WO2008009277A1 - Mehrkammerultraschallsensor zur bestimmung eines flüssigkeitspegels - Google Patents

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WO2008009277A1
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chamber
measuring chamber
ultrasonic sensor
sensor according
liquid
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PCT/DE2007/001287
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Oliver Beyer
Henning Grotevent
Bernd Harigel
Manfred Roth
Gerd Unverzagt
Andreas Weibert
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Conti Temic Microelectronic Gmbh
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Publication date
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Priority to DE200711001418 priority patent/DE112007001418A5/de
Priority to US12/309,432 priority patent/US20090301187A1/en
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    • G01F23/36—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by floats using rotatable arms or other pivotable transmission elements using electrically actuated indicating means

Definitions

  • Multi-chamber ultrasound sensor for determining a liquid level
  • the invention relates to an ultrasonic sensor for determining a liquid level according to the preamble of claim 1.
  • Such sensors are used inter alia in automotive engineering for measuring the level of engine oil or fuel.
  • a sensor on the bottom of the container emits ultrasonic pulses.
  • the echo from the liquid surface is resumed by the transceiver.
  • the level is proportional to the sound propagation time.
  • the sound is passed through a arranged in a container hollow conduit or sound guide tube.
  • the tube is located in the liquid and is so far filled with liquid over at least one equalization opening, as it corresponds to the level in the container.
  • the level is measured by ultrasound.
  • Such an embodiment should be particularly suitable for measuring the level in irregularly shaped liquid containers.
  • a major disadvantage of this arrangement is that foam from the liquid to be determined can penetrate into the sound guide tube and easily falsify the determination of the liquid level.
  • the problem of foaming in an ultrasound-based sensor for determining the liquid level is especially for engine oil is that caused by circulation of the oil during operation of the engine air bubbles of various sizes. Depending on their size, these air bubbles have the property of either scattering or reflecting ultrasound signals. Under these circumstances, a sufficiently accurate and accurate measurement can not be guaranteed.
  • the penetration of air bubbles is prevented by the sieve, but this method fails due to the dirt particles and other entries in the oil.
  • the screen sets after a very short time, so that no adjustment of the level in the Measuring chamber to the determined level of the oil in the engine is more possible. An operation of the sensor in the engine can not be guaranteed over the entire lifetime.
  • the present invention seeks to provide an ultrasonic sensor of the type mentioned above, which prevents by its geometric structure that air bubbles penetrate into the measuring chamber, and thus allows a permanent and reliable determination of the liquid level.
  • At least one further chamber is arranged at least partially in front of the measuring chamber or at least partially around the measuring chamber, wherein the outermost chamber forms the inlet chamber. So that the liquid can pass from the inlet chamber into the measuring chamber, the chambers are in communication with each other.
  • the inlet chamber and the measuring chamber have laterally, preferably in each case at a height near the bottom of the housing, an opening for the inflow and outflow of the liquid.
  • the opening into the inlet chamber and the opening into the measuring chamber are in the Usually arranged radially as far apart as possible.
  • the air escaping from the surface of the liquid may exit the sensor through at least one housing vent located in the lid or on an outside of the inlet chamber at a level near the lid.
  • the pressure equalization in the measuring chamber is produced in particular by having at least one vent opening in the chambers outside the measuring chamber on the outside of the measuring chamber at a height close to the lid, in particular above the maximum measurable liquid level.
  • the liquid level in the measuring chamber can be determined from the transit time ratio of the signal reflected on the surface of the liquid and on a calibration reflector.
  • the calibration reflector is preferably arranged in the measuring chamber below the minimum possible liquid level.
  • the cross-section of the chambers may vary from chamber to chamber. This depends, among other things, on the geometry of the installation site.
  • the inlet chamber may have a substantially round cross section and the measuring chamber may have a substantially rectangular cross section.
  • the outer sides of the chambers which are arranged between the inlet chamber and the measuring chamber, are in particular designed as walls which extend from the bottom at most to a height just below the minimum measurable liquid level of the measuring chamber.
  • the liquid passes through the inlet opening into the inlet chamber.
  • the inlet chamber fills up to the level of the outside of the next chamber. Liquid continues to flow through the inlet opening and literally spills over the wall into the next chamber and so on.
  • the air bubbles rise to the surface of the liquid during this time and dissolve.
  • the liquid in the chamber in front of the measuring chamber is then advantageously already bubble-free.
  • the height and the length of the outside of this chamber are preferably such that the liquid capacity of this chamber is greater than the capacity of Measuring chamber itself.
  • the outside of the chambers disposed between the inlet chamber and the measuring chamber may extend from the bottom to the lid.
  • at least one vent opening is arranged on the outside of these chambers, in each case near the cover. So that the liquid can pass from the inlet chamber into the measuring chamber, at least one opening for the inflow and outflow of the liquid is arranged on each of these outer sides. In this case, this opening is located on the outside of at least the chamber which is closest to the measuring chamber, between the bottom and the lid at a level below the minimum measurable liquid level.
  • the capacity of the chamber in front of the measuring chamber is greater than the capacity of the measuring chamber itself.
  • the outer sides of the chambers which are arranged between the inlet chamber and the measuring chamber, are configured as walls which extend from the bottom at least to a height above the maximum measurable liquid level.
  • these outer sides of the chambers each have an opening for the inflow and outflow of the liquid at a height close to the bottom of the housing.
  • the openings are arranged such that the openings following one another in the direction of the measuring chamber are as far apart as possible.
  • the walls of the chambers extend between the inlet chamber and the measuring chamber up to the lid. Vents close to the lid provide the necessary pressure equalization in the inlet chamber or in the external environment.
  • At least one chamber is at least partially arranged around or in front of the measuring chamber. Furthermore, at least between two chambers, a separating device is provided such that the flow direction of the liquid on her Path from one chamber to the next chamber through the respective opening for inflow and outflow is predetermined. Preferably, the flow direction of successive chambers is thereby reversed and thus the flow path of the liquid from the inlet opening of the inlet chamber to the measuring chamber designed as long as possible.
  • This separator can be realized, for example, in a sensor of concentrically arranged tubes in particular by a radially extending inside a chamber divider. The same separation effect can also be achieved if in each case the outer sides of two successive chambers touch at least at one point preferably over the entire height.
  • the flow rate is then determined in particular by the cross section and the mounting location of an intermediate opening located at the gutter.
  • the intermediate opening is preferably arranged at a height near the bottom of the housing.
  • the existing separators and intermediate webs must be higher than the maximum possible liquid level.
  • 1 is a sectional view of an ultrasonic sensor with three chambers, without liquid,
  • FIG. 2 is a plan view of the sensor of FIG. 1 in the plane A-A,
  • FIG. 3 is a sectional view as in Figure 1, with liquid and surrounding system not in operation
  • 4 is a sectional view as in Figure 1, with liquid and surrounding system in operation
  • FIG. 5 is a sectional view as in Figure 1, fluid largely drained,
  • Fig. 6 is a sectional view as in Figure 1, outer wall of the chamber in front of the measuring chamber to the lid and opening at a level below minimum measurable
  • Fig. 7 is a sectional view as in Fig. 6, opening at height near the bottom
  • Fig. 8 is a plan view of the sensor of Fig. 7 in the plane A-A
  • FIG. 9 is a plan view of a sensor in the plane A-A, with separating webs and intermediate webs,
  • FIG. 10 shows a plan view of a sensor in the plane A-A, with a separating web and a further separating device
  • Fig. 1 1 is a plan view of a sensor in the plane A-A of rectangular cross-section and with a divider in the inlet chamber, wherein chambers are at least partially arranged in front of and around the measuring chamber.
  • Fig. 1 and Fig.2 show a sensor with three chambers (4, 6, 7) without liquid.
  • the cross section is round and the individual chambers (4, 6, 7) are formed by concentrically arranged tubes.
  • the outer tube is closed with a bottom (3) and a lid (2) and forms the housing (1) of the sensor.
  • the middle tube extends from the bottom (3) to the lid (2) and forms the measuring chamber (4).
  • the outer chamber also referred to as the inlet chamber (7), and the measuring chamber (4) each have on their outer side near the bottom (3) an opening (8) for the inflow and outflow of the engine oil.
  • the inlet chamber (7) and the measuring chamber (4) include a further chamber (6), wherein the outside of this chamber (6) through the inside of the inlet chamber (7) and the inside of the chamber (6), is formed by the measuring chamber (4).
  • the outside of the chamber (6) forms a wall which extends from the bottom (3) to just below the minimum level to be measured.
  • an ultrasonic transceiver (5) is mounted outside the housing (1), at the bottom in the region of the measuring chamber (4).
  • the oil passes through the bottom-near opening (8) into the inlet chamber (7).
  • the inlet chamber (7) fills up to the level of the outside of the next chamber (6). If oil continues to flow through the opening (8), it will literally spill over the wall into the next chamber (6). The air bubbles rise to the surface of the oil during this time and dissolve. From the chamber (6), the oil passes through the bottom opening (8) in the measuring chamber (4).
  • Fig. 3 shows the conditions in the sensor, as they are in particular, when the surrounding system, that is, the engine is not in operation.
  • the measuring chamber (4) and in particular the relevant lower region of the upstream chamber (6) are free of bubbles.
  • the air escaping from the remaining oil can escape through a housing ventilation opening (10) in the edge region of the cover (2).
  • the cover is closed in the area of the measuring chamber (4), which prevents bubble-containing oil from penetrating from the engine compartment directly into the measuring chamber (4).
  • the housing ventilation opening (10) could also be provided on the outside of the inlet chamber (7), preferably in the vicinity of the lid (2).
  • Fig. 4 shows the conditions in the sensor as they are possible when the engine is in operation.
  • the oil is distributed through the moving parts such as crankshaft and connecting rod in the engine.
  • the level in the oil pan so also in the sensor.
  • the pressure fluctuations caused by level changes in the measuring chamber (4) are compensated by the cover near the vent opening (1 1) on the outside of the measuring chamber.
  • upstream chamber (6) is preferably only bubble-free oil. If oil flows through the opening (8) into the inlet chamber (7), bubble-free oil is forced out of the chamber (6) into the measuring chamber (4).
  • the measurement of the transit time of the ultrasound signals emitted by the ultrasound transceiver and reflected at the calibration reflector (12) or at the surface of the oil in the measuring chamber (4) is thus advantageously falsified at any time by air bubbles.
  • the aforementioned calibration reflector (12) is formed in particular on the inside of the measuring chamber (4) below the minimum level to be measured.
  • Fig. 5 shows the situation in which the oil is drained from the sensor and from the oil pan of the engine, which occurs for example in an oil change.
  • the measuring chamber (4) and in the upstream chamber (6) there is only bubble-free oil. After refilling the sump and thus the sensor, the level can be measured immediately.
  • Fig. 6 shows a sensor as in Figs. 1 to 5, with the difference that here extends the outside of the chamber (6) to the lid (2).
  • the oil comes from the
  • Inlet chamber (7) through an opening (8) at a level just below the minimum liquid level to be measured in the chamber (6).
  • Inlet chamber (7), the upstream chamber (6) and the measuring chamber (4) is in this
  • Embodiment in particular arbitrary.
  • the cross section of the openings (8) and the number of openings (8) per chamber (4, 6, 7) can vary with each other and affects the
  • the vent opening (1 1) is arranged on the outside of the chamber (6) near the lid (2).
  • Figs. 7 and 8 show another embodiment of the sensor.
  • the openings (8) in the outside of each chamber (4, 6, 7) are each arranged in the vicinity of the bottom (3).
  • This has the advantage that with an exchange of the oil possible deposits such as oil sludge and shavings are washed out with largely.
  • Measuring chamber (4) successive openings (8) as far apart.
  • Chamber (6, 7) partly in a clockwise direction and partly counterclockwise on the
  • the residence time of the oil in a chamber (6, 7) can be extended by inserting a separator (9) as shown in FIG.
  • the separator (9) in the inlet chamber (7) is located to the right of the opening (8).
  • the flow direction in the next chamber (6) is predetermined in the clockwise direction.
  • the separating device (9) in the next chamber (6) is located to the left of the opening (8) in this chamber (6).
  • the flow direction is predetermined counterclockwise.
  • the openings (8) and the separating means (9) are in the plan view in a narrow angular range and the separating means (9) of two successive chambers (6, 7) alternately once left and once right of the respective opening (8)
  • the time required for the oil from entering the inlet chamber (7) to the measuring chamber (4) is the longest.
  • the arrangement of the separators (9) and the openings (8) may of course vary from embodiment to embodiment.
  • a separating device (9) can be realized, for example, by a separating web (9) which runs from one wall to the other within a chamber (6, 7).
  • the separating device (9) must in particular be higher than the maximum possible oil level.
  • the separating device (9) extends from the bottom (3) to the lid (2).
  • the flow rate can also be influenced by arranging at least one intermediate web (14) within a chamber (6, 7).
  • a gutter (14) In contrast to the separating web (9) is a gutter (14) but permeable to the oil.
  • an intermediate opening (13) is arranged in the intermediate web (14), preferably near the bottom.
  • the number of intermediate webs (14) per chamber (6, 7) and the cross-section and the number of intermediate openings (13) may vary as required.
  • two intermediate webs (14) are provided in the inlet chamber (7), and an intermediate web (14) is provided in the chamber (6).
  • the openings (8) for the inflow and outflow of the oil into and out of a chamber (4, 6, 7) and the intermediate openings (13) lie here in particular in one plane. But that is not mandatory.
  • the separator (9) is formed in the inlet chamber (7) by contacting the outsides of the successive inlet chamber (7) and the chamber (6) at least at one location, here over a small portion of the circumference , This also sets the flow direction in the inlet chamber (7).
  • the chamber (6) is on the left in addition to the opening (8) in this chamber (6) a separating web (9) is provided.
  • the opening (8) in the chamber (6) need not lie in the plane of the opening (8) in the inlet chamber (7) or in the measuring chamber (4).
  • Rg. 1 1 shows a plan view of a sensor with a rectangular cross-section.
  • the inlet chamber (7) is arranged around the measuring chamber (4), the chambers (6) are arranged at least partially in front of or around the measuring chamber (4).
  • the described multi-chamber ultrasound sensor guarantees a calming of the oil in the sensor and a bubble-free measuring chamber.

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Abstract

Ultraschallsensor zur Bestimmung eines Flüssigkeitspegels mit einem langgestreckten Gehäuse (1), das einen Deckel (2) und einen Boden (3) aufweist, mit einer Messkammer (4), im Gehäuses (1) angeordnet, in der eine Flüssigkeit den gleichen Pegel aufweist wie außerhalb der Messkammer (4), und mit einem Ultraschall-Sendeempfänger (5) am Boden (3) innerhalb oder außerhalb des Gehäuses (1) im Bereich der Messkammer (4), dessen ausgesendete Schallsignale an der Oberfläche der Flüssigkeit reflektieren und vom Ultraschall-Sendeempfänger (5) empfangen werden, um aus der Signallaufzeit den Flüssigkeitspegel zu ermitteln, wobei im Gehäuse (1) neben der Messkammer (4) wenigstens weitere Kammer (6, 7) zumindest teilweise vor der Messkammer (4) oder zumindest teilweise um die Messkammer (4) angeordnet ist, wobei die äußerste Kammer die Einlasskammer (7) bildet, und dass die Kammern (4, 6, 7) miteinander in Verbindung stehen.

Description

Mehrkammerultraschallsensor zur Bestimmung eines Flüssigkeitspegels
Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor zur Bestimmung eines Flüssigkeitspegels gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Sensoren werden unter anderem in der Kraftfahrzeugtechnik zur Messung des Pegels des Motoröls oder des Kraftstoffs eingesetzt. Ein Sensor am Behälterboden sendet Ultraschallimpulse aus. Das Echo von der Flüssigkeitsoberfläche wird vom Sendeempfänger wieder aufgenommen. Der Füllstand ist proportional der Schalllaufzeit. Gemäß der deutschen Patentanmeldung DE 33 30 059 A1 wird der Schall durch eine in einem Behälter angeordnete Hohlleitung oder Schallführungsrohr geführt. Am unteren Ende des Schallführungsrohres ist der Ultraschall-Sendeempfänger angebracht. Das Rohr befindet sich in der Flüssigkeit und ist über mindestens eine Ausgleichsöffnung so weit mit Flüssigkeit gefüllt, wie es dem Füllstand im Behälter entspricht. In dem Schallführungsrohr, das gekrümmt sein kann, wird der Füllstand mit Ultraschall gemessen. Eine solche Ausführungsform soll sich vor allem zur Messung des Füllstandes bei unregelmäßig geformten Flüssigkeitsbehältern eignen. Ein großer Nachteil dieser Anordnung ist, dass Schaum aus der zu bestimmenden Flüssigkeit in das Schallführungsrohr eindringen und die Bestimmung des Flüssigkeitspegels leicht verfälschen kann.
Die Problematik der Schaumbildung bei einem auf Ultraschall basierenden Sensor zur Bestimmung des Flüssigkeitspegels liegt insbesondere beim Motoröl darin, dass durch Umwälzungen des Öles beim Betrieb des Motors Lüftbläschen verschiedener Größen entstehen. Diese Luftbläschen haben abhängig von ihrer Größe die Eigenschaft, Ultraschallsignale entweder zu streuen oder zu reflektieren. Unter diesen Umständen kann eine hinreichend genaue und fehlerfreie Messung nicht garantiert werden.
Ein bisheriger Lösungsansatz, durch ein feinmaschiges Sieb (Maschenweite ca. 60μm), die Luftbläschen außerhalb der Messkammer zu halten, führt zu keinem befriedigenden Ergebnis. Das Eindringen von Luftbläschen wird durch das Sieb zwar verhindert, doch scheitert diese Methode an den Schmutzpartikeln und sonstigen Eintragungen im Öl. Durch diese Partikel setzt sich das Sieb nach kürzester Zeit zu, so dass kein Angleichen des Pegels in der Messkammer an den zu bestimmenden Pegel des Öls im Motor mehr möglich ist. Ein Betrieb des Sensors im Motor kann so nicht über die gesamte Lebensdauer garantiert werden.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallsensor der eingangs genannten Art anzugeben, der durch seinen geometrischen Aufbau verhindert, dass Luftbläschen in die Messkammer eindringen, und der somit eine permanente und zuverlässige Bestimmung des Flüssigkeitspegels ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Ultraschallsensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.
Im Gehäuse des Sensors sind neben der Messkammer insbesondere wenigstens eine weitere Kammer zumindest teilweise vor der Messkammer oder zumindest teilweise um die Messkammer angeordnet, wobei die äußerste Kammer die Einlasskammer bildet. Damit die Flüssigkeit von der Einlasskammer in die Messkammer gelangen kann, stehen die Kammern miteinander in Verbindung.
Die Einlasskammer und die Messkammer weisen seitlich, vorzugsweise jeweils in einer Höhe nahe dem Boden des Gehäuses, eine Öffnung zum Ein- und Ausströmen der Flüssigkeit auf. Damit der Weg, den die Flüssigkeit von der Einlasskammer in die Messkammer zurücklegt, und somit die Zeit, in der vorhandene Luftblasen an die Oberfläche der Flüssigkeit steigen können, möglichst lang ist, sind die Öffnung in die Einlasskammer und die Öffnung in die Messkammer in der Regel radial möglichst weit voneinander entfernt angeordnet.
Die Luft, die von der Oberfläche aus der Flüssigkeit entweicht, kann durch wenigstens eine Gehäuseentlüftungsöffnung, die im Deckel oder an einer Außenseite der Einlasskammer in einer Höhe nahe dem Deckel angeordnet ist, den Sensor verlassen.
Es ist aber darauf zu achten, dass der Deckel wenigstens im Bereich der Messkammer geschlossen ist. Dadurch wird verhindert, dass Flüssigkeit aus der Umgebung des Sensors, die mit großer Wahrscheinlichkeit Luftbläschen enthält, direkt in die Messkammer gelangen kann .
Der Druckausgleich in der Messkammer wird insbesondere dadurch hergestellt, dass an der Außenseite der Messkammer in einer Höhe nahe dem Deckel, insbesondere oberhalb des maximal messbaren Flüssigkeitspegels, wenigstens eine Entlüftungsöffnung in die Kammern außerhalb der Messkammer aufweist.
Der Flüssigkeitspegel in der Messkammer ist aus dem Laufzeitverhältnis des an der Oberfläche der Flüssigkeit und an einem Kalibrierreflektor reflektierten Signals ermittelbar. Dabei ist der Kalibrierreflektor in der Messkammer vorzugsweise unterhalb des minimal möglichen Flüssigkeitspegels angeordnet.
Der Querschnitt der Kammern kann von Kammer zu Kammer verschieden sein. Das hängt unter anderem von der Geometrie des Einbauortes ab. So kann die Einlasskammer zum Beispiel einen im wesentlichen runden und die Messkammer einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen.
Die Außenseiten der Kammern, die zwischen der Einlasskammer und der Messkammer angeordnet sind, sind insbesondere als Wände ausgestaltet, die sich vom Boden höchstens bis zu einer Höhe knapp unterhalb des minimal messbaren Flüssigkeitspegels der Messkammer erstrecken. Die Flüssigkeit gelangt durch die Einlassöffnung in die Einlasskammer. Die Einlasskammer füllt sich bis zur Höhe der Außenseite der nächsten Kammer. Es fließt weiter Flüssigkeit durch die Einlassöffnung nach und schwappt förmlich über die Wand in die nächste Kammer und so weiter. Die Luftblasen steigen während dieser Zeit an die Oberfläche der Flüssigkeit und lösen sich auf. Die Flüssigkeit in der Kammer vor der Messkammer ist dann vorteilhafter Weise bereits blasenfrei.
Damit bei einer Erhöhung des Flüssigkeitspegels in der Kammer vor der Messkammer aus dieser Kammer nur blasenfreie Flüssigkeit in die Messkammer gelangen kann, sind vorzugsweise die Höhe und die Länge der Außenseite dieser Kammer so bemessen, dass das Flüssigkeitsfassungsvermögen dieser Kammer größer ist, als das Fassungsvermögen der Messkammer selbst. -A-
Alternativ kann die Außenseite der Kammern, die zwischen der Einlasskammer und der Messkammer angeordnet sind, sich vom Boden bis zum Deckel erstrecken. Damit daraus die sich aus den sich auflösenden Luftblasen bildende Luft entweichen kann, ist an der Außenseite dieser Kammern jeweils nahe dem Deckel wenigstens eine Entlüftungsöffnung angeordnet. Damit die Flüssigkeit von der Einlasskammer in die Messkammer gelangen kann, ist an jeder dieser Außenseiten wenigstens eine Öffnung zum Ein- und Ausströmen der Flüssigkeit angeordnet. Dabei befindet sich diese Öffnung an der Außenseite zumindest der Kammer , die der Messkammer am nächsten ist, zwischen Boden und Deckel in einer Höhe unterhalb des minimal messbaren Flüssigkeitspegels. Analog zu der vorher beschriebenen Ausführungsform gilt auch hier, dass das Fassungsvermögen der Kammer vor der Messkammer größer ist als das Fassungsvermögen der Messkammer selbst.
In einer weiteren Variante sind die Außenseiten der Kammern, die zwischen der Einlasskammer und der Messkammer angeordnet sind, als Wände ausgestaltet sind, die sich vom Boden wenigstens bis zu einer Höhe oberhalb des maximal messbaren Flüssigkeitspegels erstrecken. Damit die Flüssigkeit von der Einlasskammer in die Messkammer gelangen kann, weisen diese Außenseiten der Kammern in einer Höhe nahe dem Boden des Gehäuses jeweils eine Öffnung zum Ein- und Ausströmen der Flüssigkeit aufweisen. Um den Weg, den die Flüssigkeit dabei zurücklegen muss und somit die Zeit, in der sich die Flüssigkeit und die Luftblasen entmischen können, möglichst lang zu gestalten, sind die Öffnungen derart angeordnet, dass die in Richtung Messkammer aufeinanderfolgenden Öffnungen möglichst weit voneinander entfernt liegen.
Bei einer zur zuletzt beschriebenen Ausführungsform des Sensors leicht abgewandelten Version erstrecken sich die Wände der Kammern zwischen der Einlasskammer und der Messkammer bis zum Deckel. Entlüftungsöffnungen nahe dem Deckel sorgen für den nötigen Druckausgleich in die Einlasskammer oder in die äußere Umgebung.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist wenigstens eine Kammer zumindest teilweise um die oder vor der Messkammer angeordnet. Ferner ist wenigstens zwischen zwei Kammern eine Trenneinrichtung derart vorgesehen, dass die Fließrichtung der Flüssigkeit auf ihrem Weg von einer Kammer in die nächste Kammer durch die jeweilige Öffnung zum Ein- und Ausströmen vorgegeben ist. Vorzugsweise wird dadurch die Fließrichtung von aufeinander folgenden Kammern umgedreht und somit der Fließweg der Flüssigkeit von der Einlassöffnung der Einlasskammer bis zur Messkammer möglichst lange gestaltet. Diese Trenneinrichtung kann zum Beispiel bei einem Sensor aus konzentrisch angeordneten Rohren insbesondere durch einen innerhalb einer Kammer radial verlaufenden Trennsteg realisiert sein. Die gleiche Trennwirkung kann auch dadurch erzielt werden, wenn sich jeweils die Außenseiten zweier aufeinanderfolgender Kammern zumindest an einer Stelle vorzugsweise über die gesamte Höhe berühren.
Eine weitere Möglichkeit, die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit zu beeinflussen, ist die Anbringung von Zwischenstegen innerhalb einer Kammer. Die Fließgeschwindigkeit wird dann insbesondere durch den Querschnitt und den Anbringungsort einer am Zwischensteg befindlichen Zwischenöffnung bestimmt. Die Zwischenöffnung ist vorzugsweise in einer Höhe nahe dem Boden des Gehäuses angeordnet ist.
Für Ausführungsformen, bei denen die Flüssigkeit auf dem Weg von einer Kammer in die nächste durch bodennahe Öffnungen geführt wird, müssen die vorhandenen Trenneinrichtungen und Zwischenstege höher sein als der maximal mögliche Flüssigkeitspegel.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung entnehmbar, in der bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Ultraschallsensors mit drei Kammern, ohne Flüssigkeit,
Fig. 2 eine Draufsicht des Sensors aus Fig. 1 in der Ebene A-A,
Fig. 3 eine Schnittdarstellung wie in Fig.1, mit Flüssigkeit und umgebendes System nicht in Betrieb, Fig. 4 eine Schnittdarstellung wie in Fig.1 , mit Flüssigkeit und umgebendes System in Betrieb,
Fig. 5 eine Schnittdarstellung wie in Fig.1 , Flüssigkeit weitgehend abgelassen,
Fig. 6 eine Schnittdarstellung wie in Fig.1 , Außenwand der Kammer vor der Messkammer bis zum Deckel und Öffnung in Höhe unterhalb minimal messbarem
Flüssigkeitspegel,
Fig. 7 eine Schnittdarstellung wie in Fig. 6, Öffnung in Höhe nahe dem Boden, Fig. 8 eine Draufsicht des Sensors aus Fig. 7 in der Ebene A-A,
Fig. 9 eine Draufsicht eines Sensors in der Ebene A-A, mit Trennstegen und Zwischenstegen,
Fig. 10 eine Draufsicht eines Sensors in der Ebene A-A, mit einem Trennsteg und einer weiteren Trenneinrichtung,
Fig. 1 1 eine Draufsicht eines Sensors in der Ebene A-A mit rechteckigem Querschnitt und mit einem Trennsteg in der Einlasskammer, wobei Kammern zumindest teilweise vor und um die Messkammer angeordnet sind.
Nachfolgend wird ein Ultraschallsensor, oder kurz Sensor, beschrieben, wie er zum Beispiel in Kraftfahrzeugen zum Messen des Motorölpegels verwendet wird. Dabei ist der Pegel im Sensor und im Motor selbst identisch und der Messbereich des Sensors liegt in der Regel zwischen einem minimalen und einem maximalen Wert. Fig. 1 und Fig.2 zeigen einen Sensor mit drei Kammern (4, 6, 7) ohne Flüssigkeit. Der Querschnitt ist rund und die einzelnen Kammern (4, 6, 7) werden durch konzentrisch angeordnete Rohre gebildet. Das äußere Rohr ist mit einem Boden (3) und einem Deckel (2) abgeschlossen und bildet das Gehäuse (1) des Sensors. Das mittlere Rohr erstreckt sich vom Boden (3) bis zum Deckel (2) und bildet die Messkammer (4). Die äußere Kammer, auch als Einlasskammer (7) bezeichnet, und die Messkammer (4) besitzen jeweils an ihrer Außenseite nahe dem Boden (3) eine Öffnung (8) zum Ein- und Ausströmen des Motoröls. Die Einlasskammer (7) und die Messkammer (4) schließen eine weitere Kammer (6) ein, wobei die Außenseite dieser Kammer (6) durch die Innenseite der Einlasskammer (7) und die Innenseite der Kammer (6), durch die Messkammer (4) gebildet wird. Die Außenseite der Kammer (6) bildet eine Wand, die sich vom Boden (3) bis knapp unterhalb des minimal zu messenden Pegels erstreckt. Außerhalb des Gehäuses (1), am Boden im Bereich der Messkammer (4), ist ein Ultraschall- Sendeempfänger (5) angebracht.
Bei der Erstbefüllung gelangt das Öl durch die bodennahe Öffnung (8) in die Einasskammer (7). Die Einlasskammer (7) füllt sich bis zur Höhe der Außenseite der nächsten Kammer (6). Fließt weiter Öl durch die Öffnung (8) nach, schwappt es förmlich über die Wand in die nächste Kammer (6). Die Luftblasen steigen während dieser Zeit an die Oberfläche des Öls und lösen sich auf. Von der Kammer (6) gelangt das Öl durch die bodennahe Öffnung (8) in die Messkammer (4).
Fig. 3 zeigt die Verhältnisse im Sensor, wie sie sich insbesondere darstellen, wenn das umgebende System, sprich der Motor nicht im Betrieb ist. Die Messkammer (4) und insbesondere der maßgebliche untere Bereich der vorgelagerten Kammer (6) sind blasenfrei. Die aus dem restlichen Öl entweichende Luft kann durch eine Gehäuseentlüftungsöffnung (10) im Randbereich des Deckels (2) entweichen. Der Deckel ist im Bereich der Messkammer (4) geschlossen, wodurch verhindert wird, dass blasenhaitiges Öl von oben aus dem Motorraum direkt in die Messkammer (4) eindringen kann. Die Gehäuseentlüftungsöffnung (10) könnte auch an der Außenseite der Einlasskammer (7), bevorzugt in der Nähe des Deckels (2) vorgesehen sein.
Fig. 4 zeigt die Verhältnisse im Sensor, wie sie möglich sind, wenn der Motor im Betrieb ist. Das Öl wird durch die sich bewegenden Teile wie Kurbelwelle und Pleuel im Motor verteilt. Dadurch sinkt der Pegel in der Ölwanne, also auch im Sensor. Die durch Pegeländerungen verursachten Druckschwankungen in der Messkammer (4) werden durch die deckelnahe Entlüftungsöffnung (1 1) an der Außenseite der Messkammer ausgeglichen. In der der Messkammer (4) vorgelagerten Kammer (6) befindet sich vorzugsweise nur blasenfreies Öl. Fließt Öl durch die Öffnung (8) in die Einlasskammer (7) nach, wird aus der Kammer (6) blasenfreies Öl in die Messkammer (4) nachgedrückt. Dadurch, dass insbesondere das Fassungsvermögen der Kammer (6) durch die Auslegung der Höhe und der Länge der diese Kammer (6) umgebenden Wand größer ist, als das der Messkammer (4), ist sicher gestellt, dass sich bei allen möglichen Pegeländerungen nur blasenfreies Öl in der Messkammer befindet. Die Messung der Laufzeit der vom Ultraschall-Sendeempfänger ausgesendeten und am Kalibrierreflektor (12) beziehungsweise an der Oberfläche des in der Messkammer (4) befindlichen Öls reflektierten Ultraschallsignale wird somit vorteilhafter Weise zu keiner Zeit durch Luftblasen verfälscht. Der erwähnte Kalibrierreflektor (12) ist insbesondere an der Innenseite der Messkammer (4) unterhalb des minimal zu messenden Pegels ausgebildet.
Fig. 5 zeigt die Situation, in der das Öl aus dem Sensor und aus der Ölwanne des Motors abgelassen ist, was zum Beispiel bei einem Ölwechsel vorkommt. In der Messkammer (4) und in der vorgelagerten Kammer (6) findet sich nur blasenfreies Öl. Nach der Neubefüllung der Ölwanne und damit des Sensors kann sofort mit der Messung des Pegels begonnen werden.
Fig. 6 zeigt einen Sensor wie in den Fig. 1 bis 5, mit dem Unterschied, dass sich hier die Außenseite der Kammer (6) bis zum Deckel (2) erstreckt. Das Öl gelangt von der
Einlasskammer (7) durch eine Öffnung (8) in einer Höhe knapp unterhalb des minimal zu messenden Flüssigkeitspegels in die Kammer (6). Die relative Lage der Öffnungen (8) in der
Einlasskammer (7), der vorgelagerten Kammer (6) und der Messkammer (4) ist bei dieser
Ausführungsform insbesondere willkürlich. Der Querschnitt der Öffnungen (8) und die Anzahl der Öffnungen (8) pro Kammer (4, 6, 7) kann untereinander variieren und beeinflusst die
Fließgeschwindigkeit des Öls im Sensor. Die Entlüftungsöffnung (1 1) ist an der Außenseite der Kammer (6) nahe dem Deckel (2) angeordnet.
Fig. 7 und 8 zeigen eine weitere Ausführungsform des Sensors. Die Öffnungen (8) in der Außenseite jeder Kammer (4, 6, 7) sind jeweils in der Nähe des Bodens (3) angeordnet. Das hat den Vorteil, dass bei einem Austausch des Öls mögliche Ablagerungen wie Ölschlamm und Späne weitgehend mit ausgeschwemmt werden. Vorzugsweise sind die in Richtung
Messkammer (4) aufeinander folgenden Öffnungen (8) möglichst weit voneinander entfernt.
Dadurch wird der Weg, den das Öl bis in die Messkammer (4) zurücklegen muss bei dieser Ausführungsform des Sensors möglichst lang. Das Öl kann sich aber beim Eintritt in eine
Kammer (6, 7) zum Teil im Uhrzeigersinn und zum Teil gegen den Uhrzeigersinn auf die
Öffnung (8) in die nächste Kammer (6, 7) zubewegen. Die Verweildauer des Öls in einer Kammer (6, 7) kann durch Einführen einer Trenneinrichtung (9), wie in Fig. 9 gezeigt, verlängert werden. Die Trenneinrichtung (9) in der Einlasskammer (7) liegt rechts von der Öffnung (8). Dadurch ist in der Einlasskammer(7) die Fließrichtung in die nächste Kammer (6) im Uhrzeigersinn vorgegeben. Die Trenneinrichtung (9) in der nächsten Kammer (6) liegt links von der Öffnung (8) in diese Kammer (6) . Somit ist in dieser Kammer(7) die Fließrichtung gegen den Uhrzeigersinn vorgegeben. Dadurch, dass die Öffnungen (8) und die Trenneinrichtungen (9) in der Draufsicht in einem engen Winkelbereich liegen und die Trenneinrichtungen (9) zweier aufeinander folgender Kammern (6, 7) abwechselnd einmal links und einmal rechts von der jeweiligen Öffnung (8) liegen, ist in diesem Beispiel die Zeit, die das Öl vom Eintritt in die Einlasskammer (7) bis in die Messkammer (4) benötigt, am längsten. Die Anordnung der Trenneinrichtungen (9) und der Öffnungen (8) kann natürlich von Ausführungsform zu Ausführungsform variieren. Eine Trenneinrichtung (9) kann beispielsweise durch einen Trennsteg (9), der innerhalb einer Kammer (6, 7) von einer Wand zur anderen Wand verläuft, realisiert sein. Die Trenneinrichtung (9) muss insbesondere höher sein als der maximal mögliche Ölpegel. Verzugsweise erstreckt sich die Trenneinrichtung (9) vom Boden (3) bis zum Deckel (2). Die Fließgeschwindigkeit kann auch durch Anordnung wenigstens eines Zwischensteges (14) innerhalb einer Kammer (6, 7) beeinflusst werden. Für die Höhe eines Zwischenstegs (14) gilt das gleiche wie für einen Trennsteg (9). Im Gegensatz zum Trennsteg (9) ist ein Zwischensteg (14) aber für das Öl durchlässig. Dazu ist im Zwischensteg (14), vorzugsweise nahe dem Boden, eine Zwischenöffnung (13) angeordnet. Die Anzahl der Zwischenstege (14) pro Kammer (6, 7) und der Querschnitt und die Anzahl der Zwischenöffnungen (13) kann je nach Anforderung variieren. In Fig. 9 sind in der Einlasskammer (7) zwei Zwischenstege (14), in der Kammer (6) ein Zwischensteg (14) vorgesehen. Die Öffnungen (8) zum Ein- und Ausströmen des Öls in und aus einer Kammer (4, 6, 7) und die Zwischenöffnungen (13) liegen hier insbesondere in einer Ebene. Das ist aber nicht zwingend.
In Fig. 10 wird die Trenneinrichtung (9) in der Einlasskammer (7) dadurch gebildet, dass sich die Außenseiten der aufeinander folgenden Einlasskammer (7) und der Kammer (6) zumindest an einer Stelle, hier über einen kleinen Teil des Umfangs, berühren. Auch dadurch wird die Fließrichtung in der Einlasskammer (7) vorgegeben. In der Kammer (6) ist links neben der Öffnung (8) in diese Kammer (6) ein Trennsteg (9) vorgesehen. Die Öffnung (8) in die Kammer (6) muss nicht in der Ebene der Öffnung (8) in die Einlasskammer (7) oder in die Messkammer (4) liegen.
Rg. 1 1 zeigt eine Draufsicht auf einen Sensor mit rechteckigem Querschnitt. Die Einlasskammer (7) ist um die Messkammer (4), die Kammern (6) sind zumindest teilweise vor oder um die Messkammer (4) angeordnet.
Der beschriebene Mehrkammerultraschallsensor garantiert eine Beruhigung des Öls im Sensor und eine blasenfreie Messkammer.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand der vorstehenden Beschreibung so dargestellt, um das Prinzip der Erfindung und dessen praktische Anwendung bestmöglich zu erklären. Jedoch lässt sich die Erfindung bei geeigneter Abwandlung selbstverständlich in zahlreichen anderen Ausführungsformen und Kombinationen realisieren.
Bezugszeichenliste:
1 Gehäuse
2 Deckel 3 Boden
4 Messkammer
5 Ultraschall-Sendeempfänger
6 Kammer
7 Einlasskammer 8 Öffnung zum Ein- und Ausströmen der Flüssigkeit
9 Trenneinrichtung
10 Gehäuseentlüftungsöffnung
1 1 Entlüftungsöffnung
12 Kalibrierreflektor 13 Zwischenöffnung
14 Zwischensteg

Claims

Patentansprüche
1. Ultraschallsensor zur Bestimmung eines Flüssigkeitspegels mit
- einem langgestreckten Gehäuse (1), das einen Deckel (2) und einen Boden (3) aufweist, - einer Messkammer (4), im Gehäuses (1) angeordnet, in der eine Flüssigkeit den gleichen
Pegel aufweist wie außerhalb der Messkammer (4),
- einem Ultraschall-Sendeempfänger (5) am Boden (3) innerhalb oder außerhalb des
Gehäuses (1) im Bereich der Messkammer (4), dessen ausgesendete Schallsignale an der Oberfläche der Flüssigkeit reflektieren und vom Ultraschall-Sendeempfänger (5) empfangen werden, um aus der Signallaufzeit den Flüssigkeitspegel zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (1) neben der Messkammer (4) wenigstens eine weitere Kammer (6, 7) zumindest teilweise vor der Messkammer (4) oder zumindest teilweise um die Messkammer (4) angeordnet ist, wobei die äußerste
Kammer die Einlasskammer (7) bildet, und dass die Kammern (4, 6, 7) miteinander in Verbindung stehen.
2. Ultraschallsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Einlasskammer (7) und die Messkammer (4) seitlich, jeweils in einer Höhe nahe dem Boden (3) des Gehäuses (1), eine Öffnung (8,) zum Ein- und Ausströmen der Flüssigkeit aufweisen.
3. Ultraschallsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Gehäuseentlüftungsöffnung (10) im Deckel (2) oder an einer Außenseite der Einlasskammer (7) in einer Höhe nahe am Deckel (2) angeordnet ist.
4. Ultraschallsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (2) wenigstens im Bereich der Messkammer (4) geschlossen ist.
5. Ultraschallsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer (4) an einer Außenseite in einer Höhe nahe dem Deckel (2), oberhalb des maximal messbaren Flüssigkeitspegels, wenigstens eine Entlüftungsöffnung (1 1) aufweist.
6. Ultraschallsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Messkammer (4) unterhalb des minimal möglichen
Flüssigkeitspegels ein Kalibrierreflektor (12) angeordnet ist und der Flüssigkeitspegel aus dem Laufzeitverhältnis des an der Oberfläche der Flüssigkeit und am
Kalibrierreflektor (12) reflektierten Signals ermittelbar ist.
7. Ultraschallsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt wenigstens einer Kammer (4, 6, 7) im wesentlichen rund oder rechteckig ist.
8. Ultraschallsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseiten der Kammern (6), die zwischen der
Einlasskammer (7) und der Messkammer (4) angeordnet sind, als Wände ausgestaltet sind, die sich vom Boden (3) höchstens bis zu einer Höhe knapp unterhalb des minimal messbaren Flüssigkeitspegels erstrecken.
9. Ultraschallsensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe und die Länge der Außenseite der Kammer (6), die der Messkammer (4) am nächsten ist, so bemessen sind, dass das Fassungsvermögen dieser Kammer (6) größer ist, als das Fassungsvermögen der Messkammer (4) selbst.
10. Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7 , dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite der Kammern (6), die zwischen der Einlasskammer (7) und der Messkammer (4) angeordnet sind, sich vom Boden (3) bis zum Deckel (2) erstrecken, dass an der Außenseite dieser Kammern (6) nahe dem Deckel (2) wenigstens eine Entlüftungsöffnung (1 1) angeordnet ist, und dass an der Außenseite zumindest der Kammer (6), die der Messkammer (4) am nächsten ist, zwischen Boden (3) und Deckel
(2) in einer Höhe unterhalb des minimal messbaren Flüssigkeitspegels wenigstens eine Öffnung ( 8) zum Ein- und Ausströmen der Flüssigkeit angeordnet ist.
1 1. Ultraschallsensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe , in der die Zwischenöffnung (13) angeordnet ist, und die Länge der Außenseite der Kammer (6), die der Messkammer am nächsten ist, so bemessen sind, dass das Fassungsvermögen dieser Kammer (6) größer ist, als das Fassungsvermögen der Messkammer (4) selbst.
12. Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7 , dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseiten der Kammern (6), die zwischen der Einlasskammer (7) und der Messkammer (4) angeordnet sind, als Wände ausgestaltet sind, die sich vom Boden (3) wenigstens bis zu einer Höhe oberhalb des maximal messbaren Flüssigkeitspegeis erstrecken und dass diese Außenseiten der Kammern (6) in einer Höhe nahe dem Boden (3) des Gehäuses (1) jeweils eine Öffnung (8) zum Ein- und Ausströmen der Flüssigkeit aufweisen.
13. Ultraschallsensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (8) derart angeordnet sind, dass die in Richtung Messkammer (4) aufeinanderfolgenden Öffnungen (8) möglichst weit voneinander entfernt liegen.
14. Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7 , dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseiten der Kammern (6), die zwischen der Einlasskammer (7) und der
Messkammer (4) angeordnet sind, sich vom Boden (3) bis zum Deckel (2) erstrecken und dass diese Außenseiten der Kammern (6) in einer Höhe nahe dem Boden (3) des Gehäuses (1) jeweils eine Öffnung (8) zum Ein- und Ausströmen der Flüssigkeit und nahe dem Deckel (2) eine Entlüftungsöffnung (1 1) aufweisen.
15. Ultraschallsensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (8) derart angeordnet sind, dass die in Richtung Messkammer (4) aufeinanderfolgenden Öffnungen (8) möglichst weit voneinander entfernt liegen.
16. Ultraschallsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Kammer (6, 7) um die oder vor der Messkammer (4) angeordnet ist und dass wenigstens in einer Kammer (4, 6, 7) eine Trenneinrichtung (9) vorgesehen ist, die die Fließrichtung der Flüssigkeit auf ihrem Weg von einer Kammer (4, 6, 7) in die nächste Kammer (4, 6, 7) durch die jeweilige Öffnung (8) vorgibt.
17. Ultraschallsensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die
Trenneinrichtung (9) durch einen Trennsteg (9) realisiert ist.
18. Ultraschallsensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die
Trenneinrichtung (9) dadurch realisiert ist, dass sich jeweils die Außenseiten zweier aufeinanderfolgender Kammern (4, 6, 7) zumindest an einer Stelle berühren.
19. Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 16 bis 18 , dadurch gekennzeichnet, dass jede Kammer (6, 7) wenigstens einen Zwischensteg (14) aufweist, wobei am Zwischensteg (9), in einer Höhe nahe dem Boden (3) des Gehäuses (1), eine Zwischenöffnung (13) zum Ein- und Ausströmen der Flüssigkeit angeordnet ist.
20. Ultraschallsensor nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtungen (9) und die Zwischenstege (14) höher sind als der maximal messbare Flüssigkeitspegel.
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