DE102005037634A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Zustandssensors für Flüssigkeiten - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Zustandssensors für Flüssigkeiten. DOLLAR A Um ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit der Möglichkeit einer Kompensation von sensorbedingten Nullpunkts- und Verstärkungsveränderungen zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass das Sensorelement S zur elektrischen Ansteuerung mit einer Eingangsschwingung A mindestens zwei unterschiedlicher Amplituden sowie zur Entgegennahme und Auswertung von Messsignalen E mit einem Controller C verbunden ist, der mit einem nicht flüchtigen Datenspeicher D in Verbindung steht, in dem die Werte der mindestens zwei unterschiedlichen Amplituden der anregenden Eingangsschwingung A abgelegt sind.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Zustandssensors für Flüssigkeiten.
  • Beispielsweise ist aus dem Kraftfahrzeugbereich die Notwendigkeit bekannt, insbesondere den Zustand eines Motorenöls zu überwachen. Durch die Qualität des Motorenöls wird die Lebensdauer eines Verbrennungsmotors ganz wesentlich beeinflusst. Da dieser Anwendungsbereich zahlenmäßig und damit auch wirtschaftlich von großer Bedeutung ist, Motorenöle andererseits auch über einen sehr großen Temperaturbereich betrieben werden und hohe Anforderungen an eine Sensorik stellen, wird die vorliegende Erfindung nachfolgend ohne Beschränkung in ihrem Einsatzbereich nur vor dem Hintergrund eines speziellen Einsatzes zur Überwachung des Zustands eines Motorenöls in einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs dargestellt.
  • Während des normalen Betriebs einer Verbrennungskraftmaschine in einem Kraftfahrzeug nimmt die Qualität des eingesetzten Motoröls durch die Aufnahme von Verschmutzungen über eine Betriebszeit gesehen stark ab. Die Verschmutzungen können aus Rußpartikeln, aber auch aus metallischem Abrieb von Zylinderlaufflächen etc. her stammen. Um die Leistungsfähigkeit der Verbrennungskraftmaschine zu erhalten und eine ausreichende Betriebssicherheit garantieren zu können, wird daher in regelmäßigen Wartungsintervallen und Laufleistungsabständen von circa 15.000 km die Durchführung einer Wartung erforderlich, bei der das Motoröl mit zugehörigen Filtereinrichtungen ausgewechselt wird. Die Verschlechterung der Qualität im Motoröl läuft im Betrieb nicht bei allen Ölen bzw. Motorölzusammensetzungen gleich ab. Auch ist die Qualitätsverschlechterung zu einem gewissen Grad von einem Fahrstil des Fahrzeugbenutzers abhängig. Aus diesem Grund wird aktuell dazu übergegangen, die Qualität des Motoröls gesondert zu überwachen, um den Benutzer rechtzeitig auf einen bevorstehenden Ölwechsel hinweisen zu können. Damit können auch zu kurze Ölwechselintervalle effektiv vermieden werden, was neben einer Umweltentlastung auch zu einer Kosteneinsparung für den Betreiber eines Kraftfahrzeugs führt.
  • Ein Zustandssensor für Flüssigkeiten, der in Form eines durch ein Piezo-Element angetriebenen Schwingkörpers ein jeweiliges Strömungsverhalten des Motorenöls und mithin seine Viskosität überwacht, ist beispielsweise aus der DE 103 45 253 A1 bekannt. Bei diesem Messaufbau und Verfahren wird davon ausgegangen, dass eine Zunahme an Viskosität mit einer anwachsenden Dichte des Motorenöls durch Verunreinigungen verursacht wird. Erstrebenswert ist eine niedrige Viskosität eines Motorenöls, damit ein gutes Schmierverhalten und eine effektive Reibungsminderung innerhalb der Verbrennungskraftmaschine erreicht werden können. Hierzu wird in der vorstehend genannten DE 103 45 253 A1 ein Biegeschwingerelement in Kontakt mit dem Motorenöl durch mindestens ein Piezo-Element mechanisch zur Schwingung angeregt, wobei das mindestens eine Piezo-Element mit einem amplitudengeregelten elektrischen Eingangssignal versorgt wird. Das Sensorelement selber besteht im Wesentlichen aus seinem Trägersubstrat mit darauf auflaminierten oder integrierten piezo-elektrisch aktiven Schichten, die sowohl als Aktuator- als auch als Sensorschichten wirken können. Sensoren der beschriebenen Bauart werden auch als trimorphe Biegeschwinger bezeichnet. Derartige Elemente sind auch als Keramik-Multilayer herstellbar. In jedem Fall wird eine Differenz zwischen einer angelegten elektrischen Anregungs- oder Aktorspannung und einer gemessenen Sensorausgangsspannung als Maß für die Dämpfung des Biegeschwingers in dem Fluid bzw. Motorenöl ausgewertet. Die Resonanzfrequenz und eine jeweilige Resonanzamplitude werden als Maß für die Dichte des Fluids ausgewertet. Eine zunehmende Dichte des Fluids führt zu einer Senkung der Resonanzfrequenz. Eine abnehmende Viskosität führt zu einem Ansteigen der Amplitude. Zur Abdeckung eines größeren Vermessungsbereichs wird ein vorgegebenes Frequenzband durchgestimmt. Damit wird in einem Schritt, in einer anderen Ausführung aber auch als Messung in mehreren Verbrennungsstufen, ab einer vorher festgelegten Frequenzzone eine Resonanzfrequenz ermittelt. Gleichzeitig wird dazu eine Resonanzamplitude ausgelesen. Das vorstehend kurz beschriebene Messprinzip kann auch mit anderen Erregerverfahren, wie beispielsweise magnetisch angeregte Biegeschwinger umgesetzt werden.
  • Die vorstehend beschriebene Messung beruht auf dem Anliegen einer konstanten Aktuatorspannung, die beispielsweise als sinusförmige Spannung angelegt wird und dem Auslesen einer dämpfungsabhängigen Messspannung. In einer alternativen Ausführungsform kann auch eine nachgeregelte Aktuatorspannung erzeugt werden, so dass in jedem Fall die Messspannung konstant bleibt.
  • Es kann jedoch durch Alterungseffekte und thermische Einflüsse an einem Biegeschwinger und/oder dem als Sensor dienenden Piezo-Aktor zu Veränderungen der Verstärkung und/oder einer Nullpunkt-Drift der Anregerspannung kommen. Derartige Effekte lassen sich bislang nur durch relativ aufwändige Mitprotokollierung von Nullpunkt und Verstärkung über längere Zeiträume hinweg, oder durch periodische Neukalibrierung des Zustandssensors für Flüssigkeiten ermitteln und nachfolgend kompensieren. Zudem liegen die genannten Effekte im Bereich der zu erfassenden Messwertänderungen des Primärsignals selber. Sie können mithin vom eigentlichen Nutzsignal nicht ohne weiteres unterschieden werden.
    •
  • Eine bekannte Kompensationsmöglichkeit besteht in einer einmaligen oder periodisch wiederholten Kalibrierung des Zustandssensors in einer Referenzflüssigkeit bei einer Referenztemperatur. Dieses Vorgehen ist bei in Kraftfahrzeugen verbauten Zustandssensoren unpraktikabel und daher prinzipiell nicht durchführbar.
  • Es besteht daher die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit der Möglichkeit einer Kompensation von sensorbedingten Nullpunkts- und Verstärkungsveränderungen zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Um sicher und eindeutig zwischen alterungsbedingten Effekten an einem Zustandssensor oder der Elektronik einerseits und denjenigen Effekten, die auf Ölalterung bzw. Qualitätsverschlechterung beruhen, andererseits zu unterscheiden, ist eine genaue Kenntnis der durch mechanische oder elektrische Einflüsse verursachten Amplitudenänderung notwendig. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zeichnet sich demnach dadurch aus, dass ein Zustandsensor mit mindestens zwei Anregungssignalen unterschiedlicher Spannungspegel beaufschlagt und die jeweils erhaltenen Messsignale mit gespeicherten Werten verglichen werden. Damit Sensorausgangs- bzw. Messsignale unabhängig von Driften und Verstärkungsänderungen am Sensoreingang gemessen werden können, wird erfindungsgemäß also auf eine Differenzmessung zurückgegriffen. Es wurde dabei herausgefunden, dass bereits eine Messung mit zwei unterschiedlichen Spannungspegeln und einem Vergleich der Messwerte mit zuvor gespeicherten Ausgangswerten ausreichend ist, um die vorstehend geschilderten temperatur- und alterungsbedingten Effekte und Driften auszublenden.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. In einer vorteilhaften Ausführungsform werden voneinander unterschiedliche Spannungspegel angelegt, die jeweils gegenüber benachbarten Spannungspegeln maximale Amplituden im Reaktionssignal aufgewiesen haben. Vorzugsweise werden diese Werte ebenfalls als Eingangsgrößen in einem Speicher fest abgelegt und nachfolgend zu Testzwecken an den Zustandsensor bzw. das Sensorelement angelegt, worauf eine Zustandsüberwa chung des Zustandssensors durch Auswertung der Ergebnisse vorgenommen wird.
  • In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird ein Frequenzbereich, in dem sich eine Resonanzfrequenz üblicherweise befindet, in einer vorbereitenden Messung überstrichen. Nachfolgend werden mindestens zwei Messpunkte ausgewählt, die hinsichtlich ihres jeweiligen Messsignals starke Abweichungen aufweisen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Auswertung und Offset-Ermittlung quasi graphisch über einen Vergleich von Geraden in einem Diagramm. Hierzu werden die zur Kontrolle ermittelten Wertepaare in ein Diagramm eingetragen und linear extrapoliert, in das auch die zuvor ermittelten und gespeicherten Werte eines idealen Sensors eingetragen sind. Ein Offset ergibt sich in diesem Diagramm als Nullpunktverschiebung bzw. Ordinatenabschnitt.
  • Wenn mehr als zwei Messpunkte ausgewählt werden, dann werden diese Punkte mit im Wesentlichen zueinander gleichgroßen Spannungsschritten in der Eingangsspannung festgelegt. Bei mehr als zwei Messpunkten werden Gradenverläufe vorzugsweise unter Anwendung bekannter mathematischer Methoden zur Minimierung des Abstandes eines jeweiligen Verlaufes zu den gemessenen Werten eingesetzt.
    •
  • Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel anhand von Abbildungen der Zeichnung zur Darstellung weiterer Merkmale und Vorteile näher erläutert. In der Zeichnung zeigen in jeweils skizzierter Darstellung:
  • 1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
  • 2: ein Ergebnis eines Sweeps bei konstanter Anzahl von Schwingungen bei Variation von Amplitude und Fre quenz an einem Biegeschwinger unter Einsatzbedingungen;
  • 3: ein Ergebnis einer Testmessung mit n=3 Messpunkten mit anfolgender Wiederholung zur Bestimmung einer Abweichung und
  • 4: ein Auswertungsdiagramm zur Bestimmung eines Offset-Wertes.
  • Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden für gleiche Elemente stets die gleichen Bezugszeichen verwendet. Ohne Beschränkung der Erfindung wird nachfolgend nur ein Einsatz mit einem Zustandssensor zur Überwachung von Motoröl in einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs dargestellt und beschrieben.
  • 1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung zur Umsetzung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Sensorelement S in Form eines piezo-elektrisch angeregten Biegeschwingers im Bereich einer Ölwanne im Motorenöl OIL einer Verbrennungskraftmaschine M angeordnet. Nach außen hin ist das Sensorelement S zur elektrischen Ansteuerung des Aktors mit einer Anregungsspannung oder Eingangsschwingung A sowie zur Entgegennahme und Auswertung von Reaktionssignalen in Form eines Ergebnis- oder Messsignals E mit einem Controller C verbunden, der wiederum mit einem nicht flüchtigen Datenspeicher D in Verbindung steht. Mit Inbetriebnahme dieser Vorrichtung wird das Sensorelement S durch den Controller C eingemessen. Das Ergebnis wird in Form ursprünglicher Wertepaare in dem Datenspeicher D zum späteren Aufruf und zur vergleichenden Auswertung abgelegt.
  • In Vorrichtungen und Verfahren nach dem Stand der Technik wird der Biegeschwinger normalerweise für die Dichte- und Viskositätsmessung mit einer Konstantamplitude betrieben. In Abhängigkeit von Viskosität, Temperatur und Dichte des Motorenöls OIL schwingt der Biegeschwinger auf einer definierten Resonanzfrequenz und weist dort seine größte, bedämpfte Amplitude auf. Altert das Sensorelement S beispielsweise durch mechanische Veränderung der Einspannstelle oder Ablagerungen auf den Elektrodenflächen oder den Verlust der piezo-elektrischen Eigenschaften, dann resultiert daraus eine Veränderung der Resonanzfrequenz und insbesondere die der Resonanzamplitude, deren Beiträge in ähnlichen Größenordnungen wie die von Viskosität und Dichte wirkenden Messsignale E liegen können. Die Auswertung der Sensorsignale E kann dabei in der Umgebung der Resonanzfrequenz erfolgen, muss also nicht zwangsläufig bei Resonanzfrequenz liegen. Das Viskositätsverhalten des Fluids OIL ändert sich üblicherweise nicht wesentlich innerhalb längerer Zeiträume, also insbesondere im Stundenbereich.
  • Da die Viskosität- und Dichtemessung bei genauer Kenntnis der Temperatur des Motorenöls OIL also nicht zeitkritisch ist, wird nachfolgend eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung von Alterungseinflüssen an dem Sensorelement S beschrieben, wonach das Sensorelement S periodisch oder aperiodisch über die Dauer eines Vielfachen einer Messzeit auf einen Referenz- bzw. Testmodus geschaltet und in diesem Zustand ausgewertet wird.
  • Der Biegeschwinger des Sensorelements S stellt einen bedämpften mechanischen Schwingkreis da, dessen Resonanzfrequenz auch innerhalb einer Baureihe in gewisse Grenzen streut. Da die Lage der Resonanzfrequenz und eine jeweilige Resonanzamplitude als Eigenschaften des mechanischen Systems dadurch von vornherein nicht genau bekannt sind, werden im Zuge dieses Einmess-Vorgangs Testfrequenzen und Testamplituden durch den Controller C an den Sensor S angelegt. Zur Abkürzung der für diesen Vorgang erforderlichen Zeit wird gemäß der Abbildung von 2 für jede dieser Testphasen D1 bis D5 eine festgelegte Anzahl von in diesem Fall nur jeweils sieben vollen Schwingungsperioden verwendet. Dabei ist sichergestellt, dass auch in diesem nur sehr kurzen Zeitraum Einschwingvorgänge bereits abgeklungen sind.
  • 2 zeit anhand des Verlaufs der Ausgangssignale für die einzelnen Testperioden D1 bis D5, dass die Amplitude des Testsignals mit dem Parametersatz von D3 gegenüber den anderen Ergebnissen maximal ist. Für die weitere Messung und den Betrieb einer Vorrichtung gemäß 1 wird daher dieser Parametersatz ausgewählt und für spätere Zugriffe auf die speziellen Größen zur Sicherheit im Datenspeicher D abgelegt.
  • In einem zeichnerisch nicht weiter dargestellten weiteren Vorbereitungsschritt wird eine nicht genau bekannte Resonanzkurve des Sensorelements S zur Abschätzung ihrer Form und ihrer Lage ein Mal kurz durchlaufen. Nachfolgend werden mindestens zwei Messwerte, im vorliegenden Fall drei Messwerte, auf dieser Kurve ausgewählt, um hieran nachfolgend Alterserscheinungen und das Auftreten von Offsets zu ermitteln.
  • 3 zeigt ein Ergebnis einer entsprechenden Testmessung mit n=3 Messpunkten. Die Testintervalle D1 bis Dn können dabei stets unterschiedliche Zeitdauern t1' bis tn' aufweisen. Im vorliegenden Fall sind diese Testdauern im Wesentlichen gleich groß, so dass sich eine Gesamtdauer T für den Test zu T = 3·t1' ergibt. Je nach gewähltem Parametersatz für die elektrisch anregende Eingangsschwingung A ergeben sich zwischen den Amplituden und des Ergebnis- oder Messsignals E unterschiedlich große Differenzen Δn.
  • Im Diagramm von 3 wird nach Durchlaufen der in dem gestrichelten Kasten gekennzeichneten Testmessung direkt eine Wiederholungsmessung zur Bestimmung einer eventuellen Abweichung durchgeführt. Im realen Betrieb werden derartige Wiederholungen nicht sofort, sondern in zyklischen oder azyklisch gewählten zeitlichen Abständen durchgeführt, da sie lediglich einer Überwachung von Alterungserscheinungen an dem Sensor S dienen, nicht einer Untersuchung der Qualität des verwendeten Motoröls.
  • 4 zeigt schließlich ein Auswertungsdiagramm, in das eine Messgerade eines idealen Sensors eingetragen worden ist, der anhand von n Messungen bestimmt worden ist. Diese Gerade verläuft als Ursprungsgerade, weil ohne anregende Amplitude auch kein Reaktionssignal, und mit kleiner Anregung auch ein nur kleines Reaktionssignal erhalten wird. Gemäß des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels wird der Sensor nun a-periodisch für Vielfache der Testintervall-Längen tn' in einem Testmodus betrieben. Hierzu wird das Sensorelement S für einige Sekunden bei einer definiert höheren und/oder niedrigeren Spannungsamplitude bei gleichbleibender Frequenz betrieben. Der prinzipielle Zusammenhang mit dem Alterungseinfluss ist in dem Amplituden-Amplituden Diagramm von 4 zu erkennen. Nach einer im Verhältnis zu einer Testintervall-Länge tn' kurzen Einschwingphase bleibt ein Verhältnis von anregender Aktorspannungsamplitude und gemessener Ausgangsspannungsamplitude bei unveränderten Viskositäts- und Dichtewerten des Fluids konstant. Werden unterschiedliche Aktorspannungsamplituden mit zugehörigen Ausgangsspannungsamplituden in das Diagramm eingetragen, so ergibt sich ein linearer Zusammenhang. Die Steigung der Geraden ist also eine Darstellung der Übertragungsfunktion. Driften oder Offsets können hieran gemessen oder durch Extrapolation ermittelt werden. Nach Ermittlung eines Offsets kann eine tatsächlich durch Viskositäts- und Dichteänderung hervorgerufene Signaländerung korrigiert angegeben werden.
  • Anhand zweier realer Messpunkte wird nachfolgend in das Diagramm von 4 die Gerade des real vorliegenden Sensorelements 5 eingezeichnet, die im vorliegenden Fall unter Verwendung von drei Messpunkten als Ausgleichsgerade eingetragen und zum Ursprung des Diagramms hin linear extrapoliert worden ist. Im Diagramm von 4 hat sich zwischen dem eingemessen idealen Sensor und dem vorliegenden realen Sensor die Gradensteigung M auf m verringert, was deutlich als Zeichen von Alterung zu interpretieren ist. Durch das Kippen der Geraden verläuft diese nun nicht weiter durch den Ursprung des Diagramms, sondern schneidet die Amplitudenachse oberhalb des Ursprungs, also verschoben um einen Abschnitt OS, den Offset. Dieser Offset muss also durch eine anregende Schwingung erst überwunden werden, damit überhaupt alterungsbedingt eine Reaktion im Sensor in Form eines Messsignals S messbar ist. Ohne Kompensation dieses Einflusses ermittelt die Vorrichtung also um den Offset OS verfälschte Werte.
    • S
    Sensorelement
    OIL
    Motorenöl
    M
    Verbrennungsmotor
    A
    elektrisch anregende Eingangsschwingung
    E
    Ergebnis- oder Messsignals
    C
    Controller
    D
    nicht flüchtiger Datenspeicher
    D1–D5, Dn
    Testperioden mit jeweiligen Parametersätzen
    t1'–tn'
    zeitliche Testintervalle
    T
    Gesamtdauer für einen Test des Sensorelements S
    Δ
    Differenz zwischen den Amplituden von A und E
    m
    Steigung
    M
    Steigung
    OS
    Offset

Claims (7)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Zustandssensors für Flüssigkeiten, der als mechanisches Schwingungssystem elektrisch angeregt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zustandsensor mit mindestens zwei anregenden Eingangsschwingungen (A) unterschiedlicher Spannungspegel beaufschlagt und die jeweils erhaltenen Messsignale (E) mit gespeicherten Werten verglichen werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass voneinander unterschiedliche Spannungspegel angelegt werden, die jeweils gegenüber benachbarten Spannungspegeln maximale Amplituden im Reaktionssignal (E) aufgewiesen haben.
  3. Verfahren nach einem der beiden vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eingangs festgelegten Spannungspegel als Werte ebenfalls als Eingangsgrößen in einem Speicher (D) fest abgelegt und nachfolgend zu Testzwecken an das Sensorelement (S) angelegt werden.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung und Ermittlung eines Offsets (OS) quasi graphisch über einen Gradenvergleich erfolgt, indem die zur Kontrolle ermittelten Wertepaare in ein Diagramm der zuvor ermittelten und gespeicherten Werte eines idealen Sensors eingetragen werden.
  5. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Offset-Wert (OS) ermittelt wird, indem die ermittelten Wertepaare in einem Amplituden-Amplituden- Diagramm linear bis zu einem Ordinatenabschnitt hin extrapoliert werden.
  6. Vorrichtung zum Betreiben eines Zustandssensors für Flüssigkeiten, der als mechanisches Schwingungssystem zur Anregung durch ein elektrisches Eingangssignal ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung dadurch zur Umsetzung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildet ist, dass das Sensorelement (S) zur elektrischen Ansteuerung mit einer Eingangsschwingung (A) mindestens zwei unterschiedlicher Amplituden sowie zur Entgegennahme und Auswertung von Messsignalen (E) mit einem Controller (C) verbunden ist, der mit einem nicht flüchtigen Datenspeicher (D) in Verbindung steht, wobei der Datenspeicher (D) zum Speichern der Werte der mindestens zwei unterschiedlichen Amplituden der anregenden Eingangsschwingung (A) mit den zugehörigen ursprünglich ermittelten Messsignalen (E) ausgebildet ist.
  7. Vorrichtung nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass Rechenmittel zur Durchführung einer linearen Extrapolation auf Basis von mindestens zwei Wertepaaren und zur Ausgabe eines Offset-Wertes (OS) vorgesehen sind.
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