CN101490515B - 用于确定液体液位的多腔式超声波传感器 - Google Patents

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Abstract

用于确定液体液位的超声波传感器，包括：一个具有一个顶盖(2)和一个底部(3)的长形壳体(1)；一个设置在壳体(1)内的测量腔(4)，在该测量腔腔内，液体的液位与测量腔(4)外部一致；以及一个在底部(3)上的超声波接发器(5)，它位于测量腔(4)区域内，设在壳体(1)内部或外部，超声波接发器发送的声波信号在液体表面被反射，并且被超声波接发器(5)接收，从而由信号传播时间得出液体的液位，其中，在壳体(1)内除了测量腔(4)外，还设有至少一个另外的腔室(6，7)，该腔室至少部分位于测量腔(4)的前面或至少部分位于测量腔(4)周围，其中，最外面的腔室构成进液腔(7)，并且，各腔室(4，6，7)之间互相连接。

Description

用于确定液体液位的多腔式超声波传感器
本发明涉及如权利要求1前序部分所述的用于确定液体液位的超声波传感器。
这种传感器主要用于在机动车技术中测量发动机油或燃料的液位。位于容器底部的一个传感器发射出超声波脉冲。液体表面的回波再被接发器接收。液位高度与声波的传播时间成正比。按照德国专利DE 33 30 059A1，声波是通过一个设在容器内的空心管或声波导管来传播的。在声波导管的下端设有超声波接发器。这根导管位于液体中，管内通过至少一个平衡孔充有与容器中的液位相当的液体。在可呈弯曲状的声波导管中，通过超声波来测量液位。这种实施方式首先适用于测量不规则形状液体容器内的液位。这种结构的一个很大缺点是，来自待测定液体的泡沫会进入声波导管中，很容易得出错误的液体液位值。
对于以超声波为基础来确定液体液位的传感器，在测定发动机油油位时，形成泡沫的问题主要表现在，在发动机运行中通过机油的循环会产生大小不等的气泡。根据体积大小的不同，这些气泡具有要么散射、要么反射超声波信号的性能。在这种情况下则无法保证足够精确和无误的测量。
为此，至今的一种解决方案是，通过一个精纺织物过滤筛(筛孔约为60μm)将气泡阻挡在测量腔之外，但结果并不令人满意。尽管过滤筛能阻止气泡的进入，但这种方法却无法阻止脏物颗粒和其它杂质侵入油中。在很短的时间之后，这些颗粒会堵塞过滤筛，从而使测量腔中的液位无法再与发动机中待测定的油位保持一致，也无法保证发动机中的传感器在整个使用寿命期间都能正常运转。
因此，本发明的目的是，提出一种开头所述的超声波传感器，借助这种传感器的几何结构来阻止气泡进入测量腔，从而可以持久、可靠地检测液位。
按照本发明，上述目的由权利要求1前序部分的超声波传感器通过权利要求1特征部分的特征得以实现。
在传感器的壳体内，除了测量腔外，还特别设有至少一个另外的腔室，该腔室至少部分位于测量腔的前面或至少部分位于测量腔周围，其中最外面的腔室构成进液腔。为了使液体可以从进液腔进入测量腔中，各腔室之间互相连接。
进液腔和测量腔在侧面、特别是在靠近壳体底部的高度上设有供液体流入及流出的开孔。为了使液体从进液腔到测量腔所经路程尽可能长，从而使已产生的气泡升至液面的时间尽可能长，进液腔中的开孔和测量腔中的开孔通常在径向上布置得要彼此相隔尽量远。
从液体表面散发的空气可以经由设在顶盖中或进液腔外侧靠近顶盖高度的至少一个壳体排气孔从传感器中逸去。
但应注意，顶盖至少在测量腔区域内是封闭的。由此防止传感器周围的、极有可能含有气泡的液体直接进入测量腔中。
测量腔中的压力平衡特别是通过在测量腔的外侧、靠近顶盖的高度上，特别是在高于最大可测液位的位置上，至少设置一个通向测量腔之外的腔室的排气孔来实现的。
测量腔中的液位可以由液体表面和校准反射器上反射的信号的传播时间比得出。为此，测量腔中的校准反射器优选设在低于最低液位的位置上。
各腔室的横截面可以各不相同。这主要取决于安装地点的几何形状。例如，进液腔可以基本为圆形横截面，测量腔基本为矩形横截面。
设在进液腔和测量腔之间的各腔室的外侧特别设计为壁体，它们从底部最高几乎延伸到就在测量腔的最小可测液位之下的高度。液体由进液孔进入进液腔中。进液腔的液体加注到下一个腔室外侧的高度。然后液体通过进液孔继续流入，并漫过壁体进入到下一个腔室中，如此类推。气泡在这段时间内上升到液面，并散发出去。在测量腔前面的各腔室中的液体便有利地不含气泡了。
在测量腔前面的腔室中液位升高时，为了使从这个腔室进入测量腔的液体不含气泡，这个腔室的外侧的高度和长度应设计为，这个腔室的液体容量要大于测量腔本身的容量。
另一种可选方案是，设在进液腔和测量腔之间的各腔室的外侧从底部延伸至顶盖。为了使从气泡中散发出的气体可以从各腔室中散逸出去，在这些腔室的外侧靠近顶盖处都设有至少一个排气孔。为了使液体可以从进液腔进入到测量腔中，在每个外侧上都设有至少一个供液体流入及流出的开孔。其中，这个开孔位于至少是最靠近测量腔的腔室的外侧、在底部和顶盖之间低于最小可测液位的高度上。与上述实施方式类似，这里也应设计为使这个腔室的液体容量大于测量腔本身的容量。
还有一种可选方案是，设在进液腔和测量腔之间的各腔室的外侧设计为壁体，它们从底部至少延伸到高于最大可测液位的高度。为了使液体可以从进液腔进入到测量腔中，在各腔室的外侧、靠近壳体底部的高度上都设有一个供液体流入及流出的开孔。为了使液体必经的路程尽可能长，从而使液体和气泡散逸的时间尽可能长，这种开孔设置为，朝测量腔方向相继排列的开孔之间的距离尽可能大。
针对最后所述的传感器的实施方式，有一种稍加修改的方式，即，位于进液腔和测量腔之间的各腔室的壁体延伸至顶盖。靠近顶盖的排气孔用来保证进液腔中或外部环境中所必需的压力平衡。
在另一个实施例中，至少一个腔室至少部分地设置在测量腔周围或前面。另外，至少在两个腔室之间设有一个分隔装置，从而预先给定了液体通过各个流入及流出孔在从一个腔室进入下一个腔室的路径上的流动方向。优选的是，通过这种方式使液体在相继排列的腔室中的流动方向得以回转，从而使液体从进液腔的进液孔到测量腔的流经距离尽可能长。例如对于由同心布置的管子组成的传感器，这种分隔装置特别可以通过一个在腔室内径向延伸的分隔接板而实现。由此，当两个相继排列的腔室的相应外侧至少在一个位置上、尤其是在整个高度上相互接触时，也可以获得同样的分隔效果。
另一种影响液体流动速度的可能性是在腔室内部设置中间接板。特别是通过中间接板上中间孔的横截面和设置位置便确定了流动速度。中间孔最好布置在靠近壳体底部的高度上。
对于液体经由靠近底部的开孔被从一个腔室引入下一个腔室的实施方式，现有的分隔装置和中间接板必须要高于最大可能的液位。
本发明的其它的特征、优点和细节可参看下文的说明，其中借助附图对优选实施例进行了详细解释。附图示出：
图1带有三个腔室的超声波传感器的剖面图，没有液体，
图2图1中传感器在A-A截面的俯视图，
图3如图1的剖面图，充有液体，周围系统未运行，
图4如图1的剖面图，充有液体，周围系统在运行，
图5如图1的剖面图，液体大部分被排放掉，
图6如图1的剖面图，测量腔前面的腔室的外壁高达顶盖和位于最小可测液位之下的高度上的开孔，
图7如图6的剖面图，开孔位于靠近底部的高度上，
图8图7中传感器在A-A截面的俯视图，
图9传感器在A-A截面的俯视图，带有分隔接板和中间接板，
图10传感器在A-A截面的俯视图，带有分隔接板和另一个分隔装置，
图11横截面为矩形的传感器在A-A截面的俯视图，在进液腔中带有分隔接板，而且腔室至少部分设置在测量腔前面或周围。
下面介绍超声波传感器，或简称传感器，是如何在例如机动车中被用来测量发动机油的液位。其中，在传感器内和在发动机本身内液位相同，传感器的测量范围通常介于一最小值和一最大值之间。图1和图2示出了带有三个腔室(4，6，7)的传感器，没有液体。横截面呈圆形，各个腔室(4，6，7)由同心布置的管子构成。最外面的管子由底部(3)和顶盖(2)封闭，形成了传感器的壳体(1)。中间的管子从底部(3)延伸到顶盖(2)，形成测量腔(4)。外面的腔室，也被称为进液腔(7)，和测量腔(4)在它们的外侧靠近底部(3)的位置上各设有一个供发动机油流入及流出的开孔(8)。进液腔(7)和测量腔(4)内含一个另外的腔室(6)，此腔室(6)的外侧由进液腔(7)的内侧以及此腔室(6)的内侧由测量腔(4)构成。腔室(6)的外侧构成一壁体，它从底部(3)几乎延伸到就在最小可测液位之下的位置。在壳体(1)的外部，在测量腔(4)区域内的底部上安装有超声波接发器(5)。
在第一次注油时，机油通过靠近底部的开孔(8)进入进液腔(7)中。进液腔(7)内的机油被充至下一个腔室(6)的外侧的高度。如果经开孔(8)继续流入机油，机油就漫过壁体而进入到下一个腔室(6)中。在这段时间内，气泡上升到机油的表面上，并散发出去。机油经由靠近底部的开孔(8)从腔室(6)进入到测量腔(4)中。
图3显示的是，当周围系统即发动机未运转时，在传感器中特别表现出的状况。测量腔(4)和特别是前面腔室(6)中重要的底部区域内不含气泡。从其余油中散逸出的气泡可以经由位于顶盖(2)边缘区域的壳体排气孔(10)散选出去。顶盖(2)在测量腔(4)区域内是封闭的，这样可以防止含气泡的机油从上面的发动机腔中直接进入到测量腔(4)中。壳体排气孔(10)也可以设在进液腔(7)的外侧上，最好是靠近顶盖(2)的位置。
图4显示的是，发动机运行时传感器中可能的状况。通过诸如曲轴和连杆等运动件，油在发动机中得以分配。这样就降低了机油盘中、相应地也降低了传感器中的液位。在测量腔(4)中由于液位变化而导致的压力波动通过位于测量腔外侧上、靠近顶盖的排气孔(11)来平衡。在测量腔(4)前面的腔室(6)中主要只有无气泡机油。如果机油经由开孔(8)继续流入进液腔(7)，无气泡机油就被从前腔室(6)压入测量腔(4)中。这样，即主要是通过设计围绕腔室(6)的壁体的高度和长度，使腔室(6)的容量大于测量腔(4)的容量，以此来确保在所有可能的液位变化情况下，测量腔中只存在无气泡的机油。这样，对从超声波接发器发出的、在校准反射器(12)或在测量腔(4)中机油表面上反射的超声波信号的传播时间的测量，任何时候都不会因为气泡而得到错误的结果。所提到的校准反射器(12)特别是安设在测量腔(4)的内侧上，在低于最小待测液位的位置。
图5显示的是，从传感器和发动机机油盘中排放机油，例如在换油时出现的情况。在测量腔(4)和前腔室(6)中只有无气泡机油。在向机油盘、从而向传感器中重新注油后，可以马上开始测量液位。
图6中显示的传感器如图1至图5，区别在于，这里腔室(6)的外侧延伸至顶盖(2)。机油从进液腔(7)经由几乎就在最小待测液位之下的高度上的开孔(8)进入腔室(6)。在该实施方式中，进液腔(7)、前面的腔室(6)和测量腔(4)中开孔(8)的相对位置特别可以任意设定。开孔(8)的横截面和每个腔室(4，6，7)开孔(8)的数量可以互相协调改变，并会影响传感器中机油的流动速度。排气孔(11)设置在腔室(6)的外侧上，在靠近顶盖(2)的位置。
图7和图8显示的是传感器的另一个实施方式。各腔室(4，6，7)外侧上的开孔(8)都设在底部(3)附近。这样做的好处是，在换油时把可能沉积的油泥和杂屑基本上一并彻底清理出去。优选的是，朝测量腔(4)方向相继排列的开孔(8)彼此间的距离尽可能大。这样，在这个传感器实施方式中，机油进入测量腔(4)必须途经的路程就会尽可能地长。而机油在进入一个腔室(6，7)中时可以部分顺时针和部分逆时针地流向开孔(8)进入下一个腔室(6，7)。
机油在一个腔室(6，7)中的停留时间可以通过置入的分隔装置(9)来延长，如图9所示。进液腔(7)中的分隔装置(9)位于开孔(8)的右侧。这样，进液腔(7)中的液体流入下一个腔室(6)的方向就被确定为顺时针方向。下一个腔室(6)中的分隔装置(9)位于通向该腔室(6)的开孔(8)的左侧。这样，这个腔室(7)中液体的流动方向就被确定为逆时针方向。俯视图中的开孔(8)和分隔装置(9)位于一个狭窄的角度范围内，并且两个相继排列的腔室(6，7)的分隔装置(9)交替地一个位于相应开孔(8)的左侧，一个位于右侧，因而，在这个实施例中机油从进入进液腔(7)直至进入测量腔(4)所需的时间最长。分隔装置(9)和开孔(8)的设置当然可以随实施方式的不同而有所变化。例如，分隔装置(9)可以通过一种在腔室(6，7)内部从一个壁体到另一壁体延伸的分隔接板(9)来实现。分隔装置(9)必须特别高于最大可能的油位。最佳方式是，分隔装置(9)从底部(3)延伸至顶盖(2)。通过在腔室(6，7)内设置至少一个中间接板(14)也能影响流动速度。对于中间接板(14)高度的规定和对分隔接板(9)的规定一样。但与分隔接板(9)不同的是，中间接板(14)允许机油流过。为此，在中间接板(14)中，优选在靠近底部的位置设一个中间孔(13)。每个腔室(6，7)的中间接板(14)的数量以及中间孔(13)的横截面和数量可以根据要求不同而有所变化。在图9中，进液腔(7)中设有两个中间接板(14)，腔室(6)中设有一个中间接板(14)。这里，供机油流入及流出各腔室(4，6，7)的开孔(8)和中间孔(13)最好位于一个平面上。但这并不是强制性的。
在图10中，进液腔(7)中的分隔装置(9)是这样构成的，即，相继排列的进液腔(7)和腔室(6)的外侧至少在一个位置上，这里是在圆周的一小段上，相接触。这样也可以确定进液腔(7)中液体的流动方向。在腔室(6)中，通向该腔室(6)的开孔(8)旁的左边设有一个分隔接板(9)。通向腔室(6)的开孔(8)与通向进液腔(7)或测量腔(4)的开孔(8)不必位于同一平面上。
图11示出了一个横截面为矩形的传感器的俯视图。进液腔(7)设在测量腔(4)的周围，腔室(6)至少部分设置在测量腔(4)的前面和周围。
所介绍的多腔式超声波传感器可以保证传感器中的油液平稳安静，并且测量腔无气泡。
借助上面的描述对本发明进行了说明，为的是最好地解释本发明的原理及其实际应用。然而，通过适当的改造，本发明当然也可以用许多其它的实施方式和组合来实现。
附图标记列表：
1    壳体
2    顶盖
3    底部
4    测量腔
5    超声波接发器
6    腔室
7    进液腔
8    供液体流入及流出的开孔
9    分隔装置
10   壳体排气孔
11   排气孔
12   校准反射器
13   中间孔
14   中间接板

Claims (19)

1.用于确定液体液位的超声波传感器，包括：
-一个长形的壳体(1)，该壳体具有一个顶盖(2)和一个底部(3)，
-一个设置在壳体(1)内的测量腔(4)，在该测量腔内，液体的液位与测量腔(4)外部一致，
-一个在底部(3)上的超声波接发器(5)，它位于测量腔(4)区域内，设在壳体(1)内部或外部，所述超声波接发器发送的声波信号在液体表面被反射，并被该超声波接发器(5)接收，从而由信号传播时间得出液体液位，
其中，在壳体(1)内除了所述测量腔(4)外，还设有至少一个另外的腔室(6，7)，该腔室至少部分位于测量腔(4)的前面或至少部分位于测量腔(4)周围，其中最外面的腔室构成进液腔(7)，并且，各腔室(4，6，7)之间互相连接；其特征在于，至少一个腔室(6，7)设置在测量腔(4)的周围或前面；至少在一个腔室(4，6，7)中设有一个分隔装置(9)，该分隔装置预先给定了液体通过各个开孔(8)在其从一个腔室(4，6，7)进入下一个腔室(4，6，7)的路径上的流动方向。
2.根据权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述进液腔(7)和所述测量腔(4)在侧面分别在靠近壳体(1)底部(3)的高度上具有一个供液体流入及流出的开孔(8)。
3.根据权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，在顶盖(2)中或在进液腔(7)的外侧，在靠近顶盖(2)的高度上设有至少一个壳体排气孔(10)。
4.根据权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，顶盖(2)至少在测量腔(4)的区域内是封闭的。
5.根据权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，测量腔(4)在一个外侧，在靠近顶盖(2)的高度上，在高于最大可测液位的位置具有至少一个排气孔(11)。
6.根据权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，在测量腔(4)中，在低于最小可能液位的位置设有一个校准反射器(12)，液体液位可以由液体表面和校准反射器(12)上反射的信号的传播时间比得出。
7.根据权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，至少一个腔室(4，6，7)的横截面基本为圆形或矩形。
8.根据权利要求1至7之任一项所述的超声波传感器，其特征在于，设在进液腔(7)和测量腔(4)之间的腔室(6)的外侧设计为壁体，它们从底部(3)最高几乎延伸到就在最小可测液位之下的高度。
9.根据权利要求8所述的超声波传感器，其特征在于，最靠近测量腔(4)的腔室(6)的外侧的高度和长度设计为，使得该腔室(6)的容量大于测量腔(4)本身的容量。
10.根据权利要求1至7之任一项所述的超声波传感器，其特征在于，设在进液腔(7)和测量腔(4)之间的腔室(6)的外侧从底部(3)延伸至顶盖(2)；在该腔室(6)的外侧上靠近顶盖(2)设有至少一个排气孔(11)；至少在最靠近测量腔(4)的腔室(6)的外侧上，在底部(3)和顶盖(2)之间，在低于最小可测液位的高度设有至少一个供液体流入及流出的开孔(8)。
11.根据权利要求10所述的超声波传感器，其特征在于，最靠近测量腔(4)的腔室(6)的外侧的高度以及长度设计为，使得该腔室(6)的容量大于测量腔(4)本身的容量，在所述高度上设置有中间孔(13)。
12.根据权利要求1至7之任一项所述的超声波传感器，其特征在于，设在进液腔(7)和测量腔(4)之间的腔室(6)的外侧被设计成壁体，它们从底部(3)至少延伸到在最大可测液位之上的高度；腔室(6)的这些外侧在靠近壳体(1)底部(3)的高度上各具有一个供液体流入及流出的开孔(8)。
13.根据权利要求12所述的超声波传感器，其特征在于，各开孔(8)设置为，使得朝测量腔(4)方向相继排列的开孔(8)之间的距离尽可能大。
14.根据权利要求1至7之任一项所述的超声波传感器，其特征在于，设在进液腔(7)和测量腔(4)之间的腔室(6)的外侧从底部(3)延伸至顶盖(2)；腔室(6)的这些外侧在靠近壳体(1)底部(3)的高度上各具有一个供液体流入及流出的开孔(8)，并且在靠近顶盖(2)的高度上具有一个排气孔(11)。
15.根据权利要求14所述的超声波传感器，其特征在于，各开孔(8)设置为，使得朝测量腔(4)方向相继排列的开孔(8)之间的距离尽可能大。
16.根据权利要求1至7之任一项所述的超声波传感器，其特征在于，所述分隔装置(9)由一个分隔接板(9)实现。
17.根据权利要求1至7之任一项所述的超声波传感器，其特征在于，所述分隔装置(9)是通过下述方式实现的，即，使两个相继排列的腔室(4，6，7)的外侧分别至少在一个位置上接触。
18.根据权利要求1至7之任一项所述的超声波传感器，其特征在于，每个腔室(6，7)具有至少一个中间接板(14)，其中，在所述中间接板(14)上，在靠近壳体(1)底部(3)的高度上设有一个供液体流入及流出的中间孔(13)。
19.根据权利要求18所述的超声波传感器，其特征在于，所述分隔装置(9)和中间接板(14)高于最大可测液位。
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