DE202017100663U1

DE202017100663U1 - Sensorvorrichtung zur Erfassung von Eigenschaften fluider Medien

Info

Publication number: DE202017100663U1
Application number: DE202017100663.8U
Authority: DE
Original assignee: Seuffer GmbH and Co KG
Current assignee: AST Advanced Sensor Technologies International GmbH
Priority date: 2017-02-08
Filing date: 2017-02-08
Publication date: 2018-02-09
Anticipated expiration: 2027-02-09

Abstract

Sensorvorrichtung zur Erfassung von Eigenschaften fluider Medien, mit
– einem Gehäuse (2) mit einer Vertiefung (3) und die Vertiefung (3) umgebenden Randbereichen (6), wobei die Vertiefung zumindest teilweise mit dem zu erfassenden fluiden Medium (5) gefüllt ist,
– einer Reflektoreinheit (11), die als ein Teilring ausgebildet ist, und
– einer Sensoreinrichtung (7) zum Senden und Empfangen von Erfassungssignalen in die Vertiefung (3) über eine vorbestimmte in der Vertiefung (3) ausgebildete Messtrecke (4),
wobei
– die Reflektoreinheit (11) zumindest teilweise innerhalb der die Vertiefung (3) umgebenden Randbereiche (3) angeordnet ist und eine freiliegende Reflexionsfläche (18) aufweist,
– gegenüber der Reflexionsfläche (18) in Bezug auf die Vertiefung (3) die Sensoreinrichtung (7) angeordnet ist, und
– zwischen der Reflexionsfläche (18) und der Sensoreinrichtung (7) die Messtrecke (4) zur Erfassung der Eigenschaften des Mediums (5) gebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zur Erfassung von Eigenschaften fluider Medien. Die Sensorvorrichtung ist speziell in Form eines Tankmoduls ausgebildet und dient zur genauen Erfassung interessierender Eigenschaften fluider Medien.
In einer Vielzahl von industriellen Einrichtungen und auch in privaten Haushalten ist es erforderlich, die Eigenschaften verschiedener fluider Medien, wie beispielsweise von Gasen oder Flüssigkeiten zu erfassen, wenn bestimmte Eigenschaften dieser Medien für eine jeweilige Anwendung derselben wesentlich sind. Die betreffenden Medien können beispielsweise in Form von Betriebsstoffen, wie Brennstoffe oder Schmieröle, oder in Form von weiteren fluiden Produkten wie Mischungen oder wässrige Lösungen vorliegen, die aus einem Fertigungsprozess stammen oder für einen Fertigungsprozess erforderlich sind, und deren Eigenschaften, wie beispielsweise die Qualität eines Endprodukts oder Zwischenprodukts, kontinuierlich oder in Stichproben überprüft werden sollen.
Neben chemischen und physikalischen Untersuchungsverfahren hinsichtlich der Eigenschaften oder Qualität eines fluiden Mediums besteht die Möglichkeit, mittels Ultraschallsignalen eine Überprüfung zumindest interessierender Eigenschaften durchzuführen. Hierbei werden Ultraschallsignale mit vorbestimmten Eigenschaften in das in einem Tank oder Behälter angeordnete fluide Medium gesendet und nach einer entsprechenden Reflexion wieder empfangen. Mit einer entsprechenden Auswertung der empfangenen Signale und teilweise in Verbindung mit gespeicherten Bezugswerten kann auf bestimmte Eigenschaften und speziell auch auf sich verändernde Eigenschaften des fluiden Mediums geschlossen werden. Eine derartige Erfassung der Eigenschaften der fluiden Medien steht häufig im Zusammenhang mit der Erfassung eines Füllstands in dem Tank oder Behälter, die ebenfalls in Verbindung mit Ultraschallsignalen erfolgt.
Die Druckschriften JP 2004 340 911 A und US 5 471 872 A offenbaren die Anwendung von Ultraschallsignalen zur Erfassung des Füllstands eines Behälters. Eine Ultraschall-Sende- und Ultraschall-Empfangseinrichtung (auch als Wandler bezeichnet) sendet Ultraschallsignale in die in dem Behälter angeordnete Flüssigkeit zu einer nächsten Grenzfläche der Flüssigkeit zur Luft oder zu einem speziellen Reflektor. Die Ultraschallsignale können dabei auch mehrfach und in winkelförmiger Messstrecke reflektiert werden. In einem vorbestimmten Abstand zu dem Wandler ist ein spezieller Reflektor in Form eines Referenzreflektors vorgesehen, der eine Messung der Laufzeiten der Ultraschallsignale in der Flüssigkeit oder in dem allgemeinen Medium über einen festgelegten Weg erfasst, so dass die gesamte Anordnung hinsichtlich ihrer Genauigkeit kalibriert werden kann und ferner Eigenschaften in Verbindung mit der vorbestimmten Messstrecke bestimmt werden können.
Die Druckschriften US 8 733 153 B2 und US 9 038 442 B2 offenbaren ein Erfassungssystem zur Erfassung des Füllstands und weiterer Eigenschaften eines fluiden Mediums in einem Tank oder Behälter. Das System umfasst eine Erfassungseinrichtung, bei der zwei Messstrecken ausgebildet sind. Für jede der Messstrecken ist ein entsprechender Ultraschallwandler vorgesehen. Die erste Messstrecke dient zur Erfassung des Füllstands des Behälters, indem mittels eines Wandlers Ultraschallsignale in Richtung der Oberfläche des Mediums in den Tank gesendet und von dort reflektiert empfangen werden. Die zweite Messstrecke verläuft im Wesentlichen in der Nähe des Bodens des Tanks oder ungefähr parallel hierzu, und es werden die von dem weiteren Ultraschallwandler ausgesandten Ultraschallsignale an einem Reflektor in vorbestimmtem Abstand zum Ultraschallwandler reflektiert und nach einer Erfassung durch den Ultraschallwandler ausgewertet. In Verbindung mit der bekannten Messstrecke kann auf bestimmte Eigenschaften des Mediums in dem Tank geschlossen werden.
Die Druckschrift DE 10 2011 118 711 A1 offenbart eine Messvorrichtung zur Erfassung des Füllstands eines Fluids in einem Tank mittels Ultraschallsignalen. Eine Sensoreinheit bestehend aus einem entsprechenden Ultraschallwandler zum Senden und Empfangen von Ultraschallsignalen strahlt vom Bodenbereich des Tanks Ultraschallsignale in Richtung der Oberfläche des Mediums im Tank aus, und es werden die dort reflektierten Ultraschallsignale erfasst. Des Weiteren werden die Ultraschallsignale an einem in einem vorbestimmten Abstand angeordneten Reflektor erfasst. Mit der Erfassung der am Reflektor reflektierten Signale über den vorbestimmten Abstand kann die gesamte Anordnung kalibriert und können Eigenschaften des Mediums in weiterer Abhängigkeit von der Temperatur bestimmt werden. Es kann auch für jede der Messstrecken ein eigener Ultraschallwandler vorgesehen sein.
Die Druckschrift DE 199 42 379 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Messung eines Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behälter, wobei eine erste und eine zweite Sensoreinrichtung in Form eines Ultraschallwandlers außerhalb des Tanks im Bodenbereich desselben angeordnet sind. Die erste Sensoreinrichtung strahlt Ultraschallsignale in den Tank, die in einem Messrohr verlaufen und von der Oberfläche der Flüssigkeit oder einem entsprechend gestalteten Schwimmer reflektiert werden. Der Füllstand des Tanks kann auf diese Weise ermittelt werden. Der zweite Sensor strahlt ebenfalls in das Innere des Tanks in die Flüssigkeit, und es werden die Ultraschallsignale an einem in vorbestimmtem Abstand von dem Ultraschallwandler angeordneten Reflektor reflektiert, so dass eine Referenzmessung über eine vorbestimmte Länge einer Messstrecke durchgeführt werden kann. Es können mit der zweiten vorbestimmten Messstrecke bestimmte Eigenschaften der Flüssigkeit ermittelt werden, wobei auch die gesamte Anordnung in Verbindung mit einer Temperaturerfassung kalibriert werden kann. Beide Messstrecken verlaufen vom Boden des Tanks in Richtung der Flüssigkeitsoberfläche im Tank.
Schließlich offenbart die Druckschrift WO 2015 / 117802 A1 eine Sensoranordnung zur Bestimmung einer Laufzeit von Schallwellen in einem flüssigen Medium, wobei die Anordnung in der Weise ausgebildet ist, dass ein Ultraschallwandler in vorbestimmtem Abstand zu einem Reflektorelement positioniert ist. Das Reflektorelement wird von einem Metallrahmen getragen und ist mittels eines Biegevorgangs aus dem Metallrahmen herausgebogen. Der Ultraschallwandler befindet sich innerhalb des Metallrahmens. Die gesamte Anordnung wird mittels eines Kunststoffs vergossen, so dass der Ultraschallwandler seine Position beibehält. Das Reflektorelement steht frei gegenüber dem Ultraschallwandler und wird von dem Medium umströmt.
6 zeigt in vereinfachter und schematischer Darstellung einen Teil einer derartigen bekannten Sensoranordnung zur Bestimmung einer Laufzeit von Schallwellen in einem flüssigen Medium. Gezeigt ist eine vereinfachte seitliche Schnittansicht (ohne mögliche Vergussmasse oder weitere Gehäuseteile), wobei ausgehend von einem aus einem metallenen Material bestehenden Trägerelement TE ein Reflektorelement oder eine Reflektorlasche RL durch entsprechendes Stanzen und Biegen aus dem Trägerelement TE gebildet wird. Die Reflektorlasche RL steht dabei etwa senkrecht auf der durch das Trägerelement TE aufgespannten Fläche. Gegenüber der Reflektorlasche RL und im Bereich des Trägerelements TE ist ein Ultraschallwandler UW (Sender und Empfänger von Ultraschallsignalen) angeordnet, wobei zwischen dem Ultraschallwandler UW und der Reflektorlasche RL eine Messstrecke MS durch das fluide Medium ausgebildet wird. Der Ultraschallwandler UW wird von einer Steuerelektronik SE angesteuert, die auch zur Verarbeitung der Erfassungssignale vorgesehen ist. Bei der Durchführung der Messungen erfasst der Ultraschallwandler UW ausgesandte Ultraschallsignale, die von der Reflektorlasche RL reflektiert wurden, und es werden die Erfassungssignale über die Messstrecke MS mit einer vorbestimmten Länge ausgewertet. Bei der Auswertung werden Temperatureinflüsse berücksichtigt.
Die Messungen mit den vorstehend beschriebenen bekannten Einrichtungen und Anordnungen zur Erfassung der Eigenschaften eines fluiden Mediums in Verbindung mit einem vorbestimmten Abstand zwischen einem betreffenden Ultraschallwandler und einem Reflektorelement erfordern, dass der vorbestimmte Abstand zwischen dem Ultraschallwandler und dem Reflektorelement genau eingehalten wird. Die Auswertung der auf diese Weise erhaltenen Erfassungssignale über eine derartige Messstrecke mit vorbestimmter Lauflänge der Ultraschallsignale von etwa dem doppelten Abstand zwischen dem Ultraschallwandler und dem Reflektorelement ergibt Hinweise zu physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des Mediums, wobei die Temperatur zu berücksichtigen ist, die hierzu in der Nähe der Messstrecke erfasst wird.
Es ist vorteilhaft, wenn der vorbestimmte Abstand zwischen dem Ultraschallwandler und dem Reflektorelement sicher eingehalten und auch über eine längere Anwendung bzw. Lebensdauer der Sensoreinrichtung beibehalten wird. Ansonsten kann eine Veränderung des vorbestimmten Abstands und somit der Länge der Messstrecke zur Erfassung der Eigenschaften des Mediums eintreten, und es führt dies zu einer Ungenauigkeit der Erfassungswerte und damit zu einer ungenauen Bestimmung der Eigenschaften des Mediums, insbesondere, wenn sich die Eigenschaften des Mediums während eines Prozesses oder auch im Verlauf der Zeit lediglich geringfügig ändern, diese geringfügige Änderung jedoch für die Anwendung des Mediums in dem Prozess von Bedeutung ist.
Die gesamte Einrichtung im Zusammenhang mit der vorbestimmten Messstrecke und der Anordnung des Ultraschallwandlers und des Reflektorelements soll auch über eine längere Anwendungszeit stabil und gleichbleibend sein, wobei diese Forderung speziell in Verbindung mit einer mechanischen Stabilität insbesondere wichtig ist bei Anwendungen der Sensoranordnung, bei denen mit starken Schwingungen und Stößen und/oder erheblichen Temperaturschwankungen zu rechnen ist. Beispielsweise treten bei Einrichtungen in einem Kraftfahrzeug zur Erfassung einerseits des Füllstands eines Mediums in einem Tank und andererseits der Eigenschaften dieses Mediums beim Betrieb erhebliche Schwingungen und Stöße sowie große Temperaturschwankungen in Abhängigkeit von den Jahreszeiten oder dem Betriebsort auf, so dass in mechanischer Hinsicht ein Verstellen oder zumindest zeitweises Verändern der vorbestimmten Länge der Messstrecke nicht ausgeschlossen werden kann. Insbesondere kann bei auftretenden Schwingungen in bestimmten Frequenzbereichen oder bei einzelnen Stößen das Reflektorelement und speziell die Reflektorlasche RL gemäß der Darstellung in 6 ebenfalls zu Schwingungen neigen oder bei Eisbildung in dem Medium verformt werden, so dass eine Messung verfälscht werden kann. Es kann hierbei insbesondere eine plastische und damit dauerhafte Verformung der Reflektorlasche RL nicht ausgeschlossen werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Sensorvorrichtung der eingangs genannten Art derart auszugestalten, dass einerseits eine sehr genaue Erfassung der Eigenschaften eines Mediums über eine vorbestimmte Messstrecke gewährleistet ist, und andererseits die Anordnung der Sensorvorrichtung mechanisch zur Erhaltung der Genauigkeit über eine lange Lebensdauer stabil bleibt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bezüglich einer Sensorvorrichtung mit den in den Schutzansprüchen angegebenen Merkmalen gelöst.
Die vorliegende Erfindung betrifft somit eine Sensorvorrichtung zur Erfassung von Eigenschaften fluider Medien mit einem Gehäuse mit einer Vertiefung und die Vertiefung umgebenden Randbereichen, wobei die Vertiefung zumindest teilweise mit dem zu erfassenden fluiden Medium gefüllt ist, einer Reflektoreinheit, die als ein Teilring ausgebildet ist, und einer Sensoreinrichtung zum Senden und Empfangen von Erfassungssignalen in die Vertiefung über eine vorbestimmte in der Vertiefung ausgebildete Messtrecke, wobei die Reflektoreinheit zumindest teilweise innerhalb der die Vertiefung umgebenden Randbereiche angeordnet ist und eine freiliegende Reflexionsfläche aufweist, gegenüber der Reflexionsfläche in Bezug auf die Vertiefung die Sensoreinrichtung angeordnet ist, und zwischen der Reflexionsfläche und der Sensoreinrichtung die Messtrecke zu Erfassung der Eigenschaften des Mediums gebildet ist.
Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung zur Erfassung von Eigenschaften fluider Medien umfasst im Einzelnen das Gehäuse mit der Vertiefung, in der die Messstrecke zur Erfassung der Eigenschaften fluider Medien ausgebildet ist. Die Reflektoreinheit ist in den Randbereichen oder Wänden der Vertiefung des Gehäuses angeordnet und liegt in einem begrenzten Bereich bzw. Teilbereich, und speziell dem Bereich zur Reflexion von Erfassungssignalen (Reflexionsfläche) frei, so dass die Oberfläche der Reflektoreinheit die auf die Reflexionsfläche gesendeten Erfassungssignale reflektiert. In der Vertiefung, in der sich das zu erfassende Medium befindet und somit die Vertiefung ganz oder zumindest teilweise mit dem zu erfassenden Medium gefüllt ist, verlaufen die Erfassungssignale von der Sensoreinrichtung, die gegenüber der Reflexionsfläche der Reflektoreinheit angeordnet ist, zu der Reflektoreinheit und zurück zur Sensoreinrichtung.
Die Reflektoreinheit ist vorzugsweise als eine teilringförmige Struktur ausgebildet, wobei mit Ausnahme der Reflexionsfläche und einiger für eine Montage erforderlicher Bereiche die Reflektoreinheit somit überwiegend innerhalb der Randbereiche oder Wände der Vertiefung verlaufen. Bei der Anwendung der Sensorvorrichtung mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau werden die von der Sensoreinrichtung ausgesandten Erfassungssignale von der Reflexionsfläche der Reflektoreinheit reflektiert und von der Sensoreinrichtung empfangen und danach in Verbindung mit ebenfalls erfassten Temperaturwerten und beispielsweise gespeicherten Referenzwerten ausgewertet. Bestimmte Parameter oder Eigenschaften des zu erfassenden fluiden Mediums können auf der Basis derartiger Erfassungen genau bestimmt werden.
Mit der vorstehend beschriebenen Anordnung der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung ist somit in dem Gehäuse und am Rand der Vertiefung die Sensoreinrichtung weitgehend geschützt angeordnet, und es ist die Sensorvorrichtung in ihrer Gesamtheit mechanisch sehr stabil. Es ergibt sich mit der erfindungsgemäßen Anordnung, bei der in den Randbereichen oder Wänden der Vertiefung die Reflektoreinheit eingebettet ist, eine hohe mechanische Festigkeit und Biegesteifigkeit, wobei speziell einerseits die Sensoreinrichtung und andererseits gegenüber der Sensoreinrichtung am anderen Ende der Messstrecke die Reflexionsfläche mechanisch stabil angeordnet ist.
Die gesamte Stabilität der Sensorvorrichtung gewährleistet, dass der mechanische Abstand zwischen der Sensoreinrichtung zum Senden und Empfangen der Erfassungssignale über die vorbestimmte Messstrecke und der Reflexionsfläche der Reflektoreinheit sehr genau eingehalten wird. Mit dieser stabilen Anordnung treten keine oder nur vernachlässigbare Schwingungen auf, und es ist die gesamte Anordnung auch über eine längere Betriebszeit (Lebensdauer) mechanisch sehr stabil, so dass die vorbestimme Länge der Messstrecke im Sinne des Abstands zwischen der Sensoreinrichtung und der Reflexionsfläche sehr genau eingehalten wird. Mit dem Einbetten der Reflektoreinheit in die Randbereiche oder seitlichen Wände der wannenförmigen Vertiefung wird einerseits die Reflexionsfläche stabil an ihrem Ort gehalten, und wird andererseits die gesamte Anordnung mechanisch stabilisiert, so dass die Sensoreinrichtung auch bei einer Anwendung in einer Umgebung mit großen Vibrationen und Stößen kaum einer mechanischen Änderung unterliegt. Dies trifft auch auf eine Anwendung mit großen Temperaturschwankungen (im Sinne von Schwankungen der Umgebungs- oder Betriebstemperatur) zu. Bei Temperaturschwankungen sind lediglich sehr geringe Abweichungen in den mechanischen Abmessungen und speziell hinsichtlich des Abstands zwischen der Sensoreinrichtung und der Reflexionsfläche zu erwarten.
Sollte es sich bei dem zu erfassenden Medium um eine wässrige Lösung handeln, und soll beispielsweise mittels der Sensorvorrichtung eine veränderliche Konzentration der wässrigen Lösung bestimmt werden, so treten ebenfalls im Falle einer Eisbildung bei der wässrigen Lösung in Verbindung mit tiefen Umgebungstemperaturen und nach dem Auftauen des Eises geringe und reversible Änderungen auf. Nach einem Auftauen des Eises des fluiden Mediums ist mit der vorstehend beschriebenen Anordnung der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung die Wiederherstellung der ursprünglichen Form und damit der Erfassungsgenauigkeit gewährleistet, so dass auch unter derartigen ungünstigen Betriebsbedingungen und über eine längere Betriebszeit (Lebensdauer) der Sensorvorrichtung eine genaue Erfassung der Erfassungssignale und damit der Eigenschaften des betreffenden Mediums und auch bei einer starken mechanischen Belastung sichergestellt ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Es kann die Reflektoreinheit der Vorrichtung im Bereich der Reflexionsfläche an der Rückseite derselben durch den Randbereich gestützt sein.
Die Sensoreinheit kann ganz oder zumindest teilweise in den Randbereich des Gehäuses eingesetzt sein.
Die Sensoreinheit kann eine Abstrahlungsfläche zum Abstrahlen und Empfangen der Erfassungssignale aufweisen, und die Abstrahlungsfläche kann zu der Vertiefung in Richtung der Messtrecke gerichtet sein, und es kann der Teilring der Reflektoreinheit eine Lücke aufweisen, die benachbart zur Sensoreinheit in dem Randbereich angeordnet ist.
Die Reflektoreinheit kann aus einem bandförmigen metallenen Material bestehen, und es können Seitenteile, ein Kopfteil und Endbereiche der Reflektoreinheit auf einer durch die Reflektoreinheit aufgespannten Ebene senkrecht stehen.
Es kann der Teilring der Reflektoreinheit in Bezug auf die Vertiefung gegenüber der Reflexionsfläche eine Lücke aufweisen, und es kann die Sensoreinheit formschlüssig in die Lücke angeordnet sein.
Ferner können zur Vertiefung gerichtete Seiten der Randbereiche in Bezug auf einem Bodenbereich der Vertiefung schräg angeordnet sein, sodass eine Winkelabweichung der Seiten der Randbereiche von der Senkrechten auf der Bodenfläche etwa 1° bis 10° beträgt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf die Sensorvorrichtung mit der Vertiefung und der darin ausgebildeten Messstrecke,
2 eine Schnittansicht der in 1 gezeigten Sensorvorrichtung entlang der Schnittlinie X-X,
3 eine perspektivische und vereinfachte Darstellung der Reflektoreinheit, wie sie in der Sensorvorrichtung gemäß den 1 und 2 angeordnet ist,
4 eine vereinfachte und schematische Darstellung der Anwendung der Sensorvorrichtung in einem Tank,
5 eine schematische Schnittdarstellung der in 1 gezeigten Sensorvorrichtung entlang der Schnittlinie Y-Y in Verbindung mit einer Abwandlung, und
6 eine vereinfachte Darstellung einer Einrichtung zur Erfassung von Signallaufzeiten gemäß dem Stand der Technik.
Die Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit der Darstellung in den 1 bis 3 hinsichtlich ihres Aufbaus und ihrer Wirkungsweise gemäß einem Ausführungsbeispiel beschrieben.
1 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer Draufsicht auf die Sensorvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. 2 zeigt eine zugehörige Schnittansicht entlang der Schnittlinie X-X, und 3 die vereinfachte perspektivische Darstellung der Reflektoreinheit der Sensorvorrichtung 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel.
In der Draufsicht gemäß 1 umfasst die Sensorvorrichtung 1 ein Gehäuse 2, das die im Zusammenhang mit dem Aufbau und der Wirkungsweise der Sensorvorrichtung 1 erforderlichen weiteren Elemente und Komponenten aufnimmt. Das Gehäuse 2 besteht vorzugsweise aus einem isolierenden und korrosionsbeständigen Material und kann beispielsweise und bevorzugt aus einem festen Kunststoffmaterial bestehen. Die vorliegende Erfindung ist hierauf nicht festgelegt, und es kann das Gehäuse 2 auch aus einem leichten Metall mit teilweise isolierenden und vor Korrosion schützenden Schichten bestehen.
Das Gehäuse 2 umfasst ferner eine wannenförmige Vertiefung 3, nachstehend vereinfacht als „Vertiefung“ bezeichnet, innerhalb der eine Messtrecke 4 zur Erfassung der Eigenschaften eines fluiden Mediums 5 gebildet wird. Die bei dem Betrieb der Sensorvorrichtung 1 gebildete Messstrecke 4 innerhalb der wannenförmigen Vertiefung bzw. Vertiefung 3 wird speziell gebildet durch elektrische Erfassungssignale, beispielsweise Ultraschallsignale, die entlang der Messstrecke 4 ausgesendet und nach Reflexion wieder empfangen werden. Die Messstrecke 4 ist mittels eines Doppelpfeils in den 1 und 2 im Sinne des Verlaufs der Erfassungssignale angedeutet. Ferner verläuft die Messstrecke 4 in dem in der Vertiefung 3 angeordneten fluiden Medium 5, wobei dies in den 1 und 2 schematisch und vereinfacht dargestellt ist. Im Einzelnen ist die Vertiefung 3 ganz oder zumindest teilweise mit dem fluiden Medium 5 gefüllt, zumindest in dem Umfang, in dem eine verlässliche Messung gewährleistet ist.
Es ist der Grad der Füllung der Vertiefung 3 der Sensorvorrichtung 1 mit dem fluiden Medium 5 abhängig von der Anwendung der Sensorvorrichtung 1 beispielsweise in einem Tank, wobei dies im Einzelnen nachstehend in Verbindung mit der in 4 gezeigten Anordnung beschrieben wird.
Das Gehäuse 2 der Sensorvorrichtung 1 umfasst zur Ausbildung der Vertiefung 3 entsprechende Randbereiche 6, die Seitenwände bilden zum Begrenzen der Vertiefung 3. Im Einzelnen umfassen die Randbereiche 6 eine erste und eine zweite lange Seitenwand 61 und 62, sowie eine erste und eine zweite kurze Seitenwand 63 und 64. Die in den 1 und 2 gezeigten Seitenwände 61 bis 64 weisen eine bestimmte Stärke bzw. Dicke auf, die in Abhängigkeit von der Art des Materials, aus dem das Gehäuse 2 besteht, eine ausreichende Festigkeit aufweisen, wobei gleichzeitig eine Elastizität gewährleistet ist.
Die Sensorvorrichtung 1 umfasst ferner eine Sensoreinheit 7, die ausgebildet ist zum Senden und Empfangen der Erfassungssignale. Die Erfassungssignale können beispielsweise als elektrische Signale und speziell und beispielhaft in Form von Ultraschallsignalen vorliegen. Die Sensoreinheit 7 ist in der ersten kurzen Seitenwand 63 derart angeordnet, dass sie unmittelbar benachbart zu der Vertiefung 3 vorgesehen ist und die Erfassungssignale direkt in die Vertiefung 3 und entlang der Messstrecke 4 abstrahlen kann. Die Sensoreinheit 7 weist hierzu eine Fläche an einer ihrer Seiten auf, die zum Abstrahlen und Empfangen der Erfassungssignale dient. Diese Fläche wird nachstehend vereinfacht als Abstrahlungsfläche 71 bezeichnet. Die Abstrahlungsfläche 71 zeigt hierbei in Richtung der Messstrecke 4 bzw. in die Vertiefung 3 des Gehäuses 2, und es erfolgt die Abstrahlung der Erfassungssignale in das fluide und zu erfassende fluide Medium 5 und das Empfangen der reflektierten Erfassungssignale aus dem fluiden Medium 5.
Entlang der Messstrecke 4 verlaufen ebenfalls die reflektierten Erfassungssignale und werden von der Sensoreinheit 7 aufgenommen bzw. empfangen. Die Sensoreinheit 7 kann beispielsweise ein eigenes Gehäuse aufweisen, das in der ersten kurzen Seitenwand 63 des Gehäuses 2 eingebettet ist oder kann direkt in unmittelbarer Nachbarschaft zur Vertiefung 3 in die erste kurze Seitenwand 63 eingebettet sein. Die Sensorvorrichtung 1 kann in diesem Zusammenhang und speziell zur Ansteuerung der Sensoreinheit 7 eine Steuerungseinrichtung 8 aufweisen, die in Form einer elektronischen Schaltung auf einer Leiterplatte 9 ausgebildet ist. Die Sensoreinheit 7 und die Leiterplatte 9 bzw. die Steuerungseinrichtung 8 sind über entsprechende Leitungsverbindungen miteinander verbunden, die in 2 gezeigt ist, so dass eine gezielte Ansteuerung der Sensoreinheit 7 zum Senden und Empfangen der Erfassungssignale gewährleistet ist, und ferner die Erfassungssignale in der Steuerungseinrichtung 8 ausgewertet oder zu einer weiteren äußeren Datenverarbeitungseinrichtung weitergeleitet werden können. Für letztere Maßnahme umfasst die Steuerungseinrichtung 8 oder die Leiterplatte 9 entsprechende Anschlusseinrichtungen 10, mittels derer eine Leistungszufuhr sowie eine bidirektionale Übertragung von Daten und Befehlen von außen und nach außen möglich ist. Die Steuerungseinrichtung 8 oder die Leiterplatte 9 sind hierbei in dem Gehäuse 2 der Sensorvorrichtung 1 unterhalb der Vertiefung 3 und damit vorzugsweise außerhalb eines Tanks, in dem die Sensorvorrichtung 1 eingesetzt wird, angeordnet. Der Raum, in dem sich die Leiterplatte 9 befindet, ist gegenüber dem im Tank befindlichen zu erfassenden fluiden Medium 5 und weiteren von außen möglichen Umwelteinflüssen geschützt und demgegenüber abgeschlossen.
Die Sensorvorrichtung 1 gemäß der Darstellung in den 1 und 2 umfasst des Weiteren eine Reflektoreinheit 11, die in vorbestimmter Weise in der Sensorvorrichtung 1 und um die Vertiefung 3 angeordnet ist. Die Reflektoreinheit 11 ist in den 1 und 2 in ihrer Position in dem Gehäuse 2 der Sensorvorrichtung 1 angedeutet, und ist ferner in 3 zur besseren Veranschaulichung der Anordnung der Reflektoreinheit 11 als alleiniges Element perspektivisch und vereinfacht dargestellt.
Die in 1 in der Draufsicht angedeutete und in 3 perspektivisch dargestellte Reflektoreinheit 11 besteht vorzugsweise aus einem bandförmigen metallenen Material, das gemäß der Darstellung in 3 ausgebildet ist. Entsprechend dieser Form umfasst die Reflektoreinheit 11 ein erstes Seitenteil 12 und ein zweites Seitenteil 13, ein Kopfteil 14 sowie einen ersten und zweiten Endbereich 15 und 16. Die beiden Endbereiche 15 und 16 stehen einander über eine Lücke 17 gegenüber, so dass die Reflektoreinheit in der in 3 gezeigten Anordnung in Verbindung mit einer Teilringstruktur aufgebaut ist.
Das erste und zweite Seitenteil 12 und 13 verläuft unter Berücksichtigung entsprechender unvermeidbarer Toleranzen im Wesentlichen parallel zueinander, und werden durch das Kopfteil 14 miteinander verbunden, wobei zwischen dem jeweiligen Seitenteil 12 und 13 und dem Kopfteil 14 ein Biegebereich mit einem Winkel von im Wesentlichen 90° vorliegt.
Die beiden Endbereiche 15 und 16 sind ebenfalls über einen Biegebereich mit dem jeweiligen Seitenteil 12 und 13 verbunden. Somit definieren die vorstehend angegebenen Komponenten der Reflektoreinheit 11 einen Innenraum, der im Zusammenhang mit der Anordnung der Reflektoreinheit 11 in dem Gehäuse 2 im Wesentlichen durch die Vertiefung 3 eingenommen wird. Hierzu ist die Reflektoreinheit 11 in den vorstehend genannten Randbereichen 6 angeordnet bzw. in diese zumindest teilweise eingebettet.
Im Einzelnen befinden sich die beiden Endbereiche 15 und 16 mit der dazwischen angeordneten Lücke 17 innerhalb der ersten kurzen Seitenwand 63, und befindet sich das Kopfteil 14 zumindest teilweise innerhalb der zweiten kurzen Seitenwand 64. Ferner befindet sich das erste Seitenteil 12 der Reflektoreinheit 11 in der ersten langen Seitenwand 61, und befindet sich das zweite Seitenteil 13 der Reflektoreinheit 11 in der zweiten langen Seitenwand 62 des Gehäuses 2. Mit Ausnahme vorbestimmter Bereiche des Kopfteils 14 befinden sich die weiteren Abschnitte der Reflektoreinheit 11 eingebettet in die jeweilige lange oder kurze Seitenwand 61 bis 64 der Randbereiche 6.
Im Bereich des Kopfteils 14 liegt die in Richtung der Vertiefung 3 zeigende Oberfläche des Kopfteils 14 frei und ist nicht durch Material der Randbereiche 6 bzw. des Gehäuses 2 (zweite kurze Seitenwand 64) bedeckt. Die zur Reflexion der Erfassungssignale vorgesehene Oberfläche wird nachstehend als Reflexionsfläche 18 bezeichnet und dient speziell zum Reflektieren der Erfassungssignale, die mittels der Sensoreinheit 7 über deren Abstrahlungsfläche 71 entlang der Messstrecke 4 durch die Vertiefung 3 in Richtung des Kopfteils 14 und speziell der Reflexionsfläche 18 gesendet werden. Die Reflexionsfläche 18 im Bereich des Kopfteils 14 der Reflektoreinheit 11 ist derart ausgerichtet, dass sie im Wesentlichen senkrecht zu der in den 1 bis 3 gezeigten Erstreckung der Messstrecke 4 verläuft und in vollem Umfang die in Richtung der Reflexionsfläche 18 gesendeten Erfassungssignale zurück zur Sensoreinheit 7 reflektiert. Der Laufweg der Erfassungssignale umfasst somit zwischen dem Senden der Erfassungssignale und dem Empfangen derselben durch die Sensoreinheit 7 das Zweifache des Abstands zwischen der Sensoreinheit 7 (bzw. der Abstrahlungsfläche 71) und der Reflexionsfläche 18 entlang der Messstrecke 4 innerhalb der Vertiefung 3 durch das fluide Medium 5.
Die Sensoreinheit 7 befindet sich somit innerhalb der ersten kurzen Seitenwand 63 des Gehäuses 2 zwischen den Endbereichen 15 und 16 der Reflektoreinheit 11 und der Vertiefung 3. In Bezug auf die entlang der Messtrecke 4 verlaufenden Erfassungssignale, die beispielsweise Ultraschallsignale sein können, befinden sich die beiden Endbereiche 15 und 16 der Reflektoreinheit 12 hinter der Sensoreinheit 7, und es befindet sich die Sensoreinheit 7 innerhalb des durch die Anordnung der Reflektoreinheit 11 gemäß 3 aufgespannten Raums. In gleicher Weise wie die Reflektoreinheit 11 ist die Sensoreinheit 7 in die Randbereiche 6 des Gehäuses 2 eingebettet und in diesen Randbereichen 6 fixiert. Es kann hierbei die Abstrahlungsfläche 71 der Sensoreinheit 7 ganz oder teilweise freiliegend angeordnet sein, indem sich das Material der Randbereiche 6 bzw. des Gehäuses 2 nicht oder nur teilweise über die Abstrahlungsfläche 71 erstreckt, oder es kann auch die Abstrahlungsfläche 71 mit einer vorzugsweise dünnen Schicht des Materials der Randbereiche 6 bedeckt sein.
Während mit Ausnahme des Kopfteils 14 die weiteren Abschnitte der Reflektoreinheit 11 innerhalb der Randbereiche 6 des Gehäuses 2 angeordnet sind, liegt die Reflexionsfläche 18 des Kopfteils 14 in Richtung der Vertiefung 3 frei. Zur Stützung des Kopfteils 14 ist die zweite kurze Seitenwand 64 jedoch in dem in Bezug auf die Vertiefung 3 äußeren Bereich des Kopfteils 14 weitergeführt und ist damit vorgesehen, eine Rückseite 19 der Reflektoreinheit 11 auf der anderen Seite der Reflexionsfläche 18 ganz oder zumindest teilweise abzudecken und somit zu stützen und zu fixieren. Die Rückseite 19 der Reflektoreinheit 11 bzw. speziell des Kopfteils 14 ist daher ganz oder zumindest teilweise durch die zweite kurze Seitenwand 64 bedeckt. Das Kopfteil 14 der Reflektoreinheit 11 liegt somit im Wesentlichen im Bereich der Reflexionsfläche 18 einseitig frei.
Zur Bereitstellung sogenannter kommunizierender Röhren, damit das zu erfassende fluide Medium 5 in die Vertiefung 3 ein- und ausströmen kann, ist vorzugsweise im Bereich der zweiten kurzen Seitenwand 64 in 1 unterhalb des Kopfteils 14 eine Öffnung 20 vorgesehen, durch die das fluide Medium 5 in die Vertiefung 3 ein- und ausströmen kann.
Werden die von der Sensoreinheit 7 ausgestrahlten Erfassungssignale nach dem zweifachen Durchlaufen der vorbestimmten Messstrecke 4 durch das innerhalb der Vertiefung 3 angeordnete fluide Medium 5 und somit nach der Reflexion an der Reflexionsfläche 18 erneut empfangen und ausgewertet, besteht die Möglichkeit, unter weiterer Berücksichtigung von Temperatureinflüssen eine genaue Aussage über bestimmte Parameter oder Eigenschaften des fluiden Mediums 5 in der Vertiefung 3 zu treffen. Speziell sind hierzu Temperatursensoren (beispielhaft in 4 als Temperatursensor 27 angedeutet) vorgesehen, die eine zur Auswertung der Erfassungssignale erforderliche Temperaturinformation liefern. Im Allgemeinen sind physikalische und/oder chemische Eigenschaften der fluiden Medien 5 zumindest teilweise temperaturabhängig. Die Temperaturinformation kann der Steuerungseinrichtung 8 und in elektrischer Hinsicht der Leiterplatte 9 zugeführt werden.
Es ist mit der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnung möglich, bestimmte Eigenschaften oder bestimmte interessierende Parameter des fluiden Mediums 5, wie beispielsweise die Dichte einer Lösung, genau zu erfassen, so dass bezüglich der Eigenschaften oder Parameter des fluiden Mediums 5 kontinuierlich oder in bestimmten Zeitabständen eine verlässliche Information gewonnen werden kann. Es kann diese Information auch als eine Referenzinformation dienen und im Vergleich zu gespeicherten Erfassungswerten oder Messwerten eine Aussage erlauben, ob sich das fluide Medium 5 hinsichtlich seiner Eigenschaften bzw. der interessierenden Parameter verändert hat. Es ist daher erforderlich, dass die Messung in genauer Weise erfolgt, und es ist der Abstand zwischen der Sensoreinheit 7 und der Reflexionsfläche 18 der Reflektoreinheit 11 genau einzuhalten. Dies wird mit der vorstehend beschriebenen Anordnung gemäß den 1 bis 3 gewährleistet. Auch kann die gewonnene Temperaturinformation zur verbesserten Erfassung eines Füllstands des fluiden Mediums 5 in einem Behälter dienen, wie sie nachstehend noch in Verbindung mit 4 beschrieben wird.
Die Sensoreinheit 7 sowie die Reflektoreinheit 11 sind somit in gleicher Weise in die Randbereiche 6 des Gehäuses 2 eingebettet und in diesen Randbereichen 6 fixiert. Speziell ist die Reflektoreinheit 11 mit Ausnahme der Reflexionsfläche 18, die in Richtung der Vertiefung 3 freiliegend sein kann, im Übrigen weitgehend in die Randbereiche 6 eingebettet. Ferner liegt die Sensoreinheit 7 entweder vollständig innerhalb der Randbereiche 6 bzw. der ersten kurzen Seitenwand 63, oder es ist die Abstrahlungsfläche 71 ganz oder teilweise mit einer (vorzugsweise dünnen) Schicht des Materials des Gehäuses 2 bedeckt.
Die Randbereiche 6 des Gehäuses 2 umfassen somit einerseits das Material des Gehäuses 2 sowie die verstärkende Wirkung des metallischen Materials der Reflektoreinheit 11, so dass eine Verbundanordnung mit erheblicher Stabilität und Verwindungsfestigkeit entsteht. Das Kopfteil 14 mit der freiliegenden Reflexionsfläche 18 wird im Bereich der Rückseite 19 gestützt, so dass die Reflexionsfläche 18 mit großer Genauigkeit in ihrer Position verbleibt und nicht entsprechenden Schwingungen oder Verschiebungen ausgesetzt ist. Der Abstand zwischen der Sensoreinheit 7 (bzw. der Abstrahlungsfläche 71) und der Reflexionsfläche 18 zur Durchführung einer sehr genauen Messung (Referenzmessung) bleibt somit auch bei einer starken mechanischen Belastung oder bei erheblichen Vibrationen der gesamten Sensorvorrichtung 1 erhalten. Mit der vorstehend angegebenen Verbundanordnung des weitgehenden Einbettens der Abschnitte der Reflektoreinheit 11 sowie der Sensoreinheit 7 in die Randbereiche 6 des Gehäuses 2 wird die gesamte Stabilität der Sensorvorrichtung 1 erheblich verbessert. Auch bei einer längeren Anwendung in schwierigen Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich mit erheblichen Temperaturschwankungen und Schwingungen, kann eine genaue Messung mit einer sehr hohen Langzeitstabilität aufrechterhalten werden.
Die Reflektoreinheit 11 ist gemäß der vorstehenden Darstellung beispielsweise mit Ausnahme der Reflexionsfläche 18 und teilweise der Rückseite 19 im Bereich der Reflexionsfläche in die Randbereiche 6 des Gehäuses 2 eingebettet bzw. in den Randbereichen angeordnet. Es kann im Hinblick auf fertigungstechnische Maßnahmen erforderlich sein, dass im Bereich der Seitenteile 12 und 13 der Reflektoreinheit 11 weitere freiliegende Bereiche erforderlich sind, an denen Werkzeuge bei der Herstellung bzw. Montage der Sensorvorrichtung 1 angreifen können. In jedem Fall sind die Seitenteile 12 und 13 der Reflektoreinheit in den jeweils freiliegenden Bereichen von ihrer Rückseite durch die Randbereiche 6 gestützt.
Zur Veranschaulichung der vorstehend beschriebenen Ausbildung und Form der Reflektoreinheit 11 gemäß den 1 und 2 ist die Reflektoreinheit 11 in 3 in schematischer und perspektivischer Darstellung gezeigt, wobei die weiteren Teile der Sensorvorrichtung 1 zum besseren Erkennen der Gesamtanordnung der Reflektoreinheit 11 weggelassen sind.
Die Reflektoreinheit 11 ist einstückig ausgebildet aus einem bandförmigen metallenen Material mit vorzugsweise gleicher Dicke d und gleicher Höhe h. Die Erfindung ist hierauf jedoch nicht festgelegt, und es kann die Höhe h über den in den 1 bis 3 gezeigten Verlauf der Reflektoreinheit 11 unterschiedlich sein, und es kann auch die Dicke d unterschiedlich sein.
3 zeigt den ersten und zweiten Endbereich 15 und 16 der Reflektoreinheit 11 mit der dazwischen angeordneten Lücke 17, so dass die bereits genannte Teilringstruktur gebildet wird. In Nachbarschaft zu der Lücke 17 befindet sich beispielsweise gemäß der Darstellung in den 1 und 2 die Sensoreinheit 7, und es bewirkt nach entsprechender Ansteuerung durch die Steuerungseinrichtung 8 die Sensoreinheit 7 ein Aussenden der Erfassungssignale und anschließendes Empfangen der reflektierten Erfassungssignale an der Reflexionsfläche 18 der Reflektoreinheit 11 zur Durchführung einer Erfassung. Die Reflexionsfläche 18, die an ihrer Rückseite 19 durch das Material des Gehäuses 2 bzw. der zweiten kurzen Seitenwand 64 gestützt wird, umfasst die metallene Oberfläche der Reflektoreinheit 11 zur Reflexion der Erfassungssignale. Es kann die Reflexionsfläche 18 eine einfache metallene Oberfläche und vorzugsweise blank sein, oder es kann die Oberfläche der Reflexionsfläche 18 in entsprechender Weise durch eine gestaltet oder mit weiteren Materialien zur Verbesserung der Reflexion oder zu einer gezielten Beeinflussung der Reflexion beschichtet sein.
Die Anordnung gemäß 3 zeigt, dass die beiden Seitenteile 12 und 13 im Wesentlichen zueinander parallel geführt und ebenfalls parallel angeordnet sind zur Erstreckung der Messstrecke 4 entsprechend dem Abstand zwischen der Sensoreinheit 7 und der Reflexionsfläche 18. Bezüglich einer gedachten Ebene, die durch die vorstehend genannten Abschnitte der Reflektoreinheit 11 aufgespannt wird, stehen die beiden Seitenteile 12 und 13, das Kopfteil 14 und die beiden Endbereiche 15 und 16 senkrecht auf dieser Ebene. Die von den Abschnitten 12 bis 16 der Reflektoreinheit 11 aufgespannte gedachte Ebene steht im Wesentlichen parallel zu einer nachstehend in Verbindung mit 5 noch beschriebenen Ebene des Bodenbereichs 31 der Vertiefung 3.
In 3 sind das erste und zweite Seitenteil 12 und 13 der Reflektoreinheit 11 als im Wesentlichen gleichförmige bandförmige Elemente mit ungefähr einheitlicher Dicke d dargestellt. Es besteht ferner die Möglichkeit, die beiden Seitenteile 12 und 13 mit in Längsrichtung (Erstreckungsrichtung) der Seitenteile 12 und 13 verlaufenden Sicken auszuführen, so dass eine weitere Stabilität infolge einer größeren Widerstandsfähigkeit gegen Biegung und Verwinden erreicht wird. Auch kann die gesamte Oberfläche der Reflektoreinheit 11 einschließlich der Reflexionsfläche 18 oder mit Ausnahme der Reflexionsfläche 18 mit einer gegen Korrosion schützenden Beschichtung ausgestattet werden. Ebenso kann die Oberfläche sämtlicher Komponenten der Reflektoreinheit 11 (mit Ausnahme der Reflexionsfläche 18) mit einer vorbestimmten Rauheit ausgeführt sein, so dass eine sichere Befestigung der Reflektoreinheit 11 innerhalb des Materials des Gehäuses und speziell innerhalb der Randbereiche 6 unterstützt wird.
Es wird auf diese Weise die mechanische Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Verformung weiter verbessert und es wird gleichzeitig eine kompakte Ausführung der gesamten Sensorvorrichtung 1 erreicht. Ferner ist die vorstehend beschriebene Reflektoreinheit 11 einerseits mit einer möglichen Beschichtung und andererseits in Folge der weitgehenden Einbettung in das Material des Gehäuses 2 vor einer Korrosion, insbesondere durch das zu erfassende fluide Medium 5, geschützt.
4 zeigt in schematischer Darstellung eine Anordnung der Sensorvorrichtung 1 gemäß der vorstehenden Beschreibung in einem Tank 21 zur Bevorratung des betreffenden fluiden Mediums 5. Der Tank 21 kann über einen Deckel 22 mit dem fluiden Medium 5 befüllt werden. In einem Bodenbereich des Tanks 21 ist die Sensorvorrichtung 1 eingesetzt. Die Sensorvorrichtung 1 kann hierbei mit dem Material des Tanks 21 verklebt oder verschweißt werden. Es ist somit gewährleistet, dass auch bei geringen Füllständen des fluiden Mediums 5 in dem Tank 21 eine ausreichende Menge des fluiden Mediums 5 zur Durchführung einer verlässlichen Erfassung in die Vertiefung 3 gelangen kann.
Das in dem Tank 21 befindliche fluide Medium 5 kann durch die Öffnung 20 beispielsweise in der zweiten kurzen Seitenwand 64 unterhalb der Reflexionsfläche 18 in die Vertiefung 3 des Gehäuses 2 eindringen. Ungeachtet dieser Öffnung 20 besteht die Möglichkeit, weitere oder alternative Öffnungen in den Randbereichen 6 des Gehäuses 2 vorzusehen, damit das zu erfassende fluide Medium 5 ungehindert in die Vertiefung 3 im Sinne kommunizierender Rohre ein- und ausströmen kann.
Die Sensorvorrichtung 1 gemäß der vorstehenden Beschreibung und entsprechend der Darstellung in 4 kann in Verbindung stehen mit einer Erweiterung der Sensorvorrichtung 23, die zur Messung des Füllstands des Mediums 5 in Tank 21 dienen kann.
Gemäß der Veranschaulichung in 4 kann neben der vorstehend beschriebenen Sensorvorrichtung 1 eine weitere Sensorvorrichtung 23 vorgesehen sein, die eine weitere Sensoreinheit (in gleichartiger oder ähnlicher Weise wie die Sensoreinheit 7) mit einer weiteren Messstrecke 24 aufweist und Erfassungssignale aussenden und empfangen kann. Im vorliegenden Fall ist die weitere Messstrecke 24 im Wesentlichen rechtwinklig zur Messstrecke 4 angeordnet und verläuft vom Bodenbereich des Tanks 21 und speziell von einer dort angeordneten Sensoreinrichtung zu einer Flüssigkeitsoberfläche 25 des fluiden Mediums 5 in Tank 21 und von dort zurück zur weiteren Sensoreinheit. Es findet eine Reflexion der Erfassungssignale an der Flüssigkeitsoberfläche 25 statt, die eine Grenzfläche zwischen unterschiedlich dichten Medien bildet.
Auf diese Weise kann der Füllstand kontinuierlich oder in vorbestimmten Abständen erfasst werden. Eine elektrische Anschlusseinrichtung 26 dient zum Zuführen einer elektrischen Leistung, vom Anweisen zur Ansteuerung der Komponenten sowie zur Erfassung und Weiterleitung von Daten und Befehlen. Die elektrische Anschlusseinrichtung 26 kann ebenfalls zum elektrischen Verbinden der Sensorvorrichtung 1 und speziell der Leiterplatte 9 dienen (Übertragung von elektrischer Leistung, Daten und Anweisungen).
Da bei den verschiedenen Messungen innerhalb des zu erfassenden fluiden Mediums 5 ein Einfluss der Temperatur des Mediums 5 wesentlich ist, zeigt 4 symbolisch einen Temperatursensor 27 zur Erfassung der Temperatur des Mediums 5. Der Erfassungswert der Temperatur des Mediums 5 wird der Auswertung zugeführt.
Der Tank 21 umfasst des Weiteren ein Auslaufmodul 28 zur Entnahme des fluiden Mediums 5 aus dem Tank 21. Das Auslaufmodul 28 umfasst ein Auslaufrohr 29, an das weitere Rohrleitungen oder Schläuche angeschlossen werden können zur Weiterleitung des fluiden Mediums 5 zu einer Verbrauchsstelle oder zu einem entsprechenden beliebigen Prozess. Das Auslaufmodul 28 kann dabei elektrisch ansteuerbare Ventile aufweisen, um die Auslaufmenge des fluiden Mediums 5 durch das Auslaufrohr 29 zu bestimmen.
In dem Tank 21 ist des Weiteren eine Heizeinrichtung 30 vorgesehen, die dazu dient, das fluide Medium 5 in dem Tank 21 zu erwärmen und gegebenenfalls bei sehr tiefen Temperaturen und einer Eisbildung im Tank 21 das gefrorene Medium 5 aufzutauen. Die Heizeinrichtung 30 ist symbolisch an einer Tankseite angeordnet. Vorzugsweise ist die Heizeinrichtung 30 mehrteilig ausgeführt und an verschiedenen Stellen im Tank und beispielsweise auch benachbart zur Sensorvorrichtung 1 angeordnet und dem Auslaufmodul 28 angeordnet.
Im Falle der Eisbildung des fluiden Mediums 5 im Tank 21 kann die Heizeinrichtung eine rasche Verflüssigung beispielsweise zuerst in der Nähe des Auslaufmoduls 28 bewirken, und es kann im Hinblick auf die Eisbildung in Verbindung mit der Wirkungsweise und dem Betrieb der Sensorvorrichtung 1 bestimmt werden, ob das fluide Medium 5 in flüssiger und fester Form (im gefrorenen Zustand) aktuell zu einem bestimmten Zeitpunkt vorliegt. Somit kann unmittelbar mit der ersten Erfassung nach dem Beginn des Betriebs der Sensorvorrichtung 1 bestimmt werden, ob in Verbindung mit tiefen Temperaturen bereits eine Eisbildung insbesondere im Bodenbereich des Tanks 21 eingetreten ist. Es kann in diesem Zusammenhang die Leistung der Heizeinrichtung 30 gezielt gesteuert werden.
Abwandlungen
In den 1 und 2 ist die Anordnung der Sensoreinheit 7 in der Weise vorgesehen, dass die Sensoreinheit 7 benachbart zur Lücke 17 und benachbart zu den beiden Endbereichen 15 und 16 der Reflektoreinheit 11 angeordnet ist. Die Sensoreinheit 7 ist ebenfalls in das Material des Gehäuses 2 bzw. der ersten kurzen Seitenwand 63 eingebettet. In Abwandlung dieser Anordnung besteht die Möglichkeit, dass die Sensoreinheit 7 in ihrem eigenen Gehäuse eine derartige Form aufweist, dass an den Seitenwänden dieses Gehäuses senkrecht zur Abstrahlungsfläche 71 die Endbereiche 15 und 16 der Reflektoreinheit 11 formschlüssig in entsprechende Vertiefungen in den Seitenwänden der Sensoreinheit 7 eingreifen können. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, die Sensoreinheit 7 weiter zu fixieren und den Abstand zwischen der Abstrahlungsfläche 71 der Sensoreinheit 7 und der Reflexionsfläche 18 der Reflektoreinheit 11 in hohem Maße stabil zu halten. Die Sensoreinheit 7 ist ungeachtet des Formschlusses über geringe elastische Schichten zwischen der Sensoreinheit 7 und der Reflektoreinheit 11 schwingungsmäßig von der Reflektoreinheit 11 entkoppelt.
Mit der vorstehend beschriebenen Anordnung der Sensorvorrichtung 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel und in gleicher Weise auch in Verbindung mit der angegebenen Abwandlung ist gewährleistet, dass die Sensorvorrichtung in mechanischer Hinsicht sehr formstabil ist und der wichtige Abstand zwischen der Abstrahlungsfläche 71 und der Reflexionsfläche 18 der Reflektoreinheit 11 auch über eine längere Zeitdauer der Anwendung in schwierigen Umgebungsbereichen, wie beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich, genau und verlässlich eingehalten wird.
Die Anordnung des Materials des Gehäuses 2 und speziell der zweiten kurzen Seitenwand 64 und damit an der Rückseite 19 der Reflexionsfläche 18 dient dazu, Schwingungen und Eigenbewegungen der Reflektoreinheit 11 im Bereich der Reflexionsfläche 18 zu vermeiden bzw. wirksam zu dämpfen. Verformungen in diesem Bereich sind somit weitgehend ausgeschlossen. Der Kopfteil 14 der Reflektoreinheit 11 wird durch diese Anordnung unverrückbar und stabil gehalten und ist gegen Schwingungen, Stöße und Vibrationen weitgehend unempfindlich. Somit ist zur Messung entlang der Messstrecke 4 mit dem vorbestimmten und sicher eingehaltenen Abstand die erforderliche Genauigkeit zur Bereitstellung einer Referenzmessung sowie eine genaue Erfassung von Änderungen der Eigenschaften des fluiden Mediums 5 gewährleistet. Unter Berücksichtigung von Temperatureinflüssen kann somit in Verbindung mit der mechanisch sehr stabilen Sensorvorrichtung 1 eine verlässliche Referenzmessung gleichbleibend über eine lange Nutzungsdauer durchgeführt werden, die eingesetzt werden kann zur Kalibrierung der Füllstandmessung über die weitere Sensorvorrichtung 23 gemäß der Darstellung in 4.
Die Sensorvorrichtung 1 und die weitere Sensorvorrichtung 23 sind unabhängig voneinander zu betreiben und es sind die jeweiligen Messstrecken voneinander unabhängig. Es können jedoch die Erfassungsergebnisse der Sensorvorrichtung 1 zur Verbesserung der Genauigkeit der Erfassungsergebnisse der weiteren Sensorvorrichtung 23 in Verbindung mit einer entsprechenden Auswertung verwendet werden.
5 zeigt eine Schnittdarstellung der Sensorvorrichtung 1 gemäß 1 entlang der Schnittlinie Y-Y. Während in der vorherigen Darstellung die die Vertiefung umgebenden Seitenwände der Randbereiche 6 im Wesentlichen bzw. annähernd senkrecht zu einem Bodenbereich 31 der Vertiefung 3 erstrecken (unter Berücksichtigung zur Herstellung erforderlicher Form- oder Aushebeschrägen), zeigt 5 eine alternative Anordnung hierzu.
Die die Vertiefung 3 umgebenden Randbereiche 6, in denen im Wesentlichen eingebettet oder teilweise freiliegend die Reflektoreinheit 11 angeordnet ist, weisen im Einzelnen in ihren Seiten, die in Richtung der Vertiefung 3 zeigen, relativ zu dem Bodenbereich 31 der Vertiefung 3 einen Winkel von geringfügig mehr als 90° auf, wobei die geringfügige Vergrößerung des Winkels in wenigen Winkelgraden bemessen ist, um bei der Herstellung eine Entformung der Teile in Verbindung mit den sogenannten Formschrägen zu erleichtern.
Dem gegenüber kann die Winkelabweichung zu der Senkrechten S auf dem Bodenbereich 31 auch größer ausgeführt werden, beispielsweise in einem Bereich bis zu 10°, sodass der stumpfe Winkel zwischen der Seite des Randbereichs 6 und dem Bodenbereich 31 in Abhängigkeit von der Fertigung bis etwa 100° betragen kann. Vorzugsweise kann eine schräge oder geneigte Anordnung der Randbereiche 6 mit einem Winkel α von beispielsweise größer 0° bis 10° im Vergleich zur Senkrechten S zum Bodenbereich 31 der Vertiefung 3 betragen. Es ist dies in der Schnittansicht gemäß 5 dargestellt. In jedem Fall verlaufen die Seitenteile 12 und 13 der Reflektoreinheit 11 im Wesentlichen, entsprechend möglicher Toleranzen, senkrecht zur Erstreckung des Bodenbereichs 31 der Vertiefung 3 und somit im Wesentlichen in Richtung der Senkrechten S.
Mit der schrägen bzw. geneigten Anordnung der Randbereiche 6 des Gehäuses 2 besteht die Möglichkeit, bei einer Eisbildung des fluiden Mediums 5 innerhalb der Vertiefung 3 den Druck des Eises auf die Randbereiche 6 und damit auch auf die Reflektoreinheit 11 zu vermindern, indem ein grundsätzliches Gleiten von Eis nach oben möglich ist. Durch entsprechende Eisbildung kann sich die Vertiefung 3 und können sich damit die Randbereiche 6 und die Reflektoreinheit 11 geringfügig elastisch verformen, wobei diese Verformung völlig reversibel ist, wenn das fluide Medium 5 wieder aufgetaut ist. Es kann mit der über die zur Herstellung (Entformung) erforderlichen Formschrägen hinausgehenden schrägen Anordnung der Randbereiche 6 eine Entlastung der gesamten Sensorvorrichtung 1 bei Eisbildung und damit eine weitere Verbesserung der Langzeitstabilität erreicht werden.
Zusammengefasst ermöglicht somit die erfindungsgemäße Anordnung der Sensorvorrichtung 1 einen längeren Betrieb und fortgesetzte genaue Messungen der Eigenschaften des betreffenden fluiden Mediums 5, wie beispielsweise einer Flüssigkeit, da der vorbestimmte Abstand zwischen der Sensoreinrichtung 7 und der Reflexionsfläche 18 genau und über einen längeren Zeitraum sicher eingehalten werden kann. Die Anordnung ist in hohem Maße verwindungssteif und resistent gegen Schwingungen und Stöße, so dass über eine längere Lebensdauer eine gleich hohe Messgenauigkeit erreicht werden kann. Die mechanische Stabilität hinsichtlich der Form und der einzuhaltenden Dimensionen, und speziell des Abstands zwischen der Abstrahlungsfläche 71 und der Reflexionsfläche 18, bleibt auch bei starker mechanischer Belastung von außen und auch bei großen Temperaturschwankungen erhalten. Hierbei kann die Reflektoreinheit 11 einen überwiegenden Teil der Belastung aufnehmen und wirksam eine plastische Verformung verhindern.
Mit der beschriebenen Anordnung kann somit die Stabilität der gesamten Vorrichtung verbessert werden, auch in den Fällen, in denen das Material des Gehäuses 2 ein weiches Material sein muss, beispielsweise in Hinblick auf das Material des Tanks 21, in dem die Sensorvorrichtung 1 eingesetzt wird, und wobei das Problem einer sicheren und dichten Verbindung der Sensorvorrichtung 1 mit dem Tank 21 sehr wichtig ist und gleiche oder gleichartige Materialien erfordert. Es kann auf diese Weise eine Befestigung der Sensorvorrichtung 1 im Bodenbereich des Tanks 21 verbessert oder erleichtert werden. Ungeachtet der Verwendung eines sehr elastischen oder weichen Materials, kann die Reflektoreinheit 11 speziell im Verbund mit dem Material des Gehäuses 2 vielfältige mechanische Belastungen aufnehmen und insgesamt eine erhebliche Stabilität der gesamten Anordnung gewährleisten.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es ist jedoch für den auf diesem Gebiet tätigen Fachmann selbstverständlich, dass die Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung gemäß den beschriebenen Figuren und die angegebenen Bauteile und Komponenten in den Figuren und in der Beschreibung sowie weitere beispielhafte Angaben nicht einschränkend auszulegen sind. Die Erfindung ist auf die angegebene Darstellung in den Figuren, insbesondere auf Dimensionen und Anordnungen, nicht beschränkt. Als zur Erfindung gehörig werden sämtliche Ausführungsformen und Varianten angesehen, die unter die beigefügten Schutzansprüche fallen.
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

JP 2004340911 A [0004]
US 5471872 A [0004]
US 8733153 B2 [0005]
US 9038442 B2 [0005]
DE 102011118711 A1 [0006]
DE 19942379 A1 [0007]
WO 2015/117802 A1 [0008]

Claims

Sensorvorrichtung zur Erfassung von Eigenschaften fluider Medien, mit – einem Gehäuse (2) mit einer Vertiefung (3) und die Vertiefung (3) umgebenden Randbereichen (6), wobei die Vertiefung zumindest teilweise mit dem zu erfassenden fluiden Medium (5) gefüllt ist, – einer Reflektoreinheit (11), die als ein Teilring ausgebildet ist, und – einer Sensoreinrichtung (7) zum Senden und Empfangen von Erfassungssignalen in die Vertiefung (3) über eine vorbestimmte in der Vertiefung (3) ausgebildete Messtrecke (4), wobei – die Reflektoreinheit (11) zumindest teilweise innerhalb der die Vertiefung (3) umgebenden Randbereiche (3) angeordnet ist und eine freiliegende Reflexionsfläche (18) aufweist, – gegenüber der Reflexionsfläche (18) in Bezug auf die Vertiefung (3) die Sensoreinrichtung (7) angeordnet ist, und – zwischen der Reflexionsfläche (18) und der Sensoreinrichtung (7) die Messtrecke (4) zur Erfassung der Eigenschaften des Mediums (5) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Reflektoreinheit (11) im Bereich der Reflexionsfläche (18) an der Rückseite (19) derselben durch den Randbereich (6) gestützt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sensoreinheit (7) ganz oder zumindest teilweise in den Randbereich (6) des Gehäuses (2) eingesetzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Sensoreinheit (7) eine Abstrahlungsfläche (71) zum Abstrahlen und Empfangen der Erfassungssignale aufweist, und die Abstrahlungsfläche (71) zu der Vertiefung (3) in Richtung der Messtrecke (4) gerichtet ist, und der Teilring der Reflektoreinheit (11) eine Lücke (17) aufweist, die benachbart zur Sensoreinheit (7) in dem Randbereich (6) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Reflektoreinheit (11) aus einem bandförmigen metallenen Material besteht, und Seitenteile (12, 13), ein Kopfteil (14) und Endbereiche (15, 16) der Reflektoreinheit (11) auf einer durch die Reflektoreinheit (11) aufgespannten Ebene senkrecht stehen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Teilring der Reflektoreinheit (11) in Bezug auf die Vertiefung (3) gegenüber der Reflexionsfläche (18) eine Lücke (17) aufweist, und die Sensoreinheit (7) formschlüssig in die Lücke (17) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zur Vertiefung (3) gerichtete Seiten der Randbereiche (6) in Bezug auf einem Bodenbereich (31) der Vertiefung (3) schräg angeordnet sind, sodass eine Winkelabweichung der Seiten der Randbereiche (6) relativ zu einer Senkrechten (S) auf der Bodenfläche (31) etwa 1° bis 10° beträgt.