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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Fluidsensorvorrichtung und eine Fluidsensorvorrichtung, die zum Ermitteln der Höhe einer Oberfläche eines Fluids und/oder der Qualität des Fluids in einem Fluidbehälter ausgebildet ist.
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Zum Bestimmen einer Höhe einer Fluidoberfläche und/oder der Fluidqualität in einem Fluidbehälter kann beispielsweise eine akustische Messvorrichtung eingesetzt werden. Ein Schallwandler der akustischen Messvorrichtung kann sowohl als Schallerzeuger als auch als Schallempfänger arbeiten. Für eine Bestimmung der Höhe der Fluidoberfläche in dem Fluidbehälter können mittels des Schallwandlers Schallimpulse bzw. Schallsignale in das zu vermessende Fluid abgegeben werden. Die Schallimpulse bzw. Schallsignale können von einer Grenzfläche bzw. Oberfläche des Fluids zu einem weiteren Medium reflektiert werden. Aus der Laufzeit der Schallimpulse bzw. Schallsignale können Rückschlüsse auf die Höhe der Fluidoberfläche in dem Fluidbehälter gezogen werden. Bevorzugt liegen die Frequenzen der Schallsignale im Bereich des Ultraschalls.
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Ferner können mittels desselben oder eines separat vorgesehen Schallwandlers Schallsignale in Richtung von zumindest einem im Fluid angeordneten Referenzreflektor zum Ermitteln einer Schallgeschwindigkeit im Fluid ausgesendet werden. Die Schallgeschwindigkeit kann dabei sowohl zur Ermittlung der Fluidoberfläche als auch zur Bestimmung der Qualität des Fluids herangezogen werden.
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Beispielsweise offenbart die
DE 10 2014 210 080 A1 eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Höhe einer Fluidoberfläche in einem Fluidbehälter. Die daraus bekannte Vorrichtung weist einen ersten Schallwandler, der dazu ausgebildet ist, Schallsignale in Richtung der Fluidoberfläche auszusenden und die an der Fluidoberfläche reflektierten Signale zu empfangen, und einen zweiten Schallwandler, der dazu ausgebildet ist, Schallsignale in Richtung eines im Fluidbehälter angeordneten Referenzelements auszusenden und die an dem Referenzelement reflektierten Signale zu empfangen. Aus den vom zweiten Schallwandler ausgesendeten und wieder empfangenen Schallsignalen kann eine Schallgeschwindigkeit innerhalb des Fluids bestimmt werden, die dann wiederum zum Bestimmen der Höhe der Fluidoberfläche herangezogen werden kann.
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Ferner sind aus der
DE 10 2014 210 077 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen der Höhe einer Fluidoberfläche in einem Fluidbehälter bekannt.
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Außerdem ist aus der
US 5 744 898 A eine Vorrichtung mit einer Ultraschallwandlermatrix bekannt, die einen integrierten Sende- und Empfängerschaltkreis aufweist.
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Aus der Medizintechnik bekannte Ultraschallvorrichtungen sind in den
US 2017/0360415 A1 ,
WO 2018/077962 A1 ,
US 9 255 910 B2 ,
US 2016/0363561 A1 und
US 8 689 606 B2 offenbart.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Fluidsensorvorrichtung und eine Fluidsensorvorrichtung bereitzustellen, mit denen die Höhe der Oberfläche eines Fluids und/oder der Qualität des Fluids in einem Fluidbehälter möglichst genau bestimmt werden kann.
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Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 und mit einer Fluidsensorvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 10 gelöst. Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Der vorliegenden Erfindung liegt im Wesentlichen der Gedanke zu Grunde, die Frequenz der Schallsignale der jeweiligen Messaufgabe anzupassen. Insbesondere wird erfindungsgemäß bei der Füllstandmessung eine andere Schallfrequenz für die Schallsignale ausgewählt als bei der Qualitätsmessung. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, bei der Qualitätsmessung, die eine höhere Messgenauigkeit erfordern kann als die Füllstandmessung, eine höhere Schallfrequenz für die Schallsignale auszuwählen als bei der Füllstandmessung.
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Folglich ist gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Fluidsensorvorrichtung offenbart, die dazu ausgebildet ist, die Höhe einer Oberfläche eines Fluids und/oder eine Qualität des Fluids in einem Fluidbehälter mittels zumindest einem Schallwandlermodul zu bestimmen, das mehrere in einer gemeinsamen Eben angeordnete Schallwandler aufweist und dazu ausgebildet ist, Schallsignale in das Fluid auszusenden und zu empfangen. Dabei überlagern sich durch zeitversetztes Ansteuern der mehreren Schallwandler die einzelnen Schallsignale zu einem Überlagerungsschallsignal, wodurch die Abstrahlrichtung des Überlagerungsschallsignals relativ zur gemeinsamen Ebene wie gewünscht eingestellt werden kann. Im Fluid ist zumindest ein Referenzelement angeordnet, das zu dem Schallwandlermodul einen vorbestimmten Abstand aufweist und dazu ausgebildet ist, darauf auftreffende Schallsignale zumindest teilweise zu reflektieren. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ein Ansteuern des Schallwandlermoduls derart, dass ein erstes Überlagerungsschallsignal mit einer ersten Schallfrequenz in Richtung der Oberfläche des Fluids zum Ermitteln der Höhe der Oberfläche des Fluids ausgesendet wird, und ein Ansteuern des Schallwandlermoduls derart, dass ein zweites Überlagerungsschallsignal mit einer zur ersten Schallfrequenz unterschiedlichen zweiten Schallfrequenz in Richtung des Referenzelements zum Ermitteln der Qualität des Fluids ausgesendet wird. Vorzugsweise ist die zweite Schallfrequenz größer ist als die erste Schallfrequenz.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen die erste Schallfrequenz in einem Bereich zwischen ungefähr 100 kHz und ungefähr 2,5 MHz, und die zweite Schallfrequenz in einem Bereich zwischen ungefähr 500 kHz und ungefähr 4 MHz. Folglich sind die Schallsignale vorzugsweise Ultraschallsignale.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ferner ein Ermitteln der Temperatur des Fluids, ein Bestimmen der ersten Schallfrequenz auf der Grundlage der ermittelten Temperatur des Fluids und ein Bestimmen der zweiten Schallfrequenz auf der Grundlage der ermittelten Temperatur des Fluids.
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Durch das zusätzliche Ermitteln der Temperatur des Fluids kann die temperaturabhängige Viskosität des Fluids, die mit den Dämpfungscharakteristiken des Fluids zusammenhängt, berücksichtigt werden und somit für jede Situation die optimale Schallfrequenz bestimmt und ausgewählt werden, da im Allgemeinen die Schalldämpfung in einem gegebenen Fluid mit steigender Frequenz zunimmt.
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Vorzugsweise steigen dabei die erste Schallfrequenz und zweite Schallfrequenz jeweils mit steigender Temperatur des Fluids.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ferner ein Bestimmen einer Dämpfungscharakteristik des Fluids auf der Grundlage der ermittelten Temperatur des Fluids. Dabei erfolgen das Ermitteln der ersten Schallfrequenz und der zweiten Schallfrequenz jeweils auf der Grundlage der ermittelten Dämpfungscharakteristik. Typischerweise ist die Dämpfungscharakteristik proportional zur Viskosität des Fluids ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ferner ein Aussenden eines Referenz-Schallsignals mit einer Referenz-Schallfrequenz in das Fluid mittels des Schallwandlermoduls, ein Empfangen eines Referenz-Antwortsignals mittels des Schallwandlermoduls, wobei das Referenz-Antwortsignal als Antwort auf das Aussenden des Referenz-Schallsignals empfangen wird, ein Ermitteln einer Signalqualität des Referenz-Antwortsignals, ein Anpassen der ersten Schallfrequenz auf der Grundlage der ermittelten Signalqualität des Referenz-Antwortsignals und ein Ansteuern des Schallwandlermoduls derart, dass das erste Schallsignal mit der angepassten ersten Schallfrequenz in das Fluid zum Bestimmen der Höhe der Oberfläche des Fluids ausgesendet wird.
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In bevorzugter Weise handelt es sich bei dem zu vermessenden Fluid um Motoröl, Getriebeöl, Harnstofflösung, Wasser oder Kraftstoffe. Dabei sind diese Fluide bevorzugt dazu ausgebildet, in einem Fahrzeug oder einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs verwendet zu werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Fluidsensorvorrichtung zum Bestimmen einer Höhe einer Oberfläche eines Fluids und/oder zum Bestimmen einer Qualität des Fluids in einem Fluidbehälter offenbart. Die erfindungsgemäße Fluidsensorvorrichtung weist zumindest ein Schallwandlermodul auf, das mehrere in einer gemeinsamen Ebene angeordnete Schallwandler aufweist und dazu ausgebildet ist, ein erstes Überlagerungsschallsignal mit einer ersten Schallfrequenz oder ein zweites Überlagerungsschallsignal mit einer zur ersten Schallfrequenz unterschiedlichen zweiten Schallfrequenz in das Fluid auszusenden und zu empfangen, wobei sich durch zeitversetztes Ansteuern der mehreren Schallwandler die einzelnen Schallsignale zu einem Überlagerungsschallsignal überlagern, wodurch die Abstrahlrichtung des Überlagerungsschallsignals relativ zur gemeinsamen Ebene wie gewünscht eingestellt werden kann. Die erfindungsgemäße Fluidsensorvorrichtung umfasst ferner zumindest ein in dem Fluid angeordnetes Referenzelement, das zu dem Schallwandlermodul einen vorgegeben Abstand aufweist und dazu ausgebildet ist, darauf auftreffende Schallsignale zumindest teilweise zu reflektieren, und eine Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, das zumindest eine Schallwandlermodul derart anzusteuern, dass das erste Überlagerungsschallsignal in Richtung der Oberfläche des Fluids und das zweite Überlagerungsschallsignal in Richtung des Referenzelements ausgesendet wird. Das zumindest eine Schallwandlermodul, das von der Steuereinheit angesteuert wird, ist somit dazu ausgebildet, Überlagerungsschallsignale mit unterschiedlichen Schallfrequenzen in das Fluid auszusenden.
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Weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann durch Ausüben der vorliegenden Lehre und Betrachten der beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in denen:
- 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Fluidsensorvorrichtung zum Bestimmen einer Höhe einer Oberfläche eines Fluids und/oder einer Qualität des Fluids in einem Fluidbehälter zeigt,
- 2 eine schematische Ansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Fluidsensorvorrichtung zum Bestimmen einer Höhe einer Oberfläche eines Fluids und/oder einer Qualität des Fluids in einem Fluidbehälter zeigt,
- 3 eine schematische Ansicht einer noch weiteren erfindungsgemäßen Fluidsensorvorrichtung zum Bestimmen einer Höhe einer Oberfläche eines Fluids und/oder einer Qualität des Fluids in einem Fluidbehälter zeigt,
- 4 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer Fluidsensorvorrichtung derart zeigt, dass Schallsignale mit einer an den Füllstand des Fluids angepassten Schallfrequenz ausgesendet werden,
- 5 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines weiteren Verfahrens zum Betreiben einer Fluidsensorvorrichtung derart zeigt, dass Schallsignale mit einer an die Temperatur des Fluids angepassten Schallfrequenz ausgesendet werden, und
- 6 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Fluidsensorvorrichtung derart zeigt, dass Schallsignale mit einer an die Messaufgabe angepassten Schallfrequenz ausgesendet werden.
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Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beschreibt der Begriff „Fluidqualität“ einen ein Fluid charakterisierenden Parameter. Beispielsweise können die Schallgeschwindigkeit des Fluids, die Dichte des Fluids, von der die chemische Zusammensetzung des Fluids abgeleitet werden kann, die elektrischen Eigenschaften des Fluids und die Dämpfungseigenschaften des Fluids als Parameter aufgefasst werden, die die Fluidqualität charakterisieren. Beispielsweise kann bei einer wässrigen Harnstofflösung, wie z. B. Urea, der Harnstoffanteil im Wasser über die Ermittlung der temperaturabhängigen Schallgeschwindigkeit der wässrigen Harnstofflösung abgeschätzt werden.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung beschreibt der Begriff „Signalqualität“ beispielsweise die Höhe der Amplitude, das Signal-Rausch-Verhältnis, die Form der Hüllkurve des Signals, oder die Korrelation zwischen ausgesendetem Signal und empfangenen Signal.
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Die 1 zeigt einen Fluidbehälter 1 mit einem Bodenabschnitt 3 sowie einem Fluidraum 5, der mit einem Fluid F befüllt ist. Bei dem Fluid F handelt es sich beispielsweise um ein flüssiges Medium zur Schadstoffreduktion in Abgasen, das vorzugsweise ein Reduktionsmittel und/oder einen Reduktionsmittelvorläufer, beispielsweise eine wässrige Harnstofflösung, aufweist. Alternativ kann es sich bei dem Fluid F um ein Öl handeln, wie beispielsweise ein Getriebeöl für ein Getriebe eines Fahrzeugs. Außerdem kann das Fluid F ein Motoröl oder ein Kraftstoff sein.
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Zum Bestimmen einer Höhe H1, H2 einer Fluidoberfläche O1, O2 in dem Fluidbehälter 1 ist eine Fluidsensorvorrichtung 100 vorgesehen, die ein am Bodenabschnitt 3 des Fluidbehälters 1 angeordnetes Schallwandlermodul 10 aufweist. In der 1 sind zwei Füllstände des Fluids F dargestellt, nämlich eine erste Höhe H1 der Oberfläche O1 über dem Bodenabschnitt 3 und eine zweite Höhe der Oberfläche O2 über dem Bodenabschnitt 3, die größer ist als die erste Höhe H1.
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Insbesondere kann, wie in der 1 dargestellt, das Schallwandlermodul 10 relativ zur Fluidoberfläche O1, O2 unter einem vorbestimmten Kippwinkel α angeordnet sein. Beispielsweise kann hierzu der Bodenabschnitt 3 eine entsprechende Ausnehmung 4 aufweisen, in der das Schallwandlermodul 10 von außen an dem Fluidbehälter 1 angebracht ist. Die Fluidsensorvorrichtung 10 weist ferner eine mit dem Schallwandlermodul 10 verbundene Steuereinheit 2 auf, die dazu ausgebildet ist, das Schallwandlermodul 10 zum Aussenden von Schallsignalen anzusteuern und die vom Schallwandlermodul empfangenen Signale zum Ermitteln der Höhen H1, H2 der Fluidoberflächen O1, O2 und/oder der Qualität des Fluids F auszuwerten.
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Die Höhen H1, H2 der Fluidoberflächen O1, O2 sind dabei definiert als die Abstände der Fluidoberflächen O1, O2 jeweils vom Bodenabschnitt 3, gemessen in einer Neutralstellung des Fluidbehälters 1, also wenn keine Schrägstellung des Fluidbehälters 1 vorliegt und die Fluidoberflächen O1, O2 im Wesentlichen parallel zum Bodenabschnitt 3 sind. Die Höhen H1, H2 der Fluidoberflächen O1, O2 können auch als Füllstände des Fluids F im Fluidbehälters 1 bezeichnet werden.
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Das Schallwandlermodul 10 ist beispielsweise durch eine Gehäusewandung des Fluidbehälters 1 angekoppelt. Zum Beispiel ist die Gehäusewandung aus einem Kunststoff ausgebildet, wie beispielsweise aus sogenanntem hochdichtem Polyethylen (High Density Polyethylene, HDPE), so dass der Bodenabschnitt 3 in der Gehäusewandung eingeschweißt werden kann. Alternativ ist das Schallwandlermodul 10 mit der Gehäusewandung verklebt oder mechanisch an diese gepresst, eventuell auch mit einer weiteren Zwischenschicht, um Unebenheiten oder Rauigkeiten auszugleichen.
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Das Schallwandlermodul 10 umfasst mehrere Schallwandler, die dazu ausgebildet sind, Schallsignale auszusenden und zu empfangen. Das Schallwandlermodul 10 kann durch unterschiedliche Ansteuerung dazu ausgebildet sein, ein Schallsignal mit unterschiedlichen Schallfrequenzen in das Fluid F auszusenden und wieder als Reflexionssignal zu empfangen. Beispielsweise sind in der 1 die vom Schallwandlermodul 10 ausgesendeten und wieder empfangenen Schallsignale mit Pfeilen 12, 14, 16 gekennzeichnet.
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In dem Fluid F ist weiterhin zumindest ein Referenzelement 8 vorgesehen, das vorzugsweise aus einem Material gebildet ist, das ein Metall aufweist. Das Referenzelement 8 reflektiert zumindest einen Teil des Schallsignals 16 und weist zu dem Schallwandlermodul 10 einen vorbestimmten und konstanten Abstand auf. Wie in der 1 gezeigt kann es bevorzugt sein, dass das Referenzelement 8 innerhalb des Fluidbehälters 1 mit dem Bodenabschnitt 3 mechanisch gekoppelt ist.
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Die Fluidsensorvorrichtung 100 der 1 weist außerdem eine Temperaturerfassungseinrichtung 9 auf, die dazu ausgebildet ist, die Temperatur des Fluids zu erfassen. Die Temperaturerfassungseinrichtung 9 ist beispielsweise ein Temperatursensor und ist vorzugsweise am Bodenabschnitt 3 des Fluidbehälters 1 angeordnet.
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Das Bestimmen der Höhe H der Fluidoberfläche O und/oder der Qualität des Fluids erfolgt, wie im Stand der Technik ausführlich beschrieben, mittels Auswertung des zu den Fluidoberflächen O1, O2 ausgesendeten, an den Fluidoberflächen O1, O2 reflektierten und wieder empfangenen Schallsignalen 12, 14 und mittels Auswertung des zum Referenzelement 8 ausgesendeten, am Referenzelement 8 reflektierten und wieder empfangenen Schallsignals 16, auf dessen Grundlage die Qualität des Fluids F, wie beispielsweise die Schallgeschwindigkeit im Fluid F, bestimmt werden kann.
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Wie bereits erwähnt, besteht das Schallwandlermodul 10 aus mehreren Schallwandlern, die in einer matrizenhaften Anordnung vorgesehen sein können. Alternativ sind auch jegliche weitere Anordnungsformen der mehreren Schallwandler denkbar, beispielsweise eine kreisförmige Anordnung oder eine unsortierte Anordnung.
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Die mehreren Schallwandler sind in einer gemeinsamen Ebene angeordnet. Insbesondere befinden sich die einzelnen Sendepunkte der mehreren Schallwandler in der gemeinsamen Ebene. Alternativ können die einzelnen Sendepunkte nicht in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sein, so dass bei gleichzeitiger und identischer Ansteuerung der mehreren Schallwandler bereits ein gewünschtes Schallsignal erzeugt werden kann. Insbesondere können sich durch zeitversetztes Ansteuern der mehreren Schallwandler die einzelnen Schallsignale zu einem Überlagerungsschallsignal überlagern, wodurch die Abstrahlrichtung des Überlagerungsschallsignals relativ zur gemeinsamen Ebene wie gewünscht eingestellt werden kann.
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Bevorzugter Weise sind die mehreren Schallwandler unter einem vorbestimmten Abstand a zueinander angeordnet. Der vorbestimmte Abstand a zwischen zwei benachbarten Schallwandlern beträgt vorzugsweise ungefähr ein ungerades ganzzahliges (n) Vielfaches der halben Wellenlänge λ der von den Schallwandlern abgegebenen Schallsignale, d. h.
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Der vorbestimmte Abstand a bemisst sich dabei von dem fiktiven Sendepunkt eines Schallwandlers zu dem fiktiven Sendepunkt eines benachbarten Schallwandlers.
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Jeder Schallwandler ist im Wesentlichen identisch ausgebildet und ist vorzugsweise in der Form eines kapazitiven mikromechanischen Schallwandlers (CMUT) oder piezoelektrischen mikromechanischen Schallwandlers (PMUT) bereitgestellt. Jeder Schallwandler sendet ein Schallsignal ab, das im Wesentlichen senkrecht zur Anordnungsebene verläuft. Ferner ist es bevorzugt, dass jeder Schallwandler im Hinblick auf die Frequenz und Amplitude im Wesentlichen gleiche Schallsignale abgibt. Die Ansteuerung der Schallwandler erfolgt dabei entweder gemeinsam oder separat, wobei der Phasenversatz der mehreren Schallsignale durch ein zeitlich versetztes Ansteuern der Schallwandler eingestellt werden kann, wodurch die Richtung des (Überlagerungs-)Schallsignals eingestellt werden kann.
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Alternativ können die mehreren Schallwandler unterschiedlich ausgebildet sein und in jeweils unterschiedlichen Richtungen ihr jeweiliges Schallsignal aussenden. Die mehreren Schallwandler sind dazu ausgebildet, jeweils derart ein Schallsignal auszusenden, dass sich die mehreren Schallsignale zumindest teilweise zum Erzeugen des Überlagerungsschallsignals überlagern.
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In Ausgestaltungen, bei denen das Schallwandlermodul 10 innerhalb des Fluidbehälters 1, z. B. von innen am Bodenabschnitt 3 des Fluidbehälters 1 angebracht, angeordnet ist, kann es vorteilhaft sein, dass jedem der mehreren Schallwandler ein Schallführungselement zugeordnet ist, das jeweils dazu ausgebildet ist, das jeweilige Schallsignal des zugeordneten Schallwandlers zumindest teilweise zu führen. Insbesondere kann das jeweilige Schallführungselement trichterförmig ausgebildet sein, wobei die kleinere Öffnung dem jeweiligen Schallwandler zugeordnet ist. Alternativ ist das Schallführungselement zylindrisch oder weist jede andere geeignete Form auf.
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Die Steuereinheit 2 der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dazu ausgebildet, das Schallwandlermodul 10 derart anzusteuern, dass ein (Überlagerungs-)Schallsignal mit einstellbarerSchallfrequenz in das Fluid F ausgesendet wird, das in eine vorbestimmte und gewünschte Richtung verläuft. Aufgrund ihrer Bauweise zeigen solche Schallwandler kein scharfes Resonanzverhalten und können somit durch eine geeignete Ansteuerung in einem breiten Frequenzbereich zur Ausstrahlung von Schallwellen mit unterschiedlichen Schallfrequenzen angeregt werden.
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Die Gesamtdämpfung der Schallsignale 12, 14 im Fluid F ist insbesondere von der Dämpfung des Schallpfads und der temperaturabhängigen Viskosität des Fluids F abhängig. Die Dämpfung des Schallpfads ist insbesondere von dessen Länge abhängig. Genauer gesagt ist die Dämpfung des Schallpfads umso höher, je höher die Länge desselben ist. Das wiederum bedeutet, dass die Dämpfung des Schallpfads mit der Höhe H1, H2 der Fluidoberfläche O1, O2 ansteigt, da die Laufstrecke des Schallsignals mit der Höhe H1, H2 der Oberfläche O1, O2 des Fluids F ansteigt.
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Aus diesem Grund kann es beispielsweise günstig sein, bei der kleineren Höhe H1 der Oberfläche O1 des Fluids F eine größere Schallfrequenz für das vom Schallwandlermodul 10 in das Fluid ausgesendete Schallsignal zu wählen als bei der größeren Höhe H2 der Oberfläche O2. Durch das Auswählen einer höheren Schallfrequenz bei der kleineren Höhe H2 der Oberfläche O2 des Fluids F (d.h. bei einem kleineren Füllstand des Fluids F) kann die Ortsauflösung bzw. Messgenauigkeit erhöht werden. Da der Schallpfad durch das Fluid F kleiner ist als bei höheren Füllständen, kann auch bei höherer Schalldämpfung im Fluid F die Qualität des Reflexionssignals ausreichend sein, um eine zuverlässige Detektion des Signals für die kritischeren niedrigen Füllstände zu gewährleisten.
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Im Gegensatz dazu ist es vorteilhaft, bei der größeren Höhe H2 der Oberfläche O2 eine kleinere Schallfrequenz zu wählen als bei der kleineren Höhe H1 der Oberfläche O1. Dadurch kann zumindest teilweise gewährleistet werden, dass trotz der langen Laufstrecke durch das Fluid F und der damit verbundenen größeren Dämpfung ein im Hinblick auf die Qualität ausreichendes Reflexionssignal empfangen werden kann. Zwar kann dadurch die Ortsauflösung bzw. Messgenauigkeit der größeren Höhe H2 der Oberfläche O2 geringer sein, jedoch sind im Allgemeinen bei höheren Füllständen die Anforderungen an die Messgenauigkeit geringer.
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Neben der Dämpfung des Schallsignals aufgrund der unterschiedlichen Laufstrecken durch das Fluid F kann die durch die stark temperaturabhängige Viskosität des Fluids F bedingte Dämpfung für ausreichende Messgenauigkeiten zu berücksichtigen sein. Beispielsweise nimmt die Dämpfung mit sinkenden Temperaturen des Fluids F zu. Entsprechend ist es erfindungsgemäß, dass die Steuereinheit 2 das Schallwandlermodul 10 derart ansteuert, dass bei niedrigen Temperaturen des Fluids F ein Schallsignal mit einer niedrigeren Schallfrequenz in das Fluid F ausgesendet wird als bei hohen Temperaturen. Dies ist insbesondere bei Fluiden mit allgemein hoher Dämpfung, wie beispielsweise bei Motoröl oder Getriebeöl, und bei Fluiden mit stark temperaturabhängiger Dämpfung, wie beispielsweise Dieselkraftstoff, von Vorteil.
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Zwar kann das Absenken der Schallfrequenz zu einer geringeren Ortsauflösung bzw. Messgenauigkeit führen, jedoch ist das Empfangen eines auswertbaren Reflexionssignals mit geringerer Ortsauflösung einem gar nicht mehr auswertbaren Reflexionssignal vorzuziehen. Ein nicht mehr ausreichend auswertbares Reflexionssignal liegt beispielsweise dann vor, wenn die Amplitude des empfangenen Reflexionssignals so gering ist, dass man ein Reflexionssignal nicht mehr vom Signalrauschen unterscheiden kann.
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Entsprechend kann es vorteilhaft sein, bei der Qualitätsmessung, bei der die Schallsignale des Schallwandlermoduls an das Referenzelement 8 ausgesendet werden, eine höhere Schallfrequenz für das Schallsignal zu wählen als bei der Füllstandsmessung, bei der der Schallpfad zum einen deutlich länger ist als bei der Qualitätsmessung und bei der aufgrund von unruhigen Oberflächen O1, O2 ungünstigere Reflexionsbedingungen vorliegen können als bei der Qualitätsmessung. Denn bei der Qualitätsmessung ist das Referenzelement 8 vorzugsweise derart ausgestaltet, dass das dort eintreffende Schallsignal größtenteils zum Schallwandlermodul 10 zurück reflektiert wird. Im Gegensatz dazu führen unruhige Oberflächen O1, O2 zu einer starken Streuung der reflektierten Schallsignale, so dass der zum Schallwandlermodul 10 reflektierte Anteil deutlich geringer ist als bei der Qualitätsmessung.
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Die 2 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Fluidsensorvorrichtung 100, die ein erstes Schallwandlermodul 10 und ein zweites Schallwandlermodul 11 aufweist. Beide Schallwandlermodule 10, 11 werden von der Steuereinheit 2 angesteuert, wobei das Schallwandlermodul 10 zum Aussenden der Schallsignale 12, 14 in Richtung der Fluidoberflächen O1, O2 ausgebildet ist und das Schallwandlermodul 11 zum Aussenden des Schallsignals 16 in Richtung des Referenzelements 8 ausgebildet ist. Das Schallwandlermodul 10 ist somit im Wesentlichen horizontal ausgerichtet und bevorzugt von unten an den Boden 3 des Fluidbehälters 1 derart angekoppelt, dass die Schallsignale 12, 14 in vertikaler Richtung ausgesendet werden. Das Schallwandlermodul 11 ist im Wesentlichen in einer Ausnehmung 4 im Boden 3 des Fluidbehälters 1 angeordnet und im Wesentlichen vertikal ausgerichtet, so dass das Schallsignal 16 im Wesentlichen in horizontaler Richtung ausgesendet wird.
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Wie bereits in Bezug auf die 1 beschrieben, werden bei der Fluidsensorvorrichtung 100 der 2 die Schallsignale 12, 14 mittels des Schallwandlermoduls 10 zum Bestimmen der Höhen H1, H2 der Oberflächen O1, O2 des Fluids F ausgesendet, wobei das Schallsignal 16 mittels des Schallwandlermoduls 11 zum Bestimmen der Qualität des Fluids F ausgesendet wird. Die Ansteuerung der Schallwandlermodule 10, 11 erfolgt mittels der Steuereinheit 2.
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Die 3 zeigt eine noch weitere erfindungsgemäße Fluidsensorvorrichtung 100. Die Fluidsensorvorrichtung 100 der 3 unterscheidet sich von der Fluidsensorvorrichtung der 1 dadurch, dass das Schallwandlermodul 10 im Wesentlichen horizontal ausgerichtet und bevorzugt von unten am Boden 3 des Fluidbehälters 1 angebracht ist. Außerdem ist das Referenzelement 8 derart ausgestaltet, dass es das vertikal ausgesendete Schallsignal 16 wieder zum Schallwandlermodul 10 zurück reflektiert. Somit ist das Schallwandlermodul 10 dazu ausgebildet, sämtliche Schallsignale 12, 14, 16 im Wesentlichen in vertikaler Richtung auszusenden.
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Die 4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Anpassen der Schallfrequenz des Schallsignals in Abhängigkeit der Dämpfung des Schallsignals aufgrund der Schallpfadlänge und/oder aufgrund der stark temperaturabhängigen Viskosität des Fluids F.
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Das Verfahren der 4 startet beim Schritt 200 und gelangt dann zum Schritt 210, an dem die Steuereinheit 2 das Schallwandlermodul 10 zum Aussenden eines Referenz-Schallsignals mit vorbestimmter Referenz-Schallfrequenz in das Fluid F in Richtung der Fluidoberfläche O1, O2 ansteuert. Die Referenz-Schallfrequenz stellt dabei eine Start-Schallfrequenz dar und kann beispielsweise in einem Bereich zwischen ungefähr 1 MHz und 3 MHz liegen.
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Beim darauffolgenden Schritt 220 wird vom Schallwandlermodul 10 ein Referenz-Antwortsignal empfangen. Das Referenz-Antwortsignal wird als Antwort auf das Aussenden des Referenz-Schallsignals empfangen. Beispielsweise kann das Referenz-Schallsignal an die Oberfläche O1, O2 des Fluids F ausgesendet, dort reflektiert und wieder als Referenz-Antwortsignal empfangen werden. Alternativ ist es möglich, das Referenz-Schallsignal an das Referenzelement 8 auszusenden, das dort reflektiert und wieder als Referenz-Antwortsignal empfangen wird.
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Beim darauffolgenden Schritt 230 wird die Signalqualität des Referenz-Antwortsignals ermittelt. Das Ermitteln der Signalqualität weist beispielsweise ein Ermitteln der Amplitude des Referenz-Antwortsignals, ein Ermitteln einer Einhüllenden des Antwortsignals oder ein Ermitteln einer Korrelation zwischen ausgesendetem und empfangenen Signal auf.
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Beim darauffolgenden Schritt 240 wird die Schallfrequenz des vom Schallwandlermodul 10 ausgesendeten Mess-Schallsignals in Abhängigkeit von der ermittelten Signalqualität angepasst. Beispielsweise wird die Schallfrequenz des Mess-Schallsignals verringert, wenn die Signalqualität kleiner als ein vorbestimmter Signal-Schwellenwert ist. Umgekehrt kann die Schallfrequenz des Schallsignals erhöht werden, wenn die Signalqualität größer als der vorbestimmte Signal-Schwellenwert ist.
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Im Anschluss an das Anpassen der Schallfrequenz des Mess-Schallsignals erfolgt am Schritt 250 ein Ansteuern des Schallwandlermoduls 10 derart, dass das Mess-Schallsignal mit der angepassten Schallfrequenz in das Fluid F zur Füllstandmessung und/oder Qualitätsmessung ausgesendet wird, bevor das Verfahren am Schritt 260 endet.
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Insbesondere kann durch das in der 4 gezeigte Ablaufdiagramme ein Verfahren zum Betreiben einer Fluidsensorvorrichtung 100 bereitgestellt werden, mittels der die unterschiedlichen Füllstände und/oder die Fluidqualität mit angepasster und unterschiedlichen Schallfrequenzen möglichst genau erfasst werden können. Beispielsweise ist es bei dem Verfahren der 4 vorteilhaft, bei einer niedrigen Höhe H1 der Oberfläche O1 eine höhere Schallfrequenz für das Mess-Schallsignal 12 zu wählen als bei der höheren Höhe H2 der Oberfläche O2.
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Unter Verweis auf die 5 ist ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines weiteren Verfahrens zum Betreiben von einer der Fluidsensorvorrichtungen 100 der 1 bis 3 gezeigt.
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Das Verfahren der 5 startet beim Schritt 300 und gelangt dann zum Schritt 310, bei dem die Temperatur des Fluids F erfasst wird. Beispielsweise kann hierzu die Steuereinheit 2 dazu ausgebildet sein, aus dem Signal des Temperatursensors 9 (siehe 1 bis 3) die Temperatur des Fluids F zu bestimmen.
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Bei einem darauffolgenden Schritt 320 wird auf der Grundlage der erfassten Temperatur des Fluids F eine Schallfrequenz für das vom Schallwandlermodul 10 auszusendenden Schallsignal bestimmt. Beispielsweise kann der erfassten Temperatur des Fluids F eine Schallfrequenz zugeordnet werden, vorzugsweise mittels einer in der Steuereinheit 2 hinterlegten Kennlinie oder einer Nachschlagetabelle. Die Kennlinie und die Nachschlagetabelle ordnen jeder Temperatur des Fluids F eine auszuwählende Schallfrequenz zu. Außerdem kann die Zuordnung der Schallfrequenz mittels einer mathematischen Abbildung erfolgen.
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Nach dem Ermitteln der Schallfrequenz am Schritt 320 wird beim darauffolgenden Schritt 330 das Schallwandlermodul 10 von der Steuereinheit 2 derart angesteuert, dass das Schallwandlermodul 10 ein Schallsignal mit der am Schritt 320 ermittelten Schallfrequenz in das Fluid F aussendet. Das Verfahren der 5 endet am Schritt 340.
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Unter Berücksichtigung der 5 kann folglich die Steuereinheit 2 dazu ausgebildet sein, das Schallwandlermodul 10 derart anzusteuern, dass das Schallwandlermodul 10 ein Schallsignal mit einer Schallfrequenz aussendet, dass im Hinblick auf den vorherrschenden Füllstand und die Temperatur des Fluids F optimiert ist. Das heißt, dass die Dämpfungscharakteristik, die vom der Schallpfadlänge und der Viskosität des Fluids abhängt, berücksichtigt wird und somit eine verbesserte Messgenauigkeit bei der Erfassung des Füllstands und/oder der Qualität des Fluids F erreicht werden kann bzw. die Messung in einem größeren Temperaturbereich zuverlässig durchgeführt werden kann.
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Erfindungsgemäß ist es, die Schallfrequenz in Abhängigkeit der Messaufgabe auszuwählen und anzupassen. Beispielsweise kann es bevorzugt sein, beim Messen der Höhen H1, H2 der Oberflächen O1, O2 des Fluids F eine kleinere Schallfrequenz zu wählen als bei der Qualitätsmessung zum Bestimmen der Qualität des Fluids F. Bei dem Aussenden des Schallsignals an das Referenzelement 8 zur Qualitätsmessung kann eine hohe Ortsauflösung bzw. hohe Messqualität gewünscht sein, damit die Qualität des Fluids F, wie z. B. die Schallgeschwindigkeit im Fluid F, möglichst genau ermittelt werden kann. Die so ermittelte Schallgeschwindigkeit wird nämlich dann auch beim Ermitteln der Höhen H1, H2 der Oberflächen O1, O2 des Fluids F herangezogen, weshalb die Schallgeschwindigkeit bevorzugt mit hoher Genauigkeit bestimmt werden sollte. Ferner ist die Laufstrecke des Schallsignals durch das Fluid F bei dieser Qualitätsmessung zumeist kleiner als bei der Füllstandmessung.
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Die 6 zeigt ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben von einer der Fluidsensorvorrichtungen 100 der 1 bis 3, bei dem die Schallfrequenz in Abhängigkeit der Messaufgabe angepasst wird.
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Das Verfahren der 6 startet beim Schritt 400 und gelangt dann zum Schritt 410, bei dem die Messaufgabe bestimmt wird. Beispielsweise kann beim Schritt 410 bestimmt werden, ob eine Füllstandmessung oder eine Qualitätsmessung erfolgen soll.
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Wird beim Schritt 410 bestimmt, dass eine Füllstandmessung erfolgen soll, gelangt das Verfahren zum Schritt 420, bei dem auf der Grundlage der bestimmten Füllstandmessung eine erste Schallfrequenz für das vom Schallwandlermodul 10 auszusendende erste Schallsignal ermittelt wird. Beim darauffolgenden Schritt 430 wird ein erstes Schallsignal mit der ermittelten ersten Schallfrequenz in Richtung der Oberfläche O1, O2 zum Bestimmen der Höhe H1, H2 der Oberfläche O1, O2 des Fluids F ausgesendet und aus dem an der Oberfläche O1, O2 reflektierten Antwortsignal der Füllstand des Fluids F im Fluidbehälter 1 ermittelt, bevor das Verfahren beim Schritt 460 endet.
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Wird jedoch beim Schritt 410 bestimmt, dass eine Qualitätsmessung erfolgen soll, gelangt das Verfahren zum Schritt 440, bei dem auf der Grundlage der bestimmten Qualitätsmessung eine zweite Schallfrequenz für das vom Schallwandlermodul 10 auszusendende zweite Schallsignal ermittelt wird. Beim darauffolgenden Schritt 450 wird das zweite Schallsignal mit der ermittelten zweiten Schallfrequenz in Richtung des Referenzelements 8 ausgesendet und aus dem am Referenzelement 8 reflektierten Antwortsignal die Qualität des Fluids F ermittelt, bevor das Verfahren wiederum beim Schritt 460 endet. Insbesondere kann damit die Schallgeschwindigkeit im Fluid F ermittelt werden, die zum einen die Qualität des Fluids anzeigen kann und die zum anderen bei der Füllstandmessung herangezogen werden kann.
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Die vorliegende Erfindung macht sich beispielsweise zu Nutze, dass aufgrund des längeren Signalpfads bei der Füllstandmessung eine niedrigere Frequenz vorteilhaft sein kann als bei der Qualitätsmessung, bei der ein vergleichsweise kürzerer Signalpfad vorliegt. Außerdem kann bei der Qualitätsmessung eine erhöhte Ortsauflösung bzw. Messgenauigkeit erforderlich sein, so dass hierfür eine höhere Schallfrequenz für das Schallsignal zu bevorzugen ist.
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Unter Berücksichtigung der 4 bis 6 kann folglich die Steuereinheit 2 dazu ausgebildet sein, das Schallwandlermodul 10 derart anzusteuern, dass das Schallwandlermodul 10 ein Schallsignal mit einer Schallfrequenz aussendet, dass im Hinblick auf den vorherrschenden Füllstand, die Temperatur des Fluids F und die Messaufgabe optimiert ist. Das heißt, dass die Dämpfungscharakteristik, die von der Schallpfadlänge und der Viskosität des Fluids abhängt, sowohl bei der Füllstands- als auch Qualitätsmessung berücksichtigt wird und somit eine verbesserte Messgenauigkeit bei der Erfassung des Füllstands und/oder der Qualität des Fluids F erreicht werden kann bzw. die Messung in einem größeren Temperaturbereich zuverlässig durchgeführt werden kann. Somit können die in den 4 bis 6 beschriebenen Verfahren zum Anpassen der Frequenz der vom Schallwandlermodul 10, 11 ausgesandten Schallsignale miteinander kombiniert werden, um eine optimale Anpassung des Messvorgangs an die gegebenen Bedingungen zu erreichen.
