DE102017221261A1

DE102017221261A1 - Ultrasonic sensor, tank installation unit with an ultrasonic sensor

Info

Publication number: DE102017221261A1
Application number: DE102017221261.6A
Authority: DE
Inventors: Ewgenij Landes; Steffen Schott
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-11-28
Filing date: 2017-11-28
Publication date: 2019-05-29
Also published as: WO2019105774A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor (1) zur Messung einer Signallaufzeit in einer Flüssigkeit, insbesondere in einer wässrigen Harnstofflösung, zur Bestimmung der Qualität der Flüssigkeit, umfassend eine Sensoreinheit (2) mit einem Ultraschallerzeuger und einem Ultraschallempfänger, ferner umfassend einen in einem Abstand zur Sensoreinheit (2) angeordneten Reflektor (3), der gemeinsam mit der Sensoreinheit (2) eine Messstrecke (4) definiert. Erfindungsgemäß weist der Reflektor (3) mindestens einen Tragarm (5) zur Verbindung mit der Sensoreinheit (2) und/oder mit einem Gehäuseteil (6, 7) auf, in dem die Sensoreinheit lagefest aufgenommen ist.
Die Erfindung betrifft ferner eine Tankeinbaueinheit (9) mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallsensor (1).

The invention relates to an ultrasonic sensor (1) for measuring a signal transit time in a liquid, in particular in an aqueous urea solution, for determining the quality of the liquid, comprising a sensor unit (2) with an ultrasound generator and an ultrasound receiver, and further comprising a distance to the sensor unit (2) arranged reflector (3), which defines a measuring section (4) together with the sensor unit (2). According to the invention, the reflector (3) has at least one support arm (5) for connection to the sensor unit (2) and / or to a housing part (6, 7) in which the sensor unit is received in a fixed position.
The invention further relates to a tank installation unit (9) with an ultrasonic sensor (1) according to the invention.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Der Ultraschallsensor dient der Messung einer Signallaufzeit in einer Flüssigkeit zur Bestimmung der Qualität der Flüssigkeit. Die Erfindung betrifft ferner eine Tankeinbaueinheit mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallsensor.The invention relates to an ultrasonic sensor having the features of the preamble of claim 1. The ultrasonic sensor is used to measure a signal propagation time in a liquid for determining the quality of the liquid. The invention further relates to a tank installation unit with an ultrasonic sensor according to the invention.

Bei der Flüssigkeit, deren Qualität es zu bestimmen gilt, kann es sich insbesondere um eine wässrige Harnstofflösung zur Nachbehandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine handeln.In the case of the liquid whose quality is to be determined, it may in particular be an aqueous urea solution for the after-treatment of exhaust gases of an internal combustion engine.

Die wässrige Harnstofflösung bewirkt im Abgas die Bildung von Ammoniak, der mit den im Abgas enthaltenen Stickoxiden in einem nachgeschalteten Katalysator zu harmlosem Stickstoff und Wasser reagiert („selektive katalytische Reduktion“). Auf diese Weise kann der Stickoxidausstoß der Brennkraftmaschine deutlich gesenkt werden. Voraussetzung ist, dass die Qualität der wässrigen Harnstofflösung, insbesondere der Harnstoffgehalt in der Harnstofflösung stimmt. Die Qualität bzw. der Harnstoffgehalt werden daher in der Regel überwacht. Hierin ist die bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors zu sehen.The aqueous urea solution causes the formation of ammonia in the exhaust gas, which reacts with the nitrogen oxides contained in the exhaust gas in a downstream catalyst to harmless nitrogen and water ("selective catalytic reduction"). In this way, the nitrogen oxide emissions of the internal combustion engine can be significantly reduced. The prerequisite is that the quality of the aqueous urea solution, in particular the urea content in the urea solution, is correct. The quality or the urea content are therefore usually monitored. Herein is the preferred application of the ultrasonic sensor according to the invention.

Stand der TechnikState of the art

Aus der DE 10 2013 217 927 A1 ist eine Tankeinbaueinheit für einen Tank zur Bevorratung eines Betriebs- /Hilfsstoffs, insbesondere einer wässrigen Harnstofflösung, bekannt, die über eine Zwischen-Plattform mit dem Tank verbindbar ist. Die Zwischen-Plattform kann einen Qualitätssensor, beispielsweise in Form eines Ultraschallsensors, umfassen. Dieser kann entweder direkt auf eine entsprechende Schnittstelle mit einer elektrischen Kontaktierung aufgebracht, so zum Beispiel geschweißt, geklebt, geschraubt, verrastet oder eingepresst, oder direkt in das Material der Zwischen-Plattform integriert werden.From the DE 10 2013 217 927 A1 is a tank installation unit for a tank for storing an operating / auxiliary substance, in particular an aqueous urea solution, known, which is connectable via an intermediate platform with the tank. The intermediate platform may comprise a quality sensor, for example in the form of an ultrasonic sensor. This can either be applied directly to a corresponding interface with an electrical contact, for example welded, glued, screwed, latched or pressed in, or integrated directly into the material of the intermediate platform.

Wird ein Ultraschallsensor als Qualitätssensor verwendet, weist dieser üblicherweise eine Sensoreinheit mit einem Ultraschallerzeuger und einem Ultraschallempfänger sowie mit mindestens einem Reflektor auf. Aufgabe des Reflektors ist es, ein vom Ultraschallerzeuger erzeugtes Signal auf den Ultraschallempfänger zurückzuwerfen, wobei die Laufzeit des Signals durch den Betriebs-/Hilfsstoff bzw. die wässrige Harnstofflösung hindurch gemessen wird. Die Messung lässt dann Rückschlüsse auf die Dichte der wässrigen Harnstofflösung und damit auf den Harnstoffgehalt zu. Bei Bedarf kann die Dosierung angepasst oder - im Fall einer unzulässigen Harnstoffmenge - eine Fehlermeldung angezeigt werden. Auf diese Weise ist eine gleichbleibende Stickoxid-Reduktion bzw. im Fehlerfall eine rechtzeitige Fehlermeldung sichergestellt.If an ultrasonic sensor is used as a quality sensor, it usually has a sensor unit with an ultrasound generator and an ultrasound receiver and with at least one reflector. The object of the reflector is to throw back a signal generated by the ultrasound generator onto the ultrasound receiver, the transit time of the signal being measured through the excipient or the aqueous urea solution. The measurement then allows conclusions on the density of the aqueous urea solution and thus on the urea content. If necessary, the dosage can be adjusted or - in the case of an impermissible quantity of urea - an error message can be displayed. In this way, a constant reduction of nitrogen oxide or in the event of a fault, a timely error message is ensured.

Um eine hohe Messgenauigkeit zu erzielen, muss die Signallaufzeit bei gleichbleibender Messstrecke gemessen werden. Diese ist jedoch nicht immer gewährleistet, da insbesondere temperaturbedingte Längenänderungen die Messtrecke beeinflussen können. Weiterhin können mechanische Belastungen auf Dauer zu Verformungen, Verschiebungen, Verdrehungen und/oder Verwindungen führen, die den Abstand und/oder die Ausrichtung des Reflektors in Bezug auf den Ultraschallerzeuger bzw. den Ultraschallempfänger verändern.In order to achieve a high measuring accuracy, the signal propagation time must be measured with a constant measuring distance. However, this is not always guaranteed, since in particular temperature-induced changes in length can affect the measuring path. Furthermore, mechanical stresses can permanently lead to deformations, displacements, twists and / or twists, which change the distance and / or the orientation of the reflector with respect to the ultrasound generator or the ultrasound receiver.

Aus der DE 10 2013 219 643 A1 ist ein Ultraschallsensor zur Laufzeitmessung in einer Flüssigkeit, insbesondere in einer wässrigen Harnstofflösung, bekannt, der zur Erhöhung der Messgenauigkeit einen Sender/Empfänger sowie einen ersten und zweiten Reflektor umfasst. Die Anordnung der beiden Reflektoren erfolgt in unterschiedlichen Abständen zum Sender/Empfänger, so dass sich unterschiedliche Laufzeiten ergeben, deren Differenz als Referenz dienen kann. Die beiden Reflektoren sind zudem jeweils in der Form eines Zylinders ausgebildet und vorzugsweise stehend angeordnet, so dass die Winkelausrichtung der Reflektoren keinen Einfluss mehr auf die Messung, da der geometrische Reflektionsbereich aus jedem Winkel der Anstrahlung identisch ist. Durch die Form und Ausrichtung der Reflektoren sinkt zudem die Gefahr, dass sich Schmutzpartikel und/oder Luftblasen anlagern und die Messgenauigkeit beeinträchtigen.From the DE 10 2013 219 643 A1 is an ultrasonic sensor for transit time measurement in a liquid, in particular in an aqueous urea solution, known, which comprises a transmitter / receiver and a first and second reflector to increase the accuracy of measurement. The arrangement of the two reflectors is at different distances to the transmitter / receiver, so that there are different maturities whose difference can serve as a reference. The two reflectors are also each formed in the shape of a cylinder and preferably arranged vertically, so that the angular orientation of the reflectors no longer affect the measurement, since the geometric reflection region from each angle of the illumination is identical. The shape and orientation of the reflectors also reduces the risk that dirt particles and / or air bubbles accumulate and impair the measurement accuracy.

Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallsensor zur Messung einer Signallaufzeit in einer Flüssigkeit, insbesondere in einer wässrigen Harnstofflösung, zur Bestimmung der Qualität der Flüssigkeit anzugeben, der gegenüber thermischen und/oder mechanischen Belastungen besonders robust ist. Auf diese Weise soll ein Ultraschallsensor geschaffen werden, der über Lebensdauer eine hohe Messgenauigkeit besitzt.Based on the above-mentioned prior art, the present invention seeks to provide an ultrasonic sensor for measuring a signal propagation time in a liquid, in particular in an aqueous urea solution, to determine the quality of the liquid, which is particularly robust against thermal and / or mechanical stresses is. In this way, an ultrasonic sensor is to be created, which has a high accuracy over life.

Zur Lösung der Aufgabe werden der Ultraschallsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Tankeinbaueinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 14 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.To solve the problem of the ultrasonic sensor with the features of claim 1 and the tank installation unit with the features of claim 14 are proposed. Advantageous developments of the invention can be found in the respective subclaims.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Der vorgeschlagene Ultraschallsensor zur Messung einer Signallaufzeit in einer Flüssigkeit, insbesondere in einer wässrigen Harnstofflösung, zur Bestimmung der Qualität der Flüssigkeit, umfasst eine Sensoreinheit mit einem Ultraschallerzeuger und einem Ultraschallempfänger. Ferner umfasst der Ultraschallsensor einen in einem Abstand zur Sensoreinheit angeordneten Reflektor, der gemeinsam mit der Sensoreinheit eine Messstrecke definiert. Erfindungsgemäß weist der Reflektor mindestens einen Tragarm zur Verbindung mit der Sensoreinheit und/oder mit einem Gehäuseteil auf, in dem die Sensoreinheit lagefest aufgenommen ist.The proposed ultrasonic sensor for measuring a signal propagation time in a liquid, in particular in an aqueous urea solution, for determining the quality of the liquid comprises a sensor unit with an ultrasonic generator and an ultrasonic receiver. Furthermore, the ultrasonic sensor comprises a reflector arranged at a distance from the sensor unit, which reflector defines a measuring path together with the sensor unit. According to the invention, the reflector has at least one support arm for connection to the sensor unit and / or to a housing part in which the sensor unit is received fixed in position.

Der Tragarm ermöglicht eine Anbindung des Reflektors unmittelbar an oder zumindest in unmittelbarer Nähe zur Sensoreinheit, während der Reflektor selbst in einem deutlich größeren Abstand zur Sensoreinheit angeordnet ist, um die Messstrecke zu definieren. Durch die Verlagerung der Reflektoranbindung näher an die Sensoreinheit, verringert sich der Einfluss thermisch bedingter Längenänderungen auf den Abstand des Reflektors zur Sensoreinheit und damit auf die Messstrecke. Folglich steigt die Messgenauigkeit des Ultraschallsensors.The support arm allows a connection of the reflector directly to or at least in the immediate vicinity of the sensor unit, while the reflector itself is arranged at a significantly greater distance from the sensor unit to define the measuring section. As a result of the displacement of the reflector connection closer to the sensor unit, the influence of thermally induced changes in length on the distance of the reflector to the sensor unit and thus on the measuring section is reduced. Consequently, the measurement accuracy of the ultrasonic sensor increases.

Zwar unterliegt auch der Tragarm thermisch bedingten Längenänderungen, diese sind jedoch vorrangig linear und daher bestimmbar bzw. bekannt. Der Messwert kann demnach entsprechend korrigiert werden.Although the support arm is subject to thermally induced changes in length, these are primarily linear and therefore determinable or known. The measured value can therefore be corrected accordingly.

Der Tragarm zur Anbindung des Reflektors erstreckt sich vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Messstrecke. Thermisch bedingte Längenänderungen des Tragarms wirken sich somit nicht auf die Ausrichtung des Reflektors in Bezug auf die Sensoreinheit aus.The support arm for connection of the reflector preferably extends substantially parallel to the measurement path. Thermally induced changes in length of the support arm thus do not affect the orientation of the reflector with respect to the sensor unit.

Ferner wird vorgeschlagen, dass der Tragarm außerhalb der Messstrecke angeordnet ist. Auf diese Weise kann die Gefahr verringert werden, dass die durchzuführende Messung der Signallaufzeit durch unerwünschte Reflexionen der Ultraschallwellen am Tragarm verfälscht wird.It is also proposed that the support arm is arranged outside the measuring section. In this way, the risk can be reduced that the measurement of the signal propagation time to be performed is falsified by unwanted reflections of the ultrasonic waves on the support arm.

Bevorzugt ist der Tragarm einteilig mit dem Reflektor ausgebildet, so dass Relativbewegungen des Reflektors gegenüber dem Tragarm ausgeschlossen werden können. Denn könnten ebenfalls zu einer Veränderung der Messstrecke führen und damit das Messergebnis beeinflussen.Preferably, the support arm is integrally formed with the reflector, so that relative movements of the reflector relative to the support arm can be excluded. Because could also lead to a change in the test section and thus influence the measurement result.

Weiterhin bevorzugt ist der Tragarm aus dem gleichen Werkstoff wie der Reflektor ausgebildet, so dass der Werkstoff des Tragarms und der des Reflektors den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Der Werkstoff kann insbesondere ein Metall, wie beispielsweise Stahl oder Edelstahl, oder eine Keramik sein. Diese Werkstoffe verändern ihr Verhalten unter thermischer und/oder mechanischer Belastung auch auf Dauer nicht oder nur sehr gering, so dass ihr Verhalten berechenbar bleibt, um etwaige Korrekturen vorzunehmen. Somit wird eine hohe Messgenauigkeit des Ultraschallsensors über seine gesamte Lebensdauer erreicht.Further preferably, the support arm is formed of the same material as the reflector, so that the material of the support arm and the reflector have the same coefficient of thermal expansion. The material may in particular be a metal, such as steel or stainless steel, or a ceramic. These materials do not change their behavior under thermal and / or mechanical stress even in the long term or only very slightly, so that their behavior remains predictable in order to make any corrections. Thus, a high measurement accuracy of the ultrasonic sensor is achieved over its entire life.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Reflektor kreisförmig ausgeführt und weist mehrere Tragarme auf, die vorzugsweise in gleichem Winkelabstand zueinander und radial außen in Bezug auf den Reflektor angeordnet sind. Auf diese Weise kann eine optimale Abstützung des Reflektors bewirkt werden, so dass die mechanische Belastbarkeit des Ultraschallsensors steigt. Soll der Ultraschallsensor der Bestimmung des Harnstoffgehalts einer wässrigen Harnstofflösung in einem Tank an Bord eines Kraftfahrzeugs dienen, kann auf diese Weise ferner die Eisdruckfestigkeit des Ultraschallsensors gesteigert werden. Denn bei Temperaturen unter -11°C gefriert die wässrige Harnstofflösung.According to a preferred embodiment of the invention, the reflector is circular and has a plurality of support arms, which are preferably arranged at the same angular distance from one another and radially outside with respect to the reflector. In this way, an optimal support of the reflector can be effected, so that the mechanical load capacity of the ultrasonic sensor increases. If the ultrasonic sensor is to be used to determine the urea content of an aqueous urea solution in a tank on board a motor vehicle, the ice pressure resistance of the ultrasonic sensor can also be increased in this way. Because at temperatures below -11 ° C, the aqueous urea solution freezes.

Weist der Reflektor eine von der Kreisform abweichende Form auf, beispielsweise die Form einer Ellipse oder eines Mehrecks auf, werden im Fall mehrerer Tragarme diese ebenfalls bevorzugt jeweils außenseitig am Reflektor angeordnet. Auf diese Weise können sich zwei Tragarme am Reflektor gegenüberliegen, um diesen optimal zu stützen.If the reflector has a shape deviating from the circular shape, for example the shape of an ellipse or a polygon, in the case of a plurality of support arms, these are likewise preferably each arranged on the outside of the reflector. In this way, two support arms can be opposite to the reflector to optimally support this.

Der Reflektor ist vorzugsweise ausschließlich über den einen Tragarm bzw. die mehreren Tragarme gehalten, so dass thermisch bedingte Längenänderungen des Tragarms bzw. der Tragarme zwängungsfrei möglich sind. Dadurch ist sichergestellt, dass die Ausrichtung des Reflektors in Bezug auf die Sensoreinheit weitgehend unverändert bleibt.The reflector is preferably held exclusively on the one support arm or the plurality of support arms, so that thermally induced changes in length of the support arm or the support arms are zwängungsfrei possible. This ensures that the orientation of the reflector with respect to the sensor unit remains largely unchanged.

Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der Reflektor eine eben, sphärisch oder parabolisch geformte Reflektorfläche aufweist. Die eben ausgeführte Reflektorfläche besitzt den Vorteil, dass sie vergleichsweise einfach und kostengünstig zu fertigen ist. Die vorgeschlagenen gekrümmten Formen ermöglichen eine Vergrößerung der Reflektorfläche bei gleichbleibendem Außendurchmesser bzw. bei gleich bleibenden Außenabmessungen. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn nicht alle Ultraschallwellen durch den Reflektor zurückgeworfen werden sollen, sondern ein Teil der Ultraschallwellen den Reflektor seitlich passieren sollen, um beispielsweise eine weitere Messung, insbesondere eine Füllstandsmessung, durchzuführen. In den einen Ultraschallsensor kann auf diese Weise eine weitere Funktion integriert werden, die einen weiteren Sensor, insbesondere einen separaten Füllstandssensor, entbehrlich macht.In addition, it is proposed that the reflector has a flat, spherical or parabolic reflector surface. The just executed reflector surface has the advantage that it is comparatively easy and inexpensive to manufacture. The proposed curved shapes allow an enlargement of the reflector surface with the same outer diameter or with the same outer dimensions. This is particularly advantageous if not all ultrasonic waves are to be reflected by the reflector, but a part of the ultrasonic waves to pass the reflector laterally, for example, to carry out a further measurement, in particular a level measurement. In the one ultrasonic sensor, a further function can be integrated in this way, which eliminates the need for a further sensor, in particular a separate filling level sensor.

Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der Reflektor eine Öffnung aufweist, die einen Teil der von der Sensoreinheit erzeugten Ultraschallwellen zur Durchführung einer weiteren Messung, insbesondere einer Füllstandsmessung, hindurch lässt. Die Öffnung kann beispielsweise mittig angeordnet sein, so dass dieser Teil der Ultraschallwellen eine definierte Ausrichtung zur Durchführung der weiteren Messung besitzt.Alternatively or additionally, it is proposed that the reflector has an opening, which allows a portion of the ultrasonic waves generated by the sensor unit to carry out a further measurement, in particular a fill level measurement. For example, the opening may be centered be arranged so that this part of the ultrasonic waves has a defined orientation for performing the further measurement.

Bevorzugt ist das die Sensoreinheit aufnehmende Gehäuseteil ein Gehäuseteil des Ultraschallsensors oder ein Gehäuseteil einer Tankeinbaueinheit. Sofern es sich um ein Gehäuseteil des Ultraschallsensors handelt, weist dieser ein eigenes Gehäuse auf bzw. bildet eine eigenständige Baugruppe aus. Der Ultraschallsensor ist in diesem Fall besonders vielseitig einsetzbar. Handelt es sich bei dem Gehäuseteil um ein Gehäuseteil einer Tankeinbaueinheit, benötigt der Ultraschallsensor kein eigenes Gehäuse, so dass der Bauraumbedarf gesenkt werden kann. Alle erforderlichen Anschlüsse können zudem in das Gehäuseteil der Tankeinbaueinheit integriert werden, so dass nur noch die Sensoreinheit und der Reflektor montiert werden müssen. Die Integration des Ultraschallsensors in die Tankeinbaueinheit bietet sich insbesondere für den Anwendungsfall an, in der mit Hilfe des Ultraschallsensors der Harnstoffgehalt einer in einem Tank bevorrateten wässrigen Harnstofflösung bestimmt werden soll. Denn die Tankeinbaueinheit kann in diesem Fall zugleich als Träger für weitere Komponenten eines Dosiersystems zum Eindosieren der wässrigen Harnstofflösung genutzt werden. Bei diesen weiteren Komponenten kann es sich insbesondere um eine Pumpe, einen Filter und/oder eine Heizvorrichtung handeln.Preferably, the housing unit receiving the sensor unit is a housing part of the ultrasonic sensor or a housing part of a tank installation unit. If it is a housing part of the ultrasonic sensor, this has its own housing or forms an independent module. The ultrasonic sensor is particularly versatile in this case. If the housing part is a housing part of a tank installation unit, the ultrasonic sensor does not need its own housing, so that the space requirement can be reduced. All necessary connections can also be integrated in the housing part of the tank installation unit, so that only the sensor unit and the reflector must be mounted. The integration of the ultrasonic sensor into the tank installation unit is particularly suitable for the application in which the urea content of an aqueous urea solution stored in a tank is to be determined with the aid of the ultrasonic sensor. Because the tank installation unit can be used in this case at the same time as a carrier for other components of a dosing system for dosing the aqueous urea solution. These further components may in particular be a pump, a filter and / or a heating device.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Ultraschallsensor mit dem Gehäuseteil verbunden ist und das Gehäuseteil - und zwar unabhängig davon, ob es sich hierbei um ein Gehäuseteil des Ultraschallsensors oder einer Tankeinbaueinheit handelt - eine Schnittstelle zur Verbindung mit einem Tank für die Flüssigkeit bzw. die wässrige Harnstofflösung aufweist. Die Schnittstelle vereinfacht die Montage des Ultraschallsensors bzw. der Tankeinbaueinheit. Vorzugsweise ist das Gehäuseteil im Bereich der Schnittstelle mit dem Tank verschweißbar, so dass über die Schweißverbindung zugleich eine Abdichtung bewirkt wird.In a further development of the invention it is proposed that the ultrasonic sensor is connected to the housing part and the housing part - regardless of whether this is a housing part of the ultrasonic sensor or a tank installation unit - an interface for connection to a tank for the liquid or having the aqueous urea solution. The interface simplifies the installation of the ultrasonic sensor or the tank installation unit. Preferably, the housing part in the region of the interface with the tank is welded, so that at the same time a seal is effected via the welded joint.

Vorteilhafterweise ist in die Sensoreinheit oder in das Gehäuseteil ein Temperatursensor integriert. Da die Geschwindigkeit der Ultraschallwellen von der Temperatur der Flüssigkeit abhängt, können Temperaturveränderungen mittels des Temperatursensors erfasst und auf deren Grundlage eine Anpassung der Korrekturwerte vorgenommen werden. Dadurch kann die Messgenauigkeit weiter erhöht werden.Advantageously, a temperature sensor is integrated in the sensor unit or in the housing part. Since the speed of the ultrasonic waves depends on the temperature of the liquid, temperature changes can be detected by means of the temperature sensor and on the basis of which an adjustment of the correction values can be made. As a result, the measurement accuracy can be further increased.

Des Weiteren bevorzugt bildet der Reflektor eine Heizeinrichtung oder einen mit einer Heizeinrichtung verbundenen Wärmeleitkörper aus. Auf diese Weise kann einem Gefrieren der Flüssigkeit im Bereich des Reflektors entgegengewirkt werden oder bereits gefrorene Flüssigkeit aufgetaut werden. Sofern der Reflektor selbst eine Heizeinrichtung ausbildet, kann beispielsweise die Wärme mittels Induktion bewirkt werden. Alternativ oder ergänzend kann die Sensoreinheit als Wärmequelle dienen und/oder Wärmequellen umfassen.Furthermore, the reflector preferably forms a heating device or a heat conducting body connected to a heating device. In this way, a freezing of the liquid in the region of the reflector can be counteracted or already frozen liquid can be thawed. If the reflector itself forms a heating device, for example, the heat can be effected by means of induction. Alternatively or additionally, the sensor unit can serve as a heat source and / or comprise heat sources.

Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass der Reflektor und/oder der Tragarm zumindest bereichsweise von einer Schutzwand umgeben ist bzw. sind. Die Schutzwand kann sich insbesondere bogenförmig um den Reflektor und/oder den Tragarm herum erstrecken. Ferner können mehrere Schutzwände um den Reflektor und/oder den Tragarm herum angeordnet sein. Die mindestens eine Schutzwand bewirkt einen Schutz des Ultraschallsensors vor mechanischen Beeinträchtigungen während der Montage und/oder während des Betriebs. Beispielsweise können durch die Schutzwand Schäden aufgrund Eisdruck oder durch schwimmende Eisblöcke an den für die Messung relevanten Bauteile verhindert werden.As a further development measure, it is proposed that the reflector and / or the support arm is or are surrounded by a protective wall at least in certain areas. The protective wall may in particular extend arcuately around the reflector and / or the support arm. Furthermore, a plurality of protective walls may be arranged around the reflector and / or the support arm. The at least one protective wall effects a protection of the ultrasonic sensor from mechanical damage during assembly and / or during operation. For example, can be prevented by the protective wall damage due to ice pressure or by floating ice blocks on the relevant components for the measurement.

Die mindestens eine Schutzwand kann durch ein separates Bauteil ausgebildet werden, das am Gehäuseteil des Ultraschallsensors oder der Tankeinbaueinheit befestigt ist. Alternativ kann die Schutzwand einteilig mit dem Gehäuseteil ausgebildet sein. Die einteilige Ausführung besitzt den Vorteil, dass der Montageaufwand sinkt und eine dauerhafte Lagefixierung der Schutzwand gewährleistet ist.The at least one protective wall can be formed by a separate component which is fastened to the housing part of the ultrasonic sensor or the tank installation unit. Alternatively, the protective wall may be formed integrally with the housing part. The one-piece design has the advantage that the assembly costs decreases and a permanent positional fixation of the protective wall is ensured.

Ist nur eine Schutzwand vorgesehen, ist diese bevorzugt rohrförmig, so dass sie den Reflektor und/oder den mindestens einen Tragarm ganz oder zumindest über einen Winkelbereich von mehr als 180° umschließt. Das heißt, dass die Schutzwand auch als ein Rohr ausgeführt sein kann, das über seine gesamte Länge offen ist. Über den geöffneten Bereich kann bzw. können in einfacher Weise der Reflektor und/oder der Tragarm eingesetzt werden. Darüber hinaus kann über die Öffnung Flüssigkeit in das Rohr einströmen, so dass sichergestellt ist, dass sich eine ausreichende Menge der Flüssigkeit im Bereich der Messstrecke befindet.If only one protective wall is provided, it is preferably tubular, so that it encloses the reflector and / or the at least one support arm completely or at least over an angular range of more than 180 °. This means that the protective wall can also be designed as a tube which is open over its entire length. Over the open area can or can be used in a simple way, the reflector and / or the support arm. In addition, liquid can flow into the tube via the opening, so that it is ensured that a sufficient amount of the liquid is in the region of the measuring section.

Wie bereits erwähnt umfasst die Sensoreinheit des Ultraschallsensors einen Ultraschallerzeuger und einen Ultraschallempfänger. Diese können durch ein Bauteil ausgebildet werden oder als getrennte Bauteile ausgeführt werden. Die einteilige Ausführung verringert den Montageaufwand und den Bauraumbedarf des fertigen Sensors. Die getrennte Ausführung ermöglicht eine Optimierung des Ultraschallsensors im Hinblick auf Empfindlichkeit, Messgenauigkeit und/oder Auflösung. Als Ultraschallerzeuger/-empfänger kann ein piezoelektrischer Kristall oder eine piezoelektrische Keramik, z. B. Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) verwendet werden, wobei die Keramik einen besonders hohen piezoelektrischen Koeffizienten aufweist.As already mentioned, the sensor unit of the ultrasonic sensor comprises an ultrasound generator and an ultrasound receiver. These can be formed by a component or executed as separate components. The one-piece design reduces the assembly effort and the space requirement of the finished sensor. The separate version allows an optimization of the ultrasonic sensor in terms of sensitivity, measurement accuracy and / or resolution. As the ultrasonic generator / receiver, a piezoelectric crystal or a piezoelectric ceramic, for. As lead zirconate titanate (PZT) can be used, wherein the ceramic has a particularly high piezoelectric coefficient.

Vorzugsweise ist bzw. sind zur Kontaktierung der Sensoreinheit eine Leiterplatte und/oder elektrische Anschlusselemente in das Gehäuseteil integriert. Die elektrischen Anschlusselemente können aus dem Gehäuseteil nach außen geführt werden, um den erforderlichen elektrischen Anschluss zu realisieren. Beispielsweise können die elektrischen Anschlusselemente in einem Steckerteil enden, der in einfacher Weise mit einem weiteren Steckerteil eines Stromkabels verbindbar ist. Neben der Stromversorgung ermöglichen die elektrischen Anschlusselemente eine Datenverbindung des Ultraschallsensors zu Motor- oder anderen Steuergeräten. Die elektrischen Anschlusselemente können beispielsweise durch Flachsteckerstromschienen gebildet werden.Preferably, a printed circuit board and / or electrical connection elements are or are integrated into the housing part for contacting the sensor unit. The electrical connection elements can be led out of the housing part to the outside in order to realize the required electrical connection. For example, the electrical connection elements can end in a plug part, which can be connected in a simple manner to a further plug part of a power cable. In addition to the power supply, the electrical connection elements enable a data connection of the ultrasonic sensor to motor or other control devices. The electrical connection elements can be formed for example by Flachsteckerstromschienen.

Um eine dauerhafte Befestigung der elektrischen Bauteile im Gehäuseteil zu bewirken, wird vorgeschlagen, dass die Leiterplatte und/oder die elektrischen Anschlusselemente mittels Gießharz im Gehäuseteil lagefixiert ist bzw. sind. Über das Gießharz kann zugleich eine Abdichtung gegenüber der Flüssigkeit und damit eine Isolierung der elektrischen Bauteile erreicht werden. Alternativ oder ergänzend zum Gießharz kann eine Abdichtung mittels eines aufgeschweißten Deckels bewirkt werden.In order to effect a permanent attachment of the electrical components in the housing part, it is proposed that the circuit board and / or the electrical connection elements is fixed in position by means of casting resin in the housing part or are. At the same time a seal against the liquid and thus insulation of the electrical components can be achieved via the casting resin. Alternatively or in addition to the casting resin, a seal can be effected by means of a welded-on lid.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die im Gehäuseteil aufgenommene Sensoreinheit in Gießharz eingebettet ist und/oder durch eine Membran von der Flüssigkeit getrennt ist. Auf diese Weise wird auch eine Abdichtung der Sensoreinheit gegenüber der Flüssigkeit erreicht. In Richtung des Reflektors wird eine Abdichtung mittels einer Membran bevorzugt, die derart ausgebildet ist, dass sie zwar fluiddicht ist, aber Ultraschallsignale weiterleitet. Zur Optimierung der Signalübertragung sollten Luftspalte zwischen der Sensoreinheit und der Membran vermieden werden. Zur Signaldämpfung in die andere Richtung kann die Sensoreinheit auf einem Dämpfungselement aufliegen. Als Dämpfungselement kann beispielsweise ein einfaches Schaumstoffpad dienen. Die Sensoreinheit und das Dämpfungselement werden in das Gehäuseteil eingesetzt und vorzugsweise anschließend mit Gießharz vergossen.It is also proposed that the sensor unit accommodated in the housing part is embedded in casting resin and / or is separated from the liquid by a membrane. In this way, a seal of the sensor unit with respect to the liquid is achieved. In the direction of the reflector, a seal by means of a membrane is preferred, which is designed such that it is indeed fluid-tight, but forwards ultrasonic signals. To optimize the signal transmission, air gaps between the sensor unit and the membrane should be avoided. For signal attenuation in the other direction, the sensor unit can rest on a damping element. As a damping element can serve for example a simple Schaumstoffpad. The sensor unit and the damping element are inserted into the housing part and preferably subsequently cast with casting resin.

Der vorgeschlagene Ultraschallsensor ermöglicht die Messung einer Signallaufzeit in einer Flüssigkeit, wobei eine Laufzeitveränderung unter Berücksichtigung der Temperatur auf eine Dichteveränderung schließen lässt. Handelt es sich bei der Flüssigkeit um eine wässrige Harnstofflösung, kann aus der Dichteveränderung auf eine veränderte Harnstoffkonzentration geschlossen werden, so dass sich mittels des Ultraschallsensors die Qualität der wässrigen Harnstofflösung ermitteln lässt. Der Ultraschallsensor kann demnach vereinfacht auch als Qualitätssensor bezeichnet werden.The proposed ultrasonic sensor allows the measurement of a signal propagation time in a liquid, wherein a propagation time change, taking into account the temperature to close a density change. If the liquid is an aqueous urea solution, the change in density can be used to deduce an altered urea concentration, so that the quality of the aqueous urea solution can be determined by means of the ultrasonic sensor. The ultrasound sensor can therefore also be referred to simply as a quality sensor.

Durch die feste Anbindung des Reflektors des Ultraschallsensors über den mindestens einen Tragarm an die Sensoreinheit bzw. das die Sensoreinheit aufnehmende Gehäuseteil können die negativen Auswirkungen thermisch bedingter Längenänderungen auf die Messgenauigkeit reduziert werden. Denn zum einen kann die Anbindung des Reflektors mittels des mindestens einen Tragarms unmittelbar am oder in unmittelbarer Nähe zur Sensoreinheit erfolgen, so dass im Wesentlichen nur die Längenänderung des Reflektors einschließlich Tragarm zu berücksichtigen ist. Da sich der mindestens eine Tragarm und der Reflektor ungehindert, insbesondere zwängungsfrei, ausdehnen können, bleibt die Ausrichtung des Reflektors in Bezug auf die Sensoreinheit im Wesentlichen gleich. Ferner können Korrekturwerte für die Längenänderungen berechnet und in die Messwerte mit einfließen. Beispielsweise können die Längenänderungen bereits bei der Programmierung der Sensorkennlinie berücksichtigt werden und so einen großen Beitrag zur Sensorgenauigkeit beisteuern.Due to the fixed connection of the reflector of the ultrasonic sensor via the at least one support arm to the sensor unit or the sensor unit receiving housing part, the negative effects of thermally induced changes in length can be reduced to the measurement accuracy. For one thing, the connection of the reflector by means of at least one support arm directly on or in the immediate vicinity of the sensor unit, so that essentially only the change in length of the reflector including the support arm is taken into account. Since the at least one support arm and the reflector can expand unhindered, in particular constraint-free, the orientation of the reflector with respect to the sensor unit remains substantially the same. Furthermore, correction values for the length changes can be calculated and included in the measured values. For example, the length changes can already be taken into account when programming the sensor characteristic and thus make a significant contribution to sensor accuracy.

Auch die Membran, die Sensoreinheit und/oder das Gehäuseteil unterliegen thermisch bedingten Längenänderungen. Diese sind jedoch aufgrund geringerer Abmessungen - insbesondere in Signalsende- und Signalempfangsrichtung - weniger stark ausgeprägt. Ferner lassen auch diese sich bei der Kennlinienprogrammierung berücksichtigen.The membrane, the sensor unit and / or the housing part are subject to thermally induced changes in length. However, these are due to smaller dimensions - especially pronounced in signal transmission and signal reception direction - less pronounced. Furthermore, these can also be taken into account in the characteristic curve programming.

Der vorgeschlagene Ultraschallsensor wird vorzugsweise zusammen mit weiteren Komponenten in einen Tank zur Bevorratung der Flüssigkeit eingebaut. Um die Montage zu vereinfachen und die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen, kann der Ultraschallsensor zusammen mit den weiteren Komponenten in eine Tankeinbaueinheit integriert werden.The proposed ultrasonic sensor is preferably installed together with other components in a tank for storing the liquid. To simplify assembly and increase cost-effectiveness, the ultrasonic sensor can be integrated with the other components in a tank installation unit.

Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird daher ferner eine Tankeinbaueinheit mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallsensor vorgeschlagen. Bei dieser Tankeinbaueinheit ist vorzugsweise der Ultraschallsensor gemeinsam mit einer Pumpe, einem Filter und/oder einer Heizvorrichtung auf einer Plattform der Tankeinbaueinheit angeordnet. Die Plattform ermöglicht eine kompakte platzsparende Anordnung der verschiedenen Komponenten. Idealerweise wird die Plattform bei der Montage von unten an eine Öffnung im Tankboden angesetzt, so dass die auf der Plattform angeordneten Komponenten im Tank zu liegen kommen. Bevorzugt weist die Tankeinbaueinheit eine Schnittstelle zur Verbindung, vorzugsweise zur Verschweißung, mit dem Tank auf, so dass zugleich eine Abdichtung erzielt wird.To solve the object mentioned above, therefore, a tank installation unit is proposed with an ultrasonic sensor according to the invention. In this tank installation unit, the ultrasonic sensor is preferably arranged together with a pump, a filter and / or a heating device on a platform of the tank installation unit. The platform enables a compact space-saving arrangement of the various components. Ideally, during assembly, the platform is attached to an opening in the tank bottom from below, so that the components arranged on the platform come to rest in the tank. Preferably, the tank installation unit has an interface for connection, preferably for welding, with the tank, so that at the same time a seal is achieved.

Der Ultraschallsensor wird vorzugsweise derart auf der Plattform angeordnet bzw. in die Tankeinbaueinheit integriert, dass die Messtrecke im Wesentlichen parallel zur Plattform der Tankeinbaueinheit verläuft. Dadurch ist sichergestellt, dass der Ultraschallsensor auch bei niedrigem Füllstand stets von Flüssigkeit bedeckt ist.The ultrasonic sensor is preferably arranged on the platform or in the Integrated tank unit that the measuring path runs substantially parallel to the platform of the tank installation unit. This ensures that the ultrasonic sensor is always covered by liquid even at low levels.

Mittels der vorzugsweise ferner vorgesehenen Pumpe kann die Flüssigkeit aus dem Tank zu einem Dosiermodul gefördert werden. Handelt es sich bei der Flüssigkeit um eine wässrige Harnstofflösung, kann mit Hilfe des Dosiermoduls die wässrige Harnstofflösung in einen Abgasstrang eindosiert werden. Der Filter, sofern vorgesehen, verhindert, dass unerwünschte Partikel mit ausgetragen werden. Mit Hilfe der Heizvorrichtung kann ein Gefrieren der Flüssigkeit bzw. der wässrigen Harnstofflösung verhindert oder bereits gefrorene Flüssigkeit bzw. gefrorene wässrige Harnstofflösung wieder aufgetaut werden.By means of the preferably further provided pump, the liquid can be conveyed from the tank to a metering module. If the liquid is an aqueous urea solution, the aqueous urea solution can be metered into an exhaust gas line with the aid of the metering module. The filter, if provided, prevents unwanted particles from being discharged. With the help of the heating device, a freezing of the liquid or of the aqueous urea solution can be prevented or already frozen liquid or frozen aqueous urea solution can be thawed again.

Darüber hinaus kann die Tankeinbaueinheit weitere Komponenten, insbesondere weitere Sensoren, wie beispielsweise einen Füllstandssensor, einen Temperatursensor und/oder einen Drucksensor umfassen. Ferner kann die Tankeinbaueinheit elektrische und/oder hydraulische Anschlüsse aufweisen. Bevorzugt sind Wärmeleitelemente vorhanden, um eine optimale Verteilung der Wärme der Heizvorrichtung im Tank zu erzielen. Die Aufzählung der möglichen weiteren Komponenten ist nicht abschließend.In addition, the tank installation unit may comprise further components, in particular further sensors, such as a level sensor, a temperature sensor and / or a pressure sensor. Furthermore, the tank installation unit can have electrical and / or hydraulic connections. Preferably, heat-conducting elements are present in order to achieve an optimum distribution of the heat of the heating device in the tank. The list of possible further components is not exhaustive.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:

1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
2 eine perspektivische Darstellung des Ultraschallsensors der 1, jedoch ohne Schutzwand,
3 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform,
4 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform,
5 eine perspektivische Darstellung des Ultraschallsensors der 4,
6 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Tankeinbaueinheit,
7 eine Schnittansicht der Tankeinbaueinheit der 6 und
8 eine vergrößerte Schnittansicht der Tankeinbaueinheit der 6.

Preferred embodiments of the invention are described below with reference to the drawings. These show:

1 a sectional view of an ultrasonic sensor according to the invention according to a first preferred embodiment,
2 a perspective view of the ultrasonic sensor of 1 but without protective wall,
3 a perspective view of an ultrasonic sensor according to the invention according to a second preferred embodiment,
4 a sectional view of an ultrasonic sensor according to the invention according to a third preferred embodiment,
5 a perspective view of the ultrasonic sensor of 4 .
6 a perspective view of a tank installation unit according to the invention,
7 a sectional view of the tank installation unit of 6 and
8th an enlarged sectional view of the tank installation unit of 6 ,

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings

Der in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Ultraschallsensor 1 umfasst ein Gehäuseteil 6, mit einer bodenseitigen Öffnung, in die eine Sensoreinheit 2 mit einem Ultraschallerzeuger und einem Ultraschallempfänger in der Weise eingesetzt ist, dass diese an einer Membran 17 zu liegen kommen. Über die Membran 17 werden die mittels der Sensoreinheit 2 erzeugten Ultraschallsignale nach außen in Richtung eines Reflektors 3 weitergeleitet, der in einem Abstand zur Sensoreinheit 2 angeordnet und mittels eines Tragarms 5 am Gehäuseteil 6 befestigt ist. Der Tragarm 5 weist an seinem dem Reflektor 3 abgewandten Ende ein ringförmiges Verbindungselement 23 auf, das die Membran 17 hintergreift. Die Anbindung des Tragarms 5 und damit des Reflektors 3 an das Gehäuseteil 6 erfolgt somit in unmittelbarer Nähe zur Sensoreinheit 2. Auf diese Weise kann der Einfluss thermisch bedingter Längenänderungen auf die mittels des Ultraschallsensors 1 durchgeführten Messungen deutlich reduziert werden. Das heißt, dass eine durch den Abstand des Reflektors 3 zur Sensoreinheit 2 vorgegebene Messstrecke 4 nur eine geringe Veränderung erfährt, so dass die Messung der Signallaufzeit eine höhere Genauigkeit aufweist.The Indian 1 illustrated ultrasonic sensor according to the invention 1 includes a housing part 6 , with a bottom opening into which a sensor unit 2 is used with an ultrasonic generator and an ultrasonic receiver in such a way that this on a membrane 17 to come to rest. About the membrane 17 are the means of the sensor unit 2 generated ultrasonic signals to the outside in the direction of a reflector 3 forwarded, which is at a distance to the sensor unit 2 arranged and by means of a support arm 5 on the housing part 6 is attached. The support arm 5 indicates at its the reflector 3 facing away from an annular connecting element 23 on, that's the membrane 17 engages behind. The connection of the support arm 5 and thus the reflector 3 to the housing part 6 takes place in the immediate vicinity of the sensor unit 2 , In this way, the influence of thermally induced changes in length on the means of the ultrasonic sensor 1 measurements are significantly reduced. That is, one by the distance of the reflector 3 to the sensor unit 2 predetermined measuring distance 4 only a small change experiences, so that the measurement of the signal propagation time has a higher accuracy.

Zum Schutz vor mechanischen Beeinträchtigungen sind der Reflektor 3 und der Tragarm 5 von einer bogenförmig verlaufenden Schutzwand 12 umgeben, die durch das Gehäuseteil 6 ausgebildet wird. Im Wesentlichen konzentrisch zur Schutzwand 12 weist das Gehäuseteil 6 eine an einem umlaufenden Kragen ausgebildete Schnittstelle 10 zur Verbindung mit einem Tank (nicht dargestellt) für die Flüssigkeit auf. Über die Schnittstelle 10 kann der Ultraschallsensor 1 mit dem Tank verschweißt werden. Der Ultraschallsensor 1 wird hierzu durch eine bodenseitige Öffnung des Tanks in den Tank eingeführt bis die Schnittstelle außen zur Anlage am Tank gelangt und mit diesem verschweißt werden kann. Über die Schweißverbindung wird zugleich eine Abdichtung erreicht. Dies setzt jedoch voraus, dass das Gehäuseteil 6 und der Tank aus miteinander verschweißbaren Werkstoffen gefertigt sind. Vorzugsweise bestehen sowohl das Gehäuseteil 6 und der Tank aus Kunststoff.To protect against mechanical damage are the reflector 3 and the support arm 5 from an arcuate protective wall 12 surrounded by the housing part 6 is trained. Essentially concentric to the protective wall 12 has the housing part 6 a trained on a circumferential collar interface 10 for connection to a tank (not shown) for the liquid. About the interface 10 can the ultrasonic sensor 1 be welded to the tank. The ultrasonic sensor 1 is introduced through a bottom opening of the tank in the tank for this purpose until the interface reaches the outside of the system on the tank and can be welded to it. At the same time a seal is achieved via the welded connection. However, this assumes that the housing part 6 and the tank are made of weldable materials. Preferably, both the housing part 6 and the plastic tank.

An das Gehäuseteil 6 des Ultraschallsensors 1 der 1 ist ferner ein Steckerteil 22 angeformt, das - wie im vorliegenden Fall - aus einem anderen Kunststoff als das Gehäuseteil 6 gefertigt sein kann. Zwischen dem Steckerteil 22 und dem Gehäuseteil 6 ist zudem eine Kapillarsperre 28 angeordnet, um bei einer Undichtigkeit zum Tankinneren ein an den Ultraschallsensor 1 angeschlossenes Steuergerät (nicht dargestellt) vor Beschädigungen zu schützen.To the housing part 6 of the ultrasonic sensor 1 the 1 is also a plug part 22 molded, which - as in the present case - made of a different plastic than the housing part 6 can be made. Between the plug part 22 and the housing part 6 is also a capillary barrier 28 arranged to be in the case of a leak to the tank inside to the ultrasonic sensor 1 connected control unit (not shown) to protect against damage.

In das Steckerteil 22 ragen elektrische Anschlusselemente 14 hinein, die am anderen Ende mit einer Leiterplatte 13 elektrisch leitend verbunden sind. Die Leiterplatte 13 ist unterhalb der Sensoreinheit 2 angeordnet, das heißt, dass sie nach der Sensoreinheit 2 in die bodenseitige Öffnung des Gehäuseteils 6 eingesetzt wurde. Nach dem Einsetzen der Sensoreinheit 2 wurde bei dem dargestellten Ultraschallsensor 1 zunächst ein Dämpfungselement 24 eingelegt, das eine Signaldämpfung nach unten bewirken soll. Sensoreinheit 2 und Dämpfungselement 24 wurden anschließend mit einem ersten Gießharz 16 vergossen. Um Lufteinschlüsse zu vermeiden, wurde vor der Montage der Sensoreinheit 2 bereits eine kleine Gießharzmenge in die Öffnung des Gehäuseteils 6 eingegossen. Danach wurde die Leiterplatte 13 einschließlich der elektrischen Anschlusselemente 14 in das Gehäuseteil 6 eingesetzt und mit einem zweiten Gießharz 15 vergossen. Auf diese Weise sind sämtliche elektrischen bzw. elektronischen Bauteile gegenüber der äußeren Umgebung abgedichtet und zudem im Gehäuseteil 6 lagefixiert aufgenommen. Dies gilt auch in Bezug auf einen Temperatursensor 11, der in das Gehäuseteil 6 integriert ist und ebenfalls mit vergossen wird. Eine Abdichtung zum Tankinneren wird über das Gehäuseteil 6 und/oder die Membran 17 erreicht. Dadurch ist sichergestellt, dass das Gießharz nicht in Kontakt mit der wässrigen Harnstofflösung gelangt.In the plug part 22 protrude electrical connection elements 14 in, at the other end with a circuit board 13 are electrically connected. The circuit board 13 is below the sensor unit 2 arranged, that is, after the sensor unit 2 in the bottom-side opening of the housing part 6 was used. After inserting the sensor unit 2 was in the illustrated ultrasonic sensor 1 first a damping element 24 inserted, which should cause a signal attenuation down. sensor unit 2 and damping element 24 were subsequently treated with a first casting resin 16 shed. To avoid air bubbles, before mounting the sensor unit 2 already a small amount of casting resin in the opening of the housing part 6 cast. After that, the circuit board became 13 including the electrical connection elements 14 in the housing part 6 used and with a second casting resin 15 shed. In this way, all electrical or electronic components are sealed against the external environment and also in the housing part 6 fixed in position. This also applies to a temperature sensor 11 which is in the housing part 6 is integrated and is also shed with. A seal to the tank interior is over the housing part 6 and / or the membrane 17 reached. This ensures that the casting resin does not come into contact with the aqueous urea solution.

Alternativ zu den vorstehend beschriebenen Montageschritten können die Sensoreinheit 2, das Dämpfungselement 24 und/oder die Leiterplatte 13 auch vormontiert und als vormontierte Einheit in das Gehäuseteil 6 eingesetzt und anschließend vergossen werden. Das Vergießen kann durch vorgesehene Löcher oder Aussparungen in der Leiterplatte 13 oder seitlich an der Leiterplatte 13 vorbei erfolgen.As an alternative to the assembly steps described above, the sensor unit 2 , the damping element 24 and / or the circuit board 13 also preassembled and as a preassembled unit in the housing part 6 used and then shed. The potting may be through holes or recesses provided in the circuit board 13 or on the side of the circuit board 13 done over.

In der 2 ist der Ultraschallsensor 1 ohne Schutzwand 12 dargestellt, um die Membran 17 zu zeigen. Im Abstand zur Membran 17 wird der Reflektor 3 über den Tragarm 5 gehalten, der parallel zur Messstrecke 4 verläuft (siehe auch 1) und die Membran 17 mittels eines ringförmigen Verbindungselements 23 hintergreift. Das Verbindungselement 23 kann sowohl beim Spritzprozess mit eingelegt werden, als auch danach montiert und befestigt werden. Die der Membran 17 zugewandte Fläche des Reflektors 3 ist etwa gleich groß wie die der Membran 17, so dass die mittels der Sensoreinheit 2 erzeugten und über die Membran 17 weitergeleiteten Ultraschallsignale fast vollständig zurückgeworfen werden. Sollen die Ultraschallsignale einem weiteren Zweck dienen, beispielsweise zur Füllstandsmessung eingesetzt werden, kann die Fläche des Reflektors 3 auch kleiner als die der Membran 17 bzw. der dahinterliegenden Sensoreinheit 2 gewählt werden, so dass ein Teil der Ultraschallsignale den Reflektor 3 seitlich passieren kann und ggf. erst an der Grenzschicht zwischen der Flüssigkeit und der im Tank vorhandenen Luft reflektiert wird. Auf diese Weise kann der Füllstand im Tank detektiert werden. Ein separater Füllstandssensor ist dann entbehrlich. Anstelle die Fläche des Reflektors 3 zu verkleinern, kann dieser aber auch eine Öffnung 8 aufweisen, wie beispielhaft in der 3 dargestellt, so dass ein Teil der Ultraschallsignale durch den Reflektor 3 hindurch gelangen kann.In the 2 is the ultrasonic sensor 1 without protective wall 12 shown to the membrane 17 to show. In the distance to the membrane 17 becomes the reflector 3 over the support arm 5 held parallel to the measuring section 4 runs (see also 1 ) and the membrane 17 by means of an annular connecting element 23 engages behind. The connecting element 23 can be inserted during the spraying process as well as afterwards mounted and fastened. The membrane 17 facing surface of the reflector 3 is about the same size as the membrane 17 so that the means of the sensor unit 2 generated and across the membrane 17 forwarded ultrasonic signals are almost completely reflected. If the ultrasonic signals serve a further purpose, for example, be used for level measurement, the surface of the reflector 3 also smaller than that of the membrane 17 or the underlying sensor unit 2 be chosen so that a part of the ultrasonic signals the reflector 3 can happen laterally and possibly only at the boundary layer between the liquid and the air present in the tank is reflected. In this way, the level in the tank can be detected. A separate level sensor is then unnecessary. Instead of the surface of the reflector 3 but this can also be an opening 8th as exemplified in the 3 shown, so that a part of the ultrasonic signals through the reflector 3 can get through.

Der 4 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors 1 zu entnehmen. Zur Optimierung der mechanischen Belastbarkeit ist der Reflektor 3 über zwei Tragarme 5 in einem Abstand zur Membran 17 bzw. zur Sensoreinheit 2 gehalten. Die Tragarme 5 sind auf gegenüberliegenden Seiten des Reflektors 3 angeordnet, so dass dieser optimal abgestützt ist. Dadurch ist sichergestellt, dass die Ausrichtung des Reflektors 3 in Bezug auf die Membran 17 bzw. die Sensoreinheit 2 über die Lebensdauer im Wesentlichen unverändert bleibt. Der Reflektor 3 weist zudem eine Öffnung 8 auf, so dass der Ultraschallsensor 1 sowohl als Qualitätssensor als auch als Füllstandssensor einsetzbar ist. Die Öffnung 8 ist jedoch nicht zwingend erforderlich, wenn die Funktion der Füllstandsmessung nicht erwünscht ist. Der gleiche Ultraschallsensor 1 ohne Öffnung 8 ist in der 5 dargestellt.The 4 is another preferred embodiment of an ultrasonic sensor according to the invention 1 refer to. To optimize the mechanical load capacity is the reflector 3 via two support arms 5 at a distance to the membrane 17 or to the sensor unit 2 held. The support arms 5 are on opposite sides of the reflector 3 arranged so that it is optimally supported. This ensures that the orientation of the reflector 3 in relation to the membrane 17 or the sensor unit 2 remains essentially unchanged over the lifetime. The reflector 3 also has an opening 8th on, so the ultrasonic sensor 1 can be used both as a quality sensor and as a level sensor. The opening 8th However, it is not mandatory if the function of level measurement is not desired. The same ultrasonic sensor 1 without opening 8th is in the 5 shown.

Da die sich gegenüberliegenden Tragarme 5 selbst bereits eine Art Schutzwand ausbilden, ist in den Ausführungsbeispielen der 4 und 5 die eigentliche Schutzwand 12 auf zwei leicht gebogene Schutzwände 12 beschränkt, die zwischen den Tragarmen 5 angeordnet sind. Abstände zwischen den Schutzwänden 12 und den Tragarmen 5 stellen sicher, dass die im Tank bevorratetet Flüssigkeit in den Bereich der Messstrecke 4 gelangt.Because the opposite brackets 5 already form a kind of protective wall, is in the embodiments of the 4 and 5 the actual protective wall 12 on two slightly curved protective walls 12 limited, between the support arms 5 are arranged. Distances between the protective walls 12 and the carrying arms 5 Make sure that the liquid stored in the tank is in the area of the measuring section 4 arrives.

Die in den 1 bis 5 dargestellten Ultraschallsensoren 1 stellen jeweils Stand-Alone-Lösungen dar. Darüber hinaus ist es möglich den erfindungsgemäßen Ultraschallsensor 1 in eine Tankeinbaueinheit 9 zu integrieren. Der Ultraschallsensor 1 weist in diesem Fall kein eigenes Gehäuseteil 6 auf, sondern ist in einem Gehäuseteil 7 der Tankeinbaueinheit 9 aufgenommen. Die Integration eines Stand-Alone-Sensors in die Tankeinbaueinheit 9 kann beispielsweise durch Verschweißen erfolgen. In diesem Fall kann das Steckerteil 22 entfallen und die elektrische Kontaktierung kann über eine in die Tankeinbaueinheit 9 integrierte elektrische Schnittstelle erfolgen, welche nach der Montage aufgrund der Verschweißung abgedichtet ist.The in the 1 to 5 illustrated ultrasonic sensors 1 each represent stand-alone solutions. In addition, it is possible the ultrasonic sensor according to the invention 1 in a tank installation unit 9 to integrate. The ultrasonic sensor 1 does not have its own housing part in this case 6 on, but is in a housing part 7 the tank installation unit 9 added. The integration of a stand-alone sensor into the tank installation unit 9 can be done for example by welding. In this case, the plug part 22 omitted and the electrical contact can via a in the tank installation unit 9 integrated electrical interface made, which is sealed after assembly due to the welding.

Wie beispielhaft in der 6 dargestellt, kann das Gehäuseteil 7 der Tankeinbaueinheit 9 eine Plattform 21 ausbilden, auf welcher der Ultraschallsensor 1 gemeinsam mit weiteren Komponenten angeordnet ist. Das Gehäuseteil 7 kann im Bereich einer bodenseitigen Öffnung des Tanks (nicht dargestellt) derart an den Tankboden eingesetzt werden, dass alle Komponenten im Tank zu liegen kommen und das Gehäuseteil 7 über eine Schnittstelle 10 mit dem Tank verbunden, insbesondere verschweißt, werden kann. Vorliegend sind gemeinsam mit dem Ultraschallsensor 1 eine Pumpe 18, ein Filter 19 und eine Heizvorrichtung 20 auf der Plattform 21 angeordnet. Über ein Steckerteil 22, das seitlich an das Gehäuseteil 7 angeformt ist, ist der erforderliche elektrische Anschluss des Ultraschallsensors 1 herstellbar. Die Pumpe 18 weist ein eigenes Steckerteil 22 auf.As exemplified in the 6 shown, the housing part 7 the tank installation unit 9 a platform 21 form on which the ultrasonic sensor 1 is arranged together with other components. The housing part 7 can be used in the region of a bottom opening of the tank (not shown) to the tank bottom, that all components come to rest in the tank and the housing part 7 via an interface 10 connected to the tank, in particular welded, can be. Present are together with the ultrasonic sensor 1 a pump 18 , a filter 19 and a heater 20 on the platform 21 arranged. About a plug part 22 , the side of the housing part 7 is formed, is the required electrical connection of the ultrasonic sensor 1 produced. The pump 18 has its own plug part 22 on.

Bei der in der 6 dargestellten Tankeinbaueinheit 9 ist der Ultraschallsensor 1 in der Weise ausgerichtet, dass die Messstrecke 4 parallel zur Plattform 21 verläuft. Wie ferner der 7 zu entnehmen ist, ist der Reflektor 3 über einen parallel zur Plattform 21 verlaufenden Tragarm 5 an das Gehäuseteil 7 der Tankeinbaueinheit 9 angebunden. Der Tragarm 5 weist hierzu ein Verbindungselement 23 auf, das fest im Gehäuseteil 7 verankert ist (siehe auch 8). Die Verankerung über das Verbindungselement 23 stellt die einzige Fixierung des Tragarms 5 und des Reflektors 3 dar, so dass sich diese in Längsrichtung ungehindert, insbesondere zwängungsfrei, ausdehnen können. Eine Führung wird über seitliche Loslager 26 bewirkt. Zudem sind zwei Federelemente 27 vorgesehen, welche unter dem Tragarm 5 angeordnet sind und der Abstützung dienen. Auf diese Weise werden signalbeeinflussende Bewegungen, insbesondere Vibrationen, des Reflektors 3 verhindert oder zumindest reduziert. Die Federelemente 27 werden vorliegend durch zwei Dichtringe (O-Ringe) gebildet.When in the 6 illustrated tank installation unit 9 is the ultrasonic sensor 1 aligned in the way that the measuring section 4 parallel to the platform 21 runs. How further the 7 it can be seen, is the reflector 3 over a parallel to the platform 21 extending support arm 5 to the housing part 7 the tank installation unit 9 tethered. The support arm 5 has for this purpose a connecting element 23 on, firmly in the housing part 7 anchored (see also 8th ). The anchoring over the connecting element 23 represents the only fixation of the support arm 5 and the reflector 3 so that they can expand unhindered in the longitudinal direction, in particular constraint-free. A tour will be via side floating bearings 26 causes. There are also two spring elements 27 provided, which under the support arm 5 are arranged and serve the support. In this way, signal-influencing movements, in particular vibrations, of the reflector 3 prevented or at least reduced. The spring elements 27 are formed in the present case by two sealing rings (O-rings).

Wie beispielhaft in den 6 bis 8 dargestellt, kann an den Tragarm 5 mindestens ein Wärmeleitkörper 25 angeformt sein. Dieser kann mit der Heizvorrichtung 20 oder mit einer anderen Wärmequelle (nicht dargestellt) verbunden werden, so dass der Wärmeleitkörper 25 Wärme an die umgebende Flüssigkeit abgibt. Auf diese Weise wird verhindert, dass die Flüssigkeit gefriert. Alternativ kann hierüber bereits gefrorene Flüssigkeit wieder aufgetaut werden. Der Reflektor 3 selbst kann ebenfalls zugleich als Wärmeleitkörper dienen.As an example in the 6 to 8th shown, can be attached to the support arm 5 at least one heat-conducting body 25 be formed. This can be done with the heater 20 or with another heat source (not shown) are connected, so that the heat-conducting body 25 Gives off heat to the surrounding liquid. This prevents the liquid from freezing. Alternatively, already frozen liquid can be thawed again. The reflector 3 itself can also serve as Wärmeleitkörper at the same time.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102013217927 A1 [0004]
DE 102013219643 A1 [0007]

Claims

Ultrasonic sensor (1) for measuring a signal propagation time in a liquid, in particular in an aqueous urea solution, for determining the quality of the liquid, comprising a sensor unit (2) with an ultrasound generator and an ultrasound receiver, further comprising one spaced apart from the sensor unit (2) Reflector (3), which defines a measuring section (4) together with the sensor unit (2), characterized in that the reflector (3) has at least one support arm (5) for connection to the sensor unit (2) and / or to a housing part ( 6, 7), in which the sensor unit is received fixed position.

Ultrasonic sensor (1) after Claim 1 , characterized in that the support arm (5) extends substantially parallel to the measuring section (4) and / or outside the measuring section (4) is arranged.

Ultrasonic sensor (1) after Claim 1 or 2 , characterized in that the support arm (5) is formed integrally with the reflector (3) and / or of the same material as the reflector (3), wherein the material is in particular a metal, such as steel or stainless steel, or a ceramic ,

Ultrasonic sensor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the reflector (3) is circular and has a plurality of support arms (5), which are preferably arranged at the same angular distance from one another and radially outside with respect to the reflector (3).

Ultrasonic sensor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the reflector (3) has a flat, spherical or parabolic shaped reflector surface.

Ultrasonic sensor (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the reflector (3) has an opening (8) which allows a part of the ultrasonic waves generated by the sensor unit (2) to carry out a further measurement, in particular a fill level measurement ,

Ultrasonic sensor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor unit (2) receiving housing part (6, 7) is a housing part (6) of the ultrasonic sensor (1) or a housing part (7) of a tank installation unit (9).

Ultrasonic sensor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the housing part (6, 7) has an interface (10) for connection to a tank for the liquid, wherein preferably in the region of the interface (10) the housing part (6, 7) can be welded to the tank.

Ultrasonic sensor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that in the sensor unit (2) or in the housing part (6, 7), a temperature sensor (11) is integrated.

Ultrasonic sensor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the reflector (3) forms a heating device or a heat conducting body connected to a heating device.

Ultrasonic sensor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the reflector (3) and / or the support arm (5) is at least partially surrounded by a protective wall (12) or, wherein preferably the protective wall (12) integrally with the housing part (6, 7) is formed and / or tubular.

Ultrasonic sensor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that in the housing part (6, 7) a printed circuit board (13) and / or electrical connection elements (14) is integrated or are, preferably the printed circuit board (13) and / / or the electrical connection elements (14) by means of cast resin (15) in the housing part (6, 7) is fixed in position or are.

Ultrasonic sensor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that in the housing part (6, 7) recorded sensor unit (2) is embedded in casting resin (16) and / or by a membrane (17) is separated from the liquid.

Tank installation unit (9) having an ultrasonic sensor (1) according to one of the preceding claims, the ultrasonic sensor (1) preferably being mounted on a platform (21) together with a pump (18), a filter (19) and / or a heating device (20). the tank installation unit (9) is arranged.

Tank installation unit (9) after Claim 14 , characterized in that the measuring section (4) extends substantially parallel to the platform (21) of the tank installation unit (9).