Vorrichtung zum Bestimmen einer Höhe einer Fluidoberflache in einem Fluidbehälter

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Höhe einer Fluidoberflache in einem Fluidbehälter.

Zum Bestimmen einer Höhe einer Fluidoberflache in einem Flu- idbehälter kann insbesondere eine akustische Messvorrichtung eingesetzt werden. Ein Schallwandler der akustischen Messvor ^¬ richtung kann sowohl als Schallerzeuger als auch als Schall ^¬ empfänger arbeiten. Für eine Bestimmung der Höhe der Fluido- berfläche in dem Fluidbehälter können mittels des Schallwand- lers Schallimpulse in das zu vermessende Fluid abgegeben wer ^¬ den. Die Schallimpulse können von einer Grenzfläche des Flu ^¬ ids zu einem weiteren Medium reflektiert werden. Aus der Laufzeit der Schallimpulse können Rückschlüsse auf die Höhe der Fluidoberfläche in dem Fluidbehälter gezogen werden.

Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Höhe einer Fluidoberfläche in einem Fluidbehälter zu schaffen, die eine zuverlässige Be ^¬ stimmung der Höhe der Fluidoberfläche ermöglicht und zugleich kostengünstig und effizient hergestellt werden kann.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung zeichnet sich aus durch eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Höhe einer Fluidoberfläche in einem Fluidbe ^¬ hälter. Die Vorrichtung umfasst einen ersten Schallwandler zum Senden und Empfangen von ersten Schallsignalen. Die Vor- richtung umfasst ferner einen zweiten Schallwandler zum Sen ^¬ den und Empfangen von zweiten Schallsignalen, wobei die bei- den Schallwandler an einem Bodenabschnitt des Fluidbehälters in gleicher Ausrichtung angeordnet sind.

Des Weiteren umfasst die Vorrichtung ein Referenzelement, das zu dem zweiten Schallwandler einen vorgegeben Abstand auf ^¬ weist. Das Referenzelement ist in einem Fluidraum des Fluid ^¬ behälters angeordnet .

Die Vorrichtung umfasst ferner ein Umlenkelement, das in dem Fluidraum angeordnet ist zum Umlenken der zweiten Schallsig ^¬ nale um einen vorgegebenen Winkel in Richtung des einen Refe ^¬ renzelements .

Des Weiteren umfasst die Vorrichtung eine Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, abhängig von den zweiten Schallsignalen eine Schallgeschwindigkeit innerhalb eines Fluids in dem Flu ^¬ idraum zu ermitteln. Die Steuereinheit ist ferner dazu ausge ^¬ bildet, abhängig von den ersten Schallsignalen und der

Schallgeschwindigkeit innerhalb des Fluids die Höhe der Flui- doberfläche über dem Bodenabschnitt des Fluidbehälters zu er ^¬ mitteln .

Eine derartige Anordnung der beiden Schallwandler ermöglicht ein präzises Bestimmen der Höhe bei hohen Füllständen sowie bei niedrigen Füllständen von beispielsweise weniger als 10%. Ein Strahlengang der beiden Schallwandler erfolgt dabei bei ^¬ spielsweise unabhängig voneinander.

Der erste Schallwandler strahlt zu diesem Zweck direkt in Richtung der Fluidoberfläche . Eine Ermittlung der Schallge ^¬ schwindigkeit innerhalb des Fluids ermöglicht ein präzises Ermitteln einer Signallaufzeit. Um auch bei niedrigen Füll ^¬ ständen die Schallgeschwindigkeit innerhalb des Fluids ermit ^¬ teln zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die zweiten Schallsignale in niedriger Höhe über dem Bodenab ^¬ schnitt des Fluidbehälters zu senden und zu empfangen. Insbe ^¬ sondere bei hohen Füllständen ist eine hindernisfreie, direk- te Ausbreitung der ersten Schallsignale vorteilhaft, um einen Signalleistungsverlust gering zu halten. Dadurch wird ein be ^¬ sonders großer Messbereich ermöglicht. Die Anordnung der beiden Schallwandler in dem Bodenabschnitt des Fluidbehälters in gleicher Ausrichtung hat den Vorteil, dass nur mehr ein Montageschritt vonnöten ist, was zu einer kostengünstigen und effizienten Herstellung der Vorrichtung beigeträgt. Ferner ist es beispielsweise insbesondere bei Bauraumbeschränkungen vorteilhaft, beide Schallwandler an dem Bodenabschnitt des Fluidbehälters anzuordnen. Die beiden Schallwandler sind beispielsweise als Piezowandler ausgebil ^¬ det. Eine Montage der beiden Schallwandler ist beispielsweise durch deren geringe Größe zusätzlich erschwert. Die Anordnung der beiden Schallwandler an den Bodenabschnitt des Fluidbe ^¬ hälters trägt in vorteilhafterweise dazu bei, dass die Monta ^¬ ge präzise und effizient erfolgt. Ferner führt ein Kreuzen akustischer Pfade der beiden Schallwandler zu einer besonders kompakten Bauform der Vorrichtung.

In einer Ausführungsform ist der Bodenabschnitt separat von Seitenwänden des Fluidbehälters ausgebildet. Dies trägt bei ^¬ spielsweise zusätzlich zu einer einfachen Montage der beiden Schallwandler bei.

In einer weiteren Ausführungsform ist das Umlenkelement aus Metall, Keramik oder Glas ausgebildet. Relativ zu dem Fluid in dem Fluidbehälter weist das Umlenkelement so eine hohe akustische Impedanz auf. Somit wird eine zuverlässige Umlen- kung der Schallsignale ermöglicht. Des Weiteren ermöglicht dies beispielsweise eine robuste Anordnung des Umlenkelements als freistehendes Bauteil.

In einer weiteren Ausführungsform ist das Umlenkelement als Hohlkörper ausgebildet. Im Falle, dass das Umlenkelement mit Luft gefüllt ist, wird in vorteilhafter Weise eine thermisch bedingte Ausdehnung des Umlenkelements verringert. Ferner re- duzieren sich dadurch beispielsweise Materialkosten und ein Gewicht der Vorrichtung.

In einer weiteren Ausführungsform ist der Hohlkörper mit Luft gefüllt. Relativ zu dem Fluid in dem Fluidbehälter weist das Umlenkelement so eine niedrige akustische Impedanz auf. In vorteilhafter Weise ermöglicht dies eine zuverlässige Umlen- kung der Schallsignale.

In einer weiteren Ausführungsform lenkt das Umlenkelement die zweiten Schallsignale um 90° um. Dies trägt zu einer einfa ^¬ chen Ermittlung der Schallgeschwindigkeit bei.

In einer weiteren Ausführungsform weist der Bodenabschnitt des Fluidbehälters mindestens eine Ausbuchtung auf, mit der das Umlenkelement mechanisch gekoppelt ist. Die Ausbuchtung springt in den Fluidraum vor. Dies ermöglicht eine einfache Anordnung des Umlenkelements.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Ausbuchtung als dreiseitiges Prisma ausgebildet. Die erste Seitenfläche des dreiseitigen Prismas ist komplanar zu dem Bodenabschnitt des Fluidbehälters angeordnet. Die zweite Seitenfläche des drei ^¬ seitigen Prismas ist senkrecht zu dem Bodenabschnitt des Flu ^¬ idbehälters angeordnet und die dritte Seitenfläche des Pris ^¬ mas ist mit dem Umlenkelement gekoppelt.

Dies hat den Vorteil, dass verhindert wird, dass Luftblasen, die in dem Fluid im Fluidbehälter eingeschlossen sind, unter das Umlenkelement geraten. Ferner ermöglicht dies, dass das mit Luft gefüllte, als Hohlkörper ausgebildete Umlenkelement in der Ausbuchtung angeordnet ist.

In einer weiteren Ausführungsform weist die mindestens eine Ausbuchtung an einer senkrecht zu dem Bodenabschnitt des Flu ^¬ idbehälters angeordneten Grundfläche eine Nut auf zur Aufnah ^¬ me des Umlenkelements. Dies ermöglicht eine freistehende An- Ordnung des Umlenkelements, wodurch Material, Gewicht und insbesondere Bauraum eingespart werden können.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Bestimmen einer Höhe einer Fluidoberflache in einem Fluidbehälter,

Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum

Bestimmen der Höhe der Fluidoberflache in dem Flu ^¬ idbehälter, Figur 3 ein drittes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum

Bestimmen der Höhe der Fluidoberfläche in dem Flu ^¬ idbehälter und

Figur 4 ein viertes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum

Bestimmen der Höhe der Fluidoberfläche in dem Flu ^¬ idbehälter .

Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figuren ^¬ übergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Figur 1 zeigt einen Fluidbehälter 1 mit einem Bodenabschnitt 3 sowie einem Fluidraum 5, der mit einem Fluid F befüllt ist. Bei dem Fluid F handelt es sich beispielsweise um ein flüssi ^¬ ges Medium zur Schadstoffreduktion in Abgasen, das vorzugs- weise ein Reduktionsmittel und/oder einen Reduktionsmittel ^¬ vorläufer, beispielsweise eine wässrige Harnstofflösung auf ^¬ weist .

Zum Bestimmen einer Höhe H einer Fluidoberfläche 0 in dem Fluidbehälter 1 sind an dem Bodenabschnitt 3 des Fluidbehäl- ters 1 ein erster Schallwandler 10, sowie ein zweiter Schall ^¬ wandler 20 angeordnet. Die Höhe H ist dabei definiert als ein Abstand der Fluidoberflache 0 von dem Bodenabschnitt 3, ge ^¬ messen in einer Neutralstellung des Fluidbehälters 1, also wenn keine Schrägstellung des Fluidbehälters 1 vorliegt und die Fluidoberfläche 0 parallel zu dem Bodenabschnitt 3 ist. Die Höhe H kann auch als ein Füllstand des Fluidbehälters 1 bezeichnet werden.

Die beiden Schallwandler 10, 20 sind beispielsweise als Pie- zowandler ausgebildet und durch eine Gehäusewandung des Flu- idbehälters 1 angekoppelt. Beispielsweise ist die Gehäusewan ^¬ dung aus einem Kunststoff ausgebildet, wie beispielsweises aus sogenanntem hoch dichtem Polyethylen (high density Poly ^¬ ethylen, HDPE) , so dass der Bodenabschnitt 3 in der Gehäuse ^¬ wandung eingeschweißt werden kann. Alternativ sind die beiden Schallwandler 10, 20 beispielsweise mit der Gehäusewandung verklebt oder mechanisch an diese gepresst, eventuell auch mit einer weiteren Zwischenschicht um Unebenheiten oder Rau- igkeiten auszugleichen. Der erste Schallwandler 10 umfasst einen Sender, der erste

Schallsignale 12 in Richtung der Fluidoberfläche 0 aussendet. Der erste Schallwandler 10 ist dabei so ausgerichtet, dass eine Hauptstrahlungsrichtung der ausgesendeten ersten Schall ^¬ signale 12 senkrecht zu dem Bodenabschnitt 3 auf die Fluido- berfläche 0 gerichtet ist.

Der Fluidraum 5 oberhalb des Fluids F ist mit einem weiteren Medium wie beispielsweise Luft gefüllt, so dass die gesende ^¬ ten ersten Schallsignale 12 an einem Übergang der Fluidober- fläche 0 zu der Luft reflektieren und reflektierte erste Schallsignale 14 auf den ersten Schallwandler 10 treffen. Durch einen Empfänger des ersten Schallwandlers 10 werden die reflektierten ersten Schallsignale 14 aufgenommen. Beispiels ^¬ weise kann ein einzelnes Piezoelement als Sender und Empfän- ger eingesetzt werden. Die Ausrichtung des ersten Schallwand ^¬ lers 10 führt dabei ebenso zu einer im Wesentlichen senkrech ^¬ ten Ausbreitung der ersten reflektierten Schallsignale 14 zu dem Bodenabschnitt 3 des Fluidbehälters 1. Die Ausbreitung der ersten Schallsignale 12, 14 erfolgt direkt, so dass ein Leistungsabfall an Hindernissen verhindert wird und so ein Bestimmen von hohen Füllständen des Fluidbehälters 1 ermög- licht wird.

Zur präzisen Bestimmung der Höhe H der Fluidoberfläche 0 in dem Fluidbehälter 1 muss eine Signalausbreitungsgeschwindig ^¬ keit der ersten Schallsignale 12, 14 bekannt sein. Aus diesem Grund wird eine Referenzmessung mittels des zweiten Schall ^¬ wandlers 20 durchgeführt. Um diese Referenzmessung auch bei niedrigen Höhen H der Fluidoberfläche 0 in dem Fluidbehälter 1 durchführen zu können, also beispielsweise bei Füllständen unter 10 % eines maximalen Füllstands, erfolgt eine Schall- ausbreitung der zweiten Schallsignale 22, 24 nahe dem Boden ^¬ abschnitt 3 des Fluidbehälters 1 im Wesentlichen parallel zu dem Bodenabschnitt 3. Analog zu dem ersten Schallwandler 10 umfasst der zweite Schallwandler 20 einen Sender, der zweite Schallsignale 22 aussendet und einen Empfänger, der reflek- tierte zweite Schallsignale 24 aufnimmt. Ein Kreuzen akusti ^¬ scher Pfade der Schallsignale 12, 14 und 22, 24 führt dabei zu einer besonders kompakten Bauform der Vorrichtung, ohne wesentliche Beeinflussung der Schallsignale 12, 14, 22, 24. In dem Fluidraum 5 sind ein erstes Referenzelement 30 sowie ein zweites Referenzelement 40 angeordnet. Die beiden Refe ^¬ renzelemente 30, 40 sind vorzugsweise aus einem Material ge ^¬ bildet, das ein Metall aufweist. Beispielsweise sind die bei ^¬ den Referenzelemente 30, 40 aus einem Metallstück ausgebildet und durch heißverstemmte KunstStoffnasen mit dem Bodenab ^¬ schnitt 3 des Fluidbehälters 1 gekoppelt.

Die beiden Referenzelemente 30, 40 reflektieren zumindest ei ^¬ nen Teil des ausgesendeten zweiten Schallsignals 22. Das ers- te Referenzelement 30 hat zu dem zweiten Schallwandler 20 ei ^¬ nen vorgegebenen ersten Abstand. Das zweite Referenzelement 40 hat zu dem zweiten Schallwandler 20 einen vorgegebenen zweiten Abstand und insbesondere einen genau bekannten Ab ^¬ stand zu dem Referenzelement 30. Mittels einer nicht näher dargestellten Steuereinheit wird eine Laufzeitdifferenz der reflektierten zweiten Schallsignale 24 abhängig von dem be- kannten Abstand der beiden Referenzelemente 30, 40 zueinander ermittelt und abhängig von der Laufzeitdifferenz eine Schall ^¬ geschwindigkeit in dem Fluid F in dem Fluidbehälter 1 ermit ^¬ telt. Abhängig von der Schallgeschwindigkeit innerhalb des Fluids F und den ersten Schallsignalen 12, 14 kann so die Hö- he H der Fluidoberfläche 0 über den Bodenabschnitt 3 des Flu- idbehälters 1 ermittelt werden.

Um eine Montage der beiden Schallwandler 10, 20 einfach und kostengünstig zu gestalten sowie eine Anzahl erforderlicher Montageschritte gering zu halten ist der zweite Schallwandler 20 in gleicher Ausrichtung zu dem ersten Schallwandler 10 an dem Bodenabschnitt 3 des Fluidbehälters 1 angeordnet.

In einem ersten Abschnitt 22a der ausgesendeten zweiten

Schallsignale 22 ist deren HauptStrahlungsrichtung so eben ^¬ falls im Wesentlichen senkrecht zu dem Bodenabschnitt 3 des Fluidbehälters 1. Um die Schallausbreitung der zweiten

Schallsignale 22, 24 nahe dem Bodenabschnitt 3 des Fluidbe ^¬ hälters 1 im Wesentlichen parallel zu dem Bodenabschnitt 3 zu gewährleisten ist in dem Fluidraum 5 ein Umlenkelement 50 an ^¬ geordnet .

Das Umlenkelement 50 schließt mit dem Bodenabschnitt 3 des Fluidbehälters 1 einen 45°-Winkel ein, so dass die zu dem Bo- denabschnitt 3 senkrechten zweiten ausgesendeten Schallsigna ^¬ le 22 des ersten Abschnitts 22a um den vorgegebenen Winkel W, um 90° umgelenkt werden und in einem zweiten Abschnitt 22b im Wesentlichen parallel zu dem Bodenabschnitt 3 von dem Umlenk ^¬ element 50 in Richtung der beiden Referenzelemente 30, 40 re- flektieren. Analog dazu werden von den beiden Referenzelemen ^¬ ten 30, 40 reflektierte zweite Schallsignale 24, die in einem ersten Abschnitt 24a im Wesentlichen parallel zu dem Bodenab- schnitt 3 verlaufen, um 90° in Richtung des zweiten Schall ^¬ wandlers 20 umgelenkt.

Das Umlenkelement 50 ist beispielsweise aus einem Metallstück ausgebildet und weist eine hohe akustische Impedanz relativ zu der akustischen Impedanz des Fluids F auf, so dass ein Großteil der Schallsignale 22, 24 reflektiert wird.

In diesem Ausführungsbeispiel ist das Umlenkelement 50 frei- stehend angeordnet. Zwei hier nicht näher dargestellte Aus ^¬ buchtungen 60 des Bodenabschnitts 3 weisen jeweils eine Nut auf, die mit dem Bodenabschnitt 3 einen 45°-Winkel ein ^¬ schließt. Die beiden Ausbuchtungen 60 sind dabei parallel zur Bildebene angeordnet, so dass das Umlenkelement 50 beispiels- weise in die Nut eingeschoben werden kann. In vorteilhafter Weise wird so Bauraum eingespart, der beispielsweise ein Tankvolumen des Fluidraums 5 vergrößert.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel (Figur 2) weist der Bo- denabschnitt 3 des Fluidbehälters 1 zur mechanischen und akustischen Kopplung des Umlenkelements 50 eine einzelne Aus ^¬ buchtung 60 auf, auf der das Umlenkelement 50 aufliegt. Bei ^¬ spielsweise ist das Umlenkelement 50 durch eine Klebstoff- und/oder Schweißverbindung zusätzlich mechanisch fixiert. Al- ternativ ist das Umlenkelement 50 beispielsweise in die Aus ^¬ buchtung 60 integriert.

Die Ausbuchtung 60 ist in diesem Ausführungsbeispiel als dreiseitiges Prisma ausgebildet, dessen erste Seitenfläche komplanar zu dem Bodenabschnitt 3 angeordnet ist. Eine zweite Seitenfläche des dreiseitigen Prismas ist senkrecht zu dem Bodenabschnitt 3 des Fluidbehälters 1 angeordnet und eine dritte Seitenfläche des dreiseitigen Prismas schließt mit dem Bodenabschnitt 3 einen 45°-Winkel ein, so dass das Umlenkele- ment 50 mit der Ausbuchtung 60 gekoppelt werden kann. Bei einem Befüllen des Fluidbehalters 1 können Luftblasen in dem Fluid F in dem Fluidraum 5 eingeschlossen werden. Bei ei ^¬ ner freistehenden Anordnung des Umlenkelements 50 können die ^¬ se sich unter dem Umlenkelement 50 verfangen und eine unkon- trollierte Streuung der zweiten Schallsignale 22, 24 hervor ^¬ rufen. In vorteilhafter Weise wird dies durch die als Prisma ausgebildete Ausbuchtung 60 verhindert, da das Fluid F nicht unter die aufliegende Fläche des Umlenkelements 50 gelangt.

In einem dritten Ausführungsbeispiel (Figur 3) ist das Um ^¬ lenkelement 50 als Hohlraum ausgebildet, der beispielsweise mit Luft gefüllt ist. Dieser weist relativ zu dem Fluid F in dem Fluidraum 5 eine niedrige akustische Impedanz auf, so dass ein Großteil der Schallsignale 22, 24 reflektiert wird. Das Umlenkelement 50 ist in vorteilhafter Weise in der Aus ^¬ buchtung 60 des Bodenabschnitts 3 des Fluidbehalters 1 ange ^¬ ordnet, so dass kein weiteres Bauteil benötigt wird. Bei ^¬ spielsweise umfasst die Ausbuchtung 60 dazu einen Luftein- schluss in einem Hohlraum der Ausbuchtung 60, der als Umlenk ^¬ element 50 ausgebildet ist.

In einem vierten Ausführungsbeispiel (Figur 4) erfolgt eine Bestimmung der Höhe H der Fluidoberflache 0 des Fluids F in dem Fluidbehälter 1 analog zu dem dritten Ausführungsbeispiel aus Figur 3. In diesem Fall sind die beiden Schallwandler 10, 20 räumlich voneinander derart getrennt, dass die ersten Schallsignale 12, 14 und die zweiten Schallsignale 22, 24 sich separat ausbreiten, also sich nicht kreuzen.