在流体容器中用于确定流体的高度和/或品质的设备的制作方法

本发明涉及在交通工具的流体容器中用于确定流体（例如，尿素溶液）的高度和/或品质的设备。

例如，声学测量设备可用于在流体容器中确定流体表面的高度。声学测量设备的声音换能器可操作为声音产生器和声音接收器两者。为了确定流体容器中的流体表面的高度，声音换能器可用于将声音脉冲发射到待测量流体中。声音脉冲可由流体相对于另一介质的边界表面反射。可从声音脉冲的传播时间得出对于流体容器中的流体表面的高度的结论。

此外，单独提供的声音换能器可用于在被布置在流体中的参考反射器的方向上发射声音信号，以便确定流体中的声音速度。在此情况下，声音速度可用于确定流体表面以及确定流体的品质两者。

例如，de102014210080a1公开了在流体容器中用于确定流体表面的高度的设备。从其已知的设备具有：第一声音换能器，被设计成在流体表面的方向上发射声音信号，并且接收在流体表面处反射的信号；以及第二声音换能器，被设计成在被布置在流体容器中的参考元件的方向上发射声音信号，并且接收在参考元件处反射的信号。可从由第二声音换能器发射和再次接收的声音信号确定流体内部的声音速度，所述声音速度转而可用于确定流体表面的高度。

de102014210077a1还公开了在流体容器中用于确定流体表面的高度的设备和方法。

此外，us5744898a公开了具有超声换能器矩阵的设备，所述超声换能器矩阵具有集成收发器电路。

本发明基于提供在流体容器中用于确定流体的高度和/或品质的设备，所述设备使得可能可靠地确定流体的高度和/或品质，同时可以成本有效和高效的方式生产。

此目的利用具有独立权利要求1的特征的设备而实现。在从属权利要求中陈述了本发明的优选和有利实施例。

本发明基本基于以下概念：在交通工具中用于确定流体的高度和/或品质的设备中使用具有多个声音换能器的声音换能器模块，在所述声音换能器模块中，可根据期望设置叠加信号传播方向。与从现有技术已知的流体高度和流体品质传感器相比，这提供的优点是，与仅在一个方向上发射的两个单独声音换能器相反，仅提供单个声音换能器模块，可根据期望设置所述声音换能器模块的叠加信号传播方向。这使得可能省去用于使声音转向的单独偏转元件。

本发明的一个方面公开了在流体容器中用于确定流体的表面的高度和/或流体的品质的设备。所述设备包括：声音换能器模块，具有至少两个声音换能器，所述至少两个声音换能器每个被设计成发射声音信号，使得当至少两个声音信号叠加时导致叠加声音信号；以及参考元件，被布置在流体中，从声音换能器模块隔开预限定距离，并且被设计成反射叠加声音信号。根据本发明，声音换能器模块被设计成通过叠加至少两个声音信号而在到流体的表面的第一方向以及在到参考元件的第二方向两者上发射叠加声音信号，所述第二方向相对于第一方向以预确定声音信号角度延伸。因此，可通过适当地控制声音换能器模块而根据期望设置叠加声音信号的传播方向。

在根据本发明的设备的一个优选配置中，声音换能器模块还被设计成以至少两种不同控制模式控制，使得在第一控制模式中叠加声音信号在到流体的表面的第一方向上发射，并且在第二控制模式中叠加声音信号在到参考元件的第二方向上发射。因此，即使在流体的低填充高度的情况下，也可仅使用一个声音换能器模块而确定流体的表面的高度和流体的品质两者，因为叠加声音信号可在期望方向上（即，在第一方向上或在第二方向上）发射。不言而喻的是，叠加声音信号也可在第一方向与第二方向之间的任何方向上发射。

在此情况下，优选的是，至少两种不同控制模式相对于彼此在时间延迟的情况下执行。优选地，不同控制模式在至少两个声音换能器的控制方面上关于振幅、频率和/或至少两个声音信号之间的相位偏移而不同。

在根据本发明的设备的另一有利配置中，在第一方向与第二方向之间的预确定声音信号角度在大约70°与大约110°之间的范围中，优选地在80°与大约100°之间的范围中，甚至更优选地在大约85°与大约95°之间的范围中，其中，预确定声音信号角度最优选地为大约90°。第二方向优选地基本平行于流体容器的基部部段（也就是说，在基本水平方向上）延伸，使得叠加声音信号可被发射到同样优选地被布置在基部部段上的参考元件，并且甚至可在低填充高度的情况下在该位置反射。

在另一配置中，可为有利的是，至少两个声音换能器呈矩阵的形式被布置在共同平面中。在此情况下，平面相对于流体的表面倾斜预确定倾斜角度，所述倾斜角度优选地在大约25°与大约56°之间的范围中，优选地在大约35°与大约55°之间的范围中，甚至更优选地在大约40°与大约50°之间的范围中，并且最优选地为大约45°。以矩阵被布置的至少两个声音换能器优选地被布置成使得声音信号的相应传输点在共同平面中。

可为优选的是，至少两个声音换能器被布置成从彼此隔开预确定距离。此预确定距离优选地大约是由至少两个声音换能器发射的声音信号的波长的一半的奇数整数倍数（2n-1；n=自然数）。

至少两个声音换能器中的至少一个优选地被分配声音引导元件，所述声音引导元件被设计成至少部分引导来自所分配的声音换能器的声音信号。声音引导元件优选地为基本漏斗形状的，在其中更小的开口面向声音换能器。

在另一有利配置中，根据本发明的设备还具有控制单元，所述控制单元被设计成基于被发射到参考元件、在参考元件处反射并且再次被接收的叠加声音信号而确定流体内部的声音速度，并且基于被发射到流体表面、在流体表面处反射并且再次被接收的叠加声音信号和流体内部的所确定声音速度而确定流体表面的在流体容器的基部部段上方的高度和/或流体的品质。例如，现有流体的声音速度可已提供其成分的指示，特别是在用于排放气体后处理设备（例如，scr催化转化器）的尿素溶液的情况下。

在根据本发明的设备的另一优选配置中，至少两个声音换能器是电容微机械超声换能器(cmut)或压电微机械超声换能器(pmut)。

通过将本教导进行实践，并且考虑所附附图，本发明的其它特征和目的对于本领域技术人员将变得显而易见，在附图中：

图1显示了根据本发明的在流体容器中用于确定流体的高度和/或品质的设备的示意视图，以及

图2显示了通过来自图1的设备的声音换能器模块的截面视图。

贯穿于所有附图，具有相同的设计或功能的元件被提供有相同的附图标记。

在本公开的范围内，术语“流体品质”描述了表征流体的参数。例如，流体的声音速度、流体的密度（流体的化学成分可从其得出）以及流体的电气性质可被解释为表征流体品质的参数。例如，在尿素水溶液（例如，尿素）的情况下，可通过确定尿素水溶液的密度而在水中估测尿素的比例。

图1显示了流体容器1，所述流体容器1具有基部部段3和填充有流体f的流体空间5。例如，流体f是液体介质，用于还原排放气体中的污染物，其优选地具有还原剂和/或还原剂前体，例如，尿素水溶液。可选地，流体f可为油，例如，变速器油，用于交通工具的变速器。

为了在流体容器1中确定流体表面o的高度h，声音换能器模块10被布置在流体容器1的基部部段3上。特别地，优选的是，声音换能器模块10相对于流体表面o以预确定倾斜角度α布置。例如，为了此目的，基部部段可具有对应凹陷4，在其中声音换能器模块10从外部配合到流体容器1。声音换能器模块10连接到控制单元2，所述控制单元2被设计成控制声音换能器模块10，并且评估从声音换能器模块接收的信号，以便确定流体表面o的高度h和/或流体f的品质。

在此情况下，流体表面o的高度h被限定为流体表面o与基部部段3之间的距离（在流体容器1的中性位置中测量，也就是说，不存在有流体容器1的倾斜位置，并且流体表面o基本平行于基部部段3）。流体表面o的高度h还可被称为具有流体f的流体容器的填充高度。

声音换能器模块10例如借助于流体容器1的壳体壁而联接。例如，壳体壁由塑料（例如，由所谓的高密度聚乙烯(hdpe)）形成，这具有的结果是，可将基部部段3焊接在壳体壁中。可选地，声音换能器模块10粘附地结合到壳体壁，或机械地按压抵靠后者，可能还具有另一中间层，以便补偿不均匀性或粗糙度。

声音换能器模块10包括至少两个声音换能器20至90（见图2），所述至少两个声音换能器20至90每个被设计成发射和接收声音信号。声音换能器10可借助于不同的控制而被设计成发射叠加声音信号并且再次接收所述信号，所述叠加声音信号通过叠加来自至少两个声音换能器20至90（见图2）的声音信号而导致。例如，由声音换能器模块10发射的叠加声音信号在图1中利用箭头12、14指示，而再次由声音换能器模块10接收的叠加声音信号由箭头11、13指示。

参考元件8也被提供在流体f中，并且优选地由具有金属的材料形成。参考元件8反射叠加声音信号14的至少一个部分，并且从声音换能器模块10隔开预确定并且恒定的距离。如图1中显示的，可为优选的是，流体容器1内部的参考元件8机械地联接到基部部段3。

如在现有技术中详细描述的，通过评估被发射到流体表面o、在流体表面o处反射并且再次被接收的叠加声音信号12，并且通过评估被发射到参考元件8、在参考元件8处反射并且再次被接收并且可基于其而确定流体f中的声音速度的叠加信号14，确定了流体表面o的高度h和/或流体的品质。

如上文已提到的，本发明至少部分基于包括至少两个声音换能器20至90的声音换能器模块10的概念，所述至少两个声音换能器20至90中的每个分别发射单独的声音信号，所述声音信号基本平行延伸，并且至少部分叠加，使得导致叠加声音信号，可通过适当地控制至少两个声音换能器20至90而根据期望设置所述叠加声音信号的传播方向。

图2显示了通过来自图1的示例性声音换能器10的截面。可从图2得出的是，声音换能器模块10可包括多个声音换能器20至90，其中，其它声音换能器也可被布置在到附图的平面中以及离开附图的平面的方向上。例如，声音换能器模块10具有多个声音换能器（其每个可相同）的矩阵状布置。可选地，还可设想多个声音换能器的任何其它实施例，例如，圆形布置或未分类布置。

声音换能器20至90被布置在共同平面e中（在图2中利用虚线示出）。特别地，多个声音换能器20至90的单独传输点在共同平面e中。可选地，单独传输点可不被布置在共同平面中，这具有的结果是，当同时并且以相同方式控制多个声音换能器20至90时，已产生叠加声音信号18（见图2），所述叠加声音信号不平行于箭头16。

此外，如图2中显示的，声音换能器20至90每个具有预确定距离a。两个相邻声音换能器20至90之间的预确定距离a优选地大约是由声音换能器发射的声音信号的波长λ的一半的奇数整数(n)倍数，也就是说：

。

在此情况下，从声音换能器的假想传输点到相邻声音换能器的假想传输点测量预确定距离a。

图2中的每个声音换能器20至90基本相同，并且优选地呈电容微机械声音换能器(cmut)或压电微机械声音换能器(pmut)的形式提供。每个声音换能器20至90发射声音信号，所述声音信号基本垂直于所述布置的平面延伸（通过示例的方式在图2中利用箭头16示出）。还优选的是，每个声音换能器20至50发射声音信号，所述声音信号相对于频率和振幅基本相同。在此情况下，单独地控制声音换能器20至90，其中，通过在时间延迟的情况下控制声音换能器20至90，可设置多个声音信号的相位偏移，因此可设置叠加声音信号12、14的方向。

可选地，在每种情况下，声音换能器20至90可不同，并且可在不同方向上发射其声音信号。然而，根据本发明，多个声音换能器20至90被设计成每个发射声音信号，使得多个声音信号至少部分叠加，以便产生叠加声音信号18（见图2）。

在其中声音换能器模块10被布置在流体容器1内部（例如，从内部配合到流体容器1的基部部段3）的配置中，可为有利的是，声音引导元件被分配到多个声音换能器20至90中的每个，所述声音引导元件分别被设计成至少部分引导来自所分配的声音换能器20至90的相应声音信号。特别地，相应声音引导元件可为漏斗形状的，其中，更小开口被分配到相应声音换能器20至90。可选地，声音引导元件19是圆柱形的，或具有任何其它适当形状。

根据本发明的设备的控制单元2被设计成控制多个声音换能器，使得当来自声音换能器20至90的多个单独声音信号叠加时产生叠加声音信号，并且叠加声音信号在预确定和期望方向上延伸。在图2中，通过示例的方式，与来自单独声音换能器20至90的声音信号相比，箭头18表示以预确定角度β延伸的叠加声音信号的曲线（profile）。

在此情况下，控制单元2特别地被设计成以不同控制模式控制声音换能器模块10。也就是说，多个声音换能器20至90的单独控制关于至少多个声音信号之间的振幅、频率和/或相位偏移而不同。例如，可在不同时间以不同强度控制多个声音换能器。

再次参考图1，下文的文本简要解释了可如何操作根据本发明的设备，用于确定流体f的流体表面o的高度h和/或流体f的品质。流体f上方的流体空间5填充有另一介质（例如，空气），这具有的结果是，首先由声音换能器模块10发射到流体表面o的叠加声音信号12可在流体表面o到空气的过渡处反射，并且可再次传递返回到声音换能器模块10（见图1中的箭头11）。叠加声音信号12、11在流体表面o的方向上的发射在声音换能器模块10的第一控制模式中执行。

为了此目的，有利的是，使用声音换能器模块10作为发射器以及作为接收器两者。叠加声音信号12、11优选地直接传播，这具有的结果是，防止了障碍物处的功率下降，并且因此可能确定流体容器1的高填充高度。

为了在流体容器1中精确地确定流体表面o的高度h，叠加声音信号11、12、13、14的信号传播速度必须是已知的。为了此原因，执行参考测量。为了即使在流体容器1中的流体表面o的低高度h的情况下（也就是说，例如，在填充高度低于最大填充高度的10%的情况下）也能够执行此参考测量，执行声音换能器模块10的第二控制模式，使得在参考元件8的方向上基本平行于基部部段3靠近于流体容器1的基部部段3发射叠加声音信号14。在参考元件8处反射的叠加声音信号13而后由声音换能器模块再次接收。

参考元件8从声音换能器模块10隔开预限定距离。基于参考元件8的已知距离借助于控制单元2而确定被发射和反射的叠加声音信号13、14的传播时间差，并且基于传播时间差而在流体容器1中确定流体f中的声音速度。

基于所确定的声音速度，而后可通过评估被发射到流体表面o并且再次被接收的叠加声音信号12、11的传播时间而确定高度h。附加地或可选地，可基于声音速度而确定流体f的品质。根据流体f的成分而导致不同声音速度。

例如，叠加声音信号12与叠加声音信号14之间的角度可高达110°。

作为对于图1中显示的配置的可选例，倾斜角度α可为大约0°，也就是说，平面e基本平行于基部部段3延伸。在此类配置中，有利的是，参考元件8不被布置在基部部段3上，而是在流体容器1中，并且可借助于叠加声音信号14而由声音换能器模块10辐射。

在图1中示出的配置中，如上文已描述的，声音换能器模块10从外部配合到流体容器1的基部部段3。特别地，弹性层（未在附图中显示）位于声音换能器模块10与流体容器1的基部部段3的壁之间，并且被设计成将声音换能器模块10紧固到流体容器1，并且在声音信号的声音引导路径中排除空气间隙。因此，声音换能器模块10被设计成通过弹性层和流体容器1的基部部段3的壁将叠加声音信号注入到流体中，并且再次接收其。在此情况下，相位跳转和偏转（所谓的布拉格角）发生在不同介质之间（也就是说，在弹性层与基部部段3的壁之间，以及在基部部段3的壁与流体f之间）的边界表面处，并且可取决于温度，特别是在弹性层的情况下。

因此，控制单元2被设计成控制声音换能器模块10，使得叠加声音信号被注入到流体中，使得导致期望叠加声音信号方向。为了此目的，可为有利的是，考虑流体的温度，这可为弹性层的温度提供良好估测。