DE102011089685B4

DE102011089685B4 - Messanordnung zur Bestimmung eines Füllstands und/oder einer Konzentration einer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE102011089685B4
Application number: DE102011089685.6A
Authority: DE
Inventors: Philippe Grass; Stephan Heinrich; Denny Schädlich
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2018-09-27
Anticipated expiration: 2031-12-23
Also published as: DE102011089685A1

Abstract

Messanordnung zur Bestimmung eines Füllstands und/oder einer Konzentration einer Flüssigkeit (14) mit
- einem Aufnahmeraum zur Aufnahme der Flüssigkeit (14),
- einem Sender, der ein elektrisches Signal in Schallwellen umwandelt und die Schallwellen in eine vorgegebene Richtung aussendet,
- einer Umlenkeinrichtung (30) mit einer Grenzfläche (38), an der die von dem Sender ausgesendeten Schallwellen reflektiert und umgelenkt werden, und
- einem Empfänger, der die Schallwellen nach Durchlaufen einer Messtrecke empfängt und in ein elektrisches Signal umwandelt, wobei
- die Grenzfläche (38) an einem Körper (32) ausgebildet ist, in dem sich die Schallwellen ausbreiten und der so angeordnet ist, dass die Schallwellen aus dem Inneren des Körpers (32) auf die Grenzfläche (38) auftreffen, dadurch gekennzeichnet, dass
- die in dem Aufnahmeraum befindliche Flüssigkeit (14) auch zwischen dem Sender und dem Körper (32) angeordnet ist und
- die Schallkennimpedanz des Körpers (32) um weniger als 50 % von der Schallkennimpedanz der Flüssigkeit (14) abweicht,
- wobei in dem Aufnahmeraum eine weitere Umlenkeinrichtung (44) angeordnet ist, die die von der Umlenkeinrichtung (30) reflektierten Schallwellen in Richtung zu einer Flüssigkeitsoberfläche (48) hin umlenkt, wobei an der Flüssigkeitsoberfläche (48) eine Richtungsumkehr der Schallwellen erfolgt und die von der Flüssigkeitsoberfläche reflektierten Schallwellen zur weiteren Umlenkeinrichtung (44) zurück verlaufen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zur Bestimmung eines Füllstands und/oder einer Konzentration einer Flüssigkeit mit einem Aufnahmeraum zur Aufnahme der Flüssigkeit, einem Sender, der ein elektrisches Signal in Schallwellen umwandelt und die Schallwellen in eine vorgegebene Richtung aussendet, einer Umlenkeinrichtung mit einer Grenzfläche, an der die von dem Sender ausgesendeten Schallwellen reflektiert und umgelenkt werden, und einem Empfänger, der die Schallwellen nach Durchlaufen der Messstrecke empfängt und in ein elektrisches Signal umwandelt. Derartige Messanordnungen finden im automobilen Umfeld unterschiedliche Anwendungen, beispielsweise zur Messung eines Ölstands, eines Füllstands eines Kraftstofftanks, einer Konzentration einer Harnstofflösung, die für den Betrieb von SCR-Systemen mitgeführt wird, usw. Diese Messungen beruhen insbesondere auf einer Auswertung der Laufzeit der Schallwellen zwischen Sender und Empfänger. Diese Laufzeit ist füllstandsabhängig, wenn die Schallwellen an einer Flüssigkeitsoberfläche reflektiert werden und daher die Länge der Messstrecke mit dem Füllstand variiert. Die Laufzeit variiert außerdem mit allen Eigenschaften der Flüssigkeit, die einen Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit haben. Hierzu zählt insbesondere eine Konzentration. Darüber hinaus ist die Messanordnung auch zur Bestimmung sonstiger Eigenschaften der Flüssigkeit geeignet, die mit einer Änderung der Schallgeschwindigkeit innerhalb der Flüssigkeit einhergehen.
In der Regel wird ein Schallwandler eingesetzt, der zugleich Sender und Empfänger ist, zumeist ein Ultraschallwandler. Die während des Sendebetriebs ausgesendeten Schallwellen durchlaufen eine Messstrecke und treffen anschließend wieder auf den Schallwandler auf, der dann als Empfänger arbeitet. Bekannte Ultraschallwandler beruhen unter Verwendung eines Piezoelements auf dem piezoelektrischen Effekt. Wegen des Ein- und Ausschwingverhaltens derartiger Schallwandler ist es häufig erforderlich, dass die Messstrecke eine bestimmte Mindestlänge aufweist: Während die Schallwellen diese Messstrecke durchlaufen, kann eine Nachschwingung des Ultraschallwandlers so weit abklingen, dass ein Empfang der nach Durchlaufen der Messstrecke wieder beim Schallwandler eintreffenden Schallwellen möglich ist. Um eine ausreichend lange Messstrecke zu erhalten, können die Schallwellen innerhalb der Flüssigkeit umgelenkt werden. Hierzu sind Umlenkeinrichtungen mit einer Grenzfläche bekannt, an der die Schallwellen reflektiert werden.
1 zeigt in vereinfachter Form eine Messanordnung nach dem Stand der Technik mit einer solchen Umlenkeinrichtung. Die bekannte Messanordnung weist einen Behälter 10 auf. An einem Behälterboden ist ein Schallwandler 12 angeordnet, der Ultraschallwellen durch eine Wandung des Behälters 10 hindurch aussendet. Innerhalb des Behälters 10 ist eine Flüssigkeit 14 angeordnet, in der sich die Schallwellen ausbreiten. Die Schallwellen breiten sich vom Schallwandler 12 ausgehend geradlinig nach oben aus, bis sie auf eine Umlenkeinrichtung 16 in Form eines schräg in dem Behälter 10 angeordneten, plattenförmigen Körpers auftreffen. Eine Oberfläche des Körpers bildet eine Grenzfläche 18, an der die Schallwellen reflektiert werden. Dadurch werden die Schallwellen in der 1 nach rechts umgelenkt.
Bei der bekannten Anordnung der Umlenkeinrichtung 16 entstehen Probleme, falls sich in der Flüssigkeit 14 Bläschen bilden. Dies geschieht häufig beim Befüllen, aber auch durch Vibrationen oder Hitzeeinwirkung. Die Bläschen lagern sich häufig an die Grenzfläche 18 an und beeinträchtigen so die Reflexion der Schallwellen an der Grenzfläche 18. Bei vielen Flüssigkeiten bilden sich an der Grenzfläche 18 Blasenteppiche aus, die für eine diffuse Reflexion an der Grenzfläche 18 sorgen. Probleme mit solchen Blasen in der Flüssigkeit 14 treten insbesondere an Grenzflächen 18 auf, die annähernd waagerecht angeordnet sind.
Wegen der Haftung der Blasen an der Grenzfläche 18 gibt es jedoch auch bei gegenüber der waagerechten stark geneigten Grenzfläche 18 häufig Schwierigkeiten, wie in der 1 veranschaulicht.
Aus der Druckschrift DE 40 25 326 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Füllstandsmessung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt geworden.
Aus der Druckschrift JP 2004 27 13 90 A ist eine Ultraschallabstandsmesseinrichtung bekannt geworden. Diese weist einen konischen Hohlkörper auf, in dem ein Ultraschallwandler angeordnet ist.
Aus dem US-Patent Nr. 5,159,838 sind dispersionsarme Ultraschall-Wellenleiter bekannt geworden.
Aus der Druckschrift GB 2 312 509 A ist ein Flüssigkeitssensor bekannt geworden. Die von einem Sender ausgesendeten Ultraschallwellen werden U-förmig umgelenkt. Die hierfür verwendeten Umlenkeinrichtungen weisen jeweils einen prismenförmigen Körper auf, der direkt an einen Schallwandler gekoppelt ist.
Aus der Druckschrift CH 419 640 A ist ein Verfahren zum Messen der Höhe des Metallspiegels in der Kokille einer Stranggießanlage bekannt geworden.
Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Messanordnung der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die eine von der Blasenbildung weniger beeinträchtigte Umlenkung der Schallwellen innerhalb der Flüssigkeit ermöglicht. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Messanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den sich anschließenden Unteransprüchen angegeben.
Die Messanordnung dient zur Bestimmung eines Füllstands und/oder einer Konzentration einer Flüssigkeit. Sie kann auch zur Messung sonstiger Flüssigkeitseigenschaften verwendet werden, die eine Umlenkung von Schallwellen innerhalb der Flüssigkeit erfordern. Die Messanordnung hat

- einen Aufnahmeraum zur Aufnahme der Flüssigkeit,
- einen Sender, der ein elektrisches Signal in Schallwellen umwandelt und die Schallwellen in eine vorgegebene Richtung aussendet,
- eine Umlenkeinrichtung mit einer Grenzfläche, an der die von dem Sender ausgesendeten Schallwellen reflektiert und umgelenkt werden,
- einen Empfänger, der die Schallwellen nach Durchlaufen der Messstrecke empfängt und in ein elektrisches Signal umwandelt,

Bei dem Sender handelt es sich insbesondere um einen Ultraschallsender, der als Antrieb ein Piezoelement aufweisen kann. Der Empfänger ist zum Empfang der Schallwellen, die von dem Sender ausgesendet werden, ausgebildet. Sender und Empfänger können eine kombinierte Sende- und Empfangseinheit bilden, insbesondere mit einem Piezoelement, das im Sendebetrieb die elektrischen Signale in Schallwellen wandelt und im Empfangsbetrieb die Schallwellen zurück in elektrische Signale.
Die vom Sender ausgesendeten Schallwellen breiten sich zunächst in einer vorgegebenen Richtung aus, die im Wesentlichen von der Geometrie des Senders festgelegt ist. Es handelt sich in der Regel um longitudinale Schallwellen. Der Weg, entlang dem sich die Schallwellen vom Sender zum Empfänger ausbreiten, wird als Messstrecke bezeichnet. Die Messstrecke verläuft zumindest teilweise durch die Flüssigkeit, deren Eigenschaften gemessen werden sollen. Entlang der Messstrecke werden die Schallwellen mindestens einmal, nämlich von der Umlenkeinrichtung, umgelenkt.
Bei der Erfindung ist die Grenzfläche an einem Körper ausgebildet, in dem sich die Schallwellen ausbreiten und der so angeordnet ist, dass die Schallwellen aus dem Inneren des Körpers auf die Grenzfläche auftreffen. Der Körper ist insbesondere ein Teil der Umlenkeinrichtung. Anders als bei dem eingangs geschilderten Stand der Technik treffen die Schallwellen jedoch nicht von der Flüssigkeit unmittelbar auf die Grenzfläche auf, sondern breiten sich vor und nach Reflexion an der Grenzfläche in dem Körper aus. Die Messstrecke verläuft also vor und nach der Reflexion an der Grenzfläche im Inneren des Körpers. Daher kann die Reflexion an der Grenzfläche nicht wesentlich von Blasen in der Flüssigkeit beeinträchtigt werden. Insbesondere befinden sich auf den unmittelbar an die Grenzfläche angrenzenden Abschnitten der Messstrecke keinerlei Blasen.
In einer Ausgestaltung ist die Grenzfläche von einer Oberfläche des Körpers gebildet, die an eine in dem Aufnahmeraum befindliche Flüssigkeit angrenzt. Für eine Reflexion an der Grenzfläche ist grundsätzlich ein Unterschied der akustischen Eigenschaften des Körpers auf der einen Seite der Grenzfläche gegenüber dem auf der anderen Seite der Grenzfläche befindlichen Medium erforderlich. Grenzt die Grenzfläche unmittelbar an den Aufnahmeraum an, wird dieses andere Medium im Falle eines flüssigkeitsgefüllten Aufnahmeraums von der Flüssigkeit gebildet. Befindet sich keine Flüssigkeit in diesem Bereich des Aufnahmeraums, sondern beispielsweise Luft oder ein sonstiges Gas, kann ebenfalls eine Reflexion an der Grenzfläche erfolgen, sofern die akustischen Eigenschaften des Körpers so gewählt sind, dass sie sich von denen der Luft oder des sonstigen Gases hinreichend unterscheiden.
In einer Ausgestaltung weist die Umlenkeinrichtung auf der von dem Körper abgewandten Seite der Grenzfläche ein Material auf, dessen Schallkennimpedanz um 10 % oder mehr von der Schallkennimpedanz des Körpers abweicht. Die Schallkennimpedanz eines Mediums wird auch als akustische Feldimpedanz oder spezifische akustische Impedanz bezeichnet. Sie ist definiert als das Verhältnis von Schalldruck zu Schallschnelle. Diese Größe entspricht dem Produkt aus spezifischer Dichte des Mediums und Schallausbreitungsgeschwindigkeit in dem Medium.
Für die Reflexion an Grenzflächen ist die Differenz der Schallkennimpedanzen der beiden an der Grenzfläche aufeinandertreffenden Medien maßgeblich. Je größer diese Differenz ist, desto stärker wird eine auf die Grenzfläche auftreffende Schallwelle reflektiert. Das auf der von dem Körper abgewandten Seite der Grenzfläche angeordnete Material ist ein zusätzlich zu dem Körper vorhandener Bestandteil der Umlenkeinrichtung. Das Material kann insbesondere eine größere, bevorzugt eine sehr viel größere Schallkennimpedanz als der Körper aufweisen, die zum Beispiel nicht nur mehr als 10 % größer ist, sondern beispielsweise doppelt so groß, zehn Mal so groß oder einhundert Mal so groß. Dadurch kann eine annähernd verlustfreie Reflexion der Schallwelle an der Grenzfläche erreicht werden.
Geeignete Materialien umfassen zum Beispiel Metalle, Keramiken oder sonstige Materialien mit hoher Schallkennimpedanz. Das Material kann insbesondere eine auf den Körper aufgebrachte Schicht sein. Die Dicke der Schicht, die für das angestrebte Reflexionsverhalten der Grenzfläche erforderlich ist, hängt unter anderem von der Wellenlänge der Schallwellen in dem Körper ab. Beispielsweise kann die Schichtdicke mindestens so groß sein wie die Wellenlänge der Schallwellen in dem Körper, oder zehn Mal oder einhundert Mal so groß. Über die optimierte Reflexion an der Grenzfläche hinaus bringt das zusätzlich zur Umlenkeinrichtung gehörende Material den Vorteil mit sich, dass die akustischen Eigenschaften der Umlenkeinrichtung unabhängig von beispielsweise einem Flüssigkeitsfüllstand in einer Umgebung der Umlenkeinrichtung sind. Insbesondere außerhalb des Körpers an der Grenzfläche angeordnete Blasen können dann keinerlei Einfluss auf das Reflexionsverhalten an der Grenzfläche mehr haben.
In einer Ausgestaltung weist der Körper eine Schallkennimpedanz auf, die sich von der Schallkennimpedanz der Flüssigkeit um mehr als 10 % unterscheidet. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Grenzfläche an dem Körper an die Flüssigkeit angrenzt. In diesem Fall wird eine Reflexion an der Grenzfläche durch möglichst deutlich unterschiedliche Schallkennimpedanzen von Körper und Flüssigkeit begünstigt.
In einer Ausgestaltung ist der Körper unabhängig von einer in dem Aufnahmeraum befindlichen Flüssigkeit akustisch an den Sender gekoppelt. Beispielsweise kann der Körper mit dem Sender verschraubt oder auf sonstige Weise verbunden sein, gegebenenfalls mit zwischen Sender und Körper angeordneten weiteren Materiallagen wie beispielsweise einer Behälterwandung oder einer Koppelschicht. Eine akustische Kopplung unabhängig von der Flüssigkeit heißt, dass die Schallwellen sich entlang der Messstrecke zwischen Sender und dem Körper nicht durch die Flüssigkeit ausbreiten. Stattdessen verläuft die Messstrecke in diesem Bereich ggfs. durch beliebige andere Medien. Durch eine solche flüssigkeitsunabhängige akustische Kopplung wird erreicht, dass die Schallwellen unabhängig von einem Füllstand der Flüssigkeit stets in definierter Weise auf die Grenzfläche auftreffen. Der für die Messung notwendigerweise durch die Flüssigkeit verlaufende Abschnitt der Messstrecke kann dann in Schallausbreitungsrichtung hinter der Grenzfläche angeordnet sein, sodass die Schallwellen erst nach Reflexion an der Grenzfläche erstmals in die Flüssigkeit eindringen.
Bei der Erfindung ist eine in dem Aufnahmeraum befindliche Flüssigkeit zwischen dem Sender und dem Körper angeordnet. In diesem Fall erfolgt also die akustische Kopplung anders als in der zuvor erläuterten Ausgestaltung gerade über die Flüssigkeit. Außerdem weicht die Schallkennimpedanz des Körpers nur wenig von der Schallkennimpedanz der Flüssigkeit ab, um weniger als 50 %. In diesem Fall wird eine starke Reflexion an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und einer Fläche des Körpers, durch die die vom Sender ausgesendeten Schallwellen in den Körper eindringen, vermieden.
In einer Ausgestaltung ist der Körper prismenförmig. Ein Prisma ist ein geometrischer Körper mit einer vieleckigen Grundfläche und parallelen Seitenkanten. Die Seitenkanten können gleich lang sein. Zwischen den parallelen Seitenkanten sind Oberflächen ausgebildet. Durch eine erste dieser Oberflächen treten die Schallwellen in den Körper ein. An einer dieser ersten Oberfläche mehr oder weniger gegenüberliegenden zweiten Oberfläche ist die Grenzfläche ausgebildet, an der die Schallwellen reflektiert werden. Sie verlaufen nach der Reflexion weiterhin innerhalb des prismenförmigen Körpers, bis sie durch eine dritte Oberfläche aus dem Körper austreten. Geeignet ist insbesondere ein prismenförmiger Körper mit einer dreieckigen Grundfläche. Die Grundfläche kann insbesondere ein gleichschenkliges und/oder rechtwinkliges Dreieck sein. Im Falle eines rechteckigen Dreiecks kann die Grenzfläche, an der die Schallwellen reflektiert werden, insbesondere die von der Hypotenuse des rechtwinkligen Dreiecks gebildete Oberfläche des prismenförmigen Körpers sein. Dann können die Schallwellen in Normalenrichtung zu der ersten Oberfläche in den Körper eintreten und in Normalenrichtung zu der zweiten Oberfläche aus dem Körper austreten. Es erfolgt mithin eine Umlenkung im 90°-Winkel, was in vielen Fällen einen besonders günstigen Verlauf der Messstrecke ermöglicht.
In einer Ausgestaltung bilden der Sender und die Umlenkeinrichtung eine vormontierte Einheit. Wie bereits erwähnt, kann der Empfänger einteilig mit dem Sender ausgebildet sein, sodass er auch zu der Einheit zählt. Es ergibt sich ein besonders kompakter Aufbau und insbesondere eine feste Anordnung der Umlenkeinrichtung in Bezug auf den Sender. Dadurch kann die Messstrecke in der gewünschten Weise durch die Fixierung der Einheit einfach festgelegt werden. Eine spezielle Justierung der Umlenkeinrichtung in Bezug auf eine Position des Senders ist nicht erforderlich. Die Einheit kann insbesondere von außen in einen Behälter, in dem der Aufnahmeraum ausgebildet ist, eingesetzt werden. Dies kann beispielsweise durch eine Öffnung einer Behälterwandung erfolgen, in die die Einheit aus Sender und Umlenkeinrichtung eingesetzt wird. Dabei kann die Einheit aus Sender und Umlenkeinrichtung die Öffnung dichtend verschließen.
In einer Ausgestaltung ist der Sender außerhalb des Aufnahmeraums angeordnet und über eine Wandung des Aufnahmeraums akustisch an die Flüssigkeit und/oder an die Umlenkeinrichtung gekoppelt. Beispielsweise kann der Sender mit der Wandung verschraubt oder auf sonstige Weise verbunden sein, insbesondere durch Verkleben. Zwischen Sender und Wandung kann eine Koppelschicht, z. B. aus Silikon, ausgebildet sein. Dadurch können Lufteinschlüsse zwischen Sender und Wandung vermieden werden. Der Sender kann insbesondere unter Ausübung einer Vorspannung an die Wandung gepresst werden, sodass eine optimale akustische Ankopplung erreicht wird. Insbesondere kann auf diese Weise eine akustische Ankopplung an die im Behälter befindliche Flüssigkeit erreicht werden. Alternativ kann die Umlenkeinrichtung auf der Innenseite des Behälters unmittelbar an die Behälterwandung gekoppelt werden, beispielsweise ebenfalls unter Anwendung einer Koppelschicht, einer Verklebung und/oder einer Vorspannung. In diesem Fall ist eine flüssigkeitsunabhängige Kopplung durch die Behälterwandung hindurch an die Umlenkeinrichtung möglich.
In einer Ausgestaltung ist die Umlenkeinrichtung außerhalb des Aufnahmeraums angeordnet. In diesem Fall kann die Grenzfläche, die ebenfalls außerhalb des Aufnahmeraums angeordnet ist, beispielsweise an die Umgebungsluft angrenzen. Der Sender kann sich ebenfalls außerhalb des Aufnahmeraums befinden und insbesondere als Einheit mit der Umlenkeinrichtung ausgebildet sein oder auf andere Weise unmittelbar mit der Umlenkeinrichtung akustisch gekoppelt sein. Die Umlenkeinrichtung kann eine Oberfläche aufweisen, aus der die an der Grenzfläche reflektierten Schallwellen austreten. Diese Oberfläche kann zum Beispiel an eine Wandung des Aufnahmeraums angrenzen, so dass die von der Grenzfläche reflektierten Schallwellen akustisch an eine im Aufnahmeraum befindliche Flüssigkeit gekoppelt sind.
In einer Ausgestaltung ist in dem Aufnahmeraum eine weitere Umlenkeinrichtung angeordnet, die die von der Umlenkeinrichtung reflektierten Schallwellen in Richtung zu einer Flüssigkeitsoberfläche hin umlenkt. Insbesondere kann zwischen der Umlenkeinrichtung und der weiteren Umlenkeinrichtung ein im Wesentlichen waagerecht verlaufender Abschnitt der Messstrecke ausgebildet sein. Von der weiteren Umlenkeinrichtung werden die Schallwellen erneut reflektiert, und zwar nach oben in Richtung zu einer Flüssigkeitsoberfläche hin. An der Flüssigkeitsoberfläche erfolgt eine Richtungsumkehr der Schallwellen, die von der Flüssigkeitsoberfläche reflektiert und zur weiteren Umlenkeinrichtung zurück verlaufen. Anschließend werden sie erneut an der weiteren Umlenkeinrichtung reflektiert und zu der Umlenkeinrichtung zurückgeworfen, von wo aus sie nach erneuter Reflexion an der Grenzfläche der Umlenkeinrichtung zum Empfänger bzw. der kombinierten Sende- und Empfangseinheit gelangen. Der im Wesentlichen senkrecht verlaufende Abschnitt der Messstrecke dient zur Erfassung des Füllstands. Durch den im Wesentlichen waagerecht verlaufenden Abschnitt der Messstrecke wird dieselbe soweit verlängert, dass auch bei niedrigen Füllstand eine insgesamt ausreichende Schalllaufzeit erhalten wird, um ein Abklingen des Schallwandlers nach dem Aussenden der Schallwellen zu ermöglichen, sodass die zurückreflektierten Schallwellen zuverlässig detektiert werden können.
In einer Ausgestaltung ist in dem Aufnahmeraum eine Reflexionsfläche angeordnet, die von der Umlenkeinrichtung eintreffende Schallwellen zurück reflektiert. Die Reflexionsfläche kann an einem beliebigen, in dem Aufnahmeraum fixierten Körper gebildet sein, an dem die Schallwellen reflektiert werden. Insbesondere kann es sich um eine zusätzliche Umlenkeinrichtung mit einer Grenzfläche handeln, wie im Einzelnen vorstehend beschrieben. Die Reflexionsfläche kann eine füllstandsunabhängige Reflexion bewirken, sodass die erhaltene Messstrecke eine feste Länge aufweist und aus der ermittelten Schalllaufzeit auf Flüssigkeitseigenschaften geschlossen werden kann.
In einer Ausgestaltung ist die Reflexionsfläche an der weiteren Umlenkeinrichtung ausgebildet. In diesem Fall umfasst die Messanordnung zwei unterschiedliche Messstrecken. Die erste Messstrecke verläuft vom Sender zur Umlenkeinrichtung mit der Grenzfläche und dann weiter zur weiteren Umlenkeinrichtung, von dort zu einer Oberfläche der Flüssigkeit und auf umgekehrtem Weg zurück zum Sender bzw. Empfänger. Die andere Messstrecke verläuft vom Sender über die Umlenkeinrichtung zu der an der weiteren Umlenkeinrichtung ausgebildeten Reflexionsfläche und von dort auf umgekehrtem Weg zurück zum Sender bzw. Empfänger. Die Länge dieser Messstrecke ist füllstandsunabhängig, so dass ergänzend zu der anhand der ersten Messstrecke ermittelten Füllstandsinformation weitere Flüssigkeitseigenschaften ausgewertet werden können.
In einer Ausgestaltung ist der Aufnahmeraum eine Leitung oder ein Vorratsbehälter. Leitung oder Vorratsbehälter können insbesondere Teil eines Kraftfahrzeugs sein. Der Vorratsbehälter kann beispielsweise ein Kraftstofftank, ein Öltank oder ein Vorratstank für eine wässrige Harnstofflösung sein. Bei der Leitung kann es sich beispielsweise um eine Kraftstoffleitung, eine Ölleitung oder eine Leitung für wässrige Harnstofflösung handeln. Die erfindungsgemäße Messanordnung ist universell einsetzbar und kann so kompakt aufgebaut werden, dass der durch die Flüssigkeit verlaufende Teil der Messstrecke innerhalb einer herkömmlichen Leitung angeordnet werden kann.
In einer Ausgestaltung ist eine Auswerteeinrichtung vorhanden, die eine Laufzeit des Schalls zwischen Sender und Empfänger auswertet. Die auf diese Weise ermittelte Laufzeitinformation kann zur Ermittlung weiterer Flüssigkeitseigenschaften herangezogen werden, insbesondere zur Berechnung eines Füllstands oder einer Konzentration der Flüssigkeit.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 eine stark vereinfacht dargestellte Messanordnung aus dem Stand der Technik,
2 eine Messanordnung in einer ebenfalls vereinfachten, schematischen Darstellung,
3 die Messanordnung aus 2 in einem Behälter,
4 eine weitere Messanordnung mit einer teilweise innerhalb einer Leitung verlaufenden Messstrecke.
1 wurde bereits einleitend beschrieben.

2 zeigt eine Messanordnung mit einem Schallwandler 12. Der Schallwandler 12 hat ein Gehäuse mit einem scheibenförmigem Abschnitt 22 und einem ringförmigen Abschnitt 24. Innerhalb des ringförmigen Abschnitts 24 ist ein unmittelbar an den scheibenförmigen Abschnitt 22 angrenzendes Piezoelement 20 angeordnet, das in dem ringförmigen Abschnitt 24 fixiert ist. Das Piezoelement 20 ist von einer Vergussmasse 26 umgeben, die das Abstrahl- und Ausschwingverhalten des Schallwandlers 12 verbessert. Das Piezoelement 20 dient gleichermaßen als Sender und Empfänger für Ultraschallwellen. Ausgehend von dem Sender breiten sich die Schallwellen in einer vorgegebenen Richtung aus, wie durch den Pfeil 28 veranschaulicht.
Die Messanordnung aus 2 umfasst weiterhin eine Umlenkeinrichtung 30 mit einem Körper 32. Der Körper 32 ist prismenförmig mit einer Grundfläche in Form eines rechtwinkligen, gleichschenkligen Dreiecks. Die beiden im rechten Winkel zueinander stehenden Kanten des Dreiecks bilden eine erste Fläche 34, die akustisch an den scheibenförmigen Abschnitt 22 des Gehäuses des Schallwandlers 12 gekoppelt ist. Durch diese erste Fläche 34 treten die Schallwellen vom Schallwandler 12 in Richtung des Pfeils 28 in den Körper 32 ein. Sie treffen dann aus dem Inneren des Körpers 32 auf die Grenzfläche 38, die von der Längsseite des rechtwinkligen Dreiecks in der Grundfläche des prismenförmigen Körpers 32 gebildet wird. Dort werden sie reflektiert und im 90°-Winkel umgelenkt. Sie pflanzen sich dann weiter zunächst innerhalb des Körpers 32 fort, bis sie in Richtung des Pfeils 42 durch die zweite Fläche 36 des Körpers 32 hindurch aus der Umlenkeinrichtung 30 austreten.
Auf der von dem Körper 32 abgewandten Seite der Grenzfläche 38 befindet sich ein Material 40, das eine wesentlich höhere Schallkennimpedanz aufweist als das Material des Körpers 32. Bei dem Material 40 handelt es sich z. B. um eine Metallschicht, die auf die Grenzfläche 38 aufgebracht ist.
3 zeigt schematisch einen möglichen Einsatz der Messanordnung aus 2. Die Umlenkeinrichtung 30 ist durch eine Öffnung in einen Aufnahmeraum 44 des Behälters 10, der mit einer Flüssigkeit 14 gefüllt ist, eingesetzt. Die Öffnung in der Wandung des Behälters 10, in die die Umlenkeinrichtung 30 eingesetzt ist, ist von dem scheibenförmigen Abschnitt 22 des Gehäuses des Schallwandlers 12 verschlossen.
In einem waagerechten Abstand von der Umlenkeinrichtung 30 befindet sich eine mit einem Boden des Behälters 10 verbundene weitere Umlenkeinrichtung 44. Diese weist eine im 45°-Winkel gegenüber dem Behälterboden geneigte Oberfläche 46 auf, an der die von der Umlenkeinrichtung 30 eintreffenden Schallwellen reflektiert und nach oben umgelenkt werden. An einer Oberfläche der Flüssigkeit 48 werden die Schallwellen zurückreflektiert, sodass sie über die Oberfläche 46 und die Grenzfläche 38 der Umlenkeinrichtung 30 so umgelenkt werden, dass sie zurück zum Schallwandler 12, der gleichzeitig als Empfänger dient, gelangen.
An der weiteren Umlenkeinrichtung 44 ist außerdem eine Reflexionsfläche 50 angeordnet, die senkrecht zur Ausbreitungseinrichtung der von der Umlenkeinrichtung 30 eintreffenden Schallwellen angeordnet ist, sodass diese Schallwellen an der Reflexionsfläche 50 unmittelbar zur Umlenkeinrichtung 30 zurückreflektiert werden. Auf diese Weise erhält man eine zweite, füllstandsunabhängige Messstrecke.
4 zeigt ein kompliziert geformtes Kunststoffbauteil 52 für ein Kraftfahrzeug, das im Spritzgießverfahren hergestellt wurde. Das Kunststoffteil 52 weist unter anderem eine Leitung 54 für eine Flüssigkeit auf. Innerhalb der Leitung 54 sind zwei Reflexionsflächen 56, 58 in unterschiedlichen Abständen von einer Umlenkeinrichtung 30 angeordnet. Die Umlenkeinrichtung 30 weist einen Körper 32 auf, mit einer ersten Fläche 34, durch die Schallwellen, die von dem Schallwandler 12 ausgesendet werden, in den Körper 32 eindringen. An der Grenzfläche 38 der Umlenkeinrichtung werden die Schallwellen reflektiert, sodass sie durch die zweite Fläche 36 des Körpers 32 hindurch in die Leitung 54 eindringen. Auf der von dem Körper 32 abgewandten Seite der Grenzfläche 38 ist ein Material 40 mit einer höheren Schallkennimpedanz als der Körper 32 angeordnet. 4 zeigt, dass die Messanordnung sehr kompakt aufgebaut werden kann.

Claims

Messanordnung zur Bestimmung eines Füllstands und/oder einer Konzentration einer Flüssigkeit (14) mit - einem Aufnahmeraum zur Aufnahme der Flüssigkeit (14), - einem Sender, der ein elektrisches Signal in Schallwellen umwandelt und die Schallwellen in eine vorgegebene Richtung aussendet, - einer Umlenkeinrichtung (30) mit einer Grenzfläche (38), an der die von dem Sender ausgesendeten Schallwellen reflektiert und umgelenkt werden, und - einem Empfänger, der die Schallwellen nach Durchlaufen einer Messtrecke empfängt und in ein elektrisches Signal umwandelt, wobei - die Grenzfläche (38) an einem Körper (32) ausgebildet ist, in dem sich die Schallwellen ausbreiten und der so angeordnet ist, dass die Schallwellen aus dem Inneren des Körpers (32) auf die Grenzfläche (38) auftreffen, dadurch gekennzeichnet, dass - die in dem Aufnahmeraum befindliche Flüssigkeit (14) auch zwischen dem Sender und dem Körper (32) angeordnet ist und - die Schallkennimpedanz des Körpers (32) um weniger als 50 % von der Schallkennimpedanz der Flüssigkeit (14) abweicht, - wobei in dem Aufnahmeraum eine weitere Umlenkeinrichtung (44) angeordnet ist, die die von der Umlenkeinrichtung (30) reflektierten Schallwellen in Richtung zu einer Flüssigkeitsoberfläche (48) hin umlenkt, wobei an der Flüssigkeitsoberfläche (48) eine Richtungsumkehr der Schallwellen erfolgt und die von der Flüssigkeitsoberfläche reflektierten Schallwellen zur weiteren Umlenkeinrichtung (44) zurück verlaufen.
Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzfläche (38) von einer Oberfläche des Körpers (32) gebildet ist, die an die in dem Aufnahmeraum befindliche Flüssigkeit (14) angrenzt.
Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinrichtung (30) auf der von dem Körper (32) abgewandten Seite der Grenzfläche (38) ein Material (40) aufweist, dessen Schallkennimpedanz um 10 % oder mehr von der Schallkennimpedanz des Körper (32) abweicht.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (32) prismenförmig ist.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender und die Umlenkeinrichtung (30) eine vormontierte Einheit bilden.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender außerhalb des Aufnahmeraums angeordnet und über eine Wandung des Aufnahmeraums akustisch an die Flüssigkeit (14) gekoppelt ist.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Aufnahmeraum eine Reflexionsfläche (50) angeordnet ist, die von der Umlenkeinrichtung (30) eintreffende Schallwellen zurück reflektiert.
Messanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsfläche (50) an der weiteren Umlenkeinrichtung (44) ausgebildet ist.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmeraum eine Leitung (54) oder ein Vorratsbehälter (10) ist.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinrichtung vorhanden ist, die eine Laufzeit des Schalls zwischen Sender und Empfänger auswertet.