-
Die
Erfindung betrifft einen Zustandssensor.
-
Aus
der Technik in dem Bereich von Brennkraftmaschinen ist die Notwendigkeit
bekannt, die Qualität von Motorenöl zu überwachen.
Weiterhin ist bekannt, dass die Qualität des Motorenöls
insbesondere durch Verschmutzung mit der Zeit nachlässt. Aus
diesem Grund wird üblicherweise bei regelmäßigen
Wartungsarbeiten am Kraftfahrzeug das Motorenöl ausgewechselt.
Da der Verschleiß des Motorenöls unter anderem
auch von dem Fahrstil des Kraftfahrzeugbenutzers abhängt,
wird in der Praxis angestrebt, die Ölqualität
gesondert zu überwachen und den Benutzer darauf hinzuweisen,
wann ein Ölwechsel stattzufinden hat. Zur Bestimmung der
Qualität des Motorenöls kann die Viskosität
des Motorenöls herangezogen werden.
-
Aus
der
DE 103 45 253
A1 ist ein Zustandssensor für Flüssigkeiten
bekannt, der einen Schwingkörper aufweist, der mit einer
Haltevorrichtung gehalten wird. Der Schwingkörper weist
ein Piezoelement auf, das an dem Schwingkörper angeordnet
ist und über einen Betriebsanschluss betrieben wird. Abhängig
von mechanischen Bewegungen der Haltevorrichtung, beispielsweise
hervorgerufen durch Vibrationen einer Brennkraftmaschine, kann der
Schwingkörper diese mechanischen Bewegungen aufnehmen und
es kommt infolgedessen zu einer Störung der Messergebnisse.
-
Es
ist Aufgabe der Erfindung einen Zustandssensor zu schaffen, mit
dem die Viskosität eines Fluids zuverlässig ermittelt
werden kann.
-
Die
Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen
Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind
durch die Unteransprüche gekennzeichnet.
-
Die
Erfindung zeichnet sich aus durch einen Zustandssensor, der ein
Sensorgehäuse und ein teilweise in dem Sensorgehäuse
angeordnetes Schwingungselement umfasst. Ein in dem Sensorgehäuse angeordnetes
Massenelement ist mit dem Schwingungselement fest gekoppelt und
weist eine bezüglich des Schwingungselements große
Massenträgheit auf zur Fixierung des in dem Sensorgehäuse
angeordneten Endes des Schwingungselementes. Der Zustandssensor
umfasst ferner einen zumindest teilweise in dem Sensorgehäuse
angeordneten Verguss zur Festlegung des Massenelements in dem Sensorgehäuse.
Es ist mindestens ein Sensorelement an dem Schwingungselement extern
zu dem Verguss angeordnet. Dies ermöglicht eine zuverlässige
Ermittlung der Viskosität von Fluiden. Ermöglicht
wird dies durch die Kombination des Massenelements mit dem Verguss.
Das Massenelement weist eine Massenträgheit auf, die so
groß ist, dass sich das Massenelement bei bestimmungsgemäßem
Betrieb nicht oder nur unwesentlich bewegt und damit das in dem Sensorgehäuse
angeordnete Ende des Schwingungselementes gegenüber dem
Gehäuse fixiert. Der Verguss sorgt für eine Dämpfung
von externen mechanischen Störsignalen.
-
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Material
des Vergusses elastisch ausgebildet im Vergleich zu dem Material
des Massenelements. Der Verguss ist durch seine elastische Ausbildung
mit dem Massenelement derart gekoppelt, dass externe mechanische
Störsignale wie die Vibrationen einer Brennkraftmaschine
von dem elastischen Verguss abgedämpft werden und allenfalls
abgeschwächt das Schwingungselement über das Massenelement
erreichen. Dies ermöglicht eine einfache Entkopplung des
Schwingungselements gegenüber mechanischen Störsignalen
und vermindert damit wirksam eine Störung der mittels des
Schwingungselements vorgenommenen Viskositätsmessung.
-
Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Material
des Vergusses aus Silikon ausgebildet.
-
Die
sehr hohe chemische Beständigkeit des Silikons ermöglicht
eine sehr lange Lebensdauer des Vergusses.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dichtet
der Verguss das Sensorgehäuse und die Kopplung des Schwingungselements
mit dem Massenelement fluiddicht ab. Dies ermöglicht einen
reproduzierbar und zuverlässig arbeitenden Zustandssensor
dadurch, dass ein Eindringen von Fluid in das Sensorgehäuse
wirksam vermieden werden kann und beispielsweise das Massenelement zuverlässig
vor Korrosion geschützt wird.
-
Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Verguss
temperaturstabil ausgebildet bis zu einer Temperatur von mindestens
160°C. Dies ermöglicht es die Viskosität
von Motorenöl bis zu einer Temperatur von mindestens 90°C zuverlässig
zu ermitteln und auch deutlich höhere Temperaturen bis über
160°C zu überstehen.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das
Sensorelement einseitig an dem Schwingungselement angeordnet. Dies
ermöglicht eine kostengünstige Anordnung des Sensorelements an
dem Schwingungselement.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein
Signalgenerator vorgesehen, der dem Sensorelement ein Steuersignal
zuführt, das das Schwingungselement zu einer mechanischen Schwingung
anregt und das Schwingverhalten des Schwingungselements bestimmt.
Das Schwingverhalten des Schwingungselements ist charakteristisch für
die Viskosität des Fluids, von dem der Zustandssensor umgeben
ist. Eine genaue und reproduzierbare Vorgabe einer Anregungsschwingung
ist die Voraussetzung für eine Ermittlung der Viskosität.
Dies wird ermöglicht durch die Anregung des Sensorelements
mit dem Steuersignal und eine entsprechende feste Kopplung des Schwingungselements
in dem Sensorgehäuse.
-
Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Sensorelement
an dem Schwingungselement angeordnet und so ausgebildet, dass abhängig
von dem weiteren Sensorelement das Schwingverhalten des Schwingungselements
ermittelt wird. Durch einen Vergleich des ermittelten Schwingverhaltens
mit dem vorgegebenen Schwingverhalten kann ein vorgegebener Wert
einfach mit einem Istwert verglichen werden. Dies ermöglicht
eine Ermittlung der Viskosität abhängig von dem
Vergleich zwischen dem vorgegebenen und dem tatsächlichen Schwingverhalten
des Schwingungselements.
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen:
-
1 ein
erstes Ausführungsbeispiel eines Zustandssensors,
-
2 einen
Zustandssensor in einem Fluid,
-
3 ein
weiteres Ausführungsbeispiel eines Zustandssensors.
-
Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend
mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
-
1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel eines Zustandssensors 2 in
einem Längsschnitt. In einem Sensorgehäuse 4 des
Zustandssensors 2 ist teilweise ein Schwingungselement 6 angeordnet. Das
in dem Sensorgehäuse 4 angeordnete Ende des Schwingungselements 6 ist
gekoppelt mit einem in dem Sensorgehäuse 4 angeordneten
Massenelement 8. Das Schwingungselement 6 kann
beispielsweise kraftschlüssig oder formschlüssig
mit dem Massenelement 8 gekoppelt sein. Ein zumindest teilweise
in dem Sensorgehäuse 4 angeordneter Verguss 10 koppelt
das Massenelement 8 mit dem Sensorgehäuse 4.
Ein Sensorelement 12 und ein weiteres Sensorelement 13 sind
an dem Schwingungselement 6 extern zu dem Verguss 10 angeordnet.
Im norma len Betrieb soll der Zustandssensor 2 vollständig
in ein Fluid 20 eingetaucht sein, dessen Viskosität V
zu ermitteln ist.
-
Bei
dem Sensorelement 12 kann es sich beispielsweise um ein
Piezoelement handeln. Der Zustandssensor 2 ist über
das Sensorelement 12 gekoppelt mit einem Signalgenerator 14,
der das Sensorelement 12 mittels eines Steuersignals 16 mit
einer Anregungsspannung Uin beaufschlagt. Die Anregungsspannung
Uin kann beispielsweise sinusförmig verlaufen und weist
beispielsweise eine Frequenz von einigen Kilohertz auf. Eine derartige
Anregung bewirkt eine sinusförmig Ausdehnungsänderung
des Sensorelements 12, so dass das Schwingungselement 6 in
eine sinusförmige Schwingung versetzt wird. Diese sinusförmige
Schwingung wiederum bewirkt eine Krafteinwirkung auf das weitere
Sensorelement 13, das an dem Schwingungselement 6 gegenüber
liegend zu dem Sensorelement 12 angeordnet ist. Zusätzlich
zu dem Sensorelement 12 und dem weiteren Sensorelement 13 können
beispielsweise weitere Sensorelemente an dem Schwingungselement 6 angeordnet
sein. Hierfür sind beispielsweise auch so genannte Piezolaminate
geeignet. Durch die Krafteinwirkung auf das weitere Sensorelement 13 wird
in diesem eine elektrische Ausgangsspannung Uout erzeugt, die einer
Signalmesseinrichtung 18 zugeführt wird. Bei konstanter
Viskosität V weist die in dem weiteren Sensorelement 13 generierte
Ausgangsspannung Uout zu der Anregungsspannung Uin ein bezogen auf
einen Temperaturwert charakteristisches Verhältnis auf.
Bevorzugt wird die Ausgangsspannung Uout bei einer Frequenz der
sinusförmigen Anregungsspannung Uin erfasst, die einer Resonanzfrequenz
des Schwingungselements 6 entspricht. Dies ermöglicht
eine große Sensitivität des Messergebnisses.
-
Das
in dem Sensorgehäuse 4 angeordnete Massenelement 8 ist
ausgebildet zur Fixierung des in dem Sensorgehäuse 4 angeordneten
Endes des Schwingungselements 6 und weist aus diesem Grund
eine bezüglich des Schwingungselements 6 große
Massenträgheit auf. Je niedriger die Resonanzfrequenz des
Schwingungselements 6 ist, bei der die Ausgangsspannung
Uout von der Signalmesseinrichtung 18 erfasst wird, desto
größer ist die Massenträgheit des Massenelements 8 zu
wählen. Das Massenelement 8 weist beispielsweise
eine Masse von 30 g auf. Das Schwingungselement 6 kann
beispielsweise eine Masse von 2 bis 3 g aufweisen. Damit ist die
Masse des Massenelements 8 in etwa zehn Mal so groß wie
die Masse des Schwingungselements 6. Dies ermöglicht
es, dass das Massenelement 8 bei einem schwingenden Schwingungselement 6 mechanisch
in Ruhe bleibt und verhindert auf diese Weise zuverlässig
eine ungewollte Dämpfung des schwingenden Schwingungselements 6 beispielsweise
durch den Verguss 10 in dem Sensorgehäuse 4.
Bevorzugt ist das Massenelement 8 aus einem Material großer
Härte ausgebildet. Beispielsweise kann das Massenelement 8 aus
Stahl ausgebildet sein. Gekoppelt ist das Massenelement 8 mit
dem Verguss 10, der elastisch ausgebildet ist. Der Verguss 10 kann
beispielsweise aus Silikon ausgebildet sein und weist beispielsweise
eine Härte in einem Bereich von 45 bis 80 der Shore-Härte
auf. Die Anordnung des aus dem harten Material ausgebildeten Massenelements 8 mit
großer Massenträgheit in dem elastischen Verguss 10 ermöglicht
eine feste Einspannung des Schwingungselements 6 bei gleichzeitig
guter Unterdrückung von Störeinflüssen.
Bei den Störeinflüssen kann es sich beispielsweise
um Körperschall handeln, beispielsweise um Vibrationen
einer Brennkraftmaschine.
-
Durch
eine temperaturstabile Ausbildung des Vergusses 10 bis
zu einer Temperatur von mindestens 90°C ist die Ermittlung
der Viskosität V des Fluids 20 bis zu einer Temperatur
von mindestens 90°C zuverlässig möglich.
Bei dem Fluid 20 kann es sich beispielsweise um Motorenöl
handeln, welches sich bei dem Betrieb der Brennkraftmaschine bis
auf mindestens 90°C erwärmt. In einer bevorzugten
Ausgestaltung dichtet der Verguss 10 das Sensorgehäuse
und die Kopplung des Schwingungselements 6 mit dem Massenelement 8 fluiddicht
ab.
-
Die
Ermittlung der Viskosität V des Fluids 20 kann
für eine zuverlässige und reproduzierbare Genauigkeit
beispielsweise bei mehreren definierten, möglichst konstanten
Temperaturen erfolgen. Dies kann beispielsweise beim Warmlaufen
eines Motors der Brennkraftmaschine erfolgen. Beim Überschreiten
einer Temperatur von beispielsweise 80°C kann exakt an
diesem Arbeitspunkt die Viskosität V ermittelt werden.
Beispielsweise können Messpunkte bei vorgegebenen Temperaturstufen
alle 10 K oder in anderen vorgegebenen Temperaturbereichen ermittelt werden.
-
2 zeigt
den Zustandssensor 2 in einem Längsschnitt in
dem Fluid 20, das eine Füllstandhöhe h
aufweist. Beispielsweise kann mit dem Zustandssensor 2 eine
sich mit der Zeit einstellende Viskositätsänderung ΔV
ermittelt werden. Die Viskositätsänderung ΔV
macht sich beispielsweise bemerkbar in einem Amplitudenunterschied ΔUa
der für eine konstant vorgegebene Anregungsspannung Uin
bezogen auf einen Temperaturwert auftretenden Veränderung
der Ausgangsspannung Uout.
-
3 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel des Zustandssensors 2 in
einem Längsschnitt. Das in 3 gezeigte
Massenelement 8 weist auf einer Länge von 17 mm
einen Durchmesser von 16 mm auf. Das Massenelement 8 und
das Schwingungselement 6 weisen dort, wo sie miteinander
gekoppelt sind, einen Durchmesser von 6 mm auf. Der Verguss 10 hat
einen Durchmesser von 20 mm. Das Massenelement 8 und der
Verguss 10 können zylinderförmig ausgebildet
sein, sie können jedoch auch quaderförmig ausgebildet
sein. Ein Bereich des Schwingungselements 6, der zur Anregung
mechanischer Schwingungen vorgesehen ist, hat eine Länge
von 30 mm. Ebenfalls eine Länge von 30 mm weist die Summe der
Länge des Massenelements 8 mit dem Bereich auf,
in dem das Massenelement 8 und das Schwingungselement 6 miteinander
gekoppelt sind. Das Sensorelement 12 weist eine Breite
von 6 mm und eine Länge von 20 mm auf und ist in einem
Abstand von 2 mm zu dem Ende des Schwingungselements 6 über
eine gesamte Breite des Schwingungselements 6 angeordnet.
Zwischen dem Sensorelement 12 und dem Bereich, an dem das
Schwingungselement 6 mit dem Massenelement 8 gekop pelt
ist, weist das Schwingungselement 6 eine Verjüngung
seines Querschnitts auf.
-
- 2
- Zustandssensor
- 4
- Sensorgehäuse
- 6
- Schwingungselement
- 8
- Massenelement
- 10
- Verguss
- 12
- Sensorelement
- 13
- weiteres
Sensorelement
- 14
- Signalgenerator
- 16
- Steuersignal
- 18
- Signalmesseinrichtung
- 20
- Fluid
- Uin
- Anregungsspannung
- Uout
- Ausgangsspannung
- h
- Füllstandshöhe
des Fluids
- V
- Viskosität
- ΔV
- Viskositätsänderung
- ΔUa
- Amplitudenunterschied
der Anregungsspannung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-