WO2003071239A1 - Verfahren und vorrichtung zur optischen füllstandsbestimmung in flüssigkeitsgefüllten behältern - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur optischen füllstandsbestimmung in flüssigkeitsgefüllten behältern Download PDF

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WO2003071239A1
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Georg Siepmann
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Kautex Textron Gmbh & Co. Kg
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    • 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
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    • G01F23/2922—Light, e.g. infrared or ultraviolet for discrete levels with light-conducting sensing elements, e.g. prisms
    • G01F23/2925—Light, e.g. infrared or ultraviolet for discrete levels with light-conducting sensing elements, e.g. prisms using electrical detecting means
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    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0033—Means for improving the coupling-out of light from the light guide
    • G02B6/0035—Means for improving the coupling-out of light from the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it
    • G02B6/0038—Linear indentations or grooves, e.g. arc-shaped grooves or meandering grooves, extending over the full length or width of the light guide
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S250/90—Optical liquid level sensors
    • Y10S250/904—Optical liquid level sensors with single light guide element to guide light in a continuous path

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for optical fill level determination in liquid-filled containers, in particular in fuel containers of motor vehicles.
  • Devices for optical level determination are known per se. They have the advantage over the common mechanical and electrical devices that they have no moving components and are therefore not susceptible to wear and mechanical failure.
  • a device of this type is described in US-A-3,424,004. It comprises a light-guiding body which projects into the liquid tank from above and has reflection surfaces arranged in pairs at different heights, which are horizontally offset from one another and can be observed through the end face. The reflective surfaces reflect light only when they are not immersed in the liquid. The liquid level is then between the light and dark appearing reflection surfaces.
  • DE-Al-31 28 925 discloses a level transmitter for liquids with a light-guiding body immersed in the liquid, which has a rectangular cross section and is on both narrow ten is graduated, the steps of the steps being formed by first and second reflecting surfaces.
  • a light source and a light receiver are arranged in the upper end face of the light guide body. The light emitted downwards by the light source is totally reflected on the first reflection surfaces, which are not immersed in the liquid, in the direction of the second reflection surfaces and from these towards the light receiver on the front side.
  • the signal emitted by the light receiver is larger or smaller depending on the number of reflecting reflection surfaces, ie depending on the fill level, and can be used to display the fill level.
  • Such a device can distinguish between discrete fill level heights, the number of distinguishable fill levels being predetermined by the number of first and second reflection surfaces.
  • a large number of gradations with first or second reflection surfaces can be provided. The reflecting surfaces then become relatively small and there is a risk that liquid drops will get stuck on them when the liquid level drops. This prevents total reflection and pretends that the level is too high.
  • DE-Al-32 43 839 (FIG. 8) describes a device in which a plurality of light-guiding bodies, each with a reflection surface, are attached at different heights in the side wall of a liquid container, the photo sensors of which are connected in series. This structure is complicated and prone to failure, since leaks can occur in the bushings in the side wall.
  • DE-C-100 35 263 discloses a generic device in which there are gaps in the light guide body between the narrow sides, so that the light reflected from the first reflection surfaces can only pass through the ribs formed between the gaps. The production Such a light guide body is difficult, however, if it is to have a large number of reflection surfaces for quasi-continuous level indication.
  • the invention has for its object to provide a method for optical level determination in liquid-filled containers, which is easier and more precise to carry out compared to the known methods, and to provide a device for performing such a method, which is simple and inexpensive to manufacture and has a low susceptibility to Has disorders.
  • the separate measurement of the intensity of the light reflected from every second reflection surface to the end face is preferably carried out with at least one photo sensor for each reflection surface. At least one measurement signal is thus obtained for each of these reflection areas. This has either a low value if the reflection surface is immersed in the liquid ("full") or a high value if the liquid does not cover the reflection surface ("empty").
  • the measurement signals can, if necessary after suitable amplification, be fed to a display device which displays the fill level of the container to the user.
  • a display device which displays the fill level of the container to the user.
  • This can be, for example, a series of light-emitting diodes, each of which is characterized by a high measurement signal, i.e. if the corresponding reflection surface reports "empty", be activated.
  • the user can then see from the number of light-emitting diodes how far the container has been emptied. He can recognize a wrong "full" message in the empty area of the container and ignore it.
  • the measurement signals are preferably evaluated and checked before being displayed.
  • Corrections for the weakening of light in the light guide body, for stray light components and for noise (dark signal) are made.
  • the test can be a plausibility test in which false "full" signals between adjacent "empty” signals, which are caused by droplets adhering to a reflection surface in the empty region of the container, are recognized and replaced, for example, by the signals from the adjacent reflection surfaces or by Interpolation to be corrected.
  • the invention also includes a device according to independent independent claims 7 and 8.
  • the device has measuring means for measuring the light reflected from the reflection surfaces to the end surface, with which the intensity reflected by each individual reflection surface can be measured separately.
  • the measuring means are preferably optically connected to the exit region of the light guide body. This is advantageously carried out by attaching the measuring means to the exit area, in such a way that there is at least one measuring means for each light beam reflected and emerging from a reflection surface. To avoid undesirable light losses due to refraction at the interfaces, the measuring means can also be embedded in depressions in the exit area and / or can be optically connected to the latter by means of a transparent putty with a refractive index matched to the light guide body.
  • the measuring means are connected to the exit area via an optical fiber cable.
  • This must have at least one separate fiber for each of the light beams reflected from the reflection surfaces to the end surface, each fiber being optically connected to a measuring device. This makes it possible to arrange the measuring equipment away from the light guide body. NEN.
  • Reflecting surfaces advantageously form an angle of 45 ° with the direction of the incident light beam.
  • the light is reflected by 90 ° in each case, so that after the second reflection it runs parallel in the opposite direction to the incident light.
  • total reflection occurs at the interface with air if the refractive index of the light guide body is greater than approximately 1.41, which applies to practically all materials in question.
  • the material of the light guide body must of course also be resistant to the liquid whose level is to be measured.
  • Polyethersulfones and polyetherimides have proven suitable for fuels in vehicle tanks.
  • Light guide bodies with a circular cross section can also be manufactured by mechanical processing.
  • Each reflection surface of the light guide body corresponds to a certain fill level of the container. If this has a cross-section that is constant with the height, the fill level is displayed in equal volume steps if the gradations with the reflection surfaces have the same height spacings. In the case of irregularly shaped containers, the height spacings of the reflection surfaces can be changed so that they correspond to the same volume steps. On the other hand, however, different volume steps for equidistant reflection surfaces can also be taken into account by means of a calibration curve or calibration table stored in the evaluation unit.
  • a light-emitting diode can serve as the light source.
  • NEN Depending on the size of the end face of the light guide, z. B. commercially available LEDs with 3, 5 or 8 mm diameter can be used. Light-emitting diodes with rectangular or square emission characteristics can also be used.
  • Photo sensors such as photo resistors or photo diodes are preferred as measuring means. At least one photo sensor must be available for each of the reflection surfaces. If these are two or more photo sensors, a more precise measurement is possible by averaging the measurement signals or eliminating outliers due to defective sensors.
  • the photo sensors are particularly advantageously available as a prefabricated linear arrangement. Such arrangements with photodiodes are commercially available as line sensors.
  • the term photodiode is used at one point or another to represent all possible types of photo sensors such as, for example, photo resistors.
  • the invention is to be understood in such a way that a single photo sensor is assigned to each individual light beam from one or more light sources. They are available with different numbers of pixels, so that a line sensor can be selected that contains at least one photodiode for every second reflection surface of the light guide body. They can include suitable switches or shift registers, so that the measurement signals of the individual photodiodes are emitted via a serial output, which facilitates the forwarding to an evaluation device.
  • Line sensors with 64 or 128 photodiodes (pixels) are suitable, for example.
  • the device according to the invention preferably also includes an evaluation device which evaluates and tests the signals emitted by the photo sensors.
  • the evaluation includes, for example, deciding for each measurement signal provided by a photodiode whether the reflection surface corresponding to this photodiode is immersed in the liquid ("full") or not ("empty"). Specific corrections for noise, scattered light and light attenuation can be taken into account for each reflection surface, which can be determined by calibration measurements and stored in a library.
  • the evaluation unit can also carry out a plausibility check as described above.
  • a microcontroller is advantageously provided for the control and implementation of all evaluation and test functions, such as reading in the measurement signals, evaluation, plausibility check, conversion into fill levels and for output to a display device.
  • the invention can be used to determine the level of liquid-filled containers.
  • these can be containers for fuel, wash water, oil, hydraulic fluid, etc. in motor vehicles.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section of the light guide body and its surroundings
  • FIG. 2 shows a block diagram of the measuring and evaluation device
  • FIG. 3 different cases of the plausibility check
  • Figure 4 shows a practical embodiment of the device according to the invention in section.
  • FIG. 5 shows another embodiment of the device according to the invention in perspective
  • FIG. 6 shows a view of the light guide body shown in FIG. 5 from below
  • Figure 7 is a bottom view of a light guide body with a round cross-section, which is designed according to the principle shown in Figures 5 and 6.
  • the light-guiding body 1 with a rectangular cross section has an end face 2, a first narrow side face 10 and a second narrow side face 20. It is installed in the container wall 3 in such a way that the end face 2 runs parallel to the outer surface of the container wall 3 or to the liquid level when the liquid is at rest ,
  • the end face 2 has a light entry area, above which a light source 6 is attached, and a light exit area, above which a line sensor 5 is attached.
  • Light source 6 and line sensor 5 are mounted on the underside of a circuit board 7, which is attached to the container wall 3 and carries the electronics used for control and evaluation.
  • the circuit board 7 also prevents disturbing light from falling on the end face 2 from the outside.
  • the side surfaces 10 and 20 have gradations 11, 12, 13, 21, 22, 23, which are connected by reflection surfaces 15, 16, 17, 25, 26, 27. Further reflection surfaces 18, 28 are located at the lower end of the light guide body 1.
  • the reflection surfaces form an angle of 45 ° with the side surfaces.
  • a photodiode on the line sensor 5 is assigned to every second reflection surface 25, 26, 27, 28.
  • a substantially larger number of gradations and reflection surfaces are advantageously provided, depending on the desired resolution, for example about 70.
  • the light source 6 is set up in such a way that it emits essentially collimated light parallel to the side surface 10.
  • the first reflection surface 18 is immersed in the liquid 8, the remaining reflection surfaces 15, 16, 17 border on air. Therefore, the light rays 31, 32, 33 falling on these are totally reflected, namely by 90 °, since they Impact at an angle of 45 °. They hit the corresponding second reflection surfaces 25, 26, 27 and are in turn totally reflected by 90 °, ie towards the line sensor 5 at the exit area of the end face 2.
  • each light beam strikes a photodiode of the line sensor 5, which is assigned to the corresponding reflection surface.
  • These photodiodes emit a high measurement signal, which the evaluation unit recognizes as "empty”.
  • the light beam 34 falling on the immersing reflection surface 18 is not reflected, but is refracted into the liquid and does not fall on the corresponding photodiode. Their signal is low and is recognized as "full".
  • Light source 6 and line sensor 5 are attached to the underside of the circuit board 7 and directly adjoin the light guide body 1.
  • the line sensor 5 comprises n photodiodes for n pixels 210.1 to 210.n.
  • the number n need not be the same as the number of reflection surfaces present on the light guide body 1, but it can also be larger. However, at least one pixel of the line sensor should be assigned to each reflection surface.
  • the microcontroller 201 comprises a clock generator 203, which emits signals to the CPU 202, for timing the sequence of the level measurement. This controls the light source 6 and the line sensor 5 via the I / O driver 204.
  • a switching logic 211 and an X-bit shift register 212 are integrated in the line sensor 5, which effect a serial output of the signals coming from the individual photodiodes to the A / D converter.
  • the digitized signals are interposed with the associated addresses of the photodiodes in RAM 206. saved and are available for the plausibility check.
  • the data for testing and converting the signals into a fill level signal are stored in the ROM / EPROM 207 and can be called up by the CPU 202. This data can be determined, for example, using a calibration test.
  • the light attenuation in the light guide body 1 can also be taken into account in the level measurement controlled by the microcontroller 201. Although this is very low for a new light guide body, it can increase over the life of the device by at least 15 years due to the action of the liquid to be measured.
  • the correction for the weakening of light can be carried out, for example, by conversion factors for the signals that are dependent on the light path or also by a corresponding change in the switch-on time or the emission of the light source. This change can also be made in blocks for groups of reflections lying one on top of the other or these corresponding side-by-side photodiodes can be made.
  • the correction data can be stored in EPROM 207 and determined from time to time by calibration tests or determined on the basis of empirical values and entered during maintenance via the vehicle's data system.
  • Short-term fluctuations in the measurement signals which are caused by movement of the liquid level, for example as a result of cornering or driving uphill, can be compensated for in the calculation. This can replace the function of a damping pot or, if there is one, supplement it.
  • the signal corresponding to the fill level is fed to an analog or digital display 230.
  • the on-board voltage of the vehicle is used as the current source 221, which stabilizes via a voltage regulator 220 and is supplied to the microprocessor 201 and the line sensor 5 via lines (not shown here). to be led.
  • FIG. 3 shows, by way of example, different cases of the plausibility check for a system with three photodiodes, which correspond to reflection surfaces at three different heights.
  • Full circles mean that "full” was recognized for the corresponding reflection surface; empty circles mean “empty”.
  • the states reported by the evaluation unit are shown in the left column, and the states to be output after the test are shown in the right column.
  • the criterion for the test is that no reflection surface can report "empty", which is located under another, which reports "full”. At least this is not likely.
  • all three reflection surfaces report "empty”. This appears plausible for all three and is also displayed as such.
  • case b) only the lower reflection surface reports "full”. This is also plausible for all three.
  • Case c) shows "full” for the middle reflection surface and "empty” for the upper and lower ones. This display is not plausible for the middle and the lower surface. The test facility decides that the middle area is probably incorrectly “full” due to a drop and corrected to "empty”. In case d) the test does not change anything. Case e) shows "empty” for the middle area and “full” for the others. Here there could be both an error caused by a drop on the upper surface and an error due to bubbles on both middle reflection surfaces, but the latter case is very unlikely. The test therefore detects an error on the upper surface, which is corrected to "empty”. Case f) is finally plausible, since all three areas report "full”. In case g) the upper signal "full” is not plausible because of the "empty” signals shown below. The upper signal is therefore corrected in "empty”.
  • the light guide body 401 has a circular cross section and is in the fuel tank 403 of a vehicle installed vertically and has 22 gradations 410 on its side surface, between which there are reflection surfaces 420 which have an inclination of 45 ° with respect to the axis of the light guide body.
  • the level of the levels is selected so that one level corresponds to the same volume increment of the tank.
  • the container In area A, the container has the smallest cross-sectional area and therefore a volume increment of, for example, 2 liters corresponds to a relatively large step.
  • the cross section is relatively large, so that the same volume increment corresponds to a smaller step.
  • area B the cross-section becomes smaller with the height, so the steps become larger upwards.
  • the circuit board 407 which carries the light-emitting diode 406 and the line sensor 405, is arranged above the end face 402 of the light guide body.
  • the light radiated into the light-guiding body by the light-emitting diode (not shown here) is now reflected by the reflection surfaces 420 or refracted into the liquid such that a bundle of light rays 430 falls on the line sensor 405.
  • the width of the light beam 430 corresponds here to the fuel level 408. When the container was full, no light was reflected on the line sensor; when the container was empty, the light beam had the maximum width. Depending on the fill level, the width of the light beam changes in proportion to the amount of fuel missing compared to the maximum fill.
  • the bundle of light rays falls on the line sensor 405, the measuring signals coming from the individual photodiodes are read out one after the other and subjected to a plausibility check as described above.
  • the boundary between the highest immersing and the deepest non-immersing reflection surface is recognized as described above and displayed as a fill level after a suitable conversion, for example in liters.
  • the "empty" signal of a photodiode of the line sensor was approximately fourteen times as large as the "full” signal. This shows that the proportion of scattered light, residual reflection on immersing reflection surfaces and noise is low.
  • the functional reliability of the light guide body 1 can be further improved if some of the reflection surfaces (525, 526, 527, 528) in a light guide body 1 with a rectangular cross section, as shown in FIG. 5, is designed to be permanently reflective, for example mirrored. In this case, the susceptibility to faults from drop formation is lower, since only one reflection surface (515, 516, 517, 518) can be contaminated at each reflection level. In addition, more light is reflected at the cell sensor 5 in the case of total reflection depending on the full level (empty state).
  • the first reflection surfaces (515, 516, 517, 518) are at least partially additionally mirrored, so that it is possible to use one at each reflection level to generate a reference signal unaffected by the fuel level, by means of which a statement about the light-guiding ability of the light-guiding body 1 that can be taken into account in the signal evaluation can be generated. Since, as a rule, only the deeply arranged reflection surfaces (518, 528) will almost always be immersed in the fuel level, it would be possible, for example, to generate a reference signal only for the top and bottom reflection levels and to compare them with one another.
  • FIG. 7 shows a bottom view of a round cross section
  • the reflection surfaces (720) are completely mirrored over an angular extent of 270 °, so that an area 721 formed as a pie-shaped wedge remains that is not mirrored.
  • the light guide body 1 according to the exemplary embodiment described in FIG. 7 can also have a plurality of wedge-shaped mirrored areas. The aforementioned angular division is also not absolutely necessary.

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Abstract

Bei bekannten Vorrichtungen zur Füllstandsmessung, welche die Totalreflektion von Licht an Reflektionsflächen von in die Flüssigkeit eintauchenden Lichtleitkörpern ausnutzen, kann die Messung durch Tropfen oder Spritzer an nicht eintauchenden Reflektionsflächen gestört werden. Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei denen das von jeder Reflektionsfläche zurückgeworfene Licht gesondert gemessen wird. Bevorzugt werden die Meßsignale für die Füllstandsbestimmung einer Plausibilitätsprüfung unterzogen, um Störungen und Fehler der Messung zu erkennen und zu eliminieren. Die Erfindung kann zur Bestimmung des Füllstandes von flüssigkeitsgefüllten Behältern angewendet werden, insbesondere von Behältern für Kraftstoff, Waschwasser, Öl, Hydraulikflüssigkeit usw. in Kraftfahrzeugen.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur optischen Füllstandsbestimmung in flüssigkeitsgefüllten Behältern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Füllstandsbestimmung in flüssigkeitsgefüllten Behäl- tern, insbesondere in Kraftstoffbehältern von Kraftfahrzeugen.
Vorrichtungen zur optischen Füllstandsbestimmung sind an sich bekannt. Sie haben gegenüber den verbreiteten mechanischen und elektrischen Vorrichtungen den Vorteil, dass sie keine bewegten Bauteile aufweisen und daher nicht anfällig gegen Abnutzung und mechanisches Versagen sind.
Eine Vorrichtung dieser Art ist in der US-A-3, 424, 004 beschrieben. Sie umfasst einen Lichtleitkörper, der in den Flüssig- keitstank von oben hineinragt und in verschiedenen Höhen paarweise angeordnete Reflektionsflachen aufweist, die horizontal gegeneinander versetzt sind und durch die Stirnfläche beobachtet werden können. Die Reflektionsflachen reflektieren Licht nur dann, wenn sie nicht in die Flüssigkeit eintauchen. Der Flüssigkeitsspiegel befindet sich dann zwischen den hell und den dunkel erscheinenden Reflektionsflachen.
Die DE-Al-31 28 925 offenbart einen Niveaugeber für Flüssigkeiten mit einem in die Flüssigkeit eintauchenden Lichtleitkörper, der einen rechteckigen Querschnitt hat und an beiden Schmalsei- ten abgestuft ist, wobei die Absätze der Stufen durch erste und zweite Reflektionsflachen gebildet werden. In der oberen Stirnfläche des Lichtleitkörpers ist eine Lichtquelle und ein Lichtempfänger angeordnet. Das von der Lichtquelle nach unten abge- strahlte Licht wird an den ersten Reflektionsflachen, die nicht in die Flüssigkeit eintauchen, total in Richtung auf die zweiten Reflektionsflachen und von diesen zum Lichtempfänger an der Stirnseite reflektiert. Das vom Lichtempfänger abgegebene Signal ist je nach Anzahl der reflektierenden Reflektionsflachen, d.h. je nach dem Füllstand, größer oder kleiner und kann zur Anzeige des Füllstands dienen.
Eine solche Vorrichtung kann zwischen diskreten Füllstandshöhen unterscheiden, wobei die Zahl der unterscheidbaren Füllstände durch die Zahl der ersten bzw. zweiten Reflektionsflachen vorgegeben ist. Um eine quasikontinuierliche Füllstandsanzeige zu ermöglichen, kann man eine große Anzahl von Abstufungen mit ersten bzw. zweiten Reflektionsflachen vorsehen. Die Reflektionsflachen werden dann aber relativ klein und dadurch besteht die Gefahr, dass an ihnen Flüssigkeitstropfen hängenbleiben, wenn der Flüssigkeitsspiegel sinkt. Dies verhindert die Totalreflektion und täuscht einen zu hohen Füllstand vor.
In der DE-Al-32 43 839 (Fig. 8) ist eine Vorrichtung beschrie- ben, bei der mehrere Lichtleitkörper mit je einer Reflekti- onsfläche in unterschiedlichen Höhen in der Seitenwand eines Flüssigkeitsbehälters angebracht sind, deren Fotosensoren hin- tereinandergeschaltet sind. Dieser Aufbau ist kompliziert und störungsanfällig, da an den Durchführungen in der Seitenwand Undichtigkeiten auftreten können.
Die DE-C-100 35 263 offenbart eine gattungsgemäße Vorrichtung, bei der im Lichtleitkörper zwischen den Schmalseiten Lücken vorhanden sind, sodass das von den ersten auf die zweiten Re- flektionsflächen reflektierte Licht nur durch die zwischen den Lücken gebildeten Rippen hindurchtreten kann. Die Herstellung eines solchen Lichtleitkörpers ist jedoch schwierig, wenn er eine große Anzahl von Reflektionsflachen zur quasikontinuierlichen Füllstandsanzeige aufweisen soll.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren zur optischen Füllstandsbestimmung in flüssigkeitsgefüllten Behältern anzugeben, das gegenüber den bekannten Verfahren einfacher und genauer durchführbar ist, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens anzugeben, die einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar ist und eine geringe Anfälligkeit gegenüber Störungen hat.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und durch Vorrichtungen nach Anspruch 7 und 8 gelöst.
Die gesonderte Messung der Intensität des von einer jeden zweiten Reflektionsfläche zur Stirnseite reflektierten Lichtes erfolgt bevorzugt mit wenigstens einem Fotosensor für jede Reflektionsfläche. Man erhält also für jede dieser Reflekti- onsflachen wenigstens ein Messsignal. Dieses hat entweder einen niedrigen Wert, wenn die Reflektionsfläche in die Flüssigkeit eintaucht ("voll") oder einen hohen Wert, wenn die Flüssigkeit die Reflektionsfläche nicht bedeckt ("leer").
Die Messsignale können, ggf. nach geeigneter Verstärkung, einer Anzeigevorrichtung zugeführt werden, die dem Benutzer den Füllstand des Behälters anzeigt. Dies kann beispielsweise eine Reihe von Leuchtdioden sein, die jeweils durch ein hohes Messsignal, d.h. wenn die entsprechende Reflektionsfläche "leer" mel- det, aktiviert werden. Der Benutzer erkennt dann an der Zahl der leuchtenden Dioden, wie weit der Behälter entleert ist. Dabei kann er eine falsche "voll"-Meldung im leeren Bereich des Behälters erkennen und unberücksichtigt lassen.
Vorzugsweise werden aber die Messsignale vor der Anzeige ausgewertet und geprüft. Bei der Auswertung können beispielsweise Korrekturen für die Lichtschwächung im Lichtleitkörper, für Streulichtanteile und für Rauschen (Dunkelsignal) erfolgen. Die Prüfung kann eine Plausibilitätsprüfung sein, bei der falsche "voll"-Signale zwischen benachbarten "leer"-Signalen, die durch anhaftende Tröpfchen an einer Reflektionsfläche im leeren Bereich des Behälters hervorgerufen werden, erkannt und beispielsweise durch die Signale der benachbarten Reflektionsflachen ersetzt oder durch Interpolation korrigiert werden.
Zur Erfindung gehört auch eine Vorrichtung nach den unabhängigen Nebenansprüchen 7 und 8.
Die Vorrichtung weist Messmittel zur Messung des von den Reflektionsflachen zur Stirnfläche reflektierten Lichts auf, mit denen die von jeder einzelnen Reflektionsfläche reflektierte Intensität gesondert gemessen werden kann.
Bevorzugt sind die Messmittel mit dem Austrittsbereich des Lichtleitkörpers optisch verbunden. Dies erfolgt vorteilhaft dadurch, dass die Messmittel auf dem Austrittsbereich angebracht sind, und zwar so, dass für jeden von einer Reflektionsfläche reflektierten und austretenden Lichtstrahl wenigstens ein Messmittel vorhanden ist. Zur Vermeidung unerwünschter Lichtverluste durch Brechung an den Grenzflächen können die Messmittel auch in Vertiefungen des Austrittsbereichs eingelassen und/oder über einen lichtdurchlässigen Kitt mit an den Lichtleitkörper angepasster Brechzahl optisch mit diesem verbunden sein.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Messmittel über ein Lichtleitkabel mit dem Austrittsbereich verbunden. Dieses muss für jeden der von den Reflektionsflachen zur Stirnfläche reflektierten Lichtstrahlen mindestens eine gesonderte Faser aufweisen, die je- weils optisch mit einem Messmittel verbunden ist. Dies ermöglicht es, die Messmittel entfernt vom Lichtleitkörper anzuord- nen.
Vorteilhaft bilden Reflektionsflachen mit der Richtung des einfallenden Lichtstrahls einen Winkel von 45°. Dadurch wird das Licht um jeweils 90° reflektiert, sodass es nach der zweiten Reflektion parallel in entgegengesetzter Richtung zum einfallenden Licht verläuft. In diesem Fall tritt Totalreflektion an der Grenzfläche gegen Luft ein, wenn die Brechzahl des Lichtleitkörpers größer als etwa 1,41 ist, was praktisch für alle in Frage kommenden Materialien gilt.
Das Material des Lichtleitkörpers muss selbstverständlich auch beständig gegenüber der Flüssigkeit sein, deren Füllstand gemessen werden soll. Für Kraftstoffe in Tanks von Fahrzeugen ha- ben sich Polyethersulfone und Polyetherimide als geeignet erwiesen.
Bei der Fertigung des Lichtleitkörpers ist auf hinreichende 0- berflächengüte der Reflektionsflachen zu achten, um die Licht- Streuung zu begrenzen. Ein geeignetes Fertigungsverfahren ist Spritzgießen. Lichtleitkörper mit kreisförmigem Querschnitt lassen sich auch durch mechanische Bearbeitung fertigen.
Jede Reflektionsfläche des Lichtleitkörpers entspricht einer bestimmten Füllhöhe des Behälters. Wenn dieser einen mit der Höhe konstanten Querschnitt hat, wird der Füllstand in gleichen Volumenschritten angezeigt, wenn die Abstufungen mit den Reflektionsflachen gleiche Höhenabstände aufweisen. Bei unregelmäßig geformten Behältern kann man die Höhenabstände der Re- flektionsflächen so verändern, dass sie gleichen Volumenschritten entsprechen. Andererseits können aber auch verschiedene Volumenschritte bei äquidistanten Reflektionsflachen durch eine in der Auswerteeinheit abgelegte Eichkurve oder Eichtabelle berücksichtigt werden.
Als Lichtquelle kann beispielsweise eine Leuchtdiode (LED) die- nen. Je nach der Größe der Stirnfläche des Lichtleitkörpers können z. B. handelsübliche Leuchtdioden mit 3, 5 oder 8 mm Durchmesser verwendet werden. Es können auch Leuchtdioden mit rechteckiger oder quadratischer Abstrahlcharakteristik Anwen- düng finden.
Als Messmittel kommen bevorzugt Fotosensoren wie Fotowiderstände oder Fotodioden in Frage. Dabei muss für jede der Reflektionsflachen mindestens ein Fotosensor vorhanden sein. Wenn dies zwei oder mehrere Fotosensoren sind, ist eine präzisere Messung durch Mittelwertbildung der Messsignale oder Eliminierung von Ausreißern aufgrund defekter Sensoren möglich.
Besonders vorteilhaft sind die Fotosensoren als vorgefertigte lineare Anordnung vorhanden. Solche Anordnungen mit Fotodioden sind als Zeilensensoren handelsüblich. Im folgenden wird an der ein oder anderen Stelle der Begriff Fotodiode stellvertretend für alle möglichen Arten von Fotosensoren wie beispielsweise auch Fotowiderständen benutzt. Dabei ist die Erfindung so zu verstehen, dass jedem einzelnen Lichtstrahl einer oder mehrerer Lichtquellen ein einziger Fotosensor zugeordnet ist. Sie sind mit unterschiedlicher Pixelzahl erhältlich, sodass ein Zeilensensor ausgewählt werden kann, der mindestens eine Fotodiode für jede zweite Reflektionsfläche des Lichtleitkörpers enthält. Sie können geeignete Schalter oder Schieberegister umfassen, sodass die Messsignale der einzelnen Fotodioden über einen seriellen Ausgang abgegeben werden, was die Weiterleitung an ein Auswertegerät erleichtert. Geeignet sind beispielsweise Zeilensensoren mit 64 oder 128 Fotodioden (Pixeln) .
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst vorzugsweise auch eine Auswerteeinrichtung, welche die von den Fotosensoren abgegebenen Signale auswertet und prüft. Zur Auswertung gehört beispielsweise, dass für jedes von einer Fotodiode bereitgestellte Messsignal entschieden wird, ob die dieser Fotodiode entsprechenden Reflektionsfläche in die Flüssigkeit eintaucht ("voll") oder nicht ("leer"). Dabei können für jede Reflektionsfläche spezifische Korrekturen für Rauschen, Streulicht und Lichtschwächung berücksichtigt werden, die durch Eichmessungen ermittelt und in einer Bibliothek abgelegt werden können.
Die Auswerteeinheit kann auch eine Plausibilitätsprüfung wie oben beschrieben durchführen. Für die Steuerung und Durchführung aller Auswerte- und Prüffunktionen, wie Einlesen der Messsignale, Auswertung, Plausibilitätsprüfung, Umrechnung in Füll- stände und für die Ausgabe an eine Anzeigevorrichtung ist vorteilhaft ein Mikrokontroller vorhanden.
Die Erfindung kann zur Bestimmung des Füllstandes von flüssigkeitsgefüllten Behältern angewendet werden. Insbesondere können dies Behälter für Kraftstoff, Waschwasser, Öl, Hydraulikflüssigkeit usw. in Kraftfahrzeugen sein.
Die Erfindung wird anhand der in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zei- gen
Figur 1 einen Längsschnitt des Lichtleitkörpers und seiner Umgebung,
Figur 2 ein Blockschaltbild der Mess- und Auswertevorrichtung,
Figur 3 verschiedene Fälle der Plausibilitätsprüfung,
Figur 4 eine praktische Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Schnitt.
Figur 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Perspektive,
Figur 6 eine Ansicht des in Figur 5 dargestellten Lichtleitkörpers von unten, Figur 7 eine Unteransicht eines im Querschnitt runden Lichtleitkörpers, der nach dem in den Figuren 5 und 6 dargestellten Prinzip ausgebildet ist.
Der Lichtleitkörper 1 mit rechteckigem Querschnitt besitzt eine Stirnfläche 2, eine erste schmale Seitenfläche 10 und eine zweite schmale Seitenfläche 20. Er ist so in die Behälterwand 3 eingebaut, dass die Stirnfläche 2 parallel zur Außenfläche der Behälterwand 3 beziehungsweise zum Flüssigkeitsspiegel im Ruhezustand der Flüssigkeit verläuft. Die Stirnfläche 2 weist einen Lichteintrittsbereich, über dem eine Lichtquelle 6 angebracht ist, sowie einen Lichtaustrittsbereich, über dem ein Zeilensensor 5 angebracht ist, auf. Lichtquelle 6 und Zeilensensor 5 sind auf der Unterseite einer Platine 7 montiert, die auf der Behälterwand 3 befestigt ist und die zur Steuerung und Auswertung dienende Elektronik trägt. Die Platine 7 verhindert auch, dass störendes Licht von außen auf die Stirnfläche 2 fällt. Die Seitenflächen 10 und 20 weisen Abstufungen 11, 12, 13, 21, 22, 23 auf, die durch Reflektionsflachen 15, 16, 17, 25, 26, 27 verbunden sind. Weitere Reflektionsflachen 18, 28 befinden sich am unteren Ende des Lichtleitkörpers 1. Die Reflektionsflachen bilden mit den Seitenflächen einen Winkel von 45°. Jeder zweiten Reflektionsfläche 25, 26, 27, 28 ist eine Fotodiode auf dem Zeilensensor 5 zugeordnet. Um die Darstellung (Fig.l) zu vereinfachen, sind hier nur je drei Abstufungen (11, 21; 12, 22; 13, 23) und acht Reflektionsflachen (15, 25; 16, 26; 17, 27; 18, 28) gezeigt. In der Praxis wird vorteilhaft eine wesentlich größere Anzahl von Abstufungen und Reflektionsflachen vorgese- hen je nach gewünschter Auflösung beispielsweise etwa 70. Die Lichtquelle 6 ist so eingerichtet, dass sie im wesentlichen kollimiertes Licht parallel zur Seitenfläche 10 abstrahlt. Im Beispiel taucht lediglich die erste Reflektionsfläche 18 in die Flüssigkeit 8 ein, die übrigen Reflektionsflachen 15, 16, 17 grenzen an Luft. Daher werden die auf diese fallenden Lichtstrahlen 31, 32, 33 total reflektiert, und zwar um 90°, da sie unter einem Winkel von 45° auftreffen. Sie treffen auf die entsprechenden zweiten Reflektionsflachen 25, 26, 27 und werden wiederum um 90° total reflektiert, d.h. zu dem Zeilensensor 5 an dem Austrittsbereich der Stirnfläche 2 hin. Infolge der Abstufung der zweiten Seitenfläche 20 trifft jeder Lichtstrahl auf eine Fotodiode des Zeilensensors 5, die der entsprechenden Reflektionsfläche zugeordnet ist. Diese Fotodioden geben ein hohes Messsignal ab, das von der Auswerteeinheit als "leer" erkannt wird. Andererseits wird der auf die eintauchende Reflek- tionsfläche 18 fallende Lichtstrahl 34 nicht reflektiert, sondern in die Flüssigkeit gebrochen und fällt nicht auf die entsprechende Fotodiode. Deren Signal ist niedrig und wird als "voll" erkannt.
In Figur 2 sind beispielhaft die Funktionen des hier z. B. auf der Platine 7 montierten Mikrokontrollers 201 sowie der Lichtquelle 6 und des Zeilensensors 5 dargestellt. Lichtquelle 6 und Zeilensensor 5 sind auf der Unterseite der Platine 7 angebracht und grenzen unmittelbar an den Lichtleitkörper 1 an. Der Zeilensensor 5 umfaßt n Fotodioden für n Pixel 210.1 bis 210.n. Die Anzahl n braucht dabei nicht gleich der Zahl der am Lichtleitkörper 1 vorhandenen Reflektionsflachen zu sein, sondern sie kann auch größer sein. Jedoch soll jeder Reflektionsfläche mindestens ein Pixel des Zeilensensors zugeordnet sein.
Zur zeitlichen Steuerung des Ablaufs der Füllstandsmessung umfaßt der Mikrokontroller 201 einen Taktgenerator 203, der Signale zur CPU 202 abgibt. Diese steuert über den I/O- Treiber 204 die Lichtquelle 6 und den Zeilensensor 5 an.
In dem Zeilensensor 5 ist eine Schaltlogik 211 und ein X- Bit-Schieberegister 212 integriert, die eine serielle Ausgabe der von den einzelnen Fotodioden kommenden Signale an den A/D-Wandler bewirken. Die digitalisierten Signale werden mit den zugehörigen Adressen der Fotodioden im RAM 206 zwischen- gespeichert und sind zur Plausibilitätsprüfung verfügbar. Im ROM/EPROM 207 sind u. a. die Daten für die Prüfung und die Umrechnung der Signale in ein Füllstandssignal abgelegt und können von der CPU 202 abgerufen werden. Diese Daten können beispielsweise über einen Eichversuch ermittelt werden.
Bei der vom Mikrokontroller 201 gesteuerten Füllstandsmessung kann auch die Lichtschwächung im Lichtleitkörper 1 berücksichtigt werden. Diese ist zwar bei einem neuen Licht- leitkörper sehr gering, kann jedoch durch die Einwirkung der zu messenden Flüssigkeit über die Lebensdauer der Vorrichtung von mindestens 15 Jahren zunehmen. Die Korrektur für die Lichtschwächung kann beispielsweise durch lichtwegabhän- gige Umrechnungsfaktoren für die Signale oder auch durch entsprechende Änderung der Einschaltzeit oder der Emission der Lichtquelle erfolgen. Diese Änderung kann auch blockweise für Gruppen übereinanderliegender Reflektions lachen bzw. diesen entsprechenden nebeneinanderliegenden Fotodioden vorgenommen werden. Die Korrekturdaten können im EPROM 207 ab- gelegt und von Zeit zu Zeit durch Eichversuche ermittelt o- der aufgrund von Erfahrungswerten festgelegt und bei der Wartung über das Datensystem des Fahrzeugs eingegeben werden.
Kurzzeitige Schwankungen der Meßsignale, die durch Bewegung des Flüssigkeitsspiegels, etwa infolge von Kurven- oder Steigungsfahrten, hervorgerufen werden, können bei der Auswertung rechnerisch ausgeglichen werden. Dies kann die Funktion eines Dämpfungstopfes ersetzen oder, wenn ein solcher vorhanden ist, ergänzen.
Das dem Füllstand entsprechende Signal wird einer analogen oder digitalen Anzeige 230 zugeführt. Als Stromquelle 221 dient die Bordspannung des Fahrzeugs, die über einen Span- nungsregler 220 stabilisiert und über hier nicht gezeigte Leitungen dem Mikroprozessor 201 und dem Zeilensensor 5 zu- geführt wird.
In Figur 3 sind beispielhaft verschiedene Fälle der Plausibilitätsprüfung für ein System mit drei Fotodioden, die Reflekti- onsflächen in drei verschiedenen Höhen entsprechen, dargestellt. Volle Kreise bedeuten, dass für die entsprechende Reflektionsfläche "voll" erkannt wurde; leere Kreise bedeuten "leer". In der linken Spalte sind die von der Auswerteeinheit gemeldeten Zustände, in der rechten Spalte die nach der Prüfung auszugebenden Zustände gezeigt. Kriterium für die Prüfung ist, dass keine Reflektionsfläche "leer" melden kann, die sich unter einer anderen befindet, die "voll" meldet. Dies ist zumindest nicht wahrscheinlich. Im Fall a) melden alle drei Reflektionsflachen "leer". Dies erscheint für alle drei plausibel und wird auch so angezeigt. Im Fall b) meldet nur die untere Reflektionsfläche "voll". Auch dies ist für alle drei plausibel. Fall c) zeigt für die mittlere Reflektionsfläche "voll", für die obere und untere "leer". Diese Anzeige ist für die mittlere und die untere Fläche nicht plausibel. Die Prüfeinrichtung ent- scheidet, dass wahrscheinlich die mittlere Fläche wegen eines Tropfens fälschlich "voll" und korrigiert auf "leer". Im Fall d) wird durch die Prüfung nichts verändert. Fall e) zeigt für die mittlere Fläche "leer", für die anderen "voll". Hier könnte sowohl ein Fehler durch einen Tropfen an der oberen als auch ein Fehler durch Blasen an beiden mittleren Reflektionsflachen vorliegen, letzterer Fall ist jedoch sehr unwahrscheinlich. Die Prüfung erkennt daher einen Fehler an der oberen Fläche, die auf "leer" korrigiert wird. Fall f) schließlich ist wiederum plausibel, da alle drei Flächen übereinstimmend "voll" melden. In Fall g) ist das obere Signal "voll" wegen der darunter angezeigten "leer"-Signale nicht plausibel. Das obere Signal wird deshalb in "leer" korrigiert.
In Figur 4 ist ein Beispiel für eine praktische Ausführung der Erfindung gezeigt. Der Lichtleitkörper 401 hat einen kreisförmigen Querschnitt, ist in den Kraftstoffbehälter 403 eines Fahrzeugs senkrecht eingebaut und weist an seiner Seitenflache 22 Abstufungen 410 auf, zwischen denen sich Reflektionsflachen 420 befinden, die gegen die Achse des Lichtleitkorpers eine Neigung von 45° haben. Die Hohe der Abstufungen ist so gewählt, daß eine Stufe jeweils dem gleichen Volumeninkrement des Tanks entspricht. Im Bereich A hat der Behalter die kleinste Querschnittsflache und daher entspricht einem Volumeninkrement von beispielsweise 2 Litern eine relativ große Stufe. Im Bereich C ist der Querschnitt relativ groß, sodaß das gleiche Volumeninkrement einer kleineren Stufe entspricht. Im Bereich B wird der Querschnitt mit der Hohe kleiner, somit werden die Stufen nach oben hin großer.
Über der Stirnflache 402 des Lichtleitkorpers ist die Platine 407 angeordnet, welche die Leuchtdiode 406 und den Zeilensensor 405 tragt. Das von der Leuchtdiode in den Licht- leitkorper eingestrahlte Licht (hier nicht dargestellt) wird nun von den Reflektionsflachen 420 derart reflektiert bzw. in die Flüssigkeit gebrochen, daß ein Lichtstrahlenbundel 430 auf den Zeilensensor 405 fallt. Die Breite des Licht- strahlenbundels 430 entspricht hier dem KraftstoffSpiegel 408. Bei vollem Behalter wurde kein Licht auf den Zeilensensor reflektiert, bei leerem Behalter hatte das Lichtstrah- lenbundel die maximale Breite. Je nach Füllstand ändert sich die Breite des Lichtstrahlenbundels also proportional zur gegenüber der maximalen Füllung fehlenden Kraftstoffmenge. Das Lichtstrahlenbundel fallt auf den Zeilensensor 405, dessen von den einzelnen Fotodioden kommenden Meßsignale nach- einander ausgelesen und wie oben beschrieben einer Plausibilitätsprüfung unterworfen werden. Dabei wird die Grenze zwischen der höchsten eintauchenden und der tiefsten nicht eintauchenden Reflektionsfläche wie oben beschrieben erkannt und als Füllstand nach geeigneter Umrechnung, beispielsweise in Liter, zur Anzeige gebracht. Bei Versuchen mit dieser Ausfuhrungsform wurde herausgefunden, daß das "leer"-Sιgnal einer Fotodiode des Zeilensensors etwa vierzehn mal so groß war wie das "voll"-Sιgnal . Dies zeigt, daß der Anteil von Streulicht, Restreflektion an ein- tauchenden Reflektionsflachen und Rauschen gering ist.
Die Funktionssicherheit des Lichtleitkorpers 1 kann weiterhin verbessert werden, wenn ein Teil der Reflektionsflachen (525, 526, 527, 528) bei einem Lichtleitkorper 1 mit rechteckigem Querschnitt, wie dies in Figur 5 dargestellt ist, dauerhaft reflektierend ausgebildet ist, beispielsweise verspiegelt ist. In diesem Falle ist die Störanfälligkeit durch Tropfenbildung geringer, da auf jeder Reflektionsstufe nur eine Reflektionsfläche (515, 516, 517, 518) verunreinigbar ist. Außerdem wird da- durch bei fullstandsabhangiger Totalreflektion (Leerzustand) mehr Licht an den Zellensensor 5 reflektiert.
Um nun möglichen Alterungserscheinungen des für den Lichtleitkorper 1 verwendeten Kunststoffs vorzubeugen, ist es zweckma- ßig, wenn zumindest einige der ersten Reflektionsflachen (515, 516, 517, 518) wenigstens zusätzlich teilweise verspiegelt sind, so dass es möglich ist, auf jeder Reflektionsstufe ein vom Kraftstoffspiegel unbeeinflusstes Referenzsignal zu erzeugen, mittels welchem eine bei der Signalauswertung berucksich- tigbare Aussage über die Lichtleitfahigkeit des Lichtleitkorpers 1 erzeugt werden kann. Da in der Regel nur die zutiefst angeordneten Reflektionsflachen (518, 528) nahezu immer im KraftstoffSpiegel eingetaucht sein werden, wäre es beispielsweise möglich, jeweils nur für die oberste und unterste Reflek- tionsstufe ein Referenzsignal zu erzeugen und diese miteinander zu vergleichen.
Die Figur 7 zeigt eine Unteransicht eines im Querschnitt runden
Lichtleitkorpers 1, dessen Reflektionsflachen (720) über einen Winkelumfang von 270 ° vollständig verspiegelt sind, so dass ein als tortenformiger Keil ausgebildeter Bereich 721 ver- bleibt , der nicht verspiegelt ist . Selbstverständlich kann der Lichtleit körper 1 nach dem in Figur 7 beschriebenen Aus führungsbeispiel auch mehrere keilförmig ausgebildete verspiegelte Bereiche aufweisen . Auch die vorstehend genannte Winkelauftei- lung ist nicht zwingend erforderlich .
Verfahren und Vorrichtung zur optischen Füllstandsbestimmung in flüssigkeitsgefüllten Behältern
Bezugszeichenliste
I Lichtleitkörper 2 Stirnfläche
3 Behälterwand
5 Zeilensensor
6 Lichtquelle
7 Platine 8 Flüssigkeit
10 schmale Seitenfläche
II Abstufung
12 Abstufung
13 Abstufung 15 erste Reflektionsfläche
16 erste Reflektionsfläche
17 erste Reflektionsfläche
18 erste Reflektionsfläche 20 schmale Seitenfläche 1 Abstufung 2 Abstufung 3 Abstufung 5 zweite Reflektionsfläche 6 zweite Reflektionsfläche 7 zweite Reflektionsfläche zweite Reflektionsfläche Lichtstrahl Lichtstrahl Lichtstrahl Lichtstrahl Mikrokontroller CPU Taktgenerator I/O-Treiber A/D-Wandler RAM ROM/EPROM Fotodioden-Pixel Schaltlogik X-Bit-Schieberegister Spannungsregler von der Stromquelle zur Anzeige Lichtleitkörper Stirnfläche Kraftstoffbehälter Zeilensensor Leuchtdiode Kraftstoffspiegel Abstufungen Reflektionsflachen Lichtstrahlenbundel erste Reflektionsfläche erste Reflektionsfläche erste Reflektionsfläche zweite Reflektionsfläche zweite Reflektionsfläche zweite Reflektionsfläche zweite Reflektionsfläche verspiegelte Reflektionsfläche nicht verspiegelte Reflektionsfläche

Claims

Verfahren und Vorrichtung zur optischen Füllstandsbestimmung in flüssigkeitsgefüllten BehälternPatentansprüche
1. Verfahren zur Füllstandsbestimmung in flüssigkeitsgefüllten Behältern unter Verwendung eines in das Behältervolumen hineinragenden Lichtleitkorpers mit rechteckigem, quadratischem oder elliptischem Querschnitt, der eine Stirnfläche für den Eintritt und Austritt von Licht sowie an den Sei- tenflächen durch Abstufungen getrennte Reflektionsflachen aufweist, wobei das Licht an denjenigen Reflektionsflachen total reflektiert wird, die nicht in die Flüssigkeit eintauchen, jedoch an den eintauchenden Reflektionsflachen in die Flüssigkeit hinein gebrochen wird, und wobei das von einer Reflektionsfläche total reflektierte Licht zur Stirnfläche zurück reflektiert wird, dadurch gekennzeichnet , dass die Intensität des von einer jeden Reflektionsfläche total und zur Stirnfläche zurück reflektierten Lichtstrahls gesondert gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet , dass die Intensitätsmessung für jeden von einer Reflektionsfläche total und zur Stirnfläche zurück reflektierten Lichtstrahl mit mindestens einem Fotosensor erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennz ei chnet , dass die Messsignale des total reflektierten Lichts einer Anzeigeeinheit zugeführt werden, die den Füllstand des Behälters anzeigt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzei chnet , dass die Messsignale des total reflektierten Lichts vor der Anzeige ausgewertet und ge- prüft werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge kennze ichnet , dass bei der Auswertung eine Plausibilitätsprüfung zur Erkennung und Eliminierung von Messfehlern durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennz eichnet , dass bei der Auswertung eine Korrektur für die Lichtschwächung im Lichtleitkörper, für Rau- sehen und/oder für Streulicht vorgenommen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet , dass wenigstens ein Referenzsignal erzeugt und ausgewertet wird, das füllstandsunabhängig vollständig reflektiert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet , dass jeweils ein füllstandsunabhängiges Referenzsignal für den längsten und kürzesten Sig- nalweg durch den Lichtleitkörper erzeugt und ausgewertet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge kennz eichnet , dass für jede Reflektionsebene ein füllstandsunabhängig reflektiertes Referenzsignal erzeugt und ausgewertet wird.
10. Vorrichtung zur Füllstandsbestimmung in flüssigkeitsgefüllten Behältern, umfassend einen in das Behältervolumen hineinragenden Lichtleitkörper (1) mit rechteckigem Quer- schnitt, der eine Stirnfläche (2) mit einem Eintrittsbereich für den Eintritt von Licht und einem Austrittsbereich für den Austritt von Licht sowie an Abstufungen (11, 12, 13, 14) einer der Seitenflächen (10) mindestens zwei erste Reflektionsflachen (15, 16, 17, 18) aufweist, wobei die ersten Reflektionsflachen wenigstens teilweise so ausgebildet sind, dass das Licht in die Flüssigkeit hinein gebrochen wird, wenn die betreffende Reflektionsfläche in die Flüssigkeit eintaucht, jedoch in den Lichtleitkörper zurück in Richtung auf dessen zweite Seitenfläche (20) total re- flektiert wird, wenn die betreffende Reflektionsfläche nicht in die Flüssigkeit eintaucht, und wobei jeder ersten Reflektionsfläche eine zweite Reflektionsfläche (25, 26, 27, 28) an Abstufungen (21, 22, 23, 24) der zweiten Seitenfläche (20) zugeordnet ist, die das von der ersten Reflek- tionsfläche total reflektierte Licht in Richtung zum Austrittsbereich der Stirnfläche (2) reflektiert, dadurch ge kennzei chnet , dass die Vorrichtung Messmittel (5) aufweist, mit denen die Intensität des von einer jeden zweiten Reflektionsfläche total reflektierten Lichtstrahls gesondert gemessen werden kann.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet , dass die ersten oder zweiten Reflektionsflachen (515, 516, 517, 518, 525, 526, 527, 528) dauer- haft reflektieren.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch ge kennzeichnet , dass die ersten oder zweiten Reflektionsflachen (515, 516, 517, 518, 525, 526, 527, 528) we- nigstens teilweise in Teilbereichen dauerhaft reflektierend ausgebildet sind.
13. Vorrichtung zur Füllstandsbestimmung in flüssigkeitsgefüllten Behältern, umfassend einen in das Behältervolumen hineinragenden Lichtleitkörper (401) mit kreisförmigem oder elliptischem Querschnitt, der eine Stirnfläche (402) mit einem Eintrittsbereich für den Eintritt von Licht und einem Austrittsbereich für den Austritt von Licht sowie an Abstufungen (410) der Seitenfläche mindestens zwei ringförmige Reflektionsflachen (420) aufweist, wobei diese Reflekti- onsflächen wenigstens über einen Teil ihres Umfangs so ausgebildet sind, dass das Licht in die Flüssigkeit hinein gebrochen wird, wenn eine Reflektionsfläche in die Flüssigkeit eintaucht, jedoch in den Lichtleitkörper (401) zurück in Richtung auf den gegenüberliegenden Bereich der Reflek- tionsflächen (420) und von dort weiter zur Stirnfläche total reflektiert wird, wenn die Reflektionsfläche nicht in die Flüssigkeit eintaucht, dadurch gekennzei chnet , dass die Vorrichtung Messmittel (405) aufweist, mit denen die Intensität des von einer jeden Reflek- tionsfläche (420) zur Stirnfläche (402) total reflektierten Lichtstrahls gesondert gemessen werden kann.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzei chnet , dass wenigstens einige der Reflektionsflä- chen (720) über einen Teilumfang dauerhaft reflektierend ausgebildet sind.
15. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 13, dadurch gekennz eichnet , dass die Messmittel auf oder in dem Lichtaustrittsbereich der Stirnfläche (2, 402) angebracht sind.
16. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 13, dadurch gekennzei chnet , dass die Messmittel über ein Licht- leitkabel mit dem Lichtaustrittsbereich der Stirnfläche (2, 402) verbunden sind, das für jede Reflektionsfläche mindes- tens eine gesonderte Faser aufweist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch ge kenn zeichnet , dass die Reflekti- onsflächen mit der Richtung des einfallenden Lichts Winkel von 45° bilden.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet , dass sie als Messmittel mindestens einen Fotosensor für jede Reflektionsfläche aufweist .
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch ge kennze ichnet , dass sie als Messmittel einen Zeilensensor (5, 405) aufweist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch ge kennzeichnet , dass sie eine Auswerteeinrichtung aufweist, die eine Plausibilitätsprüfung der von den Messmitteln abgegebenen Signale zur Erkennung und Eliminierung von Messfehlern durchführen kann.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch ge kennze ichnet , dass sie einen Mikrokontroller (201) auf- weist.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 21, dadurch ge kenn zeichnet , dass das Begrenzband der Lichtquelle, das Lichtleitspektrum des Lichtleitkorpers sowie das Empfindlichkeitsspektrum der Fotodiode aufeinander abgestimmt sind.
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