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Die Erfindung geht aus von einer
Vorrichtung zur Messung eines Füllstandes
nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist schon eine Vorrichtung
zur Messung eines Füllstandes
aus der
DE 199 42
378 A1 bekannt, bei der ein Ultraschallwandler außerhalb eines
Behälters
nahe einem Ende eines zwischen einem Behälterboden und einer Deckenwandung
vorgesehenen Schallführungskanals
angeordnet ist. Der Ultraschallwandler sendet Ultraschallwellen
in den Schallführungskanal,
wobei die Ultraschallwellen an einem Flüssigkeitsspiegel reflektiert
werden. Die reflektierten Ultraschallwellen werden von dem Ultraschallwandler
empfangen und in einer Auswerteeinheit ausgewertet. Aus einer Laufzeit
der Ultraschallwellen wird ein Füllstand
ermittelt. Ist der Behälter
mit beispielsweise wässriger
Flüssigkeit
gefüllt,
kann die Flüssigkeit
bei einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunktes in dem Behälter zumindest
teilweise gefrieren. Ist der Behälter
Teil eines Kraftfahrzeugs, können
in dem Behälter
gebildete Eisbrocken während
der Fahrt des Kraftfahrzeugs mit großer Wucht gegen den Schallführungskanal
schlagen und diesen dadurch beschädigen. Darüber hinaus kann der Schallführungskanal durch
Volumenzunahme der Flüssigkeit
bei Gefrieren beschädigt
werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung
eines Füllstandes
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den
Vorteil, daß auf
einfache Art und Weise eine Verbesserung dahingehend erzielt wird,
daß eine
Beschädigung
des Schallführungskanals
bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes der Flüssigkeit vermieden
wird, indem der Schallführungskanal
außerhalb
des Behälters
angeordnet ist.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch
angegebenen Vorrichtung zur Messung eines Füllstandes möglich.
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Weiterhin vorteilhaft ist, wenn der
Schallführungskanal
einen parallel und nahe dem Behälterboden
verlaufenden Vorlaufbereich aufweist, da auf diese Weise die Laufzeit
der ausgesendeten Schallimpulse verlängert wird, so daß die erfindungsgemäße Vorrichtung
auch bei niedrigen Füllständen den
ausgesendeten Schallimpuls von dem reflektierten Schallimpuls unterscheiden
kann.
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Weiter vorteilhaft ist, wenn der
Schallführungskanal
zumindest eine Referenzreflektionsfläche aufweist, da auf diese
Weise Störeinflüsse nachträglich in
einer Auswerteeinheit herausgerechnet werden können.
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Sehr vorteilhaft ist es, wenn der
Schallführungskanal
ein Teil einer Seitenwand ist, da dies hinsichtlich der Herstellung
und Montage besonders einfach und kostengünstig ist. Außerdem kann
der Schallführungskanal
auf diese Weise über
Wärmeleitung
besonders gut von einer im Behälter
vorgesehenen Heizung mit erwärmt
werden.
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Auch vorteilhaft ist, den Schallführungskanal und/oder
den Ultraschallwandler mittels einer Isolierschicht thermisch zu
isolieren, da auf diese Weise eine homogene Temperaturverteilung
im Schallführungskanal
erzielt wird, die für
eine exakte Messung des Füllstands
erforderlich ist.
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Desweiteren vorteilhaft ist, die
Flüssigkeit des
Schallführungskanals
mittels einer separaten Begleitheizung zu beheizen, da auf diese
Weise ein Gefrieren der Flüssigkeit
im Schallführungskanal
vermieden bzw. ein Auftauen der Vorrichtung beim Starten der Brennkraftmaschine
ermöglicht
wird.
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Darüber hinaus vorteilhaft ist,
den Schallführungskanal
aus elastischem Kunststoff herzustellen, da auf diese Weise eine
Beschädigung
des Schallführungskanals
beim Gefrieren der Flüssigkeit
im Schallführungskanal
vermieden wird.
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Vorteilhaft ist, wenn in dem Schallführungskanal
eine Innenleitung vorgesehen ist, die mit Gas und/oder mit Schaumstoff
ausgefüllt
ist, da auf diese Weise eine Volumenzunahme der Flüssigkeit
kompensiert und damit ein Beschädigen
des Schallführungskanals
vermieden wird.
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Außerdem vorteilhaft ist, wenn
am Innenumfang des Schallführungskanals
entlang seiner Längserstreckung
Schaumstoff vorgesehen ist, da dies eine weitere Ausführung zur
Kompensation einer Volumenzunahme der Flüssigkeit beim Gefrieren ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Die Zeichnung zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Messung eines Füllstandes
einer Flüssigkeit
in einem Behälter.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht im wesentlichen
aus einem Behälter
1, einem Schallführungskanal 2 und
einem Ultraschallwandler 3.
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In dem Behälter 1 befindet sich
eine beliebige Flüssigkeit 4,
beispielsweise Harnstofflösung
oder Ammoniaklösung,
bis zu einem Füllstand 5.
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Beispielsweise von einem Behälterboden 8 des
Behälters 1 aus
verläuft
eine Förderleitung 9 zu einem
außerhalb
des Behälters 1 angeordneten
Förderaggregat 10,
das die Flüssigkeit 4 aus
dem Behälter 1 fördert und
einem nachfolgenden beliebigen Prozeß 11, beispielsweise
einer Einspritzung in einen Abgaskanal einer Brennkraftmaschine,
zuführt.
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Die Harnstofflösung und die Ammoniaklösung sind
sogenannte Reduktionsmittel, die zur Verringerung von Stickoxidemissionen
in den Abgaskanal der Brennkraftmaschine eingespritzt werden.
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Der Behälter 1 weist eine
Belüftungsleitung 12 auf,
die beispielsweise an einer Deckenwand 15 des Behälters 1 vorgesehen
ist und den Behälter 1 mit
der Atmosphäre
verbindet. Durch die Belüftungsleitung 12 ist
sichergestellt, daß im
Behälter 1 kein Über- oder
Unterdruck entstehen kann.
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Der Schallführungskanal 2 ist
an einem Ende zumindest mittelbar über einen Verbindungskanal 16 mit
dem Behälter 1 und
an dem anderen Ende mit der Belüftungsleitung 12 verbunden.
Der Verbindungskanal 16 mündet bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß der Zeichnung
nicht direkt in den Behälter 1,
um die Festigkeit des Behälters 1 nicht
zu verringern. Stattdessen ist der Verbindungskanal 16 an
seinem dem Behälterboden 8 zugewandten
Ende beispielsweise mit der Förderleitung 9 verbunden.
Der Verbindungskanal 16 könnte jedoch auch in nicht dargestellter Weise
direkt mit dem Behälterboden 8 und
damit mit dem Behälter 1 verbunden
sein.
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Der Schallführungskanal 2 ist
außerhalb
des Behälters 1 angeordnet.
Der Schallführungskanal 2 verläuft in einem
Vorlaufbereich 17 zunächst
in der Ebene des Behälterbodens 8 in
horizontaler Richtung einer Seitenwand 21 des Behälters 1 entgegen. Der
Verbindungskanal 16 mündet
in den Vorlaufbereich 17 des Schallführungskanals 2. Der
Verbindungskanal 16 verläuft beispielsweise quer zum
Vorlaufbereich 17. An den Vorlaufbereich 17 schließt sich
ein Meßrohrbereich 18 des
Schallführungskanals 2 an,
der an dem dem Vorlaufbereich 17 zugewandten Ende eine
erste Biegung 19 mit einem Biegeradius 22 und
einer Umlenkung 23 aufweist. Die Umlenkung 23 beträgt beispielsweise
neunzig Grad, kann aber auch kleiner oder größer neunzig Grad betragen.
Unter der Umlenkung 23 wird ein Winkel verstanden. An die
erste Biegung 19 des Meßrohrbereichs 18 anschließend verläuft der
Meßrohrbereich 18 beispielsweise
geradlinig in Richtung Deckenwand 15. Der Meßrohrbereich 18 kann
aber auch weitere Biegungen haben und geschlungen verlaufen.
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In dem Schallführungskanal 2 befindet
sich bei gefülltem
Behälter 1 Flüssigkeit
bis zu einem Füllstand 5.1.
Nach dem bekannten hydrostatischen Gesetz der sogenannten kommunizierenden
Röhren stellt
sich im Schallführungskanal 2 ein
Flüssigkeitsstand 5.1 ein,
der identisch ist mit dem Flüssigkeitsstand 5 im
Behälter 1,
da der Schallführungskanal 2 zumindest
mittelbar mit dem Behälter 1 verbunden ist.
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Über
den Verbindungskanal 16 kann Flüssigkeit in den Schallführungskanal 2 hinein
bzw. aus dem Schallführungskanal 2 hinaus
strömen.
Dies geschieht, sobald der Füllstand 5 und
der Füllstand 5.1 unterschiedlich
hoch sind. Ist der Füllstand 5 höher als
der Füllstand 5.1,
beispielsweise nach einem Betanken des Behälters 1, strömt Flüssigkeit über die Förderleitung 9 und
den Verbindungskanal 16 in den Schallführungskanal 2. Ist
der Füllstand 5.1 höher als der
Füllstand 5,
beispielsweise durch die Entnahme von Flüssigkeit aus dem Behälter 1 mittels
des Förderaggregats 10,
strömt
umgekehrt Flüssigkeit
aus dem Schallführungskanal 2 über den
Verbindungskanal 16 in die Förderleitung 9 oder
bei direkter Anbindung des Verbindungskanals 16 an den
Behälter 1 in den
Behälter 1.
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Der Schallführungskanal 2 hat
beispielsweise einen runden Querschnitt mit einem Innendurchmesser,
der kleiner als ein Zentimeter ist. Der Innendurchmesser beträgt beispielsweise
fünf Millimeter. Der
Querschnitt des Schallführungskanals 2 kann aber
auch oval oder vieleckig sein.
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Der Schallführungskanal 2 bestehend
aus Vorlaufbereich 11 und Meßrohrbereich 16 ist
beispielsweise einteilig ausgeführt.
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Der Ultraschallwandler 3 ist
an dem dem Verbindungskanal 16 zugewandten Ende des Schallführungskanals 2 angeordnet.
Der Ultraschallwandler 3 ist beispielsweise ein Impuls-Echo-Sensor, der getaktet
kurze Schallimpulse erzeugt und aussendet und eine Laufzeit t zwischen
dem Zeitpunkt des Aussendens des Impulses und dem Zeitpunkt des
Wiederkehrens des reflektierten Schallimpulses, des sogenannten
Echos, mißt.
Es kann aber auch ein anderer Sensor eingesetzt werden, der beispielsweise kontinuierlich
Schallwellen erzeugt und aussendet, wobei hier nicht die Laufzeit
t ermittelt, sondern eine Phasenverschiebung zwischen den ausgesendeten und
reflektierten Schallwellen gemessen wird. Der Ultraschallwandler 3 ist
beispielsweise gleichzeitig Sender und Empfänger. Es kann aber auch ein
Ultraschallwandler 3 eingesetzt werden, bei dem Sender und
Empfänger
räumlich
getrennt sind.
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Der von dem Ultraschallwandler 3 erzeugte Schallimpuls
mit einer vorbestimmten Intensität überträgt sich
hauptsächlich
auf die Flüssigkeit
in dem Schallführungskanal 2.
Der Schallimpuls breitet sich in der Flüssigkeit mit einer Schallgeschwindigkeit
in der Richtung des Schallführungskanals 2 aus,
wird geleitet durch die Wandung des Schallführungskanals 2, trifft
auf der Höhe
des Füllstandes 5.1 auf
den Flüssigkeitsspiegel
der Flüssigkeit
im Schallführungskanal 2 und
wird dort reflektiert. Der reflektierte Schallimpuls bewegt sich
nun in entgegengesetzter Richtung zurück zum Ultraschallwandler 3. Über das Produkt
aus Schallgeschwindigkeit und Laufzeit wird der Füllstand 5 bestimmt.
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Im Schallführungskanal 2, beispielsweise
im Vorlaufbereich 17, ist zumindest eine Referenzreflektionsfläche 24 vorgesehen,
die beispielsweise eben ist und quer teilweise in den Schallführungskanal 2 hineinragt.
Der Schallimpuls, der an der Referenzreflektionsfläche 24 reflektiert
wird, wird als Referenzecho bezeichnet. Die Laufzeit des Referenzechos ist
bekannt, sobald sie einmal bei einer bestimmten Temperatur und einem
bestimmten Druck gemessen worden ist, und ist beispielsweise in
einer elektronischen Auswerteeinheit 25 gespeichert, die über eine Signalleitung 26 mit
dem Ultraschallwandler 3 verbunden ist. Auch eine von einem
Schallimpuls zurückzulegende
Entfernung zwischen der Referenzreflektionsfläche 24 und dem Ultraschallwandler 3 ist bekannt
und beispielsweise in der Auswerteeinheit 25 gespeichert.
Die Laufzeit der Schallimpulse ist abhängig von der Schallgeschwindigkeit
in der Flüssigkeit.
Die Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit ist abhängig von
der Dichte der Flüssigkeit.
Die Dichte der Flüssigkeit
ist wiederum abhängig
von der Temperatur und dem Druck der Flüssigkeit. Durch den Vergleich
der in der Auswerteeinheit 25 gespeicherten Laufzeit eines
Referenzechos mit der während
einer Füllstandsmessung
gemessenen Laufzeit eines Referenzechos können Störeinflüsse, wie beispielsweise eine Änderung
der Temperatur, des Druckes oder der Dichte der Flüssigkeit,
von der Auswerteeinheit 25 nachträglich herausgerechnet werden,
so daß eine
auf diese Weise korrigierte Messung des Füllstands nahezu unabhängig von
Temperatur und Druck ist.
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Durch den Vergleich der Laufzeit
des gemessenen Referenzechos mit der Laufzeit des in der Auswerteeinheit 25 gespeicherten
Referenzechos ist es bei bekannter Temperatur der Flüssigkeit 4 und bekanntem
Druck im Behälter 1 möglich, Flüssigkeitseigenschaften,
beispielsweise die Dichte, zu berechnen und zu überprüfen. Auf diese Weise kann beispielsweise überprüft werden,
ob die richtige Flüssigkeit 4 in
den Behälter 1 gefüllt wurde
oder ob die Konzentration, beispielsweise bei einer Harnstofflösung als
Flüssigkeit 4,
im vorbestimmten Bereich liegt. Zur Ermittlung der Temperatur der
Flüssigkeit
ist beispielsweise ein Temperatursensor in dem Ultraschallwandler 3 integriert
oder ein Temperatursensor in dem Behälter 1 vorgesehen.
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Damit die Strömung und der damit verbundene
Druckabfall in der Förderleitung 9 nicht
den Füllstand 5.1 im
Schallführungskanal 2 gegenüber dem Füllstand 5 im
Behälter 1 beeinflußt, ist
der Querschnitt der Förderleitung 9 im
Bereich des Verbindungskanals 16 beispielsweise durch eine
Ausbuchtung 28 vergrößert.
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Ist die Vorrichtung Temperaturen
unterhalb des Gefrierpunkts der Flüssigkeit oder deren Bestandteile
ausgesetzt, gefriert die Flüssigkeit
in der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Erweitert die Flüssigkeit beim Gefrieren ihr Volumen,
führt dies
zu einer dehnenden Belastung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, beispielsweise des
Behälters 1 und
des Schallführungskanals 2. Flüssigkeiten
mit einem Wasseranteil haben beispielsweise eine Volumenzunahme
beim Gefrieren. Die Harnstofflösung
hat beispielsweise eine Volumenzunahme von etwa zehn Prozent. Damit
der Schallführungskanal 2 durch
diese Belastung nicht beschädigt
wird, ist der Schallführungskanal 2 aus elastischem
Kunststoff, beispielsweise PTFE oder Silikon, hergestellt. In einer
anderen Ausführung
kann in dem Schallführungskanal 2 eine
elastische und mit Gas und/oder Schaumstoff gefüllte Innenleitung vorgesehen
sein, die beim Gefrieren der Flüssigkeit
eingedrückt
wird und dadurch der Flüssigkeit
die Möglichkeit
der Ausdehnung bietet, ohne den Schallführungskanal 2 über ein
vorbestimmtes Maß hinaus
zu dehnen. In einer weiteren Ausführung kann am Innenumfang des Schallführungskanals 2 entlang
der Längserstreckung
des Schallführungskanals 2 Schaumstoff
vorgesehen sein, der geschlossene und damit keine Flüssigkeit
aufnehmenden Poren aufweist. Auf diese Weise kann sich die Flüssigkeit
beim Gefrieren durch Eindrücken
des Schaumstoffs ausdehnen, ohne den Schallführungskanal 2 zu überlasten.
Der Schaumstoff hat eine möglichst
glatte Oberfläche,
um die Schallimpulse möglichst
wenig zu dämpfen.
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Um ein Gefrieren der Flüssigkeit 4 zu
vermeiden bzw. die gefrorene Flüssigkeit 4 wieder
aufzutauen, kann in oder an dem Behälter 1 eine Heizung 29 vorgesehen
sein, die die Flüssigkeit 4 beispielsweise elektrisch
erwärmt.
Um mit der Heizung 29 auch die Flüssigkeit in dem Schallführungskanal 2 zu
erwärmen,
ist der Abstand zwischen dem Schallführungskanal 2 und
der Seitenwand 21 möglichst
klein zu wählen.
Auf diese Weise ist die Wärmeleitung
in Richtung Schallführungskanal 2 besonders
effektiv. Der Schallführungskanal 2 kann
zumindest teilweise in der Seitenwand 21 integriert sein.
Auf diese Weise ist die Wärmeleitung
zum Schallführungskanal 2 optimal
und die Montage eines separaten Schallführungskanals 2 am Behälter 1 kann
entfallen.
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Am Außenumfang des Schallführungskanals 2 kann
entlang der Längserstreckung
des Schallführungskanals 2 eine
Isolierschicht 30 angebracht sein. Da der Schallführungskanal 2 dicht
an der Seitenwand 21 angeordnet ist, umgibt die Isolierschicht 30 den
Schallführungskanal 2 beispielsweise
U-förmig, wobei
das U mit der offenen Seite zur Seitenwand 21 hin gerichtet
ist. Die Isolierschicht 30 isoliert die Flüssigkeit
im Schallführungskanal 2 gegenüber der
Umgebung, sorgt für
eine homogene Temperaturverteilung in der Flüssigkeit des Schallführungskanals 2 und
vermeidet ein schnelles Gefrieren der Flüssigkeit. Der Schallführungskanal 2 ist
durch die U-Form der Isolierschicht 30 nicht gegenüber der
Seitenwand 21 des Behälters 1 isoliert.
Die Isolierschicht 30 isoliert beispielsweise auch den
Ultraschallwandler 3 gegenüber der Umgebung, da auf diese
Weise die Temperatur der Flüssigkeit
im Schallführungskanal 2 von
einem in dem Ultraschallwandler 3 integrierten Temperatursensor
korrekt ermittelt werden kann.
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In einer weiteren Ausführung kann
der Schallführungskanal 2 eine
Begleitheizung 31 haben, die die Flüssigkeit im Schallführungskanal 2 entlang seiner
Längserstreckung
separat beheizt, beispielsweise mittels in einer Wandung des Schallführungskanals 2 vorgesehenen
elektrischen Heizschleifen.