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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein korrespondierendes Verfahren zum Bestimmen einer Höhe einer Fluidoberfläche in einem Fluidbehälter.
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Zum Bestimmen einer Höhe einer Fluidoberfläche in einem Fluidbehälter kann insbesondere eine akustische Messvorrichtung eingesetzt werden. Ein Schallwandler der akustischen Messvorrichtung kann sowohl als Schallerzeuger als auch als Schallempfänger arbeiten. Für eine Bestimmung der Höhe der Fluidoberfläche in dem Fluidbehälter können mittels des Schallwandlers Schallimpulse in das zu vermessende Fluid abgegeben werden. Die Schallimpulse können von einer Grenzfläche des Fluids zu einem weiteren Medium reflektiert werden. Aus der Laufzeit der Schallimpulse können Rückschlüsse auf die Höhe der Fluidoberfläche in dem Fluidbehälter gezogen werden.
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Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Höhe einer Fluidoberfläche in einem Fluidbehälter zu schaffen, die eine zuverlässige Bestimmung der Höhe der Fluidoberfläche ermöglicht, sowie ein korrespondierendes Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Gemäß einem ersten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Höhe einer Fluidoberfläche in einem Fluidbehälter. Die Vorrichtung umfasst einen ersten Schallwandler zum Senden und Empfangen von ersten Schallsignalen in Richtung der Fluidoberfläche und einen zweiten Schallwandler zum Senden und Empfangen von zweiten Schallsignalen.
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Des Weiteren umfasst die Vorrichtung ein Referenzelement, das zu dem zweiten Schallwandler einen vorgegeben Abstand aufweist. Das Referenzelement ist in einem Fluidraum des Fluidbehälters angeordnet.
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Die Vorrichtung umfasst ferner ein erstes Umlenkelement, das in dem Fluidraum angeordnet ist zum Umlenken der zweiten Schallsignale um einen ersten vorgegebenen Winkel in Richtung der Fluidoberfläche.
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Des Weiteren umfasst die Vorrichtung eine Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, abhängig von den zweiten Schallsignalen eine Schallgeschwindigkeit innerhalb eines Fluids in dem Fluidraum zu ermitteln. Die Steuereinheit ist ferner dazu ausgebildet, abhängig von den ersten Schallsignalen, den zweiten Schallsignalen und der Schallgeschwindigkeit innerhalb des Fluids die Höhe der Fluidoberfläche über einem Bodenabschnitt des Fluidbehälters zu ermitteln.
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Eine derartige Anordnung der beiden Schallwandler ermöglicht ein präzises Bestimmen der Höhe bei hohen Füllständen sowie bei niedrigen Füllständen von beispielsweise weniger als 10 %. Das präzise Bestimmen der Höhe durch die beiden Schallwandler erfolgt dabei beispielsweise unabhängig voneinander.
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Der erste Schallwandler strahlt zu diesem Zweck direkt in Richtung der Fluidoberfläche. Eine Ermittlung der Schallgeschwindigkeit innerhalb des Fluids ermöglicht ein präzises Ermitteln einer Signallaufzeit. Um auch bei niedrigen Füllständen die Schallgeschwindigkeit innerhalb des Fluids ermitteln zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die zweiten Schallsignale in niedriger Höhe über dem Bodenabschnitt des Fluidbehälters zu senden und zu empfangen. Der zweite Schallwandler dient somit primär zum Ermitteln der Schallgeschwindigkeit innerhalb des Fluids, und sekundär zur Füllstandmessung.
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Insbesondere bei hohen Füllständen ist eine hindernisfreie, direkte Ausbreitung der ersten Schallsignale vorteilhaft, um einen Signalleistungsverlust gering zu halten. Dadurch wird ein besonders großer Messbereich ermöglicht. Ferner trägt das Umlenken der zweiten Schallsignale in Richtung der Fluidoberfläche dazu bei, dass eine zweite, redundante Messung der Höhe der Fluidoberfläche ermöglicht wird und so zu einer zuverlässigen und präzisen Ermittlung beigetragen wird.
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Das erste Umlenkelement ist beispielsweise aus Metall, Keramik oder Glas ausgebildet. Relativ zu dem Fluid in dem Fluidbehälter weist das erste Umlenkelement so eine hohe akustische Impedanz auf. Somit wird eine zuverlässige Umlenkung der Schallsignale ermöglicht. Des Weiteren ermöglicht dies beispielsweise eine robuste Anordnung des Umlenkelements als freistehendes Bauteil.
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Alternativ ist das erste Umlenkelement beispielsweise als Hohlkörper ausgebildet. Im Falle, dass das erste Umlenkelement mit Luft gefüllt ist, wird in vorteilhafter Weise eine thermisch bedingte Ausdehnung des ersten Umlenkelements verringert. Ferner reduzieren sich dadurch beispielsweise Materialkosten und ein Gewicht der Vorrichtung. Relativ zu dem Fluid in dem Fluidbehälter weist das erste Umlenkelement so zudem eine niedrige akustische Impedanz auf. In vorteilhafter Weise ermöglicht dies eine zuverlässige Umlenkung der Schallsignale.
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Der Bodenabschnitt des Fluidbehälters weist beispielsweise eine Ausbuchtung auf, mit der das erste Umlenkelement gekoppelt ist. Die Ausbuchtung springt in den Fluidraum vor. Dies ermöglicht eine einfache Anordnung des ersten Umlenkelements.
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In einer Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt ist ein zweites Umlenkelement in einem vorgegebenen Abstand zu dem ersten Umlenkelement in dem Fluidraum angeordnet zum Umlenken der zweiten Schallsignale um einen zweiten vorgegebenen Winkel in Richtung des ersten Umlenkelements.
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In vorteilhafter Weise ermöglicht dies eine Anordnung der beiden Schallwandler in gleicher Ausrichtung, beispielsweise in dem Bodenabschnitt des Fluidbehälters, so dass nur mehr ein Montageschritt zur Fixierung der beiden Schallwandler vonnöten ist. Dadurch wird zu einer kostengünstigen und effizienten Herstellung der Vorrichtung beigetragen. Ferner ist es beispielsweise insbesondere bei Bauraumbeschränkungen vorteilhaft, beide Schallwandler an dem Bodenabschnitt des Fluidbehälters anzuordnen.
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Die beiden Schallwandler sind beispielsweise als Piezowandler ausgebildet. Eine Montage der beiden Schallwandler ist beispielsweise durch deren geringe Größe zusätzlich erschwert. Die Anordnung der beiden Schallwandler an den Bodenabschnitt des Fluidbehälters trägt in vorteilhafterweise dazu bei, dass die Montage präzise und effizient erfolgt.
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Der Bodenabschnitt des Fluidbehälters ist in diesem Zusammenhang beispielsweise separat von Seitenwänden des Fluidbehälters ausgebildet, was zusätzlich zu einer einfachen Montage der beiden Schallwandler beiträgt.
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Das zweite Umlenkelement ist beispielsweise analog zu dem ersten Umlenkelement ausgebildet.
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In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt ist ein Schallführungsrohr in dem Fluidraum angeordnet. Das Schallführungsrohr ist zu einer Führung der durch das erste Umlenkelement umgelenkten zweiten Schallsignale entlang seiner Längsachse in Richtung der Fluidoberfläche ausgebildet.
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Das Schallführungsrohr ermöglicht eine zuverlässige Ermittlung der Höhe der Fluidoberfläche, im Wesentlichen unabhängig von einer Dynamik der Fluidoberfläche. Beispielsweise durch Bewegung des Fluidbehälters oder durch eine Schrägstellung des Fluidbehälters weist die Fluidoberfläche eine besonders ausgeprägte Dynamik auf, die ohne eine Schallführung zu einer Streuung der Schallsignale oder einer anderweitig fehlerbehafteten Ermittlung der Höhe der Fluidoberfläche führen.
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In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt beträgt eine Länge des Schallführungsrohrs zwischen 30 mm und 100 mm. Insbesondere beträgt die Länge des Schallführungsrohrs zwischen 50 mm und 70 mm. Insbesondere beträgt die Länge des Schallführungsrohrs 60 mm.
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Eine derartige Dimensionierung des Schallführungsrohrs ermöglicht ein zuverlässiges und präzises Ermitteln der Höhe der Fluidoberfläche. Insbesondere ist die Länge des Schallführungsrohrs dabei geringer als die Höhe H der Fluidoberfläche. Die Länge des Schallführungsrohrs von mindestens 30 mm ermöglicht die Schallführung für geringe Höhen der Fluidoberfläche, in denen ein präzises Ermitteln der Höhe besonders wichtig ist. Ferner ist durch die Länge des Schallführungsrohrs von höchstens 100 mm eine mechanische Belastbarkeit des Schallführungsrohrs sichergestellt. Da das Fluid beispielsweise bei niedrigen Temperaturen einfriert ist die mechanische Belastbarkeit des Schallführungsrohrs von besonderer Wichtigkeit.
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In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt beträgt ein Durchmesser des Schallführungsrohrs zwischen 5 mm und 15 mm. Insbesondere beträgt der Durchmesser des Schallführungsrohrs 10 mm.
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Eine derartige Dimensionierung des Schallführungsrohrs ermöglicht ein zuverlässiges und präzises Ermitteln der Höhe der Fluidoberfläche. Der Durchmesser des Schallführungsrohrs von mindestens 5 mm ermöglicht eine zuverlässige Signaleinkopplung, insbesondere im Hinblick auf Montagetoleranzen, so dass eine Signaldämpfung gering gehalten wird. Ferner ist durch den Durchmesser des Schallführungsrohrs von höchstens 15 mm eine mechanische Belastbarkeit des Schallführungsrohrs sichergestellt. Zudem ist so eine effektive Schallführung durch das Schallführungsrohr gewährleistet.
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In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt beträgt ein Verhältnis der Länge des Schallführungsrohrs zu dem Durchmesser des Schallführungsrohrs zwischen 20:1 und 2:1. Insbesondere beträgt das Verhältnis zwischen 12:1 und 4:1. Insbesondere beträgt das Verhältnis 6:1.
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Eine derartige Dimensionierung des Schallführungsrohrs trägt insbesondere zu der mechanischen Belastbarkeit des Schallführungsrohrs bei.
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In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt ist ein Reflektor an einer Innenwandung des Schallführungsrohrs angeordnet. Der Reflektor weist zu dem Bodenabschnitt einen vorgegebenen Referenzabstand auf.
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Der Reflektor ermöglicht eine Ermittlung einer Mindesthöhe der Fluidoberfläche.
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Gemäß einem zweiten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung. Die Höhe der Fluidoberfläche über dem Bodenabschnitt des Fluidbehälters wird abhängig von einer Signalqualität der ersten Schallsignale und der zweiten Schallsignale ermittelt.
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Eine Gewichtung der beiden Schallsignale mit deren Signalqualität trägt in vorteilhafter Weise zu einer präzisen Ermittlung der Höhe der Fluidoberfläche bei.
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In einer Ausführungsform gemäß dem zweiten Aspekt wird die Signalqualität der ersten Schallsignale und der zweiten Schallsignale abhängig von einer jeweiligen Signalstreuung mehrerer zeitlich aufeinanderfolgender aufgenommener Schallsignale ermittelt.
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In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem zweiten Aspekt wird die Signalqualität der ersten Schallsignale und der zweiten Schallsignale abhängig von einer jeweiligen Signalleistung der aufgenommenen Schallsignale ermittelt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Bestimmen einer Höhe einer Fluidoberfläche in einem Fluidbehälter,
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2 ein Ablaufdiagramm zum Betreiben der Vorrichtung,
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Bestimmen der Höhe der Fluidoberfläche in dem Fluidbehälter,
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4 ein drittes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Bestimmen der Höhe der Fluidoberfläche in dem Fluidbehälter,
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5 ein viertes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Bestimmen der Höhe der Fluidoberfläche in dem Fluidbehälter und
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6 ein fünftes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Bestimmen der Höhe der Fluidoberfläche in dem Fluidbehälter.
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Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen Fluidbehälter 1 mit einem Bodenabschnitt 3 sowie einem Fluidraum 5, der mit einem Fluid F befüllt ist. Bei dem Fluid F handelt es sich beispielsweise um ein flüssiges Medium zur Schadstoffreduktion in Abgasen, das vorzugsweise ein Reduktionsmittel und/oder einen Reduktionsmittelvorläufer, beispielsweise eine wässrige Harnstofflösung aufweist.
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Zum Bestimmen einer Höhe H einer Fluidoberfläche O in dem Fluidbehälter 1 sind an dem Bodenabschnitt 3 des Fluidbehälters 1 ein erster Schallwandler 10, sowie ein zweiter Schallwandler 20 angeordnet. Die Höhe H ist dabei definiert als ein Abstand der Fluidoberfläche O von dem Bodenabschnitt 3, gemessen in einer Neutralstellung des Fluidbehälters 1, also wenn keine Schrägstellung des Fluidbehälters 1 vorliegt und die Fluidoberfläche O parallel zu dem Bodenabschnitt 3 ist. Die Höhe H kann auch als Füllstand des Fluidbehälters 1 bezeichnet werden.
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Die beiden Schallwandler 10, 20 sind beispielsweise als Piezowandler ausgebildet und durch eine Gehäusewandung des Fluidbehälters 1 angekoppelt. Beispielsweise ist die Gehäusewandung aus einem Kunststoff ausgebildet, wie beispielsweises aus so genanntem hoch dichtem Polyethylen (high density polyethylen, HDPE), so dass der Bodenabschnitt 3 in der Gehäusewandung eingeschweißt werden kann. Alternativ sind die beiden Schallwandler 10, 20 beispielsweise mit der Gehäusewandung verklebt oder mechanisch an diese gepresst, eventuell auch mit einer weiteren Zwischenschicht um Unebenheiten oder Rauigkeiten auszugleichen.
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Der erste Schallwandler 10 umfasst einen Sender, der erste Schallsignale 12 in Richtung der Fluidoberfläche O aussendet. Der erste Schallwandler 10 ist dabei so ausgerichtet, dass eine Hauptstrahlungsrichtung der ausgesendeten ersten Schallsignale 12 senkrecht zu dem Bodenabschnitt 3 auf die Fluidoberfläche O gerichtet ist.
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Der Fluidraum 5 oberhalb des Fluids F ist mit einem weiteren Medium wie beispielsweise Luft gefüllt, so dass die gesendeten ersten Schallsignale 12 an einem Übergang der Fluidoberfläche O zu der Luft reflektieren und reflektierte erste Schallsignale 14 auf den ersten Schallwandler 10 treffen. Durch einen Empfänger des ersten Schallwandlers 10 werden die reflektierten ersten Schallsignale 14 aufgenommen. Beispielsweise kann ein einzelnes Piezoelement als Sender und Empfänger eingesetzt werden. Die Ausrichtung des ersten Schallwandlers 10 führt dabei ebenso zu einer im Wesentlichen senkrechten Ausbreitung der ersten reflektierten Schallsignale 14 zu dem Bodenabschnitt 3 des Fluidbehälters 1. Die Ausbreitung der ersten Schallsignale 12, 14 erfolgt direkt, so dass ein Leistungsabfall an Hindernissen verhindert wird und so ein Bestimmen von hohen Füllständen des Fluidbehälters 1 ermöglicht wird.
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Zur präzisen Bestimmung der Höhe H der Fluidoberfläche O in dem Fluidbehälter 1 muss eine Signalausbreitungsgeschwindigkeit der ersten Schallsignale 12, 14 bekannt sein. Aus diesem Grund wird eine Referenzmessung mittels des zweiten Schallwandlers 20 durchgeführt. Um diese Referenzmessung auch bei niedrigen Höhen H der Fluidoberfläche O in dem Fluidbehälter 1 durchführen zu können, also beispielsweise bei Füllständen unter 10 % eines maximalen Füllstands, erfolgt eine Schallausbreitung der zweiten Schallsignale 22, 24 nahe dem Bodenabschnitt 3 des Fluidbehälters 1 im Wesentlichen parallel zu dem Bodenabschnitt 3. Analog zu dem ersten Schallwandler 10 umfasst der zweite Schallwandler 20 einen Sender, der zweite Schallsignale 22 aussendet und einen Empfänger, der reflektierte zweite Schallsignale 24 aufnimmt.
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In dem Fluidraum 5 sind ein erstes Referenzelement 30 sowie ein zweites Referenzelement 40 angeordnet. Die beiden Referenzelemente 30, 40 sind vorzugsweise aus einem Material gebildet, das ein Metall aufweist. Beispielsweise sind die beiden Referenzelemente 30, 40 aus einem Metallstück ausgebildet und durch heißverstemmte Kunststoffnasen mit dem Bodenabschnitt 3 des Fluidbehälters 1 gekoppelt.
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Die beiden Referenzelemente 30, 40 reflektieren zumindest einen Teil des ausgesendeten zweiten Schallsignals 22. Das erste Referenzelement 30 hat zu dem zweiten Schallwandler 20 einen vorgegebenen ersten Abstand. Das zweite Referenzelement 40 hat zu dem zweiten Schallwandler 20 einen vorgegebenen zweiten Abstand und insbesondere einen genau bekannten Abstand zu dem ersten Referenzelement 30. Mittels einer nicht näher dargestellten Steuereinheit wird eine Laufzeitdifferenz der reflektierten zweiten Schallsignale 24 abhängig von dem bekannten Abstand der beiden Referenzelemente 30, 40 zueinander ermittelt und abhängig von der Laufzeitdifferenz eine Schallgeschwindigkeit in dem Fluid F in dem Fluidbehälter 1 ermittelt. Beispielsweise wird zur Ermittlung der Laufzeitdifferenz eine erste Signallaufzeit eines von dem ersten Referenzelement 30 reflektierten Referenzschallsignals 24d und eine zweite Signallaufzeit eines von dem zweiten Referenzelement 40 reflektierten Referenzschallsignals 24e ermittelt.
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Abhängig von der Schallgeschwindigkeit innerhalb des Fluids F und den ersten Schallsignalen 12, 14 wird ein erster Wert H1 für die Höhe H der Fluidoberfläche O über den Bodenabschnitt 3 des Fluidbehälters 1 ermittelt.
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In einem ersten Abschnitt 22a der ausgesendeten zweiten Schallsignale 22 ist deren Hauptstrahlungsrichtung im Wesentlichen senkrecht zu dem Bodenabschnitt 3 des Fluidbehälters 1.
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Zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit werden die ausgesendeten zweiten Schallsignale 22 derart umgelenkt, dass sie in einem zweiten Abschnitt 22b im Wesentlichen parallel zu dem Bodenabschnitt 3 auf die beiden Referenzelemente 30, 40 gerichtet sind. Ferner werden in einem zweiten Abschnitt 24b zu dem Bodenabschnitt 3 im Wesentlichen parallele reflektierte zweite Schallsignale 24 derart umgelenkt, dass sie in einem nicht näher dargestellten dritten Abschnitt 24c im Wesentlichen senkrecht auf den zweiten Schallwandler 20 gerichtet sind.
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Um eine zuverlässige und präzise Ermittlung der Höhe H der Fluidoberfläche O zu gewährleisten werden die zweiten Schallsignale 22, 24 neben der Ermittlung der Schallgeschwindigkeit ebenfalls zur Ermittlung der Höhe H der Fluidoberfläche O verwendet, so dass abhängig von den zweiten Schallsignalen 22, 24 ein zweiter Wert H2 für die Höhe H der Fluidoberfläche ermittelt wird.
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Dazu werden die ausgesendeten zweiten Schallsignale 22 wiederum derart umgelenkt, dass sie in einem dritten Abschnitt 22c im Wesentlichen senkrecht zu dem Bodenabschnitt 3 auf die Fluidoberfläche O gerichtet sind. Ferner werden in einem ersten Abschnitt 24a zu dem Bodenabschnitt 3 im Wesentlichen senkrechte reflektierte Schallsignale 24 derart umgelenkt, dass diese in dem zweiten Abschnitt 24b der reflektierten Schallsignale 24 im Wesentlichen parallel zu dem Bodenabschnitt 3 ausgerichtet sind.
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Um den zweiten Abschnitt 22b der ausgesendeten zweiten Schallsignale 22 in Richtung der Fluidoberfläche O umzulenken und den ersten Abschnitt 24a der reflektierten zweiten Schallsignale 24 umzulenken ist ein erstes Umlenkelement 50 in dem Fluidraum 5 angeordnet.
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Ferner ist zur Umlenkung des ersten Abschnitts 22a der ausgesendeten zweiten Schallsignale 22 in Richtung des ersten Umlenkelements 50 und zur Umlenkung des zweiten Abschnitts 24b der zweiten reflektierten Schallsignale 24 in Richtung des zweiten Schallwandlers 20 ist in dem Fluidraum 5 ein zweites Umlenkelement 60 angeordnet.
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Die beiden Umlenkelemente 50, 60 schließen mit dem Bodenabschnitt 3 des Fluidbehälters 1 jeweils einen 45°-Winkel ein, so dass die Schallsignale 22, 24 jeweils um den vorgegebenen Winkel W1, W2, um +90° beziehungsweise –90° umgelenkt werden.
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Die beiden Umlenkelemente 50, 60 sind beispielsweise aus jeweils einem Metallstück ausgebildet und weisen eine hohe akustische Impedanz relativ zu der akustischen Impedanz des Fluids F auf, so dass ein Großteil der Schallsignale 22, 24 reflektiert wird. Alternativ sind die Umlenkelemente 50, 60 beispielsweise als Hohlraum ausgebildet, der beispielsweise mit Luft gefüllt ist. Dieser weist relativ zu dem Fluid F in dem Fluidraum 5 eine niedrige akustische Impedanz auf, so dass ein Großteil der Schallsignale 22, 24 reflektiert wird.
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Beispielsweise weist der Bodenabschnitt 3 des Fluidbehälters 1 Ausbuchtungen auf, auf der die Umlenkelemente 50, 60 aufliegen oder in die die Umlenkelemente 50, 60 integriert sind.
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Insbesondere in einem Programm- und Datenspeicher der Steuervorrichtung ist ein Programm gespeichert, das im Folgenden anhand des Ablaufdiagramms der 2 näher erläutert wird.
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Das Programm wird in einem Schritt S1 gestartet, in dem beispielsweise Variablen initialisiert werden.
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In einem Schritt S3 werden der erste Wert H1 für die Höhe H der Fluidoberfläche O ermittelt und der zweite Wert H2 für die Höhe H der Fluidoberfläche O ermittelt.
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In einem Schritt S5 werden eine erste Signalstreuung SS1 der ersten reflektierten Schallsignale 14 und eine zweite Signalstreuung SS2 der zweiten reflektierten Schallsignale 24 ermittelt.
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In einem Schritt S7 werden eine erste Signalleistung SL1 der ersten reflektierten Schallsignale 14 und eine zweite Signalleistung SL2 der zweiten reflektierten Schallsignale 24 ermittelt.
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In einem Schritt S9 wird abhängig von der ersten Signalstreuung SS1 der ersten reflektierten Schallsignale 14 und der ersten Signalleistung SL1 der ersten reflektierten Schallsignale 14 eine Signalqualität SQ1 der ersten reflektierten Schallsignale 14 ermittelt und abhängig von der zweiten Signalstreuung SS1 der zweiten reflektierten Schallsignale 24 und der zweiten Signalleistung SL1 der zweiten reflektierten Schallsignale 24 eine Signalqualität SQ1 der zweiten reflektierten Schallsignale 24 ermittelt.
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In einem Schritt S11 wird abhängig von der ersten Signalqualität SQ1 der ersten reflektierten Schallsignale 14 und abhängig von der zweiten Signalqualität SQ2 der zweiten reflektierten Schallsignale 24 die Höhe H der Fluidoberfläche O in dem Fluidbehälter 1 ermittelt. Beispielsweise erfolgt dies durch eine Gewichtung mit der jeweiligen Signalqualität SQ1, SQ2 der reflektierten Signale 14, 24.
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In einem zweiten Ausführungsbeispiel (3) erfolgt die Bestimmung der Höhe H der Fluidoberfläche O des Fluids F in dem Fluidbehälter 1 analog zu dem ersten Ausführungsbeispiel aus 1. In diesem Fall ist der zweite Schallwandler 20 an einer Seite der Gehäusewandung des Fluidbehälters 1 angeordnet. Die Ausrichtung des zweiten Schallwandlers 20 schließt mit dem ersten Schallwandler 10 einen 90°-Winkel ein, so dass ausgesendete zweite Schallsignale 22 des zweiten Schallwandlers 20 parallel zu dem Bodenabschnitt 3 auf das erste Umlenkelement 50 gerichtet sind, während sich die ersten Schallsignale 12, 14 wie im ersten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen senkrecht zu dem Bodenabschnitt 3 ausbreiten. Dies hat den Vorteil, dass neben dem ersten Umlenkelement 50 kein weiteres Umlenkelement benötigt wird und die zweiten Schallsignale 22, 24 somit eine schwächere Dämpfung erfahren.
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4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, mit zwei Umlenkelementen 50, 60 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, die jedoch so angeordnet sind, dass sich akustische Pfade der beiden Schallwandler 10, 20, wie in dem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt, kreuzen. Eine derartige Anordnung führt zu einer besonders kompakten Bauart der Vorrichtung, bei der eine gegenseitige Beeinflussung der Schallsignale 12, 14, 22, 24 gering gehalten werden kann. Die Anordnung der Schallmesswandler 10, 20 in den folgenden Ausführungsbeispielen der 5 und 6 entspricht der in 4 diskutierten.
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In einem vierten Ausführungsbeispiel (5) erfolgt die Bestimmung der Höhe H der Fluidoberfläche O des Fluids F in dem Fluidbehälter 1 analog zu dem ersten Ausführungsbeispiel aus 1. Um beispielsweise auch bei einer Schrägstellung des Fluidbehälters 1, oder einer durch Bewegung des Fluidbehälters 1 hervorgerufenen Welligkeit der Fluidoberfläche O eine möglichst präzise Bestimmung der Höhe H durchführen zu können ist ein Schallführungsrohr 70 in dem Fluidraum 5 angeordnet.
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Das Schallführungsrohr 70 ist beispielsweise aus dem gleichen Kunststoff ausgebildet wie der Fluidbehälter 1 und zur mechanischen Kopplung an den Fluidbehälter 1 beispielsweise aufgesteckt und/oder mit Schnapphaken arretiert.
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Das Schallführungsrohr 70 ist dazu ausgebildet, den zu dem Bodenabschnitt 3 senkrecht ausgerichteten dritten Abschnitt 22c der ausgesendeten zweiten Schallsignale 22 in Richtung der Fluidoberfläche O, und den senkrecht ausgerichteten ersten Abschnitt 24a der an der Fluidoberfläche O reflektierten zweiten Schallsignale 24 in Richtung des ersten Umlenkelements 50 entlang einer Längsachse des Schallführungsrohrs 70 zu führen.
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Insbesondere im Falle, dass die Höhe H der Fluidoberfläche O geringer ist als eine Länge des Schallführungsrohrs 70, also ein Pegel der Fluidoberfläche O ein dem Bodenabschnitt 3 abgewandtes Ende des Schallführungsrohrs 70 nicht übersteigt, trägt das Schallführungsrohr 70 zu einer starken Entkopplung einer Dynamik der Fluidoberfläche O innerhalb des Schallführungsrohrs 70 zu der Dynamik der Fluidoberfläche O außerhalb des Schallführungsrohrs 70 bei. Das Bestimmen der Höhe H ist in diesem Fall auch bei stark dynamischer Fluidoberfläche O äußerst zuverlässig.
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Im Falle, dass die Höhe H der Fluidoberfläche O größer ist als die Länge des Schallführungsrohrs 70, also der Pegel der Fluidoberfläche O das dem Bodenabschnitt 3 abgewandte Ende des Schallführungsrohrs 70 übersteigt, empfängt bedingt durch die Dynamik der Fluidoberfläche O beispielsweise keiner der beiden Schallwandler 10, 20 ein Schallsignal 14, 24.
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Falls jedoch eine Ermittlung der Schallgeschwindigkeit möglich ist, beispielsweise da der zweite Schallwandler 20 die reflektierten Referenzschallsignale 24d, 24e empfängt, kann mit hoher Wahrscheinlichkeit davon ausgegangen werden, dass der Pegel der Fluidoberfläche O zumindest das dem Bodenabschnitt 3 abgewandte Ende des Schallführungsrohrs 70 übersteigt, da das Bestimmen der Höhe H bei niedrigeren Höhen H äußerst zuverlässig ist. Insbesondere im Falle, dass das Fluid F ein Reduktionsmittel ist, ist dies von besonderem Interesse, da ein Betrieb eines Fahrzeugs ohne ausreichendem Füllstand des Reduktionsmittels, also beispielsweise bei Unterschreiten einer vorgegebenen Höhe H, nicht erlaubt ist. Der Betrieb des Fahrzeugs wird somit auch dann ermöglicht, wenn aufgrund von beispielsweise starker Schrägstellung des Fahrzeugs vorübergehend kein Bestimmen der Höhe H möglich ist.
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Da eine absolute Messlänge der Höhe H der Fluidoberfläche O beispielsweite 500 mm oder mehr beträgt und da das Fluid F bei winterlichen Temperaturen, beispielsweise bei unter –10 °C einfrieren kann und der Fluidbehälter 1 beispielsweise starken Vibrationen ausgesetzt ist, sind Anforderungen an eine mechanische Belastbarkeit des Schallführungsrohrs 70 besonders hoch.
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In diesem Zusammenhang hat sich insbesondere ein Verhältnis der Länge des Schallführungsrohrs 70 zu einem Durchmesser des Schallführungsrohrs zwischen 20:1 und 2:1 als vorteilhaft erwiesen.
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Da insbesondere bei niedrigen Höhen H der Fluidoberfläche O ein präzises Bestimmen der Höhe H der Fluidoberfläche O wichtig ist, beispielsweise um einen niedrigen Füllstand rechtzeitig erkennen zu können, beträgt die Länge des Schallführungsrohrs 70 beispielsweise 60 mm. Der Durchmesser des Schallführungsrohrs 70 beträgt beispielsweise 10 mm, um die mechanische Belastbarkeit des Schallführungsrohrs 70 sicherzustellen.
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In einem fünften Ausführungsbeispiel (6) erfolgt die Bestimmung der Höhe H der Fluidoberfläche O des Fluids F in dem Fluidbehälter 1 analog zu dem dritten Ausführungsbeispiel aus 4. In diesem Fall weist das Schallführungsrohr 70 an seiner Innenwandung 80 einen Reflektor 90 auf. Der Reflektor 90 ist beispielsweise aus dem gleichen Material wie das Umlenkelement 50, 60 oder dem Referenzelement 30, 40 ausgebildet und bevorzugt an dem dem Bodenabschnitt 3 abgewandten Ende des Schallführungsrohrs 70 angeordnet, so dass er zu dem Bodenabschnitt 3 einen vorgegebenen Referenzabstand aufweist. Der Reflektor 90 ist beispielsweise fix gekoppelt mit der Innenwandung 80. Alternativ ist der vorgegebene Referenzabstand beispielsweise variabel verstellbar.
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Im Falle, dass die Höhe H der Fluidoberfläche O größer ist als die Länge des Schallführungsrohrs 70, also der Pegel der Fluidoberfläche O das dem Bodenabschnitt 3 abgewandte Ende des Schallführungsrohrs 70 übersteigt, empfängt zumindest der zweite Schallwandler 20 unabhängig von der Dynamik der Fluidoberfläche O ein an dem Reflektor 90 reflektiertes Schallsignal. So wird eine sichere Aussage über eine Mindesthöhe der Fluidoberfläche O ermöglicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fluidbehälter
- 3
- Bodenabschnitt
- 5
- Fluidraum
- 10
- erster Schallwandler
- 12
- gesendete erste Schallsignale
- 14
- reflektierte erste Schallsignale
- 20
- zweiter Schallwandler
- 22
- gesendete zweite Schallsignale
- 24
- reflektierte zweite Schallsignale
- 22a
- erster Abschnitt gesendeter zweiter Schallsignale
- 22b
- zweiter Abschnitt gesendeter zweiter Schallsignale
- 22c
- dritter Abschnitt gesendeter zweiter Schallsignale
- 24a
- erster Abschnitt reflektierter zweiter Schallsignale
- 24b
- zweiter Abschnitt reflektierter zweiter Schallsignale
- 24c
- dritter Abschnitt reflektierter zweiter Schallsignale
- 24d
- erste Referenzschallsignale
- 24e
- zweite Referenzschallsignale
- 30
- erstes Referenzelement
- 40
- zweites Referenzelement
- 50
- erste Umlenkeinheit
- 60
- zweite Umlenkeinheit
- 70
- Schallführungsrohr
- 80
- Innenwandung
- 90
- Reflektor
- F
- Fluid
- O
- Fluidoberfläche
- H
- Höhe Fluidoberfläche
- H1
- erster Wert
- H2
- zweiter Wert
- W1
- erster Winkel
- W2
- zweiter Winkel
