專利名稱：用于在裝灌液體的容器內(nèi)光學確定裝灌液位的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于在裝灌液體的容器內(nèi)，特別是汽車燃料容器內(nèi)，光學確定裝灌液位(高度)的方法和裝置。
用來光學確定裝灌液位的裝置是已知的。它們與廣泛使用的機械和電氣裝置相比有這樣的優(yōu)點，即它沒有運動構件，因此對磨損和機械故障不敏感。
在US-A-3,424,004中介紹了一種這一類型的裝置。它包括一光導體，它從上方伸入液體儲罐內(nèi)，并在不同高度具有成對設置的反射面，它們在水平方向相互錯開，并可通過端面觀察。如果反射面未浸入液體，它才反射光線。這樣液面便位于發(fā)亮和發(fā)暗的反射面之間。
DE-A1-3128925公開了一種帶有浸入液體的光導體的液體液面?zhèn)鞲衅?，光導體具有一矩形橫截面并在兩個窄邊上形成臺階，其中臺階的凸臺由第一和第二反射面構成。在光導體的上端面內(nèi)設一光源和一光接收器。從光源向下發(fā)射的光線在未浸入液體的第一個反射面上全部向第二反射面方向反射，并由它反射給端面上的光接收器。由光接收器發(fā)出的信號根據(jù)反射的反射面數(shù)量，亦即根據(jù)裝灌液位，或大或小，它可以用來顯示裝灌液位。
這種裝置可以區(qū)分斷續(xù)的裝灌液位高度，其中可區(qū)分的裝灌液位數(shù)由第一和第二反射面的數(shù)量確定。為了能夠基本連續(xù)地顯示裝灌液位，可以設置大量具有第一和第二反射面的臺階。但是這樣反射面便比較小，因此存在這樣的危險，即在液面下降時，液滴可能掛在它上面。這阻礙全反射，并出現(xiàn)高液面的假象。
在DE-A1-3243839(圖8)中介紹了一種裝置，其中在液體容器側壁上設置許多分別具有不同高度的反射面的光導體。其光電傳感器相互串聯(lián)。這種結構復雜，容易出現(xiàn)故障，因為在實施時側壁上可能出現(xiàn)不密封性。
DE-C-100 35 263公開一種這一類型的裝置，其中在光導體內(nèi)在窄邊之間存在缺口，使得被第一反射面反射到第二反射面的光線只能穿過在缺口之間形成的筋。但是如果這種光導體應該具有大量反射面用以基本連續(xù)地顯示裝灌液位，那么它的制造是困難的。
本發(fā)明的目的是，提供一種用來在裝灌液體的容器內(nèi)光學確定裝灌液位的方法，它與已知方法相比更方便和可以更準確地進行；以及提供一種用來實施這種方法的裝置，它結構簡單并可經(jīng)濟地制造，并且不容易出現(xiàn)故障。
這個目的通過按權利要求1的方法和按權利要求7和8的裝置來實現(xiàn)。
優(yōu)選地，對于每個反射面用至少一個光電傳感器進行被各個第二反射面反射到端面處的光線的強度的單獨測量。也就是說對于每個這種反射面得到至少一個測量信號。在反射面浸入液體內(nèi)時(“滿”)，它具有低的數(shù)值，當液體沒有蓋過反射面時(“空”)，便具有高的數(shù)值。
測量信號，在某些情況下在適當放大后，輸送給一顯示裝置，它向使用者顯示容器的裝灌液位，它例如可以是一列發(fā)光二極管，它們分別通過一高的測量值，亦即當相應的反射面?zhèn)鞒觥翱铡钡男盘枙r，觸發(fā)。這樣使用者便可以看到發(fā)光的二極管的數(shù)量，知道容器排空到什么程度。這時他可以識別在容器空的區(qū)域內(nèi)錯誤的“滿”信號，并可以不予考慮。
但是測量信號最好在顯示之前進行處理和測試。在處理時例如可以對于光導體中光線的削弱、對于散光成分和對于干擾信號(暗的信號)進行校正。測試可以是一可信度測試(Plausibilittsprüfung，邊緣檢查)，其中，在相鄰“空”信號之間由于在容器的空的區(qū)域內(nèi)一個反射面上附著的小液滴造成的假的“滿”信號可以被識別，并例如通過相鄰反射面的信號代替，或者通過插值法校正。
本發(fā)明還包括按并列獨立權利要求7和8的裝置。
此裝置具有用來測量從反射面向端面反射的光線的測量裝置，用它可以分別測量被每個反射面反射的強度。
測量裝置優(yōu)選與光導體的出口區(qū)光學連接。這有利地通過這樣的方式進行，即測量裝置裝在出口區(qū)上，而且對于每個從反射面反射和發(fā)出的光束至少存在一個測量裝置。為了避免在界面上由于折射產(chǎn)生不希望的光損失，測量裝置也可以埋入出口區(qū)的凹坑內(nèi)，和/或通過一具有與光導體匹配的折射率的透光粘合劑與光導體光學連接。
在本發(fā)明裝置的另一種優(yōu)良實施形式中，測量裝置通過一光纜與出口區(qū)連接。它對于每個由反射面向端面反射的光束必須具有至少一條單獨的光導纖維，它分別與測量裝置光學連接。這使得測量裝置可以設置在遠離光導體之處。
反射面有利地與入射光束的方向形成一45°的角度。因此光線分別反射90°，使它在第二次反射后平行于入射光線的反方向分布°在這種情況下全反射出現(xiàn)在相對于空氣的界面上，如果光導體的折射率大于約1.41的話，這實際上適合于所考慮的所有材料。
當然光導體材料對于欲測量其裝灌液位的液體具有耐久性。對于汽車油箱中的燃料，聚醚砜和聚醚酰亞胺證明是合適的。
在制造光導體時應該注意反光面足夠的表面質(zhì)量，以限制光線散射。合適的制造方法是注塑。具有圓形橫截面的光導體也可以通過機械加工制造。
光導體的每個反射面對應于容器確定的裝灌高度。如果光導體具有隨高度保持不變的橫截面，那么在具有反射面的臺階具有相同的高度距離時，便以相同的容積步距顯示裝灌液位。對于不規(guī)則成形的容器，可以這樣地改變反射面的高度距離，即，使它們相當于同樣的容積步距。但是另一方面對于等距反射面的情形也可以通過儲存在處理單元內(nèi)的校正曲線或校正表考慮不同的容積步距。
例如可以用發(fā)光二極管(LED)作為光源。根據(jù)光導體端面大小的不同可以采用例如市場上常見的具有3、5或8mm直徑的發(fā)光二極管。也可以采用具有矩形或正方形發(fā)射特征的發(fā)光二極管。
作為測量裝置優(yōu)選考慮光電傳感器，如光電阻或光電二極管。這里對于每個反射面必須存在至少一個光電傳感器。如果是兩個或幾個光電傳感器，那么可以通過求出測量信號的平均值，或取消由于損壞的傳感器造成的異常測量值更精確地測量。
光電傳感器特別有利地作為預制的直線形結構存在。帶有光電二極管的這種結構作為行掃描傳感器(Zeilensensor)是市場上常見的。下面在一處或多處把光電二極管的概念代表性地用于所有可能類型的光電傳感器，例如象光電阻。這里本發(fā)明理解成這樣，即一個或多個光源的每個單獨的光束配設一唯一的光電傳感器?？梢再I到具有不同像素數(shù)的光電傳感器，因此可以選擇一個行掃描傳感器，它對于光導體的每個第二反射面包含至少一個光電二極管。它們可以包括合適的線路或移位寄存器，使得各個光電二極管的測量信號通過一串接的出口輸出，從而便于輸送給處理器。例如具有64或128個光電二極管(像素)的行掃描傳感器是合適的。
按本發(fā)明的裝置尤其是還包括一處理裝置，它處理和檢驗光電傳感器發(fā)出的信號。這種處理例如包括，對于每個由光電二極管提供的測量信號確定，相應于該光電二極管的反射面是浸在液體里(“滿”)、還是沒有(“空”)。其中對于每個反射面可以考慮對于干擾信號、散射光和光削弱的特別校正，它們通過標定求出并可儲存在一程序庫內(nèi)。
處理單元也可以如上所述進行可信度測試。對于所有處理和檢驗功能的控制和進行，如測量數(shù)據(jù)的讀入、處理、可信度測試、換算成裝灌液位高度、以及對于輸出到顯示裝置，有利地存在一微型控制器。
本發(fā)明可以用來確定裝灌液體的容器的裝灌液位。特別可以是用于汽車中的燃料、清洗水、油、液壓介質(zhì)等等。
借助于在附圖中所示的實施例較詳細地說明本發(fā)明。其中表示

圖1光導體及其外圍的縱剖視，圖2測量和處理裝置的方框圖，圖3可信度測試的不同情況，圖4本發(fā)明裝置一種實際實施形式的剖視圖，圖5本發(fā)明裝置另一個實施例的透視圖，圖6圖5中所示光導體的底視圖，
圖7一圓形橫截面的光導體的底視圖，此光導體按圖5和6中所示原理設計。
具有矩形橫截面的光導體1具有一端面2、一第一窄側面10和一第二窄側面20。它這樣地裝入容器壁3內(nèi)，使得端面2平行于容器壁3的外表面或在液體靜止狀態(tài)的液面布置，端面2具有一光線入射區(qū)，光源6裝在它上方，還具有一光線出口區(qū)，在它上方安裝一個行掃描傳感器5。光源6和行掃描傳感器5安裝在一線路板7的底面上，線路板固定在容器壁3上，并支承用于控制和處理的電子裝置。線路板7還防止干擾光從外部落到端面2上。側面10和20具有臺階11、12、13、21、22、23，它們通過反射面15、16、17、25、26、27連接。另外的反射面位于光導體1的下端上。反射面與側面構成一45°角。第二反射面25、26、27、28中的每一個配于一在行掃描傳感器5上的一個光電二極管。在實際上根據(jù)所希望的分辨率的不同設有大量臺階和反射面，例如約70個。光源6這樣地布置，使它基本上發(fā)射與側面10平行的準直光。在實施例中僅僅第一反射面18浸入液體8內(nèi)，其余反射面15、16、17與空氣接壤。因此落在它們上面的光束31、32、33被完全反射，而且是反射90°，因為它們成一45°角出現(xiàn)。它們出現(xiàn)在相應的第二反射面25、26、27上，同樣是90°全反射，亦即朝向端面2的出口區(qū)上的行掃描傳感器5，由于第二側面20的臺階，每個光束出現(xiàn)在行掃描傳感器5的一個光電二極管上，它配設于相應的反射面。這些光電二極管發(fā)出一高的測量信號，它被處理單元識別為“空”。另一方面落在浸入的反射面18上的光束34未被反射，而在液體中折射，不射入相應的光電二極管內(nèi)。其信號小，并被識別為“滿”。
圖2中舉例表示這里例如裝在線路板7上的微型控制器201以及光源6和行掃描傳感器5的功能。光源6和行掃描傳感器5裝在線路板7的底面上，并完全直接與光導體1鄰接。行掃描傳感器5包括用于n個像素210.1至210.n的n個光電二極管。這里數(shù)量n不需要等于在光導體1上存在的反射面數(shù)量，而是它也可以更大。但是每個反射面應該配有至少一個行掃描傳感器的像素。
為了對裝灌液位測量程序進行時間控制，微型控制器201包括一節(jié)拍發(fā)生器(時鐘發(fā)生器)203，此信號發(fā)送給CPU202。它通過I/O激勵器204控制光源6和行掃描傳感器5。
在行掃描傳感器5內(nèi)組合一邏輯線路211和X位移位寄存器212，它們促使來自各個光電二極管的信號串聯(lián)輸送給A/D-轉(zhuǎn)換器。數(shù)字化的信號以光電二極管所屬的地址中間儲存在RAM206內(nèi)，并可用于可信度測試。此外用于測試和將信號換算成裝灌液位信號的數(shù)據(jù)儲存在ROM/EPROM207，并可以被CPU202調(diào)出。這些數(shù)據(jù)例如可以通過標定試驗(Eichversuch)求出。
在由微型控制器201控制裝灌液位測量時，也可以考慮在光導體1中光線的減弱。這在新的光導體中雖然很小，但是由于待測量液體的作用在裝置至少15年的使用壽命期間光線減弱可能越來越大。光線削弱的校正例如可以通過與光程有關的信號的換算因子或通過接通時間相應的變化或光源的發(fā)射量進行。這種改變也可以對于相互重疊的反射面或與它相應的并排設置的光電二極管的組成組地進行。校正數(shù)據(jù)可以儲存在EPROM207中，并按時通過標定試驗求出或者根據(jù)經(jīng)驗值確定，并在維護時通過汽車的數(shù)據(jù)系統(tǒng)輸入。
例如由于曲線行駛或爬坡引起的液面運動造成的測量信號的短暫波動在處理時可以用計算方法補償。它可以代替、或者如果有的話可以補充阻尼筒的功能。
相應于裝灌液位的信號輸送給一模擬或數(shù)字顯示器230。采用汽車車用電壓作為電源221，它通過電壓調(diào)節(jié)器220穩(wěn)壓，并通過這里未畫出的導線輸送給微處理器201和行掃描傳感器5。
圖3中舉例表示對于具有三個光電二極管的系統(tǒng)可信度測試的不同情況，這三個光電二極管相應于在三個不同高度上的反射面。實心圓表示，相應的反射面識別為“滿”；空心圓表示，是“空”。在左面一欄內(nèi)是處理單元顯示的狀態(tài)，在右面一欄內(nèi)表示在測試后輸出的狀態(tài)。測試的準則是，在顯示“滿”的反射面下面不能有反射面顯示出“空”。這至少是不可能的。在情況a)時所有三個反射面都顯示是“空的”。這顯得對于所有三個都是可信的，并且也這么顯示出來。在情況b)時只有下面的反射面顯示是“滿”。這對于所有三個也都是可信的，情況c)對于中間的反射面顯示是“滿”，對于上面和下面的顯示是“空”。這種顯示對于中間的和下面的反射面是不可信的。測試裝置決定，也許中間的反射面由于液滴錯誤顯示為“滿”，并校正成“空”。在情況d)時通過測試沒有什么變化。情況e)對于中間的反射面顯示是“空”，其他是“滿”。這里既可能是由于在上反射面上的液滴產(chǎn)生的錯誤、也可能是在兩個中間的反射面上的氣泡造成的錯誤，但是后一種情況的可能性不大。因此測試識別在上反射面上有錯誤，它改正為“空”。最后情況f)同樣是可信的，因為所有三個反射面一致顯示是“滿”。在情況g)時由于在它下面顯示的是“空”信號所以上面的“滿”信號是不可信的。因此上面的信號改正成“空”。
圖4中表示本發(fā)明實際結構的一個例子。光導體401具有一圓形橫截面，它垂直裝入汽車燃料箱403中，并在其側面22上具有臺階410，在它們之間有一個反射面420，它們對于光導體的軸線具有45°傾角。臺階高度這樣選擇，使得一個臺階分別相應于油箱的相同的容積增量。在區(qū)域A內(nèi)油箱具有最小的橫截面積，因此一較長的臺階相當于例如2升的容積增量。在區(qū)域C內(nèi)橫截面比較大，因此相同的容積增量相應于較小的臺階。在區(qū)域B內(nèi)隨著高度升高，橫截面越來越小，因此臺階向上越來越大。
在光導體端面402上方裝一線路板407，它支承發(fā)光二極管406和行掃描傳感器405?，F(xiàn)在由發(fā)光二極管射入光導體的光線(這里未畫出)被反射面420這樣地反射，或在液體中折射，使得光束430落在行掃描傳感器405上，這里光束430的寬度相應于燃料液面408。在油箱裝滿時沒有光線反射到行掃描傳感器上，在空油箱時光束具有最大寬度。也就是說，依裝灌量的不同，光束寬度與相對于最大裝灌量缺少的燃料量成正比地變化。光束射在行掃描傳感器405上，順序讀出來自各個光電二極管的測量信號，并如上所述經(jīng)受一可信度測試。這時如上所述識別浸入的最高反射面和未浸入的最深反射面之間的邊界，并在適當換算以后，例如換算成升，作為裝灌液位顯示出來。
在用這種實施形式試驗時發(fā)現(xiàn)，行掃描傳感器的一個光電二極管的“空”信號大致是“滿”信號的約14倍這么大。這表明，散射光份量、在浸入的反射面上的剩余反射和干擾信號很小。
如果在具有矩形橫截面的光導體1中，如圖5中所示，一部分反射面525、526、527、528做成持久反射的，例如做成鏡面，那么光導體1的功能可靠性可以進一步改善。在這種情況下受到形成的液滴干擾的可能性較小，因為在每個反射臺階上只有一個反射面515、516、517、518可能受到污染。此外，由此在與裝灌液位有關的全反射時(空的狀態(tài)時)在行掃描傳感器5上反射更多的光線。
現(xiàn)在為了預先防止用于光導體1的塑料可能的老化，如果至少一些第一反射面515、516、517、518至少附加地局部做成鏡面，是適宜的，從而可以在每個反射臺階上產(chǎn)生一不受燃料液面影響的基準信號，借助于它可以產(chǎn)生一可以在信號處理時考慮的關于光導體1導光能力的結論。因為通常只有設置在最深處的反射面518、528始終浸在燃料液面內(nèi)，例如可以僅僅分別對于最上面和最下面的反射臺階產(chǎn)生一基準信號，并且將它們相互比較。
圖7表示一圓形橫截面的光導體1的底視圖，其反射面720在一270°的角度范圍內(nèi)完全做成鏡面，使得留出一做成餅形楔的區(qū)域721，它不做成鏡面。當然，按圖7中所示實施例的光導體1也可以具有多個做成楔形的鏡面區(qū)。上面所述的角度分配不是強制要求的。
附圖標記表1光導體2端面3容器壁5行掃描傳感器6光源 7線路板8液體 10窄側面11臺階 12臺階13臺階 15第一反射面16第一反射面 17第一反射面18第一反射面 20窄側面21臺階 22臺階23臺階 25第二反射面26第二反射面 27第二反射面28第二反射面 31光束32光束 33光束34光束 201微型控制器202 CPU203節(jié)拍發(fā)生器204 I/O激勵器 205 A/D轉(zhuǎn)換器206 RAM207 ROM/EPROM210光電二極管-像素 211邏輯線路212 X位移位寄存器 220電壓調(diào)節(jié)器221電源230通向顯示器401光導體 402端面403燃料箱 405行掃描傳感器406發(fā)光二極管 408燃料液面410臺階420反射面430光束516第一反射面517第一反射面 518第一反射面525第二反射面 526第二反射面527第二反射面 528第二反射面720做成鏡面的反射面721未做成鏡面的反射面
權利要求
1.在裝灌液體的容器內(nèi)應用插入到容器容積內(nèi)的具有矩形、正方形或橢圓形橫截面的光導體來確定裝灌液位的方法，此光導體具有一用于光線進出的端面以及在側面上通過臺階隔開的反射面，其中，光線在未浸入到液體內(nèi)的那些反射面上被全反射，而在浸入的反射面上被折射到液體中去，并且被反射面全反射的光線被反射回端面，其特征為分別地測量被每個反射面全反射并反射回端面的光束的強度。
2.按權利要求1的方法，其特征為每個被反射面全反射并反射回端面的光束的強度測量用至少一個光電傳感器進行。
3.按權利要求1或2的方法，其特征為全反射光線的測量信號輸送給一顯示單元，它顯示容器的裝灌液位。
4.按權利要求1至3之任一項的方法，其特征為全反射光線的測量信號在顯示之前進行處理和測試。
5.按權利要求4的方法，其特征為在處理時進行可信度測試，以識別和消除測量誤差。
6.按權利要求4或5的方法，其特征為在處理時對于光導體內(nèi)光線的削弱、干擾信號和/或散射光線進行校正。
7.按權利要求1至6之任一項的方法，其特征為產(chǎn)生和處理至少一個與裝灌液位無關的完全反射的基準信號。
8.按權利要求1至7之任一項的方法，其特征為分別產(chǎn)生和處理一個對于穿過光導體的最長和最短信號路程的與裝灌液位無關的基準信號。
9.按權利要求1至8之任一項的方法，其特征為對于每個反射平面產(chǎn)生和處理一與裝灌液位無關的反射基準信號。
10.用于在裝灌液體的容器中確定裝灌液位的裝置，包括一插入容器容積內(nèi)的具有矩形橫截面的光導體(1)，此光導體具有一帶一用于光線射入的入口區(qū)和一用于光線射出的出口區(qū)的端面(2)，以及在一個側面(10)的臺階(11、12、13、14)處的至少兩個第一反射面(15、16、17、18)，其中所述第一反射面至少部分設計成這樣，即，當有關反射面浸入液體內(nèi)時，光線被折射到液體內(nèi)，而如果有關反射面未浸入液體內(nèi)，那么光線便在光導體內(nèi)朝其第二側面(20)方向被全反射回去，其中，每個第一反射面配有一在第二側面(20)的臺階(21、22、23、24)處的第二反射面(25、26、27、28)，它使被第一反射面全反射的光線向端面(2)的出口區(qū)方向反射，其特征為此裝置具有測量裝置(5)，用它可以分別地測量被每個第二反射面全反射的光束的強度。
11.按權利要求10的裝置，其特征為第一或第二反射面(515、516、517、518、525、526、527、528)持久地反射。
12.按權利要求10或11的裝置，其特征為第一或第二反射面(515、516、517、518、525、526、527、528)至少部分在局部區(qū)域內(nèi)做成持久反射的。
13.用于在裝灌液體的容器中確定裝灌液位的裝置，包括一插入容器容積內(nèi)的具有圓形或橢圓形橫截面的光導體(401)，此光導體具有一帶一用于光線入射的入口區(qū)和一用于光線射出的出口區(qū)的端面(402)，以及在側面的臺階(410)處的至少兩個環(huán)形反射面(420)，其中這些反射面至少在其部分圓周上設計成這樣，即，當反射面浸入液體內(nèi)時光線被折射到液體內(nèi)，而當反射面未浸入液體時，光線便在光導體(401)內(nèi)向反射面(420)對面區(qū)域的方向被反射回去，并從那里繼續(xù)向端面全反射，其特征為此裝置具有測量裝置(405)，用它可以分別地測量被每個反射面(420)全反射到端面(402)上的光束的強度。
14.按權利要求13的裝置，其特征為至少一些反射面(720)在一部分圓周上做成持久反射的。
15.按權利要求10或13的裝置，其特征為測量裝置裝在端面(2、402)的光線出口區(qū)上面或里面。
16.按權利要求10或13的裝置，其特征為測量裝置通過一光纜與端面(2、402)的光線出口區(qū)連接，此光纜對于每個反射面具有至少一根單獨的光纖維。
17.按權利要求10至16之任一項的裝置，其特征為反射面與入射光的方向成45°角。
18.按權利要求10至17之任一項的裝置，其特征為它對于每個反射面具有至少一個光電傳感器作為測量裝置。
19.按權利要求18的裝置，其特征為它具有一個行掃描傳感器(5、405)作為測量裝置。
20.按權利要求10至19之任一項的裝置，其特征為它具有一處理裝置，此處理裝置可以對由測量裝置發(fā)出的信號進行可信度測試，以識別和消除測量誤差。
21.按權利要求20的裝置，其特征為它具有一微型控制器(201)。
22.按權利要求10至21之任一項的裝置，其特征為光源的界限帶、光導體的光導頻譜以及光電二極管的靈敏度頻譜相互匹配。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于在裝灌液體的容器內(nèi)光學確定裝灌液位的方法和裝置。在利用浸入液體中的光導體的反射面對光線全反射來測量裝灌液位的已知裝置中，測量可能受未浸入的反射面上的液滴或霧沫的干擾。為此，推薦一種方法和裝置，其中分別地測量被每個反射面反射回來的光線。最好對用來確定裝灌液位的測量信號進行可信度測試，以識別和消除測量的干擾和錯誤。本發(fā)明可以用來確定裝灌液體的容器，特別是汽車中用于燃料、清洗水、油、液壓介質(zhì)等等的容器，的裝灌液位。
文檔編號G01F23/292GK1633586SQ03804071
公開日2005年6月29日 申請日期2003年2月10日 優(yōu)先權日2002年2月18日
發(fā)明者格奧爾格·西佩曼 申請人:考特克斯·特克斯羅恩有限公司及兩合公司