DE102006017284A1

DE102006017284A1 - Vorrichtung zur Messung des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter

Info

Publication number: DE102006017284A1
Application number: DE200610017284
Authority: DE
Inventors: Wilfried Zachmann; Thomas Hartmann
Original assignee: Robert Seuffer GmbH and Co KG
Current assignee: Seuffer GmbH and Co KG
Priority date: 2006-04-12
Filing date: 2006-04-12
Publication date: 2007-10-18

Abstract

Eine Vorrichtung zur Messung des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter mit einer Sendeeinrichtung 1, welche Ultraschall-Sendeimpulse aussendet, einer Empfangseinrichtung 2, welche die an der Flüssigkeitsoberfläche reflektierten Echoimpulse empfängt, und einer Auswerteeinrichtung 8, welche die Laufzeiten der Ultraschall-Sendeimpulse und Echosignale auswertet, wobei in einem bestimmten Abstand zur Sende-/Empfangseinrichtung 1, 2 ein Reflektor 3 angeordnet ist, der die Ultraschall-Sendeimpulse in Richtung zur Flüssigkeitsoberfläche reflektiert und die von der Flüssigkeitsoberfläche kommenden Echosignale in Richtung zur Empfangseinrichtung 2 reflektiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Eine derartige Vorrichtung ist aus EP 1 139 075 A2 bekannt. Die bekannte Vorrichtung weist in einem Behälter, in welchem die Flüssigkeit anzuordnen ist, eine Sendeeinrichtung auf, welche Ultraschall-Sendeimpulse aussendet. Eine Empfängereinrichtung 2 empfängt an der Flüssigkeitsoberfläche reflektierte Echoimpulse, welche von den Ultraschall-Sendeimpulsen verursacht werden. In einer Auswerteeinrichtung werden die Laufzeiten der Ultraschall-Sendeimpulse und Echosignale in der Flüssigkeit zur Bestimmung des Füllstandes ausgewertet.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher die Messgenauigkeit erhöht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Bei der Erfindung wird in einem bestimmten Abstand zur Sende- und Empfangseinrichtung, welche vorzugsweise als Baueinheit ausgebildet ist, ein Reflektor angeordnet, welcher die Ultraschall-Sendeimpulse in Richtung zur Flüssigkeitsoberfläche reflektiert und die von dort zurückkommenden Echosignale in Richtung zur Empfangseinrichtung zurückleitet. Die Ultraschall-Sendeimpulse werden dabei im wesentlichen parallel zum Behälterboden, insbesondere horizontal ausgesendet. Durch den Reflektor werden die Ultraschall-Sendeimpulse zur Flüssigkeitsoberfläche so umgelenkt, dass sie im wesentlichen im rechten Winkel auf die Flüssigkeitsoberfläche auftreffen. Horizontal ausgesendete Ultraschall-Sendeimpulse werden somit in vertikaler Richtung umgelenkt. Der Reflektor ist vorzugsweise so angeordnet, dass die Ultraschall-Sendeimpulse und die Echosignale im rechten Winkel umgelenkt werden. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können auch niedrige Füllstände noch einwandfrei erfasst werden.
Bei einer bevorzugten Anordnung befinden sich die Sende-/Empfangseinrichtung und der Reflektor in unmittelbarer Nähe des Behälterbodens. Die Ultraschall-Sendeimpulse werden dabei im wesentlichen parallel zum Behälterboden zum Reflektor ausgesendet. Der Reflektor ist als Ebene, beispielsweise aus Metall oder Kunststoff bestehende Fläche ausgebildet, an welcher die Ultraschall-Sendeimpulse reflektiert werden. Vorzugsweise besitzt diese Fläche bzw. der Reflektor gegenüber dem Behälterboden einen Winkel von beispielsweise 45°.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist in der Nähe des Behälterbodens eine die Ultraschall-Sendeimpulse reflektierende Referenzfläche, welche ebenfalls aus Metall oder Kunststoff gebildet sein kann, in einem bestimmten Abstand zur Sende- und Empfangseinrichtung angeordnet. Vorzugsweise reflektiert die Referenzfläche die Ultraschall-Sendeimpulse in zur Einfallsrichtung entgegengesetzten Richtung zur Sende- und Empfangseinrichtung zurück. Die Sende-/Empfangseinrichtung, der Reflektor und die Referenzfläche können in einem im wesentlichen parallel zum Behälterboden verlaufenden Rohr, welches aus Metall oder Kunststoff besteht kann, angeordnet werden.
Die Sende-/Empfangseinrichtung ist am einen Rohrende, welches um die Rohrachse geöffnet ist, angeordnet und der Reflektor sowie die Referenzfläche sind am anderen Rohrende angeordnet. Im Rohrmantel befindet sich im Bereich der Referenzfläche eine Öffnung. An diese Öffnung kann ein zweites Rohr angeschlossen sein. Das zweite Rohr dient, wie das erste parallel zum Behälterboden verlaufende Rohr als Ultraschallleiteinrichtung. Die beiden Rohre sind vorzugsweise im rechten Winkel miteinander zu einem abgewinkelten Rohr einstückig verbunden.
Durch Auswertung der Laufzeiten der Ultraschall-Sendeimpulse von der Sendeeinrichtung bis zur Referenzfläche und der entsprechenden zurückreflektierten Echosignale können physikalische Eigenschaften der Flüssigkeit, insbesondere Dichteunterschiede, Temperaturschwankungen, Konzentrationen von Inhaltsstoffen und dergleichen, welche die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen in der Flüssigkeit beeinflussen, erfasst werden. Bei der Auswertung der am Reflektor umgelenkten Ultraschall-Sendeimpulse und der dazugehörigen Echosignale werden die aus den Änderungen der physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit resultierenden Verschiebungen bzw. Änderungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen berücksichtigt.
Vorzugsweise ist die Referenzfläche in unmittelbarer Nähe zum Reflektor angeordnet und kann aus einem Stück mit dem Reflektor gebildet sein.
Anhand der Figuren wird die Erfindung noch näher erläutert.
Es zeigt:
1 in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
3 ein drittes Ausführungsbeispiel.
Die Figuren zeigen eine in einem Behälter angeordnete Flüssigkeit 6. Vom Behälter ist schematisch ein Behälterboden 4 dargestellt. In unmittelbarer Nähe des Behälterbodens 4 ist eine Sendeeinrichtung 1 vorgesehen, welche Ultraschallwellen im wesentlichen parallel zum Behälterboden 4 aussendet. Ferner ist eine Empfangseinrichtung 2 in unmittelbarer Nähe des Behälterbodens 4 angeordnet, welche von den Ultraschall-Sendeimpulsen der Sendeeinrichtung verursachte Echosignale empfängt. Die Sendeeinrichtung 1 und die Empfangseinrichtung 2 können als Baueinheit, welche einen elektroakustischen Wandler aufweist, ausgebildet sein. In bekannter Weise kann dieser Wandler als piezoelektrische Wandlereinrichtung ausgebildet sein.
An die Sende-/Empfangseinrichtung 1, 2 ist eine Auswerteeinrichtung 8 angeschlossen. In dieser Auswerteeinrichtung 8, welche als elektronische Rechnereinrichtung ausgebildet sein kann, werden die Laufzeiten der Ultraschall-Sendeimpulse und der daraus resultierenden Echosignale zur Bestimmung des Füllstandes der Flüssigkeit 6 im Behälter in bekannter Weise ausgewertet.
Ferner ist in unmittelbarer Nähe des Behälterbodens 5 ein Reflektor 3 angeordnet. Der Reflektor 3 kann von einer Metall- oder Kunststofffläche gebildet werden. Die Metallfläche kann von einem Metallstück oder einer auf eine Unterlage aufgebrachten Metallisierung gebildet werden. Der Reflektor 3 ist so ausgebildet, dass er die von der Sendeeinrichtung 1 ausgesendeten Ultraschall-Sendeimpulse in Richtung zur Flüssigkeitsoberfläche 7 umlenkt. Hierzu weist der Reflektor 3 bzw. die reflektierende Fläche gegenüber dem Behälterboden 4 bzw. der Ausbreitungsrichtung der Ultraschall-Sendeimpulse einen Winkel von etwa 45° auf. Bei horizontaler Anordnung werden die im wesentlichen horizontal ausgesendeten Ultraschall-Sendeimpulse in vertikaler Richtung zur Flüssigkeitsoberfläche 7 umgelenkt. Der Umlenkwinkel beträgt etwa 90°. Der Umlenkwinkel kann hiervon auch abweichen. Die von der Flüssigkeitsoberfläche 7 reflektierten Echosignale, welche von den Ultraschall-Sendeimpulsen verursacht werden, gelangen zur reflektierenden Fläche des Reflektors 3 zurück und werden von dort auf die Empfangseinrichtung 2 gerichtet und dort empfangen. Die Echosignale werden hierbei ebenfalls um etwa 90° umgelenkt. Wie schon erläutert, wird aus den Laufzeiten der Ultraschall-Sendeimpulse und der dazugehörigen Echosignale der Füllstand der Flüssigkeit 6 im Behälter mit Hilfe der an der Sende-/Empfangseinrichtung 1, 2 angeschlossenen Auswerteeinrichtung 8 bestimmt. Der Reflektor 3 besitzt hierzu gegenüber der Sende-/Empfangseinrichtung 1, 2 einen bestimmten Abstand.
Ferner besitzen die dargestellten Ausführungsbeispiele der 1 und 2 eine Referenzfläche 5, welche ebenfalls, wie der Reflektor, aus Metall oder Kunststoff bestehen kann und vorzugsweise einstückig mit dem Reflektor 3 ausgebildet ist. Die Referenzfläche 5 besitzt gegenüber der Sende-/Empfangseinrichtung 1, 2 ebenfalls einen vorbestimmten Abstand. An der Referenzfläche 5 werden die von der Sendeeinrichtung 1 im wesentlichen parallel zum Behälterboden 4 ausgesendeten Ultraschall-Sendeimpulse in entgegengesetzter Richtung zur Empfangseinrichtung 2 zurückreflektiert. Aufgrund des vorbestimmten Abstands zwischen der Sende-/Empfangseinrichtung 1, 2 und der Referenzfläche 5 können Änderungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen in der Flüssigkeit 6, welche aus physikalischen Änderungen der Flüssigkeit resultieren, erfasst werden und bei der Bestimmung des Füllstandes der Flüssigkeit 6 im Behälter im Rahmen der Auswertung in der Auswerteeinrichtung 8 berücksichtigt werden. Auf diese Weise erhält man bei der Füllstandsbestimmung eine Kompensation von Dichteunterschieden und Temperaturschwankungen und anderen physikalischen Eigenschaften, welche sich auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen in der Flüssigkeit 6 auswirken. Die Referenzfläche 5 ist vorzugsweise als ebene Fläche ausgebildet und erstreckt sich senkrecht zum Behälterboden 4 bzw. zur Ausbreitungsrichtung der Ultraschall-Sendeimpulse.
Wie aus 2 zu ersehen ist, sind die Sende-/Empfangseinrichtung 1, 2, der Reflektor 3 und die Referenzfläche 5 in einem im wesentlichen parallel zum Behälterboden 4 verlaufenden Rohr 9 angeordnet. Die Sende-/Empfangseinrichtung 1, 2 befindet sich an einem um die Rohrachse offenen Ende des Rohres 9 und wird mit flüssigkeitsdurchlässigen Abstandhaltern 11 im Abstand von der Rohrinnenwand gehalten. Auf diese Weise ist es möglich, dass Flüssigkeit in das Rohrinnere gelangt. Das Rohr 9 kann jedoch in seiner Rohrwandung Öffnungen 14 aufweisen, wie es in 3 gezeigt ist, damit Flüssigkeit in das Rohrinnere gelangt. Am anderen Ende des Rohres 9 sind der Reflektor 3 und die Referenzfläche 5, welche aus einem Stück bestehen können, angeordnet. Über der Referenzfläche 5 ist das Rohr 9 in Richtung zur Flüssigkeitsoberfläche 7 hin geöffnet. Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen der 2 und 3 ist um die Öffnung im Rohr 9 ein weiteres Rohr 10 angeordnet. Vorzugsweise ist das Rohr 10 mit dem Rohr 9 einstückig zu einem abgewinkelten Rohr verbunden. Der Flüssigkeitspegel im Rohr 10 entspricht dem Flüssigkeitspegel im Behälter. Bei den Ausführungsbeispielen der 2 und 3 wird für eine verbesserte Füllstandsmessung eine Beruhigung der Flüssigkeit, welche sich in den Rohren 9 und 10 befindet, erreicht. Der Reflektor 3 und die Referenzfläche 5 sind in dem abgewinkelten Bereich der beiden Rohre 9 und 10 angeordnet. Die Befestigung des Rohres 9 kann mit Hilfe von Befestigungsmitteln 12, welche, wie in der 2 dargestellt ist, an bestimmten Stellen eine Verbindung zwischen dem Behälterboden 4 und dem Rohr 9 herstellen, erfolgen. Es ist jedoch auch möglich, eine Befestigungsschicht zwischen dem Rohr 9 und dem Behälterboden 4 zu verwenden. Der Abstand zwischen dem Rohr 9 und dem Behälterboden 4 wird möglichst gering bemessen, um auch niedrige Füllstände im Behälter erfassen zu können. Die Länge des Rohres 10 wird in Abhängigkeit von den im Behälter zu erfassenden Flüssigkeitspegeln bemessen und kann wesentlich größer sein als die Länge des Rohres 9, wie 3 zeigt.
Die Sende-/Empfangseinrichtung 1, 2 kann am offenen Ende des Rohres 9 mit Hilfe von Abstandhaltern 11 im Abstand von der Rohrinnenwand gehalten werden, so dass Flüssigkeit 6 auch in das Rohrinnere gelangen kann. Bei dem Ausführungsbeispiel der 3 wird die Sende-/Empfangseinrichtung 1, 2 von einem ringförmigen Halter 13 am Rohrende gehalten und dahinter sind im Rohr 9 die Öffnungen 14 vorgesehen. Die Rohre 9, 10 sind ultraschallleitend ausgebildet.
Beim Behälter kann es sich um einen mobilen, beispielsweise in einem Fahrzeug angeordneten Tank handeln, in welchem Kraftstoff für eine Verbrennungskraftmaschine oder eine andere Flüssigkeit, beispielsweise Harnstoff untergebracht ist. Beim Behälter kann es sich auch um einen stationären Flüssigkeitsbehälter oder Tank handeln.

1: Sendeeinrichtung
2: Empfangseinrichtung
3: Reflektor
4: Behälterboden
5: Referenzfläche
6: Flüssigkeit
7: Flüssigkeitsoberfläche
8: Auswerteeinrichtung
9: Rohr
10: Rohr
11: Abstandhalter
12: Befestigungsmittel
13: ringförmiger Halter
14: Öffnungen

Claims

Vorrichtung zur Messung des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter mit einer Sendeeinrichtung, welche Ultraschall-Sendeimpulse aussendet, einer Empfangseinrichtung, welche die an der Flüssigkeitsoberfläche reflektierten Echosignale empfängt, und einer Auswerteeinrichtung, welche die Laufzeiten der Ultraschall-Sendeimpulse und Echosignale auswertet, dadurch gekennzeichnet, dass in einem bestimmten Abstand zur Sende-/Empfangseinrichtung (1, 2) ein Reflektor (3) angeordnet ist, welcher die Ultraschall-Sendeimpulse in Richtung zur Flüssigkeitsoberfläche reflektiert und ferner die von der Flüssigkeitsoberfläche kommenden Echosignale in Richtung zur Empfangseinrichtung (2) reflektiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende-/Empfangseinrichtung (1, 2) und der Reflektor (3) in unmittelbarer Nähe des Behälterbodens (4) angeordnet sind und die Richtung der zum Reflektor (3) ausgesendeten Ultraschall-Sendeimpulse und die Richtung der vom Reflektor (3) reflektierten Echosignale im wesentlichen parallel zum Behälterboden (4) verlaufen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (3) gegenüber dem Behälterboden (4) einen Winkel von etwa 45° aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nähe des Behälterbodens (4) eine Referenzfläche (5), welche die Ultraschall-Sendeimpulse in einer zur Einfallsrichtung entgegengesetzten Richtung reflektierte, in einem bestimmten Abstand zur Sende-/Empfangseinrichtung (1, 2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzfläche (5) in unmittelbarer Nähe zum Reflektor (3) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (3) und die Referenzfläche (5) aus einem Stück gebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (3) eine Metalloberfläche aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzfläche (5) von einer Metallfläche gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende-/Empfangseinrichtung (1, 2), der Reflektor (3) und die Referenzfläche (5) in einem im wesentlichen parallel zum Behälterboden (4) verlaufenden Rohr (9), welches im Bereich des Reflektors (3) in Richtung zur Flüssigkeitsoberfläche (7) hin offen ist, angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das parallel zum Behälterboden (4) verlaufende Rohr (9) an seiner Öffnung mit einem weiteren im Winkel angeordneten Rohr (10) fest verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Rohre (9, 10) als abgewinkeltes Rohr aus einem Stück bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen den beiden Rohren (9, 10) etwa ein rechter Winkel ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (9, 10) aus Kunststoff bestehen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (3) und die Referenzfläche (5) im Bereich der Abwinkelung der beiden Rohre (9, 10) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende-/Empfangseinrichtung (1, 2) am offenen Ende des parallel zum Behälterboden (4) verlaufenden Rohres (9) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Echosignale der Referenzfläche (5) zur Bestimmung der Beschaffenheit der Flüssigkeit ausgewertet werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (9, 10) ultraschallleitend ausgebildet sind.