用于进行品质确定的设备，箱设备的制作方法

本发明涉及一种用于对液体、尤其是废气后处理剂进行品质确定的设备，所述设备具有至少一个能布置在储存液体的箱中的检查单元，所述检查单元具有：至少一个超声波换能器，用于发送和接收超声波信号；和至少两个超声波反射器面，用于将发送的超声波信号反射回所述至少一个超声波换能器。

此外，本发明还涉及一种箱设备，尤其是用于机动车废气后处理系统的还原剂箱设备，所述箱设备具有用于储存和提供液体、尤其是废气后处理剂的箱和用于对液体进行品质确定的设备，其中，所述设备具有至少一个布置在箱中的检查单元。

背景技术：

由现有技术已知开头提及类型的设备和箱设备。为了满足对具有内燃机的机动车的废气排放的越来越严格的法规，需要尤其在柴油机中减少废气中的氮氧化物(nox)。为此，使用废气后处理系统，该废气后处理系统选择性地借助氨水将氮氧化物还原为氮气。尤其，所谓的选择性催化还原(scr＝selectivecatalyticreduction)在此已经被证明为特别有效的。在此，使用尿素水溶液作为还原剂，该尿素水溶液被引入到处于scr催化器上游的废气道中。尿素溶液在催化剂前面和/或催化剂中形成氨气，该氨气最终借助scr催化器实现废气中的氮氧化物的所希望的减少。

为了确保废气后处理装置的可靠运行，可以在箱内以充足的量和品质提供还原剂。在尤其由于液体中的还原剂浓度过低造成品质过低的情况下，废气后处理系统的效率显著降低。在尿素含量过高或者说尿素浓度过高的情况下，所形成的过多氨气没有与废气中的氮氧化物反应，并且排放出氨气。因此，能够监测还原剂的品质或浓度、尤其是还原剂中的尿素含量的品质或浓度而且还感测不允许地以水代替还原剂来补充充注箱，是非常重要的。

由现有技术已知用于无触碰地借助超声波信号来监测还原剂的品质或浓度的多种不同设备。因此，例如公开文本us2016/041024公开了一种上述类型的设备。该设备具有压电式声波换能器作为超声波换能器，该超声波换能器同时是发送器和接收器。超声波换能器首先将超声波信号发送到位于箱中的液体中，其中，该超声波信号通过超声波反射器反射回超声波换能器并且再次进入液体。由超声波信号的在此在发送和接收之间测量出的传播时间并且由假定已知的传播路径长度识别出液体声速并从而识别出液体中的还原剂的浓度。然而，由于系统中所使用的材料的变化与温度有关、与机械有关并且与老化有关，因而实际的测量路径可能发生变化，由此测量结果可能改变。为了考虑这种改变，在公开文本de102015212622al中提出，对反射器的热变形进行物理建模，并且在分析评价所测量的传播时间时借助与温度有关的修正系数来考虑该传播时间。

此外，由公开文本de102013219643al已知，设置两个反射器来减少测量路径的取决于热和老化的变化，这些变化对检查单元的精度产生负面影响。在此，反射器分别构造为反射器柱体，该反射器柱体的外周面构成反射器面，使得对应的反射器面布置在独立的载体元件上，其中，反射器柱体紧固或者说保持在独立的底板上。此外，浓度确定在此不基于对超声波信号的传播时间测量，而是基于对在布置成与换能器相距不同距离的两个反射器柱体之间所测量的传播时间差进行分析评价。由公开文本de102011086774al也已知另一个种用于进行品质确定的设备，其中，在此反射器布置为相对于声波换能器成一个角度。

技术实现要素：

具有权利要求1的特征的本发明设备具有以下优点：它可以低成本地制造，并且检查设备的测量精度得到明显改进。通过至少两个反射器面的有利布置和构型，优化了测量精度，并且尤其即使当测量介质中的温度和/或周围环境温度改变时也能提供精确的测量结果。在此，通过该有利的设备也考虑了由于制造公差和/或装配公差以及通过由材料决定的老化效应而可能产生的机械应力。在此，本发明基于以下构思：利用两个声音传播路径，它们具有由于反射器几何形状已知的、出于这两个路径之间的传播路程差。根据本发明，为此，检查单元具有至少两个超声波反射器面，这两个超声波反射器面以与超声波换能器相距不同距离的方式直接构造或布置在共同的且一件式构造的载体元件上。因此，由载体元件和至少两个超声波反射器面组成的反射器单元或者说反射器构件是一个结构单元，在该结构单元中，反射器面相对彼此的布置方式在制造时或在箱外预装配时已经预先给定。由于是一件式构造的载体元件，在测量超声波信号的传播时间差异时，不同的热膨胀系数不产生影响或仅产生次要影响。载体元件的材料优选这样选择，使得该载体元件在所设置的温度范围内具有尽可能小的热膨胀。热膨胀的剩余影响可以通过有利的构造系统性地被修正。通过优选使用差值测量原理，使在装配时的位置公差或定向公差的影响进一步最小化。超声波换能器与对应的超声波反射器面之间的绝对间距不纳入对传播速度的计算中，从而不必是已知的并且也不必在应用范围内是恒定不变的。真实的测量段仅通过具有一件式构造的载体元件的反射器构件来确定。载体元件例如通过低成本的制造方法、例如冲压方法或改型方法或还有挤压方法来制造。由此，也能在大规模制造中实现低成本制造。反射器构件的构造并不限于存在两个超声波反射器面，而是也可以在载体元件上构造或布置两个以上的超声波反射器面。

根据本发明的一个优选扩展方案，超声波反射器面构造为用于将超声波信号直接反射回超声波换能器。这意味着，超声波反射器面与超声波换能器相对置地布置，以确保直接的回射。由此，得到检查单元的特别简单的结构，在该结构中，待感测的传播时间差直接由这些超声波反射器面在朝向超声波换能器的方向上相对彼此的距离得到。

根据本发明的另一个实施方式，优选设置，这些超声波反射器面中的至少一个构造为用于超声波信号在其被反射回超声波换能器之前被至少偏转一次。在这种情况下，超声波信号因此不是由这些超声波反射器面中的至少一个直接被反射回超声波换能器，而是首先被偏转或反射到至少一个另外的反射器面、尤其是至少一个另外的超声波反射器，超声波信号从该至少一个另外的超声波反射器被偏转回或反射回超声波换能器。通过多次偏转，提高了被反射回的超声波信号的传播时间差。两个反射回的超声波信号的传播时间差必须至少如此大，使得两个超声波信号可以在时间上相对彼此明确地分开。此外，由于传播路程差更长，更长的传播时间差也提高了介质表征的精度。通过上述的有利构造，以简单的方式提高了传播路程差。当前认为，两个超声波信号被反射回超声波换能器，然而也可以将超过两个的超声波信号反射回，例如其方式是，至少三个或更多的超声波反射器与超声波换能器相对置并且将所发送的超声波信号以不同的方式直接或间接地反射回该超声波换能器。

根据本发明的一个优选构造，这些反射器面中的至少一个具有曲率或者是弯曲的，尤其构造为凹形的或凸形的。由此，超声波信号的信噪比得到改善。根据超声波反射器面的曲率也可以实现声场聚焦。为此，有关的超声波反射器面例如以抛物线、球壳区段或柱体壳区段的形状成型。

此外，这些反射器面中的至少一个优选布置为在超声波换能器旁边且沿超声波信号的传播方向相对于超声波换能器偏移并且与这些超声波反射器面中的另一个相对置。从而，其中一个超声波反射器面位于超声波换能器旁边，然而沿传播方向相对于该超声波换能器偏移，使得所述信号一方面在两个超声波反射器面之间不具有相同的传播时间，并且另一个方面在超声波换能器和另一个超声波反射器面之间不具有相同的传播时间，使得可以明确地对所接收的超声波信号进行分析评价，并且尤其能将多次反射彼此很好地分开。其中一个超声波换能器将所感测的信号反射回另一个超声波换能器，该另一个超声波换能器接下来将经多次反射的超声波信号反射到该超声波换能器。由此，得到由超声波换能器所感测的两个超声波信号之间的特别大的传播时间差。

此外，优选，其中一个或另一个超声波反射器面具有弯曲的反射器面，而尤其其中另一个或一个超声波反射器面具有直的或者说平面的表面。在此，尤其与超声波换能器是发送发散的超声波还是平面波有关地选择曲率。如果超声波换能器发送发散的波作为超声波信号，则相对置的超声波反射器面优选构造为这样弯曲，使得反射回的超声波是平面的。由此实现：经反射回的超声波信号的一部分到达超声波换能器上，而另一个部分到达位于旁边的超声波反射器上。到达超声波换能器上的所述一部分被探测为第一回波。所述另一个部分在与超声波换能器相对置的超声波反射器面上被反射回，在那里再次到达弯曲的反射器面上并且在再次被反射的情况下被偏转回到超声波换能器上，在那里所述另一个部分作为第二回波被接收。然而，如果超声波换能器发送平面波作为超声波信号，则与超声波换能器相对置的超声波反射器符合目的地这样弯曲地或平面地构造，使得反射回的超声波信号或者说反射回的波是弯曲的并且由此不但到达超声波换能器而且到达位于该超声波换能器旁边的超声波反射器。

此外，优选设置，该载体元件在无反射器的区域中具有至少一个缺口。由此，降低了载体元件的重量并且此外也减少了能够反射超声波信号的面的数量。由此，有利地减少了干扰信号和信号噪声。

根据本发明的一个优选扩展方案，超声波反射器面中的至少一个构造为载体元件上的涂层。由此确保各个超声波反射器面在载体元件上的特别简单且精确的定位。优选尤其使用金属、陶瓷或具有高声学阻抗的其它材料作为用于对应的超声波反射器的材料。在使用腐蚀性介质/液体的情况下，优选使用不锈钢或在必要情况下具有表面涂层的其他金属。填充塑料也是已知的，其中，例如设置热固性塑料或热塑性塑料作为塑料。尤其，对应的超声波反射器面通过添加式制造方法来制造。由此，得到对应的反射器面在载体元件上的高度精确布置。由此，连同载体元件的一件式构造在实施品质确定时得到特别高的精度。

优选，超声波反射器面这样布置，使得超声波信号在所述超声波反射器面中的至少一个上被多次反射。通过多次反射例如能延长超声波信号的传播路程，以便能够实现改进的信号分析评价。

此外，该设备优选具有控制器，该控制器构造为用于操控检查单元，尤其是超声波换能器，并且用于产生和接收突发信号作为超声波信号，以便根据从这些超声波反射器面反射回的超声波信号的传播时间差来确定液体的质量浓度。突发信号的频率范围优选在0.5mhz至10mhz之间，优选在1mhz至2mh之间。更高的频率可以实现超声波场的更好的空间聚束(bündelung)以及可以更精确地确定传输时间。然而随着频率不断增大，声能在传播介质中的吸收也会增大。控制器也构造为用于分析评价由超声波换能器接收的超声波信号或者说回波，以实施品质确定。尤其，控制器构造为用于借助对接收信号(回波)的电压幅度的简单阈值确定或通过零点探测来确定超声波换能器、尤其压电陶瓷的电激励和所接收的回波之间的传播时间或者用于在确定了包络线之后或在使用用于由时间信号确定传播时间的相关方法或其他已知方法的情况下求取最大振幅的到达。

具有权利要求11的特征的本发明箱设备的特点在于所述设备的本发明构造。由此得到已经提到的优点。

附图说明

尤其由前面的所述内容以及由权利要求得到进一步的优点和优选的特征及特征组合。下面，借助附图更详细地阐明本发明。为此在附图中：

图1示出有利的箱设备的简化侧视图；

图2示出箱设备的有利的检查单元的第一实施例的简化图；

图3示出检查单元的第二实施例的简化图；

图4示出检查单元的第三实施例的简化图；

图5示出检查单元的第四实施例的简化图；

图6示出检查单元的第五实施例的简化图；

图7示出检查单元的第六实施例的简化图；

图8示出检查单元的第七实施例的简化图；和

图9示出检查单元的第八实施例的简化图。

具体实施方式

图1以简化示图示出用于机动车废气后处理系统的有利的箱设备1。箱设备1具有箱2，在该箱中贮存有液体的废气后处理剂、尤其是还原剂3。在箱2中布置提取模块4，其中，提取模块4尤其位于箱2的底部。提取模块载有输送装置5，借助该输送装置可以将还原剂从箱2中抽吸出并且借助管线6输送到例如配量阀或喷射阀。此外，提取模块4尤其具有连接在输送装置5前面的过滤器以及可选地具有加热装置，以便在必要情况下使被冻结的废气后处理剂解冻。还原剂尤其是用于产生氨气的尿素水溶液，氨气与机动车内燃机的废气以减少氮氧化物的方式相互作用。为了确定液体中的尿素浓度，存在检查单元7，该检查单元当前也配属于提取模块4。替代地，检查单元7独立地存在于箱2中。检查单元7与控制器8一起构成了设备9，该设备用于通过确定浓度来对位于箱2中的液体进行品质确定。

下面，借助图2至9更详细地阐明检查单元7的不同实施例。这些实施例具有以下共同点：检查单元7分别具有超声波换能器和至少两个超声波反射器面，其中，所述超声波反射器面布置或构造在一件式构造的载体元件上。

图2以简化示图示出检查单元7的第一实施例。如上所述，检查单元7具有可由控制器8操控的超声波换能器10，该超声波换能器构造为压电式陶瓷超声波换能器。与超声波换能器相对置地布置有两个超声波反射器面11和12，这两个超声波反射器面布置在共同的并且一件式构造的载体元件13上。

原则上，由现有技术已知的是，使用超声波换能器来确定流体特性。在此，测量原理基于在超声波换能器和接收器之间的传播路径已知的情况下在液体介质中的传播时间测量。通过声音信号在流体中的如此求取的传播速度和在必要情况下所感测的其它测量参量、例如流体温度，可以求取不同的介质特性。这样的超声波换能器例如用于求取和监测位于箱中的尿素-水溶液的质量浓度。超声波换能器将电信号转换成声波并且将该声波辐射到液体中或者辐射到位于箱2中的液体中。接收器将到达其上的且由超声波换能器发送的超声波信号转换为此后可被分析评价的电信号。已知的超声波换能器不但用作发送器而且用作接收器并且利用压电效应，以在声音和电信号之间进行转换。在所谓的脉冲回波运行中，需要至少一个反射器，该反射器将由超声波换能器10辐射出的声波通过已知的传播路径反射回到该反射器上。在此，可以考虑超声波换能器10的起振行为和减振行为。这导致测量段的预先确定的最小长度，从而超声波换能器10在发送超声波信号时所产生的机械振动如此程度地被衰减，使得在接收被散射回的回波(被反射回的超声波信号)时能够实现发送信号和接收信号之间的明确分开。

通过检查单元7的在图2中示出的有利构造得到测量段δl，该测量段不是由反射器面与超声波换能器10的间距得到，而是由反射器面11、12相互之间的间距得到。

两个超声波反射器面11、12与超声波换能器10相对置地布置。在此，载体元件13构造为阶梯形，其中，反射器面11位于第一级上，而反射器面12位于第二级上。在此，第二级与带有反射器面11的第一级相比距超声波换能器10更远。因此，在各个超声波反射器面11、12和超声波换能器10之间得到不同的传播路程l1和l2，由这两个传播路程的差得到测量段δl＝l2-l1。因此，测量段通过一件式的载体元件13被确定。现在，由传播时间差δt和传播路程差δl计算出超声波信号cf的传播速度：cf＝δl/δt。

因此，超声波换能器10和超声波反射器面11，12之间的绝对间距不被纳入计算中并且从而也不必是已知的或恒定的。由于载体元件13一件式地构造，因而在所设置的使用温度范围内几乎不发生或仅少量地发生热膨胀，而这种热膨胀对两个超声波反射器面11，12产生相同影响。由超声波换能器10所接收的两个回波或者说两个反射回的超声波信号的传播时间差至少如此大，使得两个超声波信号在时间上相对彼此明确地被分开。在此，由于更长的传播路程差而造成的更长传播时间差提高了介质表征的精度。此外，也可以实现两个以上的传播路径并因此考虑两个以上的回波来进行分析评价，如更下面详细阐明的那样。

根据图2的当前实施例，反射器11，12构造为平坦的超声波反射器面11，12或者说构造为具有平坦/平面的反射器面的超声波反射器面11，12。为了实现尤其被反射回的超声波信号的尽可能高的信号振幅，选择合适的反射器材料。此外，通过各个超声波反射器面11、12的反射器几何结构的弯曲形状，可以实现向着超声波换能器11的聚束回射。

在选择反射器材料时，尽可能高地选择各个超声波反射器面11、12的声学阻抗zr。介质的声学阻抗由介质的比密度和介质中的声音传播速度的乘积得到。在假设平面波从液体入射到对应的超声波反射器11，12上的情况下，振幅反射系数r由箱2中的液体的声学阻抗zf和对应的超声波反射器面11，12得到，zr：r＝(zr-zf)/(zr+zf)。

当反射器的阻抗zr明显大于流体的阻抗：zr>>zf时，对于要表征的流体的给定声学阻抗zf得到高的回散射。作为反射器材料尤其可以考虑金属、陶瓷或具有高声学阻抗的其他材料。在应用于腐蚀性液体中的情况下，尤其使用不锈钢或其他金属，必要情况下可以使用具有表面涂层来得到保护的不锈钢或其它金属。其他替代方案是填充塑料，例如用金属或陶瓷粉末填充的热固性塑料或热塑性塑料。对应的超声波反射器11、12优选通过添加式制造方法直接制造在载体元件13上。

图3示出检查单元7的第二实施例，该第二实施例与前一个实施例的不同之处在于，传播时间差由于多次反射而增大。与前一实施例不同之处在于，第二反射器面12相对于超声波换能器10并因此也相对于超声波反射器面11不是平行地定向，而是倾斜地定向，使得超声波信号被反射器面12倾斜地反射回。在此，在载体元件13上布置有第三反射器面14，信号被反射器面12反射到该第三反射器面上，如由虚线箭头所示出那样。超声波反射器面14这样布置，使得该超声波反射器面又将所反射的超声波信号反射回超声波换能器10。由此，由超声波反射器面12反射的超声波信号的传播时间被延长，并且测量得到优化。当前，第三超声波反射器面14也构造为平面的反射器面。

图4示出检查单元7的第三实施例，该第三实施例与第二实施例的不同之处在于，在载体元件13中构造多个缺口15。缺口15分别构造在载体元件13的无反射器的区域中，并且一方面用于减轻重量并且另一个方面用于使载体元件的面上的干扰的回射最小化，这些干扰的回射不是超声波信号的期望传播路径的一部分。尤其，仅载体元件的用于反射和机械稳定性所必需的面由具有高声学阻抗的材料制成，而载体元件的其他区域由具有更低声学阻抗的材料组成，例如由塑料制成。尤其，如前所述，载体元件总体上由塑料组成，而反射器面11、12和14由具有高阻抗的材料组成。

图5示出检查单元7的第四实施例，该第四实施例与前一个实施例的不同之处在于，多次偏转的传播路径具有更长的路程段。为此，根据图5的实施例，第一反射器11布置得更靠近超声波换能器10。为此，反射器11布置在载体元件13的前置面(vorgesetzte)上。此外，本实施例中的第二超声波反射器12不是构造为平面的，而是构造为曲面的，以便实现超声波信号向着第三超声波反射器面14和超声波换能器10的聚焦回射。为此，超声波反射器12的曲面尤其构造为抛物线形、球区段形或柱区段形。

图6示出检查单元7的另一个实施例，该实施例与图2的实施例的不同之处尤其在于，载体元件13总体上构造为柱形，其中，该载体元件具有直径为d1的第一区段16和直径为d2的第二区段17，其中，直径d1明显大于直径d2，使得一方面在区段16上得到反射器12作为环形反射器面并且在区段17的端侧上得到反射器11。由此，得到能低成本且节省安装空间地实现的旋转对称的反射器构件。

图7示出检查单元7的第六实施例，该实施例与图5的实施例的不同之处在于，在反射器面12上发生多次反射。为此，第二反射器面12和第三反射器面14相对彼此这样布置，使得从反射器面12反射或偏转到反射器面14的超声波信号从反射器面14偏转回到反射器面12并且从那里反射回超声波换能器10。为此，尤其设置由平面的反射器面12和14构成的角度α＝45°。

图8示出检查单元7的第七实施例，该第七实施例与前一个实施例不同之处在于，第二反射器12布置为在超声波换能器10旁边并且相对于超声波换能器沿超声波信号的传播方向偏移。尤其，超声波换能器10位于反射器12内，该反射器因此在至少两个侧上包围超声波换能器10。如前所述，反射器面11与超声波换能器10相对置，然而具有基本上与反射器面12的面相应的面。根据当前实施例，超声波换能器10构造为用于发送分散的超声波，如通过图8中的实线所示。所发送的超声波信号到达超声波反射器面11上，该超声波反射器面本身又具有曲率，该曲率这样选择，使得由该曲面反射的超声波作为平面波被反射回超声波换能器10和反射器面12，如通过虚线所示。这些波被超声波换能器10感测为第一回波。由于这些波还到达超声波反射器面12，因而这些波在该超声波反射器上被反射回反射器面11，这些波从那里被反射回超声波换能器10作为第二回波。

图9示出第八实施例，该实施例与图8的实施例不同之处在于，超声波换能器10构造为用于发送平面的超声波信号或者说波，如实线所示出那样。通过第一反射器面11的曲率，分散的超声波被反射回，这些分散的超声波不仅到达超声波换能器10上作为第一回波，而且到达第二超声波反射器面12上，以便从那里被反射回第一反射器面11上，该第一反射器面又将这些波反射回超声波换能器10作为第二回波。在此，这样选择反射器面11的曲率，使得发散的波沿超声波换能器10的方向被反射回。由于波束扩宽，这些波的一部分也到达第二反射器面12上，该第二反射器面根据本实施例也构造为弯曲的，使得发生波聚焦，通过这种波聚焦使超声波信号以聚焦的方式从反射器面12反射回反射器面11，使得这些波再次到达弯曲的反射器面11上。