Titel

Optische Sensoreinrichtung zum Messen eines Füllstandes und/oder eines

Brechungsindex einer Flüssigkeit in einem Behälter und Verfahren zum

Betreiben einer optischen Sensoreinrichtung zum Messen eines Füllstandes und/oder eines Brechungsindex einer Flüssigkeit in einem Behälter

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Sensoreinrichtung zum Messen eines Füllstandes und/oder eines Brechungsindex einer Flüssigkeit in einem Behälter und ein Verfahren zum Betreiben einer optischen Sensoreinrichtung zum Messen eines Füllstandes und/oder eines Brechungsindex einer

Flüssigkeit in einem Behälter.

Stand der Technik

Zur Ermittlung des Füllstands in einem Tank (z. B. in einem AdBlue-Tank im Kfz) kommen üblicherweise Ultraschallsensoren zum Einsatz. Zur Identifikation von Flüssigkeiten (z. B. zur Verhinderung von Fehlbetankung) wurden bisher unterschiedliche Sensorkonzepte entwickelt, welche etwa auf der Messung von Schallgeschwindigkeit (z. B. im Ultraschallbereich), Wärmeleitfähigkeit,

Viskosität, Dichte oder elektrischer Permeabilität basieren. Des Weiteren wird auch versucht, die Zusammensetzung von Betriebs- und Kraftstoffen im Kfz mittels Impedanzspektroskopie im Hochfrequenzbereich zu ermitteln. Unter Verwendung optischer Messverfahren wurden bislang verschiedene Sensoren entwickelt. Beispielsweise ist ein refraktometrischer Sensor bekannt, bei dem die Lichtbrechung an der Grenzfläche zur Flüssigkeit bestimmt wird, um

Rückschlüsse auf die Konzentration von Harnstoff- Wasser- Lösungen zu ziehen. Des Weiteren sind Sensoren bekannt, die auf der wellenlängenabhängigen Absorption von Licht beim Durchstrahlen der Flüssigkeit basieren .

In der EP 1929279 Bl wird eine Vorrichtung zur Bestimmung des

Brechungsindex eines Fluids mit einem lichtdurchlässigen Körper, einer lichtemittierenden Einrichtung zur Erzeugung eines Lichtstrahls, einer

Detektoranordnung und einem optischen Element, das in dem definierten Lichtweg angeordnet wird, beschrieben.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft eine optische Sensoreinrichtung zum Messen eines Füllstandes und/oder eines Brechungsindex einer Flüssigkeit in einem Behälter nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer optischen Sensoreinrichtung zum Messen eines Füllstandes und/oder eines

Brechungsindex einer Flüssigkeit in einem Behälter nach Anspruch 9.

Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Vorteile der Erfindung

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine optische Sensoreinrichtung anzugeben, mittels welcher sowohl eine

Füllstandsmessung einer Flüssigkeit in einem Behälter (Tank) und auch eine Ermittlung des Brechungsindex dieser Flüssigkeit möglich ist. Der

Brechungsindex kann in einem zur Füllstandsmessung separatem optischen Pfad erfolgen, wobei beide Messungen auf einer optischen Länge basieren.

Das Prinzip ist anwendbar auf sämtliche Flüssigkeiten, die im betrachteten Wellenlängenbereich transparent sind. Die Bestimmung des Brechungsindex kann einfach und bei minimalem Bauraum des Sensors erfolgen.

Erfindungsgemäß umfasst die optische Sensoreinrichtung zum Messen eines Füllstandes und/oder eines Brechungsindex einer Flüssigkeit in einem Behälter ein Gehäuse, welches an einem Boden oder einer Seitenwand des Behälters montierbar ist; eine Laserlichtquelle, welche in dem Gehäuse angeordnet ist und durch welche ein Laserstrahl erzeugbar ist und in die Flüssigkeit einstrahlbar ist; eine Umlenkeinrichtung für den Laserstrahl, welche im oder am Gehäuse angeordnet ist, und durch welche der Laserstrahl in Richtung eines Flüssigkeitsspiegels in die Flüssigkeit einstrahlbar ist und/oder im Wesentlichen parallel zum Flüssigkeitsspiegel umlenkbar und auf ein Streuelement innerhalb der Flüssigkeit ausrichtbar ist, wobei der Laserstrahl vom Streuelement und/oder von einer Behälterdecke zumindest teilweise in die Laserlichtquelle zurückstrahlbar und in diese einkoppelbar ist, wobei das Streuelement im oder am Gehäuse angeordnet ist und das Gehäuse von der Flüssigkeit zumindest teilweise durchdringbar oder umgebbar ist; ein Fotoelement, welches an oder in der Laserlichtquelle angeordnet ist und durch welches eine Intensität des von der Laserlichtquelle abgestrahlten Laserstrahls erfassbar ist; eine

Auswerteeinrichtung zum Ermitteln des Füllstandes und/oder des

Brechungsindex, wobei der Füllstand aus einer optischen Weglänge des Laserstrahls zwischen der Laserlichtquelle und einer Behälterdecke ermittelbar ist, wobei die Behälterdecke oberhalb des Flüssigkeitsspiegels angeordnet ist, und/oder der Brechungsindex aus einer optischen Weglänge zwischen der Laserlichtquelle und dem Streuelement ermittelbar ist, und die optische Weglänge jeweils aus einer Variation einer Intensität des von der

Laserlichtquelle abgestrahlten Laserstrahls ermittelbar ist; und eine

Steuereinrichtung mittels welcher die Laserlichtquelle mit einem

Modulationssignal betreibbar ist.

Der Brechungsindex dient vorteilhaft als Indikator für eine korrekte

Zusammensetzung der Flüssigkeit. Somit kann etwa eine Fehlbetankung erkannt werden.

Das Messen des Füllstandes und des Brechungsindex kann vorteilhaft zeitlich nacheinander erfolgen. Das Gehäuse kann vorteilhaft als ein Fertigteil in dem Behälter montiert werden, wobei auf eine separate Montage des

Streuelementes vorteilhaft verzichtet werden kann und das Gehäuse bereits vorbestimmte Platzvorgaben für den im Behälter durch das Gehäuse einzunehmenden Bereich erfüllbar sein kann. Die Laserlichtquelle umfasst vorteilhaft eine kantenemittierende Laserdiode mit hoher Seitenmodenunterdrückung im Emissionsspektrum (z. B. DFB-Laser) oder einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser (VCSEL). Das Laserlicht wird nach Austritt aus dem emittierenden Bauteil (Laserlichtquelle) vorteilhaft durch ein geeignetes optisches Element (Linse oder Freiformspiegel) kollimiert. Das am Streuelement und/oder an der Behälterdecke oder auch an anderen Elementen im Behälter (Tank) vorteilhaft diffus gestreute Licht von der

Lichtquelle kann in diese Lichtquelle zurück einkoppeln und durch das Konzept der Selbstmischinterferometrie (Self-mixing-interferometry; SMI) eine Variation in der von der Lichtquelle abgestrahlten Intensität bewirken. Eine Auswertung der Rückkopplungseffekte durch die SMI kann vorteilhaft eine Bestimmung der optischen Weglänge innerhalb des Behälters ermöglichen. Zur Bestimmung des Füllstands verläuft der optische Pfad dabei zwischen zwei Punkten, die sich bei unvollständig gefülltem Behälter (Tank) auf unterschiedlichen Seiten des Flüssigkeitsspiegels befinden. Zur Bestimmung des Füllstands wird dann die optische Weglänge bestimmt, die der Laserstrahl nach Durchqueren von Medium, angrenzendem Luftspalt und weiterer Wegstrecken durch Luft oder optische Materialien (z. B. von Fenstern) bis zur diffusen Streuung oder Reflexion an einer gegenüberliegenden Wand (Behälterdecke) zurücklegt.

In erster Linie wird vorteilhaft eine Variation der Lichtintensität betrachtet, um daraus optische Weglängen (mehrere bei einer Überquerung des

Flüssigkeitsspiegels und zurück) abzuleiten und von diesen auf den Füllstand oder den Brechungsindex schließen zu können. Die optische Weglänge im leeren Behälter ist vorteilhaft bekannt, und in Anwesenheit einer Flüssigkeit lässt eine Erhöhung der optischen Weglänge bei bekanntem Brechungsindex vorteilhaft Rückschlüsse auf den Füllstand zu. Des Weiteren kann bei einer bekannten geometrischen Weglänge zu den Streuelement(en) bei einer Veränderung der optischen Weglänge auf den Brechungsindex

rückgeschlossen werden. Hierbei kann vorteilhaft auf eine optische

Weglängendifferenz zwischen zwei Streuelementen rückgegriffen werden. Zur Bestimmung der Variation wird das Laserlicht vorteilhaft moduliert.

Das Fotoelement überwacht vorteilhaft die optische Ausgangsleistung

(Intensität) der Laserlichtquelle. Das Fotoelement kann eine Fotodiode umfassen und beispielsweise nah an der Lichtquelle oder innerhalb dieser, etwa im Schichtaufbau des Halbleiterlasers, angeordnet sein und das Licht von der Laserlichtquelle messen. Basierend auf üblichen Analysemethoden der Fluktuation der Ausgangsleistung der Laserlichtquelle mittels der SMI kann auf die (absolute) optische Weglänge zwischen der Lichtquelle und dem bestrahlten Objekt (Behälterdecke oder Streuelement) rückgeschlossen werden. Im

Gegensatz zur physikalischen Weglänge wird die optische Weglänge beim Durchqueren eines Mediums um die Brechzahl verlängert.

Das Streuelement kann vorteilhaft an einem Randbereich oder an einer

Halterung in einer bekannten Distanz zum Gehäuse oder innerhalb des

Gehäuses angeordnet sein. Hierzu kann die Flüssigkeit das Gehäuse zumindest umgeben oder durchdringen, so dass das Streuelement und der optische Pfad bis dorthin vorteilhaft gänzlich innerhalb der Flüssigkeit liegt und die Lichtstrahlen für die Bestimmung des Brechungsindex den Flüssigkeitspegel vorteilhaft nicht überschreiten.

Bezüglich der optischen Pfade zur Behälterdecke (etwa bei unterschiedlichen Winkeln), wird er Brechungsindex vorteilhaft auf einem anderen Pfad ermittelt als der Füllstand.

Der Brechungsindex wird vorteilhaft in einem separaten optischen Pfad bestimmt, welcher stets innerhalb der Flüssigkeit verbleibt. Da sich die geometrische Weglänge durch das Medium im Gegensatz zur

Füllstandmessung jedoch nicht in Abhängigkeit vom Füllstand ändert (dort verlässt der Laserstrahl die Flüssigkeit), lässt sich über eine Messung der optischen Weglänge in diesem Pfad vorteilhaft die Brechzahl der Flüssigkeit bestimmen.

Durch das Umlenken an der Umlenkeinrichtung kann der Laserstrahl vorteilhaft zeitlich verändert, vorteilhaft um einen Winkel abgelenkt werden. Auf einer Oberfläche kann der Laserstrahl somit über die Zeit eine Linie beschreiben. Das Umlenken kann zwischen statischen Positionen erfolgen, etwa zwischen unterschiedlichen optischen Pfaden umgeschaltet werden. Zum Betrieb der Laserlichtquelle wird diese mit einem Modulationssignal angesteuert, etwa einem Strom, wodurch vorteilhaft ein gewünschter

Betriebsmodus der Laserlichtquelle erzielt werden kann und der Laserstrahl in seiner Wellenlänge periodisch moduliert werden. Durch die Strommodulation der Laserlichtquelle kann vorteilhaft der Effekt der SMI besser aufgelöst werden und genauer erfolgen, wobei es möglich sein kann die Strommodulation dynamisch an die benötigte Genauigkeit bei der Bestimmung des optischen Pfades anzupassen um eine bessere Auflösung zu erzielen. Da die Flüssigkeit vorteilhaft einen höheren Brechungsindex als Luft aufweist, skaliert die gemessene optische Weglänge vorteilhaft linear mit dem Füllstand der

Flüssigkeit.

Der Behälter kann einen Tank umfassen, etwa für Betriebsstoffe im Kfz (z. B. AdBlue-Tank). Eine Bauhöhe kann im Bereich von 100 mm bis 500 mm liegen. Auch die für Füllstandmessungen relevanten Weglängen bewegen sich vorteilhaft in diesem Bereich. Wenn der Laserstrahl die Flüssigkeit durchquert, erhöht sich die optische Weglänge gegenüber der geometrischen Weglänge für diese Teilstrecke um einen Faktor, der durch die Brechzahl gegeben ist. Wenn der Tank beispielsweise 32,5-prozentige Harnstoffwasserlösung beinhaltet, muss der Sensor unter Umständen Weglängen messen, die um einen Faktor 1,38 höher als die tatsächliche Bauhöhe der Tankeinheit sind.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Sensoreinrichtung umfasst die Umlenkeinrichtung einen beweglichen Mikrospiegel.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Sensoreinrichtung umfasst diese ein kollimierendes Element, durch welches der Laserstrahl kollimierbar ist und bei einer Kollimation auf die Behälterdecke oder auf das Streuelement ausrichtbar ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Sensoreinrichtung umfasst diese ein fokussierendes Element, durch welches der Laserstrahl fokussierbar ist und bei einer Fokussierung auf das Streuelement ausrichtbar ist. Der Lichtstrahl kann sowohl bei der Füllstandmessung als auch bei der

Brechungsindex-Bestimmung zunächst kollimiert werden. Bei der

Brechungsindex-Bestimmung kann nachfolgend der Kollimation noch einmal fokussiert werden.

Die hier beschriebene Sensoreinrichtung ermöglicht es vorteilhaft die

Messgenauigkeit bei der Bestimmung der Brechzahl zu erhöhen, wenn aus Platzgründen in diesem Pfad eine Wegstrecke verwendet wird, die deutlich geringer ist als die Weglänge, die bei der Messung des Füllstands durchquert wird. Hierzu kann ein weiteres optisches Element verwendet werden, das eine Fokussierung des Strahls auf das Streuelement im Nahbereich ermöglicht. Zum anderen kann die Lasermodulation gegenüber der Messung des Füllstands angepasst werden, um eine höhere Empfindlichkeit bei der

Entfernungsmessung zu erreichen.

Für die bereits genannten Weglängen in der Größenordnung von 0,1 m bis 1 m kann der Laserstrahl kollimiert werden. Der zunächst divergente Strahl der Laserdiode kann dabei durch ein fokussierendes Element oder ein

kollmierendes Element so transformiert werden, dass die Strahldivergenz im Bereich von 0.5 - 5 mrad liegt (Vollwinkel). In der Strahltaille kann der

Strahldurchmesser dann typischerweise einige 100 pm betragen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Sensoreinrichtung ist das fokussierende Element in einer Wand des Gehäuses angeordnet, wobei eine effektive Brennweite des fokussierenden Elements einer Distanz zwischen dem fokussierenden Element und dem Streuelement entspricht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Sensoreinrichtung umfasst das fokussierende Element eine Linse oder einen gekrümmten Spiegel.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Sensoreinrichtung umfasst diese zwischen der Laserlichtquelle und der Umlenkeinrichtung eine optische Abbildungseinrichtung mit variabler Brennweite.

Es ist weiterhin möglich, dass auf separate Fokussierelemente in den unterschiedlichen optischen Pfaden verzichtet werden kann. Stattdessen kann

nach der Laserlichtquelle und vor der Umlenkeinrichtung eine Optik zum

Einsatz kommen (Abbildungseinrichtung), die beispielsweise eine Linse oder einen gekrümmten Spiegel mit variabler Brennweite umfasst. Wenn über die Umlenkeinrichtung vorteilhaft unterschiedliche optische Pfade ausgewählt werden, kann über die variable Optik dann die Strahltaille auf die gewünschte Objektoberfläche (etwa das Streuelement) gesetzt werden, um eine

Distanzmessung mit optimalem Signal-Rausch-Verhältnis zu ermöglichen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Sensoreinrichtung umfasst diese ein erstes Streuelement und zumindest ein zweites

Streuelement, welche von dem umgelenkten Laserstrahl im Wesentlichen parallel zum Flüssigkeitsspiegel bestrahlbar sind und in einer Richtung des im Wesentlichen parallel zum Flüssigkeitsspiegel verlaufenden Laserstrahls versetzt sind.

Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Betreiben einer optischen Sensoreinrichtung zum Messen eines Füllstandes und/oder eines

Brechungsindex einer Flüssigkeit in einem Behälter, ein Bereitstellen einer erfindungsgemäßen optischen Sensoreinrichtung; ein Einstrahlen eines

Laserstrahls durch eine Laserlichtquelle in die Flüssigkeit, wobei der Laserstrahl in Richtung eines Flüssigkeitsspiegels und/oder auf eine Umlenkeinrichtung gestrahlt wird; ein Erfassen einer Intensität des abgestrahlten Laserstrahls von der Laserlichtquelle durch das Fotoelement; ein Ermitteln einer Variation einer Intensität des von der Laserlichtquelle abgestrahlten Laserstrahls durch das Fotoelement nach einem Einkoppeln des an der Behälterdecke oder am

Streuelement gestreuten Laserstrahls in die Lichtquelle; ein Ermitteln einer optischen Weglänge des Laserstrahls zwischen der Laserlichtquelle und einer Behälterdecke, wobei die Behälterdecke oberhalb des Flüssigkeitsspiegels angeordnet ist, und/oder zwischen der Laserlichtquelle und dem Streuelement aus der Variation der Intensität; und ein Ermitteln des Füllstandes und/oder des Brechungsindex aus der optischen Weglänge durch die Auswerteeinrichtung. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird mit der Umlenkeinrichtung ein Umlenkwinkel für den Laserstrahl variiert und der Laserstrahl auf die Behälterdecke oder auf das Streuelement gelenkt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt ein

Betreiben der Laserlichtquelle mit einem Modulationssignal durch die

Steuereinrichtung, wobei beim Bestrahlen des Flüssigkeitsspiegels ein erstes Modulationssignal und beim Bestrahlen des Streuelements ein zweites

Modulationssignal verwendet wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens umfassen das erste Modulationssignal und das zweite Modulationssignal einen Strom in Dreiecksmodulation, wobei das zweite Modulationssignal einen größeren Signalhub umfasst als das erste Modulationssignal.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden ein erstes Streuelement und zumindest ein zweites Streuelement vom Umlenkelement mit dem Laserstrahl bestrahlt, welche in einer Richtung des im Wesentlichen parallel zum Flüssigkeitsspiegel verlaufenden Laserstrahls versetzt sind, wobei aus den optischen Weglängen zwischen der Lichtquelle und jeweils dem Streuelement eine Verifizierung der ermittelten Brechzahl erfolgt.

Um die Genauigkeit der Messung auf kurzen Distanzen zu verbessern, kann des

Weiteren die Modulation der Laserlichtquelle angepasst werden.

In der Umsetzung der Weglängenmessung über SMI, kann der Strom durch die Laserlichtquelle durch eine periodische Aneinanderreihung von Dreiecksignalen moduliert werden. In einer aufsteigenden Stromrampe können in Anwesenheit eines Objekts (Streuelement, Behälterdecke), das Rückstreuungen des ausgesandten Lichts in den Laser hervorrufen kann, periodische

Intensitätsmodulationen des Lasers hervorgerufen werden. Bei einem linearen Anstieg des Laserstroms kann eine näherungsweise sinusförmige Modulation der Laserausgangsleistung mit einer gewissen Frequenz f hervorgerufen werden . Im Falle eines ruhenden Objekts ist diese Frequenz f gemäß der Gleichung / = ( d _opt /l ² ) AI/At άl/dl proportional zur optischen Weglänge d _{op t} bis zur Objektoberfläche, wobei, AI dem Anstieg/Abfall des Stroms im Zeitintervall At entspricht und, dA/dl der Durchstimmkoeffizient des Lasers ist. Ein Sensor, der diese

Modulationsfrequenz ausgibt, kann daher bei geeigneter Kalibration zur Entfernungsmessung verwendet werden. Bei der Bestimmung der

Modulationsfrequenz durch eine im Sensor integrierte Signalverarbeitung, etwa in der Steuereinrichtung oder Auswerteeinheit, ist die Bandbreite typischerweise begrenzt. Wenn vorteilhaft die Frequenz als Digitalwert ausgegeben wird, ist zudem die Messwertauflösung begrenzt. Entsprechend ist es vorteilhaft, wenn die Strommodulation in der obigen Gleichung so gewählt wird, dass die

Frequenz der Intensitätsmodulation durch die

Signalverarbeitung optimal aufgelöst wird. Hierbei kann für die Bestimmung der Brechzahl die Amplitude der Strommodulation deutlich erhöht werden

(vorzugsweise um einen Faktor 5-10 gegenüber der Füllstandmessung). In einer bevorzugten Umsetzung dieses Prinzips kann die Steuereinrichtung, etwa ein Mikrocontroller, ein FPGA (Field Programmable Gate Array) oder ASIC (Application Specific Integrated Circuit), dabei erwirken, dass die

Umlenkeinrichtung einen Winkelbereich ansteuert, innerhalb dessen der Laserstrahl in den optischen Pfad zur Füllstandmessung geführt wird. Simultan zu dieser Ablenkung erzeugt die Steuereinrichtung vorteilhaft ein Steuersignal, das an einen integrierten oder einen als separates Bauteil vorhandenen Lasertreiber gesandt werden kann. Für die Füllstandmessung kann der Lasertreiber

daraufhin einen konstanten Strom erzeugen, dem eine Dreiecksmodulation mit einer Peak-to- Peak- Differenz A (Signalhub des ersten Modulsationssignals) überlagert sein kann. Mit dieser Modulation kann die Signalverarbeitung (Auswerteeinheit) die durch den SMI-Effekt in Anwesenheit eines Objekts entstehenden Intensitätsmodulationen des Lasers, die durch die Fotodiode aufgenommen werden, zeitlich (und im Zuge einer nachfolgend möglichen Fouriertransformation des Zeitsignals auch im Frequenzraum) optimal auflösen. Nach einer ausreichend langen Messzeit, innerhalb derer das

Fotodiodensignal von der Steuereinrichtung oder Auswerteeinheit

ausgewertet werden kann, kann die Steuereinrichtung anschließend bewirken, das die Umlenkeinrichtung den Winkel für die Adressierung des optischen Pfads

zur Bestimmung der Brechzahl einstellt. Gleichzeitig kann nun ein anderes Steuersignal an den Lasertreiber ausgegeben werden, dass diesen nun veranlasst

einen Strom einzustellen, der bei näherungsweise unverändertem konstanten Stromanteil (DC-Offset) eine Dreieckmodulation (im zweiten Modulationssignal) mit einer deutlich höheren Peak-to- Peak- Differenz Ah > Ah aufweisen kann, wobei Ah dem Signalhub des zweiten Modulationssignals entspricht. Im Idealfall entspricht das

Verhältnis beider Werte für den Modulationshub dem umgekehrten Verhältnis aus beiden Pfadlängen, d. h. Ah/Ah ~ d _Brechzahi /dmistan _d .

In dieser Formel bezeichnet C/B _rechzahi die optische Weglänge im Pfad zur Bestimmung der Brechzahl und c/ _Füiistand die optische Weglänge im Pfad zur Bestimmung des Füllstands.

Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der optischen Sensoreinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der optischen Sensoreinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; Fig. 3 eine schematische Darstellung der optischen Sensoreinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 4 eine Abfolge von Verfahrensschritten gemäß eines

Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw.

funktionsgleiche Elemente.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der optischen Sensoreinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.

Die optische Sensoreinrichtung 10 zum Messen eines Füllstandes h und/oder eines Brechungsindex n einer Flüssigkeit F in einem Behälter 1 umfasst ein Gehäuse (nicht gezeigt), welches an einem Boden oder einer Seitenwand des Behälters 1 montierbar ist; eine Laserlichtquelle 2, welche in dem Gehäuse angeordnet ist und durch welche ein Laserstrahl L erzeugbar ist und in die Flüssigkeit F einstrahlbar ist. Des Weiteren umfasst die Sensoreinrichtung 10 eine Umlenkeinrichtung 3 für den Laserstrahl L, welche im oder am Gehäuse angeordnet ist, und durch welche der Laserstrahl L in Richtung eines

Flüssigkeitsspiegels FS in die Flüssigkeit F einstrahlbar ist und/oder im

Wesentlichen parallel zum Flüssigkeitsspiegel FS umlenkbar und auf ein Streuelement StE innerhalb der Flüssigkeit F ausrichtbar ist, wobei der Laserstrahl L vom Streuelement StE und/oder von einer Behälterdecke la zumindest teilweise in die Laserlichtquelle 2 zurückstrahlbar und in diese einkoppelbar ist, wobei das Streuelement StE im oder am Gehäuse angeordnet ist und das Gehäuse G von der Flüssigkeit F zumindest teilweise durchdringbar oder umgebbar ist. Die Sensoreinrichtung 10 umfasst ein Fotoelement FE, welches an oder in der Laserlichtquelle 2 angeordnet ist und durch welches eine Intensität des von der Laserlichtquelle 2 abgestrahlten Laserstrahls L erfassbar ist; eine Auswerteeinrichtung AE zum Ermitteln des Füllstandes h und/oder des Brechungsindex n, wobei der Füllstand h aus einer optischen Weglänge dopt des Laserstrahls L zwischen der Laserlichtquelle 2 und einer Behälterdecke la ermittelbar ist, wobei die Behälterdecke la oberhalb des Flüssigkeitsspiegels FS angeordnet ist, und/oder der Brechungsindex n aus einer optischen Weglänge dopt zwischen der Laserlichtquelle 2 und dem Streuelement StE ermittelbar ist, und die optische Weglänge jeweils aus einer Variation einer Intensität des von der Laserlichtquelle 2 abgestrahlten

Laserstrahls L ermittelbar ist; und eine Steuereinrichtung SE mittels welcher die Laserlichtquelle 2 mit einem Modulationssignal betreibbar ist.

Das Streuelement umfasst vorteilhaft ein erstes Streuelement StEl und ein zweites Streuelement StE2, welche von dem umgelenkten Laserstrahl im Wesentlichen parallel zum Flüssigkeitsspiegel bestrahlbar sind und in einer Richtung des im Wesentlichen parallel zum Flüssigkeitsspiegel verlaufenden Laserstrahls L versetzt sind. Des Weiteren ist es auch möglich, dass das erste Streuelement StEl und das zweite Streuelement StE2 jeweils Teil des

Behälters sein können. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 können vorteilhaft nacheinander eine Behälterdecke la und die Streuelemente StEl und StE2 angestrahlt werden. Die Bestrahlung der Behälterdecke kann auch unter einem Winkel Q erfolgen, da eine diffuse Rückstreuung trotzdem in den die Laserlichtquelle 2 einkoppelbar ist. Der gesamte optische Weg d _opt zur Behälterdecke berücksichtigt vorteilhaft die Brechzahl der Flüssigkeit und die Brechzahl der Luft ni_. Hierbei kann sich ein gesamter optischer Weg aus der Gesamtdistanz d zwischen Behälterdecke und Laserlichtquelle näherungsweise wie folgt ergeben:

Die Umlenkeinrichtung 3 kann ein Prisma und/oder einen Spiegel umfassen. Durch das Umlenkelement kann sichergestellt werden, dass in kurzer zeitlicher Abfolge nacheinander alle involvierten optischen Pfade adressiert werden können.

Zwischen den beiden Streuelementen StEl und StE2 und/oder zwischen StEl und der Seitenwand des Behälters 1 kann eine Differenzbildung im optischen Pfad d _ref berücksichtigt werden, welche die optische Weglänge des Teilstücks des Lichtpfads bestimmt, das sich innerhalb der Flüssigkeit F befindet, mittels welchem eine Bestimmung des Brechungsindex n verfizierbar sein kann. Die Sensoreinrichtung kann ebenfalls einen Mikrospiegel MS, welcherder

Laserlichtquelle 2 unmittelbar nachgelagert ist. Die zwei streuenden

Oberflächen der StEl und StE2 können verwendet werden, welche sich vorteilhaft in Strahlrichtung leicht versetzt zu einander innerhalb der Flüssigkeit befinden. Wenn nun die optischen Weglängen zwischen Sensor und jeder der beiden Streuflächen bestimmt werden, kann über die Wegdifferenz d _ref aus den Messwerten direkt die optische Weglänge des Teilstücks des Lichtpfads bestimmt werden, das sich innerhalb der Flüssigkeit befindet.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der optischen Sensoreinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.

Zur Bestimmung der Brechzahl n wird vorzugsweise auf einen optischen Pfad mit

definierter Länge zurückgegriffen, beispielsweise sind die Distanzen zu den Streuelemten StEl und StE2 bekannt, da diese fix an bekannter Position am Gehäuse G, im Gehäuse G oder an einer Halterung neben dem Gehäuse G aber mit diesem vorteilhaft verbunden (einstückig ausführbar) sein können. Um hierbei unabhängig von der konkreten Ausgestaltung des Behälters zu werden, ist es vorteilhaft, wenn der

optische Pfad zur Bestimmung des Brechungsindex n bereits als Teil der Sensoreinrichtung 10 realisiert wird. Da für die Sensoreinheit in der Regel nur ein

begrenzter Bauraum vorgesehen ist, kann sich auch der optische Pfad zur Bestimmung des Brechungsindex n nur über eine geringe Länge erstrecken. Denkbar

sind hier maximale Längen von wenigen cm. Dieser Pfad ist somit signifikant (etwa um einen Faktor 10-100) kürzer als der optische Pfad zur

Füllstandmessung.

Die Laserlichtquelle 2 ist in der Fig. 2 schematisch als eine Box dargestellt, in welcher auch der Mikrospiegel MS, die Steuereinheit SE zum Ansteuern der Laserlichtquelle mit einem ersten und zweiten Modulationssignal Ml und M2, und der Auswerteeinheit AE enthalten sein können. Das fokussierende Element 4 kann ein Teil der Umlenkeinrichtung sein.

Als eine Alternative können gekrümmte Spiegel als fokussierende Elemente 4 zur Strahlfokussierung verwendet werden. Bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung kann sich jeweils einer dieser Spiegel 4 auf der Innenseite der oberen Gehäuseschale des Gehäuses G für die Bestrahlung eines der

Streuelemente am Gehäuse G befinden und von dem Mikrospiegel MS angestrahlt werden, vorteilhaft zeitlich nacheinander.

Wenn der zunächst vorteilhaft kollimierte Laserstrahl durch die

Umlenkeinrichtung 4 (Mikrospiegel) in Richtung des genannten gekrümmten Spiegels gelenkt wird, wird der Strahl anschließend in die Richtung der

Streuelemente umgelenkt und gleichzeitig in unmittelbarer Umgebung dieser Oberfläche fokussiert (durch den Spiegel 4). Die obere Gehäuseschale ist vorteilhaft transparent und kann einen Durchtritt des fokussierten Strahls in die Flüssigkeit ermöglichen. Der genannte gekrümmte Spiegel weist vorteilhaft eine asphärische Oberflächenform auf. Denkbar ist beispielsweise eine Ausführung als Offset- Parabolspiegel. Die effektive Brennweite des Spiegels 4 kann näherungsweise der optischen Pfadlänge zwischen dem Spiegel und dem jeweiligen Streuelement entsprechen.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der optischen Sensoreinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.

Ein fokussierendes Element 4 sorgt vorteilhaft dafür, dass ein Fokus im

Nahbereich entsteht. Zum anderen kann die Strommodulation des Lasers dynamisch angepasst werden, um bei Messungen im optischen Pfad zur Bestimmung der Brechzahl eine bessere Auflösung der Messwerte zu erreichen. Das erste und das zweite Streuelement StEl und StE2 sind vorteilhaft an vorbestimmten Positionen in der Flüssigkeit und beispielsweise außerhalb des Gehäuses G angeordnet, folglich kann eine optische Weglänge genau bestimmt werden. Es ist dabei auch möglich, dass das erste

Streuelement StEl innerhalb des Gehäuses G angeordnet ist, etwa in der Wand des Gehäuses, und das zweite Streuelement StE2 außerhalb des Gehäuses, jedoch beide innerhalb der Flüssigkeit F. Durch das fokussierende Element 4 kann eine Fokussierung des Laserstrahls L auf die Streuelemente erfolgen. Für jedes Streuelement können als fokussierendes Element 4 vorteilhaft Linsen mit positiver Brennweite genutzt werden, die typischerweise in die obere Gehäuseschale des Sensors integriert sind. Die effektive Brennweite des fokussierenden Elements 4 kann näherungsweise der optischen Pfadlänge zwischen der Linse und der streuenden Oberfläche des Streuelements innerhalb der Flüssigkeit entsprechen. Eine obere Gehäuseschale des

Gehäuses G, die vorteilhaft die Linsen beinhalten kann, kann aus einem transparenten Kunststoff hergestellt sein. Im Umfeld aggressiver Medien kommt hier beispielsweise Polysulfon oder auch COC (Cycloolefin-Copolymere) zum Einsatz. Die genannten Linsen können dann bei einer Herstellung der

Gehäuseschale im Spritzgussverfahren direkt abgeformt werden. Die hierbei beschriebenen fokussierenden Elemente 4 kommen vorteilhaft dann zum Einsatz, wenn die Länge dieses Pfads zur Ermittlung des Brechungsindex im Vergleich zur Füllstandmessung um einen Faktor 10 kleiner ist, da das

Fokussieren eine höhere Messgenauigkeit ermöglichen kann als jene, die in dem Fall erreicht wird, wenn bei Bestrahlung von StEl und StE2 ein Strahl verwendet wird, der entsprechend den Anforderungen der Füllstandsmessung (Strahltaille liegt hierbei vorzugsweise in einer Entfernung von 100 - 500 mm, z. B. bei 300 mm) kollimiert wurde.

Nach der Laserlichtquelle 2 und vor der Umlenkeinrichtung 3 kann eine optische Abbildungseinrichtung 6 angeordnet sein, die beispielsweise eine Linse oder einen gekrümmten Spiegel mit variabler Brennweite umfasst. Wenn über die Umlenkeinrichtung 3 vorteilhaft unterschiedliche optische Pfade ausgewählt werden, kann über die Abbildungseinrichtung 6 dann die Strahltaille auf die gewünschte Objektoberfläche (etwa das Streuelement) gesetzt werden, um eine Distanzmessung mit optimalem Signal- Rausch- Verhältnis zu ermöglichen. Die Umlenkeinrichtung 3 kann vorteilhaft den Umlenkwinkel UW variieren. In der oberen Gehäuseschale kann zum Bestrahlen der Linsen 4 auf einer Innenseite jeweils für jede Linse eine weitere Umlenkeinrichtung 3 mit oder ohne ein kollimierendes Element 5 angeordnet sein. Der Boden des Gehäuses G befindet sich vorteilhaft auf dem Boden des Behälters 1, wobei die innere Distanz im Gehäuse zwischen der Laserlichtquelle 2 und dem Strahlaustritt in die Flüssigkeit gegenüber dem Füllstand h vorteilhaft vernachlässigbar sein kann, und der optische Pfad zwischen dem Strahlaustritt aus dem Gehäuse G und dem Streuelement oder der Behälterdecke zur Berücksichtigung ausreichen kann.

Entfernungsmessungen auf Objektoberflächen (Behälterdecke), die im Bereich der Taille des Laserstrahls liegen können, liefern typischerweise ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis. In diesem Fall kann das Licht auf dem Rückpfad optimal in die

Laserlichtquelle eingekoppelt werden und kann dann in stärkerem Maße zu den gewünschten Rückkopplungseffekten beitragen. Sinnvollerweise kann daher das

kollimierende Element 5 nach der Laserlichtquelle 2 dergestalt ausgelegt und positioniert sein, dass die Strahltaille nach der Strahltransformation im Bereich der Behälterdecke la liegt (z. B. im Abstand 300 mm zum Sensor).

Zur Bestimmung der Brechzahl n können bevorzugt zwei unterschiedliche optische Pfade zum Einsatz kommen. Aus den optischen Weglängen zwischen der Lichtquelle 2 und jeder der beiden Streuelemente StEl und StE2, kann über eine Differenzbildung aus den Messwerten der optischen Wege direkt die optische Weglänge des Teilstücks des Lichtpfads bestimmt werden, das sich innerhalb der Flüssigkeit F befindet. Hierdurch

können systematische Messfehler vermieden werden, die z. B. durch

Lagetoleranzen der Bauteile oder aber durch Lageänderungen im Betrieb (z. B. durch thermische Verformungen) entstehen. Wenn der Laserstrahl zwischen Quelle und Streuelement StEl keine Flüssigkeit durchstrahlt, kann zudem über die optische Weglänge, die in diesem Pfad gemessen wird, die

Messempfindlichkeit bei der Entfernungsmessung kontinuierlich bestimmt werden. Wenn zwei unterschiedliche

optische Pfade zur Bestimmung der Brechzahl zum Einsatz kommen, liegt es nahe auch zwei fokussierende Elemente 4 zu verwenden.

Fig. 4 zeigt eine Abfolge von Verfahrensschritten gemäß

einesAusführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Bei dem Verfahren zum Betreiben einer optischen Sensoreinrichtung zum Messen eines Füllstandes und/oder eines Brechungsindex einer Flüssigkeit in einem Behälter erfolgt ein Bereitstellen S1 einer erfindungsgemäßen optischen Sensoreinrichtung; ein Einstrahlen S2 eines Laserstrahls durch eine Laserlichtquelle in die Flüssigkeit, wobei der Laserstrahl in Richtung eines Flüssigkeitsspiegels und/oder auf eine

Umlenkeinrichtung gestrahlt wird; ein Erfassen S3 einer Intensität des abgestrahlten Laserstrahls von der Laserlichtquelle durch das Fotoelement; ein Ermitteln S4 einer Variation einer Intensität des von der Laserlichtquelle abgestrahlten Laserstrahls durch das Fotoelement nach einem Einkoppeln des an der Behälterdecke oder am Streuelement gestreuten Laserstrahls in die Lichtquelle; ein Ermitteln S5 einer optischen Weglänge des Laserstrahls zwischen der Laserlichtquelle und einer Behälterdecke, wobei die Behälterdecke oberhalb des Flüssigkeitsspiegels angeordnet ist, und/oder zwischen der Laserlichtquelle und dem Streuelement aus der Variation der Intensität; und ein Ermitteln (S6) des Füllstandes und/oder des Brechungsindex aus der optischen Weglänge durch die Auswerteeinrichtung.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten

Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.