CN106415218A - 用于确定流体容器中流体的表面的高度的装置 - Google Patents

Abstract

一种用于确定流体容器（1）中流体的表面（O）的高度（H）的装置，其包括用于发送和接收第一声信号（12、14）的第一声换能器（10），和用于发送和接收第二声信号（22、24）的第二声换能器（20），其中，两个声换能器（10、20）以相同的定向布置在流体容器（1）的底面部分（3）上；参照元件（30、40），其处于与第二声换能器（20）相距预定距离处，并且被布置在流体容器（1）的流体空间（5）中；偏转元件（50），其被布置在流体空间（5）中，用于使第二声信号（22、24）偏转预定角度（W）成在参照元件（30、40）的方向上；以及控制单元，其根据第二声信号（22、24）确定流体（F）内的声速，并且根据第一声信号（12、14）和所述声速确定在底面部分（3）上方的高度（H）。

Description

用于确定流体容器中流体的表面的高度的装置

本发明涉及用于确定流体容器中流体表面的高度的装置。

声学测量装置尤其能够用于确定流体容器中流体表面的高度。声学测量装置的声换能器能够操作为声发生器和声接收器两者。出于确定流体容器中流体表面的高度的目的，借助于声换能器将声脉冲发射到待测量的流体中是可行的。流体至另外的介质的界面能够反射声脉冲。通过声脉冲的渡越时间，可以得出关于流体容器中流体表面的高度的结论。

本发明的根本目的在于研发一种用于确定流体容器中流体表面的高度的装置，其能够实现流体表面的高度的可靠确定，并且同时其能够以有成本效益且高效的方式生产。

该目的由独立权利要求的特征实现。本发明的有利发展在从属权利要求中表征。

本发明的特征在于一种用于确定流体容器中流体表面的高度的装置。该装置包括用于发送和接收第一声信号的第一声换能器。本发明此外包括用于发送和接收第二声信号的第二声换能器，其中，该两个声换能器以相同的对准方式布置在流体容器的基底部分处。

而且，装置包括与第二声换能器相距预定距离的参照元件。参照元件布置在流体容器的流体空间中。

此外，该装置包括偏转元件，其布置在流体空间中，用于使第二声信号偏转预定角度成在一个参照元件的方向上的目的。

而且，该装置包括控制单元，其被实施为根据第二声信号确定在流体空间中的流体内的声速。此外，控制单元被实施为根据第一声信号和所述流体内的声速确定在流体容器的基底部分上方流体表面的高度。

两个声换能器的这种布置能够在高填充水平和例如小于10％的低填充水平的情况下实现高度的精确确定。在此，例如两个声换能器的相应声束路径彼此独立。

为此，第一声换能器直接沿流体表面的方向发射。确定流体内的声速使得信号的渡越时间能够精确确定。为了甚至在低填充水平的情况下也能够确定流体内的声速，已经发现在流体容器的基底部分上方的低高度处发送和接收第二声信号是有利的。第一声信号的无障碍的、直接的传播是有利的，尤其是在高填充水平的情况下，以保持低的信号功率的损失。因此，使得特别大的测量范围成为可能。

以相同的对准方式在流体容器的基底部分中布置两个声换能器是有利的，因为仅仅仍需要一个组装步骤，这有助于该装置有成本效益且高效的生产。此外，例如尤其是在安装空间受限的情况下，将两个声换能器布置在流体容器的基底部分处是有利的。以示例的方式，两个声换能器被实施为压电换能器。由于例如其小尺寸，使得两个声换能器的组装额外地更加困难。在流体容器的基底部分处布置两个声换能器有利地有助于以精确且高效的方式进行组装。此外，来自两个声换能器的声学路径的交叉导致装置的特别紧凑的设计。

在一个实施例中，基底部分与流体容器的侧壁分开地实施。以示例的方式，这额外地有助于两个声换能器的简单安装。

在进一步的实施例中，偏转元件由金属、陶瓷或玻璃制成。因此，偏转元件相对于流体容器中的流体具有高的声阻抗。因此，使得声信号的可靠偏转成为可能。此外，这例如能够实现偏转元件作为独立式部件的稳健布置。

在进一步的实施例中，偏转元件被实施为中空主体。如果偏转元件填充有空气，则会有利地减少由热引起的偏转元件的膨胀。此外，这减少了例如装置的材料成本和重量。

在进一步的实施例中，中空主体填充有空气。相对于流体容器中的流体，偏转元件因此具有低的声阻抗。有利地，这能够实现声信号的可靠偏转。

在进一步的实施例中，偏转元件使第二声信号偏转90°。这有助于容易地确定声速。

在进一步的实施例中，流体容器的基底部分具有至少一个突出部，偏转元件机械地联接到所述突出部。突出部突伸到流体空间中。这能够实现偏转元件的简单布置。

在进一步的实施例中，突出部被实施为三棱柱。三棱柱的第一侧面以与流体容器的基底部分共面的方式布置。三棱柱的第二侧面布置成垂直于流体容器的基底部分，并且棱柱的第三侧面联接至偏转元件。

这是有利的，因为这防止包含在流体容器中的流体中的空气气泡到达偏转元件下方。此外，这允许空气填充的偏转元件（被实施为中空主体）布置在突出部中。

在进一步的实施例中，至少一个突出部在垂直于流体容器的基底部分布置的基面处具有槽，用以容纳偏转元件。这使得偏转元件能够独立式布置，因此能够节省材料、重量以及尤其是安装空间。

下面基于示意图解释本发明的示例性实施例。详细地：

图1示出用于确定流体容器中流体表面的高度的装置的第一示例性实施例，

图2示出用于确定流体容器中流体表面的高度的装置的第二示例性实施例，

图3示出用于确定流体容器中流体表面的高度的装置的第三示例性实施例，以及

图4示出用于确定流体容器中流体表面的高度的装置的第四示例性实施例。

具有相同结构或功能的元件以贯穿附图的方式设有相同的附图标记。

图1示出流体容器1，其带有基底部分3和填充有流体F的流体空间5。以示例的方式，流体F是用于还原废气中的污染物的液体介质，其优选地具有还原剂和/或还原剂前体，例如尿素水溶液。

为了确定流体容器1中流体表面O的高度H，第一声换能器10和第二声换能器20布置在流体容器1的基底部分3处。在此，高度H被定义为流体表面O和基底部分3之间的距离，该距离在流体容器1的中立位置中测量，即，在不出现流体容器1的倾斜位置，并且流体表面O平行于基底部分3时测量。高度H也能够被称为流体容器1的填充水平。

以示例的方式，两个声换能器10、20被实施为压电换能器并且通过流体容器1的壳体壁联接。以示例的方式，壳体壁由塑料（诸如，例如所谓的高密度聚乙烯（HDPE））制成，使得基底部分3能够焊接至壳体壁中。替代地，两个声换能器10、20例如粘合地结合到壳体壁或机械地压抵壳体壁，也可能带有其它中间层以补偿不均匀度或粗糙度。

第一声换能器10包括沿流体表面O的方向发射第一声信号12的发射器。在此，第一声换能器10以下述方式对准，即使得所发射的第一声信号12的主要发射方向的指向垂直于基底部分3朝向流体表面O。

流体F上方的流体空间5填充有另外的介质，诸如，例如空气，并且因此所发射的第一声信号12在流体表面O和空气之间的过渡处发生反射，并且反射的第一声信号14入射在第一声换能器10上。反射的第一声信号14由第一声换能器10的接收器记录。以示例的方式，单个压电元件能够被用作发射器和接收器。在此，第一声换能器10的对准同样地导致第一反射的声信号14相对于流体容器1的基底部分3基本上垂直地传播。第一声信号12、14的传播被引导成使得防止在障碍物处功率下降，并且因此使得能够确定流体容器1的高填充水平。

出于精确地确定流体容器1中流体表面O的高度H的目的，需要获知第一声信号12、14的信号传播速度。出于该原因，借助于第二声换能器20进行参照测量。为了使该参照测量甚至在流体容器1中流体表面O的低高度H的情况下，即例如在填充水平小于最大填充水平的10％的情况下也能够进行，第二声信号22、24的声传播以基本上平行于基底部分3的方式在流体容器1的基底部分3附近发生。类似于第一声换能器10，第二声换能器20包括发射第二声信号22的发射器和记录反射的第二声信号24的接收器。在这种情况下，声信号12、14和22、24的声学路径的交叉导致装置尤其紧凑的设计，而声信号12、14、22、24不会以实质性方式被影响。

第一参照元件30和第二参照元件40布置在流体空间5中。两个参照元件30、40优选地由包括金属的材料制成。以示例的方式，两个参照元件30、40由金属件制成，并且通过支立的塑料栓柱与流体容器1的基底部分3联接。

两个参照元件30、40反射至少一部分所发射的第二声信号22。第一参照元件30与第二声换能器20相距预定第一距离。第二参照元件40与第二声换能器20相距预定第二距离，并且尤其，与参照元件30相距精确地已知的距离。借助于控制单元（未进行任何更详细地描绘），在反射的第二声信号24之间的渡越时间差以根据两个参照元件30、40之间的已知距离的方式确定，并且根据渡越时间差确定在流体容器1中的流体F中的声速。因此能够以根据流体F内的声速和第一声信号12、14的方式确定流体容器1的基底部分3上方的流体表面O的高度H。

为了以简单且有成本效益的方式设计两个声换能器10、20的组装，并且为了保持所需要的组装步骤的数量低，第二声换能器20以与第一声换能器10相同的对准方式布置在流体容器1的基底部分3处。

在发射的第二声信号22的第一阶段22a中，其主要发射方向因此同样地基本上垂直于流体容器1的基底部分3。偏转元件50布置在流体空间5中，以确保第二声信号22、24靠近流体容器1的基底部分3的声传播基本上平行于基底部分3。

偏转元件50与流体容器1的基底部分3成45°角，使得垂直于基底部分3的第一阶段22a的第二发射的声信号22偏转预定角度W，偏转90°，并且在第二阶段22b中，沿两个参照元件30、40的方向由偏转元件50反射成基本上平行于基底部分3。以与其类似的方式，由两个参照元件30、40反射的并且在第一阶段24a中基本上平行于基底部分3传播的第二声信号24沿第二声换能器20的方向偏转90°。

以示例的方式，偏转元件50由金属件制成，并且其相对于流体F的声阻抗具有高的声阻抗，使得声信号22、24的大部分得以反射。

在该示例性实施例中，偏转元件50具有独立式布置。基底部分3的突出部60中的两个（在此未进行任何更详细地描绘）各自均具有槽，其与基底部分3成45°角。在此，两个突出部60布置成平行于像平面，使得偏转元件50能够例如插入槽中。有利地，这节省了安装空间，这例如扩大了流体空间5的贮槽容积。

在第二示例性实施例（图2）中，流体容器1的基底部分3具有用于偏转元件50的机械和声学联接的单一的突出部60，偏转元件50安置在该突出部上。以示例的方式，偏转元件50通过粘合剂和/或焊接连接额外机械地固定。替代地，偏转元件50例如集成到突出部60中。

在该示例性实施例中，突出部60被实施为三棱柱，其第一侧面以与基底部分3共面的方式布置。三棱柱的第二侧面布置成垂直于流体容器1的基底部分3，并且三棱柱的第三侧面与基底部分3成 45°角，使得偏转元件50能够联接至突出部60。

当填充流体容器1时，流体空间5中的流体F中能够包含空气气泡。在偏转元件50的独立式布置的情况下，这些气泡能够被捕获在偏转元件50之下并且引起第二声信号22、24的不受控散射。以有利的方式，这通过将突出部60实施为棱柱被防止，因为流体F不到达偏转元件50的安置面之下。

在第三示例性实施例（图3）中，偏转元件50被实施为例如填充有空气的腔。相对于流体空间5中的流体F，偏转元件50具有低的声阻抗，并且因此声信号22、24中的大部分得以反射。偏转元件50有利地布置在流体容器1的基底部分3的突出部60中，使得不需要另外的部件。以示例的方式，突出部60为此在被实施为偏转元件50的突出部60的腔中包括空气夹杂。

在第四示例性实施例（图4）中，流体容器1中流体F的流体表面O的高度H以类似于来自图3的第三示例性实施例的方式确定。在这种情况下，两个声换能器10、20以下述方式彼此在空间上分开，即使得第一声信号12、14和第二声信号22、24单独地传播，即，彼此不交叉。

Claims (9)

1.一种用于确定流体容器（1）中流体表面（O）的高度（H）的装置，其包括：

- 用于发送和接收第一声信号（12、14）的第一声换能器（10），和用于发送和接收第二声信号（22、24）的第二声换能器（20），其中，所述两个声换能器（10、20）以相同的对准方式布置在所述流体容器（1）的基底部分（3）处，

- 参照元件（30、40），所述参照元件与所述第二声换能器（20）相距预定距离，并且所述参照元件被布置在所述流体容器（1）的流体空间（5）中，

- 偏转元件（50），所述偏转元件被布置在所述流体空间（5）中，用于使所述第二声信号（22、24）偏转预定角度（W）成在所述参照元件（30、40）的方向上的目的，以及

- 控制单元，所述控制单元被构造成根据所述第二声信号（22、24）确定在所述流体空间（5）中的流体（F）内的声速，并且根据所述第一声信号（12、14）和所述流体（F）内的所述声速确定在所述流体容器（1）的所述基底部分（3）上方所述流体表面（O）的所述高度（H）。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述基底部分（3）与所述流体容器（1）的侧壁单独地实施。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述偏转元件（50）由金属、陶瓷或玻璃制成。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述偏转元件（50）被实施为中空主体。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述中空主体填充有空气。

6.根据前述权利要求中的一项所述的装置，其中，所述偏转元件（50）使所述第二声信号（22、24）偏转90°。

7.根据前述权利要求中的一项所述的装置，其中，所述流体容器（1）的所述基底部分（3）具有至少一个突出部（60），所述至少一个突出部突伸到所述流体空间（5）中，并且所述偏转元件（50）机械地联接至所述至少一个突出部（60）。

8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述至少一个突出部（60）被实施为三棱柱，所述三棱柱的第一侧面以与所述流体容器（1）的所述基底部分（3）共面的方式被布置，所述三棱柱的第二侧面被布置成垂直于所述流体容器（1）的所述基底部分（3），且所述三棱柱的第三侧面被联接至所述偏转元件（50）。

9.根据权利要求7或8所述的装置，其中，所述至少一个突出部（60）在垂直于所述流体容器（1）的所述基底部分（3）布置的基面处具有槽，用以容纳所述偏转元件（50）。