DE102017221261A1 - Ultrasonic sensor, tank installation unit with an ultrasonic sensor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor (1) zur Messung einer Signallaufzeit in einer Flüssigkeit, insbesondere in einer wässrigen Harnstofflösung, zur Bestimmung der Qualität der Flüssigkeit, umfassend eine Sensoreinheit (2) mit einem Ultraschallerzeuger und einem Ultraschallempfänger, ferner umfassend einen in einem Abstand zur Sensoreinheit (2) angeordneten Reflektor (3), der gemeinsam mit der Sensoreinheit (2) eine Messstrecke (4) definiert. Erfindungsgemäß weist der Reflektor (3) mindestens einen Tragarm (5) zur Verbindung mit der Sensoreinheit (2) und/oder mit einem Gehäuseteil (6, 7) auf, in dem die Sensoreinheit lagefest aufgenommen ist.
Die Erfindung betrifft ferner eine Tankeinbaueinheit (9) mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallsensor (1).
The invention relates to an ultrasonic sensor (1) for measuring a signal transit time in a liquid, in particular in an aqueous urea solution, for determining the quality of the liquid, comprising a sensor unit (2) with an ultrasound generator and an ultrasound receiver, and further comprising a distance to the sensor unit (2) arranged reflector (3), which defines a measuring section (4) together with the sensor unit (2). According to the invention, the reflector (3) has at least one support arm (5) for connection to the sensor unit (2) and / or to a housing part (6, 7) in which the sensor unit is received in a fixed position.
The invention further relates to a tank installation unit (9) with an ultrasonic sensor (1) according to the invention.
Description
Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Der Ultraschallsensor dient der Messung einer Signallaufzeit in einer Flüssigkeit zur Bestimmung der Qualität der Flüssigkeit. Die Erfindung betrifft ferner eine Tankeinbaueinheit mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallsensor.The invention relates to an ultrasonic sensor having the features of the preamble of claim 1. The ultrasonic sensor is used to measure a signal propagation time in a liquid for determining the quality of the liquid. The invention further relates to a tank installation unit with an ultrasonic sensor according to the invention.
Bei der Flüssigkeit, deren Qualität es zu bestimmen gilt, kann es sich insbesondere um eine wässrige Harnstofflösung zur Nachbehandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine handeln.In the case of the liquid whose quality is to be determined, it may in particular be an aqueous urea solution for the after-treatment of exhaust gases of an internal combustion engine.
Die wässrige Harnstofflösung bewirkt im Abgas die Bildung von Ammoniak, der mit den im Abgas enthaltenen Stickoxiden in einem nachgeschalteten Katalysator zu harmlosem Stickstoff und Wasser reagiert („selektive katalytische Reduktion“). Auf diese Weise kann der Stickoxidausstoß der Brennkraftmaschine deutlich gesenkt werden. Voraussetzung ist, dass die Qualität der wässrigen Harnstofflösung, insbesondere der Harnstoffgehalt in der Harnstofflösung stimmt. Die Qualität bzw. der Harnstoffgehalt werden daher in der Regel überwacht. Hierin ist die bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors zu sehen.The aqueous urea solution causes the formation of ammonia in the exhaust gas, which reacts with the nitrogen oxides contained in the exhaust gas in a downstream catalyst to harmless nitrogen and water ("selective catalytic reduction"). In this way, the nitrogen oxide emissions of the internal combustion engine can be significantly reduced. The prerequisite is that the quality of the aqueous urea solution, in particular the urea content in the urea solution, is correct. The quality or the urea content are therefore usually monitored. Herein is the preferred application of the ultrasonic sensor according to the invention.
Stand der TechnikState of the art
Aus der
Wird ein Ultraschallsensor als Qualitätssensor verwendet, weist dieser üblicherweise eine Sensoreinheit mit einem Ultraschallerzeuger und einem Ultraschallempfänger sowie mit mindestens einem Reflektor auf. Aufgabe des Reflektors ist es, ein vom Ultraschallerzeuger erzeugtes Signal auf den Ultraschallempfänger zurückzuwerfen, wobei die Laufzeit des Signals durch den Betriebs-/Hilfsstoff bzw. die wässrige Harnstofflösung hindurch gemessen wird. Die Messung lässt dann Rückschlüsse auf die Dichte der wässrigen Harnstofflösung und damit auf den Harnstoffgehalt zu. Bei Bedarf kann die Dosierung angepasst oder - im Fall einer unzulässigen Harnstoffmenge - eine Fehlermeldung angezeigt werden. Auf diese Weise ist eine gleichbleibende Stickoxid-Reduktion bzw. im Fehlerfall eine rechtzeitige Fehlermeldung sichergestellt.If an ultrasonic sensor is used as a quality sensor, it usually has a sensor unit with an ultrasound generator and an ultrasound receiver and with at least one reflector. The object of the reflector is to throw back a signal generated by the ultrasound generator onto the ultrasound receiver, the transit time of the signal being measured through the excipient or the aqueous urea solution. The measurement then allows conclusions on the density of the aqueous urea solution and thus on the urea content. If necessary, the dosage can be adjusted or - in the case of an impermissible quantity of urea - an error message can be displayed. In this way, a constant reduction of nitrogen oxide or in the event of a fault, a timely error message is ensured.
Um eine hohe Messgenauigkeit zu erzielen, muss die Signallaufzeit bei gleichbleibender Messstrecke gemessen werden. Diese ist jedoch nicht immer gewährleistet, da insbesondere temperaturbedingte Längenänderungen die Messtrecke beeinflussen können. Weiterhin können mechanische Belastungen auf Dauer zu Verformungen, Verschiebungen, Verdrehungen und/oder Verwindungen führen, die den Abstand und/oder die Ausrichtung des Reflektors in Bezug auf den Ultraschallerzeuger bzw. den Ultraschallempfänger verändern.In order to achieve a high measuring accuracy, the signal propagation time must be measured with a constant measuring distance. However, this is not always guaranteed, since in particular temperature-induced changes in length can affect the measuring path. Furthermore, mechanical stresses can permanently lead to deformations, displacements, twists and / or twists, which change the distance and / or the orientation of the reflector with respect to the ultrasound generator or the ultrasound receiver.
Aus der
Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallsensor zur Messung einer Signallaufzeit in einer Flüssigkeit, insbesondere in einer wässrigen Harnstofflösung, zur Bestimmung der Qualität der Flüssigkeit anzugeben, der gegenüber thermischen und/oder mechanischen Belastungen besonders robust ist. Auf diese Weise soll ein Ultraschallsensor geschaffen werden, der über Lebensdauer eine hohe Messgenauigkeit besitzt.Based on the above-mentioned prior art, the present invention seeks to provide an ultrasonic sensor for measuring a signal propagation time in a liquid, in particular in an aqueous urea solution, to determine the quality of the liquid, which is particularly robust against thermal and / or mechanical stresses is. In this way, an ultrasonic sensor is to be created, which has a high accuracy over life.
Zur Lösung der Aufgabe werden der Ultraschallsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Tankeinbaueinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 14 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.To solve the problem of the ultrasonic sensor with the features of claim 1 and the tank installation unit with the features of
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Der vorgeschlagene Ultraschallsensor zur Messung einer Signallaufzeit in einer Flüssigkeit, insbesondere in einer wässrigen Harnstofflösung, zur Bestimmung der Qualität der Flüssigkeit, umfasst eine Sensoreinheit mit einem Ultraschallerzeuger und einem Ultraschallempfänger. Ferner umfasst der Ultraschallsensor einen in einem Abstand zur Sensoreinheit angeordneten Reflektor, der gemeinsam mit der Sensoreinheit eine Messstrecke definiert. Erfindungsgemäß weist der Reflektor mindestens einen Tragarm zur Verbindung mit der Sensoreinheit und/oder mit einem Gehäuseteil auf, in dem die Sensoreinheit lagefest aufgenommen ist.The proposed ultrasonic sensor for measuring a signal propagation time in a liquid, in particular in an aqueous urea solution, for determining the quality of the liquid comprises a sensor unit with an ultrasonic generator and an ultrasonic receiver. Furthermore, the ultrasonic sensor comprises a reflector arranged at a distance from the sensor unit, which reflector defines a measuring path together with the sensor unit. According to the invention, the reflector has at least one support arm for connection to the sensor unit and / or to a housing part in which the sensor unit is received fixed in position.
Der Tragarm ermöglicht eine Anbindung des Reflektors unmittelbar an oder zumindest in unmittelbarer Nähe zur Sensoreinheit, während der Reflektor selbst in einem deutlich größeren Abstand zur Sensoreinheit angeordnet ist, um die Messstrecke zu definieren. Durch die Verlagerung der Reflektoranbindung näher an die Sensoreinheit, verringert sich der Einfluss thermisch bedingter Längenänderungen auf den Abstand des Reflektors zur Sensoreinheit und damit auf die Messstrecke. Folglich steigt die Messgenauigkeit des Ultraschallsensors.The support arm allows a connection of the reflector directly to or at least in the immediate vicinity of the sensor unit, while the reflector itself is arranged at a significantly greater distance from the sensor unit to define the measuring section. As a result of the displacement of the reflector connection closer to the sensor unit, the influence of thermally induced changes in length on the distance of the reflector to the sensor unit and thus on the measuring section is reduced. Consequently, the measurement accuracy of the ultrasonic sensor increases.
Zwar unterliegt auch der Tragarm thermisch bedingten Längenänderungen, diese sind jedoch vorrangig linear und daher bestimmbar bzw. bekannt. Der Messwert kann demnach entsprechend korrigiert werden.Although the support arm is subject to thermally induced changes in length, these are primarily linear and therefore determinable or known. The measured value can therefore be corrected accordingly.
Der Tragarm zur Anbindung des Reflektors erstreckt sich vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Messstrecke. Thermisch bedingte Längenänderungen des Tragarms wirken sich somit nicht auf die Ausrichtung des Reflektors in Bezug auf die Sensoreinheit aus.The support arm for connection of the reflector preferably extends substantially parallel to the measurement path. Thermally induced changes in length of the support arm thus do not affect the orientation of the reflector with respect to the sensor unit.
Ferner wird vorgeschlagen, dass der Tragarm außerhalb der Messstrecke angeordnet ist. Auf diese Weise kann die Gefahr verringert werden, dass die durchzuführende Messung der Signallaufzeit durch unerwünschte Reflexionen der Ultraschallwellen am Tragarm verfälscht wird.It is also proposed that the support arm is arranged outside the measuring section. In this way, the risk can be reduced that the measurement of the signal propagation time to be performed is falsified by unwanted reflections of the ultrasonic waves on the support arm.
Bevorzugt ist der Tragarm einteilig mit dem Reflektor ausgebildet, so dass Relativbewegungen des Reflektors gegenüber dem Tragarm ausgeschlossen werden können. Denn könnten ebenfalls zu einer Veränderung der Messstrecke führen und damit das Messergebnis beeinflussen.Preferably, the support arm is integrally formed with the reflector, so that relative movements of the reflector relative to the support arm can be excluded. Because could also lead to a change in the test section and thus influence the measurement result.
Weiterhin bevorzugt ist der Tragarm aus dem gleichen Werkstoff wie der Reflektor ausgebildet, so dass der Werkstoff des Tragarms und der des Reflektors den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Der Werkstoff kann insbesondere ein Metall, wie beispielsweise Stahl oder Edelstahl, oder eine Keramik sein. Diese Werkstoffe verändern ihr Verhalten unter thermischer und/oder mechanischer Belastung auch auf Dauer nicht oder nur sehr gering, so dass ihr Verhalten berechenbar bleibt, um etwaige Korrekturen vorzunehmen. Somit wird eine hohe Messgenauigkeit des Ultraschallsensors über seine gesamte Lebensdauer erreicht.Further preferably, the support arm is formed of the same material as the reflector, so that the material of the support arm and the reflector have the same coefficient of thermal expansion. The material may in particular be a metal, such as steel or stainless steel, or a ceramic. These materials do not change their behavior under thermal and / or mechanical stress even in the long term or only very slightly, so that their behavior remains predictable in order to make any corrections. Thus, a high measurement accuracy of the ultrasonic sensor is achieved over its entire life.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Reflektor kreisförmig ausgeführt und weist mehrere Tragarme auf, die vorzugsweise in gleichem Winkelabstand zueinander und radial außen in Bezug auf den Reflektor angeordnet sind. Auf diese Weise kann eine optimale Abstützung des Reflektors bewirkt werden, so dass die mechanische Belastbarkeit des Ultraschallsensors steigt. Soll der Ultraschallsensor der Bestimmung des Harnstoffgehalts einer wässrigen Harnstofflösung in einem Tank an Bord eines Kraftfahrzeugs dienen, kann auf diese Weise ferner die Eisdruckfestigkeit des Ultraschallsensors gesteigert werden. Denn bei Temperaturen unter -11°C gefriert die wässrige Harnstofflösung.According to a preferred embodiment of the invention, the reflector is circular and has a plurality of support arms, which are preferably arranged at the same angular distance from one another and radially outside with respect to the reflector. In this way, an optimal support of the reflector can be effected, so that the mechanical load capacity of the ultrasonic sensor increases. If the ultrasonic sensor is to be used to determine the urea content of an aqueous urea solution in a tank on board a motor vehicle, the ice pressure resistance of the ultrasonic sensor can also be increased in this way. Because at temperatures below -11 ° C, the aqueous urea solution freezes.
Weist der Reflektor eine von der Kreisform abweichende Form auf, beispielsweise die Form einer Ellipse oder eines Mehrecks auf, werden im Fall mehrerer Tragarme diese ebenfalls bevorzugt jeweils außenseitig am Reflektor angeordnet. Auf diese Weise können sich zwei Tragarme am Reflektor gegenüberliegen, um diesen optimal zu stützen.If the reflector has a shape deviating from the circular shape, for example the shape of an ellipse or a polygon, in the case of a plurality of support arms, these are likewise preferably each arranged on the outside of the reflector. In this way, two support arms can be opposite to the reflector to optimally support this.
Der Reflektor ist vorzugsweise ausschließlich über den einen Tragarm bzw. die mehreren Tragarme gehalten, so dass thermisch bedingte Längenänderungen des Tragarms bzw. der Tragarme zwängungsfrei möglich sind. Dadurch ist sichergestellt, dass die Ausrichtung des Reflektors in Bezug auf die Sensoreinheit weitgehend unverändert bleibt.The reflector is preferably held exclusively on the one support arm or the plurality of support arms, so that thermally induced changes in length of the support arm or the support arms are zwängungsfrei possible. This ensures that the orientation of the reflector with respect to the sensor unit remains largely unchanged.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der Reflektor eine eben, sphärisch oder parabolisch geformte Reflektorfläche aufweist. Die eben ausgeführte Reflektorfläche besitzt den Vorteil, dass sie vergleichsweise einfach und kostengünstig zu fertigen ist. Die vorgeschlagenen gekrümmten Formen ermöglichen eine Vergrößerung der Reflektorfläche bei gleichbleibendem Außendurchmesser bzw. bei gleich bleibenden Außenabmessungen. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn nicht alle Ultraschallwellen durch den Reflektor zurückgeworfen werden sollen, sondern ein Teil der Ultraschallwellen den Reflektor seitlich passieren sollen, um beispielsweise eine weitere Messung, insbesondere eine Füllstandsmessung, durchzuführen. In den einen Ultraschallsensor kann auf diese Weise eine weitere Funktion integriert werden, die einen weiteren Sensor, insbesondere einen separaten Füllstandssensor, entbehrlich macht.In addition, it is proposed that the reflector has a flat, spherical or parabolic reflector surface. The just executed reflector surface has the advantage that it is comparatively easy and inexpensive to manufacture. The proposed curved shapes allow an enlargement of the reflector surface with the same outer diameter or with the same outer dimensions. This is particularly advantageous if not all ultrasonic waves are to be reflected by the reflector, but a part of the ultrasonic waves to pass the reflector laterally, for example, to carry out a further measurement, in particular a level measurement. In the one ultrasonic sensor, a further function can be integrated in this way, which eliminates the need for a further sensor, in particular a separate filling level sensor.
Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der Reflektor eine Öffnung aufweist, die einen Teil der von der Sensoreinheit erzeugten Ultraschallwellen zur Durchführung einer weiteren Messung, insbesondere einer Füllstandsmessung, hindurch lässt. Die Öffnung kann beispielsweise mittig angeordnet sein, so dass dieser Teil der Ultraschallwellen eine definierte Ausrichtung zur Durchführung der weiteren Messung besitzt.Alternatively or additionally, it is proposed that the reflector has an opening, which allows a portion of the ultrasonic waves generated by the sensor unit to carry out a further measurement, in particular a fill level measurement. For example, the opening may be centered be arranged so that this part of the ultrasonic waves has a defined orientation for performing the further measurement.
Bevorzugt ist das die Sensoreinheit aufnehmende Gehäuseteil ein Gehäuseteil des Ultraschallsensors oder ein Gehäuseteil einer Tankeinbaueinheit. Sofern es sich um ein Gehäuseteil des Ultraschallsensors handelt, weist dieser ein eigenes Gehäuse auf bzw. bildet eine eigenständige Baugruppe aus. Der Ultraschallsensor ist in diesem Fall besonders vielseitig einsetzbar. Handelt es sich bei dem Gehäuseteil um ein Gehäuseteil einer Tankeinbaueinheit, benötigt der Ultraschallsensor kein eigenes Gehäuse, so dass der Bauraumbedarf gesenkt werden kann. Alle erforderlichen Anschlüsse können zudem in das Gehäuseteil der Tankeinbaueinheit integriert werden, so dass nur noch die Sensoreinheit und der Reflektor montiert werden müssen. Die Integration des Ultraschallsensors in die Tankeinbaueinheit bietet sich insbesondere für den Anwendungsfall an, in der mit Hilfe des Ultraschallsensors der Harnstoffgehalt einer in einem Tank bevorrateten wässrigen Harnstofflösung bestimmt werden soll. Denn die Tankeinbaueinheit kann in diesem Fall zugleich als Träger für weitere Komponenten eines Dosiersystems zum Eindosieren der wässrigen Harnstofflösung genutzt werden. Bei diesen weiteren Komponenten kann es sich insbesondere um eine Pumpe, einen Filter und/oder eine Heizvorrichtung handeln.Preferably, the housing unit receiving the sensor unit is a housing part of the ultrasonic sensor or a housing part of a tank installation unit. If it is a housing part of the ultrasonic sensor, this has its own housing or forms an independent module. The ultrasonic sensor is particularly versatile in this case. If the housing part is a housing part of a tank installation unit, the ultrasonic sensor does not need its own housing, so that the space requirement can be reduced. All necessary connections can also be integrated in the housing part of the tank installation unit, so that only the sensor unit and the reflector must be mounted. The integration of the ultrasonic sensor into the tank installation unit is particularly suitable for the application in which the urea content of an aqueous urea solution stored in a tank is to be determined with the aid of the ultrasonic sensor. Because the tank installation unit can be used in this case at the same time as a carrier for other components of a dosing system for dosing the aqueous urea solution. These further components may in particular be a pump, a filter and / or a heating device.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Ultraschallsensor mit dem Gehäuseteil verbunden ist und das Gehäuseteil - und zwar unabhängig davon, ob es sich hierbei um ein Gehäuseteil des Ultraschallsensors oder einer Tankeinbaueinheit handelt - eine Schnittstelle zur Verbindung mit einem Tank für die Flüssigkeit bzw. die wässrige Harnstofflösung aufweist. Die Schnittstelle vereinfacht die Montage des Ultraschallsensors bzw. der Tankeinbaueinheit. Vorzugsweise ist das Gehäuseteil im Bereich der Schnittstelle mit dem Tank verschweißbar, so dass über die Schweißverbindung zugleich eine Abdichtung bewirkt wird.In a further development of the invention it is proposed that the ultrasonic sensor is connected to the housing part and the housing part - regardless of whether this is a housing part of the ultrasonic sensor or a tank installation unit - an interface for connection to a tank for the liquid or having the aqueous urea solution. The interface simplifies the installation of the ultrasonic sensor or the tank installation unit. Preferably, the housing part in the region of the interface with the tank is welded, so that at the same time a seal is effected via the welded joint.
Vorteilhafterweise ist in die Sensoreinheit oder in das Gehäuseteil ein Temperatursensor integriert. Da die Geschwindigkeit der Ultraschallwellen von der Temperatur der Flüssigkeit abhängt, können Temperaturveränderungen mittels des Temperatursensors erfasst und auf deren Grundlage eine Anpassung der Korrekturwerte vorgenommen werden. Dadurch kann die Messgenauigkeit weiter erhöht werden.Advantageously, a temperature sensor is integrated in the sensor unit or in the housing part. Since the speed of the ultrasonic waves depends on the temperature of the liquid, temperature changes can be detected by means of the temperature sensor and on the basis of which an adjustment of the correction values can be made. As a result, the measurement accuracy can be further increased.
Des Weiteren bevorzugt bildet der Reflektor eine Heizeinrichtung oder einen mit einer Heizeinrichtung verbundenen Wärmeleitkörper aus. Auf diese Weise kann einem Gefrieren der Flüssigkeit im Bereich des Reflektors entgegengewirkt werden oder bereits gefrorene Flüssigkeit aufgetaut werden. Sofern der Reflektor selbst eine Heizeinrichtung ausbildet, kann beispielsweise die Wärme mittels Induktion bewirkt werden. Alternativ oder ergänzend kann die Sensoreinheit als Wärmequelle dienen und/oder Wärmequellen umfassen.Furthermore, the reflector preferably forms a heating device or a heat conducting body connected to a heating device. In this way, a freezing of the liquid in the region of the reflector can be counteracted or already frozen liquid can be thawed. If the reflector itself forms a heating device, for example, the heat can be effected by means of induction. Alternatively or additionally, the sensor unit can serve as a heat source and / or comprise heat sources.
Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass der Reflektor und/oder der Tragarm zumindest bereichsweise von einer Schutzwand umgeben ist bzw. sind. Die Schutzwand kann sich insbesondere bogenförmig um den Reflektor und/oder den Tragarm herum erstrecken. Ferner können mehrere Schutzwände um den Reflektor und/oder den Tragarm herum angeordnet sein. Die mindestens eine Schutzwand bewirkt einen Schutz des Ultraschallsensors vor mechanischen Beeinträchtigungen während der Montage und/oder während des Betriebs. Beispielsweise können durch die Schutzwand Schäden aufgrund Eisdruck oder durch schwimmende Eisblöcke an den für die Messung relevanten Bauteile verhindert werden.As a further development measure, it is proposed that the reflector and / or the support arm is or are surrounded by a protective wall at least in certain areas. The protective wall may in particular extend arcuately around the reflector and / or the support arm. Furthermore, a plurality of protective walls may be arranged around the reflector and / or the support arm. The at least one protective wall effects a protection of the ultrasonic sensor from mechanical damage during assembly and / or during operation. For example, can be prevented by the protective wall damage due to ice pressure or by floating ice blocks on the relevant components for the measurement.
Die mindestens eine Schutzwand kann durch ein separates Bauteil ausgebildet werden, das am Gehäuseteil des Ultraschallsensors oder der Tankeinbaueinheit befestigt ist. Alternativ kann die Schutzwand einteilig mit dem Gehäuseteil ausgebildet sein. Die einteilige Ausführung besitzt den Vorteil, dass der Montageaufwand sinkt und eine dauerhafte Lagefixierung der Schutzwand gewährleistet ist.The at least one protective wall can be formed by a separate component which is fastened to the housing part of the ultrasonic sensor or the tank installation unit. Alternatively, the protective wall may be formed integrally with the housing part. The one-piece design has the advantage that the assembly costs decreases and a permanent positional fixation of the protective wall is ensured.
Ist nur eine Schutzwand vorgesehen, ist diese bevorzugt rohrförmig, so dass sie den Reflektor und/oder den mindestens einen Tragarm ganz oder zumindest über einen Winkelbereich von mehr als 180° umschließt. Das heißt, dass die Schutzwand auch als ein Rohr ausgeführt sein kann, das über seine gesamte Länge offen ist. Über den geöffneten Bereich kann bzw. können in einfacher Weise der Reflektor und/oder der Tragarm eingesetzt werden. Darüber hinaus kann über die Öffnung Flüssigkeit in das Rohr einströmen, so dass sichergestellt ist, dass sich eine ausreichende Menge der Flüssigkeit im Bereich der Messstrecke befindet.If only one protective wall is provided, it is preferably tubular, so that it encloses the reflector and / or the at least one support arm completely or at least over an angular range of more than 180 °. This means that the protective wall can also be designed as a tube which is open over its entire length. Over the open area can or can be used in a simple way, the reflector and / or the support arm. In addition, liquid can flow into the tube via the opening, so that it is ensured that a sufficient amount of the liquid is in the region of the measuring section.
Wie bereits erwähnt umfasst die Sensoreinheit des Ultraschallsensors einen Ultraschallerzeuger und einen Ultraschallempfänger. Diese können durch ein Bauteil ausgebildet werden oder als getrennte Bauteile ausgeführt werden. Die einteilige Ausführung verringert den Montageaufwand und den Bauraumbedarf des fertigen Sensors. Die getrennte Ausführung ermöglicht eine Optimierung des Ultraschallsensors im Hinblick auf Empfindlichkeit, Messgenauigkeit und/oder Auflösung. Als Ultraschallerzeuger/-empfänger kann ein piezoelektrischer Kristall oder eine piezoelektrische Keramik, z. B. Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) verwendet werden, wobei die Keramik einen besonders hohen piezoelektrischen Koeffizienten aufweist.As already mentioned, the sensor unit of the ultrasonic sensor comprises an ultrasound generator and an ultrasound receiver. These can be formed by a component or executed as separate components. The one-piece design reduces the assembly effort and the space requirement of the finished sensor. The separate version allows an optimization of the ultrasonic sensor in terms of sensitivity, measurement accuracy and / or resolution. As the ultrasonic generator / receiver, a piezoelectric crystal or a piezoelectric ceramic, for. As lead zirconate titanate (PZT) can be used, wherein the ceramic has a particularly high piezoelectric coefficient.
Vorzugsweise ist bzw. sind zur Kontaktierung der Sensoreinheit eine Leiterplatte und/oder elektrische Anschlusselemente in das Gehäuseteil integriert. Die elektrischen Anschlusselemente können aus dem Gehäuseteil nach außen geführt werden, um den erforderlichen elektrischen Anschluss zu realisieren. Beispielsweise können die elektrischen Anschlusselemente in einem Steckerteil enden, der in einfacher Weise mit einem weiteren Steckerteil eines Stromkabels verbindbar ist. Neben der Stromversorgung ermöglichen die elektrischen Anschlusselemente eine Datenverbindung des Ultraschallsensors zu Motor- oder anderen Steuergeräten. Die elektrischen Anschlusselemente können beispielsweise durch Flachsteckerstromschienen gebildet werden.Preferably, a printed circuit board and / or electrical connection elements are or are integrated into the housing part for contacting the sensor unit. The electrical connection elements can be led out of the housing part to the outside in order to realize the required electrical connection. For example, the electrical connection elements can end in a plug part, which can be connected in a simple manner to a further plug part of a power cable. In addition to the power supply, the electrical connection elements enable a data connection of the ultrasonic sensor to motor or other control devices. The electrical connection elements can be formed for example by Flachsteckerstromschienen.
Um eine dauerhafte Befestigung der elektrischen Bauteile im Gehäuseteil zu bewirken, wird vorgeschlagen, dass die Leiterplatte und/oder die elektrischen Anschlusselemente mittels Gießharz im Gehäuseteil lagefixiert ist bzw. sind. Über das Gießharz kann zugleich eine Abdichtung gegenüber der Flüssigkeit und damit eine Isolierung der elektrischen Bauteile erreicht werden. Alternativ oder ergänzend zum Gießharz kann eine Abdichtung mittels eines aufgeschweißten Deckels bewirkt werden.In order to effect a permanent attachment of the electrical components in the housing part, it is proposed that the circuit board and / or the electrical connection elements is fixed in position by means of casting resin in the housing part or are. At the same time a seal against the liquid and thus insulation of the electrical components can be achieved via the casting resin. Alternatively or in addition to the casting resin, a seal can be effected by means of a welded-on lid.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die im Gehäuseteil aufgenommene Sensoreinheit in Gießharz eingebettet ist und/oder durch eine Membran von der Flüssigkeit getrennt ist. Auf diese Weise wird auch eine Abdichtung der Sensoreinheit gegenüber der Flüssigkeit erreicht. In Richtung des Reflektors wird eine Abdichtung mittels einer Membran bevorzugt, die derart ausgebildet ist, dass sie zwar fluiddicht ist, aber Ultraschallsignale weiterleitet. Zur Optimierung der Signalübertragung sollten Luftspalte zwischen der Sensoreinheit und der Membran vermieden werden. Zur Signaldämpfung in die andere Richtung kann die Sensoreinheit auf einem Dämpfungselement aufliegen. Als Dämpfungselement kann beispielsweise ein einfaches Schaumstoffpad dienen. Die Sensoreinheit und das Dämpfungselement werden in das Gehäuseteil eingesetzt und vorzugsweise anschließend mit Gießharz vergossen.It is also proposed that the sensor unit accommodated in the housing part is embedded in casting resin and / or is separated from the liquid by a membrane. In this way, a seal of the sensor unit with respect to the liquid is achieved. In the direction of the reflector, a seal by means of a membrane is preferred, which is designed such that it is indeed fluid-tight, but forwards ultrasonic signals. To optimize the signal transmission, air gaps between the sensor unit and the membrane should be avoided. For signal attenuation in the other direction, the sensor unit can rest on a damping element. As a damping element can serve for example a simple Schaumstoffpad. The sensor unit and the damping element are inserted into the housing part and preferably subsequently cast with casting resin.
Der vorgeschlagene Ultraschallsensor ermöglicht die Messung einer Signallaufzeit in einer Flüssigkeit, wobei eine Laufzeitveränderung unter Berücksichtigung der Temperatur auf eine Dichteveränderung schließen lässt. Handelt es sich bei der Flüssigkeit um eine wässrige Harnstofflösung, kann aus der Dichteveränderung auf eine veränderte Harnstoffkonzentration geschlossen werden, so dass sich mittels des Ultraschallsensors die Qualität der wässrigen Harnstofflösung ermitteln lässt. Der Ultraschallsensor kann demnach vereinfacht auch als Qualitätssensor bezeichnet werden.The proposed ultrasonic sensor allows the measurement of a signal propagation time in a liquid, wherein a propagation time change, taking into account the temperature to close a density change. If the liquid is an aqueous urea solution, the change in density can be used to deduce an altered urea concentration, so that the quality of the aqueous urea solution can be determined by means of the ultrasonic sensor. The ultrasound sensor can therefore also be referred to simply as a quality sensor.
Durch die feste Anbindung des Reflektors des Ultraschallsensors über den mindestens einen Tragarm an die Sensoreinheit bzw. das die Sensoreinheit aufnehmende Gehäuseteil können die negativen Auswirkungen thermisch bedingter Längenänderungen auf die Messgenauigkeit reduziert werden. Denn zum einen kann die Anbindung des Reflektors mittels des mindestens einen Tragarms unmittelbar am oder in unmittelbarer Nähe zur Sensoreinheit erfolgen, so dass im Wesentlichen nur die Längenänderung des Reflektors einschließlich Tragarm zu berücksichtigen ist. Da sich der mindestens eine Tragarm und der Reflektor ungehindert, insbesondere zwängungsfrei, ausdehnen können, bleibt die Ausrichtung des Reflektors in Bezug auf die Sensoreinheit im Wesentlichen gleich. Ferner können Korrekturwerte für die Längenänderungen berechnet und in die Messwerte mit einfließen. Beispielsweise können die Längenänderungen bereits bei der Programmierung der Sensorkennlinie berücksichtigt werden und so einen großen Beitrag zur Sensorgenauigkeit beisteuern.Due to the fixed connection of the reflector of the ultrasonic sensor via the at least one support arm to the sensor unit or the sensor unit receiving housing part, the negative effects of thermally induced changes in length can be reduced to the measurement accuracy. For one thing, the connection of the reflector by means of at least one support arm directly on or in the immediate vicinity of the sensor unit, so that essentially only the change in length of the reflector including the support arm is taken into account. Since the at least one support arm and the reflector can expand unhindered, in particular constraint-free, the orientation of the reflector with respect to the sensor unit remains substantially the same. Furthermore, correction values for the length changes can be calculated and included in the measured values. For example, the length changes can already be taken into account when programming the sensor characteristic and thus make a significant contribution to sensor accuracy.
Auch die Membran, die Sensoreinheit und/oder das Gehäuseteil unterliegen thermisch bedingten Längenänderungen. Diese sind jedoch aufgrund geringerer Abmessungen - insbesondere in Signalsende- und Signalempfangsrichtung - weniger stark ausgeprägt. Ferner lassen auch diese sich bei der Kennlinienprogrammierung berücksichtigen.The membrane, the sensor unit and / or the housing part are subject to thermally induced changes in length. However, these are due to smaller dimensions - especially pronounced in signal transmission and signal reception direction - less pronounced. Furthermore, these can also be taken into account in the characteristic curve programming.
Der vorgeschlagene Ultraschallsensor wird vorzugsweise zusammen mit weiteren Komponenten in einen Tank zur Bevorratung der Flüssigkeit eingebaut. Um die Montage zu vereinfachen und die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen, kann der Ultraschallsensor zusammen mit den weiteren Komponenten in eine Tankeinbaueinheit integriert werden.The proposed ultrasonic sensor is preferably installed together with other components in a tank for storing the liquid. To simplify assembly and increase cost-effectiveness, the ultrasonic sensor can be integrated with the other components in a tank installation unit.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird daher ferner eine Tankeinbaueinheit mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallsensor vorgeschlagen. Bei dieser Tankeinbaueinheit ist vorzugsweise der Ultraschallsensor gemeinsam mit einer Pumpe, einem Filter und/oder einer Heizvorrichtung auf einer Plattform der Tankeinbaueinheit angeordnet. Die Plattform ermöglicht eine kompakte platzsparende Anordnung der verschiedenen Komponenten. Idealerweise wird die Plattform bei der Montage von unten an eine Öffnung im Tankboden angesetzt, so dass die auf der Plattform angeordneten Komponenten im Tank zu liegen kommen. Bevorzugt weist die Tankeinbaueinheit eine Schnittstelle zur Verbindung, vorzugsweise zur Verschweißung, mit dem Tank auf, so dass zugleich eine Abdichtung erzielt wird.To solve the object mentioned above, therefore, a tank installation unit is proposed with an ultrasonic sensor according to the invention. In this tank installation unit, the ultrasonic sensor is preferably arranged together with a pump, a filter and / or a heating device on a platform of the tank installation unit. The platform enables a compact space-saving arrangement of the various components. Ideally, during assembly, the platform is attached to an opening in the tank bottom from below, so that the components arranged on the platform come to rest in the tank. Preferably, the tank installation unit has an interface for connection, preferably for welding, with the tank, so that at the same time a seal is achieved.
Der Ultraschallsensor wird vorzugsweise derart auf der Plattform angeordnet bzw. in die Tankeinbaueinheit integriert, dass die Messtrecke im Wesentlichen parallel zur Plattform der Tankeinbaueinheit verläuft. Dadurch ist sichergestellt, dass der Ultraschallsensor auch bei niedrigem Füllstand stets von Flüssigkeit bedeckt ist.The ultrasonic sensor is preferably arranged on the platform or in the Integrated tank unit that the measuring path runs substantially parallel to the platform of the tank installation unit. This ensures that the ultrasonic sensor is always covered by liquid even at low levels.
Mittels der vorzugsweise ferner vorgesehenen Pumpe kann die Flüssigkeit aus dem Tank zu einem Dosiermodul gefördert werden. Handelt es sich bei der Flüssigkeit um eine wässrige Harnstofflösung, kann mit Hilfe des Dosiermoduls die wässrige Harnstofflösung in einen Abgasstrang eindosiert werden. Der Filter, sofern vorgesehen, verhindert, dass unerwünschte Partikel mit ausgetragen werden. Mit Hilfe der Heizvorrichtung kann ein Gefrieren der Flüssigkeit bzw. der wässrigen Harnstofflösung verhindert oder bereits gefrorene Flüssigkeit bzw. gefrorene wässrige Harnstofflösung wieder aufgetaut werden.By means of the preferably further provided pump, the liquid can be conveyed from the tank to a metering module. If the liquid is an aqueous urea solution, the aqueous urea solution can be metered into an exhaust gas line with the aid of the metering module. The filter, if provided, prevents unwanted particles from being discharged. With the help of the heating device, a freezing of the liquid or of the aqueous urea solution can be prevented or already frozen liquid or frozen aqueous urea solution can be thawed again.
Darüber hinaus kann die Tankeinbaueinheit weitere Komponenten, insbesondere weitere Sensoren, wie beispielsweise einen Füllstandssensor, einen Temperatursensor und/oder einen Drucksensor umfassen. Ferner kann die Tankeinbaueinheit elektrische und/oder hydraulische Anschlüsse aufweisen. Bevorzugt sind Wärmeleitelemente vorhanden, um eine optimale Verteilung der Wärme der Heizvorrichtung im Tank zu erzielen. Die Aufzählung der möglichen weiteren Komponenten ist nicht abschließend.In addition, the tank installation unit may comprise further components, in particular further sensors, such as a level sensor, a temperature sensor and / or a pressure sensor. Furthermore, the tank installation unit can have electrical and / or hydraulic connections. Preferably, heat-conducting elements are present in order to achieve an optimum distribution of the heat of the heating device in the tank. The list of possible further components is not exhaustive.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:
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1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform, -
2 eine perspektivische Darstellung des Ultraschallsensors der1 , jedoch ohne Schutzwand, -
3 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform, -
4 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform, -
5 eine perspektivische Darstellung des Ultraschallsensors der4 , -
6 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Tankeinbaueinheit, -
7 eine Schnittansicht der Tankeinbaueinheit der6 und -
8 eine vergrößerte Schnittansicht der Tankeinbaueinheit der6 .
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1 a sectional view of an ultrasonic sensor according to the invention according to a first preferred embodiment, -
2 a perspective view of the ultrasonic sensor of1 but without protective wall, -
3 a perspective view of an ultrasonic sensor according to the invention according to a second preferred embodiment, -
4 a sectional view of an ultrasonic sensor according to the invention according to a third preferred embodiment, -
5 a perspective view of the ultrasonic sensor of4 . -
6 a perspective view of a tank installation unit according to the invention, -
7 a sectional view of the tank installation unit of6 and -
8th an enlarged sectional view of the tank installation unit of6 ,
Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings
Der in der
Zum Schutz vor mechanischen Beeinträchtigungen sind der Reflektor
An das Gehäuseteil
In das Steckerteil
Alternativ zu den vorstehend beschriebenen Montageschritten können die Sensoreinheit
In der
Der
Da die sich gegenüberliegenden Tragarme
Die in den
Wie beispielhaft in der
Bei der in der
Wie beispielhaft in den
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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