DE112015003705T5

DE112015003705T5 - Wanddurchgangs-Ultraschallwandler für Behälter

Info

Publication number: DE112015003705T5
Application number: DE112015003705.5T
Authority: DE
Inventors: B. Reimer Lawrence; Gregory P. Murphy
Original assignee: SSI Technologies LLC
Current assignee: SSI Technologies LLC
Priority date: 2014-08-11
Filing date: 2015-06-26
Publication date: 2017-04-27
Also published as: WO2016025094A8; WO2016025094A1; US20160041024A1

Abstract

Es wird eine Technologie für einen mit einer Ultraschallsensor-Teilanordnung gekoppelten Behälter beschrieben, wobei der Behälter und die Ultraschallsensor-Teilanordnung für einen Ultraschallsensor kombiniert sind. In einer Ausführungsform ist die Ultraschallsensor-Teilanordnung dafür konfiguriert, beim Koppeln mit einem Behälter, der eine Behälterwand aufweist, einen Ultraschallsensor zu bilden. Die Ultraschallsensor-Teilanordnung enthält ein Sensorteilanordnungsgehäuse, ein planares piezoelektrisches Element, das sich innerhalb des Sensorteilanordnungsgehäuses befindet, und eine Schaltungsanordnung, die mit dem planaren piezoelektrischen Element elektrisch verbunden ist, wobei das planare piezoelektrische Element eine Oberfläche enthält, die in der Weise mit der Behälterwand gekoppelt ist, dass die Behälterwand eine Anpassungsschicht eines Ultraschallsensors bildet, und wobei die Schaltungsanordnung dafür konfiguriert ist, ein Signal zum Ansteuern des planaren piezoelektrischen Elements zum Erzeugen einer Schallwelle zu erzeugen und von dem planaren piezoelektrischen Element eine Angabe eines detektierten Echos zu empfangen. Außerdem sind verschiedene weitere Verfahren und Systeme offenbart.

Description

HINTERGRUND
Ein Wandler ist eine Vorrichtung, die Energie von einer Form (z. B. einer elektrischen) in eine andere (z. B. eine mechanische) umsetzt. Wandler werden in einer Vielzahl von Kraftfahrzeuganwendungen, gewerblichen Anwendungen und Industrieanwendungen verwendet. Als Wandler in Ultraschallvorrichtungen oder Ultraschallsensoren werden Keramikkristalle verwendet. Die Kristalle setzen eine elektrische Eingabe in Schallwellen um. Ultraschallvorrichtungen können den piezoelektrischen Effekt verwenden, um Änderungen des Drucks, der Beschleunigung, der Belastung oder der Kraft zu messen, indem sie diese Änderungen in eine elektrische Ladung umsetzen. Ultraschallvorrichtungen (z. B. Ultraschallsensoren oder piezoelektrische Wandler) können in verschiedenen Anwendungen wie etwa der medizinischen Bildgebung, der zerstörungsfreien Prüfung oder in Entfernungs- und Füllstandserfassungsanwendungen verwendet werden.
In der Ultraschallfüllstandserfassung, wie sie bei einem Fluidbehälter verwendet wird, wird ein typischer Füllstandssensor als eine selbstständige Einheit entworfen und gebaut und durch eine Öffnung in der Wand eines Behälters montiert oder mit einer anderen Komponente wie etwa einem Kraftstoffmodul, das ebenfalls durch eine Öffnung in der Wand des Behälters montiert wird, kombiniert. Andere typische Füllstandssensoren können selbstständige Einheiten sein und innerhalb des Behälters montiert werden. In Abhängigkeit von dem Typ des Füllstandssensors ist der Füllstandsensor entweder in das Fluid getaucht oder befindet sich in dem Luftraum, der sich direkt über dem Fluid befindet.
ZUSAMMENFASSUNG
Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich auf einen Ultraschallsensor, der durch einen Behälter (z. B. einen Kraftfahrzeug-Kraftstoffbehälter) gebildet ist, der mit einer Ultraschallsensor-Teilanordnung gekoppelt ist. Es werden verschiedene Systeme und Verfahren zum Koppeln (z. B. Verkleben) des Behälters mit der Ultraschallsensor-Teilanordnung, zum Prüfen der Kopplung des Behälters mit der Ultraschallsensor-Teilanordnung und mit dem Ultraschallsensor und zum Programmieren des Ultraschallsensors für einen spezifischen Behälterentwurf und Typ des Fluids, das gemessen wird, beschrieben.
In einer Ausführungsform schafft die Erfindung eine Ultraschallsensor-Teilanordnung, die dafür konfiguriert ist, beim Koppeln mit einem Behälter, der eine Behälterwand aufweist, einen Ultraschallsensor zu bilden. Die Ultraschallsensor-Teilanordnung enthält ein Sensorteilanordnungsgehäuse, ein planares piezoelektrisches Element, das sich innerhalb des Sensorteilanordnungsgehäuses befindet, und eine Schaltungsanordnung, die mit dem planaren piezoelektrischen Element elektrisch verbunden ist. Das planare piezoelektrische Element enthält eine Oberfläche, die dafür konfiguriert ist, in der Weise mit der Behälterwand zu koppeln, dass die Behälterwand eine Anpassungsschicht des Ultraschallsensors bildet. Die Schaltungsanordnung ist dafür konfiguriert, ein Signal zum Ansteuern des planaren piezoelektrischen Elements zum Erzeugen einer Schallwelle zu erzeugen und von dem planaren piezoelektrischen Element eine Angabe eines detektierten Echos zu empfangen.
Die Oberfläche des planaren piezoelektrischen Elements kann unter Verwendung eines Klebstoffs mit der Behälterwand gekoppelt oder verklebt werden. Der Behälter kann für ein motorisiertes Fahrzeug oder für eine Ausrüstung wie etwa für ein Kraftfahrzeug (z. B. Motorräder, Kraftwagen, Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Busse, Züge), ein Wasserfahrzeug (ein Schiff oder Boot), ein Luftfahrzeug oder ein Raumfahrzeug konfiguriert sein. Der Behälter kann dazu verwendet werden, verschiedene Arten von Fluiden wie etwa Kraftstoff, Benzin, Diesel, Öl, Kühlmittel, Dieselabgasfluid (DEF), Bremsfluid, Getriebefluid, Scheibenwischerfluid, Wasser (z. B. Frischwasser, Grauwasser oder Schwarzwasser) oder irgendein anderes Fluid, das eine ununterbrochene Füllstandsmessung benötigt, zu enthalten. Der Ultraschallsensor und der Behälter können für die bei motorbetriebenen Fahrzeugen und bei der Ausrüstung verwendeten Massenproduktion gut geeignet sein.
Die Schaltungsanordnung der Ultraschallsensor-Teilanordnung kann eine Leiterplatte (PCB) oder ein Einchipsystem (SoC) enthalten. Die Schaltungsanordnung kann dafür konfiguriert sein, die Kopplung zwischen der Behälterwand und dem planaren piezoelektrischen Element des Ultraschallsensors zu prüfen oder zu überprüfen. Außerdem kann die Schaltungsanordnung dafür konfiguriert sein, einen Fluidfüllstand für einen spezifizierten Behälterentwurf und für einen Typ des Fluids, das gemessen wird, zu extrapolieren, um unter Verwendung einer Eichtabelle, die eine Ausgabe (z. B. ein detektiertes Echo einer Schallwelle) von dem Ultraschallsensor gegenüber einer vordefinierten Tabelle von Werten abbildet, eine Konzentration des Fluids zu bestimmen. Die Schaltungsanordnung und der Sensor können in Abhängigkeit von der Fabrikabnehmerimplementierung (OEM-Implementierung) eine Füllstandsangabe proportional zu dem Volumen des innerhalb des Behälters verbleibenden Fluids oder einen Ist-Füllstandsmesswert bereitstellen. Der Ultraschallsensor kann zum Messen einer Fluidkonzentration oder eines Fluidfüllstands konfiguriert werden.
Außerdem kann die Ultraschallsensor-Teilanordnung einen mit der Schaltungsanordnung elektrisch verbundenen Temperatursensor enthalten, der dafür konfiguriert ist, eine Temperatur eines Fluids in dem Behälter zu detektieren. Die durch den Temperatursensor erfasste Temperatur des Fluids kann in die Eichtabelle eingegeben werden, um einen Fluidfüllstand für einen spezifizierten Behälterentwurf und für einen Typ des Fluids, das gemessen wird, zu extrapolieren oder um eine Konzentration des Fluids zu bestimmen. Zum Beispiel kann ein Prozessor die Temperaturwerte und die Laufzeitwerte als die Variablen für die Eichtabelle verwenden und einen Fluidfüllstand entweder als ein Volumen des verbleibenden Fluids oder als einen Ist-Füllstandsmesswert erzeugen. Die Ultraschallsensor-Teilanordnung kann einen integrierten Verbinder oder einen Kabelbaum enthalten, der mit der Schaltungsanordnung elektrisch gekoppelt ist, um einen Verbinder oder eine Schnittstelle zu einer externen Computervorrichtung (z. B. einer Prüfvorrichtung oder einer Programmiervorrichtung) zum Prüfen des Ultraschallsensors oder zum Programmieren der Schaltungsanordnung bereitzustellen. Die Prüfvorrichtung kann zum Prüfen des durch eine Kombination der Ultraschallsensor-Teilanordnung und der Behälterwand gebildeten Ultraschallsensors konfiguriert werden. Die Programmiervorrichtung kann dafür konfiguriert werden, die Schaltungsanordnung der Ultraschallsensor-Teilanordnung mit einer Eichtabelle zu programmieren, die eine Ausgabe von der Laufzeitmessung von dem Ultraschallsensor und eine Temperatur gegenüber einer vordefinierten Tabelle von Werten abbildet, um für einen spezifizierten Behälterentwurf und/oder Typ des Fluids, das gemessen wird, einen Fluidfüllstand zu extrapolieren.
Die Ultraschallsensor-Teilanordnung kann verschiedene andere Komponenten enthalten. Zum Beispiel kann das planare piezoelektrische Element auf beiden planaren Oberflächen eine Anpassungsschicht aufweisen. Die Anpassungsschichten (z. B. eine erste Anpassungsschicht) können verwendet werden, um eine akustische Impedanz des planaren piezoelektrischen Elements an die Behälterwand anzupassen. Somit kann eine zweite Anpassungsschicht mit einer Oberfläche des planaren piezoelektrischen Elements, die der Oberfläche, die dafür konfiguriert ist, mit der Behälterwand gekoppelt zu werden, gegenüberliegt, gekoppelt werden, wobei die Behälterwand eine erste Anpassungsschicht bereitstellt. Außerdem kann die Ultraschallsensor-Teilanordnung Leitungen, die jede planare Oberfläche des planaren piezoelektrischen Elements mit der Schaltungsanordnung elektrisch koppeln, und ein Piezovergussmaterial, um die Leitungen oder die Bewegung des planaren piezoelektrischen Elements in dem Sensorteilanordnungsgehäuse zu stützen, enthalten. Um die Schaltungsanordnung und das planare piezoelektrische Element der Ultraschallsensor-Teilanordnung vor externen Umgebungsbedingungen zu schützen, kann eine Abdeckung verwendet sein, und um die Schaltungsanordnung und andere Komponenten in der Ultraschallsensor-Teilanordnung zu stützen oder zu schützen, kann ein Leiterplattenvergussmaterial (PCB-Vergussmaterial) verwendet sein.
In einer anderen Ausführungsform schafft die Erfindung einen Behälter, der mit einer Ultraschallsensor-Teilanordnung gekoppelt ist. Der Behälter weist eine Behälterwand auf, die dafür konfiguriert ist, mit der Ultraschallsensor-Teilanordnung gekoppelt zu werden. Ein Ultraschallsensor ist durch die Kopplung der Ultraschallsensor-Teilanordnung mit der Behälterwand des Behälters gebildet. Die Ultraschallsensor-Teilanordnung enthält ein Sensorteilanordnungsgehäuse, ein planares piezoelektrisches Element, das sich innerhalb des Sensorteilanordnungsgehäuses befindet, und eine Schaltungsanordnung, die mit dem planaren piezoelektrischen Element elektrisch verbunden ist. Das planare piezoelektrische Element enthält eine Oberfläche, die in der Weise mit einer Behälterwand gekoppelt ist, dass die Behälterwand eine Anpassungsschicht des Ultraschallsensors bildet. Die Schaltungsanordnung ist dafür konfiguriert, ein Signal zum Ansteuern des planaren piezoelektrischen Element zum Erzeugen einer Schallwelle zu erzeugen und eine Angabe eines detektierten Echos von dem planaren piezoelektrischen Element zu empfangen. Das detektierte Echo ist die Schallwelle, die an der Oberfläche des Fluids innerhalb des Behälters reflektiert wird.
Die Behälterwand bildet eine Sensorteilanordnungsaufnahme, um sie mit dem Sensorteilanordnungsgehäuse zusammenzufügen, und richtet die Behälterwand auf die Oberfläche des planaren piezoelektrischen Elements aus. Die Sensorteilanordnungsaufnahme kann einen Mechanismus zum Befestigen des Sensorteilanordnungsgehäuses an dem Behälter enthalten. Das Befestigungselement kann z. B. einen Schnappmechanismus, eine Verbindungsklammer, eine Verriegelung oder einen anderen Befestigungsmechanismus enthalten, wobei die Sensorteilanordnungsaufnahme und das Sensorteilanordnungsgehäuse entsprechende Zusammenfügemerkmale aufweisen. Das Befestigungselement kann verwendet werden, um das Sensorteilanordnungsgehäuse während des Klebens oder Aushärtens des Klebstoffs gegen die Behälterwand in der richtigen Position zu halten. Der Behälter kann Versteifungen (z. B. Versteifungsrippen an einem Umfang der Sensorteilanordnungsaufnahme) enthalten, um eine starre Struktur für die Sensorteilanordnungsaufnahme bereitzustellen.
Außerdem kann die Behälterwand Merkmale zum Verbessern der Kopplung, der Klebeverbindung oder der Klebefuge zwischen der Behälterwand und dem planaren piezoelektrischen Element der Ultraschallsensor-Teilanordnung enthalten. Zum Beispiel kann die Behälterwand dafür konfiguriert sein, Ultraschallenergie durchzulassen, und wenigstens drei Abstandshalter enthalten, die eine gleichförmige planare Oberfläche der Anpassungsschicht definieren. Die Abstandshalter können dafür konfiguriert sein, zwischen dem planaren piezoelektrischen Element und der Behälterwand eine im Wesentlichen gleichförmige Klebefuge aufrechtzuerhalten. Zum Beispiel kann jeder Abstandshalter eine säulenförmige, pyramidenförmige oder kuppelartige Form aufweisen. Die im Wesentlichen gleichförmige Klebefuge kann eine im Wesentlichen konstante Dicke aufweisen, die durch eine Höhe der Abstandshalter gesteuert wird. In einem Beispiel können die Abstandshalter ein Gitter bilden und Gitteröffnungen zur Aufnahme eines Klebstoffs für die im Wesentlichen gleichförmige Klebefuge definieren.
Eine Fokusröhre kann durch den Behälter einteilig gebildet sein oder innerhalb des Behälters enthalten sein. Eine Fokusröhre oder Messröhre kann von einem unteren Wandabschnitt des Behälters in Richtung eines oberen Wandabschnitts des Behälters nach oben verlaufen, um die Detektion eines richtigen Fluidfüllstands durch den Ultraschallwandler zu verbessern. Die Höhe der Fokusröhre kann durch die Winkelleistungsanforderungen der spezifischen Anwendung vorgeschrieben sein. Zum Beispiel kann die Höhe der Fokusröhre nicht über die ganze Strecke bis zu der oberen Wand verlaufen und innerhalb des Behälters ein Strukturelement bilden, das wesentlich kürzer als die Strecke von dem unteren Wandabschnitt des Behälters zu dem oberen Wandabschnitt des Behälters ist. Das planare piezoelektrische Element kann mit einer Oberfläche der Behälterwand gekoppelt sein, die sich auf einer zu einer Fläche innerhalb der Fokusröhre gegenüberliegenden Seite der Behälterwand befindet. Um eine Störung von Signalen zu verringern, die an der Ebene oder an der Oberfläche, die durch ein oberes Ende der Fokusröhre gebildet ist, abprallen, ist eine Ebene oder eine Oberfläche, die durch ein oberes Ende der Fokusröhre gebildet ist, in Bezug auf die Fluidebene nicht parallel (z. B. angewinkelt). Die durch ein oberes Ende der Fokusröhre gebildete Ebene kann offen oder geschlossen sein. Um die Reflexion einer durch den Ultraschallsensor erzeugten Schallwelle zu verbessern, kann durch die Fokusröhre ein Fokusröhrenschwimmer begrenzt sein.
In einer anderen Ausführungsform schafft die Erfindung ein Verfahren zum Verkleben einer Ultraschallsensor-Teilanordnung mit einer Behälterwand eines Behälters zum Bilden eines Ultraschallsensors. Das Verfahren kann das Bereitstellen des Behälters enthalten, der unter Verwendung einer Vielzahl von Prozessen wie etwa Blasformen, Rotationsschmelzen, Drehtischformen oder Rotationsguss oder Spritzguss gebildet werden kann. Ferner kann das Verfahren das Reinigen (z. B. Plasmareinigen) einer Klebefugenoberfläche der Behälterwand oder das Reinigen (z. B. Plasmareinigen) der Oberfläche des planaren piezoelektrischen Elements enthalten, wobei die Klebefuge die Grenzfläche zwischen der Behälterwand und dem planaren piezoelektrischen Element ist. Die Klebefugenoberfläche der Behälterwand kann Abstandshalter enthalten, um eine im Wesentlichen konstante Dicke der Klebefuge bereitzustellen. Diese können während der Herstellung des Behälters gebildet werden.
Ferner kann das Verfahren das Auftragen eines Klebstoffs auf die Behälterwand oder auf eine Oberfläche eines planaren piezoelektrischen Elements, das sich innerhalb der Sensorteilanordnung befindet, und daraufhin das Koppeln der Oberfläche des planaren piezoelektrischen Elements der Ultraschallsensor-Teilanordnung mit der Behälterwand in einer Fläche mit dem Klebstoff (d. h. mit der Klebefuge) zum Bilden eines Ultraschallsensors in der Weise, dass die Behälterwand eine Anpassungsschicht des Ultraschallsensors bildet, enthalten. Ferner kann das Verfahren das Aushärten des Klebstoffs (z. B. eines Polymers) zum Zähwerden oder Härten des Klebstoffs enthalten.
Das Verfahren kann das Prüfen des Ultraschallsensors schaffen, um eine Klebeverbindung zwischen der Behälterwand und der Oberfläche des planaren piezoelektrischen Elements zu überprüfen. Das Prüfen kann z. B. das Koppeln der Ultraschallsensor-Teilanordnung mit einer Prüfvorrichtung über einen integrierten Verbinder enthalten. Die Prüfvorrichtung kann den Ultraschallsensor zum Messen der Nachschwingzeit bei mehreren Leistungspegeln durch Senden einer Nachricht an den Ultraschallsensor, damit der Ultraschallsensor in eine Selbstprüfungsbetriebsart eintritt, stimulieren. Wenn er in der Selbstprüfungsbetriebsart ist, misst der Ultraschallsensor die Nachschwingzeit bei verschiedenen Leistungspegeln und übermittelt die resultierenden Informationen an die Prüfvorrichtung. Die gemessenen Nachschwingzeitantworten können mit spezifizierten Schwellenwerten in einer Akzeptanztabelle für einen spezifizierten Behälterentwurf verglichen werden, um zu überprüfen, dass die Nachschwingzeitantworten des Ultraschallsensors innerhalb der spezifizierten Schwellenwerte liegen, die ein Funktionieren des Ultraschallsensors für den spezifizierten Behälterentwurf angeben. Unterdämpfte Nachschwingzeiten (d. h. Nachschwingzeiten, die zu lang sind) oder überdämpfte Nachschwingzeiten (d. h. Nachschwingzeiten, die zu kurz sind), können veranlassen, dass ein Ultraschallsensor eine Selbstprüfung nicht besteht. Die Prüfung des Ultraschallsensors kann z. B. ohne irgendein Fluid innerhalb des Behälters ausgeführt werden. Fluid in dem Behälter kann die zum Prüfen verwendeten Signale dämpfen und die erwarteten Nachschwingzeitwerte verkürzen, was die Auflösung der gemessenen Signale und die Fähigkeit der Prüfvorrichtung, gute Ultraschallsensoren von schlechten Ultraschallsensoren zu unterscheiden, verringern kann.
Das Verfahren kann das Programmieren der Schaltungsanordnung der Ultraschallsensor-Teilanordnung mit einer Eichtabelle, die eine Ausgabe von dem Ultraschallsensor gegenüber einer vordefinierten Tabelle von Werten abbildet, schaffen. Die Eichtabelle kann zusammen mit der Ausgabe von dem Ultraschallsensor verwendet werden, um einen Fluidfüllstand für einen spezifizierten Behälterentwurf und für einen Typ des Fluids, das gemessen wird, zu extrapolieren oder um eine Fluidkonzentration zu extrapolieren. Die Eichtabelle kann z. B. einen Typ des Fluids, eine Laufzeit, wie sie von einem detektierten Echorücksignal gemessen wird, und eine Temperatur des Fluids abbilden, um einen Ausgangswert zu erzeugen, der ein Volumen des Fluids oder eine Tiefe des innerhalb des Behälters verbleibenden Fluids repräsentiert. Das planare piezoelektrische Element, die Anpassungsschichten, ein Piezovergussmaterial, ein Behältermaterial, eine Behälterwanddicke, ein Klebefugenmaterial, Klebefugendimensionen können Faktoren bei der Entwicklung eines Ultraschallwandlers sein, der die Energie effizient in das Fluid übertragen kann.
Weitere Aspekte der Erfindung gehen bei Betrachtung der ausführlichen Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen hervor.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 stellt eine Querschnittsansicht eines Wanddurchgangs-Ultraschallbehälter-Füllstandsmesssystems dar, das eine Ultraschallsensor-Teilanordnung, die mit einem Fahrzeugbehälter verklebt ist, enthält.
2A stellt eine Querschnittsansicht einer Ultraschallsensor-Teilanordnung dar, die ein planares piezoelektrisches Element mit einer horizontalen Orientierung in Bezug auf die Ultraschallsensoranordnung, die zum Verkleben mit einem Fahrzeugbehälter konfiguriert ist, enthält.
2B stellt eine Querschnittsansicht einer Ultraschallsensor-Teilanordnung dar, die ein planares piezoelektrisches Element mit einer vertikalen Orientierung in Bezug auf die Ultraschallsensor-Teilanordnung, die zum Verkleben mit einem Fahrzeugbehälter konfiguriert ist, enthält.
3A stellt eine Querschnittsansicht einer Ultraschallsensor-Teilanordnung dar, die ein horizontal orientiertes planares piezoelektrisches Element, das mit einem Behälter mit einem spezifizierten Entwurf verklebt ist, enthält.
3B stellt eine Querschnittsansicht einer Ultraschallsensor-Teilanordnung dar, die ein horizontal orientiertes planares piezoelektrisches Element, das mit einem Behälter mit einem anderen spezifizierten Entwurf verklebt ist, enthält.
3C stellt eine Querschnittsansicht einer Ultraschallsensor-Teilanordnung dar, die ein horizontal orientiertes planares piezoelektrisches Element in Bezug auf die Ultraschallsensor-Teilanordnung enthält, wobei die Ultraschallsensor-Teilanordnung mit einem Behälter mit einem anderen spezifizierten Entwurf in einer vertikalen Orientierung verklebt ist.
3D stellt eine Querschnittsansicht einer Ultraschallsensor-Teilanordnung für die Füllstandserfassung dar, die ein vertikal orientiertes planares piezoelektrisches Element in Bezug auf die Ultraschallsensor-Teilanordnung enthält, wobei die Ultraschallsensor-Teilanordnung mit einem Behälter mit einem in einem Boden des Behälters gebildeten Einsteckschlitz verklebt ist.
3E stellt eine Querschnittsansicht einer Ultraschallsensor-Teilanordnung für die Konzentrationserfassung dar, die ein vertikal orientiertes planares piezoelektrisches Element in Bezug auf die Ultraschallsensor-Teilanordnung enthält, wobei die Ultraschallsensor-Teilanordnung mit einem Behälter mit einem in einem Boden des Behälters gebildeten Einsteckschlitz verklebt ist.
4A stellt eine Teilquerschnittsansicht der Klebefugenoberfläche an einer Behälterwand eines Behälters dar.
4B stellt eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht einer Klebefugenoberfläche in einer Behälterwand dar.
5A stellt eine Querschnittsansicht einer Klebefugenoberfläche in einer Behälterwand mit pyramidenförmigen Abstandshaltern, die mit einem planaren piezoelektrischen Element gekoppelt sind, dar.
5B stellt eine Querschnittsansicht einer Klebefugenoberfläche in einer Behälterwand mit säulenförmigen Abstandshaltern, die mit einem planaren piezoelektrischen Element gekoppelt sind, dar.
5C stellt eine Querschnittsansicht einer Klebefugenoberfläche in einer Behälterwand mit pyramidenförmigen Abstandshaltern, die mit einem planaren piezoelektrischen Element gekoppelt sind, dar.
5D stellt eine Querschnittsansicht einer Klebefugenoberfläche in einer Behälterwand mit säulenförmigen Abstandshaltern, die mit einem planaren piezoelektrischen Element gekoppelt sind, dar.
5E stellt eine Querschnittsansicht einer Klebefugenoberfläche in einer Behälterwand mit kreisförmigen Abstandshaltern, die mit einem planaren piezoelektrischen Element gekoppelt sind, dar.
6 ist ein Ablaufplan, der einen Prozess zum Verkleben einer Ultraschallsensor-Teilanordnung mit einer Behälterwand eines Behälters zum Bilden eines Ultraschallsensors und zum Prüfen und Programmieren des Ultraschallsensors darstellt.
7 ist ein Ablaufplan, der ein Beispiel eines Verfahrens zum Verkleben einer Ultraschallsensor-Teilanordnung mit einer Behälterwand eines Behälters zum Bilden eines Ultraschallsensors darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Bevor irgendwelche Ausführungsformen der Erfindung ausführlich erläutert werden, ist zu verstehen, dass die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die Einzelheiten der Konstruktion und der Anordnung von Komponenten, die in der folgenden Beschreibung dargelegt sind oder die in den folgenden Zeichnungen dargestellt sind, beschränkt ist. Die Erfindung lässt andere Ausführungsformen zu und kann auf verschiedene Arten verwirklicht oder ausgeführt werden. Dieselben Bezugszeichen in verschiedenen Zeichnungen repräsentieren dasselbe Element. Nummern, die in Ablaufplänen und Prozessen vorgesehen sind, sind zur Klarheit bei der Veranschaulichung von Schritten und Operationen gegeben und geben nicht notwendig eine bestimmte Ordnung oder Reihenfolge an. Wie der Begriff "oder" hier verwendet ist, kann er sich auf eine Auswahl von Alternativen (z. B. ein Exklusiv-Oder) oder auf eine Kombination der Alternativen (z. B. und/oder) beziehen.
Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich auf einen Ultraschallsensor, der durch einen Behälter gebildet ist, der mit einer Ultraschallsensor-Teilanordnung gekoppelt ist. Wie z. B. in 1 und 2 dargestellt ist, kann eine Ultraschallsensor-Teilanordnung (S/A) 120 wie etwa eine Ultraschallfüllstandssensor-Teilanordnung an den Boden eines Behälters 100 (z. B. eines Kraftfahrzeug-Kraftstoffbehälters) geklebt sein, ohne die Wand 102 des Behälters zu durchdringen. Der Ultraschallsensor 116, der sowohl die Ultraschallsensor-Teilanordnung 120 als auch die Behälterwand 102, die als eine Anpassungsschicht für ein planares piezoelektrisches Element 130 innerhalb der Ultraschallsensor-Teilanordnung 120 wirkt, enthält, kann zum Messen des Fluidfüllstands (z. B. des Kraftstofffüllstands) oder der Fluidkonzentration verwendet werden. Der Ultraschallsensor 116 misst den Füllstand dadurch, dass er über ein planares piezoelektrisches Element 130 ein Ultraschallsignal durch das Fluid nach oben sendet und daraufhin die Zeit misst, bis das Signal zurückkehrt, nachdem das Ultraschallsignal an der Oberfläche des Fluids reflektiert worden ist. Wie in dem US-Patent Nr. 8.733.153 an Reimer mit dem Titel "Systems and Methods of Determining a Quality and/or Depth of Diesel Exhaust Fluid" mit einem Patentdatum vom 27. Mai 2014, das hier in seiner Gesamtheit durch Literaturhinweis eingefügt ist, gezeigt und beschrieben ist, kann ein Ultraschallsignal bei der Konzentrationserfassung auf einem horizontalen Weg gesendet werden. Merkmale, die zur Herleitung der Fluidkonzentration in der Konzentrationserfassung verwendet werden, sind im US-Patent Nr. 7.542.870 an Reimer mit dem Titel "Immersed Fuel Level Sensor" mit einem Patentdatum vom 2. Juni 2009, das hier in seiner Gesamtheit durch Literaturhinweis eingefügt ist, gezeigt und beschrieben.
Sofern nicht etwas anderes angegeben ist, können die Ausdrücke "Ultraschallsensor", "Ultraschallwandler", "piezoelektrischer Sensor", "piezoelektrischer Wandler", "Sensor" und "Wandler" austauschbar zur Bezugnahme auf einen Ultraschallsensor 116 verwendet sein. Sofern nicht etwas anderes angegeben ist, können die Ausdrücke "Ultraschallsensor-Teilanordnung", "Sensorteilanordnung" und "Teilanordnung" austauschbar zur Bezugnahme auf eine Ultraschallsensor-Teilanordnung 120 verwendet sein. Sofern nicht etwas anderes angegeben ist, können die Ausdrücke "Ultraschallerfassungssystem" und "Erfassungssystem" austauschbar zur Bezugnahme auf ein Ultraschallerfassungssystem, das den Behälter, die Ultraschallsensor-Teilanordnung und den Ultraschallsensor, der durch den Behälter und die Ultraschallsensor-Teilanordnung gebildet ist, enthält, verwendet sein. Sofern nicht etwas anderes angegeben ist, können die Ausdrücke "piezoelektrisches Element", "planares piezoelektrisches Element" oder "Piezoschicht" austauschbar zur Bezugnahme auf ein piezoelektrisches Element 130 verwendet sein. Planares piezoelektrisches Element 130 bezieht sich auf eine Konfiguration des piezoelektrischen Elements, die ermöglicht, dass eine Oberfläche mit einem Behälter 100 gekoppelt ist, und nicht auf die Orientierung des piezoelektrischen Elements in Bezug auf den Behälter. Das planare piezoelektrische Element 130 kann in einer horizontalen Orientierung, in einer vertikalen Orientierung oder in einer anderen Orientierung zu dem Behälter 100 konfiguriert sein.
Anders als typische Ultraschallsensoren stützt sich das hier beschriebene Ultraschallerfassungssystem darauf, dass der Behälter 100 mit Merkmalen konstruiert worden ist, die die Befestigung der Sensorteilanordnung 120 und das Steuern der Piezoklebefuge 118 ermöglichen, um sicherzustellen, dass die Kombination des Klebefugenklebstoffs, des Behältermaterials und der Dimensionen der Anordnung einen Ultraschallwandler 116 erzeugen, der sowohl effizient ist als auch bei der Eigenfrequenz des ausgewählten piezoelektrischen Materials und der Konfiguration in Resonanz ist. Die Sensorteilanordnung 120 kann eine Schaltungsanordnung enthalten, die die Anpassung des Erfassungssystems hinter der Montage (d. h. nach der Montage) ermöglicht, um verschiedene Behältergrößen, Formen und Anwendungsfluide zu ermöglichen. Die Schaltungsanordnung kann Hardware, Firmware, Programmcode, ausführbaren Code, Computeranweisungen und/oder Software enthalten. Außerdem kann die Sensorteilanordnung eine Selbstprüfungsschaltungsanordnung enthalten, um anwendungsspezifische Messdaten zu messen und zu senden, was ermöglicht, dass eine externe Prüfmaschine oder Prüfvorrichtung nach der Montage in dem Behälter bewertet, ob die Erfassungssysteme wie beabsichtigt arbeiten.
Das hier beschriebene Ultraschallerfassungssystem bietet gegenüber typischen Ultraschallsensoren verschiedene Vorteile. Zum Beispiel sind typische Ultraschallsensoren als selbstständige Einheit für einen spezifischen Behälterentwurf entworfen und aufgebaut und werden durch eine Öffnung in der Wand eines Behälters oder kombiniert mit einer anderen Komponente wie etwa einem Kraftstoffmodul, das seinerseits durch eine Öffnung in der Wand des Behälters montiert wird, montiert. In Abhängigkeit von der ausgewählten Technologie ist der Füllstandssensor entweder in das Fluid getaucht, befindet er sich in dem Luftraum, der sich direkt über dem Fluid befindet, oder beides. Dem typischen Ultraschallsensor innerhalb des Behälters sind mehrere Nachteile zugeordnet. Zum Beispiel muss der typische Ultraschallsensor für jeden anderen Behälterentwurf, in dem der Sensor montiert wird, einzigartig entworfen und kalibriert werden, was eine Zunahme verschiedener Teile, verschiedener Teilenummern, Montageprozesse erzeugen kann, was die Kosten erhöhen kann. Der typische Ultraschallsensor innerhalb eines Behälters ist entweder dem Fluid oder Fluiddämpfen ausgesetzt, was für den Sensor korrosiv sein kann, was in Abhängigkeit von dem Fluid, das gemessen wird, Herausforderungen mit der Zuverlässigkeit und erhöhte Kosten erzeugen kann. Außerdem muss der Behälter für einen typischen Ultraschallsensor eine Öffnung in einer der Behälterwände aufweisen, von der der Sensor oder ein größeres Modul, das den Sensor enthält, montiert werden kann. Die Öffnung kann einen potentiellen Leckweg für das Fluid oder für Dampfemissionen erzeugen. Im Fall eines Kraftfahrzeugbenzinbehälters in den Vereinigten Staaten (USA) werden Verdampfungsemissionen durch die Umweltschutzbehörde (EPA) reguliert, was zu erhöhten staatlichen Normen und Regulierungen führt, um sicherzustellen, dass die resultierenden Behälterentwürfe leckdicht sind. Andere Länder können ähnliche staatliche oder Verwaltungsbehörden (ähnlich der EPA in den USA) besitzen, um Fluid- oder Dampfemissionen zu regulieren und die Umwelt zu schützen.
Alternativ kann ein selbstständiger Ultraschallsensor unter Verwendung eines halbfesten Kontaktmaterials (z. B. eines Fetts oder Ultraschallgels), eines Elastomers oder eines Klebstoffs an der Außenseite des Behälters angeordnet sein. Diese Wanddurchgangs-Ultraschallsensoren können Grenzstandsvorrichtungen verwenden, die über das Kontaktmaterial, das Elastomer oder den Klebstoff an der Seite des Behälters befestigt sind. In diesen Wanddurchgangs-Sensoranordnungen werden die selbstständigen Sensoren kalibriert, nachdem sie an dem Behälter montiert worden sind, um die Ultraschallsignaturdifferenz zu identifizieren, wenn in dem Behälter auf der gegenüberliegenden Seite der Behälterwand, die dem Grenzstandssensor gegenüberliegt, Fluid vorhanden ist oder nicht. Die Kalibrierung dieser selbstständigen Sensoren an der Behälterwand erfordert, dass der Behälter mit Fluid gefüllt wird. Diese Grenzstandsvorrichtungen können einen diskreten Zustand des Fluids wie etwa leer oder möglicherweise voll detektieren, leider weisen diese Grenzstandsvorrichtungen aber nicht die Empfindlichkeit oder Granularität auf, um von einem vollen Behälterzustand bis zu einem leeren Behälterzustand eine kontinuierliche Füllstandsablesung zu detektieren.
Zum Beispiel ist ein selbstständiger Ultraschallsensor mit Kontaktmaterial (z. B. Ultraschallgel) zwischen dem selbstständigen Ultraschallsensor und der Behälterwand außerhalb des Behälters (z. B. an dem Boden eines Behälters) befestigt. Das Gel ermöglicht, dass wenigstens ein Teil der Schallenergie durch die Behälterwand geht, wobei die Behälterwand aber nicht Teil des Resonanzsystems ist. Ultraschallgele sind zum Vornehmen von Ultraschalluntersuchungen weithin verfügbar.
In einer anderen Ultraschallsensorkonfiguration können die Gehäusemerkmale eines Ultraschallsensors 116 (z. B. eines Füllstandssensors) in der Wand 102 eines Behälters 110 dupliziert sein. Daraufhin können die Komponenten des Ultraschallsensors 116 wie die PCB 140, das piezoelektrische Material oder die piezoelektrische Platte 130, der Piezoverguss 138, der PCB-Verguss 144, der Verbinder 124, 126, 128, Anschlüsse und dergleichen in der Wand 102 des Behälters 100 montiert werden, wobei der Behälter 100 als das Hauptsubstrat oder Hauptgehäuse für den Ultraschallsensor 116 verwendet wird. Leider unterscheiden sich die Prozesse und die Ausrüstung zur Herstellung und Montage des Ultraschallsensors 116 von den Prozessen und von der Ausrüstung zum Formen und Montieren des Behälters 100. Die Montage der Einzelkomponenten des Ultraschallsensors in der Wand eines Behälters kann eine Ausrüstung und technische Erfahrung erfordern, die von Behälterherstellern üblicherweise nicht verwendet werden. Die Montage der Einzelkomponenten des Ultraschallsensors 116 in der Wand 102 eines Behälters 100 kann in einer Einzel- oder Kleinserienproduktionsumgebung verwendet werden, kann aber für große Volumina wie etwa Szenarien, bei denen an verschiedenen Orten in der Welt vom Fachmann beim Formen und Montieren von Behältern verschiedene Behälterentwürfe hergestellt werden und an einem anderen Ort der Welt vom Fachmann beim Montieren von Ultraschallsensoren Ultraschallsensoren hergestellt werden, nicht wirtschaftlich oder logistisch machbar sein. Umgekehrt kann das Erzeugen eines Sensorherstellungsprozesses, der eindeutig für jeden Behälterformstandort zugeschnitten ist, wegen der Verschiedenartigkeit der Behälterentwürfe und verhältnismäßig kleiner für jeden Behälterentwurf hergestellter Volumina zu viele Investitionen pro Fertigungseinheit erfordern.
Eine weitere Herausforderung bei dieser Vorgehensweise des Montierens der Einzelkomponenten des Ultraschallsensors 116 in der Wand 102 eines Behälters 100 ist, dass die Behälterwanddicke, die von dem genutzten Prozess abhängt, nicht besonders gut gesteuert werden kann (z. B. große Toleranzen hat). Die Behälterwanddicke kann variieren, was Änderungen der Funktionalität des Sensors 116 erzeugt, die fehlerhafte Ablesungen der Fluidfüllstände (oder Fluidkonzentrationen) erzeugen können.
Das hier beschriebene Ultraschallerfassungssystem überwindet viele dieser Herausforderungen, die Ultraschallsensoren im Behälter, selbstständigen Ultraschallsensoren, die außerhalb der Wand des Behälters angeordnet sind, und der Montage der Einzelkomponenten des Ultraschallsensors in der Wand eines Behälters zugeordnet sind. In einer Ausführungsform wendet das beschriebene Ultraschallerfassungssystem einen gemeinsamen Ultraschallsensorentwurf an, der über mehrere Behälterentwürfe 100A (3A), 100B (3B), 100C (3C), 100D (3D) und 100E (3E) eingesetzt werden kann, indem der Montageprozess der Ultraschallsensorkomponenten an dem Behälter vereinfacht wird.
Das hier beschriebene Ultraschallerfassungssystem kann verschiedene Merkmale aufweisen. Zum Beispiel erzeugt das Ultraschallerfassungssystem einen Resonanzultraschallwandler, bei dem die Behälterwand 120 einen integrierten Bestandteil des Wandlers 116 bildet, wenn die Sensorteilanordnung 120 an dem Behälter 100 befestigt ist. Die Sensorteilanordnung 120 kann in der Weise an dem Behälter 100 befestigt werden, dass das vollständige Ultraschallerfassungssystem mit einem Minimum an Ausrüstung, Werkzeugen und technischen Kenntnissen am Standort bei der Fertigungseinrichtung eines Behälterformers montiert werden kann. Der Ultraschallsensorentwurf kann unabhängig von der Form eines Behälters oder von dem für den Behälter 100 ausgewählten Fluid entworfen werden. Nach der Montage des Ultraschallsensors 116 kann der Ultraschallsensor für eine bestimmte Behälterform und für ein bestimmtes Fluid, das der Behälter 100 enthält, angepasst oder programmiert werden. Da der Ultraschallsensor 116 in einer anderen Einrichtung als dem Standort, der zur Herstellung der Ultraschallsensor-Teilanordnung 120 verwendet wird, montiert werden kann, kann der Ultraschallsensor 116 eine Selbstprüfungsfunktion ausführen, um zu bestimmen, ob der Ultraschallsensor 116 richtig funktioniert, was angibt, dass das Erfassungssystem richtig montiert und ausgehärtet wurde.
Wie in 2A–2B dargestellt ist, enthält die Sensorteilanordnung 120 die Hälfte des Resonanzkreises (d. h. eine Piezoschicht 130 und eine Anpassungsschicht 136), der zum Erzeugen eines Ultraschallwandlers verwendet wird, zusammen mit anderer Elektronik, einen Temperatursensor 142 und andere Komponenten zum Konstruieren eines funktionierenden Ultraschallerfassungssystems. Eine Piezoteilanordnung 150, die eine Hälfte des Resonanzkreises bildet, enthält die Piezoschicht 130, den Piezoverguss 138, eine Teilanordnungs-Anpassungsschicht 136 und Piezoleitungen 132 und 134, die die Oberflächen der Piezoschicht 130 mit der Schaltungsanordnung koppeln. Die andere Elektronik kann eine Schaltungsanordnung wie etwa eine PCB 140 und zugeordnete Komponenten oder ein Einchipsystem (SoC) enthalten. Die PCB 140 stützt Komponenten unter Verwendung von Leiterbahnen, Anschlussflächen und anderen Merkmalen, die aus Leitungsbögen (z. B. Kupferbögen oder anderen Metallbögen), die auf ein nicht leitfähiges Substrat kaschiert sind, geätzt sind, mechanisch und verbindet sie elektronisch. Das SoC ist eine integrierte Schaltung (IC), die Komponenten eines Computers, einer Vorrichtung, eines Sensors oder eines anderen elektronischen Systems in einem einzelnen Chip integriert. Die Schaltungsanordnung oder die Komponenten können Hardware, Firmware, Programmcode, ausführbaren Code, Computeranweisungen und/oder Software enthalten. Im Fall der Programmcodeausführung in programmierbaren Computern kann die Schaltungsanordnung eine Computervorrichtung, einen Mikrocontroller, einen Prozessor, ein Speichermedium, das durch den Prozessor gelesen werden kann (einschließlich flüchtiger und nichtflüchtiger Datenspeicher- und/oder Speicherelemente), wenigstens eine Eingabevorrichtung und wenigstens eine Ausgabevorrichtung enthalten. Die flüchtigen und nichtflüchtigen Datenspeicher- und/oder Speicherelemente können Schreib-Lese-Speicher (RAM), löschbarer programmierbarer Nur-Lese-Speicher (EPROM), ein Flash-Laufwerk, ein optisches Laufwerk, ein magnetisches Festplattenlaufwerk, ein Festkörperlaufwerk oder ein anderes Medium zum Speichern elektronischer Daten sein. Die Schaltungsanordnung kann als eine Hardwareschaltung implementiert sein, die angepasste Höchstintegrationsschaltungen (VLSI-Schaltungen) oder Gate Arrays, serienmäßige Halbleiter wie etwa Logikchips, Transistoren oder andere diskrete Komponenten umfasst. Außerdem kann die Schaltungsanordnung in programmierbaren Hardwarevorrichtungen wie etwa frei programmierbaren logischen Anordnungen, einer Programmfeldlogik, programmierbaren logischen Vorrichtungen oder dergleichen implementiert sein.
Die Piezoschicht 130 kann in Bezug auf die Schaltungsanordnung (z. B. die PCB 140) oder auf die Ultraschallsensor-Teilanordnung verschiedene Orientierungen aufweisen. Zum Beispiel kann die Oberfläche der Piezoschicht 130, wie in 2A dargestellt ist, die dafür konfiguriert ist, mit der Behälterwand 102 zu koppeln, parallel zu einer Ebene der Schaltungsanordnung (z. B. der PCB 140) der Ultraschallsensor-Teilanordnung 120 orientiert sein. Zum Beispiel können die Oberfläche der Piezoschicht 130, die dafür konfiguriert ist, mit der Behälterwand 102 zu koppeln, und die Ebene der Schaltungsanordnung der Ultraschallsensor-Teilanordnung 120 in Bezug auf die Fluidoberfläche oder den Behälter 100A–C beide eine horizontale (3A–3B) oder vertikale (3C) Orientierung aufweisen. In einem anderen Beispiel kann die Oberfläche der Piezoschicht 130, die dafür konfiguriert ist, mit der Behälterwand 102 zu koppeln, wie in 2B dargestellt ist, senkrecht zu einer Ebene der Schaltungsanordnung (z. B. der PCB 140) der Ultraschallsensor-Teilanordnung 180 orientiert sein. Zum Beispiel kann die Oberfläche der Piezoschicht 130, die dafür konfiguriert ist, mit der Behälterwand 102 zu koppeln, in Bezug auf die Ebene der Schaltungsanordnung der Ultraschallsensor-Teilanordnung 180, die in Bezug auf die Fluidoberfläche oder den Behälter 100D–E eine horizontale Orientierung aufweisen kann, eine vertikale Orientierung aufweisen (3D–3E), oder kann die Oberfläche der Piezoschicht 130, die dafür konfiguriert ist, mit der Behälterwand 102 zu koppeln, in Bezug auf die Ebene der Schaltungsanordnung der Ultraschallsensor-Teilanordnung 180, die in Bezug auf die Fluidoberfläche oder den Behälter eine vertikale Orientierung aufweisen kann, eine horizontale Orientierung aufweisen (nicht gezeigt).
Wieder anhand der Komponenten der Ultraschallsensor-Teilanordnung 120 bestimmt der Temperatursensor 142 (z. B. ein Thermistor oder ein Thermometer) eine Temperatur oder einen Temperaturgradienten der Teilanordnung unter Verwendung im Gebiet bekannter Technologien. Der Temperatursensor 142 kann verwendet werden, um die Temperatur des Fluids zu bestimmen, die zum Justieren der durch den Sensor 116 erzeugten Daten verwendet werden kann.
Zum Beispiel kann die Temperatur des Fluids verwendet werden, um eine Änderung der Schallgeschwindigkeit zu korrigieren, die mit sich ändernden Temperaturen auftritt. Die Temperatur wird dann zusammen mit einer Laufzeit (TOF) eines detektierten Echorücksignals zu einer Eingabe in eine Eichtabelle. Die Werte innerhalb der Eichtabelle können während der Kalibrierung aufgestellt werden, um für eine Behältergrößenform und für ein Fluid, das gemessen wird, für jede spezifische Temperatur- und Flugzeitkombination eine gewünschte Ausgabe zu repräsentieren. Um eine Größe der Eichtabelle zu verringern, kann die Schaltungsanordnung und/oder die Software eine lineare Interpolation zwischen Eichtabellenwerten (z. B. Temperatur- und TOF-Werten) bereitstellen.
Wie in 1, 2A und 2B gezeigt ist, sind die Piezoanordnung 150, die PCB 140, die die Sensorschaltungsanordnung und den PCB-Verguss 144 enthält, und ein Verbinder 124, 126 und 128 zum Koppeln der Sensorschaltungsanordnung mit externen Vorrichtungen in einem Teilanordnungsgehäuse 122 montiert, um eine Sensorbaugruppe (d. h. eine Ultraschallsensor-Teilanordnung 120) zu bilden, die leicht an den geeigneten Zusammenfügemerkmalen an einem Behälter 100 montiert werden kann. Das Teilanordnungsgehäuse enthält ein Befestigungselement wie etwa einen Schnappmechanismus 148, eine Verbindungsklammer, eine Verriegelung, einen Gewindemechanismus oder einen anderen Befestigungsmechanismus. Die Sensorteilanordnung 120 kann bei einer Sensorfertigungseinrichtung montiert werden, während die Sensorteilanordnung 120 bei einer Behälterformeinrichtung mit dem Behälter 100 gekoppelt werden kann. Der PCB-Verguss 144 wird verwendet, um die PCB 140 vor der Umgebung zu schützen, und zu der Sensorteilanordnung 120 kann eine Schutzabdeckung 146 hinzugefügt sein, um einen weiteren Schutz zu bieten. In einem Beispiel enthält die PCB 140 einen Mikrocontroller und einen Temperatursensor 142, die zum Bestimmen eines Fluidfüllstands oder einer Konzentration des Fluids verwendet werden, wobei der Sensor 116 über den integrierten Verbinder 124, 126 und 128 konfiguriert und geprüft werden kann. Der integrierte Verbinder 124, 126 und 128 enthält ein mechanisches Gehäuse 124, das mit Zusammenfügemerkmalen eines Zusammenfügeverbinders an der externen Vorrichtung oder an dem Kabel (z. B. Koaxialkabel), das den Sensor mit der externen Vorrichtung koppelt, gekoppelt sein kann. Außerdem kann das mechanische Gehäuse 124 eine elektrische Verbindung (z. B. eine Masseverbindung) für die Sensorschaltungsanordnung bereitstellen. Der integrierte Verbinder 124, 126 und 128 enthält elektrische Merkmale 128, um eine elektrische Verbindung oder eine Busverbindung zwischen der externen Vorrichtung und der Sensorschaltungsanordnung bereitzustellen. Der integrierte Verbinder 124, 126 und 128 kann ein Befestigungselement oder Befestigungselementmerkmal 126 enthalten, um den integrierten Verbinder an dem Zusammenfügeverbinder zu befestigen. In einer anderen Schaltungsanordnung kann mit der Schaltungsanordnung anstelle des integrierten Verbinders 124, 126 und 128 ein Kabelbaum gekoppelt sein, um den Sensor 116 zu konfigurieren, zu programmieren oder zu prüfen.
In einer anderen Ausführungsform kann eine drahtlose Komponente oder Vorrichtung, die mit der Schaltungsanordnung gekoppelt ist, verwendet werden, um den Sensor 116 unter Verwendung eines drahtlosen Protokolls zu konfigurieren und zu prüfen. Die drahtlose Komponente oder Vorrichtung kann durch eine Batterie oder durch eine andere Energiespeichervorrichtung, die in der Sensorteilanordnungs-Schaltungsanordnung enthalten ist, mit Leistung versorgt werden oder die drahtlose Komponente oder Vorrichtung kann eine Zweiwegkommunikation zwischen der Schaltungsanordnung und der Prüfvorrichtung oder der Programmiervorrichtung bereitstellen. Das von der drahtlosen Komponente oder Vorrichtung verwendete Drahtlosprotokoll kann irgendein kurzreichweitiges oder langreichweitiges Drahtlosprotokoll wie etwa Long Term Evolution (LTE) des Third Generation Partnership Projects (3GPPP), den Standard 802.16 (z. B. 802.16e, 802.16m) des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), der Industriegruppen üblicherweise als WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) bekannt ist, den Standard IEEE 802.11, der Industriegruppen üblicherweise als WiFi bekannt ist, oder Bluetooth enthalten. Wegen der Funkmerkmale oder der Energiespeichervorrichtung kann die Aufnahme der drahtlosen Komponente oder Vorrichtung in die Sensorteilanordnung 120 zu der Sensorteilanordnung 120 Kosten hinzufügen, in einigen Anwendungen aber verwendet werden.
Ein Aspekt eines Ultraschallmesssystementwurfs, der die Leistungsfähigkeit des Sensors 116 stark beeinflusst, ist die Auswahl der Resonanzfrequenz für den Betrieb des Ultraschallsensors 116. Eine Resonanz ist die Tendenz eines Sensors oder Systems, bei einigen Frequenzen mit höherer Amplitude als bei anderen zu schwingen. Die Materialien, die Dicke und die Form, die für die Piezoschicht 130 und für die Anpassungsschichten 102 und 136 verwendet werden, können die Resonanzeigenschaften des Ultraschallwandlers 116 ändern. Eine erste Anpassungsschicht ist durch die Behälterwand 102 gebildet und eine zweite Anpassungsschicht 136 ist in der Teilanordnung 120 vorhanden. Typische Ultraschallsensorentwürfe beginnen mit einer Piezoschicht mit einer bestimmten Dicke und mit einem bestimmten Durchmesser, was wiederum eine spezifische Betriebsfrequenz vorschreibt, die davon abhängt, in welcher Betriebsart die Piezoschicht schwingt. Die Dickenschwingungsmoden oder radialen Schwingungsmoden sind übliche Typen von Schwingungsmoden für die Piezoschicht. Wenn die Dicke und der Durchmesser einer Piezoschicht in einem typischen Ultraschallsensorentwurf ausgewählt werden, wird die Behälterwanddicke zwischen der Piezoschicht und der Außenwelt zusammen mit einer Klebefuge so gewählt, dass ein System erzeugt wird, das bei der ausgewählten Betriebsfrequenz in Resonanz ist und die Übertragung von Ultraschallenergie durch die Behälterwand in das zu messende Fluid maximiert. Die Klebefuge 118 ist die Grenzfläche, die die Behälterwand 102 mit der Piezoschicht 130 koppelt, und trägt zu der Frequenzcharakteristik des Sensors 116 bei. Üblicherweise enthält die Klebefuge 118 oder 342 (5A–5E) den Klebstoff 350 (5A–5E), der zum Zusammenfügen der Behälterwand 102 mit der Piezoschicht 130 verwendet ist. Die Behälterwand 102, die als die erste Anpassungsschicht für die Piezoschicht 130 arbeitet, kann Teil des Sensorgehäuses sein, wenn die Teilanordnung mit dem Behälter 100 gekoppelt ist. Die Anpassungsschicht 136, die auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Piezoschicht 130 von der Behälterwand 102 gebildet werden kann, wird dann so ausgelegt, dass die Nachschwingzeit minimiert wird und die Wirkung einer akustischen Störung von Wellen, die von der hinteren Oberfläche der Piezoeinrichtung in der entgegengesetzten Richtung weglaufen, verringert wird. Das Nachschwingen ist das Weiterschwingen der Piezoschicht über den elektrischen Erregungsimpuls hinaus.
Der hier beschriebene Ultraschallsensor 116 trennt die Sensorteilanordnungsherstellung von der Sensorwandherstellung, genauer, da sich die Sensorwandherstellung auf die Behälterwand 102 und auf die Behälterformung bezieht. Zum Beispiel hängt die Wanddicke des Behälters 100 von dem Behälterentwurf und von dem zum Konstruieren des Behälters 100 genutzten Prozess (z. B. Spritzguss, Blasformen, Rotationsschmelzen und ähnliche Prozesse) ab. Anstatt die Behälterwanddicke während des Behälterherstellungsprozesses fein zu steuern, werden die Entwürfe der Klebefugendimensionen, der Piezoschichtauswahl und der Anpassungsschicht um eine Nennbehälterwanddicke entwickelt. Ein Vorteil des Entwurfs des Sensors 116 um die Nennbehälterwanddicke ist, dass der Ultraschallsensorentwurf auf das Verfahren zum Herstellen des Behälters 100 eingestellt wird, anstatt das Verfahren zum Herstellen des Behälters 100 zu ändern oder zu erzwingen, dass das Herstellungsverfahren des Behälters ein Ergebnis liefert, das nicht erreichbar sein kann (z. B. Behälterwände mit kleineren oder engeren Toleranzen hergestellt werden). Somit kann eine gemeinsame Sensorteilanordnung 120 mit hohem Volumen effizient hergestellt werden und über mehrere Behälterentwürfe angewendet werden, was die Herstellungskosten erheblich verringert, wenn das Verfahren der Behälterproduktion (z. B. Rotationsschmelzen oder Blasformen) über eine breite Vielfalt von Behältergrößen und Behälterformen, wie sie in 3A–3E dargestellt sind, ähnlich ist.
Obwohl die 3A und 3B eine Ultraschallsensor-Teilanordnung 120 darstellen, bei der die Schaltungsanordnung und die Piezoschicht 130 (2A) horizontal mit dem Behälter 100A–B orientiert sind, kann die Ultraschallsensor-Teilanordnung 120 in Abhängigkeit von dem Behälter- und dem Sensorentwurf irgendeine Orientierung in Bezug auf den Behälter 100 aufweisen. Zum Beispiel kann die Ultraschallsensor-Teilanordnung 120, wie in 3A und 3B dargestellt ist, mit der Schaltungsanordnung und mit der Piezoschicht 130 (2A) eine horizontale Orientierung mit dem Behälter 100A–B aufweisen und mit der Behälterbodenwand gekoppelt sein oder kann die Ultraschallsensor-Teilanordnung 120, wie in 3C dargestellt ist, mit der Schaltungsanordnung und mit der Piezoschicht 130 (2A) eine vertikale Orientierung mit dem Behälter 100C aufweisen und mit einer der vertikalen Behälterwände gekoppelt sein. Zum Beispiel emittiert der Ultraschallsensor 116 (1) in einer vertikalen Konfiguration, der als ein Füllstandssensor konfiguriert ist, eine Schallwelle, die sich anfangs parallel zu der Oberfläche des Fluids 172 ausbreitet und daraufhin durch einen angewinkelten Reflektor 170 (z. B. einen um 45 Grad angewinkelten Reflektor), der sich in einer spezifizierten Entfernung (z. B. 100 Millimeter (mm)) von dem Ultraschallsensor 116 befindet, in der vertikalen Achse reflektiert wird. Der angewinkelte Reflektor 170 kann innerhalb des Behälter geformt und in den Behälter 100C integriert sein oder kann in den Behälter 100C eingeführt werden, nachdem der Behälter 100C geformt worden ist. Der angewinkelte Reflektor 170 kann Materialien enthalten, um die Schallwelle in der vertikalen Achse umzulenken. Die Behälterkonfiguration mit einem vertikal orientierten Ultraschallsensor 116 (1) kann mit Fokusröhre (nicht gezeigt) oder ohne eine Fokusröhre verwendet werden und kann außer der unterschiedlichen Orientierung irgendwelche derselben Merkmale aufweisen, die in Bezug auf einen horizontal orientierten Ultraschallsensor 116 (1) beschrieben worden sind.
Wie in 2B dargestellt ist, kann die Piezoschicht 130 (2B) in einer anderen Konfiguration in Bezug auf den Behälter vertikal orientiert sein, während die Schaltungsanordnung (z. B. die PCB 140) der Ultraschallsensor-Teilanordnung 180 in Bezug auf den Behälter horizontal orientiert sein kann. 3D stellt einen Behälterentwurf dar, der ein Einsteckschlitz-artiges Merkmal 182 enthält, das in dem Behälter 100D geformt ist, um die horizontal orientierte Ultraschallsensor-Teilanordnung 180 mit der vertikal orientierten Piezoschicht 130 aufzunehmen. Die Ultraschallsensor-Teilanordnung 180 kann in den Boden des Behälters 100D eingefügt werden und mit dem Einsteckschlitz-artigen Merkmal 182 zusammengefügt werden. Wie bei den anderen Konfigurationen kann die Piezoklebefuge 118 durch einen Behälterhersteller oder Behälterzulieferer aufgetragen und ausgehärtet werden. Die Dimensionen der Klebefuge 118 und der Piezoschicht können so optimiert werden, dass sie zu der Nennbehälterwanddicke in dem Behälterwandbereich um den Sensor 184 und der den Sensor enthält passen. Wie in den 3C–3D dargestellt ist, emittiert der für die Füllstandserfassung verwendete Ultraschallsensor 116 oder 184 Schallenergie parallel zu dem Boden des Behälters 100C–D, die daraufhin über einen angewinkelten Reflektor 192 vertikal reflektiert werden kann. Der angewinkelte Reflektor 192 kann in der Behälterwand 102 gebildet sein und eine Lufttasche 190 bilden. In dieser Konfiguration stellt der angewinkelte Reflektor (z. B. eine um 45 Grad angewinkelte Wand) wegen des Unterschieds der Schallgeschwindigkeit zwischen dem Fluid in dem Behälter 100D und der Lufttasche 190, die sich direkt unter der Behälterwandoberfläche 192 befindet, einen akustischen Reflektor bereit. Außerdem kann der Behälter 100C–D eine Fokusröhre 112 enthalten, die eine Öffnung 164 enthalten kann, um zu ermöglichen, dass ein Ultraschallsignal ohne Behinderung der Schallwelle in die Fokusröhre 112 eintritt oder aus der Fokusröhre 112 austritt. Außerdem kann die Öffnung 164 als ein Luftloch für die Fokusröhre 112 arbeiten, um Fluid in die und aus der Fokusröhre 112 zu lassen.
3E stellt den Ultraschallsensor 184 dar, der als ein Konzentrationssensor arbeitet, der zum Messen der Schallgeschwindigkeit durch ein Fluid verwendet wird, der zur Bestimmung der Konzentration oder Dichte des Fluids nutzbar sein kann. Konzentrationssensoren können für DEF-Konzentrationsmessungen oder zur Messung der Eigenschaften von Kraftmaschinenölen, Kraftstoffen und Schmiermitteln verwendet werden. Ähnlich 3D stellt 3E einen Behälterentwurf dar, der ein Einsteckschlitz-artiges Merkmal 182 enthält, das in dem Behälter 100E geformt ist, um die horizontal orientierte Ultraschallsensor-Teilanordnung 180 mit der vertikal orientierten Piezoschicht 130 aufzunehmen. In dem Behälter 100E kann ein zweites Einsteckschlitz-artiges Merkmal 194 geformt sein, um einen Reflektor 196 (z. B. einen vertikalen Reflektor) bereitzustellen oder aufzunehmen. Um die Schallwellen zu reflektieren, kann ein Metallreflektor 196 in das zweite Einsteckschlitz-artige Merkmal 194 eingeführt werden, im Boden des Behälters 100E montiert werden oder in das zweite Einsteckschlitz-artige Merkmal 194 integriert werden. Alternativ kann durch ein zweites Einsteckschlitz-artiges Merkmal 194 in der Wand 102 des Behälters 100E eine Lufttasche 196 gebildet sein, die die Schallwellen ebenfalls reflektieren kann. Als zusätzliche Stützung und Starrheit für das zweite Einsteckschlitz-artige Merkmal 194 kann eine Versteifung oder ein Stützmerkmal 198 vorgesehen sein und die Belastung an dem zweiten Einsteckschlitz-artigen Merkmal 194 verringern. Der für die Konzentrationserfassung verwendete Ultraschallsensor 184 emittiert Schallenergie parallel zu dem Boden des Behälters 100E, die daraufhin an dem Reflektor 196, der sich in einer bekannten Entfernung von dem Ultraschallsensor 184 befindet, reflektiert werden kann. Die Zeit, die es dauert, dass die Schallwelle über die Entfernung zwischen dem Ultraschallsensor 184 und dem Reflektor 196 läuft, repräsentiert die Schallgeschwindigkeit durch das Fluid, die, wie ausführlicher im US-Patent Nr. 8.733.153 beschrieben ist, proportional zu der Dichte des Fluids ist.
Der Behälterentwurf kann zusätzliche Merkmale zur Anpassung an die Sensorteilanordnung 120 enthalten. Wie im US-Patent Nr. 7.176.602 an Schlenke mit dem Titel "Method and Device for Ensuring Transducer Bond Line Thickness" mit Patentdatum vom 13. Februar 2007, das hier in seiner Gesamtheit durch Literaturhinweis eingefügt ist, gezeigt und beschrieben ist, kann z. B. der Abschnitt der Behälterwand, der dafür konfiguriert ist, mit der Sensorteilanordnung 120 gekoppelt zu werden, Merkmale enthalten, um die Gleichförmigkeit der Klebefugendicke zu verbessern. Übermäßige Klebstoff- oder Klebeverbindungsdicke können die Eigenschaften eines Wandlers oder Sensors nachteilig beeinflussen, was ein Ändern des Winkels der Piezoschicht 130 in Bezug auf die Behälterwand 102 enthalten kann. In einigen Anwendungen ist die optimale Dicke des Klebstoffs 0,002"–0,005". Die optimale Dicke beruht auf der spezifischen Wandler-Gehäuse-Grenzfläche 118 (z. B. Grenzfläche der piezoelektrischen Schicht zur Behälterwand) oder Klebefuge 342 (5A–5E). Der Typ des zum Erzeugen der Klebefuge 118 oder 342 verwendeten Klebstoffs variiert und hängt von dem spezifischen gewählten Behältermaterial ab, obwohl sich der Klebstoff Loctite E120 zum Verkleben eines keramischen Ultraschallsensormaterials in einer Sensorteilanordnung 120 mit einer Polyethylenbehälterwand eines Behälters 100 als nützlich erwiesen hat.
4A stellt eine Teilansicht einer Klebefugenoberfläche 204 dar, die in eine Behälterwand 102 eines Behälters 100 geformt (oder geätzt) ist, und 4B stellt eine vergrößerte Querschnittsansicht der Klebefugenoberfläche 204 dar. Die Behälterwand 102 weist eine Innenoberfläche 202 innerhalb des Behälters und eine Außenoberfläche 204 auf, wobei die Außenoberfläche 204 mit der Sensorteilanordnung 120 gekoppelt werden kann. Die Außenoberfläche 204, die dafür konfiguriert ist, mit der Sensorteilanordnung 120 gekoppelt zu werden, ist mit Abstandshaltern 112 in einem Gittermuster 210 konfiguriert, die einen Teil der Klebefuge bilden können. In einem Beispiel kann die Außenoberfläche so konfiguriert sein, dass sie wenigstens drei Abstandshalter 216 enthält, wobei jeder Abstandshalter in einer Gitteröffnung oder in einem Bereich 214 positioniert ist.
Die 5A–5E stellen eine Vielfalt von Formen für die in Bezug auf die piezoelektrische Schicht gezeigten Abstandshalter dar. Die Dicke der Klebefuge 342 wird durch die Höhe der Abstandshalter gesteuert. In 5A definieren pyramidenförmige Merkmale (oder Abstandshalter) eine erste Oberfläche 330 eines Gittermusters, um Öffnungen für den Klebstoff zu bilden. Andere Abstandshalter (mit einer größeren Höhe) sind konisch geformt, wobei der breiteste Basisabschnitt jedes Abstandshalters 216 eine zweite Oberfläche 351 definiert, an die die Piezoschicht 130 geklebt ist. Die Piezoschicht 130 kann fest an die erste Oberfläche 351 der Abstandshalter 216 gedrückt werden. In Bereichen 52, in denen die Piezoschicht 130 und die Behälterwand 102 nicht in formschlüssigem Kontakt stehen, stellt der Klebstoff 350 die Klebeverbindung zwischen der Piezoschicht 130 und der Behälterwand 102 bereit.
5B stellt eine Außenoberfläche 332 der Behälterwand 102 dar, die drei Abstandshalter 338 enthält, die dafür konfiguriert sind, zwischen der Piezoschicht 130 und der Behälterwand 102 eine gleichförmige Klebefuge 342 aufrechtzuerhalten. Die Piezoschicht 130 ist eng an die obere Oberfläche 354 der Abstandshalter 338 gedrückt. In Bereichen 352, in denen die Piezoschicht 130 und die Behälterwand 102 nicht in formschlüssigem Kontakt stehen, stellt der Klebstoff 350 die Klebeverbindung zwischen der Piezoschicht 130 und der Behälterwand 102 bereit.
Die 5C, 5D und 5E stellen eine Behälterwand 102 dar, die eine Außenoberfläche 204, eine Innenoberfläche 202 und einen durch die Außenoberfläche 204 gebildeten Abstandshalter 316 aufweist. Der Abstandshalter 316 ist in einem Gittermuster 210 konfiguriert und ist dafür konfiguriert, zwischen der Piezoschicht 130 und der Behälterwand 102 eine gleichförmige Klebefuge 342 aufrechtzuerhalten. Das Gittermuster 210 ist in der Wiese konfiguriert, dass es, insbesondere, wenn Klebstoff 350 als Klebemittel aufgetragen wird, zwischen der Piezoschicht 130 und der Behälterwand 102 einen gleichförmigen Abstand aufrechterhält. Das Gittermuster 210 hilft, eine Klebefuge 342 mit im Wesentlichen konstanter Dicke sicherzustellen. Der Abstandshalter 316 kann in einer Vielzahl von Formen konfiguriert sein und kann die Form von Pyramiden (5C), von Säulen (5D) oder von Kuppeln (5E) annehmen. Die Piezoschicht 130 kann fest in die Außenoberfläche 204 des Gittermusters 210 gedrückt werden. Der Klebstoff 350 stellt zwischen der Piezoschicht 130 und der Behälterwand 102 in den Bereichen 352, in denen die Piezoschicht 130 und die Behälterwand 102 nicht in festem Kontakt sind, die Klebeverbindung bereit. Der Klebstoff 350 kann durch eine Vielzahl von Herstellungsprozessen auf das Gittermuster 210 aufgetragen werden.
Die Klebefugenmerkmale auf der Behälterwand 102 können durch den Behälterhersteller hergestellt oder geätzt werden. Außerdem kann der Behälterhersteller den Klebstoff auf die Klebefuge 118 auftragen und die Behälterwand 102 mit dem Klebefugenmerkmal an die Piezoschicht 130 der Sensorteilanordnung 120 koppeln, um einen integrierten Wanddurchgangs-Ultraschallsensor 116 zu bilden.
Wieder anhand von 1–3B kann der resonante Ultraschallentwurf des Sensors 116 um die Dicke des Behälterwandabschnitts, der der Piezoschicht 130 direkt gegenüberliegt, und um die Fähigkeit des Behälterherstellers, diese Dimension und diesen Bereich der Behälterwand 102 zu steuern, entwickelt werden. Die Kombination der Piezoschicht 130, einer ersten Anpassungsschicht, die durch die Behälterwand 102 gebildet ist, einer zweiten Anpassungsschicht 136, eines Piezovergusses 138, eines Behältermaterials, einer Behälterwanddicke, eines Klebefugenmaterials und der Klebefugendimensionen erzeugt ein resonantes Ultraschallsystem oder einen resonanten Ultraschallsensor, das bzw. der auf die Eigenfrequenz der Piezoschicht 130, wenn Fluid innerhalb des Behälters 100 vorhanden ist, abgestimmt werden kann. Der Ultraschallwandlerentwurf berücksichtigt diese Faktoren und wird darauf abgestimmt, den Entwurf für die Behälter 100, die hergestellt werden, zu optimieren, was die von dem Behälterhersteller verwendete Ausrüstung zum Koppeln der Sensoranordnung mit der Behälterwand 102 vereinfachen kann und die Erfahrung und die Schnittstelle, die von dem Behälterhersteller zum Programmieren und Prüfen des Ultraschallsensors 116 verwendet wird, minimieren kann.
Außerdem kann der Behälterentwurf andere zusätzliche Merkmale zur Anpassung an die Sensorteilanordnung 120 enthalten. Zum Beispiel kann der Behälter 100 eine Sensorteilanordnungsaufnahme enthalten, die innerhalb der Behälterwand 120 gebildet ist, wobei die Sensorteilanordnungsaufnahme Merkmale enthält, die mit der Sensorteilanordnung zusammengefügt werden können. Die Sensorteilanordnungsaufnahme oder Behälterwand 102 in dem Behälter 100 kann Merkmale wie etwa dickere Behälterwände 104, Versteifungsrippen 106 oder ähnliche Merkmale enthalten, um für die Sensorteilanordnung eine starre Struktur bereitzustellen oder in dem Bereich, der das Erfassungssystem (d. h. die Sensorteilanordnung 120) umgibt, Starrheit bereitzustellen. Die zusätzliche Starrheit dient dazu, die Belastung, die auf die Klebefuge 118 und auf die Sensorteilanordnungsbefestigungsmerkmale ausgeübt wird, wenn der Behälter 100 drastischem Überdruck oder Stoßereignissen ausgesetzt wird, zu verringern.
Ein weiteres Merkmal des Behälterentwurfs ist ein physikalisches Mittel, durch das die Sensorteilanordnung 120 in der richtigen Position gehalten wird, während der Klebefugenklebstoff vollständig aushärtet. Wenn der Klebefugenklebstoff ausgehärtet ist, stellt das physikalische Mittel für den gesamten Sensor 116 und für die gesamte Behälterstruktur 110 Starrheit bereit, was die Belastung, die auf die Klebefuge während Änderungen der Temperatur und Schwingungsbelastungen ausgeübt wird, minimieren kann. Die physikalischen Mittel können ein Befestigungselement wie etwa einen Schnappmechanismus 108, eine Verbindungsklammer, eine Verriegelung, einen Gewindemechanismus oder einen anderen Befestigungsmechanismus enthalten. Es kann irgendein geeignetes Befestigungsverfahren verwendet werden, solange das Verfahren den Sensor 116 gegen die Merkmale, die die Klebefuge 118 definieren, an der richtigen Stelle hält.
Der Behälter 100 kann eine Fokusröhre 110 oder Messröhre enthalten, die mit dem Behälter 100 integriert gebildet ist oder während des Behälterherstellungsprozesses in den Behälter 100 eingeführt wird. Um die Detektion eines richtigen Fluidfüllstands oder einer richtigen Fluidkonzentration durch den Ultraschallsensor 116 zu verbessern, kann die Fokusröhre 110 von einem Wandabschnitt des Behälters zu einem anderen Wandabschnitt des Behälters verlaufen. In einer anderen Ausführungsform kann die Fokusröhre 110 nur über einen Abschnitt der Höhe des Behälters 100 verlaufen. Die Fokusröhre 110 kann in Abhängigkeit von der Anwendung und von der spezifischen Sensorverwendung hinsichtlich der Füllstandsmessung bei verschiedenen Einfallswinkeln verwendet werden. Zum Beispiel kann die Fokusröhre 110 die Fähigkeit des Ultraschallsensors, einen Fluidfüllstand zu bestimmen, verbessern, falls der Behälter 100 während des Betriebs mäßigen Winkeln wie etwa 6° bis 15° ausgesetzt ist. Um zu ermöglichen, dass Fluid aus dem Behälter 100 in die und aus der Fokusröhre 110 strömt, kann die Fokusröhre 110 wenigstens eine Entlüftungsöffnung 162 wie etwa eine Entlüftungsöffnung bei dem Bodenabschnitt der Fokusröhre 110 enthalten. Die Entlüftungsöffnung 162 soll ermöglichen, dass sich der Füllstand des Fluids innerhalb der Fokusröhre 110 selbst an den Füllstand des Fluids innerhalb des Rests des Behälters 110 anpasst, indem entweder die Fokusröhre 110 gefüllt wird, wenn die Höhe des Fluidfüllstands des Behälters 100 über der des Fluidfüllstands der Fokusröhre 110 ist, oder das Fluid in der Fokusröhre 110 entleert wird, wenn die Höhe des Fluidfüllstands des Behälters 100 unter der des Fluidfüllstands der Fokusröhre 110 ist.
Ein oberer Abschnitt der Fokusröhre 110 kann eine angewinkelte Oberfläche 160 enthalten, um eine Störung wegen Ultraschallsignalen, die an der Oberfläche der Fokusröhre 110 abprallen, wobei diese Störung eine genaue Erfassung der Oberfläche des Fluids, das gemessen wird, verhindern kann, zu verringern. Reflektierte Schallwellen können an einer oberen Oberfläche der Fokusröhre 110 abprallen, falls die obere Oberfläche der Fokusröhre 110 parallel zu der Fluidoberfläche ist.
Wie durch das US-Patent Nr. 6.573.732 an Reimer mit dem Titel "Dynamic Range Sensor and Method of Detecting Near Field Echo Signals" mit einem Patentdatum vom 3. Juni 2003, das hier in seiner Gesamtheit durch Literaturhinweis eingefügt ist, beschrieben und gelehrt ist, erzeugt die Reflexion an der parallelen oberen Oberfläche der Fokusröhre 110, die ein Ultraschallsignal enthält, das zu der Oberfläche des Fluids zurück nach oben läuft und in der Fokusröhre 110 nach unten zurückkehrt, insbesondere bei niedrigen Fluidfüllstanden, wenn der Ultraschallsensor 116 in einer Nahfeldbetriebsart arbeitet, eine Störung, indem das Ultraschallsignal, das an der Oberfläche des Fluids reflektiert wird, aufgehoben wird. Die Aufhebungswirkung wegen einer Reflexion einer Fokusröhrenoberfläche kann als Echounterdrückung bezeichnet werden. Eine angewinkelte Fokusröhrenoberfläche oder eine angewinkelte Fokusröhre mindert die Echounterdrückung, indem sie veranlasst, dass die Schallwellen unter anderen Winkeln als die primären Schallwellen, die bei der Füllstandserfassung verwendet werden, abprallen, was die Energie an anderer Stelle innerhalb des Behälters verteilt, so dass die reflektierte Energie eine minimale Wirkung auf eine Füllstandserfassungsmessung hat. Obwohl für die Fokusröhre 110 eine angewinkelte Oberfläche gezeigt ist, können andere Konfigurationen wie etwa eine abgerundete Form, eine Sägezahn- oder eine Zinnenform ebenfalls verwendet werden, um irgendwelche Schallwellen, die an der Oberseite der Fokusröhre 110 reflektiert werden, zu verteilen oder abzulenken.
In einer anderen Konfiguration kann eine Fokusröhre in der Nähe der Oberseite des Behälters 100 nach oben verlaufen. In einem anderen Beispiel kann eine Fokusröhre zu der Oberseite des Behälters 100 nach oben verlaufen, wobei in Geländefahrzeugen, bei denen ein Betrieb bei Einfallswinkeln von 45 Grad auftreten kann, ein Schwimmer verwendet werden kann, der spezifisch zum Reflektieren von Ultraschallsignalen ausgelegt ist. Wie in dem US-Patent Nr. 8.302.472 an Rumpf mit dem Titel "Fuel Delivery Unit with a Filling Level Sensor Operating with Ultrasonic Waves" mit einem Patentdatum vom 6. November 2012, das hier in seiner Gesamtheit durch Literaturhinweis eingefügt ist, gezeigt und beschrieben ist, kann die Fokusröhre 110 in dem Inneren des Behälters 100, 100A und 100B geformt sein oder kann die Fokusröhre 110 durch eine vorhandene Öffnung oder als ein in ein Kraftstoffmodul eingebautes Merkmal als eine getrennte Komponente in den Behälter eingeführt werden.
Der hier beschriebene Ultraschallerfassungssystem- und Ultraschallsensorherstellungsprozess kann mit einem vorhandenen Behälterformungsprozess, der zum Herstellen von Behältern verwendet wird, beginnen. Die Veränderlichkeit der Behälterwanddicke der Wand 102 eines Behälters 100 kann die Resonanzeigenschaften des Ultraschallsensors 116 ändern. Zum Beispiel kann der Ultraschallsensor 116, der gegenüber einem Nennbehälterentwurf einen Behälter 100 mit einer dickeren oder dünneren Behälterwand enthält, weiterhin resonant sein, wobei die Nachschwingzeitantwort aber überdämpft sein kann. Um ein Ultraschallecho zu erzeugen und zu empfangen, das unter Extremwerten der Temperatur, des Neigungswinkels und der Schwingung zuverlässig ist, kann der Ultraschallsensor 116 (mit dickeren oder dünneren Wänden), der die überdämpfte Nachschwingzeitantwort besitzt, mehr Energie als ein Ultraschallsensor mit einer Behälterwand, der eine Nennentwurfsdicke besitzt, nutzen. Um die Veränderlichkeit der zum Bilden des Ultraschallsensors 116 verwendeten Behälterwand zu kompensieren, können die Kalibrierung und Programmierung des Ultraschallsensors 116 verwendet werden.
Da das Ultraschallerfassungssystem, das sowohl den Behälter 100 als auch die Sensorteilanordnung 120 enthält, unabhängig von der Behälterform oder Fluidanwendung ist, muss die Ausgabe des Sensors 116 unter Verwendung einer Eichtabelle, die die Ausgangssensordaten gegenüber einer vordefinierten Tabelle von Werten abbildet, um den Fluidfüllstand für die bestimmte Behälterform und für das bestimmte Fluid, das gemessen wird, zu extrapolieren, für den Behälterentwurf oder für die Fluidanwendung korrigiert werden. Die Sensorausgangsdaten können durch die Umlaufemission, die Umlaufreflexion und die Umlaufdetektion der Ultraschallwelle erzeugte temperaturkorrigierte Laufzeitdaten (TOF-Daten) enthalten. Zum Beispiel kann die Eichtabelle eine XY-Tabelle enthalten, wobei die Größe von einer gewünschten Auflösung abhängt. Eine Achse kann die Temperatur repräsentieren und eine andere Achse kann Zeitgeberwerte oder Anzahlen repräsentieren, die repräsentativ für die Laufzeit sind, wie sie durch den Mikrocontroller gemessen wird. Zum Beispiel kann die Temperaturachse im Bereich von –40 C bis 85 C Schritte mit 7,81-C-Inkrementen besitzen und kann die Laufzeitachse im Bereich von 0 bis 1000 µs Schritte mit 31,25-Mikrosekunden-(µs-)Inkrementen besitzen. Für dieses Beispiel ist das Ergebnis eine 512-Elemente-Tabelle, die für Behälter mit einer Tiefe von bis zu 500 mm über einen erwarteten Bereich von Temperaturen und Kraftstoffmesswerten arbeiten kann. Anstelle von Temperaturwerten in Grad C oder Zeitwerten in µs können die Tabellenachsen binäre Darstellungen der äquivalenten Werte der Temperatur oder TOF (z. B. eines internen Mikrocontrollerzeitgebers), wie sie durch einen Analog-Digital-Umsetzer (A/D-Umsetzer) gemessen werden, verwenden. Jedes Tabellenelement kann mit einer digitalen Darstellung einer erwarteten Ausgabe für diese spezifische Temperatur und Laufzeit belegt werden. Daraufhin kann ein Mikrocontroller die aufbereitete Laufzeit und Temperatur verwenden, um die Eichtabellenwerte zu ermitteln, aus denen der Mikrocontroller daraufhin eine Zweiachsen-Interpolationsfunktion ausführt, um zu einem richtigen Ausgangswert zu gelangen.
Die Eichtabelle kann für den Behälterentwurf und für das zu messende Fluid in dem Behälter angepasst werden. In Anwendungen, in denen es eine Eichtabelle gibt und sie getrennt von der Sensorteilanordnung 120 ist, kann die Eichtabelle in ein Modul außerhalb des Behälters 100 (z. B. in einen lokalen Kraftstoffsystemcontroller oder eine elektronische Steuereinheit (ECU) für einen Kraftstoffbehälter) geladen werden, oder kann die Eichtabelle vor oder nach der Montage in dem Behälter 100 in die Schaltungsanordnung der Sensorteilanordnung (z. B. den Mikrocontroller) geladen oder heruntergeladen werden. Wenn die Eichtabelle in die Schaltungsanordnung der Sensorteilanordnung 120 geladen oder heruntergeladen wird, kann in der Schaltungsanordnung eine Ausgangsbetriebsart enthalten sein, die die serielle Übermittlung der Sensordaten über einen elektrischen Verbinder (z. B. integrierten Verbinder) unabhängig von dem gewünschten Typ der Sensorausgabe ermöglicht.
Zum Beispiel kann ein Nutzer eine einfache Emulation einer resistiven Ausgabe wünschen, die durch die Eichtabellendaten ausgewählt werden kann, wobei der Sensor den Laststrom und die Spannung bei den elektrischen Verbinderanschlüssen proportional zu dem gemessenen Füllstand ändert, was eine normale Betriebsart des Ultraschallsensors 116 sein kann. In einer ersten Betriebsart (z. B. Normalbetriebsart) misst der Sensor den Füllstand des Fluids und führt er Grunddiagnosefunktionen aus, um sicherzustellen, dass der Sensor richtige Messinformationen bereitstellt. Eine zweite Betriebsart kann eine Fehlerbetriebsart enthalten, in der der Sensor 116 ein Problem mit der Qualität des Rückechos, mit der Temperaturmessung oder mit einer anderen internen Funktion detektiert und daraufhin eine Ausgabe bereitstellen kann, die den Fehler angibt, der detektiert wurde. Andere Betriebsarten – (z. B. Selbstprüfungs-, Programmierungs- und Kalibrierungsbetriebsart) können dieselben elektrischen Verbinderanschlüsse wie eine serielle bidirektionale Datenverbindung verwenden, über die ein externer Computer verwendet werden kann, um eine Eichtabelle in die Sensorteilanordnungs-Schaltungsanordnung zu programmieren, und Mittel bereitstellen, durch die die Schaltungsanordnung Diagnosedaten übermitteln kann, um eine Selbstprüfungsfolge zu ermöglichen. Zum Beispiel kann eine dritte Betriebsart eine Anfangsselbstprüfungsfolge enthalten, die nach der Montage der Sensorteilanordnung 120 in dem Behälter 100 stattfindet. In dieser Selbstprüfungsbetriebsart misst der Sensor 116 die Nachschwingzeit des Piezoelements bei verschiedenen Leistungspegeln innerhalb eines trockenen Behälters. Diese Messwerte können auf einen externen Hostcomputer und/oder auf eine externe Prüfstation heraufgeladen werden, wobei der Hostcomputer auf der Grundlage der Messwerte bestimmt, ob die Ergebnisse für diesen bestimmten Behälter 100 akzeptabel oder nicht akzeptabel wären, was als Teil der Qualitätskontroller verwendet werden kann, um falsch mit der Sensorteilanordnung 120 verklebte Behälter 100 zurückzuweisen. Die vierte Betriebsart kann die Kalibrierungsbetriebsart enthalten, in der der Hostcomputer die Eichtabellenwerte, wie sie für den spezifischen Behälter, die spezifische Größe, die spezifische Form, den spezifischen Fluidtyp und die spezifische Ausgabe, die gewünscht sind, bestimmt wurden, herunterlädt und eine Ausgabe gewünscht ist. Die dritte und die vierte Betriebsart können einen Deaktivierungs- oder Verriegelungsmechanismus enthalten, der durch den Hostcomputer aktiviert werden kann, um zu verhindern, dass der Sensor 116 nach der Selbstprüfung, Programmierung oder Kalibrierung, wie etwa, wenn die Behälteranordnung die Fabrik verlässt, geändert wird.
Ein ähnlicher Prozess kann für Ultraschallsensoren verwendet werden, die mit einer Pulsbreitenmodulationsausgabe (PWM-Ausgabe), Spannungsausgabe, Stromschleife und irgendwelchen seriellen Datenausgaben wie etwa einem Single Edge Nibble Transmission Protocol (SENT-Protokoll), Local Internet Network Protocol (LIN-Protokoll), Controller Area Network Protocol (CAN-Protokoll) oder irgendwelchen angepassten seriellen Datenprotokollen ausgelegt sind. PWM ist eine Modulationstechnik, die die Breite des Impulses (oder die Impulsdauer) auf der Grundlage von Modulatorsignalinformationen steuert. Die J2716-SENT der Society of Automotive Engineers (SAE) ist ein Punkt-zu-Punkt-Protokoll für die Übertragung von Signalwerten von einem Sensor zu einem Controller, das eine hochaufgelöste Datenübertragung bei niedrigeren Systemkosten als andere serielle Datenprotokolle ermöglicht. Das SENT-Protokoll ist eine asynchrone Einwegspannungsschnittstelle, die drei Drähte verwendet: eine Signalleitung mit einem tiefen Zustand kleiner als 0,5 Volt (V) und mit einem hohen Zustand größer als 4,1 V, eine Versorgungsspannungsleitung von näherungsweise 5 V und eine Masseleitung von näherungsweise 0 V. Zum Beispiel werden in dem SENT-Protokoll Daten in Einheiten von 4 Bit (1 Tetrade) übertragen und ist eine SENT-Nachricht 32 Bit (8 Tetraden) lang und enthält 24 Bit Signaldaten (6 Tetraden), die zwei Messkanäle von jeweils 3 Tetraden (wie etwa Druck und Temperatur) repräsentieren, 4 Bit (1 Tetrade) für die Fehlerdetektion der zyklischen Redundanzprüfung (CRC) und 4 Bit (1 Tetrade) Status/Kommunikations-Informationen. SENT ist eine preiswerte Lösung, die Messinformationen sowie Diagnoseinformationen übermitteln kann. CAN ist ein Fahrzeugbusstandard, der dafür ausgelegt ist zu ermöglichen, dass Mikrocontroller und Vorrichtungen innerhalb eines Fahrzeugs ohne einen Hostcomputer miteinander kommunizieren. Das CAN-Protokoll verwendet ein Schema auf der Grundlage der Zweidrahtbuspriorität. LIN ist ein serielles Netzprotokoll, das für die Kommunikation zwischen Komponenten in Fahrzeugen verwendet wird. Das LIN-Protokoll verwendet eine Eindrahtverkettung oder einen Bus mit einer Nebenschluss-Master-Slave-Topologie.
In einer weiteren Ausführungsform werden Eichtabellendaten über die drahtlose Komponente oder Vorrichtung in die Sensorteilanordnungs-Schaltungsanordnung programmiert oder werden Diagnosedaten von der Sensorteilanordnungs-Schaltungsanordnung über die drahtlose Komponente oder Vorrichtung erhalten.
Da die Kopplung oder das Kleben der Sensorteilanordnung 120 an die Behälterwand 102 in einer anderen Einrichtung als der Einrichtung, die die Sensoruntereinrichtung herstellt, (z. B. in einer Behälterformungseinrichtung) ausgeführt werden kann, kann die Sensorteilanordnung 120 Merkmale und Programmierung zum Bereitstellen einer Selbstprüfung des montierten Ultraschallsensors 116 (einschließlich der Behälterwand 102) enthalten. Der montierte Ultraschallsensor 116 kann für einen bestimmten Fluidtyp geprüft werden, auch ohne den Behälter 100 mit diesem Fluid zu füllen. Das Prüfen des Sensors durch Füllen des Behälters mit einer Fluidmenge und daraufhin das Vergleichen der Ausgabe mit dem spezifizierten Wert können in einer Produktionsumgebung sehr zeitaufwändig, schwierig und in Abhängigkeit von dem bestimmten Fluid möglicherweise gefährlich sein. Die Selbstprüfung des Ultraschallsensors 116 kann diese Herausforderungen vermeiden. Die Selbstprüfung kann Trockenbehälterwerte, die akzeptablen Werten für einen bestimmten Typ des Fluids und des Behälterentwurfs entsprechen, die unter Verwendung eines Prototyps des Behälterentwurfs und des Fluids, das verwendet wird, erzeugt werden können, vergleichen. Im Ergebnis der Selbstprüfungsfunktionalität braucht die Behälterformoperation, bei der Sensorteilanordnungen 120 an dem Behälter 100 montiert werden, nicht das Ultraschallsensorwissen, um komplexe Probleme diagnostizieren zu helfen, sensible Prozesse aufrechtzuerhalten oder zu bewerten, ob der Sensor richtig arbeitet, am Standort zu besitzen. Die Sensorteilanordnungs-Schaltungsanordnung kann über eine Prüfvorrichtung überprüfen, dass der Ultraschallsensor 116 für die spezifische Anwendung, für den spezifischen Behälter oder für das spezifische Fluid richtig funktioniert. Der Sensor 116 kann die Selbstprüfung nach der Montage in dem Behälter 100 ausführen, die in kurzer Nachfolge nach der Zeit stattfinden kann, während der die Eichtabelle in den Sensor 116 programmiert wird. Dadurch, dass diese zwei Aktivitäten (z. B. Selbstprüfung und Programmierung) kombiniert werden, kann ein Kabel des Sensors 116 sowohl für die Prüfung als auch für die Programmierung ein einziges Mal in den elektrischen Verbinder (z. B. den integrierten Verbinder 124, 126 und 128) gesteckt werden, was Montagezeit und Montagearbeit einsparen kann und somit die Kosten der Montage des Ultraschallsensors 116 verringern kann.
Ein Ultraschallsensor 116 als ein resonantes System weist eine bestimmte Nachschwingzeitantwort auf, die von der angewendeten Energie abhängt, die zum Stimulieren der Piezoschicht 130 verwendet wird. Die Selbstprüfung bildet die Nachschwingzeitantwort des Sensors 116, wenn er in dem Behälter 100 montiert wird, der Umgebungstemperaturen (z. B. Raumtemperatur und Luft) ausgesetzt ist, bei einem oder mehreren Leistungspegeln ab. Die Zeit, die es für den Sensor 116 dauert, damit die Piezoschicht 130 bei einem bestimmten Leistungspegel nachzuschwingen aufhört, ist proportional zu dem Qualitätsfaktor (Q, Q-Faktor oder Qualität) des akustischen Resonanzkreises. Der Qualitätsfaktor ist ein dimensionsloser Parameter, der die Dämpfung eines Oszillators oder Resonators beschreibt, oder charakterisiert äquivalent die Bandbreite eines Resonators in Bezug auf die Mittenfrequenz des Resonators. Ein höheres Q gibt in Bezug auf die gespeicherte Energie des Resonators eine niedrigere Energieverlustrate an, bei der die Schwingungen langsamer abklingen. Die Messung dieser Nachschwingzeitwerte bei verschiedenen Leistungspegel kann ein recht gutes Bild dessen geben, wie gut der Wandler 116 innerhalb des Behälters 100 funktioniert, ohne dass der Behälter mit Fluid gefüllt werden muss.
Wenn die Sensorteilanordnung 120 in die Selbstprüfungsbetriebsart eintritt, kann sie die Nachschwingzeit bei einem oder mehreren Leistungspegeln messen und die Nachschwingzeit über die serielle bidirektionale Datenverbindung (über den elektrischen Verbinder) an eine externe Prüf- und Programmiervorrichtung (z. B. an einen Computer) senden. Daraufhin kann der externe Computer die gemessenen Nachschwingzeiten gegenüber einer Akzeptanztabelle vergleichen, die für die bestimmte Behälterintegration eindeutig hergeleitet wurde. Die Akzeptanztabelle kann Schwellen-Nachschwingzeitwerte enthalten, die die richtige Funktionalität des Ultraschallsensors für einen bestimmten Behälter und für ein bestimmtes Fluid angeben. In einer Ausführungsform kann die Akzeptanztabelle zusammen mit der Eichtabelle für einen spezifischen Behälterentwurf in dem externen Computer gespeichert sein. Jeder eindeutige Behälterentwurf kann ein anderes Resonanzprofil aufweisen. Das Speichern des erwarteten Resonanzprofils für einen bestimmten Behälterentwurf in einem externen Prüfcomputer zusammen mit der Eichtabelle kann zu einem Sensor führen, der verhältnismäßig unabhängig von dem Behälterentwurf ist, so dass eine gemeinsame und weniger kostspielige Ultraschallsensor-Teilanordnung 120 über mehrere Behälterentwürfe umfassend angewendet und durch den Behälterhersteller in einem Behälter 100 montiert werden kann.
6 stellt einen Prozess dar, der zum Montieren oder Koppeln der Sensorteilanordnung 120 an eine Behälterwand 102 eines Behälters 100 verwendet werden kann. In dem Prozess kann der Behälter 100 Merkmale wie etwa eine Klebefugenoberfläche und eine Sensorteilanordnungsaufnahme enthalten, die bereits während des Behälterherstellungs- oder Behälterformungsprozesses in der Behälterwand 102 gebildet worden sind. Alternativ kann das Ätzen der Klebefugenoberfläche an der Behälterwand 102 stattfinden, nachdem der Behälter 100 hergestellt worden ist. Wie im Block 410 wird die Klebefugenoberfläche des Behälters 100 von Verunreinigungen plasmagereinigt, um die Haftung der Piezoschicht 130 der Sensorteilanordnung 120 mit der Behälterwand zu verbessern. Das Reinigen enthält das Erregen des Oberflächenmaterials des Behälters, um die Haftung des Behälters an der Piezoschicht sicherzustellen. Verschiedene Verfahren zum Reinigen oder Erregen des Oberflächenmaterials können Plasmareinigen, mechanisches Reinigen oder Verwendung eines Primers enthalten. Zum Beispiel umfasst die Plasmareinigung die Entfernung von Verunreinigungen und Fremdkörpern von Oberflächen unter Verwendung eines energetischen Plasmas oder eines Entladungsplasmas einer dielektrischen Barriere (DBD-Plasmas), das aus gasförmigen Arten erzeugt wird. Es werden Gase wie etwa Argon und Sauerstoff sowie Gemische wie etwa Luft und Wasserstoff oder Stickstoff verwendet. Das Plasma wird unter Verwendung von Hochfrequenzspannungen (z. B. Kilohertz (kHz) bis mehr als Megahertz (MHz)) zum Ionisieren des Niederdruckgases erzeugt. Wie im Block 420 wird die Klebefugenoberfläche der Piezoschicht 130 des Sensors 116 von Fremdkörpern gereinigt.
Wie im Block 430 kann auf die Klebefugenoberfläche des Behälters 100 selektiv ein Klebstoff aufgetragen werden. In anderen Beispielen kann der Klebstoff selektiv auf die Klebefugenoberfläche der Piezoschicht 130 aufgetragen werden. Wie im Block 440 kann die Sensorteilanordnung 120 auf den Behälter 100 ausgerichtet, mit ihm gekoppelt oder an ihm montiert werden, um einen Ultraschallsensor 116 zu bilden. Die Ausrichtung kann durch die Anpassung oder entsprechende Strukturen der Sensorteilanordnung 120 und der Sensorteilanordnungsaufnahme zusammen mit irgendwelchen Befestigungselementen 108 und 148 bereitgestellt werden. Wie im Block 450 können die Befestigungselemente einen Druck auf die Piezoschicht 130 gegen die Behälterwand 102 ausüben, während der Klebstoff aushärtet. Wie im Block 460 führt die Sensorteilanordnungs-Schaltungsanordnung über einen externen Computer (z. B. einen Prüfcomputer) eine Selbstprüfung aus, um die Ultraschallsensorfunktionalität für den spezifischen Behälterentwurf und für das spezifische zu verwendende Fluid zu überprüfen. Wie im Block 470 kann der externe Computer (z. B. Programmiercomputer) die Sensorteilanordnungs-Schaltungsanordnung ebenfalls mit einer Eichtabelle, die Ausgangssensordaten auf einen verwendbaren Fluidfüllstand oder eine verwendbare Fluidkonzentration abbilden kann, programmieren.
Wie in dem Ablaufplan von 6 zu sehen ist, ist der Prozess zum Montieren der Sensorteilanordnung 120 in einer Behälterwand 102 eines Behälters 100 (z. B. eines Kraftstoffbehälters), zum Prüfen des Sensors 116 und zum Programmieren der Eichtabelle ein kompakter Prozess, der minimale Ausrüstung, minimalen Platz und minimales Ultraschallsensor-Verarbeitungswissen erfordert, der durch einen Behälterhersteller ausgeführt werden kann. Parameter, die den Betrieb des Erfassungssystems beeinflussen, wie etwa die Ultraschallwandlerempfindlichkeit, die Winkelleistungsfähigkeit, die Füllstandsgenauigkeit, die Auflösung, die Temperaturleistungsfähigkeit, die Leichtigkeit der Montage und die Zuverlässigkeit können von einem Entwurf, von einer Materialauswahl und von den zuvor beschriebenen zwei Klebefugenreinigungsoperationen abhängen. Das Montieren der Sensorteilanordnung 120 in einer Behälterwand 102 eines Behälters 100, das Prüfen des Ultraschallsensors 116 oder das Programmieren des Ultraschallsensors 116 können die Verfahren verwenden, die durch das US-Patent Nr. 6.573.732 an Reimer, mit dem Titel "Dynamic Range Sensor and Method of Detecting Near Field Echo Signals" mit einem Patentdatum von 3. Juni 2003, das hier in seiner Gesamtheit durch Literaturhinweis eingefügt ist, durch das US-Patent Nr. 8.733.153 an Reimer u. a. mit dem Titel "Systems and Methods of Determining a Quality and/or Depth of Diesel Exhaust Fluid" mit einem Patentdatum vom 27. Mai 2014, das hier in seiner Gesamtheit durch Literaturhinweise eingefügt ist, und durch die anhängige US-Patentanmeldung Nr. 14/286.572 an Reimer u. a. mit dem Titel "Systems and Methods of Determining a Quality and Quantity of a Fluid" mit einem Einreichungsdatum vom 23. Mai 2014, die hier in ihrer Gesamtheit durch Literaturhinweis eingefügt ist, gezeigt, beschrieben und gelehrt sind.
Ein anderes Beispiel schafft ein Verfahren 500 zum Kleben einer Ultraschallsensor-Teilanordnung an eine Behälterwand eines Behälters zum Bilden eines Ultraschallsensors, wie es in dem Ablaufplan in 7 gezeigt ist. Wie im Block 510 enthält das Verfahren die Operation des Bereitstellens des Behälters 100. Wie im Block 520 folgt die Operation des Auftragens eines Klebstoffs auf die Behälterwand 102 oder auf eine Oberfläche eines planaren piezoelektrischen Elements 130, das sich innerhalb der Sensorteilanordnung 120 befindet. Wie im Block 530 ist die nächste Operation des Verfahrens das Koppeln der Oberfläche des planaren piezoelektrischen Elements 130 der Ultraschallsensor-Teilanordnung 120 mit der Behälterwand 102 in einem Bereich mit dem Klebstoff zum Bilden eines Ultraschallsensors 116 in der Weise, dass die Behälterwand 102 eine Anpassungsschicht des Ultraschallsensors 116 bildet.
Wie es hier verwendet ist, können zweckmäßigkeitshalber mehrere Gegenstände, Strukturelemente, Zusammensetzungselemente und/oder Materialien in einer gemeinsamen Liste dargestellt sein. Allerdings sind diese Listen so zu verstehen, dass jedes Element der Liste einzeln als ein getrenntes und eindeutiges Element identifiziert ist. Somit ist kein einzelnes Element einer solchen Liste allein auf der Grundlage seiner Darstellung in einer gemeinsamen Gruppe ohne Angabe des Gegenteils als ein tatsächliches Äquivalent irgendeines anderen Elements derselben Liste zu verstehen. Außerdem kann hier auf verschiedene Ausführungsformen und Beispiele der vorliegenden Erfindung zusammen mit Alternativen für verschiedene Komponenten davon Bezug genommen sein. Selbstverständlich sind solche Ausführungsformen, Beispiele und Alternativen nicht als tatsächliche Äquivalente voneinander zu verstehen, sondern werden sie als getrennte und selbständige Darstellungen der vorliegenden Erfindung angesehen.
Darüber hinaus können die beschriebenen Merkmale, Strukturen oder Eigenschaften in einer oder in mehreren Ausführungsformen auf irgendeine geeignete Weise kombiniert werden. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Einzelheiten wie etwa Beispiele von Anordnungen, Entfernungen usw. gegeben, um ein gründliches Verständnis von Ausführungsformen der Erfindung zu schaffen. Allerdings erkennt der Fachmann auf dem relevanten Gebiet, dass die Erfindung ohne eine oder mehrere der spezifischen Einzelheiten oder mit anderen Verfahren, Komponenten, Anordnungen usw. verwirklicht werden kann. In anderen Fällen sind gut bekannte Strukturen, Materialien oder Operationen nicht ausführlich gezeigt oder beschrieben, um eine Verdeckung von Aspekten der Erfindung zu vermeiden.
Obwohl die vorstehenden Beispiele Prinzipien der vorliegenden Erfindung in einer oder in mehreren bestimmten Anwendungen veranschaulichen, geht für den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet hervor, dass ohne die Anwendung einer Erfindergabe und ohne von den Prinzipien und Konzepten der Erfindung abzuweichen zahlreiche Änderungen der Form, der Nutzung und der Einzelheiten der Implementierung vorgenommen werden können. Dementsprechend soll die Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche beschränkt sein.

Claims

Ultraschallsensor-Teilanordnung, die dafür konfiguriert ist, beim Koppeln mit einem Behälter, der eine Behälterwand aufweist, einen Ultraschallsensor zu bilden, wobei die Ultraschallsensor-Teilanordnung umfasst: ein Sensorteilanordnungsgehäuse; ein planares piezoelektrisches Element, das sich innerhalb des Sensorteilanordnungsgehäuses befindet, wobei das planare piezoelektrische Element eine Oberfläche enthält, die dafür konfiguriert ist, in der Weise mit der Behälterwand zu koppeln, dass die Behälterwand eine Anpassungsschicht des Ultraschallsensors bildet; und eine Schaltungsanordnung, die mit dem planaren piezoelektrischen Element elektrisch verbunden ist, wobei die Schaltungsanordnung dafür konfiguriert ist, ein Signal zu erzeugen, um das planare piezoelektrische Element zum Erzeugen einer Schallwelle anzusteuern, und von dem planaren piezoelektrischen Element eine Angabe eines detektierten Echos zu empfangen.
Ultraschallsensor-Teilanordnung nach Anspruch 1, wobei das Koppeln der Oberfläche des planaren piezoelektrischen Elements mit der Behälterwand Kleben enthält.
Ultraschallsensor-Teilanordnung nach Anspruch 1, wobei der Behälter für ein motorisiertes Fahrzeug oder für eine Ausrüstung, die ein Kraftfahrzeug, ein Motorrad, ein Motorfahrzeug, ein Wasserfahrzeug oder ein Luftfahrzeug enthält, konfiguriert ist, und wobei der Behälter zum Lagern von Kraftstoff, Benzin, Diesel, Öl, Kühlmittel, Dieselabgasfluid (DEF), Bremsfluid, Getriebefluid, Scheibenwischerfluid, Frischwasser, Grauwasser oder Schwarzwasser konfiguriert ist.
Ultraschallsensor-Teilanordnung nach Anspruch 1, wobei die Schaltungsanordnung, die dafür konfiguriert ist, ein Signal zum Ansteuern des planaren piezoelektrischen Elements zu erzeugen, eine Leiterplatte (PCB) oder ein Einchipsystem (SoC) enthält.
Ultraschallsensor-Teilanordnung nach Anspruch 1, die ferner umfasst: einen Temperatursensor, der mit der Schaltungsanordnung elektrisch verbunden ist, der dafür konfiguriert ist, eine Temperatur eines Fluids in dem Behälter zu detektieren.
Ultraschallsensor-Teilanordnung nach Anspruch 1, wobei die Schaltungsanordnung dafür konfiguriert ist, die Kopplung zwischen der Behälterwand und dem planaren piezoelektrischen Element des Ultraschallsensors zu überprüfen, oder wobei die Schaltungsanordnung dafür konfiguriert ist, einen Fluidfüllstand für einen spezifizierten Behälterentwurf und für einen Typ des Fluids, das gemessen wird, unter Verwendung einer Eichtabelle, die eine Ausgabe von dem Ultraschallsensor gegenüber einer vordefinierten Tabelle von Werten abbildet, zu extrapolieren.
Ultraschallsensor-Teilanordnung nach Anspruch 1, die ferner umfasst: einen integrierten Verbinder oder einen Kabelbaum, der mit der Schaltungsanordnung elektrisch gekoppelt ist, wobei der integrierte Verbinder oder der Kabelbaum dafür konfiguriert ist, mit einer Prüfvorrichtung oder mit einer Programmiervorrichtung über eine Schnittstelle zu verbinden, wobei die Prüfvorrichtung dafür konfiguriert ist, den durch das planare piezoelektrische Element der Ultraschallsensor-Teilanordnung und/oder durch die Behälterwand gebildeten Ultraschallsensor zu prüfen; und wobei die Programmiervorrichtung dafür konfiguriert ist, die Schaltungsanordnung der Ultraschallsensor-Teilanordnung mit einer Eichtabelle für einen spezifischen Behälterentwurf, die eine Ausgabe von dem Ultraschallsensor für eine gegebene Temperatur und gemessene Laufzeit definiert, zu programmieren.
Ultraschallsensor-Teilanordnung nach Anspruch 1, die ferner umfasst: eine zweite Anpassungsschicht, die mit einer Oberfläche des planaren piezoelektrischen Elements, die der Oberfläche, die dafür konfiguriert ist, mit der Behälterwand gekoppelt zu werden, gegenüberliegt, gekoppelt ist; Leitungen, die jede planare Oberfläche des planaren piezoelektrischen Elements mit der Schaltungsanordnung elektrisch koppeln; ein Piezovergussmaterial, um die Leitungen und die Bewegung des planaren piezoelektrischen Elements in dem Sensorteilanordnungsgehäuse zu stützen; eine Abdeckung, um die Schaltungsanordnung und das planare piezoelektrische Element vor äußeren Umgebungsbedingungen zu schützen; oder ein Leiterplattenvergussmaterial (PCB-Vergussmaterial), um die Schaltungsanordnung zu stützen oder zu schützen.
Ultraschallsensor-Teilanordnung nach Anspruch 1, wobei der Ultraschallsensor dafür konfiguriert ist, eine Fluidkonzentration zu messen, einen Fluidfüllstand zu messen oder eine Diagnosebetriebsart bereitzustellen.
Behälter, der mit einer Ultraschallsensor-Teilanordnung gekoppelt ist, wobei der Behälter umfasst: einen Behälter, der eine Behälterwand aufweist; und eine Ultraschallsensor-Teilanordnung, die umfasst: ein Sensorteilanordnungsgehäuse; ein planares piezoelektrisches Element, das sich innerhalb des Sensorteilanordnungsgehäuses befindet, wobei das planare piezoelektrische Element eine Oberfläche enthält, die in der Weise mit einer Behälterwand gekoppelt ist, dass die Behälterwand eine Anpassungsschicht eines Ultraschallsensors bildet; und eine Schaltungsanordnung, die mit dem planaren piezoelektrischen Element elektrisch verbunden ist, wobei die Schaltungsanordnung dafür konfiguriert ist, ein Signal zum Ansteuern des planaren piezoelektrischen Elements zu erzeugen, um eine Schallwelle zu erzeugen, und von dem planaren piezoelektrischen Element eine Angabe eines detektierten Echos zu empfangen.
Behälter nach Anspruch 10, wobei die Behälterwand eine Sensorteilanordnungsaufnahme zum Zusammenfügen mit dem Sensorteilanordnungsgehäuse bildet und die Behälterwand auf die Oberfläche des planaren piezoelektrischen Elements ausrichtet und wobei die Sensorteilanordnungsaufnahme einen Mechanismus zum Befestigen des Sensorteilanordnungsgehäuses an dem Behälter enthält.
Behälter nach Anspruch 11, wobei der Behälter an einem Umfang der Sensorteilanordnungsaufnahme Versteifungsrippen enthält.
Behälter nach Anspruch 10, wobei die Behälterwand dafür konfiguriert ist, Ultraschallenergie durchzulassen, und wenigstens drei Abstandshalter enthält, die eine gleichförmige planare Oberfläche der Anpassungsschicht definieren, wobei Abstandshalter dafür konfiguriert sind, zwischen dem planaren piezoelektrischen Element und der Behälterwand eine im Wesentlichen gleichförmige Klebefuge aufrechtzuerhalten.
Behälter nach Anspruch 13, wobei jeder Abstandshalter säulenförmig, pyramidenförmig oder kuppelartig ist.
Behälter nach Anspruch 13, wobei die im Wesentlichen gleichförmige Klebefuge eine in Wesentlichen konstante Dicke aufweist, die durch eine Höhe der Abstandshalter gesteuert ist.
Behälter nach Anspruch 10, wobei der Behälter innerhalb des Behälters eine Fokusröhre enthält, wobei die Fokusröhre von einem unteren Wandabschnitt des Behälters zu einem oberen Wandabschnitt des Behälters nach oben verläuft, wobei das planare piezoelektrische Element mit einer Oberfläche der Behälterwand, die auf einer einem Bereich innerhalb der Fokusröhre gegenüberliegenden Seite der Behälterwand ist, gekoppelt ist.
Behälter nach Anspruch 16, wobei eine durch ein oberes Ende der Fokusröhre gebildete Ebene oder Oberfläche in Bezug auf die Fluidebene nicht parallel ist.
Behälter nach Anspruch 16, wobei der Behälter einen Fokusröhrenschwimmer, der durch die Fokusröhre beschränkt ist, enthält.
Verfahren zum Kleben einer Ultraschallsensor-Teilanordnung an eine Behälterwand eines Behälters zum Bilden eines Ultraschallsensors, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen des Behälters; Auftragen eines Klebstoffs auf die Behälterwand oder auf eine Oberfläche eines planaren piezoelektrischen Elements, das sich innerhalb der Sensorteilanordnung befindet; und Koppeln der Oberfläche des planaren piezoelektrischen Elements der Ultraschallsensor-Teilanordnung mit der Behälterwand in einem Bereich mit dem Klebstoff, um einen Ultraschallsensor in der Weise zu bilden, dass die Behälterwand eine Anpassungsschicht des Ultraschallsensors bildet.
Verfahren nach Anspruch 19, das ferner vor dem Auftragen des Klebstoffs umfasst: Reinigen einer Oberfläche der Behälterwand; oder Reinigen der Oberfläche des planaren piezoelektrischen Elements.
Verfahren nach Anspruch 19, das ferner umfasst: Aushärten des Klebstoffs.
Verfahren nach Anspruch 19, das ferner umfasst: Prüfen des Ultraschallsensors, um eine Klebeverbindung zwischen der Behälterwand und der Oberfläche des planaren piezoelektrischen Elements zu überprüfen.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Prüfen des Ultraschallsensors ferner umfasst: Koppeln der Ultraschallsensor-Teilanordnung mit einer Prüfvorrichtung über einen integrierten Verbinder; Stimulieren des Ultraschallsensors zum Messen der Nachschwingzeit bei mehreren Leistungspegeln; Empfangen der gemessenen Nachschwingzeitantworten bei mehreren Leistungspegeln von dem Ultraschallsensor; und Vergleichen der gemessenen Nachschwingzeitantworten gegenüber spezifizierten Schwellenwerten in einer Akzeptanztabelle für einen spezifizierten Behälterentwurf zum Überprüfen, dass die Nachschwingzeitantworten des Ultraschallsensors innerhalb der spezifizierten Schwellenwerte liegen, die für den spezifizierten Behälterentwurf einen funktionierenden Ultraschallsensor angeben.
Verfahren nach Anspruch 19, das ferner umfasst: Programmieren einer Schaltungsanordnung der Ultraschallsensor-Teilanordnung mit einer Eichtabelle, die eine gemessene Laufzeit (TOF) einer detektierten Schallwelle und eine Temperatur gegenüber einer vordefinierten Tabelle von Werten abbildet, um eine Füllstandsausgabe für einen spezifizierten Behälterentwurf und Typ eines Fluids, das gemessen wird, zu extrapolieren.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Eichtabelle für einen Behälter, eine Behältergröße, eine Behälterform und einen Typ des Fluids faktorisiert.