DE19511556C1 - Sensoranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung nach dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1.

Aus der US 4 646 070 ist eine Anordnung zur Bestimmung des Alterungszustands von Schmieröl in Verbrennungsmotoren be­ kannt, bei welcher mittels eines kapazitiven Sensors, des­ sen Elektrodenmeßraum mit dem Schmieröl ausgefüllt ist, die Dielektrizitätskonstante des Öls ermittelt und daraus eine Aussage über den Alterungszustand abgeleitet wird.

In der US 4 629 334 ist eine Sensoranordnung bekannt, bei welcher durch Messen des Widerstands eines zwischen den Elektroden eines elektrischen Sensors befindlichen Öls auf dessen Alterungszustand geschlossen wird. Durch gleichzei­ tige Messung der Temperatur mittels eines integrierten Temperatursensors können Temperaturabhängigkeiten des Öl­ widerstands kompensiert werden. In der elektrischen Aus­ werteeinrichtung ist zusätzlich noch ein Detektor vorgese­ hen, der bei Abwesenheit von leitfähigem Öl zwischen den Elektroden des Sensors ein Alarmsignal auslöst.

Elektrische Sensoren sind auch zur Füllstandsmessung von Flüssigkeiten in Behältern bekannt, beispielsweise aus der US 4 745 893, wo die Kapazität eines teilweise flüssig­ keitsgefüllten Kondensators als Maß für den Füllstand aus­ gewertet wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vorteilhafte Sensoranordnung zur Bestimmung von Zu­ stand und Füllstand einer Flüssigkeit in einem Behälter anzugeben.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 angegeben. Die Un­ teransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Mit der Erfindung ist eine Anordnung gegeben, die kompakt ausführbar ist und auf einfache Weise eine zuverlässige Messung von Qualität und Füllstand einer Flüssigkeit in einem Behälter ermöglicht. Die Anordnung ist mechanisch und elektrisch einfach und robust ausführbar und damit auch besonders für den Einsatz in Fahrzeugmotoren ge­ eignet.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch weiter veranschaulicht. Dabei zeigt

Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform einer Sensoranord­ nung,

Fig. 2 eine alternative Ausführungsform.

Bei der in Fig. 1 skizzierten Anordnung sind in einem Ge­ häuse G ein erster Sensor mit einer äußeren Elektrode A1 und einer inneren Elektrode B1 und ein zweiter Sensor mit einer äußeren Elektrode A2 und einer inneren Elektrode B2 untergebracht. Die Elektroden sind koaxial angeordnete kreiszylindrische Rohre und schließen einen ersten Meßraum M1 des ersten Sensors und einen Meßraum M2 des zweiten Sensors zwischen sich ein. Die Rohre können metallisch sein oder auch aus oberflächenmetallisiertem Kunststoff bestehen.

Vorzugsweise sind die äußeren Elektroden A1 und A2 elek­ trisch verbunden und bilden ein einheitliches durchgehen­ des Rohr, welches fest im Gehäuse G eingebettet ist. Die inneren Elektroden B1 und B2 sind durch Distanzkörper D1, D2, D3 aus nichtleitendem Material, vorzugsweise Kunst­ stoff, gegeneinander und gegen die äußeren Elektroden iso­ liert und geometrisch fixiert. Vorzugsweise bilden die Di­ stanzkörper D1, D2, D3 mit den inneren Elektroden B1, B2 eine fest Zusammengefügte und gekapselte bauliche Einheit, die in das Gehäuse und die äußeren Elektroden selbstju­ stierend einsteckbar ist und z. B. durch eine Sicherungs­ scheibe oder einen Sicherungsring S gehalten ist.

Im skizzierten Beispiel greift der untere Distanzkörper D1 zentrierend in eine Ausnehmung am Fuße des Gehäuses G ein, der mittlere Distanzkörper D2 zentriert über mehrere an seinem Umfang verteilte Abstandsnoppen die inneren Elek­ troden innerhalb der äußeren Elektroden und der obere Di­ stanzkörper D3 zentriert und fixiert die inneren und äuße­ ren Elektroden gegeneinander und im Gehäuse und schließt das Gehäuseinnere nach oben ab. Am oberen Gehäuserand ist ein Befestigungsflansch F vorgesehen. Zur elektrischen Verbindung mit Auswerteeinrichtungen ist ein Kabel K in eine Öffnung des oberen Distanzkörpers D3 eingeführt und z. B. durch Kleben oder Vergießen gekapselt und befestigt. Für die elektrische Zuführung zu der inneren Elektrode B1 des ersten Sensors ist im mittleren Distanzkörper eine Durchführung vorgesehen. Die elektrische Kontaktierung kann z. B. über klemmend eingesetzte Federkontakte erfol­ gen.

Zwischen der äußeren Elektrode A2 des zweiten Sensors und der Gehäusewand kann wie skizziert ein Zusatzraum R vorge­ sehen sein. Das Gehäuseinnere steht mit der Flüssigkeit in dem Behälter über eine oder mehrere Öffnungen Z am unteren Gehäuserand nach Art kommunizierender Röhren in Verbin­ dung. Das Sensorgehäuse kann auch räumlich von dem Behäl­ ter entfernt angeordnet sein, wenn durch eine Rohr-, Schlauch-, Kanal- oder ähnliche Verbindung der Flüssig­ keitspegel im Behälter mit dem Flüssigkeitspegel im Sen­ sorgehäuse kommuniziert. Die Öffnungen Z können mit einem Schutzsieb gegen Partikelverunreinigungen versehen sein. Die Funktion eines Partikelsiebs kann auch durch konstruk­ tive Gestaltung des Gehäuses und/oder der Distanzkörper in der Weise, daß die wirksamen Durchströmungsquerschnitte durch eine Mehrzahl von Öffnungen kleinen Querschnitts ge­ bildet sind. Belüftungsöffnungen L am oberen Ende des Meß­ raumes M2 und des Zusatzraumes R gewährleisten einen druckunterschiedsfreien Zu- und Ablauf von Flüssigkeit.

Dabei stehen vorzugsweise der Meßraum M2 des zweiten Sen­ sors und der ggf. vorhandene Zusatzraum R mit der Behäl­ terflüssigkeit nur über dem Meßraum M1 des ersten Sensors in Verbindung, so daß bei variierenden Flüssigkeitspegeln ein regelmäßiger Zustrom neuer Behälterflüssigkeit in den Meßraum M1 des ersten Sensors gewährleistet ist. Hierzu sind bei durchgehendem Rohr für beide äußere Elektroden A1, A2 Durchbrüche P oberhalb des ersten Sensors vorgese­ hen. Der Zusatzraum R, dessen horizontale Querschnittsflä­ che vorzugsweise größer bemessen ist als die des Meßraums M1, bewirkt auch bei geringeren Pegelschwankungen der Be­ hälterflüssigkeit einen Flüssigkeitsdurchsatz durch den Meßraum M1, welcher im Regelfall das Volumen des Meßraums M1 übertrifft und damit zu einem regelmäßigen Austausch der Flüssigkeit in M1 führt. Der Querschnitt des Meßraumes M2 kann demgegenüber durch die Meßmethode, insbesondere für kapazitive Messungen beschränkt sein.

Die Bemessungen von Volumen des Meßraums M2 und des Zu­ satzraums R einerseits und die Strömungsquerschnitte vom ersten Meßraum M1 und Öffnungen Z können vorteilhafter­ weise so abgestimmt sein, daß kurzfristige Füllstands­ schwankungen gedämpft werden. Der Ausgleich von Füll­ standsschwankungen kann statt dessen oder zusätzlich auch elektronisch bei der Auswertung erfolgen.

Im folgenden ist als bevorzugter Anwendungsfall der Ein­ satz der Sensoranordnung als Schmierölsensor in einem Ver­ brennungsmotor zugrundegelegt.

Die Anordnung ist vorzugsweise so dimensioniert, daß im regulären Betrieb der untere erste Meßraum M1 des ersten Sensors vollständig und der obere zweite Meßraum M2 des zweiten Sensors teilweise mit Öl gefüllt ist.

Die Messung der Impedanz des ersten Sensors liefert daher einen füllstandsunabhängigen Meßwert, aus welchem durch Vergleich mit gespeicherten oder als Schwellwerte einge­ stellten Referenzwerten, die z. B. durch Messung mit neuen Ölen gewonnen sind, ein Zustandssignal als Bewertung des Alterungsgrades bzw. der Qualität des Öls abgeleitet wer­ den kann.

Die Impedanz des zweiten Sensors ist in erster Linie ab­ hängig vom aktuellen Füllstand, sowie in geringem Umfang vom Zustand des Öls. Der mit dem ersten Sensor gemessene Impedanzwert wird zur Kalibrierung des gemessenen Impe­ danzwerts des zweiten Sensors herangezogen, wodurch der Einfluß der alterungsbedingten Veränderungen der elektri­ schen oder dielektrischen Eigenschaften des Öls bei der Füllstandsmessung kompensiert werden kann.

Mit einem leicht zu integrierenden Temperaturfühler, vor­ zugsweise im Innern der Elektrode B1, kann die Sensoran­ ordnung für die Messung der Temperatur als weiteren Be­ triebsparameter ergänzt werden. Hiermit können gegebenen­ falls auch Temperatureinflüsse in den Impedanzwerten kom­ pensiert werden.

Der Einsatz des ersten Sensors nur zur füllstandsunabhän­ gigen Qualitätsbestimmung des Öls kann bei Motoren mit ge­ ringer Bauhöhe eine Reduzierung der Höhe des ersten Sen­ sors erfordern, die zu sehr kleinen und damit meßtechnisch schwieriger erfaßbaren Impedanzmeßwerten führt. Eine Ver­ besserung kann in solchen Fällen erreicht werden, indem nicht der gesamte zu detektierende Füllstandsbereich durch den oberen zweiten Sensor abgedeckt wird, sondern der un­ tere erste Sensor sowohl zur Bestimmung der Ölqualität bei vollständig gefülltem Meßraum M1 als auch zur Erkennung niedriger Füllstände bei nur teilweise gefülltem Meßraum M1 herangezogen ist.

Impedanzmeßwerte des unteren ersten Sensors werden nur dann zur Qualitätsbestimmung und als Kalibrierreferenz ausgewertet, wenn der Meßraum M1 des ersten Sensors voll­ ständig mit Öl gefüllt ist. Dies kann z. B. dann als gege­ ben angenommen werden, wenn das Vorhandensein zumindest einer geringen Ölmenge im Meßraum M2 des zweiten Sensors aus dem Impedanzwert des zweiten Sensors feststellbar ist. Der in einem solchen Fall gemessene Impedanzwert des er­ sten Sensors wird als Zustandssignal für die Qualität des Öls und als Kalibrierreferenz gespeichert. Der Speicher­ wert wird durch neue im Sinne eines vollständig gefüllten ersten Meßraums M1 gültige Impedanzwerte des ersten Sen­ sors aktualisiert. Anhand des gespeicherten Impedanzwerts kann aus dem Impedanzwert eines nur teilweise gefüllten ersten Meßraums ein Füllstand ermittelt werden. Vorteil­ hafterweise kann die Trennfuge zwischen erstem und zweiten Sensor in eine Höhe gelegt werden, die bei minimaler Öl­ füllmenge und höherer Motordrehzahl dem Ölpegel in der Öl­ wanne entspricht. Im normalen Betriebszustand liefert dann wie bereits im Detail beschrieben der untere erste Sensor ein Qualitätssignal und der obere zweite Sensor ein Füll­ standssignal. Bei aufgrund abnehmender Ölfüllmenge und/oder extremen Betriebszuständen unter die Höhe der Trennfuge absinkendem Ölpegel kann aus der gemessenen Im­ pedanz des ersten Signals ein Niedrig-Füllstandssignal ge­ wonnen werden. Dieser Zustand kann auch als Kriterium für ein Ölnachfüll-Anzeige oder als Auslöser für ein Ölver­ lust-Alarmsignal dienen.

Vorteilhaft für die Erzielung einer hohen Meßgenauigkeit bei kapazitiver Messung ist es, wenn beide Sensoren glei­ che Kapazitätswerte aufweisen und dadurch der Meßbereich einer nachgeschalteten Elektronik optimal ausgenutzt wird. Insbesondere ist dies von Bedeutung, wenn beide Sensoren über eine Multiplex-Schaltung mit einer gemeinsamen Aus­ werteelektronik zeitlich abwechselnd verbunden werden.

Dies kann erzielt werden durch vergleichbare Bauhöhen bei gleichen Querabmessungen oder durch unterschiedliche Quer­ abmessungen bei stark unterschiedlichen Bauhöhen.

Die Kalibrierung des Impedanzwerts des zweiten Sensors durch den füllstandsunabhängigen Impedanzwert des ersten Sensors kann unterstützt oder u. U. auch ersetzt werden durch eine Selbstkalibrierung des zweiten Sensors mittels einer gezielt eingebauten Diskontinuität im Verlauf der Füllstand/Impedanz-Kennlinie. Hierfür kann beispielsweise ein Einschnitt, eine Kerbe oder ähnliches an einer der Elektroden des Sensors eingebracht werden, die bei konti­ nuierlicher Füllstandsveränderung einen Sprung im zeitli­ chen Signalverlauf bewirken, der z. B. mittels einer Diffe­ renzierstufe detektiert werden kann. Der dann aktuelle Im­ pedanzwert ist einem bestimmten Füllstand entsprechend der Position des Einschnitts usw. zuordenbar, woraus sich die Kalibriermöglichkeit ergibt. Eine Ausführung mit mehreren Marken, die z. B. mit einem Füllstandsmaximum oder -mini­ mum korreliert sind, ist möglich.

Eine alternative Ausführung zu der in Fig. 1 skizzierten Anordnung zweier Sensoren übereinander ist in Fig. 2 sche­ matisch dargestellt. Die beiden Sensoren sind hier durch ein und dieselbe Elektrodenanordnung realisiert, die im Zeitmultiplex als erster Sensor zur füllstandsunabhängigen Qualitätsmessung einerseits und als zweiter Sensor zur Füllstandsmessung dienen. Hierzu ist ein Meßraum M3 mit den Elektroden A3, B3, die z. B. wiederum als ineinanderge­ stellte Kreiszylinder ausgeführt sein können, für die Füllstandsmessung nach Art der kommunizierenden Röhren über eine am Fuß des Sensors angeordnete Öffnung Z mit dem Ölbehälter verbunden und liefert bei der Impedanzmessung ein füllstandsabhängiges Signal (Fig. 2a). Zur füllstand­ sunabhängigen Impedanzmessung (Fig. 2b) wird durch ge­ zielte zusätzliche Zufuhr O von Öl, z. B. über eine Pumpe von oben der Öl stand im Meßraum M3 bis zu einem Überlauf Ü, der über dem maximalen Füllstandspegel des Behälters liegt, aufgefüllt und dann die Sensorimpedanz gemessen. Die durchflußbegrenzende Dimensionierung der unteren Meß­ raumöffnung gewährleistet das einfache Auffüllen des Meß­ raumes. Für die erneute Füllstandsmessung wird die zusätz­ liche Ölzufuhr abgestellt und über die Öffnung am Fuß der Sensoranordnung fließt Öl ab und es stellt sich im Meßraum der Behälterfüllstand ein. Die zusätzliche Ölzufuhr kann beispielsweise über ein Ventil oder eine Klappe, deren Betätigung z. B. temperaturgesteuert über Bimetall- oder Memory-Metall-Elemente erfolgt, zu und abgeschaltet wer­ den. Aus dem Abfließverhalten des Öls beim Übergang von der Qualitäts- zur Füllstandsmessung bzw. den zugehörigen Zeitverlauf der Sensorimpedanz sind u. U. weitere Aussagen über den Qualitätszustand des Öls ableitbar. Die füll­ standsunabhängige Messung kann wieder zur Qualitätsbestim­ mung und zur Kalibrierung der Füllstandsmessung dienen.

Für die Messung der Impedanz sind verschiedene Methoden an sich bekannt, insbesondere Leitfähigkeits- und Kapazitäts­ bestimmungen.

Die Elektroden können an sich beliebige Formen aufweisen, denkbar sind insbesondere Interdigitalstrukturen auf iso­ lierenden Substraten. Zusätzlich zu den beschriebenen Sen­ soren kann die Anordnung auch noch einen gesonderten Grenzwertsensor enthalten, der lediglich das Vorhandensein von Öl auf einem besonders niedrigen Pegel detektiert.

Claims (8)

1. Sensoranordnung zur Bestimmung des Zustandes einer Flüssigkeit in einem Behälter mit einem ersten Sensor mit einen ersten, mit der Flüssigkeit gefüllten Meßraum (M1) bildenden Elektroden (A1, B1) und mit elektrischen Ein­ richtungen zur Messung der Impedanz des ersten Sensors und zur Ableitung eines Zustandssignals, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein zweiter Sensor mit einen zweiten Meßraum (M2) bildenden Elektroden (A2, B2) als Füllstandssensor mit in Abhängigkeit vom Füllstand in dem Behälter teilweise mit der Flüssigkeit gefülltem Meßraum vorhanden ist, und daß die elektrischen Einrichtungen aus der Messung der Im­ pedanz des zweiten Sensors ein Füllstandssignal ableiten, wobei die gemessene Impedanz des ersten Sensors zur Kali­ brierung der Impedanzmessung des zweiten Sensors herange­ zogen ist.

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Meßraum (M2) des zweiten Sensors über den Meßraum (M1) des ersten Sensors mit der Flüssigkeit in dem Behälter in Verbindung steht.

3. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, ge­ kennzeichnet durch einen Hilfsraum (R), der mit der Flüssigkeit in dem Behälter über den Meßraum (M1) des ersten Sensors in Verbindung steht und höher liegt als dieser.

4. Sensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der horizontale Querschnitt des Hilfsraums (R) größer ist als der dem Meßraums des zweiten Sensors.

5. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Sensoren jeweils aus koaxia­ len zylindrischen Elektroden gebildet sind.

6. Sensoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die beiden Sensoren eine gemeinsame äußere Zylin­ derelektrode und getrennte axial hintereinander angeord­ nete innere Zylinderelektroden umfassen.

7. Sensoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die inneren Zylinderelektroden mit Isolierkörpern als eine in die äußere Elektrode steckbare bauliche Ein­ heit ausgebildet sind.

8. Verwendung der Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che als Schmierölsensor in Motoren.