用於確定流體容器中流體的表面的高度的裝置的製作方法

2023-11-10 09:04:17 3

聲學測量裝置尤其能夠用於確定流體容器中流體表面的高度。聲學測量裝置的聲換能器能夠操作為聲發生器和聲接收器兩者。出於確定流體容器中流體表面的高度的目的，藉助於聲換能器將聲脈衝發射到待測量的流體中是可行的。流體至另外的介質的界面能夠反射聲脈衝。通過聲脈衝的渡越時間，可以得出關於流體容器中流體表面的高度的結論。

本發明的根本目的在於研發一種用於確定流體容器中流體表面的高度的裝置，其能夠實現流體表面的高度的可靠確定，並且同時其能夠以有成本效益且高效的方式生產。

該目的由獨立權利要求的特徵實現。本發明的有利發展在從屬權利要求中表徵。

本發明的特徵在於一種用於確定流體容器中流體表面的高度的裝置。該裝置包括用於發送和接收第一聲信號的第一聲換能器。本發明此外包括用於發送和接收第二聲信號的第二聲換能器，其中，該兩個聲換能器以相同的對準方式布置在流體容器的基底部分處。

而且，裝置包括與第二聲換能器相距預定距離的參照元件。參照元件布置在流體容器的流體空間中。

此外，該裝置包括偏轉元件，其布置在流體空間中，用於使第二聲信號偏轉預定角度成在一個參照元件的方向上的目的。

而且，該裝置包括控制單元，其被實施為根據第二聲信號確定在流體空間中的流體內的聲速。此外，控制單元被實施為根據第一聲信號和所述流體內的聲速確定在流體容器的基底部分上方流體表面的高度。

兩個聲換能器的這種布置能夠在高填充水平和例如小於10％的低填充水平的情況下實現高度的精確確定。在此，例如兩個聲換能器的相應聲束路徑彼此獨立。

為此，第一聲換能器直接沿流體表面的方向發射。確定流體內的聲速使得信號的渡越時間能夠精確確定。為了甚至在低填充水平的情況下也能夠確定流體內的聲速，已經發現在流體容器的基底部分上方的低高度處發送和接收第二聲信號是有利的。第一聲信號的無障礙的、直接的傳播是有利的，尤其是在高填充水平的情況下，以保持低的信號功率的損失。因此，使得特別大的測量範圍成為可能。

以相同的對準方式在流體容器的基底部分中布置兩個聲換能器是有利的，因為僅僅仍需要一個組裝步驟，這有助於該裝置有成本效益且高效的生產。此外，例如尤其是在安裝空間受限的情況下，將兩個聲換能器布置在流體容器的基底部分處是有利的。以示例的方式，兩個聲換能器被實施為壓電換能器。由於例如其小尺寸，使得兩個聲換能器的組裝額外地更加困難。在流體容器的基底部分處布置兩個聲換能器有利地有助於以精確且高效的方式進行組裝。此外，來自兩個聲換能器的聲學路徑的交叉導致裝置的特別緊湊的設計。

在一個實施例中，基底部分與流體容器的側壁分開地實施。以示例的方式，這額外地有助於兩個聲換能器的簡單安裝。

在進一步的實施例中，偏轉元件由金屬、陶瓷或玻璃製成。因此，偏轉元件相對於流體容器中的流體具有高的聲阻抗。因此，使得聲信號的可靠偏轉成為可能。此外，這例如能夠實現偏轉元件作為獨立式部件的穩健布置。

在進一步的實施例中，偏轉元件被實施為中空主體。如果偏轉元件填充有空氣，則會有利地減少由熱引起的偏轉元件的膨脹。此外，這減少了例如裝置的材料成本和重量。

在進一步的實施例中，中空主體填充有空氣。相對於流體容器中的流體，偏轉元件因此具有低的聲阻抗。有利地，這能夠實現聲信號的可靠偏轉。

在進一步的實施例中，偏轉元件使第二聲信號偏轉90°。這有助於容易地確定聲速。

在進一步的實施例中，流體容器的基底部分具有至少一個突出部，偏轉元件機械地聯接到所述突出部。突出部突伸到流體空間中。這能夠實現偏轉元件的簡單布置。

在進一步的實施例中，突出部被實施為三稜柱。三稜柱的第一側面以與流體容器的基底部分共面的方式布置。三稜柱的第二側面布置成垂直於流體容器的基底部分，並且稜柱的第三側面聯接至偏轉元件。

這是有利的，因為這防止包含在流體容器中的流體中的空氣氣泡到達偏轉元件下方。此外，這允許空氣填充的偏轉元件（被實施為中空主體）布置在突出部中。

在進一步的實施例中，至少一個突出部在垂直於流體容器的基底部分布置的基面處具有槽，用以容納偏轉元件。這使得偏轉元件能夠獨立式布置，因此能夠節省材料、重量以及尤其是安裝空間。

下面基於示意圖解釋本發明的示例性實施例。詳細地：

圖1示出用於確定流體容器中流體表面的高度的裝置的第一示例性實施例，

圖2示出用於確定流體容器中流體表面的高度的裝置的第二示例性實施例，

圖3示出用於確定流體容器中流體表面的高度的裝置的第三示例性實施例，以及

圖4示出用於確定流體容器中流體表面的高度的裝置的第四示例性實施例。

具有相同結構或功能的元件以貫穿附圖的方式設有相同的附圖標記。

圖1示出流體容器1，其帶有基底部分3和填充有流體F的流體空間5。以示例的方式，流體F是用於還原廢氣中的汙染物的液體介質，其優選地具有還原劑和/或還原劑前體，例如尿素水溶液。

為了確定流體容器1中流體表面O的高度H，第一聲換能器10和第二聲換能器20布置在流體容器1的基底部分3處。在此，高度H被定義為流體表面O和基底部分3之間的距離，該距離在流體容器1的中立位置中測量，即，在不出現流體容器1的傾斜位置，並且流體表面O平行於基底部分3時測量。高度H也能夠被稱為流體容器1的填充水平。

以示例的方式，兩個聲換能器10、20被實施為壓電換能器並且通過流體容器1的殼體壁聯接。以示例的方式，殼體壁由塑料（諸如，例如所謂的高密度聚乙烯（HDPE））製成，使得基底部分3能夠焊接至殼體壁中。替代地，兩個聲換能器10、20例如粘合地結合到殼體壁或機械地壓抵殼體壁，也可能帶有其它中間層以補償不均勻度或粗糙度。

第一聲換能器10包括沿流體表面O的方向發射第一聲信號12的發射器。在此，第一聲換能器10以下述方式對準，即使得所發射的第一聲信號12的主要發射方向的指向垂直於基底部分3朝向流體表面O。

流體F上方的流體空間5填充有另外的介質，諸如，例如空氣，並且因此所發射的第一聲信號12在流體表面O和空氣之間的過渡處發生反射，並且反射的第一聲信號14入射在第一聲換能器10上。反射的第一聲信號14由第一聲換能器10的接收器記錄。以示例的方式，單個壓電元件能夠被用作發射器和接收器。在此，第一聲換能器10的對準同樣地導致第一反射的聲信號14相對於流體容器1的基底部分3基本上垂直地傳播。第一聲信號12、14的傳播被引導成使得防止在障礙物處功率下降，並且因此使得能夠確定流體容器1的高填充水平。

出於精確地確定流體容器1中流體表面O的高度H的目的，需要獲知第一聲信號12、14的信號傳播速度。出於該原因，藉助於第二聲換能器20進行參照測量。為了使該參照測量甚至在流體容器1中流體表面O的低高度H的情況下，即例如在填充水平小於最大填充水平的10％的情況下也能夠進行，第二聲信號22、24的聲傳播以基本上平行於基底部分3的方式在流體容器1的基底部分3附近發生。類似於第一聲換能器10，第二聲換能器20包括發射第二聲信號22的發射器和記錄反射的第二聲信號24的接收器。在這種情況下，聲信號12、14和22、24的聲學路徑的交叉導致裝置尤其緊湊的設計，而聲信號12、14、22、24不會以實質性方式被影響。

第一參照元件30和第二參照元件40布置在流體空間5中。兩個參照元件30、40優選地由包括金屬的材料製成。以示例的方式，兩個參照元件30、40由金屬件製成，並且通過支立的塑料栓柱與流體容器1的基底部分3聯接。

兩個參照元件30、40反射至少一部分所發射的第二聲信號22。第一參照元件30與第二聲換能器20相距預定第一距離。第二參照元件40與第二聲換能器20相距預定第二距離，並且尤其，與參照元件30相距精確地已知的距離。藉助於控制單元（未進行任何更詳細地描繪），在反射的第二聲信號24之間的渡越時間差以根據兩個參照元件30、40之間的已知距離的方式確定，並且根據渡越時間差確定在流體容器1中的流體F中的聲速。因此能夠以根據流體F內的聲速和第一聲信號12、14的方式確定流體容器1的基底部分3上方的流體表面O的高度H。

為了以簡單且有成本效益的方式設計兩個聲換能器10、20的組裝，並且為了保持所需要的組裝步驟的數量低，第二聲換能器20以與第一聲換能器10相同的對準方式布置在流體容器1的基底部分3處。

在發射的第二聲信號22的第一階段22a中，其主要發射方向因此同樣地基本上垂直於流體容器1的基底部分3。偏轉元件50布置在流體空間5中，以確保第二聲信號22、24靠近流體容器1的基底部分3的聲傳播基本上平行於基底部分3。

偏轉元件50與流體容器1的基底部分3成45°角，使得垂直於基底部分3的第一階段22a的第二發射的聲信號22偏轉預定角度W，偏轉90°，並且在第二階段22b中，沿兩個參照元件30、40的方向由偏轉元件50反射成基本上平行於基底部分3。以與其類似的方式，由兩個參照元件30、40反射的並且在第一階段24a中基本上平行於基底部分3傳播的第二聲信號24沿第二聲換能器20的方向偏轉90°。

以示例的方式，偏轉元件50由金屬件製成，並且其相對於流體F的聲阻抗具有高的聲阻抗，使得聲信號22、24的大部分得以反射。

在該示例性實施例中，偏轉元件50具有獨立式布置。基底部分3的突出部60中的兩個（在此未進行任何更詳細地描繪）各自均具有槽，其與基底部分3成45°角。在此，兩個突出部60布置成平行於像平面，使得偏轉元件50能夠例如插入槽中。有利地，這節省了安裝空間，這例如擴大了流體空間5的貯槽容積。

在第二示例性實施例（圖2）中，流體容器1的基底部分3具有用於偏轉元件50的機械和聲學聯接的單一的突出部60，偏轉元件50安置在該突出部上。以示例的方式，偏轉元件50通過粘合劑和/或焊接連接額外機械地固定。替代地，偏轉元件50例如集成到突出部60中。

在該示例性實施例中，突出部60被實施為三稜柱，其第一側面以與基底部分3共面的方式布置。三稜柱的第二側面布置成垂直於流體容器1的基底部分3，並且三稜柱的第三側面與基底部分3成 45°角，使得偏轉元件50能夠聯接至突出部60。

當填充流體容器1時，流體空間5中的流體F中能夠包含空氣氣泡。在偏轉元件50的獨立式布置的情況下，這些氣泡能夠被捕獲在偏轉元件50之下並且引起第二聲信號22、24的不受控散射。以有利的方式，這通過將突出部60實施為稜柱被防止，因為流體F不到達偏轉元件50的安置面之下。

在第三示例性實施例（圖3）中，偏轉元件50被實施為例如填充有空氣的腔。相對於流體空間5中的流體F，偏轉元件50具有低的聲阻抗，並且因此聲信號22、24中的大部分得以反射。偏轉元件50有利地布置在流體容器1的基底部分3的突出部60中，使得不需要另外的部件。以示例的方式，突出部60為此在被實施為偏轉元件50的突出部60的腔中包括空氣夾雜。

在第四示例性實施例（圖4）中，流體容器1中流體F的流體表面O的高度H以類似於來自圖3的第三示例性實施例的方式確定。在這種情況下，兩個聲換能器10、20以下述方式彼此在空間上分開，即使得第一聲信號12、14和第二聲信號22、24單獨地傳播，即，彼此不交叉。