DE102006045654B3 - Combination sensor for determining quality and level of fluid in container, particularly sensor for measuring oil in internal combustion engine, comprises disc-shaped piezo-ceramic sensor that activates frequency in thickening direction - Google Patents

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Abstract

The sensor comprises a disc-shaped piezo-ceramic sensor (10) that activates frequency, defined to oscillations, in thickening direction (D). The sensor detects the oscillations in the surrounding fluid (40). A covering disk (20) is arranged on the sensor. The multiple frequencies, defined by oscillation pulses, from a frequency spectrum are evaluated by a control unit (30). The substantial difference is determined by the resonant frequency shift and the viscosity difference of the fluid is determined by the amplitude change. An independent claim is also included for a method for the combined level and fluid quality measurement.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kombinationssensor und ein Verfahren zur Bestimmung von Zustand und Füllstand einer Flüssigkeit in einem Behälter, insbesondere einen Kombinationssensor und ein Verfahren zum Bestimmen der rheologischen Eigenschaften und des Füllstands von Öl in einer Ölwanne einer Brennkraftmaschine.The The present invention relates to a combination sensor and a Method for determining the state and level of a liquid in a container, in particular a combination sensor and a method for determining the rheological properties and the level of oil in an oil pan Internal combustion engine.

Im Stand der Technik sind Sensoren zur Überwachung der Qualität des Öls einer Brennkraftmaschine bekannt. Diese Sensoren arbeiten mit Ultraschallschwingern, die beispielsweise in der Ölwanne eines Kraftfahrzeugs oder allgemein einer Brennkraftmaschine verbaut sind. Diese Ultraschallschwinger sind von Öl umgeben, so dass sich das Schwingungsverhalten der Ultraschallschwinger beispielsweise in Abhängigkeit von einer sich ändernden Ölviskosität ändert. Die Ölviskosität ist ein Hauptkriterium, um die Güte des in der Brennkraftmaschine verwendeten Öls zu beurteilen. Verändert sich die Ölviskosität und somit das Schwingungsverhalten des Ultraschallschwingers über die Nutzungsdauer des Öls, gestattet dies Rückschlüsse über die Ölqualität.in the Prior art sensors are for monitoring the quality of the oil Internal combustion engine known. These sensors work with ultrasonic transducers, for example, in the oil sump a motor vehicle or generally an internal combustion engine installed are. These ultrasonic vibrators are surrounded by oil, so that the vibration behavior the ultrasonic vibrator changes depending on, for example, a changing oil viscosity. The oil viscosity is a key criterion for the goodness to assess the oil used in the internal combustion engine. Changes the oil viscosity and thus the vibration behavior of the ultrasonic vibrator over the Service life of the oil, This allows conclusions about the oil quality.

Zur Füllstandsmessung in Behältern für Flüssigkeiten wird eine andere, als die oben beschriebene Sensorkonstruktion eingesetzt. Gemäß einer Variante werden mehrere schwingende Elemente über die Länge eines Messstreifens verteilt angeordnet. Entsprechend dem Füllstand der Flüssigkeit sind einige der schwingenden Elemente durch die Flüssigkeit bedeckt, während die verbleibende Anzahl der schwingenden Elemente oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche angeordnet sind. Je nach Benetzungslänge des Messstreifens oder Füllstand des Behälters, in dem der Messstreifen angeordnet ist, werden somit mehr oder weniger schwingende Elemente benetzt. Durch die benetzende Flüssigkeit wird das Schwingungsverhalten der schwingenden Elemente verändert, so dass benetzte und nicht benetzte schwingende Elemente ein unterschiedliches Schwingungsverhalten zeigen. Aus diesen Unterschieden entlang des Messstreifens ist der Füllstand des Behälters ableitbar, in dem der Messstreifen angeordnet ist.to level measurement in containers for liquids is used other than the sensor construction described above. According to one Variant several oscillating elements over the length of a measuring strip are distributed arranged. According to the level the liquid are some of the vibratory elements by the fluid covered while the remaining number of vibrating elements are arranged above the liquid surface are. Depending on the wetting length of the measuring strip or level of the container, in the measuring strip is arranged, are thus more or less wets vibrating elements. Through the wetting liquid the vibration behavior of the vibrating elements is changed, so that wetted and non-wetted vibrating elements have a different vibration behavior demonstrate. From these differences along the measuring strip is the Level of the container derivable, in which the measuring strip is arranged.

Es sind daher im Stand der Technik verschiedene Sensoren bekannt, die für den einen oder den anderen Zweck eingesetzt werden. Jeder dieser Sensoren erfordert eine eigene Steuerung, elektrische Versorgung, konstruktive Anordnung und Befestigung, um dauerhaft fehlerfrei arbeiten zu können. Da jedoch der Bauraum, beispielsweise in Brennkraftmaschinen, begrenzt ist, wirkt sich eine hohe Zahl an Sensoren nachteilig auf die Kompaktheit und die Kosten der Brennkraftmaschine aus.It Therefore, various sensors are known in the art, the for the one or the other purpose are used. Each of these sensors requires its own control, electrical supply, constructive Arrangement and attachment to work permanently error-free. There However, the space, for example, in internal combustion engines, limited is a high number of sensors adversely affects the compactness and the cost of the internal combustion engine.

DE 103 50 084 A1 offenbart einen Kombinationssensor, mit dem die Viskosität und der Füllstand einer Flüssigkeit bestimmbar sind. Zur Füllstandsmessung werden in diesem Kombinationssensor Dickenschwingungen erzeugt, während zur Viskositätsmessung der umgebenden Flüssigkeit radiale Resonanzschwingungen im Kombinationssensor angeregt werden. Das durch den Kombinationssensor ausgesandte und durch einen Reflektor reflektierte Signal, wird durch den Kombinationssensor erfasst und nachfolgend ausgewertet. DE 103 50 084 A1 discloses a combination sensor with which the viscosity and the level of a liquid can be determined. For level measurement, thickness vibrations are generated in this combination sensor, while radial resonance vibrations in the combination sensor are excited for the viscosity measurement of the surrounding liquid. The signal emitted by the combination sensor and reflected by a reflector signal is detected by the combination sensor and subsequently evaluated.

Es ist daher das Problem der vorliegenden Erfindung, eine Messanordnung bereit zu stellen, mit der verlässlich verschiedene Funktionen bekannter Sensoren realisierbar sind.It Therefore, the problem of the present invention is a measuring arrangement to provide with the reliable Various functions of known sensors can be realized.

Das obige Problem wird durch einen Kombinationssensor gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 6 gelöst. Weiterentwicklungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den anhängenden Patentansprüchen hervor.The The above problem is solved by a combination sensor according to the independent claim 1 and by a method according to the independent claim 6 solved. Further developments and advantageous embodiments of the present Invention will be apparent from the following description, the drawings and the appended claims.

Der obige Kombinationssensor dient der Bestimmung von rheologischen Fluideigenschaften und Füllstand einer Flüssigkeit in einem Behälter, insbesondere dient er als Sensor zur Messung der Qualität und des Füllstands von Öl in einer Ölwanne einer Brennkraftmaschine. Der Kombinationssensor umfasst die folgenden Merkmale: einen scheibenförmigen piezokeramischen Sensor, der zu Schwingungen definierter Frequenz in Dickenrichtung anregbar und mit dem Schwingungen in einer umgebenden Flüssigkeit erfassbar sind, eine Deckscheibe, die auf dem scheibenförmigen piezokeramischen Sensor angeordnet ist, und eine Steuereinheit, mit der eine Mehrzahl von Schwingungspul sen definierter Frequenz im scheibenförmigen piezokeramischen Sensor generierbar und mindestens ein von einer Flüssigkeitsoberfläche reflektierter und erfasster Schwingungspuls auswertbar ist und mit der eine Resonanzverschiebung und/oder Amplitudendämpfung der Schwingung definierter Frequenz des scheibenförmigen piezokeramischen Sensors in Kombination mit der umgebenden Flüssigkeit messbar ist.Of the above combination sensor is used for the determination of rheological Fluid properties and level a liquid in a container, In particular, it serves as a sensor for measuring the quality and the level of oil in an oil pan an internal combustion engine. The combination sensor includes the following Characteristics: a disk-shaped piezoceramic sensor, which oscillates at a defined frequency Excitable in the thickness direction and with the vibrations in a surrounding liquid are detectable, a cover disc, which on the disc-shaped piezoceramic Sensor is arranged, and a control unit, with a plurality Schwingungspul sen defined frequency in the disc-shaped piezoceramic Sensor can be generated and at least one of a liquid surface reflected and detected vibration pulse is evaluable and with a resonance shift and / or amplitude attenuation the oscillation of defined frequency of the disc-shaped piezoceramic Sensor in combination with the surrounding liquid is measurable.

Der erfindungsgemäße Kombinationssensor ist sowohl zur Messung des Füllstands einer Flüssigkeit in dem Behälter als auch zur Bestimmung der Qualität dieser Flüssigkeit konstruiert. Zu diesem Zweck weist der Kombinationssensor ein schwingendes Element in Form eines scheibenförmigen piezokeramischen Sensors auf. Dieser Sensor ist in der Lage, in Dickenrichtung zu schwingen, so dass Schwingungen oder Schwingungspulse an eine umgebende Flüssigkeit abgebbar sind. Gleichzeitig ist der Sensor ebenfalls in der Lage, von der Flüssigkeit auf den Sensor übertragene Schwingungen zu erfassen und in Form eines elektrischen Signals an die Steuereinheit weiter zu leiten. Die Steuereinheit ist derart konfiguriert, dass sie einerseits Schwingungspulse definierter Frequenz im scheibenförmigen piezokeramischen Sensor ansteuert. Diese Schwingungspulse werden auf die umgebende Flüssigkeit übertragen und an einer Flüssigkeitsoberfläche reflektiert. Ist der Kombinationssensor am Boden des Behälters mit der zu untersuchenden Flüssigkeit angeordnet, werden diese Schwingungspulse in Richtung Flüssigkeitsoberfläche ausgesandt und als reflektierter Schwingungspuls vom scheibenförmigen piezokeramischen Sensor wieder erfasst. Aus den Laufzeitunterschieden zwischen Aussenden des Schwingungspulses und Empfangen des reflektierten Schwingungspulses ist durch die Steuereinheit eine Laufzeit des Schwingungspulses durch die Flüssigkeit bestimmbar. Diese Laufzeit ist abhängig von der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schwingung in der Flüssigkeit und dem Füllstand oder der Flüssigkeitssäule oberhalb des scheibenförmigen piezokeramischen Sensors. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit allgemein bekannt ist, ist durch die Steuereinheit der Füllstand der Flüssigkeit im Behälter aus der Laufzeit bestimmbar.The combination sensor according to the invention is designed both for measuring the level of a liquid in the container and for determining the quality of this liquid. For this purpose, the combination sensor has a vibrating element in the form of a disk-shaped piezoceramic sensor. This sensor is able to vibrate in the thickness direction, so that vibrations or vibration pulses can be emitted to a surrounding fluid. At the same time, the sensor is also capable of removing the liquid To detect vibrations transmitted to the sensor and to forward in the form of an electrical signal to the control unit. The control unit is configured such that on the one hand it actuates oscillation pulses of defined frequency in the disk-shaped piezoceramic sensor. These vibration pulses are transmitted to the surrounding liquid and reflected at a liquid surface. If the combination sensor is arranged at the bottom of the container with the liquid to be examined, these oscillation pulses are emitted in the direction of the liquid surface and detected again as a reflected oscillation pulse by the disk-shaped piezoceramic sensor. From the transit time differences between the emission of the oscillation pulse and receiving the reflected oscillation pulse, a running time of the oscillation pulse can be determined by the control unit by the control unit. This transit time is dependent on the propagation velocity of the vibration in the liquid and the level or the liquid column above the disk-shaped piezoceramic sensor. Since the speed of propagation is generally known, the level of the liquid in the container can be determined from the transit time by the control unit.

Die den scheibenförmigen piezokeramischen Sensor umgebende Flüssigkeit beeinflusst das Schwingungsverhalten des Kombinationssensors. Wird beispielsweise in regelmäßigen Abständen ein Frequenzspektrum des Kombinationssensors abgetastet, ist durch Vergleich mehrerer zeitlich versetzter Frequenzabtastungen eine Veränderung der Flüssigkeitseigenschaften der Flüssigkeit im Behälter auf Grund eines erfassten veränderten Schwingungsverhaltens des Kombinationssensors erkennbar. Wird daher der Kombinationssensor derart angesteuert, dass seine Resonanzfrequenz im Frequenzspektrum erfassbar ist, ist beispielsweise eine Verschiebung der Resonanzfrequenz auf Grund von Dichteänderungen der Flüssigkeit im Behälter bestimmbar. Somit ist aus einer Verschiebung der Resonanzfrequenz des Kombinationssensors eine Dichteänderung der Flüssigkeit im Behälter erkennbar. In gleicher Weise kann durch die Steuereinheit ebenfalls eine Amplitudendämpfung in zeitlich versetzten Messungen bestimmt werden, die Rückschlüsse auf die Änderung der Viskosität der Flüssigkeit im Behälter gestattet.The the disk-shaped Piezoceramic sensor surrounding liquid influences the vibration behavior of the combination sensor. For example, at regular intervals Frequency spectrum of the combination sensor is sampled by comparison a plurality of time shifted frequency sweeps a change in the fluid properties the liquid in the container due to a detected changed vibration behavior the combination sensor recognizable. Will therefore be the combination sensor controlled such that its resonance frequency in the frequency spectrum is detectable, for example, a shift of the resonant frequency due to density changes the liquid determinable in the container. Thus, from a shift of the resonance frequency of the combination sensor a density change the liquid in the container recognizable. In the same way can by the control unit also an amplitude attenuation in time-staggered measurements, the conclusions on the change the viscosity the liquid in the container allowed.

Gemäß einer Ausführungsform des Kombinationssensors weist dieser ein Rohr auf, das oberhalb des scheibenförmigen piezokeramischen Sensors offen ist. Es dient der Beruhigung der Flüssigkeitsoberfläche oberhalb des scheibenförmigen piezokeramischen Sensors, um Störungen während einer Messung durch den Kombinationssensor zu vermeiden.According to one embodiment of the combination sensor, this has a tube above of the disc-shaped piezoceramic sensor is open. It serves the reassurance of Liquid surface above of the disc-shaped piezoceramic sensor to disturbances while to avoid a measurement by the combination sensor.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der scheibenförmige piezokeramische Sensor und dessen Deckscheibe von einer Schutzschicht umgeben, um den Kombinationssensor vor chemischen Angriffen beispielsweise durch chemisch aggressive Flüssigkeiten, zu schützen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird diese Schutzschicht durch eine Wandung eines Flüssigkeitstanks gebildet, in die der Kombinationssensor eingelassen ist.According to one another embodiment is the disc-shaped piezoceramic sensor and its cover disc of a protective layer surrounded to the combination sensor against chemical attack, for example by chemically aggressive liquids, to protect. According to one another embodiment This protective layer is penetrated by a wall of a liquid tank formed, in which the combination sensor is embedded.

Die vorliegende Erfindung offenbart zudem ein Verfahren zur kombinierten Füllstands- und Flüssigkeitsqualitätsmessung. Dieses Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Erzeugen einer Mehrzahl von Schwingungspulsen und Erfassen mindestens eines an einer Flüssigkeitsoberfläche reflektierten Schwingungspulses mittels eines scheibenförmigen piezokeramischen Sensors, Erfassen einer Laufzeit eines Schwingungspulses zwischen dem Sensor und einer Flüssigkeitsoberfläche aus der Mehrzahl von Schwingungspulsen und dem reflektierten Schwingungspuls und Berechnen eines Füllstands einer Flüssigkeit, die den Sensor umgibt, und Abtasten eines Frequenzspektrums des scheibenförmigen piezokeramischen Sensors in Kombination mit der umgebenden Flüssigkeit und Bestimmen einer Verschiebung einer Resonanzfrequenz und/oder einer Amplitudenänderung der Schwingung des scheibenförmigen piezokeramischen Sensors durch den Einfluss der umgebenden Flüssigkeit, so dass eine Dichte- und/oder Viskositätsänderung der Flüssigkeit bestimmbar ist. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des oben beschriebenen Verfahrens wird die Mehrzahl von Schwingungspulsen mit einem Mehrfachen der Resonanzfrequenz generiert, um die Genauigkeit der Füllstandsmessung zu steigern.The The present invention also discloses a method for combined Fill Level and liquid quality measurement. This method comprises the following steps: generating a Plurality of vibration pulses and detecting at least one of reflected a liquid surface Oscillation pulse by means of a disk-shaped piezoceramic sensor, Detecting a transit time of a vibration pulse between the sensor and a liquid surface the plurality of oscillation pulses and the reflected oscillation pulse and calculating a level a liquid, surrounding the sensor and sampling a frequency spectrum of the discoid piezoceramic sensor in combination with the surrounding liquid and determining a shift of a resonant frequency and / or an amplitude change the vibration of the disc-shaped piezoceramic sensor due to the influence of the surrounding liquid, so that a density and / or viscosity change of the liquid is determinable. According to one Another embodiment of the method described above is the Plurality of vibration pulses at a multiple of the resonant frequency generated to increase the accuracy of the level measurement.

Die vorliegende Erfindung wird an Hand von bevorzugten Ausführungsformen näher erläutert, die in der begleitenden Zeichnung dargestellt sind. Es zeigen:The The present invention is based on preferred embodiments explained in more detail in the accompanying drawings are shown. Show it:

1 eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform des Kombinationssensors, 1 a schematic sectional view of an embodiment of the combination sensor,

2 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, 2 a flow chart of an embodiment of the method according to the invention,

3 ein schematisches Diagramm zur Veranschaulichung der Verschiebung der Resonanzfrequenz des Kombinationssensors mit umgebender Flüssigkeit auf Grund der Dichteänderung der umgebenden Flüssigkeit und 3 a schematic diagram illustrating the displacement of the resonant frequency of the combination sensor with surrounding liquid due to the density change of the surrounding liquid and

4 eine schematische Veranschaulichung der Amplitudendämpfung der Schwingung des Kombinationssensors mit umgebender Flüssigkeit auf Grund der Änderung der Viskosität der umgebenden Flüssigkeit. 4 a schematic illustration of the amplitude attenuation of the vibration of the combination sensor with surrounding liquid due to the change in the viscosity of the surrounding liquid.

Mit dem erfindungsgemäßen Kombinationssensor ist sowohl die Qualität als auch der Füllstand einer Flüssigkeit in einem Behälter bestimmbar. Aufbau und Funktion des Kombinationssensors werden im Weiteren am Beispiel einer Ölwanne einer Brennkraftmaschine als Behälter und dem darin enthaltenen Öl beschrieben.With the combination sensor according to the invention is both the quality as well as the level of a liquid in a container determinable. Structure and function of the combination sensor are in Further example of an oil sump an internal combustion engine as a container and the oil contained in it described.

Eine schematische Schnittdarstellung des Kombinationssensors zeigt 1. Der Kombinationssensor ist auf dem Boden 90 der Ölwanne angeordnet, so dass er durch das umgebende Öl 40 eingeschlossen ist. Oberhalb des Kombinationssensors befindet sich die Öloberfläche 43, deren Höhe den Füllstand 45 der Ölwanne angibt. Der Kombinationssensor umfasst einen scheibenförmigen piezokeramischen Sensor 10. Dieser ist elektrisch über Kontakte 12 mit einer Steuereinheit 30 verbunden. Durch geeignete elektrische Ansteuerung mit Hilfe der Steuereinheit 30 ist der scheibenförmige piezokeramische Sensor 10 zu Schwingungen in Dickenrichtung D anregbar. Die Eigenschaften dieser Schwingungen, wie Frequenz f, Amplitude A, Schwingungspulsdauer, kontinuierliche Schwingung, werden durch die Steuereinheit 30 vorgegeben.A schematic sectional view of the combination sensor shows 1 , The combination sensor is on the ground 90 the sump arranged so that it passes through the surrounding oil 40 is included. Above the combination sensor is the oil surface 43 whose height is the level 45 indicates the oil pan. The combination sensor comprises a disc-shaped piezoceramic sensor 10 , This is electrically via contacts 12 with a control unit 30 connected. By suitable electrical control with the help of the control unit 30 is the disc-shaped piezoceramic sensor 10 to vibrations in the thickness direction D excitable. The characteristics of these oscillations, such as frequency f, amplitude A, oscillation pulse duration, continuous oscillation, are determined by the control unit 30 specified.

Auf dem scheibenförmigen piezokeramischen Sensor 10 ist eine Deckscheibe 20 angeordnet und an diesem befestigt. Die Deckscheibe 20 weist eine größere Fläche als der scheibenförmige piezokeramische Sensor 10 auf, an der das Öl 40 angreift und beispielsweise viskositätsabhängige Kräfte ausübt. Diese Kräfte beeinflussen das Schwingungsverhalten des scheibenförmigen piezokeramischen Sensors 10 und somit des Kombinationssensors, wie unten näher erläutert ist.On the disc-shaped piezoceramic sensor 10 is a cover disk 20 arranged and attached to this. The cover disk 20 has a larger area than the disc-shaped piezoceramic sensor 10 on, on the oil 40 attacks and exerts, for example, viscosity-dependent forces. These forces influence the vibration behavior of the disk-shaped piezoceramic sensor 10 and thus the combination sensor, as explained in more detail below.

Um den scheibenförmigen piezokeramischen Sensor 10 und die Deckscheibe 20 vor chemischem Angriff zu schützen, beispiels weise durch das umgebende Öl 40, sind sie durch eine Schutzschicht 60 ummantelt. Diese Schutzschicht 60 ist einerseits chemisch resistent und andererseits stellt sie einen physikalischen Schutz, beispielsweise vor zu hohen Temperaturen, bereit.To the disc-shaped piezoceramic sensor 10 and the cover disk 20 to protect against chemical attack, example, by the surrounding oil 40 , they are protected by a protective layer 60 jacketed. This protective layer 60 On the one hand, it is chemically resistant and, on the other hand, provides physical protection, for example against excessively high temperatures.

Gemäß einer Ausführungsform wird die Schutzschicht 60 durch den Boden 90 der Ölwanne gebildet, wenn dieser aus Kunststoff besteht. Der Kombinationssensor ist dann in den Boden 90 eingelassen, so dass er einerseits fest angeordnet und andererseits vor chemischen und thermischen Einflüssen geschützt ist.According to one embodiment, the protective layer 60 through the ground 90 formed the oil pan, if this consists of plastic. The combination sensor is then in the ground 90 so that it is on the one hand firmly arranged and on the other hand protected against chemical and thermal influences.

Der Kombinationssensor umfasst des Weiteren bevorzugt ein Rohr 50, das oberhalb des Kombinationssensors offen ist. Das Rohr 50 trägt zur Beruhigung der Öloberfläche 43 oberhalb des Kombinationssensors bei, so dass Messungen des Kombinationssensors nicht gestört werden. Auf diese Weise wird verhindert, dass mit Luftblasen durchsetztes Öl 40 in die Messzone über dem scheibenförmigen piezokeramischen Sensor 10 gelangt. Um den Füllstand 45 nicht zu verfälschen, ist das Rohr 50 mit Zuflüssen 52 an seinem unteren Ende ausgestattet.The combination sensor further preferably comprises a tube 50 which is open above the combination sensor. The pipe 50 contributes to the calming of the oil surface 43 above the combination sensor, so that measurements of the combination sensor are not disturbed. In this way it is prevented that interspersed with air bubbles oil 40 into the measuring zone above the disc-shaped piezoceramic sensor 10 arrives. To the level 45 not to falsify, is the tube 50 with tributaries 52 equipped at its lower end.

Es ist weiterhin bevorzugt, die Temperatur des Öls 40 zu erfassen. Zu diesem Zweck ist angrenzend an den Kombinationssensor ein Temperatursensor 70 angeordnet. Er ist mit der Steuereinheit 30 verbunden, um das die Temperatur repräsentierende elektrische Signal auszuwerten und für weitere Messungen oder Auswertungen zu nutzen. Auf Grundlage dieses Signals werden unter anderem temperaturbedingte Änderungen von Flüssigkeitseigenschaften in der Auswertung der Messdaten des Sensors 10 berücksichtigt.It is further preferred, the temperature of the oil 40 capture. For this purpose, adjacent to the combination sensor is a temperature sensor 70 arranged. He is with the control unit 30 connected to evaluate the temperature representing electrical signal and to use for further measurements or evaluations. On the basis of this signal, among other things, temperature-related changes of liquid properties in the evaluation of the measured data of the sensor 10 considered.

Zur Füllstandsmessung in der Ölwanne steuert die Steuereinheit 30 eine Mehrzahl von Schwingungspulsen definierter Frequenz an. Die Ansteuerung wird im scheibenförmigen piezokeramischen Sensor 10 in axiale Schwingungspulse bzw. Schwingungspulse in Dickenrichtung D des scheibenförmigen piezoke ramischen Sensors 10 umgewandelt. Diese Schwingungspulse werden bevorzugt in der Grundresonanzfrequenz des Sensors 10 erzeugt und in das Öl 40 in Richtung der Öloberfläche 43 abgegeben. Nach Reflektion der Schwingungspulse an der Öloberfläche 43 (Grenzfläche Öl-Luft) werden die reflektierten Schwingungspulse im Zeitraum zwischen zwei Schwingungsanregungen durch den scheibenförmigen piezokeramischen Sensor 10 erfasst (Schritt A in 2). Aus dem zeitlichen Abstand zwischen dem erfassten reflektierten Schwingungspuls und dem erzeugten Schwingungspuls ist die Laufzeit des Schwingungspulses vom Kombinationssensor zur Öloberfläche 43 und zurück erfassbar. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schwingungspulses im Öl 40 bekannt ist, ist in der Steuereinheit 30 die einfache zurückgelegte Strecke des Schwingungspulses zwischen Öloberfläche 43 und Kombinationssensor – also der Füllstand 45 des Öls 40 – berechenbar (Schritte B, C).The control unit controls the level in the sump 30 a plurality of oscillation pulses of defined frequency. The drive is in the disk-shaped piezoceramic sensor 10 in axial vibration pulses or vibration pulses in the thickness direction D of the disk-shaped piezoke-type sensor 10 transformed. These oscillation pulses are preferably in the basic resonance frequency of the sensor 10 produced and in the oil 40 in the direction of the oil surface 43 issued. After reflection of the vibration pulses at the oil surface 43 (Interface oil-air) are the reflected vibration pulses in the period between two vibration excitations by the disc-shaped piezoceramic sensor 10 detected (step A in 2 ). From the time interval between the detected reflected oscillation pulse and the generated oscillation pulse, the transit time of the oscillation pulse from the combination sensor to the oil surface 43 and recoverable. Since the propagation velocity of the vibration pulse in the oil 40 is known, is in the control unit 30 the simple distance covered by the vibration pulse between the oil surface 43 and combination sensor - so the level 45 of the oil 40 - calculable (steps B, C).

Gemäß einer Ausführungsform wird die Füllstandsmessung mit hochfrequenten Schwingungen durchgeführt – also einem Mehrfachen der Resonanzfrequenz des Kombinationssensors. Auf diese Weise wird das Auflösungsvermögen des Kombinationssensors gesteigert und daher die Genauigkeit der Füllstandsmessung erhöht.According to one embodiment becomes the level measurement performed with high-frequency oscillations - that is a multiple of the Resonant frequency of the combination sensor. That's how it works Resolution of the Combination sensor increased and therefore the accuracy of the level measurement elevated.

Die 3 und 4 zeigen beispielgebend den Einfluss der Öleigenschaften Dichte ρ und Viskosität η (4) auf das Schwingungsverhalten des scheibenförmigen piezokeramischen Sensors 10. Da das Öl 40 über die Deckscheibe 20 direkt an den scheibenförmigen piezokeramischen Sensor 10 ankoppelt, beeinflussen die Öleigenschaften das Schwingungsverhalten des scheibenförmigen piezokeramischen Sensors 10. Somit sind umgekehrt aus Änderungen des Schwingungsverhaltens des scheibenförmigen piezokeramischen Sensors 10 Änderungen der Öleigenschaften erkennbar. Nimmt beispielsweise die Dichte des Öls ab, verschiebt sich dadurch die Resonanzfrequenz des Systems piezokeramischer Sensor und umgebendes Öl zu höheren Frequenzen. Dies ist in 3 veranschaulicht. 3 zeigt die unterschiedlichen Frequenzspektren 1 bis 5, die mit unterschiedlichen Öldichten ρ1 – ρ5 gemessen worden sind. Das Maximum der einzelnen Kurven 1 bis 5 zeigt jeweils die Resonanzfrequenz des Systems an. Da Kurve 1 mit der geringsten Öldichte ρ1 und Kurve 5 mit der größten Öldichte ρ5 gemessen worden sind, kann man an Hand von 3 erkennen, dass sich die Resonanzfrequenz des Systems Kombinationssensor und umgebendes Öl mit abnehmender Dichte des Öls zu höheren Frequenzen verschiebt. Diese Frequenzen f sind auf der X-Achse aufgetragen, während die Y-Achse die Amplitude A der Schwingungen beschreibt.The 3 and 4 show by way of example the influence of the oil properties density ρ and viscosity η ( 4 ) on the vibration behavior of the disc-shaped piezoceramic sensor 10 , Because the oil 40 over the cover disk 20 directly to the disc-shaped piezoceramic sensor 10 coupled, the oil properties affect that Vibration behavior of the disk-shaped piezoceramic sensor 10 , Thus, conversely, changes in the vibration behavior of the disc-shaped piezoceramic sensor 10 Changes in oil properties visible. For example, if the density of the oil decreases, the resonant frequency of the piezoceramic sensor system and surrounding oil shifts to higher frequencies. This is in 3 illustrated. 3 shows the different frequency spectra 1 to 5, which were measured with different oil densities ρ 1 - ρ 5 . The maximum of the individual curves 1 to 5 each indicates the resonance frequency of the system. Because curve 1 with the lowest oil density ρ 1 and curve 5 can be measured with the largest oil density ρ 5 , you can on hand of 3 Recognize that the resonant frequency of the combination sensor system and surrounding oil shifts to higher frequencies as the density of the oil decreases. These frequencies f are plotted on the x-axis, while the y-axis describes the amplitude A of the vibrations.

In 4 ist der Einfluss der Ölviskosität η auf die Amplitude A der Resonanzschwingung des Systems Kombinationssensor und umgebendes Öl dargestellt. Die gemessenen Kurven 1 bis 5 wurden für unterschiedliche Ölviskositäten η1 bis η5 gemessen. Die erste Kurve wurde bei der größten Ölviskosität η1 gemessen, während die fünfte Kurve bei der kleinsten Ölviskosität η5 gemessen worden ist. Aus der Kurvenschar in 5 ist daher erkennbar, dass die Amplitudendämpfung des schwingenden Systems Kombinationssensor und umgebendes Öl mit abnehmender Ölviskosität ebenfalls abnimmt. Werden daher mehrere Frequenzspektren gemessen, die eine abnehmende Amplitudendämpfung und somit eine zunehmende Amplitude A anzeigen, ist auf diese Weise eine Abnahme der Ölviskosität η erfassbar.In 4 the influence of the oil viscosity η on the amplitude A of the resonance oscillation of the combination sensor system and the surrounding oil is shown. The measured curves 1 to 5 were measured for different oil viscosities η 1 to η 5 . The first curve was measured at the largest oil viscosity η 1 , while the fifth curve was measured at the lowest oil viscosity η 5 . From the group of curves in 5 Therefore, it can be seen that the amplitude attenuation of the oscillating system combination sensor and surrounding oil also decreases with decreasing oil viscosity. Therefore, if several frequency spectra are measured which indicate a decreasing amplitude attenuation and thus an increasing amplitude A, a decrease in the oil viscosity η can be detected in this way.

Um eine Änderung der Öleigenschaften zu erfassen, wird in bestimmten Zeitabständen durch die Steuereinheit 30 und den scheibenförmigen piezokeramischen Sensor 10 ein vorgegebenes Frequenzspektrum abgetastet. Das abgetastete Frequenzspektrumliefert beispielsweise die Kurve 5 in 3, die in neuem Öl gemessen worden ist. Nach einer vorgegebenen Betriebsdauer der Brennkraftmaschine wird dieses Frequenzspektrum erneut abgetastet und man erhält die Kurve 4 in 3. Nachfolgend werden die erfassten Frequenzspektren 4, 5 und Resonanzfrequenzen des schwingenden Systems Kombinationssensor und Öl 40 in der Steuereinheit 30 verglichen. Die Resonanzfrequenzen werden jeweils durch die Maxima der Frequenzspektren angegeben.To detect a change in the oil properties, is at certain intervals by the control unit 30 and the disc-shaped piezoceramic sensor 10 sampled a predetermined frequency spectrum. For example, the sampled frequency spectrum provides the curve 5 in 3 that has been measured in new oil. After a predetermined period of operation of the internal combustion engine, this frequency spectrum is sampled again and the curve is obtained 4 in 3 , The following are the recorded frequency spectrums 4 . 5 and resonant frequencies of the oscillating system combination sensor and oil 40 in the control unit 30 compared. The resonance frequencies are indicated by the maxima of the frequency spectra.

Liefert der Vergleich eine Verschiebung der Resonanzfrequenz zu höheren Frequenzen, zeigt dies eine Abnahme der Dichte ρ des Öls 40 an. Wird über diese Messung das Unter- oder Überschreiten von Schwellenwerten erkannt, ist es ebenfalls bevorzugt, dies optisch oder akustisch zu signalisieren. Diese Schwellenwerte werden in der Steuereinheit 30 abgespeichert. Auf diese Weise ist es möglich, Schädigungen der Brennkraftmaschine zu verhindern.If the comparison provides a shift of the resonance frequency to higher frequencies, this indicates a decrease in the density ρ of the oil 40 at. If the undershooting or exceeding of threshold values is detected by this measurement, it is likewise preferred to signal this optically or acoustically. These thresholds are in the control unit 30 stored. In this way it is possible to prevent damage to the internal combustion engine.

In gleicher Weise wie die Dichteänderung lässt sich eine Viskositätsänderung des Öls 40 an Hand der Amplitudendämpfung der Resonanzschwingung des Systems Kombinationssensor und umgebendes Öl 40 erkennen. Wird über das Abtasten eines ersten Frequenzspektrums des Kombinationssensors die Kurve 1 gemessen, zeigt eine spätere Messung der Kurve 3 eine abnehmende Amplitudendämpfung durch das umgebende Öl 40 an. Ist die erste Kurve zudem auf den absoluten Viskositätswert des Öls 40 kalibriert, sind aus weiteren Messungen der Amplitudendämpfung auch die absoluten Änderungen der Ölviskosität ableitbar. In gleicher Weise wie bei der Dichtemessung sind auch hier in der Steuereinheit 30 Schwellenwerte definierbar, bei deren Unter- oder Überschreiten Warnsignale in akustischer oder optischer Form angesteuert werden können.In the same way as the density change can be a change in viscosity of the oil 40 based on the amplitude damping of the resonant vibration of the system combination sensor and surrounding oil 40 detect. Is the curve over the scanning of a first frequency spectrum of the combination sensor 1 measured, shows a later measurement of the curve 3 a decreasing amplitude attenuation by the surrounding oil 40 at. In addition, the first curve is the absolute viscosity value of the oil 40 calibrated, the absolute changes in the oil viscosity can be derived from further measurements of the amplitude attenuation. In the same way as with the density measurement are also here in the control unit 30 Threshold values can be defined, in which warning signals can be controlled in acoustic or optical form when they are below or exceeded.

Zusammenfassend ist mit dem Kombinationssensor sowohl eine Füllstandsmessung als auch eine Messung rheologischer Fluideigenschaften des Öls 40 durchführbar. Die Funktionsintegration im Kombinationssensor erlaubt zudem einen kostengünstigen Aufbau im Vergleich zur Nutzung einer Mehrzahl von Sensoren.In summary, with the combination sensor, both a level measurement and a measurement of rheological fluid properties of the oil 40 feasible. The functional integration in the combination sensor also allows a cost-effective design compared to the use of a plurality of sensors.

1010
scheibenförmiger piezokeramischer Sensordisk-shaped piezoceramic sensor
1212
elektrische Kontakteelectrical contacts
2020
Deckscheibecover disc
3030
Steuereinheitcontrol unit
4040
Flüssigkeit, ÖlLiquid, oil
4343
Flüssigkeitsoberflächeliquid surface
4545
Füllstandlevel
5050
Rohrpipe
5252
Zuflüsse im RohrInflows in the pipe
6060
Schutzschichtprotective layer
7070
Temperatursensortemperature sensor
9090
Boden der Ölwanneground the oil pan
DD
Schwingungsrichtungvibration direction
Schritt Astep A
Erzeugen von SchwingungspulsenProduce of vibration pulses
Schritt Bstep B
Erfassen einer LaufzeitTo capture a term
Schritt Cstep C
Berechnen des FüllstandsTo calculate the level
Schritt Dstep D
Abtasten eines FrequenzspektrumsScan a frequency spectrum
Schritt Estep e
Bestimmen einer Verschiebung einer Resonanzfrequenz oder einer AmplitudendämpfungDetermine a shift of a resonant frequency or an amplitude attenuation
AA
Amplitudeamplitude
FF
Frequenzfrequency
ρρ
Dichtedensity
ηη
Viskositätviscosity

Claims (7)

Kombinationssensor zur Bestimmung von Qualität und Füllstand einer Flüssigkeit in einem Behälter, insbesondere ein Sensor zur Messung von Öl in einer Brennkraftmaschine, der die folgenden Merkmale aufweist: a. einen scheibenförmigen piezokeramischen Sensor (10), der zu Schwingungen definierter Frequenz in Dickenrichtung (D) anregbar und mit dem Schwingungen in einer umgebenden Flüssigkeit (40) erfassbar sind, b. eine Deckscheibe (20), die auf dem scheibenförmigen piezokeramischen Sensor (10) angeordnet ist, und c. eine Steuereinheit (30), mit der eine Mehrzahl von Schwingungspulsen jeweils definierter Frequenz aus einem Frequenzspektrum mittels des scheibenförmigen piezokeramischen Sensors (10) generierbar und mindestens ein von der Flüssigkeitsoberfläche (45) reflektierter und erfasster Schwingungspuls auswertbar ist und mit der eine Resonanzfrequenzverschiebung und/oder Amplitudenänderung der Dickenschwingung des scheibenförmigen piezokeramischen Sensors (10) durch den Einfluss der umgebenden Flüssigkeit (40) messbar ist, wobei über die Resonanzfrequenzverschiebung eine Dichteänderung und über die Amplitudenänderung eine Viskositätsänderung der Flüssigkeit bestimmbar ist.Combination sensor for determining the quality and level of a liquid in a container, in particular a sensor for measuring oil in an internal combustion engine, having the following features: a. a disk-shaped piezoceramic sensor ( 10 ), which can be excited to vibrations of defined frequency in the thickness direction (D) and with the vibrations in a surrounding fluid ( 40 ), b. a cover plate ( 20 ) mounted on the disc-shaped piezoceramic sensor ( 10 ), and c. a control unit ( 30 ), with which a plurality of oscillation pulses of respectively defined frequency from a frequency spectrum by means of the disc-shaped piezoceramic sensor ( 10 ) and at least one of the liquid surface ( 45 ) reflected and detected vibration pulse can be evaluated and with a resonance frequency shift and / or amplitude change of the thickness vibration of the disk-shaped piezoceramic sensor ( 10 ) by the influence of the surrounding liquid ( 40 ) is measurable, wherein on the resonance frequency shift a density change and on the amplitude change, a change in viscosity of the liquid can be determined. Kombinationssensor gemäß Anspruch 1, der des Weiteren ein Rohr (50) aufweist, das oberhalb des scheibenförmigen piezokeramischen Sensors (10) offen ist.Combination sensor according to claim 1, further comprising a tube ( 50 ), which above the disc-shaped piezoceramic sensor ( 10 ) is open. Kombinationssensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen scheibenförmiger piezokeramischer Sensor (10) und dessen Deckscheibe (20) durch eine Schutzschicht (60) ummantelt sind, um vor chemischen Angriffen geschützt zu sein.Combination sensor according to one of the preceding claims, whose disk-shaped piezoceramic sensor ( 10 ) and its cover disc ( 20 ) by a protective layer ( 60 ) are encased to be protected from chemical attack. Kombinationssensor gemäß Anspruch 3, dessen Schutzschicht (60) eine Wandung eines Flüssigkeitstanks ist, in die der Kombinationssensor eingelassen ist.Combination sensor according to claim 3, whose protective layer ( 60 ) is a wall of a liquid tank, in which the combination sensor is embedded. Kombinationssensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, der des Weiteren einen Temperatursensor (70) aufweist, so dass die Temperatur der umgebenden Flüssigkeit (40) messbar ist.Combination sensor according to one of the preceding claims, further comprising a temperature sensor ( 70 ), so that the temperature of the surrounding liquid ( 40 ) is measurable. Verfahren zur kombinierten Füllstands- und Flüssigkeitsqualitätsmessung, das die folgenden Schritte aufweist: a. Erzeugen (A) einer Mehrzahl von Schwingungspulsen und Erfassen mindestens eines an einer Flüssigkeitsoberfläche (43) reflektierten Schwingungspulses mittels eines scheibenförmigen piezokeramischen Sensors (10), der in Dickenrichtung zu Schwingungen angeregt wird, b. Erfassen (B) der Laufzeit eines Schwingungspulses zwischen dem Sensor (10) und der Flüssigkeitsoberfläche (43) aus der Mehrzahl von Schwingungspulsen und dem mindestens einen reflektierten Schwingungspuls und Berechnen (C) des Füllstands der Flüssigkeit (40), die den Sensor umgibt, c. Abtasten (D) des scheibenförmigen piezokeramischen Sensors (10) in Kontakt mit der umgebenden Flüssigkeit (40) mit einer Mehrzahl von Frequenzen aus einem Frequenzspektrum; Bestimmen (E) einer Verschiebung der Resonanzfrequenz und/oder einer Amplitudenänderung der Dickenschwingung des scheibenförmigen piezokeramischen Sensors (10) durch den Ein fluss der umgebenden Flüssigkeit (40); Bestimmen einer Dichteänderung über die Resonanzfrequenzverschiebung und/oder Bestimmen einer Viskositätsänderung der Flüssigkeit (40) über die Amplitudenänderung.A combined level and liquid quality measurement method comprising the steps of: a. Generating (A) a plurality of vibration pulses and detecting at least one on a liquid surface ( 43 ) reflected vibration pulse by means of a disk-shaped piezoceramic sensor ( 10 ), which is excited to vibrate in the thickness direction, b. Detecting (B) the transit time of a vibration pulse between the sensor ( 10 ) and the liquid surface ( 43 ) of the plurality of oscillation pulses and the at least one reflected oscillation pulse and calculating (C) the liquid level ( 40 ) surrounding the sensor, c. Scanning (D) of the disc-shaped piezoceramic sensor ( 10 ) in contact with the surrounding liquid ( 40 ) having a plurality of frequencies from a frequency spectrum; Determining (E) a shift in the resonant frequency and / or an amplitude change in the thickness oscillation of the disc-shaped piezoceramic sensor ( 10 ) by the influence of the surrounding liquid ( 40 ); Determining a density change via the resonance frequency shift and / or determining a viscosity change of the fluid ( 40 ) about the amplitude change. Verfahren gemäß Anspruch 6, in dem die Mehrzahl von Schwingungspulsen mit einem Mehrfachen der Resonanzfrequenz generiert wird, um die Genauigkeit der Füllstandsmessung zu steigern.Method according to claim 6, in which the plurality of oscillation pulses multiply The resonant frequency is generated to the accuracy of the level measurement to increase.
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