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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft Sensoranordnungen zum Einsatz in einem Flüssigkeitsbehälter in einem Kraftfahrzeug, wobei eine Qualität der Flüssigkeit in dem Behälter basierend auf einer Laufzeit von Schallquellen bestimmt wird. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung Maßnahmen zum Verhindern einer Sensordrift durch mechanische Einflüsse während einer Montage der Sensoranordnung sowie aufgrund von Alterungstoleranzen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren zum Herstellen von derartigen Sensoranordnungen.
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Stand der Technik
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Es sind bereits Sensoranordnungen bekannt, mit denen die Qualität und/oder Konzentration einer Flüssigkeit in einem Behälter bestimmt werden kann. Insbesondere werden derartige Sensoranordnungen zum Bestimmen der Qualität und Konzentration einer Abgasnachbehandlungsflüssigkeit, wie beispielsweise Adblue®, in einem Flüssigkeitsbehälter verwendet.
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Die Abgasnachbehandlungsflüssigkeit kann aus einer 32,5%-igen Lösung von hochreinem Harnstoff in demineralisiertem Wasser bestehen und zur Abgasnachbehandlung von Verbrennungsabgasen von Dieselmotoren dienen. Dazu wird die Abgasnachbehandlungsflüssigkeit in das Verbrennungsabgas eingesprüht, so dass die Stickoxide in Stickstoff, Wasser und Kohlendioxid aufgespalten werden. Befinden sich in der Abgasnachbehandlungsflüssigkeit Verunreinigungen wie unverbrannter Dieselkraftstoff, Wasser, Ethylenglykol oder dergleichen, so vermindert sich die Fähigkeit der Abgasnachbehandlungsflüssigkeit, die Stickoxide in dem Verbrennungsabgasen zu reduzieren, oder es können sogar Schäden in dem Abgasnachbehandlungssystem auftreten.
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Aus der Druckschrift
US 2012/0118059 A1 ist eine Sensoranordnung zur Bestimmung einer Qualität einer Flüssigkeit in einem Behälter bekannt. Die Sensoranordnung weist einen piezoelektrischen Schallwandler auf, der Schallwellen in Richtung einer Reflektorplatte abgibt und entsprechend reflektierte Schallwellen empfängt. Anhand der Messung der Laufzeit eines Schallwellensignals von dem Schallwandler zur Reflektorplatte und zurück kann eine Güte der Flüssigkeit in dem Behälter abgeleitet werden.
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Derartige Sensoranordnungen werden anfänglich kalibriert, insbesondere bezüglich des Abstands zwischen dem Schallwandler und der Reflektorplatte. In der Regel werden der piezoelektrische Schallwandler und die Reflektorplatte jedoch vor der Montage der Sensoranordnung als separate Bauelemente ausgebildet, und es kann aufgrund von temperatur- oder alterungsbedingten Verformungen von Bauelementen der Sensoranordnung oder der Sensoranordnung insgesamt zu einer Änderung des Abstands zwischen dem Schallwandler und der Reflektorplatte kommen. Dies kann bei den anfänglich kalibrierten Sensoranordnungen zu fehlerhaften Laufzeitmessungen des Schallsignals führen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sensoranordnung zum Bestimmen einer Laufzeit eines Schallsignals in einer Flüssigkeit zur Verfügung zu stellen, deren temperatur- und alterungsbedingte Toleranz reduziert ist. Es ist weiterhin Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Sensoranordnung zur Verfügung zu stellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch die Sensoranordnung zum Bestimmen einer Laufzeit eines Schallsignals in einer Flüssigkeit gemäß Anspruch 1 sowie durch das Verfahren zum Herstellen einer Sensoranordnung gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Sensoranordnung zur Bestimmung einer schalllaufzeitabhängigen Eigenschaft einer Flüssigkeit, insbesondere einer Schallgeschwindigkeit, vorgesehen, umfassend:
- – einen Schallwandler zum Ausgeben und/oder Empfangen eines Schallsignals;
- – ein Reflektorelement zum Reflektieren des Schallsignals;
- – eine Reflektorhalterung mit einem formbeständigen Halteelement zum Halten des Reflektorelements;
- – ein Trägerelement zum Fixieren der Anordnung des Schallwandlers und des Halteelements der Reflektorhalterung;
wobei sich das Halteelement der Reflektorhalterung im Wesentlichen parallel zum Schallsignalweg zwischen dem Schallwandler und dem Reflektorelement und zumindest teilweise in einen von dem Reflektorelement abgewandten Bereich hinter dem Schallwandler erstreckt.
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Die obige Sensoranordnung basiert auf einer Messung einer Laufzeit eines Schallsignals zwischen einem Schallwandler und einem Reflektorelement, die mit einem sich nicht verändernden, konstanten Abstand einander gegenüber liegend angeordnet sind. Dazu sind der Schallwandler und das Reflektorelement in einem festen örtlichen Bezug zueinander angeordnet. Die Laufzeit des Schallsignals kann als charakteristische Größe für eine Eigenschaft der Flüssigkeit in dem Behälter, insbesondere für die Güte bzw. Qualität der Flüssigkeit, angesehen werden.
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Eine Idee der der obigen Sensoranordnung besteht darin, das Reflektorelement an einem temperatur- und alterungsbeständigen Halteelement anzuordnen, das zumindest teilweise die von dem Reflektorelement abgewandte Seite des Schallwandlers hintergreift. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass bei temperatur-und/oder alterungsbedingten Verformungen des Trägermaterials der Abstand zwischen dem Schallwandler und dem Reflektorelement unverändert bleibt.
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Weiterhin kann die Reflektorhalterung mit dem Halteelement und dem Reflektorelement einstückig, insbesondere aus einem Stanzblech, ausgebildet sein.
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Die Reflektorhalterung kann aus einem alterungs- und temperaturbeständigen Material, insbesondere aus einem Metall, ausgebildet sein.
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Die Reflektorhalterung kann aus einem formstabileren bzw. formbeständigerem Material ausgebildet sein als das Trägerelement. Insbesondere kann die Reflektorhalterung aus einem Metall und das Trägerelement aus einem Kunststoff ausgebildet sein.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Schallwandler und die Reflektorhalterung in ein Trägermaterial eines Trägerelements eingebettet sind, aus dem das Reflektorelement hervorsteht.
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Weiterhin kann das Halteelement der Reflektorhalterung ringförmig ausgebildet sein und den Schallwandler so umgeben, dass das Reflektorelement ein von dem Schallwandler ausgegebenes Schallsignal, insbesondere zurück auf den Schallwandler, reflektiert.
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Das Halteelement der Reflektorhalterung kann eine Durchgangsöffnung und/oder eine Ausnehmung und/oder eine Strukturierung aufweisen.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Halteelement eine Sicke aufweist und/oder mit einer Wölbung quer zur Erstreckungsrichtung des Schallsignalwegs zwischen dem Schallwandler und dem Reflektorelement versehen ist.
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Der Schallwandler kann Teil einer Messelektronik sein, die in einem Kapselgehäuse angeordnet ist, wobei der Schallwandler in einer Schallwandlertasche, die aus dem Kapselgehäuse hervorsteht, angeordnet ist.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Trägermaterial die Reflektorhalterung so an dem Kapselgehäuse halten, dass das Reflektorelement der Schallwandlertasche gegenüberliegend angeordnet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Herstellen einer Sensoranordnung vorgesehen, das die folgenden Schritte umfasst:
- – Anordnen einer Reflektorhalterung mit einem Halteelement und einem Reflektorelement an einer Messelektronik mit einem Schallwandler, so dass ein von dem Schallwandler ausgegebenes und/oder empfangenes Schallsignal an dem Reflektorelement reflektierbar ist, wobei sich das Halteelement im Wesentlichen parallel zum Schallsignalweg zwischen Schallwandler und dem Reflektorelement und zumindest teilweise in einen von dem Reflektorelement abgewandten Bereich hinter dem Schallwandler erstreckt; und
- – Fixieren der Anordnung mit der Reflektorhalterung und dem Schallwandler mithilfe eines Trägerelements.
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Insbesondere kann die Anordnung mit der Reflektorhalterung und dem Schallwandler durch Einbetten der Anordnung in ein Trägermaterial des Trägerelements fixiert werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1a eine perspektivische Darstellung eines Kapselgehäuses zur Aufnahme einer Messelektronik;
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1b eine Schnittansicht durch das Kapselgehäuse zur Aufnahme der Messelektronik;
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2 eine Messelektronik mit elektrischen Anschlüssen zum Einsatz in das Kapselgehäuse;
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3a eine perspektivische Darstellung einer in das Kapselgehäuse eingesetzten Messelektronik;
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3b eine Schnittansicht der in das Kapselgehäuse eingesetzten Messelektronik;
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4 eine perspektivische Ansicht mit einem auf das Kapselgehäuse aufgesetzten Haltering mit einer Reflektorplatte;
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5 eine separate Darstellung der Messelektronik und des Halterings mit der Reflektorplatte als aktive Elemente der Sensoranordnung; und
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6 eine perspektivische Darstellung der Sensoranordnung zum Einsatz in einen Behälter zur Aufnahme einer Flüssigkeit und zur Bestimmung einer von einer Schallgeschwindigkeit abhängigen Eigenschaft der Flüssigkeit.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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In den 1a bis 6 sind einzelne Stufen eines Verfahrens zur Herstellung einer Sensoranordnung 10 gezeigt, wobei die perspektivische Ansicht der 6 die vollständige Sensoranordnung 10 zeigt.
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1a zeigt eine perspektivische Darstellung eines Kapselgehäuses 1 und 1b eine entsprechende Schnittansicht durch das Kapselgehäuse 1. Das Kapselgehäuse 1 weist einen Innenraum 11 zur Aufnahme einer Messelektronik 2 auf. Der Innenraum 11 ist von einer ersten Seite 12 des Kapselgehäuses 1 zugänglich. Auf einer der zugänglichen ersten Seite 12 gegenüber liegenden zweiten Seite 13 ist eine nach außen hervorstehende Schallwandlertasche 14 ausgeformt, die zum Einsetzen eines Schallgebers über den Innenraum 11 zugänglich ist. Das Kapselgehäuse 1 ist in der vorliegenden Ausführungsform im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet, wobei die Schallwandlertasche 14 an einem Randbereich des Kapselgehäuses 1 bezüglich einer Längsrichtung L angeordnet ist. Grundsätzlich sind auch andere Formen für das Kapselgehäuse 1 möglich, die eine Aufnahme der Messelektronik 2 erlauben.
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Das Kapselgehäuse 1 ist vorzugsweise aus einem elektrisch nicht leitenden Material, insbesondere einem spritzgussfähigen Kunststoff, durch Spritzguss oder vergleichbare Herstellungsverfahren hergestellt.
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Seitlich versetzt bezüglich der Längsrichtung L ist an einem Randbereich eine Sensortasche 15 ausgebildet, die ebenfalls über die zweite Seite 13 hervorsteht. Wie die Schallgebertasche 14 ist auch die Sensortasche 15 hohl und über den Innenraum 11 zugänglich.
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Das Kapselgehäuse 1 weist weiterhin in den Innenraum 11 gerichtete Auflagestege 16 auf, die an den Innenflächen von zwei quer zur Längsrichtung L gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind und sich ins Innere des Inneraums 11 erstrecken. Diese dienen als Auflagefläche für eine Leiterplatte 21 der Messelektronik 2 (nicht gezeigt) im Inneren des Innenraums 11.
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An einer Seitenfläche 18 des Kapselgehäuses 1 sind Durchführungsöffnungen 19 zur Durchführung von Anschlussleitungen für die Messelektronik 2 vorgesehen.
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In 2 ist die Messelektronik 2 separiert perspektivisch dargestellt. Die Messelektronik 2 umfasst eine Leiterplatte 21, auf der elektronische Bauelemente 22 zur Durchführung einer Laufzeitmessung bzw. zur elektronischen Signalverarbeitung für ein Schallsignal angeordnet und verschaltet sind. Weiterhin sind auf der Leiterplatte 21 ein Schallwandler 23 und ein Temperatursensor 24 aufgebracht, die so auf der Leiterplatte 21 angeordnet sind, dass beim Einsetzen der Leiterplatte 21 in das Kapselgehäuse 1 der Schallwandler 23 in den Hohlraum der Schallwandlertasche 14 und der Temperatursensor 24 in den Hohlraum der Sensortasche 15 hineinragt. Der Schallwandler 23 kann beispielsweise ein piezoelektrischer Schallgeber und -sensor sein, der ein Schallsignal, insbesondere ein Ultraschallsignal, sowohl abgeben als auch empfangen kann.
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Weiterhin ist die Leiterplatte 21 bzw. die darauf angeordnete elektronische Schaltung über Verbindungsleitungen 25 mit einem Steckverbinder 26 gekoppelt. Über den Steckverbinder 26 ist es möglich, die Messelektronik 2 in geeigneter Weise anzusteuern, mit elektrischer Energie zu versorgen und Messgrößen auszulesen.
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In 3a ist weiterhin die in das Kapselgehäuse 1 eingesetzte Messelektronik 2 perspektivisch dargestellt. Die Leiterplatte 21 der Messelektronik 2 liegt dabei auf den in den Innenraum 11 gerichteten Auflagestegen 16 auf, wobei die Verbindungsleitungen 25 durch die Durchführungsöffnungen 19 in Richtung des Steckverbinders 26 geführt sind. Weiterhin befindet sich der Schallwandler 23 im Hohlraum der Schallwandlertasche 14 und der Temperatursensor 24 im Hohlraum der Sensortasche 15.
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In 3b ist eine Schnittansicht durch die Anordnung der Verfahrensstufe der 3a dargestellt. Man erkennt die in den Innenraum 11 eingebettete Leiterplatte 21 der Messelektronik 2. Zum Fixieren der Messelektronik 2 und zu deren Schutz ist die Messelektronik 2 in dem Innenraum 11 zusammen mit dem Schallwandler 23 und dem Temperatursensor 24 mithilfe eines Epoxid- oder Kunstharzes 27 oder dergleichen vergossen.
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In 4 ist eine perspektivische Darstellung einer weiteren Verfahrensstufe dargestellt. Auf das mit der Messelektronik 2 versehene Kapselgehäuse 1 wird nun eine Reflektorhalterung 3 mit einem ringförmigen Halteelement 31 und einem Reflektorelement, das in diesem Ausführungsbeispiel als Reflektorplatte 32 ausgebildet ist, angeordnet. Als Reflektorelement kann jedoch auch ein in anderer Weise ausgeformtes Element mit einer geeigneten Schallreflektionsfläche vorgesehen werden.
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Das ringförmige Halteelement 31 weist eine Größe auf, die zumindest die Schallwandlertasche 14 umgibt. Die Reflektorplatte 32 ist von der Erstreckungsebene des ringförmigen Halteelements 31 in Richtung der Schallwandlertasche 14 abgewinkelt angeordnet. Die Reflektorplatte 32 geht dabei von einem inneren Rand 34 des ringförmigen Halteelements 31 aus und bildet mit der Ebene des ringförmigen Halteelements 31 vorzugsweise einen rechten Winkel.
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Die Reflektorhalterung 3 ist vorzugsweise aus einem metallischen Material, insbesondere aus einem Stanzblech, insbesondere in integrierter Weise, durch ein Stanzverfahren ausgebildet. Die Reflektorhalterung 3 wird so über dem Kapselgehäuse 1 angeordnet, dass die Erstreckungsebene des ringförmigen Halteelements 31 im Wesentlichen parallel zur zweiten Seite 13 des Kapselgehäuses 1 verläuft. Dadurch steht die Reflektorplatte 32 im Wesentlichen rechtwinklig zur zweiten Seite 13 des Kapselgehäuses 1. Die Reflektorplatte 32 ist im Wesentlichen der Schallwandlertasche 14 in Längsrichtung L des Kapselgehäuses 1 gegenüberliegend angeordnet.
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Das Halteelement 31 kann abgesehen von seiner ringförmigen Erstreckung auch eine Wölbung oder umlaufende Sicken aufweisen. Insbesondere kann ein äußerer Rand 33 des ringförmigen Halteelements 31 gegenüber einem inneren Rand 34 des Halteelements 31 in Richtung der Erstreckung der Reflektorplatte 32 aufgebogen sein. Auf diese Weise kann die Stabilität des Halteelements 31 gegenüber Verformungen weiter verbessert werden.
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Weiterhin kann das Halteelement 31 mit Durchgangsöffnungen 36, Ausnehmungen 37 oder einer sonstigen Strukturierung versehen sein, die nach einem Umspritzen mit einem Trägermaterial einen zuverlässigen Halt in dem Trägermaterial gewährleisten.
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In 5 ist eine Darstellung der Anordnung der Reflektorhalterung 3 und der Messelektronik 2 dargestellt. Man erkennt, dass der Schallwandler 23 der Messelektronik 2 im Wesentlichen der Reflektorplatte 32 so gegenüberliegt, dass von dem Schallwandler 23 abgegebene Schallwellen von der Reflektorplatte 32 in Richtung des Schallwandlers 23 zurück reflektiert werden. Die Entfernung zwischen dem Schallwandler 23 und der Reflektorplatte 32 ist dabei konstant. Auf diese Weise kann über eine Messung der Zeitdauer zwischen einem Aussenden eines Schallsignals durch den Schallwandler 23 und einem Empfangen eines entsprechend reflektierten Schallsignals durch den Schallwandler 23 auf eine Schallgeschwindigkeit in einem Medium geschlossen werden kann, das sich zwischen dem Schallwandler 23 und der Reflektorplatte 32 befindet. Insbesondere kann eine solche Messanordnung zur Bestimmung einer Eigenschaft einer Flüssigkeit, wie zum Beispiel einer Abgasnachbehandlungsflüssigkeit, z.B. Adblue®, verwendet werden. Insbesondere kann die Qualität der Abgasnachbehandlungsflüssigkeit über die darin vorherrschende Schallgeschwindigkeit bestimmt werden. Da die Dichte der Flüssigkeit in der Regel auch von deren Temperatur abhängt, ist der Temperatursensor 24 in der Nähe des Schallsignalweges zwischen dem Schallwandler 23 und der Reflektorplatte 32 angeordnet.
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6 zeigt eine fertige Sensoranordnung 10, wobei das Kapselgehäuse 1 und die darauf angeordnete Reflektorhalterung 3 in einem Spritzgussverfahren mit einem Trägermaterial umspritzt sind, so dass die Reflektorhalterung 3 über ein aus dem Trägermaterial ausgeformtes Trägerelement 4 dauerhaft mit dem Kapselgehäuse 1 verbunden ist. Dabei dringt das Trägermaterial in die Durchgangsöffnungen 36 und die Ausnehmungen 37 ein und fixiert dadurch die Reflektorhalterung 3 zuverlässig in dem Trägermaterial des Trägerelementes 4.
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Das Trägerelement 4 umgibt das Kapselgehäuse 1 im Wesentlichen vollständig und bildet in Richtung der zweiten Seite 13 somit einen ringförmigen Vorsprung 41, der bezüglich der zweiten Seite 13 oberhalb des ringförmigen Halteelements 31 angeordnet ist. Im Wesentlichen ist der Vorsprung 41 ringförmig so ausgebildet, dass er die Schallwandlertasche 14, die Reflektorplatte 32 und die Sensortasche 15 umgibt. Während das Trägermaterial die Schallwandlertasche 14 vollständig umgibt, so dass diese in dem Trägermaterial eingebettet ist, ist für ein verbessertes Reflexionsverhalten die Reflektorplatte 32 der Reflektorhalterung 3 ausgespart, um eine feste schallreflektierende Oberfläche für den von dem Schallwandler 23 ausgesandten Schall auszubilden.
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Es ist wesentlich, dass die Entfernung zwischen dem Schallwandler 23 und der Reflektorplatte 32 über die Lebensdauer und bei Temperaturschwankungen, wie sie beispielsweise während eines Montageprozesses auftreten, konstant bleibt. Insbesondere durch das ringförmige Halteelement 31, das die Schallwandlertasche 14 umschließt, kann zuverlässig gewährleistet werden, dass auch bei Verformungen des Trägermaterials im Wesentlichen keine Veränderung des Abstands zwischen der Reflektorplatte 32 und dem Schallwandler 23 erfolgt.
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In weiteren Ausführungsformen kann das Halteelement 31 anstelle in Ringform den Schallwandler 23 bzw. die Schallwandlertasche 14 auch in anderer formumschließender Weise umgeben, um eine geeignete Fixierung der Reflektorplatte 32 bezüglich der Schallwandlertasche 14 bzw. des Schallwandlers 23 zu erreichen. Alternativ ist es möglich, ein Halteelement 31 anstelle in der die Schallwandlertasche 14 umgebenden Form des Halteelements 31 auch in U-Form oder dergleichen vorzusehen. Letztlich kann zur Gewährleistung eines konstanten Abstands zwischen der Reflektorplatte 32 und der Schallwandlertasche 14 ein zumindest teilweises Hintergreifen der Schallwandlertasche 14 durch einen Abschnitt des Halteelements 31 ausreichend sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kapselgehäuse
- 10
- Sensoranordnung
- 11
- Innenraum
- 12
- erste Seite
- 13
- zweite Seite
- 14
- Schallwandlertasche
- 15
- Sensortasche
- 16
- Vorsprünge
- 17
- Kante
- 18
- Seitenfläche
- 19
- Durchführungsöffnungen
- 2
- Messelektronik
- 21
- Leiterplatte
- 22
- Bauelemente
- 23
- Schallwandler
- 24
- Temperatursensor
- 25
- Verbindungsleitungen
- 26
- Steckverbinder
- 27
- Epoxid- oder Kunstharz
- 3
- Reflektorhalterung
- 31
- Halteelement
- 32
- Reflektorplatte
- 33
- äußerer Rand
- 34
- innerer Rand
- 36
- Durchgangsöffnungen
- 37
- Ausnehmungen
- 4
- Trägerelement
- 41
- ringförmiger Vorsprung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2012/0118059 A1 [0004]
