DE102018209952A1 - Device for determining the level and / or the quality of a liquid received in a storage container - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung des Füllstands und/oder der Qualität einer in einem Vorratsbehälter aufgenommenen Flüssigkeit, insbesondere einer wässrigen Harnstofflösung zur Nachbehandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine, umfassend einen Ultraschallsensor (1) mit einem Ultraschallwandler (2) zum Erzeugen und Empfangen von Ultraschallwellen. Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung ferner eine Linseneinrichtung (3) mit einer Oberfläche, die zur Fokussierung der Ultraschallwellen auf ein erstes und ein zweites Ziel einen ersten Oberflächenbereich (4) und einen zweiten Oberflächenbereich (5) aufweist, die unterschiedlich stark gekrümmt sind.The invention relates to a device for determining the fill level and / or the quality of a liquid received in a storage container, in particular an aqueous urea solution for the aftertreatment of exhaust gases from an internal combustion engine, comprising an ultrasonic sensor (1) with an ultrasonic transducer (2) for generating and receiving ultrasonic waves , According to the invention, the device further comprises a lens device (3) with a surface that has a first surface area (4) and a second surface area (5) that are curved to different degrees to focus the ultrasound waves onto a first and a second target.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung des Füllstands und/oder der Qualität einer in einem Vorratsbehälter aufgenommenen Flüssigkeit, insbesondere einer wässrigen Harnstofflösung zur Nachbehandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The invention relates to a device for determining the fill level and / or the quality of a liquid received in a storage container, in particular an aqueous urea solution for the aftertreatment of exhaust gases from an internal combustion engine, with the features of the preamble of
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. Ferner muss immer eine ausreichende Menge an wässriger Harnstofflösung vorhanden sein. Die Qualität der wässrigen Harnstofflösung und/oder der Füllstand in einem die wässrige Harnstofflösung aufnehmenden Vorratsbehälter werden daher mit Hilfe eines geeigneten Sensors in der Regel überwacht.The aqueous urea solution causes ammonia to form in the exhaust gas, which reacts with the nitrogen oxides contained in the exhaust gas in a downstream catalytic converter to produce 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. Furthermore, a sufficient amount of aqueous urea solution must always be available. The quality of the aqueous urea solution and / or the fill level in a storage container holding the aqueous urea solution are therefore generally monitored with the aid of a suitable sensor.
Aus der
Aus der
Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Ermittlung des Füllstands und/oder der Qualität einer in einem Vorratsbehälter aufgenommenen Flüssigkeit, insbesondere einer wässrigen Harnstofflösung zur Nachbehandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine, anzugeben, die vergleichsweise einfach aufgebaut ist und eine hohe Messgenauigkeit aufweist.Based on the above-mentioned prior art, the present invention has for its object to provide a device for determining the level and / or the quality of a liquid received in a storage container, in particular an aqueous urea solution for the aftertreatment of exhaust gases from an internal combustion engine, which is comparatively simple is constructed and has a high measuring accuracy.
Zur Lösung der Aufgabe wird die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruch 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.To achieve the object, the device with the features of
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die vorgeschlagene Vorrichtung zur Ermittlung des Füllstands und/oder der Qualität einer in einem Vorratsbehälter aufgenommenen Flüssigkeit, insbesondere einer wässrigen Harnstofflösung zur Nachbehandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine, umfasst einen Ultraschallsensor mit einem Ultraschallwandler zum Erzeugen und Empfangen von Ultraschallwellen. Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung ferner eine Linseneinrichtung mit einer Oberfläche, die zur Fokussierung der Ultraschallwellen auf ein erstes und ein zweites Ziel einen ersten Oberflächenbereich und einen zweiten Oberflächenbereich aufweist, die unterschiedlich stark gekrümmt sind.The proposed device for determining the fill level and / or the quality of a liquid received in a storage container, in particular an aqueous urea solution for the aftertreatment of exhaust gases from an internal combustion engine, comprises an ultrasonic sensor with an ultrasonic transducer for generating and receiving ultrasonic waves. According to the invention, the device further comprises a lens device with a surface that has a first surface area and a second surface area that are curved to different degrees in order to focus the ultrasound waves onto a first and a second target.
Die Fokussierung der Ultraschallwellen auf zwei unterschiedliche Ziele führt zur Ausbildung zweier unterschiedlicher Ausbreitungspfade bzw. Messstrecken. Diese können für unterschiedliche Zwecke genutzt werden bzw. unterschiedlichen Anwendungen dienen.The focusing of the ultrasonic waves on two different targets leads to the formation of two different propagation paths or measuring sections. These can be used for different purposes or serve different applications.
Beispielsweise können zur Erhöhung der Messgenauigkeit beide Messstrecken hinsichtlich des Füllstands oder hinsichtlich der Qualität der Flüssigkeit ausgewertet werden. Somit stehen zwei Messwerte zur Plausibilisierung des Messergebnisses zur Verfügung. Die Ultraschallwellen können zum Beispiel auf zwei unterschiedliche Reflektoren gerichtet werden, an denen die Ultraschallwellen reflektiert werden. Nachdem beide Messstrecken ausgewertet worden sind, kann die Differenz ermittelt und zur Überprüfung herangezogen werden. Die beiden Reflektoren können zudem in der Weise angeordnet werden, dass der Abstand zwischen den beiden Reflektoren im Vergleich zum Abstand eines Reflektors zum Ultraschallsensor weniger empfindlich gegenüber Temperaturänderungen oder anderen Einflussfaktoren ist.For example, to increase the measuring accuracy, both measuring sections can be evaluated with regard to the fill level or with regard to the quality of the liquid. This means that two measured values are available to check the plausibility of the measurement result. The ultrasonic waves can be directed, for example, at two different reflectors on which the ultrasonic waves are reflected. After both measuring sections have been evaluated, the difference can be determined and used for checking. The two reflectors can also be arranged in such a way that the distance between the two reflectors is less sensitive to temperature changes or other influencing factors compared to the distance of a reflector from the ultrasonic sensor.
Alternativ können die beiden Messstrecken zur Ermittlung des Füllstands und der Qualität der Flüssigkeit genutzt werden, so dass für beide Messungen nur ein Ultraschallsensor erforderlich ist. Beispielsweise kann ein Teil der Ultraschallwellen auf einen Reflektor zur Messung der Qualität der Flüssigkeit und ein anderer Teil der Ultraschallwellen auf eine Umlenkeinrichtung zur Umlenkung der Ultraschallwellen in Richtung eines Flüssigkeitsspiegels fokussiert werden.Alternatively, the two measuring sections can be used to determine the fill level and the quality of the liquid, so that only one ultrasonic sensor is required for both measurements. For example, some of the ultrasonic waves can be emitted a reflector for measuring the quality of the liquid and another part of the ultrasonic waves are focused on a deflection device for deflecting the ultrasonic waves in the direction of a liquid level.
Grundsätzlich gilt, dass aufgrund der Fokussierung bzw. Bündelung der Ultraschallwellen eine Fremdpfadausbreitung unterdrückt wird. Dies hat zur Folge, dass das Signal zu Rausch Verhältnis verbessert wird und die Messgenauigkeit steigt. Da beide gekrümmten Oberflächenbereiche der vorgeschlagenen Linseneinrichtung jeweils eine Fokussierung bewirken, wird eine erhöhte Messgenauigkeit auf beiden Ausbreitungspfaden bzw. Messstrecken erreicht.Basically, due to the focusing or bundling of the ultrasound waves, an external path propagation is suppressed. As a result, the signal-to-noise ratio is improved and the measurement accuracy increases. Since both curved surface areas of the proposed lens device each bring about focusing, an increased measurement accuracy is achieved on both propagation paths or measurement sections.
Die vorgeschlagene Linseneinrichtung bildet demnach eine Art Zweifach-Sammellinse aus. Die Art der Krümmung, ob konkav oder konvex, und die Dimensionierung der beiden unterschiedlich stark gekrümmten Oberflächenbereiche hängen dabei von verschiedenen Faktoren ab, unter anderem von den Längen der Messstrecken, der angestrebten Energieverteilung auf diesen Messstrecken und dem Verhältnis der Schallgeschwindigkeiten zwischen Linsenmaterial und Flüssigkeit.The proposed lens device accordingly forms a type of double converging lens. The type of curvature, whether concave or convex, and the dimensioning of the two differently curved surface areas depend on various factors, including the lengths of the measuring sections, the desired energy distribution on these measuring sections and the ratio of the sound velocities between lens material and liquid.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der erste Oberflächenbereich stärker gekrümmt als der zweite Oberflächenbereich und innerhalb des zweiten Oberflächenbereichs angeordnet. Das heißt, dass der erste Oberflächenbereich in den zweiten Oberflächenbereich integriert ist. Aufgrund der stärkeren Krümmung wird über den ersten Oberflächenbereich zudem eine stärkere Fokussierung erreicht. Das erste Ziel, auf das die Ultraschallwellen über den ersten Oberflächenbereich fokussiert werden, liegt daher bevorzugt näher am Ultraschallsensor als das zweite Ziel.According to a preferred embodiment of the invention, the first surface area is more curved than the second surface area and is arranged within the second surface area. This means that the first surface area is integrated in the second surface area. Due to the greater curvature, greater focus is also achieved over the first surface area. The first target, on which the ultrasonic waves are focused over the first surface area, is therefore preferably closer to the ultrasonic sensor than the second target.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die optischen Achsen der beiden unterschiedlich stark gekrümmten Oberflächenbereiche parallel verlaufen. Das heißt, dass die Hauptausbreitungsrichtung der Ultraschallwellen auf beiden Ausbreitungspfaden bzw. Messstrecken im Wesentlichen gleich ist. Vorzugsweise fallen die beiden optischen Achsen aufeinander, so dass die Brennpunkte der beiden gekrümmten Oberflächenbereiche auf einer gemeinsamen Achse liegen. Dies führt zu einem rotationssymmetrischen Körper, der sich besonders einfach herstellen lässt.It is also proposed that the optical axes of the two differently curved surface areas run parallel. This means that the main direction of propagation of the ultrasonic waves is essentially the same on both propagation paths or measurement sections. The two optical axes preferably coincide so that the focal points of the two curved surface areas lie on a common axis. This leads to a rotationally symmetrical body that is particularly easy to manufacture.
Um eine Ausbreitung der Ultraschallwellen in zwei unterschiedliche Hauptausbreitungsrichtungen zu erzielen, können die beiden Oberflächenbereiche auch derart gestaltet werden, dass sich ihre optischen Achsen schneiden. Das heißt, dass die optischen Achsen der beiden unterschiedlich stark gekrümmten Oberflächenbereiche einen Winkel umschließen. Der Winkel beträgt vorzugsweise maximal 45°, da ein größerer Winkel die konstruktive Umsetzung erschweren würde.In order to achieve a propagation of the ultrasonic waves in two different main directions of propagation, the two surface areas can also be designed in such a way that their optical axes intersect. This means that the optical axes of the two differently curved surface areas enclose an angle. The angle is preferably a maximum of 45 °, since a larger angle would make constructional implementation more difficult.
Vorteilhafterweise ist die Linseneinrichtung mit dem Ultraschallsensor kraft-, form- und/oder stoffschlüssig verbunden. Je nach Material der Linseneinrichtung, wobei es sich beispielsweise um Kunststoff, Metall oder Keramik handeln kann, kann die Linseneinrichtung mit dem Ultraschallsensor über eine Steck-, Press-, Klemm-, Schraub-, Rast-, Klebe- und/oder Schweißverbindung verbunden sein. Die Verbindung wirkt einer Relativbewegung der Linseneinrichtung gegenüber dem Ultraschallsensor entgegen, so dass es nicht zu veränderten Messergebnissen kommen kann und auch auf Dauer eine hohe Messgenauigkeit erreicht wird. The lens device is advantageously connected to the ultrasonic sensor in a force-fitting, form-fitting and / or material-locking manner. Depending on the material of the lens device, which may be plastic, metal or ceramic, for example, the lens device can be connected to the ultrasonic sensor via a plug, press, clamp, screw, snap, adhesive and / or welded connection , The connection counteracts a relative movement of the lens device with respect to the ultrasound sensor, so that there can be no changed measurement results and a high measuring accuracy is also achieved in the long term.
Alternativ wird vorgeschlagen, dass die Linseneinrichtung mit dem Vorratsbehälter verbunden ist oder durch den Vorratsbehälter ausgebildet wird. Beispielsweise kann eine Behälterwand bereichsweise als Linse bzw. Zweifach-Sammellinse ausgeformt sein. In diesem Fall besteht vorzugsweise die Linseneinrichtung aus dem gleichen Material wie die Behälterwand, so dass der Vorratsbehälter und die Linseneinrichtung zusammen hergestellt werden können, beispielsweise in einem Spritzguss-Verfahren.Alternatively, it is proposed that the lens device be connected to the storage container or be formed by the storage container. For example, a container wall can be shaped in some areas as a lens or double converging lens. In this case, the lens device preferably consists of the same material as the container wall, so that the storage container and the lens device can be produced together, for example in an injection molding process.
Der Ultraschallwandler des Ultraschallsensors kann als piezokeramischer Ultraschallwandler ausgeführt sein. Grundsätzlich kann aber auch jede andere aus dem Stand der Technik bekannte Einrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen eingesetzt werden, sofern der konkrete Anwendungsbereich dies zulässt.The ultrasonic transducer of the ultrasonic sensor can be designed as a piezoceramic ultrasonic transducer. In principle, however, any other device known from the prior art for generating ultrasound waves can also be used, provided that the specific area of application permits this.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:
-
1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform und -
2 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform.
-
1 a schematic longitudinal section through an inventive device according to a first preferred embodiment and -
2 a schematic longitudinal section through an inventive device according to a second preferred embodiment.
Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings
Der
Die mit dem Ultraschallwandler
Eine alternative Ausführungsform ist in der
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