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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 8 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, mittels eines Schallwandlermoduls Überlagerungsschallsignale in unterschiedliche Richtungen in das Fluid auszusenden. Erfindungsgemäß werden zumindest zwei Überlagerungsschallsignale an in unterschiedlichen Richtungen mit vorzugsweise unterschiedlichen Abständen zu dem Schallwandlermodul angeordnete unterschiedliche Referenzelemente ausgesendet. Dadurch kann eine Redundanz bei der Fluidqualitätsbestimmung bereitgestellt werden, wodurch auch die Messgenauigkeit der Füllstandbestimmung erhöht werden kann. Insbesondere kann beispielsweise mit der vorliegenden Erfindung die Schallgeschwindigkeit im Fluid redundant ermittelt werden, wodurch die Messgenauigkeit der Füllstandbestimmung wieder erhöht werden kann. Weicht z. B. eine mittels Anstrahlen eines ersten Referenzelements ermittelte erste Schallgeschwindigkeit im Fluid von einer mittels Anstrahlen eines zweiten Referenzelements ermittelte zweite Schallgeschwindigkeit im Fluid um mehr als einen Schallgeschwindigkeitsschwellenwert ab, kann beispielsweise darauf geschlossen werden, dass sich an einem der beiden Referenzelementen eine Luftblase befindet, die den Schallpfad verkürzt und somit das Ermitteln der jeweiligen Schallgeschwindigkeit im Fluid verfälscht.
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Folglich ist gemäß eines ersten Aspekts 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 eines Schallwandlermoduls zu bestimmen, das zumindest zwei Schallwandler aufweist, die jeweils dazu ausgebildet sind, Schallsignale zu empfangen und derart auszusenden, dass sich bei Überlagerung der zumindest zwei Schallsignale ein Überlagerungsschallsignal ergibt. Im Fluid sind ein ortsfest angeordnetes erstes Referenzelement, das zu dem Schallwandlermodul einen vorgegeben ersten Abstand aufweist und dazu ausgebildet ist, ein darauf auftreffendes Überlagerungsschallsignal zu reflektieren, und zumindest ein ortsfest angeordnetes zweites Referenzelement angeordnet, das zu dem Schallwandlermodul einen vorgegeben zweiten Abstand aufweist und dazu ausgebildet ist, ein darauf auftreffendes Überlagerungsschallsignal zu reflektieren. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ein Ansteuern des Schallwandlermoduls derart, dass ein erstes Überlagerungsschallsignal in einer ersten Richtung zum ersten Referenzelement ausgesendet wird, und ein Ansteuern des Schallwandlermoduls (10) derart, dass ein zweites Überlagerungsschallsignal in einer zweiten Richtung zum zweiten Referenzelement ausgesendet wird. Dabei ist die erste Richtung ungleich der zweiten Richtung. Vorzugsweise ist der erste Abstand unterschiedlich zum zweiten Abstand.
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Durch die Fähigkeit des Schallwandlermoduls, Überlagerungsschallsignale in unterschiedliche Richtungen auszusenden, kann durch die Anordnung mehrerer Referenzelemente ein redundantes Bestimmen der Qualität des Fluids, wie beispielsweise die Schallgeschwindigkeit im Fluid, durchgeführt werden, womit dann auch die Füllstandmessung, die teilweise auf der redundant ermittelten Qualität des Fluids basiert, mit erhöhter Genauigkeit ausgeführt werden kann.
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Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ferner ein Ermitteln einer ersten Qualität des Fluids basierend auf einem ersten Antwortsignal, das als Antwort auf das Aussenden des ersten Überlagerungsschallsignals zum ersten Referenzelement empfangen wird, ein Ermitteln einer zweiten Qualität des Fluids basierend auf einem zweiten Antwortsignal, das als Antwort auf das Aussenden des zweiten Überlagerungsschallsignals zum zweiten Referenzelement empfangen wird, und ein Bestimmen, dass die Fluidsensorvorrichtung fehlerhaft ist, wenn die ermittelte erste Qualität von der ermittelten zweiten Qualität um mehr als einen Qualitätsschwellenwert abweicht.
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Insbesondere kann damit festgestellt werden, dass beispielsweise ein Fehler in einem Signalpfad der Überlagerungsschallsignale, wie z. B. eine an einem Referenzelement befindliche Luftblase, aufgetreten ist, der zu einer verfälschten Bestimmung der Qualität des Fluids führen kann. Ein solcher Fehler kann folglich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erkannt werden.
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Vorzugsweise weisen die ermittelte erste Qualität des Fluids eine basierend auf dem ersten Antwortsignal ermittelte erste Schallgeschwindigkeit im Fluid und die ermittelte zweite Qualität des Fluids eine basierend auf dem zweiten Antwortsignal ermittelte zweite Schallgeschwindigkeit im Fluid auf. Dabei wird eine fehlerhafte Fluidsensorvorrichtung bestimmt, wenn die ermittelte erste Schallgeschwindigkeit im Fluid von der ermittelten zweiten Schallgeschwindigkeit im Fluid um mehr als einen Schallgeschwindigkeitsschwellenwert abweicht. Der Schallgeschwindigkeitsschwellenwert kann beispielsweise ein Prozentwert sein, der zwischen ungefähr 1 % und ungefähr 20 % liegt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens verläuft die erste Richtung unter einem vorbestimmten Winkel zur zweiten Richtung. Vorteilhafter Weise liegt der vorbestimmte Winkel in einem Bereich zwischen ungefähr 5° und ungefähr 175 °, bevorzugt zwischen ungefähr 30° und ungefähr 150°, noch bevorzugter zwischen 60° und ungefähr 120°.
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Bei dem zu vermessenden Fluid handelt es sich bevorzugt um Motoröl, Getriebeöl, einen Kraftstoff, eine Harnstofflösung oder Wasser. Dabei sind diese Fluide bevorzugt dazu ausgebildet, in einem Fahrzeug oder einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs verwendet zu werden.
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In 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 ein Schallwandlermodul, das zumindest zwei Schallwandler umfasst, die jeweils dazu ausgebildet sind, Schallsignale zu empfangen und derart auszusenden, dass sich bei Überlagerung der zumindest zwei Schallsignale ein Überlagerungsschallsignal ergibt, ein in dem Fluid ortsfest angeordnetes erstes Referenzelement, das zu dem Schallwandlermodul einen vorgegeben ersten Abstand aufweist und dazu ausgebildet ist, ein darauf auftreffendes Überlagerungsschallsignal zu reflektieren, und ein in dem Fluid ortsfest angeordnetes zweites Referenzelement, das zu dem Schallwandlermodul einen vorgegeben zweiten Abstand aufweist und dazu ausgebildet ist, ein darauf auftreffendes Überlagerungsschallsignal zu reflektieren. Das Schallwandlermodul ist dazu ausgebildet, ein erstes Überlagerungsschallsignal in einer ersten Richtung zum ersten Referenzelement auszusenden und ein zweites Überlagerungsschallsignal in einer zweiten Richtung zum zweiten Referenzelement auszusenden. Dabei ist die erste Richtung ungleich der zweiten Richtung.
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Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Fluidsensorvorrichtung ferner eine Steuereinheit auf, die dazu ausgebildet ist, das Schallwandlermodul derart anzusteuern, dass das erste Überlagerungsschallsignal in der ersten Richtung zum ersten Referenzelement und das zweite Überlagerungsschallsignal in der zweiten Richtung zum zweiten Referenzelement ausgesendet wird.
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Außerdem ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, eine erste Qualität des Fluids basierend auf einem ersten Antwortsignal, das als Antwort auf das Aussenden des ersten Überlagerungsschallsignals zum ersten Referenzelement empfangen wird, und eine zweite Qualität des Fluids basierend auf einem zweiten Antwortsignal, das als Antwort auf das Aussenden des zweiten Überlagerungsschallsignals zum zweiten Referenzelement empfangen wird, zu bestimmen und eine fehlerhafte Fluidsensorvorrichtung zu bestimmen, wenn die ermittelte erste Qualität von der ermittelten zweiten Qualität um mehr als einen Qualitätsschwellenwert abweicht.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Fluidsensorvorrichtung umfassen die ermittelte erste Qualität des Fluids eine basierend auf dem ersten Antwortsignal ermittelte erste Schallgeschwindigkeit im Fluid und die ermittelte zweite Qualität des Fluids eine basierend auf dem zweiten Antwortsignal ermittelte zweite Schallgeschwindigkeit im Fluid . Dabei ist die Steuereinheit ferner dazu ausgebildet, eine fehlerhafte Fluidsensorvorrichtung zu bestimmen, wenn die ermittelte erste Schallgeschwindigkeit im Fluid von der ermittelten zweiten Schallgeschwindigkeit im Fluid um mehr als einen Schallgeschwindigkeitsschwellenwert abweicht.
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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, und
- 3 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum redundanten Bestimmen der Qualität des Fluids der 1.
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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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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 H eine Fluidoberfläche O in dem Fluidbehälter 1 ist eine Fluidsensorvorrichtung 100 vorgesehen, die ein am Bodenabschnitt 3 des Fluidbehälters 1 angeordnetes Schallwandlermodul 10 aufweist. Insbesondere kann, wie in der 1 dargestellt, das Schallwandlermodul 10 relativ zur Fluidoberfläche O 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 Höhe H der Fluidoberfläche O und/oder der Qualität des Fluids F auszuwerten.
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Die Höhe H der Fluidoberfläche O ist dabei definiert als der Abstand der Fluidoberfläche jeweils vom Bodenabschnitt 3, gemessen in einer Neutralstellung des Fluidbehälters 1, also wenn keine Schrägstellung des Fluidbehälters 1 vorliegt und die Fluidoberfläche O im Wesentlichen parallel zum Bodenabschnitt 3 sind. Die Höhe H der Fluidoberfläche O kann auch als Füllstand 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 zumindest zwei Schallwandler, die dazu ausgebildet ist, jeweils Schallsignale zu empfangen und derart auszusende, dass sich bei Überlagerung der zumindest zwei Schallsignale ein Überlagerungsschallsignal ergibt. Das Schallwandlermodul 10 kann durch unterschiedliche Ansteuerung dazu ausgebildet sein, das Überlagerungsschallsignal in unterschiedliche Richtungen auszusenden und wieder als Reflexionssignal aus den unterschiedlichen Richtungen 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 ein erstes Referenzelement 8 vorgesehen, das vorzugsweise aus einem Material gebildet ist, das ein Metall aufweist. Das erste Referenzelement 8 reflektiert zumindest einen Teil des in eine erste Richtung ausgesendeten Überlagerungsschallsignals 14 und weist zu dem Schallwandlermodul 10 einen vorbestimmten und konstanten ersten Abstand auf. Wie in der 1 gezeigt kann es bevorzugt sein, dass das erste Referenzelement 8 innerhalb des Fluidbehälters 1 mit dem Bodenabschnitt 3 mechanisch gekoppelt ist.
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In dem Fluid F ist ferner ein zweites Referenzelement 9 vorgesehen, das vorzugsweise aus einem Material gebildet ist, das ein Metall aufweist. Das zweite Referenzelement 9 reflektiert zumindest einen Teil des in eine zweite Richtung ausgesendeten Überlagerungsschallsignals 16 und weist zu dem Schallwandlermodul 10 einen vorbestimmten und konstanten zweiten Abstand auf. Wie in der 1 gezeigt kann es bevorzugt sein, dass das zweite Referenzelement 9 innerhalb des Fluidbehälters 1 mit dem Bodenabschnitt 3 mechanisch gekoppelt ist. Vorzugsweise sind der erste Abstand und der zweite Abstand unterschiedlich.
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In der in der 1 gezeigten Ausgestaltung verläuft die erste Richtung im Wesentlichen senkrecht zur zweiten Richtung. In alternativen Ausgestaltungen verläuft die erste Richtung unter einem vorbestimmten Winkel zur zweiten Richtung, der im Bereich zwischen ungefähr 5° und ungefähr 175 °, bevorzugt zwischen ungefähr 30° und ungefähr 150°, noch bevorzugter zwischen 60° und ungefähr 120°, liegt.
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Das Bestimmen der Höhe H der Fluidoberfläche O erfolgt, wie im Stand der Technik ausführlich beschrieben, mittels Auswertung der Laufzeit des zu der Fluidoberfläche O ausgesendeten, an der Fluidoberflächen O reflektierten und wieder empfangenen Überlagerungsschallsignal 12. Die Qualität des Fluids F wird mittels Auswertung der zum ersten und zweiten Referenzelement 8, 9 ausgesendeten, an den Referenzelementen 8, 9 reflektierten und wieder empfangenen Schallsignalen 14, 16, bestimmt. Insbesondere kann aufgrund der Kenntnisse des ersten und zweiten vorbestimmten Abstands die Schallgeschwindigkeit im Fluid F als Qualität des Fluids redundant bestimmt werden.
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Die Fluidsensorvorrichtung 100 der 1 kann außerdem eine Temperaturerfassungseinrichtung 11 aufweisen, die dazu ausgebildet ist, die Temperatur des Fluids zu erfassen. Die Temperaturerfassungseinrichtung 11 ist beispielsweise ein Temperatursensor und ist vorzugsweise am Bodenabschnitt 3 des Fluidbehälters 1 angeordnet. Dementsprechend kann die Steuereinheit 2 auch dazu ausgebildet sein, aus dem Signal der Temperaturerfassungseinrichtung 11 eine Temperatur des Fluids zu bestimmen.
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Wie bereits erwähnt, weist das Schallwandlermodul 10 zumindest zwei Schallwandler auf, 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 vorzugsweise 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 dem 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 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. Vorzugsweise sind die mehreren Schallwandler jedoch 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 Überlagerungsschallsignal in der gewünschten Richtung in das Fluid F ausgesendet wird. Erfindungsgemäße ist es bevorzugt, die Qualitätsmessung, bei der die Überlagerungsschallsignale 14, 16 des Schallwandlermoduls 10 an die Referenzelemente 8, 9 ausgesendet werden, redundant durchzuführen. Insbesondere werden die Überlagerungsschallsignale 14, 16 hintereinander jeweils zum zugehörigen Referenzelement 8, 9 ausgesendet. Die Referenzelemente 8, 9 sind vorzugsweise derart ausgestaltet, dass das dort eintreffende Überlagerungsschallsignal größtenteils zum Schallwandlermodul 10 zurück reflektiert wird.
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Die 2 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung der Fluidsensorvorrichtung 100, die sich von der Fluidsensorvorrichtung der 1 dadurch unterscheidet, dass auch das erste Referenzelement 8 als L-förmiges Element gebildet ist, so dass sowohl das erste Überlagerungsschallsignal 14 als auch das zweite Überlagerungsschallsignal im Wesentlichen vertikal nach oben gesendet werden.
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Die 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum redundanten Bestimmen der Qualität des Fluids der F.
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Das Verfahren der 2 startet beim Schritt 200 und gelangt dann zum Schritt 210, an dem die Steuereinheit 2 das Schallwandlermodul 10 zum Aussenden des ersten Überlagerungsschallsignals 14 in der ersten Richtung zum ersten Referenzelement 8 in das Fluid F ansteuert. Bei einem darauffolgenden Schritt 220 wird eine erste Qualität des Fluids F, beispielsweise eine erste Schallgeschwindigkeit im Fluid F, basierend auf einem ersten Antwortsignal ermittelt, das als Antwort auf das Aussenden des ersten Überlagerungsschallsignals 14 zum ersten Referenzelement 8 empfangen wird.
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Bei einem folgenden Schritt 230 steuert die Steuereinheit 2 das Schallwandlermodul 10 zum Aussenden des zweiten Überlagerungsschallsignals 16 in der zweiten Richtung zum zweiten Referenzelement 9 in das Fluid F an. Bei einem darauffolgenden Schritt 240 wird eine zweite Qualität des Fluids F, beispielsweise eine zweite Schallgeschwindigkeit im Fluid F, basierend auf einem zweiten Antwortsignal ermittelt, das als Antwort auf das Aussenden des zweiten Überlagerungsschallsignals 16 zum zweiten Referenzelement 9 empfangen wird.
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Im Anschluss daran erfolgt beim Schritt 250 ein Bestimmen, dass die Fluidsensorvorrichtung 100 fehlerhaft ist, wenn die ermittelte erste Qualität, z. B. die ermittelte erste Schallgeschwindigkeit, von der ermittelten zweiten Qualität, z. B. die ermittelte zweite Schallgeschwindigkeit, um mehr als einen Qualitätsschwellenwert, z. B. ein Schallgeschwindigkeitsschwellenwert, abweicht. Das Verfahren endet dann am Schritt 260.
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Eine fehlerhafte Fluidsensorvorrichtung 100 liegt beispielsweise vor, wenn an einem der Referenzelemente 8, 9 eine Luftblase vorhanden ist, an deren Oberfläche das entsprechende Überlagerungsschallsignal 14, 16 reflektiert wird. Dadurch ist die Länge des Signalpfads, die bei einer fehlerfreien Fluidsensorvorrichtung aufgrund der Kenntnis des ersten bzw. zweiten vorbestimmten Abstands bekannt ist, verkürzt und führt somit zu einer verfälschten Schallgeschwindigkeitsmessung. Außerdem kann es z. B. bei sehr tiefen Temperaturen zu Eisbildung im Fluid F kommen, wobei an den gebildeten Eisklumpen eine Reflexion der Ultraschallsignale 14, 16 erfolgen kann, was wiederum die Qualitätsmessungen negativ beeinträchtigen kann. Auch eine Verformung oder andere Beschädigung einer der Referenzen 8, 9 kann zu unterschiedlichen ermittelten Qualitäten führen und mit dem beschriebenen Verfahren erkannt werden. Außerdem ist es denkbar, dass sich Verschmutzungen oder Ablagerungen zwischen dem Schallwandler 10 und einer der Referenzen 8, 9 ansammeln und die Qualitätsmessung negativ beeinflussen können.
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Der erfindungsgemäße Vorteil gegenüber dem Stand der Technik besteht darin, das Überlagerungsschallsignal in unterschiedlichen Richtungen zu unterschiedlichen Referenzelementen auszusenden, damit die Qualität des Fluids genauer und redundant bestimmt werden kann. Insbesondere kann die Schallgeschwindigkeit im Fluid redundant bestimmt werden, beispielsweise als der arithmetische Mittelwert der beiden einzeln ermittelten Schallgeschwindigkeiten.
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Bei einer aus dem Stand der Technik bekannten Fluidsensorvorrichtung, bei der zwei Referenzelemente, vom Schallwandlermodul aus betrachtet, hintereinander angeordnet sind, besteht der Nachteil, dass das vordere Referenzelement das hintere Referenzelement zumindest teilweise abschirmt und somit das mögliche Reflexionssignal am hinteren Referenzelement abschwächt. Das am hinteren Referenzelemente reflektierte Reflexionssignal kann außerdem durch das am vorderen Referenzelement reflektierten Reflexionssignal abgeschwächt bzw. verfälscht werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Aussenden von Überlagerungsschallsignalen in unterschiedlichen Richtungen zu unterschiedlichen Referenzelementen kann dieser Nachteil überwunden werden, so dass eine möglichst genaue Referenzmessung zum Bestimmen der Qualität des Fluids erfolgen kann.
