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    公开号:WO1988001738A1
    申请号:PCT/DE1987/000383
    申请日:1987-08-28
    公开日:1988-03-10
    发明作者:Wolfgang Ruhrmann
    申请人:Wolfgang Ruhrmann；
    IPC主号:G01D5-00
    专利说明:
    [0001] A
    [0002] Opto-elektronischer Sensor.
    [0003] Die Erfindung "betrifft einen Sensor zur Umwandlung einer physikalischen Größe in ein elektrisches Ausgangssignal, mit einer Lichtquelle, aus der ein Bündel Lichtstrahlen in eine erste Fläche, vorzugsweise eine erste vordere Stirnfläche eines lichtleitenden Körpers eingekoppelt wird, wobei die Lichtstrahlen an einer Grenzfläche des Körpers in Abhängig¬ keit von der physikalischen Größe totalreflektiert bzw. aus dem Körper ausgekoppelt werden und die totalreflektierten Lichtstrahlen auf eine zweite Fläche, vorzugsweise eine der ersten Stirnfläche gegenüberliegende zweite, hintere Stirn- fläche fallen, und mit einer Mehrzahl lichtempfindlicher Elemente zum Erfassen eines von dem Bündel nach erfolgter Totalreflektion bzw. Auskopplung eingenommenen Winkelbe¬ reichs.
    [0004] Ein derartiger Sensor ist aus Patents abstracts of Japan, 21. Juni, 1980, Vol. 4/87 bekannt.
    [0005] Der bekannte Sensor dient zur Messung der Konzentration des Elektrolyten einer Blei-Akkumulatorbatterie. Er weist eine Lichtquelle auf, von der ein divergierendes Strahlenbündel durch eine Blende auf eine schräge Seitenfläche eines pris¬ matischen, lichtleitenden Körpers fällt. Eine untere, lang¬ gestreckte Grenzfläche des Körpers grenzt an den zu messen¬ den Elektrolyten. Die Lichtstrahlen des divergierenden Strahlenbündels, die auf die untere Grenzfläche fallen, werden dort, in Abhängigkeit von ihrem Auftreffwinkel und der Dichte des Elektrolyten entweder totalreflektiert oder aber aus dem Körper in den Elektrolyten ausgekoppelt. Die totalreflektierten Lichtstrahlen fallen auf eine weitere, ebenfalls geneigte Grenzfläche des prismatischen Körpers, auf der sich ein Gatter von lichtempfindlichen Elementen befindet. Je nach dem wie groß die Dichte des zu messenden Elektrolyten ist, verschiebt sich die Grenze zwischen den noch totalreflektierten und den ausgekoppelten Lichtstrahlen des Bündels auf der unteren Grenzfläche zu dem Elektrolyten und damit ebenfalls die entsprechende Grenzlinie der auf das Gatter lichtempfindlicher Elemente fallenden totalreflek¬ tierten Lichtstrahlen. Da auch dann, wenn Lichtstrahlen ausgekoppelt werden, ein Teilstrahl an der unteren Grenzflä¬ che reflektiert wird, ergibt sich, ber die Länge des Gat¬ ters der lichtempfindlichen Elemente gesehen, ein Intensi¬ tätsverlauf, der von einem verhältnismäßig niedrigen Signal- wert sprungartig zu einem verhältnismäßig hohen Signalwert ansteigt. Der bekannte Sensor mißt nun die Amplitude der auf die verschiedenen Elemente des Gatters fallenden Lichtstrah¬ len und zieht die jeweilige Position des sprungartigen Signalanstiegs auf dem Gatter als Maß für die Dichte des Elektrolyten heran.
    [0006] Der bekannte Sensor hat jedoch den Nachteil, daß er mit sehr hoher Präzision justiert werden muß, weil bei der nur einma¬ ligen Totalreflektion der Lichtstrahlen im prismatischen Körper bereits leichte DeJustierungen des einfallenden Bündels von .Lichtstrahlen zu erheblichen Verfälschungen des Meßergebηisses führen. Außerdem hat der bekannte Sensor den Nachteil, daß eine Messung der Dichte des Elektrolyten praktisch nur punktförmig erfolgt, nämlich in einem in der Praxis sehr kleinen Längenabschnitt der Grenzfläche, in dem der Übergang von der Totalreflektion zur Auskopplung vari¬ iert, so daß das Meßergebnis nur dann charakteristisch für den Zustand des Elektrolyten in einem Behälter, z.B. einer Akkumulatorbatterie insgesamt ist, wenn der Elektrolyt in der Batterie gleichförmig dieselbe Dichte aufweist. Dies ist jedoch in der Praxis keineswegs immer der Fall, weil zum einen sich leichtere, z.B. wärmere Elektrolytanteile oben im Akkumulator ansammeln, während sich schwerere Anteile unten absetzen, andererseits aber bei Akkumulatoren, die Bewegun¬ gen unterliegen, wie dies beispielsweise bei Kraftfahrzeugen der Fall ist, durch die Bewegung der Akkumulatoren ebenfalls räumliche Dichteschwankungen mit erheblichem Ausmaß auftre¬ ten können. Der bekannte Sensor kann nicht die Säuredichte• zwischen den Platten eines Akkumulators erfassen, und auch der Einbau in Rohre ist schwierig. Ein weiterer Nachteil des bekannten Sensors ist, daß er systematisch nur für eine einzige Meßaufgabe, nämlich die Messung der Dichte des an den prismatischen Körper angrenzenden Mediums geeignet ist. Schließlich hat der bekannte Sensor noch den Nachteil, daß das Meßergebnis in analoger Form vorliegt, weil die jeweili¬ ge Signalintensität an den einzelnen Elementen des Gatters erfaßt wird. Damit ist das Meßergebnis empfindlich gegenüber Drifterscheinungen aller Art, beispielsweise Alterungser¬ scheinungen der beteiligten optischen Elemente.
    [0007] Es sind weiter zahlreiche Sensoren bekannt, die auf opto¬ elektronischem Wege unter Ausnutzung der Brechungseigen¬ schaften eines Lichtleiters physikalische Größen in elektri¬ sche Ausgangssignale umwandeln, diese Senoren arbeiten jedoch ebenfalls sämtlich mit analoger Meßwerterzeugung, lediglich bei bekannten Sensoren zur Erfassung von Füllstän¬ den ist es bekannt, die Überschreitung eines einzigen be¬ stimmten Grenzwertes als digitales Ja/Nein-Signal anzuzei¬ gen, eine kontinuierliche digitale Füllstandsmessung ist damit jedoch ebenfalls nicht möglich.
    [0008] Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubil¬ den, daß er für eine Vielzahl von Meßaufgaben geeignet und unproblematisch in der Justierung ist, daß sich lokale Störungen in der Umgebung des Sensors nicht bemerkbar machen und daß schließlich vor allem eine kontinuierliche Digital¬ anzeige des jeweiligen AusgangsSignals möglich ist.
    [0009] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Körper als langgestreckter Lichtleiter ausgebildet ist, in dem Lichtstrahlen mehrfach totalreflektiert werden, daß die lichtempfindlichen Elemente in einem axialen Abstand von einer Stirnfläche angeordnet sind und eine Auftrefffläche für ein aus der Stirnfläche austretendes Bündel Lichtstrah¬ len bilden, und daß die Elemente an eine Auswerteschaltung mit einem Zähler angeschlossen sind, der die Anzahl der von dem Bündel beleuchteten oder alternativ der nicht beleuchte¬ ten Elemente als Ausgangssignal in digitaler Form abgibt. Nachfolgend wird nur die Zählung der beleuchteten Elemente näher betrachtet. Soll die Zahl der unbeleuchteten Ele¬ mente gezählt und ausgewertet werden, so muß die Gesamtzahl aller Elemente bekannt sein.
    [0010] Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird damit voll¬ kommen gelöst. Bei Verwendung eines langgestreckten Licht¬ leiters mit mehrfacher Totalreflektion werden zum einen Justierungsprobleme vermieden, weil sich über die Länge des Lichtleiters gesehen ohnehin gleichförmige Lichtstrahlenver¬ hältnisse ausbilden, außerdem werden in der Umgebung des Lichtleiters etwa bestehende Diskontinuitäten hierdurch ausgemittelt. Durch die Führung der Lichtstrahlen im Licht¬ leiter können zahlreiche unterschiedliche Meßaufgaben gelöst werden. So kann beispielsweise wie bei dem eingangs geschil¬ derten bekannten Sensor der Brechungsindex und damit auch die Dichte eines den Lichtleiter umgebenden Mediums unab¬ hängig von dessen Aggregatzustand gemessen werden, es sind weiterhin kontinuierliche Füllstandsmessungen möglich und es können auch geometrische Größen, insbesondere Längen auf diese Weise gemessen werden. Diese Aufzählung schränkt jedoch den Anwendungsbereich der Erfindung keineswegs ein. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, daß der Winkelbereich des aus dem Lichtleiter austretenden Bündels, mit anderen Worten der sogenannte "Akzeptanzkonus" in digi¬ taler Form ausgemessen wird, indem die Anzahl der bei einem bestimmten Wert der physikalischen Größe beleuchteten Ele¬ mente ausgezählt und angezeigt ird. Irgendwelche Alterungs- erscheinmgen oder sonstigen Drifterscheinungen wirken sich damit nicht störend auf das Meßergebnis aus, weil die Aus¬ werteschaltung für jedes einzelne lichtempfindliche Element nur eine Ja/Nein-Entscheidung trifft, so daß bei geeignet eingestelltem Triggerpegel für das jeweilige Element ohne Bedeutung ist, wie groß die Intensität des jeweils auftref¬ fenden Lichtstrahles ist bzw. wie sich der Konversionsfaktor von einfallendem Lichtstrahl zu abgegebener Spannung im Element selbst aufgrund von Alterungserscheinungen geändert hat.
    [0011] Insgesamt stellt die Erfindung damit einen universell ein¬ setzbaren, robusten, zuverlässigen und gegen Alterungser¬ scheinungen unempfindlichen Sensor zur Verfügung.
    [0012] Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die lichtempfindlichen Elemente in einem axialen Abstand von der zweiten Stirnfläche angeordnet.
    [0013] Diese Maßnahme ergibt einen besonders einfachen Aufbau des Lichtleiters, weil beispielsweise bei einem zylindrischen Lichtleiter das Strahlenbündel in die eine radiale Stirnflä¬ che eingekoppelt und der Akzeptanzkönus des aus der gegen¬ überliegenden radialen Stirnfläche austretenden Strahlenbün¬ dels gemessen wird. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die zweite Stirnfläche als Reflektor ausgebildet und die licht¬ empfindlichen Elemente sind in einem axialen Abstand von der ersten Stirnfläche angeordnet.
    [0014] "Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß unter Inkaufnahme eines etwas komplizierteren Aufbaus der Sensor nur von einer einzigen Seite her zugänglich sein muß, an der gleichzeitig das Licht in den Sensor eingekoppelt und zur Messung des Akzeptanzkonus wieder ausgekoppelt wird. Ein so gestalteter Sensor eignet sich damit insbesondere für Meßaufgaben an schwer zugänglichen Orten, beispielsweise zur Messung der Dichte oder des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem geschlossenen Behälter.
    [0015] Bei einer Variante dieses Ausführungsbeispiels ist der Lichtleiter in zwei axial beabstandete Abschnitte unterteilt und das Bündel wird in die erste Stirnfläche des ersten axialen Abschnittes eingekoppelt, während die lichtempfind¬ lichen Elemente in einem axialen Abstand von der ersten Stirnfläche des zweiten Abschnittes angeordnet sind.
    [0016] Eine weitere, ähnlichen Zwecken dienende Variante sieht vor, daß die erste Stirnfläche in zwei axial beabstandeten Stufen ausgebildet ist und daß das Bündel in die vordere Stufe eingekoppelt wird, während die lichtempfindlichen Elemente in einem axialen Abstand von der hinteren Stufe angeordnet sind.
    [0017] Diese beiden Varianten haben den gemeinsamen Vorteil, daß eine räumliche Trennung der Lichtquelle für das einzustrah¬ lende Bündel von den lichtempfindlichen Elementen für die Messung des Akzeptanzkonus möglich ist, weil diese beiden Vorgänge in axial beabstandeten Positionen des Lichtleiters stattfinden.
    [0018] Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Auftreffflache zur Achse des Lichtleiters geneigt.
    [0019] Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß bei Variation des Akzep¬ tanzkonus infolge der Neigung der Auftrefffläche eine Ver¬ größerung des Bereiches erzeugt wird, in dem der Rand des Akzeptanzkonus schwankt.
    [0020] Bei einer bevorzugten Ausgestaltung dieser Variante kann die Auftrefffläche auch in vorgegebener Weise gekrümmt verlau¬ fen, um auf diese Weise gegebenenfalls vorhandene Nichtli- nearitäten des Sensors zu kompensieren.
    [0021] Bei einem ersten Anwendungsbeispiel der Erfindung ist die physikalische Größe die Dichte eines den Lichtleiter umge¬ benden Mediums und der Lichtleiter ist nur mit seiner zwei¬ ten Stirnfläche optisch an das Medium gekoppelt.
    [0022] Bei einer Variante hierzu kann auch der Lichtleiter nur mit seiner Mantelfläche optisch an das Medium gekoppelt sein.
    [0023] Diese Maßnahmen haben den Vorteil, daß der Sensor konstruk¬ tiv an die jeweiliegen räumlichen Gegebenheiten des Meßortes optimal angepaßt werden kann.
    [0024] Der Lichtleiter kann sowohl mit seiner zweiten Stirnfläche als auch mit seiner Mantelfläche optisch an das Medium gekoppelt sein, wodurch die Empfindlichkeit des Systems erhöht werden kann. Erfindungsgemäß kann das Medium eine Flüssigkeit variabler Dichte sein, es können jedoch auch Gase variablen Drucks gemessen werden, weil die Dichte des Gases mit dessen Druck variier .
    [0025] Bei einem anderen. Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Sensors ist die physikalische Größe ein Füllstand einer Flüssigkeit. In diesem Falle taucht der Lichtleiter über einen Teil seiner axialen Länge in die Flüssigkeit und der optische Brechungsindex des Lichtleiters nimmt von seinem unteren Ende nach oben hin ab. Allgemeiner ausgedrückt, ist die physikalische Größe die Lage einer Grenzschicht zweier Medien, z.B. auch zwischen Flüssigkeiten mit unterschied¬ lichen Brechungsindizes.
    [0026] Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß kontinuierliche Füll¬ standsmessungen mit digitaler Meßwerterzeugung möglich sind, weil der Öffnungswinkel des Akzeptanzkonus von dem jeweils niedrigsten Brechungsindex bestimmt wird, der bei dem ge¬ schilderten Gradienten des Brechungsindex über die axiale Länge des Lichtleiters gerade derjenige ist, der sich an der Oberfläche der umgebenden Flüssigkeit befindet. Mit anderen Worten, der Öffnungswinkel des Akzeptanzkonus wird von einer maximalen Größe bei minimalem Füllstand kontinuierlich kleiner bis zu einem maximalen Füllstand, wobei diese Varia¬ tion des Äkzeptanzkonus in der beschriebenen Weise in einen digitalen Meßwert umgeformt wird.
    [0027] Bei einer Weiterbildung dieser Variante weist der Lichtlei¬ ter erfindungsgemäß axi 1 aneinandergesetzte Abschnitte mit unterschiedlichem optischem Brechungsindex auf. 1 0
    [0028] Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß der Lichtleiter einfa¬ cher hergestellt werden kann, weil für die Abschnitte auf vorhanαene Materialien zurückgegriffen werden kann.
    [0029] Bei einer weiteren Variante dieses Ausführungsbeispiels ist der Lichtleiter so bemessen, daß das Produkt seiner halben Dicke und des Tangens des Grenzwinkels der Totalreflektion des außerhalb der Meßflüssigkeit liegenden Lichtleiterma¬ terials zu dem dort umgebenden Medium wesentlich kleiner, vorzugsweise 1/3 bis 1/40 der Länge des Lichtleiters ist.
    [0030] Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß sich bei extrem niedri¬ gen Füllständen ein großer Signalsprung einstellt, wenn der Füllstand gerade eine Höhe über- bzw. unterschreitet, die dem Produkt der halben Dicke des Lichtleiters und des Tan¬ gens des genannten Grenzwinkels entspricht. Bis zu dieser Höhe des Füllstandes hat nämlich der Öffnungswinkel des Akzeptanzkonus einen sehr großen Wert, der dem Grenzwinkel Lichtleiter/ umgebendes Medium außerhalb der Flüssigkeit (Im allgemeinen: Luft) entspricht, während bei Überschreiten dieser Höhe der Öffnungswinkel schlagartig auf einen sehr viel niedrigeren Wert absinkt, der dem Grenzwinkel Lichtlei¬ termaterial/Flüssigkeit entspricht. Dieser Signalsprung ist bei den hier zur Diskussion stehenden Lichtleitermaterialien wesentlich größer als die Sprünge bei abschnittsweise hin¬ sichtlich ihres Brechungsindex gestuftem Lichtleiter, wie dies im vorhergehenden Abschnitt beschrieben wurde. Der sehr große Signalsprung kann daher vorteilhaft als "Reserveanzei¬ ge" verwendet werden, um dem Benutzer des Sensors zu signa¬ lisieren, daß der Füllstand auf einen sehr niedrigen unteren Grenzwert abgesunken ist. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung besteht der Licht¬ leiter aus Glas oder Kunststoff, z.B. Polymethylacrylat (PMMA).
    [0031] Diese Maßnahme hat auch den Vorteil, daß auf bekannte' Mate¬ rialien mit ebenfalls bekannten reproduzierbaren Eigenschaf¬ ten zurückgegriffen werden kann.
    [0032] Bei anderen Varianten der Erfindung weist der Lichtleiter ein lichtdurchlässiges Rohr auf, das mit einem Referenzmedi¬ um gefüllt ist, dessen chemische Zusammensetzung derjenigen des das Rohr umgebenden Meßmediums bei einem vorbestimmten Wert der physikalischen Größe entspricht.
    [0033] Diese, an sich aus der DE-PS 34' 02 374 bekannte Maßnahme hat den Vorteil, daß sich die Eigenschaften des Referenzmediums und des umgebenden Meßmediums bei Variationen der Umgebungs¬ bedingungen gleichermaßen ändern, so daß auch insoweit Drifterscheinungen ausgeschlossen werden können.
    [0034] Bei einer weiteren Variante der Erfindung weist der Licht¬ leiter lichtabgebenάe Elemente auf, die nach Bestrahlung mittels eines Primärlichtes Sekundärlicht abgeben.
    [0035] Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß statt einer diffusen Lichteinstrahlung in den Lichtleiter auch eine Einstrahlung mittels eines parallelen Bündels möglich ist, wobei dann die für die Erfindung erforderlichen diffusen Lichtstrahlen durch das Sekundärlicht dargestellt werden. Dies kann bei¬ spielsweise dadurch geschehen, daß das Primärlicht auf 1 2
    [0036] Stδrstellen (Farbzentren) im Lichtleiter trifft, daß diffus reflektierende Grenzflächen, auf die das Primärlicht trifft, vorgesehen werden oder daß der Lichtleiter mit Lumineszenz¬ zentren versehen wird, die ihrerseits Sekundärlicht erzeu¬ gen.
    [0037] Dieses Aufführungsbeispiel ist besonders für einen dritten Anwendungsbereich der Erfindung geeignet, bei dem die physi¬ kalische Größe eine Länge ist. In diesem Falle ist vorgese¬ hen, daß der optische Brechungsindex des Lichtleiters in axialer Richtung von einer Stirnfläche des Lichtleiters an zunimmt, daß das Bündel Lichtstrahlen in radialer Richtung im Abstand der Länge von der Stirnfläche seitlich auf dem Lichtleiter trifft und daß die lichtempfindlichen Elemente im axialen Abstand von der Stirnfläche angeordnet sind.
    [0038] Dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung, das somit eben¬ falls vom zentralen Gedanken der Erfindung Gebrauch macht, die Variation des Akzeptanzkonus auf digitale Weise zu erfassen, hat somit den Vorteil, daß eine Länge berührungs¬ los gemessen werden kann, weil je nach Brechungsindex des lumineszierenden Lichtleiterbereiches, auf den der radiale Meßstrahl fällt, am stirnseitigen Ende ein Strahlenbündel austritt, dessen Akzeptanzkonus vom Brechungsindex des genannten Lichtleiterbereiches abhängt.
    [0039] Auch bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann, ebenso wie dies bereits weiter oben zum Anwendungsbereich der Füllstandsmessung geschildert wurde, entweder ein Licht¬ leiter mit kontinuierlich variierendem Brechungsindex oder aber ein gestufter Lichtleiter mit Abschnitten unterschied¬ lichen Brechungsindexes verwendet werden. Schließlich ist noch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung bevorzugt, bei dem die Lichtquelle an einem Pulsgenerator angeschlossen ist und die Auswerteschaltung einen Differenz¬ bildner aufweist, dessen Eingängen die Maßwerte bei einge¬ schalteter bzw. ausgeschalteter Lichtquelle zuführbar sind.
    [0040] Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß durch Messungen in den Impulspausen Fremdlichteinflüsse ausgemessen und damit kompensiert werden können.
    [0041] Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
    [0042] Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend erläuterten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination sondern auch in anderen Kombinatio¬ nen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
    [0043] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
    [0044] Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Lichtleiters zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung;
    [0045] Fig. 2 eine Darstellung eines Strahlenganges, wie er im Lichtleiter gemäß Fig. 1 auftritt;
    [0046] Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer flächenhaf¬ ten Lichtmeßanordnung zur Verwendung beim erfin¬ dungsgemäßen Sensor; Fig. 4 eine Variante des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 3 πiit linienförmiger Lichtmeßanordnung;
    [0047] Fig. 5 eine erste Variante eines erfindungsgemäßen
    [0048] Sensors zur Messung αer Dichte eines Mediums;
    [0049] Fig. 6 eine zweite Variante hierzu;
    [0050] Fig. 7 eine dritte Variante hierzu;
    [0051] Fig. 8 eine vierte Variante hierzu;
    [0052] Fig. 9a und 9b ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemä¬ ßen Sensors zur Messung eines Füllstandes mit zugehöriger Kennlinie des Brechungsindex über die Länge des verwendeten Lichtleiters;
    [0053] Fig. 10 eine Variante des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 9a mit gestuftem Lichtleiter;
    [0054] Fig. 11a bis 11c eine Detaildarstellung des Sensors gemäß
    [0055] Fig. 9 oder Fig. 10 zur Erläuterung einer erfin¬ dungsgemäß möglichen Reserveanzeige;
    [0056] Fig. 12 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors zur Messung einer Länge;
    [0057] Fig. 13 eine erste Variante einer erfindungsgemäßen
    [0058] Konfiguration eines Lichtleiters zur Verwendung bei einem der Sensoren gemäß den Fig. 5 bis 11; Fig. 14 eine zweite Variante hierzu;
    [0059] Fig. 15 eine dritte Variante hierzu, jedoch zur Verwen¬ dung bei einem der Sensoren der Fig. 5 bis 12;
    [0060] Fig. 16 einen stark schematisierten^Stromlaufplan zur
    [0061] Erläuterung der Beschaltung eines erfindungsgemä¬ ßen Sensors;
    [0062] Fig. 17 eine weitere Variante, ähnlich Fig. 1, zur Erhö¬ hung der Meßemp indlichkeit eines erfindungsgemä¬ ßen Sensors.
    [0063] In Fig. 1 bezeichnet 1 eine Lichtquelle, aus der ein diver¬ gierendes Strahlenbündel 2 aus- und in eine benachbarte obere Stirnfläche 3 eines zylindrischen Lichtleiters 10 eintritt. Die punktf r ige Lichtquelle 1 mit dem divergie¬ renden Strahlenbündel 2 ist hier nur beispielhaft zu verste¬ hen, es wird weiter unten noch erläutert werden, daß auch parallele Strahlenbündel verwendet werden können, aus denen divergierendes Sekundärlicht im Inneren des Lichtleiters abgeleitet wird.
    [0064] In Fig. 1 erkennt man mit 11 einen ersten, axial gerichteten Lichtstrahl, der den Lichtleiter 10 ohne weitere Umlenkung oder Behinderung durchsetzt. Mit 12a, 1 b ist ein zweiter Lichtstrahl gekennzeichnet, der so flach auf eine Mantelflä¬ che 19 des Lichtleiters 10 trifft, daß er totalreflektiert wird. Auch der Lichtstrahl 12a, 12b setzt somit seinen Weg durch die Lichtleiter 10 in axialer Richtung fort. Mit 13a, 13b ist hingegen ein dritter Lichtstrahl bezeichnet, der unter einem solch steilen Winkel auf die Mantelfläche 19 trifft, daß er aus dem Lichtleiter 10 ausgekoppelt wird. 1 6
    [0065] Dies bedeutet im Ergebnis, daß nach mehreren Reflektionsvor- gängen im Lichtleiter 10 nur noch Lichtstrahlen 11 oder 12a, 12b geführt werden, die entweder streng axial oder so flach gerichtet sind, daß sie an der Mantelfläche 19 totalreflek¬ tiert werden. Hierdurch entsteht ein sogenannten "Akzeptanz¬ konus" 14, womit man die Gestalt eines aus einer unteren Stirnfläche 16 austretenden divergierenden Bündels 17 von Lichtstrahlen bezeichnet.
    [0066] In einem axialen Abstand h von der unteren Stirnfläche 16 ist eine Auftrefffläche 15 definiert. Bezeichnet man den Öffnungswinke! des Akzeptanzkonus 14 mit ß , so ergibt sich in der Auftrefffläche 15 bei kreisförmiger unterer Stirnflä¬ che 16 eine kreisförmige Lichtfläche mit einem umlaufenden -Ringbereich der radialen Breite x, die vom Winkel und dem axialen Abstand h abhängt.
    [0067] Ändert sich nun infolge einer Veränderung der Brechungsver¬ hältnisse im Lichtleiter 10 oder im umgebenden Medium der Grenzwinkel der Totalreflektion, ändert sich ebenfalls der Winkel ß> und damit das Maß x.
    [0068] In Fig. 2 sind die zur Fig. 1 erläuterten Verhältnisse nochmals zur Quantifizierung des sich einstellenden Effektes dargestellt. Im Lichtleiter 10 sei jetzt ein vierter Licht¬ strahl 18 geführt, dessen Abschnitt 18a gerade unter dem Grenzwinkel < C m der Totalreflektion auf die Mantelfläche 19 trifft. Anschaulich ausgedrückt bedeutet dies, daß alle in dem schraffierten Bereich der Fig. 2 einfallenden Licht¬ strahlen totalreflektiert werden, während alle steiler als der Lichtstrahl 18 einfallenden Strahlen aus dem Lichtleiter 10 ausgekoppelt werden. Der Lichtstrahl 18 wird in seinem Abschnitt 18a nun (gerade noch) totalreflektiert und ein reflektierter Abschnitt 18b trifft auf die untere Stirnflä¬ che 16. Unter der Voraussetzung, daß der Lichtstrahlab¬ schnitt 18b außerhalb des Totalreflektionsbereiches der an der unteren Stirnfläche 16 herrschenden Brechungsverhältnis¬ se auftritt, wird ein Abschnitt 18c des Lichtstrahls 18 aus der unteren Stirnfläche 16 ausgekoppelt und zwar unter einem Winkel ß> , der gerade dem Öffnungswinkel ß> des Akzeptanzko¬ nus 14 in Fig. 1 entspricht.
    [0069] Bezeichnet man mit n. den Brechungsindex des Lichtleiters 10, mit den Brechungsindex des den Lichtleiter 10 im Bereich seiner Mantelfläche 19 umgebenden Mediums und mit n + den Brechungsindex des den Lichtleiter 10 an der unteren Stirnfäche 16 umgebenden Mediums, so kann man zei¬ gen, daß für den Öffnungswinkel ß des Akzeptanzkonus 14 gilt:
    [0070]
    [0071] Wobei selbstverständlich gilt, daß n. größer ist als n und nsx, • Für den Fall, daß die Brechungsverhältnisse an der Mantelfläche 19 und an der Stirnfläche 16 gleich sind, d.h. na = nst, , vereinfacht sich die angegebene Formel entsprechend.
    [0072] Man erkennt somit, daß die in Fig. 1 zu erkennende Breite x über den Öffnungswinkel /-> und den Abstand h unmittelbar ein Maß für die Brechungsverhältnisse des Lichtleiters 10 zu dem ihn umgebenden Medium ist. 18
    [0073] Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, die Breite x in digita¬ lisierter Form als Meßwert auszugeben.
    [0074] Fig. 3 zeigt hierzu ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem wiederum der Lichtleiter 10 zu erkennen ist, aus dem ein Lichtstrahlenbündel in Gestalt des Akzeptanzkonus 14 unten austritt. Zusätzlich ist gestrichelt ein Akzeptanzko¬ nus 14a eingezeichnet, der einen zweiten Meßwert symbolisie¬ ren soll.
    [0075] Unterhalb des Lichtleiters 10 ist im axialen Abstand in der gedachten Auftrefffläche eine flächiges Detektorarray 22 zu erkennen, das beispielsweise als Ladungsverschiebungs-Halb— leiterbauelement (CCD) ausgebildet sein kann. Das Detek¬ torarray 22 besteht aus einer Vielzahl in einer Fläche verteilter Detektorelemente 23, die individuell angesteuert und ausgelesen werden können. Eine symbolisiert dargestellte Datenleitung 24 führt zu einer Auswerteschaltung 25, die im wesentlichen einen digitalen Zähler enthält.
    [0076] Im dargestellten Beispielsfall des durchgezogen eingezeich¬ neten Akzeptenzkonus 14 werden die in Fig. 3 schraffierten 8 Detektorelemente beleuchtet, so daß nach Auszählung dieser Elemente über die Datenleitung 24 in der' Auswerteschaltung 25 am Ausgang derselben ein Digitalwert "8" ausgegeben wird. Man kann dabei durch entsprechende Vielzahl von Detektor¬ elementen 23 eine nahezu beliebige Auflösung des Meßerge¬ bnisses erzielen und, sofern dies praktisch noch von Bedeu¬ tung sein sollte, durch Einstellung einer bestimmten Trig¬ gerschwelle für nur teilweise beleuchtete Detektorelemente 23 einen Grenzwert vorgeben, von dem ab ein Detektorelement 23 als beleuchtet oder unbeleuchtet gezählt wird. Auch eventuelle Grau-Übergänge im Randbereich des Akzeptanzkonus 14 lassen sich auf diese Weise präzise definieren.
    [0077] Man erkennt aus Fig. 3 ohne weiteres, daß bei einer Vergrö¬ ßerung des Akzeptanzkonus 14 in einen Konus 14a (gestrichelt eingezeichnet) eine entsprechend größere Anzahl von Detek¬ torelementen 23 beleuchtet und damit auch ein entsprechend größerer Digitalwert am Ausgang der Auswerteschaltung 25 angezeigt wird.
    [0078] Fig. 4-zeigt eine Variante, bei der der Abstand x aus Fig. 1 nicht durch eine Flächenmessung wie in Fig. 3 sondern nur durch eine Messung entlang einer Geraden bestimmt wird. Es ist hierzu ein lineares Detektorarray 26 vorgesehen, bei¬ spielsweise ein lineares Diodengatter oder dergleichen. Man erkennt aus Fig. 4, daß im Falle des durchgezogen einge¬ zeichneten Akzeptanzkonus 14 vier Detektorelemente 23 be¬ leuchtet werden, die in Fig. 4 wiederum schraffiert worden sind, während bei einer Öffnung des Akzeptanzkonus auf einen Wert 14a im dargestellten Beispielsfalle sechs Detektorele¬ mente beleuchtet werden. Auch in diesem Falle wird die Zahl der beleuchteten Detektorelemente ausgezählt und am Ausgang der Auswerteschaltung 25 in Form eines Digitalwertes ausge¬ geben.
    [0079] Die Fig. 5 bis 8 zeigen vier Ausführungsbeispiele, bei denen der erfindungsgemäße Sensor zum Messen der Dichte eines umgebenden Mediums, insbesondere einer Flüssigkeit, einge¬ setzt wird. Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein Lichtlei¬ ter 29 im Bereich seiner Mantelfläche 19 von einer Verspie- gelung 30 umgeben ist, so daß Licht nur aus der unteren Stirnfläche 16 austreten kann. Der Lichtleiter 26 durchsetzt eine Bohrung einer Wand 31 eines Flüssigkeitsbehälters. An einer gegenüberliegenden, von der unteren Stirnfläche 16 beabstandeten Wand 32 des Behälters befindet sich das Detek- torarray 22, dessen Datenleitung 24 durch die Wand 32 nach außen geführt ist. Der Lichtleiter 29 ist von einer Meßflüs¬ sigkeit 33 umgeben, deren Dichte gemessen werden soll. Die Verspiegelung kann aus Metall oder aus einer transparenten Umhüllung (cladding) mit geringerem Brechungsindex als der Lichtleiter selbst bestehen.
    [0080] Das In den Lichtleiter 29 am nicht dargestellten oberen Ende eintretende Strahlenbündel 2 durchsetzt nun den Lichtleiter 29 in axialer Richtung, wobei aus der Mantelfläche 19 infol¬ ge der Verspiegelung 30 keine Lichtstrahlen austreten. Dies ist nur an der unteren Stirnfläche 16 der Fall und wegen des bereits erläuterten optischen Mechanismus tritt Licht aus der Stirnfläche 16 nur im Akzeptenzkonus 14 aus, der auf die beschriebene Weise mittels des Detektorarrays 22 ausgemessen wird.
    [0081] Da sich die Brechungsverhältnisse an der unteren Stirnfläche 16 in Abhängigkeit von der Dichte der Meßflüssigkeit 33 ändern, ist der Öffnungswinke1 des Akzeptanzkonus 14 bei der Anordnung gemäß Fig. 5 unmittelbar ein Maß für die Dichte der Meßflüssigkeit 35- Es versteht sich, daß statt einer Meßflüssigkeit 33 zwischen den Wänden 31 , 32 auch ein Gas umschlossen sein kann, dessen Dichte sich mit dem Gasdruck ändert, so daß auf diese Weise eine Gasdruckmessung möglich ist.
    [0082] Fig. 5 kann in folgender Weise abgewandelt weden: An die Stelle der Elemente 22 tritt eine Lichtquelle, und die Elemente 22 werden in axialem Abstand von der nicht gezeig¬ ten oberen Stirnfläche des Lichtleiters 29 oberhalb von diesem angeordnet.
    [0083] Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Lichtemes¬ sung, bei dem ein Lichtleiter 34 durch zwei miteinander fluchtende Öffnungen in den Wänden 1 , 32 des Behälters für die Meßflüssigkeit 33 geführt ist. Im Bereich der Durchgänge sind Verspiegelungen 30, 30a an der Mantelfläche 19 ange- bracht,' während die Mantelfläche 19 im übrigen von der Meßflüssigkeit 33 umspült wird.
    [0084] Das Strahlenbündel in Gestalt des Akzeptanzkonus 14 tritt bei diesem Ausführungsbeispiel also außerhalb des Behälters aus dem Lichtleiter 34 aus und trifft auf das im axialen Abstand angeordnete Detektorarray 22 zu der bereits be¬ schriebenen Meßwertverarbeitung.
    [0085] Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 bestimmen somit die Brechungsverhältnisse im Bereich der Mantelfläche 19 des Lichtleiters 34 die Messung, vom Ergebnis her entspricht der Meßwert jedoch dem der Anordnung gemäß Fig. 5- 22
    [0086] Fig. 7 zeigt eine weitere Variante hierzu, bei der ein Lichtleiter 35 in zwei axial gegeneinander abgesetzte Ab¬ schnitte 35.a, 35b unterteilt ist. Der obere Abschnitt 35a ist mit einer oberen Stirnfläche 3a versehen, in die das Strahlenbündel 2 eingekoppelt wird. Unterhalb der unteren Stirnfläche des oberen Abschnittes 35a befindet sich entwe¬ der ein flächiges Detektorarray mit einer mit dem Lichtlei¬ ter 35 fluchtenden Öffnung oder seitlich zwei voneinander getrennte Detektorarrays 22a, 22b, wie dies in Fig. 7 darge¬ stellt ist, die zwischen sich einen entsprechenden Freiraum offen lassen, durch den das Strahlenbündel 2' , das unten aus dem oberen Abschnitt 35a ausgetreten ist, hindurchtreten kann.
    [0087] Der untere Abschnitt 35b durchsetzt eine Bohrung in der Wand 31 des Behälters für die Meßflüssigkeiten 33« Abgesehen von einer Verspiegelung 30 im Bereich des Durchganges durch die Wand 31 ist der untere Abschnitt 35b im Bereich seiner Mantelfläche 19 unverspiegelt und grenzt unmittelbar an die Meßflüssigkeit 33- Die untere Stirnfläche 16 ist jedoch mit einem Spiegel 36 oder einem anderen geeigneten Reflektor versehen. Dies bedeutet, daß ein im unteren Abschnitt 35b geführter Lichtstrahl 37 nach Auftreffen auf den Spiegel 36 wieder nach oben geleitet wird, so daß an einer oberen Stirnfläche 3b des unteren Abschnittes 35b ein Strahlenbün¬ del in Gestalt des Akzeptanzkonus 14 austritt. Der Öffnungs¬ winkel des Akzeptanzkonus 14 wird nun wiederum in der be¬ schriebenen Weise durch das Detektorarray 22a, 22b ausgemes¬ sen. Ein Lichtleiter 40, der wiederum die obere Wand 31 des Behälters für die Meßflüssigkeit 33 durchsetzt, ist im Bereich dieses Durchsatzes als unterer Abschnitt mit größe¬ rem Durchmesser ausgebildet, an den sich ein oberer Ab¬ schnitt 40a mit kleinerem Durchmesser anschließt. Der untere Abschnitt 40b weist dadurch eine kreisringförmige Stirnflä¬ che 41b auf-, während der obere Abschnitt 40a eine kreisför¬ mige Stirnfläche 41a aufweist. In diese Stirnfläche 41a trift das Strahlenbündel 2 ein und gelangt in den unteren Abschnitt 40b, von dem ab nach unten der Sensor gemäß Fig. 8 ebenso wie der gemäß Fig. 7 ausgebildet ist. Das vom unteren Ende des Lichtleiters 40 an dessen in Fig. 8 nicht darge¬ stellten Spiegel reflektierte Licht tritt nun durch die kreis-ringförmige Stirnfläche 41b des unteren Abschnittes 40b aus und gelangt auf das Detektorarray 22a, 22b, das wiederum entsprechend Fig. 7 ausgebildet ist.
    [0088] Mit einer weiteren Gruppe von Ausführungsbeispielen der Erfindung, wie sie in den Fig. 9 bis 11 dargestellt sind, ist eine Messung des Füllstandes einer Flüssigkeit mit einem Sensor der erfindungsgemäßen Art möglich.
    [0089] 24
    [0090] Fig. 9a zeigt hierzu einen langgestreckten Lichtleiter 50, der über einen Teil seiner axialen Länge in die Meßflüssig¬ keit 33 taucht, die wiederum in dem Behälter mit den Wänden 31, 32 enthalten sei. Der Lichtleiter 50 ist an seiner unteren Stirnfläche 16 wiederum mit einem Spiegel 6 verse¬ hen, so daß die Meßanordnung an sich mit derjenigen überein¬ stimmt, wie sie bei der Formel zu den Fig. 7 oder 8 für den Fall der Dichtemessung dargestellt wurde.
    [0091] Als Besonderheit bei der Anordnung gemäß Fig. 9a tritt jedoch hinzu, daß der Brechungsindex n des Lichtleiters 50 über dessen axiale Länge z variiert. Der Verlauf des Bre¬ chungsindex n über die axiale Länge z ist in Fig. 9b darge¬ stellt und man erkennt, daß der Brechungsindex n mit etwa 1,6 a unteren Ende seinen höchsten Wert und mit etwa 1 ,4 am oberen Ende seinen niedrigsten Wert einnimmt.
    [0092] Es wurde bereits eingangs in den grundlegenden Erläuterungen des Wirkungsmechanismus der erfindungsgemäßen Sensoren zu den Fig. 1 und 2 erläutert, daß der Öffnungswinkel /-» des Akzeptanzkonus 14 umso kleiner ist, je geringer der Bre¬ chungsindex des Lichtleitermateriales ist. Anschaulich dargestellt bedeutet dies, daß bei geringem Brechungsindex des Lichtleitermaterials immer mehr Lichtstrahlen aus dem Lichtleiter ausgekoppelt werden und nur noch die ganz flach, d.h., nahezu parallel zur Lichtleiterachse verlaufenden Lichtstrahlen im Lichtleiter geführt werden. Dies bedeutet für den Fall, daß der Brechungsindex über der Länge des Lichtleiters variiert, daß derjenige Bereich des Lichtlei¬ ters den Akzeptanzkonus begrenzt und damit definiert, der den niedrigsten Brechungsindex aufweist. Im Falle des Ausführungsbeispiels der Fig. 9a und 9b ist dies jedoch - im Verhältnis zur umgebenden Meßflüssigkeit 33 - immer derjenige Bereich des Lichtleiters 50, der an die Oberfläche der Flüssigkeit 33 angrenzt, d.h. einen Füllstand 51 definiert.
    [0093] Wenn also bei der Darstellung in Fig. 9a der Füllstand 51 von einem oberen Maximalwert zu einem unteren Minimalwert absinkt, bedeutet dies, daß ein am nicht-άargestellten oberen Ende des Lichtleiters 50 austretender Akzeptanzkonus mit abnehmendem Füllstand 51 seinen Öffnungswinkel ß ver¬ größert, so daß auf die zu den Fig. 3 und 4 geschilderte Weise eine digitale Püllstandsmessung möglich ist.
    [0094] Beim Lichtleiter 50 mit dem Brechungsindex-Gradienten gemäß Fig. 9b kann diese Charakteristik dadurch erzeugt werden, daß beispielsweise bei einem Kunststoff-Lichtleiter der Polymerisationsgrad über die Länge eingestellt wird. Auch eine Veränderung des Brechungsindex über selektive Druckein¬ wirkung, Bestrahlung oder dergleichen ist denkbar.
    [0095] Statt eines Lichtleiters 50 mit kontinuierlich variierendem Brechungsindex n kann auch, wie dies Fig. 10 zeigt, ein Lichtleiter verwendet werden, der in eine Mehrzahl von axial aneinandergrenzenden Abschnitten 53 unterteilt ist. Die Abschnitte 530, 53-] 53^ sind dabei so ausge¬ bildet, daß deren zugehörige Brechungsindizes nQ, n. , n d_.... n32. von unten nach oben abnehmen. Die Kennlinie der
    [0096] Fig. 9b für den Lichtleiter 50 der Fig. 9a würde also ten¬ denziell gleich, jedoch in leicht gestufter Gestalt verlau¬ fen. Die Abschnitte 53 können darüberhinaus auch in sich je wiederum mit kontinuierlich variierendem Brechungsindex n versehen sein, so daß durch die Stufung der Abschnitte 53 eine Grobmessung und durch deren axial variierendem Bre¬ chungsindex n zusätzlich eine Feinmessung innerhalb jenes Abschnittes 53 möglich ist..
    [0097] In den Fig. 11a bis 11c ist noch ein Phänomen dargestellt, das sich bei den Lichtleitern 50 gemäß Fig. 9a, 9b oder 2 gemäß Fig. 10 einstellt und von besonderem Vorteil ist, um geringe Restmengen von Meßflüssigkeit 33 anzuzeigen. Dies ist beispielsweise bei der Füllstandsanzeige in Benzintanks von Kraftfahrzeugen von besonderem Vorteil, wenn dort eine "Reserveanzeige" als besonders hervorstechender Wert einge¬ richtet werden soll, um den Fahrer darauf aufmerksam zu machen, daß der Benzinvorrat unter eine bestimmte Mindest¬ menge abgesunken ist.
    [0098] Zur Erläuterung dieses Phänomens in den Fig. 11a bis 11c sei zunächst auf Fig. 11c verwiesen, wo ein Lichtleiter 59 der Breite d mit seiner Längsachse 64 dargestellt ist. Am unte¬ ren Ende des Lichtleiters 59 sind die beiden Grenzwinkel der Totalreflektion c mj für den Fall von den Lichtleiter 59 umgebender Luft und σC TI. für den Fall von den Lichtleiter 59 umgebender Meßflüssigkeit 33 dargestellt.
    [0099] In Fig. 11a ist mit 60 ein von oben eintretender Lichtstrahl bezeichnet, der so geneigt ist, daß er gerade unter dem Grenzwinkel 06 für umgebende Luft verläuft und damit an der von Luft umgebenen Mantelfläche 19 des Lichtleiters 59 totalreflektiert wird. Bei dem in Fig. 11a eingezeichneten sehr niedrigen Füllstand 61 bedeutet dies, daß - obwohl ein sehr kleiner unterer Teil des Lichtleiters 59 noch von Meßflüssigkeit 33 umgeben ist -, dieser Lichtstrahl 60 über den Spiegel 36 und die Mantelfläche 19 wieder nach oben reflektiert wird und damit am oberen Ende des Lichtleiters 59 einen Akzeptanzkonus definiert, dessen ffnungswinkel vom Grenzwinkel σC „,.. für umgebende Luft definiert, d.h. sehr groß ist.
    [0100] Diese Reflektion von Lichtstrahlen 60 mit einer Neigung bis hin zum Grenzwinkel σC für umgebende Luft ist so lange möglich, bis der Füllstand 61 eine in Fig. 11a eingezeichne¬ te Höhe 62 erreicht hat. Die Höhe 62 ergibt sich aus der Schnittlinie eines Kegels 63 um die Achse 64 des Lichtlei¬ ters 59, wobei der Außenwinkel des Kegels 63 gerade gleich dem Grenzwinkel c ^r für umgebende Luft ist. Übersteigt der Füllstand die Höhe 62, ist eine Reflektion von Licht¬ strahlen 60 an das obere Ende des Lichtleiters 59 hin nicht mehr möglich. Es tritt vielmehr der in Fig. 11c eingezeich¬ nete Fall ein, daß bei einem höheren Füllstand 65 der Licht¬ strahl 60 in die Meßflüssigkeit 33 ausgekoppelt wird, weil nunmehr der größere Grenzwinkel σ „-a für umgebende Flüssigkeit die Brechungsverhältnisse an der Manelfläche 19 des Lichtleiters 59 definiert.
    [0101] Betrachtet man nun die in Fig. 11b dargestellte Charakteri¬ stik des Öffnungswinkels 3 des Akzeptanzkonus in Abhängig¬ keit von der Füllhöhe F, so erkennt man, daß bis hin zur Höhe 62 der Öffnungswinkel ß den Wert ß , einnimmt, der - wie bereits weiter oben erläutert - vom Grenzwinkel o mτ für umgebende Luft definiert ist. Überschreitet der Füllstand die Höhe 62, sinkt der Wert des Off ungswinkels p schlagartig auf einen Wert ß Q ab, der durch den Grenz¬ winkel σ m-p für umgebende Flüssigkeit definiert ist. Ist der Lichtleiter, wie in Fig. 10 mit 52 dargestellt, in seiner axialen Länge gestuft, so können sich, wie Fig. 11b am oberen Rand zeigt, noch weitere Stufen jD , usw. an¬ schließen, αiese weiteren Stufen sind jedoch wesentlich kleiner als die untere Stufe von /o -r auf ß> Q, weil solch große Sprünge an Grenzwerten ^ „, nicht mehr auf¬ treten.
    [0102] Der sehr große Signalsprung von ~> -, auf f Q kann daher dazu ausgenutzt werden, um eine Reserveanzeige zu aktivie¬ ren. Den Einsatzpunkt dieser Reserveanzeige kann man, wie sich leicht aus Fig. 11a entnehmen läßt, dadurch bestimmen, daß man die Dicke d des Lichtleiters 59 in Bezug auf den Grenzwinkel σC mx für umgebende Luft entsprechend dimen¬ sioniert.
    [0103] Ein dritter Anwendungsbereich erfindungsgemäßer Sensoren besteht in der Messung geometrischer Größen, Insbesondere einer Länge y, wie dies in Fig. 12 anhand eines Beispieles dargestellt ist.
    [0104] Ein Lichtleiter 70 ist in axialer Richtung in Abschnitte 71 unterteilt, von denen einer in Fig. 12 mit 711 bezeichnet ist. Die Abschnitte 71 bestehen aus lumlneszierendem Mate¬ rial und eines der Lumineszenzelemente ist mit 72 Im Ab¬ schnitt 71 bezeichnet. Die Abschnitte 71 verfügen wiede¬ rum über jeweils unterschiedliche Brechungsindizes und der
    [0105] Brechungsindex des Abschnittes 71n ist mit nn bezeich- net. Der Wert des Brechungsindex nimmt von Abschnitt zu Abschnitt in Fig. 12 von rechts nach links zu. Ein schmales Strahlenbündel oder ein Lichtstrahl 73, der zum Lichtleiter 70 radial gerichtet ist, trifft auf eine Sei¬ tenfläche 74 des Lichtleiters 70. Hierdurch wird in jeweils einem der Abschnitte 71 Lumineszenz angeregt und das hier¬ durch ausgestrahlte Sekundärlicht des Lumineszenzelemente 72 pflanzt sich in. axialer, Richtung des Lichtleiters 70 fort. Das in Fig. 12 nach links gerichtete Sekundärlicht gelangt dort am Ende des Lichtleiters 70 auf eine radiale Stirnflä¬ che 75 und tritt dort wiederum in Form eines Akzeptanzkonus 14 aus, so daß in der bereits geschilderten Weise eine Messung des Öffnungswinkels /3 des Akzeptanzkonus 14 mittels eines Detektorarrays 22. möglich ist.
    [0106] Dadurch, daß der Brechungsindex n der Abschnitte 71 zur Stirnfläche 75- hin zunimmt, wird der Öffnungs inkel des Akzeptanzkonus 14 durch den jeweils vom Lichtstrahl 73 beaufschlagten Abschnitt 71 selbst bestimmt, weil die in Strahlrichtung weiter vorne zur Stirnfläche 75 hin liegenden Abschnitte 71 stets einen größeren Akzeptanzkonus 14 zulas¬ sen, diesen jedoch mangels geeignet "steiler" Strahlen nicht ausnutzen.
    [0107] Man kann daher durch Messung des Öffnungswinkels /-> feststellen, auf welchen der Abschnitte 71 der Lichtstrahl 73 gefallen ist. Dies bedeutet mit anderen Worten, daß der Öffnungswinkel /3 ein Maß für die Länge y ist, wenn man y als Abstand des Lichtstrahls 73 von der vorderen Stirnflä¬ che 75 definiert.
    [0108] Es versteht sich, daß auf diese Weise auch durch entspre¬ chende Aufweitung der Anordnung in die Ebene Sensoren ge¬ schaffen werden können, bei denen die Position eines auf¬ treffenden Lichtpunktes in der Ebene gemessen werden kann. Die Fig. 13 bis 15 zeigen noch einige Varianten von Licht¬ leitern, wie sie für jeweils einige der Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 5 bis 12 verwendet werden können.
    [0109] Fig. 13 zeigt zunächst eine Variante, bei der ein Lichtlei¬ ter 80 im wesentlichen aus einem lichtdurchlässigen Rohr 81 , beispielsweise einem Glasrohr besteht, das mit einem Refe¬ renzmedium 82 gefüllt ist. Das Referenzmedium 82 ist entwe¬ der von derselben chemischen Art wie das umgebende Medium, beispielsweise die Meßflüssigkeit 33 oder von definiert abweichender Art, um auf diese Weise Störgrößen ausscheiden zu können.
    [0110] Wird beispielsweise der Lichtleiter 80 zur Messung der Dichte einer Säure verwendet, so kann man als Referenzmeάium 82 eben diese Säure verwenden, deren Dichte einem bestimmten Referenzwert der als Meßflüssigkeit 33 dienenden Säure entspricht. Außeneinflüsse, die sich dann auf die Meßflüs¬ sigkeit und das Referenzmedizm gleichermaßen auswirken, gehen dann in das Meßergebnis nicht mehr ein.
    [0111] Fig. 14 zeigt eine weitere Variante, bei der ein Lichtleiter 85 im wesentlichen aus einem lichtdurchlässigen Körper 86 aus Glas, Kunststoff oder derglelch besteht. Am unteren Ende des Lichtleiters 85 ist jedoch, wie in der linken Hälfte von Fig. 14 dargestellt, ein Lumineszenzkörper 87 angeordnet, es kann aber auch, wie die rechte Hälfte von Fig. 14 zeigt, dort ein diffuser Reflektor 88 angeordnet sein. Der Lichtleiter 85 ermöglicht es damit, den Sensor mit einem parallelen Strahlenbündel zu beau schlagen, der am unteren Ende in ein diffuses sekundäremittiertes oder reflektiertes Strahlenbündel übergeht, das Lichtstrahlen unterschiedlicher Neigung wieder nach oben aussendet. Eine solche Anordnung kann beispielsweise bei den Ausführungsbeispielen.der Fig. 7 und 8 mit Vorteil verwendet werden.
    [0112] Fig. 15 zeigt eine Variante, bei der ein Lichtleiter 90 wiederum aus einem lichtdurchlässigen Körper 91 besteht, in dem gesamthaft entweder Lumineszenzelemente 92 oder Diffu¬ sionselemente, beispielsweise Farbzentren oder dergleichen eingebracht sind.
    [0113] Wie die untere Hälfte von Fig. 15 zeigt, ist dies auch mit Flüssigkeiten, ähnlich den Ausführungsformen gemäß Fig. 13 möglich, indem in einem Glasrohr 93 eine Referenzflüssigkeit 94 vorgegebener chemischer Zusammensetzung enthalten ist, in der Schwebeteilchen 95 als Suspension enthalten sind.
    [0114] Auch auf diese Weise kann in unterschiedlicher Art Sekundär- licht als reflektiertes oder durch Sekundäremission erzeug¬ tes Licht verwendet werden, um in diffuser Weise an den Grenzflächen des Lichtleiters reflektiert oder ausgekoppelt zu werden.
    [0115] Fig. 16 zeigt einen stark schematisierten Stromlaufplan einer Schaltungsanordnung zum Betreiben eines erfindungsge¬ mäßen Sensors. Ein Pulsgenerator 100 betreibt die Lichtquelle 1 , die auf¬ grund dessen ein getaktetes Strahlenbündel 2 auf einen Lichtleiter 102 abgibt. Auf den Lichtleiter 102 fällt ferner noch Fremdlicht 103« Der Lichtleiter 102 ist über geeignete Detektor- und Auswerteinrichtungen, wie sie in den Fig. 3 und 4 erläutert wurden, an einen Verstärker 104 angeschlos¬ sen, der ferner vom Ausgang des Pulsgenerators 100 beauf¬ schlagt wird.
    [0116] Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 16 hat den Sinn, den Einfluß des Fremdlichtes 103 auszuregeln. Hierzu wird im Verstärker 104 während der Impulspausen des Pulsgenerators 100 das vom Lichtleiter 102 aufgef ngene, allein vom Fremd- licht 103 stammende Signal ermittelt und gespeichert. Wäh¬ rend eines Impulses des Pulsgenerators 100 wird nun wiederum ein Meßwert gebildet, der im Lichtleiter 102 durch das Strahlenbündel 2 der Lichtquelle 1 und den Einfluß des Fremdlichtes 103 entstanden ist und es wird von diesem Meßwert der zuvor ermittelte Meßwert des Fremdlichtes 103 alleine subtrahiert. Da das Fremdlicht 103 in der Regel eine konstante Störgröße ist, kann auf diese Weise der Einfluß des Fremdlichtes 13 kompensiert werden.
    [0117] Fig. 17 zeigt schließlich noch eine Möglichkeit, eine Ver¬ größerung der Breite x in Fig. 1 zur Erhöhung der Meßge¬ nauigkeit durch Erhöhung der Auflösung zu erreichen.
    [0118] Ein Lichtleiter 106 ähnlich demjenigen in Fig.1 befindet sich mit seinem unteren Ende im axialen Abstand von einer Auftreffflache 107, die jedoch zu einer Längsachse 108 des Lichtleiters 106 geneigt ist. Auf diese Weise ergibt sich eine vergrößerte Breite x' , wenn das Bündel der Lichtstrah¬ len in Gestalt des Akzeptanzkonus 14 auf die Auftrefffläche 107 fällt. Es ist ferner in Fig. 17 mit 107a, 107b dargestellt, daß man der Auftrefffläche 107 zusätzlich zur oder anstelle der Neigung zur Achse 108 auch einen gekrümmten Verlauf geben kann, um auf diese Weise bestimmte Kennlinien zu kompensie¬ ren oder zu erzeugen, je nach dem, wie dies beim speziellen Anwendungsfall wünschenswert ist.
    权利要求:
    Claims3^Patentansprüche
    Sensor zur Umwandlung einer physikalischen Größe in ein elektrisches Ausgangssignal, mit einer Lichtquelle (1), aus der ein Bündel 2 Lichtstrahlen (11, 12, 13; 18; 37; 60; 73) in eine erste Fläche 74, vorzugsweise eine erste vordere Stirnfläche (3; 41) eines lichtlei¬ tenden Körpers eingekoppelt wird, wobei die Licht¬ strahlen (11, 12, 13; 18; 37; 60; 73) an einer Grenz¬ fläche (16, 19) des Körpers in Abhängigkeit von der physikalischen Größe totalreflektiert bzw. aus dem Körper ausgekoppelt werden und die totalreflektierten Lichtstrahlen (12b; 18b; 37; 60) auf eine zweite Fläche (75), vorzugsweise eine der ersten Stirnfläche (5; 41 ) gegenüberliegende zweite, hintere Stirnfläche (16) fallen, und mit einer Mehrzahl lichtempfindlicher Elemente (23) zum Erfassen eines von dem Bündel (2) nach erfolgter Totalreflektion bzw. Auskopplung ein¬ genommenen Winkelbereichs [~> , dadurch gekennzeichnet, daß der Körper als langgestreckter Lichtleiter (10; 29; 34; 35; 40; 50; 52; 59; 70; 80; 85; 90; 102; 106) ausgebildet ist, in dem Lichtstrahlen (12b; 18b; 37; 60) mehrfach totalreflektiert werden, daß die licht¬ empfindlichen Elemene (23) in einem axialen Abstand h von einer Stirnfläche (3; 16; 41) angeordnet sind und eine Auftrefffläche (15; 107) für ein aus der Stirn¬ fläche (3; 16; 41) austretendes Bündel (17) Licht¬ strahlen bilden, und daß die Elemente (23) an eine Auswerteschaltung (25) mit einem Zähler angeschlossen sind, der die Anzahl der von dem Bündel (17) beleuch¬ teten oder alternativ der nicht beleuchteten Elemente (23) als Ausgangssignal in digitaler Form abgibt.
    2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindlichen Elemente (23) in einem axialen Abstand h von der zweiten Stirnfläche (16) angeordnet sind.
    3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stirnfläche (16) als Reflektor ausgebildet ist und daß die lichtemp indlichen Elemente (23) in einem axialen Abstand h von der ersten Stirnfläche (3) angeordnet sind.
    •
    4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (35) in zwei axial beabstandete Ab¬ schnitte (35a, '35b) unterteilt ist und daß das Bündel (2) in die erste Stirnfläche (3a) des ersten axialen Abschnitts (35a) eingekoppelt wird, während die licht¬ empfindlichen Elemente in einem axialen Abstand von der ersten Stirnfläche (3b) des zweiten Abschnittes (35b) angeordnet sind.
    5. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stirnfläche in zwei axial beabstandeten Stufen (41a, 41b) ausgebildet ist und daß das Bündel (2) in die vordere Stufe (41a) eingekoppelt wird, während die lichtempfindlichen Elemente in einem axialen Abstand von der hinteren Stufe (41b) angeord¬ net sind.
    6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auftreffflache (107) zur Achse (108) des Lichtleiters (106) geneigt ist.
    7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auftreffflache (107a, 107b) in vorgegebener Weise gekrümmt verläuft.
    8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die physikalische Größe der Brechungsindex und damit die Dichte eines den Licht¬ leiter (29) umgebenden Mediums ist und daß der Licht¬ leiter (29) nur mit seiner zweiten Stirnfläche 16 optisch an das Medium gekoppelt ist.
    9- Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die physikalische Größe die Dichte eines den Lichtleiter (34; 35; 40) umgebenden Mediums ist und daß der Lichtleiter (34; 35; 40) nur mit seiner Mantelfläche (19) optisch an das Medium gekop¬ pelt ist.
    10. Lichtleiter nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das Medium eine Flüssigkeit (33) variab¬ ler Dichte ist.
    11. Sensor nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium ein Gas variablen Drucks ist.
    12. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die physikalische Größe ein Füll¬ stand (51 ; 61 , 65) eines Mediums, vorzugsweise einer Flüssigkeit (33) ist, daß der Lichtleiter (50; 52; 59) über einen Teil seiner axialen Länge in das Medium taucht und daß der optische Brechungsindex n des Lichtleiters (50; 52; 59) von seinem unteren Ende nach oben hin abnimm .
    13« Sensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (52; 59) axial aneinandergesetzte Abschnitte (53) mit unterschiedlichem optischem Bre¬ chungsindex n aufweist.
    14« Sensor nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeich¬ net, daß der Lichtleiter (59) so bemessen ist, daß das Produkt seiner halben Dicke d und des Tangens des Grenzwinkels < C -r der Totalreflektion des außerhalb des Mediums liegenden Lichtleitermaterials zu dem dort umgebenden Medium, wesentlich kleiner, vorzugsweise ein Drittel bis ein Vierzigstel der Länge des Lichtleiters (59) ist.
    15^ Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (10; 29; 34; 35; 40; 50; 52; 59) aus Glas oder Kunststoff besteht.
    16. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (80) ein licht¬ durchlässiges Rohr (81 ) aufweist, das mit einem Refe¬ renzmedium (82) gefüllt ist, dessen chemische Zusam¬ mensetzung derjenigen des das Rohr (81 ) umgebenden Meßmediums bei einem vorbestimmten Wert der physikali¬ schen Größe entspricht. 38
    17. Sensor nach einem der Anspüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (70; 85; 90) lichtabgebende Elemente (72; 92; 95) aufweist, die nach Bestrahlung mittels eines Primärlichtes Sekundär- licht abgeben.
    18. Sensor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß - die physikalische Größe eine Länge y ist, daß der optische Brechungsindex n des Lichtleiters (70) in axialer Richtung von einer Stirnfläche (75) des Licht¬ leiters (70) an abnimmt, daß das Bündel Lichtstrahlen (73) in radialer Richtung im Abstand der Länge y von der Stirnfläche (75) seitlich auf den Lichtleiter (W ) trifft und daß die lichtempfindlichen Elemente im axialen Abstand von der Stirnfläche (75) angeordnet sind.
    19« Sensor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (70) in axialer Richtung nebeneinander angeordnete Abschnitte (71 ) mit unterschiedlichem optischem Brechungsindex n aufweist.
    20. Sensor nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeich¬ net, daß die .lichtabgebenden Elemente Lumineszenzele¬ mente (72) sind.
    21. Sensor nach einem der Anspüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) an einem Pulsgenerator (100) angeschlossen ist und daß die AuswerteSchaltung (25) einen Differenzbildner (104) aufweist, dessen Eingängen die Meßwerte bei einge¬ schalteter bzw. ausgeschalteter Lichtquelle (1) zu¬ führbar sind.
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    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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