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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung eines Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behälter mit einem Ultraschallsensor, wobei dem Ultraschallsensor ein Dämpfungsbecher mit mindestens einer Vorkammer zugeordnet ist, wobei in der Vorkammer Umlenkelemente angeordnet sind, die die Strömung der Flüssigkeit in der Vorkammer beeinflussen.
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Derartige Vorrichtungen zur Messung eines Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behälter sind beispielsweise aus der
EP 2366984 B1 bekannt. Es handelt sich dabei insbesondere um Behälter zur Aufnahme von Motoröl. Um den Ölstand in Motoren zu ermitteln, werden überwiegend Ultraschallsensoren eingesetzt. Diese senden Schallwellen aus, die an der Grenzfläche zwischen zwei Medien, hier zwischen Gas und Öl, reflektiert und vom Ultraschallsensor wieder empfangen werden. Aus der erfassten Laufzeit der Schallwellen kann dann der Füllstand in dem Behälter, in dem die Flüssigkeit vorhanden ist, ermittelt werden. Bei einem im Betrieb befindlichen Motor, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, ist der Füllstand des Öls jedoch nur schwer bis gar nicht zu ermitteln, da das Öl stark verschäumt ist und die Schallwellen an den Gasbläschen im Öl reflektiert werden. Die detektierten Werte streuen daher sehr stark. Um eine auswertbare Messung vornehmen zu können, wird eine eindeutige Grenzfläche zwischen dem Mediengas und Öl benötigt. Um dies zu erreichen, sind den Ultraschallsensoren sogenannte Dämpfungsbecher mit einer Vorkammer zugeordnet. Innerhalb dieser Dämpfungsbecher, welche die Messstrecke des Ultraschallsensors umhüllen, ist die zu messende Flüssigkeit beruhigt und nur durch eine kleine Öffnung des Dämpfungsbechers zum Behälter mit diesem verbunden. Durch die kleine Öffnung des Dämpfungsbechers zum Behälter gelangen weniger Gasblasen in den Dämpfungsbecher. Der Füllstand im Dämpfungsbecher entspricht dabei dem Flüssigkeitsstand außerhalb des Dämpfungsbechers, verzögert dabei jedoch Schwankungen, die z. B. durch Beschleunigungen oder Kurvenfahrten erzeugt werden. In den Druckschriften
EP 2366984 B1 und
WO 2008/009277 A1 sind dem Dämpfungsbecher auch Vorvolumen oder Vorkammern zugeordnet. Diese Vorvolumen dienen dazu, die zu messende Flüssigkeit, z. B. verschäumtes Öl, zu entgasen, so dass in die Messstrecke des Dämpfungsbechers eine Flüssigkeit einströmt, die relativ blasenfrei ist. Dabei sind in der Vorkammer Umlenkelemente angeordnet, die die Strömung der Flüssigkeit in der Vorkammer beeinflussen. Dadurch soll insbesondere eine vergleichsweise langsame Strömung erreicht werden, so dass die Flüssigkeit eine vergleichsweise lange Zeit in der Vorkammer verbleibt und die Möglichkeit besteht, dass die Gasblasen ausgasen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die den vorhandenen Bauraum besonders gut ausnutzt und dadurch auch besonders klein herstellbar ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Bei einer Vorrichtung zum Messen eines Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behälter mit einem Ultraschallsensor, wobei dem Ultraschallsensor ein Dämpfungsbecher mit mindestens einer Vorkammer zugeordnet ist, und in der Vorkammer mindestens ein Umlenkelement angeordnet ist, das die Strömung der Flüssigkeit in der Vorkammer beeinflusst, ist erfindungswesentlich vorgesehen, dass das Umlenkelement mindestens einen ersten und einen zweiten Abschnitt aufweist, die eine unterschiedliche Breite aufweisen, und dass der erste Abschnitt, der eine größere Breite hat, unterhalb des zweiten Abschnitts, der eine kleinere Breite hat, angeordnet ist.
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Das Umlenkelement ist dabei ein Element mit einer gewissen Ausdehnung, das in der Vorkammer positioniert ist und von dem Öl auf seinem Weg vom Eintritt in die Vorkammer zum Ausgang aus der Vorkammer umflossen werden muss. Durch das Umlenkelement ändert sich das Strömungsverhalten der Flüssigkeit, insbesondere des Öls, insbesondere wird die Strömung der Flüssigkeit dadurch verlangsamt. Mindestens ein Teil des Umlenkelements oder eine Projektion des Umlenkelements steht dabei senkrecht zur Fließrichtung der Flüssigkeit, so dass dadurch die Richtungsänderung der Flüssigkeit bewirkt wird. Die Strömung in der Vorkammer ist im Bodenbereich am größten. Der wesentliche Grund ist, dass die Eingangsöffnung für das Öl in die Vorkammer und auch die Ausgangsöffnung für das Öl aus der Vorkammer typischerweise in einem unteren Bereich der Vorkammer, insbesondere im Bodenbereich der Vorkammer angeordnet sind. Durch die Erfindung, bei der das Umlenkelement im unteren Bereich eine größere Breite hat als im oberen Bereich, erfolgt im unteren Bereich eine stärkere Beeinträchtigung der dort ansonsten stärkeren Strömung, so dass insgesamt über die gesamte Bauhöhe der Vorkammer gesehen eine gleichmäßigere Verlangsamung der Strömung eintritt.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Umlenkelements wird dadurch der Bauraum insgesamt besser ausgenutzt und die Vorkammer könnte bei Erreichen gleicher Ergebnisse dadurch auch kleiner gebaut werden. Die Vorkammer weist einen Zulauf auf. Bevorzugt ist das Umlenkelement im Bereich des Zulaufs am breitesten. Im Bereich des Zulaufs ist nämlich typischerweise die Strömung am Größen und dort erfolgt dann durch die Breite des Umlenkelements eine besonders starke Abschwächung, so dass eine Gleichverteilung erreicht wird. Typischerweise ist der Zulauf im Bodenbereich, so dass das Umlenkelement bevorzugt im Bodenbereich am breitesten ist. Insgesamt bildet sich durch die erfindungsgemäße Vorrichtung eine gleichverteilte Strömungsgeschwindigkeit in der Vertikalen aus. Es entsteht eine vertikale Grenzfläche der verschiedenen Strömungsbereiche. So wird das Volumen der Vorkammer optimal ausgenutzt.
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Bevorzugt ist dazu die von dem Umlenkelement eingenommene Fläche in der unteren Hälfte der Vorkammer größer als die von dem Umlenkelement in der oberen Hälfte der Vorkammer eingenommene Fläche. Bei dieser Betrachtung ist die gesamte Höhe der Vorkammer erfasst. Besonders bevorzugt verändert sich die Breite des Umlenkelements kontinuierlich. Dadurch ist eine besonders ausgeprägte Vergleichmäßigung der Strömungsgeschwindigkeit möglich. Die Umlenkelemente sind dabei in einer bevorzugten Ausführungsform unmittelbar benachbart bzw. an die Seitenwand der Vorkammer anschließend ausgebildet. Die Flüssigkeit muss daher das Umlenkelement auf einer Seite umfließen, auf der ein Freiraum zwischen dem Umlenkelement und der gegenüberliegenden Wand verbleibt, mit der das Umlenkelement nicht verbunden ist.
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In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Umlenkelement freistehend ausgebildet, d. h. es besteht keine Verbindung zu den Wänden der Vorkammer. In einem solchen Fall kann die Flüssigkeit die Umlenkelemente auf beiden Seiten umströmen. Besonders bevorzugt sind die Umlenkelemente strömungsseitig mit einem elliptischen Profil ausgebildet, das von unten nach oben schmaler wird. Bei Umlenkelementen, die beabstandet von der Wand ausgebildet sind, ist bevorzugt ein Umlenkelement mit auf beiden Seiten elliptischem Profil vorhanden. Alternativ können die Umlenkelemente auch als dreieckförmige Umlenkelement ausgebildet sein. Aufgrund der geometrischen Ausgestaltung können diese auch als Rippen bezeichnet werden, die in die Strömung hinein stehen. Alternativ können auch parabelförmige oder abgestufte Umlenkelemente verwendet werden. Wesentlicher übereinstimmender Bestandteil ist jedoch der, dass die Breite der Umlenkelemente von unten nach oben abnimmt.
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Unter der Breite der Umlenkelemente wird der Bereich verstanden, der sich senkrecht zur Flussrichtung in den Strömungsweg der Vorkammer erstreckt und dadurch ein Umfließen veranlasst. Bevorzugt erstrecken sich die Umlenkelemente über die gesamte Höhe der Vorkammer. Dadurch kann eine gleichmäßige Strömungsverteilung über die gesamte Höhe der Vorkammer erreicht werden. In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich das Umlenkelement nur über die unteren 50% bis 95%, bevorzugt über die unteren 60% bis 90%, besonders bevorzugt über die unteren 70% bis 80% der Höhe der Vorkammer. Dies insbesondere dann, wenn festgestellt wird, dass die Strömung im unteren Teil der Vorkammer derart groß ist, dass im oberen Teil der Vorkammer eine Verlangsamung der Strömungsgeschwindigkeit nicht mehr notwendig ist.
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In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung haben die Umlenkelemente auch eine räumliche Erstreckung in Flussrichtung. Die Umlenkelemente können beispielsweise pyramidenartig ausgebildet sein. Dies ist dann eine besondere Ausgestaltung einer zweidimensionalen dreieckigen Rippe.
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In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorkammer zwei in Flussrichtung hintereinander geschaltete Vorkammern auf, die insbesondere bevorzugt als konzentrische Kammern ausgebildet sind. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind in den beiden Vorkammern gleich viele Umlenkelemente angeordnet. Insbesondere sind bevorzugt in jeder Vorkammer zwei oder drei Umlenkelemente angeordnet. In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Umlenkelemente in den beiden Vorkammern jeweils spiegelsymmetrisch zu der die Vorkammern voneinander trennenden Wand angeordnet.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Umlenkelemente in demselben Kreissegment angeordnet, das weniger als 180° einfasst, insbesondere in demselben Kreissegment angeordnet, das zwischen 60° und 100° einfasst. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist zwischen den beiden so angeordneten Umlenkelementen die Einlassöffnung zur äußeren Vorkammer angeordnet.
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Weiterhin betrifft die Erfindung einen Motor, insbesondere einen Kraftfahrzeugmotor, oder ein Kraftfahrzeug, die sich jeweils dadurch auszeichnen, dass sie eine oben beschriebene Vorrichtung aufweisen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Im Einzelnen zeigen die schematischen Darstellungen in:
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1: eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2: eine geschnittene Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 1;
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3: einen Querschnitt durch das Vorvolumen der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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4: eine Ansicht des Vorvolumens der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit transparent dargestellten Wänden;
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5: eine Ansicht eines alternativen Umlenkelements;
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6: eine Ansicht einer anderen Alternative eines Umlenkelements; und
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7: eine Ansicht einer weiteren Alternative eines Umlenkelements.
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In 1 ist ein Dämpfungsbecher 1 dargestellt, der im oberen Bereich ein Rohr 2 aufweist, in dessen Inneren die Messstrecke verläuft, und der im unteren Bereich ein Vorvolumen 5 aufweist. Dieser untere Bereich setzt sich im Wesentlichen aus einer äußeren Wand 4 und einem Deckel 6 und einem Boden zusammen. Am Boden der Messstrecke 3, die im Rohr 2 angeordnet ist, befindet sich ein Ultraschallsensor, der Ultraschallwellen aussendet, die in der Messstrecke 3 verlaufen und an der Grenzfläche der zu messenden Flüssigkeit, insbesondere Öl, zu dem darüber befindlichen Medium, insbesondere Luft, reflektiert werden und dann zu dem Ultraschallsensor zurücklaufen. Aus der Laufzeit des Signals kann dann der Füllstand berechnet werden.
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In 2 ist ein Querschnitt durch den Dämpfungsbecher 1 dargestellt. In dem Rohr 2 verläuft die Messstrecke 3, an deren Boden der hier nicht dargestellte Ultraschallsensor angeordnet ist. Das Vorvolumen 5 besteht hier aus einem inneren Ring 8 und einem äußeren Ring 7. Diese werden gebildet von der äußeren Wand 4 und einer inneren Wand 9. In der Ansicht gemäß 2 ist ein Zulauf 10 für den Eintritt der Flüssigkeit aus dem Behälter in die Vorkammer 5 zu erkennen. Dieser führt zunächst in den äußeren Ring 7. Der Zulauf 10 ist im Wesentlichen ein Durchbruch durch die äußere Wand 4. Dieser befindet sich in Bodennähe, insbesondere unmittelbar benachbart zum Boden des Dämpfungsbechers 1. Die Flüssigkeit kann dann durch einen Zulauf 11 vom äußeren Ring 7 in den inneren Ring 8 eintreten. Der Zulauf 11 ist gegenüber dem Zulauf 10 um mindestens 90°, bevorzugt, so wie hier dargestellt, um 180° versetzt. Die Flüssigkeit kann dann aus dem inneren Ring 8 durch einen Zulauf 12 in die Messstrecke 3 gelangen. Der Zulauf in die Messstrecke 3 ist gegenüber dem Zulauf 11 um mindestens 90°, bevorzugt jedoch, so wie hier dargestellt, um 180° versetzt. Durch diese Anordnung der Zuläufe 10, 11 und 12 ist sichergestellt, dass die Flüssigkeit einen möglichst langen Weg in der Vorkammer 5 zurücklegt und dabei beruhigt wird und ausgast, so dass möglichst wenig Luftblasen in der Flüssigkeit sind, an denen die Ultraschallwellen reflektiert werden könnten und so das Messergebnis stören würden.
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In 3 ist ein Querschnitt durch die Vorkammer 5 dargestellt. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Vorkammer 5 ist im Wesentlichen aus der äußeren Wand 4 und der inneren Wand 9 ausgebildet, die hier als konzentrische Kreise das Rohr 2 umgeben. In der äußeren Wand 4 befindet sich der Zulauf 10, durch den die Flüssigkeit aus dem Behälter in den Dämpfungsbecher, insbesondere das Vorvolumen 5 des Dämpfungsbechers, eintritt. Die Flüssigkeit läuft dann durch den äußeren Ring 7 bis zu dem um 180° zum Zulauf 10 versetzt angeordneten Zulauf 11, durch den die Flüssigkeit von dem äußeren Ring 7 in den inneren Ring 8 gelangt. Im inneren Ring läuft die Flüssigkeit bis zum Zulauf 12, durch den die Flüssigkeit vom inneren Ring 8 in die Messstrecke 3 gelangt. Um hier eine besonders günstige Strömung auszubilden, sind im äußeren Ring 7 zwei Umlenkelemente 13 angeordnet. Im inneren Ring 8 sind zwei Umlenkelemente 14 angeordnet. In jedem Ring können ein, zwei, drei oder mehr Umlenkelemente angeordnet sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind in jedem Ring zwei Umlenkelemente angeordnet. Die Umlenkelemente sind hier jeweils angrenzend an die innere Wand 9 angeordnet, so dass jeweils an der Außenseite ein Durchflussbereich verbleibt. Die Umlenkelemente 13, 14 im inneren Ring 8 sind spiegelsymmetrisch hinsichtlich der inneren Wand 9 zu den Umlenkelementen 13 im äußeren Ring 7 angeordnet und ausgebildet. Die zwei in einem Ring angeordneten Umlenkelemente sind symmetrisch zu dem Zulauf 10 angeordnet und zu diesem jeweils in einem Winkel von 90° oder weniger, bevorzugt von etwa 40° bis 50° angeordnet.
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In 4 ist die Vorkammer 5 schematisch mit transparenten Wänden dargestellt, so dass die Umlenkelemente 13, 14 besonders gut sichtbar sind. Die Umlenkelemente 13, 14 sind hier als spiegelbildlich zueinander angeordnete Rippen ausgebildet. Diese Rippen stehen quer zur Durchflussrichtung und beeinflussen die Strömung der Flüssigkeit. Die Umlenkelemente sind im Bodenbereich am breitesten und in einem oberen Bereich schmaler. Hier wird die Rippe kontinuierlich schmaler.
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Insbesondere ist hier die Außenkontur der Rippe als Teil einer Ellipse ausgebildet. Da durch die Schwerkraft die Strömung sich sonst primär im Bodenbereich des Vorvolumens 5 ausbildet, wird durch die Umlenkelemente, die im oberen Bereich schmaler sind als im unteren Bereich, bewirkt, dass sich die Strömung über die Gesamthöhe des Vorvolumens 5 vergleichmäßigt, so dass das Volumen des Vorvolumens 5 besonders gut ausgenutzt wird. In der Höhe erstrecken sich die Umlenkelemente 13, 14 bevorzugt über mindestens den Bereich der unteren 60% des Vorvolumens, bevorzugt über 70% insbesondere 80% und in manchen Ausführungsformen auch über die gesamte Höhe des Vorvolumens 5. In der hier dargestellten Ausführungsform erstrecken sich die Umlenkelemente über etwa 90% der Höhe des Vorvolumens. Im äußeren Ring 7 sind zwei Umlenkelemente 13 angeordnet. Diese sind symmetrisch zum Zulauf 10 und zum Zulauf 12 angeordnet.
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In 5 ist eine alternative Ausgestaltung eines Umlenkelements 14' dargestellt, das hier im inneren Ring 8 angeordnet ist. Die Außenkontur des Umlenkelements 14' bildet eine Gerade. Am Boden des Vorvolumens 5 erstreckt sich das Umlenkelement 14' über zwei Drittel der Breite und erstreckt sich dann über die gesamte Höhe und verjüngt sich dabei auf etwa die Hälfte der Breite des inneren Rings 8.
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In 6 ist eine weitere Variante eines Umlenkelements 14'' in dem inneren Ring 8 dargestellt. Das Umlenkelement 14'' hat hier die Form eines Dreiecks und erstreckt sich im unteren Bereich über zwei Drittel der Breite und verjüngt sich bis zum oberen Endbereich der Vorkammer 5 auf nahezu 0, so dass am oberen Ende der Ring 8 vollständig frei von dem Umlenkelement 14'' ist.
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In 7 ist eine weitere Variante eines Umlenkelements 14''' dargestellt. Dieses Umlenkelement 14''' ist im Vergleich zu den Umlenkelementen 14' und 14'' kleiner und schmaler ausgebildet. Im unteren Bereich, also auf der Ebene der Zuläufe 10, 11 und 12, nimmt das Umlenkelement 14''' ein Drittel der Breite des inneren Rings 8 ein und verjüngt sich nach oben und endet hier auf einer Höhe von etwa 80% der Höhe der Vorkammer 5.
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Alle gezeigten Umlenkelemente 13, 14, 14', 14'' und 14''' haben gemeinsam, dass diese im unteren Bereich breiter sind als im oberen Bereich. Insbesondere ist die in der unteren Hälfte abgedeckte und für den Durchfluss der Flüssigkeit abgesperrte Fläche größer als die in der oberen Hälfte des jeweiligen Rings abgesperrte Fläche.
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Alle in der vorstehenden Beschreibung und in den Ansprüchen genannten Merkmale sind in einer beliebigen Auswahl mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs kombinierbar. Die Offenbarung der Erfindung ist somit nicht auf die beschriebenen bzw. beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt, vielmehr sind alle im Rahmen der Erfindung sinnvollen Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2366984 B1 [0002, 0002]
- WO 2008/009277 A1 [0002]
