DE102005043263C5 - Vorrichtung zum Erfassen eines Füllstands eines Fluids in einem Behälter - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zum Erfassen eines Füllstands eines Fluids in einem Behälter (20), nämlich eines Ölstands in einem Kraftfahrzeug, wobei die Vorrichtung (1) einen Dämpfungsbecher (3) und im Bereich des Dämpfungsbechers (3) einen Ultraschallwandler (2) aufweist, der zur Erfassung des Abstands vom Ultraschallwandler (2) bis zu einer Grenzfläche des Fluids vorgesehen ist, wobei der Dämpfungsbecher (3) in einem oberen Bereich (6) mit einer Wand abgeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet,
dass die Wand im oberen Bereich (6) des Dämpfungsbechers (3) derart und mit solcher Wandstärke ausgebildet ist, dass die Ultraschallwellen durch den oberen Bereich transmittieren können, und
dass der Ultraschallwandler (2) auf den oberen, für Ultraschallwellen durchlässigen Bereich (6) des Dämpfungsbechers (3) ausgerichtet ist, und
dass die Wandstärke des oberen Bereichs (6) des Dämpfungsbechers (3) einem Vielfachen von λ/2, insbesondere λ/2 entspricht, wobei λ die Wellenlänge der vom Ultraschallwandler (2) ausgesandten Ultraschallwelle ist.
dass die Wand im oberen Bereich (6) des Dämpfungsbechers (3) derart und mit solcher Wandstärke ausgebildet ist, dass die Ultraschallwellen durch den oberen Bereich transmittieren können, und
dass der Ultraschallwandler (2) auf den oberen, für Ultraschallwellen durchlässigen Bereich (6) des Dämpfungsbechers (3) ausgerichtet ist, und
dass die Wandstärke des oberen Bereichs (6) des Dämpfungsbechers (3) einem Vielfachen von λ/2, insbesondere λ/2 entspricht, wobei λ die Wellenlänge der vom Ultraschallwandler (2) ausgesandten Ultraschallwelle ist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen eines Füllstandes eines Fluids in einem Behälter, wobei die Vorrichtung einen Dämpfungsbecher und im Bereich des Dämpfungsbechers einen Ultraschallwandler aufweist, der zur Erfassung des Abstands vom Ultraschallwandler bis zu einer Grenzfläche des Fluids vorgesehen ist. Insbesondere dient die Vorrichtung dazu, den Ölstand in einem Kraftfahrzeug zu messen.
- Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der
DE 103 50 084 A1 bekannt. Dort ist ein scheibenförmiges Piezoelement in einem Dämpfungsbecher, der dort als Beruhigungsbehälter bezeichnet ist, angeordnet und sendet Schallwellen aus, die einerseits an der Grenzfläche des Fluids reflektiert werden und andererseits an einem unterhalb des Piezoelementes angeordneten Reflektor reflektiert werden. Auf diese Weise wird eine Referenzstrecke ausgebildet. - Weitere Sensoreinrichtungen zum Messen des Ölstandes mit einem Dämpfungsbecher sind beispielsweise aus der
DE 100 57 397 A1 und derEP 1 081 470 A1 bekannt. Dabei wird innerhalb des Behälters, insbesondere innerhalb einer Ölwanne, ein Dämpfungsbecher eingesetzt, um die zu untersuchende Flüssigkeit von störenden Einflüssen während des Fahrbetriebes, also während eines dynamischen Betriebes, zu befreien. Durch den Dämpfungsbecher werden Schwankungen im Ölniveau, unruhige Oberflächen des Mediums, Turbulenzen und Strömungen wirksam reduziert. Die Messung des Füllstands erfolgt dabei innerhalb des Dämpfungsbechers, d.h., dass die Füllhöhe innerhalb des Dämpfungsbechers gemessen wird. - Eine weitere Vorrichtung ist aus der
GB 1,123,939 - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der der Meßbereich der Vorrichtung erweiterbar ist.
- Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
- Bei einer Vorrichtung zum Erfassen eines Füllstands eines Fluids in einem Behälter, wobei die Vorrichtung einen Dämpfungsbecher aufweist und im Bereich des Dämpfungsbechers einen Ultraschallwandler zum Erfassen des Abstands vom Ultraschallwandler bis zu einer Grenzfläche des Fluids aufweist, wobei der Dämpfungsbecher in einem oberen Bereich mit einer Wand abgeschlossen ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Wand im oberen Bereich (
6 ) des Dämpfungsbechers (3 ) derart und mit solcher Wandstärke ausgebildet ist, dass die die Ultraschallwellen durch den oberen Bereich transmittieren können und dass der Ultraschallwandler auf den oberen, für Ultraschallwellen durchlässigen Bereich des Dämpfungsbechers ausgerichtet ist. - Auf diese Weise ist es möglich, dass auch bei überflutetem Dämpfungsbecher die Ultraschallwellen den Dämpfungsbecher zumindest teilweise durchdringen und eine Reflexion auch an der oberhalb des Dämpfungsbechers stehenden Flüssigkeitsoberfläche erfolgt und die Laufzeit dieser Wellen gemessen und ausgewertet wird. Unter einem „überflutetem Dämpfungsbecher“ wird ein Zustand verstanden, bei dem die Füllhöhe, insbesondere das Ölniveau oberhalb des oberen Endes des Dämpfungsbechers liegt. Eine an dem oberen Bereich des Dämpfungsbechers erfolgende Teilreflexion ist von der Auswerteelektronik erkennbar, da in der Auswerteelektronik der Abstand zwischen dem Ultraschallwandler und dem oberen Bereich des Dämpfungsbechers bzw. die sich aus diesem Abstand ergebende Laufzeit gespeichert ist.
- Die Ultraschallwelle wird von einem Ultraschallwandler ausgesandt und bevorzugt auch von demselben Ultraschallwandler wieder empfangen. Denkbar ist jedoch auch, dass Sender und Empfänger getrennt ausgebildet sind. Der Begriff des Ultraschallwandlers ist weit zu verstehen. Es können auch elektro-akustische Wandler verwendet werden, die akustische Wellen aussenden. Bevorzugt wird jedoch ein Ultraschallwandler im engeren Sinne verwendet.
- Der Dämpfungsbecher, insbesondere der obere Bereich des Dämpfungsbechers ist dazu bevorzugt derart ausgebildet, dass die Ultraschallwellen durch den oberen Bereich des Dämpfungsbechers transmitieren können. Bevorzugt ist daher die Wandstärke dieses oberen Bereiches so dünn wie möglich ausgebildet. Günstigerweise ist die Wandstärke des Dämpfungsbechers dünner als 5 mm und bevorzugt dünner als 3 mm. Bevorzugt beträgt die Wandstärke weniger als 2 Millimeter, in einer bevorzugten Ausgestaltung weniger als 1 Millimeter und besonders bevorzugt weniger als 0,5 Millimeter. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung beträgt die Wandstärke 0,4 Millimeter. Dadurch wird die akustische Dämpfung möglichst weit abgesenkt.
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- Eine maximale akustische Transmission durch die Oberschicht tritt dann für eine Dicke n · λ/2 auf, wobei n= 1,2,3..., also bei einem Vielfachen der halben Wellenlänge auf. Bei einer Dicke von n · λ/2 + λ/4, wobei n= 0,1,2,3... ist, ist die Reflexion maximal und die Transmission minimal. Abweichungen von den jeweiligen Transmissionsmaxima bei n · λ/2 sollten also möglichst gering sein und möglichst beabstandet von den Transmissionsminima liegen. Die Dicke sollte daher im Bereich von n · λ/2 +/- λ/8 bevorzugt im Bereich n · λ/2 +/- λ/10 liegen. Für eine Ultraschallwelle mit einer Frequenz von 2 MHz und einer Schallgeschwindigkeit von 1.500 m/s ergibt sich damit beispielsweise eine Wellenlänge von 0,75 mm, was bedeutet, dass eine sehr günstige Wandstärke bei knapp 0,4 mm oder einem Vielfachen hiervon liegt. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der obere Bereich des Dämpfungsbechers aus einem Kunststoff, insbesondere aus Polyamid ausgebildet. Bevorzugt ist der gesamte Dämpfungsbecher aus einem einzigen Material und insbesondere einstückig ausgebildet. Bei einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Dämpfungsbecher, insbesondere der obere Bereich des Dämpfungsbechers, aus einem Material mit geringer akustischer Dämpfung ausgebildet. Hierunter wird insbesondere ein Material verstanden, das eine Dämpfung von 1,2 dB/mm bei einer Frequenz von 2 MHz hat, und die bevorzugt geringer ist als 1,0 dB/mm noch besser geringer ist als 0,9 dB/mm bei einer Frequenz von 2 MHz.
- Derartige Dämpfungsbecher sind im oberen Bereich bevorzugt mit einer Abschrägung ausgebildet. In diesem Bereich ist bevorzugt eine Entlüftungsöffnung angeordnet, so dass auf diese Weise eine Befüllung des Dämpfungsbechers ohne Lufteinschluß zuverlässig möglich ist. Um einerseits den Übergangsbereich, also die Messung im und außerhalb des Dämpfungsbechers möglichst klein zu halten und andererseits auch eine besonders hohe akustische Transmission zu erhalten, wird eine Abschrägung mit einem möglichst geringen Winkel verwendet. Bevorzugt wird eine Abschrägung mit einem Winkel von weniger als 8° Grad, bevorzugt von weniger als 5° Grad und besonders bevorzugt von weniger als 3° Grad verwendet. Im Idealfall wird ein Dämpfungsbecher ohne Abschrägung verwendet, wenn sichergestellt werden kann, dass eine Befüllung ohne Lufteinfluß auch auf andere Weise möglich ist.
- Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Im einzelnen zeigen die schematischen Darstellungen in:
-
1 : eine schematische Darstellung der Grundidee der Erfindung; und -
2 : eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. - In
1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung1 dargestellt, die insbesondere einen Dämpfungsbecher3 aufweist, in dem ein Ultraschallwandler2 angeordnet ist. Der Ultraschallwandler2 dient zum Aussenden einer Ultraschallwelle oder allgemeiner einer akustischen Welle. Die ausgesandte Welle wird an einer Grenzfläche15 oder15' des Fluids reflektiert, zumindest teilweise reflektiert, und die reflektierte Welle wird von einem Empfänger empfangen. Bevorzugt dient der Ultraschallwandler2 auch zum Empfang der reflektierten Wellen, jedoch können Sender und Empfänger auch getrennt ausgebildet sein. Im Fahrbetrieb liegt das zu messende Flüssigkeitsniveau des in einem Behälter20 aufgenommenen Fluids innerhalb des Dämpfungsbechers1 , so dass die Grenzfläche15 relevant ist. Dies ist insbesondere im dynamischen Betrieb eines Kraftfahrzeuges, also im Fahrbetrieb gegeben. Wenn nun jedoch ein statischer Meßbereich gegeben ist, also der Motor abgeschaltet wird, kann Flüssigkeit in dem Behälter zusammenlaufen und den Dämpfungsbecher3 überfluten, so dass möglicherweise eine Oberfläche bzw. Grenzfläche15' des Fluids oberhalb des Dämpfungsbechers2 ausgebildet wird. Im statischen Betrieb sind Schwankungen der Oberfläche nicht gegeben, so dass in einem solchen Fall der Dämpfungsbecher3 zur Durchführung einer zuverlässigen Messung nicht notwendig ist. Die Erfindung ermöglicht eine Höchststandsdetektion im statischen Betriebsfall und kann daher auch als elektronische Peilstabsmessung eingesetzt werden, so dass ein mechanischer Peilstab entfallen kann. Dazu wird ein erweiterter Meßbereich genutzt, der die Detektion eines Flüssigkeitsniveaus, insbesondere eines Ölniveaus, oberhalb des Dämpfungsbechers3 ermöglicht. Dazu wird der obere Bereich6 des Dämpfungsbechers3 durchlässig für Ultraschallwellen ausgebildet. Der Ultraschallwandler2 ist auf diesen durchlässigen Bereich6 ausgerichtet, so dass die Ultraschallwellen12 zumindest teilweise durch den oberen Bereich6 transmittieren, an der Grenzfläche15' reflektiert werden und vom Ultraschallwandler2 wieder empfangen werden. Ein Teil der Ultraschallwellen2 wird auch an dem oberen Bereich6 reflektiert werden. Dieses Signal kann jedoch elektronisch erkannt werden, da der Abstand und damit auch die zu erwartende Laufzeit bei einer Reflexion am oberen Bereich6 bekannt ist. In diesem oberen Bereich6 ist auch bevorzugt eine Schräge angeordnet bzw. ist der obere Bereich6 als Schräge7 ausgebildet, so dass über eine Entlüftungsöffnung8 sichergestellt werden kann, dass eine gas- und luftfreie Befüllung des Dämpfungsbechers3 möglich ist. Der dynamische Meßbereich4 ist auf den Dämpfungsbecher3 beschränkt. Durch die Erfindung wird zusätzlich ein statischer Meßbereich5 bereitgestellt, der größer ist als der dynamische Meßbereich4 . - In
2 ist die Vorrichtung1 detailreicher dargestellt. Die Vorrichtung1 weist unter anderem eine Flanschgruppe13 , einen Dichtungsring14 , einen Ultraschallwandler2 und eine zwischen dem Ultraschallwandler2 und einem rückseitigen Reflektor10 angeordnete Referenzstrecke auf. Dem Ultraschallwandler2 ist eine Schaltungselektronik zugeordnet, die bevorzugt in dem Sensoranschluß11 angeordnet ist. Darüber hinaus ist oben auf der Flanschgruppe13 der Dämpfungsbecher3 angeordnet. Die Vorrichtung1 ist bevorzugt an der Unterseite einer Ölwanne montiert und befindet sich aufgrund einer Öffnung in der Ölwanne im direkten Kontakt mit dem Motoröl. Der Dichtungsring14 schließt das System nach außen öldicht ab. Der Ultraschallwandler2 sendet ein zeitlich begrenztes Ultraschallwellenpaket aus. Dieses Wellenpaket wird an der Grenzfläche Motoröl-Luft reflektiert und wird nach einer Laufzeit t vom gleichen Ultraschallwandler2 empfangen. Alternativ kann auch ein getrennter Empfänger vorgesehen sein. Aus der Laufzeit des Wellenpaketes wird mit der Kenntnis der Schallgeschwindigkeit die Laufstrecke ermittelt, die identisch ist mit der Füllstandshöhe des Mediums. Im statischen Betriebsfall (Motor aus) befindet sich das gesamte Motoröl in der Ölwanne, so dass ein Ölniveau oberhalb des Dämpfungsbechers3 möglich ist. Der Dämpfungsbecher ist dann also überflutet. Der Meßbereich in diesem statischen Bereich ist in der Zeichnung mit 5 gekennzeichnet. Für die sofortige Füllstandsdetektion im statischen Betriebsfall und für zukünftige elektronische Peilstabsmessungen, auch solche ohne einen mechanischen Peilstab, ist ein derartig erweiterter Meßbereich notwendig, der die Detektion eines Ölniveaus oberhalb des Dämpfungsbechers3 erlaubt. Um dies zu erreichen ist insbesondere der schalldurchlässige Bereich6 , insbesondere der Deckel, erfindungsgemäß notwendig. Die Schalldurchlässigkeit wird durch eine besonders dünne Schicht aus einem Kunststoff, insbesondere aus Polyamid, erreicht. Die Dicke dieses oberen Bereichs des Dämpfungsbechers3 ist bevorzugt an das Transmissionsmaximum angepaßt. Die obere Abschrägung des oberen Bereichs6 dient einer Sicherstellung einer vollständigen Befüllung des Dämpfungsbechers3 ohne Lufteinschluß. Der in der bevorzugten Ausführungsform verwendete Winkel beträgt etwa 4° Grad. Die maximale akustische Transmission wird bevorzugt bei einem Winkel von 0° Grad erreicht. Auch die Ausbildung einer kleinen Ausnehmung im Deckel liegt im Rahmen der Erfindung. Der obere, für Ultraschallwellen durchlässige Bereich6 , kann also auch derart ausgebildet sein, dass er eine Ausnehmung aufweist, durch die die Durchlässigkeit der Ultraschallwellen erreicht wird. Bei den überwiegend verwendeten Ausführungsformen weist der obere Bereich des Dämpfungsbechers jedoch eine durchgehende unterbrechungsfreie Wandung auf. Unabhängig davon kann jedoch eine Entlüftungsöffnung vorgesehen sein.
Claims (7)
- Vorrichtung zum Erfassen eines Füllstands eines Fluids in einem Behälter (20), nämlich eines Ölstands in einem Kraftfahrzeug, wobei die Vorrichtung (1) einen Dämpfungsbecher (3) und im Bereich des Dämpfungsbechers (3) einen Ultraschallwandler (2) aufweist, der zur Erfassung des Abstands vom Ultraschallwandler (2) bis zu einer Grenzfläche des Fluids vorgesehen ist, wobei der Dämpfungsbecher (3) in einem oberen Bereich (6) mit einer Wand abgeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand im oberen Bereich (6) des Dämpfungsbechers (3) derart und mit solcher Wandstärke ausgebildet ist, dass die Ultraschallwellen durch den oberen Bereich transmittieren können, und dass der Ultraschallwandler (2) auf den oberen, für Ultraschallwellen durchlässigen Bereich (6) des Dämpfungsbechers (3) ausgerichtet ist, und dass die Wandstärke des oberen Bereichs (6) des Dämpfungsbechers (3) einem Vielfachen von λ/2, insbesondere λ/2 entspricht, wobei λ die Wellenlänge der vom Ultraschallwandler (2) ausgesandten Ultraschallwelle ist.
- Vorrichtung nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der obere Bereich (6) des Dämpfungsbechers (3) eine Wandstärke von weniger als 2 mm, insbesondere von weniger als 1 mm und insbesondere von weniger als 0,5 mm aufweist. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der obere Bereich (6) des Dämpfungsbechers (3) aus Polyamid ausgebildet ist.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der Oberbereich (6) des Dämpfungsbechers (3) aus einem Material mit geringer akustischer Dämpfung ausgebildet ist.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberbereich (6) des Dämpfungsbechers (3) eine Abschrägung aufweist, deren Winkel kleiner als 8° Grad, insbesondere kleiner als 5° Grad ist.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im oberen Bereich (6) eine Entlüftungsöffnung angeordnet ist.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand im oberen Bereich (6) des Dämpfungsbechers (3) derart ausgebildet ist, dass ein Teil der Ultraschallwellen daran reflektiert wird.
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