oben und werden über die Kollimationsoptik 9 in den Lichtleiter 16 eingekoppelt. Zur Messung des Lichts, das die Kerosinsäule 4 durchlaufen hat, ist die Lichtquelle 8 ' als kombinierte Lichtquelle und Detektoranordnung ausgebildet.
Aus den Figuren 1 und 2 ist ersichtlich, daß die Länge des Strahlenweges in der Kerosinsäule nicht nur von deren Ausdehnung in Längsrichtung des Meßkanals 3 abhängt, sondern auch von der Winkelausrichtung der Flüssigkeitsoberfläche 5 in Bezug auf das Rohr 2 bzw. die einfallenden Lichtstrahlen 13, 14. Um die tatsächliche Füllhöhe berechnen zu können, muß daher auch die Neigung unabhängig bestimmt werden. Diese Information steht z.B. in Flugzeugen bereits zu Verfügung, die entsprechende Fluglagensensoren aufweisen. In Fahrzeugen, die derartige Einrichtungen nicht von Haus aus enthalten, sollte die erfindungsgemäße Vorrichtung eine geeignete Einrichtung zur Bestimmung der Neigung enthalten.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur kontinuierlichen optischen Bestimmung des Füllstands von Flüssigkeiten in Flüssigkeitsvorratsbehältern von Fahrzeugen oder Flugzeugen, wobei die Flüssigkeiten, die bei Raumtemperatur und einer Wellenlänge von 589 nm einen Brechungsindex von mindestens 1,33 aufweisen, mit: einem länglichen Meßkanal (3) , der so an oder in einem Flüssigkeitsvorratsbehälter angeordnet werden kann, daß in diesem befindliche Flüssigkeit in den Meßkanal (3) eintreten und eine Flüssigkeitssäule (4) in dem Meßkanal (3) bilden kann, deren Ausdehnung in Längsrichtung des Meßkanals (3) von dem Füllstand der Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsvorratsbehälter abhängt , einer lichtemittierenden Einrichtung (8, 81), die so angeordnet ist, daß von der lichtemittierenden Einrichtung (8, 81) abgestrahltes Licht (13, 14) in den Meßkanal (3) eingeleitet und diesen in der Weise in Längsrichtung durchstrahlen kann, daß das Licht (13, 14) die im Einsatz in dem Meßkanal (3) befindliche Flüssigkeitssäule (4) zumindest teilweise durchläuft, und wobei die lichtemittierende Einrichtung (8, 8') Licht einer vorbestimmten Wellenlänge oder aus einem vorbestimraten Wellenlängenbereich erzeugen kann, und einer Detektoranordnung (12, 81), die so angeordnet ist, daß von der lichtemittierenden Einrichtung (8, 8') in den Meßkanal (3) abgestrahltes Licht (10) nach Durchlaufen von zumindest einem Teil der Flüssigkeitssäule (4) auf die Detektoranordnung (12, 81) auftrifft, wobei die Wandung (15) des Meßkanals (3) so ausgebildet ist, daß im Einsatz im Bereich der Flüssigkeitssäule (4) der Reflexionskoeffizient an der Wandung (15) für Licht der vorbestimmten Wellenlänge bzw. aus dem vorbestimmten Wellenlängenbereich zumindest für Einfallswinkel bis zu einem vorbestimmten Grenzwinkel mindestens 70% beträgt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Wandung so ausgebildet ist, daß der Reflexionskoeffizient mindestens 80% beträgt .
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Wandung so ausgebildet ist, daß der Reflexionskoeffizient mindestens 90% beträgt .
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Wandung so ausgebildet ist, daß der Reflexionskoeffizient mindestens 95% beträgt .
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Wandung so ausgebildet ist, daß der Reflexionskoeffizient mindestens 99% beträgt .
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Wandung aus Gold, Silber, Edelstahl oder Aluminium ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Wandung aus einem Material ausgebildet ist, das bei Raumtemperatur und einer Wellenlänge von 589 nm einen Brechungsindex von weniger als 1,33 aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der das Material ampor- phes Fluorpolymer ist .
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die zur Bestimmung des Füllstands einer Flüssigkeit vorgesehen ist, die bei Raumtemperatur und einer Wellenlänge von 589 nm einen Brechungsindex von mindestens 1,39 aufweist, und bei der die Wandung aus einem Material ausgebildet ist, das bei Raumtemperatur und einer Wellenlänge von 589 nm einen Brechungsindex von weniger als 1,39 aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der das Material Polyte- trafluorethylen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der das Material fluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die lichtemittierende Einrichtung (8, 81) und die Detektoranordnung (12, 81) in der Weise angeordnet sind und der Meßkanal (3) in der Weise ausgebildet ist, daß das im Einsatz von der lichtemittierenden Einrichtung (8, 81) in den Meßkanal (3) eingestrahlte Licht (10) nahe einem Ende (7) des Meßkanals (3) in den Meßkanal (3) eintritt und nahe dem gegenüberliegenden Ende (11) des Meßkanals (3) aus dem Meßkanal (3) austritt, um auf die Detektoranordnung (12, 8') aufzutreffen.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die lichtemittierende Einrichtung (8, 81) und die Detektoranordnung (12, 81) in der Weise angeordnet sind und der Meßkanal (3) in der Weise ausgebildet ist, daß das im Einsatz von der lichtemittierenden Einrichtung (8, 8') in den Meßkanal (3) eingestrahlte Licht (10) nahe einem Ende (7) des Meßkanals (3) in den Meßkanal (3) eintritt und nahe demselben Ende (7) des Meßkanals (3) aus dem Meßkanal (3) austritt, um auf die Detektoranordnung (12, 8') aufzutreffen, wobei für die dafür erforderliche Lichtumlenkung ein geeignet angeordnetes Reflektorelement (17) vorgesehen ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der das Reflektorelement
(17) einen Retroreflektor aufweist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der der Retroreflektor ein phasenkonjugierender Spiegel oder ein Mikroprismen- array ist .
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die lichtemittierende Einrichtung (81) entfernt von dem Meßkanal (3) angeordnet ist und zwischen der licht- emittierenden Einrichtung (81) und dem Meßkanal (3) ein Lichtleiter (16) zur Einkopplung von Licht der lichtemittierenden Einrichtung (81) in den Meßkanal (3) angeordnet ist.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Detektoranordnung (81) entfernt von dem Meßkanal (3) angeordnet ist und zwischen der Detektoranordnung (81) und dem Meßkanal (3) ein Lichtleiter (16) zum Zuleiten von aus dem Meßkanal (3) austretenden Licht (10) zu der Detektoranordnung (81) angeordnet ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der der Lichtleiter (16) zum Zuleiten von aus dem Meßkanal (3) austretenden Licht (10) zu der Detektoranordnung (81) so zwischen der lichtemittierenden Einrichtung (81) und dem Meßkanal (3) angeordnet ist, daß durch ihn auch Licht der lichtemittierenden Einrichtung (8') in den Meßkanal (3) eingekoppelt werden kann.
19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die lichtemittierende Einrichtung (8, 8') in der Weise angeordnet ist, daß im Einsatz von ihr in den Meßkanal (3) eingekoppeltes Licht (10) durch die freie Oberfläche (5) der Flüssigkeitssäule (4) in die Flüssigkeitssäule (4) eintritt.
20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Meßkanal (3) in einem rohrförmigen Flüssigkeitsbe- ruhigungskörper (2) ausgebildet ist, der in einem Flüssigkeitsvorratsbehälter angeordnet werden kann.
21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die als Tauchsonde mit einem Gehäuse ausgeführt ist, das den Meßkanal (3) umfaßt.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei der der Meßkanal (3) in der Wandung eines Flüssigkeitsvorratsbehälters ausgebildet ist.
23. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der vorbestimmte Wellenlängenbereich Wellenlängen von 700 nm bis 1000 nm umfaßt.
24. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner eine Einrichtung zur Erzeugung eines Signals, das für die Neigung des Flüssigkeitsvorratsbehälters in Bezug auf die freie Oberfläche der Flüssigkeit charakteristisch ist, und eine Auswerteeinheit aufweist, die angepaßt ist, um das Signal zu empfangen und aus diesem und einem von der Detektoranordnung (12, 8') gelieferten Signal den Füllstand zu berechnen.
25. Verfahren zum Aufbau einer Vorrichtung zur kontinuierlichen optischen Bestimmung des Füllstands einer vorgegebenen Flüssigkeit in einem Flüssigkeitsvorratsbehälter eines Fahrzeugs oder Flugzeugs mit den Schritten:
Bereitstellen eines länglichen Meßkanals (3) , der so an oder in einem Flüssigkeitsvorratsbehälter angeord- net werden kann, daß in diesem befindliche Flüssigkeit in den Meßkanal (3) eintreten und eine Flüssigkeitssäule (4) in dem Meßkanal (3) bilden kann, deren Ausdehnung in Längsrichtung des Meßkanals (3) von dem Füllstand der Flüssigkeit in dem Kraftstofftank abhängt ,
Bereitstellen einer lichtemittierenden Einrichtung (8, 81), die Licht einer vorbestimmten Wellenlänge oder aus einem vorbestimmten Wellenlängenbereich erzeugen kann, und Anordnen der lichtemittierenden Einrichtung (8, 81) in der Weise, daß abgestrahltes Licht (13, 14) in den Meßkanal (3) eingeleitet und diesen in der Weise in Längsrichtung durchstrahlen kann, daß das Licht (13, 14) die im Einsatz in dem Meßkanal (3) befindliche Flüssigkeitssäule (4) zumindest teilweise durchläuft,
Bereitstellen einer Detektoranordnung (12, 81) und Anordnen der Detektoranordnung (12, 81) in der Weise, daß von der lichtemittierenden Einrichtung (8, 81) in den Meßkanal (3) abgestrahltes Licht (10) nach Durchlaufen von zumindest einem Teil der Flüssigkeitssäule (4) auf die Detektoranordnung (12, 81) auftrifft, wobei die Wandung (15) des Meßkanals (3) so ausgebildet wird, daß im Einsatz im Bereich der Flüssigkeitssäule (4) der Reflexionskoeffizient an der Wandung (15) für Licht der vorbestimmten Wellenlänge bzw. aus dem vorbestimmten Wellenlängenbereich zumindest für Einfallswinkel bis zu einem vorbestimmten Grenzwinkel mindestens 70% beträgt.
26. Verfahren nach Anspruch 25, bei dem für die Wandung ein Material gewählt wird, das bei der vorbestimmten Wellenlänge bzw. in dem vorbestimmten Wellenlängenbereich einen kleineren Brechungsindex als die vorgegebene Flüssigkeit aufweist .
27. Verfahren zur kontinuierlichen optischen Bestimmung des Füllstands einer Flüssigkeit in einem Flüssigkeitsvorratsbehälter eines Fahrzeugs oder Flugzeugs mit den Schritten:
Bereitstellen einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24,
Aussenden eine Lichtpulses mit Hilfe der lichtemit- tierenden Einrichtung,
Messung der Laufzeit des Lichtpulses zwischen der lichtemittierenden Einrichtung und der Detektoranordnung und
Bestimmung des Füllstands anhand der gemessenen Laufzeit .
28. Verfahren zur kontinuierlichen optischen Bestimmung des Füllstands einer Flüssigkeit in einem Flüssigkeitsvorratsbehälter eines Fahrzeugs oder Flugzeugs mit den Schritten:
Bereitstellen einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24 ,
Aussenden von Licht mit zumindest zwei unterschiedlichen Wellenlängen mit Hilfe der lichtemittierenden Einrichtung,
Messung der auf die Detektoranordnung auftreffenden Intensität für jede der Wellenlängen,
Bestimmung des Verhältnisses der von der lichtemittierenden Einrichtung ausgesandten Intensität zu der an der Detektoranordnung gemessenen Intensität für jede der Wellenlängen und
Bestimmung des Füllstands anhand der bestimmten Intensitätsverhältnisse .
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