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Die
Erfindung betrifft einen Fluidsensor zur Bestimmung der charakteristischen
Eigenschaften eines Fluids mit einem in das Fluid einbringbaren Schwingungselement,
das mit Hilfe einer Steuerschaltung in Schwingungen versetzbar ist.
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Ein
derartiger Fluidsensor ist aus der
JP 59-126 931 A bekannt. Bei dem bekannten
Fluidsensor handelt es sich um einen Viskositätssensor, mit dem sich unter
anderem die Viskosität
von Motoröl bestimmen
lässt.
Zu diesem Zweck kann eine Halterung des bekannten Fluidsensors in
die Wand einer Ölwanne
eines Verbrennungsmotors eingebracht werden. Ein in die Halterung
eingespannter Biegeschwinger taucht dann in das sich in der Ölwanne befindende
Motoröl
ein. Ferner ist eine Steuerschaltung vorgesehen, die ein in der
Regel sinusförmiges
Aktorsignal erzeugt, das an eine piezoelektrische Aktorschicht des
Biegeschwingers angelegt wird. Durch das Aktorsignal wird der Biegeschwinger
in Schwingungen versetzt. Eine in einer piezoelektrischen Sensorschicht
des Biegeschwingers erzeugte Sensorspannung ist im Allgemeinen kleiner
als die Aktorspannung. Aus dem Verhältnis der Spannungsamplituden
kann ein Viskositätsäquivalent
und damit die Zusammensetzung des Motoröls bestimmt werden.
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Ein
Nachteil des bekannten Fluidsensors ist, dass sich im Motoröl enthaltene
Verunreinigungen im Laufe der Zeit auf dem Biegeschwinger ablagern können. Derartige
Ablagerungen verändern
die Schwingungseigenschaften des Biegeschwingers. Infolgedessen
kann es zu Messfehlern kommen.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe
zugrunde, einen Fluidsensor zu schaffen, dessen Funktion von möglichen
Ablagerungen auf dem Schwingungselement unbeeinträchtigt bleibt.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Fluidsensor mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. In davon
abhängigen
Ansprüchen
sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
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Bei
dem Fluidsensor ist das Schwingungselement von der Steuerschaltung
in einem Schwingungsmodus betreibbar, der der Ausbildung von Ablagerungen
auf dem Schwingungselement entgegenwirkt. Dadurch kann die Ausbildung
von Ablagerungen auf dem Schwingungselement wirksam verhindert oder
mit der Zeit entstandene Ablagerungen können nachträglich entfernt werden. Bei
dem Fluidsensor gemäß der Erfindung
wird daher die Funktion des Schwingungselements auch auf lange Sicht
nicht durch Ablagerungen beeinträchtigt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Schwingungsmodus des Schwingungselements von der Steuerschaltung
zwischen einem Messbetrieb und einem Reinigungsbetrieb umschaltbar,
in dem die Steuereinheit das Schwingungselement in einem der Reinigung
von Ablagerungen förderlichen Schwingungsmodus
betreibt. Dadurch ist es möglich, die
Schwingungsparameter jeweils auf den Messbetrieb und den Reinigungsbetrieb
hin zu optimieren.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist der für
den Messbetrieb vorgesehene Schwingungsmodus ein Schwingungsmodus
mit niedriger Schwingungsenergie und der für den Reinigungsbetrieb vorgesehene
Schwingungsmodus ein Schwingungsmodus mit hoher Schwingungsenergie. Dadurch
ist es möglich,
diejenigen Beschleunigungen am Schwingungselement zu erzielen, die
notwendig sind, um Ablagerungen auf dem Schwingungselement abzutragen
oder abzulösen.
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Um
vom für
den Messbetrieb vorgesehenen Schwingungsmodus in dem für den Reinigungsbetrieb
vorgesehenen Schwingungsmodus umzuschalten, kann die Steuereinheit
die Frequenz oder die Amplitude erhöhen. Vorzugsweise setzt die
Steuereinheit die Werte für
die Frequenz und die Amplitude auf vorbestimmte, für den Reinigungsbetrieb
vorgesehene Werte.
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Der
Reinigungsbetrieb wird vorzugsweise in einer messfreien Zeit durchgeführt, in
der der Fluidsensor nicht für
den Messbetrieb benötigt
wird. Durch die in begrenzten Zeitabschnitten stattfindenden Reinigungen
des Schwingungselements wird der Messbetrieb nicht gestört. Da die
Ausbildung von Ablagerungen auf dem Schwingungselement nur langsam erfolgt,
sind in der Regel in begrenzten Zeiträumen stattfindende Reinigungsvorgänge ausreichend,
um das Schwingungselement von Ablagerungen freizuhalten.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das zu messende Fluid eine Flüssigkeit. Das Schwingungselement
kann dann in einem Kavitation hervorrufenden Schwingungsmodus betrieben
werden. Auf diese Weise können
Ablagerungen auf dem Schwingungselement besonders wirksam entfernt
werden.
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Bei
dem Schwingungselement handelt es sich vorzugsweise um einen sogenannten
Biegeschwinger, der mehrschichtig mit wenigstens einer Aktorschicht
und wenigstens einer Sensorschicht aufgebaut ist. Derartige Fluidsensoren
können
in verschiedenen Schwingungsmoden mit unterschiedlicher Schwingungsenergie
betrieben werden.
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Weitere
Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der beigefügten
Zeichnung im Einzelnen beschrieben werden. Es zeigen:
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1 einen
Querschnitt durch einen in die Wand einer Ölwanne eingebrachten Viskositätssensor;
und
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2 das
Blockschaltbild einer Sensorschaltung zum Betrieb des Viskositätssensors
aus 1.
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1 zeigt
einen Viskositätssensor 1,
der sich unter anderem zur Bestimmung der Viskosität und der
Dichte von Motoröl 2 eignet.
Der Viskositätssensor 1 verfügt über einen
Biegeschwinger 3, der in seiner einfachsten Ausführungsform
eine piezoelektrische Aktorschicht 4 und eine piezoelektrische
Sensorschicht 5 aufweist. Zwischen der Aktorschicht 4 und
der Sensorschicht 5 befindet sich eine gemeinsame Masseelektrode 6.
Auf der gegenüberliegenden
Seite der Aktorschicht 4 ist eine Aktorelektrode 7 ausgebildet.
Dementsprechend befindet sich außen auf der Sensorschicht 5 eine
Sensorelektrode 8. Die Masseelektrode 6, die Aktorelektrode 7 und
die Sensorelektrode 8 sind jeweils an Kontaktstifte 9, 10 und 11 angeschlossen.
Ein Kontaktende 12 des Biegeschwingers 3 ist von
einem Hartverguss 13 umschlossen. Der Hartverguss 13 sitzt
in einer Gehäusewand 14,
bei der es sich beispielsweise um die Wand einer Ölwanne handeln
kann. Der Hartverguss 13 kann aber auch in einer Fassung
sitzen, die öldicht
in eine Öffnung
der Gehäusewand 14 einsetzbar
ist.
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Durch
Anlegen eines in der Regel sinusförmigen Aktorsignals an die
Kontaktstifte 9 und 10 kann die Aktorschicht 4 bezüglich der
Längsachse des
Biegeschwingers 3 wechselweise zu einer Kontraktion und
Expansion veranlasst werden. Bei einer Kontraktion verbiegt sich
der Biegeschwinger 3 in eine Richtung 15, während sich
der Biegeschwinger 3 bei einer Expansion der Aktorschicht 4 in
eine Gegenrichtung 16 bewegt. Dadurch entsteht eine Schwingungsbewegung
des Biegeschwingers 3, die innerhalb einer Schwingungskontur 17 verläuft.
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Die
Arbeitsfrequenz des Biegeschwingers 3 liegt typischerweise
im Bereich zwischen 9 bis 18 kHz.
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Während der
Schwingung des Biegeschwingers 3 wird von der Sensorschicht 5 ein
Sensorsignal erzeugt, die an den Kontaktstiften 11 und 10 abgegriffen
werden kann. Die Amplitude des Sensorsignals ist im Allgemeinen
kleiner als die Amplitude des Aktorsignals und kann zur Bestimmung
der Viskosität des Motoröls 2 herangezogen
werden. Insbesondere kann aus dem Verhältnis der Amplituden ein Viskositätsäquivalent
bestimmt werden.
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Daneben
kann der Viskositätssensor 1 auch zur
Bestimmung der Dichte des Motoröls 2 verwendet
werden. Zur Bestimmung der Dichte des Motorenöls 2 wird die Schwingungsfrequenz
des Biegeschwingers 3 durchgestimmt und das Resonanzmaximum
gesucht. Die Lage des Resonanzmaximums ist für die Dichte des Motoröls 2 charakteristisch.
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In
der Praxis enthält
das Motoröl 2 Verschmutzungen,
die sich mit der Zeit unter anderem am Biegeschwinger 3 anlagern.
Dadurch vergrößert sich
allmählich
die schwingende Masse. Außerdem kann
die effektive Elastizität
des Biegeschwingers 3 verändert werden. Beides kann dazu
führen,
dass es zu Fehlmessungen bei der Bestimmung der Viskosität oder der
Dichte des Motoröls 2 kommt.
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Die
Ablagerungen auf dem Biegeschwinger 3 können lackartige Schichten sein,
die zum Beispiel durch Verdünnung
des Motoröls 2 mit
Biodiesel entstehen. Aber auch feste Partikel, wie beispielsweise im
Motoröl 2 enthaltene
Rußpartikel,
können
sich im Laufe der Zeit an dem Biegeschwinger 3 anlagern. Überhaupt
können
sich die Bestandteile der schlammförmigen Ablagerungen in den Ölwannen auch
am Biegeschwinger 3 anlagern. Dies erfolgt trotz der an
sich guten Reinigungswirkung des Motoröls 2. Gefördert wird
die Ausbildung von Ablagerungen an den Biegeschwingern 3 durch
lange Stillstandszeiten.
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Die
Reinigung des Biegeschwingers 3 erfolgt vorzugsweise dadurch,
dass der für
den Messbetrieb typische Frequenzbereich von 9 bis 18 kHz verlassen und
auf höhere
Schwingungsfrequenzen umgeschaltet wird. Daneben ist es auch möglich, die
Amplitude der Biegeschwingung zu erhöhen. Beides führt zu einer
Erhöhung
der Beschleunigung des Biegeschwingers 3. Dementsprechend
erhöhen
sich die Kräfte, die
auf die Ablage rungen am Biegeschwinger 3 wirken. Während des
Reinigungsbetriebs führt
der Biegeschwinger 3 daher eine Schwingung aus, die zur Ablösung oder
Verringerung der Ablagerungen auf dem Biegeschwinger 3 führt. Es
wird daher wie bei einer herkömmlichen
Ultraschallreinigung der Effekt ausgenutzt, dass sich an der Oberfläche haftende Partikel
bei hohen Frequenzen, insbesondere im Ultraschallbereich oberhalb
20 kHz, leicht ablösen
lassen, vor allem in Verbindung mit einem chemisch aggressiven Fluid.
Aufgrund der guten Reinigungswirkung des Motoröls 2 kann die mit
erhöhter
Frequenz oder Amplitude erfolgende Schwingung des Biegeschwingers 3 die
Reinigungswirkung des Motoröls 2 wesentlich
verstärken.
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Der
Reinigungsbetrieb kann auf verschiedene Art und Weise durchgeführt werden.
Zum einen kann der Biegeschwinger 3 in Messpausen oder
Stillstandsphasen des Motors als reiner Aktor betrieben werden.
Dazu wird ein geeignetes Reinigungssignal an die Aktorschicht 4 angelegt.
Das Reinigungssignal kann eine Amplitude oder Frequenz aufweisen,
die oberhalb der Amplitude oder Frequenz des für den Messbetrieb verwendeten
Aktorsignals liegt. Das Reinigungssignal kann während des Reinigungsvorgangs
eine gleich bleibende Amplitude und Frequenz aufweisen. Die Schwingungsparameter,
nämlich
die Amplitude und die Frequenz der Schwingung des Biegeschwingers 3,
können
aber auch durchgestimmt werden, um lokale Partikelanlagerungen gezielt
zu beseitigen.
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Die
für den
Reinigungsbetrieb verwendeten höheren
Frequenzen können
dazu führen,
dass der Biegeschwinger 3 in höheren Moden mit wenigstens einem
Schwingungsknoten schwingt. Unter Umständen treten auch Torsionsschwingungen
auf. Schließlich
kann bei hohen Frequenzen oder großen Amplituden die Grenze zur
Kavitation überschritten
werden. In 1 sind verschiedene Kavitationsblasen 18 eingezeichnet.
Wenn Kavitation auftritt, ist die Reinigungswirkung besonders gut.
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2 zeigt
ein Blockschaltbild einer Sensorschaltung 19 für den Viskositätssensor 1 aus 1. Die
Sensorschaltung 19 umfasst einen Mikroprozessor 20,
der aus einem Datenspeicher 21 für den Betrieb des Viskositätssensors 1 erforderliche
Betriebsparameter ausliest. Der Mikroprozessor 20 kann beispielsweise
für den
Messbetrieb oder den Reinigungsbetrieb vorgesehene Betriebsparameter
aus dem Datenspeicher 21 auslesen und einen Signalgenerator 22 mit
entsprechenden Steuersignalen beaufschlagen. Der Signalgenerator 22 erzeugt
dann das Aktorsignal, das an den Kontaktstiften 9 und 10 des
Biegeschwingers 3 anliegt. Ferner ist ein Signalwandler 23 vorgesehen,
mit dem sich beispielsweise die Amplitude des von der Sensorschicht 5 gelieferten
und an den Kontaktstiften 10 und 11 abgegriffenen
Sensorsignals bestimmen lässt.
Der Signalgenerator 22 und der Signalwandler 23 beaufschlagen
jeweils einen Komparator 24, der die Amplituden des Aktorsignals
und des Sensorsignals ins Verhältnis setzt
und ein Viskositätsäquivalent
an den Mikroprozessor 20 weitergibt.
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Die
in 2 dargestellte Sensorschaltung 19 kann
um weitere Sensoren zur Überwachung
der Schwingungsfrequenz des Biegeschwingers 3 oder der
Temperatur und der Permittivität
des Motoröls 2 ergänzt werden.
Die Sensoren zur Messung der Temperatur oder der Permittivität können auch
auf dem Biegeschwinger 3 ausgebildet sein.
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Der
Mikroprozessor 20 sorgt dafür, dass in Messpausen oder
in Stillstandsphasen des Motors der Reinigungsbetrieb durchgeführt wird.
Der Mikroprozessor 20 kann dabei ein Teil der Motorsteuerung sein
oder mit der Motorsteuerung in Verbindung stehen.
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Der
hier beschriebene Viskositätssensor 1 weist
eine Reihe von Vorteilen auf. Durch den Reinigungsbetrieb können verschmutzungsbedingte
Alterungseffekte wirksam unterdrückt
werden. Außerdem können am
Biegeschwinger 3 anhaftende Sedimente oder Partikel unter
Einsatz des Fluids vom Biegeschwin ger 3 gelöst werden.
Für die
Durchführung
der Reinigung können
in der Regel herkömmliche
Sensorschaltungen verwendet werden, die gegebenenfalls umprogrammiert
werden. Der Reinigungsbetrieb kann gegebenenfalls auch für die Eigendiagnose
des Viskositätssensors 1 verwendet
werden. Beispielsweise lässt
sich im Reinigungsbetrieb auch ein Bruch des Biegeschwingers 3 oder
ein Einspannfehler des Biegeschwingers 3 feststellen.
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Bei
einer abgewandelten Ausführungsform des
Viskositätssensors 1 schwingt
der Biegeschwinger 3 dauerhaft in einem Schwingungsmodus,
der von vornherein die Ausbildung von Ablagerungen auf dem Biegeschwinger 3 verhindert.
Dies lässt
sich beispielsweise erreichen, indem die Abmessungen des Biegeschwingers 3,
insbesondere seine Länge
und seine Breite sowie die Materialzusammensetzung des Biegeschwingers 3 so
gewählt
werden, dass die Frequenz und die Amplitude des für den Messbetrieb verwendeten
Schwingungszustands ausreichend groß sind, um die Anlagerung von
Partikeln an dem Biegeschwinger 3 von vornherein zu verhindern.
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Es
sei angemerkt, dass das hier beschriebene Konzept auch auf anderen
Viskositätssensoren mit
Schwingungselementen angewandt werden kann, beispielsweise auf Viskositätssensoren,
die an beiden Enden eingespannt sind.
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Schließlich sei
noch angemerkt, dass die hier beschriebenen Fluidsensoren zur Messung
von charakteristischen Eigenschaften beliebiger Flüssigkeiten
und Gase verwendet werden können.
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Schließlich sei
darauf hingewiesen, dass Merkmale und Eigenschaften, die im Zusammenhang
mit einem bestimmten Ausführungsbeispiel
beschrieben worden sind, auch mit einem anderen Ausführungsbeispiel
kombiniert werden können,
außer wenn
dies aus Gründen
der Kompatibilität
ausgeschlossen ist.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass in den Ansprüchen und in der Beschreibung
der Singular den Plural einschließt, außer wenn sich aus dem Zusammenhang
etwas anderes ergibt. Insbesondere wenn der unbestimmte Artikel
verwendet wird, ist sowohl der Singular als auch der Plural gemeint.
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- 1
- Viskositätssensor
- 2
- Motoröl
- 3
- Biegeschwinger
- 4
- Aktorschicht
- 5
- Sensorschicht
- 6
- Masseelektrode
- 7
- Aktorelektrode
- 8
- Sensorelektrode
- 9
- Kontaktstift
- 10
- Kontaktstift
- 11
- Kontaktstift
- 12
- Kontaktende
- 13
- Hartverguss
- 14
- Gehäusewand
- 15
- Richtung
- 16
- Gegenrichtung
- 17
- Schwingungskontur
- 18
- Kavitationsblase
- 19
- Sensorschaltung
- 20
- Mikroprozessor
- 21
- Datenspeicher
- 22
- Signalgenerator
- 23
- Signalwandler
- 24
- Komparator