DE102011118711A1

DE102011118711A1 - Messvorrichtung

Info

Publication number: DE102011118711A1
Application number: DE102011118711A
Authority: DE
Inventors: Thomas Hartmann
Original assignee: Seuffer GmbH and Co KG
Current assignee: Seuffer GmbH and Co KG
Priority date: 2011-11-16
Filing date: 2011-11-16
Publication date: 2013-05-16
Also published as: US20130118252A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Erfassung eines Füllstands eines Fluids (F) in einem Tank (T) mittels Ultraschallsignalen. Die Messvorrichtung umfasst eine Sensoreinheit (3), die ausgebildet ist zum Senden und Empfangen von Ultraschallsignalen, und eine Auswertungseinrichtung (40), die ausgebildet ist zum Auswerten der empfangen Ultraschallsignale. Die Sensoreinheit (3) und die Auswertungseinrichtung (40) sind auf einer gemeinsamen Baugruppe (4) angeordnet und die Baugruppe (4) ist in einem Gehäuse (2) der Messeinrichtung (1) angeordnet. Auf diese Weise wird eine genaue Messung auch kleiner Füllstände erreicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung oder Erfassungsvorrichtung, und insbesondere eine Erfassungsvorrichtung zur Erfassung eines Füllstands oder einer Füllhöhe in einem Behälter mittels Ultraschall.
Werden beispielsweise in einem Kraftfahrzeug Betriebsstoffe mitgeführt, oder werden Betriebsstoffe in Behältern und Tanks in Verbindung mit einer zu betreibenden Maschine bevorratet, dann ist es erforderlich, einen dafür angemessenen und in seiner Ausgestaltung an das Fahrzeug oder die Maschine angepassten Behälter oder Tank vorzusehen. Des Weiteren wird eine Information hinsichtlich des Füllstands der Betriebsstoffe in dem Behälter oder Tank zur Abschätzung von Betriebszeiten oder Maßnahme zum Ergänzen der Vorräte an Betriebsstoffen benötigt. Im Wesentlichen mechanisch arbeitende Füllstandmesseinrichtungen sind bekannt.
Eine Anwendung einer Erfassungsvorrichtung für den Füllstand in einem Tank ist beispielsweise bei dem Betrieb von Dieselmaschinen bekannt, bei denen eine besondere Abgasreinigung vorgesehen ist, so dass in den Abgasen der Verbrennung enthaltene umweltschädliche Stoffe zumindest teilweise beseitigt oder umgewandelt werden. Die Verbrennung beispielsweise von Diesel-Brennstoff in Diesel-Fahrzeugmotoren erzeugt in den Abgasen Stickoxide, die erheblich vermindert werden können, wenn in den Abgasstrom gasförmiges Ammoniak als ein Reduktionsmittel eingebracht wird. Das gasförmige Ammoniak reagiert mit den Stickoxiden des Abgases selektiv zu Stickstoff und Wasser.
Bei der Anwendung im Bereich von Brennkraftmaschinen für Fahrzeuge wird zur Bereitstellung von Ammoniak eine wässrige Harnstofflösung verwendet, die in einem eigenen Tank in dem Fahrzeug mitgeführt wird. Die wässrige Harnstofflösung wird mittels eines Dosierventils in die Abgasströmung der Diesel-Brennkraftmaschine eingebracht.
Die wässrige Harnstofflösung muss zusätzlich zu dem eigentlichen Brennstoff für die Brennkraftmaschine in geringerer Menge in einem separaten Tank bevorratet werden. Die zu betreibende Maschine oder eine Diesel-Brennkraftmaschine erfordert somit in dem Fahrzeug oder auch stationär den weiteren Tank oder allgemein einen Behälter zur Bevorratung beispielsweise der wässrigen Harnstofflösung.
Es ist dabei erforderlich, den Betreiber der Maschine oder den Fahrer eines Fahrzeugs über den zur Verfügung stehenden Vorrat an wässriger Harnstofflösung zu informieren. Der Tank oder Behälter zur Aufnahme dieser Flüssigkeit muss somit eine mechanische oder in anderer Weise ausgebildete Füllstandmesseinrichtung aufweisen.
In diesem Zusammenhang offenbart die Druckschrift US 2005/0284 217 A1 eine winkelförmige Ultraschall-Messvorrichtung zur Messung eines Füllstands in einem Behälter, wobei in einem im unteren Bereich des Behälters in der Nähe des Behälterbodens ein rohrförmiger Gehäuseteil angeordnet ist, in dem eine Ultraschall-Sende/Empfängereinheit angeordnet ist. Über einen winkelförmigen Bereich ist ein zu dem ersten Gehäuseteil im Wesentlichen senkrecht angeordnetes zweites Gehäuseteil vorgesehen, in welchem über umgelenkte Ultraschallsignale eine Füllstandmessung durchgeführt wird. Im winkelförmigen Bereich zwischen dem ersten und zweiten Gehäuseteil befindet sich neben dem Umlenkspiegel für die Messsignale auch ein im Wesentlichen ringförmiger Reflektor zur Durchführung einer Referenzmessung. Die gesamte Anordnung befindet sich in der Flüssigkeit, deren Füllhöhe erfasst werden soll. Die Ultraschall-Sende/Empfangseinheit ist mit einer Auswertungseinrichtung über entsprechende Leitungen verbunden. Die bekannte Anordnung besteht somit aus einem mehrteiligen Aufbau mit verschiedenen Gehäuseteilen, in denen sich die zu erfassende Flüssigkeit befindet.
Die Druckschrift DE 10 2007 059 853 A1 offenbart eine gleichartige Messanordnung zur Messung eines Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behälter, wobei mittels eines Winkelbereichs ein im Behälterboden waagrechter Gehäuseteil und ein dazu senkrechter Gehäuseteil verbunden sind. In dem waagerecht an dem Behälterboden angeordneten Gehäuseteil ist ein Ultraschallwandler angeordnet. Außerhalb und innerhalb des Gehäuses der Messvorrichtung befindet sich die Flüssigkeit, deren Füllhöhe erfasst werden soll. Innerhalb der Gehäuseteile verläuft der Weg der Ultraschallimpulse vom der Signalerzeugungseinrichtung des Ultraschallwandlers zur Flüssigkeitsoberfläche und zurück. Die Anordnung ist in Form von Kunststoffrohren ausgebildet, wobei die Gehäuseteile als Schallführungskörper auch schalenförmig gebildet sein können.
Die Druckschrift DE 10 2009 000 062 A1 offenbart eine Füllstandsmessvorrichtung zur Bestimmung des Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behälter, wobei eine Messeinrichtung einschließlich eines Ultraschallwandlers entweder in einem separaten Gehäuse in einen Tank eingesetzt wird, so dass sich auch im Bereich des Ultraschallwandlers in dem separaten Gehäuse und in einem möglichen Beruhigungsrohr die zu erfassende Flüssigkeit befindet, oder ein entsprechend ausgebildeter Ultraschallwandler außen am Tank im Bereich des Tankbodens an einer vorbestimmten Stelle angesetzt ist und die Messung in der Weise durchgeführt wird, dass die Ultraschallsignale über den Behälterboden in das innere des Tanks ausgegeben werden. Der außen am Tank angeordnete Ultraschallwandler ist vollständig durch ein entsprechendes Umspritzen in Kunststoff eingebettet, so dass der Ultraschallwandler einerseits geschützt und andererseits ein einfaches Anbringen am Tankboden möglich ist.
Bei der Erfassung eines Füllstands einer Flüssigkeit oder eines Fluids in dem Behälter oder Tank mittels entsprechend gebildeter Ultraschallsignale ist es wesentlich für eine genaue und verlässliche Messung, dass die Ultraschallsignale mit einer möglichst geringen Dämpfung in das zu erfassende Fluid eingebracht werden, dass somit die Erzeugungseinheit der Ultraschallsignale im Hinblick auf die akustischen Bedingungen ausreichend an das Fluid angekoppelt ist. Mit den bekannten Einrichtungen ist eine optimale Ankopplung bei gleichzeitig einem vereinfachten Aufbau einer derartigen Messordnung nicht immer gewährleistet. Insbesondere besteht bei einer Anwendung in Kraftfahrzeugen mit erheblichen im Betrieb auftretenden Temperaturschwankungen und starken Vibrationen ein Bedarf an einer Messvorrichtung, die ungeachtet dieser erheblichen zusätzlichen mechanischen und thermischen Belastung über einen längeren Zeitraum stabile und verlässliche Messergebnisse liefern kann. Dies ist nur gewährleistet, wenn eine gute Ankopplung eines Ultraschallwandlers an das zu erfassende Medium auch nach einem längeren Betrieb beibehalten werden kann. Die vielgliedrigen und mehrteiligen Anordnungen der bekannten Messvorrichtungen können eine derartige Langzeitstabilität nicht immer in ausreichendem Maß gewähren, so dass im Laufe der Betriebszeit mit sich verschlechternden Signalen gerechnet werden muss.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung der eingangs genannten Art zur Erfassung oder Messung eines Füllstands derart auszugestalten, dass in Verbindung mit einem vereinfachten und kompakten Aufbau sowie einer erleichterten Montage eine verlässliche und über einen längeren Zeitraum stabile Füllstandsmessung gewährleistet ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Messvorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Erfassung eines Füllstands eines Fluids in einem Tank mittels Ultraschallsignalen. Die Messvorrichtung umfasst eine Sensoreinheit, die ausgebildet ist zum Senden und Empfangen von Ultraschallsignalen, und eine Auswertungseinrichtung, die ausgebildet ist zum Auswerten der empfangen Ultraschallsignale. Die Sensoreinheit und die Auswertungseinrichtung sind auf einer gemeinsamen Baugruppe angeordnet, und die Baugruppe ist in einem Gehäuse der Messeinrichtung angeordnet.
Die erfindungsgemäße Anordnung der Messvorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ermöglicht die Ausführung der Messvorrichtung mit einer großen Langzeitstabilität, so dass über einen längeren Zeitraum auch bei einer erheblichen Belastung der Messvorrichtung beispielsweise in Verbindung mit dem Betrieb in einem Kraftfahrzeug eine verlässliche und von Störungen arme Messung (Messergebnisse) erhalten werden kann. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird die erforderliche Langzeitstabilität erhalten, wodurch eine auch über eine längere Betriebszeit konstante und wirksame Ankopplung der erzeugten Ultraschallsignale an das zu erfassende Fluid (Medium) gewährleistet ist, so dass während der Betriebsdauer nicht mit zunehmenden (auch zum Teil schleichenden) Signalverfälschungen gerechnet werden muss. Die Ankopplung der in der Messvorrichtung erzeugten Ultraschallsignale an das zu erfassende Medium (Fluid) bleibt stabil und verlässlich, so dass die gewünschte Messgenauigkeit während der Lebensdauer der Anordnung erhalten bleibt. Auf diese Weise wird ferner eine genaue Messung auch kleiner Füllstände erreicht.
Die Messvorrichtung umfasst auch einen vergleichsweise einfachen Aufbau, und es ist die Sensoreinheit einerseits geschützt in dem Gehäuse angeordnet und andererseits in akustischer Hinsicht sehr gut an des zu erfassende Fluid angekoppelt, so dass ein Übergang der Ultraschallsignale zu dem Fluid und der entsprechenden Echosignale von dem Fluid zu der Sensoreinheit mit einer geringsten Dämpfung möglich ist. Der modulare Aufbau der Messvorrichtung gewährleistet ferner, dass für eine Anwendung der Messvorrichtung in einem mit dem Fluid gefüllten Behälter eine einfache Montage mit einem sehr geringen Aufwand möglich ist.
Weitere Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen angegeben.
Bei der Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung können die Auswertungseinrichtung und die Sensoreinheit auf der Baugruppe benachbart zueinander angeordnet sein. Ferner kann die Baugruppe elastisch in dem Gehäuse befestigt sein.
Die Baugruppe kann mittels zumindest eines Tragelements im Gehäuse elastisch gestützt werden, und es kann die auf der Baugruppe angeordnete Sensoreinheit an eine innere Oberfläche eines Gehäuseteils des Gehäuses elastisch angedrückt werden. Auf diese Weise wird eine gute Ankopplung der Sensoreinheit an das im Tank befindliche Fluid unterstützt.
Die Messvorrichtung kann ferner ein Rohrteil aufweisen, das Fluid-dicht in dem Gehäuse befestigt ist und zur Aufnahme von Zuleitungen dient, die in einem Anschlussbereich der Baugruppe mit dieser elektrisch verbunden sind. Ferner kann an dem Rohrteil eine Referenzfläche in einem vorbestimmten Abstand zum Gehäuse zur Durchführung einer Referenzmessung angeordnet sein. Die Möglichkeit der Referenzmessung ergibt weitere Information bezüglich der Eigenschaften des Fluids zur genaueren Bestimmung der Laufzeiten der Ultraschallsignale im Fluid.
Das Rohrteil der Messvorrichtung kann eine Verbindungseinrichtung aufweisen zum Befestigen und Abdichten des Rohrteils gegenüber dem Tank nach dem Einsetzen der Messvorrichtung in den Tank. Die Messvorrichtung kann so auf einfache Weise und sicher sowie abgedichtet befestigt werden.
Die Sensoreinheit der Messvorrichtung kann vorgesehen sein zur Durchführung einer Füllstandmessung und zum Aussenden von Ultraschallsignalen in Richtung des Gehäuses, und kann ferner ausgebildet sein zur Durchführung einer Referenzmessung mittels Ultraschallsignalen und zum Senden der Ultraschallsignale für die Referenzmessung in die gleiche oder eine davon unterschiedliche Richtung.
Es kann ein Referenzreflektor im Tank im Bereich des Tankbodens angeordnet sein, wobei eine Referenzstrecke von der Sensoreinheit zu dem Referenzreflektor verläuft. Mit der Anordnung des Referenzreflektors im Tank können die Messstrecke zur Füllstandmessung (Füllmessstrecke) und die Messstrecke zur Referenzmessung (Referenz-Messstrecke) verschiedene Richtungen aufweisen.
Bei der Messvorrichtung kann zumindest eine der Komponenten des Gehäuses oder des Rohrteils aus Edelstahl gebildet sein, so dass die mit dem Fluid in Berührung kommenden Komponenten der Messvorrichtung weitgehend vor Korrosion geschützt sind.
Des Weiteren können die Sensoreinheit auf einer oberen Seite der Baugruppe und die Auswertungseinrichtung auf der unteren Seite der Baugruppe angeordnet sein.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigen:
1 eine Gesamtdarstellung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
2 eine Schnittdarstellung der Messvorrichtung gemäß 1 entlang einer Schnittlinie A-A,
3 eine Anordnung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung der 1 und 2 in einem hinsichtlich seines Füllstands zu erfassenden Tank,
4 eine alternative Anwendung der Messvorrichtung gemäß den 1 und 2 in einem Tank,
5 eine Gesamtdarstellung der Messvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
6 eine Schnittdarstellung der Anordnung der Messvorrichtung gemäß 5 entlang einer Schnittlinie B-B,
7 eine Schnittdarstellung der Messvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einer Heizeinrichtung,
8 eine Anordnung der Messvorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
9 eine weitere Anwendung der Messvorrichtung bei einem mit einem Fluid gefüllten Tank, und
10 (10A, 10B, 10C) eine Anordnung der Messvorrichtung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Erstes Ausführungsbeispiel
Die Anordnung einer Messvorrichtung (Füllstanderfassungseinrichtung) unter Verwendung von Ultraschallsignalen wird nachstehend gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in Verbindung mit den 1 und 2 beschrieben.
1 zeigt in einer perspektivischen Gesamtdarstellung die Messvorrichtung 1, mittels der in Verbindung mit entsprechenden Ultraschallimpulsen eine Füllstandmessung in einem mit einem Fluid F und vorzugsweise einer Flüssigkeit gefüllten Behälter durchgeführt werden kann.
Die Messvorrichtung umfasst ein Hauptgehäuse bzw. ein Gehäuse 2, in welchem eine Ultraschall-Sende-/Empfänger-Einheit 3 angeordnet ist. Die Ultraschall-Sende-/Empfänger-Einheit wird nachstehend vereinfacht als Sensoreinheit 3 bezeichnet. Die Sensoreinheit 3 ist derart ausgebildet, dass sie einerseits Ultraschallsignale in vorbestimmten Richtungen aussenden kann, und andererseits Ultraschallsignale empfangen kann, wobei die empfangenen Signale im Hinblick auf die Bestimmung einer bestimmten Laufzeit reflektierte Signale oder Echosignale der von der Sensoreinheit 3 gesendeten Ultraschallsignale sind. Die Sensoreinheit 3 kann aus einer piezoelektrischen Einrichtung oder aus mehreren piezoelektrischen Einrichtungen zur Erzeugung von Ultraschallimpulsen oder Ultraschallsignalen gebildet sein. Die piezoelektrischen Einrichtungen werden auch als Sensorelemente bezeichnet. Bei einer Sensoreinheit 3 aus mehreren Sensorelementen können diese an vorbestimmten Positionen im Gehäuse 2 der Messvorrichtung 1 angeordnet sein. Bevorzugt wird somit die Sensoreinheit 3 mit zumindest einem Sensorelement eingesetzt.
2 zeigt eine Schnittdarstellung der Anordnung der Messvorrichtung 1 gemäß 1 entlang der Schnittlinie A-A. Die Sensoreinheit 3 (im vorliegenden Fall beispielsweise bestehend aus einem Sensorelement) ist gemäß der Darstellung in 2 auf einer Baugruppe 4 angeordnet, und steht mit weiteren elektrotechnischen oder elektronischen Bauteilen (nicht gezeigt) der Baugruppe 4 in elektrischer und funktioneller Verbindung. Die elektrotechnischen oder elektronischen Bauteile können bei der Baugruppe 4 gemäß 2 auf deren Oberseite und/oder auf deren Unterseite angeordnet sein und bilden eine Schaltungsanordnung, die auch eine Auswertung von empfangenen Ultraschallsignalen (Echosignale) durchführen kann. In jedem Fall sind die Baugruppe 4 und die Sensoreinheit 3 innerhalb des Gehäuses 2 angeordnet und vorzugsweise auf einem Bodenteil 5 befestigt. Die Befestigung ist derart ausgebildet, dass sie einerseits eine sichere Fixierung und Positionierung der Baugruppe 4 einschließlich der Sensoreinheit 3 gewährleistet, und dass die Baugruppe 4 auf dem Bodenteil 5 mit einer gewissen DämpDämpfung und daher mit einer vorbestimmten Elastizität befestigt ist. 2 zeigt Tragelemente 6 zur Befestigung der Baugruppe 4 auf dem Bodenteil 5, wobei die vorliegende Erfindung weder auf die Anzahl der Tragelemente 6 noch auf die Anordnung und Ausgestaltung festgelegt ist. Das Gehäuse 2 stellt in Verbindung mit dem Bodenteil 5 ein geschlossenes Gehäuse oder Gesamtgehäuse dar. Hierzu ist das Bodenteil 5 auf den Gehäuse 2 abgedichtet (Fluid-dicht) befestigt.
Gemäß 2 befindet sich in dem Gehäuse 2 ein Öffnungsbereich 7 mit einem Kragen 8 in welchem ein Rohrteil 9 angeordnet bzw. eingesetzt ist. Der Öffnungsbereich 7 im Gehäuse 2 im Bereich des Kragens 8 ist derart ausgebildet, dass hinsichtlich Querschnittsfläche und Querschnittsform das Rohrteil 9 bündig in den Kragen 8 eingesetzt wird, so dass eine vollständige Abdichtung zwischen dem Kragen 8 und dem Rohrteil 9 gebildet wird. Die Abdichtung kann ebenfalls getrennte zwischen Kragen 8 und Rohrteil 9 eingesetzte Dichtelemente (nicht gezeigt) umfassen. Die Abdichtung ist im Wesentlichen eine Abdichtung gegenüber eindringender Feuchtigkeit und anderer Flüssigkeiten sowie gegen unerwünschtes Austreten des Fluids aus den Tank T.
Das Rohrteil 9 kann in Verbindung mit dem Öffnungsbereich 7 und dem Kragen 8 in einem beliebigen Winkel aus dem Gehäuse 2 austreten, wobei in Austrittswinkel von 70° bis 110° bevorzugt werden. Diese Winkel werden gemessen zwischen einer gedachten Achse entlang des Verlaufs des Rohrteils 9 relativ zu der Oberfläche des Gehäuses 2 und/oder des Bodenteils 5 und somit gegenüber einer gedachten Horizontalen entlang der oberen Oberfläche des Gehäuses 2. Die Darstellung in 2 zeigt eine Winkelanordnung von im Wesentlichen 90°.
Das Rohrteil 9 kann in seinem oberen, vom Gehäuse 2 entfernt liegenden Teil weiter in einem beliebigen Winkel, sofern dies erforderlich ist, abgewinkelt ausgeführt sein, und es umfasst das Rohrteil 9 im oberen Bereich eine Verbindungseinheit 10, die eine Verbindung herstellt zwischen einem oberen Bereich des Tanks T, in den die Messvorrichtung 1 eingesetzt wird, und dem Rohrteil 9. Die Verbindungseinheit 10 bewirkt somit einerseits eine Befestigung und Fixierung des Rohrteils 9 in einer entsprechenden Durchlassöffnung einer oberen Wand des Tanks T, und bewirkt andererseits eine Abdichtung gegen eindringende Fremdstoffe und austretendes Fluid aus dem Tank T an dieser Stelle.
Oberhalb der in der Darstellung der 1 und 2 gezeigten Verbindungseinheit 10 kann das Rohrteil 9 in beliebiger Weise und in Abhängigkeit von den Bedingungen des Einbaus sowohl des Rohrteils 9 in den Tank T als auch des Tanks T in einem Gerät abgewinkelt ausgeführt sein.
In dem Rohrteil 9 werden im Wesentlichen Zuleitungen 11 in beliebiger Anzahl und unterschiedlicher Art zu der Baugruppe 4 geführt. Das Rohrteil 9 ist somit geeignet, die Zuleitungen 11 innerhalb des Rohrteils 9 gegenüber Fremdeinflüssen von außen zu schützen.
Gemäß 2 sind die Zuleitungen 11 in ihrem Verlauf zu der Baugruppe 4 gezeigt. Die Zuleitungen 11 umfassen Datenleitungen und Energieversorgunysleitungen (Stromversorgungsleitungen) zum Betreiben der auf der Baugruppe 4 verwirklichten Schaltungsanordnung (die als eine Auswertungseinrichtung 40 dient) sowie der Sensoreinheit 3 und zum Zuführen und Ableiten von Daten, Anweisungen und Messergebnissen auf einzelnen Leitungen oder auch in bidirektionaler Form. Die Zuleitungen 11 sind außerhalb des Tanks T, in den die Messvorrichtung 1 eingesetzt ist, mit einer entsprechenden externen Verarbeitungseinrichtung (allgemeine EDV-Anlage, Steuercomputer eines Geräts, PC oder Hostcomputer) und auch einer zugehörigen Leistungsversorgungseinrichtung verbunden.
Der Tank T, dessen Füllstand an Fluid F gemessen werden soll, ist in 2 im Bereich der Verbindungseinheit 10 mit gestrichelten Linien angedeutet.
Wird die Messvorrichtung 1 gemäß dem vorstehend beschriebenen Aufbau und dem ersten Ausführungsbeispiel in den Tank T eingesetzt, dann erfolgt über die Zuleitungen 11 eine Ansteuerung der Schaltungsanordnung der Auswertungseinrichtung 40 auf der Baugrube 4 und ein Betrieb der Sensoreinheit 3. Die Sensoreinheit 3 sendet hierbei Ultraschallsignale vorzugsweise nach oben in 2 in Richtung des Fluids F innerhalb des Tanks T, und erfasst des Weiteren die entsprechenden Echosignale. In Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit innerhalb des Fluids F und der erfassten Laufzeit kann der Füllstand des Fluids F (entspricht der Füllhöhe im Tank T) bestimmt werden. Aus dieser geometrischen Größe wird in der Auswertungseinrichtung 40 oder der äußeren nicht gezeigten Verarbeitungseinrichtung, die über die Zuleitungen 11 angeschlossen ist, entsprechend gespeicherten Daten (die auch eine unregelmäßige Form des Tanks T berücksichtigen) auf das Füllvolumen an Fluid F im Tank T geschlossen. Die Laufzeit stellt eine Zeitdauer zwischen einem erzeugten und ausgesendeten Ultraschallimpuls und dem Empfangen des Ultraschallimpulses (Echosignal) dar.
Die Anordnung der Messvorrichtung 1 gemäß 2 zeigt des Weiteren eine Referenzfläche 12, die an einer vorbestimmten Stelle am Rohrteil 9 über dem Gehäuse 2 angeordnet ist. Die Referenzfläche 12 mit dem vorbestimmten (bekannten) Abstand zu der Sensoreinheit 3 dient im Wesentlichen dazu, bei der Erfassung des gewünschten Füllvolumens des Tanks (Füllmenge) Störeinflüsse wie beispielsweise durch die Temperatur und/oder den Druck des Fluids F zu vermindern oder eine vollständige Kompensation dieser Störeinflüsse zu ermöglichen. An der Referenzfläche 12 reflektierte Schallimpulse können als ein Referenzimpulse oder Referenzecho bezeichnet werden, dem in Verbindung mit der Temperatur und dem Druck des Fluids F eine bekannte Laufzeit zugeordnet werden kann. In Abhängigkeit von in der (nicht gezeigten) Verarbeitungseinrichtung gespeicherten Daten kann auf die Schallgeschwindigkeit in dem Fluid F geschlossen werden, die von der Dichte, von der Temperatur und in diesem Zusammenhang auch dem Druck des Fluids F im Tank T abhängig ist. Somit kann mittels der Referenzfläche 12 eine Referenzmessung durchgeführt werden, wobei in Verbindung mit dem Ergebnis der Referenzmessung die Genauigkeit der Bestimmung des Füllvolumens oder des Füllstands des Fluids F im Tank T erheblich gesteigert werden kann.
Zur Erfassung der Temperatur des Fluids F ist in oder an dem Gehäuse 2 ein Temperatursensor 13 vorgesehen, der eine entsprechende Temperaturerfassung durchführt. Die erfasste Temperaturinformation wird der Auswertungseinrichtung 40 auf der Baugruppe 4 zugeführt. Es können ebenfalls weitere Temperatursensoren beispielsweise an dem Rohrteil 9 angeordnet sein, oder sich an anderen Stellen in dem Tank T befinden, so dass auch bei einer ungleichen Temperaturverteilung des Fluids im Tank T eine detaillierte Temperaturerfassung durchgeführt und bei Bedarf auch ein angemessener Mittelwert gebildet werden kann.
Die 3 und 4 zeigen die Anordnung der Messvorrichtung 1 nach dem Einsetzen in den Tank T.
Gemäß 3 befindet sich die Messvorrichtung 1 derart in dem Tank T, dass das Gehäuse 2 mit dem zugehörigen Bodenteil 5 bevorzugt im Bodenbereich des Tanks T aufliegt oder sich in dessen Nähe befindet, so dass die Sensoreinheit 3 die erforderlichen Ultraschallimpulse gemäß den 3 und 4 nach oben in Richtung des Fluids F aussendet und von dort auch entsprechende Reflexionssignale (Echosignale) empfängt.
In beiden 3 und 4 wird das Rohrteil 9 mittels der Verbindungseinheit 10 im oberen Teil des Tanks T (im Deckelbereich des Tanks T) mechanisch fixiert und gleichzeitig abgedichtet. Die Messvorrichtung 1 kann auf einfache Weise in den Tank T eingesetzt werden, wobei lediglich das Fixieren und die Abdichtung in Verbindung mit der Verbindungseinheit 10 gewährleistet sein muss.
In der in 4 gezeigten Anordnung ist die Messvorrichtung 1 derart eingesetzt, dass sich das Gehäuse 2 mit dem Bodenteil 5 in einer Vertiefung 14 des Tanks T befindet, so dass auch gering Füllhöhen des Fluids F erfasst werden können. Im Übrigen ist die Anordnung gleichartig zu derjenigen in 3.
In beiden Fällen der Darstellung der 3 und 4 sind des Weiteren ein erster und ein zweiter Funktionsbereich FT1 und FT2 mit schraffierten Blöcken angedeutet. Der erste Funktionsbereich FT1 in beiden 3 und 4 veranschaulicht in vereinfachter Form Einrichtungen, die vorgesehen sind zum möglichen Aufheizen des Fluids F im Tank T, und zur Bereitstellung einer Auslaufeinrichtung im unteren Teil des Tanks T sowie in Abhängigkeit von dem Bedarf mit entsprechenden Ventilen und Filtereinrichtungen. Der erste Funktionsbereich FT1 bezeichnet somit die Möglichkeit der Anordnung eines Auslaufbereichs mit Entnahmerohren im unteren Bereich des Tanks T, während der zweite Funktionsbereich FT2 im oberen Teil des Tanks T angeordnet ist und beispielsweise eine Entnahmemöglichkeit des Fluids F über Steigrohre nach oben aus dem Tank T veranschaulicht. Es können ebenfalls hier Filtereinrichtungen und zum Entnehmen des Fluids F erforderliche Pumpen und Ventile vorgesehen sein.
In 3 ist ferner eine Anordnung der Messvorrichtung 1 vorgesehen, bei der im Tank T ein teilweise vom übrigen Volumen des Tanks T separiertes Innengehäuse 14 angeordnet ist. Das Innengehäuse 14 ist mit gestrichelten Linien angedeutet. Es kann dieses Innengehäuse 14 vorgesehen sein zum Erzeugen eines speziellen Bereichs im Tank T, in welchem die Messung durchgeführt wird. Das Innengehäuse 14 ist mit dem weiteren Volumen des Tanks im Sinne kommunizierender Röhren verbunden. Es kann sich hierbei der Vorteil ergeben, dass hinsichtlich des Messvolumens im Tank T ein Beruhigungsbereich gebildet wird, so dass bei Bewegungen des Geräts, in dem der Tank T angeordnet ist, wie beispielsweise in eine Kraftfahrzeug, der Einfluss eines Schwappens des Fluids F auf die Messgenauigkeit vermindert wird. Die vorliegende Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt, sondern es kann die Messung ebenfalls durchgeführt werden ohne die Bereitstellung des Innengehäuses 14 gemäß 3.
4 zeigt daher beispielhaft die Anordnung des Tanks T ohne Innengehäuse 14, so dass eine Vereinfachung des gesamten Aufbaus des Tanks T und auch der Montage der Messvorrichtung 1 erreicht werden kann. Mit TS ist ein möglicher weiterer Temperatursensor bezeichnet, der unabhängig von der Messvorrichtung im Tank T angeordnet ist. Das Erfassungsergebnis wird zur Weiterverarbeitung der Auswertungseinrichtung 40 zugeführt. Gemäß der Darstellung in 4 ist die Messvorrichtung 1 derart in den Tank T eingesetzt, dass das Gehäuse 2 in einer Vertiefung im Boden des Tanks T angeordnet ist. Auf diese Weise können auch sehr kleine Fluidmengen innerhalb des Tanks T sicher erfasst werden. Des Weiteren besteht neben der Befestigung des Rohrteils 9 mittels der Verbindungseinrichtung 10 im oberen Bereich des Tanks T auch ein Formschluss des Gehäuses 2 mit der Vertiefung im Tankboden, so dass eine sehr sichere Befestigung der Messvorrichtung 1 gewährleistet ist.
Zweites Ausführungsbeispiel
5 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen Bereich des Tanks T, in dem die Messvorrichtung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird. Gemäß dem vorliegenden zweiten Ausführungsbeispiel ist die Messvorrichtung 1 in ähnlicher Form aufgebaut, wie es in Verbindung mit den 1 und 2 beschrieben ist. Die Messvorrichtung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel kann in gleicher Weise in den Tank T eingesetzt werden, wie es in den 3 und 4 gezeigt ist. Im Unterschied zu der Anordnung gemäß den 1 und 2 ist die Messvorrichtung 1 des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß 5 kleiner ausgeführt und weist andere Proportionen sowie eine andere Form auf. Als Beispiel einer Ausführung des Tanks T, auf das die vorliegende Erfindung jedoch nicht festgelegt ist, ist der Tankboden (in der Draufsicht in 5) annähernd kreisförmig ausgeführt. Die Messvorrichtung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel nimmt somit hinsichtlich ihrer geeigneten Form einen Teil der Grundfläche bzw. Bodenfläche des Tanks T ein. Die weitere von der Messvorrichtung 1 nicht eingenommene Grundfläche des Tanks T kann beispielsweise den ersten Funktionsbereich FT1 aufnehmen, wobei dieser die vorstehend bereits angegebenen Komponenten zur Entnahme des Fluids F nach unten aufnehmen kann, wie beispielsweise Filtereinrichtungen, Pumpen, Ventile und Rohrleitungen. Hierbei kann sich der Funktionsbereich auf dem gesamten restlichen Tankboden oder nur auf einen Teil desselben erstrecken.
Die Vorrichtung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel umfasst ebenfalls die Sensoreinheit 3 (mit zumindest einem Sensorelement), die vorzugsweise an einer Seite des Gehäuses 2 angeordnet ist und zumindest ein Sensorelement aufweist. Die Abstrahlrichtung und die Empfangsrichtung erfolgt gemäß der Darstellung in 5 in der Blickrichtung des Betrachters. Der weitere Aufbau der Messvorrichtung 1 ist gleichartig zu derjenigen des ersten Ausführungsbeispiels. Es ist ebenfalls die Sensoreinheit 3 auf der Baugruppe 4 angeordnet, die elastische mittels der Tragelemente 6 gelagert ist und des Weiteren die Bauelemente der Auswertungseinrichtung 40 trägt. In 5 ist die Auswertungseinrichtung 40 beispielshaft auf der Unterseite der Baugruppe 4 angeordnet.
Mit der Anordnung gemäß 5 besteht ebenfalls die Möglichkeit, dass die Sensoreinheit 3 eine Messung durchführen kann in Verbindung mit einem abgetrennten Innengehäuse 14 (siehe auch 3), wobei dies jedoch nicht erforderlich und die Erfindung hierauf auch nicht beschränkt ist.
6 zeigt eine Schnittansicht der Messvorrichtung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel entlang einer Schnittlinie B-B, wie sie in 5 angegeben ist. Der Aufbau ist im Wesentlichen der gleiche wie in der Darstellung von 2 des ersten Ausführungsbeispiels, wobei jedoch das Gehäuse 2 zusätzlich eine Wölbung 15 aufweist, unterhalb der auf der Baugruppe 4 die Sensoreinheit 3 angeordnet ist. Die Sensoreinheit 3 liegt an dem Gehäuse 2 und insbesondere im Bereich der Wölbung 15 des Gehäuses 2 bündig an und kann daher bei gleichzeitig geringer Dämpfung in optimaler Weise die gesendeten und reflektierten Ultraschallimpulse empfangen. Die in 6 gezeigte Anordnung führt zu einer sehr guten Ankopplung der Sensoreinheit 3 an das Gehäuse 2 und damit auch an das Fluid F, das sich über dem Gehäuse 2 und der Wölbung 15 befindet.
6 zeigt in Verbindung mit der perspektivischen Schnittansicht im oberen Bereich des Rohrteils 9 die Zuleitungen 11, sowie am unteren Ende des Rohrteils 9 auf der Baugruppe 4 einen Anschlussbereich 16. Im Anschlussbereich 16 der Baugruppe 4 werden die Zuleitungen 11 an die auf der Baugruppe 4 angeordnete Auswertungseinrichtung 40 angeschlossen. Die Sensoreinheit 3 ist unmittelbar auf der Baugruppe 4 befestigt und hat somit sehr kurze Verbindungen zu der auf der Baugruppe 4 angeordneten Schaltungsanordnung mit elektrotechnischen und elektronischen Bauelementen der Auswertungseinrichtung 40. Die Baugruppe 4 kann ebenfalls den Temperatursensor 13 tragen, wobei dieser jedoch auch wirksam in anderen Bereichen des Gehäuses 2 oder auch außerhalb dessen im Tank T angeordnet sein kann.
Die Wirkungsweise der Messvorrichtung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der 5 und 6 ist die gleiche wie diejenige des ersten Ausführungsbeispiels, so dass Wiederholungen weggelassen sind. In gleicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel umfasst die Messvorrichtung 1 die Referenzfläche 12 sowie die an dem Rohrteil 9 angeordnete Verbindungseinheit 10 zur Befestigung der Messvorrichtung 1 in dem Tank T, der in den 5 und 6 nicht gezeigt ist.
Die Schaltungsanordnung in Verbindung mit den zugehörigen Bauelementen der Auswertungseinrichtung 40 kann gemäß 6 oberhalb und/oder unterhalb der Baugruppe 4 angeordnet sein, wobei die Baugruppe 4 mittels der bereits in 2 gezeigten Tragelemente 6 innerhalb des Gehäuses 2 und auch gegenüber dem Bodenteil 5 gestützt oder getragen wird. Diese Abstützung erfolgt mit einer vorbestimmten Elastizität, um bei Schwingungen Brüche der Baugruppe 4 sowie der Sensoreinheit 3 zu vermeiden. Ebenso liegt in elastischer und damit vorbestimmter Weise die Sensoreinheit 3 an der inneren Wand der Wölbung 15 des Gehäuses 2 an, so dass die gewünschte optimierte Ankopplung zum Senden und Empfangen der jeweiligen Ultraschallsignale (Impulse) gewährleistet ist. Die Sensoreinheit 3 ist zur Vereinfachung der Darstellung in den Figuren (beispielsweise 1 und 5) im Wesentlichen kreisförmig dargestellt. Die Erfindung ist jedoch auf diese Anordnung nicht festgelegt, da die Sensoreinheit 3 eine beliebige geeignete Form aufweisen kann.
Drittes Ausführungsbeispiel
7 zeigt die Anordnung der Messvorrichtung 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, wobei die grundlegende Anordnung die gleiche ist wie diejenige von 2 des ersten Ausführungsbeispiels. Die Sensoreinheit 3 (mit zumindest einem Sensorelement) befindet sich auf der Baugruppe 4, die auf dem Bodenteil 5 mittels der Tragelemente 6 abgestützt ist, so dass die Sensoreinheit 3 an der Innenwand des Gehäuses anliegt. Die Messvorrichtung 1 umfasst ebenfalls des Rohrteil 9 mit der daran angeordneten Referenzfläche 12 sowie der Verbindungseinheit 10. In dem Rohrteil 9 verlaufen die Zuleitungen 11, die im Anschlussbereich 16 mit der Baugruppe 4 verbunden sind.
In Ergänzung zu der Anordnung gemäß den 1 und 2 in Verbindung mit dem ersten Ausführungsbeispiel sowie im Vergleich zum zweiten Ausführungsbeispiel umfasst die Messvorrichtung 1 eine Heizeinrichtung 17, die ringförmig oder teilringförmig das Gehäuse 2 umgibt. Die Heizeinrichtung 17 kann ihre elektrische Leistung ebenfalls über die Zuleitungen 11 erhalten und dient dazu, das Fluid F, in dem die gesamte Anordnung der Messvorrichtung 1 angeordnet ist, auf eine vorbestimmte Temperatur zu bringen oder eine minimale Temperatur zu erreichen. Beispielsweise kann die Heizeinrichtung 17 dazu dienen, bei der Erfassung des Füllstands eines Tanks mit Harnstoff zur Abgasreinigung ein Einfrieren der Harnstofflösung bei tiefen Umgebungstemperaturen zu verhindern oder ein erneutes Auftauen nach einem Einfrieren zu gewährleisten. In Verbindung mit entsprechenden (nicht gezeigten) Temperatursensoren kann der Bedarf der Heizleistung gesteuert oder geregelt werden, und es kann ebenfalls die Messung in Abhängigkeit von dem Maß der Verflüssigung des gefrorenen Fluids gesteuert werden.
Viertes Ausführungsbeispiel
8 zeigt in vereinfachter und schematischer Form ein weiteres Ausführungsbeispiel der Messvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der grundsätzliche Aufbau der Messvorrichtung 1 ist der gleiche wie diejenigen des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels, wobei jedoch im Unterschied zu diesen Ausführungsformen das Rohrteil 9 keine Referenzfläche (Messfläche) 12 aufweist. Gegenüber dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel ist die Referenzfläche in Form eines Referenzreflektors 18 nicht an dem Rohrteil 9 sondern in einem Bereich des Tanks T angeordnet, wobei in Verbindung mit einer entsprechenden Anordnung des Gehäuses 2 der Messvorrichtung 1 eine Referenzmessstrecke 19 gebildet wird. Der Referenzreflektor 18 ist vorzugsweise in einem unteren Teil des Tanks T angeordnet, so dass die Referenzmessstrecke 19 bei dieser Anordnung im Wesentlichen waagrecht angeordnet ist. Es ist auf diese Weise möglich, auch bei niedrigen Füllständen des Fluids F im Tank T eine verlässliche Messung durchzuführen, da auch die Referenzmessung bei geringen Füllständen und geringer Füllmenge gewährleistet ist. Die weitere Messung erfolgt über eine Füllmessstrecke 20 gemäß den Pfeilen in 8, mittels denen die gesendeten und reflektierten Ultraschallsignale vereinfacht und schematisch angedeutet sind.
Die Referenzmessung und die Füllstandmessung erfolgen somit in unterschiedliche Richtungen, wobei die Sensoreinheit 3 (mit zumindest einem Sensorelement) in Form zweier in unterschiedliche Richtungen aussendenden und empfangenden Sensoreinrichtungen ausgebildet sein kann. Es kann ferner bei lediglich einer Sensoreinrichtung in der Sensoreinheit 3 ein Teil der ausgesendeten Ultraschallsignale in Richtung der Referenzmessstrecke 19 mittels eines weiteren (nicht gezeigten) Umlenk-Reflektors umgeleitet werden, wobei dies auch für die jeweiligen Echosignale gilt, so dass in Verbindung mit der Füllstandmessung auch die Referenzmessung erfolgen kann. Eine entsprechende Auswertung der unterschiedlichen Echosignale in der Auswertungseinrichtung 40 auf der Baugruppe 4 und/oder in einem angeschlossenen Computer ist erforderlich.
Auf diese Weise kann auf die Referenzfläche 12 am Rohrteil 9 (beispielsweise 1, 2 und 7) verzichtet werden, und es ist mit der Anordnung der Messvorrichtung 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel und der Darstellung in 8 möglich, auch bei kleinen im Tank T verbleibenden Mengen an Fluid sowohl eine Referenzmessung als auch eine Füllstandmessung durchzuführen. Mit der Möglichkeit der Referenzmessung auch bei kleinsten Fluidmengen kann die erwünschte große Genauigkeit der Messung erhalten werden.
Gemäß 8 besteht die Möglichkeit, den Referenzreflektor 18 als Referenzfläche in Verbindung mit dem in 3 und 4 dargestellten ersten Funktionsbereich FT1 in der Nähe des Tankbodens anzuordnen.
9 zeigt eine alternative Anordnung der Messvorrichtung 1 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei die Messvorrichtung 1 außerhalb des Tanks T angeordnet ist. Die Messvorrichtung 1 befindet sich somit nicht in dem Tank T, sondern wird außerhalb des Tanks in einem bestimmten Bereich in engem Kontakt mit dem Tank T angeordnet. Insbesondere ist das Gehäuse 2 mit der Sensoreinheit 3 derart in dem Tank 1 in einer Vertiefung des Tanks T angeordnet, dass ein guter Kontakt des Gehäuses 2 zu einer darüber liegenden Bodenfläche 21 des Tanks T gewährleistet ist und die Sensoreinheit 3 Ultraschallsignale in das Innere des Tanks T senden und von dort die Echosignale empfangen kann. Der Aufbau der Messvorrichtung 1 kann dabei der gleiche sein wie derjenige, der beispielsweise in Verbindung mit dem ersten Ausführungsbeispiel in den 1 und 2 gezeigt ist. Im Unterschied hierzu ist jedoch der Referenzreflektor 18 innerhalb des Tanks T angeordnet, oder er kann in ähnlicher Weise, wie es in 8 gezeigt ist, unter Berücksichtigung der annähernd horizontalen Referenz-Messstrecke 19 im Bereich des ersten Funktionsbereichs FT1 angeordnet werden, so dass die Richtungen der Messvorgänge und die Referenzmessung unterschiedlich sind.
Die Anordnung gemäß 9 ermöglicht den Verzicht auf weitere Abdichtmaßnahmen, die beim Einsetzen der Messvorrichtung 1 in den Tank gemäß den 1 bis 8 erforderlich sind. In jedem Fall muss sichergestellt werden, dass die Ankopplung des Gehäuses 2 mit der Sensoreinheit 3 in akustisch günstiger Weise an die Bodenfläche 21 des Tanks T zur Vermeidung einer unerwünschten Dämpfung optimiert wird. Die Bodenfläche 21 des Tanks T, die gemäß 9 über dem Gehäuse 2 der Messvorrichtung 1 angeordnet ist, muss in der Lage sein, auch über eine längere Lebensdauer der gesamten Anordnung eine gute Ankopplung zwischen dem Gehäuse 2, der Sensoreinheit 3 und dem Fluid F zu gewährleisten. Das Material der Bodenfläche 21 oberhalb des Gehäuses 2 der Sensoreinheit 3 ist in entsprechender Weise formstabil ausgeführt, um die erforderliche Ankopplung auch zu gewährleisten. Es besteht ferner die Möglichkeit, ein entsprechendes, die Ankopplung verbesserndes Material zwischen die Oberfläche des Gehäuses 2 und die untere Seite der Bodenfläche 21 des Tanks 1 anzuordnen.
Gemäß der Darstellung in 9 ist die Referenzfläche 12 in einer vorbestimmten Höhe und Lage innerhalb des Tanks 1 angeordnet. Die vorliegende Erfindung ist hierauf jedoch nicht festgelegt, und es kann die Referenzfläche 12 auch im Bereich des Tankbodens in der Nähe beispielsweise des ersten Funktionsbereichs FT1 in Form des Referenzreflektors 18 angeordnet werden, wie es in 8 bereits angedeutet ist.
Fünftes Ausführungsbeispiel
10, bestehend aus den 10A, 10B und 10C, zeigt eine Anordnung der Messvorrichtung 1 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Messvorrichtung 1 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel, wie sie in 10A gezeigt ist, weist einen gleichartigen Aufbau wie die Messvorrichtung 1 gemäß 5 des zweiten Ausführungsbeispiels auf. Gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel besteht die Sensoreinheit 3 aus mehreren Sensorelementen. Im vorliegenden Fall und wie es in 10A dargestellt ist, sind beispielsweise zwei Sensorelemente in Form eines ersten Sensorelements 31 und eines zweiten Sensorelements 32 vorgesehen. Die beiden Sensorelemente 31 und 32 können hinsichtlich ihres Aufbaus gleichartig oder auch unterschiedlich ausgeführt sein.
Das erste Sensorelement 31 der Sensoreinheit 3 der Messvorrichtung 1 ist näher bei dem Rohrteil 9 angeordnet und befindet sich unter einem im Wesentlichen winkelförmig ausgebildeten Reflexionselement 120. Das Reflexionselement 120, das einstückig oder mehrteilig ausgebildet sein kann, umfasst ein im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Gehäuses 2 verlaufendes Seitenelement 121 und ein im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des Gehäuses 2 verlaufenden Reflexionsteil 122 auf. An einer ersten Stelle 123 ist das freie Ende des Seitenelements 121 mit dem Gehäuse 2 verbunden, und an einer zweiten Stelle 124 ist das freie Ende des Reflexionsteils 122 mit dem Rohrteil 9 verbunden. Hierbei können Verbindungsmöglichkeiten durch Schweißen, Löten oder Kleben oder weitere geeignete Verbindungsmöglichkeiten vorgesehen sein.
Das erste Sensorelement 31 der Sensoreinheit 3 befindet sich innerhalb des Gehäuses 2 und unterhalb des Reflexionselements 120, so dass von dem ersten Sensorelement 31 ausgesendete Ultraschallsignale an dem Reflexionsteil 122 reflektiert und in dem ersten Sensorelement 31 empfangen werden können. Die entsprechenden Erfassungssignale können ausgewertet werden. Der Betrieb des ersten Sensorelements 31 dient zur Referenzmessung mit weiteren Auswertungsmöglichkeiten, da sich der Reflexionsteil 122 in einem vorbestimmten Abstand L (siehe 10B) von dem ersten Sensorelement 31 bzw. der oberen Oberfläche des Gehäuses 2 befindet. Dies ist ebenfalls in 10C gezeigt, die eine Seitenansicht darstellt gemäß einer mit Pfeil X in 10A angedeuteten Blickrichtung. Zwischen dem Reflexionselement 120 (Reflexionsteil 122) und der oberen Oberfläche des Gehäuses 2 wird die Referenzmessstrecke 19 ausgebildet (10C).
In Verbindung mit der bekannten Entfernung L zwischen dem ersten Sensorelement 31 und dem Reflexionsteil 122 können auch Eigenschaften des dazwischen befindlichen Fluids F ermittelt werden. Dies kann relativ zu bereits gespeicherten Daten erfolgen.
Gemäß der Darstellung in 10A ist das zweite Sensorelement 32 der Sensoreinheit 3 weiter von dem Rohrteil 9 entfernt angeordnet und befindet sich ebenfalls in einem bestimmten Abstand zu dem Reflexionselement 120, so dass von dem zweiten Sensorelement 32 ausgesendete Ultraschallsignale nicht oder nur in einem unerheblichen Maß von dem Reflexionsteil 122 reflektiert werden, sondern direkt in das darüber befindliche Fluid F abgegeben werden zur Erfassung des Füllstands bzw. der Füllhöhe.
Somit dient einerseits das erste Sensorelement 31 der Sensoreinheit 3 der Referenzmessung, und dient andererseits das zweite Sensorelement 32 der eigentlichen Füllstandmessung.
Freie Räume innerhalb des Gehäuses 2 in Verbindung mit dem Bodenteil 5 können durch Elektronikschaltungen zur Ansteuerung der Sensorelemente 31 und 32 und zur Auswertung von Sensorsignalen belegt werden. Ebenso kann im Bedarfsfall eine Heizeinrichtung vorgesehen sein.
In gleicher Weise wie in den 2, 6 und 7 gezeigt ist, können die einzelnen Sensorelemente 31 und 32 der Sensoreinheit 3 auf einer Baugruppe, wie der Baugruppe 4 angeordnet werden, wobei die beispielsweise zwei Sensorelemente 31 und 32 an der unteren (inneren Oberfläche des Gehäuses 2 anliegen, um eine schalltechnische Verbindung zu gewährleisten. Die einzelnen Sensorelemente können dabei an die untere Oberfläche des Gehäuses 2 angedrückt werden, oder es kann ein Stoffschluss mittels beispielsweise eines Klebers hergestellt werden.
Mit der vorstehend beschriebenen Anordnung des Reflexionselements 120 ist gewährleistet, dass auch bei einem Einsatz in einem Kraftfahrzeug mit starken Temperaturschwankungen und einer erhöhten Belastung in Bezug auf Schwingungen das Reflexionselement 120 fest an der zugeordneten Position verbleibt, so dass auch über einen längeren Betriebszeitraum eine verlässliche Referenzmessung in Verbindung mit dem Reflexionsteil 122 möglich ist. Eine erhöhte Genauigkeit und Verlässlichkeit der Referenzmessung ist somit auch über längere Lebensdauer der gesamten Messvorrichtung 1 gewährleistet.
Im Übrigen werden mit der Anordnung gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel grundsätzlich die gleichen Vorteile wie diejenigen der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele erhalten.
Weitere Abwandlungen
Bei der vorliegenden Erfindung und in Verbindung mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen dient das Rohrteil 9 als eine Halteeinrichtung und auch zur Aufnahme der Zuleitungen 11 (Verbindungsleitungen), so dass speziell bei dem Einsetzen der Messvorrichtung 1 in den Tank T die Zuleitungen 11 (Anschlußleitungen, Kabel) innerhalb des Rohrteils 9 geführt werden können. An dem Rohrteil 9 in dem geraden Bereich desselben kann in vorbestimmter Höhe relativ zu der Anordnung der Sensoreinheit 3 die Referenzfläche 12 angeordnet werden, so dass damit eine Referenzstrecke gebildet wird, deren Erfassung eine Auswertung hinsichtlich tatsächlicher Eigenschaften des Fluids F ermöglicht. Es besteht die Möglichkeit, im Außenbereich des Rohrteils 9 gemäß den 1 bis 8 eine weitere Heizeinrichtung flächig anzuordnen, die zusätzlich oder alternativ zu der in 7 gezeigten Heizeinrichtung 17 vorgesehen sein kann. Die weiteren Heizeinrichtungen können dabei als eine selbständig zu betreibende Einheit vorgesehen sein, wobei jedoch auch in Verbindung mit einem gemessenen Füllstand eine Regelung oder zumindest Steuerung der Heizleistung und auch der Einschaltzeiten der Heizeinrichtung möglich ist.
Bei der Auswertung der Echosignale, die mittels der Sensoreinheit 3 in ihrer Funktion als Sender und Empfänger aufgenommen werden, erfolgt die Berücksichtigung einer Laufzeit, der Signalform, einer Amplitude und dem Dämpfungsverhalten. Des Weiteren wird die tatsächliche Temperatur des Fluids F in dem Tank T berücksichtigt.
Bei der vorherigen Darstellung des Rohrteils 9 ist angegeben, dass die Zuleitungen 11 in dem Rohrteil 9 verlaufen und hierdurch gegen Einflüsse von außen geschützt sind. Das Rohrteil 9 ist gegenüber dem Eindringen von Fluid F abgedichtet. Demgegenüber kann jedoch auch bei entsprechend geschützten einzelnen Zuleitungen 11 das Rohrteil 9 mit dem Fluid F im Sinne kommunizierender Röhren gefüllt sein. Ebenfalls ist eine Abdichtung erforderlich gegenüber dem Inneren des Gehäuses 4 einschließlich des Bodenteils 5. Die Funktion der Sensoreinheit 3 ist auch in diesem Fall unverändert in der Weise, wie sie vorstehend beschrieben ist.
Gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen erfolgt die Messung der Laufzeit der Ultraschallsignale der Sensoreinheit 3 in im Wesentlichen vertikaler Richtung von unten nach oben. Dies ist ebenfalls der Fall bezüglich der Referenzmessung mittels der Anordnung von beispielsweise 2 und der Referenzfläche 12 in vorbestimmter Höhe über der Sensoreinheit 3, und abweichend in der Darstellung gemäß den 8 und 9 in Verbindung mit der Referenz-Messstrecke 19.
Gemäß beispielsweise den 2, 6 und 7 kann als Referenzfläche 12 ein ringförmiges Metallelement (Stahlelement) in einem vorbestimmten Abstand zur Sensoreinheit 3 und auch zur oberen Oberfläche des Gehäuses 2 angeordnet sein. Ungeachtet seiner Anordnung an der Messvorrichtung 1 oder anderweitig im Tank T kann der Referenzreflektor 18 oder die Referenzfläche 12 Teil der Messvorrichtung 1 sein. Gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel kann eine zur Referenzfläche mit dem Reflexionselement 120 gebildet werden, wobei bei einer mehrteiligen Sensoreinheit 3 ein Sensorelement (beispielsweise die erste Sensoreinheit 31 unter dem im Wesentlichen winkelförmigen Reflexionselement 120 angeordnet ist zur Durchführung der Referenzmessung.
Innerhalb des Gehäuses 2 ist die Sensoreinheit 3 mit dem zumindest einen Sensorelement vorzugsweise auf der Baugruppe 4 angeordnet. Die Baugruppe 4 trägt somit die die Sensoreinheit 3, und es sind auch die elektrischen- und datentechnischen Anschlüsse vorgesehen. Mittels der beispielsweise in 2 gezeigten Tragelemente 6 wird die Baugruppe 4 gestützt, wobei sie einerseits fixiert und andererseits auch in vorbestimmter Weise elastisch gelagert wird, sodass die auf der Baugruppe 4 angeordnete Sensoreinheit 3 in Verbindung mit dieser elastischen Lagerung sicher an die Unterseite des Gehäuses 2 angedrückt wird. Auf diese Weise wird eine gute Ankopplung des Schallerzeugers in der Sensoreinheit 3 an das Fluid F durch eine optimierte Schallweiterleitung von der Sensoreinheit 3 zu dem Fluid F ermöglicht. Es tritt in diesem Fall eine geringe Dämpfung auf.
Das Gehäuse 2 und das Rohrteil 9 sowie das Bodenteil 5 können aus einem festen und entsprechend zähen und formstabilen Kunststoff bestehen. Vorzugsweise werden das Gehäuse 2, das Bodenteil 5 und das Rohrteil 9 aus einem festen metallenen Werkstoff, wie beispielsweise Edelstahl gebildet, sodass auch durch diese Materialauswahl die schalltechnische Ankupplung an das Fluid F verbessert wird. Das Metall- oder Edelstahlgehäuse bietet einen großen Schutz in mechanischer Hinsicht und ist ebenfalls gegenüber den entsprechenden Fluiden korrosionsbeständig. Bei dem Rohrteil 9 kann der obere aus dem Tank T herausragende Teil (oberhalb der Verbindungseinrichtung 10) auch aus einem anderen geeigneten Material, wie beispielsweise einem Kunststoff bestehen. Die Metalldicke kann dabei im Bereich von etwa 1 bis 5 mm oder bevorzugt von 2 bis 4 mm liegen, wobei eine gute akustische Ankopplung erreicht werden kann.
Im oberen Bereich des Rohrteils 9 ist die Verbindungseinheit 10 angeordnet, mittels der einerseits das Rohrteil 9 und damit auch die gesamte Messvorrichtung 1 nach Einsetzen in den Tank T mechanisch festgehalten und fixiert wird, und auch eine Abdichtung gegenüber austretendem Fluid F aus den Tank T erreicht wird. Insbesondere ist die Verbindungseinheit 10 derart ausgebildet, dass sie entlang einer vorbestimmten Länge in der Ausdehnungsrichtung des geraden Teils des Rohrteils 9 ausgebildet ist, und dass die Verbindungseinheit 10 aus einem Material besteht, beispielsweise aus einem zähen Kunststoff, das die Dichtfunktion erfüllt und gleichzeitig eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweist. Insbesondere liegt die Verbindungseinheit 10 an der äußeren Oberfläche des Rohrteils 9 großflächig und bündig an, sodass auch bei einer Längsverschiebung (beispielsweise während der Montage oder auch zum Toleranzausgleich bei unterschiedlichen Temperaturen) des Rohrteils 9 in der Verbindungseinrichtung 10 die Funktion der Abdichtung aufrecht erhalten wird. Es wird somit trotz der Möglichkeit einer Längsverschiebung des Rohrteils 9 in der Verbindungseinheit 10 die Abdichtung gegenüber austretendem Fluid aufrecht erhalten (Fluid-dicht). Die Abdichtung ist ebenfalls wirksam in Bezug darauf, dass Fremdstoffe von außen in den Tank T eindringen können.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung der Sensoreinheit 3 auf der Baugruppe 4 und dem elastischen Andrücken der Sensoreinheit 3 an die Unterseite des Gehäuses 2 (auch gemäß 6 an die Wölbung 15) wird die erstrebte gute Ankopplung in schalltechnischer Hinsicht an das Fluid F erreicht. Die Anordnung der Sensoreinheit 3 auf der Baugruppe führt jedoch auch zu sehr kurzen Leitungswegen zwischen der auf der Baugruppe 4 angeordneten Schaltungsanordnung der Auswertungseinrichtung 40 und der Sensor-einheit 3. Mit der Anordnung der Sensoreinheit 3 und damit der darin enthaltenen Ultraschallerzeugungselemente und Ultraschallempfangselemente sehr nahe an der elektronischen Schaltung der Auswertungseinrichtung 40 für die empfangenen Signale und zur Steuerung der ausgesendeten Ultraschallsignale werden mit den kurzen Leitungsverbindungen kurze Laufzeiten der Signale auf den entsprechenden Leitungsverbindungen innerhalb und zu der Baugruppe 4 erreicht, sodass insbesondere bei der Referenzmessung zu der Referenzfläche 12 oder dem Referenzreflektor 18 mit kurzen Laufwegen die Gefahr von Störungen oder Signalverfälschungen erheblich geringer ist. Auch wirkt sich diese Anordnung sehr vorteilhaft auf die Signallaufzeit auf der Baugruppe 4 aus, sodass die Genauigkeit der Messung mit dieser Anordnung erheblich unterstützt wird. Hierzu kann die Auswertungseinrichtung 40 auf der Oberseite und/oder der Unterseite der Baugruppe 4 angeordnet sein. In jedem Fall ist die Auswertungseinrichtung 40 nahe bei der Sensoreinheit 3 angeordnet.
Des Weiteren kann eine kompakte Ausführung der gesamten Messvorrichtung 1 erreicht werden. Die Messvorrichtung 1 kann somit als ein Messmodul aufgebaut werden, das in eine Vielzahl von Ausführungen eines Tanks T eingesetzt werden kann. Insbesondere die in den Abmessungen kleinere Variante gemäß der Darstellung in 5 ist geeignet, auch in einen Tank T mit einem kleinen Volumen eingesetzt zu werden.
Die geringen Leitungswege zwischen der elektronischen Schaltungsanordnung der Auswertungseinrichtung 40 auf der Baugruppe 4 und der Sensoreinheit 3 (auch in Verbindung mit dem Anschlussbereich 16 der Zuleitungen 11) gewährleistet die Vorteile in Bezug auf eine geringe Signalverfälschung und einem optimierten Signal-Rausch-Abstand (vorteilhaftes S/N-Verhalten) durch die erreichten kurzen Laufzeiten auf den kurzen Leitungsverbindungen. Auch kleine Laufzeiten der Ultraschallsignale bei der Messung insbesondere bei einem niedrigen Stand des Fluids F im Tank T können in genauer Weise erfasst werden. Es kann somit die Referenz-Messstrecke 19 in Verbindung mit dem Referenzreflektor 18 oder der Referenzfläche 12 klein gehalten werden.
Die Auswertungseinrichtung 40 umfasst eine elektronische Schaltungsanordnung und dient zur Auswertung und Verarbeitung von Signalen beliebiger Art, zur Speicherung von Daten und Programmen, zur Steuerung oder Regelung von Vorgängen, zur Leistungs- oder Energieversorgung, gegebenenfalls mit einer Regelung sowie zur zeitlichen Steuerung von Vorgängen. Sie bildet auch eine Schnittstelle nach außen zu einem angeschlossenen Computer. Die Baugruppe kann aus einer oder mehreren miteinander verbundenen Leiterplatten oder Platinen bestehen und die Vielzahl der Bauelemente aufnehmen.
Des Weiteren ist die Sensoreinheit 3 entsprechend der in vorbestimmter Weise elastischen Lagerung auf und in Verbindung mit der Baugruppe 4 und den Tragelementen 6 gegenüber Erschütterungen geschützt, sodass insbesondere bei einer Sensoreinheit 3 auf der Basis einer Piezo-Keramik mit einer langen Lebensdauer gerechnet werden kann.
Der modulartige Aufbau und die entsprechende Anordnung der Sensoreinheit 3 auf der Platine 4 gestützt durch die Tragelemente 6 sowie der Anordnung dieser Bauteile in dem Gehäuse 2, das durch das Bodenteil 5 abgeschlossen ist, ermöglicht die kompakte Bauweise, eine gute Ankupplung an das Fluid F sowie durch die kurzen Leitungswege auch präzise Messungen bei kurzen Laufzeiten, sodass insgesamt ein einfacher kompakter Aufbau und gleichzeitig eine sehr genaue Messung gewährleistet sind.
Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den zugehörigen Figuren beschrieben.
Für den auf diesem Gebiet tätigen Fachmann ist es jedoch selbstverständlich, dass die Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung gemäß den beschrieben Figuren und die für die jeweiligen Bauteile und Komponenten verwendeten Bezugszeichen in den Figuren und in der Beschreibung sowie die beispielhaften Angaben nicht einschränkend auszulegen sind.
Auch sind die in den einzelnen Figuren angegebenen Formen und Proportionen für ein besseres Verständnis überwiegend schematisch und vereinfacht dargestellt. Die Erfindung ist somit auf die angegebenen Darstellungen und insbesondere auf die Dimensionen und Formen nicht beschränkt. Vielmehr werden als zur Erfindung gehörig sämtliche Ausführungsformen und Varianten angesehen, die unter die beigefügten Patentansprüche fallen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2005/0284217 A1 [0007]
DE 102007059853 A1 [0008]
DE 102009000062 A1 [0009]

Claims

Messvorrichtung zur Erfassung eines Füllstands eines Fluids (F) in einem Tank (T) mittels Ultraschallsignalen, mit – einer Sensoreinheit (3), die ausgebildet ist zum Senden und Empfangen von Ultraschallsignalen, und – einer Auswertungseinrichtung (40), die ausgebildet ist zum Auswerten der empfangen Ultraschallsignale, wobei – die Sensoreinheit (3) und die Auswertungseinrichtung (40) auf einer gemeinsamen Baugruppe (4) angeordnet sind, und – die Baugruppe (4) in einem Gehäuse (2) der Messeinrichtung (1) angeordnet ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Auswertungseinrichtung (40) und die Sensoreinheit (3) auf der Baugruppe (4) benachbart zueinander angeordnet sind.
Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Baugruppe (4) elastisch in dem Gehäuse (2, 5) befestigt ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Baugruppe (4) mittels zumindest eines Tragelements (6) im Gehäuse (2) elastisch gestützt wird und die auf der Baugruppe (4) angeordnete Sensoreinheit (3) an eine innere Oberfläche eines Gehäuseteils des Gehäuses (2) elastisch angedrückt wird.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner mit einem Rohrteil (9), das Fluid-dicht in dem Gehäuse (2) befestigt ist und zur Aufnahme von Zuleitungen (11) dient, die in einem Anschlussbereich (16) der Baugruppe (4) mit dieser elektrisch verbunden sind.
Messvorrichtung nach Anspruch 5, wobei an dem Rohrteil (9) eine Referenzfläche (12) in einem vorbestimmten Abstand zum Gehäuse (2) angeordnet ist und zur Durchführung einer Referenzmessung dient.
Messvorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Rohrteil (9) eine Verbindungseinrichtung (10) aufweist zum Befestigen und Abdichten des Rohrteils (9) gegenüber dem Tank (T) nach dem Einsetzen der Messvorrichtung (1) in den Tank (T).
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Sensoreinheit (3) vorgesehen ist zur Durchführung einer Füllstandmessung und Aussenden von Ultraschallsignalen in Richtung des Gehäuses (2), und ferner ausgebildet ist zur Durchführung einer Referenzmessung mittels Ultraschallsignalen und Senden der Ultraschallsignale für die Referenzmessung in die gleiche oder eine davon unterschiedliche Richtung.
Messvorrichtung nach Anspruch 8, wobei ein Referenzreflektor (18) im Tank (T) im Bereich des Tankbodens angeordnet ist, und eine Referenzstrecke (19) von der Sensoreinheit (3) zu dem Referenzreflektor (18) verläuft.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei zumindest eine der Komponenten des Gehäuses (2) oder des Rohrteils (9) aus Edelstahl gebildet ist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Sensoreinheit (3) auf einer oberen Seite der Baugruppe (4) und die Auswertungseinrichtung (40) auf der unteren Seite der Baugruppe (4) angeordnet sind.