DE102012207732A1

DE102012207732A1 - Verfahren zur Ermittlung der Ultraschallgeschwindigkeit in einer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE102012207732A1
Application number: DE201210207732
Authority: DE
Inventors: Philippe Grass; Stephan Heinrich; Markus Herrmann; Andreas Ott; Denny Schädlich
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2012-05-09
Filing date: 2012-05-09
Publication date: 2013-11-14

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Ermittlung der Ultraschallgeschwindigkeit in einer in einem Gehäuse befindlichen Flüssigkeit mithilfe eines Ultraschallsensors beschrieben. In einem ersten Schritt wird die Ultraschallgeschwindigkeit auf Basis der Laufzeitdifferenz zwischen einem zweiten Referenzpunkt und einem ersten Referenzpunkt ermittelt. In einem weiteren Schritt wird der Abstand des ersten Referenzpunktes vom Ultraschallsensor kalibriert, so dass die Ultraschallgeschwindigkeit auch bei einem niedrigeren Füllstand als der zweite Referenzpunkt frei von Verfälschungen durch die Gehäusewand, Koppelschicht etc. ermittelt werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Ultraschallgeschwindigkeit in einer in einem Gehäuse befindlichen Flüssigkeit mithilfe eines Ultraschallsensors entlang einer einen ersten Referenzpunkt und einen darüber angeordneten zweiten Referenzpunkt aufweisende Messstrecke.
Für Messungen in Flüssigkeiten, ob Flüssigkeitsstand, Temperatur oder Konzentrationen u. a., werden heute Ultraschallsensoren eingesetzt. Diese messen die Ultraschalllaufzeit vom Sensor zu einem Referenzpunkt, bei dem es sich meist um eine Art Reflektor handelt, der sich in der Messstrecke befindet. Mithilfe der bekannten Weglänge vom Ultraschallsensor zum Referenzpunkt und der gemessenen Laufzeit wird dann die Ultraschallgeschwindigkeit berechnet. Mithilfe der ermittelten Ultraschallgeschwindigkeit können dann weitere Messgrößen, wie beispielsweise der Flüssigkeitsstand, bestimmt werden. Um die Ultraschallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit bestimmen zu können, muss natürlich die Strecke zwischen Messgehäuse und Referenzpunkt mit Flüssigkeit gefüllt sein.
Zur Durchführung der obigen Messung wird der Ultraschallsensor über eine Koppelschicht mit der Wandung des Messgehäuses in Kontakt gebracht. Sowohl die Koppelschicht als auch die Wandung des Messgehäuses sind mit prozessbedingten Toleranzen behaftet und beeinflussen somit die Laufzeit vom Ultraschallwandler zum Reflektor, so dass sich entsprechende Ungenauigkeiten ergeben.
Um diesen Einfluss auszuschließen, ist es bekannt, entsprechende Messungen mit zwei Referenzpunkten durchzuführen. Hierbei wird eine Messstrecke eingesetzt, bei der ein zweiter Referenzpunkt über einem ersten Referenzpunkt angeordnet ist.
Der Abstand beider Referenzpunkte voneinander ist hierbei definiert und bekannt. Bei der Produktion ist es möglich, die Referenzpunkte in der Form eines Bauteiles zu fertigen, um enge Toleranzen zu erhalten. Bei diesem Aufbau wird die Laufzeit zwischen dem ersten Referenzpunkt und dem zweiten Referenzpunkt gemessen und somit der Einfluss des mechanischen Aufbaus (Gehäusewand, Koppelschicht etc.) ausgeschlossen.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass die benötigte Messstrecke verdoppelt wird. Mit anderen Worten, um die Ultraschallgeschwindigkeit ermitteln zu können, muss die Strecke vom Messgehäuse bis zum zweiten Referenzpunkt mit Flüssigkeit gefüllt sein. Bei Füllstandsmessungen bedeutet dies, dass der minimale Füllstand immer oberhalb des zweiten Referenzpunktes liegen muss. Sinkt der Füllstand unter den zweiten Referenzpunkt, ist es nicht mehr möglich, mit diesem Verfahren die Ultraschallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit zu bestimmen, die für die Füllstandsermittlung benötigt wird.
Mit der zuletzt beschriebenen Methode können daher keine Füllstandsmessungen durchgeführt werden, bei denen der Füllstand im Laufe der Zeit bis unter den zweiten Referenzpunkt absinkt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung der Ultraschallgeschwindigkeit der eingangs beschriebenen Art zur Verfügung zu stellen, das auch bei einem geringen Füllstand eine besonders genaue Ermittlung der Ultraschallgeschwindigkeit ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der angegebenen Art durch die folgenden Schritte gelöst:

A: Bei einem Füllstand deutlich höher als der zweite Referenzpunkt standardmäßiges Ermitteln der Ultraschallgeschwindigkeit (v) durch Messung der Laufzeitdifferenz (t_D) zwischen den beiden Referenzpunkten bei bekannter Distanz (s_D) zwischen den beiden Referenzpunkten gemäß v = s_D/t_D;
B: bei sich dem zweiten Referenzpunkt annäherndem Füllstand Ermitteln der Ultraschallgeschwindigkeit (v) wie bei Schritt A, Messen der Laufzeit (t₁) bis zum ersten Referenzpunkt und Kalibrieren des Abstandes (s₁) des ersten Referenzpunktes vom Ultraschallsensor gemäß s₁k = t₁·v, wobei v die vorher ermittelte Ultraschallgeschwindigkeit ist und
C: bei einem Flüssigkeitsstand unterhalb des zweiten Referenzpunktes Messen der Laufzeit (t₁) bis zum ersten Referenzpunkt und Verwenden des kalibrierten Abstandes s1k zur Berechnung der Ultraschallgeschwindigkeit gemäß v = s₁k/t₁.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit bei hohem Füllstand (der Füllstand liegt über dem zweiten Referenzpunkt) die Ultraschallgeschwindigkeit standardmäßig (auf bekannte Weise) ermittelt. Nähert sich der Füllstand dem zweiten Referenzpunkt, wird – um die Schallgeschwindigkeit später bei weiter absinkendem Füllstand ermitteln zu können – der Abstand des ersten Referenzpunktes vom Ultraschallsensor kalibriert. Mit anderen Worten, da die mittels zwei Referenzpunkten ermittelte Schallgeschwindigkeit der allein mittels dem ersten Referenzpunkt ermittelten Schallgeschwindigkeit entsprechen muss, kann ein kalibrierter Abstand (s₁k) des ersten Referenzpunktes vom Ultraschallsensor berechnet werden, um auf diese Weisung die durch die Wandung des Messgehäuses, die Koppelschicht etc. verursachten prozessbedingten Toleranzen auszuschließen.
Bei einem Flüssigkeitsstand unterhalb des zweiten Referenzpunktes kann dann erfindungsgemäß die Ultraschallgeschwindigkeit unter Verwenden des kalibrierten Abstandes s1k durch Messen der Laufzeit bis zum ersten Referenzpunkt gemäß v = s₁k/t₁ ermittelt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann somit die Ultraschallgeschwindigkeit einer Flüssigkeit auch bei einem geringen Füllstand unterhalb des zweiten Referenzpunktes genau ermittelt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann daher insbesondere an einem Flüssigkeitsgehäuse mit fallendem Füllstand durchgeführt werden, das heißt, anfangs wird die Ultraschallgeschwindigkeit standardmäßig mithilfe der beiden Referenzpunkte ermittelt, während die Ultraschallgeschwindigkeit danach bei abgesunkenem Füllstand nur noch auf Basis des ersten Referenzpunktes unter Verwendung des vorher ermittelten Schallgeschwindigkeitswertes bestimmt wird. Nachdem das Gehäuse wieder mit Flüssigkeit aufgefüllt worden ist und der Flüssigkeitsstand wieder über dem zweiten Referenzpunkt liegt, kann die Ultraschallgeschwindigkeit wieder auf standardmäßige Weise durch Messen der Laufzeitdifferenz zwischen den beiden Referenzpunkten ermittelt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere an einem in einem Fahrzeug befindlichen, mit Flüssigkeit gefüllten Gehäuse durchgeführt. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Kraftstofftank oder um ein anderes, eine für den Betrieb des Fahrzeuges benötigte Flüssigkeit aufnehmendes Gehäuse handeln.
In Weiterbildung der Erfindung kann der Abstand s1 des ersten Referenzpunktes vom Ultraschallsensor bei niedrigem Füllstand in zeitlichen Abständen neu kalibriert werden. Hierdurch werden Veränderungen der Koppelschicht über die Lebensdauer berücksichtigt bzw. kompensiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung der Ultraschallgeschwindigkeit in einer Flüssigkeit kann zur Ermittlung von weiteren Messgrößen eingesetzt werden, insbesondere zur Bestimmung des Füllstandes der Flüssigkeit im Gehäuse. Mit dem Verfahren kann der Füllstand auch unterhalb des zweiten Referenzpunktes gemessen werden. Hierbei wird die Laufzeit t_F bis zur Flüssigkeitsoberfläche gemessen. Unter Verwendung der erfindungsgemäß ermittelten Ultraschallgeschwindigkeit auf Basis nur des ersten Referenzpunktes wird dann der Flüssigkeitsstand nach der Formel s_F = v·t_F errechnet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen beschrieben.
Es zeigen:
1 schematisch die Darstellung eines Verfahrens zur Ermittlung der Ultraschallgeschwindigkeit bei hohem Füllstand;
2 ein entsprechendes Verfahren bei mittlerem Füllstand und
3 ein entsprechendes Verfahren bei niedrigem Füllstand.
1 zeigt schematisch ein mit einer Flüssigkeit gefülltes Gehäuse 1, wobei hier der Gehäuseboden dargestellt ist. Ein schematisch bei 2 dargestellter Ultraschallsensor kontaktiert den Gehäuseboden über eine Koppelschicht 3 und sendet Ultraschallimpulse durch den Gehäuseboden in die im Gehäuse befindliche Flüssigkeit, um die Ultraschallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit entlang einer Messstrecke 4 zu ermitteln. Entlang der Messtrecke 4 sind zwei als Reflektoren ausgebildete Referenzpunkte 5 und 6 vorgesehen, wobei sich der zweite Referenzpunkt 6 etwa am Ende der Messstrecke über dem ersten Referenzpunkt 5 befindet. Der Abstand des ersten Referenzpunktes 5 vom Ultraschallsensor 2 (Wandler) beträgt s₁, während der Abstand des zweiten Referenzpunktes 6 vom Ultraschallsensor 2 s₂ beträgt.
Die vom Wandler des Ultraschallsensors 2 abgegebenen Ultraschallimpulse sind schematisch bei 8 dargestellt. Sie treffen auf die Reflektoren der Referenzpunkte 5 und 6 und werden von diesen reflektiert. Die Laufzeiten des Ultraschalls bis zu den Referenzpunkten werden gemessen, um hieraus bei bekannten Abständen s₁ und s₂ die Ultraschallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit zu berechnen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird beispielsweise bei einem mit Flüssigkeit gefüllten Gehäuse eines Fahrzeuges durchgeführt, wobei der Füllstand 7 im Laufe der Zeit allmählich sinkt. 1 zeigt einen Zustand, bei dem der Füllstand 7 deutlich höher ist als der zweite Referenzpunkt 6. In diesem Zustand wird die Ermittlung der Ultraschallgeschwindigkeit durchgeführt, indem die Laufzeitdifferenz t_D zwischen den beiden Referenzpunkten 5, 6 bei bekannter Distanz (s_D) zwischen den beiden Referenzpunkten gemessen wird. Nach der Formel v = s_D/t_D wird dann die Ultraschallgeschwindigkeit ermittelt.
Mithilfe der ermittelten Ultraschallgeschwindigkeit kann dann beispielsweise durch Messung der Ultraschalllaufzeit bis zur Flüssigkeitsoberfläche der Füllstand 7 nach der Formel s = v·t errechnet werden.
Da die Ultraschallgeschwindigkeit hierbei auf der Basis der Laufzeitdifferenz zwischen den Referenzpunkten 6 und 5 ermittelt wird, spielen Verfälschungen des Messergebnisses durch die Koppelschicht, Gehäusewandung etc. keine Rolle.
Nähert sich nunmehr der Füllstand 7 dem zweiten Referenzpunkt 6, wird die Ultraschallgeschwindigkeit wie bei dem Verfahren gemäß 1 ermittelt. Die ermittelte Geschwindigkeit wird jetzt zum Kalibrieren des Abstandes des ersten Referenzpunktes vom Ultraschallsensor benutzt. Der kalibrierte Abstandswert s1k wird nach der Formel s1k = t₁·v errechnet, wobei t₁ die Laufzeit bis zum ersten Referenzpunkt 5 und v die vorher ermittelte Ultraschallgeschwindigkeit ist.
Auf Basis des kalibrierten Abstandes s1k kann nunmehr die Ultraschallgeschwindigkeit auch bei einem Füllstand 7 gemessen werden, der niedriger ist als der zweite Referenzpunkt 6, wie in 3 gezeigt. In diesem Zustand, d. h. bei einem Flüssigkeitsstand 7 unterhalb des zweiten Referenzpunktes 6, wird die Laufzeit t₁ bis zum ersten Referenzpunkt gemessen, und der kalibrierte Abstand s1k wird zur Berechnung der Ultraschallgeschwindigkeit gemäß v = s₁k/t₁ verwendet. Mithilfe der auf diese Weise ermittelten Ultraschallgeschwindigkeit kann dann beispielsweise der niedrige Füllstand 7 berechnet werden, indem die Laufzeit bis zur Flüssigkeitsoberfläche gemessen wird (s = v·t).

Claims

Verfahren zur Ermittlung der Ultraschallgeschwindigkeit in einer in einem Gehäuse befindlichen Flüssigkeit mithilfe eines Ultraschallsensors entlang einer einen ersten Referenzpunkt und einen darüber angeordneten zweiten Referenzpunkt aufweisenden Messstrecke mit den folgenden Schritten: A: Bei einem Füllstand deutlich höher als der zweite Referenzpunkt standardmäßiges Ermitteln der Ultraschallgeschwindigkeit (v) durch Messung der Laufzeitdifferenz (t_D) zwischen den beiden Referenzpunkten bei bekannter Distanz (s_D) zwischen den beiden Referenzpunkten gemäß v = s_D/t_D; B: bei sich dem zweiten Referenzpunkt annäherndem Füllstand Ermitteln der Ultraschallgeschwindigkeit (v) wie bei Schritt A, Messen der Laufzeit (t₁) bis zum ersten Referenzpunkt und Kalibrieren des Abstandes (s₁) des ersten Referenzpunktes vom Ultraschallsensor gemäß s₁k = t₁·v, wobei v die vorher ermittelte Ultraschallgeschwindigkeit ist und C: bei einem Flüssigkeitsstand unterhalb des zweiten Referenzpunktes Messen der Laufzeit (t₁) bis zum ersten Referenzpunkt und Verwenden des kalibrierten Abstandes s₁k zur Berechnung der Ultraschallgeschwindigkeit gemäß v = s₁k/t₁.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es an einem in einem Fahrzeug befindlichen, mit Flüssigkeit gefüllten Gehäuse durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es an einem Flüssigkeitsgehäuse mit fallendem Füllstand durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die abgesunkene Flüssigkeit im Gehäuse über den zweiten Referenzpunkt nachgefüllt und die Ultraschallgeschwindigkeit wieder gemäß Schritt A. ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (s₁) des ersten Referenzpunktes vom Ultraschallsensor bei niedrigem Füllstand in zeitlichen Abständen neu kalibriert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Ermittlung der Ultraschallgeschwindigkeit (v) der Füllstand (s_F) der Flüssigkeit im Gehäuse durch Messung der Laufzeit (t_F) bis zur Flüssigkeitsoberfläche nach der Formel s_F = v·t_F berechnet wird.