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Die
Erfindung betrifft einen Zustandssensor.
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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.
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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.
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Aus
der
DE 697 10385 T2 ist
ein Fluidsensor bekannt, der einen Basiskörper und einen Vibrationsabschnitt
umfasst. Ein piezoelektrisches Element ist an einer Oberfläche des
Vibrationsabschnitts fixiert und weist einen piezoelektrischen Film
und zumindest ein Elektrodenpaar auf, die in Kontakt mit dem piezoelektrischen
Film angeordnet sind. Ein Elektrodenanschluss ist an der Oberfläche des
Basiskörpers angeordnet
und elektrisch mit einer der Elektroden verbunden. Der Fluidsensor
weist ferner ein Dichtungselement und ein Anpresselementauf und
umfasst ferner ein Beschichtungsmaterial, das an der Oberfläche des
Basiskörpers
um den Elektrodenanschluss herum angeordnet ist. Das Dichtungselement
umgibt den Elektrodenanschluss und wird zwischen dem Beschichtungsmaterial
auf dem Basiskörper
und dem Anpresselement festgehalten. Der Elektrodenanschluss wird
gasdicht und/oder flüssigkeitsdicht
in Bezug auf ein zu messendes Fluid gehalten, indem das Dichtungselement
zwischen dem Beschichtungsmaterial und dem Anpresselement festgehalten
wird.
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Aus
der
US 2008/0011058
A1 ist ein Sensor zur physikalischen und/oder chemischen
Messung von Eigenschaften eines viskosen Fluids bekannt. Der Sensor
umfasst piezo-resistive Ausleger. Eine Ablenkung der piezo-resistiven
Ausleger wird ausgelesen, beispielsweise mittels einer Wheatstone-Brücke, um
die Ablenkung zu verstärken
und in ein Spannungssignal umzuwandeln. Die Ausleger und/oder Spitzen,
die jeweils mit den Auslegern gekoppelt sein können, können chemisch oder physikalisch
mittels Reagenzien modifiziert sein. Die Reagenzien können dazu
ausgebildet sein mit Analyten in dem Fluid eine Wechselwirkung einzugehen,
um die Analyten in dem Fluid zu erfassen. Die Ausleger können in
einem mikrofluidischen System integriert sein.
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Aus
der
GB 2 282 023 A ist
ein Vibrator bekannt, der einen piezoelektrischen Bimorph umfasst. Der
piezoelektrische Bimorph ist dazu ausgebildet an seinem ersten Ende
in einer Drehrichtung zu vibrieren. Das zweite Ende des Vibrators
ist mit einem starren Block gekoppelt. Der starre Block ist dazu
ausgebildet das zweite Ende daran zu hindern deformiert zu werden.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung einen Zustandssensor zu schaffen, mit
dem die Viskosität
eines Fluids zuverlässig
ermittelt werden kann.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale des unabhängigen
Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind
durch die Unteransprüche
gekennzeichnet.
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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.
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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.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Material
des Vergusses aus Silikon ausgebildet.
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Die
sehr hohe chemische Beständigkeit
des Silikons ermöglicht
eine sehr lange Lebensdauer des Vergusses.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines Zustandssensors,
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2 einen
Zustandssensor in einem Fluid,
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3 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
eines Zustandssensors.
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Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen gekennzeichnet.
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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 normalen Betrieb soll der Zustandssensor 2 vollständig in
ein Fluid 20 eingetaucht sein, dessen Viskosität V zu ermitteln
ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 gekoppelt
ist, weist das Schwingungselement 6 eine Verjüngung seines Querschnitts
auf.
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Bezugszeichenliste
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- 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