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Title:
FILLING LEVEL SENSOR AND METHOD FOR DETERMINING A FILLING LEVEL
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2015/127957
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a filling level sensor (1) comprising a longitudinally extending optical waveguide arrangement (2) having a light input (10) arranged at a first end (3) of the optical waveguide arrangement (2) and a light output (20) arranged at a second end (4) of the optical waveguide arrangement (2), wherein a sensor area (5) between the light input (10) and the light output (20) is configured in such a manner that the intensity of a light signal (S) on the way from the light input (10) to the light output (20) is changed on the basis of a fluid (F) at least partially surrounding the sensor area (5), wherein the optical waveguide arrangement (2) has, between the light input (10) and the light output (20), a longitudinally extending carrier (6) which enables a first signal path (S1) for the light signal (S), and the sensor area (5) of the optical waveguide arrangement (2) is in the form of longitudinally extending toothing, wherein the toothing has intermediate spaces (7) which can be entered by the fluid (F), wherein a second signal path (S2) is produced via the forms of the toothing and via the fluid (F) which has entered the intermediate spaces (7), which second signal path runs parallel to the first signal path (S1) at least in sections.

Inventors:
DÜRR MATTHIAS (DE)
SCHORB HERBERT (DE)
Application Number:
PCT/EP2014/053622
Publication Date:
September 03, 2015
Filing Date:
February 25, 2014
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
International Classes:
G01F23/292
Domestic Patent References:
WO2001009570A12001-02-08
Foreign References:
US4311048A1982-01-19
DE19929279A11999-12-30
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Claims:
Patentansprüche

1. Füllstandssensor (1) umfassend eine sich längserstreckende Lichtleiteranordnung (2) mit einem an einem ersten Ende (3) der Lichtleiteranordnung (2) angeordnetem Lichteingang (10) und einem an einem zweiten Ende (4) der Lichtleiteranordnung (2) angeordnetem Lichtausgang (20), wobei ein Sensorbereich

(5) zwischen dem Lichteingang (10) und dem Lichtausgang (20) derart ausgestaltet ist, dass ein Lichtsignal (S) auf dem Weg vom Lichteingang (10) zum Lichtausgang (20) in Abhängigkeit von einem den Sensorbereich (5) zumindest teilweise umgebenden Fluid (F) in seiner Intensität verändert wird,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Lichtleiteranordnung (2) zwischen dem Lichteingang (10) und dem Lichtausgang (20)

einen sich längserstreckenden Träger (6) aufweist, welcher einen ersten Signalweg (Sl) für das Lichtsignal (S) ermöglicht und

der Sensorbereich (5) der Lichtleiteranordnung (2) als ei- ne sich längserstreckende Zahnung ausgestaltet ist, wobei die Zahnung vorzugsweise einen Zwischenraum (7) aufweist in welche das Fluid (F) eindringen kann, wobei über Ausformungen der Zahnung und über das in den Zwischenraum (7) eingedrungene Fluid (F) ein zweiter Signalweg (S2) ent- steht.

2. Füllstandssensor (1) nach Anspruch 1, wobei an dem Träger

(6) eine Vielzahl von Zähnen, Zacken oder Zinken (Z1,...,Z8) als Zahnung angeordnet sind und das Material des Trägers (6) im Vergleich zu dem Material der Zahnung eine höhere Dämpfung für das Lichtsignal (S) aufweist.

3. Füllstandssensor (1) nach Anspruch 2, wobei die Zähne, Zacken oder Zinken (Z1,...,Z8) hammerförmig ausgestaltet sind.

4. Füllstandssensor (1) nach Anspruch 3, wobei die hammerför- migen Zähne, Zacken oder Zinken (Z1,...,Z8), mit dem Träger (6) einstückig ausgebildet sind, und eine Anordnung von abstehen- den Stielen (7) bilden, wobei jeder der Stiele (7) eine Basis (7a) im Bereich des Trägers (6) und einen Kopf (7b) an dem zu dem Träger (6) entgegengesetzten Ende des Stieles (7) aufweist .

5. Füllstandssensor (1) nach Anspruch 4, wobei ein Kopf (7) jeweils eine erste Stirnseite (8) und eine zweite Stirnseite (9) aufweist, wobei die Köpfe (7) derart angeordnet sind, dass jeweils die zweite Stirnseite (9) eines Kopfes (7) der ersten Stirnseite (8) eines in Längsrichtung der Lichtleiteranordnung (2) folgenden Kopfes (7) gegenübersteht, wodurch ein Übergang für das Lichtsignal (S) gebildet ist.

6. Füllstandssensor (1) nach Anspruch 5, wobei die erste und zweite Stirnseite (8,9) jeweils zwei sich gegenüberstehende

Benetzungsflächen für das Fluid (F) bilden, wobei die Stirnseiten (8,9) derart ausgestaltet sind, dass ein Ablaufen des Fluids (F) begünstigt wird. 7. Füllstandssensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine weitere längserstreckende zweite Zahnung (32) an dem Träger (6) angeordnet ist, vorzugsweise noch eine weitere dritte Zahnung (33), vorzugsweise eine vierte Zahnung (34) . 8. Füllstandssensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine weitere längserstreckende zweite Zahnung (32) an dem Träger angeordnet ist, welche einen axialen Versatz zu der ersten Verzahnung (31) aufweist. 9. Füllstandssensor (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei der Lichtausgang (20) aufgeteilt ist in einen ersten Ausgang (21) und einen zweiten Ausgang (22), wobei der erste Ausgang (21) an der zweiten Stirnseite (9) des zum zweiten Ende hin angeordneten hammerförmigen Zahn, Zacke oder Zinke (Z8) angeschlossen ist und der zweite Ausgang (22) an dem zweiten Ende des sich längserstreckenden Trägers (6) angeordnet ist.

10. Verfahren zur Bestimmung des Füllstands (L) eines Fluids (F) in einem Behälter (40) , wobei mittels eines Signalgebers (41) ein Lichtsignal (S) erzeugt und einem Lichteingang (10) einer sich langserstreckende Lichtleiteranordnung (2) zuge- führt wird, wobei das Lichtsignal (S) in der Lichtleiteranordnung (2) geführt und entlang eines Sensorbereiches (5) auf dem Weg zu einem Lichtausgang (20) in Abhängigkeit vom einem den Sensorbereich (5) zumindest teilweise umgebenden Fluid (F) in seiner Intensität verändert wird,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Lichtsignal (S) in der Lichtleiteranordnung (2) zwischen dem

Lichteingang (10) und dem Lichtausgang (20) über

einen sich längserstreckenden Träger (6), welcher einen ersten Signalweg (Sl) für das Lichtsignal (S) ermöglicht und über

den Sensorbereich (5) der Lichtleiteranordnung (2) ausgestaltet als eine sich längserstreckende Zahnung geführt wird, wobei die Zahnung Zwischenräume (Z) aufweist in welche das Fluid (F) eindringt, wobei über die Ausformungen der Zahnung und über das in die Zwischenräume (Z) eingedrungene Fluid (F) ein zweiter Signalweg (S2) entsteht, welcher zumindest abschnittsweise parallel zum ersten Signalweg (Sl) verläuft, wobei

abhängig von dem Füllstand (L) in dem Behälter (40) mehr oder weniger Zwischenräume (Z) gefüllt sind und somit die

Intensität des Lichtsignals (S) am Lichtausgang (20) aufgrund des zusätzlichen zweiten Signalweges (S2) beein- flusst wird, wobei die Intensitätsänderung gemessen wird und durch den Messwert auf den Füllstand (L) geschlossen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei zur Ermittlung des Füllstands (L) diskrete Messwerte (M1,...,M7) genutzt werden, welche sich durch die Anzahl der Zwischenräume (Z) ergeben und somit jedem Zwischenraum ein Messwert (M1,...,M7) zugeordnet wird, wodurch der Füllstand (L) als Funktion der mit Fluid (F) gefüllten Zwischenräume (Z) errechnet wird.

Description:
Beschreibung

Füllstandssensor und Verfahren zur Bestimmung eines Füllstandes

Die Erfindung betrifft einen Füllstandssensor umfassend eine sich längs erstreckende Lichtleiteranordnung mit einem an einem ersten Ende der Lichtleiteranordnung angeordnetem Licht- eingang und einem an einem zweiten Ende der Lichtleiteranord- nung angeordnetem Lichtausgang, wobei ein Sensorbereich zwischen dem Lichteingang und dem Lichtausgang derart ausgestaltet ist, dass ein Lichtsignal auf dem Weg vom Lichteingang zum Lichtausgang in Abhängigkeit von einem den Sensorbereich zumindest teilweise umgebenden Fluid in seiner Intensität verändert wird.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung des Füllstands eines Fluids in einem Behälter, wobei mittels eines Signalgebers ein Lichtsignal erzeugt und einem Lichteingang einer sich längs erstreckenden Lichtleiteranordnung zugeführt wird, wobei das Lichtsignal in der Lichtleiteranordnung geführt und entlang eines Sensorbereiches auf dem Weg zu einem Lichtausgang in Abhängigkeit von einem den Sensorbereich zumindest teilweise umgebenden Fluid in seiner Intensität verändert wird.

Füllstandsmessungen mit Hilfe von Füllstandssensoren, insbesondere für Flüssigkeiten in geschlossenen Behältern, stellen Konstrukteure von Füllstandssensoren immer wieder vor Proble- me, verschärft werden diese Probleme insbesondere im Fall von reaktionsfreudigen oder druckbeaufschlagten Flüssigkeiten. Bisher bekannte Ansätze wie z.B. Schaugläser, Schwimmer, radioaktive Durchstrahlung, Ultraschall, haben folgende Nachteile :

- Bei Schaugläsern besteht immer eine Bruch-/Leckgefahr, bei Schwimmern ist ein erhöhter Verschleiß zu verzeichnen, bei radioaktiver Durchstrahlung besteht eine Belastung für das Personal und es gibt erhöhte Anforderung an das Genehmigungsverfahren,

bei Radar/Ultraschall ist der Aufwand hoch bzw. ein elekt- rischer Energieeintrag in eine explosive Flüssigkeit ist gefährlich .

Aus der Offenlegungsschrift DE 199 29 279 AI ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Füllstandsmessung in einem ge- schlossenen Behälter bekannt. Nachteilig an dem bekannten Verfahren ist es, wenn in einem Behälter mit einem Füllstandssensor einmal eine Flüssigkeit mit einem ersten Brechungsindex gemessen werden soll und zum anderen eine Flüssigkeit mit einem zweiten Brechungsindex gemessen werden soll, so kann dies nicht ohne eine erneute Kalibrierung geschehen. Beispielsweise steht ein solcher Behälter für Benzin unterschiedlicher Hersteller zur Verfügung, wobei es bekannt ist, dass unterschiedliche Hersteller ihre Benzinsorten unterschiedlich farbig einfärben.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Füllstandssensor anzugeben, welcher eine Invarianz gegen eine Brechungsindexänderung der zu messenden Flüssigkeit zeigt. Die Aufgabe wird für den eingangs genannten Füllstandssensor dadurch gelöst, dass die Lichtleiteranordnung zwischen dem Lichteingang und dem Lichtausgang einen sich längs erstreckenden Träger aufweist, welcher einen ersten Signalweg für das Lichtsignal ermöglicht und der Sensorbereich der Licht- leiteranordnung als eine sich längs erstreckende Zahnung ausgestaltet ist, wobei die Zahnung zumindest einen Zwischenraum aufweist, in welche das Fluid eindringen kann, wobei über Ausformungen der Zahnung und über das in den zumindest einen Zwischenraum eingedrungene Fluid ein zweiter Signalweg ent- steht. Vorzugsweise verläuft der zusätzliche zweite Signalweg parallel zum ersten Signalweg, zumindest abschnittsweise parallel zum ersten Signalweg. Dabei heißt „parallel" nicht zwingend geometrisch parallel, sondern ist vielmehr im Sinne einer Parallelschaltung der beiden Signalwege zu verstehen.

Ein anzuwendendes Messprinzip auf den Füllstandssensor ba- siert auf einer Messung der Intensitätsabschwächung eines

Lichtstrahls bzw. eines Lichtsignals über die Länge eines geeignet gestalteten Bauteils, beispielsweise in Form eines Kammes. Der Kamm bestünde dann aus transparentem Material, wobei ein Träger des Kammes eine deutlich schlechtere Leitfä- higkeit für das Licht aufweist als die Zinken des Kammes.

Aufgrund der so gewählten Bauform des Füllstandssensors ergeben sich für das am oberen Ende des Füllstandssensors eingespeiste Licht zwei mögliche Pfade: Zum einen durch den Träger des Kammes und zum anderen durch die Zinken und deren gefüll - ten Zwischenräume des Kammes.

Für den Fall, dass kein Fluid den Füllstandssensor umgibt ist eine Dämpfung für einen Übergang von Licht zwischen den Zinken des Kammes aufgrund der großen Unterschiede der Berech- nungsindizes relativ groß, so dass nur eine Lichtleitung über den Träger des Kammes erfolgen kann. Die an einem Lichtausgang des Füllstandssensors angekommene Lichtintensität entspricht in einem „trockenen Fall" einem leeren Behälterzustand .

Wird der Behälter nun befüllt sammelt sich das Fluid am Behälterboden und beginnt den Kamm bzw. den Füllstandssensor zu benetzen. Sobald die Zwischenräume zwischen den Zinken benetzt werden, ergibt sich für den Lichtstrahl bzw. das Licht- signal zusätzlich die Möglichkeit, einen gegenüber dem Träger dämpfungsärmeren Weg über die benetzten Zinken und deren Zwischenräume zu nehmen (Phasengrenzen fest - flüssig - fest, ergibt einen geringeren Brechungsindexunterschied) . Durch den im benetzten Fall geschaffenen zweiten Signalweg nimmt die Lichtintensität am unteren Ende des Füllstandssensors zu.

Diese Zunahme ist messbar und stellt ein Maß für die Mindesthöhe des tatsächlichen Füllstands dar. Daher ist es eine besondere Ausgestaltung der Erfindung, dass an dem Träger eine Vielzahl von Zähnen, Zacken oder Zinken als Zahnung angeordnet sind und das Material des Trägers im Vergleich zu dem Material der Zahnung eine höhere Dämpfung für das Lichtsignal aufweist.

Vorteilhafter Weise sind die Zähne, Zacken oder Zinken ham- merförmig ausgestaltet. Für einen optimierten Übergangs des Lichtsignals von einen Zahn, Zacke oder Zinken über den Zwischenraum zum anderen Zahn, Zacke oder Zinken, ist es vorteilhaft, wenn die hammer- förmigen Zähne, Zacken oder Zinken mit den Träger einstückig ausgebildet sind, und eine Anordnung von abstehenden Stielen bilden, wobei jeder der Stiele eine Basis im Bereich des Trägers und einen Kopf an dem zu dem Träger entgegengesetzten Ende des Stiels aufweist.

Die zuvor genannte Ausgestaltungsvariante wird weiter opti- miert, wenn ein Kopf jeweils eine erste Stirnseite und eine zweite Stirnseite aufweist, wobei die Köpfe derart angeordnet sind, dass jeweils die zweite Stirnseite eines Kopfes der ersten Stirnseite eines in Längsrichtung der Lichtleiteranordnung folgenden Kopfes gegenübersteht, wodurch ein Übergang für das Lichtsignal gebildet ist.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die erste und zweite

Stirnseite jeweils zwei sich gegenüberstehende Benetzungsflachen für das Fluid bilden, wobei die Stirnseiten derart aus- gestaltet sind, dass ein Ablaufen des Fluids begünstigt wird. Demnach können die Benetzungsflächen der Zähne, Zacken oder Zinken so beispielsweise konvex oder kegelig ausgestaltet sein oder beschichtet mit Teflon oder Hydrophobin sein, wodurch ein Ablaufen des Fluids von den Benetzungsflächen auf- grund der Oberflächenspannung forciert wird, welches Fehlmessungen vorbeugt . Zur Vermeidung von Streueffekten kann die Oberfläche der Zahnung bis auf die Benetzungsflachen, vorzugsweise die jeweiligen Stirnseiten, der Zähne, Zacken oder Zinken mit einer lichtundurchlässigen Schicht oder nach innen spiegelnden Schicht beschichtet sein. Die erste und die letzte Stirnseite im Gesamtaufbau sollten vorzugsweise auch mit einer lichtundurchlässigen Schicht beschichtet sein. Eine erhöhte Absorb- tion bzw. eine erhöhte Dämpfung für das Lichtsignal im Träger kann durch Einbringen von Bläschen in das Trägermaterial er- reicht werden. Auch ein Aufrauen der Oberfläche oder eine Laserbehandlung des Trägermaterials führt zu einer höheren Dämpfung für das Lichtsignal .

Ein Verkleben der Zähne, Zacken oder Zinken aus einem trans- parenten Material mit einem opaken Träger führt zu einem ähnlichen Effekt.

Eine räumliche Mehrfachanordnung von Zähnen, Zacken oder Zinken an dem Träger würde die Messsicherheit erhöhen (eine Draufsicht sähe dann z.B. wie ein Stern oder ein Kreuz aus) . Hierbei wird jeder Quantisierungsschritt durch mehrere simultane Benetzungsvorgänge gekennzeichnet. Ein leichter axialer Versatz der Zinken dieser Anordnung würde dagegen die Auflösung weiter verbessern. Darum ist es eine besondere Ausge- staltung, wenn eine weitere längs erstreckende zweite Zahnung an dem Träger angeordnet ist, vorzugsweise noch eine weitere dritte Zahnung, vorzugsweise eine vierte Zahnung.

Um auch eine Aussage über die Füllhöhe in einem beispielswei - se liegenden Zylinder oder einem elliptischen Tank machen zu können, ist es von Vorteil, wenn die Zähne, Zacken oder Zinken auf dem Träger nicht füllhöhenäquivalent sondern Volumenäquivalent auf dem Träger verteilt angeordnet sind. Hierdurch kann bei einem Anstieg der Füllhöhe bezogen auf das damit nicht linear zunehmende Volumen direkt eine Tankinhaltsinformation durch die Messung gewonnen werden ohne in einer Aus- werteeinheit eine Skalierung oder Anpassung vornehmen zu müssen . Bei einem liegenden Zylinder, bei welchen der Füllstandssensor rechtwinklig zur Symmetrieachse des Zylinders angeordnet ist, wäre eine Verteilung gesehen von dem ersten Ende über die Mitte zu dem zweiten Ende des Füllstandssensors gemäß der nicht linearen Volumenfunktion vorzunehmen. In diesem Falle sind die Abstände der Zähne zur Mitte hin kleiner zu wählen als die Abstände der Zähne, welche mehr zu den Enden angeordnet sind. Auch ist es von Vorteil, wenn eine weitere längserstreckende zweite Zahnung an dem Träger angeordnet ist, welche einen axialen Versatz zu der ersten Verzahnung aufweist.

Eine weitere Ausgestaltungsvariante sieht vor, dass der

Lichtausgang aufgeteilt ist, in einen ersten Ausgang und einen zweiten Ausgang, wobei der erste Ausgang an der zweiten Stirnseite des zum zweiten Ende hin angeordneten hammerförmi- gen Zahn, Zacke oder Zinke angeschlossen ist und der zweite Ausgang an dem zweiten Ende des sich längs erstreckenden Trä- ger angeordnet ist. Zum einen ist es möglich, die beiden Signalwege am unteren Ende der Lichtleiteranordnung zu verkoppeln und über einen optischen Summenausgang die optische Intensität zu ermitteln, es ist aber auch möglich, zwei optische Ausgänge vorzusehen und die erfassten zwei Intensitäten zu einer Auswerteeinheit beispielsweise über zwei Lichtleitfasern weiterzuleiten.

Die Anfangs gestellte Aufgabe wird ebenso durch das eingangs genannte Verfahren dadurch gelöst, dass das Lichtsignal in der Lichtleiteranordnung zwischen dem Lichteingang und dem

Lichtausgang über einen sich längs erstreckenden Träger, welcher einen ersten Signalweg für das Lichtsignal ermöglicht und über den Sensorbereich der Lichtleiteranordnung ausgestaltet als eine sich längs erstreckende Zahnung geführt wird, wobei die Zahnung Zwischenräume aufweist, in welche das Fluid eindringt, wobei über die Ausformungen der Zahnung und über das in die Zwischenräume eingedrungene Fluid ein zweiter Signalweg entsteht, welcher zumindest abschnittsweise paral- lel zum ersten Signalweg verläuft, wobei abhängig von dem Füllstand in dem Behälter mehr oder weniger Zwischenräume ge füllt sind und somit die Intensität des Lichtsignals am Lichtausgang des zusätzlichen parallelen zweiten Signalweges entsprechend beeinflusst wird, wobei die Intensitätsänderung gemessen wird und durch den Messwert auf den Füllstand geschlossen wird. Mit diesem Verfahren erhält man im Gegensatz zu einem analogen Messverfahren eine differenzielle Signalän derung oder eine sprunghafte Signaländerung, welches den Vor teil hat, dass dieses Messverfahren invariant gegenüber Brechungsindexänderungen von verschiedenen Flüssigkeiten ist.

Demnach werden zur Ermittlung des Füllstandes diskrete Messwerte genutzt, wobei sich deren Anzahl durch die Anzahl der Zwischenräume ergeben und somit jedem Zwischenraum ein Messwert zugeordnet wird, wodurch der Füllstand als Funktion der mit Fluid gefüllten Zwischenräume errechnet wird.

Für die Berechnung werden bereitgestellt: d s statische optische Dämpfung

d L Fluid-benetzte optische Dämpfung

d q optische Quer-Dämpfung (Stiel)

I 0 Eingangs-Lichtintensität

I L Fluid-seitige Intensität

Ι Ξ statische Intensität

N Anzahl der Stufen gesamt

L Füllstand = Anzahl von mit Fluid bedeckten

Zwi schenräume

Basierend auf vereinfachten Annahmen lassen sich I L , Ι Ξ und daraus schließlich der Füllstand L berechnen.

N

(1) (2) Bei dieser Herleitung wurden alle Querdämpfungen bei untergetauchten Zähnen, Zacken oder Zinken vernachlässigt und des Weiteren wird angenommen, dass über „trockene" Zähne kein Licht angekoppelt wird. Aus Formel (3) ist zu ersehen, dass der erfindungsgemäßen Idee entsprechend d L und d s unter- schiedlich sein müssen, um einen Messeffekt zu erzielen. Dieser Unterschied wird als Sprung in einer Messwertkurve ermittelbar sein.

Formel (4) legt nahe, sowohl Ι Ξ als auch I L messtechnisch zu ermitteln. Prinzipiell ist es aber auch möglich, die statische Intensität Ι Ξ und die fluidseitige Intensität I L zu verkoppeln und über einen optischen Summenausgang die optische Gesamtintensität zu ermitteln. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert . In der Zeichnung zeigen im Einzelnen in schematischer Darstellung:

FIG 1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen

Füllstandssensors,

FIG 2 eine zweite Ausführungsform des Füllstandssensors,

FIG 3 eine Detaildarstellung eines Ausschnittes aus den

Füllstandssensor,

FIG 4 ein Schema zur Darstellung der verketteten optischen Dämpfungen (Ersatzschaltbild) ,

FIG einen Behälter mit Füllstandssensor, FIG eine weitere alternative Ausgestaltung eines Füllstandssensors mit einer Mehrzahl von Zahnungen und FIG 7 ein stufenförmiges Messwertdiagramm.

Gemäß der FIG 1 ist ein Füllstandssensor 1 umfassend eine sich längs erstreckende Lichtleiteranordnung 2 mit einem an einem ersten Ende 3 der Lichtleiteranordnung 2 angeordnetem Lichteingang 10 und einem an einem zweiten Ende 4 der Lichtleiteranordnung 2 angeordnetem Lichtausgang 20 dargestellt. Ein Sensorbereich 5 zwischen dem Lichteingang 10 und dem Lichtausgang 20 ist als eine Zahnung mit einem ersten Zahn ZI bis einem achten Zahn Z8 ausgestaltet. Die einzelnen Zähne

Z1,...,Z8 sind an einen Träger 6 angeordnet. Der sich längs erstreckende Träger 6 ermöglicht einen ersten Signalweg Sl (siehe auch FIG 3) für das über den Signaleingang 10 eingespeiste Lichtsignal S.

Im Gegensatz zum Stand der Technik ist der Sensorbereich 5 der Lichtleiteranordnung 2 als eine sich längs erstreckende Zahnung ausgestaltet, wobei die Zahnung Zwischenräume Z aufweist, in welche ein Fluid F eindringen kann, wobei über die Zähne Z1,...,Z8 der Zahnung und über das in die Zwischenräume Z eingedrungene Fluid F ein zweiter Signalweg S2 (siehe FIG 3) entsteht, welcher zumindest abschnittsweise parallel zum ersten Signalweg Sl verläuft. Gegenüber dem Material der Zähne Z1,...,Z8 weist der Träger 6 ein Material auf, welches im Vergleich zu dem Material der Zähne Z1,...,Z8 eine höhere Dämpfung für das Lichtsignal S aufweist (angedeutet durch eine graue Schraffierung) . Die Zähne Z1,...,Z8 sind mit dem Träger 6 einstückig ausgebildet, wobei jeder Zahn einen Stiel 7 aufweist, wobei jeder der Stiele 7 eine Basis 7a im Bereich des Trägers 6 und einen Kopf 7b an dem zu dem Träger 6 entgegengesetzten Ende des Stieles 7 aufweist.

Der Kopf 7b eines jeden Zahnes Z1,...,Z8 weist jeweils eine erste Stirnseite 8 und eine zweite Stirnseite 9 auf, wobei die Köpfe 7b derart angeordnet sind, dass jeweils die zweite Stirnseite 9 eines Kopfes 7b der ersten Stirnseite 8 eines in Längsrichtung der Lichtleiteranordnung 2 folgenden Kopfes 7b gegenübersteht, wodurch ein Übergang für das Lichtsignal S gebildet ist (siehe FIG 3) .

Gemäß FIG 2 ist eine alternative Ausgestaltung des Füllstandssensors aus FIG 1 aufgezeigt. Als wesentlichen Unterschied weist die Lichtleiteranordnung 2 gemäß FIG 2 einen ersten Ausgang 21 für das Lichtsignal S, das den zweiten Sig- nalweg S2 gegangen ist und einen zweiten Ausgang 22 für das

Lichtsignal S, das den ersten Signalweg Sl gegangen ist, auf. Der erste Ausgang 21 ist dabei an der zweiten Stirnseite 9 des ersten Zahnes ZI angeschlossen und der zweite Ausgang 22 ist an dem zweiten Ende des sich längs erstreckenden Trägers 6 angeordnet.

Die FIG 3 zeigt eine Detaildarstellung der zuvor in FIG 1 und FIG 2 beschriebenen Füllstandssensoren 1. Dargestellt ist ein Ausschnitt des Füllstandssensors 1 bezogen auf die Zähne Z1,Z2,Z3 mit den jeweiligen Zwischenräumen Z. Ein Fluid F steht bis zu einem Füllstand L, welcher in die Mitte des zweiten Zahnes Z2 reicht. Mit diesem Füllstand L wird der Zwischenraum Z zwischen dem ersten Zahn ZI und dem zweiten Zahn Z2 vollständig benetzt. Zwischen dem ersten Zahn ZI und dem zweiten Zahn Z2 stellen sich nun Phasengrenzen fest-flüssig-fest ein. Da das Fluid F einen höheren Berechnungsindex als Luft hat, kann sich das Lichtsignal S von seinem ersten Signalweg Sl aufspalten und einen zweiten Signalweg S2 über den zweiten Zahn Z2 über das flüssige Fluid F in den ersten Zahn ZI suchen. Wäre keiner der Zähne Z1,...,Z3 benetzt, so könnte das Lichtsignal S nur über den ersten Signalweg Sl zu dem Lichtausgang 20 gelangen und hätte dementsprechend eine geringere Intensität, als wenn das Lichtsignal S über den ersten Signalweg Sl und den zweiten Signalweg S2 zum Licht- ausgang 20 gelangt. Bei den Phasengrenzen ist das Verhältnis der Berechnungsindizes des Materials der Zähne zu dem Fluid von Bedeutung. Ähnliche Berechnungsindizies ergeben bei einem mit Flüssigkeit gefüllten Zwischenraum einen erheblich besse- ren Übergang für das Licht, als bei einem Übergang mit den Phasengrenzen fest-gasförmig-fest, bei welchen sehr unterschiedliche Berechnungsindizes vorherrschen. Diese Zunahme der zusätzlichen Intensität des Lichtsignals S über den zweiten Signalweg S2 ist messbar und stellt damit ein Maß für die Mindesthöhe des tatsächlichen Füllstandes L dar . Zur überschlägigen Berechnung dient das mit FIG 4 dargestellte Ersatzschaltbild für die optische Dämpfung in den unterschiedlichen Signalwegen. I 0 ist eine Eingangs-Lichtintensi- tät welche zunächst auf die statische Dämpfung d s des Trägers 6 trifft. Die statische Dämpfung d s des Trägers 6 setzt sich fort durch die jeweiligen Dämpfungskästchen d s bis zum Ausgang l s für die statische Intensität I s . Die statische Intensität I s entspricht der Lichtintensität die am Lichtausgang 20 ankommt alleine dadurch, dass das Lichtsignal S seinen Weg durch den Träger 6 gewandert ist. d q ist in diesem Fall die erste optische Querdämpfung, d.h. das Lichtsignal S findet seinen Weg durch beispielsweise den zweiten Zahn Z2. Dann trifft es auf eine Fluid-benetzte optische Dämpfung d L . Je nachdem wie viel Zahnzwischenräume be- netzt sind, erhöht sich hier die Anzahl der d L -Kästchen für die Fluid-benetzte optische Dämpfung d L . Am Ende der Zahnreihe, also am ersten Zahn ZI erhält man dann eine fluid- seitige Intensität I L . Werden die beiden Intensitäten I L und I s zusammengeführt, erhält man eine Zunahme der statischen Intensität I s , welche messbar ist, und damit ein Maß für die Mindesthöhe des tatsächlichen Flüssigkeitsspiegels darstellt.

FIG 5 zeigt einen Behälter 40 in welchem ein Fluid F eingeschlossen ist. In dem Behälter 40 ist gasdicht der Füll- Standssensor 1 eingebaut. Über einen optischen druckfesten

Anschluss sind in dem Behälter 40 der Lichteingang 10 und der Lichtausgang 20 integriert. Ein Signalgeber 41 generiert das Lichtsignal S und führt es dem Lichteingang 10 zu. Über den Lichtausgang 20 wird das resultierende Licht einer Auswerteeinheit 42 zurückgeführt und darin einer Messstufe zugeordnet .

Die in FIG 5 erwähnte Auswerteeinheit 42 nimmt je nach Füllstand L die in FIG 7 dargestellte Messkurve auf. Die Messkurve ist über den Fülllstand L als Intensität I dargestellt. Es ergeben sich Stufen für die Zahnzwischenräume Z zwischen dem ersten ZI und dem zweiten Zahn Z2, zwischen dem zweiten Zahn Z2 und dem dritten Zahn Z3, zwischen dem dritten Zahn Z3 und dem viertem Zahn Z4 , zwischen dem vierten Zahn Z4 und dem fünften Zahn Z5, zwischen dem sechsten Zahn Z6 und dem siebten Zahn Z7. Ausgehend von der statischen Intensität Ι Ξ , welcher der Lichtintensität durch den Träger 6 entspricht, kann bei einer ersten Stufe, nämlich wenn das Fluid F zwischen dem ersten Zahn ZI und dem zweiten Zahn Z2 steht, ein Intensitätssprung verzeichnet werden. Die Intensität springt jeweils höher, wenn der Füllstand L steigt und so die Zahnzwischenräume zwischen den restlichen Zähnen füllt.