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Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zur Bestimmung eines Füllstandes eines Fluides in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit mindestens einer Lichtquelle, mit mindestens einer optischen Detektionseinrichtung und mit mindestens einem Lichtleitkörper.
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Zur Erfassung eines Füllstandes in einem Fahrzeug, beispielsweise zur Erfassung des Füllstandes eines Fluids eines Motoröls, können verschiedenartige Füllstandsensoren zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann der Füllstand über eine Ultraschallsensorik erfasst werden. Hierbei handelt es sich um ein physikalisch komplexes System, wobei die Anregefrequenz des Ultraschallsensors auf das jeweils zu vermessende Medium abgestimmt sein muss und der Ultraschallsensor muss zur Verwendung in anderen Medien elektrisch als auch mechanisch angepasst werden.
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Weiterhin bekannt ist die optische Erfassung eines Füllstandes. Beispielsweise aus der
DE 102 06 824 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Füllstandsbestimmung in flüssigkeitgefüllten Behältern bekannt. Hierbei wird die Totalreflexion von Licht an den Reflexionsflächen eines in die Flüssigkeit eingetauchten Lichtleitkörpers ausgenutzt. Bei dem beschriebenen Verfahren wird das von jeder Reflexionsfläche reflektierte Licht gesondert gemessen und die Messsignale können zur Füllstandsbestimmung einer Plausibilitätsprüfung unterzogen werden. Der Lichtleitkörper weist eine Stirnfläche für den Eintritt und Austritt von Licht sowie an den Seitenflächen durch Abstufungen getrennte Reflexionsflächen auf. Hierbei wird das Licht an denjenigen Reflexionsflächen total reflektiert, die nicht in die Flüssigkeit eintauchen. An den eingetauchten Reflexionsflächen wird das Licht in die Flüssigkeit hinein gebrochen und somit im Gegensatz zu dem total reflektierten Licht nicht zur Stirnfläche zurückreflektiert. Das Licht von jeder Reflexionsfläche, das zur Stirnfläche zurück reflektiert wird, wird gesondert vermessen. Aus den Anteilen des reflektierten und den Anteilen des nicht reflektierten Lichtes kann auf den Fluidfüllstand geschlossen werden.
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Die Messgenauigkeit, die mit einer aufgezeigten Sensorvorrichtung erreicht werden kann hängt stark von dem durch den Lichtleiter reflektierten Lichtanteil ab.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensorvorrichtung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, bei der eine effiziente Auskopplung des Lichts in das zu vermessende Medium gewährleistet ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und mit einem Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Bei einer Sensorvorrichtung zur Bestimmung eines Füllstandes eines Fluids in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Kraftfahrzeug mit mindestens einer Lichtquelle, mit mindestens einer optischen Detektionseinrichtung und mit mindestens einem Lichtleitkörper, ist erfindungswesentlich vorgesehen, dass der Lichtleitkörper zumindest abschnittsweise eine rillenartig strukturierte Oberfläche aufweist und dass die rillenartigen Strukturen den Querschnitt des Lichtleitkörpers zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, umlaufen. Die Sensorvorrichtung ist zum optischen Messen des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter, beispielsweise zur Bestimmung des Füllstandes eines Öls in einer Ölwanne eines Fahrzeuges, vorgesehen. Neben dem Füllstand kann hierbei der Zustand der Flüssigkeit mittels Photometrien bestimmt werden. Das Messprinzip ist hierbei nicht auf bestimmte Flüssigkeiten begrenzt. Die zu vermessenden Flüssigkeiten müssen lediglich einen zum Lichtleitkörper unterschiedlichen Brechungsindex aufweisen. In den Lichtleitkörper wird einseitig, beispielsweise an einer Stirnseite, Licht aus mindestens einer Lichtquelle, vorzugsweise aus mehreren Lichtquellen, eingekoppelt. Bei diesen Lichtquellen kann es sich beispielsweise um Leuchtdioden, insbesondere um verschiedenfarbige Leuchtdioden, handeln. Beispielsweise kann der Füllstandssensor im unteren Bereich einer Ölwanne montiert werden. Insbesondere kann der Lichtleitkörper hierbei senkrecht auf dem Boden der Ölwanne angeordnet sein. Durch den als Lichtleiter ausgebildeten Lichtleitkörper wird das von den Lichtquellen in den Lichtleitkörper eingekoppelte Licht in das zu vermessende Medium übertragen. Prinzipiell werden größere Anteile des eingestrahlten Lichtes in das Medium mit dem höheren Brechungsindex ausgekoppelt. Ist der Lichtleitkörper beispielsweise in seinem unteren Bereich von dem zu messenden Medium umgeben und in dem oberen Bereich ragt er aus dem Medium heraus, so wird in dem mit dem Medium bedeckten Bereich mehr Licht aus dem Lichtleiter ausgekoppelt als in dem nicht bedeckten Bereich. Je geringer der Flüssigkeitsspiegel in dem Behälter ist, desto mehr Licht wird ausgekoppelt, desto weniger Licht wird zu der Detektionseinrichtung reflektiert. Aus den Anteilen des reflektierten und des in das Fluid eingeleiteten Lichtes lässt sich auf den Fluidfüllstand schließen. Die Lichtquellen können zur Aussendung von Licht mit jeweils zueinander unterschiedlicher Wellenlänge ausgebildet sein. Als Lichtquellen können beispielsweise vier Leuchtdioden, beispielsweise in den Farben rot, grün, blau und weiß eingesetzt werden. Anhand des unterschiedlichen Reflexionsgrades für jede Wellenlänge kann auf die Farbe des Öls geschlossen werden, da sich die Farbe des Öls auf die Reflexionen der unterschiedlichen Wellenlängen des Lichtes auswirkt. Aus der Farbe des Öls lässt sich auf den Alterungszustand des Öls schließen. Die weiße Leuchtdiode dient hierbei als Referenzmessung. Um die Auskopplung des eingekoppelten Lichtes aus dem Lichtleiter und somit die Messgenauigkeit zu erhöhen, kann der Lichtleitkörper eine rillenartig strukturierte Oberfläche aufweisen. An den Rillen auf der Oberfläche kann ein erhöhter Anteil des Lichtes in das Medium ausgekoppelt werden, als es bei einer glatten Oberfläche der Fall wäre. Die Effizienz des Messsystems ist somit erhöht, da die Position des Wechsels zwischen den beiden Medien besser erfassbar wird. Die rillenartige Struktur der Oberfläche kann durch Rillen in dem Lichtleitkörper ausgebildet sein, die den Umfang des Lichtleitkörpers umlaufen. Insbesondere können die Rillen senkrecht zur Symmetrieachse des Lichtleitkörpers angeordnet sein. Vorzugsweise ist der Lichtleitkörper zylindrisch ausgebildet und weist einen kreisrunden Querschnitt auf. Die Rillen können dabei parallel zueinander und parallel zur Grundfläche des Lichtleitkörpers und/oder zum Boden eines Behälters angeordnet sein. Insbesondere können dabei die rillenartigen Strukturen jeweils in einer Höhe den Lichtleitkörper umlaufen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist die rillenartig strukturierte Oberfläche aus einzelnen periodisch aneinander angrenzenden rillenartigen Strukturen aufgebaut. Die rillenartigen Strukturen auf der Oberfläche des Lichtleitkörpers können periodisch über die Oberfläche des Lichtleitkörpers verteilt sein. Insbesondere kann der Abstand zwischen den Rillen über die Länge des Lichtleitkörpers gleich verteilt sein.
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In einer konstruktiven Weiterbildung der Erfindung sind die rillenartigen Strukturen gezackt ausgebildet. Die Rillen, die um den Querschnitt des Lichtleitkörpers verlaufen, können eine gezackte Form aufweisen. Insbesondere kann eine Rille durch zwei Flächen ausgebildet sein, die einen bestimmten Winkel zueinander aufweisen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung sind die rillenartigen Strukturen sagezahnartig ausgebildet. Insbesondere können die rillenartigen Strukturen in einem Längsschnitt durch den Lichtleitkörper sägezahnartig ausgebildet sein. Durch die sägezahnartige Struktur ist eine besonders effiziente Auskopplung des in den Lichtleiter eingekoppelten Lichtes gegeben.
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In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung sind die rillenartigen Strukturen dreieckförmig ausgebildet. In einem Längsschnitt durch den Lichtleitkörper können die rillenartigen Strukturen dreieckförmig ausgebildet sein. Beispielsweise können die Flächen, die eine Rille ausbilden, gleiche Seitenlängen und einen Winkel von 90 Grad zueinander aufweisen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist jeweils eine Fläche der rillenartigen Struktur jeweils einen Winkel von 45 Grad zur Längsachse des Lichtkörpers auf und die beiden Flächen einer rillenartigen Struktur weisen einen Winkel von 90 Grad zueinander auf. Dadurch, dass die Flächen einer Rille jeweils einen 45 Grad Winkel zur Längsachse des Lichtleitkörpers, insbesondere zu der Symmetrieachse, aufweisen, ist eine dreieckförmige Struktur der Rillen gegeben. Durch eine dreieckförmige Struktur ist eine erhebliche Steigerung der Oberfläche des Lichtleitkörpers gegenüber einer glatten Oberfläche gegeben, wodurch eine erhöhte Lichtauskopplung in das zu vermessende Medium und somit eine erhöhte Messgenauigkeit gegeben ist.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist jeweils eine rillenartige Struktur aus zwei Flächen ausgebildet, die erste Fläche bildet zu einer Längsachse des Lichtleitkörpers einen rechten Winkel aus und zwischen der ersten und der zweiten Fläche ist ein Winkel von 45 Grad aufgespannt. Dadurch, dass eine erste Fläche einer Rille in der Oberfläche des Lichtleitkörpers senkrecht zur imaginären Mantelfläche eines zylindrischen Lichtleitkörpers steht, diese Fläche also einen 90 Grad Winkel zur Symmetrieachse des Lichtleitkörpers ausbildet, und dass die zugehörige Fläche der Rille einen 45 Grad Winkel zu der ersten Fläche aufspannt, ist eine Sägezahnstruktur der rillenartig strukturierten Oberfläche gegeben. Durch eine Sägezahnstruktur ist eine besonders effiziente Auskopplung des Lichtes in das zu vermessende Medium gegeben.
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In einer Ausführungsform der Erfindung beträgt der Abstand zwischen zwei rillenartigen Strukturen mindestens 0,5 mm und höchstens 2 mm, insbesondere 1 mm. Die rillenartigen Strukturen können im Abstand von 1 mm über die Oberfläche des Lichtleitkörpers verteilt sein.
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In einer konstruktiven Weiterbildung der Erfindung weist der Lichtleitkörper eine zylindrische Grundform auf. Die zylindrische Grundform, mit einem vorzugsweise kreisrunden Querschnitt, ist leicht aus dem benötigten Material, wie vorzugsweise Glas oder einem Kunststoff herstellbar. Die rillenartigen Strukturen können nachträglich in die Oberfläche, also in die Mantelfläche eingebracht werden oder sie können direkt bei der Herstellung erzeugt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Lichtleitkörper eine zumindest abschnittsweise konische Grundform auf. Eine konische Grundform eignet sich insbesondere für Lichtleitkörper, die starken Vibrationen, beispielsweise im Motorbereich eines Fahrzeuges, ausgesetzt sind. Vorzugsweise ist hierbei die Stirnseite mit dem höheren Durchmesser den Lichtquellen zugewandt und die Stirnseite mit geringerem Durchmesser dem Behälter, in dem sich das zu vermessende Medium befindet. Durch die breitere Montagefläche ist eine besonders sichere Anordnung, beispielsweise in einem Öltank gegeben, während die spitz zulaufende Stirnseite möglichen Vibrationen eine geringere Angriffsfläche bietet.
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In einer konstruktiven Weiterbildung der Erfindung handelt es sich bei der Detektionseinrichtung um einen optischen Näherungsschalter. Bei einem optischen Näherungsschalter, auch Proximity-Sensor genannt, handelt es sich um ein Standardbauteil, das durch eine Produktion in hoher Stückzahl kostengünstig zu erwerben ist. Somit ist eine Kostenreduktion der Sensoreinrichtung ermöglicht.
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In einer weiteren Ausbildungsform der Erfindung weist der Lichtleitkörper mindestens eine Krümmung auf. Der Lichtleitkörper kann eine Krümmung, beispielsweise einen Knick aufweisen, wodurch die Reflexionseigenschaften, bzw. die Lichtleiteigenschaften des Lichtleitkörpers nicht beeinträchtigt werden. Somit kann die Form des Lichtleiters an die konstruktiven Gegebenheiten, beispielsweise an besonders geformte Ölwannen oder ähnliches angepasst werden.
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In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung weist der Lichtleitkörper eine Oberfläche mit rillenartig strukturierten Bereichen und mit nicht strukturierten Bereichen auf und die rillenartig strukturierten Bereiche und die nicht strukturierten Bereiche sind im Wechsel über die Länge des Lichtleitkörpers angeordnet. Beispielsweise können die Bereiche mit einer rillenartig strukturierten Oberfläche dreieckförmige Rillen aufweisen. Die Bereiche, die eine rillenartig strukturierte Oberfläche aufweisen können im Wechsel mit nicht strukturierten, also mit Bereichen mit glatter Oberfläche angeordnet sein. Beispielsweise kann auf einen circa 2 cm breiten strukturierten Bereich ein 2 cm breiter nicht strukturierter Bereich folgen. Diese Reihenfolge kann periodisch über die Länge des Lichtleitkörpers fortgesetzt sein. Die Länge des Lichtleitkörpers kann dabei beispielsweise 30 cm betragen. Durch die Ausbildung von strukturierten Messbereichen kann eine besonders einfache Bestimmung des Fluidfüllstandes gegeben sein, da sich die Messergebnisse auf einzelne Bereiche beziehen und somit eine einfachere Zuordnung des reflektierten Lichtes gegeben ist.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung. Im Fahrzeugbereich, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich, kommen Füllstandsensoren vielfach zum Einsatz. Durch die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung ist eine präzise Messung des Füllstandes eines Fluids gegeben, wobei eine kostengünstige Herstellung der Sensoreinrichtung ermöglicht ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Im Einzelnen zeigen die schematischen Darstellungen in:
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1: eine schematische Darstellung einer Sensorvorrichtung in einem Behälter;
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2: eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung in einem leeren Behälter;
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3: eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung in einem teilweise gefüllten Behälter;
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4: eine detaillierte Darstellung einer strukturierten Oberfläche mit einer Dreieckstruktur;
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5: eine detaillierte Darstellung einer strukturierten Oberfläche mit einer Sägezahnstruktur;
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6: ein Anordnungsbeispiel für verschiedenfarbige Lichtquellen in einer Detektionseinrichtung;
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7: ein Anordnungsbeispiel eines Lichtleitkörpers und einer Detektionseinrichtung und
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8: einen erfindungsgemäßen Lichtleitkörper mit Messsektionen.
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In 1 ist eine Sensorvorrichtung 1 mit einer Detektionseinrichtung 2 dargestellt, die an einem Behälterboden 3 angeordnet ist. Die Sensorvorrichtung 1 ist zur Bestimmung einer Fluidfüllhöhe 4 vorgesehen. Die Sensorvorrichtung weist einen Lichtleitkörper 5 auf, in den Licht von mindestens einer, vorzugsweise von mehreren Lichtquellen eingekoppelt wird. Vorzugsweise weist die Detektionseinrichtung 2 vier verschiedenfarbige Lichtquellen, vorzugsweise Leuchtdioden auf. Das Licht der Lichtquellen wird in den Lichtleitkörper 5 geleitet, an dessen Innenwandungen es zu Totalreflexionen des eingekoppelten Lichtes kommen kann. Ist der Lichtleitkörper 5 in einem Medium angeordnet, das eine höhere optische Dichte als der Lichtleitkörper 5 aufweist, so kann Licht, anstatt an den Innenwandungen total reflektiert zu werden, in das Medium ausgekoppelt werden. Der Anteil des in das zu vermessende Medium ausgekoppelten Lichtes ist von dem Fluidfüllstand 4 abhängig. Je weiter der Lichtleitkörper 5 von einem Fluid mit höherer optischer Dichte umgeben ist, desto geringer ist der Anteil des an die Detektionseinrichtung 2 zurückreflektierten Lichtes. Der Anteil des zurückreflektierten Lichtes kann in der Detektionseinrichtung 2 beispielsweise über Photodioden ermittelt werden. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit kann der Lichtleitkörper 5 an seinem in den Behälter hineinragenden Ende eine Spiegelschicht 6 aufweisen, die die Rückreflexion des eingekoppelten Lichtes erhöht. Der Lichtleitkörper 5 kann beispielsweise aus Glas bestehen und weist somit eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen aggressive Medien, wie bespielweise einem Kraftstoff oder einem Motoröl auf. Die Detektionseinrichtung 2 ist außerhalb des Behälters angeordnet, so dass nur der Lichtleitkörper mit dem zu vermessenden Medium in Kontakt kommt. Hierdurch ist die Detektionseinrichtung 2 vor chemischen Einflüssen des Mediums geschützt.
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In 2 ist eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung 1 in einem leeren Behälter dargestellt. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszahlen versehen. Die Sensorvorrichtung 1 mit dem Lichtleitkörper 5 ist nicht mit einem Medium, das eine höhere optische Dichte als der Lichtleitkörper 5 aufweist, umgeben. Somit wird ein sehr hoher Anteil des durch die Detektionseinrichtung 2 eingekoppelten Lichtes zurückreflektiert, woraus auf einen leeren Behälter geschlossen werden kann. Die Strahlengänge der Lichtstrahlen 7 sind durch die eingezeichneten Pfeile im Lichtleitkörper 5 angedeutet.
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In 3 ist eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung gemäß 1 in einem teilweise befüllten Behälter dargestellt. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Behälter ist bis zu einer Fluidfüllhöhe 4 mit einem Fluid, das eine höhere optische Dichte als der Lichtleitkörper 5 aufweist, gefüllt. Der Anteil des totalreflektierten und zur Detektionseinrichtung 2 zurückreflektierten Lichtes ist gegenüber einem leeren Behälter verringert, da zwischen der Fluidfüllhöhe 4 und dem Behälterboden 3 ein Anteil des Lichtes in das Fluid ausgekoppelt werden kann. Anhand des geringeren Anteils an Totalreflexionen und somit dem geringeren Anteil an zurückreflektierten Licht kann auf die Fluidfüllhöhe 4 geschlossen werden.
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In 4 ist eine Detailaufnahme der Oberfläche des Lichtleitkörpers 5 dargestellt. Die rillenartig strukturierte Oberfläche ist gezackt, insbesondere dreieckförmig ausgebildet. Die dreieckförmigen Strukturen umlaufen jeweils in einer Höhe den vorzugsweise kreisrunden Querschnitt des Lichtleitkörpers 5. Eine dreieckförmige Struktur 8 ist durch zwei Flächen 9, 10 ausgebildet, die einen 90 Grad Winkel zueinander aufspannen. Die Flächen 9, 10 können insbesondere jeweils einen 45 Grad Winkel zur Mantelfläche, bzw. zur Symmetrielängsachse des Lichtleitkörpers 5 aufweisen.
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In 5 ist die rillenartig strukturierte Oberfläche eines Lichtleitkörpers 5 mit sägezahnartigen Strukturen 11 dargestellt. Eine sägezahnartige Struktur 11 ist durch zwei Flächen 12, 13 ausgebildet. Die Flächen 12, 13 sind hierbei in einem Winkel von 45 Grad zueinander angeordnet. Hierbei weist die Fläche 13 einen rechten Winkel zur Symmetrieachse des Lichtleitkörpers 5 auf. Durch die sägezahnartige Struktur, bzw. die dreieckförmige Struktur ist die Auskopplung von Licht in ein Medium mit optisch höherer Dichte gesteigert, so dass eine präzisere Bestimmung der Fluidfüllhöhe gegeben ist.
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In 6 ist eine Sensorvorrichtung 1 mit einer Detektionseinrichtung 2 dargestellt. Auf der Detektionseinrichtung 2 sind drei Lichtquellen 14, 15, 16 angeordnet, die vorzugsweise Licht unterschiedlicher Wellenlänge aussenden. Durch die Einkopplung von Licht unterschiedlicher Wellenlänge kann neben der Füllstandshöhe des Fluids auch auf die Beschaffenheit des Fluides geschlossen werden. Beispielsweise kann bei einem Motoröl die Farbe des Öls einen Hinweis auf den Zustand, insbesondere den Alterungszustand, des Öls geben. Aus dem Vergleich, zwischen den Anteilen des reflektierten Lichtes verschiedener Wellenlängen kann auf die Farbe und somit auf den Alterungszustand des Motoröls geschlossen werden. Insbesondere kann eine Leuchtdiode weißes Licht als Referenzmessung aussenden.
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In 7 ist ein schematischer Aufbau einer Sensorvorrichtung 1 mit einem Lichtleitkörper 5 dargestellt. Der Lichtleitkörper 5 weist hierbei eine konische Form auf. In der Detektionseinrichtung ist ein Leuchtdioden-Array 17 angeordnet, in dem beispielsweise drei Leuchtdioden unterschiedlicher Wellenlänge angeordnet sein können. Des Weiteren weist die Detektionseinrichtung 2 einen Analog-Digital-Wandler 18, einen Mikrokontroller 19 und eine Spannungsversorgung 20 auf. Durch die konische Form des Lichtleitkörpers 5 ist die Sensorvorrichtung 1 besonders mechanisch belastbar. Dies ist insbesondere bei starken Vibrationen in einem Motorraum eines Fahrzeuges von Vorteil.
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In 8 ist ein erfindungsgemäßer Lichtleitkörper 5 mit einer abschnittsweise rillenartig strukturierten Oberfläche dargestellt. Die rillenartig strukturierte Oberfläche ist hierbei auf Messsektionen 21 beschränkt. Die Messsektion 21 mit ihrer rillenartig strukturierten, beispielsweise dreieckförmig strukturierten, Oberfläche wechseln sich periodisch mit Abschnitten glatter Oberfläche ab. Die Messsektionen können eine Länge von 20 mm aufweisen, während der Lichtleitkörper 5 eine Gesamtlänge von 300 mm aufweisen kann.
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Alle in der vorstehenden Beschreibung und in den Ansprüchen genannten Merkmale sind in einer beliebigen Auswahl mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs kombinierbar. Die Offenbarung der Erfindung ist somit nicht auf die beschriebenen bzw. beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt, vielmehr sind alle im Rahmen der Erfindung sinnvollen Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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