(57)【要約】      （修正有）【課題】非接触のプラスチック光ファイバを用いて、燃料タンク内の液体燃料の液位を光学的に検出する方法とシステムを提供する。【解決手段】燃料液位検出システムは、高速且つ高出力の赤色レーザダイオード２８、超高感度の光子計数アバランシェフォトダイオードＡＰＤ３２、及び、大径且つ大開口数のグレーデッドインデックスプラスチック光ファイバＰＯＦ１４を含み、赤色レーザダイオードによるレーザパルス１８の出射に応答してアバランシェフォトダイオードが、まずＰＯＦ端面によって反射されたＡＰＤへの衝突光２０を検知し、次に燃料面３によって反射されたＡＰＤへの衝突光８を検知する。時間遅延検出回路３０が衝突光それぞれの到達時刻の間の時間間隔を計測し、燃料液位計算器３４が時間遅延検出回路によって提供される時間間隔に基づいて燃料液位を算出する。【選択図】図１
2020187114.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
貯蔵タンク内の液体の液位を測定するための方法であって、
前記液体の表面の上方の空間がガスで占められるように、前記貯蔵タンクに前記液体を貯蔵することと、
第１時点において、プラスチック光ファイバの端面から、前記液体の前記表面に向けて、光子のレーザパルスを出射することと、
前記第１時点より後の第２時点において、前記出射されたレーザパルスからの、前記プラスチック光ファイバの前記端面で反射された第１光子の、光検出器に対する衝突を検出することと、
前記第２時点より後の第３時点において、前記出射されたレーザパルスからの、前記液体の前記表面で反射されて前記プラスチック光ファイバに戻った第２光子の、前記光検出器に対する衝突を検出することと、
第１光子の到達時刻と第２光子の到達時刻との間の時間遅延を検出することと、
前記時間遅延を表すデータを処理することによって、前記貯蔵タンク内の前記液体の液位を求めることと、を含む方法。
【請求項２】
前記レーザパルスは、赤色レーザダイオードによって生成される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記貯蔵タンクの形状寸法を表すデータを保存することと、
前記貯蔵タンク内の前記液体の密度を測定することと、
前記貯蔵タンクの前記形状寸法、前記液体の前記密度、及び、前記液体の前記液位を表すデータに基づいて、前記貯蔵タンク内に残存する前記液体の質量を計算することと、
前記貯蔵タンク内の前記液体の前記計算された質量を示すゲージを表示することと、をさらに含む、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記プラスチック光ファイバは、開口数が少なくとも２．９である、請求項１〜３のいずれか１つに記載の方法。
【請求項５】
前記光検出器は、ガイガーモードで動作するように構成されたアバランシェフォトダイオードである、請求項１〜４のいずれか１つに記載の方法。
【請求項６】
前記液体は燃料であり、前記貯蔵タンクは、飛行機に搭載された燃料タンクである、請求項１〜５のいずれか１つに記載の方法。
【請求項７】
貯蔵タンク内の液体の液位を測定するためのシステムであって、
前記貯蔵タンクの外部に配置された１×２光ファイバカプラーと、
前記１×２光ファイバカプラーに光学的に連結されるとともに、前記１×２光ファイバカプラーに向かって伝播する光子のレーザパルスを出射するように構成されたレーザ装置と、
前記１×２光ファイバカプラーに光学的に連結された一端、及び、前記貯蔵タンクの内部空間に配置された端面を有する他端を有するグレーデッドインデックスプラスチック光ファイバと、
前記１×２光ファイバカプラーに光学的に連結された光検出器であって、前記光検出器の表面に対する前記光子の衝突に応答して電子を生成するように構成された光検出器と、
前記光検出器から電子を受信するように機能的に連結されるとともに、前記光検出器の表面に対する第１時刻における第１光子の衝突と、前記第１時刻より後の第２時刻における第２光子の衝突との間の時間遅延を表す時間遅延信号を生成するように構成された時間遅延検出回路と、
前記時間遅延検出回路から前記時間遅延信号を受信するように機能的に連結されるとともに、前記時間遅延に基づいて前記貯蔵タンク内の前記液体の液位を計算するように構成されたコンピュータシステムと、を含むシステム。
【請求項８】
前記貯蔵タンクの壁に形成された穴に設置された気光密ファイバ挿通コネクタ、及び、前記気光密ファイバ挿通コネクタ内に前記グレーデッドインデックスプラスチック光ファイバの遠位端を固定する接着剤をさらに含む、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記気光密ファイバ挿通コネクタは、前記グレーデッドインデックスプラスチック光ファイバの端面が露出されるように構成されている、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記グレーデッドインデックスプラスチック光ファイバは、開口数が少なくとも２．９である、請求項７〜９のいずれか１つに記載のシステム。
【請求項１１】
前記光検出器は、ガイガーモードで動作するように構成されたアバランシェフォトダイオードである、請求項７〜１０のいずれか１つに記載のシステム。
【請求項１２】
前記レーザ装置は、赤色レーザダイオードを含む、請求項７〜１１のいずれか１つに記載のシステム。
【請求項１３】
前記レーザ装置は、約６５０ナノメートル（ｎｍ）で動作する、請求項７〜１２のいずれか１つに記載のシステム。
【請求項１４】
前記レーザ装置は、１００ピコ秒（ｐｓｅｃ）以下の幅のレーザパルスを出射することができる、請求項７〜１３のいずれか１つに記載のシステム。
【請求項１５】
前記コンピュータシステムに通信可能に連結されたディスプレイ装置をさらに含み、前記コンピュータシステムは、以下の動作、すなわち、
前記貯蔵タンクの形状寸法を表すデータを保存すること、
前記貯蔵タンク内の前記液体の密度の測定値を表すデータを受信すること、
前記貯蔵タンクの前記形状寸法、前記液体の前記密度、及び、前記液体の前記液位に基づいて、前記貯蔵タンク内に残存する液体の質量を計算すること、並びに、
前記貯蔵タンク内の液体の前記計算された質量を表す電気信号を、前記ディスプレイ装置に出力すること、を実行するようにさらに構成されている、請求項７〜１４のいずれか１つに記載のシステム。
【請求項１６】
前記液体は燃料であり、前記貯蔵タンクは、飛行機に搭載された燃料タンクである、請求項７〜１５のいずれか１つに記載のシステム。
【請求項１７】
燃料タンクと、前記燃料タンク内の燃料の液位を測定するための燃料液位検出システムとしての請求項７〜１６のいずれか１つに記載の前記システムと、を含む、航空機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、貯蔵タンクやその他の容器などにおけるの液位を測定するためのシステム及び方法に関する。より具体的には、本開示は、光センサを用いた液位測定のためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液位を継続的に測定する必要性は、多くの商業的用途や軍事的用途において存在する。例えば、液位センサは、航空機、自動車、及びトラックの燃料タンクで、一般的に用いられている。また、燃料投与、廃水処理、化学品貯蔵、食品加工などに使用される貯蔵タンク内の液位を監視するためにも、液位センサが用いられている。
【０００３】
既存の１つの方法として、飛行機の燃料タンク内に配置された静電容量プローブを使用するものがある。この方法では、静電容量プローブが、金属製であるとともに、金属製の取付構造体によって燃料タンク内に支持されるため、重量が大きく、費用もかさむ。また、静電容量プローブは、燃料タンクに電流を流す必要があるため、燃料タンクに給電するための重厚にシールドされた電気ケーブルを使用する必要があり、これにより、飛行機の重量が増す。
【０００４】
別の方法として、光学式の静電容量プローブを用いるものがあり、この方法では、燃料液位の変化による静電容量信号が、ガラス光ファイバ（ＧＯＦ）によって燃料タンクを通って送信される。レーザ光を用いて、タンク内の太陽電池に遠隔で電力供給し、太陽電池が、今度は静電容量検出素子及び光送信器に電力供給する。従って、光学式静電容量プローブでは、燃料タンク内で電流が生成され、重厚なシールドケーブル及び太陽電池ならびに光送信器の筐体を燃料タンク内に設ける必要があり、これにより、重量が増す。また、燃料タンクでＧＯＦを使用すると、飛行機の燃料タンクの場所でのＧＯＦの破損や、これによる手間のかかる修理によって、メンテナンスの問題が起こる。
【０００５】
また、一般的なプラスチック光ファイバによる燃料液位センサの設計によれば、プラスチック光ファイバ検出素子（以下、「ＰＯＦセンサ」）が、燃料タンクに浸漬される。浸漬されたＰＯＦセンサは、飛行機の燃料との化学反応によって、ＰＯＦセンサの長期にわたる劣化の問題を有する。また、ＰＯＦセンサが飛行機燃料に浸漬されると、ＰＯＦセンサに堆積した燃料粘性物質が、ＰＯＦセンサの光送信特性を低下させ、これにより、光学燃料液位測定が、再現性に乏しく不正確なものとなる。
【０００６】
プラスチック光ファイバを用いて燃料タンク内の液体燃料の液位を光学的に検出するためのシステム及び方法には、改善の余地がある。
【発明の概要】
【０００７】
本明細書に開示の要旨の一部は、自由空間での光伝播時間（optical time-of-flight）の原理を用いて、燃料タンク内の燃料に接触せずに、高分解能の飛行機燃料液位検出を行うことができるプラスチック光ファイバ燃料液位センサに関する。ＰＯＦセンサは、燃料タンク内の燃料に浸漬されないため、当該非接触ＰＯＦセンサは、ＰＯＦセンサに堆積した「粘性物質」の影響によって劣化することも、燃料品質の変化による燃料の屈折率の変化に影響されることもない。本明細書に提示する非接触ＰＯＦセンサは、燃料との化学反応による、検出素子の長期にわたる劣化の影響も排除することができる。以下により詳細に開示する当該非接触ＰＯＦセンサによれば、燃料液位の測定が、非常に正確で、再現性があり、安全なものとなる。
【０００８】
本明細書に開示のシステム及び方法は、非接触のプラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）を用いて、燃料タンク内の液体燃料の液位を光学的に検出する。一実施形態によれば、燃料液位検出システムは、コアが大きく且つ開口数の大きいグレーデッドインデックスＰＯＦを用いて、光を燃料タンク内に導く。コアが大きく且つ開口数の大きいグレーデッドインデックスＰＯＦは、ガラス光ファイバよりずっと径が大きく、より延性及び可撓性に優れており、これにより、燃料タンクの設計におけるファイバの破損やメンテナンスの問題が排除される。燃料液位検出システムは、さらに、ＰＯＦの端面で反射される光、及び、燃料の表面で反射される光を検知する超高感度単一光子検出器をさらに含む。（本明細書において、「単一光子検出器」という用語は、単一の光子を検出することができる検出器を意味する。）当該システムは、ＰＯＦの端面から反射面まで伝播してＰＯＦの端面に戻る光の伝播時間を利用して、ＰＯＦの端面と燃料面との間の距離を測定する。この距離を用いて、今度は燃料タンク内の液体燃料の高さを計算する。このような伝播時間手法により、当該システムは、ＰＯＦを燃料タンク内の燃料に接触させずに、燃料液位を測定することができる。これによれば、燃料粘性物質の堆積や、燃料によるＰＯＦの長期にわたる劣化の懸念を排除することができる。本明細書に開示の燃料液位検出システム及び方法は、非常に正確な燃料液位測定値を提供し、また、燃料タンクに電気を送給する必要が無い。さらに、本明細書に提示の設計は、ＰＯＦセンサの取付が単純であるとともに、重厚にシールドされた電気ケーブルを必要としないため、より軽量である。
【０００９】
一実施形態によれば、燃料液位検出システムは、以下の要素、すなわち（ｉ）高速且つ高出力の赤色レーザダイオード、（ｉｉ）超高感度の光子計数アバランシェフォトダイオード、及び、（ｉｉｉ）大径且つ大開口数のグレーデッドインデックスＰＯＦを含む。赤色レーザダイオードによるレーザパルスの出射に応答して、アバランシェフォトダイオードが、まず、ＰＯＦ端面によって反射された衝突光を検知し、次に、燃料面によって反射された衝突光を検知することで、燃料液位が検出される。時間遅延検出回路が、其々の到達時刻の間の時間間隔を計算する。燃料液位計算器が、時間遅延検出回路によって提供される時間間隔に基づいて、燃料液位を計算する。
【００１０】
アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）は、光電効果を利用して光を電気に変換し、アバランシェ増倍によってゲインを与える半導体光検出器である。高い逆バイアス電圧を印加することにより、ＡＰＤは、衝撃イオン化（雪崩効果）による内部電流ゲイン効果（約１００）を示す。
【００１１】
非接触ＰＯＦを用いて燃料タンク内の液体燃料の液位を光学的に検出するシステム及び方法の様々な実施形態を、以下に詳述するが、これらの実施形態のうちの１つ又は複数は、以下の側面のうちの１つ又は複数によって、特徴付けられる。
【００１２】
以下に詳細に開示する要旨の一側面は、貯蔵タンク内の液体の液位を測定するための方法であって、前記液体の表面の上方の空間がガスで占められるように、前記貯蔵タンクに前記液体を貯蔵することと、第１時点において、プラスチック光ファイバの端面から、前記液体の前記表面に向けて、光子のレーザパルスを出射することと、前記第１時点より後の第２時点において、前記出射されたレーザパルスからの、前記プラスチック光ファイバの前記端面で反射された第１光子の、光検出器に対する衝突を検出することと、前記第２時点より後の第３時点において、前記出射されたレーザパルスからの、前記液体の前記表面で反射されて前記プラスチック光ファイバに戻った第２光子の、前記光検出器に対する衝突を検出することと、前記第１光子の到達時刻と前記第２光子の到達時刻との間の時間遅延を検出することと、前記時間遅延を表すデータを処理することによって、前記貯蔵タンク内の前記液体の液位を求めることと、を含む方法である。当該方法は、前記貯蔵タンクの形状寸法を表すデータを保存することと、記貯蔵タンク内の前記液体の密度を測定することと、前記貯蔵タンクの前記形状寸法、前記液体の前記密度、及び、前記液体の前記液位を表すデータに基づいて、前記貯蔵タンク内に残存する前記液体の質量を計算することと、前記貯蔵タンク内の液体の前記計算された質量を示すゲージを表示することと、をさらに含みうる。
【００１３】
直前のパラグラフに記載の方法の一実施形態によれば、（１）前記プラスチック光ファイバは、開口数が少なくとも２．９であるグレーデッドインデックスプラスチック光ファイバであり、（２）前記光検出器は、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードであり、（３）前記レーザパルスは、約６５０ｎｍで動作する赤色レーザダイオードによって生成され、６５０ｎｍを含む波長及び１００ｐｓｅｃ以下の幅を有するレーザパルスが生成される。
【００１４】
開示の要旨の別の態様は、貯蔵タンク内の液体の液位を測定するためのシステムであって、前記貯蔵タンクの外部に配置された１×２光ファイバカプラーと、前記１×２光ファイバカプラーに光学的に連結されるとともに、前記１×２光ファイバカプラーに向かって伝播する光子のレーザパルスを出射するように構成されたレーザ装置と、前記１×２光ファイバカプラーに光学的に連結された一端、及び、前記貯蔵タンクの内部空間に配置された端面を有する他端を有するグレーデッドインデックスプラスチック光ファイバと、前記１×２光ファイバカプラーに光学的に連結された光検出器であって、前記光検出器の表面に対する光子の衝突に応答して電子を生成するように構成された光検出器と、前記光検出器から電子を受信するように機能的に連結されるとともに、前記光検出器の表面に対する第１時刻における第１光子の衝突と、前記第１時刻より後の第２時刻における第２光子の衝突との間の時間遅延を表す時間遅延信号を生成するように構成された時間遅延検出回路と、前記時間遅延検出回路から前記時間遅延信号を受信するように機能的に連結されるとともに、前記時間遅延に基づいて前記貯蔵タンク内の液体の推定液位を計算するように構成されたコンピュータシステムと、を含むシステムである。当該システムは、前記貯蔵タンクの壁に形成された穴に設置された気光密ファイバ挿通コネクタ、及び、前記気光密ファイバ挿通コネクタ内に前記グレーデッドインデックスプラスチック光ファイバの遠位端を固定する接着剤をさらに含み、前記気光密ファイバ挿通コネクタは、前記グレーデッドインデックスプラスチック光ファイバの端面が露出されるように構成されている。
【００１５】
直前のパラグラフに記載のシステムの一実施形態によれば、前記グレーデッドインデックスプラスチック光ファイバは、開口数が少なくとも２．９であり、前記光検出器は、ガイガーモードで動作するように構成されたアバランシェフォトダイオードであり、前記レーザ装置は、約６５０ｎｍで動作し、パルス幅が１００ｐｓｅｃ以下の赤色レーザダイオードを含む。
【００１６】
当該システムは、前記コンピュータシステムに通信可能に連結されたディスプレイ装置をさらに含み、前記コンピュータシステムは、以下の動作、すなわち、（ａ）前記貯蔵タンクの形状寸法を表すデータを保存すること、（ｂ）前記貯蔵タンク内の前記液体の密度の測定値を表すデータを受信すること、（ｃ）前記貯蔵タンクの前記形状寸法、前記液体の前記密度、及び、前記液体の推定液位に基づいて、前記貯蔵タンク内に残存する液体の質量を計算すること、及び、（ｄ）前記貯蔵タンク内の液体の前記計算された質量を表す電気信号を、前記ディスプレイ装置に出力すること、を実行するようにさらに構成されている、
【００１７】
開示の要旨のさらなる態様は、燃料タンクと、前記燃料タンク内の液体の液位を測定するための燃料液位検出システムとを含む航空機であって、前記燃料液位検出システムは、前記燃料タンクの外部に配置された１×２光ファイバカプラーと、前記１×２光ファイバカプラーに光学的に連結されるとともに、前記１×２光ファイバカプラーに向かって伝播する光子のレーザパルスを出射するように構成されたレーザ装置と、前記１×２光ファイバカプラーに光学的に連結された一端、及び、前記燃料タンクの内部空間に配置された端面を有する他端を有するグレーデッドインデックスプラスチック光ファイバと、前記１×２光ファイバカプラーに光学的に連結された光検出器であって、前記光検出器の表面に対する光子の衝突に応答して電子を生成するように構成された光検出器と、前記光検出器から電子を受信するように機能的に連結されるとともに、前記光検出器の表面に対する第１時刻における第１光子の衝突と、前記第１時刻より後の第２時刻における第２光子の衝突との間の時間遅延を表す時間遅延信号を生成するように構成された時間遅延検出回路と、前記時間遅延検出回路から前記時間遅延信号を受信するように機能的に連結されるとともに、前記時間遅延に基づいて前記燃料タンク内の液体の推定液位を計算するように構成されたコンピュータシステムと、を含む、航空機である。当該航空機は、前記コンピュータシステムに通信可能に連結されたディスプレイ装置をさらに含み、前記コンピュータシステムは、以下の動作、すなわち、前記燃料タンクの形状寸法を表すデータを保存すること、前記燃料タンク内の前記液体の密度の測定値を表すデータを受信すること、前記燃料タンクの前記形状寸法、前記液体の前記密度、及び、前記液体の前記液位に基づいて、前記燃料タンク内に残存する液体の質量を計算すること、及び、計算された前記燃料タンク内の液体の質量を表す電気信号を、前記ディスプレイ装置に出力すること、を実行するようにさらに構成されている。
【００１８】
直前のパラグラフに記載の航空機の一実施形態によれば、前記燃料液位検出システムは、前記燃料タンクの壁に形成された穴に設置された気光密ファイバ挿通コネクタ、及び、前記気光密ファイバ挿通コネクタ内に前記グレーデッドインデックスプラスチック光ファイバの遠位端を固定する接着剤をさらに含み、前記気光密ファイバ挿通コネクタは、前記グレーデッドインデックスプラスチック光ファイバの端面が露出されるように構成されている。例示的な一実施形態において、前記グレーデッドインデックスプラスチック光ファイバは、開口数が少なくとも２．９であり、前記光検出器は、ガイガーモードで動作するように構成されたアバランシェフォトダイオードであり、前記レーザ装置は、赤色レーザダイオードを含む。
【００１９】
非接触のＰＯＦを用いて燃料タンク内の液体の液位を光学的に検出するシステム及び方法の他の側面は、以下に開示され、特許請求の範囲に記載される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
先のセクションに述べた特徴、機能、及び利点は、様々な実施形態において個別に実現可能であり、また、他の実施形態との組み合わせも可能である。上述の側面及び他の側面を例示するために、図面を参照して様々な実施形態を以下に説明する。なお、本セクションに簡単に説明する図面は、いずれも縮尺どおりに描いたものではない。
【００２１】
【図１】一実施形態による、非接触ＰＯＦを用いて燃料タンク内の液体燃料の液位を測定する伝播時間式燃料液位検出システムのコンポーネントを表す図である。
【図２】図１に一部を示した、伝播時間式燃料液位検出システムで使用するための気光密ＰＯＦコネクタ設計の断面（ハッチングは省略）を表す図である。
【図３】一度に１つの光源から出射された後、表面Ａ及び表面Ｂの各々で異なる時間に反射される光の連続的な衝突に対する光子計数アバランシェフォトダイオードの応答の例を示すグラフである。
【図４】燃料タンクに残存する燃料の推定量をパイロットに示すためのシステムのいくつかのコンポーネントを示すブロック図である。
【図５】一実施形態による、貯蔵タンク内の液体の量を示すゲージを表示するための方法の工程を示すフローチャートである。
【００２２】
以下では、図面を参照する。これらの図面において、同じ要素は、異なる図面においても同様の参照符号で示している。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
非接触のＰＯＦを用いて燃料タンク内の液体燃料の液位を光学的に検出するためのシステム及び方法の例示的な実施形態を、以下に幾分詳細に説明する。ただし、この説明において、実際の実施態様のすべての特徴を記載しているわけではない。当業者であればわかるように、このような実際の実施形態のいずれの開発においても、システム関連及びビジネス関連の規制に対する適合などの開発者固有の目的を達成するために、その実施態様固有の多くの決定を行わなければならず、そのような決定は、実施態様によって異なるものである。また、このような開発努力は、複雑で時間がかかるかもしれないが、それでも本開示の利益を享受する当業者にとっては、日常的な作業となるであろう。
【００２４】
本明細書に開示のＰＯＦ燃料液位センサは、自由空間における光の伝播時間の原理を用いて、燃料タンク内の液体燃料の液位を、液体燃料に接触することなく検出する。ＰＯＦセンサは、燃料タンク内の燃料に浸漬されないため、この非接触ＰＯＦセンサは、燃料との化学反応による劣化を起こしにくく、且つ、燃料の質の変化による燃料の屈折率の変化に影響されない。以下により詳細に開示する当該非接触ＰＯＦセンサによれば、燃料液位測定が、非常に正確で、再現性があり、安全なものとなる。また、提示のＰＯＦ燃料液位センサは、燃料タンク内での電気ケーブル及び電力の使用を排除し、燃料タンクのＥＭＩ及び落雷の問題を解消する。さらに、当該センサは、現在の商用飛行機に用いられている燃料液位センサのサイズ、重量、及び電力を低減させることができる。ただし、本明細書に開示の技術は、他の種類の液体貯蔵タンクにも適用することができ、航空機に搭載される燃料タンクでの使用に限定されない。
【００２５】
図１は、一実施形態による、ＰＯＦ１４を用いて、燃料タンク１０などの貯蔵タンク１０内の、液体燃料２などの液体２の液位を測定する、伝播時間式燃料液位検出システムのコンポーネントを表す図である。燃料２は、燃料面３を有する。燃料面３の上方の空間は、ガス４で占められている。本実施例における燃料タンク１０は、底壁１０ａ、側壁１０ｂ、及び、上壁１０ｃを有する。側壁１０ｂの断面輪郭は、任意の形状（例えば、円形、矩形、台形、三角形など）を有しうる。燃料タンク１０の底壁１０ａの内面からの、燃料面３の距離が、図１に示す燃料液位Ｌを決定する。
【００２６】
ＰＯＦ１４の端部は、燃料タンク１０の内部まで延びている。ＰＯＦ１４は、気密（気体を通さないことを意味する）且つ光密のファイバ挿通コネクタ１２（以下、「気光密ファイバ挿通コネクタ１２」）によって、燃料タンク１０の上壁１０ｃに設けられた穴を通して挿入されている。本明細書において、「光密」とは、燃料タンク１０の外部の周囲光が、上壁１０ｃの穴を通って燃料タンク１０に進入できないことを意味する。ＰＯＦ１４の遠位端の端面１（図２参照）は、図１に示す高さＨに位置している。拡径する円錐状のビームとしてＰＯＦ１４から出射される、光子６の形態の光６が、図１に３つの太字矢印で示されている。左の矢印及び右の矢印は、２θに等しい角度を有する、光の円錐状ビームの範囲を示している。（なお、３つの矢印を含んでいるのは、単に例示のためであり、３本の分離した光線あるいは３つの分離した光子が、ＰＯＦ１４の端面から出射されると解釈すべきではない。）出射された光６は、燃料面３の円形領域に当たる。図１の破線矢印は、燃料面３で反射されて端面１（図２参照）に戻る光８を示している。
【００２７】
ＰＯＦ１４の近位端は、低クロストークの１×２光ファイバカプラーの一方側に接続されるとともに、光学的に連結されている。１×２光ファイバカプラーの他方側は、一対のＰＯＦ２２及び２４に接続されるとともに、光学的に連結されている。１×２光ファイバカプラー１６内の導波管は、ＰＯＦ２２及び２４がＰＯＦ１４に光学的に連結されるように構成されている。提示される一実施態様によれば、ＰＯＦ１４は、大径（約１ｍｍ）且つ大開口数（ラージＮＡ）のグレーデッドインデックスプラスチック光ファイバである。適切な大開口数（たとえばＮＡ＝０．２９）のグレーデッドインデックスＰＯＦの一例は、Ishigureらによって、「Journal of Lightwave Technology」の１９９５年８月第１３巻第８号の１６８６〜１６９１頁の「High-Bandwidth, High-Numerical Aperture Graded-Index Polymer Optical Fiber」という記事に、開示されている。提示される一実施態様によれば、ＰＯＦ１４は、ジフェニルスルフィドがドープされたメタクリル酸メチルが充填されたポリ（メタクリル酸メチル）チューブによって構成されたラージＮＡグレーデッドインデックスＰＯＦである。ＰＯＦ１４（コアを囲むクラッドを含む）は、光の遮蔽と周囲環境からの保護のために、光密のアビオニクス級のファイバジャケット（図示せず）に包まれている。
【００２８】
再び図１を参照すると、１×２光ファイバカプラーの送受信器側の２つの光ポートのうちの一方は、高ピーク出力レーザ装置２８に接続されている。レーザ装置２８は、高速パルス発生器を有するレーザドライバ２６に接続されている。レーザ装置２８は、温度変化の際にレーザパルスの光出力を安定させる自動出力制御（ＡＰＣ）回路も有する。提示される一実施態様によれば、レーザ装置２８は、赤色レーザダイオードである。赤色レーザダイオードは、約６５０ナノメートル（ｎｍ）の波長で動作し、この場合、先のパラグラフで述べたＰＯＦ１４の損失は、最小である。グレーデッドインデックスＰＯＦを選んだ理由は、グレーデッドインデックスＰＯＦが、幅の狭いレーザパルスの伝送に適した帯域幅を有するからである。レーザ装置２８は、レーザドライバ２６によって制御されて、約０．１ナノ秒（ｎｓｅｃ）以下の幅のレーザパルス１８を出射する。
【００２９】
１×２光カプラーの送受信器側の２つの光ポートのうちの他方は、光検出器３２に接続されており、当該光検出器は、燃料面３及びＰＯＦ１４の端面によって反射された戻りレーザパルス２０（１つ以上の光子で構成されうる）の検出に用いられるものである。戻りレーザパルス２０は、ＰＯＦ１４及び２４によってガイドされて光検出器３２に戻る。提示される一実施態様によれば、光検出器３２は、高感度光子計数アバランシェフォトダイオードである。前述したように、アバランシェフォトダイオードは、衝突する光子を電子に変換する半導体光検出器である。外部からの光子が光検出器３２によって検出されることを防止するために、ＰＯＦ１４の光密な遮蔽が必要である。
【００３０】
出射光パルス１８は、ＰＯＦ２２、１×２光ファイバカプラー１６、及び、ＰＯＦ１４を通って、飛行機の燃料タンク１０内に伝播する。ＰＯＦ１４の端面は、燃料タンク１０の上壁１０ｃを貫通する気光密ファイバ挿通コネクタ１２によって、（燃料タンク１０の底壁１０ａの内面からの）高さＨに保持されている。ＰＯＦ１４から出る赤色の光パルスは、下方に伝播して燃料面３を照射する。上述したグレーデッドインデックスＰＯＦが大きな開口数を有するため、出射光は、大きな角度に広がる。また、大開口数設計によって、ＰＯＦ１４は、燃料面３で反射される光（光子）に対して、大きな受光角を有する。大きな受光角によれば、燃料液位Ｌを検出する際の検出効率が向上する。燃料の光反射は、他の種類の反射材料に比べてあまり高くないため、ＰＯＦ１４の大開口数設計は、伝播時間式燃料液位検出にとって、非常に重要である。
【００３１】
ＰＯＦ１４によって端面１（図２参照）で受信される微弱な戻りレーザパルス２０は、１×２光ファイバカプラー１６及びＰＯＦ２４を介して伝播して光検出器３２に戻る。提示される一実施態様によれば、光検出器３２は、ガイガーモードで動作するシリコンアバランシェフォトダイオードである。ガイガーモードアバランシェフォトダイオードがもたらす重要な利点は、単一の光子をも検出可能な極めて高い感度である。ガイガーモードアバランシェフォトダイオードの別の利点は、直列につないだ適切なクエンチング抵抗によって容易に飽和しないため、高ダイナミックレンジを有することである。従って、ガイガーモードアバランシェフォトダイオードは、弱い光パルス又は強い光パルスに対して、同じピークパルス応答性及び同じ狭いパルス幅（１００ピコ秒（ｐｓｅｃ）以下）で応答する。これらの特徴は、燃料液位の伝播時間式検出に有利である。ガイガーモードアバランシェフォトダイオードを用いることで、受信器に追加の増幅回路を設ける必要が無く、受信器の設計をシンプルにすることができる。また、シリコンガイガーモードアバランシェフォトダイオードは、６５０ｎｍの波長に最大の応答性を示し、これは、送信器の赤色レーザダイオードの波長に良好に一致する。
【００３２】
反射光パルスの検出に応答して、フォトダイオード３２は、パルス幅が１００ｐｓｅｃ以下の狭い電気パルスを、時間遅延検出回路３０に出力する。時間遅延検出回路３０は、端面１によって反射されたパルスの到達時刻と、燃料面３によって反射されたパルスの到達時刻との差（ΔＴD）を求める。次に、燃料液位計算器３４が、時間遅延検出回路３０によって出力された差ΔＴDに基づいて、燃料液位Ｌを求める。差ΔＴDは、端面１から燃料面３まで伝播した後に端面１に戻る光子の伝播時間に等しく、この光路における片道区間の各々が、距離Ｄ（図１に示す）に等しい。光の速度は既知であるため、この差ΔＴDから距離Ｄを計算することができる。高さＨ及び距離Ｄから、今度は燃料液位Ｌを計算することができる。
【００３３】
図１に示すシステムは、燃料量光データコンセントレータ３６（以下、「ＦＱＯＤＣ３６」）をさらに含む。燃料液位計算器３４によって計算された燃料液位を表すデジタルデータは、ＦＱＯＤＣ３６に入力される。ＦＱＯＤＣは、伝播時間式燃料液位測定に必要な光信号パルスが適切に生成されるように、レーザドライバ２６の動作も監視している。ＦＱＯＤＣ３６は、センサデータ（燃料液位計算器３４から受信する燃料液位データ及び図４を参照して後述する他のデータを含む）を処理するように構成されたコンピュータ又はプロセッサと、処理されたセンサデータを保存するための非一時的な有形のコンピュータ可読記憶媒体とを含む。
【００３４】
図１に示したシステムは、燃料量処理ユニット３８（ＦＱＰＵ）さらに含んでおり、これは、燃料ゲージ４２に信号を与えて、コックピットディスプレイに表示される飛行機の燃料液位をパイロットが見られるようにするものである。燃料液位情報、及び、燃料量を計算するために必要なその他の情報（例えば燃料密度）が、ＦＱＯＤＣ３６から燃料量処理ユニット３８に出力される。燃料量処理ユニット３８は、燃料量を計算するように構成されたコンピュータ又はプロセッサと、計算された燃料液位を表すデジタルデータを保存するための非一時的な有形のコンピュータ可読記憶媒体とを含む。燃料量処理ユニット３８は、燃料量を表すデジタルデータを、燃料ゲージ４２に送信して表示させる。
【００３５】
光検出器３２が高感度ガイガーモードアバランシェフォトダイオードの場合、周囲光がＰＯＦ１４に入るのを防ぐことが非常に重要である。光密性を実現するため、ＰＯＦ１４は、光密のジャケットで密封されている。飛行中は、燃料タンク１０は、完全に閉鎖されているため、燃料タンク１０内のＰＯＦ１４に不要な光が加わる心配は無いが、端面１が図１に示した位置（高さＨ）に到達するまでＰＯＦ１４を挿入する際には、気光密ファイバ挿通コネクタ１２を使用する。
【００３６】
図２は、一実施形態による、気光密ファイバ挿通コネクタ１２の断面（煩雑にならないようハッチングは省略）を表す図である。気光密ファイバ挿通コネクタ１２は、円筒管状のファイバフェルール４４ａと、ファイバフェルール４４ａから径方向外方に突出する環状フランジ４４ｂとを含む。提示される一実施態様において、ファイバフェルール４４ａと環状フランジ４４ｂとは、一体に形成されており、ステンレス鋼で作製されている。環状フランジ４４ｂと、燃料タンク１０の上壁１０ｃの外面との間には、Оリングシール４５が配置されている。そして、これにより得られるサンドイッチ構造体が、複数（例えば４個）のナット及びボルトによって、共に固定されている。図２には、２つのボルト４８ａ、４８ｂ、及び、２つのナット４９ａ、４９ｂ（ボルト４８ａ、４８ｂのネジ付きシャフトと其々螺合している）のみを示している。Оリングシール４５を用いて、気光密ファイバ挿通コネクタ１２が、上壁１０ｃに封止されている。ＰＯＦ１４の遠位端は、端面１が燃料タンク１０（図１参照）内の高さＨに到達するまで挿入されて、光が燃料タンク１０内に漏れ入ることのないように、高品質の不透明エポキシ４６などの接着剤４６によって、ファイバフェルール４４ａにぴったり接着されている。気光密ファイバ挿通コネクタ１２も、安全性遵守のため、燃料タンク１０から燃料蒸気が漏出するのを防止する。
【００３７】
一構成によれば、航空機は、例えば、左翼、右翼、及び、ウィングボックス付近の胴体内に其々設置された３つの燃料量光データコンセントレータを備え、燃料量処理ユニットが、フライトデッキに配置されて、３つの燃料量光データコンセントレータのすべてと通信する。図１に示した燃料液位検出システムに含まれる電子部品は、燃料タンクから安全な距離を隔てて配置される。各レーザ装置／光検出器セットを、其々の燃料コンパートメントに光学的に連結するプラスチック光ファイバの長さは、レーザパルス光信号の過剰な光損失を生じさせない長さとすべきである。
【００３８】
提示される一実施態様によれば、ＰＯＦ１４は、０．２９に略等しい最小開口数（ＮＡ）を有する、（前述したとおり）大径且つ大開口数のグレーデッドインデックスプラスチック光ファイバである。開口数によって、図１に示す角度θが決まり、この角度θは、ＰＯＦ１４の光出射角及び受光角の半分に等しい。ＮＡ＝０．２９の場合、角度θは、約１７度である。従って、ＰＯＦ１４の全受光角は、約３４度となる。ＰＯＦ１４の設計を変更することによって、より大きい開口数が実現可能である。燃料面における特定の箇所の測定が所望される場合、ＰＯＦ１４の先端にコリメータレンズを加えることも可能である。
【００３９】
図１に見られるように、ＰＯＦ１４の端面１（図２で最もよくわかる）は、燃料面３から距離Ｄの位置にある。Ｄは、伝播時間式測定システムによって検出される距離である。Ｈは、ＰＯＦ１４の端面１から、燃料タンク１０の底壁１０ａの内面までの距離であり、ここで、Ｈは、飛行機の翼内の燃料タンクの垂直高さに依存する定数である。燃料液位Ｌは、Ｌ＝Ｈ−Ｄである。
【００４０】
送信器がレーザ装置２８から０．１ｎｓｅｃの光パルスを生成している状態で、光検出器３２は、ＰＯＦ１４から複数の反射を受信する。図３は、時間に対する、光検出器３２によって検出される反射ピーク信号を示している。最後の２つの反射ピークは、其々、プラスチック／ガス界面（図２に示すＰＯＦ１４の端面１）によるものと、ガス／燃料界面（図２に示す燃料面３）によるものである。これらの２つのピークの時間差（ΔＴD）は、次のように計算される。
【数１】
2020187114.tif 000003
ここで、ｃは、自由空間における光の速度であり、Ｄは、式（１）から次のように導出される。
【数２】
2020187114.tif 000004
ここで、ΔＴDは、伝播時間式燃料液位センサの時間遅延検出回路３０の内部のピーク検出回路によって測定されるパラメータである。
【００４１】
燃料液位Ｌは、次のように求められる。
【数３】
2020187114.tif 000005
ここで、Ｈは、燃料タンクの高さに関連する定数である。
【００４２】
６５０ｎｍ（＝０．６５ミクロン）で単一光子を検出することができるガイガーモードアバランシェフォトダイオードを有する受信器（以下、「ガイガーモードＡＰＤ受信器」）の場合、６５０ｎｍにおける１つの光子のエネルギーに換算した受信器感度は、次のように計算される。
【数４】
2020187114.tif 000006
ここで、ｈはプランク定数であり、ｖは波長０．６５μｍにおける光子の周波数である。
【００４３】
パルス幅が０．１ｎｓｅｃで、１パルスあたり１光子と仮定すると、ガイガーモードＡＰＤ受信器の感度は、
【数５】
2020187114.tif 000007
【００４４】
ｄＢｍでの感度は、次のように計算される。
【数６】
2020187114.tif 000008
【００４５】
飛行機燃料の反射率は、金属面や反射性コーティングを施した面に比べてあまり高くないため、このような単一光子検出感度は、伝播時間式燃料センサに効果的である。レーザ装置２８が赤色レーザダイオードの送信器の場合、この赤色レーザダイオードをピーク出力が１００ｍＷに等しい光パルスで動作させ、燃料面での反射が１％であり、この反射光のうちの１％がＰＯＦ１４によって収集されると、ガイガーモードアバランシェフォトダイオードによって検出される光子の数は、以下のように計算することができる。
【００４６】
例えば、レーザ装置２８からＰＯＦ１４の端面１までの光路の長さが１６メートルであり、光ファイバケーブル（ＰＯＦ１８及びＰＯＦ１４を含む）の最大損失が、０．１８ｄＢ／ｍであると仮定する。すると、光ファイバ損失は、１６ｍ×０．１８ｄＢ／ｍ＝２．８８ｄＢであると推定される。さらに、１×２光ファイバカプラー１６の挿入損失が、約５ｄＢであると仮定する。従って、ＰＯＦ１４の端面１におけるレーザパルス光信号のトータルの損失は、（２．８８＋５）ｄＢ＝７．８８ｄＢ、すなわち約８ｄＢとなるであろう。
【００４７】
１００ｍＷ（２０ｄＢｍ）のピーク光出力であると仮定すると、ＰＯＦ１４の端面１におけるレーザパルス光信号は、（おおよそ）（２０−８）ｄＢｍ＝１２ｄＢｍ＝１６ｍＷである。燃料面３において１％の最小反射であり、ＰＯＦ１４において１％の最小収集効率であると仮定すると、端面１で収集されるトータルの反射ピーク光出力は、１６ｍＷ×０．０１×０．０１＝１．６×１０-3ｍＷ＝−２８ｄＢｍである。送信器から端面１までの光路による８ｄＢの光損失があるため、ガイガーモードＡＰＤで受信される出力は、（−２８−８）ｄＢｍ＝−３６ｄＢｍである。ガイガーモードＡＰＤの感度は、式（６）に示したように約−５５．１４ｄＢｍであるため、ガイガーモードＡＰＤは、その最小感度まで１９．１４（５５．１４−３６）ｄＢのマージンがある。この大きな光検出マージンにより、伝播時間式燃料液位センサの測定は、非常に堅牢で信頼性の高いものとなる。
【００４８】
約０．１ｎｓｅｃ（１００ｐｓｅｃ）のパルス幅を有するレーザパルスを用いた場合、伝播時間式センサの燃料液位検出分解能は、次のように計算される。
【数７】
2020187114.tif 000009
ここで、ｄrは燃料液位分解能であり、ｃは光の速度であり、ｔpwは、レーザパルスの幅である。レーザパルス幅が０．１ｎｓｅｃであると仮定すると、伝播時間式センサの分解能は、
【数８】
2020187114.tif 000010
【００４９】
０．１ｎｓｅｃ（１００ｐｓｅｃ）より短い幅のレーザパルスを用いると、１．５ｃｍより良好な分解能が達成可能である。
【００５０】
光パルスを安全に燃料タンクに送信できるよう、平均の光出力を計算して、閾値と比較することができる。１６ｍＷのピーク光出力が燃料面に照射される状態で、レーザ送信器は、１００ｐｓｅｃの光パルス幅で、１ｍｓｅｃで１パルス（繰り返し速度が１パルスあたり１ｍｓｅｃ）を送信するように設計される。このような条件下で、燃料面に照射される平均光出力は、次のように計算される。
【数９】
2020187114.tif 000011
ここで、Ｐavgは、燃料面における平均光出力である。１．６ｎＷという平均光出力は、燃料照射用の光出力の許容可能な安全限界（約４ｍＷ）よりもずっと低いため、本明細書に記載の伝播時間式燃料液位センサは、安全性基準に適合するように設計することができる。
【００５１】
上述した燃料液位センサは、温度センサ及び濃度計と共に、飛行機に搭載された燃料タンクに設置することができる。燃料液位及び燃料密度のデータ、ならびに、燃料タンクの形状寸法を用いて、燃料タンク内の燃料の概算量（すなわち質量）を算出することができる。（エンジン消費及び航行可能距離の計算に必要な燃料の質量を測定するため、当該システムは、燃料液位及び燃料密度の測定値を利用することができる。）また、既存の電気燃料液位センサを取り外して光燃料液位センサを代わりに設置することによって、飛行機を改良することができる。燃料液位センサの一構成によれば、飛行機の翼のタンク及び中央タンク内の各センサの位置によって、ＰＯＦ１４の端面１の高さが決まる。基本の構成では、各電気センサを１つの光センサと交換することで、配線及び支持ブラケットの重量を取り除くとともに、落雷、短絡、及び、電気配線の摩滅による電磁的な影響を排除することができる。電気ワイヤに代えて光ファイバを用いることにより、電気的な故障状態による安全上の問題も排除される。
【００５２】
図４は、一実施形態による、燃料タンク内の燃料の量を測定するためのシステムのコンポーネントを表すブロック図である。当該システムは、上述した方法で、燃料タンク内の燃料の液位を表す電気信号を出力する燃料液位センサ５２を含む。一実施形態によれば、図４に示した燃料液位センサ５２は、図１に示した以下のコンポーネント、すなわち、ＰＯＦ１４、１×２光ファイバカプラー１６、ＰＯＦ２２及び２４、レーザ装置２８、レーザドライバ２６、光検出器３２、時間遅延検出回路３０、及び、燃料液位計算器３４を含む。従って、燃料液位計算器３４によって出力される燃料液位データは、燃料液位センサ５２の出力である。
【００５３】
加えて、図４に一部を示した当該システムは、燃料タンク内の燃料の密度を表す電気信号を出力する密度計５４、及び、燃料タンク内の燃料の温度を表す電気信号を出力する温度センサ５６を含む。これらのセンサの各々は、其々の列線交換ユニット（ＬＲＵ）に組み込むことができる。これらのＬＲＵは、ＦＱＯＤＣ３６に接続されている。燃料量処理ユニット３８が、ＦＱＯＤＣ３６と通信する。燃料量処理ユニット３８は、例えば、センサから受信した信号を処理するように構成された専用のマイクロプロセッサ又は汎用コンピュータである。
【００５４】
図４に示した実施形態によれば、ＦＱＯＤＣ３６は、ＣＡＮバス５８として知られるマルチマスタシリアルバスによって、燃料量処理ユニット（ＦＱＰＵ）３８と通信する。このために、ＦＱＯＤＣ３６及び燃料量処理ユニット３８は、各々が、例えば、コントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）で使用されるタイプのコントローラ及び送受信器を内蔵する。このようなＣＡＮコントローラ及びＣＡＮ送受信器を、本明細書では「ＣＡＮノード」と称する。ＦＱＯＤＣ３６は、温度、密度、及び燃料液位を個別に測定するための、異なる専用のアナログ回路を有する。これらのパラメータのアナログ値が、デジタル値に変換され、データフィールドにパックされて、ＣＡＮバス５８を介して燃料量処理ユニット３８に送信される。ＡＲＩＮＣ８４５ＣＡＮバスは、使用できるシンプルなアビオニクス用デジタルデータバスの一例であるが、代替例において、ＡＲＩＮＣ４２５又はＡＲＩＮＣ６６４などの任意の他のデジタルデータバスも使用することができる。
【００５５】
ＣＡＮ通信プロトコルに従って、各ＣＡＮノードは、メッセージの送信及び受信が可能であるが、同時には行えない。メッセージ又はフレームは、主に、メッセージの優先度を表す識別子と、複数のデータバイトとによって構成される。メッセージは、ＣＡＮ送受信器によって、ＣＡＮバス５８にシリアルに送信され、すべてのＣＡＮノードによって受信することができる。ＣＡＮバス５８に接続された各ＣＡＮノードは、所定の非動作期間で待機してから、メッセージの送信を試みる。競合がある場合（すなわち、２つのノードが同時にメッセージを送信しようとした場合）、この競合は、メッセージの識別子フィールド内の、各メッセージの事前にプログラムされた優先度に基づいて、ビット単位アービトレーションによって解決される。最も優先度の高い識別子を含むメッセージが、常にバスアクセスを獲得する。
【００５６】
燃料液位センサ５２、密度計５４、及び、温度センサ５６によって取得されたセンサデータは、ＣＡＮ通信プロトコルに従ってフォーマットされてＣＡＮメッセージを形成し、これがＣＡＮバス５８に一斉に送信されて、燃料量処理ユニット３８によって受信される。燃料量処理ユニット３８は、測定された燃料密度、燃料タンク（またはそのコンパートメント）の既知の形状寸法、及び、測定された燃料液位に基づいて、燃料タンク（またはそのコンパートメント）に残存する燃料の質量を推定するように構成されている。例えば、残存する燃料の体積を、既知の形状寸法及び測定された燃料液位に基づいて算出することができ、残存する燃料の質量は、体積と密度の積に等しくなる。残存燃料の推定質量を表す電気信号が、燃料量処理ユニット３８から燃料ゲージ４２に出力される。燃料ゲージ４２は、測定結果（例えば燃料液位又は燃料量）をディスプレイ画面にグラフィック及び／又は英数字で表示するようにプログラムされたディスプレイプロセッサを有するディスプレイ装置の形態をとることができる。
【００５７】
燃料量処理ユニット３８は、例えば、航空機に配置されたコンピュータ又は飛行制御システムの一部である。不規則な形状の燃料タンク内の燃料の量を特定する際には、燃料量処理ユニット３８が、様々なルーチンを実行することにより、燃料タンク１０の様々なコンパートメントに光学的に接続された複数の燃料液位センサ５２から受信した光出力データに基づいて、存在する燃料の量を計算する。燃料情報処理ソフトウェアは、燃料タンク１０の形状を考慮して燃料タンク１０に残存する燃料の量を求めるルーチンを含みうる。燃料情報処理ソフトウェアは、最初の使用の前に基準を作成するため、あるいは、燃料測定値の精度を維持するために、プロセスを較正するためのルーチンさらに含みうる。燃料量処理ユニット３８によって燃料ゲージ４２に提供された測定値は、提示の前に統合又は平均化されて、異なる時間間隔で提供される。
【００５８】
電気センサを使用している翼の燃料タンクシステムは、本明細書に開示の光センサを代わりに用いることによって、改良することができる。電気センサ用の二重シールド電気配線は、軽量且つ可撓性のプラスチック光ファイバに代えることができ、これにより、配線及び支持ブラケットの重量を取り除くとともに、落雷、短絡、及び、電気配線の摩滅による電磁的な影響を排除することができる。
【００５９】
要約すると、伝播時間の原理を用いた非接触のＰＯＦ飛行機燃料液位センサが開示されている。この燃料液位センサは、高い分解能、高い精度、長期にわたる良好な安定性、及び、非常に安全な動作で、燃料液位を検出することができる。伝播時間式燃料液位センサは、大径且つ大開口数のグレーデッドインデックスＰＯＦを用いることで、ガラス光ファイバ燃料センサで発生するファイバ破損の問題を解消することができるため、メンテナンスの費用を低く抑えることができる。伝播時間式燃料液位センサは、燃料と接触しないため、燃料粘性物質の堆積やＰＯＦセンサとの燃料の化学反応によるセンサの劣化の問題を排除することができる。
【００６０】
燃料液位計算器３４は、１つ以上の専用のマイクロプロセッサ又は１つ以上の汎用コンピュータによって構成することができ、適宜、ルックアップテーブルや検量線を用いることにより、あるいは、方程式を解くことにより、燃料の測定液位（すなわち高さ）を計算することができる。コックピットに表示される燃料ゲージ４２は、例えば、ＦＱＯＤＣ３６によって受信されるセンサデータに基づいて、燃料タンク１０内に存在する燃料の量を示すように制御される。
【００６１】
各光ファイバは、押出成形プラスチックによって形成された、可撓性を有し且つ光学的に透明又は半透明のファイバである。各ファイバは、当該ファイバの両端間で光を送る導波管又は光パイプとして機能することができる。光ファイバは、通常、比較的屈折率の低い透明又は半透明のクラッド材で囲まれた、比較的屈折率の高い透明又は半透明のコアを含む。光は、内部全反射によって、コア内に保持される。これにより、光ファイバは、導波管として作用する。
【００６２】
図１及び図４に示した例の実施形態では、プラスチック光ファイバは、燃料タンク１０内の燃料の液位を測定するために用いられている。他の実施形態において、同じ装置を、他の液体を検出するために用いることもできる。例えば、上述したシステムを用いて、容器内の水または油圧システムの貯蔵タンク内の作動油の存在を検出することができる。燃料タンク内の燃料検出の説明は、例示を目的として提示したものであり、図１及び図４に示したシステムが使用される態様を限定することを意図するものではない。
【００６３】
より概括的には、図５は、一実施形態による、貯蔵タンク内の液体の量を示すゲージを表示するための方法１００の工程を示すフローチャートである。最初に、貯蔵タンクの形状寸法を表すデータを、コンピュータにアクセス可能な非一時的な有形のコンピュータ可読記憶媒体に保存する（工程１０２）。液体の表面の上方の空間がガスで占められるように、貯蔵タンクに液体を貯蔵する（工程１０４）。第１時点において、プラスチック光ファイバの端面から、液体の表面に向けて、光子のレーザパルスを出射する（工程１０６）。第１時点より後の第２時点において、出射されたレーザパルスからの、プラスチック光ファイバの端面で反射された第１光子の、光検出器に対する衝突を検出する（工程１０８）。第２時点より後の第３時点において、出射されたレーザパルスからの、液体の表面で反射されてプラスチック光ファイバに戻った第２光子の、光検出器に対する衝突を検出する（工程１１０）。次に、第１光子の到達時刻と第２光子の到達時刻との間の時間遅延を求める（工程１１２）。次に、時間遅延を表すデータを処理することによって、貯蔵タンク内の液体の液位を求める（工程１１４）。さらに、貯蔵タンク内の液体の密度を測定する（工程１１６）。次に、貯蔵タンクの形状寸法、液体の密度、及び、液体の液位を表すデータに基づいて、貯蔵タンク内に残存する液体の質量を計算する（工程１１８）。計算された貯蔵タンク内の液体の質量を示すゲージを表示する（工程１２０）。
【００６４】
非接触ＰＯＦを用いて燃料タンク内の液体燃料の液位を光学的に検出するシステム及び方法を、様々な実施形態に言及して記載しているが、当業者であればわかるように、本明細書における開示から逸脱することなく、これらの要素に様々な変形を加えたり、要素に代えて均等物を用いることもできる。加えて、本明細書に開示の概念及び実施化を特定の状況に適合させるための多くの変形が可能である。従って、請求の範囲に包含される要旨が開示の実施形態に限定されないことが、意図されている。
【００６５】
請求の範囲に用いられている「コンピュータシステム」という用語は、少なくとも１つのコンピュータ又はプロセッサを有するシステムを包含し、また、当該システムがネットワークやバスを介して通信する複数のコンピュータやプロセッサを有する場合も包含すると広く解釈されるべきである。先の文に用いられている「コンピュータ」及び「プロセッサ」という用語は、いずれも、処理ユニット（例えば、中央処理装置）と、当該処理ユニットによる読み取りが可能なプログラムを格納する何らかのメモリ（即ち、非一時的な有形のコンピュータ可読記憶媒体）と、を有する装置を指す。例えば、図１に示した燃料液位計算器３４、燃料量光データコンセントレータ３６、及び、燃料量処理ユニット３８は、通信可能に接続されて「コンピュータシステム」を形成する個別のプロセッサ又はコンピュータであってもよい。
【００６６】
さらに、本開示は以下の付記による実施例を含む。
【００６７】
付記１．  貯蔵タンク内の液体の液位を測定するための方法であって、前記液体の表面の上方の空間がガスで占められるように、前記貯蔵タンクに前記液体を貯蔵することと、第１時点において、プラスチック光ファイバの端面から、前記液体の前記表面に向けて、光子のレーザパルスを出射することと、前記第１時点より後の第２時点において、前記出射されたレーザパルスからの、前記プラスチック光ファイバの前記端面で反射された第１光子の、光検出器に対する衝突を検出することと、前記第２時点より後の第３時点において、前記出射されたレーザパルスからの、前記液体の前記表面で反射されて前記プラスチック光ファイバに戻った第２光子の、前記光検出器に対する衝突を検出することと、前記第１光子の到達時刻と前記第２光子の到達時刻との間の時間遅延を検出することと、前記時間遅延を表すデータを処理することによって、前記貯蔵タンク内の前記液体の液位を求めることと、を含む方法。
【００６８】
付記２．  前記プラスチック光ファイバは、開口数が少なくとも２．９であるグレーデッドインデックスプラスチック光ファイバである、付記１に記載の方法。
【００６９】
付記３．  前記光検出器は、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードである、付記１又は２に記載の方法。
【００７０】
付記４．  前記レーザパルスは、赤色レーザダイオードによって生成される、付記１〜３のいずれか１つに記載の方法。
【００７１】
付記５．  前記赤色レーザダイオードは、約６５０ｎｍで動作する、付記４に記載の方法。
【００７２】
付記６．  前記レーザパルスは、６５０ｎｍを含む波長及び１００ｐｓｅｃ以下の幅を有する、付記１〜５のいずれか１つに記載の方法。
【００７３】
付記７．  前記貯蔵タンクの形状寸法を表すデータを保存することと、記貯蔵タンク内の前記液体の密度を測定することと、前記貯蔵タンクの前記形状寸法、前記液体の前記密度、及び、前記液体の前記液位を表すデータに基づいて、前記貯蔵タンク内に残存する前記液体の質量を計算することと、前記貯蔵タンク内の液体の前記計算された質量を示すゲージを表示することと、をさらに含む、付記１〜６のいずれか１つに記載の方法。
【００７４】
付記８．  前記液体は燃料であり、前記貯蔵タンクは、飛行機に搭載された燃料タンクである、付記１〜７のいずれか１つに記載の方法。
【００７５】
付記９．  貯蔵タンク内の液体の液位を測定するためのシステムであって、前記貯蔵タンクの外部に配置された１×２光ファイバカプラーと、前記１×２光ファイバカプラーに光学的に連結されるとともに、前記１×２光ファイバカプラーに向かって伝播する光子のレーザパルスを出射するように構成されたレーザ装置と、前記１×２光ファイバカプラーに光学的に連結された一端、及び、前記貯蔵タンクの内部空間に配置された端面を有する他端を有するグレーデッドインデックスプラスチック光ファイバと、前記１×２光ファイバカプラーに光学的に連結された光検出器であって、前記光検出器の表面に対する光子の衝突に応答して電子を生成するように構成された光検出器と、前記光検出器から電子を受信するように機能的に連結されるとともに、前記光検出器の表面に対する第１時刻における第１光子の衝突と、前記第１時刻より後の第２時刻における第２光子の衝突との間の時間遅延を表す時間遅延信号を生成するように構成された時間遅延検出回路と、前記時間遅延検出回路から前記時間遅延信号を受信するように機能的に連結されるとともに、前記時間遅延に基づいて前記貯蔵タンク内の液体の液位を計算するように構成されたコンピュータシステムと、を含むシステム。
【００７６】
付記１０．  前記貯蔵タンクの壁に形成された穴に設置された気光密ファイバ挿通コネクタ、及び、前記気光密ファイバ挿通コネクタ内に前記グレーデッドインデックスプラスチック光ファイバの遠位端を固定する接着剤をさらに含む、付記９に記載のシステム。
【００７７】
付記１１．  前記気光密ファイバ挿通コネクタは、前記グレーデッドインデックスプラスチック光ファイバの端面が露出されるように構成されている、付記１０に記載のシステム。
【００７８】
付記１２．  前記グレーデッドインデックスプラスチック光ファイバは、開口数が少なくとも２．９である、付記９〜１１のいずれか１つに記載のシステム。
【００７９】
付記１３．  前記光検出器は、ガイガーモードで動作するように構成されたアバランシェフォトダイオードである、付記９〜１２のいずれか１つに記載のシステム。
【００８０】
付記１４．  前記レーザ装置は、赤色レーザダイオードを含む、付記９〜１３のいずれか１つに記載のシステム。
【００８１】
付記１５．  前記レーザ装置は、約６５０ｎｍで動作する、付記９〜１４のいずれか１つに記載のシステム。
【００８２】
付記１６．  前記レーザ装置は、１００ｐｓｅｃ以下の幅のレーザパルスを出射することができる、付記９〜１５のいずれか１つに記載のシステム。
【００８３】
付記１７．  前記コンピュータシステムに通信可能に連結されたディスプレイ装置をさらに含み、前記コンピュータシステムは、以下の動作、すなわち、前記貯蔵タンクの形状寸法を表すデータを保存すること、前記貯蔵タンク内の前記液体の密度の測定値を表すデータを受信すること、前記貯蔵タンクの前記形状寸法、前記液体の前記密度、及び、前記液体の前記液位に基づいて、前記貯蔵タンク内に残存する液体の質量を計算すること、並びに、前記貯蔵タンク内の液体の前記計算された質量を表す電気信号を、前記ディスプレイ装置に出力すること、を実行するようにさらに構成されている、付記９〜１６のいずれか１つに記載のシステム。
【００８４】
付記１８．  前記液体は燃料であり、前記貯蔵タンクは、飛行機に搭載された燃料タンクである、付記９〜１７のいずれか１つに記載のシステム。
【００８５】
付記１９．燃料タンクと、前記燃料タンク内の液体の液位を測定するための、付記９〜１８のいずれか１つに記載の燃料液位検出システムとを含む航空機。
【００８６】
付記２０．  燃料タンクと、前記燃料タンク内の液体の液位を測定するための燃料液位検出システムとを含む航空機であって、前記燃料液位検出システムは、前記燃料タンクの外部に配置された１×２光ファイバカプラーと、前記１×２光ファイバカプラーに光学的に連結されるとともに、前記１×２光ファイバカプラーに向かって伝播する光子のレーザパルスを出射するように構成されたレーザ装置と、前記１×２光ファイバカプラーに光学的に連結された一端、及び、前記燃料タンクの内部空間に配置された端面を有する他端を有するグレーデッドインデックスプラスチック光ファイバと、前記１×２光ファイバカプラーに光学的に連結された光検出器であって、前記光検出器の表面に対する光子の衝突に応答して電子を生成するように構成された光検出器と、前記光検出器から電子を受信するように機能的に連結されるとともに、前記光検出器の表面に対する第１時刻における第１光子の衝突と、前記第１時刻より後の第２時刻における第２光子の衝突との間の時間遅延を表す時間遅延信号を生成するように構成された時間遅延検出回路と、前記時間遅延検出回路から前記時間遅延信号を受信するように機能的に連結されるとともに、前記時間遅延に基づいて前記燃料タンク内の液体の推定液位を計算するように構成されたコンピュータシステムと、を含む、航空機。
【００８７】
付記２１．  前記燃料液位検出システムは、前記燃料タンクの壁に形成された穴に設置された気光密ファイバ挿通コネクタ、及び、前記気光密ファイバ挿通コネクタ内に前記グレーデッドインデックスプラスチック光ファイバの遠位端を固定する接着剤をさらに含み、前記気光密ファイバ挿通コネクタは、前記グレーデッドインデックスプラスチック光ファイバの端面が露出されるように構成されている、付記２０に記載の航空機。
【００８８】
付記２２．  前記グレーデッドインデックスプラスチック光ファイバは、開口数が少なくとも２．９であり、前記光検出器は、ガイガーモードで動作するように構成されたアバランシェフォトダイオードであり、前記レーザ装置は、赤色レーザダイオードを含む、付記２０又は２１に記載の航空機。
【００８９】
付記２３．  前記コンピュータシステムに通信可能に連結されたディスプレイ装置をさらに含み、前記コンピュータシステムは、以下の動作、すなわち、前記燃料タンクの形状寸法を表すデータを保存すること、前記燃料タンク内の前記液体の密度の測定値を表すデータを受信すること、前記燃料タンクの前記形状寸法、前記液体の前記密度、及び、前記液体の前記液位に基づいて、前記燃料タンク内に残存する液体の質量を計算すること、並びに、計算された前記燃料タンク内の液体の質量を表す電気信号を、前記ディスプレイ装置に出力すること、を実行するようにさらに構成されている、付記２０〜２２のいずれか１つに記載の航空機。
【００９０】
付記２４．  貯蔵タンク内の液体の液位を測定するための方法であって、前記液体の表面の上方の空間がガスで占められるように、前記貯蔵タンクに前記液体を貯蔵することと、第１時点において、プラスチック光ファイバの端面から、前記液体の前記表面に向けて、光子のレーザパルスを出射することと、前記第１時点より後の第２時点において、前記出射されたレーザパルスからの、前記プラスチック光ファイバの前記端面で反射された第１光子の、光検出器に対する衝突を検出することと、前記第２時点より後の第３時点において、前記出射されたレーザパルスからの、前記液体の前記表面で反射されて前記プラスチック光ファイバに戻った第２光子の、前記光検出器に対する衝突を検出することと、前記第１光子の到達時刻と前記第２光子の到達時刻との間の時間遅延を検出することと、前記時間遅延を表すデータを処理することによって、前記貯蔵タンク内の前記液体の液位を求めることと、を含む方法。
【００９１】
付記２５．  前記レーザパルスは、赤色レーザダイオードによって生成され、好ましくは、前記赤色レーザダイオードは、約６５０ｎｍで動作する、付記２４に記載の方法。
【００９２】
付記２６．  前記貯蔵タンクの形状寸法を表すデータを保存することと、前記貯蔵タンク内の前記液体の密度を測定することと、前記貯蔵タンクの前記形状寸法、前記液体の前記密度、及び、前記液体の前記液位を表すデータに基づいて、前記貯蔵タンク内に残存する液体の質量を計算することと、前記貯蔵タンク内の液体の前記計算された質量を示すゲージを表示することと、をさらに含む、付記２４又は２５に記載の方法。
【００９３】
付記２７．  貯蔵タンク内の液体の液位を測定するためのシステムであって、前記貯蔵タンクの外部に配置された１×２光ファイバカプラーと、前記１×２光ファイバカプラーに光学的に連結されるとともに、前記１×２光ファイバカプラーに向かって伝播する光子のレーザパルスを出射するように構成されたレーザ装置と、前記１×２光ファイバカプラーに光学的に連結された一端、及び、前記貯蔵タンクの内部空間に配置された端面を有する他端を有するグレーデッドインデックスプラスチック光ファイバと、前記１×２光ファイバカプラーに光学的に連結された光検出器であって、前記光検出器の表面に対する光子の衝突に応答して電子を生成するように構成された光検出器と、前記光検出器から電子を受信するように機能的に連結されるとともに、前記光検出器の表面に対する第１時刻における第１光子の衝突と、前記第１時刻より後の第２時刻における第２光子の衝突との間の時間遅延を表す時間遅延信号を生成するように構成された時間遅延検出回路と、前記時間遅延検出回路から前記時間遅延信号を受信するように機能的に連結されるとともに、前記時間遅延に基づいて前記貯蔵タンク内の液体の液位を計算するように構成されたコンピュータシステムと、を含むシステム。
【００９４】
付記２８．  前記貯蔵タンクの壁に形成された穴に設置された気光密ファイバ挿通コネクタ、及び、前記気光密ファイバ挿通コネクタ内に前記グレーデッドインデックスプラスチック光ファイバの遠位端を固定する接着剤をさらに含む、付記２７に記載のシステム。
【００９５】
付記２９．  前記気光密ファイバ挿通コネクタは、前記グレーデッドインデックスプラスチック光ファイバの端面が露出されるように構成されている、付記２８に記載のシステム。
【００９６】
付記３０．  前記グレーデッドインデックスプラスチック光ファイバは、開口数が少なくとも２．９である、付記２４〜２９のいずれか１つに記載の方法又はシステム。
【００９７】
付記３１．  前記光検出器は、ガイガーモードで動作するように構成されたアバランシェフォトダイオードである、付記２４〜３０のいずれか１つに記載の方法又はシステム。
【００９８】
付記３２．  前記レーザ装置は、赤色レーザダイオードを含む、付記２７〜３１のいずれか１つに記載のシステム。
【００９９】
付記３３．  前記レーザ装置は、約６５０ｎｍで動作する、付記２７〜３２のいずれか１つに記載のシステム。
【０１００】
付記３４．  前記レーザ装置は、１００ｐｓｅｃ以下の幅のレーザパルスを出射することができる、付記２４〜３３のいずれか１つに記載の方法又はシステム。
【０１０１】
付記３５．  前記コンピュータシステムに通信可能に連結されたディスプレイ装置をさらに含み、前記コンピュータシステムは、以下の動作、すなわち、前記貯蔵タンクの形状寸法を表すデータを保存すること、前記貯蔵タンク内の前記液体の密度の測定値を表すデータを受信すること、前記貯蔵タンクの前記形状寸法、前記液体の前記密度、及び、前記液体の前記液位に基づいて、前記貯蔵タンク内に残存する液体の質量を計算すること、及び、前記貯蔵タンク内の液体の前記計算された質量を表す電気信号を、前記ディスプレイ装置に出力すること、を実行するようにさらに構成されている、付記２７〜３４のいずれか１つに記載のシステム。
【０１０２】
付記３６．  前記液体は燃料であり、前記貯蔵タンクは、飛行機に搭載された燃料タンクである、付記２４〜３５のいずれか１つに記載の方法又はシステム。
【０１０３】
付記３７．燃料タンクと、前記燃料タンク内の液体の液位を測定するための、付記２７〜３６のいずれか１つに記載の燃料液位検出システムとを含む航空機。
【０１０４】
付記３８．  前記燃料液位検出システムは、前記燃料タンクの壁に形成された穴に設置された気光密ファイバ挿通コネクタ、及び、前記気光密ファイバ挿通コネクタ内に前記グレーデッドインデックスプラスチック光ファイバの遠位端を固定する接着剤をさらに含み、前記気光密ファイバ挿通コネクタは、前記グレーデッドインデックスプラスチック光ファイバの端面が露出されるように構成されている、付記３７に記載の航空機。
【０１０５】
付記３９．  前記グレーデッドインデックスプラスチック光ファイバは、開口数が少なくとも２．９であり、前記光検出器は、ガイガーモードで動作するように構成されたアバランシェフォトダイオードであり、前記レーザ装置は、赤色レーザダイオードを含む、付記３７又は３８に記載の航空機。
【０１０６】
以下に記載するプロセスの請求項は、請求項に記載の工程のいくつか又はすべてが行われる順序を示唆する条件を、請求項の文言が明示的に指定又は記述していない限り、これらの工程を、アルファベット順又は記載順に実行することを要件とすると解釈されるべきではない。（請求項におけるアルファベットを用いた順序付けは、前述したス工程に言及する目的のみで用いられている。）また、プロセスの請求項は、請求項の文言がそのような解釈を妨げる条件を明示的に記述していない限り、２つ以上の工程の一部を、同時に、又は順序を入れ替えて行うことを排除すると解釈されるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【外国語明細書】
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