DE68903183T2

DE68903183T2 - Fiberoptischer fuellstandssensor fuer die diskrete oder kontinuierliche anzeige eines fluessigkeitsstandes.

Info

Publication number: DE68903183T2
Application number: DE1989603183
Authority: DE
Inventors: Paul D Colbourne; James W Snow
Original assignee: IMO Industries Inc
Current assignee: IMO Industries Inc
Priority date: 1988-03-15
Filing date: 1989-03-14
Publication date: 1993-03-18
Anticipated expiration: 2009-03-15
Also published as: DE68903183D1; EP0334533A3; EP0334533A2; CA1332205C; EP0334533B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Ermittlung eines Flüssigkeitsstandes oder anderer physikalischer Parameter.

Hintergrund der Erfindung

Konventionellerweise wird der Pegel einer Flüssigkeit in einem Behälter unter Verwendung eines Schwimmers mit einer mechanischen oder magnetischen Kupplung zu einem externen Meßgerät ermittelt, durch einen Ultraschallwandler oder einen optischen Wandler, der die Flugzeit mißt, um daraus den Flüssigkeitspegel zu ermitteln, oder durch einen Paralleldraht-Kapazitätssensor, der die Änderung der dielektrischen Konstanten zwischen den Drähten überwacht, die einer Änderung des Flüssigkeitspegels zugeordnet ist.
Der Einsatz von Fiberoptiken zur Füllstandsmessung in Flüssigkeiten ist gut dokumentiert. Die Hauptvorteile dieser Art eines Füllstandsensors sind seine Passivität, da er nämlich keine beweglichen oder mechanischen Teile enthält, und seine inhärenten dielektrischen Eigenschaften, die dazu führen, daß keine Gefahr des Auftretens von Funken besteht, wenn er mit brennbaren Fluiden verwendet wird, sowie die im wesentlichen nicht vorhandene Empfindlichkeit für elektromagnetische Störungen. Die üblicheren Ausführungen verwenden kleine Prismen, die an den Enden zweier optischer Fasern angebracht sind, eine konisch geformte Spitze der optischen Faser, oder eine U-förmige, gebogene Faseroptik (kanadisches Patent 1102151) (Geräte dieser Art sind beispielsweise in dem Artikel "Experimental Invetigations on Fibre Optic Liquid Level Sensors and Refractometers" von K. Spenner et al. beschrieben, IEE OFS 212, Seiten 96-99). In sämtlichen Fällen ist die Faseroptikprobe oder der Faseroptiksensor aufgehängt, oder man läßt sie bzw. ihn in den Behälter vorstehen, und der potentiell empfindliche Sensor ist einer Beschädigung durch herum schwimmende Trümmer, durch Schwingungen, und durch dynamische Effekte während des Füllens ausgesetzt. Die potentielle Beschädigungsmöglichkeit wird vergrößert, wenn eine regelmäßige Wartung des Sensors erforderlich ist, infolge biologischer oder chemischer Verschmutzungen der optischen Oberfläche.
Andere Füllstandsensoren, die Fiberoptiken verwenden, finden sich beispielsweise in den US-Patenten 3 995 168 für Neuscheler et al. und 4 440 022 für Masom.
Die soeben beschriebenen Fiberoptiksensoren dienen hauptsächlich für diskrete Pegelmessungen, also um zu messen, ob der Behälter leer ist, voll oder bis zu einem Punkt dazwischen gefüllt. Es ist möglich, mehrere derartige Punktsensoren zu betreiben, und dies wurde auch vorgeschlagen, stellt jedoch allgemein eine unpraktische Anordnung für eine kontinuierliche Flüssigkeitspegelmessung dar. Allerdings ist eine kontinuierliche Messung bei zahlreichen Anwendungsfällen für eine verbesserte Auflösung wünschenswert. Man überlege sich etwa den Fall eines Flugzeugbrennstoffvorratsanzeigesystems. Die dielektrischen Eigenschaften des fiberoptischen Sensors sind vom Gesichtspunkt der Sicherheit in Bezug auf Funkengefahr und einschlagende Blitze wünschenswert, jedoch sind hohe Auflösung und Genauigkeit ebenfalls wünschenswert, so daß keine übermäßigen Brennstoffmengen mitgeführt werden müssen, so daß das Gewicht des Flugzeuges und daher der Brennstoffverbrauch verringert wird. Heutige Flugzeugbrennstoffpegelsensoren sind meistens Kapazitätssensoren, deren Genauigkeit abnimmt, wenn der Brennstoff Wasser aufgenommen hat, und sich die dielektrische Konstante signifikant geändert hat.
Es wurde bislang nur ein Bericht über einen kontinuierlichen Fiberoptiksensor für Flüssigkeitspegel gefunden. Dies ist "Fibre Optic Fluid Level Sensor" von M. Belkerdid, N. Ghanderharioun und B. Brennan in den "Proceedings of SPIE Conference 566 Fibre Optic and Laser Sensors III (1985)", Seiten 153-158. Auf der Grundlage des Biege- oder Umhüllungsverlustprinzips besteht der Sensor aus großen Schleifen aus einer einzigen Fiber, wobei die Schleifen einen immer größer werdenden Durchmesser aufweisen, welche in die Flüssigkeit eingetaucht sind. Auch hier ist allerdings die Sensorverpackung nicht ausreichend widerstandsfähig für die meisten Einsatzzwecke.
Ein weiteres interessantes Patent ist das US-Patent 4 403 826, welches eine Detektor-Fiberoptik beschreibt, deren Kern ein fluoreszierendes Material enthält. Wird diese Ultraviolettlicht ausgesetzt, so fluoresziert das fluoreszierende Material, abhängig von der Position einer Muffe während der Kalibrierung, oder abhängig von einer anderen Einrichtung oder einem anderen Parameter während der tatsächlichen Messung, und leitet Licht zu einem Detektor. Die Intensität und die Verteilung des ultravioletten Lichtes können beispielsweise bei der industriellen Überwachung von Materialien, Bearbeitungsvorgängen usw. eingesetzt werden.

Zusammenfassende Schilderung der Erfindung

Die im Patentanspruch 1 beanspruchte vorliegende Erfindung überwindet die Probleme des Stands der Technik dadurch, daß die optischen Fibern in ein optisch transparentes Substratmaterial eingebettet sind, welches für den Schutz des Sensors sorgt und auch eine Oberfläche bereitstellt, die gereinigt werden kann. Dieselbe Verpackungsgeometrie kann sowohl bei einem diskreten Flüssigkeitspegelsensor (also einem Punktsensor) als auch bei einem kontinuierlichen oder analogen Flüssigkeitspegelsensor eingesetzt werden.
Es ist wohl bekannt, daß das spezifische Brechungsvermögen und daher der kritische Winkel für die Totalreflexion an einer Grenzfläche von den Brechungsindizes der beiden Medien abhängt, welche die Grenzfläche bilden. Dies wird häufiger als das Snellsche Gesetz bezeichnet, n&sub1;sinR&sub1; =n&sub2;sinR&sub2;, welches die Beziehung zwischen dem Einfallswinkel R&sub1; und dem Brechungswinkel R&sub2; für einen Lichtstrahl beschreibt, der sich in einem Medium mit dem Brechungsindex n&sub1; bewegt und auf ein Medium mit dem Brechungsindex n&sub2; auftrifft. Unter Verwendung dieser Gleichung ist es offensichtlich, daß für n&sub1; > n&sub2; ein Einfallsgrenzwinkel vorliegt, welcher der kritische Winkel genannt wird, der durch den Arkussinus des Verhältnisses der Brechungsindizes gegeben ist, oberhalb dessen eine innere Totalreflexion auftritt.
Bei der vorliegenden Diskussion werden die Begriffe "Flüssigkeit" und "Luft" verwendet, um irgendwelche zwei Fluide ausreichend unterschiedlicher Brechungsindizes zu bezeichnen, die mit diesem refraktrometischen Verfahren gemessen werden sollen. Daher kann "Luft" ebenso gut die gasförmige Phase der gemessenen Flüssigkeit bezeichnen oder eine andere Flüssigkeit, wie in dem Fall von Öl und Wasser. Entsprechend wird der Begriff "optische Fiber" verwendet, um jeglichen länglichen, das Licht leitenden Körper oder Lichtleiter zu bezeichnen, der Licht durch mehrfache innere Reflexionen weiterleiten kann.
Die hier beschriebenen kontinuierlichen Flüssigkeitspegelsensoren bestehen aus zwei optischen Fibern, einer optischen Quellen- oder Sendefiber, deren eines Ende so ausgebildet ist, daß es optisch mit einer externen Lichtquelle verbunden ist, und einer optischen Detektor- oder Empfangsfiber, deren eines Ende so ausgebildet ist, daß es optisch mit einem externen Lichtdetektor verbunden ist. Die optischen Quellen- und Detektorfibern können so ausgebildet sein, daß zumindest ihr anderes Ende in ein optisch klares Substratmaterial oder Fenster eingebettet ist, welches sich in Berührung mit der zu messenden Flüssigkeit befindet, so daß das Licht, welches die Quellenfiber anregt, auf die Grenzfläche zwischen Substrat und Flüssigkeit oder Luft auftrifft in einem Winkel zwischen dem kritischen Winkel für die Flüssigkeit und dem kritischen Winkel für Luft. Das Substrat- oder Fenstermaterial weist einen Brechungsindex auf, der gleich oder annähernd gleich dem des Kerns der optischen Fiber ist, so daß eine maximale Fehlanpassung des Brechungsindex an der Grenzfläche zu der Flüssigkeit auftritt. Die Detektorfiber ist dotiert, so daß sie fluoresziert, wenn Licht einer bestimmten Wellenlänge oder bestimmter Wellenlängen darauf auftrifft. Die fluoreszierende Detektorfiber ist innerhalb des Substrats angebracht, so daß sie jegliches Licht von der Quelle empfangen kann, welches intern von der Grenzfläche reflektiert wird. Daher tritt nur dann ein empfangenes Lichtsignal an dem externen Lichtdetektor auf, wenn ein Abschnitt des Sensors der Luft ausgesetzt ist. Befindet sich eine Flüssigkeit mit höherem Brechungsindex, beispielsweise Wasser oder Benzin, an der Flüssigkeitsmeßoberfläche, so wird die Substrat-Flüssigkeitsgrenzfläche hauptsächlich durchlässig, und es wird nur eine kleine Lichtmenge reflektierend von der Quellenfiber zur Detektorfiber übertragen. Auf diese Weise steht das von der Detektorfiber festgestellte optische Signal in einer Beziehung zur Höhe der Flüssigkeitsmeßoberfläche, die eingetaucht ist.
Auf jeden Fall kann einfach eine Einrichtung vorgesehen werden, die für die Feststellung irgendeines Fehlers in dem optischen Weg des Sensors von einschließlich der Lichtquelle bis zu dem Detektor sorgt.
Die Vorrichtung kann so ausgebildet werden, daß sie andere Parameter als den Flüssigkeitspegel mißt (beispielsweise Verschiebung, Temperatur, Druck usw.), durch Hinzufügung einer außerhalb des Substrats angeordneten Muffe, deren Bewegung durch die Änderung des Parameters angetrieben wird, der gemessen werden soll. Die Muffe würde eine Variation des Ausgangssignal s aufgrund desselben Reflexions/Brechungsprinzips hervorrufen, welches voranstehend beschrieben wurde.
In Zusammenfassung der voranstehenden Ausführungen läßt sich die vorliegende Erfindung so beurteilen, daß sie eine Anzeigevorrichtung zur Anzeige des Pegels von Flüssigkeiten in einem Behälter zur Verfügung stellt, und zumindest zwei optische Fibern aufweist, von denen zumindest ein Abschnitt in ein transparentes Substratmaterial mit ähnlichen Brechungsindex eingebettet ist, wobei eine der Fibern optisch mit einer Lichtquelle verbunden ist und eine bestimmte Wellenlänge oder einen Bereich von Wellenlängen des Lichtes entlang ihrer Länge aussenden kann, die andere Fiber optisch mit einem Lichtdetektor verbunden und so dotiert ist, daß sie bei einer Beleuchtung mit Licht bei der Wellenlänge oder den Wellenlängen fluoresziert, die von der Quellenfiber emittiert werden, wobei die beiden optischen Fibern so in Bezug auf die Substrat- Fluid-Grenzfläche orientiert sind, daß die Quellenfiber anregendes Licht in die Detektorfiber eingekoppelt wird, wenn eine innere Totalreflexion an der Substrat-Fluid-Grenzfläche in der Gegenwart eines ersten Fluids auftritt, und eine Kopplung nicht in der Gegenwart eines zweiten Fluids mit höherem Brechungsindex als dem des ersten Fluids auftritt.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachstehend mit mehr Einzelheiten im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine Perspektivansicht eines diskreten oder Punktsensors zur Erläuterung von Grundsätzen, auf welchen die Erfindung basiert;
Fig. 2A und 2B Seitenansichten des diskreten Fiberoptik-Flüssigkeitspegelsensors, der in Fig. 1 gezeigt ist, mit einer Darstellung der Fälle der inneren Totalreflexion (Fig. 2A) und der Brechung (Fig. 2B) in Gegenwart von Luft bzw. Flüssigkeit;
Fig. 3A eine Aufsicht des kontinuierlichen Fluoreszensfiber-Flüssigkeitspegelsensors gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3B eine Perspektivansicht der Erfindung von Fig. 3A;
Fig. 4 eine Beschreibung des Betriebsprinzips des Fiberoptik-Fluoreszensdetektors, der in Fig. 3 gezeigt ist;
Fig. 5 die Fälle der inneren Totalreflexion und der Brechung in der Gegenwart von Luft bzw. Flüssigkeit, für die in Fig. 3 gezeigte Erfindung;
Fig. 6, 7 und 8 zusätzliche Ausführungsformen der Fluoreszensfiberanordnung;
Fig. 9 eine Allgemeinansicht des kontinuierlichen Fluoreszenzfiber-Pegelsensors, der als ein zylindrischer Fühler ausgebildet ist;
Fig. 10 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 9, mit der Ausnahme, daß die optische Quellenfiber durch ein Bündel optischer Fibern ersetzt ist;
Fig. 11 einen Pegelsensor, der zwei Quellen und zwei Detektoren verwendet; und
Fig. 12 einen Sensor, bei welchem mehrere Quellenfibern an unterschiedlichen Pegeln innerhalb des Substrats angeordnet sind.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

(a) Diskreter Pegelsensor

Wie aus den Zeichnungen hervorgeht, ist bei dem diskreten oder Punktsensor, der in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, eine optische Quellenfiber 1 optisch an eine Lichtquelle 5 angekoppelt, beispielsweise an eine lichtemittierende Diode oder eine Laserdiode, und eine optische Detektorfiber 2 ist optisch an einen Lichtdetektor 6 gekoppelt, beispielsweise eine Fotodiode oder einen Fototransistor. Die Fibern 1 und 2 sind in einem optisch transparenten Substrat 3 in derselben Ebene normal zu der ebenen Grenzflächenoberfläche 4 und in einem gleichen Winkel R zur Normalen angebracht, so daß der Einfallswinkel gleich dem Reflexionswinkel ist. Die Enden der optischen Fibern können poliert sein, unter Verwendung üblicher Läppfilmverfahren, oder können einfach gespalten oder geschnitten sein und in Sacklöchern angebracht sein, in welchen etwas Fluid oder Epoxi, mit einem Brechungsindex, der zu dem des Kernmaterials der optischen Fiber und des Subtratmaterials paßt, angebracht wurde, um irgendwelche optischen Verluste infolge einer Fehlanpassung des Brechungsindex zu minimalisieren, beispielsweise Fresnel-Verluste. Das geschlossene Ende jedes Loches liegt normalerweise so nahe an der Grenzflächenoberfläche 4 wie möglich, um den optischen Verlust des effektiv ungeführten Lichts infolge der effektiven Trennung der Enden der optischen Fibern zu minimalisieren. Im Falle eines Substratmaterials mit einem Brechungsindex von 1,5, der für Glas oder Nylon oder einen anderen Kunststoff typisch ist, und wenn die Flüssigkeit Wasser ist mit einem Brechungsindex von 1,33, oberhalb dessen sich Luft mit einem Brechungsindex von 1,00 befindet, betragen die kritischen Winkel für innere Totalreflexion 41,8º bzw. 62,5º für Luft bzw. Wasser. Wenn daher die optischen Fibern zwischen diesen beiden kritischen Winkeln angeordnet sind, beispielsweise bei 45º in Bezug auf die Normale, und in derselben Ebene, so daß der Einfallswinkel des Lichts, welches die optische Quellenfiber anregt, auf das Fenster zur Flüssigkeitsgrenzfläche gleich dem Brechungswinkel und dem des optischen Fiberdetektors ist, dann wird in Gegenwart von Luft innere Totalreflexion auftreten, und der Lichtdetektor 6 wird beleuchtet, was einen Zustand "ein" oder einen Zustand mit niedrigem Pegel (Fig. 2A) anzeigt. Ist die Flüssigkeit vorhanden, dann wird das die Quellenfiber anregende Licht überwiegend in die Flüssigkeit gebrochen, und der Lichtdetektor 6 ist dunkel, was einen Zustand "aus" oder einen Zustand mit hohem Pegel (Fig. 2B) anzeigt.
Mehrere derartige Punktdetektoren können im Gleichlauf verbunden sein, um eine kontinuierliche Pegelermittlung zu approximieren.

(b) Kontinuierlicher Pegelsensor unter Verwendung von Fluoreszenz

Ein wirklich kontinuierlicher Flüssigkeitspegelsensor kann mit einer etwas anderen Anordnung der optischen Fiber hergestellt werden, auf der Grundlage desselben optischen Prinzips, und mit einer ähnlichen Verpackungsanordnung. Bei dem in den Fig. 3A und 3B gezeigten kontinuierlichen Flüssigkeitspegelsensor sind die optische Quellenfiber 14 und die optische Detektorfiber 13 längs in das optisch transparente Substratmaterial 7 eingebettet. Die beiden optischen Fibern verlaufen parallel oder nahezu parallel zueinander und zu dem ebenen Sensorfenster 17. Zusätzlich schneidet ein Radius von jeder der zwei Fibern an dem Sensorfenster 17 oder nahe bei diesem, entsprechend der grundsätzlichen Reflexionsgesetze. Wie nunmehr aus Fig. 4 hervorgeht, ist der Kern der optischen Detektorfiber 13 mit einer fluoreszierenden Substanz dotiert, die dann, wenn sie durch eine optische Quelle kurzer Wellenlänge bestrahlt oder angeregt wird, Licht mit einer längeren Wellenlänge reemittiert. Normalerweise wird Licht, welches quer zu einer optischen Fiber verläuft und durch diese hindurch, also ungeführtes Licht, nicht in den optischen Wellenleiter eingekoppelt, da sein Einfallswinkel den kritischen Winkel überschreitet, der durch die Brechungsindizes des Kerns und der Hülle definiert wird. Allerdings emittieren bei der fluoreszierenden optischen Fiber die fluoreszierenden Orte (10) in Fig. 4 kugelförmig; ein Teil dieser Emission mit längerer Wellenlänge, wie er durch die Lichtkegel 9 in Fig. 4 bezeichnet ist, bleibt als geführtes Licht im Kern der optischen Fiber des Detektors, und breitet sich zu beiden Enden der optischen Fiber aus, von denen zumindest ein Ende so ausgebildet wurde, daß es eine optische Verbindung zu einem externen Lichtdetektor (16 in Fig. 3B) herstellt, etwa einer Fotodiode.
Wie wiederum aus Fig. 3B hervorgeht, ist die Quellenfiber 14 optisch an einem oder beiden Enden mit einer externen Lichtquelle 15 verbunden, die eine Laserdiode oder eine Blitzröhre sein kann, beispielsweise ein Xennonblitzlicht, von denen jede eine Wellenlänge oder Farbkomponente aufweist, die an die Fluoreszenzanregung angepaßt ist. Die Quellenfiber ist so ausgebildet, daß Licht verlorengeht oder entlang ihrer Länge emittiert wird, wodurch eine optische Linienquelle geschaffen wird. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Fiber abgeschliffen, gekratzt oder so modifiziert wird, daß sie einen Längsstreifen mit höherem Brechungsindexals dem des Kerns aufweist. Eine andere Vorgehensweise, um das Licht aus der Fiber "herauslecken" zu lassen, ist deren Anordnung in einer Reihe von Mikrobiegungen. Mit Spiegeln oder Reflexionsgittern 11 und Linsen 12, um das die Quellenfiber anregende Licht zurück in eine mehr radiale und fokussierte Richtung zu richten, wobei diese Richtung zwischen den kritischen Winkeln für Luft und die Flüssigkeit liegt, welche gemessen werden soll, und entlang der voranstehend erwähnten Schnittradien, erleuchtet die Linienquellenfiber 14 die fluoreszierende optische Fiber 13 des Detektors über innere Totalreflexion wie bei der vorhergehenden Ausführungsform, wobei das einfallende Licht proportional zur Länge der Sensorstirnfläche ist, die der Luft ausgesetzt ist, wie in Fig. 5 gezeigt. Dieses einfallende Licht ruft ein proportionales Fluoreszenzsignal in der optischen Detektorfiber hervor, welches dann zu dem externen Lichtdetektor geführt wird. Das Licht von der linienquellenförmigen optischen Fiber, welches unterhalb des Flüssigkeitspegels emittiert wird, wird in die Flüssigkeit hineingebrochen und breitet sich nicht zu der fluoreszierenden Fiber aus, an welcher es zu dem Fluoreszenzsignal beitragen würde. Das sich ergebende optische Signal, welches an dem Lichtdetektor empfangen wird, entspricht entgegengesetzt dem Flüssigkeitspegel.
Die in Fig. 3 gezeigten Linsen 12 sind konvex oder zylindrisch positiv, was für den Fall geeignet ist, in welchem der Brechungsindex der Linse größer ist als der des Mediums. Im umgekehrten Fall wären die Linsen konkav oder zylindrisch negativ.
Wenn ein Abschnitt des kontinuierlichen Sensors gegenüber anderen Reflexionen als der inneren Totalreflexion geschützt werden kann, etwa mit einer spiegelnden reflektierenden Oberfläche (18 in Fig. 3B) auf der Fenstergrenzfläche zu der Flüssigkeit, dann tritt immer ein Lichtsignal- Offset an dem Lichtdetektor auf, der dazu verwendet werden kann, die Unversehrtheit der optischen Verbindung von einschließlich der Lichtquelle bis zum Lichtdetektor anzuzeigen. Jeder Fehler in dieser Verbindung ist sofort ermittelbar, wodurch ein Selbstüberprüfungsmerkmal zur Verfügung gestellt wird. Die Anordnung des Reflektors 18 an der Basis der Anordnung gestattet ihm die Überwachung der Unversehrtheit sowohl des Sensors als auch der optischen Verbindung.
Die Leistung der Sensoranordnung in Figur kann dadurch verbessert werden, daß das Substrat 17 aus einer Reihe horizontaler Scheiben oder Laminate 19 aufgebaut wird, die mit einem lichtundurchlässigem Material 20 beschichtet sind, wie aus Fig. 6 hervorgeht. Das Ergebnis sind abwechselnde Schichten aus klarem und undurchlässigem Material, so daß nur Lichtstrahlen, die sich nahe der Horizontalrichtung ausbreiten, zur Detektorfiber hingelangen können, was eine erhöhte Genauigkeit der Pegelermittlung zur Folge hat.
Eine weitere Verbesserung ist die Hinzufügung eines vertikal angebrachten Abstandsstücks 21 aus lichtundurchlässigem Material, welches zwischen der Quellenfiber 14 und der Detektorfiber 13 angebracht ist, um zwischen ihnen eine direkte Lichtausbreitung zu verhindern. Daher ist das einzige Licht, welches sich zu dem Detektor ausbreitet, das Licht, welches von dem Fenster 17 reflektiert wurde (siehe Fig. 7).
Der Sensor kann zur Messung anderer Parameter als des Flüssigkeitspegels ausgebildet werden. Wenn sich das voranstehend beschriebene Abstandstück 21 vertikal in Reaktion auf eine extern aufgebrachte Kraft verschieben kann, dann ist das Lichtausgangssignal analog zur Amplitude der Kraft oder Verschiebung. Parameter wie etwa Temperatur und Druck könnten dadurch gemessen werden, daß die Bewegung des Gleitstücks in Reaktion auf die Ablenkung eines bimetallischen Elements oder einer Membran hervorgerufen wird.
Sollte im Gegensatz zum Pegel eine Flüssigkeitsmenge in unregelmäßig geformten Behältern gemessen werden, so könnten die relativen Positionen der Quellenfibern und der Detektorfibern so angeordnet werden, daß sie ein stärkeres Signal (beispielsweise: Fibern enger beieinander) in Teilen des Behälters ergeben, der eine größere Oberflächenfläche hat, und daher eine größere Flüssigkeitsmenge repräsentieren.
Ein schrittweises oder "digitales" Ausgangssignal könnte dadurch erzielt werden, daß die Detektorfiber 13 durch eine Fiber ersetzt wurde, die aus einer Reihe fluoreszierender Fibersegmente 22 besteht, die durch nichtfluoreszierende Fibersegmente 23 verbunden sind, wie in Fig. 8 gezeigt. Eine derartige Anordnung wäre unempfindlich auf Signalvariationen, die durch variierende Umgebungsbedingungen hervorgerufen werden, da das Vorhandensein eines Signals innerhalb eines gewissen Bereichs bekanntermaßen einen bestimmten Pegel anzeigen würde. Ein schrittweises Ausgangssignal könnte auch dadurch erreicht werden, daß die fluoreszierende Detektorfiber beibehalten wurde, jedoch die kontinuierliche Quellenfiber durch eine Reihe von Fibern unterschiedlicher Längen ersetzt würde (von denen jeweils eine an jeder "Stufe" endet). Die Fibern könnten eine gemeinsame optische Quelle miteinander teilen. Das Ausgangssignal würde einen "Zählwert" der Anzahl der exponierten Quellenfibern geben und daher den Flüssigkeitspegel anzeigen. Jede dieser Schrittausgangssignal- Anordnungen könnte nichtlinear angeordnet werden, um eine Flüssigkeitsmengenmessung (im Gegensatz zum Pegel) in unregelmäßig geformten Behältern zur Verfügung zu stellen, wie voranstehend beschrieben.

(c) Zylindrischer Fühler unter Verwendung von Fluoreszenz

Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform des Fluoreszenzfibersensors, bei welchem die Fibern in einen zylindrischen Wellenleiter eingebaut sind, um einen robusten und einfach zu reinigenden Fühler zur Verfügung zu stellen. Die optische Quellenfiber 24 ist in das Substrat in einem Winkel R&sub1; eingeführt, um die Innenoberfläche des Substrats 25 zu beleuchten. Die numerische Apertur (NA) der Quellenfiber ist durch n&sub5;sinR&sub2; gegeben, wobei n&sub5; der Brechungsindex des Substrats ist. Die NA der Quellenfiber sollte so gewählt sein, 2R&sub2; ≤ [(R)Flüssigkeit - (RC)Luft], für einen maximalen Sensor-Wirkungsgrad. Dann wird der Winkel R&sub1; so ausgewählt, daß R&sub1;-R&sub2; größer ist als der kritische Winkel für Luft, und R&sub1; + R&sub2; kleiner ist als der kritische Winkel für die zu messende Flüssigkeit.
Wenn Luft an der Oberfläche des Substrats vorhanden ist, so wird das Licht innen vollständig reflektiert, wie bei jedem optischen Wellenleiter, und breitet sich in Richtung auf das gegenüberliegende Ende des Sensors aus. Ist Flüssigkeit an der Oberfläche vorhanden, so wird ein Teil des Lichtes oder das gesamte Licht herausgebrochen und geht verloren.
Die optische Fiber 26 des Fluoreszenzdetektors fängt einen Teil des Lichtes ab, welches innen totalreflektiert wird, und dies führt zu einem optischen Intensitätsausgangssignal am Ende der Detektorfiber, welches kontinuierlich entsprechend der Länge des Substrats zunimmt, die sich oberhalb des Flüssigkeitspegels befindet. Wenngleich der Sensor einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt aufweisen kann, ist bei der bevorzugten Ausführungsform der Substrat-Wellenleiter kreisförmig, und ein Bündel optischer Quellenfibern ist radial aufgespleißt, wie aus Figur 10 hervorgeht, um den Kern des Sensors so gleichförmig wie möglich zu beleuchten, und die Fluoreszenzfiber 26 ist in das Substrat in der Nähe von dessen Oberfläche eingebettet, entlang der Länge des Sensors. Dies stellt sicher, daß die hauptsächlich schräg verlaufenden Strahlen nachgewiesen werden, wenn sie nicht weg in die Flüssigkeit gebrochen werden. Eine Detektorfiber entlang der Achse des Sensors wäre nur für die wenigeren Meridionalstrahlen empfindlich, und der Sensor wäre nicht so empfindlich. Die Detektorfiber sollte abgeschirmt sein, wie bei 26a in Fig. 9, in der Nähe der Oberseite des Sensors in dem Bereich, in welchem die Substratoberfläche noch nicht vollständig und gleichförmig beleuchtet ist.
Wird die Detektorfiber 26 in eine schraubenförmige Nut G in dem Substrat eingelegt, wie in Fig. 10 gezeigt, so kann die Steigung der Schraube variiert werden, also verringert entlang der Längserstreckung des Sensors, um jede Abschwächung der optische Quelle entlang der Länge des Sensors auszugleichen, oder um eine lineare Reaktion für unregelmäßige Behälterformen zur Verfügung zu stellen. Ein in Längsrichtung lineares Auslegen der Detektorfiber, wie in Fig. 9 gezeigt, kann allerdings die Herstellbarkeit des Sensors erleichtern.
Wird das Ende 25a des Substrats 25 reflektierend ausgebildet, dann breitet sich, wenn der Fluidpegel unterhalb des Endes 25a des Substrats 25 abfällt, das Licht von der Fiber oder den Fibern 24 entlang der Gesamtlänge des Substrats 25 aus, wird durch das verspiegelte Ende 25a reflektiert, und breitet sich zu dem Substrat 25 aus. Die in der Fiber 26 induzierte Fluoreszenz steigt daher abrupt an, infolge der Beleuchtung sowohl durch das sich nach unten ausbreitende als auch das sich nach oben ausbreitende Licht in dem Substrat 25, wenn sich das gesamte Substrat 25 außerhalb des Fluids befindet. Wenn irgendein Abschnitt des Substrats 25 von Fluid umgeben ist, so wird das Licht aus dem Substrat 25 herausgebrochen und erreicht nicht das Ende 25a. Das verspiegelte Ende 25a kann daher ein starkes Signal "Behälter leer" zur Verfügung stellen, wenn der Sensor zur Messung des Fluidpegels in einem Behälter verwendet wird.
Würde das Ende 25a nicht reflektierend ausgebildet, dann steigt die induzierte Fluoreszenz nahe dem Boden des Sensors weiter glatt an. Dies würde eine Linearisierung des Sensorausgangsignals erleichtern.
Ein schrittweises oder "entferntes" Ausgangsignal könnte dadurch erhalten werden, daß die Fluoreszenzdetektorfiber erhalten bliebe, jedoch die Anordnung der Quellenfibern in dem Bündel 24 geändert würde, so daß jede Quellenfiber 24a, b, c, d . . . in einer unterschiedlichen Entfernung entlang der Länge des Substrats endet (Fig. 11). Der Ausgang würde daher eine "Zählung" der Anzahl der exponierten Quellenfibern geben und daher den Pegel anzeigen. Jede dieser schrittweisen Ausgangsanordnungen könnte nichtlinear ausgebildet werden, um eine Flüssigkeitsmengenmessung (im Gegensatz zum Pegel) in unregelmäßig geformten Behältern zur Verfügung zu stellen.
Bei der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wurden bestimmte vorausgesetzte Annahmen vorgenommen in Bezug auf Bauteile, die bei Fiberoptikgeräten üblich sind. Beispielsweise kann, wie voranstehend erläutert, die Lichtquelle eine lichtemittierende Diode sein, eine Laserdiode, eine Blitzlampe wie etwa eine Xenonblitzlampe, oder eine mehr konventionelle Quelle. Der Detektor kann eine Fotodiode sein, ein Fototransistor oder ein Fotomultiplier. Etwas Fluid oder Epoxy mit einem Brechungsindex, der zu dem des Kernmaterials der optischen Fiber und des Substratmaterials paßt, kann in den Löchern oder Nuten in dem Substrat vorgesehen werden, welche die Fibern enthalten, wodurch irgendwelche optischen Verluste infolge einer Fehlanpassung des Brechungsindex (Fresnel-Verlust) minimalisiert werden.

(d) Unempfindlichkeit der Zuleitungsfibern

Der hier beschriebene kontinuierliche Pegelsensor ist ein Intensitäts- Sensor, da die Intensität des Fluoreszenzsignals den Flüssigkeitspegel angibt. Intensitätssensoren sind empfindlich auf Änderungen der Quellenintensität, der Detektorempfindlichkeit, oder der Abschwächungen in den optischen Fibern und Verbindern, die zu dem Sensor hin und von diesem weggehen, und alle diese Änderungen beeinflussen die festgestellte optische Intensität. Es ist häufig unmöglich, den Unterschied zwischen einer der angegebenen Änderungen und einer tatsächlichen Änderung der Meßgröße herauszufinden. Allerdings können Variationen der Zuleitungsfiberabschwächung nicht von dem Sensor toleriert werden, wie voranstehend beschrieben, wenn die Lichtquelle und der Lichtdetektor von dem Sensor entfernt angeordnet sind. Es müssen spezielle Verfahren eingesetzt werden, um die Empfindlichkeit gegenüber der Zuleitungsfiberabschwächung auszuschalten.
Verfahren, die in der Vergangenheit verwendet wurden, um die Zuleitungsfiberempfindlichkeit zu verringern, umfassen Mehrfachdurchgangsimpulse, eine Wellenlängenanbindung, Polarisierung, einen Dopplermodus, und Referenzwegverfahren. Von diesen Verfahren läßt sich nur die Wellenlängenanbindung einfach bei der vorliegenden Erfindung einsetzen, mit dem Nachteil, daß mehrere Koppler und Wellenlängen-Multiplexer zusätzlich erforderlich sind. Ein Reflexions/Transmissionsverfahren, welches zwei Lichtquellen und zwei Detektoren verwendet, wurde kürzlich von Beheim und Anthan vorgeschlagen (Applied Optics, Band 27, Nr. 13, 1. Juli 1988, Seite 2767-2775). Dieses Verfahren kann, wie nachstehend angegeben, zur Verwendung mit dem Fluoreszenzfiber-Brennstoffühler abgeändert werden.
Bei diesem Verfahren sind zwei Ausgänge erforderlich, die unterschiedliche Kurven der Intensität in Abhängigkeit von dem Flüssigkeitspegel aufweisen. Für den stangenartigen Fühler von Fig. 9 oder 10 sind geeignete Ausgänge das obere und untere Ende der Fluoreszenzfiber. Diese beiden Ausgänge verhalten sich unterschiedlich, infolge der Eigenabschwächung der Fluoreszenzfiber (der Abschwächung des Fluoreszenzsignals, während es sich in der Fluoreszenzfiber ausbreitet). Zusätzlich sind zwei Eingänge erforderlich, die unterschiedliche Reaktionen an den Ausgängen hervorrufen. Ein Eingang kann die normale Quellenfiber sein. Der zweite Eingang kann eine Fiber sein, die einfach rechtwinklig stumpf an die Fluoreszenzfiber anstößt, außerhalb des Flüssigkeitsmeßabschnitts des Fühlers. Der sich ergebende Aufbau ist in Fig. 12 dargestellt.
Um eine Ablesung vorzunehmen läuft das Verfahren so ab, daß zunächst nur die Quelle B eingeschaltet wird, und P&sub1;&sub8; und P&sub2;&sub8; gemessen werden, die optische Leistung am Detektor 1 bzw. 2. Dann wird die Quelle A eingeschaltet und P1A und P2A gemessen. Die Größe
Y = P&sub1;&sub8; P2A/P1A P&sub2;&sub8; (Gleichung I)
wird dann berechnet, die sich monoton mit dem Brennstoffpegel X ändert und unabhängig von den Abschwächungen in allen vier Zuleitungsfibern ist. Der theoretische Ausdruck für Y ist
(Gleichung II)
wobei αT der Abschwächungskoeffizient für Pumplicht ist, welches sich entlang des Fühlers nach unten ausbreitet, und αF der Selbstabschwächungskoeffizient der Fluoreszenzfiber ist. Ändert sich der Pegel X, so ändert sich auch die Größe Y, und es ist eine einfache Übung, die möglicherweise durch einen Mikrocomputer durchgeführt werden kann, unter Verwendung der voranstehenden Gleichungen den Brennstoffpegel X zu berechnen und anzuzeigen.

Claims

1. Anzeigegerät zur Anzeige des Pegels von Fluiden in einem Behälter, mit zumindest zwei optischen Fibern, von denen zumindest ein Abschnitt in ein transparentes Substratmaterial mit ähnlichen Brechungsindex eingebettet ist, eine der beiden Fibern optisch mit einer Lichtquelle verbunden und so ausgebildet ist, daß sie eine bestimmte Wellenlänge oder einen Wellenlängenbereich von Licht entlang ihrer Länge aussenden kann, die andere Fiber optisch mit einem Lichtdetektor verbunden und dotiert ist, so daß sie fluoresziert, wenn sie mit Licht beleuchtet wird bei der Wellenlänge bzw. den Wellenlängen, die von der Quellenfiber emittiert werden, wobei die beiden optischen Fibern so in Bezug auf die Substrat- Fluid-Grenzfläche angeordnet sind, daß die Quellenfiber anregendes Licht in die Detektorfiber eingekoppelt wird, wenn eine innere Totalreflexion an der Substrat-Fluid-Grenzfläche in der Gegenwart eines ersten Fluids auftritt, und eine Kopplung nicht in der Gegenwart eines zweiten Fluids auftritt, welches einen höheren Brechungsindex aufweist als das erste Fluid.

2. Gerät nach Anspruch 1, bei welchem die optischen Fibern der Quelle und des Detektors im wesentlichen parallel zueinander und parallel zu der Substrat-Fluid-Grenzfläche verlaufen.

3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Fibern der Quelle und des Detektors sowie die ebene Substrat-Fluid-Grenzfläche nicht parallel zueinander verlaufen, wobei die Abweichung gegenüber der Parallelität so ausgebildet ist, daß das optische Ausgangssignal in unregelmäßig geformten Behältern linearisiert wird, um so eine direkte Messung der Flüssigkeitsmenge zu geben.

4. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Spiegel, Reflexionsgitter, und/oder Linsen eingesetzt werden, um die radiale optische Kopplung zwischen der optischen Fiber der Quelle und der optischen Fiber des Detektors in dem Zustand der inneren Totalreflexion zu maximieren.

5. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abschnitt der Grenzfläche des Substrats mit dem Fluid reflektierend ist, so daß immer eine gewisse Reflexion auftritt, wodurch eine Selbstüberprüfungseigenschaft zur Verfügung gestellt wird.

6. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen konvex oder- zylindrisch positiv sind, wenn das Linsenmaterial einen höheren Brechungsindex aufweist als das Substratmaterial.

7. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen konkav oder zylindrisch negativ sind, wenn das Linsenmaterial einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als das Substratmaterial.

8. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß periodische, lichtundurchlässige Abstandsstücke das Substrat unterteilen, um Lichtstrahlen mit flachen Winkeln zu blockieren, welche die optische Fiber der Quelle anregen, und um ein Ankoppeln dieser Lichtstrahlen an die optische Fiber des Detektors durch andere Richtungen als die primäre Radialrichtung der inneren Totalreflexion zu verhindern.

9. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein lichtundurchlässiges Trennelement längs zwischen der optischen Fiber der Quelle und der optischen Fiber des Detektors angeordnet ist, um irgendeine optische Kopplung zwischen den beiden optischen Fibern durch eine andere als die innere Totalreflexion zu verhindern.

10. Gerät nach Anspruch 1, welches mit einer Reihe gebündelter Quellenfibern unterschiedlicher Längen versehen ist, wobei das Ausgangssignal der Fluoreszenzdetektorfiber schrittweise entsprechend dem Fluidpegel variiert.

11. Gerät nach Anspruch 1, bei welchem die Detektorfiber diskrete fluoreszierende Segmente aufweist, die abwechselnd mit nicht fluoreszierenden Segmenten verbunden sind, wodurch das Ausgangssignal schrittweise mit dem Fluidpegel variiert, und die Quellenfiber eine linienförmige Fiber ist.

12. Gerät nach Anspruch 1, bei welchem die Fibern innerhalb des Substrats so angeordnet sind, daß von der Quellenfiber emittiertes Licht den Kern des Substrats beleuchtet, der als ein längerer Wellenleiter dient, und (a) in die Detektorfiber eingekoppelt wird, wenn eine innere Totalreflexion an der Substrat-Fluid-Grenzfläche auftritt, was der Fall ist, wenn das erste Fluid mit verhältnismäßig niedrigem Brechungsindex vorhanden ist, oder (b) nicht in die Detektorfiber eingekoppelt wird, wenn eine Brechung an der Substrat-Fluid-Grenzfläche auftritt, was der Fall ist, wenn das zweite Fluid mit höherem Brechungsindex vorliegt, nämlich das Fluid, dessen Pegel gemessen werden soll.

13. Gerät nach Anspruch 12, bei welchem die Quellenfiber so ausgebildet ist, daß sie eine bestimmte Wellenlänge oder einen Wellenlängenbereich von Licht aussendet, um so eine Fluoreszenz bei längeren Wellenlängen in der Detektorfiber nur dann anzuregen, wenn innere Totalreflexion innerhalb des Substrats auftritt.

14. Gerät nach Anspruch 13, bei welchem das Substrat oder der Wellenleiter einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.

15. Gerät nach Anspruch 14, bei welchem sich die Fluoreszenzdetektorfiber in Längsrichtung der Länge des Sensors erstreckt und exzentrisch in Bezug auf die zentrale Achse angeordnet ist, um so die hauptsächlich schrägen Strahlen abzufangen.

16. Gerät nach Anspruch 14, bei welchem sich die Fluoreszenzdetektorfiber schraubenförmig entlang des Sensors und über dessen Länge um ihn herum erstreckt, um so die hauptsächlichen Schrägstrahlen abzufangen.

17. Gerät nach Anspruch 16, bei welchem die Steigung der Detektorfiberschraube verringert ist, um die Abschwächung der Lichtquelle entlang der Länge des Sensors zu kompensieren, oder variiert ist, um eine lineare Reaktion für unregelmäßige Behälterformen zur Verfügung zu stellen.

18. Gerät nach Anspruch 14, bei welchem die Fluoreszenzdetektorfiber gegenüber der Quellenbeleuchtung nahe der Oberseite des Sensors in dem Bereich abgeschirmt ist, in welchem der Kern des Substrats oder Wellenleiters noch nicht vollständig und gleichmäßig beleuchtet wird.

19. Gerät nach Anspruch 14, bei welchem das Ende des Substrats gegenüberliegend der Quelle verspiegelt ist, um eine abrupte Erhöhung der Fluoreszenz zur Verfügung zu stellen, wenn der Fluidpegel unter das Ende des Substrats absinkt.

20. Gerät nach Anspruch 14, bei welchem das Ende des Substrats gegenüberliegend der Quelle nicht reflektierend ausgebildet ist, um Linearisationserfordernisse zu vereinfachen.

21. Gerät nach Anspruch 13, bei welchem die Quellenfiber winklig angeordnet ist, so daß ihre numerische Apertur oder ihr Austrittskegel des Lichts das Prinzip der inneren Totalreflexion innerhalb des Substrats erfüllt, es sei denn, die zu messende Flüssigkeit wäre vorhanden.

22. Gerät nach Anspruch 14, bei welchem jede Quellenfiber eines Bündels von Quellenfibern radial aufgespreizt ist, um den Kern des Substrats gleichmäßiger zu beleuchten und den Lichtpegel zu Erzielung einer verbesserten Sensorleistung zu erhöhen.

23. Gerät nach Anspruch 15, 16 oder 22, bei welchem die Detektorfiber Segmente des Fluoreszenz-dotierten Materials aufweist, die durch Segmente nicht fluoreszierender Fiber getrennt sind.

24. Gerät nach Anspruch 22, bei welchem die das Quellenbündel bildenden Fibern auf unterschiedliche Längen geschnitten und an unterschiedlichen Entfernungen entlang des Substrats angebracht sind.

25. Gerät nach Anspruch 12, bei welchem zwei Quellenfibern und zwei Detektorfibern verwendet werden, um eine Unempfindlichkeit bezüglich Variationen der Zuleitungsfiberabschwächung, der Quellenintensität, und der Detektorempfindlichkeit zur Verfügung zu stellen.