DE102016106783A1

DE102016106783A1 - Verfahren zur Kalibrierung eines Konzentrationssensors

Info

Publication number: DE102016106783A1
Application number: DE102016106783.0A
Authority: DE
Inventors: Gregory P. Murphy
Original assignee: SSI Technologies LLC
Current assignee: SSI Technologies LLC
Priority date: 2015-05-01
Filing date: 2016-04-13
Publication date: 2016-11-03
Anticipated expiration: 2036-04-14
Also published as: DE102016106783B4; US20160320349A1; CN106093192A; US9841405B2

Abstract

Ein Verfahren zur Kalibrierung eines Ultraschallsensors, bestehend aus einem Wandler, einem Reflektor, der in einem vorgegebenen Abstand von dem Wandler angeordnet ist, und einem Speicher. Ein Wasserbad wird auf etwa fünfzig Grad Celsius erhitzt, und der Ultraschallsensor wird mindestens teilweise in das Wasserbad getaucht. Ist er eingetaucht, wird von dem Wandler eine Ultraschallwelle durch einen Teil des Wasserbads gesendet. Die Ultraschallwelle wird zu dem Reflektor übertragen und der Wandler empfängt eine reflektierte Ultraschallwelle. Eine Laufzeit der Ultraschallwelle wird gemessen. Anhand der Laufzeit der Ultraschallwelle und einer erwarteten Laufzeit der Ultraschallwelle wird ein Kalibrierungskoeffizient ermittelt. Der Kalibrierungskoeffizient wird in den Speicher des Ultraschallsensors geladen.

Description

HINTERGRUND
Die Ausgestaltungen der Erfindung betreffen Verfahren zur Kalibrierung eines Sensors, der zur Messung der Eigenschaften eines Fluids bestimmt ist. Insbesondere betreffen die Ausgestaltungen der Erfindung die Kalibrierung von Sensoren zur Messung einer Konzentration eines Diesel-Abgas-Fluids (DEF).
Die selektive katalytische Reduktion (SCR) ist ein Verfahren zur Umwandlung von Dieselstickstoffoxid-(NOx)-Emissionen in zweiatomiges umweltfreundliches Stickstoffgas (N₂) und Wasser (H₂O) mittels katalytischer Reaktion. In sauberen Dieselmotoren bewirkt ein SCR-System Fast-Null-Emissionen von NOx.
DEF wird zur Reduktion von stickstoffoxidhaltigen (NOx)-Gasen in den Abgasen von Dieselmotoren eingesetzt. DEF ist ein Gemisch aus gereinigtem Wasser und Urea. Bei einem typischen SCR-System wird DEF im Tank eines Fahrzeugs gespeichert und mittels eines oder mehrerer Einspritzventile in einem Verhältnis von etwa 1:50 zu dem verbrannten Dieselkraftstoff in das Abgas gespritzt. Die eingespritzte Urea (in Form eines Nebels) vermischt sich mit dem Abgas und spaltet das im Abgas enthaltene NOx in Stickstoff, Wasser und Kohlendioxid auf.
ZUSAMMENFASSUNG
Für einen einwandfreien Betrieb des SCR-Systems ist es wichtig, dass die Qualität und Quantität des DEF-Fluids gemessen wird. Wenn sich Schadstoffe, wie etwa Dieselkraftstoff, Wasser und Ethylenglykol, mit dem DEF mischen, wird die Fähigkeit des DEF, das im Abgas enthaltene NOx zu reduzieren, verringert. Kontaminiertes DEF kann zudem das NOx-Reduktionssystem beschädigen. Ferner ist es wichtig, dass sich in dem SCR-System eine ausreichende Menge des DEF befindet. Im oder in der Nähe des Tanks werden ein oder mehrere Sensoren zur Messung bestimmter Eigenschaften des DEF verwendet. Die Sensoren können insbesondere folgendes umfassen: einen Füllstandssensor zur Messung der DEF-Menge im Tank; einen Konzentrationssensor zur Messung der DEF-Qualität im Tank; und einen Temperatursensor.
In einigen Ausgestaltungen misst ein einziger Sensor den Pegel des DEF, die Konzentration des DEF und die Temperatur des DEF. Ein einziger Sensor stellt eine kostengünstige Lösung zur Messung der Eigenschaften des DEF dar. Im Allgemeinen bestimmt der Sensor eine Schallgeschwindigkeit in dem DEF mithilfe reflektierter Ultraschallwellen und der Temperatur des DEF. Da sich die Schallgeschwindigkeit des DEF proportional zur Konzentration und Temperatur des DEF verhält, kann der Sensor die Konzentration des DEF durch die Messung der Schallgeschwindigkeit und der Temperatur des DEF bestimmen. Ist die Schallgeschwindigkeit für das DEF bestimmt, kann der Sensor zudem den Füllstand des DEF in einem Speichertank anhand der Schallgeschwindigkeit und einer Laufzeit eines reflektierten Ultraschallimpulses ermitteln. Sofern die Abmessungen des Speichertanks bekannt sind, kann der Füllstand des DEF in die Messung der in dem Speichertank vorhandenen DEF-Menge (z. B. Gallonen) umgewandelt werden.
Die Berechnung der Konzentration des DEF beruht auf präzisen Messungen mittels des Ultraschallsensors. Herstellungstoleranzen von Ultraschallsensoren haben jedoch geringfügige Unterschiede hinsichtlich der Herstellung des Sensors zur Folge. Beim Gebrauch können diese geringfügigen Unterschiede zu Messwertabweichungen führen. So misst ein erster Ultraschallsensor aufgrund der Herstellungstoleranzen womöglich geringfügig andere Werte der Schallgeschwindigkeit des DEF als ein zweiter Ultraschallsensor. Unterschiede bezüglich der gemessenen Schallgeschwindigkeit führen zu Unterschieden bezüglich der berechneten Werte der Konzentrationen. In der Praxis kann die Differenz der Messwerte minimiert werden, indem der Ultraschallsensor in einer Versuchslösung kalibriert wird.
Daher stellt eine Ausgestaltung der Erfindung ein Verfahren zur Kalibrierung eines Ultraschallsensors bereit, der einen Wandler, einen Reflektor, der in einem vorgegebenen Abstand von dem Wandler angeordnet ist, und einen Speicher umfasst. Das Verfahren umfasst: Erhitzen eines Wasserbads auf eine vorgegebene Temperatur und mindestens teilweises Eintauchen des Ultraschallsensors in das Wasserbad. Ist er eingetaucht, wird von dem Wandler eine Ultraschallwelle durch einen Teil des Wasserbads gesendet. Die Ultraschallwelle wird zu dem Reflektor gesendet und am Wandler wird eine reflektierte Ultraschallwelle empfangen. Eine Laufzeit der Ultraschallwelle wird gemessen. Anhand der Laufzeit der Ultraschallwelle und einer erwarteten Laufzeit der Ultraschallwelle wird ein Kalibrierungskoeffizient ermittelt. Dann wird der Kalibrierungskoeffizient in den Speicher des Ultraschallsensors geladen.
Zu beachten ist, dass die Ausgestaltungen der Erfindung auf die Kalibrierung einer Vielzahl von Ultraschallsensoren angewendet werden können und nicht auf Ultraschallsensoren beschränkt sind, die in DEFs verwendet werden. Mithilfe der Vielzahl von Ultraschallsensoren kann eine Schallgeschwindigkeit in einer Vielzahl von Flüssigkeiten gemessen werden, darunter Benzinkraftstoff, Dieselkraftstoff, Motoröl, Hydraulikflüssigkeit und Getriebeflüssigkeit. Daher führt die Kalibrierung der Vielzahl von Sensoren während der Herstellung zu einer größeren Genauigkeit der Schallgeschwindigkeitsmessungen und somit zu einer größeren Genauigkeit der Konzentrationsmessungen, die anhand der Schallgeschwindigkeitsmessungen durchgeführt werden.
Weitere Aspekte der Erfindung werden anhand der detaillierten Beschreibung und der Begleitzeichnungen offenkundig.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Darstellung eines Ultraschallsensors gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.
2 ist eine Querschnittsdarstellung des Ultraschallsensors in 1.
3 ist ein Blockdiagramm, das ein Steuerungssystem des Ultraschallsensors in 1 veranschaulicht.
4 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Durchführung einer Messung mit dem Ultraschallsensor in 1.
5 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Kalibrierung des Ultraschallsensors in 1.
Die 6A und 6B veranschaulichen einen Graphen einer Schallgeschwindigkeit von Wasser in Bezug auf eine Temperatur des Wassers und einen Graphen einer Ableitung der Schallgeschwindigkeit von Wasser in Bezug auf die Wassertemperatur.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Bevor die Ausgestaltungen der Erfindung detailliert erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die nachfolgend beschriebenen oder in den Zeichnungen dargestellten Details der Konstruktion und Anordnung der Elemente beschränkt ist. Die Erfindung kann mittels anderer Ausgestaltungen verwirklicht und auf verschiedene Weise angewandt werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von hardware- und softwarebasierten Geräten sowie eine Vielzahl unterschiedlicher struktureller Komponenten zur Verwirklichung der Erfindung verwendet werden können. Überdies können Ausgestaltungen der Erfindung Hardware-, Software- und elektronische Komponenten oder Module umfassen, die für die Zwecke der Erläuterung so veranschaulicht und beschrieben werden, als wäre der Großteil der Bauteile nur in Hardware ausgeführt. Der Durchschnittsfachmann wird aufgrund dieser detaillierten Beschreibung jedoch erkennen, dass die elektronisch-basierten Aspekte der Erfindung in mindestens einer Ausgestaltung in Software verwirklicht werden können (z. B. durch Speicherung in einem nicht-transitorischen computerlesbaren Medium), die von einem oder mehreren Prozessoren ausführbar ist. Daher können eine Vielzahl von hardware- und softwarebasierten Geräten sowie eine Vielzahl unterschiedlicher struktureller Komponenten zur Verwirklichung der Erfindung verwendet werden. So können „Steuerungseinheiten” und „Regler”, die in der Spezifikation beschrieben werden, beispielsweise einen oder mehrere Prozessoren, einen oder mehrere Speichermodule, einschließlich nicht-transitorischer computerlesbarer Medien, eine oder mehrere Ein-Ausgabe-Schnittstellen sowie verschiedene Verbindungen (z. B. einen Systembus) umfassen, welche die Bauteile miteinander verbinden.
Die hierin beschriebenen Ausgestaltungen der Erfindung verstehen sich in Bezug auf die Kalibrierung eines Sensors für ein DEF, das in einem SCR-System eingesetzt wird. Die beschriebenen Erfindung kann jedoch auch in Verbindung mit einer Vielzahl anderer Flüssigkeiten, Kraftstoffe und Öle angewandt werden (z. B. Benzinkraftstoff, Dieselkraftstoff, Motoröl, Hydraulikflüssigkeit und Getriebeflüssigkeit usw.).
1 ist eine perspektivische Darstellung eines Ultraschallsensors 100. In dem dargestellten Beispiel umfasst der Ultraschallsensor 100 ein Unterteil 105, ein Schallführungsrohr 110, einen Reflektor 115 und einen Wandler 120 (z. B. einen piezoelektrischen Ultraschallwandler). Der Ultraschallsensor 100 wird mindestens teilweise in ein Fluid eines Speichertanks 125 getaucht. Der Wandler nutzt das Fluid, um als Medium für die Übertragung von Ultraschallwellen zu wirken. Da die Eigenschaften des Fluids durch das Senden und Empfangen von Ultraschallwellen bestimmt werden, bestimmt der Ultraschallsensor 100 die Eigenschaften des Fluids nur, wenn das Fluid einen ausreichenden Füllstand hat, um den Wandler 120 und den Reflektor 115 zu bedecken. Bedeckt das Fluid nicht den Wandler 120 sendet der Ultraschallsensor 100 ein Signal, das anzeigt, dass in dem Speichertank 125 nicht genügend Fluid für eine Messung vorhanden ist (z. B. „leer”). In einigen Ausgestaltungen kann es sich bei dem Reflektor 115 um ein in Bezug auf den Ultraschallsensor externes Element handeln. In solchen Ausgestaltungen sind der Ultraschallsensor 100 und der Reflektor 115 in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnet.
2 ist eine Querschnittsansicht des Ultraschallsensors 100. Wie dargestellt, entspricht der Querschnitt der Länge des Ultraschallsensors 100, so dass das Schallführungsrohr 110, der Reflektor 115 und der Wandler 120 durch eine vertikale Ebene geschnitten werden. Der Ultraschallsensor 100 umfasst eine gedruckte Schaltung (PCB 230) und eine Vielzahl von Sensoren. In der dargestellten Ausgestaltung umfasst die Vielzahl von Sensoren einen Konzentrationssensor 135, einen Füllstandssensor 240 und einen Temperatursensor 245. In anderen Ausgestaltungen kann der Ultraschallsensor 100 mehr oder weniger Sensoren umfassen, als in der veranschaulichten Ausgestaltung dargestellt sind. Jeder der Vielzahl von Sensoren ist mit dem PCB 230 elektrisch verbunden. Das PCB 230 umfasst ein Steuerungssystem (3), das die Vielzahl von Sensoren u. a. mit Strom versorgt und das die Daten von der Vielzahl von Sensoren analysiert und die analysierten Daten an andere Geräte, wie z. B. einen externen Rechner überträgt.
Der Konzentrationssensor 135 misst eine Konzentration und folglich eine Beschaffenheit des Fluids in dem Speichertank 125. Die Beschaffenheit des Fluids kann anhand eines gewünschten Konzentrationsgrades des Fluids bestimmt werden (z. B. 32,5% Urea und 67,5% deionisiertes Wasser). Die Konzentration des Fluids kann auch auf die Dichte des Fluids hindeuten. Daher kann die Dichte durch die Bestimmung der Konzentration des Fluids und einer Temperatur des Fluids anhand einer bekannten Beziehung ermittelt werden. Überdies können durch die Konzentrationsmessungen des Fluids Verunreinigungen erkannt werden, die außerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegen. Der Konzentrationssensor 135 umfasst den Reflektor 115 und den Wandler 120. Der Wandler 120 dient sowohl als Sender als auch Empfänger von Ultraschallwellen. Im Betrieb, sendet der Wandler 120 eine Ultraschallwelle durch das Fluid zu dem Reflektor 115. Die Ultraschallwelle wird von dem Reflektor 115 reflektiert und breitet sich wieder in Richtung des Wandlers 120 aus. Der Konzentrationssensor 135 misst eine Laufzeit der Ultraschallwelle. Die Ultraschallsensor 100 bestimmt die Eigenschaften des Fluid in dem Speichertank 125 mittels des nachfolgend beschriebenen Steuerungssystem.
Der Füllstandssensor 240 ermittelt einen Pegel und somit eine Menge des Fluids im Speichertank 125. In der veranschaulichten Ausgestaltung umfasst der Füllstandssensor 240 einen Füllstandswandler (z. B. einen piezoelektrischen Ultraschallwandler) 250 und das Schallführungsrohr 110. Der Wandler 250 dient sowohl als Sender als auch Empfänger. Einige Ausgestaltungen des Füllstandssensors 240 umfassen zudem einen Schwimmer 255. In der veranschaulichten Ausgestaltung umfasst der Füllstandssensor 240 einen in dem Schallführungsrohr 110 vorgesehenen Schwimmer 255. Obwohl der Schwimmer 255 als Kugel dargestellt ist, kann er auch eine andere Form haben, z. B. kann er zylinderförmig sein. Wenn der Pegel des Fluids unter dem Oberteil des Schallführungsrohrs 110 liegt, schwimmt der Schwimmer 255 auf der Oberfläche 260 des in dem Schallführungsrohr 110 enthaltenen Fluids. Der Wandler 250 erzeugt eine Ultraschallwelle, die sich durch das in dem Schallführungsrohr 110 enthaltene Fluid ausbreitet. Die Ultraschallwelle breitet sich in Richtung der Fläche 260 des Fluids zu der Stelle des Schwimmers 255 aus, wird von dem Schwimmer 255 reflektiert und breitet sich wieder in Richtung des Wandlers 250 aus.
In einer anderen Ausgestaltung umfasst der Füllstandssensor 240 nicht den Schwimmer 255. Der Wandler 250 erzeugt eine Ultraschallwelle, die sich durch das in dem Schallführungsrohr 110 enthaltene Fluid in Richtung der Fläche 260 des Fluids ausbreitet. Die Ultraschallwelle wird an der Fläche 260 des Fluids reflektiert und breitet sich in Richtung des Wandlers 250 aus. In beiden Ausgestaltungen, mit oder ohne Schwimmer 255, sendet der Wandler 250 ein Signal, das die Zeit anzeigt, innerhalb der die Ultraschallwelle am Wandler 250 empfangen wurde. Anhand der Zeitdifferenz zwischen dem Senden und dem Empfangen der Ultraschallwelle wird eine Laufzeit der Ultraschallwelle berechnet.
Der Temperatursensor 245 ermittelt eine Temperatur des Fluids in dem Speichertank 125. In einer Ausgestaltung handelt es sich bei dem Temperatursensor 245 um ein Thermoelement. In einer anderen Ausgestaltung ist der Temperatursensor 245 ein Thermistor. In einer weiteren Ausgestaltung ist der Temperatursensor 245 ein Widerstands-Temperatursensor und in wieder einer anderen Ausgestaltung ist der Temperatursensor 245 ein Infrarot-Temperatursensor. Der Temperatursensor 245 sendet ein Signal, das die gemessene Temperatur anzeigt. In einigen Ausgestaltungen sind der Füllstandssensor 240 und der Temperatursensor 245 als Kombinationssensor ausgeführt, der sowohl einen Füllstand als auch eine Temperatur messen kann. In anderen Ausgestaltungen sind der Füllstandssensor 240, der Temperatursensor 245 und der Konzentrationssensor 135 als ein Kombinationssensor ausgeführt, der alle drei Parameter messen kann.
3 ist ein Blockdiagramm eines Steuerungssystems 300, das zur Messung der Eigenschaften des Fluids und zur Kalibrierung des Ultraschallsensors 100 bestimmt ist. In einigen Ausgestaltungen ist das von den Sensoren getrennte Steuerungssystem 300 an dem PCB 230 des Ultraschallsensors 100 montiert. In einigen Ausgestaltungen umfasst das Steuerungssystem 300 eine Vielzahl von elektrischen und elektronischen Bauteilen, die für die Stromversorgung, die Steuerung und den Schutz der Bauteile und Module des Steuerungssystems 300 und/oder der Ultraschallsensor 100 zuständig sind. So umfasst das Steuerungssystem 300 u. a. eine Steuereinheit (z. B. eine programmierbare Mikrosteuereinheit oder ein ähnliches Bauteil) 310, ein Stromversorgungsmodul 315 und ein Ein-Ausgabe-Modul 320. Die Steuereinheit 310 umfasst, u. a., einen Prozessor 325 und einen Speicher 330. Der Prozessor 325 ist mit dem Speicher 330 elektrisch verbunden, und führt Befehle aus, die in dem Speicher 330 gespeichert werden können. Die Steuereinheit 310 ist u. a. dazu bestimmt, die Befehle, welche die hierin beschriebenen Steuerungsprozesse und Verfahren betreffen, aus dem Speicher 330 abzufragen und auszuführen. In anderen Ausgestaltungen umfasst das Steuerungssystem 300 zusätzliche, weniger oder andere Bauteile.
Das Stromversorgungsmodul 315 liefert an das Steuerungssystem 300 oder andere Komponenten des Ultraschallsensors 100 eine Nennspannung. In einer Ausgestaltung liefert das Stromversorgungsmodul 315 eine Nenngleichspannung. Das Stromversorgungsmodul 315 wird von einer Stromquelle versorgt, die eine Nennspannung liefert und dazu bestimmt ist, für den Betrieb der Stromkreise und Bauteile des Steuerungssystems 300 oder des Ultraschallsensors 100 niedrigere Spannungen zu liefern.
Das Ein-Ausgabe-Modul 320 überträgt Daten von dem Steuerungssystem 300 an eine externe Steuereinheit 340 und empfängt Daten von der externen Steuereinheit 340. Wenn sich der Ultraschallsensor 100 im Normalbetrieb befindet, arbeitet er in einem Messmodus, in dem er Daten an die externe Steuereinheit 340 sendet, die die gemessenen und ermittelten Eigenschaften des Fluids anzeigen. Bei der externen Steuereinheit 340 kann es sich z. B. um eine elektronische Steuereinheit (ECU) eines dieselbetriebenen Fahrzeugs handeln. Die externe Steuereinheit 340 kann über ein Kommunikationsmodul an einem Kommunikationsbus eines Fahrzeugs (z. B. einen CAN-Bus) verbunden sein. In einigen Ausgestaltungen kommuniziert das Ein-Ausgabe-Modul 320 mittels eines Protokolls, wie etwa J1939 oder einen CAN-Bus zur direkten Kommunikation mit der externen Steuereinheit 340. In anderen Ausgestaltungen kommuniziert das Ein-Ausgabe-Modul 320 mittels anderer geeigneter Protokolle, einschließlich analoger oder digitaler Signale, je nach den Anforderungen der jeweiligen Anwendung. In einigen Ausgestaltungen kommuniziert das Ein-Ausgabe-Modul 320 mittels eines pulsbreitenmodulierten Signals.
In 4 ist eine Ausgestaltung eines Messverfahrens 400 veranschaulicht, mittels dem der Ultraschallsensor 100 Eigenschaften (z. B. eine Konzentration) des DEF bestimmt. Das Messverfahren 400 wird durchgeführt, wenn sich der Ultraschallsensor 100 im Normalbetrieb befindet (z. B. wenn er in DEF getaucht wird). Der Wandler 120 sendet eine Ultraschallwelle an den Reflektor 115 (Schritt 405). Der Wandler 120 empfängt die vom Reflektor 115 reflektierte Ultraschallwelle (Schritt 410). Die Steuereinheit 310 empfängt ein Signal von dem Wandler 120, das anzeigt, wenn die Ultraschallwelle am Wandler 120 empfangen wird. Mittels dieses Signals berechnet die Steuereinheit 310 eine Laufzeit der Ultraschallwelle, und zwar anhand der Zeitdifferenz zwischen der Erzeugung der Ultraschallwelle und der Reflexion der Ultraschallwelle (Schritt 415). Die Steuereinheit 310 korrigiert die berechnete Laufzeit mittels eines Konzentrations-Kalibrierungskoeffizienten gemäß dem in 5 dargestellten Kalibrierungsverfahren (Schritt 420). Die Steuereinheit 310 bestimmt eine Schallgeschwindigkeit des DEF anhand der angepassten Laufzeit (Schritt 425). Die Steuereinheit 310 sendet ein Temperatursignal von dem Temperatursensor 245, das eine Temperatur des DEF (Schritt 430) anzeigt. Anhand der Temperatur und der angepassten Schallgeschwindigkeit des DEF ermittelt die Steuereinheit 310 eine Konzentration des DEF (Schritt 435). In einigen Ausgestaltungen kann die Konzentration des DEF mittels einer in dem Speicher 330 gespeicherten Wertetabelle bestimmt werden. Alternativ kann die Steuereinheit 310 die Konzentration des DEF anhand der Temperatur und der Schallgeschwindigkeit des DEF mit einem Algorithmus. Schließlich sendet die Steuereinheit 310 ein Datensignal über das Ein-Ausgabe-Modul 320 an die externe Steuereinheit 340 (z. B. ein Fahrzeugsteuerungssystem), das die ermittelte Konzentration des DEF (Schritt 440) anzeigt. Verschiedene beschriebene Schritte der Messverfahrens 400 können gleichzeitig, parallel oder in einer Reihenfolge ausgeführt werden, die von der dargestellten seriellen Ausführung abweicht. Das Messverfahren 400 kann auch in weniger Schritten durchgeführt werden, als in der veranschaulichten Ausgestaltung beschrieben sind.
Die Kalibrierung des Ultraschallsensors 100 kann während seiner Herstellung erfolgen. Während der Kalibrierung wird der Ultraschallsensor 100 mit einem externe Steuereinheit 340 verbunden. In einigen Ausgestaltungen unterscheidet sich die externe Steuereinheit 340 für die Kalibrierung von der externen Steuereinheit 340 für den Normalbetrieb des Ultraschallsensors 100. Die externe Steuereinheit 340 kann einen Rechner umfassen, der mit Software konfiguriert ist, um die Schnittstelle mit dem Ultraschallsensor 100 zu bilden. Die externe Steuereinheit 340 kann mittels eines Verbindungskabels, das in einen an dem Ultraschallsensor 100 vorhandenen mehrpoligen Adapter angeschlossen wird, mit dem Ein-Ausgabe-Modul 320 verbunden werden. Die externe Steuereinheit 340 kann dazu bestimmt sein, den Kalibrierungsmodus zu starten und zu beenden. Überdies kann die externe Steuereinheit 340 Daten vom Ultraschallsensor 100 empfangen, die Messungen des Konzentrationssensors 135, des Füllstandssensors 240 und des Temperatursensors 245 anzeigen.
Eine Ausgestaltung eines Kalibrierungsverfahrens 500 ist in 5 dargestellt. Ein Wasserbad wird auf eine vorgegebene Temperatur erhitzt (z. B. 30°C, 40°C, 50°C, 60°C, 70°C, 80°C, 90°C, 100°C usw.). In der veranschaulichten Ausgestaltung wird das Wasserbad auf eine vorgegebene Temperatur von ca. 50°C erhitzt (Schritt 505). Der Ultraschallsensor 100 wird über ein Verbindungskabel oder eine andere Verbindung mit der externen Steuereinheit 340 verbunden und mindestens teilweise in das Wasserbad getaucht (Schritt 510). Zum Start der Kalibrierung sendet die externe Steuereinheit 340 eine Initiierungsnachricht (d. h. einen Kalibrierungs-Startbefehl) an den Ultraschallsensor 100 (Schritt 515). Die Steuereinheit 310 sendet ein Signal an den Wandler (den Wandler 120 oder Wandler 250), und der Wandler 120, 250 erzeugt als Antwort auf das Signal eine Ultraschallwelle (Schritt 520). Die Ultraschallwelle wird reflektiert und wieder am Wandler 120, 250 empfangen. In einer Ausgestaltung wird die Ultraschallwelle von dem Reflektor 115 reflektiert. In einer anderen Ausgestaltung wird die Ultraschallwelle an einem externen, von dem Ultraschallsensor 100 getrennten Reflektor reflektiert. In einer solchen Ausgestaltung kann es sich bei dem externen Reflektor um einen temporären Reflektor handeln, der z. B. nur während der Kalibrierung benutzt wird. In beiden Ausgestaltung sind der Reflektor 115 und der externe Reflektor jeweils in einem vorgegebenen Abstand von dem Wandler 120, 250 angeordnet.
Die Steuereinheit 310 empfängt ein Antwortsignal von dem Wandler 120, 250, das die Zeit anzeigt, innerhalb der die reflektierte Ultraschallwelle empfangen wurde (Schritt 525). Anhand der Zeitdifferenz zwischen dem Senden des Signals an den Wandler 120, 250 und dem Empfangen des Antwortsignals, das die reflektierte Ultraschallwelle anzeigt, ermittelt die Steuereinheit 310 eine Laufzeit der Ultraschallwelle (Schritt 530). Die Steuereinheit 310 lädt eine prognostizierte Laufzeit der Ultraschallwelle aus dem Speicher 330 (Schritt 535). In einer Ausgestaltung kann die prognostizierte Laufzeit vor dem Kalibrierungsverfahren 500 anhand eines Standardabstands zwischen dem Wandler 120 und dem Reflektor 115 oder zwischen dem Wandler 250 und dem externen Reflektor und einer Schallgeschwindigkeit des Wasserbads bei vorgegebener Temperatur bestimmt werden. Die Steuereinheit 310 vergleicht die prognostizierte Laufzeit mit der gemessenen Laufzeit und berechnet eine Wertdifferenz (Schritt 540). Die Steuereinheit 310 bestimmt einen Kalibrierungskoeffizienten (z. B. einen Konzentrations-Kalibrierungskoeffizienten, einen Füllstands-Kalibrierungskoeffizienten usw.) auf der Basis der errechneten Differenz (z. B. Einstellen des Kalibrierungskoeffizienten gleich der errechneten Differenz oder proportional zu der errechneten Differenz) (Schritt 545). Die Steuereinheit 310 lädt den Kalibrierungskoeffizienten in den Speicher 330 des Ultraschallsensors 100 (Schritt 550). Ebenso wie bei dem Messverfahren 400 können verschiedene an dieser Stelle beschriebene Schritte in Bezug auf das Kalibrierungsverfahren 500 gleichzeitig, parallel oder in einer Reihenfolge ausgeführt werden, die sich von der dargestellten seriellen Ausführung unterscheidet. Das Kalibrierungsverfahren 500 kann auch in weniger Schritten durchgeführt werden, als in der beschriebenen Ausgestaltung angegeben sind.
Zu beachten ist, dass sich die Differenz zwischen der gemessenen Laufzeit und der prognostizierten Laufzeit aufgrund geringfügiger Unterschiede in dem Abstand zwischen dem Wandler 120 und dem Reflektor 115 sowie zwischen dem Wandler 250 und dem externen Reflektor vergrößern kann. Die geringfügigen Unterschiede bezüglich des Abstands sind eine natürliche Folge des Herstellungsverfahrens. So können beispielsweise Herstellungstoleranzen und Abweichungen hinsichtlich der Herstellungsbedingungen, einschließlich Bearbeitungs-, Formungs- und Montageverfahren, zu geringfügigen Abweichungen des tatsächlichen Abstands fuhren. Um eine höhere Präzision der Messungen des Ultraschallsensors 100 und eine größere Einheitlichkeit zwischen jedem gefertigten Ultraschallsensor 100 zu erreichen, korrigiert die Kalibrierungskomponente Abweichungen bezüglich der bei der Fertigung erzeugten Abstände.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst der in 5 dargestellte Kalibrierungsprozess zudem die Kalibrierung des Temperatursensors 245. In dieser Ausgestaltung empfängt die Steuereinheit 310 von dem Temperatursensor 245 eine gemessene Temperatur des Wasserbads, und die Steuereinheit 310 bestimmt eine Wertdifferenz zwischen der gemessenen Temperatur und der vorgegebenen Temperatur (z. B. 50°C) des Wasserbads. Die Steuereinheit 310 bestimmt eine Temperatur-Kalibrierungskomponente anhand der Differenz zwischen der gemessenen Temperatur und der vorgegebenen Temperatur (z. B. 50°C). Dann lädt die Steuereinheit 310 die Temperatur-Kalibrierungskomponente in den Speicher 330. In solch einer Ausgestaltung kann die Steuereinheit 310 im Schritt 545 die prognostizierte Laufzeit der Ultraschallwelle entweder anhand der gemessenen Temperatur und dem Temperatur-Kalibrierungskoeffizienten oder anhand der vorgegebenen Temperatur (z. B. 50°C) des Wasserbads bestimmen. In einigen Ausgestaltungen kann die Kalibrierung des Temperatursensors 245 getrennt von dem Kalibrierungsverfahren 500 erfolgen.
Überdies kann die Steuereinheit 310 in einer solchen Ausgestaltung bei dem Messverfahren 400 den Temperatur-Kalibrierungskoeffizienten benutzen. Im Schritt 430 beispielsweise gleicht die Steuereinheit 310 die gemessene Temperatur – nachdem die Temperatur des DEF gemessen wurde – anhand des Temperatur-Kalibrierungskoeffizienten an. Demzufolge bestimmt die Steuereinheit 310 im Schritt 435 die Konzentration des DEF unter Bezugnahme auf eine Wertetabelle anhand der angepassten Temperatur und der Schallgeschwindigkeit.
Eine Aufrechterhaltung konstanter Bedingungen in dem Wasserbad hat eine höhere Einheitlichkeit des Kalibrierungsverfahrens zur Folge. Zu beachten ist, dass es sich bei dem für das Kalibrierungsverfahren verwendeten Wasser in einigen Ausgestaltungen um gereinigtes Wasser handelt (z. B. Deionisierung oder Umkehrosmose). Gereinigtes Wasser wird hinsichtlich seiner physikalischen Eigenschaften für die Einheitlichkeit verwendet. Darüber hinaus ist bei einer Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur des Wasserbads sichergestellt, dass die Schallgeschwindigkeit im Wasserbad relativ konstant bleibt. Daher kann das Kalibrierungsverfahren 500 auch die Aufrechterhaltung einer präzisen Kontrolle der Temperatur des Wasserbads umfassen. Um diese zu gewährleisten, kann die Temperatur des Wasserbads zwischen einer unteren Temperaturschwelle und einer oberen Temperaturschwelle aufrechterhalten werden, indem mittels eines Temperatursensors und einer Temperatur-Steuereinheit, bei denen es sich in Bezug auf den Ultraschallsensor 100 um externe Komponenten handelt, ein Heizelement aktiviert wird.
Wie in 6A dargestellt, ändert sich die Schallgeschwindigkeit von Wasser je nach der Temperatur. Wird die Temperatur des Wassers erhöht, verringert sich das Ausmaß der Veränderung der Schallgeschwindigkeit. Diese Eigenschaft wird durch die abgeleitete Kurve in 6B veranschaulicht. Wie bei dem Kalibrierungsverfahren 500 beschrieben, wird die Temperatur des Wasserbads auf 50°C erhöht. Bei etwa 50°C und mehr ändert sich die Schallgeschwindigkeit bei kleinen Temperaturänderungen nicht erheblich. Wenn daher die Temperatur des Wasserbads über 50°C gehalten wird, haben geringfügige Schwankungen der Temperatur des Wasserbads keine nachteilige Auswirkung auf die Genauigkeit der Kalibrierung. Das Kalibrierungsverfahren 500 wird anhand eines Wasserbads mit einer Temperatur von 50°C beschrieben, da dies eine sichere Arbeitstemperatur für die Bediener ist.
Das Kalibrierungsverfahren 500 ist jedoch nicht auf 50°C beschränkt. Der Kalibrierungsprozess kann auch bei anderen Temperaturen durchgeführt werden. Zur Minimierung von Abweichungen der durch Temperaturschwankungen verursachten Schallgeschwindigkeit kann die Wasserbadtemperatur auf einen Wert innerhalb des flachen Bereichs des in 6A dargestellten Graphen eingestellt werden. Ein Bereich zwischen 50°C und 100°C ergibt zum Beispiel einen relativ flachen Abschnitt 605 der Kurve, bei dem Schwankungen der Schallgeschwindigkeit minimiert werden können. Diesbezüglich kann die Wasserbadtemperatur so eingestellt werden, dass eine Ableitung der Schallgeschwindigkeit in Bezug auf die Temperatur weniger als 2 beträgt. Bei Temperaturen von über 60°C jedoch können andere Faktoren die Vorteile eines Betriebs innerhalb des flachen Abschnitts 605 der Kurve überwiegen. Bei steigender Temperatur erhöhen sich beispielsweise die thermische Belastung des Ultraschallsensors 100, Sicherheitsrisiken für die Bediener sowie der Energieverbrauch. Demzufolge können niedrige Wassertemperaturen wünschenswert sein. Diesbezüglich ergibt ein Temperaturbereich von 40°C bis 60°C oder ein Bereich von 30°C bis 70°C einen relativ flachen Bereich der Kurve bei gleichzeitiger Minimierung dieser anderen Faktoren.
Um Einheitlichkeit bei der Bestimmung des Kalibrierungskoeffizienten zu erreichen, stellt die Erfindung somit u. a. ein Verfahren zur Kalibrierung eines Ultraschallsensors mittels eines Heißwasserbads bereit. In den folgenden Ansprüchen sind verschiedene Merkmale und Vorteile der Erfindung aufgeführt.

Claims

Ein Verfahren zur Kalibrierung eines Ultraschallsensors, der einen Wandler und einen Speicher umfasst, wobei der Wandler zur Ausgabe einer Ultraschallwelle bestimmt ist und das Verfahren folgendes umfasst: Erhitzen eines Wasserbads auf eine vorgegebene Temperatur; mindestens teilweises Eintauchen des Ultraschallsensors in das Wasserbad; Senden der Ultraschallwelle durch einen Teil des Wasserbads zu einem Reflektor, der in einem vorgegebenen Abstand von dem Ultraschallsensor angeordnet ist; Empfangen der von dem Reflektor reflektierten Ultraschallwelle; Messen einer Laufzeit der Ultraschallwelle; Bestimmen eines Kalibrierungskoeffizienten anhand der Laufzeit der Ultraschallwelle und einer erwarteten Laufzeit; Laden des Kalibrierungskoeffizienten in den Speicher des Ultraschallsensors.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Wasserbad aus gereinigtem Wasser besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die vorgegebene Temperatur zwischen etwa 30 Grad Celsius und etwa 70 Grad Celsius beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die vorgegebene Temperatur ca. 50 Grad Celsius beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erhitzen des Wasserbads auf eine vorgegebene Temperatur zudem folgendes umfasst: Messen einer Temperatur des Wasserbads; Aktivieren eines Heizelements, wenn die Temperatur des Wasserbads einer unteren Temperaturschwelle entspricht; und Deaktivieren des Heizelements, wenn die Temperatur des Wasserbads einer oberen Temperaturschwelle entspricht.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die untere Temperaturschwelle auf ca. 40 Grad Celsius und die obere Temperaturschwelle auf ca. 60 Grad Celsius eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Ultraschallsensor dazu bestimmt ist, eine Konzentration des Diesel-Abgas-Fluid (DEF) zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Berechnung des Kalibrierungskoeffizienten zudem die Berechnung einer Zeitdifferenz zwischen der Laufzeit der Ultraschallwelle und der erwarteten Laufzeit umfasst; und das Einstellen des Kalibrierungskoeffizienten proportional zu der errechneten Differenz.
Verfahren nach Anspruch 1, das zudem das elektrische Verbinden des Ultraschallsensors mit einer externen Steuereinheit umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Ultraschallsensor von der externen Steuereinheit gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Ermittlung des Kalibrierungskoeffizienten durch die externe Steuereinheit erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die externe Steuereinheit zur Kommunikation durch ein Ein-Ausgabe-Modul mit dem Ultraschallsensor verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das zudem die Messung einer Temperatur des Wasserbads mittels eines Temperatursensors des Ultraschallsensors umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, das zudem die Ermittlung eines Temperatur-Kalibrierungskoeffizienten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Bestimmen des Temperatur-Kalibrierungskoeffizienten die Berechnung einer Differenz zwischen der gemessenen Temperatur und einer vorgegebenen Temperatur umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die vorgegebene Temperatur zwischen etwa 40 Grad Celsius und etwa 100 Grad Celsius beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die vorgegebene Temperatur ca. 50 Grad Celsius beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die vorgegebene Temperatur eine Temperatur ist, bei der eine Ableitung einer Schallgeschwindigkeit des Wasserbads in Bezug auf die Temperatur weniger als zwei beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Ultraschallsensor den Reflektor umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Ultraschallsensor dazu bestimmt ist, anhand des Kalibrierungskoeffizienten mindestens einen ausgewählten Wert der Gruppe, bestehend aus einer Konzentration eines Fluids, einer Dichte eines Fluids und einer Eigenschaft eines Fluids, bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Ultraschallsensor dazu bestimmt ist, anhand des Kalibrierungskoeffizienten eine Schallgeschwindigkeit durch ein Fluid zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Ultraschallsensor dazu bestimmt ist, mittels des Kalibrierungskoeffizienten, mindestens einen ausgewählten Wert der Gruppe, bestehend aus einem Füllstand eines Fluids und einer Menge eines Fluids zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Kalibrierungskoeffizient ein Konzentrations-Kalibrierungskoeffizient ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Kalibrierungskoeffizient ein Füllstands-Kalibrierungskoeffizient ist.