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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines Fullstandsensors, der zur Bestimmung des Fullstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter eingesetzt wird, wobei der Füllstandsensor einen scheibenförmigen Ultraschallwandler aufweist, der aus piezoelektrischem Material besteht und der von einer elektrischen Wechselspannung zu Schwingungen angeregt wird und der infolge seiner Schwingungen eine Ultraschallwelle entlang einer Referenzstrecke in Richtung eines Referenzreflektors aussendet.
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Aus der
DE 40 25 326 A1 ist eine Vorrichtung zur Messung der Fullstandhöhe von Ol in einer Ölwanne eines Kraftfahrzeugs bekannt. Der bekannte Füllstandsensor weist eine Ultraschall-Laufzeit-Messvorrichtung mit einem an einer Bodenwand der Ölwanne außen befestigten Ultraschallwandler in Form eines Piezokristalls auf. Ein vom Ultraschallwandler zur Öloberfläche hin ausgesendetes Ultraschallsignal wird nach dessen Reflexion an der Öloberfläche wieder vom Ultraschallwandler empfangen. Dem Ultraschallwandler ist eine Auswertelektronik nachgeschaltet, die die Füllstandhöhe des Öls in der Ölwanne aus der gemessenen Laufzeit des Ultraschallsignals ermittelt.
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Ein Nachteil des bekannten Füllstandsensors ist, dass er zur Kalibrierung in einen Behälter eingebaut werden muss und der Behalter mit einer Flussigkeit gefüllt werden muss. Dies ist zeitaufwendig, teuer und nicht umweltschonend.
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Ausgehend von dem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kalibrierung eines Füllstandsensors anzugeben, das schnell, kostengünstig und umweltschonend ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhangigen Anspruchs gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
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Dadurch, dass der Ultraschallwandler in zwei unterschiedlichen Moden zu Schwingungen angeregt wird, wobei die erste Schwingungsmode zur Kalibrierung des Fullstandsensors verwendet wird und die zweite Schwingungsmode zur Messung des Füllstandes der Flüssigkeit verwendet wird und wobei die Kalibrierung des Füllstandsensors an Luft erfolgt, ist es unnotig, den Füllstandsensor vor der Kalibrierung mit dem Behälter zu verbinden. Auch die Befüllung des Behälters mit einer Flüssigkeit kann vermieden werden, und die darauf folgende Entleerung und Reinigung entfällt. Die hier eingesparten Ressourcen kommen der Umwelt zugute und sind okonomisch relevant, weil Herstellungszeit und -kosten gespart werden.
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Bei einer Ausführungsform wird die erste Mode, namlich die zur Kalibrierung des Füllstandsensors, durch eine Radialschwingung des scheibenförmigen Ultraschallwandlers erzeugt. Die Radialschwingung des scheibenförmigen Ultraschallwandlers ist deutlich niederfrequenter als seine Dickenschwingung. Die Radialschwingung des scheibenförmigen Ultraschallwandlers eignet sich besonders gut zur Kalibrierungsmessung an Luft, weil sich eine so erzeugte niederfrequente Ultraschallwelle ausreichend gut an Luft ausbreitet, um eine Kalibrierung des Füllstandsensors an Luft zu ermöglichen. Diese Radialschwingung des scheibenförmigen Ultraschallwandlers kann zum Beispiel eine Frequenz von 400 kHz aufweisen.
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Bei einer weiteren Ausfuhrungsform wird die zweite Mode, nämlich die zur Messung des Füllstandes der Flüssigkeit, durch eine Dickenschwingung des scheibenförmigen Ultraschallwandlers erzeugt. Die Dickenschwingung des scheibenförmigen Ultraschallwandlers ist deutlich hochfrequenter als seine Radialschwingung. Die Dickenschwingung des scheibenformigen Ultraschallwandlers eignet sich besonders gut zur Füllstandmessung in der Flüssigkeit, da sich hochfrequente Ultraschallwellen gut in der Flüssigkeit ausbreiten. Die Dickenschwingung des scheibenförmigen Ultraschallwandlers kann zum Beispiel eine Frequenz von 2 MHz aufweisen.
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Bei einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Kalibrierung des Füllstandsensors außerhalb des Behalters, der die Flüssigkeit aufnimmt, deren Fullstand mit dem Füllstandsensor bestimmt wird. Damit muss der erfindungsgemäß außerhalb des Behälters und an Luft kalibrierte Füllstandsensors zur Kalibrierung nicht mit dem Behälter verbunden werden. Stellt sich bei der Kalibrierung heraus, dass der Füllstandsensor defekt ist, kann nur der Fullstandsensor selber entsorgt werden, und der relativ große und teure Behalter kann mit einem intakten Füllstandsensor dauerhaft verbunden werden.
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Vorzugsweise weist der Füllstandsensor eine elektronische Schaltung auf, die eine elektrische Wechselspannung erzeugt, die den Ultraschallwandler zu Schwingungen in der zweiten Mode, namlich der zur Messung des Fullstandes der Flüssigkeit, anregt. Damit bildet der Fullstandsensor ein sehr kompaktes Bauteil, das mit vollem Funktionsumfang sofort vom Automobilhersteller in einem Fahrzeug verbaut werden kann.
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Im Rahmen einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Füllstandsensor nur wahrend der Kalibrierung mit einer externen elektronische Schaltung verbunden, die eine elektrischen Wechselspannung erzeugt, die den Ultraschallwandler zu Schwingungen in der ersten Mode, nämlich der zur Kalibrierung des Füllstandsensors, anregt. Dadurch ist die elektronische Schaltung, die eine elektrische Wechselspannung erzeugt, die den Ultraschallwandler zu Schwingungen in der ersten Mode anregt, nur dann angeschlossen, wenn sie wirklich benötigt wird. Mit der elektronischen Schaltung, die eine elektrische Wechselspannung erzeugt, die den Ultraschallwandler zu Schwingungen in der ersten Mode anregt, kann somit eine Vielzahl von Füllstandsensoren kalibriert werden. Auch durch diese Ausgestaltung werden Herstellungskosten für den Füllstandsensor gespart.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung im Einzelnen erlautert werden.
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Es zeigen:
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1: einen Füllstandsensor,
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2: einen Fullstandsensor, der sich in seiner Bauform von dem aus 1 bekannten Füllstandsensor unterscheidet,
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3: einen Füllstandsensor nach dem Einbau in einen Behälter,
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4: einen scheibenförmigen Ultraschallwandler,
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5: einen Füllstandsensor zur Kalibrierung an Luft.
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1 zeigt einen Füllstandsensor 1, wie er zur Messung des Füllstandes von Flüssigkeiten in Behaltern verwendet wird. Bei diesen Flüssigkeiten kann es sich zum Beispiel um Öl in einer Ölwanne einer Brennkraftmaschine oder um eine Harnstofflosung in einem Behälter für diese Losungen handeln.
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Der Füllstandsensor 1 weist einen scheibenförmigen Ultraschallwandler 5 auf. Der scheibenförmige Ultraschallwandler 5 besteht aus einem piezoelektrischen Material, das von einer Wechselspannung zu Schwingungen angeregt wird. Die Wechselspannung wird hier von einem ersten Wechselspannungsgenerator 10 erzeugt. In diesem Beispiel ist der erste Wechselspannungsgenerator 10 in den Fullstandsensor 1 integriert. Es ist aber auch durchaus denkbar, dass der erste Wechselspannungsgenerator 10 in einem Steuergerät im Kraftfahrzeug untergebracht ist, und die Wechselspannung uber eine elektrischen Leitung und die elektrischen Anschlusspins 15 dem Füllstandsensor 1 zugeführt wird. Darüber hinaus ist in diesem Beispiel im Füllstandsensor 1 eine Auswerteelektronik 12 integriert, die die Signale vom scheibenförmigen Ultraschallwandler 5 auswertet und die entsprechenden Ergebnisse der Auswertung über die Anschlusspins 15 einem nachfolgenden Steuergerät zur Verfügung stellt. In diesem Ausführungsbeispiel wird der scheibenformige Ultraschallwandler 5 sowohl als Generator für die Ultraschallwellen verwendet als auch als Empfänger für die zuruckreflektierten Ultraschallwellen benutzt. Es ist aber auch denkbar, dass zwei Ultraschallwandler vorhanden sind, von denen der eine die Schallwelle aussendet und der andere die reflektierte Schallwelle empfängt.
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Der Fullstandsensor 1 weist weiterhin einen Reflektor 8 auf, der in einer genau definierten Entfernung von dem scheibenförmigen Ultraschallwandler 5 angeordnet ist. Die Entfernung zwischen dem Ultraschallwandler 5 und dem Reflektor 8 wird als Referenzstrecke 7 bezeichnet. Zudem ist am Füllstandsensor 1 ein Flansch 13 ausgebildet, mit dem der Füllstandsensor 1 mit einem in 3 dargestellten Behälter verbunden werden kann.
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Auch 2 zeigt einen Füllstandsensor 1, der sich in seiner Bauform etwas von dem aus 1 bekannten Füllstandsensor 1 unterscheidet. Auch hier ist ein scheibenförmiger Ultraschallwandler 5 zu erkennen, der mit einem ersten Wechselspannungsgenerator 10 elektrisch verbunden ist. Über dem scheibenförmigen Ultraschallwandler 5 ist ein Messrohr 14 angeordnet, das sich als besonders vorteilhaft erwiesen hat, wenn der Füllstand 2 von stark bewegten Flüssigkeiten 3 ermittelt werden soll. Der Füllstandsensor 1 nach 2 eignet sich zum Beispiel besonders gut zur Messung des Olfüllstandes in einer Ölwanne einer Brennkraftmaschine. In dem Messrohr 14 sind zwei Reflektoren 8 zu erkennen. Der Abstand zwischen den Reflektoren 8 und dem scheibenförmigen Ultraschallwandler 5 bildet, wie auch schon in 1, die Referenzstrecke 7. Die Auswerteelektronik 12 erfasst die Signale vom scheibenförmigen Ultraschallwandler 5 und liefert somit Messergebnisse zum Füllstand der zu vermessenden Flüssigkeit an ein hier nicht dargestelltes Steuergerät im Kraftfahrzeug.
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3 zeigt den aus 1 bekannten Füllstandsensor 1 nach dem Einbau in einen Behälter 4, der mit einer Flüssigkeit 3 gefullt ist. Diese Flüssigkeit 3 kann zum Beispiel eine Harnstoff-Wasserlösung, die auch als Urea- oder Add Blue-Lösung bezeichnet wird, sein. Um nun den Füllstand 2 der Flussigkeit 3 im Behälter 4 zu bestimmen, wird der scheibenförmige Ultraschallwandler 5 von einem ersten Wechselspannungsgenerator 10 in einer zweiten Schwingungsmode 18 angeregt. Diese zweite Schwingungsmode 18 dient zur Messung des Füllstandes 2 der Flüssigkeit 3 in dem Behälter 4. Hierbei wird die Ultraschallwelle 6 in Richtung des Reflektors 8 ausgesendet und am Reflektor 8 zurück zum scheibenförmigen Ultraschallwandler 5 reflektiert. Da sich die Ultraschallwelle 6 in der Flüssigkeit 3 ausbreitet, kann anhand der bekannten Referenzstrecke 7 leicht auf die Schallgeschwindigkeit der Ultraschallwelle 6 in der Flussigkeit 3 geschlossen werden.
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Ein Teil der Ultraschallwelle 6 tritt jedoch durch die Austrittöffnung 19 aus dem Füllstandsensor 1 aus und breitet sich bis zur Flüssigkeitsoberfläche 20 aus. An der Flüssigkeitsoberfläche 20 wird die Ultraschallwelle 6 reflektiert und läuft zum scheibenformigen Ultraschallwandler 5 zurück. Anhand der Laufzeit der Ultraschallwelle 6 vom scheibenförmigen Ultraschallwandler 5 durch die Austrittöffnung 19 hin zur Flüssigkeitsoberflache 20 und zurück zum scheibenformigen Ultraschallwandler 5 kann mit Hilfe der Auswerteelektronik 12 problemlos der Füllstand 2 der Flüssigkeit 3 im Behälter 4 ermittelt werden.
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Jeder Füllstandsensor 1, der zum ersten Mal in einem Behälter 4 zum Einsatz kommt, muss zuvor kalibriert werden. Nach dem Stand der Technik wird der Füllstandsensor 1 dazu mit dem Behälter 4 zum Beispiel durch Verkleben oder Verschweißen verbunden, dann wird der Behälter 4 mit einer Flüssigkeit 3 gefüllt, woraufhin der scheibenformige Ultraschallwandler 5 vom ersten Wechselspannungsgenerator 10 mit einer zweiten Schwingungsmode 18 zur Messung des Füllstandes 2 der Flüssigkeit 3 angeregt wird. Nach der Kalibrierungsmessung des Fullstandsensors 1 wird die Flussigkeit 3 aus dem Behälter 4 entfernt, woraufhin der Behälter 4 gereinigt wird und dann zusammen mit dem Fullstandsensor 1 an einen Abnehmer ausgeliefert wird.
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Das Befullen des Behalters 4 zur Kalibrierung des Füllstandsensors 1 mit der Flussigkeit 3 und das darauf folgende Entleeren und Saubern des Behalters ist sehr aufwandig und teuer, sowie umweltbelastend. Darüber hinaus stellt die Kalibrierungsmessung die erste Inbetriebnahme des Füllstandsensors 1 dar, bei der zum ersten Mal ein eventuell vorhandener Produktionsfehler am Fullstandsensor 1 erkannt werden kann. Wenn sich nun ein nach dem Stand der Technik kalibrierter Fullstandsensor 1 als defekt erweist, muss das Gesamtsystem aus Behalter 4 und Füllstandsensor 1 verschrottet werden, da beide Teile in der Regel schon untrennbar über den Flansch 13 miteinander verbunden sind. Auch dies ist sehr kostenintensiv und im Rahmen einer Massenproduktion, zum Beispiel für die Automobilherstellung, möglichst zu vermeiden. Daher weist das erfindungsgemaße Verfahren zur Kalibrierung des Fullstandsensors 1 an Luft wesentliche Vorteile auf, die mit einer Kalibrierung nach dem Stand der Technik nicht erreicht werden.
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4 zeigt einen scheibenformigen Ultraschallwandler 5 in einer schematischen Darstellung. Eingezeichnet sind zwei unterschiedliche Schwingungsmoden, in denen der scheibenförmige Ultraschallwandler 5 schwingen kann. Die erste Schwingungsmode 17 wird als sogenannte Radialschwingung bezeichnet. Mit der ersten Schwingungsmode 17 kann der Füllstandsensor 1 kalibriert werden, ohne dass der Fullstandsensor 1 in den Behalter 4 eingebaut werden muss und ohne dass der Behälter mit der Flüssigkeit 3 befüllt werden muss. Die Kalibrierung mit der ersten Schwingungsmode 17 des Ultraschallwandlers 5 erfolgt an Luft, wie in 5 dargestellt. Hierzu wird der scheibenförmige Ultraschallwandler 5 mit der Radialschwingung angeregt, die eine Resonanzmode bei zum Beispiel 400 kHz aufweist. Der scheibenförmige Ultraschallwandler 5 wird mit einem zweiten Wechselspannungsgenerator 11 verbunden, der die Frequenz von 400 kHz erzeugt und der zum Beispiel als externes Gerät außerhalb des Fullstandsensors 1 angeordnet sein kann und nur zur Kalibrierung des Füllstandsensors 1 angeschlossen wird.
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Im Gegensatz dazu erzeugt der erste Wechselspannungsgenerator 10 zum Beispiel eine Frequenz von 2 MHz, die die zweite Schwingungsmode 18 anregt. Die zweite Schwingungsmode 18 wird zur Messung des Füllstandes 2 der Flüssigkeit 3 in dem Behalter 4 verwendet. Diese zweite Schwingungsmode 18 des Ultraschallwandlers 5 entsteht aus seiner Dickenschwingung.
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5 zeigt nun den aus 1 bekannten Füllstandsensor 1, der jedoch nicht, wie in 3, in einem Behalter 4 verbaut ist, sondern der an Luft 9 gelagert ist. Im Bereich der Referenzstrecke 7 befindet sich nun keine Flussigkeit 3, sondern Luft 9, und auch außerhalb des Fullstandsensors 1 befindet sich Luft 9. Der Füllstandsensor 1 wird nun über Anschlusspins 15 mit einem zweiten Wechselspannungsgenerator 11 verbunden. Dieser zweite Wechselspannungsgenerator 11 kann ein externes Gerät sein, das in einer Produktionslinie des Füllstandsensors 1 angeordnet ist. Der zweite Wechselspannungsgenerator 11 erzeugt eine Wechselspannung mit einer Frequenz von zum Beispiel 400 kHz, die die Radialschwingungsmode des piezoelektrischen Ultraschallwandlers 5 anregt. Diese 400 kHz Ultraschallwelle setzt sich in Luft über die Referenzstrecke 7 hin zum Reflektor 8 fort und wird dort reflektiert, wobei das Echo von dem scheibenförmigen Ultraschallwandler 5 mit ausreichender Intensitat aufgefangen wird. Mit Hilfe der Auswerteelektronik kann nun eine Kalibrierung des Füllstandsensors 1 erfolgen. Die vom ersten Wechselspannungsgenerator 10 erzeugte Frequenz von 2 MHz würde Ultraschallwellen erzeugen, die in Luft derart gedämpft werden, dass eine Kalibrierung des Fullstandsensors 1 an Luft nicht möglich wäre. Daher ist es notwendig, den Füllstandsensor 1 mit Hilfe der niederfrequenteren Radialschwingungsmode, also der ersten Schwingungsmode 17, des piezoelektrischen Ultraschallwandlers 5 zu kalibrieren. Nach der Kalibrierung des Fullstandsensors 1 kann der zweite Wechselspannungsgenerator 11 elektrisch abgetrennt werden, und der Füllstandsensor 1 wird von nun an für seine Messfunktion in der Flussigkeit vom ersten Wechselspannungsgenerator 10 mit einer hoherfrequenten Wechselspannung von zum Beispiel 2 MHz angeregt. Diese 2 MHz Wechselspannung erzeugt dann am scheibenformigen Ultraschallwandler 5 eine Dickenschwingung, also die zweite Schwingungsmode 18, mit der eine Ultraschallwelle 6 erzeugt wird, die sich hervorragend zur Messung des Füllstandes 2 der Flüssigkeit 3 in dem Behalter 4 eignet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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