DE102012002011B4

DE102012002011B4 - Vorrichtung zur Messung eines Füllstands einer Flüssigkeit, ölgeschmierter Motor und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102012002011B4
Application number: DE102012002011.2A
Authority: DE
Inventors: Thomas Niemann; Jürgen Palloks
Original assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2012-02-03
Filing date: 2012-02-03
Publication date: 2023-12-28
Anticipated expiration: 2032-02-04
Also published as: DE102012002011A1; CZ201349A3; CZ307062B6; CN103245401B; CN103245401A

Abstract

Vorrichtung zur Messung eines Füllstands (10) einer Flüssigkeit in einem Behälter, wobei die Vorrichtung einen Dämpfungsbecher (1) und einen im unteren Bereich des Dämpfungsbechers (1) angeordneten Ultraschallsensor (4) aufweist,dadurch gekennzeichnet,dass die Vorrichtung ein vertikal im Dämpfungsbecher (1) bewegliches Reflexionselement (11) aufweist,dass die Vorrichtung einen mit dem Reflexionselement (11) verbundenen Schwimmer (8) aufweist, dassdem Reflexionselement (11) und dem Schwimmer (8) ein Abstandd besteht und der Dämpfungsbecher (1) eine Höhe h hat, unddass für den Abstand d zwischen dem Reflexionselement (11) und dem Schwimmer (8) im Verhältnis zur Höhe h des Dämpfungsbechers (1) gilt:1/2 h<d<h.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung eines Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behälter, wobei die Vorrichtung einen Dämpfungsbecher und einen im unteren Bereich des Dämpfungsbechers angeordneten Ultraschallsensor aufweist.
Gattungsgemäße Vorrichtungen sind beispielsweise aus der DE 10 2005 043 263 A1 , der DE 10 2010 011 490 A1 und der DE 10 2009 036 888 A1 bekannt. Weitere Vorrichtungen zur Messung des Füllstand mit einem Schwimmer sind aus der DE 12 48 319 A und der JP 2005-140640 A bekannt. Diese Vorrichtungen dienen insbesondere als Ölstandsmesseinrichtungen für einen Motor, insbesondere in einem Kraftfahrzeug. Das Grundprinzip ist derart, dass im unteren Bereich eines Ölbehälters, insbesondere einer Ölwanne, ein nach oben gerichteter Ultraschallsensor angeordnet ist, der Ultraschallwellen aussendet, die an der darüberstehenden Öloberfläche reflektiert werden und die reflektierte Ultraschallwelle dann von dem Ultraschallsensor wieder empfangen wird. Aus der Laufzeit des Signals wird dann mit einer Auswerteelektronik die Höhe des Ölstands berechnet. Um eine gegenüber Schwankungen und Bewegungen des Kraftfahrzeugs beruhigte und gleichmäßige Höhe des Füllstands zu haben, erfolgt die Messung innerhalb eines sogenannten Dämpfungsbechers. Dabei handelt es sich um einen vergleichsweise schmalen, becherartigen Aufbau, der oben und unten Einlässe aufweist, so dass die Höhe der Füllstands innerhalb des Dämpfungsbechers von dem umgebenden Füllstand vorgegeben wird, sich jedoch bei Schwankungen langsamer ändert.
Die Reflexion an der Oberfläche der Flüssigkeit ist besonders gut zu detektieren, wenn die Flüssigkeitsoberfläche waagerecht ist. Daher muss die Vorrichtung zur Messung des Füllstands auch möglichst senkrecht eingebaut werden. Hier sind nur geringe Toleranzen zulässig. Insbesondere wenn der zu messende Füllstand höher ist als der Dämpfungsbecher, führt eine Reflexion an einer geneigten Flüssigkeitsoberfläche dazu, dass die Reflexion den Dämpfungsbecher nicht mehr trifft, also auch nicht innerhalb des Dämpfungsbechers durch Reflexion geführt werden kann, so dass dann gar kein aktuelles Ergebnis vorliegt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der eine Erfassung des Füllstands der Flüssigkeit auch dann möglich ist, wenn die Einbaulage der Vorrichtung nicht eingehalten wird und/oder die Messung an einer geneigten Flüssigkeitsoberfläche durchgeführt werden muss.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Bei einer Vorrichtung zur Messung eines Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behälter, wobei die Vorrichtung einen Dämpfungsbecher und einen im unteren Bereich des Dämpfungsbechers angeordneten Ultraschallsensor aufweist, ist erfindungswesentlich vorgesehen, dass die Vorrichtung ein vertikal im Dämpfungsbecher bewegliches Reflexionselement aufweist und dass die Vorrichtung einen mit dem Reflexionselement verbundenen Schwimmer aufweist. Dabei besteht zwischen dem Reflexionselement und dem Schwimmer ein Abstand (d) und der Dämpfungsbecher hat eine Höhe (h). Erfindungsgemäß gilt, dass für den Abstand (d) zwischen dem Reflexionselement und dem Schwimmer im Verhältnis zur Höhe des Dämpfungsbechers gilt: $1 / 2 h < d < h .$
Die vertikale Bewegung des Reflexionselements im Dämpfungsbecher ist so zu verstehen, dass die Bewegung zumindest eine vertikale Komponente aufweist. Unter Umständen kann eine horizontale Bewegungskomponente hinzukommen. Auf diese Weise lässt sich der Messbereich auch bei geneigter Oberfläche der zu messenden Flüssigkeit deutlich erweitern. Wenn das Flüssigkeitsniveau unterhalb des oberen Endes des Dämpfungsbechers ist, so erfolgt eine Reflexion innerhalb des Dämpfungsbechers. Auch bei stärkerer Neigung und dadurch hervorgerufener schräger Reflexion wird das Signal den Ultraschallsensor erreichen, da hier gegebenenfalls Reflexionen innerhalb des Dämpfungsbechers erfolgen. Eine dadurch entstehende längere Laufzeit ist durch die Auswertung veränderter Signalformen oder mehrerer Reflexionsimpulse zu berücksichtigen. Steigt das Flüssigkeitsniveau über den Dämpfungsbecher hinaus, so dass bei einer Reflexion an einer geneigten Oberfläche das Ultraschallsignal in einen Bereich außerhalb des Dämpfungsbechers reflektiert wird, so steigt jedoch mit dem Flüssigkeitsniveau auch der Schwimmer, der das mit dem Schwimmer verbundene Reflexionselement mit gleichbleibenden Abstand mit nach oben zieht. An dem Reflexionselement kann nun innerhalb des Dämpfungsbechers ebenfalls die Messung auch bei schräger Ausrichtung des Dämpfungsbechers selbst oder der Flüssigkeitsoberfläche vorgenommen werden. Es verbleibt damit im Ergebnis bei einer Messung der Laufzeit innerhalb des Dämpfungsbechers, so dass eine Messung auch bei geneigter reflektierender Oberfläche bis zu einem weitaus höheren Grad möglich ist. Dadurch ist nahezu eine Verdopplung des Messbereichs auch bei gegenüber der Einbaulage des Dämpfungsbechers geneigter Oberfläche der Flüssigkeit möglich.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Dämpfungsbecher am oberen Ende eine ultraschallrelevante Markierung auf. Wenn der Ultraschallsensor ein an dieser ultraschallrelevanten Markierung reflektiertes Signal empfängt, so kann eine zugehörige Steuerelektronik erkennen, dass das Flüssigkeitsniveau die Höhe der ultraschallrelevanten Markierung erreicht hat oder höher ist als der Dämpfungsbecher. Bevorzugt ist die ultraschallrelevante Markierung als waagerechte Stufe in eine Kappe integriert, wobei die Kappe den Dämpfungsbecher nach oben abschließt und vor allem gegen das Eindringen von Ölschaum schützt.
Die Vorrichtung weist bevorzugt eine Steuerelektronik auf, die zwei Betriebsmodi unterscheidet, nämlich einen ersten Betriebsmodus, in dem die Vorrichtung solange gesteuert wird wie das Flüssigkeitsniveau unterhalb der Oberkannte des Dämpfungsbechers ist, und einen zweiten Betriebsmodus, der verwendet wird, wenn das Flüssigkeitsniveau oberhalb des Dämpfungsbechers ist. Die Betriebsmodi unterscheiden sich bevorzugt vor allem dadurch, dass der Ultraschallsensor in den beiden Betriebsmodi mit unterschiedlichen Frequenzen arbeitet. Insbesondere ist im zweiten Betriebsmodus die Ultraschallfrequenz auf das in der Vorrichtung verwendete Reflexionselement ausgerichtet.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Schwimmer im Ruhezustand am oberen Ende des Dämpfungsbechers positioniert. Der Schwimmer ist bevorzugt mit einer Art Leine, Faden oder Draht, eventuell auch mit einer Art Stange, mit dem Reflexionselement verbunden. Der Begriff „Ruhezustand“ ist so zu verstehen, dass der Schwimmer in diesem Ruhezustand nicht auf einem bestimmten Flüssigkeitsniveau liegt oder von diesem getragen ist, sondern es sich um die Position handelt, die der Schwimmer einnimmt, wenn er nicht aufschwimmt. Für den auf diese Weise definierten Abstand (d) zwischen Schwimmer und Reflexionselement gilt, dass dieser Abstand größer ist als 50% der Höhe des Dämpfungsbechers, besonders bevorzugt auch größer als 75% oder 80%, jedoch kleiner ist als der Dämpfungsbecher. Wenn (h) die Höhe des Dämpfungsbechers ist, so lässt sich dies mit folgender Formel ausdrücken: $\frac{1}{2} h < d < h$
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das bewegliche Reflexionselement in einem Kanal innerhalb des Dämpfungsbechers geführt. Dieser ist oben und unten offen, damit von unten Flüssigkeit zwischen Ultraschallsensor und Reflexionselement gelangen kann und eine Reflexion an dem Reflexionselement überhaupt möglich wird. Gerade bei einem vergleichsweise kleinen Kanal lässt sich auch bei großen Neigungen eine gute Führung des reflektierten Ultraschallsignals in dem Kanal erreichen.
Bevorzugt ist die zu messende Flüssigkeit Öl, das in einem Behälter, insbesondere einer Ölwanne, aufgefangen wird und wobei mit der Vorrichtung der Füllstand oder der Ölstand innerhalb der Ölwanne gemessen wird.
Die Erfindung betrifft daher insbesondere einen ölgeschmierten Motor, wobei der Motor eine Vorrichtung zur Messung des Ölstands in einem Ölbehälter, insbesondere eine Ölwanne aufweist. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen ölgeschmierten Motor.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Die schematischen Darstellungen zeigen in:

1: einen Dämpfungsbecher als Teil einer Ölstandsmesseinrichtung;
2a: einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung bei einem Flüssigkeitsniveau, das niedriger ist als der Dämpfungsbecher; und
2b: einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei das Flüssigkeitsniveau höher ist als der Dämpfungsbecher.

In 1 ist ein Dämpfungsbecher 1 als Teil einer Ölstandsmesseinrichtung dargestellt. Der Dämpfungsbecher ist hier zweiteilig ausgebildet und weist den unteren eigentlichen Dämpfungsbecher 1 und eine auf diesen aufgesetzte Kappe 5 auf. Die Kappe 5 und der Dämpfungsbecher 1 können zweiteilig oder auch einstückig miteinander ausgebildet sein. Die Kappe 5 schließt den Dämpfungsbecher 1 nach oben ab. Der Dämpfungsbecher 1 ist mit seinem unteren Ende an einer Flanschgruppe 2 montiert. Auf der Flanschgruppe 2 ist ein Ultraschallwandler 4 mit Steuerelektronik vorgesehen, der den Füllstand misst. Die gesamte Ölstandsmesseinrichtung ist an der Unterseite der Ölwanne montiert und befindet sich, aufgrund der Öffnung in der Ölwanne im direkten Kontakt mit dem Motoröl. Die axiale Gummidichtung 3 schließt das System nach außen öldicht ab. In dem Dämpfungsbecher 1 sind im unteren Bereich Öffnungen vorgesehen, die das Ein- und Ausströmen des Öls ermöglichen. Um dies im beliebigen Umfang zu ermöglichen, weist der Dämpfungsbecher eine Entlüftungsöffnung 6 auf.
In den 2a und 2b ist ein schematischer Querschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt. In 2a ist das Flüssigkeitsniveau 10 durch eine Wellenlinie eingezeichnet und liegt unter dem oberen Ende des Dämpfungsbechers 1. In 2b ist das Flüssigkeitsniveau 10 oberhalb des Dämpfungsbechers 1. In den 2a und 2b ist mit 1 der Dämpfungsbecher bezeichnet, der im oberen Bereich mit einer Kappe 5 abgeschlossen ist. Diese weist eine Stufe 7 auf, die eine ultraschallrelevante Markierung darstellt. Am Boden des Dämpfungsbechers 1 ist ein Ultraschallsensor 4 angeordnet, mit dem Ultraschallwellen 15 entweder im Hauptteil des Dämpfungsbechers nach oben gesandt werden oder in 2b, als Ultraschallwellen 16 innerhalb eines Kanals 12 nach oben gesandt werden. Der Kanal 12 ist Teil des Dämpfungsbechers 1 und dient der Aufnahme und Führung eines Reflexionselements 11, das insbesondere an seiner Unterseite eine Reflexionsfläche aufweist. Das Reflexionselement 11 ist mit einem Faden, Draht oder einer Stange, jedenfalls einem eine maximale Länge aufweisendem Verbindungselement 13 mit einem Schwimmer 8 verbunden, der am oberen Ende des Kanals 12 positioniert ist. Das obere Ende des Kanals 12 entspricht auch dem oberen Ende des Dämpfungsbechers 1. Die Länge des Verbindungselements 13, also der Abstand zwischen dem Reflexionselement 11 und dem Schwimmer 8 ist größer als die halbe Höhe des Dämpfungsbechers 1 bevorzugt auch größer als 75% und sogar 80% der Höhe des Dämpfungsbechers 1, naturgemäß jedoch kleiner als die Höhe des Dämpfungsbechers. In 2a befindet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem ersten Betriebsmodus, in dem der Ultraschallsensor 4 Ultraschallwellen 15 einer bestimmten Frequenz nach oben aussendet. Diese werden an der Flüssigkeitsoberfläche reflektiert und zurückgesandt. Steigt das Flüssigkeitsniveau 10 bis zum oberen Endbereich des Dämpfungsbechers 1 und erreicht die Kappe 5 mit der ultraschallrelevanten Markierung 7, so erkennt eine Steuerelektronik 20 das Erreichen dieses Flüssigkeitsniveaus. Der Ultraschallsensor 2 wird daraufhin in einen zweiten Betriebsmodus geschaltet und sendet eine Ultraschallwelle 16 einer anderen Ultraschallfrequenz aus. Diese Ultraschallfrequenz ist auf das Reflexionselement 11 mit seiner zugehörigen Reflexionsfläche ausgelegt.
Bei einem über den Dämpfungsbecher 1 steigenden Flüssigkeitsniveau 10 steigt auch der Schwimmer 8 auf, der dementsprechend mit dem Verbindungselement 13 das Reflexionselement 11 in dem Kanal 12 nach oben zieht. Die Messung der Höhe erfolgt über das Reflexionselement 11. Im Ergebnis kann dadurch ein Flüssigkeitsniveau 10, das nahezu der doppelten Höhe des Dämpfungsbechers 1 entspricht, gemessen werden, wobei die Messung jeweils innerhalb des Dämpfungsbechers 1 erfolgt. Durch mögliche Reflexion innerhalb des Dämpfungsbechers 1 bzw. durch Reflexion innerhalb des Kanals 12 können dabei Neigungen von 30° oder sogar mehr kompensiert werden. Insgesamt erhöht sich dadurch die Verfügbarkeit der Messergebnisse erheblich. Auch bei Schrägstand des Kraftfahrzeugs, zum Beispiel am Berg oder bei geneigten Flüssigkeitsoberflächen zum Beispiel aufgrund von Beschleunigung, ist eine Messung des Flüssigkeitsniveaus noch möglich.
Die Reflexionsfläche des Reflexionselements 11 dient im Betriebsmodus 1 in 2a aufgrund seiner bekannten Höhe auch als Referenzstrecke, so dass anhand dieser Referenzfläche die temperatur- und flüssigkeitsspezifische Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwelle bestimmt werden kann. Im Betriebsmodus 2 dient die Stufe 7 als bekannter Referenzabstand für die Bestimmung der temperatur- und flüssigkeitsabhängigen Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwelle in dem entsprechenden Medium.

Claims

Vorrichtung zur Messung eines Füllstands (10) einer Flüssigkeit in einem Behälter, wobei die Vorrichtung einen Dämpfungsbecher (1) und einen im unteren Bereich des Dämpfungsbechers (1) angeordneten Ultraschallsensor (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein vertikal im Dämpfungsbecher (1) bewegliches Reflexionselement (11) aufweist, dass die Vorrichtung einen mit dem Reflexionselement (11) verbundenen Schwimmer (8) aufweist, dass dem Reflexionselement (11) und dem Schwimmer (8) ein Abstand d besteht und der Dämpfungsbecher (1) eine Höhe h hat, und dass für den Abstand d zwischen dem Reflexionselement (11) und dem Schwimmer (8) im Verhältnis zur Höhe h des Dämpfungsbechers (1) gilt: $1 / 2 h < d < h .$
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dämpfungsbecher (1) am oberen Ende eine ultraschallrelevante Markierung (7) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Steuerelektronik (20) aufweist, die zwei Betriebsmodi unterscheidet, nämlich einen ersten Betriebsmodus, in dem das Flüssigkeitsniveau (10) unterhalb des oberen Endes des Dämpfungsbechers (1) ist, und einen zweiten Betriebsmodus, bei dem das Flüssigkeitsniveau (10) oberhalb des Dämpfungsbechers (1) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor (4) in den beiden Betriebsmodi mit unterschiedlichen Ultraschallfrequenzen arbeitet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwimmer (8) im Ruhezustand am oberen Ende des Dämpfungsbechers (1) positioniert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Reflexionselement (11) in einem Kanal (12) innerhalb des Dämpfungsbechers (1) geführt ist.
Ölgeschmierter Motor, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor eine Vorrichtung zur Messung des Ölstands in einem Ölbehälter aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist.
Kraftfahrzeug mit einem ölgeschmierten Motor nach Anspruch 7.