(57)【要約】【課題】デュアル蛍光性プラスチック光ファイバを有する燃料レベルセンサを提供する。【解決手段】燃料タンク内に配置された導電性構成要素または要素を使用することなく、航空機の燃料レベルを検出するために、1つの側面放射型プラスチック光ファイバ（SPOF）および2つの蛍光性プラスチック光ファイバ（FPOF）を使用する、航空機燃料レベル光センサである。このデュアルFPOFセンサは、実際の航空機の燃料タンク環境で1回の較正を行うことで、高分解能と高精度を達成することができる。デュアルFPOFセンサの一実施形態は、2つのFPOFからの光信号出力に基づいて燃料レベル変化を検出するために1つのSPOFと2つのFPOFを使用する。センサ設計では、大直径（コアおよびクラッディング）の、軽量かつ低コストで耐久性の高いプラスチック光ファイバが使用されており、これは航空機の設置に非常に適している。【選択図】図1
2018128455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リザーバ内の液体のレベルを測定するためのシステムであって、
光を出力するための光源と、
一端が前記光源に光学的に結合された側面放射型光ファイバと、
入射光を前記入射光の光パワーを表す電気信号に変換するための光検出器と、
前記側面放射型光ファイバと平行にかつ前記側面放射型光ファイバから離れて位置し、一端が前記光検出器に光学的に結合された蛍光性光ファイバと
を備える、システム。
【請求項２】
前記蛍光性光ファイバを前記光検出器に光学的に結合する可変光減衰器をさらに備える、請求項1に記載のシステム。
【請求項３】
前記可変光減衰器に電気的に結合された計算システムと、
前記光検出器によって出力された光電流を受信し、前記計算システムに電圧を送信するように電気的に結合された電流電圧変換器と、
前記計算システムに電気的に結合された燃料レベルインジケータであって、前記計算システムは、燃料レベルを前記燃料レベルインジケータに出力するようにさらに構成され、その燃料レベルは、前記電流電圧変換器から受信した前記電圧に部分的に基づいている、燃料レベルインジケータと
をさらに備える、請求項2に記載のシステム。
【請求項４】
前記側面放射型光ファイバおよび前記蛍光性光ファイバがプラスチック製である、請求項1に記載のシステム。
【請求項５】
第1の複合保持ロッド、第2の複合保持ロッド、および第3の複合保持ロッドと、
それぞれ、前記第1の複合保持ロッド、前記第2の複合保持ロッド、および前記第3の複合保持ロッドに部分的に埋め込まれ、前記第1の複合保持ロッド、前記第2の複合保持ロッド、および前記第3の複合保持ロッドから部分的に突出する第1のガラス管、第2のガラス管、および第3のガラス管と、
前記第1のガラス管に埋め込まれた側面放射型プラスチック光ファイバと、
前記第2のガラス管に埋め込まれた第1の蛍光性プラスチック光ファイバと、
前記第3のガラス管に埋め込まれた第2の蛍光性プラスチック光ファイバと、
前記側面放射型プラスチック光ファイバによって放射された光が前記第1の蛍光性プラスチック光ファイバおよび前記第2の蛍光性プラスチック光ファイバによって受信されるように、前記第1の複合保持ロッド、前記第2の複合保持ロッド、および前記第3の複合保持ロッドを支持する支持構造体と
を備える、光学システム。
【請求項６】
前記支持構造体が、
第1の端部および第2の端部を有する複合外管と、
前記複合外管の前記第1の端部に取り付けられた第1のエンドキャップと、
前記複合外管の前記第2の端部に取り付けられた第2のエンドキャップと
を備え、
前記第1の複合保持ロッド、前記第2の複合保持ロッド、および前記第3の複合保持ロッドは、前記複合外管の内側に配置される、
請求項5に記載の光学システム。
【請求項７】
第1の開口部、第2の開口部、および第3の開口部を有する光ファイバ保持筒をさらに備え、前記第1のエンドキャップは、前記光ファイバ保持筒を受け入れるように構成された開口部を有し、前記側面放射型プラスチック光ファイバは前記光ファイバ保持筒の前記第1の開口部を通過し、前記第1の蛍光性プラスチック光ファイバは前記光ファイバ保持筒の前記第2の開口部を通過し、前記第2の蛍光性プラスチック光ファイバは前記光ファイバ保持筒の前記第3の開口部を通過する、請求項6に記載の光学システム。
【請求項８】
前記第2のエンドキャップが、前記第1の複合保持ロッド、前記第2の複合保持ロッド、および前記第3の複合保持ロッドのそれぞれの端部を受け入れるように構成された第1の開口部、第2の開口部、および第3の開口部を有する、請求項6に記載の光学システム。
【請求項９】
リザーバ内の液体の高さを測定するための方法であって、前記方法は、
前記リザーバに収容された前記液体に側面放射型光ファイバおよび第1の蛍光性光ファイバを配置するステップであって、前記側面放射型光ファイバおよび前記第1の蛍光性光ファイバはそれぞれ前記側面放射型光ファイバと前記第1の蛍光性光ファイバとが互いに平行かつ離隔した位置を有し、前記第1の蛍光性光ファイバは第1の光応答効率を有する、ステップと、
前記側面放射型光ファイバの一端に光源からの光を入力するステップと、
入力光の少なくとも一部を前記側面放射型光ファイバから側面放射するステップと、
前記第1の蛍光性光ファイバの内部で側面放射光の少なくとも一部を吸収するステップと、
側面放射光の吸収に応答して前記第1の蛍光性光ファイバの内部で蛍光によって光を生成するステップと、
蛍光によって生成された光を前記第1の蛍光性光ファイバの一端から放射するステップと、
前記第1の蛍光性光ファイバによって放射された前記光の少なくとも一部を第1の光電流に変換するステップと、
前記第1の光電流を第1の電圧に変換するステップと、
前記リザーバ内の前記液体の高さを、前記第1の電圧の大きさに部分的に基づいて計算するステップと、
ディスプレイ上に前記高さを視覚的に示すステップと
を含む、方法。
【請求項１０】
前記配置するステップが、前記リザーバに収容された前記液体に第2の蛍光性光ファイバを配置するステップであって、前記第2の蛍光性光ファイバは前記側面放射型光ファイバと前記第2の蛍光性光ファイバとが互いに平行かつ離隔した位置を有し、前記第2の蛍光性光ファイバは前記第1の光応答効率とは異なる第2の光応答効率を有する、ステップをさらに含み、
前記方法は、
前記第2の蛍光性光ファイバの内部で前記側面放射光の少なくとも一部を吸収するステップと、
側面放射光の吸収に応答して前記第2の蛍光性光ファイバの内部で蛍光によって光を生成するステップと、
蛍光によって生成された光を前記第2の蛍光性光ファイバの一端から放射するステップと、
前記第2の蛍光性光ファイバによって放射された前記光の少なくとも一部を第2の光電流に変換するステップと、
前記第2の光電流を第2の電圧に変換するステップと、
前記第1の電圧と前記第2の電圧との比を計算するステップと、
前記計算された比を所定の定数と比較するステップと、
をさらに含み、
前記計算された比と前記所定の定数とが等しい場合に前記高さが計算される、
請求項9に記載の方法。
【請求項１１】
前記計算された比と前記所定の定数とが等しくない場合、前記第1の蛍光性光ファイバおよび前記第2の蛍光性光ファイバによって放射される前記光を減衰させるステップをさらに含む、請求項10に記載の方法。
【請求項１２】
前記計算された比と前記所定の定数とが等しくない場合、前記側面放射型光ファイバの前記一端に入力される前記光の光パワーを変更するステップをさらに含む、請求項10に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、貯蔵タンクまたは他の容器のようなリザーバ内の液体のレベルを測定するためのシステムおよび方法に関する。より詳細には、本開示は、光センサを使用する液体レベル測定のためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体のレベルを継続的に測定する必要性は、多くの商業的および軍事的用途に存在する。例えば、液体レベルセンサは、航空機、自動車、およびトラックの燃料タンクで一般に使用されている。液体レベルセンサは、燃料分配、廃水処理、化学物質貯蔵、食品加工などに使用される貯蔵タンク内の液体レベルを監視するためにも使用される。
【０００３】
液体レベルを測定するための多くのトランスデューサは電気を使用する。このようなトランスデューサの電気出力は、測定される液体レベルの変化に応答して変化し、典型的には、抵抗、静電容量、電流フロー、磁場、周波数などの変化の形態である。これらのタイプのトランスデューサは、可変キャパシタまたは抵抗器、光学部品、ホール効果センサ、ひずみゲージ、超音波装置などを含むことができる。
【０００４】
現在、航空機のほとんどの燃料センサは電気を使用している。例えば、既存の静電容量センサでは、金属静電容量板と金属配線をタンク内に配置する必要があり、そのためには、特定の電気的故障条件の下で安全性の問題を排除するための複雑な設備および保護手段を必要とする。この電気配線には、浮遊容量を最小限に抑えるために慎重なシールド、ボンディング、および接地が必要であり、電気的接触の完全性を保証するために定期的なメンテナンスがさらに必要である。次に、静電容量プローブの測定には、静電容量測定を補完して燃料レベル検出を達成するために、温度および密度センサ入力などの他のセンサ入力が必要である。
【０００５】
燃料タンクに電流を導入することなく、燃料タンク内の液体のレベルを検出できるシステムおよび方法には改善の余地がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
蛍光は、光または他の電磁放射線を吸収した物質による光の放射である。本明細書で使用される「蛍光性プラスチック光ファイバ」という用語は、クラッディングによって取り囲まれたコアを含むプラスチック光ファイバを意味し、コアは、第1の波長とは異なる第2の波長を中心とする第2のスペクトル帯域幅を有する光がそのコアによって吸収されるとき、第1の波長を中心とする第1のスペクトル帯域幅を有する光（すなわち光子）を生成する特殊材料でドープされる。典型的には、第1の波長は第2の波長よりも大きい。本明細書で使用される「側面放射型プラスチック光ファイバ」という用語は、プラスチック光ファイバの側面に沿って光を放射するプラスチック光ファイバを意味する。別の実施形態によれば、蛍光性プラスチック光ファイバの代わりに蛍光ガラス光ファイバを使用することができる。
【０００７】
本明細書に開示される主題は、燃料タンク内に配置された導電性構成要素または要素を使用せずに、液体レベルを検出するために、1つの側面放射型光ファイバおよび2つの蛍光性光ファイバを使用する光学式液体レベルセンサの設計および実施を広く対象としている。説明の目的で、以下の開示は、燃料タンク内に配置された導電性構成要素または要素を使用することなく、航空機の燃料レベルを検出するために、1つの側面放射型プラスチック光ファイバ（SPOF）および2つの蛍光性プラスチック光ファイバ（FPOF）を使用する航空機燃料レベル光センサの設計および実施を対象としている。このデュアルFPOFセンサは、他の補足センサ入力を使用する必要なく燃料レベルを検出し、実際の航空機の燃料タンク環境で1回の較正で高分解能と高精度を達成することができる。
【０００８】
より具体的には、デュアルFPOFセンサは、デュアルFPOFから出力される光パワー信号に基づいて燃料レベルの変化を検出するために、異なる光応答効率を有する1つのSPOFおよび2つのFPOFを使用する。安全性が懸念されるようなタンク内の燃料を通過する電流はない。センサ設計では、大直径（コアおよびクラッディング）の、軽量かつ低コストで耐久性の高いPOFが使用されており、これは航空機の設置に非常に適している。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以下に詳細に開示される主題の1つの態様は、リザーバ内の液体のレベルを測定するためのシステムであって、このシステムは、光を出力するための光源と、一端が光源に光学的に結合された側面放射型光ファイバと、入射光を入射光の光パワーを表す電気信号に変換するための光検出器と、側面放射型光ファイバと平行にかつ側面放射型光ファイバから離れて位置し、一端が光検出器に光学的に結合された蛍光性光ファイバと、を備える。側面放射型光ファイバおよび蛍光性光ファイバは、プラスチックまたはガラス製であってもよい。
【００１０】
いくつかの実施形態によれば、システムは、蛍光性光ファイバを光検出器に光学的に結合する電圧制御される可変光減衰器（以下、「可変光減衰器」とも呼ぶ）と、可変光減衰器に電気的に結合された計算システムと、光検出器によって出力された光電流を受信し、計算システムに電圧を送信するように電気的に結合された電流電圧変換器と、計算システムに電気的に結合された燃料レベルインジケータであって、計算システムは、燃料レベルを燃料レベルインジケータに出力するようにさらに構成され、その燃料レベルは、電流電圧変換器から受信した電圧に部分的に基づいている、燃料レベルインジケータと、をさらに備える。
【００１１】
以下に詳細に開示される主題の別の態様は、リザーバ内の液体のレベルを測定するためのシステムであって、このシステムは、光を出力するための光源と、一端が光源に光学的に結合された側面放射型光ファイバと、入射光を入射光の光パワーを表す電気信号に変換するための第1および第2の光検出器と、側面放射型光ファイバと平行にかつ側面放射光ファイバから離れて位置し、一端が第1の光検出器に光学的に結合された第1の蛍光性光ファイバと、側面放射型光ファイバと平行にかつ側面放射光ファイバから離れて位置し、一端が第2の光検出器に光学的に結合された第2の蛍光性光ファイバと、を備え、第1および第2の蛍光性光ファイバは異なる光応答効率を有する。側面放射型光ファイバおよび蛍光性光ファイバは、プラスチックまたはガラス製であってもよい。
【００１２】
いくつかの実施形態によれば、システムは、第1の蛍光性光ファイバを第1の光検出器に光学的に結合する第1の可変光減衰器と、第2の蛍光性光ファイバを第2の光検出器に光学的に結合する第2の可変光減衰器と、光源に供給される電流を制御するための光源パワーコントローラーと、第1および第2の可変光減衰器によって提供される減衰レベルを設定する第1の制御信号を第1および第2の可変光減衰器に送信するように構成され、光源に供給される電流のレベルを設定する第2の制御信号を光源パワーコントローラーに送信するようにさらに構成される計算システムと、をさらに備える。このシステムは、第1の光検出器によって出力された光電流を受信し、第1の電圧を計算システムに送信するように結合された第1の電流電圧変換器と、第2の光検出器によって出力された光電流を受信し、第2の電圧を計算システムに送信するように結合された第2の電流電圧変換器とをさらに備えてもよく、計算システムは、第1および第2の電圧の比を計算するようにさらに構成され、第1および第2の制御信号は部分的にその比に基づく。加えて、このシステムは、計算システムに電気的に結合された燃料レベルインジケータをさらに備えてもよく、計算システムは、燃料レベルインジケータに燃料レベルを出力するようにさらに構成され、燃料レベルは、第1および第2の制御信号の送信後に、第1の電流電圧変換器から受信される第3の電圧に部分的に基づく。
【００１３】
以下に詳細に開示される主題のさらなる態様では、光学システムが、第1、第2、および第3の複合保持ロッドと、それぞれ、第1、第2、および第3の複合保持ロッドに部分的に埋め込まれ、第1、第2、および第3の複合保持ロッドから部分的に突出する第1、第2、および第3のガラス管と、第1のガラス管に埋め込まれた側面放射型プラスチック光ファイバと、第2のガラス管に埋め込まれた第1の蛍光性プラスチック光ファイバと、第3のガラス管に埋め込まれた第2の蛍光性プラスチック光ファイバと、側面放射型プラスチック光ファイバによって放射された光が第1および第2の蛍光性プラスチック光ファイバによって受信されるように、第1、第2、および第3の複合保持ロッドを支持する支持構造体と、を備える。
【００１４】
いくつかの実施形態によれば、支持構造体は、第1および第2の端部を有する複合外管と、複合外管の第1の端部に取り付けられた第1のエンドキャップと、複合外管の第2の端部に取り付けられた第2のエンドキャップとを備え、第1、第2、および第3の複合保持ロッドは、複合外管の内側に配置される。加えて、光学システムは、第1、第2、および第3の開口部を有する光ファイバ保持筒をさらに備えてもよく、第1のエンドキャップは、光ファイバ保持筒を受け入れるように構成された開口部を有し、側面放射型プラスチック光ファイバは光ファイバ保持筒の第1の開口部を通過し、第1の蛍光性プラスチック光ファイバは光ファイバ保持筒の第2の開口部を通過し、第2の蛍光性プラスチック光ファイバは光ファイバ保持筒の第3の開口部を通過する。第2のエンドキャップは、第1、第2、および第3の複合保持ロッドのそれぞれの端部を受け入れるように構成された第1、第2、および第3の開口部を有する。
【００１５】
以下に詳細に開示される主題のさらに別の態様は、リザーバ内の液体の高さを測定するための方法であって、この方法は、リザーバに収容された液体に側面放射型光ファイバおよび第1の蛍光性光ファイバを配置するステップであって、そこで側面放射型光ファイバと第1の蛍光性光ファイバとが互いに平行かつ離隔したそれぞれの位置を有し、第1の蛍光性光ファイバは第1の光応答効率を有する、ステップと、側面放射型光ファイバの一端に光源からの光を入力するステップと、入力光の少なくとも一部を側面放射型光ファイバから側面放射するステップと、第1の蛍光性光ファイバの内部で側面放射光の少なくとも一部を吸収するステップと、側面放射光の吸収に応答して第1の蛍光性光ファイバの内部で蛍光によって光を生成するステップと、蛍光によって生成された光を第1の蛍光性光ファイバの一端から放射するステップと、第1の蛍光性光ファイバによって放射された光の少なくとも一部を第1の光電流に変換するステップと、第1の光電流を第1の電圧に変換するステップと、リザーバ内の液体の高さを、第1の電圧の大きさに部分的に基づいて計算するステップと、ディスプレイ上に高さを視覚的に示すステップと、を含む。
【００１６】
本方法の一実施形態によれば、配置するステップは、リザーバに収容された液体に第2の蛍光性光ファイバを配置するステップであって、そこで側面放射型光ファイバと第2の蛍光性光ファイバとが互いに平行かつ離隔したそれぞれの位置を有し、第2の蛍光性光ファイバは第1の光応答効率とは異なる第2の光応答効率を有する、ステップをさらに含み、本方法は、第2の蛍光性光ファイバの内部で側面放射光の少なくとも一部を吸収するステップと、側面放射光の吸収に応答して第2の蛍光性光ファイバの内部で蛍光によって光を生成するステップと、蛍光によって生成された光を第2の蛍光性光ファイバの一端から放射するステップと、第2の蛍光性光ファイバによって放射された光の少なくとも一部を第2の光電流に変換するステップと、第2の光電流を第2の電圧に変換するステップと、第1の電圧と第2の電圧との比を計算するステップと、計算された比を所定の定数と比較するステップであって、計算された比と所定の定数が等しい場合に高さが計算される、ステップと、をさらに含む。また、本方法は、計算された比と所定の定数とが等しくない場合に、第1および第2の蛍光性光ファイバが放射する光を減衰させるステップと、計算された比と所定の定数とが等しくない場合に、側面放射型光ファイバの一端に入力される光の光パワーを変化させるステップと、をさらに含んでもよい。
【００１７】
リザーバ内の液体のレベルを検出するのに使用するのに適した光センサの他の態様は、以下に開示され、特許請求される。
【００１８】
前のセクションで論じた形態、機能、および利点を、様々な実施形態において独立して達成することができ、またはさらに他の実施形態で組み合わせてもよい。上記およびその他の態様を説明するための図面を参照しながら、以下に様々な実施形態について説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】燃料タンク内で距離dだけ離れた側面放射型プラスチック光ファイバと蛍光性プラスチック光ファイバを示す図である。
【図２】光パワー出力および対応するジェット燃料レベルが測定された実験室実験の結果を示すグラフである。データ点は黒丸で示され、それらのデータ点に適合する曲線は点線で表される。
【図３】燃料タンク内の側面放射型プラスチック光ファイバからそれぞれ距離dに位置する2つの蛍光性プラスチック光ファイバを表す図である。
【図４】1つのSPOF入力に応答して生成されたFPOF光パワー出力の比（Pout2／Pout1）および対応するジェット燃料レベルを測定した実験室実験の結果を示すグラフである。データ点は黒丸で示され、それらのデータ点に適合する曲線は太線で示されている。
【図５】燃料汚れおよび残留物を有するジェット燃料を収容する燃料タンク内の側面放射型プラスチック光ファイバからそれぞれ距離dに位置する2つの蛍光性プラスチック光ファイバを表す図である。燃料汚れおよび残留物は、黒四角で示されている。
【図６】燃料汚れ、残留物、POFエージング効果および燃料品質変動の影響を補償するように構成された電子プロセッサを有するデュアルFPOF燃料レベルセンサの設計を示すハイブリッド図である。
【図７】一例によるデュアルFPOF燃料レベルセンサの電子プロセッサによって実行される反復アルゴリズムのステップを特定するフローチャートである。
【図８】一実施形態によるPOFアセンブリの詳細なハードウェア設計を示す図であり、正三角形の頂点に位置する3つのPOFの中心軸線に平行に配置された1つのSPOFと2つのFPOFの斜視図であり、3つのPOFの大部分がそれぞれのガラス管に埋め込まれている。
【図９】一実施形態によるPOFアセンブリの詳細なハードウェア設計を示す図であり、図8に示された埋め込まれたSPOFおよびFPOFを有するガラス管のそれぞれの端部の等角図であり、これらのガラス管は、それぞれの複合保持ロッドに部分的に埋め込まれ、複合保持ロッドから部分的に突出している。
【図１０】一実施形態によるPOFアセンブリの詳細なハードウェア設計を示す図であり、図9に示す複合保持ロッド（部分的に埋め込まれたガラス管を有する）の端面図である。
【図１１】一実施形態によるPOFアセンブリの詳細なハードウェア設計を示す図であり、図9および図10に示す複合保持ロッド（部分的に埋め込まれたガラス管を有する）の側面図である。
【図１２】一実施形態によるPOFアセンブリの詳細なハードウェア設計を示す図であり、両端にエンドキャップを有する3つの複合保持ロッド（部分的に埋め込まれたガラス管を有する）を備えるエンドキャップアセンブリの分解斜視図である。
【図１３】一実施形態によるPOFアセンブリの詳細なハードウェア設計を示す図であり、図12に示すエンドキャップの平面図である。
【図１４】一実施形態によるPOFアセンブリの詳細なハードウェア設計を示す図であり、図12に示すエンドキャップの別の平面図である。
【図１５】一実施形態によるPOFアセンブリの詳細なハードウェア設計を示す図であり、両端にエンドキャップを有する3つの複合保持ロッド（部分的に埋め込まれたガラス管を有する）を備えるエンドキャップアセンブリの側面図である。
【図１６】一実施形態によるPOFアセンブリの詳細なハードウェア設計を示す図であり、図15に示すエンドキャップアセンブリと複合外管とを備えるPOFアセンブリの等角図である。
【図１７】一実施形態によるPOFアセンブリの詳細なハードウェア設計を示す図であり、図16に示すPOFアセンブリの部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下では、異なる図面において類似の要素には同じ参照番号が付されている図面を参照する。
【００２１】
リザーバ内の液体のレベルの光学的測定のためのシステムおよび方法の様々な実施形態を、例示のために詳細に説明する。以下に開示される詳細の少なくとも一部は、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく一部の用途において省略され得る任意の形態または態様に関する。
【００２２】
特に、航空機のための光学式燃料レベルセンサの例示的な実施形態を、以下に若干詳細に説明する。ただし、実際の実装のすべての形態がこの仕様で説明されているわけではない。当業者は、そのような実際の実施形態の開発において、システム関連およびビジネス関連の制約への遵守など、開発者の特定の目標を達成するために、実装ごとに異なり得る多数の実装特有の決定を行わなければならないことを認識されよう。さらに、このような開発努力は複雑で時間がかかるが、本開示の恩恵を受ける当業者にとって日常的な作業であることは理解されよう。
【００２３】
ここで開示される燃料レベルセンサの概念の理論的な基礎は、図1を参照して説明され、図1は、燃料タンク2の内部で距離dだけ隔てられている側面放射型プラスチック光ファイバ4（以下、「SPOF4」）および蛍光性プラスチック光ファイバ6（以下、「FPOF6」）を示している。SPOF4およびFPOF6の典型的な直径は1mmである。図1に示す構成では、光源（図示せず）からの光パワーPinを有する光がSPOF4に入力される。様々な実施形態によれば、一次光源は、中心波長が450〜500nmの高出力青色LEDまたは中心波長が455nmのレーザー光源である。図1の水平の矢印は、SPOF4からの側面放射光の伝搬を表している。FPOF6からの光パワー出力Poutは、SPOF4からの青色光を吸収した後、692nmの中心波長を有する赤色光である。Poutは、燃料タンク2が空のときに最も高くなる。燃料レベルが上昇すると、Poutは減少する。Poutの変化を測定することにより、燃料レベルの変化を導き出すことができる。
【００２４】
図1において、燃料レベルの寸法はhであり、2つのPOFの端面が燃料タンク2の底面に近く、Hが燃料タンク2の高さに近いので、SPOF4とFPOF6の各々の全長の寸法はHに等しく設定される。SPOF4の単位面積当たりの側面放射効率はαであり、Гは単位面積あたりのFPOF6の光応答効率である。光パワー出力Pout対燃料レベルhの関係の詳細な数学的導出は、以下の式によって記述される：
Pout＝Poa＋Pof＝PiΓ｛［α2B（2πr）Aff］h3＋［αAAfa−B（2πrα2H）Aff＋αBAff］h2−（2AHαAfa）h＋αAH2Afa｝
（1）
ここで、
【数１】
2018128455.tif 000003
および
【数２】
2018128455.tif 000004
である。物理的には、燃料レベルが変化する際、Poutは、空気8によるSPOF4からの光子の吸収に起因する光パワー出力（Poa）と、燃料10によるSPOF4からの光子の吸収に起因する光パワー出力（Pof）の合計である。Αfaは空気8中のSPOF4によって照らされるFPOF6の有効面積であり、Αffは、燃料10中のSPOF4によって照らされるFPOF6の有効面積であり、rは、SPOF4およびFPOF6の各々の半径であり（rは典型的には約1mmである）、βaは、SPOF4から放射された光が空気8中を伝播する際の空気の吸収係数であり、βfは、SPOF4から放射された光が燃料10を伝播する際の燃料の吸収係数である。
【００２５】
式（1）に示す光パワー出力Pout対燃料レベルhの理論的関係は、hの3次方程式に従う。この数学的相関は、実験室でのジェット燃料レベル測定から得られた実験結果によって実証された。実験準備では、SPOFとFPOFがガラス管内に並んで配置されている。ガラス管内のジェット燃料レベルの変化は、プラスチック管をジェット燃料容器からガラス管に接続する小型液体ポンプ装置を用いて達成された。SPOFに結合された青色LEDからの一定のパワー出力を用いて、燃料レベルが変化する際、FPOFの光パワー出力Poutを光パワーメータで測定した。
【００２６】
図2は、これらの実験測定値からのFPOFの光パワー出力Pout対燃料レベルhを示すグラフである。データ点は黒丸で示され、それらのデータ点に適合する曲線は点線で表される。グラフ上にプロットされた各データポイントは、ミリワットで測定されたFPOF光パワー出力（縦座標）と、ミリメートル単位で測定されたジェット燃料レベル測定値（横座標）とを含む順序対である。図2にプロットされた実験データは、光パワー出力Pout対燃料レベルhが3次方程式に非常に良く適合したことを示している。これにより、式（1）の理論的導出の妥当性が確認された。
【００２７】
原理的には、単一のSPOFと単一のFPOFは、FPOFの検出された光パワー出力Poutに基づいて燃料レベル情報を提供することができなければならない。しかし、実際の航空機の燃料タンクでは、SPOFやFPOFの表面に蓄積する可能性がある燃料汚れや残留物が問題となる。この蓄積は、燃料レベル（h）の測定精度を不明瞭にする。もう一つ考慮すべきことは、異なる国が空港で異なるグレードの燃料を提供する可能性があるため、就航中の航空機で使用される燃料の品質が経時的に変化し得ることである。さらに、センサシステムは、燃料レベルhを測定するために適切な光パワー入力PinをSPOF4に提供するために、安定した光源（レーザーまたはLED）を備えるべきである。また、経時的にPOFが劣化し、SPOF放射効率（α）およびFPOF応答効率（Γ）が経時的に低下する可能性がある。これらの問題を克服するために、参照としての第2のFPOFを使用して、耐久性のある燃料レベルセンサを構築することができる。デュアルFPOFのアプローチは以下のように説明される。
【００２８】
図3は、燃料タンク2内のSPOF4から同じ距離dに位置する2つのFPOF6aおよびFPOF6bを示している。SPOF4およびFPOF6aおよびFPOF6bは、同じ半径および長さを有する。SPOF4は光パワー入力Pinを受信する。図3の水平の矢印は、SPOF4からの側面放射光の伝搬を表している。第1のFPOF6aおよび第2のFPOF6bは、異なる光応答効率Γ1およびΓ2を有するように設計されている。これを、FPOF6aおよびFPOF6bのコアの異なるドーピングによって（例えば、異なるドーパントを使用することによって、または異なる濃度で同じドーパントを使用することによって）達成することができる。FPOF6aの光応答効率Γ1とFPOF6bの光応答効率Γ2は異なるので、それぞれの光パワー出力Pout1とPout2は異なる。
【００２９】
航空機の翼は、特にスパン方向に変化する高さを有する。その結果、航空機の翼の内部に組み込まれた燃料タンクの高さは変化する。典型的には、翼燃料タンクは、多数の区画を備える。異なる高さの燃料タンク区画に設置するのに適した異なる長さの燃料レベルセンサを設けることが望ましい。例えば、翼の根元にあるいくつかの区画は、数フィートの高さを有することができ、一方、翼の先端付近の他の区画は、数インチの高さを有することができる。
【００３０】
式（1）に示す光パワー出力対燃料レベルの関係を用いると、2つのFPOF6aおよびFPOF6bの光パワー出力Pout1およびPout2は、それぞれ、以下の式によって与えられる：
Pout1＝PiΓ1｛［α2B（2πr）Aff］h3＋［αAAfa−B（2πrα2H）Aff＋αBAff］h2−（2AHαAfa）h＋αAH2Afa｝
（2）
Pout2＝PiΓ2｛［α2B（2πr）Aff］h3＋［αAAfa−B（2πrα2H）Aff＋αBAff］h2−（2AHαAfa）h＋αAH2Afa｝
（3）
【００３１】
式（2）および式（3）から、以下の式を導くことができる：
Pout2／Pout1＝Γ2／Γ1
（4）
Γ2／Γ1＝C01
（5）
【００３２】
式（4）の結果は、2つのFPOFの場合、それぞれの光パワー出力の比が燃料レベルに依存しないことを示している。式（5）の結果は、光応答効率Γ2とΓ1との比および光パワー出力Pout2とPout1との比が定数C01に等しいことを示している。式（2）および式（3）を使用して、光応答効率Γ2とΓ1との比を、任意の燃料レベルhで各FPOFの光パワー出力Pout1およびPout2を測定することによって計算することができる。
【００３３】
図4は、1つのSPOF光パワー入力Pinに応答して生成されたFPOF光パワー出力の比（Pout2／Pout1）と、対応するジェット燃料レベルを測定した実験室実験の結果を示すグラフである。データ点は黒丸で示され、それらのデータ点に適合する曲線は太線で示されている。グラフ上にプロットされた各データポイントは、ミリメートル単位で測定された光パワー出力比（縦座標）対ジェット燃料レベル測定値（横座標）を含む順序対である。図4は、光パワー出力比Pout2／Pout1が燃料レベルに依存しない定数に非常に近いことを示している。図4に示される実験結果は、式（1）〜（5）で導かれた理論を確認する。
【００３４】
上記解析の結果を用いて、デュアルFPOFセンサが設計され、以下に説明するように実施が提案された。
【００３５】
図5は、異なる光応答効率を有する2つのFPOF6aおよびFPOF6bを含む燃料レベル光センサを表す図である。FPOF6aおよびFPOF6bの各々は、航空機の燃料タンク2内のSPOF4から距離dに位置している。燃料タンク2は、燃料汚れおよび残留物12（小さな黒四角で示す）を有するジェット燃料10を含んでいる。
【００３６】
航空機の動作の前に、図5に示す設置されたデュアルFPOF燃料レベルセンサが較正されるべきである。このデュアルFPOF燃料レベルセンサは、測定POFとしてFPOF（例えば、FPOF6a）の1つを使用し、基準POFとして他のFPOF（例えば、FPOF6b）を使用する。較正手順の間に、燃料レベル対光パワー出力Pout1およびPout2が記録され、比率Pout2／Pout1が計算され、記録される。結果の値は定数C01である。
【００３７】
その後、航空機の動作中に、測定FPOF6aからの光パワー出力Pout1が、較正からのデータに基づいて燃料レベルを示すために使用される。しかし、航空機内で使用されているセンサの寿命にわたって、図5に示すように、燃料汚れおよび残留物12がSPOF4およびFPOF6aおよびFPOF6b上に堆積され、POFは航空機の寿命にわたって劣化し、燃料品質は、就航中の航空機によって異なる。これらの要因はすべて、2つのFPOF6aおよびFPOF6bのそれぞれの光応答効率Γ1およびΓ2を効果的に低減することができる。しかし、2つのFPOF6aおよびFPOF6bの光パワー出力Pout1およびPout2の減衰を継続的に監視および調整し、光パワー入力PinをSPOF4に連続的に調整するために、燃料レベルの電子プロセッサ（図5には図示せず）を使用することによって、汚れ、残留物、POFエージングおよび燃料品質変動の影響を補償することができ、航空機内で使用されているデュアルFPOF燃料レベルセンサの寿命にわたって、光パワー出力Pout1対燃料レベル測定値は変化しない。
【００３８】
さらに図5を参照すると、燃料汚れおよび残留物12は、FPOF6aおよびFPOF6bの表面を照らす入力光パワーを低減する。POFエージングは、SPOF放射効率αおよび光応答効率Γ1およびΓ2を低減する。同様に、燃料品質の変化は、FPOF6aおよびFPOF6bの光パワー出力Pout1およびPout2を低減する際にも同じ効果を有する。デュアルFPOF燃料レベルセンサの設計は、SPOF4への光パワー入力Pinを増加させることによって、汚れ、残留物、POFエージングおよび燃料品質変動の影響を部分的に補償する。
【００３９】
図6は、安定した信頼できる燃料レベル検知を達成するように構成されたデュアルFPOF設計およびその電子プロセッサ20（またはコントローラー）を示している。図6はまた、センサの動作寿命にわたって光応答効率Γ1およびΓ2の一定比率を維持するように設計されたコントローラー電子機能を示している。
【００４０】
図6に示すように、FPOF6aの出力は、第1の可変光減衰器14a（ブロックVOA1で示される）に接続され、FPOF6bの出力は、第2の可変光減衰器14b（ブロックVOA2で示される）に接続される。これらの可変光減衰器は、外部電圧を印加することによってFPOF光パワー出力を減衰させる（すなわち、その強度を減少させる）光減衰器である。減衰の程度は、印加された外部電圧の大きさを変えることによって調整することができる。第1の可変光減衰器14aおよび第2の可変光減衰器14bに印加される外部電圧の大きさの調整は、図6に示すように電子プロセッサ20に電気的に結合された電気コネクタ22を介して電子プロセッサ20から受信した各制御信号によって制御される。
【００４１】
1回の較正は、完了したデュアルFPOF燃料レベルセンサが航空機の燃料タンク2にある間に実行される。この最初の較正の間に、FPOF6aの光応答効率Γ1およびFPOF6bの光応答効率Γ2がそれぞれΓ01およびΓ02として測定され、次に比率Γ02／Γ01を計算することによって定数C01が決定される。デュアルFPOF燃料レベルセンサの設計は、FPOFを検出する燃料レベルとしてFPOF6aを使用し、基準FPOFとしてFPOF6bを使用する。最初に、FPOF6aおよびFPOF6bは、FPOF6aの光応答効率Γ01がFPOF6bの光応答効率Γ02よりも大きくなるように製造される。較正手順の間に、燃料レベル対両光パワー出力Pout1およびPout2を表す電子デジタルデータは、電子プロセッサ20の不揮発性メモリのような非一時的な有形のコンピューター可読記憶媒体に格納されたルックアップテーブルに記録される。さらに、デジタル較正データに適合する3次方程式が導かれる。この3次方程式を使用して、光パワー出力Pout1がこれらの2つの格納された値の間の値であるときに、ルックアップテーブル内の2つの格納された値の間を補間することができる。燃料レベルh対Pout1の関係は、較正中に取得され、プロセッサのメモリに（電子デジタルデータとして）格納された測定データから導かれる。
【００４２】
FPOF6aおよびFPOF6bは、第1の可変光減衰器14aおよび第2の可変光減衰器14bにそれぞれ接続されている。第1の可変光減衰器14aおよび第2の可変光減衰器14bからの光パワー出力Pout1およびPout2は、それぞれ第1の光検出器16aおよび第2の光検出器16bに光学的に結合される。第1の光検出器16aおよび第2の光検出器16bによって出力される信号の大きさは、FPOF6aおよびFPOF6bの端部から放射される光の強度が増加するにつれて単調に増加する。第1の光検出器16aから出力された光電流は、第1のトランスインピーダンス増幅器18a（ブロックTIA1で示される）に電気的に結合され、第2の光検出器16bから出力された光電流は、第2のトランスインピーダンス増幅器18b（ブロックTIA2で示される）に電気的に結合される。トランスインピーダンス増幅器は電流電圧変換器であり、ほとんどの場合、演算増幅器を使用して実装されている。第1のトランスインピーダンス増幅器18aおよび第2のトランスインピーダンス増幅器18bは、第1の可変光減衰器14aおよび第2の可変光減衰器14bからの光パワー出力Pout1およびPout2に線形比例するそれぞれの電圧V1およびV2に光電流を変換する。電圧V1およびV2は、図6に示すように、電気コネクタ22を介して電子プロセッサ20の各入力ポートに印加される。
【００４３】
SPOF4に光パワー入力Pinを提供する光源24は、高出力LEDまたはレーザーのいずれかである。一実施形態によれば、光源24は、455nm（青色）の中心波長を有する光を放射する。なぜなら、この波長の光源は、FPOF6aおよびFPOF6bの光励起のために高い光子エネルギーを有するからである。（光源に関する追加の詳細は以下の通りである。）  FPOF6aおよびFPOF6bによって出力される光の波長は、中心波長が692nm（赤色）で狭いスペクトル帯域幅を有する。図6の水平の矢印は、光源24の動作中にSPOF4からFPOF6aおよびFPOF6bに伝播する光（すなわち、光子）を表している。光源24は、電子プロセッサ20からの制御信号に応答して、温度の変化中およびデュアルFPOF燃料レベルセンサの動作寿命にわたって光パワー入力Pinを安定化するように構成された光源パワーコントローラー26（図6のブロックLSPCで示される）に電気的に結合されている。
【００４４】
電子プロセッサ20は、航空機内の燃料レベルインジケータ28に燃料レベルデータを送信するように構成される。電子プロセッサ20は、専用マイクロプロセッサまたは汎用コンピューターであってもよく、ルックアップテーブルや較正曲線を使用することによって、または方程式を適宜解くことによって、燃料の測定レベル（すなわち、高さ）を計算することができる。燃料レベルインジケータ28は、電子プロセッサ20によって受信された光パワーデータに基づいて、燃料タンク2内に存在する燃料の量を識別する情報を提示することができる。燃料レベルインジケータ28は、測定結果（例えば、燃料レベル）を表示スクリーン上に図表を用いておよび／または英数字で表示するようにプログラムされた表示プロセッサを有する表示装置の形態をとることができる。
【００４５】
さらに図6を参照すると、電子プロセッサ20は、航空機に配置されたコンピューターまたは飛行制御システムの一部であってもよい。不規則形状の燃料タンク内に存在する燃料の量を特定する際に、電子プロセッサ20は、様々なルーチンを実行して、燃料タンク2の様々な区画に適切に配置された一対のFPOF6aおよびFPOF6bから受信した光パワーデータに基づいて、存在する燃料の量を計算することができる。燃料情報処理ソフトウェアは、燃料タンク2の形状を考慮して燃料タンク2内の燃料残量を決定するルーチンを含むことができる。燃料情報処理ソフトウェアは、最初の使用の前に基準線を形成するため、または燃料読み取り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をさらに含むことができる。電子プロセッサ20によって燃料レベルインジケータ28に供給される読み取り値は、提示前に積分または平均化されてもよく、異なる時間間隔で提供されてもよい。
【００４６】
図7は、一例による電子プロセッサ20によって実行される反復アルゴリズムのステップを特定するフローチャートである。電子プロセッサ20は、上述の燃料レベル測定理論ならびに式（4）および（5）に基づいて、アナログ電圧V1およびV2をデジタルデータに変換し（ステップ52）、比率Γ2／Γ1＝V2／V1＝C1を計算する（ステップ54）ように構成される。燃料レベルデータを航空機内の燃料レベルインジケータ28に送信する（ステップ60）前に、電子プロセッサ20はC1＝C01か否かを判定する（ステップ56）。
【００４７】
ステップ56において、電子プロセッサ20が、比率Γ2／Γ1＝C1が定数C01から外れていないことを検出する場合、電子プロセッサ20は、V1（Pout1に線形に比例する）を使用してルックアップテーブル内の燃料レベルhをルックアップする（ステップ58）。V1の大きさがルックアップテーブルに格納された高い値と低い値との間にある場合、前述の3次方程式を使用して燃料レベルhを計算することができる。次いで、燃料レベルhが燃料レベルインジケータ28に出力される（ステップ60）。
【００４８】
ステップ56において、電子プロセッサ20はC1（比率Γ2／Γ1に等しい）が所定の定数C01から外れる（すなわち等しくない）ことを検出すると、電子プロセッサ20は光源パワーコントローラー26を介して光パワー入力Pinを増加させ、第1の可変光減衰器14aおよび第2の可変光減衰器14bの一方または両方の減衰レベルを調整して、安定した比率Γ2／Γ1を達成する。電子プロセッサ20は、C1＞C01であるか否かを判定する（ステップ62）。
【００４９】
C1＞C01ならば、電子プロセッサ20は次の計算を実行する（ステップ64）：
ΔC1＝（1／C01−1／C1）C01
（6）
【００５０】
次に、電子プロセッサ20は、光パワー入力PinをΔC1だけ増加させるように光源パワーコントローラー26に指示する制御信号を生成し（ステップ66）、減衰をΔC1だけ増加させるように第2の可変光減衰器14bに指示する制御信号を生成する（ステップ68）。これらの調整ステップは繰り返し実行される。
【００５１】
逆に、C1がC01よりも大きくなければ、電子プロセッサ20は次の計算を実行する（ステップ70）：
ΔC1＝（C01−C1）／C01
（7）
【００５２】
次に、電子プロセッサ20は、光パワー入力PinをΔC1だけ増加させるように光源パワーコントローラー26に指示する制御信号を生成し（ステップ72）、第1の可変光減衰器14aに減衰をΔC1だけ増加させるように指示する制御信号を生成する（ステップ74）。これらの調整ステップは繰り返し実行される。
【００５３】
比率Γ2／Γ1＝C01が反復プロセス後に達成されると、電子プロセッサ20は、FPOF6aからのV1値に基づいて燃料レベル計算を実行し（ステップ58）、燃料レベル情報を航空機の燃料レベルインジケータ28に出力する（ステップ60）、ここでV1はPout1に線形に比例する。
【００５４】
光パワー入力Pinのための代替の光源選択は、200〜400nmの範囲の波長を有する紫外線光源（例えば、LEDまたはレーザー）である。紫外線光源は、青色光源よりも高い光子エネルギーを有する。したがって、紫外線光源は、FPOFの光応答効率Γ1およびΓ2を増加させる。紫外線光源はまた、SPOFおよびFPOFの表面上に堆積した汚れおよび残留物の量を除去および低減する能力を有し、それにより、デュアルFPOF燃料レベルセンサの動作寿命を向上させる。
【００５５】
一実施形態によるPOFアセンブリの詳細なハードウェア設計を図8〜図17に示す。完全に組み立てられたPOFアセンブリは、少なくとも、1つのSPOF4、2つのFPOF6aおよびFPOF6b、3つのガラス管30a〜30c、3つの複合保持ロッド32a〜32c、2つのエンドキャップ34および36、複合外管38、および光ファイバ保持筒40を備えている。
【００５６】
図8は、一実施形態による、正三角形の頂点に位置する3つのPOFの中心軸線に平行に配置された1つのSPOF4と2つのFPOF6aおよびFPOF6bの斜視図を示している。SPOF4の大部分は、ガラス管30aに整合する良好な屈折率を有する光学的に透明なエポキシを使用して、高強度のガラス管30aに埋め込まれている。SPOF4の長さは、ガラス管30aの長さよりも長く、SPOF4の一端はガラス管30aの一端で終端し、SPOF4の他端はガラス管30aの他端を越えて延伸している。同様に、FPOF6aおよびFPOF6bの大部分は、ガラス管に整合する良好な屈折率を有する光学的に透明なエポキシを使用して、高強度のそれぞれのガラス管30bおよび30cに埋め込まれている。FPOF6aの長さは、ガラス管30bの長さよりも長く、FPOF6aの一端はガラス管30bの一端で終端し、FPOF6aの他端はガラス管30bの他端を越えて延伸している。同様に、FPOF6bの長さはガラス管30cの長さよりも長く、FPOF6bの一端はガラス管30cの一端で終端し、FPOF6bの他端はガラス管30cの他端を越えて延伸している。ガラス管30a〜30cを越えて延伸するSPOF4およびFPOF6aおよびFPOF6bの終端部分を、以後「埋め込まれていない部分」と呼ぶ。
【００５７】
SPOF4およびFPOF6aおよびFPOF6bの大部分をガラス管30a〜30c内に埋め込んだ後、3つのガラス管30a〜30cは、それぞれの複合保持ロッド32a〜32c（図9参照）に形成されたそれぞれの溝33a〜33cに着座している（図9参照）。図9に見られるように、ガラス管30a〜30cは、関連する複合保持ロッド32a〜32c内に部分的に埋め込まれ、関連する複合保持ロッド32a〜32cから部分的に突出している。複合保持ロッド32a〜32cは、関連するガラス管30a〜30cを支持し、部分的に保護する。一実施形態によれば、複合保持ロッド32a〜32cの溝33a〜33cは、ガラス管30a〜30cの半径よりわずかに大きい半径を有する半円形の輪郭を有する。
【００５８】
図10は、中心軸線が第1の正三角形T1（破線で示されている）の頂点に位置するように配置され、向けられた複合保持ロッド32a〜32cの端面図を表す図であり、SPOF4およびFPOF6aおよびFPOF6bの中心軸線は、第1の正三角形T1の内側にある第2の正三角形T2（破線で示されている）の頂点に位置する。第2の正三角形T2の頂点は、第1の正三角形T1の各頂点から同じ距離だけ離れている。別の実施形態によれば、複合保持ロッド32a〜32cは、それらの中心軸線が二等辺三角形の頂点に位置するように配置されてもよく、FPOF6aおよびFPOF6bのそれぞれは、SPOF4から第1の距離だけ離れており、FPOF6aおよびFPOF6bは、第1の距離とは異なる第2の距離だけ互いに離れている。図10に示すように、SPOF4とガラス管30aとは互いに同心であり、FPOF6aとガラス管30bとは互いに同心であり、FPOF6bとガラス管30aとは互いに同心である。
【００５９】
一例によれば、図10に示す要素の寸法については、SPOF4およびFPOF6aおよびFPOF6bの直径はそれぞれ1mmであり、ガラス管30a〜30cの直径はそれぞれ2mmであり、複合保持ロッド32a〜32cの直径はそれぞれ4mmであり、それぞれのPOFの中心軸線は、関連する複合保持ロッドの中心軸線から2mmの距離だけ離れた位置にあり、FPOF6aおよびFPOF6bの中心軸線はSPOF4の中心軸線から互いに3．25mmの距離だけ離れている。換言すれば、正三角形T2の辺の長さは3．25mmである。これらの寸法を、航空機のシステム要件に基づいて変更することができる。
【００６０】
図11は、図9および図10に示された複合保持ロッド32a〜32c（部分的に埋め込まれたガラス管30a〜30cを有する）の側面図を表す図である。図11に見られるように、SPOF4およびFPOF6aおよびFPOF6bのそれぞれの埋め込まれていない部分は、それぞれのガラス管30a〜30cの端部を越えて延伸している。
【００６１】
図12は、図8〜図11に示す構成要素と、追加の構成要素、すなわち、図10に示されているそれぞれの位置にある複合保持ロッド32a〜32cを保持するために両端部に配置された一対のエンドキャップを備えるエンドキャップアセンブリの分解斜視図を示す図である。（本明細書では、用語「位置」は、固定された3次元座標系におけるポジションおよびその座標系に対する向きを含む）。より具体的には、SPOF4およびFPOF6aおよびFPOF6bのそれぞれの一端は、上部エンドキャップ34によって適所に保持され、各複合保持ロッド32a〜32cの一端は、下部エンドキャップ36によって適所に保持される。上部エンドキャップ34および下部エンドキャップ36は、複合保持ロッド32a〜32cに圧入され得るか、またはエポキシ結合され得る。
【００６２】
図15に最もよく示されるように、上部エンドキャップ34は、第2の部分34bと一体的に形成された第1の部分34aを含む。第1の部分34aは、第1の半径を有する円筒状の外面を有し、第2の部分34bは、第1の半径より小さい第2の半径を有する円筒状の外面を有する。上部エンドキャップ34を、熱可塑性複合材料で作ることができる。
【００６３】
再び図12を参照すると、上部エンドキャップ34は中央開口部46と、開口部46の両側に配置された2つの追加の開口部48aおよび48bとを有する。開口部46，48a，48bは、楕円形または長円形であってもよい。開口部46，48a，48bのすべては、上部エンドキャップ34の第1の部分34aおよび第2の部分34bを軸線方向に貫通して延伸している。
【００６４】
図13の端面図に最もよく見られるように、光ファイバ保持筒40が中央開口部46内に着座し、3つの開口部を有し、これらの開口部を通ってSPOF4およびFPOF6aおよびFPOF6bが通過する。図13に示す例では、楕円形状を有する光ファイバ保持筒40を示したが、光ファイバ保持筒40は、楕円形以外の形状であってもよい。
【００６５】
図17に見られるように、SPOF4およびFPOF6aおよびFPOF6bの端部は、光ファイバ保持筒40を通って（点線で示されている）かつそれを越えて延伸している。これらの光ファイバの端部は、燃料タンク2の壁の各光コネクタ（図示せず）によって燃料タンク2外の外部光ファイバに接続される。これらの光コネクタのうちの1つは、SPOF4を光源24に光学的に結合する外部光ファイバ（図示せず）にSPOF4を接続する。他の2つの光コネクタは、FPOF6aおよびFPOF6bをそれぞれ第1の可変光減衰器14aおよび第2の可変光減衰器14b（図6に示す）に光学的に結合する各外部光ファイバ（図示せず）にFPOF6aおよびFPOF6bを接続する。
【００６６】
図14は、下部エンドキャップ36の平面図を示す図である。下部エンドキャップ36は、上部エンドキャップ34の第2の部分34bの第2の半径に等しい半径を有する円筒状の外面を有する。下部エンドキャップ36を、熱可塑性複合材料で作ることができる。下部エンドキャップ36は、部分的に埋め込まれたガラス管30a〜30cを有するそれぞれの複合保持ロッド32a〜32cの一端を受け入れるための3つの開口部42a〜42cを有する。下部エンドキャップ36の開口部42a〜42cは、図10に示す位置に部分的に埋め込まれたガラス管30a〜30cを有する3つの複合保持ロッド32a〜32cを整列させて保持する。下部エンドキャップ36は、3つの開口部42a〜42cのアレイの両側に配置された一対の開口部44aおよび44bをさらに有する。開口部42a〜42c，44aおよび44bはすべて、下部エンドキャップ36を通って軸線方向に延伸している。
【００６７】
SPOF4およびFPOF6aおよびFPOF6bは、それらを保持する複合保持ロッド32a〜32cに対してそれぞれ固定されているので、上部エンドキャップ34および下部エンドキャップ36は、SPOF4およびFPOF6aおよびFPOF6bを一定の間隔で整列させて保持する効果がある。より具体的には、下部エンドキャップ36の開口部42a〜42c（図14に最良に見られる）および光ファイバ保持筒40の開口部は、図10に示す所望の位置にSPOF4およびFPOF6aおよびFPOF6bを保持する。複合外管38内の追加の構造は、埋め込まれたSPOF4およびFPOF6aおよびFPOF6bのそれぞれの中間セクションを支持するために使用され得る（この構造は、図示されていない）。上部エンドキャップ34および下部エンドキャップ36は、複合外管38の内部の支持構造体とともに、航空機の燃料タンク2内の極端な振動および温度環境に耐えるためのSPOF4およびFPOF6aおよびFPOF6bを可能にする。
【００６８】
図15は、両端に上部エンドキャップ34および下部エンドキャップ36を有する3つの複合保持ロッド32a〜32c（部分的に埋め込まれたガラス管を有する）を備えるエンドキャップアセンブリの側面図を示す図である。このエンドキャップアセンブリは、図16に示されている態様で複合外管38に結合されており、この組み合わせは本明細書では「POFアセンブリ」と呼ばれる。複合外管38は、下部エンドキャップ36および上部エンドキャップ34の部分34bの外径よりわずかに大きい内径を有する円筒形の管である。上部エンドキャップ34の部分34aの外周面は、雄ねじを有する。ねじ付きエンドキャップアセンブリは、複合外管38にねじ込まれる。図16に見られるように、図15に示されるエンドキャップアセンブリの全体は、上部エンドキャップ34の部分34aを除いて、複合外管38の内側に挿入される。
【００６９】
前述したように、図17は、図16に示すPOFアセンブリの部分断面図を示している。上部エンドキャップ34および複合外管38のみが断面で示されており、その断面は図17に見られるように紙の面内に取られている。図17に示すように、複合保持ロッド32a〜32cの上端部（すなわち、左側の端部）は、上部エンドキャップ34の部分34b、SPOFの3つの円形の供給貫通孔、および部分34aの2つのFPOFに形成された各凹所の内側に形状嵌合関係で着座し、複合保持ロッド32a〜32cの下端（すなわち、右側の端部）は、下部エンドキャップ36に形成された各開口部42a〜42cの内側に形状嵌合関係で着座する。複合外管38内の空きスペース（図10に見られる三角形T2内に配置されたガラス保持管30a〜30cの間の空きスペースを含む）は、燃料レベル測定中に燃料で満たされる。下部エンドキャップ36の開口部44aおよび44b（図14参照）は、図16および図17に示すPOFアセンブリが航空機の燃料タンク2に挿入されたときに燃料を複合外管38に流入させることが可能である。
【００７０】
図示されていないが、各光ファイバは、押し出しガラスまたはプラスチック製の可撓性の、光学的に透明または半透明のファイバである。ファイバの2つの端部の間で光を伝送する導波路または光パイプとして機能することができる。光ファイバは、典型的には、比較的低い屈折率を有する透明または半透明のクラッディング材料によって取り囲まれた比較的高い屈折率を有する透明または半透明のコアを含む。光は内部全反射によってコアに保持される。これにより、光ファイバが導波路として作用する。
【００７１】
本明細書で開示された実施形態によれば、SPOF4のクラッディングは、ファイバの長さに沿って側面放射される放射状の光の制御されたレベルを可能にするように変更される（例えば、周面を粗面化するまたは切り目をつけることによって）。より具体的には、SPOF4のクラッディングは、ジャケット内のそれぞれの長手方向スロットによって境界が定められた2つの領域において不均一な表面を生成するように処理されてもよい。例えば、クラッディングの外面は、ジャケット内のそれぞれの長手方向スロットによって重なり合った2つの領域において粗面化されてもよいし、または切り目をつけられてもよく、それによって2つのサイドウィンドウが形成される。FPOF6aおよびFPOF6bのクラッディングは、光センサが燃料タンク2内に設置されたときに、SPOF4のそれぞれのサイドウィンドウに向かうそれぞれのサイドウィンドウを形成するように同様に変更されてもよい。
【００７２】
本明細書で開示される実施形態によれば、FPOF6aおよびFPOF6bのコアは、異なる蛍光性ドーパントまたは異なる濃度の同じ蛍光性ドーパントを有し、このため、FPOF6aおよびFPOF6bの光応答効率が異なる。FPOF6aおよびFPOF6bのコアは、SPOF4からの光によって活性化され、FPOF6aおよびFPOF6bのサイドウィンドウに当たってコアに入ることができる。（蛍光は、何らかのタイプのエネルギーによってより高い量子状態に励起された後に光の光子を放射することによって、軌道電子が基底状態に緩和するときに生じる。）蛍光性ドーパントは、FPOF6aおよびFPOF6bの長さに沿って進行する光を生成し、第1の可変光減衰器14aおよび第2の可変光減衰器14bによって第1の光検出器16aおよび第2の光検出器16bにそれぞれ出力される。
【００７３】
図6に示す例では、光ファイバを用いて燃料タンク2内の燃料レベルを測定する。他の実施形態では、同じ装置を使用して他の液体を検出することができる。例えば、上述したシステムを使用して、油圧システムのための容器内の水またはリザーバ内の作動液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図は、例示のために提示されており、図6に示すシステムを使用することができる方法を限定することを意味するものではない。
【００７４】
側面放射型光ファイバおよび2つの受信（蛍光性）光ファイバは、米国特許出願公開第2016／0138958号明細書に開示されているいくつかの改良の一部またはすべてを含むことができ、その開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。誤解を避けるために、ここでは、これらの改良について以下の要約を提供する。
【００７５】
第1に、側面放射型光ファイバの下端部に反射ミラーキャップを取り付けて、側面放射型光ファイバを介して光を戻すように反射させ、光が底端部から失われないようにすることができる。同様の反射キャップを蛍光性光ファイバの底端部に取り付けることにより、蛍光性光ファイバを介して減衰器に向かって光を反射させることができる。
【００７６】
第2に、側面放射型光ファイバは、側面放射型光ファイバと周囲のジャケットとの間に配置された湾曲した反射面をさらに含むことができる。好ましくは、ジャケットは、金属またはポリマー材料のような、光学的に透明または半透明でない材料で作られる。同様に、蛍光性光ファイバは、蛍光性光ファイバと周囲のジャケットとの間に配置された湾曲した反射面をさらに含むことができる。好ましくは、ジャケットは、金属またはポリマー材料のような、光学的に透明または半透明でない材料で作られる。ジャケットがポリマー材料で作られている場合、ジャケットをモールディングによって形成することができる。側面放射型光ファイバは、円形、正方形、または六角形の断面を有してもよく、モールドされたジャケットは光ファイバの形状に適合する。
【００７７】
第3に、側面放射型光ファイバおよび蛍光性光ファイバは、それぞれのジャケットの長手方向スロットに（例えば、モールディングによって）形成されたそれぞれのレンズをさらに含むことができる。好ましくは、レンズは長手方向スロットの全長に延伸する。組み合わされて、レンズおよびジャケットは、側面放射型光ファイバのサイドウィンドウとインタフェースするレンズと共に、側面放射型光ファイバを収容する。同様に、レンズおよびジャケットは、蛍光性光ファイバのサイドウィンドウとインタフェースするレンズと共に、各蛍光性光ファイバを収容する。好ましくは、レンズはエポキシで作られる。
【００７８】
本明細書に開示されるデュアルFPOF燃料レベルセンサは、燃料タンク内の金属部品または電気配線を使用しない。したがって、燃料タンクは、電磁干渉および照明効果の影響を受けない。光センサを使用して燃料レベルを測定した結果、航空機の重量とコストを削減することができる。
【００７９】
電気センサを使用する翼燃料タンクシステムを、本明細書に開示された光センサを置換することによって改良することができる。電気センサのためのダブルシールド電気配線を、軽量かつ可撓性のプラスチック光ファイバで置き換えることができ、これにより、配線および支持ブラケットの重量を削減し、雷、短絡、電気配線の摩耗による電磁気的影響を排除する。
【００８０】
光学式燃料レベルセンサは様々な実施形態を参照して説明されているが、当業者であれば、本明細書の教示から逸脱することなく、様々な変更がなされ得、その要素に対して等価物が代用され得ることが理解されよう。さらに、本明細書で特定の状況に開示された実施のための概念および削減に適合させるために、多くの修正がなされてもよい。したがって、特許請求の範囲によってカバーされる主題は、開示された実施形態に限定されないことが意図される。
【００８１】
上述の実施形態は、1つまたは複数の計算システムを使用する。特許請求の範囲で使用されているように、「計算システム」という用語は、ネットワークまたはバスを介して通信する、コンピューター、プロセッサ（例えば、本明細書に開示する電子プロセッサ20）、コントローラー、中央処理装置、マイクロコントローラー、縮小命令セットコンピュータープロセッサ、ASIC、プログラマブル論理回路、FPGA、デジタル信号プロセッサ、および／または本明細書に記載された機能を実行することができる任意の他の回路または処理装置、のうちの1つまたは複数を含む。例えば、計算システムは、インタフェースを介して通信する複数のマイクロコントローラーまたは複数のプロセッサを備えることができる。
【００８２】
本明細書で説明する方法は、記憶装置および／またはメモリ装置を含むが、これに限定されない非一時的な有形のコンピューター可読記憶媒体で実現される実行可能命令として符号化されることができる。このような命令は、処理システムまたは計算システムによって実行されると、システム装置に、本明細書に記載された方法の少なくとも一部を実行させる。
【００８３】
以下に記載されるプロセスの請求項は、そこに列挙されたステップがアルファベット順に（請求項における任意のアルファベットの順序は、前に列挙されたステップを参照する目的のためだけに使用される）、または請求項の言語がそれらのステップの一部または全部が実行される特定の順序を示す条件を明示的に指定または記載している場合を除き、列挙された順序で実行されることを要求すると解釈されるべきではない。また、特許請求の範囲がそのような解釈を排除する条件を明示的に記載している場合を除き、2つ以上のステップの任意の部分を同時にまたは交互に実行することを排除すると解釈されるべきではない。
【符号の説明】
【００８４】
2  燃料タンク
4  側面放射型プラスチック光ファイバ
6  蛍光性プラスチック光ファイバ
8  空気
10  燃料
12  燃料汚れおよび残留物
14a  第1の可変光減衰器
14b  第2の可変光減衰器
16a  第1の光検出器
16b  第2の光検出器
18a  第1のトランスインピーダンス増幅器
18b  第2のトランスインピーダンス増幅器
20  電子プロセッサ
22  電気コネクタ
24  光源
26  光源パワーコントローラ
28  燃料レベルインジケータ
30a  ガラス管
30b  ガラス管
30c  ガラス管
32a  複合保持ロッド
32b  複合保持ロッド
32c  複合保持ロッド
33a  溝
33b  溝
33c  溝
34  上部エンドキャップ
34a  第1の部分
34b  第2の部分
36  下部エンドキャップ
38  複合外管
40  光ファイバ保持筒
42a  開口部
42b  開口部
42c  開口部
44a  開口部
44b  開口部
46  中央開口部
48a  開口部
48b  開口部
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【外国語明細書】
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