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Hintergrund
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Pegelsensoren und/oder Konzentrationssensoren auf Ultraschallbasis.
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Ultraschallwandler können benutzt werden zum Messen einer Distanz zu der Oberfläche einer Flüssigkeit bzw. eines Fluids. In einigen Situationen wird ein Messwandler an der Oberseite eines Tanks für eine Flüssigkeit positioniert. In vielen Fällen ist der interessierende Tank ein Flüssigkeitstank (zum Beispiel ein Kraftstofftank) eines Kraftfahrzeugs, eines Lastkraftwagens oder eines anderen Fahrzeugs. Ein Ultraschallsignal wird durch den Messwandler erzeugt, und die Zeit, welche das Signal benötigt zum Laufen von dem Messwandler an der Oberseite des Tanks zu der Oberfläche der Flüssigkeit, Zurückreflektieren von der Oberfläche der Flüssigkeit und Zurückkehren zu dem Messwandler, wird gemessen. Wenn bestimmte Informationen hinsichtlich des Tanks bekannt sind, wie zum Beispiel sein Volumen oder seine Abmessungen, kann die Zeitmessung in einer Berechnung verwendet werden, um zu bestimmen, wie viel Flüssigkeit sich in dem Tank befindet.
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Zusammenfassung
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Bei einer Ausführungsform stellt die Erfindung einen Ultraschallsensor zum Messen eines Pegels und einer Konzentration von einem Fluid bereit, welcher ausgestaltet ist, an dem Boden des Tanks angeordnet zu werden. Der Ultraschallsensor umfasst ein Ziel, einen Messwandler und eine Steuereinheit, wie zum Beispiel einen Mikrocontroller oder eine andere Steuereinheit basierend auf Prozessoren. Das Ziel wird auf einen vorherbestimmten Niveau positioniert. Der Messwandler ist elektrisch mit der Steuereinheit verbunden. Im Allgemeinen sind die Steuereinheit und der Messwandler Teil einer einzigen Einheit (obwohl die Steuereinheit getrennt von oder entfernt von dem Messwandler positioniert werden könnte). Der Messwandler ist ausgestaltet, ein Ultraschallsignal zu erzeugen, eine Reflexion von dem Ultraschallsignal von mindestens einem von dem Ziel und einer Oberfläche einer Flüssigkeit bzw. eines Fluids zu empfangen und ein Signal basierend auf der Reflexion zu erzeugen. Die Steuereinheit ist ausgestaltet, das Signal von dem Messwandler zu empfangen und zu bestimmen, ob ein Pegel der Oberfläche des Fluids über dem Niveau des Ziels, unter dem Niveau des Ziels oder im Wesentlichen gleich wie das Niveau des Ziels ist.
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Anders als die meisten Ultraschallsensoren aus dem Stand der Technik, welche den Erfindern bekannt sind, verwendet der hier beschriebene Ultraschallsensor einen einzigen Messwandler anstatt von zwei oder mehr Messwandlern. Das Verwenden eines einzigen Messwandlers bietet weniger Informationen als ein Verwenden von zwei oder mehr. Vielleicht noch wichtiger ist, dass es, wenn ein einziger Messwandler verwendet wird, Fälle gibt, in denen es nicht möglich ist, bestimmte Berechnungen auszuführen oder bestimmte Bedingungen festzustellen, da der einzige Messwandler keine oder unzureichende Informationen bietet. Die Steuereinheit, welche mit dem einzigen Messwandler verbunden ist, ist ausgestaltet, diese Nachteile zu kompensieren, welche durch ein Verwenden eines einzigen Messwandlers erzeugt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine schematische Darstellung eines Ultraschallsensors, welcher an dem Boden eines Flüssigkeitsbehälters oder Fluidbehälters angeordnet ist.
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2 ist eine schematische Darstellung des Schaltkreises von dem Ultraschallsensor, welcher in der 1 dargestellt ist.
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3 ist ein Diagramm der Schallgeschwindigkeit gegen die Temperatur für verschiedene Konzentrationen eines Dieselabgasfluids bzw. DEF (engl.: diesel exhaust fluid).
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4 ist Flussdiagramm, welches die Betriebsweise einer Software darstellt, die durch eine Steuereinheit des Ultraschallsensors ausgeführt wird.
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Detaillierte Beschreibung
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Bevor irgendwelche Ausführungsformen der Erfindung im Detail erläutert werden, ist es zu verstehen, dass die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die Konstruktionsdetails und die Anordnung von Komponenten beschränkt ist, welche in der nachfolgenden Beschreibung angegeben werden oder in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt sind. Die Erfindung ist fähig zu anderen Ausführungsformen und fähig, auf verschiedene Art und Weise umgesetzt oder ausgeführt zu werden. Noch genauer sollte kein einziges Element oder Merkmal als unabdingbar oder wesentlich angesehen werden, nur weil es als ein Teil einer bestimmten Ausführungsform oder Beispiels beschrieben ist, welches hier erläutert oder angegeben wird.
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Die 1 stellt einen Ultraschallsensor 10 dar. Der Sensor 10 kann Informationen hinsichtlich des Pegels, einer Konzentration oder beidem von einem Fluid bzw. einer Flüssigkeit bereitstellen. Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Sensor 10 an dem Boden eines Tanks 12 oder eines ähnlichen Behälters, welcher mit einem Fluid 14 wie beispielsweise einem Dieselabgasfluid („DEF”) (z. B. Ad-Blue-Flüssigkeit) befüllt ist, positioniert. Die Flüssigkeit 14 weist eine obere Oberfläche 15 auf. Der Pegel der oberen Oberfläche 15 ändert sich über die Zeit hinweg, wenn die Flüssigkeit verbraucht wird, zum Beispiel in einem Abgassystem. Der Pegel- und/oder Konzentrationssensor 10 auf Ultraschallbasis umfasst ein Gehäuse 16, einen piezoelektrischen Messwandler 18 und einen Referenzpunkt oder ein Ziel 20. Das Ziel ist auf einem vorherbestimmten Niveau (als „PL” in der 1 markiert) angeordnet. Bei der gezeigten Ausführungsform umfasst der Sensor 10 eine Leiterplatte 22 mit einem Thermistor und anderen Komponenten, einschließlich einer Steuereinheit. (Diese Komponenten sind unten mehr im Detail beschrieben). Ein Signal von der Steuereinheit (welches verstärkt sein kann oder auf andere Weise durch einen Antriebsschaltkreis aufbereitet sein kann) wird an dem Messwandler 18 bereitgestellt. Der Messwandler 18 erzeugt eine Ultraschallwelle, welche sich durch die Flüssigkeit 14 ausbreitet. Ein Abschnitt der Schallwelle (durch die gestrichelte Linie 23 dargestellt) breitet sich durch die Flüssigkeit 14 hindurch zu dem Ziel 20 aus, während sich ein anderer Abschnitt der Schallwelle (durch die gestrichelte Linie 24 dargestellt) durch die Flüssigkeit 14 zu der Oberfläche 15 ausbreitet. Mindestens ein Abschnitt der Schallwelle (durch die gestrichelte Linie 25 dargestellt) wird von dem Ziel 20 zurück zu dem Messwandler 18 (als ein Echo) reflektiert. Ein anderer Abschnitt der Schallwelle (durch die gestrichelte Linie 26 dargestellt) wird von der Oberfläche 15 zurück zu dem Messwandler 18 (als ein Echo) reflektiert. In Antwort auf ein Empfangen der Reflexionen oder Echos erzeugt der Messwandler 18 ein elektrisches Signal, welches einer Steuereinheit auf einer Leiterplatte 22 bereitgestellt wird. Das Signal von dem Messwandler 18 wird in der Steuereinheit verarbeitet, um zum Beispiel ein Signal zu erzeugen, welches hinweisend auf den Pegel der Flüssigkeit 14 in dem Tank 12 ist.
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Die 2 stellt bestimmte elektrische Komponenten des Sensors 10 dar, einschließlich von Komponenten, welche auf der Leiterplatte 22 montiert sind. Bei der gezeigten Ausführungsform ist ein Thermistor 30 auf der Leiterplatte 22 montiert. Die Leiterplatte kann ebenso einen Spannungstreiber 32, einen Signalaufbereitungsschaltkreis 34, eine Steuereinheit 36 (zum Beispiel in der Form eines Mikrocontrollers), einen Ausgangstreiber 38 und einen Stromregelschaltkreis 40 umfassen. Die Steuereinheit umfasst (oder ist verbunden mit) einem Speicher, wie zum Beispiel einem RAM und einem ROM, und führt Software aus, welche in dem RAM (insbesondere während der Ausführung), dem ROM (auf einer im Allgemeinen permanenten Basis) oder einem anderen nichtflüchtigen, computerlesbaren Medium, wie zum Beispiel einem anderen Speicher oder einer Disk, gespeichert sein kann. Die Steuereinheit kann, falls erforderlich, mit solch einem Speicher oder einem Plattenlaufwerk zum Lesen von solch einer Software verbunden sein. Ein Mikroprozessor oder eine andere programmierbare Einrichtung mit geeignetem Speicher und Eingabe/Ausgabe-Einrichtungen könnten ebenso verwendet werden.
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Eine Temperaturinformation von dem Thermistor 30 (oder einem anderen Temperatursensor) wird der Steuereinheit 36 bereitgestellt und wird durch die Steuereinheit 36 verwendet, um sie zu unterstützen, Variationen in der Schallgeschwindigkeit zu kompensieren, welche als ein Ergebnis von Änderungen der Temperatur auftreten. Auf einer regelmäßigen Basis (oder wie sonst programmiert) erzeugt die Steuereinheit ein Messwandlersteuersignal, welches an den Spannungstreiber 32 geliefert wird. Der Spannungstreiber 32 verstärkt das Steuersignal von der Steuereinheit 36 oder bereitet es auf andere Art und Weise auf und stellt das verstärkte Signal dem Messwandler 18 bereit. Wenn der Messwandler 18 durch das verstärkte Signal unter Energie gesetzt ist, erzeugt der Messwandler 18 eine Ausgangsschallwelle oder noch genauer eine Ultraschallwelle. Zusätzlich zu dem Erzeugen von Schallwellen antwortet der Messwandler 18 auch auf Schallwellen (wie zum Beispiel Reflexionen oder Echos) durch ein Umwandeln der empfangenden Schallwellen in elektrische Signale (bezeichnet als ein „Reflexionssignal”). Solche Signale werden durch den Signalaufbereitungsschaltkreis 34 aufbereitet und der Steuereinheit 36 bereitgestellt. In Antwort auf ein Reflexionssignal erzeugt die Steuereinheit 36 ein Ausgangssignal, welches bezeichnend ist für die abgelaufene Zeit zwischen dem Moment, in welchem der Messwandler 18 sein Ultraschallsignal ausgesendet hat (basierend auf dem Messwandlersteuersignal), und dem Moment, wenn der Messwandler 18 eine Reflexion von dem Ultraschallsignal empfangen hat (resultierend in der Erzeugung eines Reflexionssignals). (Die Reflexion bringt den Messwandler (welcher ein piezoelektrisches Element ist) dazu, sich zu bewegen, und diese Bewegung wird in ein elektrisches Signal umgewandelt.) Diese „Fluglaufzeit” (die Zeit zwischen einer Erzeugung der Ultraschallwelle oder des Pings und einem Empfang der Reflexion oder des Echos) zusammen mit der Schallgeschwindigkeit innerhalb der Flüssigkeit 14 in dem Tank kann verwendet werden zum Bestimmen der Distanz von dem Sensor 10 zu der oberen Oberfläche 15. Mit anderen Worten kann die Höhe oder der Pegel der Flüssigkeit 14 in dem Tank bestimmt werden. (Die Zeit zwischen dem übertragenen Ultraschallpuls und dem empfangenen Echo ist proportional zu der Distanz, über welche die Schallwelle durch die Flüssigkeit gewandert ist, wie ausgedrückt durch die Gleichung: Distanz = (Schallgeschwindigkeit) × (Fluglaufzeit)/2). Vorausgesetzt, dass andere Informationen verfügbar sind und in der Steuereinheit 36 programmiert sind, kann die Distanzmessung auch verwendet werden, das Volumen der Flüssigkeit 14 in dem Tank 12 zu bestimmen. Bei einigen Ausführungsformen moduliert die Steuereinheit 36 das Leistungslevel der ausgegebenen Schallwelle von dem Messwandler 18, so dass das minimale Leistungslevel zum Empfangen eines Echos verwendet wird. Durch ein Modulieren des Leistungslevels werden mehrfache Echos daran gehindert, die Fluglaufzeit zu beeinträchtigen.
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Die Schallgeschwindigkeit der Flüssigkeit 14 bzw. des Fluids kann bestimmt werden unter Verwenden der Reflexion der Schallwelle weg von dem Referenzpunkt oder dem Ziel 20. Die Schallgeschwindigkeit der Flüssigkeit 14 ist proportional zu der Distanz, über welche die Schallwelle gewandet ist, und der Fluglaufzeit. Da das Ziel 20 bei einer bekannten Distanz von dem Messwandler 18 liegt, ist die Distanz, über welche die Schallwelle gewandert ist, bekannt. Die Fluglaufzeit der Reflexion wird wie oben diskutiert bestimmt. Daher kann die Schallgeschwindigkeit der Flüssigkeit 14 bestimmt werden durch die Gleichung: Schallgeschwindigkeit = (2 × Distanz)/(Fluglaufzeit).
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Die Steuereinheit 36 bestimmt die Konzentration der Flüssigkeit 14 unter Verwenden der berechneten Schallgeschwindigkeit und der Temperatur der Flüssigkeit 14. Die Temperatur der Flüssigkeit 14 wird basierend auf Informationen bestimmt, welche durch den Thermistor 30 bereitgestellt werden. Die Steuereinheit 36 wendet die berechnete Schallgeschwindigkeit und die bestimmte Temperatur auf eine Nachschlagtabelle wie diejenige an, welche in der 3 gezeigt ist.
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Der Sensor 10 weist drei unabhängige Betriebsmodi auf, abhängig von dem Pegel der Flüssigkeit 14 in dem Tank 12 im Verhältnis zu dem Niveau des Ziels 20. Insbesondere kann aufgrund der Konfiguration des Sensors 10 die obere Oberfläche 15 der Flüssigkeit 14 auf einer von drei allgemeinen Positionen oder Pegeln innerhalb des Tanks 12 angeordnet sein. Als erstes kann der Pegel der oberen Oberfläche 15 von der Flüssigkeit 14 über dem Ziel 20 sein. Als zweites kann der Pegel der oberen Oberfläche 15 der Flüssigkeit 14 nahe bei oder im Wesentlichen auf dem gleichen Niveau wie das Ziel 20 sein. Als drittes kann der Pegel der oberen Oberfläche 15 der Flüssigkeit 14 unter dem Niveau des Ziels 20 sein. Die Steuereinheit 36 wird in drei Modi entsprechend zu den drei Fällen oder Situationen, welche gerade beschrieben wurden, betrieben.
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Wenn zwei verschiedene Echos durch den Sensor 10 empfangen werden, wird es angenommen, dass der Pegel der Flüssigkeit 14 über dem Niveau PL des Ziels 20 ist. Das Echo mit der geringeren Fluglaufzeit, welches durch den Messwandler 18 empfangen wird, wird angenommen, die Reflexion von dem Ziel 20 zu sein. Die Fluglaufzeit der Reflexion von dem Ziel 20 wird mit einem ersten Referenzzeitfenster als eine Plausibilitätsüberprüfung verglichen. Das erste Referenzzeitfenster ist ein vorherbestimmter Bereich von plausiblen Fluglaufzeiten einer empfangenen Reflexion von dem Ziel 20. Wenn die erfasste Fluglaufzeit innerhalb dieses Bereichs liegt, wird die Schallgeschwindigkeit innerhalb der Flüssigkeit 14 wie oben diskutiert berechnet. Das Echo mit der längeren Fluglaufzeit, welches durch den Messwandler 18 empfangen wird, wird angenommen, die Reflexion von der oberen Oberfläche 15 der Flüssigkeit 14 zu sein. Die Fluglaufzeit der Reflexion von der oberen Oberfläche 15 wird mit einem zweiten Referenzzeitfenster als eine Plausibilitätsüberprüfung verglichen. Das zweite Referenzzeitfenster ist ein vorherbestimmter Bereich von plausiblen Fluglaufzeiten einer empfangenen Reflexion von der oberen Oberfläche 15. Wenn die erfasste Fluglaufzeit innerhalb des zweiten Referenzzeitfensters liegt, wird der Pegel der oberen Oberfläche 15 bestimmt unter Verwenden der berechneten Schallgeschwindigkeit (von der Reflexion von dem Ziel 20) zusammen mit der Fluglaufzeit der Reflexion von der oberen Oberfläche 15. Der Pegel wird bestimmt unter Verwenden der oben diskutierten Gleichung: Distanz = (Schallgeschwindigkeit) × (Fluglaufzeit)/2.
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Wenn ein oder zwei Echos durch den Sensor 10 innerhalb des ersten Referenzzeitfensters empfangen werden, ist der Pegel der oberen Oberfläche 15 nahe zu oder im Wesentlichen der gleiche wie das Niveau PL von dem Ziel 20. Der Pegel der oberen Oberfläche 15 wird daher festgestellt, gleich zu der Distanz von dem Ziel 20 von dem Sensor 10 zu sein.
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Wenn das erste Echo, welches empfangen wird, außerhalb des ersten Referenzzeitfensters liegt oder noch genauer in einem Zeitpunkt empfangen wird, der kürzer ist als die untere Grenze von dem ersten Referenzzeitfenster, ist der Pegel der oberen Oberfläche 15 unter dem Ziel 20. Eine abgekürzte Weise zum Angeben, dass das Echo in einem Zeitraum empfangen wird, der geringer ist als die untere Grenze von dem Referenzzeitfenster, ist es zu sagen, dass das „Echo niedriger ist als das Fenster”. Der Pegel der oberen Oberfläche 15 wird dann unter Verwenden einer angenommenen Schallgeschwindigkeit eher als einer berechneten Schallgeschwindigkeit bestimmt. Wenn das erste Echo in einer abgelaufenen Zeitdauer empfangen wird, die niedriger ist als die untere Grenze von dem ersten Referenzzeitfenster, kann die Konzentration der Flüssigkeit 14 nicht bestimmt werden.
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Die 4 ist ein Flussdiagramm, welches die Betriebsweise von einer Software darstellt, welche durch die Steuereinheit 36 ausgeführt wird. Der Prozess 100 beginnt damit, dass der Messwandler 18 ein Ultraschallsignal in der Form einer Schallwelle ausgibt (Schritt 105). Der Messwandler 18 empfängt dann ein oder zwei Echos von der Schallwelle (Schritt 110). Die Steuereinheit 36 bestimmt, ob verschiedene Echos durch den Messwandler 18 empfangen wurden (Schritt 115). Wenn zwei verschiedene Echos nicht durch den Messwandler 18 empfangen wurden, bestimmt die Steuereinheit 36, ob das empfangene Echo innerhalb des ersten Referenzzeitfensters liegt (Schritt 120). Wenn das empfangene Echo nicht innerhalb des ersten Referenzzeitfensters liegt, bestimmt die Steuereinheit 36 den Pegel der oberen Oberfläche 15 basierend auf einer angenommenen Schallgeschwindigkeit (Schritt 125). Wenn das empfangene Echo innerhalb des ersten Referenzzeitfensters liegt, bestimmt die Steuereinheit 36, dass der Pegel der oberen Oberfläche 15 gleich ist zu der Distanz von dem Ziel 20 (Schritt 130).
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Wenn die Steuereinheit 36 feststellt, dass zwei verschiedene Echos durch den Messwandler 18 empfangen wurden, stellt die Steuereinheit dann fest, ob das erste Echo innerhalb des ersten Referenzzeitfensters empfangen wurde (Schritt 135). Wenn das erste Echo, welches empfangen wird, außerhalb des ersten Referenzzeitfensters liegt, registriert die Steuereinheit 36 einen Fehler (Schritt 140). Wenn das erste Echo, welches empfangen wird, innerhalb des ersten Referenzzeitfensters liegt, stellt die Steuereinheit 36 fest, ob das zweite Echo, welches empfangen wurde, innerhalb des zweiten Referenzzeitfensters liegt (Schritt 145). Wenn das zweite Echo, welches empfangen wurde, außerhalb des zweiten Referenzzeitfensters liegt, registriert die Steuereinheit 36 einen Fehler (Schritt 150). Wenn das zweite Echo, welches empfangen wurde, innerhalb des zweiten Referenzzeitfensters liegt, bestimmt die Steuereinheit 35 die Schallgeschwindigkeit innerhalb der Flüssigkeit 14 unter Verwendung der Fluglaufzeit des ersten Echos (Schritt 155). Sodann bestimmt die Steuereinheit 35 den Pegel der oberen Oberfläche 15 unter Verwenden der berechneten Schallgeschwindigkeit innerhalb der Flüssigkeit 14 zusammen mit der Fluglaufzeit des zweiten Echos (Schritt 160).
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Die Steuereinheit 35 erzeugt ein Ausgangssignal, welches in einer digitalen oder analogen Form vorliegen kann. Das Ausgangssignal ist eine Darstellung der Konzentration (was als ein „Konzentrationssignal” bezeichnet werden kann), der Temperatur (was als ein „Temperatursignal” bezeichnet werden kann) oder eines Pegels (was als ein „Pegelsignal” bezeichnet werden kann) von der Flüssigkeit 14. Es ist ebenso möglich, dass das Ausgangssignal repräsentativ sein könnte für oder Informationen enthalten kann hinsichtlich einer Kombination einer Konzentration, einer Temperatur und/oder eines Pegels. Zum Beispiel eine Konzentration in einer ersten Gruppe von Bits oder Wörtern und ein Pegel in einer zweiten Gruppe von Bits oder Wörtern. Wie es oben angegeben wurde, kann eine Konzentration festgestellt werden unter Verwenden einer Nachschlagtabelle, welche in einem Speicher gespeichert ist, basierend auf einer Information, die zum Beispiel in der 3 gezeigt ist. Eine Temperatur kann, wie es oben erläutert ist, festgestellt werden basierend auf einer Information von dem Thermistor. Der Pegel des Fluids 14 wird auch wie oben beschrieben bestimmt. Die Steuereinheit kann zum Beispiel über eine Software ausgestaltet sein zum Bereitstellen von einem, zweien oder allen dreien von der Fluidkonzentration, der Temperatur und dem Pegel in dem Ausgangssignal. Das Ausgangssignal wird dem Ausgangstreiber 38 bereitgestellt, welcher die Messungen an eine externe Steuereinheit zum Verwalten und Steuern der Funktion eines Dieselabgasfluidsystems (DEF-Systems) von einem Fahrzeug übermittelt. Der Ausgangstreiber 38 kann die Form eines digitalen Treibers einnehmen, welcher ein Signal ausgibt, das kompatibel ist mit J1939-Standards oder mit CAN-Bus-Standards. Auf diese Weise konfiguriert, bietet der Ausgangstreiber 38 eine direkte Kommunikation mit dem Datenbus des Fahrzeugs. Der Ausgangstreiber 38 kann ein anderes geeignetes analoges oder digitales Signal abhängig von den Erfordernissen der spezifischen Anwendung erzeugen.
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Die Erfindung stellt somit unter anderen Dingen einen Sensor bereit zum Messen einer Temperatur, eines Fluidpegels und einer Konzentration einer Dieselabgasflüssigkeit. Verschiedene Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in den nachfolgenden Ansprüchen angegeben.
