专利名称：用于在装灌液体的容器内光学确定装灌液位的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在装灌液体的容器内，特别是汽车燃料容器内，光学确定装灌液位(高度)的方法和装置。
用来光学确定装灌液位的装置是已知的。它们与广泛使用的机械和电气装置相比有这样的优点，即它没有运动构件，因此对磨损和机械故障不敏感。
在US-A-3,424,004中介绍了一种这一类型的装置。它包括一光导体，它从上方伸入液体储罐内，并在不同高度具有成对设置的反射面，它们在水平方向相互错开，并可通过端面观察。如果反射面未浸入液体，它才反射光线。这样液面便位于发亮和发暗的反射面之间。
DE-A1-3128925公开了一种带有浸入液体的光导体的液体液面传感器，光导体具有一矩形横截面并在两个窄边上形成台阶，其中台阶的凸台由第一和第二反射面构成。在光导体的上端面内设一光源和一光接收器。从光源向下发射的光线在未浸入液体的第一个反射面上全部向第二反射面方向反射，并由它反射给端面上的光接收器。由光接收器发出的信号根据反射的反射面数量，亦即根据装灌液位，或大或小，它可以用来显示装灌液位。
这种装置可以区分断续的装灌液位高度，其中可区分的装灌液位数由第一和第二反射面的数量确定。为了能够基本连续地显示装灌液位，可以设置大量具有第一和第二反射面的台阶。但是这样反射面便比较小，因此存在这样的危险，即在液面下降时，液滴可能挂在它上面。这阻碍全反射，并出现高液面的假象。
在DE-A1-3243839(图8)中介绍了一种装置，其中在液体容器侧壁上设置许多分别具有不同高度的反射面的光导体。其光电传感器相互串联。这种结构复杂，容易出现故障，因为在实施时侧壁上可能出现不密封性。
DE-C-100 35 263公开一种这一类型的装置，其中在光导体内在窄边之间存在缺口，使得被第一反射面反射到第二反射面的光线只能穿过在缺口之间形成的筋。但是如果这种光导体应该具有大量反射面用以基本连续地显示装灌液位，那么它的制造是困难的。
本发明的目的是，提供一种用来在装灌液体的容器内光学确定装灌液位的方法，它与已知方法相比更方便和可以更准确地进行；以及提供一种用来实施这种方法的装置，它结构简单并可经济地制造，并且不容易出现故障。
这个目的通过按权利要求1的方法和按权利要求7和8的装置来实现。
优选地，对于每个反射面用至少一个光电传感器进行被各个第二反射面反射到端面处的光线的强度的单独测量。也就是说对于每个这种反射面得到至少一个测量信号。在反射面浸入液体内时(“满”)，它具有低的数值，当液体没有盖过反射面时(“空”)，便具有高的数值。
测量信号，在某些情况下在适当放大后，输送给一显示装置，它向使用者显示容器的装灌液位，它例如可以是一列发光二极管，它们分别通过一高的测量值，亦即当相应的反射面传出“空”的信号时，触发。这样使用者便可以看到发光的二极管的数量，知道容器排空到什么程度。这时他可以识别在容器空的区域内错误的“满”信号，并可以不予考虑。
但是测量信号最好在显示之前进行处理和测试。在处理时例如可以对于光导体中光线的削弱、对于散光成分和对于干扰信号(暗的信号)进行校正。测试可以是一可信度测试(Plausibilittsprüfung，边缘检查)，其中，在相邻“空”信号之间由于在容器的空的区域内一个反射面上附着的小液滴造成的假的“满”信号可以被识别，并例如通过相邻反射面的信号代替，或者通过插值法校正。
本发明还包括按并列独立权利要求7和8的装置。
此装置具有用来测量从反射面向端面反射的光线的测量装置，用它可以分别测量被每个反射面反射的强度。
测量装置优选与光导体的出口区光学连接。这有利地通过这样的方式进行，即测量装置装在出口区上，而且对于每个从反射面反射和发出的光束至少存在一个测量装置。为了避免在界面上由于折射产生不希望的光损失，测量装置也可以埋入出口区的凹坑内，和/或通过一具有与光导体匹配的折射率的透光粘合剂与光导体光学连接。
在本发明装置的另一种优良实施形式中，测量装置通过一光缆与出口区连接。它对于每个由反射面向端面反射的光束必须具有至少一条单独的光导纤维，它分别与测量装置光学连接。这使得测量装置可以设置在远离光导体之处。
反射面有利地与入射光束的方向形成一45°的角度。因此光线分别反射90°，使它在第二次反射后平行于入射光线的反方向分布°在这种情况下全反射出现在相对于空气的界面上，如果光导体的折射率大于约1.41的话，这实际上适合于所考虑的所有材料。
当然光导体材料对于欲测量其装灌液位的液体具有耐久性。对于汽车油箱中的燃料，聚醚砜和聚醚酰亚胺证明是合适的。
在制造光导体时应该注意反光面足够的表面质量，以限制光线散射。合适的制造方法是注塑。具有圆形横截面的光导体也可以通过机械加工制造。
光导体的每个反射面对应于容器确定的装灌高度。如果光导体具有随高度保持不变的横截面，那么在具有反射面的台阶具有相同的高度距离时，便以相同的容积步距显示装灌液位。对于不规则成形的容器，可以这样地改变反射面的高度距离，即，使它们相当于同样的容积步距。但是另一方面对于等距反射面的情形也可以通过储存在处理单元内的校正曲线或校正表考虑不同的容积步距。
例如可以用发光二极管(LED)作为光源。根据光导体端面大小的不同可以采用例如市场上常见的具有3、5或8mm直径的发光二极管。也可以采用具有矩形或正方形发射特征的发光二极管。
作为测量装置优选考虑光电传感器，如光电阻或光电二极管。这里对于每个反射面必须存在至少一个光电传感器。如果是两个或几个光电传感器，那么可以通过求出测量信号的平均值，或取消由于损坏的传感器造成的异常测量值更精确地测量。
光电传感器特别有利地作为预制的直线形结构存在。带有光电二极管的这种结构作为行扫描传感器(Zeilensensor)是市场上常见的。下面在一处或多处把光电二极管的概念代表性地用于所有可能类型的光电传感器，例如象光电阻。这里本发明理解成这样，即一个或多个光源的每个单独的光束配设一唯一的光电传感器。可以买到具有不同像素数的光电传感器，因此可以选择一个行扫描传感器，它对于光导体的每个第二反射面包含至少一个光电二极管。它们可以包括合适的线路或移位寄存器，使得各个光电二极管的测量信号通过一串接的出口输出，从而便于输送给处理器。例如具有64或128个光电二极管(像素)的行扫描传感器是合适的。
按本发明的装置尤其是还包括一处理装置，它处理和检验光电传感器发出的信号。这种处理例如包括，对于每个由光电二极管提供的测量信号确定，相应于该光电二极管的反射面是浸在液体里(“满”)、还是没有(“空”)。其中对于每个反射面可以考虑对于干扰信号、散射光和光削弱的特别校正，它们通过标定求出并可储存在一程序库内。
处理单元也可以如上所述进行可信度测试。对于所有处理和检验功能的控制和进行，如测量数据的读入、处理、可信度测试、换算成装灌液位高度、以及对于输出到显示装置，有利地存在一微型控制器。
本发明可以用来确定装灌液体的容器的装灌液位。特别可以是用于汽车中的燃料、清洗水、油、液压介质等等。
借助于在附图中所示的实施例较详细地说明本发明。其中表示
图1光导体及其外围的纵剖视，图2测量和处理装置的方框图，图3可信度测试的不同情况，图4本发明装置一种实际实施形式的剖视图，图5本发明装置另一个实施例的透视图，图6图5中所示光导体的底视图，
图7一圆形横截面的光导体的底视图，此光导体按图5和6中所示原理设计。
具有矩形横截面的光导体1具有一端面2、一第一窄侧面10和一第二窄侧面20。它这样地装入容器壁3内，使得端面2平行于容器壁3的外表面或在液体静止状态的液面布置，端面2具有一光线入射区，光源6装在它上方，还具有一光线出口区，在它上方安装一个行扫描传感器5。光源6和行扫描传感器5安装在一线路板7的底面上，线路板固定在容器壁3上，并支承用于控制和处理的电子装置。线路板7还防止干扰光从外部落到端面2上。侧面10和20具有台阶11、12、13、21、22、23，它们通过反射面15、16、17、25、26、27连接。另外的反射面位于光导体1的下端上。反射面与侧面构成一45°角。第二反射面25、26、27、28中的每一个配于一在行扫描传感器5上的一个光电二极管。在实际上根据所希望的分辨率的不同设有大量台阶和反射面，例如约70个。光源6这样地布置，使它基本上发射与侧面10平行的准直光。在实施例中仅仅第一反射面18浸入液体8内，其余反射面15、16、17与空气接壤。因此落在它们上面的光束31、32、33被完全反射，而且是反射90°，因为它们成一45°角出现。它们出现在相应的第二反射面25、26、27上，同样是90°全反射，亦即朝向端面2的出口区上的行扫描传感器5，由于第二侧面20的台阶，每个光束出现在行扫描传感器5的一个光电二极管上，它配设于相应的反射面。这些光电二极管发出一高的测量信号，它被处理单元识别为“空”。另一方面落在浸入的反射面18上的光束34未被反射，而在液体中折射，不射入相应的光电二极管内。其信号小，并被识别为“满”。
图2中举例表示这里例如装在线路板7上的微型控制器201以及光源6和行扫描传感器5的功能。光源6和行扫描传感器5装在线路板7的底面上，并完全直接与光导体1邻接。行扫描传感器5包括用于n个像素210.1至210.n的n个光电二极管。这里数量n不需要等于在光导体1上存在的反射面数量，而是它也可以更大。但是每个反射面应该配有至少一个行扫描传感器的像素。
为了对装灌液位测量程序进行时间控制，微型控制器201包括一节拍发生器(时钟发生器)203，此信号发送给CPU202。它通过I/O激励器204控制光源6和行扫描传感器5。
在行扫描传感器5内组合一逻辑线路211和X位移位寄存器212，它们促使来自各个光电二极管的信号串联输送给A/D-转换器。数字化的信号以光电二极管所属的地址中间储存在RAM206内，并可用于可信度测试。此外用于测试和将信号换算成装灌液位信号的数据储存在ROM/EPROM207，并可以被CPU202调出。这些数据例如可以通过标定试验(Eichversuch)求出。
在由微型控制器201控制装灌液位测量时，也可以考虑在光导体1中光线的减弱。这在新的光导体中虽然很小，但是由于待测量液体的作用在装置至少15年的使用寿命期间光线减弱可能越来越大。光线削弱的校正例如可以通过与光程有关的信号的换算因子或通过接通时间相应的变化或光源的发射量进行。这种改变也可以对于相互重叠的反射面或与它相应的并排设置的光电二极管的组成组地进行。校正数据可以储存在EPROM207中，并按时通过标定试验求出或者根据经验值确定，并在维护时通过汽车的数据系统输入。
例如由于曲线行驶或爬坡引起的液面运动造成的测量信号的短暂波动在处理时可以用计算方法补偿。它可以代替、或者如果有的话可以补充阻尼筒的功能。
相应于装灌液位的信号输送给一模拟或数字显示器230。采用汽车车用电压作为电源221，它通过电压调节器220稳压，并通过这里未画出的导线输送给微处理器201和行扫描传感器5。
图3中举例表示对于具有三个光电二极管的系统可信度测试的不同情况，这三个光电二极管相应于在三个不同高度上的反射面。实心圆表示，相应的反射面识别为“满”；空心圆表示，是“空”。在左面一栏内是处理单元显示的状态，在右面一栏内表示在测试后输出的状态。测试的准则是，在显示“满”的反射面下面不能有反射面显示出“空”。这至少是不可能的。在情况a)时所有三个反射面都显示是“空的”。这显得对于所有三个都是可信的，并且也这么显示出来。在情况b)时只有下面的反射面显示是“满”。这对于所有三个也都是可信的，情况c)对于中间的反射面显示是“满”，对于上面和下面的显示是“空”。这种显示对于中间的和下面的反射面是不可信的。测试装置决定，也许中间的反射面由于液滴错误显示为“满”，并校正成“空”。在情况d)时通过测试没有什么变化。情况e)对于中间的反射面显示是“空”，其他是“满”。这里既可能是由于在上反射面上的液滴产生的错误、也可能是在两个中间的反射面上的气泡造成的错误，但是后一种情况的可能性不大。因此测试识别在上反射面上有错误，它改正为“空”。最后情况f)同样是可信的，因为所有三个反射面一致显示是“满”。在情况g)时由于在它下面显示的是“空”信号所以上面的“满”信号是不可信的。因此上面的信号改正成“空”。
图4中表示本发明实际结构的一个例子。光导体401具有一圆形横截面，它垂直装入汽车燃料箱403中，并在其侧面22上具有台阶410，在它们之间有一个反射面420，它们对于光导体的轴线具有45°倾角。台阶高度这样选择，使得一个台阶分别相应于油箱的相同的容积增量。在区域A内油箱具有最小的横截面积，因此一较长的台阶相当于例如2升的容积增量。在区域C内横截面比较大，因此相同的容积增量相应于较小的台阶。在区域B内随着高度升高，横截面越来越小，因此台阶向上越来越大。
在光导体端面402上方装一线路板407，它支承发光二极管406和行扫描传感器405。现在由发光二极管射入光导体的光线(这里未画出)被反射面420这样地反射，或在液体中折射，使得光束430落在行扫描传感器405上，这里光束430的宽度相应于燃料液面408。在油箱装满时没有光线反射到行扫描传感器上，在空油箱时光束具有最大宽度。也就是说，依装灌量的不同，光束宽度与相对于最大装灌量缺少的燃料量成正比地变化。光束射在行扫描传感器405上，顺序读出来自各个光电二极管的测量信号，并如上所述经受一可信度测试。这时如上所述识别浸入的最高反射面和未浸入的最深反射面之间的边界，并在适当换算以后，例如换算成升，作为装灌液位显示出来。
在用这种实施形式试验时发现，行扫描传感器的一个光电二极管的“空”信号大致是“满”信号的约14倍这么大。这表明，散射光份量、在浸入的反射面上的剩余反射和干扰信号很小。
如果在具有矩形横截面的光导体1中，如图5中所示，一部分反射面525、526、527、528做成持久反射的，例如做成镜面，那么光导体1的功能可靠性可以进一步改善。在这种情况下受到形成的液滴干扰的可能性较小，因为在每个反射台阶上只有一个反射面515、516、517、518可能受到污染。此外，由此在与装灌液位有关的全反射时(空的状态时)在行扫描传感器5上反射更多的光线。
现在为了预先防止用于光导体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镜面，是适宜的，从而可以在每个反射台阶上产生一不受燃料液面影响的基准信号，借助于它可以产生一可以在信号处理时考虑的关于光导体1导光能力的结论。因为通常只有设置在最深处的反射面518、528始终浸在燃料液面内，例如可以仅仅分别对于最上面和最下面的反射台阶产生一基准信号，并且将它们相互比较。
图7表示一圆形横截面的光导体1的底视图，其反射面720在一270°的角度范围内完全做成镜面，使得留出一做成饼形楔的区域721，它不做成镜面。当然，按图7中所示实施例的光导体1也可以具有多个做成楔形的镜面区。上面所述的角度分配不是强制要求的。
附图标记表1光导体2端面3容器壁5行扫描传感器6光源 7线路板8液体 10窄侧面11台阶 12台阶13台阶 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窄侧面21台阶 22台阶23台阶 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节拍发生器204 I/O激励器 205 A/D转换器206 RAM207 ROM/EPROM210光电二极管-像素 211逻辑线路212 X位移位寄存器 220电压调节器221电源230通向显示器401光导体 402端面403燃料箱 405行扫描传感器406发光二极管 408燃料液面410台阶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做成镜面的反射面721未做成镜面的反射面
权利要求
1.在装灌液体的容器内应用插入到容器容积内的具有矩形、正方形或椭圆形横截面的光导体来确定装灌液位的方法，此光导体具有一用于光线进出的端面以及在侧面上通过台阶隔开的反射面，其中，光线在未浸入到液体内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体中去，并且被反射面全反射的光线被反射回端面，其特征为分别地测量被每个反射面全反射并反射回端面的光束的强度。
2.按权利要求1的方法，其特征为每个被反射面全反射并反射回端面的光束的强度测量用至少一个光电传感器进行。
3.按权利要求1或2的方法，其特征为全反射光线的测量信号输送给一显示单元，它显示容器的装灌液位。
4.按权利要求1至3之任一项的方法，其特征为全反射光线的测量信号在显示之前进行处理和测试。
5.按权利要求4的方法，其特征为在处理时进行可信度测试，以识别和消除测量误差。
6.按权利要求4或5的方法，其特征为在处理时对于光导体内光线的削弱、干扰信号和/或散射光线进行校正。
7.按权利要求1至6之任一项的方法，其特征为产生和处理至少一个与装灌液位无关的完全反射的基准信号。
8.按权利要求1至7之任一项的方法，其特征为分别产生和处理一个对于穿过光导体的最长和最短信号路程的与装灌液位无关的基准信号。
9.按权利要求1至8之任一项的方法，其特征为对于每个反射平面产生和处理一与装灌液位无关的反射基准信号。
10.用于在装灌液体的容器中确定装灌液位的装置，包括一插入容器容积内的具有矩形横截面的光导体(1)，此光导体具有一带一用于光线射入的入口区和一用于光线射出的出口区的端面(2)，以及在一个侧面(10)的台阶(11、12、13、14)处的至少两个第一反射面(15、16、17、18)，其中所述第一反射面至少部分设计成这样，即，当有关反射面浸入液体内时，光线被折射到液体内，而如果有关反射面未浸入液体内，那么光线便在光导体内朝其第二侧面(20)方向被全反射回去，其中，每个第一反射面配有一在第二侧面(20)的台阶(21、22、23、24)处的第二反射面(25、26、27、28)，它使被第一反射面全反射的光线向端面(2)的出口区方向反射，其特征为此装置具有测量装置(5)，用它可以分别地测量被每个第二反射面全反射的光束的强度。
11.按权利要求10的装置，其特征为第一或第二反射面(515、516、517、518、525、526、527、528)持久地反射。
12.按权利要求10或11的装置，其特征为第一或第二反射面(515、516、517、518、525、526、527、528)至少部分在局部区域内做成持久反射的。
13.用于在装灌液体的容器中确定装灌液位的装置，包括一插入容器容积内的具有圆形或椭圆形横截面的光导体(401)，此光导体具有一带一用于光线入射的入口区和一用于光线射出的出口区的端面(402)，以及在侧面的台阶(410)处的至少两个环形反射面(420)，其中这些反射面至少在其部分圆周上设计成这样，即，当反射面浸入液体内时光线被折射到液体内，而当反射面未浸入液体时，光线便在光导体(401)内向反射面(420)对面区域的方向被反射回去，并从那里继续向端面全反射，其特征为此装置具有测量装置(405)，用它可以分别地测量被每个反射面(420)全反射到端面(402)上的光束的强度。
14.按权利要求13的装置，其特征为至少一些反射面(720)在一部分圆周上做成持久反射的。
15.按权利要求10或13的装置，其特征为测量装置装在端面(2、402)的光线出口区上面或里面。
16.按权利要求10或13的装置，其特征为测量装置通过一光缆与端面(2、402)的光线出口区连接，此光缆对于每个反射面具有至少一根单独的光纤维。
17.按权利要求10至16之任一项的装置，其特征为反射面与入射光的方向成45°角。
18.按权利要求10至17之任一项的装置，其特征为它对于每个反射面具有至少一个光电传感器作为测量装置。
19.按权利要求18的装置，其特征为它具有一个行扫描传感器(5、405)作为测量装置。
20.按权利要求10至19之任一项的装置，其特征为它具有一处理装置，此处理装置可以对由测量装置发出的信号进行可信度测试，以识别和消除测量误差。
21.按权利要求20的装置，其特征为它具有一微型控制器(201)。
22.按权利要求10至21之任一项的装置，其特征为光源的界限带、光导体的光导频谱以及光电二极管的灵敏度频谱相互匹配。
全文摘要
本发明涉及一种用于在装灌液体的容器内光学确定装灌液位的方法和装置。在利用浸入液体中的光导体的反射面对光线全反射来测量装灌液位的已知装置中，测量可能受未浸入的反射面上的液滴或雾沫的干扰。为此，推荐一种方法和装置，其中分别地测量被每个反射面反射回来的光线。最好对用来确定装灌液位的测量信号进行可信度测试，以识别和消除测量的干扰和错误。本发明可以用来确定装灌液体的容器，特别是汽车中用于燃料、清洗水、油、液压介质等等的容器，的装灌液位。
文档编号G01F23/292GK1633586SQ03804071
公开日2005年6月29日 申请日期2003年2月10日 优先权日2002年2月18日
发明者格奥尔格·西佩曼 申请人:考特克斯·特克斯罗恩有限公司及两合公司