DE10360107B3

DE10360107B3 - Ultraschall-Peilstab

Info

Publication number: DE10360107B3
Application number: DE10360107A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Voss
Original assignee: Werner Turck GmbH and Co KG
Current assignee: Werner Turck GmbH and Co KG
Priority date: 2003-12-20
Filing date: 2003-12-20
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2023-12-21
Also published as: US7168314B2; US20050150291A1

Abstract

Ultraschall-Füllstandsensor (1), aufweisend eine an ihren beiden Enden mit je einer Öffnung (3, 4...) versehene lang gestreckte Messkammer (2), in welcher eine Flüssigkeit den gleichen Füllstand aufweist wie außerhalb der Messkammer (2), und einen dem einen Ende der Messkammer (2) zugeordneten Ultraschall-Sendeempfänger (6), dessen ausgesandte Schallsignale an der Oberfläche der Flüssigkeit reflektieren und vom Ultraschall-Sendeempfänger (6) empfangen werden, um aus einem Laufzeitverhältnis der Signale den Füllstand zu ermitteln, wobei der Querschnitt der Messkammer (2) und die Beschaffung der Messkammerwandung so auf die Eigenschaften der Flüssigkeit abgestimmt sind, dass die Flüssigkeitsoberfläche auch in einer geneigten Lage der Messkammer (2) einen Meniskus (14) ausbildet, der einen auf den Ultraschall-Sendeempfänger (6) gerichteten Reflexionsabschnitt ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschall-Füllstandsensor (1) einen mit einem Stopfen (8) versehenen Peilstab ausbildet, und der Messkammer (2) ein Kalibrierreflektor (5) zugeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Füllstandsensor gemäß Gattungsbegriff des Anspruches 1.

Ein derartiger Ultraschall-Füllstandsensor ist aus der DE 40 14 990 A1 vorbekannt. Die langgestreckte Messkammer geht vom Boden eines Tanks aus. Sie besitzt unterseitige Öffnungen, so dass das Flüssigkeitsniveau innerhalb der Messkammer demjenigen außerhalb der Messkammer entspricht. Der Boden der Messkammer besitzt einen Ultraschall-Sendeempfänger 6. Die von dort abgesandten Ultraschall-Signale werden am Meniskus der Flüssigkeit innerhalb der Messkammer zum Sendeempfänger reflektiert. Aus der Laufzeit des Schalls kann der Füllstand errechnet werden.

Ein Ultraschall-Füllstandsensor wird von der DE 43 28 046 A1 offenbart. Diese Schrift beschreibt eine ein innenseitig beschichtetes Rohr ausbildende Vorrichtung, in welcher ein Stab angeordnet sein soll. Am Boden des Rohres befindet sich ein Ultraschall-Sendeempfänger. Dieser sendet ein Ultraschall-Signal aus, das sich entlang der Erstreckungsrichtung des Rohres bzw. des darin angeordneten Stabes fortbewegt, an der Flüssigkeitsoberfläche reflektiert und vom Ultraschall-Sendeempfänger empfangen wird. In definiertem Abstand zum Boden, also zum Sendeempfänger befindet sich ein Kalibrierreflektor. Aus dem Verhältnis der Laufzeit eines dort reflektierten Signals zu dem an der Flüssigkeitsoberfläche reflektierenden Signal kann der Flüssigkeitsstand ermittelt werden. Zufolge des im Rohr angeordneten Stabes soll der dort beschriebene Flüssigkeitssensor in der Lage sein, auch im geneigten Zustand zu funktionieren.

Die DE 33 30 059 C2 beschreibt einen Flüssigkeitssensor in einem Tank, bei dem ein Ultraschall-Signal durch eine eine unregelmäßige Form aufweisende Hohl leitung geleitet wird, um an der Oberfläche einer Flüssigkeit reflektiert zu werden.

Aus der DE 43 07 635 A1 ist eine Füllstandsmessvorrichtung bekannt, bei der eine Vielzahl von Reflektoren vorgesehen ist. Die Höhe der Flüssigkeit wird aus dem Verhältnis der Differenz zwischen den Ankunftszeiten der von den beiden obersten eingetauchten Reflektionen und der Differenz zwischen den Ankunftszeiten der Pulse von der Oberfläche der Flüssigkeit und dem obersten eingetauchten Reflektor berechnet.

Die DE 44 19 463 C2 beschreibt einen Flüssigkeitssensor in Form eines Peilstabes. Der Flüssigkeitssensor kann in die Öffnung eines Tanks eingesteckt werden. Dabei kann der Peilstab durch die Öffnung eines Kugelventils hindurch gesteckt werden. Ein von einem Ultraschall-Sensor abgesandtes Signal wird an einem Schwimmer reflektiert.

Aus der DE 33 30 063 C2 ist ein Flüssigkeitstandsmesser für unregelmäßig geformte Flüssigkeitsbehälter von Fahrzeugen her bekannt. Auch hier ist eine Auswerteeinrichtung vorgesehen, die die Anzahl der nicht eingetauchten Referenzreflektoren und die Anzahl der eingetauchten Referenzreflektoren bestimmt.

Aus dem Stand der Technik, beispielsweise der DE 40 25 326 C2 sind weiterhin Flüssigkeitssensoren bekannt, bei denen keine gesonderte Messkammer verwendet wird. Das Schallsignal wird vielmehr unmittelbar vom Boden des Behälters ausgesandt. Um sicherzustellen, dass das Schallsignal an einer auf den Ultraschall-Sendeempfänger gerichteten Reflektionsfläche der Oberfläche reflektiert, ist dort eine akustische Linse vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Ultraschall-Füllstandsensor gebrauchsvorteilhaft weiterzubilden.

Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung.

Erfindungsgemäß ist der Füllstandsensor mit einem Stopfen versehen und bildet einen Peilstab aus. Die Messkammer besitzt mindestens einen Kalibrierreflektor. Der Stopfen kann in einer Öffnung einer Kammer zur Aufnahme der Flüssigkeit eingesteckt werden. Der Peilstab muss daher nicht bis zum Boden der flüssigkeitsaufnehmenden Kammer reichen. Es reicht aus, wenn sich der Peilstab nur über den Bereich erstreckt, in dem der Flüssigkeitsspiegel schwanken soll. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Peilstab für Motoröl eines Verbren nungsmotors. Demzufolge ist die Flüssigkeit vorzugsweise Motoröl. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung macht es zudem möglich, einen geknickten Peilstab zu verwenden. Hierdurch eignet sich der erfindungsgemäße Peilstab für die Verwendung an Motorradmotoren. Der die Messkammer aufweisende Abschnitt des Peilstabes kann fest oder flexibel mit dem Stopfen verbunden sein. Benachbart zur Messkammer kann ein Kabelkanal angeordnet sein, durch welchen zum Sendeempfänger führende Kabel laufen. Der Boden der Messkammer kann mit einer Keramikplatte verschlossen sein. Auf der von der Messkammer wegweisenden Seite der Keramikplatte befindet sich die Ultraschall-Sendeempfängereinheit. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird der Peilstab von zwei miteinander verbundenen Schalen gebildet. Diese Schalen können aus Kunststoff bestehen und miteinander verklebt oder verschweißt sein. Dadurch bilden sich zwei parallel zueinander verlaufende Kammern aus. Eine ist oben und unten je mit einer Öffnung versehen bzw. verbunden und bildet die Messkammer aus. Die daneben liegende Kammer bildet den Kabelkanal aus. An der Stirnseite des Stopfens kann eine Sichtanzeige angeordnet sein, auf der neben der Temperatur des Öles auch der Füllstand beispielsweise als Balkendiagramm dargestellt ist. In dem Kabelkanal können zusätzlich zu den Zuleitungen zum Sendeempfänger für ein im Bereich des Endes des Peilstabes angeordneten Thermoelementes verlaufen.

Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 in der Ansicht, teilweise aufgebrochen einen Peilstab für die Ölwanne eines Motorradmotors,
2 in vergrößerter Darstellung den Boden des Peilstabes des Ausschnit tes II-II in 1,
3 einen Schnitt gemäß der Linie III-III in 1 in vergrößerter Darstellung,
4 die Draufsicht auf die Stirnseite des Stopfens,
5 eine Prinzipdarstellung der an dem Meniskus innerhalb der Messkammer reflektierenden Schallwellen bei vertikal ausgerichteter Messkammer und
6 eine Darstellung gemäß 5 bei geneigter Messkammer.
Der mit der Bezugsziffer 1 bezeichnete Füllstandsensor besitzt eine langgestreckte Gestalt und besteht aus zwei miteinander verschweißt oder verklebten Schalen 15, 15'. Der Füllstandsensor 1 besitzt an seinem einen Ende einen Stopfen 8, der die Öleinfüllöffnung einer Ölwanne eines Motors verschließt. Auf dem Stopfen 8 befindet sich eine Auswerte-Anzeigeeinrichtung 9, deren Stirnfläche eine Sichtanzeige 16 aufweist. Die Sichtanzeige zeigt beispielsweise in Form eines Balkendiagramms den Ölstand innerhalb der Ölwanne und zusätzlich die Öltemperatur.
Der Füllstandsensor 1 ist stabförmig und besitzt eine langgestreckte Messkammer 2, die einem durchmesserverbreiterten Abschnitt des Füllstandsensors 1 zugeordnet ist. Die Messkammer 1 besitzt eine obere Öffnung 3 und eine untere Öffnung 4, durch welche Luft oder Flüssigkeiten ein- oder austreten können. Der Boden der Messkammer 2 wird von einer Keramikplatte 11 gebildet. Auf der Rückseite der Keramikplatte 11 befindet sich eine Ultraschall- Sendeempfangseinrichtung. Diese ist mit Zuleitungskabeln 12 verbunden, die in einem Kabelkanal 7 verlaufen, der der Messkammer 2 benachbart ist.
Rückwärtig der Keramikplatte 11 befindet sich ein mit einer Vergussmasse 10 ausgefüllter Hohlraum. Hierdurch ist sichergestellt, dass die Flüssigkeit aus der Messkammer 2 nicht in diesem Bereich oder in den Kabelkanal hinein strömt.
Wie der 3 zu entnehmen ist, bildet der Füllstandsensor 1 zwei nebeneinander liegende Kammern 2, 7 aus, die von einer Trennwand 13 getrennt sind. Es sind zwei Schalen 15, 15' vorgesehen, die miteinander verklebt oder verschweißt sind. Die Messkammer 2 kann einen kreisrunden Querschnitt haben.
Der Durchmesser D der Messkammer 2 ist an die viskosen Eigenschaften und an die Oberflächenspannung der Flüssigkeit angepaßt, deren Stand mit dem Peilstab gemessen werden soll. Die Oberfläche der Wandung der Messkammer 2 hat eine solche Eigenschaft, dass die Flüssigkeitsoberfläche innerhalb der Messkammer 2 eine parabolische Oberflächenform in Form des Meniskus 14 ausbildet.
Wie die 5 zeigt, werden die vom Ultraschall-Sendeempfänger 6 ausgesandten Schallwellen, die sich geradlinig innerhalb der Messkammer 2 fortbewegen an der über ihre gesamte Fläche gewölbten Oberfläche, d.h. vom Meniskus 14 aufgefächert. Es ist also sichergestellt, dass die Oberfläche einen Abschnitt aufweist, der derart auf den Ultraschall-Sendeempfänger gerichtet ist, dass die dort reflektierten Schallwellen in Richtung des Ultraschallsendeempfängers 6 sich fortbewegen.
Die Form des Meniskus 14 ändert sich bei einer Neigung der Messkammer 2, wie sie in der 6 dargestellt ist nur unwesentlich. Auch in der Neigungslage fächert der durchgängig gewölbte Meniskus 14 die auf die Oberfläche der Flüs sigkeit auftreffenden Schallwellen auf. Auch hier ist sichergestellt, dass diese Oberfläche einen Reflektionsabschnitt ausbildet, der auf den Ultraschallsender gerichtet ist, so dass die dort reflektierten Schallwellen wieder zum Ultraschall-Sendeempfänger 6 zurücklaufen.
In den Darstellungen gemäß 5 und 6 ist die Wandung der Messkammer 2 und deren Durchmesser D so auf die sich in der Messkammer 2 befindenden Flüssigkeit abgestellt, dass die Wandung benetzt wird. Es ist aber auch möglich, die Wandung der Messkammer 2 so auszugestalten, dass sie von der Flüssigkeit nicht benetzt wird. Es bildet sich dann ein nach oben gekrümmter Meniskus aus. Auch hier ist der Durchmesser D der Messkammer 2 so auf die entsprechenden Eigenschaften der Flüssigkeit abgestimmt, dass sich auch im geneigten Zustand eine durchgehende Krümmung in Form eines Quasi-Paraboloiden ausbildet, so. dass auch im geneigten Zustand ein Abschnitt der Oberfläche quer zur Erstreckungsrichtung der Messkammer 2 verläuft, um die dort auftreffenden Schallwellen auf den Ultraschall-Sendeempfänger 6 zurückzuwerfen.
Der Ultraschall-Sendeempfänger 6 ist in der Lage, sowohl Ultraschallwellen auszusenden als auch selbige zu empfangen. Von einer mit der Bezugsziffer 9 bezeichneten, am Stopfen 8 geordneten Einrichtung erhält der Ultraschall-Sendeempfänger das Sendesignal. Die an der Flüssigkeitsoberfläche reflektierten Signale lösen am Sendeempfänger 6 ein Empfangssignal aus, das ebenfalls zur Einrichtung hinzugeführt wird. Der Sendeempfänger 6 gibt auch ein Empfangssignal ab, wenn er die Ultraschallwellen, die an einen mit definiertem Abstand oberhalb des Bodens der Messkammer 2 angeordneten Kalibierreflektor 5 reflektiert werden empfängt. Aus der Differenz der Laufzeiten dieser beiden Schallsignale kann die Einrichtung 9 den Füllstand berechnen. Das Ergebnis wird auf dem Display 16 angezeigt. Der Abstand zwischen dem Kalibierreflek tor 5 und dem Ultraschall-Sendeempfänger 6 ist geringer als der minimal zu messende Flüssigkeitspegel.

Claims

Ultraschall-Füllstandsensor (1), aufweisend eine an ihren beiden Enden mit je einer Öffnung (3''', 4) versehene langgestreckte Messkammer (2), in welcher eine Flüssigkeit den gleichen Füllstand aufweist wie außerhalb der Messkammer (2), und einen dem einen Ende der Messkammer (2) zugeordneten Ultraschall-Sendeempfänger (6), dessen ausgesandte Schallsignale an der Oberfläche der Flüssigkeit reflektieren und vom Ultraschall-Sendeempfänger (6) empfangen werden, um aus einem Laufzeitverhältnis der Signale den Füllstand zu ermitteln, wobei der Querschnitt der Messkammer (2) und die Beschaffung der Messkammerwandung so auf die Eigenschaften der Flüssigkeit abgestimmt sind, dass die Flüssigkeitsoberfläche auch in einer geneigten Lage der Messkammer (2) einen Meniskus (14) ausbildet, der einen auf den Ultraschall-Sendeempfänger (6) gerichteten Reflexionsabschnitt ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschall-Füllstandsensor (1) einen mit einem Stopfen (8) versehenen Peilstab ausbildet, und der Messkammer (2) ein Kalibrierreflektor (5) zugeordnet ist.
Ultraschall-Füllstandsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit Motoröl ist.
Ultraschall-Füllstandsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen der Messkammer (2) benachbarten Kabelkanal (7).
Ultraschall-Füllstandsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer (2) an ihrem einen Ende mit einer den Ultraschall-Sendeempfänger (6) tragenden Keramikplatte (11) verschlossen ist.
Ultraschall-Füllstandsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Peilstab von zwei miteinander verbundenen Schalen (15''', 15') gebildet ist.
Ultraschall-Füllstandsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine der Stirnseite des Stopfens (8) zugeordnete Sichtanzeige (16).