WO2012123344A1 - Verfahren zur kalibrierung eines ultraschall - füllstandsensors - Google Patents

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WO2012123344A1
WO2012123344A1 PCT/EP2012/054066 EP2012054066W WO2012123344A1 WO 2012123344 A1 WO2012123344 A1 WO 2012123344A1 EP 2012054066 W EP2012054066 W EP 2012054066W WO 2012123344 A1 WO2012123344 A1 WO 2012123344A1
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WO
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level sensor
ultrasonic transducer
calibration
level
liquid
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/054066
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English (en)
French (fr)
Inventor
Philippe Grass
Stephan Heinrich
Denny SCHÄDLICH
Original Assignee
Continental Automotive Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F25/00—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume
    • G01F25/20—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume of apparatus for measuring liquid level

Definitions

  • the invention relates to a method for calibrating a level sensor, which is used to determine the level of a liquid in a container, wherein the level sensor comprises a disk-shaped ultrasonic transducer, which consists of piezoelectric material and which is excited by an AC electrical voltage to vibrate and due to its Vibrations emits an ultrasonic wave along a reference path in the direction of a Referenzre ⁇ reflector.
  • the level sensor comprises a disk-shaped ultrasonic transducer, which consists of piezoelectric material and which is excited by an AC electrical voltage to vibrate and due to its Vibrations emits an ultrasonic wave along a reference path in the direction of a Referenzre ⁇ reflector.
  • the known fill level sensor has an ultrasonic transit time measuring device with an ultrasonic transducer mounted on the outside of a bottom wall of the oil pan in the form of a piezo-crystal. A transmitted from the ultrasonic transducer to the oil surface out ultrasonic signal is received by the ultrasonic transducer after its reflection on the oil surface again. The ultrasonic transducer is followed by an electronic evaluation, which determines the level of the oil in the oil pan from the measured transit time of the ultrasonic signal.
  • a disadvantage of the known filling level sensor is that it has to be installed in a container for calibration and the container has to be filled with a liquid. This is time consuming, expensive and not environmentally friendly.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a method for calibrating a level sensor, which is fast, inexpensive and environmentally friendly ⁇ .
  • This object is achieved by a method having the features of the independent claim.
  • advantageous embodiments and developments are given.
  • the ultrasonic transducer is excited to oscillate in two different modes, wherein the first vibra ⁇ tion mode is used to calibrate the level sensor and the second vibration mode is used to measure the level of the liquid and the calibration of the first vibra ⁇ tion mode
  • the first mode namely that for calibrating the fill level sensor, is generated by a radial vibration of the disk-shaped ultrasound transducer.
  • the radial ⁇ vibration of the disc-shaped ultrasonic transducer is interpreting ⁇ Lich low frequency than its thickness vibration.
  • the radial vibration of the disc-shaped ultrasonic transducer is particularly well suited for calibration measurement in air, because a thus generated low-frequency ultrasonic wave propagates sufficiently well in air to allow calibration of the level sensor in air.
  • This radial vibration of the disc-shaped ultrasonic transducer may, for example, have a frequency of 400 kHz.
  • the second mode namely that for measuring the fill level of the liquid, is generated by a thickness oscillation of the disk-shaped ultrasonic transducer.
  • the thickness vibration of the disk-shaped ultrasonic transducer is significantly higher than its radial frequency.
  • the thickness vibration of the disc-shaped ultrasonic transducer is particularly suitable for level measurement in the liquid, as high-frequency ultrasonic waves propagate well in the liquid.
  • the thickness vibration of the disc-shaped ultrasonic transducer may, for example, have a frequency of 2 MHz.
  • the calibration of the fill level sensor takes place outside the container, which receives the liquid whose fill level is determined by the fill level sensor.
  • the calibrated according to the invention outside the container and in air fill level sensor for calibration does not have to be connected to the container. If it turns out during calibration that the level sensor is defective, only the level sensor itself can be disposed of, and the relatively large and expensive container can be permanently connected to an intact level sensor.
  • the level sensor has an electronic circuit which generates an alternating electrical voltage, which excites the ultrasonic transducer to oscillations in the second mode, namely that for measuring the level of the liquid.
  • the level sensor forms a very compact component that can be installed with full functionality immediately by the car manufacturer in a vehicle.
  • the level sensor is connected only during the calibration with an external electronic circuit which generates an electrical alternating voltage to the ultrasonic transducer
  • Vibrations in the first mode namely the calibration of the level sensor, stimulates. This is the electronic
  • FIG. 1 a fill level sensor
  • FIG. 2 shows a fill level sensor which differs in its construction from the fill level sensor known from FIG.
  • FIG. 3 shows a fill level sensor after installation in a container
  • FIG. 4 shows a disc-shaped ultrasonic transducer
  • Figure 5 a level sensor for calibration in air.
  • Figure 1 shows a level sensor 1, as it is used to measure the level of liquids in containers.
  • These fluids may be, for example, oil in an oil pan of an internal combustion engine or a urea solution in a container for these solutions.
  • the level sensor 1 has a disk-shaped ultrasonic transducer 5.
  • the disc-shaped ultrasonic transducer 5 is made of a piezoelectric material, which is excited by an AC voltage to oscillate.
  • the AC voltage is generated here by a first AC voltage generator 10.
  • the first AC ⁇ generator 10 is integrated in the level sensor. 1 But it is also quite conceivable that the first AC voltage generator 10 is housed in a control unit in the motor vehicle, and the AC voltage via an electrical line and the elec- trischen connection pin 15 is supplied to the level sensor 1.
  • a transmitter 12 is included in this example in the level sensor 1, which evaluates the signals from the failed ⁇ benförmigen ultrasonic transducer 5 and the change accordingly results of the evaluation via the connection pins 15 illustrates a subsequent control device.
  • the disk-shaped ultrasonic transducer 5 is used both as a generator for the ultrasonic waves and used as a receiver for the reflected back ultrasonic waves. But it is also conceivable that two ultrasonic transducers are present, one of which emits the sound wave and the other receives the reflected sound wave.
  • the level sensor 1 further comprises a reflector 8, which is arranged at a precisely defined distance from the disc-shaped ultrasonic transducer 5. The distance between the ultrasonic transducer 5 and the reflector 8 is used as a reference path
  • a flange 13 is formed on the level sensor 1, with which the level sensor 1 can be connected to a container shown in Figure 3.
  • Figure 2 shows a level sensor 1, which differs in its design something of the known from Figure 1 level sensor 1.
  • a disk-shaped ultrasonic transducer 5 can be seen, which is electrically connected to a first AC voltage generator 10.
  • a measuring tube 14 Disposed above the disc-shaped ultrasound transducer 5 is a measuring tube 14, which has proven to be particularly advantageous when the level 2 of strongly moved liquids 3 is to be determined.
  • the fill level sensor 1 according to FIG. 2 is particularly well suited, for example, for measuring the oil level in an oil sump of an internal combustion engine.
  • two reflectors 8 can be seen. The distance between the reflectors
  • FIG. 3 shows the level sensor 1 known from FIG. 1 after installation in a container 4 which is filled with a liquid 3.
  • This liquid 3 may be, for example, a urine ⁇ cloth water solution, which is also known as urea-or add Blue solution.
  • the disk-shaped ultrasonic transducer 5 is excited by a first AC voltage generator 10 in a second oscillation mode 18. This second
  • Vibration mode 18 is used to measure the level 2 of the liquid 3 in the container 4.
  • the ultra ⁇ sound wave 6 is emitted in the direction of the reflector 8 and reflected at the reflector 8 back to the disc-shaped ultrasonic transducer 5. Since the ultrasonic wave 6 propagates in the liquid 3, the sound velocity of the ultrasonic wave 6 in the liquid 3 can easily be deduced from the known reference distance 7.
  • Each level sensor 1, which is used for the first time in a container 4, must be calibrated beforehand.
  • the level sensor 1 is connected to the container 4, for example by gluing or welding, then the container 4 is filled with a liquid 3, whereupon the disk-shaped ultrasonic transducer 5 is excited by the first AC voltage generator 10 with a second vibration mode 18 for measuring the level 2 of the liquid 3.
  • the liquid 3 is removed from the container 4, whereupon the container 4 is cleaned and then delivered together with the level sensor 1 to a customer.
  • the filling of the container 4 for calibrating the level sensor 1 with the liquid 3 and the subsequent emptying and cleaning of the container is very complicated and expensive, as well as polluting the environment.
  • the calibration measurement represents the first start-up of the level sensor 1, in which for the first time a possibly existing production error on the level sensor 1 can be detected.
  • the inventive method for calibrating the level sensor 1 in air has significant advantages that are not achieved with a calibration according to the prior art.
  • FIG. 4 shows a disk-shaped ultrasonic transducer 5 in a schematic representation. Shown are two different vibration modes in which the disc-shaped ultrasonic transducer 5 can oscillate.
  • the first vibration mode 17 is referred to as so-called radial vibration.
  • the calibration with the first vibration mode 17 of the ultrasonic transducer 5 takes place in air, as shown in FIG.
  • the disc-shaped Ultrasonic transducer 5 is excited with the radial vibration having a resonance mode at, for example, 400 kHz.
  • the slices ⁇ shaped ultrasonic transducer 5 is connected to a second AC voltage generator 11 which generates the frequency of 400 kHz and which may be arranged, for example as an external device outside of the level sensor 1 and is connected only to calibrate the level sensor 1.
  • the first AC generator 10 generates, for example, a frequency of 2 MHz, which excites the second oscillation mode 18.
  • the second vibration mode 18 is used to measure the level 2 of the liquid 3 in the container 4.
  • This second mode of oscillation 18 of the ultrasonic transducer 5 ⁇ arises from its thickness vibration.
  • FIG. 5 now shows the fill level sensor 1 known from FIG. 1, which, however, is not installed in a container 4, as in FIG. 3, but is mounted on air 9. In the region of the reference path 7, there is no liquid 3, but air 9, and air 9 is also located outside of the level sensor 1.
  • the level sensor 1 is now connected via connection pins 15 to a second AC voltage generator 11.
  • This second AC voltage generator 11 may be an external device which is arranged in a production line of the level sensor 1.
  • the second AC voltage generator 11 generates an AC voltage having a frequency of, for example, 400 kHz, which excites the radial vibration mode of the piezoelectric ultrasonic transducer ⁇ 5.
  • This 400 kHz ultrasonic wave is made up in air over the reference path 7 toward the reflector 8 and is reflected there, wherein the echo of the disc-shaped Ultra ⁇ transducer 5 is captured with sufficient intensity.
  • the frequency generated by the first AC ⁇ generator 10 of 2 MHz would generate ultrasonic waves that are attenuated in air such that a ⁇ Kali-calibration of the level sensor 1 in air would not be possible. Therefore, it is necessary to use the low-level sensor 1 with the aid of more frequent Radialschwingungsmode, so the first vibration mode 17, the piezoelectric ultrasonic transducer 5 to calibrate.
  • the second AC voltage generator 11 can be electrically separated, and the level sensor 1 is excited from now on for its measurement function in the liquid from the first AC voltage generator 10 ⁇ with a higher frequency AC voltage of, for example, 2 MHz.
  • This 2 MHz alternating voltage then generates a thickness oscillation at the disc-shaped ultrasonic transducer 5, that is to say the second oscillation mode 18 with which an ultrasonic wave 6 is generated which is outstandingly suitable for measuring the level 2 of the liquid 3 in the container 4.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines Füllstandsensors, der zur Bestimmung des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter eingesetzt wird, wobei der Füllstandsensor einen scheibenförmigen Ultraschallwandler aufweist, der aus piezoelektrischem Material besteht und der von einer elektrischen Wechselspannung zu Schwingungen angeregt wird und der infolge seiner Schwingungen eine Ultraschallwelle entlang einer Referenzstrecke in Richtung eines Referenzreflektors aussendet. Um ein Verfahren zur Kalibrierung eines Füllstandsensors anzugeben, das schnell, kostengünstig und umweltschonend ist, wird der Ultraschallwandler in zwei unterschiedlichen Moden zu Schwingungen angeregt, wobei die erste Schwingungsmode zur Kalibrierung des Füllstandsensors verwendet wird und die zweite Schwingungsmode zur Messung des Füllstandes der Flüssigkeit (3) verwendet wird und wobei die Kalibrierung des Füllstandsensors an Luft erfolgt.

Description

Beschreibung
VERFAHREN ZUR KALIBRIERUNG EINES ULTRASCHALL - FÜLLSTANDSENSORS
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines Füllstandsensors, der zur Bestimmung des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter eingesetzt wird, wobei der Füllstandsensor einen scheibenförmigen Ultraschallwandler aufweist, der aus piezoelektrischem Material besteht und der von einer elektrischen Wechselspannung zu Schwingungen angeregt wird und der infolge seiner Schwingungen eine Ultraschallwelle entlang einer Referenzstrecke in Richtung eines Referenzre¬ flektors aussendet.
Aus der DE 40 25 326 AI ist eine Vorrichtung zur Messung der Füllstandhöhe von Öl in einer Ölwanne eines Kraftfahrzeugs bekannt. Der bekannte Füllstandsensor weist eine Ultraschall- Laufzeit-Messvorrichtung mit einem an einer Bodenwand der Ölwanne außen befestigten Ultraschallwandler in Form eines Pie- zokristalls auf. Ein vom Ultraschallwandler zur Öloberfläche hin ausgesendetes Ultraschallsignal wird nach dessen Reflexion an der Öloberfläche wieder vom Ultraschallwandler empfangen. Dem Ultraschallwandler ist eine Auswertelektronik nachgeschaltet, die die Füllstandhöhe des Öls in der Ölwanne aus der gemessenen Laufzeit des Ultraschallsignals ermittelt.
Ein Nachteil des bekannten Fül Istandsensors ist, dass er zur Kalibrierung in einen Behälter eingebaut werden muss und der Behälter mit einer Flüssigkeit gefüllt werden muss. Dies ist zeitaufwendig, teuer und nicht umweitschonend .
Ausgehend von dem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kalibrierung eines Füllstandsensors anzugeben, das schnell, kostengünstig und um¬ weltschonend ist. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben .
Dadurch, dass der Ultraschallwandler in zwei unterschiedlichen Moden zu Schwingungen angeregt wird, wobei die erste Schwin¬ gungsmode zur Kalibrierung des Füllstandsensors verwendet wird und die zweite Schwingungsmode zur Messung des Füllstandes der Flüssigkeit verwendet wird und wobei die Kalibrierung des
Füllstandsensors an Luft erfolgt, ist es unnötig, den Füll¬ standsensor vor der Kalibrierung mit dem Behälter zu verbinden. Auch die Befüllung des Behälters mit einer Flüssigkeit kann vermieden werden, und die darauf folgende Entleerung und Rei- nigung entfällt. Die hier eingesparten Ressourcen kommen der Umwelt zugute und sind ökonomisch relevant, weil Herstel¬ lungszeit und -kosten gespart werden.
Bei einer Ausführungsform wird die erste Mode, nämlich die zur Kalibrierung des Füllstandsensors, durch eine Radialschwingung des scheibenförmigen Ultraschallwandlers erzeugt. Die Radial¬ schwingung des scheibenförmigen Ultraschallwandlers ist deut¬ lich niederfrequenter als seine Dickenschwingung. Die Radialschwingung des scheibenförmigen Ultraschallwandlers eignet sich besonders gut zur Kalibrierungsmessung an Luft, weil sich eine so erzeugte niederfrequente Ultraschallwelle ausreichend gut an Luft ausbreitet, um eine Kalibrierung des Füllstandsensors an Luft zu ermöglichen. Diese Radialschwingung des scheibenförmigen Ultraschallwandlers kann zum Beispiel eine Frequenz von 400 kHz aufweisen.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird die zweite Mode, nämlich die zur Messung des Füllstandes der Flüssigkeit, durch eine Dickenschwingung des scheibenförmigen Ultraschallwandlers er- zeugt. Die Dickenschwingung des scheibenförmigen Ultraschallwandlers ist deutlich hochfrequenter als seine Radialschwingung. Die Dickenschwingung des scheibenförmigen Ultraschallwandlers eignet sich besonders gut zur Füllstandmessung in der Flüssigkeit, da sich hochfrequente Ultraschallwellen gut in der Flüssigkeit ausbreiten. Die Dickenschwingung des scheibenförmigen Ultraschallwandlers kann zum Beispiel eine Frequenz von 2 MHz aufweisen.
Bei einer weiteren, bevorzugten Aus führungs form erfolgt die Kalibrierung des Füllstandsensors außerhalb des Behälters, der die Flüssigkeit aufnimmt, deren Füllstand mit dem Füllstand- sensor bestimmt wird. Damit muss der erfindungsgemäß außerhalb des Behälters und an Luft kalibrierte Füllstandsensors zur Kalibrierung nicht mit dem Behälter verbunden werden. Stellt sich bei der Kalibrierung heraus, dass der Füllstandsensor defekt ist, kann nur der Füllstandsensor selber entsorgt werden, und der relativ große und teure Behälter kann mit einem intakten Füllstandsensor dauerhaft verbunden werden.
Vorzugsweise weist der Füllstandsensor eine elektronische Schaltung auf, die eine elektrische Wechselspannung erzeugt, die den Ultraschallwandler zu Schwingungen in der zweiten Mode, nämlich der zur Messung des Füllstandes der Flüssigkeit, anregt. Damit bildet der Füllstandsensor ein sehr kompaktes Bauteil, das mit vollem Funktionsumfang sofort vom Automobilhersteller in einem Fahrzeug verbaut werden kann.
Im Rahmen einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Füllstandsensor nur während der Kalibrierung mit einer externen elektronische Schaltung verbunden, die eine elektrischen Wechselspannung erzeugt, die den Ultraschallwandler zu
Schwingungen in der ersten Mode, nämlich der zur Kalibrierung des Füllstandsensors, anregt. Dadurch ist die elektronische
Schaltung, die eine elektrische Wechselspannung erzeugt, die den Ultraschallwandler zu Schwingungen in der ersten Mode anregt, nur dann angeschlossen, wenn sie wirklich benötigt wird. Mit der elektronischen Schaltung, die eine elektrische Wechselspannung erzeugt, die den Ultraschallwandler zu Schwingungen in der ersten Mode anregt, kann somit eine Vielzahl von Füllstandsensoren kalibriert werden. Auch durch diese Ausgestaltung werden Herstellungskosten für den Füllstandsensor gespart.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung im Einzelnen erläutert werden . Es zeigen:
Figur 1: einen Füllstandsensor,
Figur 2 : einen Füllstandsensor, der sich in seiner Bauform von dem aus Figur 1 bekannten Füllstandsensor unterscheidet,
Figur 3: einen Füllstandsensor nach dem Einbau in einen Behälter,
Figur 4: einen scheibenförmigen Ultraschallwandler,
Figur 5: einen Füllstandsensor zur Kalibrierung an Luft.
Figur 1 zeigt einen Füllstandsensor 1, wie er zur Messung des Füllstandes von Flüssigkeiten in Behältern verwendet wird. Bei diesen Flüssigkeiten kann es sich zum Beispiel um Öl in einer Ölwanne einer Brennkraftmaschine oder um eine Harnstofflösung in einem Behälter für diese Lösungen handeln.
Der Füllstandsensor 1 weist einen scheibenförmigen Ultraschallwandler 5 auf. Der scheibenförmige Ultraschallwandler 5 besteht aus einem piezoelektrischen Material, das von einer Wechselspannung zu Schwingungen angeregt wird. Die Wechselspannung wird hier von einem ersten Wechselspannungsgenerator 10 erzeugt. In diesem Beispiel ist der erste Wechselspannungs¬ generator 10 in den Füllstandsensor 1 integriert. Es ist aber auch durchaus denkbar, dass der erste Wechselspannungsgenerator 10 in einem Steuergerät im Kraftfahrzeug untergebracht ist, und die Wechselspannung über eine elektrischen Leitung und die elek- trischen Anschlusspins 15 dem Füllstandsensor 1 zugeführt wird. Darüber hinaus ist in diesem Beispiel im Füllstandsensor 1 eine Auswerteelektronik 12 integriert, die die Signale vom schei¬ benförmigen Ultraschallwandler 5 auswertet und die entsprech- enden Ergebnisse der Auswertung über die Anschlusspins 15 einem nachfolgenden Steuergerät zur Verfügung stellt. In diesem Ausführungsbeispiel wird der scheibenförmige Ultraschallwandler 5 sowohl als Generator für die Ultraschallwellen verwendet als auch als Empfänger für die zurückreflektierten Ultraschallwellen benutzt. Es ist aber auch denkbar, dass zwei Ultraschallwandler vorhanden sind, von denen der eine die Schallwelle aussendet und der andere die reflektierte Schallwelle empfängt.
Der Füllstandsensor 1 weist weiterhin einen Reflektor 8 auf, der in einer genau definierten Entfernung von dem scheibenförmigen Ultraschallwandler 5 angeordnet ist. Die Entfernung zwischen dem Ultraschallwandler 5 und dem Reflektor 8 wird als Referenzstrecke
7 bezeichnet. Zudem ist am Füllstandsensor 1 ein Flansch 13 ausgebildet, mit dem der Füllstandsensor 1 mit einem in Figur 3 dargestellten Behälter verbunden werden kann.
Auch Figur 2 zeigt einen Füllstandsensor 1, der sich in seiner Bauform etwas von dem aus Figur 1 bekannten Füllstandsensor 1 unterscheidet. Auch hier ist ein scheibenförmiger Ultra- schallwandler 5 zu erkennen, der mit einem ersten Wechselspannungsgenerator 10 elektrisch verbunden ist. Über dem scheibenförmigen Ultraschallwandler 5 ist ein Messrohr 14 angeordnet, das sich als besonders vorteilhaft erwiesen hat, wenn der Füllstand 2 von stark bewegten Flüssigkeiten 3 ermittelt werden soll. Der Füllstandsensor 1 nach Figur 2 eignet sich zum Beispiel besonders gut zur Messung des Ölfüllstandes in einer Ölwanne einer Brennkraftmaschine. In dem Messrohr 14 sind zwei Reflektoren 8 zu erkennen. Der Abstand zwischen den Reflektoren
8 und dem scheibenförmigen Ultraschallwandler 5 bildet, wie auch schon in Figur 1, die Referenzstrecke 7. Die Auswerteelektronik
12 erfasst die Signale vom scheibenförmigen Ultraschallwandler 5 und liefert somit Messergebnisse zum Füllstand der zu ver- messenden Flüssigkeit an ein hier nicht dargestelltes Steu¬ ergerät im Kraftfahrzeug.
Figur 3 zeigt den aus Figur 1 bekannten Füllstandsensor 1 nach dem Einbau in einen Behälter 4, der mit einer Flüssigkeit 3 gefüllt ist. Diese Flüssigkeit 3 kann zum Beispiel eine Harn¬ stoff-Wasserlösung, die auch als Urea- oder Add Blue-Lösung bezeichnet wird, sein. Um nun den Füllstand 2 der Flüssigkeit 3 im Behälter 4 zu bestimmen, wird der scheibenförmige Ultra- schallwandler 5 von einem ersten Wechselspannungsgenerator 10 in einer zweiten Schwingungsmode 18 angeregt. Diese zweite
Schwingungsmode 18 dient zur Messung des Füllstandes 2 der Flüssigkeit 3 in dem Behälter 4. Hierbei wird die Ultra¬ schallwelle 6 in Richtung des Reflektors 8 ausgesendet und am Reflektor 8 zurück zum scheibenförmigen Ultraschallwandler 5 reflektiert. Da sich die Ultraschallwelle 6 in der Flüssigkeit 3 ausbreitet, kann anhand der bekannten Referenzstrecke 7 leicht auf die Schallgeschwindigkeit der Ultraschallwelle 6 in der Flüssigkeit 3 geschlossen werden.
Ein Teil der Ultraschallwelle 6 tritt jedoch durch die Aus¬ trittöffnung 19 aus dem Füllstandsensor 1 aus und breitet sich bis zur Flüssigkeitsoberfläche 20 aus. An der Flüssigkeits¬ oberfläche 20 wird die Ultraschallwelle 6 reflektiert und läuft zum scheibenförmigen Ultraschallwandler 5 zurück. Anhand der Laufzeit der Ultraschallwelle 6 vom scheibenförmigen Ultra¬ schallwandler 5 durch die Austrittöffnung 19 hin zur Flüssigkeitsoberfläche 20 und zurück zum scheibenförmigen Ultra¬ schallwandler 5 kann mit Hilfe der Auswerteelektronik 12 problemlos der Füllstand 2 der Flüssigkeit 3 im Behälter 4 ermittelt werden.
Jeder Füllstandsensor 1, der zum ersten Mal in einem Behälter 4 zum Einsatz kommt, muss zuvor kalibriert werden. Nach dem Stand der Technik wird der Füllstandsensor 1 dazu mit dem Behälter 4 zum Beispiel durch Verkleben oder Verschweißen verbunden, dann wird der Behälter 4 mit einer Flüssigkeit 3 gefüllt, woraufhin der scheibenförmige Ultraschallwandler 5 vom ersten Wechselspannungsgenerator 10 mit einer zweiten Schwingungsmode 18 zur Messung des Füllstandes 2 der Flüssigkeit 3 angeregt wird. Nach der Kalibrierungsmessung des Füllstandsensors 1 wird die Flüssigkeit 3 aus dem Behälter 4 entfernt, woraufhin der Behälter 4 gereinigt wird und dann zusammen mit dem Füllstandsensor 1 an einen Abnehmer ausgeliefert wird.
Das Befüllen des Behälters 4 zur Kalibrierung des Füllstand- sensors 1 mit der Flüssigkeit 3 und das darauf folgende Entleeren und Säubern des Behälters ist sehr aufwändig und teuer, sowie umweltbelastend. Darüber hinaus stellt die Kalibrierungsmessung die erste Inbetriebnahme des Füllstandsensors 1 dar, bei der zum ersten Mal ein eventuell vorhandener Produktionsfehler am Füllstandsensor 1 erkannt werden kann. Wenn sich nun ein nach dem Stand der Technik kalibrierter Füllstandsensor 1 als defekt erweist, muss das Gesamtsystem aus Behälter 4 und Füllstandsensor 1 verschrottet werden, da beide Teile in der Regel schon un¬ trennbar über den Flansch 13 miteinander verbunden sind. Auch dies ist sehr kostenintensiv und im Rahmen einer Massenproduktion, zum Beispiel für die Automobilherstellung, möglichst zu vermeiden. Daher weist das erfindungsgemäße Verfahren zur Kalibrierung des Füllstandsensors 1 an Luft wesentliche Vorteile auf, die mit einer Kalibrierung nach dem Stand der Technik nicht erreicht werden.
Figur 4 zeigt einen scheibenförmigen Ultraschallwandler 5 in einer schematischen Darstellung. Eingezeichnet sind zwei unterschiedliche Schwingungsmoden, in denen der scheibenförmige Ultraschallwandler 5 schwingen kann. Die erste Schwingungsmode 17 wird als sogenannte Radialschwingung bezeichnet. Mit der ersten Schwingungsmode 17 kann der Füllstandsensor 1 kalibriert werden, ohne dass der Füllstandsensor 1 in den Behälter 4 eingebaut werden muss und ohne dass der Behälter mit der Flüssigkeit 3 befüllt werden muss. Die Kalibrierung mit der ersten Schwingungsmode 17 des Ultraschallwandlers 5 erfolgt an Luft, wie in Figur 5 dargestellt. Hierzu wird der scheibenförmige Ultraschallwandler 5 mit der Radialschwingung angeregt, die eine Resonanzmode bei zum Beispiel 400 kHz aufweist. Der scheiben¬ förmige Ultraschallwandler 5 wird mit einem zweiten Wechselspannungsgenerator 11 verbunden, der die Frequenz von 400 kHz erzeugt und der zum Beispiel als externes Gerät außerhalb des Füllstandsensors 1 angeordnet sein kann und nur zur Kalibrierung des Füllstandsensors 1 angeschlossen wird.
Im Gegensatz dazu erzeugt der erste Wechselspannungsgenerator 10 zum Beispiel eine Frequenz von 2 MHz, die die zweite Schwingungsmode 18 anregt. Die zweite Schwingungsmode 18 wird zur Messung des Füllstandes 2 der Flüssigkeit 3 in dem Behälter 4 verwendet. Diese zweite Schwingungsmode 18 des Ultraschall¬ wandlers 5 entsteht aus seiner Dickenschwingung.
Figur 5 zeigt nun den aus Figur 1 bekannten Füllstandsensor 1, der jedoch nicht, wie in Figur 3, in einem Behälter 4 verbaut ist, sondern der an Luft 9 gelagert ist. Im Bereich der Referenzstrecke 7 befindet sich nun keine Flüssigkeit 3, sondern Luft 9, und auch außerhalb des Füllstandsensors 1 befindet sich Luft 9. Der Füllstandsensor 1 wird nun über Anschlusspins 15 mit einem zweiten Wechselspannungsgenerator 11 verbunden. Dieser zweite Wechselspannungsgenerator 11 kann ein externes Gerät sein, das in einer Produktionslinie des Füllstandsensors 1 angeordnet ist. Der zweite Wechselspannungsgenerator 11 erzeugt eine Wechselspannung mit einer Frequenz von zum Beispiel 400 kHz, die die Radialschwingungsmode des piezoelektrischen Ultraschallwand¬ lers 5 anregt. Diese 400 kHz Ultraschallwelle setzt sich in Luft über die Referenzstrecke 7 hin zum Reflektor 8 fort und wird dort reflektiert, wobei das Echo von dem scheibenförmigen Ultra¬ schallwandler 5 mit ausreichender Intensität aufgefangen wird. Mit Hilfe der Auswerteelektronik kann nun eine Kalibrierung des Füllstandsensors 1 erfolgen. Die vom ersten Wechselspannungs¬ generator 10 erzeugte Frequenz von 2 MHz würde Ultraschallwellen erzeugen, die in Luft derart gedämpft werden, dass eine Kali¬ brierung des Füllstandsensors 1 an Luft nicht möglich wäre. Daher ist es notwendig, den Füllstandsensor 1 mit Hilfe der nieder- frequenteren Radialschwingungsmode, also der ersten Schwingungsmode 17, des piezoelektrischen Ultraschallwandlers 5 zu kalibrieren. Nach der Kalibrierung des Füllstandsensors 1 kann der zweite Wechselspannungsgenerator 11 elektrisch abgetrennt werden, und der Füllstandsensor 1 wird von nun an für seine Messfunktion in der Flüssigkeit vom ersten Wechselspannungs¬ generator 10 mit einer höherfrequenten Wechselspannung von zum Beispiel 2 MHz angeregt. Diese 2 MHz Wechselspannung erzeugt dann am scheibenförmigen Ultraschallwandler 5 eine Dickenschwingung, also die zweite Schwingungsmode 18, mit der eine Ultraschallwelle 6 erzeugt wird, die sich hervorragend zur Messung des Füllstandes 2 der Flüssigkeit 3 in dem Behälter 4 eignet.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Kalibrierung eines Füllstandsensors (1), der zur Bestimmung des Füllstandes (2) einer Flüssigkeit (3) in einem Behälter (4) eingesetzt wird, wobei der Füllstand¬ sensor (1) einen scheibenförmigen Ultraschallwandler (5) aufweist, der aus piezoelektrischem Material besteht und der von einer elektrischen Wechselspannung zu Schwingungen angeregt wird und der infolge seiner Schwingungen eine Ultraschallwelle (6) entlang einer Referenzstrecke (7) in Richtung eines Referenzreflektors (8) aussendet, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Ultra¬ schallwandler (5) in zwei unterschiedlichen Moden zu Schwingungen angeregt wird, wobei die erste Schwingungsmode (17) zur Kalibrierung des Füllstandsensors (1) verwendet wird und die zweite Schwingungsmode (18) zur Messung des Füllstandes (2) der Flüssigkeit (3) verwendet wird und wobei die Kalibrierung des Füllstandsensors (1) an Luft (9) erfolgt .
Verfahren zur Kalibrierung eines Füllstandsensors (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die erste Schwingungsmode (17), nämlich die zur Kalibrierung des Füllstandsensors (1), durch eine Radi¬ alschwingung des scheibenförmigen Ultraschallwandlers (5) erzeugt wird.
Verfahren zur Kalibrierung eines Füllstandsensors (1) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die zweite Schwingungsmode (18), nämlich die zur Messung des Füllstandes (2) der Flüssigkeit (3), durch eine Dickenschwingung des scheibenförmigen Ultraschallwandlers (5) erzeugt wird. 4. Verfahren zur Kalibrierung eines Füllstandsensors (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kalibrierung des Füllstandsensors (1) außerhalb des Behälters (4) erfolgt, der die Flüssigkeit (3) aufnimmt, deren Füllstand (2) mit dem Füllstandsensor (1) bestimmt wird.
Verfahren zur Kalibrierung eines Füllstandsensors (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Füll¬ standsensor (1) eine elektronische Schaltung aufweist, die eine elektrische Wechselspannung erzeugt, die den Ul¬ traschallwandler (5) zu Schwingungen in der zweiten Schwingungsmode (18), nämlich der zur Messung des Füllstandes (2) der Flüssigkeit (3), anregt.
Verfahren zur Kalibrierung eines Füllstandsensors (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Füll¬ standsensor (1) während der Kalibrierung mit einer externen elektronische Schaltung verbunden ist, die eine elektrische Wechselspannung erzeugt, die den Ultraschallwandler (5) zu Schwingungen in der ersten Schwingungsmode (17), nämlich der zur Kalibrierung des Füllstandsensors (1), anregt.
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