WO2019105774A1

WO2019105774A1 - Ultraschallsensor, tankeinbaueinheit mit einem ultraschallsensor

Info

Publication number: WO2019105774A1
Application number: PCT/EP2018/081666
Authority: WO
Inventors: Ewgenij Landes; Steffen Schott
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2017-11-28
Filing date: 2018-11-19
Publication date: 2019-06-06
Also published as: DE102017221261A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor (1) zur Messung einer Signallaufzeit in einer Flüssigkeit, insbesondere in einer wässrigen Harnstofflösung, zur Bestimmung der Qualität der Flüssigkeit, umfassend eine Sensoreinheit (2) mit einem Ultraschallerzeuger und einem Ultraschallempfänger, ferner umfassend einen in einem Abstand zur Sensoreinheit (2) angeordneten Reflektor (3), der gemeinsam mit der Sensoreinheit (2) eine Messstrecke (4) definiert. Erfindungsgemäß weist der Reflektor (3) mindestens einen Tragarm(5) zur Verbindung mit der Sensoreinheit (2) und/oder mit einem Gehäuseteil (6, 7) auf, in dem die Sensoreinheit lagefest aufgenommen ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Tankeinbaueinheit (9) mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallsensor (1).

Description

Beschreibung

Titel:

Ultraschallsensor, Tankeinbaueinheit mit einem Ultraschallsensor

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor mit den Merkmalen des Oberbe griffs des Anspruchs 1. Der Ultraschallsensor dient der Messung einer Signal laufzeit in einer Flüssigkeit zur Bestimmung der Qualität der Flüssigkeit. Die Er findung betrifft ferner eine Tankeinbaueinheit mit einem erfindungsgemäßen Ult raschallsensor.

Bei der Flüssigkeit, deren Qualität es zu bestimmen gilt, kann es sich insbeson dere um eine wässrige Harnstofflösung zur Nachbehandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine handeln.

Die wässrige Harnstofflösung bewirkt im Abgas die Bildung von Ammoniak, der mit den im Abgas enthaltenen Stickoxiden in einem nachgeschalteten Katalysa tor zu harmlosem Stickstoff und Wasser reagiert G, selektive katalytische Redukti on“). Auf diese Weise kann der Stickoxidausstoß der Brennkraftmaschine deut lich gesenkt werden. Voraussetzung ist, dass die Qualität der wässrigen Harn stofflösung, insbesondere der Harnstoffgehalt in der Harnstofflösung stimmt. Die Qualität bzw. der Harnstoffgehalt werden daher in der Regel überwacht. Hierin ist die bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors zu se hen.

Stand der Technik

Aus der DE 10 2013 217 927 Al ist eine Tankeinbaueinheit für einen Tank zur Bevorratung eines Betriebs- /Hilfsstoffs, insbesondere einer wässrigen Harnstoff lösung, bekannt, die über eine Zwischen- Plattform mit dem Tank verbindbar ist. Die Zwischen- Plattform kann einen Qualitätssensor, beispielsweise in Form ei nes Ultraschallsensors, umfassen. Dieser kann entweder direkt auf eine entspre- chende Schnitstelle mit einer elektrischen Kontaktierung aufgebracht, so zum Beispiel geschweißt, geklebt, geschraubt, verrastet oder eingepresst, oder direkt in das Material der Zwischen- Plattform integriert werden.

Wird ein Ultraschallsensor als Qualitätssensor verwendet, weist dieser üblicher weise eine Sensoreinheit mit einem Ultraschallerzeuger und einem Ultraschall empfänger sowie mit mindestens einem Reflektor auf. Aufgabe des Reflektors ist es, ein vom Ultraschallerzeuger erzeugtes Signal auf den Ultraschallempfänger zurückzuwerfen, wobei die Laufzeit des Signals durch den Betriebs-/Hilfsstoff bzw. die wässrige Harnstofflösung hindurch gemessen wird. Die Messung lässt dann Rückschlüsse auf die Dichte der wässrigen Harnstofflösung und damit auf den Harnstoffgehalt zu. Bei Bedarf kann die Dosierung angepasst oder - im Fall einer unzulässigen Harnstoffmenge - eine Fehlermeldung angezeigt werden. Auf diese Weise ist eine gleichbleibende Stickoxid- Reduktion bzw. im Fehlerfall eine rechtzeitige Fehlermeldung sichergestellt.

Um eine hohe Messgenauigkeit zu erzielen, muss die Signallaufzeit bei gleich bleibender Messstrecke gemessen werden. Diese ist jedoch nicht immer gewähr leistet, da insbesondere temperaturbedingte Längenänderungen die Messtrecke beeinflussen können. Weiterhin können mechanische Belastungen auf Dauer zu Verformungen, Verschiebungen, Verdrehungen und/oder Verwindungen führen, die den Abstand und/oder die Ausrichtung des Reflektors in Bezug auf den Ultra schallerzeuger bzw. den Ultraschallempfänger verändern.

Aus der DE 10 2013 219 643 Al ist ein Ultraschallsensor zur Laufzeitmessung in einer Flüssigkeit, insbesondere in einer wässrigen Harnstofflösung, bekannt, der zur Erhöhung der Messgenauigkeit einen Sender/Empfänger sowie einen ersten und zweiten Reflektor umfasst. Die Anordnung der beiden Reflektoren erfolgt in unterschiedlichen Abständen zum Sender/Empfänger, so dass sich unterschied liche Laufzeiten ergeben, deren Differenz als Referenz dienen kann. Die beiden Reflektoren sind zudem jeweils in der Form eines Zylinders ausgebildet und vor zugsweise stehend angeordnet, so dass die Winkelausrichtung der Reflektoren keinen Einfluss mehr auf die Messung, da der geometrische Reflektionsbereich aus jedem Winkel der Anstrahlung identisch ist. Durch die Form und Ausrichtung der Reflektoren sinkt zudem die Gefahr, dass sich Schmutzpartikel und/oder Luftblasen anlagern und die Messgenauigkeit beeinträchtigen. Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorlie genden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallsensor zur Messung einer Signallaufzeit in einer Flüssigkeit, insbesondere in einer wässrigen Harn stofflösung, zur Bestimmung der Qualität der Flüssigkeit anzugeben, der gegen über thermischen und/oder mechanischen Belastungen besonders robust ist. Auf diese Weise soll ein Ultraschallsensor geschaffen werden, der über Lebensdauer eine hohe Messgenauigkeit besitzt.

Zur Lösung der Aufgabe werden der Ultraschallsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Tankeinbaueinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 14 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.

Offenbarung der Erfindung

Der vorgeschlagene Ultraschallsensor zur Messung einer Signallaufzeit in einer Flüssigkeit, insbesondere in einer wässrigen Harnstofflösung, zur Bestimmung der Qualität der Flüssigkeit, umfasst eine Sensoreinheit mit einem Ultraschaller zeuger und einem Ultraschallempfänger. Ferner umfasst der Ultraschallsensor einen in einem Abstand zur Sensoreinheit angeordneten Reflektor, der gemein sam mit der Sensoreinheit eine Messstrecke definiert. Erfindungsgemäß weist der Reflektor mindestens einen Tragarm zur Verbindung mit der Sensoreinheit und/oder mit einem Gehäuseteil auf, in dem die Sensoreinheit lagefest aufge nommen ist.

Der Tragarm ermöglicht eine Anbindung des Reflektors unmittelbar an oder zu mindest in unmittelbarer Nähe zur Sensoreinheit, während der Reflektor selbst in einem deutlich größeren Abstand zur Sensoreinheit angeordnet ist, um die Messstrecke zu definieren. Durch die Verlagerung der Reflektoranbindung näher an die Sensoreinheit, verringert sich der Einfluss thermisch bedingter Längenän derungen auf den Abstand des Reflektors zur Sensoreinheit und damit auf die Messstrecke. Folglich steigt die Messgenauigkeit des Ultraschallsensors. Zwar unterliegt auch der Tragarm thermisch bedingten Längenänderungen, diese sind jedoch vorrangig linear und daher bestimmbar bzw. bekannt. Der Messwert kann demnach entsprechend korrigiert werden.

Der Tragarm zur Anbindung des Reflektors erstreckt sich vorzugsweise im We sentlichen parallel zur Messstrecke. Thermisch bedingte Längenänderungen des Tragarms wirken sich somit nicht auf die Ausrichtung des Reflektors in Bezug auf die Sensoreinheit aus.

Ferner wird vorgeschlagen, dass der Tragarm außerhalb der Messstrecke ange ordnet ist. Auf diese Weise kann die Gefahr verringert werden, dass die durchzu führende Messung der Signallaufzeit durch unerwünschte Reflexionen der Ultra schallwellen am Tragarm verfälscht wird.

Bevorzugt ist der Tragarm einteilig mit dem Reflektor ausgebildet, so dass Rela tivbewegungen des Reflektors gegenüber dem Tragarm ausgeschlossen werden können. Denn könnten ebenfalls zu einer Veränderung der Messstrecke führen und damit das Messergebnis beeinflussen.

Weiterhin bevorzugt ist der Tragarm aus dem gleichen Werkstoff wie der Reflek tor ausgebildet, so dass der Werkstoff des Tragarms und der des Reflektors den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Der Werkstoff kann insbe sondere ein Metall, wie beispielsweise Stahl oder Edelstahl, oder eine Keramik sein. Diese Werkstoffe verändern ihr Verhalten unter thermischer und/oder me chanischer Belastung auch auf Dauer nicht oder nur sehr gering, so dass ihr Verhalten berechenbar bleibt, um etwaige Korrekturen vorzunehmen. Somit wird eine hohe Messgenauigkeit des Ultraschallsensors über seine gesamte Lebens dauer erreicht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Reflektor kreis förmig ausgeführt und weist mehrere Tragarme auf, die vorzugsweise in glei chem Winkelabstand zueinander und radial außen in Bezug auf den Reflektor angeordnet sind. Auf diese Weise kann eine optimale Abstützung des Reflektors bewirkt werden, so dass die mechanische Belastbarkeit des Ultraschallsensors steigt. Soll der Ultraschallsensor der Bestimmung des Harnstoffgehalts einer wässrigen Harnstofflösung in einem Tank an Bord eines Kraftfahrzeugs dienen, kann auf diese Weise ferner die Eisdruckfestigkeit des Ultraschallsensors gestei gert werden. Denn bei Temperaturen unter -11°C gefriert die wässrige Harnstoff lösung.

Weist der Reflektor eine von der Kreisform abweichende Form auf, beispielswei se die Form einer Ellipse oder eines Mehrecks auf, werden im Fall mehrerer Tragarme diese ebenfalls bevorzugt jeweils außenseitig am Reflektor angeord net. Auf diese Weise können sich zwei Tragarme am Reflektor gegenüberliegen, um diesen optimal zu stützen.

Der Reflektor ist vorzugsweise ausschließlich über den einen Tragarm bzw. die mehreren Tragarme gehalten, so dass thermisch bedingte Längenänderungen des Tragarms bzw. der Tragarme zwängungsfrei möglich sind. Dadurch ist si chergestellt, dass die Ausrichtung des Reflektors in Bezug auf die Sensoreinheit weitgehend unverändert bleibt.

Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der Reflektor eine eben, sphärisch oder parabolisch geformte Reflektorfläche aufweist. Die eben ausgeführte Re flektorfläche besitzt den Vorteil, dass sie vergleichsweise einfach und kosten günstig zu fertigen ist. Die vorgeschlagenen gekrümmten Formen ermöglichen eine Vergrößerung der Reflektorfläche bei gleichbleibendem Außendurchmesser bzw. bei gleich bleibenden Außenabmessungen. Dies ist insbesondere von Vor teil, wenn nicht alle Ultraschallwellen durch den Reflektor zurückgeworfen wer den sollen, sondern ein Teil der Ultraschallwellen den Reflektor seitlich passieren sollen, um beispielsweise eine weitere Messung, insbesondere eine Füllstands messung, durchzuführen. In den einen Ultraschallsensor kann auf diese Weise eine weitere Funktion integriert werden, die einen weiteren Sensor, insbesondere einen separaten Füllstandssensor, entbehrlich macht.

Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der Reflektor eine Öffnung aufweist, die einen Teil der von der Sensoreinheit erzeugten Ultraschallwellen zur Durchführung einer weiteren Messung, insbesondere einer Füllstandsmes sung, hindurch lässt. Die Öffnung kann beispielsweise mittig angeordnet sein, so dass dieser Teil der Ultraschallwellen eine definierte Ausrichtung zur Durchfüh rung der weiteren Messung besitzt. Bevorzugt ist das die Sensoreinheit aufnehmende Gehäuseteil ein Gehäuseteil des Ultraschallsensors oder ein Gehäuseteil einer Tankeinbaueinheit. Sofern es sich um ein Gehäuseteil des Ultraschallsensors handelt, weist dieser ein eigenes Gehäuse auf bzw. bildet eine eigenständige Baugruppe aus. Der Ultra

schallsensor ist in diesem Fall besonders vielseitig einsetzbar. Handelt es sich bei dem Gehäuseteil um ein Gehäuseteil einer Tankeinbaueinheit, benötigt der Ultraschallsensor kein eigenes Gehäuse, so dass der Bauraumbedarf gesenkt werden kann. Alle erforderlichen Anschlüsse können zudem in das Gehäuseteil der Tankeinbaueinheit integriert werden, so dass nur noch die Sensoreinheit und der Reflektor montiert werden müssen. Die Integration des Ultraschallsensors in die Tankeinbaueinheit bietet sich insbesondere für den Anwendungsfall an, in der mit Hilfe des Ultraschallsensors der Harnstoffgehalt einer in einem Tank bevorra teten wässrigen Harnstofflösung bestimmt werden soll. Denn die Tankeinbauein heit kann in diesem Fall zugleich als Träger für weitere Komponenten eines Do siersystems zum Eindosieren der wässrigen Harnstofflösung genutzt werden. Bei diesen weiteren Komponenten kann es sich insbesondere um eine Pumpe, einen Filter und/oder eine Heizvorrichtung handeln.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Ultraschallsensor mit dem Gehäuseteil verbunden ist und das Gehäuseteil - und zwar unabhängig davon, ob es sich hierbei um ein Gehäuseteil des Ultraschallsensors oder einer Tankeinbaueinheit handelt - eine Schnittstelle zur Verbindung mit einem Tank für die Flüssigkeit bzw. die wässrige Harnstofflösung aufweist. Die Schnittstelle ver einfacht die Montage des Ultraschallsensors bzw. der Tankeinbaueinheit. Vor zugsweise ist das Gehäuseteil im Bereich der Schnittstelle mit dem Tank ver schweißbar, so dass über die Schweißverbindung zugleich eine Abdichtung be wirkt wird.

Vorteilhafterweise ist in die Sensoreinheit oder in das Gehäuseteil ein Tempera tursensor integriert. Da die Geschwindigkeit der Ultraschallwellen von der Tem peratur der Flüssigkeit abhängt, können Temperaturveränderungen mittels des Temperatursensors erfasst und auf deren Grundlage eine Anpassung der Kor rekturwerte vorgenommen werden. Dadurch kann die Messgenauigkeit weiter erhöht werden. Des Weiteren bevorzugt bildet der Reflektor eine Heizeinrichtung oder einen mit einer Heizeinrichtung verbundenen Wärmeleitkörper aus. Auf diese Weise kann einem Gefrieren der Flüssigkeit im Bereich des Reflektors entgegengewirkt wer den oder bereits gefrorene Flüssigkeit aufgetaut werden. Sofern der Reflektor selbst eine Heizeinrichtung ausbildet, kann beispielsweise die Wärme mittels In duktion bewirkt werden. Alternativ oder ergänzend kann die Sensoreinheit als Wärmequelle dienen und/oder Wärmequellen umfassen.

Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass der Reflektor und/oder der Tragarm zumindest bereichsweise von einer Schutzwand umgeben ist bzw. sind. Die Schutzwand kann sich insbesondere bogenförmig um den Reflektor und/oder den Tragarm herum erstrecken. Ferner können mehrere Schutzwände um den Reflektor und/oder den Tragarm herum angeordnet sein. Die mindestens eine Schutzwand bewirkt einen Schutz des Ultraschallsensors vor mechanischen Beeinträchtigungen während der Montage und/oder während des Betriebs. Bei spielsweise können durch die Schutzwand Schäden aufgrund Eisdruck oder durch schwimmende Eisblöcke an den für die Messung relevanten Bauteile ver hindert werden.

Die mindestens eine Schutzwand kann durch ein separates Bauteil ausgebildet werden, das am Gehäuseteil des Ultraschallsensors oder der Tankeinbaueinheit befestigt ist. Alternativ kann die Schutzwand einteilig mit dem Gehäuseteil aus gebildet sein. Die einteilige Ausführung besitzt den Vorteil, dass der Montage aufwand sinkt und eine dauerhafte Lagefixierung der Schutzwand gewährleistet ist.

Ist nur eine Schutzwand vorgesehen, ist diese bevorzugt rohrförmig, so dass sie den Reflektor und/oder den mindestens einen Tragarm ganz oder zumindest über einen Winkelbereich von mehr als 180° umschließt. Das heißt, dass die Schutzwand auch als ein Rohr ausgeführt sein kann, das über seine gesamte Länge offen ist. Über den geöffneten Bereich kann bzw. können in einfacher Weise der Reflektor und/oder der Tragarm eingesetzt werden. Darüber hinaus kann über die Öffnung Flüssigkeit in das Rohr einströmen, so dass sichergestellt ist, dass sich eine ausreichende Menge der Flüssigkeit im Bereich der Messstre cke befindet. Wie bereits erwähnt umfasst die Sensoreinheit des Ultraschallsensors einen Ult raschallerzeuger und einen Ultraschallempfänger. Diese können durch ein Bau teil ausgebildet werden oder als getrennte Bauteile ausgeführt werden. Die ein teilige Ausführung verringert den Montageaufwand und den Bauraumbedarf des fertigen Sensors. Die getrennte Ausführung ermöglicht eine Optimierung des Ult raschallsensors im Hinblick auf Empfindlichkeit, Messgenauigkeit und/oder Auf lösung. Als Ultraschallerzeuger/-empfänger kann ein piezoelektrischer Kristall oder eine piezoelektrische Keramik, z. B. Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) verwendet werden, wobei die Keramik einen besonders hohen piezoelektrischen Koeffizien ten aufweist.

Vorzugsweise ist bzw. sind zur Kontaktierung der Sensoreinheit eine Leiterplatte und/oder elektrische Anschlusselemente in das Gehäuseteil integriert. Die elektrischen Anschlusselemente können aus dem Gehäuseteil nach außen ge führt werden, um den erforderlichen elektrischen Anschluss zu realisieren. Bei spielsweise können die elektrischen Anschlusselemente in einem Steckerteil en den, der in einfacher Weise mit einem weiteren Steckerteil eines Stromkabels verbindbar ist. Neben der Stromversorgung ermöglichen die elektrischen An schlusselemente eine Datenverbindung des Ultraschallsensors zu Motor- oder anderen Steuergeräten. Die elektrischen Anschlusselemente können beispiels weise durch Flachsteckerstromschienen gebildet werden.

Um eine dauerhafte Befestigung der elektrischen Bauteile im Gehäuseteil zu be wirken, wird vorgeschlagen, dass die Leiterplatte und/oder die elektrischen An schlusselemente mittels Gießharz im Gehäuseteil lagefixiert ist bzw. sind. Über das Gießharz kann zugleich eine Abdichtung gegenüber der Flüssigkeit und da mit eine Isolierung der elektrischen Bauteile erreicht werden. Alternativ oder er gänzend zum Gießharz kann eine Abdichtung mittels eines aufgeschweißten De ckels bewirkt werden.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die im Gehäuseteil aufgenommene Sensorein heit in Gießharz eingebettet ist und/oder durch eine Membran von der Flüssigkeit getrennt ist. Auf diese Weise wird auch eine Abdichtung der Sensoreinheit ge genüber der Flüssigkeit erreicht. In Richtung des Reflektors wird eine Abdichtung mittels einer Membran bevorzugt, die derart ausgebildet ist, dass sie zwar fluid dicht ist, aber Ultraschallsignale weiterleitet. Zur Optimierung der Signalübertra- gung sollten Luftspalte zwischen der Sensoreinheit und der Membran vermieden werden. Zur Signaldämpfung in die andere Richtung kann die Sensoreinheit auf einem Dämpfungselement aufliegen. Als Dämpfungselement kann beispielswei se ein einfaches Schau mstoffpad dienen. Die Sensoreinheit und das Dämp fungselement werden in das Gehäuseteil eingesetzt und vorzugsweise anschlie ßend mit Gießharz vergossen.

Der vorgeschlagene Ultraschallsensor ermöglicht die Messung einer Signallauf zeit in einer Flüssigkeit, wobei eine Laufzeitveränderung unter Berücksichtigung der Temperatur auf eine Dichteveränderung schließen lässt. Handelt es sich bei der Flüssigkeit um eine wässrige Harnstofflösung, kann aus der Dichteverände rung auf eine veränderte Harnstoffkonzentration geschlossen werden, so dass sich mittels des Ultraschallsensors die Qualität der wässrigen Harnstofflösung ermitteln lässt. Der Ultraschallsensor kann demnach vereinfacht auch als Quali tätssensor bezeichnet werden.

Durch die feste Anbindung des Reflektors des Ultraschallsensors über den min destens einen Tragarm an die Sensoreinheit bzw. das die Sensoreinheit auf nehmende Gehäuseteil können die negativen Auswirkungen thermisch bedingter Längenänderungen auf die Messgenauigkeit reduziert werden. Denn zum einen kann die Anbindung des Reflektors mittels des mindestens einen Tragarms un mittelbar am oder in unmittelbarer Nähe zur Sensoreinheit erfolgen, so dass im Wesentlichen nur die Längenänderung des Reflektors einschließlich Tragarm zu berücksichtigen ist. Da sich der mindestens eine Tragarm und der Reflektor un gehindert, insbesondere zwängungsfrei, ausdehnen können, bleibt die Ausrich tung des Reflektors in Bezug auf die Sensoreinheit im Wesentlichen gleich. Fer ner können Korrekturwerte für die Längenänderungen berechnet und in die Messwerte mit einfließen. Beispielsweise können die Längenänderungen bereits bei der Programmierung der Sensorkennlinie berücksichtigt werden und so einen großen Beitrag zur Sensorgenauigkeit beisteuern.

Auch die Membran, die Sensoreinheit und/oder das Gehäuseteil unterliegen thermisch bedingten Längenänderungen. Diese sind jedoch aufgrund geringerer Abmessungen - insbesondere in Signalsende- und Signalempfangsrichtung - weniger stark ausgeprägt. Ferner lassen auch diese sich bei der Kennlinienpro grammierung berücksichtigen. Der vorgeschlagene Ultraschallsensor wird vorzugsweise zusammen mit weite ren Komponenten in einen Tank zur Bevorratung der Flüssigkeit eingebaut. Um die Montage zu vereinfachen und die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen, kann der Ult raschallsensor zusammen mit den weiteren Komponenten in eine Tankeinbau einheit integriert werden.

Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird daher ferner eine Tankein baueinheit mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallsensor vorgeschlagen. Bei dieser Tankeinbaueinheit ist vorzugsweise der Ultraschallsensor gemeinsam mit einer Pumpe, einem Filter und/oder einer Heizvorrichtung auf einer Plattform der Tankeinbaueinheit angeordnet. Die Plattform ermöglicht eine kompakte platzspa rende Anordnung der verschiedenen Komponenten. Idealerweise wird die Platt form bei der Montage von unten an eine Öffnung im Tankboden angesetzt, so dass die auf der Plattform angeordneten Komponenten im Tank zu liegen kom men. Bevorzugt weist die Tankeinbaueinheit eine Schnittstelle zur Verbindung, vorzugsweise zur Verschweißung, mit dem Tank auf, so dass zugleich eine Ab dichtung erzielt wird.

Der Ultraschallsensor wird vorzugsweise derart auf der Plattform angeordnet bzw. in die Tankeinbaueinheit integriert, dass die Messtrecke im Wesentlichen parallel zur Plattform der Tankeinbaueinheit verläuft. Dadurch ist sichergestellt, dass der Ultraschallsensor auch bei niedrigem Füllstand stets von Flüssigkeit bedeckt ist.

Mittels der vorzugsweise ferner vorgesehenen Pumpe kann die Flüssigkeit aus dem Tank zu einem Dosiermodul gefördert werden. Handelt es sich bei der Flüs sigkeit um eine wässrige Harnstofflösung, kann mit Hilfe des Dosiermoduls die wässrige Harnstofflösung in einen Abgasstrang eindosiert werden. Der Filter, so fern vorgesehen, verhindert, dass unerwünschte Partikel mit ausgetragen wer den. Mit Hilfe der Heizvorrichtung kann ein Gefrieren der Flüssigkeit bzw. der wässrigen Harnstofflösung verhindert oder bereits gefrorene Flüssigkeit bzw. ge frorene wässrige Harnstofflösung wieder aufgetaut werden.

Darüber hinaus kann die Tankeinbaueinheit weitere Komponenten, insbesondere weitere Sensoren, wie beispielsweise einen Füllstandssensor, einen Tempera- tursensor und/oder einen Drucksensor umfassen. Ferner kann die Tankeinbau einheit elektrische und/oder hydraulische Anschlüsse aufweisen. Bevorzugt sind Wärmeleitelemente vorhanden, um eine optimale Verteilung der Wärme der Heizvorrichtung im Tank zu erzielen. Die Aufzählung der möglichen weiteren Komponenten ist nicht abschließend.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Ultraschallsensors der Fig. 1, je doch ohne Schutzwand,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ultra schallsensors gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform,

Fig. 4 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform,

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung des Ultraschallsensors der Fig. 4,

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Tankeinbau einheit,

Fig. 7 eine Schnittansicht der Tankeinbaueinheit der Fig. 6 und

Fig. 8 eine vergrößerte Schnittansicht der Tankeinbaueinheit der Fig. 6.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Der in der Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Ultraschallsensor 1 umfasst ein Gehäuseteil 6, mit einer bodenseitigen Öffnung, in die eine Sensoreinheit 2 mit einem Ultraschallerzeuger und einem Ultraschallempfänger in der Weise einge setzt ist, dass diese an einer Membran 17 zu liegen kommen. Über die Memb- ran 17 werden die mitels der Sensoreinheit 2 erzeugten Ultraschallsignale nach außen in Richtung eines Reflektors 3 weitergeleitet, der in einem Abstand zur Sensoreinheit 2 angeordnet und mitels eines Tragarms 5 am Gehäuseteil 6 be festigt ist. Der Tragarm 5 weist an seinem dem Reflektor 3 abgewandten Ende ein ringförmiges Verbindungselement 23 auf, das die Membran 17 hintergreift.

Die Anbindung des Tragarms 5 und damit des Reflektors 3 an das Gehäuseteil 6 erfolgt somit in unmitelbarer Nähe zur Sensoreinheit 2. Auf diese Weise kann der Einfluss thermisch bedingter Längenänderungen auf die mitels des Ultra schallsensors 1 durchgeführten Messungen deutlich reduziert werden. Das heißt, dass eine durch den Abstand des Reflektors 3 zur Sensoreinheit 2 vorgegebene Messstrecke 4 nur eine geringe Veränderung erfährt, so dass die Messung der Signallaufzeit eine höhere Genauigkeit aufweist.

Zum Schutz vor mechanischen Beeinträchtigungen sind der Reflektor 3 und der Tragarm 5 von einer bogenförmig verlaufenden Schutzwand 12 umgeben, die durch das Gehäuseteil 6 ausgebildet wird. Im Wesentlichen konzentrisch zur Schutzwand 12 weist das Gehäuseteil 6 eine an einem umlaufenden Kragen ausgebildete Schnitstelle 10 zur Verbindung mit einem Tank (nicht dargestellt) für die Flüssigkeit auf. Über die Schnitstelle 10 kann der Ultraschallsensor 1 mit dem Tank verschweißt werden. Der Ultraschallsensor 1 wird hierzu durch eine bodenseitige Öffnung des Tanks in den Tank eingeführt bis die Schnitstelle au ßen zur Anlage am Tank gelangt und mit diesem verschweißt werden kann. Über die Schweißverbindung wird zugleich eine Abdichtung erreicht. Dies setzt jedoch voraus, dass das Gehäuseteil 6 und der Tank aus miteinander verschweißbaren Werkstoffen gefertigt sind. Vorzugsweise bestehen sowohl das Gehäuseteil 6 und der Tank aus Kunststoff.

An das Gehäuseteil 6 des Ultraschallsensors 1 der Fig. 1 ist ferner ein Stecker teil 22 angeformt, das - wie im vorliegenden Fall - aus einem anderen Kunststoff als das Gehäuseteil 6 gefertigt sein kann. Zwischen dem Steckerteil 22 und dem Gehäuseteil 6 ist zudem eine Kapillarsperre 28 angeordnet, um bei einer Undich tigkeit zum Tankinneren ein an den Ultraschallsensor 1 angeschlossenes Steu ergerät (nicht dargestellt) vor Beschädigungen zu schützen.

In das Steckerteil 22 ragen elektrische Anschlusselemente 14 hinein, die am an deren Ende mit einer Leiterplate 13 elektrisch leitend verbunden sind. Die Lei- terplate 13 ist unterhalb der Sensoreinheit 2 angeordnet, das heißt, dass sie nach der Sensoreinheit 2 in die bodenseitige Öffnung des Gehäuseteils 6 einge setzt wurde. Nach dem Einsetzen der Sensoreinheit 2 wurde bei dem dargestell ten Ultraschallsensor 1 zunächst ein Dämpfungselement 24 eingelegt, das eine Signaldämpfung nach unten bewirken soll. Sensoreinheit 2 und Dämpfungsele ment 24 wurden anschließend mit einem ersten Gießharz 16 vergossen. Um Luf teinschlüsse zu vermeiden, wurde vor der Montage der Sensoreinheit 2 bereits eine kleine Gießharzmenge in die Öffnung des Gehäuseteils 6 eingegossen. Da nach wurde die Leiterplatte 13 einschließlich der elektrischen Anschlusselemen te 14 in das Gehäuseteil 6 eingesetzt und mit einem zweiten Gießharz 15 ver gossen. Auf diese Weise sind sämtliche elektrischen bzw. elektronischen Bautei le gegenüber der äußeren Umgebung abgedichtet und zudem im Gehäuseteil 6 lagefixiert aufgenommen. Dies gilt auch in Bezug auf einen Temperatur sensor 11, der in das Gehäuseteil 6 integriert ist und ebenfalls mit vergossen wird. Eine Abdichtung zum Tankinneren wird über das Gehäuseteil 6 und/oder die Membran 17 erreicht. Dadurch ist sichergestellt, dass das Gießharz nicht in Kontakt mit der wässrigen Harnstofflösung gelangt.

Alternativ zu den vorstehend beschriebenen Montageschritten können die Sen soreinheit 2, das Dämpfungselement 24 und/oder die Leiterplatte 13 auch vor montiert und als vormontierte Einheit in das Gehäuseteil 6 eingesetzt und an schließend vergossen werden. Das Vergießen kann durch vorgesehene Löcher oder Aussparungen in der Leiterplatte 13 oder seitlich an der Leiterplatte 13 vor bei erfolgen.

In der Fig. 2 ist der Ultraschallsensor 1 ohne Schutzwand 12 dargestellt, um die Membran 17 zu zeigen. Im Abstand zur Membran 17 wird der Reflektor 3 über den Tragarm 5 gehalten, der parallel zur Messstrecke 4 verläuft (siehe auch Fig. 1) und die Membran 17 mittels eines ringförmigen Verbindungselements 23 hin tergreift. Das Verbindungselement 23 kann sowohl beim Spritzprozess mit einge legt werden, als auch danach montiert und befestigt werden. Die der Memb ran 17 zugewandte Fläche des Reflektors 3 ist etwa gleich groß wie die der Membran 17, so dass die mittels der Sensoreinheit 2 erzeugten und über die Membran 17 weitergeleiteten Ultraschallsignale fast vollständig zurückgeworfen werden. Sollen die Ultraschallsignale einem weiteren Zweck dienen, beispiels weise zur Füllstandsmessung eingesetzt werden, kann die Fläche des Reflek- tors 3 auch kleiner als die der Membran 17 bzw. der dahinterliegenden Sen soreinheit 2 gewählt werden, so dass ein Teil der Ultraschallsignale den Reflek tor 3 seitlich passieren kann und ggf. erst an der Grenzschicht zwischen der Flüssigkeit und der im Tank vorhandenen Luft reflektiert wird. Auf diese Weise kann der Füllstand im Tank detektiert werden. Ein separater Füllstandssensor ist dann entbehrlich. Anstelle die Fläche des Reflektors 3 zu verkleinern, kann die ser aber auch eine Öffnung 8 aufweisen, wie beispielhaft in der Fig. 3 dargestellt, so dass ein Teil der Ultraschallsignale durch den Reflektor 3 hindurch gelangen kann.

Der Fig. 4 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemä ßen Ultraschallsensors 1 zu entnehmen. Zur Optimierung der mechanischen Be lastbarkeit ist der Reflektor 3 über zwei Tragarme 5 in einem Abstand zur Memb ran 17 bzw. zur Sensoreinheit 2 gehalten. Die Tragarme 5 sind auf gegenüber liegenden Seiten des Reflektors 3 angeordnet, so dass dieser optimal abgestützt ist. Dadurch ist sichergestellt, dass die Ausrichtung des Reflektors 3 in Bezug auf die Membran 17 bzw. die Sensoreinheit 2 über die Lebensdauer im Wesentlichen unverändert bleibt. Der Reflektor 3 weist zudem eine Öffnung 8 auf, so dass der Ultraschallsensor 1 sowohl als Qualitätssensor als auch als Füllstandssensor einsetzbar ist. Die Öffnung 8 ist jedoch nicht zwingend erforderlich, wenn die Funktion der Füllstandsmessung nicht erwünscht ist. Der gleiche Ultra schallsensor 1 ohne Öffnung 8 ist in der Fig. 5 dargestellt.

Da die sich gegenüberliegenden Tragarme 5 selbst bereits eine Art Schutzwand ausbilden, ist in den Ausführungsbeispielen der Figuren 4 und 5 die eigentliche Schutzwand 12 auf zwei leicht gebogene Schutzwände 12 beschränkt, die zwi schen den Tragarmen 5 angeordnet sind. Abstände zwischen den Schutzwän den 12 und den Tragarmen 5 stellen sicher, dass die im Tank bevorratetet Flüs sigkeit in den Bereich der Messstrecke 4 gelangt.

Die in den Figuren 1 bis 5 dargestellten Ultraschallsensoren 1 stellen jeweils Stand-Alone-Lösungen dar. Darüber hinaus ist es möglich den erfindungsgemä ßen Ultraschallsensor 1 in eine Tankeinbaueinheit 9 zu integrieren. Der Ultra schallsensor 1 weist in diesem Fall kein eigenes Gehäuseteil 6 auf, sondern ist in einem Gehäuseteil 7 der Tankeinbaueinheit 9 aufgenommen. Die Integration ei nes Stand-Alone-Sensors in die Tankeinbaueinheit 9 kann beispielsweise durch Verschweißen erfolgen. In diesem Fall kann das Steckerteil 22 entfallen und die elektrische Kontaktierung kann über eine in die Tankeinbaueinheit 9 integrierte elektrische Schnittstelle erfolgen, welche nach der Montage aufgrund der Ver schweißung abgedichtet ist.

Wie beispielhaft in der Fig. 6 dargestellt, kann das Gehäuseteil 7 der Tankein baueinheit 9 eine Plattform 21 ausbilden, auf welcher der Ultraschallsensor 1 gemeinsam mit weiteren Komponenten angeordnet ist. Das Gehäuseteil 7 kann im Bereich einer bodenseitigen Öffnung des Tanks (nicht dargestellt) derart an den Tankboden eingesetzt werden, dass alle Komponenten im Tank zu liegen kommen und das Gehäuseteil 7 über eine Schnittstelle 10 mit dem Tank verbun den, insbesondere verschweißt, werden kann. Vorliegend sind gemeinsam mit dem Ultraschallsensor 1 eine Pumpe 18, ein Filter 19 und eine Heizvorrich tung 20 auf der Plattform 21 angeordnet. Über ein Steckerteil 22, das seitlich an das Gehäuseteil 7 angeformt ist, ist der erforderliche elektrische Anschluss des Ultraschallsensors 1 herstellbar. Die Pumpe 18 weist ein eigenes Steckerteil 22 auf.

Bei der in der Fig. 6 dargestellten Tankeinbaueinheit 9 ist der Ultraschallsensor 1 in der Weise ausgerichtet, dass die Messstrecke 4 parallel zur Plattform 21 ver läuft. Wie ferner der Fig. 7 zu entnehmen ist, ist der Reflektor 3 über einen paral lel zur Plattform 21 verlaufenden Tragarm 5 an das Gehäuseteil 7 der Tankein baueinheit 9 angebunden. Der Tragarm 5 weist hierzu ein Verbindungsele ment 23 auf, das fest im Gehäuseteil 7 verankert ist (siehe auch Fig. 8). Die Ver ankerung über das Verbindungselement 23 stellt die einzige Fixierung des Tragarms 5 und des Reflektors 3 dar, so dass sich diese in Längsrichtung unge hindert, insbesondere zwängungsfrei, ausdehnen können. Eine Führung wird über seitliche Loslager 26 bewirkt. Zudem sind zwei Federelemente 27 vorgese hen, welche unter dem Tragarm 5 angeordnet sind und der Abstützung dienen. Auf diese Weise werden signalbeeinflussende Bewegungen, insbesondere Vibra tionen, des Reflektors 3 verhindert oder zumindest reduziert. Die Federelemen te 27 werden vorliegend durch zwei Dichtringe (O- Ringe) gebildet.

Wie beispielhaft in den Figuren 6 bis 8 dargestellt, kann an den Tragarm 5 min destens ein Wärmeleitkörper 25 angeformt sein. Dieser kann mit der Heizvorrich tung 20 oder mit einer anderen Wärmequelle (nicht dargestellt) verbunden wer- den, so dass der Wärmeleitkörper 25 Wärme an die umgebende Flüssigkeit ab gibt. Auf diese Weise wird verhindert, dass die Flüssigkeit gefriert. Alternativ kann hierüber bereits gefrorene Flüssigkeit wieder aufgetaut werden. Der Reflek tor 3 selbst kann ebenfalls zugleich als Wärmeleitkörper dienen.

Claims

Ansprüche

1. Ultraschallsensor (1) zur Messung einer Signallaufzeit in einer Flüssigkeit, insbesondere in einer wässrigen Harnstofflösung, zur Bestimmung der Qualität der Flüssigkeit, umfassend eine Sensoreinheit (2) mit einem Ultraschallerzeuger und einem Ultraschallempfänger, ferner umfassend einen in einem Abstand zur Sensoreinheit (2) angeordneten Reflektor (3), der gemeinsam mit der Sensorein heit (2) eine Messstrecke (4) definiert,

dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (3) mindestens einen Tragarm (5) zur Verbindung mit der Sensoreinheit (2) und/oder mit einem Gehäuseteil (6, 7) aufweist, in dem die Sensoreinheit lagefest aufgenommen ist.

2. Ultraschallsensor (1) nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass sich der Tragarm (5) im Wesentlichen parallel zur Messstrecke (4) erstreckt und/oder außerhalb der Messstrecke (4) angeord net ist.

3. Ultraschallsensor (1) nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass der Tragarm (5) einteilig mit dem Reflektor (3) und/oder aus dem gleichen Werkstoff wie der Reflektor (3) ausgebildet ist, wobei der Werkstoff insbesondere ein Metall, wie beispielsweise Stahl oder Edelstahl, oder eine Keramik ist.

4. Ultraschallsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (3) kreisförmig ausgeführt ist und mehrere Tragarme (5) aufweist, die vorzugsweise in gleichem Winkelabstand zueinander und radial außen in Bezug auf den Reflektor (3) angeordnet sind.

5. Ultraschallsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (3) eine eben, sphärisch oder pa rabolisch geformte Reflektorfläche aufweist.

6. Ultraschalsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (3) eine Öffnung (8) aufweist, die einen Teil der von der Sensoreinheit (2) erzeugten Ultraschallwellen zur Durch führung einer weiteren Messung, insbesondere einer Füllstandsmessung, hin durch lässt.

7. Ultraschallsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass das die Sensoreinheit (2) aufnehmende Gehäu seteil (6, 7) ein Gehäuseteil (6) des Ultraschallsensors (1) oder ein Gehäuse teil (7) einer Tankeinbaueinheit (9) ist.

8. Ultraschallsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseteil (6, 7) eine Schnittstelle (10) zur Verbindung mit einem Tank für die Flüssigkeit aufweist, wobei vorzugsweise im Bereich der Schnittstelle (10) das Gehäuseteil (6, 7) mit dem Tank ver schweißbar ist.

9. Ultraschallsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass in die Sensoreinheit (2) oder in das Gehäuse teil (6, 7) ein Temperatursensor (11) integriert ist.

10. Ultraschallsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (3) eine Heizeinrichtung oder ei nen mit einer Heizeinrichtung verbundenen Wärmeleitkörper ausbildet.

11. Ultraschallsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (3) und/oder der Tragarm (5) zu mindest bereichsweise von einer Schutzwand (12) umgeben ist bzw. sind, wobei vorzugsweise die Schutzwand (12) einteilig mit dem Gehäuseteil (6, 7) ausgebil det ist und/oder rohrförmig ist.

12. Ultraschallsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass in das Gehäuseteil (6, 7) eine Leiterplatte (13) und/oder elektrische Anschlusselemente (14) integriert ist bzw. sind, wobei vor zugsweise die Leiterplatte (13) und/oder die elektrischen Anschlusselemente (14) mittels Gießharz (15) im Gehäuseteil (6, 7) lagefixiert ist bzw. sind.

13. Ultraschallsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass die im Gehäuseteil (6, 7) aufgenommene Sen soreinheit (2) in Gießharz (16) eingebettet ist und/oder durch eine Membran (17) von der Flüssigkeit getrennt ist.

14. Tankeinbaueinheit (9) mit einem Ultraschallsensor (1) nach einem der vor hergehenden Ansprüche, wobei vorzugsweise der Ultraschallsensor (1) gemein sam mit einer Pumpe (18), einem Filter (19) und/oder einer Heizvorrichtung (20) auf einer Plattform (21) der Tankeinbaueinheit (9) angeordnet ist.

15. Tankeinbaueinheit (9) nach Anspruch 14,

dadurch gekennzeichnet, dass die Messtrecke (4) im Wesentlichen parallel zur Plattform (21) der Tankeinbaueinheit (9) verläuft.