WO2009074137A1 - Füllstandssensor - Google Patents

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liquid
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Oliver Beyer
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Aumovio Microelectronic GmbH
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Conti Temic Microelectronic GmbH
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—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
    • G01F23/22—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 measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—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 measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/296—Acoustic waves
    • G01F23/2968—Transducers specially adapted for acoustic level indicators

Definitions

  • the invention relates to a fill level sensor according to the preamble of claim 1.
  • Such level sensors are known as ultrasonic level sensors.
  • a strong attenuation of the sound wave entering the liquid column from the piezoelectric element occurs.
  • a level sensor of the type mentioned in such a way that an attenuation of the out of the piezoelectric element and entering the liquid column sound wave is reduced.
  • the coupling coating because of the coupling coating, there is no need to couple the sound wave from the piezoelectric element via a wall of the liquid container, ie via a housing layer, into the latter.
  • the coupling takes place practically directly from the piezoelectric element via the coupling coating in the liquid column.
  • the layer thickness of the coupling coating separating the piezoelectric element from the liquid column can be kept very low, without any fear of restrictions for the sealing effect of the coupling coating.
  • This layer thickness of the coupling coating can for example be in a range between 0.1 mm and 5 mm.
  • an adapted according to claims 3 or 4 coupling coating ensures good reliability of the level sensor, even in changing environmental conditions.
  • the coupling coating is also adapted in terms of its thermal and / or chemical and / or mechanical properties to the material of the piezoelectric element.
  • An additional sealing of the contact element according to claim 5 by the coupling coating simplifies the structure of the level sensor.
  • the side of the piezoelectric element facing the liquid column can be contacted directly with the first contact element, which leads to an additional increase in efficiency when the ultrasonic wave is coupled into the liquid column.
  • a conductive coating according to claim 6 provides for efficient power injection from the second contact element into the piezoelectric element.
  • a conductive coating according to claim 7 enables a cost-effective production of the level sensor.
  • Variants of the level sensor according to claims 8 and 9 and 10 ensure sufficient in practice mechanical decoupling of the piezoelectric element from the surrounding soil and thus from the housing of the level sensor. This further increases the efficiency of the sound power input via the piezo element.
  • a contact element guide according to claim 11 additionally simplifies the construction of the level sensor.
  • the contact elements may for example be encapsulated by the housing material of the liquid container.
  • FIG. 1 shows schematically a bottom region of a liquid container with a piezoelement arranged there for level measurement and schematically a liquid column above the piezoelement;
  • Fig. 2 shows the bottom portion of the liquid container together with the
  • Fig. 3 in a similar to Fig. 2 representation of another variant of a bottom portion of a liquid container with a piezoelectric element for level measurement.
  • a level sensor 1 has a liquid container 2, of which only one bottom area 3 is shown in the drawing.
  • a piezoelectric element 4 which is arranged in the bottom portion 3 of the liquid container 2.
  • a liquid column 5 is arranged in the liquid container 2.
  • a first contact element 6 is arranged on a side of the piezoelectric element 4 facing the liquid column.
  • a second contact element 7 is on the liquid Column 5 arranged side facing away from the piezoelectric element 4. Via a connecting wire 8, the first contact element 6 is electrically contacted with the liquid column 5 side facing the piezoelectric element 4.
  • the second contact element 7 is in electrical contact with the side facing away from the liquid column 5 of the piezoelectric element 4 via a conductive coating 9 with the side of the piezoelectric element 4 facing away from the liquid column 5.
  • the conductive coating 9 is applied to the entire, the liquid column 5 opposite side of the piezoelectric element 4.
  • the conductive coating 9 is made of electrically conductive adhesive.
  • the conductive coating 9 and a lower portion of the piezoelectric element 4 are accommodated in a complementary receptacle in the bottom region 3 of the liquid container 2.
  • the piezoelectric element 4 is sealed by a coupling coating 10 against an interior 11 of the liquid container 2, in which the liquid column 5 is present.
  • the coupling coating 10 is applied to the liquid column 5 side facing the piezoelectric element 4.
  • the coupling coating 10 is designed as potting compound and adapted in its thermal and chemical and mechanical properties on the one hand to the material of the liquid container 2 and on the other hand to the material of the piezoelectric element 4.
  • the coupling coating 10 also covers the first contact element 6. In this way, the first contact element 6 is sealed against the interior 11 of the liquid container 2.
  • the two contact elements 6, 7 are guided through a bottom 12 of the liquid container 2 to the outside.
  • the level sensor 1 is designed as an ultrasonic level sensor.
  • a sound power is coupled into the liquid column 5.
  • the fluid level results from the echo signal, which in turn is received via the piezoelectric element 4, to the coupled-in sound power.
  • the sound power is introduced from the piezoelectric element 4 via the coupling coating 10 into the liquid column 5.
  • a limit level 13 which coincides with the side of the piezoelectric element 4 which faces the liquid column 5 lies above a bottom level 14 of the bottom 12 of the liquid container 2.
  • the piezoelectric element 4 thus housed in a raised portion 15 of the bottom portion 3. This leads to a substantial mechanical decoupling of the piezoelectric element 4 from the liquid container 2.
  • An upper side of the coupling coating 10 is aligned with an edge region of the raised portion 15 that surrounds the latter.
  • Fig. 3 shows another embodiment of the level sensor 1.
  • Components corresponding to those already explained above with reference to Figs. 1 and 2 bear the same reference numerals and will not be discussed again in detail.
  • the piezoelectric element 4 is therefore housed in a recessed portion 18 of the bottom portion 3 of the liquid container 2.
  • the top of Ankoppel- coating 10 is aligned with a peripheral edge around this area of the recessed portion 18.
  • a circumferential around the piezoelectric element 4 recess 19 in the bottom 12 of the liquid container 2 is arranged.
  • the depression 19 serves in the embodiment according to FIG. 3 for extensive mechanical decoupling of the piezoelectric element 4 from the liquid container 2.
  • the level sensor 1 is used in particular as an ultrasonic oil level sensor in a motor vehicle.

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Abstract

Ein Füllstandssensor (1) hat einen Flüssigkeitsbehälter (2). Ein Piezoelement (4) ist in einem Bodenbereich (3) des Flüssigkeitsbehälters (2) angeordnet. Ein erstes Kontaktelement (6) ist auf einer einer Flüssigkeitssäule (5) zugewandten Seite des Piezoelements (4) und ein zweites Kontaktelement (7) ist auf einer der Flüssigkeitssäule (5) abgewandten Seite des Piezoelements (4) angeordnet. Die Kontaktelemente (6, 7) stehen mit dem Piezoelement (4) in elektrischem Kontakt. Das Piezoelement (4) ist durch eine Ankoppel-Beschichtung (10), die auf der der Flüssigkeitssäule (5) zugewandten Seite des Piezoelements (4) aufgebracht ist, gegen einen Innenraum (11) des Flüssigkeitsbehälters (2) abgedichtet. Es resultiert ein Füllstandssensor, bei dem eine Dämpfung der aus dem Piezoelement aus- und in die Flüssigkeitssäule eintretenden Schallwelle verringert ist.

Description

Füllstandssensor
Die Erfindung betrifft einen Füllstandssensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Füllstandssensoren sind als Ultraschall-Füllstandssensoren bekannt. Bei den bekannten Füllstandssensoren tritt eine starke Dämpfung der aus dem Piezoelement in die Flüssigkeitssäule eintretenden Schallwelle auf.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Füllstandssensor der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass eine Dämpfung der aus dem Piezoelement aus- und in die Flüssigkeitssäule eintretenden Schallwelle verringert ist.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch einen Füllstandssensor mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass wegen der Ankoppel-Beschichtung die Notwendigkeit wegfällt, die Schallwelle vom Piezoelement aus über eine Wand des Flüssigkeitsbehälters, also über eine Gehäuseschicht von diesen, in diesen einzukoppeln. Die Einkopplung erfolgt vielmehr praktisch direkt vom Piezoelement über die Ankoppel-Beschichtung in die Flüssigkeitssäule. Die das Piezoelement von der Flüssigkeitssäule trennende Schichtstärke der Ankoppel-Beschichtung kann dabei sehr gering gehalten werden, ohne dass hierbei Einschränkungen für die abdichtende Wirkung der Ankoppel-Beschichtung zu befürchten sind. Diese Schichtstärke der Ankoppel-Beschichtung kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 0,1 mm und 5 mm liegen.
P TM81887 Eine Ankoppel-Beschichtung nach Anspruch 2 fuhrt zu einer kostengünstigen Herstellung des Füllstandssensors.
Eine nach den Ansprüchen 3 oder 4 angepasste Ankoppel-Beschichtung gewährleistet eine gute Betriebssicherheit des Füllstandssensors auch bei wechselnden Umgebungsbedingungen. Bevorzugt ist die Ankoppel- Beschichtung in ihren thermischen und/oder chemischen und/oder mechanischen Eigenschaften auch an das Material des Piezoelements angepasst.
Eine zusätzliche Abdichtung des Kontaktelements nach Anspruch 5 durch die Ankoppel-Beschichtung vereinfacht den Aufbau des Füllstandssensors. Es kann insbesondere direkt die der Flüssigkeitssäule zugewandte Seite des Piezoelements mit dem ersten Kontaktelement kontaktiert werden, was zu einer zusätzlichen Effizienzsteigerung bei der Einkopplung der Ultraschallwelle in die Flüssigkeitssäule führt.
Eine Leitfähigkeits-Beschichtung nach Anspruch 6 sorgt für eine effiziente Leistungseinkopplung vom zweiten Kontaktelement in das Piezoelement.
Eine Leitfähigkeits-Beschichtung nach Anspruch 7 ermöglicht eine kostengünstige Herstellung des Füllstandssensors.
Varianten des Füllstandssensors nach den Ansprüchen 8 sowie 9 und 10 gewährleisten eine in der Praxis ausreichende mechanische Entkopplung des Piezoelements vom umgebenden Boden und damit vom Gehäuse des Füllstandssensors. Dies steigert die Effizienz der Schallleistungs- Einkopplung über das Piezoelement nochmals. Eine Kontaktelement-Führung nach Anspruch 11 vereinfacht den Aufbau des Füllstandssensors zusätzlich. Die Kontaktelemente können beispielsweise vom Gehäusematerial des Flüssigkeitsbehälters umspritzt sein.
Bei einem Ultraschall-Füllstandssensor nach Anspruch 12 kommen die vorstehend erläuterten Vorteile besonders gut zum Tragen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
Fig. 1 schematisch einen Bodenbereich eines Flüssigkeitsbehälters mit einem dort angeordneten Piezoelement zur Füllstandsmessung sowie schematisch einer Flüssigkeitssäule oberhalb des Piezo- elements;
Fig. 2 den Bodenbereich des Flüssigkeitsbehälters zusammen mit dem
Piezoelement vergrößert und stärker im Detail; und
Fig. 3 in einer zu Fig. 2 ähnlichen Darstellung eine weitere Variante eines Bodenbereichs eines Flüssigkeitsbehälters mit einem Piezoelement zur Füllstandsmessung.
Ein Füllstandssensor 1 hat einen Flüssigkeitsbehälter 2, von dem in der Zeichnung lediglich ein Bodenbereich 3 dargestellt ist. Zur Füllstandsde- tektion dient ein Piezoelement 4, das im Bodenbereich 3 des Flüssigkeitsbehälters 2 angeordnet ist. Oberhalb des Piezoelements 4 ist im Flüssigkeitsbehälter 2 eine Flüssigkeitssäule 5 angeordnet. Ein erstes Kontaktelement 6 ist auf einer der Flüssigkeitssäule zugewandten Seite des Piezoelements 4 angeordnet. Ein zweites Kontaktelement 7 ist auf der der Flüssig- keitssäule 5 abgewandten Seite des Piezoelements 4 angeordnet. Über einen Verbindungsdraht 8 ist das erste Kontaktelement 6 mit der der Flüssigkeitssäule 5 zugewandten Seite des Piezoelements 4 elektrisch kontaktiert. Das zweite Kontaktelement 7 steht mit der der Flüssigkeitssäule 5 abge- wandten Seite des Piezoelements 4 über eine Leitfähigkeits-Beschichtung 9 mit der der Flüssigkeitssäule 5 abgewandten Seite des Piezoelements 4 in elektrischem Kontakt. Die Leitfähigkeits-Beschichtung 9 ist auf der gesamten, der Flüssigkeitssäule 5 abgewandten Seite des Piezoelements 4 aufgebracht. Die Leitfähigkeits-Beschichtung 9 ist aus elektrisch leitfähigem Klebstoff. Die Leitfähigkeits-Beschichtung 9 sowie ein unterer Abschnitt des Piezoelements 4 sind in einer hierzu komplementären Aufnahme im Bodenbereich 3 des Flüssigkeitsbehälters 2 aufgenommen.
Das Piezoelement 4 ist durch eine Ankoppel-Beschichtung 10 gegen einen Innenraum 11 des Flüssigkeitsbehälters 2, in dem auch die Flüssigkeitssäule 5 vorhanden ist, abgedichtet. Die Ankoppel-Beschichtung 10 ist auf der der Flüssigkeitssäule 5 zugewandten Seite des Piezoelements 4 aufgebracht. Die Ankoppel-Beschichtung 10 ist als Vergussmasse ausgeführt und in ihren thermischen und chemischen und mechanischen Eigenschaften einerseits an das Material des Flüssigkeitsbehälters 2 und andererseits an das Material des Piezoelements 4 angepasst. Die Ankoppel-Beschichtung 10 überdeckt auch das erste Kontaktelement 6. Hierdurch ist das erste Kontaktelement 6 gegen den Innenraum 11 des Flüssigkeitsbehälters 2 abgedichtet.
Die beiden Kontaktelemente 6, 7 sind durch einen Boden 12 des Flüssigkeitsbehälters 2 nach draußen geführt. Der Füllstandssensor 1 ist als Ultraschall-Füllstandssensor ausgeführt. Ü- ber das Piezoelement 4 wird in die Flüssigkeitssäule 5 eine Schallleistung eingekoppelt. Der Flüssigkeitsstand ergibt sich aus dem wiederum über das Piezoelement 4 empfangenen Echo-Signal zu der eingekoppelten Schall- leistung. Die Schallleistung wird vom Piezoelement 4 aus über die Ankop- pel-Beschichtung 10 in die Flüssigkeitssäule 5 eingebracht.
In der Ausführung nach Fig. 1 und 2 liegt ein Grenzniveau 13, welches mit der Seite des Piezoelements 4 zusammenfällt, die der Flüssigkeitssäule 5 zugewandt ist, oberhalb eines Bodenniveaus 14 des Bodens 12 des Flüssigkeitsbehälters 2. Bei der Ausführung nach Fig. 1 und 2 ist das Piezoelement 4 also in einem erhabenen Abschnitt 15 des Bodenbereichs 3 untergebracht. Dies führt zu einer weitgehenden mechanischen Entkopplung des Piezoelements 4 vom Flüssigkeitsbehälter 2. Eine Oberseite der Ankoppel- Beschichtung 10 fluchtet mit einem um diese umlaufenden Kantenbereich des erhabenen Abschnitts 15.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführung des Füllstandssensors 1. Komponenten, die denjenigen entsprechen, die vorstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 bereits erläutert wurden, tragen die gleichen Bezugsziffern und werden nicht nochmals im Einzelnen diskutiert.
Im Unterschied zur Ausführung nach Fig. 2 ist bei der Ausführung nach Fig. 3 ein Grenzniveau 16, auf dem die Seite des Piezoelements 4 liegt, die der Flüssigkeitssäule 5 zugewandt ist, oberhalb eines Bodenniveaus 17 des Flüssigkeitsbehälters 2 angeordnet. Bei der Ausführung nach Fig. 3 ist das Piezoelement 4 daher in einem versenkten Abschnitt 18 des Bodenbereichs 3 des Flüssigkeitsbehälters 2 untergebracht. Die Oberseite der Ankoppel- Beschichtung 10 fluchtet mit einem um diese umlaufenden Kantenbereich des versenkten Abschnitts 18. Zwischen diesem versenkten Abschnitt 18, in dem auch die beiden Kontaktelemente 6, 7 untergebracht sind, und dem sonstigen Bodenbereich 3 ist eine um das Piezoelement 4 umlaufende Vertiefung 19 im Boden 12 des Flüssigkeitsbehälters 2 angeordnet. Die Vertie- fung 19 dient bei der Ausfuhrung nach Fig. 3 zur weitgehenden mechanischen Entkopplung des Piezoelements 4 vom Flüssigkeitsbehälter 2.
Der Füllstandssensors 1 kommt insbesondere als Ultraschall-Ölstandssen- sor in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz.

Claims

Patentansprüche
1. Füllstandssensor (1) mit einem Flüssigkeitsbehälter (2), - mit einem Piezoelement (4), das in einem Bodenbereich (3) des Flüs- sigkeitsbehälters (2) angeordnet ist, wobei
- - ein erstes Kontaktelement (6) auf einer einer Flüssigkeitssäule (5) zugewandten Seite des Piezoelements (4) und
- - ein zweites Kontaktelement (7) auf einer der Flüssigkeitssäule (5) abgewandten Seite des Piezoelements (4) mit dem Piezoelement (4) in elektrischem Kontakt steht, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (4) durch eine Ankop- pel-Beschichtung (10), die auf der der Flüssigkeitssäule (5) zugewandten Seite des Piezoelements (4) aufgebracht ist, gegen einen Innenraum (11) des Flüssigkeitsbehälters (2) abgedichtet ist.
2. Füllstandssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankoppel-Beschichtung (10) als Vergussmasse ausgeführt ist.
3. Füllstandssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankoppel-Beschichtung (10) in ihren thermischen Eigenschaften an das Material des Flüssigkeitsbehälters (2) angepasst ist.
4. Füllstandssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Ankoppel-Beschichtung (10) in ihren chemischen Eigenschaften an das Material des Flüssigkeitsbehälters (2) angepasst ist.
5. Füllstandssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kontaktelement (6) durch die Ankoppel- Beschichtung (10) gegen den Innenraum (11) des Flüssigkeitsbehälters (2) abgedichtet ist.
6. Füllstandssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn- zeichnet, dass das zweite Kontaktelement (7) mit dem Piezoelement (4) über eine Leitfähigkeits-Beschichtung (9), die auf dem Piezoelement (4) aufgebracht ist, in elektrischem Kontakt steht.
7. Füllstandssensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitfähigkeits-Beschichtung (9) aus elektrisch leitfähigem Klebstoff ausgeführt ist.
8. Füllstandssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Grenzniveau (13) des Piezoelements (4) auf der der Flüssigkeitssäule (5) zugewandten Seite des Piezoelements (4) oberhalb eines Bodenniveaus (14) des Flüssigkeitsbehälters (2) angeordnet ist.
9. Füllstandssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Grenzniveau (16) des Piezoelements (4) auf der der Flüssigkeitssäule (5) zugewandten Seite des Piezoelements (4) unterhalb eines Bodenniveaus (17) des Flüssigkeitsbehälters (2) angeordnet ist.
10. Füllstandssensor nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine um das Piezoelement (4) umlaufende Vertiefung (19) im Boden (12) des Flüssig- keitsbehälters (2).
11. Füllstandssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Kontaktelemente (6, 7) durch den Boden (12) des Flüssigkeitsbehälters (2) nach draußen geführt ist.
12. Füllstandssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dieser als Ultraschall-Füllstandssensor ausgeführt ist.
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