DE102019220344A1 - Verfahren zur Ermittlung einer Konzentration einer Flüssigkeit - Google Patents

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Jan Michl Hofmann
Tania Gonzalez-Baquet
Reinold Weinmann
Tobias Hoeffken
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Konzentration einer Flüssigkeit (3), wobei ein Ultraschallwandler (72) und zumindest zwei Ultraschallreflektorflächen (731, 732) an einem gemeinsamen einstückig ausgebildeten Trägerelement (73) in unterschiedlichen Entfernungen zu dem Ultraschallwandler (72) angeordnet sind. In einem Messbetrieb wird die Konzentration aus einer ersten Laufzeit eines Ultraschallsignals zwischen dem Ultraschallwandler (72) und einer ersten Ultraschallreflektorfläche (731) ermittelt, ohne dass eine Reflektion des Ultraschallsignals an einer weiteren Ultraschallreflektorfläche (732) erfolgt. In einem Kalibrierbetrieb werden die erste Laufzeit und eine zweite Laufzeit eines Ultraschallsignals zwischen der ersten Ultraschallreflektorfläche (731) und zumindest einer weiteren Ultraschallreflektorfläche (732) ermittelt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Konzentration einer Flüssigkeit. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, das jeden Schritt des Verfahrens ausführt, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, welches das Computerprogramm speichert. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um das Verfahren auszuführen.
  • Stand der Technik
  • Um den Anteil von Stickoxiden im Abgas eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors, zu verringern, ist es bekannt, in seinem Abgasstrang einen SCR-Katalysator (Selective Catalytic Reduction) anzuordnen. Dieser reduziert die im Abgas enthaltenen Stickoxide in Gegenwart von Ammoniak als Reduktionsmittel zu Stickstoff. Um das Ammoniak bereitzustellen, wird stromaufwärts des SCR-Katalysators eine Reduktionsmittellösung in den Abgasstrang eindosiert. In der Regel wird hierfür eine wässrige Harnstofflösung (Harnstoff-Wasser-Lösung; HWL) verwendet, die Harnstoff als ammoniakabspaltendes Reagenz enthält. Eine 32,5 %-ige HWL ist unter der Bezeichnung AdBlue® kommerziell erhältlich.
  • Die Gesetzgebung zum Emissionsschutz erfordert eine Überwachung der Qualität, d.h. der Konzentration der verwendeten HWL mittels eines Qualitätssensors, um insbesondere eine mögliche Fehlbetankung durch den Fahrzeugführer zu erkennen. Diese Fehlbetankung kann beispielsweise mit Wasser oder mit einer verdünnten HWL erfolgen. Wenn eine solche Fehlbetankung erkannt wird, wird der Fahrer gewarnt und schließlich mit einem sog. „Inducement“ der Betrieb des Fahrzeugs eingeschränkt. Der Qualitätssensor kann einen Ultraschallwandler und eine Ultraschallreflektorfläche aufweisen, sodass aus der Laufzeit eines Ultraschallsignals zwischen der Ultraschallwandler und der Ultraschallreflektorfläche die Konzentration der HWL berechnet werden kann. Hierzu muss die Entfernung zwischen dem Ultraschallwandler und der Ultraschallreflektorfläche bekannt sein. Dazu werden derartige Qualitätssensoren vom Hersteller kalibriert, um nicht zu vermeidende Fertigungseinflüsse zu eliminieren. Nachgelagerte Montageprozesse können allerdings zu einer Veränderung der Messstrecke führen und damit die Messgenauigkeit versch lechtern.
  • In der DE 10 2018 202 587 A1 wird vorgeschlagen, mehrere Ultraschallreflektorflächen an einem gemeinsamen einstückig ausgebildeten Trägerelement anzuordnen. Hierdurch wird ein von einem Ultraschallwandler ausgesandtes Ultraschallsignal im Messbetrieb mit unterschiedlichen Laufzeiten zurückgeworfen, was Messungen mittels des Differenzmessprinzips ermöglicht.
  • Offenbarung der Erfindung
  • In dem Verfahren zur Ermittlung einer Konzentration einer Flüssigkeit, insbesondere einer HWL, die insbesondere in einem Tank, beispielsweise einem Reduktionsmitteltank, bevorratet ist, ist vorgesehen, dass ein Ultraschallwandler und zumindest zwei Ultraschallreflektorflächen, insbesondere genau zwei Ultraschallreflektorflächen, vorgesehen sind. Die Ultraschallreflektorflächen sind an einem gemeinsamen einstückig ausgebildeten Trägerelement in unterschiedlichen Entfernungen zu dem Ultraschallwandler angeordnet, wobei das Trägerelement insbesondere in dem Tank angeordnet ist. Der Ultraschallwandler und die Ultraschallreflektorflächen bilden gemeinsam einen Qualitätssensor zur Ermittlung der Konzentration der Flüssigkeit. Dieser Qualitätssensor wird in dem Verfahren in einem Messbetrieb und in einem Kalibrierbetrieb betrieben:
    • In dem Messbetrieb wird die Konzentration aus einer ersten Laufzeit eines Ultraschallsignals zwischen dem Ultraschallsensor und einer ersten Ultraschallreflektorfläche ermittelt. Dabei erfolgt keine Reflektion des Ultraschallsignals an einer weiteren Ultraschallreflektorfläche. Dieser Messbetrieb, in dem nur eine Laufzeit des Ultraschallsignals ausgewertet wird, ist wenig rechenintensiv und kann in ähnlicher Weise durchgeführt werden wie der Messbetrieb eines Qualitätssensors, der neben seinem Ultraschallwandler nur eine einzige Ultraschallreflektorfläche aufweist.
  • In dem Kalibrierbetrieb wird eine zweite Laufzeit des Ultraschallsignals zwischen der ersten Ultraschallreflektorfläche und zumindest einer weiteren Ultraschallreflektorfläche ermittelt. Für die Konzentrationsermittlung im Messbetrieb ist es erforderlich, die Messstrecke zwischen dem Ultraschallwandler und der ersten Ultraschallreflektorfläche zu kennen. Wenn der Ultraschallwandler und das Trägerelement gemeinsam auf einer Kunststofffläche montiert werden, beispielsweise auf der Oberfläche eines Fördermoduls für die Flüssigkeit, so kann die Messstrecke durch nachgelagerte Montageprozesse im Tank von einer ursprünglichen Kalibrierung abweichen. Die Entfernung der Ultraschallreflektorflächen zueinander wird hingegen durch das Trägerelement definiert. Sie kann deshalb für eine Kalibrierung verwendet werden, die im Messbetrieb genutzt wird.
  • Um die zweite Laufzeit zu berechnen, ist es bevorzugt, dass eine dritte Laufzeit eines Ultraschallsignals zwischen dem Ultraschallwandler und einer anderen Ultraschallreflektorfläche ermittelt wird, als jener, die der Ermittlung der ersten Laufzeit zugrunde liegt. Dabei erfolgt mindestens eine Reflektion des Ultraschallsignals an mindestens einer weiteren Ultraschallreflektorfläche. Weiterhin erfolgt auch eine Ermittlung der ersten Laufzeit. Die zweite Laufzeit wird dann als Differenz zwischen der dritten Laufzeit und der ersten Laufzeit berechnet. Bei dieser Differenzberechnung wird der Einfluss des Abstandes zwischen dem Ultraschallwandler und den Ultraschallreflektorflächen eliminiert.
  • Es ist besonders bevorzugt, dass beim Messen der dritten Laufzeit die weitere Ultraschallreflektorfläche, an der eine Reflektion des Ultraschallsignals auf dem Weg zwischen dem Ultraschallwandler und der anderen Ultraschallreflektorfläche erfolgt, die erste Ultraschallreflektorfläche ist. Auf dieser Weise genügt es für die Durchführung des Verfahrens, wenn an dem Trägerelement lediglich zwei Ultraschallreflektorflächen ausgebildet sind.
  • Die Entfernung zwischen dem Ultraschallwandler und der ersten Ultraschallreflektorfläche wird in dem Kalibrierbetrieb vorzugsweise aus einem Verhältnis zwischen der zweiten Laufzeit und der ersten Laufzeit ermittelt. Dabei entspricht das Verhältnis zwischen der zu ermittelnden Entfernung und der bekannten Laufstrecke des Ultraschallsignals zwischen den Ultraschallreflektorflächen, welche durch die Geometrie des Trägerelements vorgegeben wird, dem Verhältnis zwischen der zweiten Laufzeit und der ersten Laufzeit.
  • Es ist bevorzugt, dass der Kalibrierbetrieb bei einer Erstinbetriebnahme des Ultraschallwandlers durchgeführt wird. Hierdurch kann auf eine herstellerseitige Kalibrierung verzichtet werden. Selbst wenn eine herstellerseitige Kalibrierung vorliegen sollte, ermöglicht es ein Kalibrierbetrieb bei der Erstinbetriebnahme des Ultraschallwandlers Abweichungen der Entfernung zwischen dem Ultraschallwandler und der ersten Ultraschallreflektorfläche, welche nach der herstellerseitigen Kalibrierung durch nachgelagerte Montageprozesse aufgetreten sind, auszugleichen.
  • Wenn der Tank ein Reduktionsmitteltank eines SCR-Katalysatorsystems eines Kraftfahrzeugs ist, dann ist es weiterhin bevorzugt, dass der Kalibrierbetrieb bei vorgegebenen Fahrzuständen des Kraftfahrzeugs durchgeführt wird. Die Fahrzustände können so vorgegeben werden, dass bei ihnen möglichst günstige Messbedingungen herrschen. Hierbei kann es sich insbesondere um eine homogene Temperaturverteilung (geringer Temperaturgradient) oder um stabile Fahrzustände (gleichbleibende Beschleunigung) handeln.
  • In dem Messbetrieb und in dem Kalibrierbetrieb sendet der Ultraschallwandler vorzugsweise Burstsignale in einem Frequenzbereich zwischen 0,5 MHz und 10,0 MHz aus. Besonders bevorzugt sind Burstsignale zwischen 1,0 MHz und 2,0 MHz. Dieser Frequenzbereich erlaubt eine gute räumliche Bündelung des Ultraschallfeldes sowie eine genaue Bestimmung der Laufzeiten, ohne dass dabei eine inakzeptabel hohe Absorption der Schallenergie in der Flüssigkeit auftritt.
  • Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere wenn es auf einem Rechengerät oder einem elektronischen Steuergerät abläuft. Es ermöglicht die Implementierung unterschiedlicher Ausführungsformen des Verfahrens auf einem elektronischen Steuergerät ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist es auf dem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert.
  • Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät wird ein elektronisches Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, um mittels des Verfahrens eine Konzentration einer Flüssigkeit zu ermitteln.
  • Figurenliste
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
    • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Reduktionsmitteltanks, in dem eine Flüssigkeit bevorratet ist, deren Konzentration mittels eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt werden kann.
    • 2 zeigt eine schematische Aufsicht auf einen Qualitätssensor, der in dem Reduktionsmitteltank gemäß 1 angeordnet ist.
    • 3 zeigt einen Laufweg eines Ultraschallsignals in dem Qualitätssensor gemäß 2 in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
    • 4 zeigt einen anderen Laufweg eines Ultraschallsignals in dem Qualitätssensor gemäß 2 in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
    • 5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Ausführungsbeispiel der Erfindung
  • 1 zeigt Elemente eines SCR-Katalysatorsystems 1 eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs. Dieses weist einen Reduktionsmitteltank 2 auf. In diesem ist eine Flüssigkeit 3 bevorratet, bei der es sich um eine HWL handelt. Ein Entnahmemodul 4 ist am Boden des Reduktionsmitteltanks 2 angeordnet. Es trägt eine Fördereinrichtung 5 mittels welcher die Flüssigkeit 3 aus dem Reduktionsmitteltank 2 angesaugt und mittels einer Leitung 6 zu einem Dosierventil des SCR-Katalysatorsystems 1 transportiert werden kann. Zum Ermitteln einer Konzentration der Flüssigkeit 3 ist auf dem Entnahmemodul 4 ein Qualitätssensor 7 angeordnet, der von einem elektronischen Steuergerät 8 gesteuert wird.
  • Wie in 2 dargestellt ist, weist der Qualitätssensor 7 einen Boden 71 auf, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus HDPE (High Density Polyethylene) besteht. Auf diesem ist ein Ultraschallwandler 72 angeordnet. Weiterhin ist ein im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Edelstahl bestehendes Trägerelement 73 auf dem Boden 71 angeordnet, welches zwei Ultraschallreflektorflächen 731, 732 trägt. Die erste Ultraschallreflektorfläche 731 ist in einer Entfernung d vom Ultraschallwandler 72 angeordnet. Sie liegt dem Ultraschallwandler 72 so gegenüber, dass sie ein von diesem ausgesandtes Ultraschallsignal sowohl auf den Ultraschallwandler 72 zurückreflektieren kann als auch auf die zweite Ultraschallreflektorfläche 732 reflektieren kann. Die zweite Ultraschallreflektorfläche 732 ist so angeordnet, dass vom Ultraschallwandler 72 ausgesandte Ultraschallsignale ohne vorhergehende Reflektion nicht auf die zweite Ultraschallreflektorfläche 732 treffen können.
  • Der Ultraschallwandler 72 erzeugt mittels eines Piezokristalls ein Burstsignal mit einer Frequenz, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel 1,0 MHz beträgt. Wird das Signal von einem Ausgangspunkt 721 des Ultraschallwandlers 72 ausgesandt, so trifft es auf die erste Ultraschallreflektorfläche 731. Wie in 3 dargestellt ist, wird ein Teil des Signals auf den Ausgangspunkt 721 zurückreflektiert und dort vom Piezokristall empfangen.
  • 4 zeigt, dass ein anderer Teil des Signals von der ersten Ultraschallreflektorfläche 731 auf die zweite Ultraschallreflektorfläche 732 reflektiert wird. Von dieser wird das Ultraschallsignal auf die erste Ultraschallreflektorfläche 731 zurückreflektiert und diese reflektiert es auf den Ultraschallwandler 72 weiter, wo es an einem Auftreffpunkt 722 vom Piezokristall empfangen wird. Durch die unterschiedlichen Laufzeiten können die beiden Echos voneinander unterschieden werden.
  • 5 zeigt, dass nach einem Start 90 eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zunächst eine erste Prüfung 91 erfolgt, ob eine Erstinbetriebnahme des Ultraschallwandlers 72 vorliegt. Ist diese Bedingung erfüllt, so wird der Kalibrierbetrieb durchgeführt. Falls keine Erstinbetriebnahme vorliegt, so erfolgt eine zweite Prüfung 92, ob ein Fahrzustand des Kraftfahrzeugs vorliegt, der einen Kalibrierbetrieb erforderlich macht. Ist diese Bedingung erfüllt, so wird der Kalibrierbetrieb ebenfalls eingeleitet. In dem Kalibrierbetrieb wird ein Ultraschallsignal vom Ultraschallwandler 72 ausgesandt. Zunächst erfolgt ein Ermitteln 93 einer ersten Laufzeit des Ultraschallsignals zwischen dem Ultraschallwandler 72 und der ersten Ultraschallreflektorfläche 731 gemäß 3. Nachdem auf diese Weise das erste Echo des Ultraschallsignals ausgewertet wurde, erfolgt ein Ermitteln 94 einer zweiten Laufzeit des Ultraschallsignals über den Weg gemäß 4. Danach erfolgt eine Berechnung 95 der Laufzeit des Ultraschallsignals zwischen den beiden Ultraschallreflektorflächen 731, 732. Hierzu wird die Differenz zwischen der zweiten Laufzeit und der ersten Laufzeit gebildet. Zum Ermitteln 96 einer Entfernung zwischen dem Ultraschallwandler 72 und der ersten Ultraschallreflektorfläche 731 werden die dritte Laufzeit und die erste Laufzeit zueinander in ein Verhältnis gesetzt. Dieses Verhältnis entspricht dem Verhältnis zwischen der Entfernung d zwischen dem Ultraschallwandler 72 und der ersten Ultraschallreflektorfläche 731 und der Entfernung zwischen den beiden Ultraschallreflektorflächen 731, 732. Mit der nun bekannten Entfernung d wird eine Kalibrierung 97 des Qualitätssensors 7 durchgeführt. Anschließend wechselt das Verfahren in einen Messbetrieb 98. Wenn in keiner der beiden Prüfungen 91, 92 die Notwendigkeit eines Kalibrierbetriebes festgestellt wurde, so wird sofort mit dem Messbetrieb begonnen.
  • In dem Messbetrieb sendet der Ultraschallwandler 72 Ultraschallsignale aus und es wird jeweils lediglich das erste Echo dieser Ultraschallsignale gemäß der Messstrecke in 3 ausgewertet. Damit steht nur die erste Laufzeit der Ultraschallsignale zur Verfügung, aus der unter Verwendung der nun bekannten Entfernung d die Konzentration von Harnstoff in der Flüssigkeit 3 berechnet wird. Wenn diese Konzentration einen Schwellenwert unterschreitet, so wird ein Inducement des Kraftfahrzeugs durchgeführt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102018202587 A1 [0004]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Ermittlung einer Konzentration einer Flüssigkeit (3), wobei ein Ultraschallwandler (72) und zumindest zwei Ultraschallreflektorflächen (731, 732) an einem gemeinsamen einstückig ausgebildeten Trägerelement (73) in unterschiedlichen Entfernungen zu dem Ultraschallwandler (72) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Messbetrieb die Konzentration aus einer ersten Laufzeit eines Ultraschallsignals zwischen dem Ultraschallwandler (72) und einer ersten Ultraschallreflektorfläche (731) ermittelt wird, ohne dass eine Reflektion des Ultraschallsignals an einer weiteren Ultraschallreflektorfläche (732) erfolgt, und in einem Kalibrierbetrieb eine zweite Laufzeit eines Ultraschallsignals zwischen der ersten Ultraschallreflektorfläche (731) und zumindest einer weiteren Ultraschallreflektorfläche (732) ermittelt wird (93, 94).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Laufzeit berechnet wird, indem eine dritte Laufzeit eines Ultraschallsignals zwischen dem Ultraschallwandler (72) und einer anderen Ultraschallreflektorfläche ermittelt wird, wobei mindestens eine Reflektion des Ultraschallsignals an mindestens einer weiteren Ultraschallreflektorfläche erfolgt, und eine Differenz zwischen der dritten Laufzeit und der ersten Laufzeit berechnet wird (95).
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Messen der dritten Laufzeit die weitere Ultraschallreflektorfläche die erste Ultraschallreflektorfläche (731) ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Kalibrierbetrieb aus einem Verhältnis zwischen der zweiten Laufzeit und der ersten Laufzeit eine Entfernung zwischen dem Ultraschallwandler (72) und der ersten Ultraschallreflektorfläche ermittelt wird (96).
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kalibrierbetrieb bei einer Erstinbetriebnahme des Ultraschallwandlers (72) durchgeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (73) in einem Reduktionsmitteltank (2) eines SCR-Katalysatorsystems (1) eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist und der Kalibrierbetrieb bei vorgegebenen Fahrzuständen des Kraftfahrzeugs durchgeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (72) im Messbetrieb und im Kalibrierbetrieb BurstSignale in einem Frequenzbereich zwischen 0,5 MHz und 10,0 MHz aussendet.
  8. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.
  9. Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 8 gespeichert ist.
  10. Elektronisches Steuergerät (8), welches eingerichtet ist, um mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 eine Konzentration einer Flüssigkeit (3) zu ermitteln.
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