JP5024686B2 - 液体レベルを求めるための多室超音波センサ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の液体レベルを求めるための超音波センサに関する。

このようなセンサは、とりわけ自動車技術において、機関油又は燃料のレベルの測定のために使用される。容器の底にあるセンサは超音波パルスを送出する。液体表面からのエコーは送受信器により再び受信される。充填レベルは音の伝搬時間に比例する。ドイツ連邦共和国特許出願公開第３３３００５９号明細書によれば、音は容器内に設けられる導管又は音案内管により案内される。音案内管の下端には超音波送受信器が取付けられている。管は液体内にあり、管は、少なくとも１つの平衡口を介して、容器内の充填レベルに一致するまで、液体を満たされている。湾曲していてもよい音案内管内で、充填レベルが超音波により測定される。このような装置は、とりわけ不規則に形成される液体容器における充填レベルの測定に適している。この装置の大きい欠点は、求めるべき液体の泡が音案内管へ侵入して、液体レベルの測定を容易に誤らせることである。

液体レベルを求めるための超音波に基くセンサにおける泡形成の問題は、特に機関油では、機関の動作する際油の循環により、種々の大きさの気泡が生じることである。これらの気泡は、その大きさに応じて、超音波信号を散乱するか又は反射する性質を持っている。これらの状況では、充分精確で誤りのない測定は保証されない。

微細網目のふるい（約６０μｍの網目幅）により気泡を測定室外に保つ今までの解決策は、満足できる結果を生じない。気泡の侵入はふるいにより防止されるが、この方法は汚物粒子及び油へのその他の取込み物の点で失敗する。即ちこれらの粒子によりふるいが短時間後に詰まるので、測定室内のレベルを機関内の油の求めるべきレベルに合わせることは、もはや不可能である。機関におけるセンサの作動は、全寿命にわたっては保証されない。

これから出発して本発明の基礎になっている課題は、幾何学的構造によって気泡が測定室へ侵入するのを防止し、それにより液体の永続的で確実な液体レベルの測定を可能にする。最初にあげた種類の超音波センサを提示することである。

本発明によればこの課題は、請求項１の特徴部分により解決される。

即ちセンサのハウジング内で測定室の横に、少なくとも１つの別の室が、少なくとも部分的に測定室の前又は少なくとも部分的に測定室の周りに設けられ、最も外側の室が入口室を形成している。液体が入口室から測定室へ達することができるようにするため、これらの室が互いに接続されている。

入口室及び測定室が、側方に、それぞれハウジングの底に近い高さに、液体用流入兼流出口を持っている。液体が入口室から測定室へ進む経路従って存在する気泡が液体の表面へ上昇する時間が、できるだけ長くなるようにするため、入口室への口及び測定室への口が、一般に半径方向へ互いにできるだけ大きく離れて設けられている。

液体の表面から逃げる空気は、蓋又は入口室の外側で蓋に近い高さに設けられる少なくとも１つのハウジング排気口を通って、センサから出て行くことができる。

しかし少なくとも測定室の範囲で蓋が閉じられていることにも注意すべきである。それにより、大きい確率で気泡を含んでいるセンサの周囲から液体が測定室へ達するのを防止される。

測定室の外側で蓋に近い高さの所に、特に測定可能な最高液体レベルより上に、測定室外にある室への少なくとも１つの排気口が設けられていることによって、測定室内の圧力平衡が行われる。

測定室内の液体レベルは、液体の表面と校正反射体で反射される信号の伝搬時間比から求めることができる。

室の横断面は室毎に異なっていてもよい。横断面は、とりわけ取付け場所の形状に関係している。入口室は、例えばほぼ円形の横断面を持ち、測定室はほぼ方形の横断面を持つことができる。

入口室と測定室との間に設けられる室の外側が壁として形成され、これらの壁が、底から最高でも測定可能な最低液体レベルのすぐ下の高さまで延びている。液体は入口を通って入口室へ達する。入口室は次の室の外側の高さまで延びている。入口を通って別の液体が追従し、文字通り壁を越えて次の室へこぼれる。この時間中に気泡は液体の表面へ上昇して、消えてなくなる。その場合測定室の前の室にある液体は、有利に既に泡なしである。

測定室の前の室における液体レベルの上昇の際、この室から泡のない液体のみが測定室へ到達できるようにするため、この室の外側の高さ及び長さは、この室の収容能力が測定室自体の収容能力より大きいように設定されている。

その代わりに、入口室と測定室との間に設けられる室の外側が底から蓋まで延びていてもよい。消えてなくなる気泡から形成される空気がそれから逃げることができるようにするため、この室の外側で蓋の近くに、少なくとも１つの排気口が設けられている。液体が入口室から測定室へ到達できるようにするため、各外側に少なくとも１つの液体用流入兼流出口が設けられている。この液体用流入兼流出口は、測定室に最も近い室の外側に、底と蓋との間で測定可能な最低液体レベルより下の高さに、ある。前述した実施形態と同じように、この場合も測定室の前の室の収容能力が測定室自体の収容能力より大きい。

別の実施形態では、入口室と測定室との間に設けられている複数の室の外側が、底から少なくとも測定可能な最高液体レベルより上の高さまで延びる壁として形成されている。液体が入口室から測定室へ到達できるようにするため、これらの室の外側が、ハウジングの底に近い高さの所に、それぞれ１つの液体用流入兼流出口を持っている。その際液体が進まねばならない経路、従って液体と気泡を分離できる時間をできるだけ長くするため、測定室の方へ順次に続く液体用流入兼流出口が互いにできるだけ大きく離れて位置するように、これらの流入兼流出口が設けられている。

センサの最後に説明した実施形態に対して少し変わった実施形態では、入口室と測定室との間にある室の壁が蓋まで延びている。蓋の近くにある排気口は、入口室又は外側環境への必要な圧力平衡を行う。

別の実施形態では、少なくとも１つの室が測定室の周り又は前に設けられている。更に少なくとも２つの室の間に、隔離装置が設けられて、それぞれ液体用流入兼流出口を通って１つの室から次の室へ至る経路上で液体の方向を規定する。それにより順次に続く室の流れ方向が回され、従って液体の流れ経路は入口室から測定室までできるだけ長く形成される。この隔離装置は、例えば同心的に設けられる管から成るセンサの場合、室内で半径方向に延びる隔離橋絡片により実現される。順次に続く２つの室の外側が少なくとも１個所でなるべく全高さにわたって接触することによっても、同じ隔離作用が得られる。

液体の流速に影響を及ぼす別の可能性は、室内に中間橋絡片を取付けることである。その場合流速は、中間橋絡片にある中間口の横断面及び取付け場所により決定される。中間口はなるべくハウジングの底に近い高さの所に設けられている。

１つの室から次の室への経路で、液体が底に近い口を通って導かれる実施形態では、隔離装置及び中間橋絡片が測定可能な最高液体レベルより高くなければならない。

本発明のそのほかの特徴、利点及び詳細は、添付図面により好ましい実施例を詳細に説明する以下の記載からわかる。

３つの室を持つ超音波センサの断面図を液体なしで示す。 図１のＡ−Ａ面におけるセンサの平面図を示す。 液体が供給されかつ周りのシステムが作動していない、図１と同様な断面図を示す。 液体が供給されかつ周りのシステムが作動している、図１と同様な断面図を示す。 液体が著しく排出されている、図１と同様な断面図を示す。 測定室の前にある室の外壁が蓋まで延びかつ口が測定可能な最低レベルより下の高さに液体用流入兼流出口がある、図１と同様な断面図を示す。 液体用流入兼流出口が底に視界高さにある、図１と同様な断面図を示す。 図７のＡ−Ａ面におけるセンサの平面図を示す。 隔離橋絡片及び中間橋絡片を持つセンサのＡ−Ａ面における平面図を示す。 隔離橋絡片及び別の隔離装置を持つセンサのＡ−Ａ面における平面図を示す。 長方形横断面を持ちかつ入口室に隔離橋絡片を持つセンサのＡ−Ａ面における平面図を示し、複数の室が少なくとも部分的に測定室の前および周りに設けられている。

例えば自動車において機関油レベルの測定に使用されるような超音波センサ又は単にセンサが、以下に説明される。レベルはセンサ及び機関自体において一致しており、センサの測定範囲は一般に最低値と最高値との間にある。図１及び２は、液体なしの３つの室４，６，７を持つセンサを示す。横断面は丸く、個々の室４，６，７は同心的に設けられる管により形成されている。外側の管は底３及び蓋２により閉じられて、センサのハウジング１を形成している。中央の管は底３から蓋２まで延び、測定室４を形成している。入口室７とも称される外側の室及び測定室４は、その外側で底３の近くに、機関油の流入兼流出口８を持っている。入口室７と測定室４は、別の室６を取り囲み、この室６の外側は入口室７の内側により形成され、室６の内側は測定室４の外側により形成される。室６の外側は、底３から測定可能な最低レベルのすぐ下まで延びる壁を形成している。測定室４の範囲の底でハウジング１の外に、超音波送受信器５が取付けられている。

最初の充填の際油は、底に近い流入兼流出口８を通って入口室７へ達する。入口室７は次の室６の外側の高さまで満たされる。油が流入兼流出口８を通って更に供給されると、文字通り壁を越えて次の室６へこぼれる。この時間中に気泡は油の表面へ上昇し、消えてなくなる。室６から油は、底に近い流入兼流出口８を通って測定室４へ達する。

図３は、周りのシステム即ち機関が作動しない時特に現れるようなセンサの状態を示している。測定室４及び特に前にある室６の重要な下部範囲には、泡がない。残りの油から逃げる空気は、蓋２の縁範囲にあるハウジング排気口１０を通って逃げることができる。蓋２は測定室４の範囲で閉じられており、それにより、泡を含む油が上から機関室から直接測定室４へ侵入するのを防止される。ハウジング排気口１０は、なるべく蓋２の近くで入口室７の外側にも設けることができる。

図４は、機関が作動している時に起こり得るようなセンサの状態を示している。油は、クランク軸及び連接棒のような動く部分により分配される。それにより油溜め従ってセンサ内のレベルも低下する。レベル変化により測定室４内に生じる圧力変動は、測定室４の外側で蓋の近くにある排気口１１により平衡せしめられる。測定室４の前にある室６には、なるべく泡のない油のみが存在する。油が流入兼流出口８を通って入口室７へ続いて流入すると、室６から泡のない油が測定室４へ更に押し込まれる。特に室６を包囲する壁の高さ及び長さの設計によりこの室６の収容能力が測定室４の収容能力より大きいことによって、起こり得るあらゆるレベル変化の場合、泡のない油のみが測定室４内にあるようにすることができる。超音波送受信器５から送出されて校正反射体１２又は測定室４内にある油の表面で反射される超音波信号の伝搬時間の測定は、従って有利にいつでも誤ることがない。上述した校正反射体１２は、特に測定室４の内側で測定可能な最低レベルより下に形成されている。

図５は、油がセンサ及び機関の油溜めから排出されている状況を示し、これは例えば油交換の際起こる。測定室４及び前にある室６には、泡のない油のみがある。油溜め従ってセンサを新たに満たした後、レベルの測定を直ちに開始することができる。

図６は、図１〜５に類似なセンサを示すが、ここでは室６の外側が蓋２まで延びている。油は入口室７から流入兼流出口８を通って、測定可能な最低流体レベルのすぐ下の高さで室６内へ達する。入口室７、前にある室６及び測定室４にある流入兼流出口８の相対位置は、この実施例では特に任意である。流入兼流出口８の横断面及び数は室４，６，７毎に異なっていてもよく、センサ内の油の流速に影響を及ぼす。排気口１１は室６の外側で蓋２の近くに設けられている。

図７及び８はセンサの別の実施例を示す。各室４，６，７の外側にある流入兼流出口８は、それぞれ底３の近くに設けられている。それは、油の交換の際油スラッジ及び屑のような沈積物が一緒に著しく洗い流されるという利点を持っている。測定室４の方へ順次に続く流入兼流出口８は、互いにできるだけ大きく離れているのがよい。油が測定室４の中まで進まねばならない経路は、センサのこの実施例ではできるだけ長い。しかし油は、室６，７へ入る際、一部が時計方向にまた一部が反時計方向に、次の室６，７の流入兼流出口８へ向かって流れることができる。

室６，７における油の滞在期間は、図９に示すように、隔離装置９の導入により長くすることができる。入口室７にある隔離装置９は流入兼流出口８の右にある。それにより入口室７内では、次の室６への流れ方向は時計方向に規定されている。次の室６にある隔離装置９は、流入兼流出口８に左にある。従ってこの室６内では流れ方向は反時計方向に規定されている。流入兼流出口８及び隔離装置９が、平面図において狭い角度範囲にあり、順次に続く２つの室６，７の隔離装置９が、交互にそれぞれの流入兼流出口８の一度は左にまた一度は右にあることによって、この例では、油が入口室７への流入から測定室４への流入までに必要とする時間は最も長い。隔離装置９及び流入兼流出口８の配置は、もちろん実施例毎に変っていてもよい。例えば隔離装置９は、室６，７内で一方の壁から他方の壁へ延びる隔離橋絡片９によって実現することができる。隔離装置９は、特に可能な最高レベルより高くなければならない。隔離装置９は、底３から蓋２まで延びているのがよい。１つの室６，７内に少なくとも１つの中間橋絡片１４を設けることによっても、流速に影響を及ぼすことができる。中間橋絡片１４の高さについても、隔離橋絡片９と同じことが当てはまる。しかし隔離橋絡片９とは異なり、中間橋絡片１４は油を通す。そのため中間橋絡片１４には、なるべく底の近くに中間口１３が設けられている。室６，７当たり中間橋絡片１４の数と中間口１３の断面及び数は、必要に応じて変えることができる。図９では、入口室７に２つの中間橋絡片１４が設けられ、室６には１つの中間橋絡片１４が設けられている。室４，６，７へ及びこれからの油の及び中間口１３は、ここでは１つの面にある、しかしこれは強制的ではない。

図１０では、順次に続く入口室７及び室６の外側が少なくとも１個所で、ここでは周囲の僅かな部分で接触していることによって、隔離装置９が入口室７に形成される。それによっても入口室７における流れ方向が規定される。室６内において、この室への入口８の左の近くに隔離橋絡片９が設けられている。室６への入口８は、入口室７又は測定室４への入口８の面になくてもよい。

図１１は、方形断面を持つセンサの平面図を示す。入口室７は測定室４の周りに設けられ、室６は少なくとも部分的に測定室４の前又は周りに設けられている。

上述した多室超音波センサは、センサ内の油の鎮静化及び泡のない測定室を保証する。

本発明は、前の説明により、本発明の原理及びその実際の使用をできるだけよく説明するように開示された。しかし本発明は、適当な変更で、多数の他の実施形態及び組合わせで実現されることは当然である。

１ ハウジング
２ 蓋
３ 底
４ 測定室
５ 超音波送受信器
６ 室
７ 入口室
８ 液体用流入兼流出口
９ 隔離装置
１０ ハウジング排気口
１１ 排気口
１２ 校正反射体
１３ 中間口
１４ 中間橋絡片

Claims (17)

1. 液体レベルを求めるための超音波センサであって、
   長く延びるハウジング（１）が蓋（２）及び底（３）を持ち、
   ハウジング（１）内に設けられる測定室（４）内の液体が、測定室（４）外の液体と同じレベルを持ち、
   超音波送受信器（５）が、ハウジング（１）内又は外で測定室（４）の範囲にある底（３）に設けられ、超音波送受信器から送信される音波信号が、液体の表面で反射し、超音波送受信器（５）により受信されて、信号伝搬時間から液体レベルを求め、
   ハウジング（１）内で測定室（４）の横に、少なくとも１つの別の室（６，７）が、少なくとも部分的に測定室（４）の前又は少なくとも部分的に測定室（４）の周りに設けられ、最も外側の室が入口室（７）を形成し、これらの室（４，６，７）が互いに接続されているものにおいて、
   少なくとも１つの室（６，７）が測定室（４）の周り又は前に設けられ、少なくとも１つの室（４，６，７）内に隔離装置（９）が設けられて、それぞれ液体用流入兼流出口（８）を通って１つの室（４，６，７）から次の室（４，６，７）へ至る経路上で液体の流れ方向を規定する
   ことを特徴とする、超音波センサ。
2. 入口室（７）及び測定室（４）が側方に、それぞれハウジング（１）の底（３）に近い高さに、液体用流入兼流出口（８）を持っていることを特徴とする、請求項１に記載の超音波センサ。
3. 少なくとも１つのハウジング排気口（１０）が、蓋（２）又は蓋（２）に近い高さにある入口室（７）の外側に設けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の超音波センサ。
4. 少なくとも測定室（４）の範囲で蓋（２）が閉じられていることを特徴とする、請求項１〜３の１つに記載の超音波センサ。
5. 測定室（４）が、蓋（２）に近い高さの所で外側に、測定可能な最高液体レベルより上に少なくとも１つの排気口（１１）を持っていることを特徴とする、請求項１〜４の１つに記載の超音波センサ。
6. 測定室（４）内に、可能な最低液体レベルより下に、校正反射体（１２）が設けられ、液体の表面と校正反射体（１２）で反射される信号の伝搬時間比から、液体レベルが求められることを特徴とする、請求項１〜５の１つに記載の超音波センサ。
7. 少なくとも１つの室（４，６，７）の横断面が円形又は方形であることを特徴とする、請求項１〜６の１つに記載の超音波センサ。
8. 入口室（７）と測定室（４）との間に設けられる室（６）の外側が壁として形成され、これらの壁が、底（３）から最高でも測定可能な最低液体レベルのすぐ下の高さまで延びていることを特徴とする、請求項１〜７の１つに記載の超音波センサ。
9. 入口室（７）と測定室（４）との間に設けられる室（６）の外側が底（３）から蓋（２）まで延び、この室（６）の外側で蓋（２）の近くに、少なくとも１つの排気口（１１）が設けられ、測定室（４）に最も近い室（６）の外側に、底（３）と蓋（２）との間で測定可能な最低液体レベルより下の高さに、少なくとも１つの液体用流入兼流出口（８）が設けられていることを特徴とする、請求項１〜７の１つに記載の超音波センサ。
10. 入口室（７）と測定室（４）との間に設けられている複数の室（６）の外側が、底（３）から少なくとも測定可能な最高液体レベルより上の高さまで延びる壁として形成され、これらの室（６）の外側が、ハウジング（１）の底（３）に近い高さの所に、それぞれ１つの液体用流入兼流出口（８）を持っていることを特徴とする、請求項１〜７の１つに記載の超音波センサ。
11. 測定室（４）の方へ順次に続く液体用流入兼流出口（８）が互いにできるだけ大きく離れて位置するように、これらの流入兼流出口（８）が設けられていることを特徴とする、請求項１０に記載の超音波センサ。
12. 入口室（７）と測定室（４）との間に設けられる複数の室（６）の外側が、底（３）まで延び、これらの室（６）の外側が、ハウジング（１）の底（３）に近い高さの所にそれぞれ１つの液体用流入兼流出口（８）を持ち、蓋（２）の近くに排気口（１１）を持っていることを特徴とする、請求項１〜７の１つに記載の超音波センサ。
13. 測定室（４）の方へ順次に続く液体用流入兼流出口（８）が互いにできるだけ大きく離れて位置するように、これらの流入兼流出口（８）が設けられていることを特徴とする、請求項１２に記載の超音波センサ。
14. 隔離装置（９）が隔離橋絡片により実現されていることを特徴とする、請求項１に記載の超音波センサ。
15. 順次に続く２つの室（４，６，７）の外側が少なくとも１個所で接触することにより、隔離装置（９）が実現されていることを特徴とする、請求項１に記載の超音波センサ。
16. 各室（６，７）が少なくとも１つの中間橋絡片（１４）を持ち、ハウジング（１）の底（３）に近い高さの所でこの中間橋絡片（９）に、液体の流入兼流出用中間口（１３）が設けられていることを特徴とする、請求項１又は１４又は１５に記載の超音波センサ。
17. 隔離装置（９）及び中間橋絡片（１４）が測定可能な最高液体レベルより高いことを特徴とする、請求項１又は１４又は１５又は１６に記載の超音波センサ。

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