DE102005043263A1

DE102005043263A1 - Vorrichtung zum Erfassen eines Füllstands eines Fluids in einem Behälter

Info

Publication number: DE102005043263A1
Application number: DE102005043263A
Authority: DE
Inventors: Andreas Buhrdorf; Marco Döbrich; Heiko. Dr. Dobrinski; Michael Daetz; Torsten Schüttler
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co; Volkswagen AG
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA; Volkswagen AG
Priority date: 2005-09-09
Filing date: 2005-09-09
Publication date: 2007-03-15
Anticipated expiration: 2025-09-10
Also published as: WO2007028365A1; DE102005043263C5; CN101305270A; CN101305270B; DE102005043263B4

Abstract

Bei einer Vorrichtung zum Erfassen eines Füllstandes eines Fluids in einem Behälter, wobei die Vorrichtung einen Dämpfungsbecher aufweist und im Bereich des Dämpfungsbechers einen Ultraschallwandler zum Erfassen des Abstands vom Ultraschallwandler bis zu einer Grenze des Fluids aufweist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß ein oberer Bereich des Dämpfungsbechers durchlässig für Ultraschallwellen ausgebildet ist und daß der Ultraschallwandler auf den oberen, für Ultraschallwellen durchlässigen Bereich des Dämpfungsbechers ausgerichtet ist. Dadurch wird ein Meßbereich oberhalb des Dämpfungsbechers ermöglicht, der insbesondere im statischen Betriebsfall, also bei ruhendem Motor, relevant ist. In einem solchen Zustand kann das Motoröl eine Füllhöhe haben, die oberhalb des Dämpfungsbechers liegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen eines Füllstandes eines Fluids in einem Behälter, wobei die Vorrichtung einen Dämpfungsbecher und im Bereich des Dämpfungsbechers einen Ultraschallwandler aufweist, der zur Erfassung des Abstands vom Ultraschallwandler bis zu einer Grenzfläche des Fluids vorgesehen ist. Insbesondere dient die Vorrichtung dazu, den Ölstand in einem Kraftfahrzeug zu messen.

Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der DE 103 50 084 A1 bekannt. Dort ist ein scheibenförmiges Piezoelement in einem Dämpfungsbecher, der dort als Beruhigungsbehälter bezeichnet ist, angeordnet und sendet Schallwellen aus, die einerseits an der Grenzfläche des Fluids reflektiert werden und andererseits an einem unterhalb des Piezoelementes angeordneten Reflektor reflektiert werden. Auf diese Weise wird eine Referenzstrecke ausgebildet.

Weitere Sensoreinrichtungen zum Messen des Ölstandes mit einem Dämpfungsbecher sind beispielsweise aus der DE 100 57 397 A1 und der EP 1 081 470 A1 bekannt. Dabei wird innerhalb des Behälters, insbesondere innerhalb einer Ölwanne, ein Dämpfungsbecher eingesetzt, um die zu untersuchende Flüssigkeit von störenden Einflüssen während des Fahrbetriebes, also während eines dynamischen Betriebes, zu befreien. Durch den Dämpfungsbecher werden Schwankungen im Öl niveau, unruhige Oberflächen des Mediums, Turbulenzen und Strömungen wirksam reduziert. Die Messung des Füllstands erfolgt dabei innerhalb des Dämpfungsbechers, d.h., daß die Füllhöhe innerhalb des Dämpfungsbechers gemessen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der der Meßbereich der Vorrichtung erweiterbar ist.

Die Lösung zu dieser Aufgabe erfolgt mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei einer Vorrichtung zum Erfassen eines Füllstands eines Fluids in einem Behälter, wobei die Vorrichtung einen Dämpfungsbecher aufweist und im Bereich des Dämpfungsbechers einen Ultraschallwandler zum Erfassen des Abstands vom Ultraschallwandler bis zu einer Grenzfläche des Fluids aufweist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß ein oberer Bereich des Dämpfungsbechers durchlässig für Ultraschallwellen ausgebildet ist und daß der Ultraschallwandler auf den oberen, für Ultraschallwellen durchlässigen Bereich des Dämpfungsbechers ausgerichtet ist.

Auf diese Weise ist es möglich, daß auch bei überflutetem Dämpfungsbecher die Ultraschallwellen den Dämpfungsbecher zumindest teilweise durchdringen und eine Reflexion auch an der oberhalb des Dämpfungsbechers stehenden Flüssigkeitsoberfläche erfolgt und die Laufzeit dieser Wellen gemessen und ausgewertet wird. Unter einem „überflutetem Dämpfungsbecher" wird ein Zustand verstanden, bei dem die Füllhöhe, insbesondere das Ölniveau oberhalb des oberen Endes des Dämpfungsbechers liegt. Eine an dem oberen Bereich des Dämpfungsbechers erfolgende Teilreflexion ist von der Auswerteelektronik erkennbar, da in der Auswerteelektronik der Abstand zwischen dem Ultraschallwandler und dem oberen Bereich des Dämpfungsbechers bzw. die sich aus diesem Abstand ergebende Laufzeit gespeichert ist.

Die Ultraschallwelle wird von einem Ultraschallwandler ausgesandt und bevorzugt auch von demselben Ultraschallwandler wieder empfangen. Denkbar ist jedoch auch, daß Sender und Empfänger getrennt ausgebildet sind. Der Begriff des Ultraschallwandlers ist weit zu verstehen. Es können auch elektro-akustische Wandler verwendet werden, die akustische Wellen aussenden. Bevorzugt wird jedoch ein Ultraschallwandler im engeren Sinne verwendet.

Der Dämpfungsbecher, insbesondere der obere Bereich des Dämpfungsbechers ist dazu bevorzugt derart ausgebildet, daß die Ultraschallwellen durch den oberen Bereich des Dämpfungsbechers transmitieren können. Bevorzugt ist daher die Wandstärke dieses oberen Bereiches so dünn wie möglich ausgebildet. Günstigerweise ist die Wandstärke des Dämpfungsbechers dünner als 5 mm und bevorzugt dünner als 3 mm. Bevorzugt beträgt die Wandstärke weniger als 2 Millimeter, in einer bevorzugten Ausgestaltung weniger als 1 Millimeter und besonders bevorzugt weniger als 0,5 Millimeter. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung beträgt die Wandstärke 0,4 Millimeter. Dadurch wird die akustische Dämpfung möglichst weit abgesenkt.

Weiterhin ist es günstig, die Wandstärke so zu wählen, daß eine möglichst maximale akustische Transmission erreicht wird. Unter der Voraussetzung eines senkrechten Einfalls aus einem Medium 1 (z.B. Öl) in ein Medium 2 (z.B. Kunststoff) gilt die Formel:

Die akustische Transmission durch das Medium 2, hier die obere Schicht des Dämpfungsbechers, wird also maximal, wenn die akustischen Impedanzen Z₁ und Z₂ identisch sind. Die akustischen Impedanzen berechnen sich aus dem Produkt der Schallgeschwindigkeit c und der Dichte ρ des Mediums. Z = c·ρ.

Eine maximale akustische Transmission durch die Oberschicht tritt dann für eine Dicke n·λ/2 auf, wobei n = 1, 2, 3 ..., also bei einem Vielfachen der halben Wellenlänge auf. Bei einer Dicke von n·λ/2 + λ/4, wobei n = 0, 1, 2, 3 ... ist, ist die Reflexion maximal und die Transmission minimal. Abweichungen von den jeweiligen Transmissionsmaxima bei n·λ/2 sollten also möglichst gering sein und möglichst beabstandet von den Transmissionsminima liegen. Die Dicke sollte daher im Bereich von n·λ/2 +/– λ/8 bevorzugt im Bereich n·λ/2 +/– λ/10 liegen. Für eine Ultraschallwelle mit einer Frequenz von 2 MHz und einer Schallgeschwindigkeit von 1.500 m/s ergibt sich damit beispielsweise eine Wellenlänge von 0,75 mm, was bedeutet, daß eine sehr günstige Wandstärke bei knapp 0,4 mm oder einem Vielfachen hiervon liegt. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der obere Bereich des Dämpfungsbechers aus einem Kunststoff, insbesondere aus Polyamid ausgebildet. Bevorzugt ist der gesamte Dämpfungsbecher aus einem einzigen Material und insbesondere einstückig ausgebildet. Bei einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Dämpfungsbecher, insbesondere der obere Bereich des Dämpfungsbechers, aus einem Material mit geringer akustischer Dämpfung ausgebildet. Hierunter wird insbesondere ein Material verstanden, das eine Dämpfung von 1,2 dB/mm bei einer Frequenz von 2 MHz hat, und die bevorzugt geringer ist als 1,0 dB/mm noch besser geringer ist als 0,9 dB/mm bei einer Frequenz von 2 MHz.

Derartige Dämpfungsbecher sind im oberen Bereich bevorzugt mit einer Abschrägung ausgebildet. In diesem Bereich ist bevorzugt eine Entlüftungsöffnung angeordnet, so daß auf diese Weise eine Befüllung des Dämpfungsbechers ohne Lufteinschluß zuverlässig möglich ist. Um einerseits den Übergangsbereich, also die Messung im und außerhalb des Dämpfungsbechers möglichst klein zu halten und andererseits auch eine besonders hohe akustische Transmission zu erhalten, wird eine Abschrägung mit einem möglichst geringen Winkel verwendet. Bevorzugt wird eine Abschrägung mit einem Winkel von weniger als 8° Grad, bevorzugt von weniger als 5° Grad und besonders bevorzugt von weniger als 3° Grad verwendet. Im Idealfall wird ein Dämpfungsbecher ohne Abschrägung verwendet, wenn sichergestellt werden kann, daß eine Befüllung ohne Lufteinfluß auch auf andere Weise möglich ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Im einzelnen zeigen die schematischen Darstellungen in:
1: eine schematische Darstellung der Grundidee der Erfindung; und
2: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 dargestellt, die insbesondere einen Dämpfungsbecher 3 aufweist, in dem ein Ultraschallwandler 2 angeordnet ist. Der Ultraschallwandler 2 dient zum Aussenden einer Ultraschallwelle oder allgemeiner einer akustischen Welle. Die ausgesandte Welle wird an einer Grenzfläche 15 oder 15' des Fluids reflektiert, zumindest teilweise reflektiert, und die reflektierte Welle wird von einem Empfänger empfangen. Bevorzugt dient der Ultraschallwandler 2 auch zum Empfang der reflektierten Wellen, jedoch können Sender und Empfänger auch getrennt ausgebildet sein. Im Fahrbetrieb liegt das zu messende Flüssigkeitsni veau des in einem Behälter 20 aufgenommenen Fluids innerhalb des Dämpfungsbechers 1, so daß die Grenzfläche 15 relevant ist. Dies ist insbesondere im dynamischen Betrieb eines Kraftfahrzeuges, also im Fahrbetrieb gegeben. Wenn nun jedoch ein statischer Meßbereich gegeben ist, also der Motor abgeschaltet wird, kann Flüssigkeit in dem Behälter zusammenlaufen und den Dämpfungsbecher 3 überfluten, so daß möglicherweise eine Oberfläche bzw. Grenzfläche des Fluids 15' oberhalb des Dämpfungsbechers 2 ausgebildet wird. Im statischen Betrieb sind Schwankungen der Oberfläche nicht gegeben, so daß in einem solchen Fall der Dämpfungsbecher 3 zur Durchführung einer zuverlässigen Messung nicht notwendig ist. Die Erfindung ermöglicht eine Höchststandsdetektion im statischen Betriebsfall und kann daher auch als elektronische Peilstabsmessung eingesetzt werden, so daß ein mechanischer Peilstab entfallen kann. Dazu wird ein erweiterter Meßbereich genutzt, der die Detektion eines Flüssigkeitsniveaus, insbesondere eines Ölniveaus, oberhalb des Dämpfungsbechers ermöglicht. Dazu wird der obere Bereich 6 des Dämpfungsbechers 3 durchlässig für Ultraschallwellen ausgebildet. Der Ultraschallwandler 2 ist auf diesen durchlässigen Bereich 6 ausgerichtet, so daß die Ultraschallwellen 6 zumindest teilweise durch den oberen Bereich 6 transmitieren, an der Oberfläche 15' reflektiert werden und vom Ultraschallwandler 2 wieder empfangen werden. Ein Teil der Ultraschallwellen 2 wird auch an dem oberen Bereich 6 reflektiert werden. Dieses Signal kann jedoch elektronisch erkannt werden, da der Abstand und damit auch die zu erwartende Laufzeit bei einer Reflexion am oberen Bereich 6 bekannt ist. In diesem oberen Bereich 6 ist auch bevorzugt eine Schräge angeordnet bzw. ist der obere Bereich 6 als Schräge 7 ausgebildet, so daß über eine Entlüftungsöffnung 8 sichergestellt werden kann, daß eine gas- und luftfreie Befüllung des Dämpfungsbechers 3 möglich ist. Der dynamische Maßbereich 4 ist auf den Dämpfungsbecher 3 beschränkt. Durch die Erfindung wird zusätzlich ein statischer Meßbereich 5 bereitgestellt, der größer ist als der dynamische Maßbereich 4.
In 2 ist die Vorrichtung 1 detailreicher dargestellt. Die Vorrichtung 1 weist unter anderem eine Flanschgruppe 13, einen Dichtungsring 14, einen Ultraschallwandler 2 und eine zwischen dem Ultraschallwandler 2 und einem rückseitigen Reflektor 10 angeordnete Referenzstrecke auf. Dem Ultraschallwandler 2 ist eine Schaltungselektronik zugeordnet, die bevorzugt in dem Sensoranschluß 11 angeordnet ist. Darüber hinaus ist oben auf der Flanschgruppe 13 der Dämpfungsbecher 3 angeordnet. Die Vorrichtung 1 ist bevorzugt an der Unterseite einer Ölwanne montiert und befindet sich aufgrund einer Öffnung in der Ölwanne im direkten Kontakt mit dem Motoröl. Die axiale Gummidichtung 14 schließt das System nach außen öldicht ab. Der Ultraschallwandler 3 sendet ein zeitlich begrenztes Ultraschallwellenpaket aus. Dieses Wellenpaket wird an der Grenzfläche Motoröl-Luft reflektiert und wird nach einer Laufzeit t vom gleichen Ultraschallwandler 2 empfangen. Alternativ kann auch ein getrennter Empfänger vorgesehen sein. Aus der Laufzeit des Wellenpaketes wird mit der Kenntnis der Schallgeschwindigkeit die Laufstrecke ermittelt, die identisch ist mit der Füllstandshöhe des Mediums. Im statischen Betriebsfall (Motor aus) befindet sich das gesamte Motoröl in der Ölwanne, so daß ein Ölniveau oberhalb des Dämpfungsbechers 3 möglich ist. Der Dämpfungsbecher ist dann also überflutet. Der Meßbereich in diesem statischen Bereich ist in der Zeichnung mit 5 gekennzeichnet. Für die sofortige Füllstandsdetektion im statischen Betriebsfall und für zukünftige elektronische Peilstabsmessungen, auch solche ohne einen mechanischen Peilstab, ist ein derartig erweiterter Meßbereich notwendig, der die Detektion eines Ölniveaus oberhalb des Dämpfungsbechers 3 erlaubt. Um dies zu erreichen ist insbesondere der schalldurchlässige Deckel 6 erfindungsgemäß notwendig. Die Schalldurchlässigkeit wird durch eine besonders dünne Schicht aus einem Kunst stoff, insbesondere aus Polyamid erreicht. Die Dicke dieses oberen Bereichs des Dämpfungsbechers 3 ist bevorzugt an das Transmissionsmaximum angepaßt. Die obere Abschrägung des oberen Bereichs 6 dient einer Sicherstellung einer vollständigen Befüllung des Dämpfungsbechers 3 ohne Lufteinschluß. Der in der bevorzugten Ausführungsform verwendete Winkel beträgt etwa 4° Grad. Die maximale akustische Transmission wird bevorzugt bei einem Winkel von 0° Grad erreicht. Auch die Ausbildung einer kleinen Ausnehmung im Deckel liegt im Rahmen der Erfindung. Der obere, für Ultraschallwellen durchlässige Bereich, kann also auch derart ausgebildet sein, daß er eine Ausnehmung aufweist, durch die die Durchlässigkeit der Ultraschallwellen erreicht wird. Bei den überwiegend verwendeten Ausführungsformen weist der obere Bereich des Dämpfungsbechers jedoch eine durchgehende unterbrechungsfreie Wandung auf. Unabhängig davon kann jedoch eine Entlüftungsöffnung vorgesehen sein.

Claims

Vorrichtung zum Erfassen eines Füllstands eines Fluids in einem Behälter (20), wobei die Vorrichtung (1) einen Dämpfungsbecher (3) und im Bereich des Dämpfungsbechers (3) einen Ultraschallwandler (2) aufweist, der zur Erfassung des Abstands vom Ultraschallwandler (2) bis zu einer Grenzfläche des Fluids vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein oberer Bereich (6) des Dämpfungsbechers (3) durchlässig für Ultraschallwellen ausgebildet und daß der Ultraschallwandler (2) auf den oberen, für Ultraschallwellen durchlässigen Bereich (6) des Dämpfungsbechers (3) ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Bereich (6) des Dämpfungsbechers (3) eine Wandstärke von weniger als 2 mm, insbesondere von weniger als 1 mm und insbesondere von weniger als 0,5 mm aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des oberen Bereichs (6) des Dämpfungsbechers (3) einem Vielfachen von λ/2, insbesondere λ/2 entspricht, wobei λ die Wellenlänge der vom Ultraschallwandler (2) ausgesandten Ultraschallwelle ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der obere Bereich (6) des Dämpfungsbechers (3) aus Polyamid ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der Oberbereich (6) des Dämpfungsbechers (3) aus einem Material mit geringer akustischer Dämpfung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberbereich (6) des Dämpfungsbechers (3) eine Abschrägung aufweist, deren Winkel kleiner als 8° Grad, insbesondere kleiner als 5° Grad ist.