DE102014214299B3 - Method and system for determining a viscosity of a fluid in a fluid space - Google Patents

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Abstract

Verfahren und System zum Bestimmen einer Viskosität eines Fluids (F) in einem Fluidraum (FR), bei dem ein Schallwandler (SW) zum Senden eines Schallsignals und zum Ermitteln eines Messsignals (SE), das repräsentativ ist für ein Schwingungsverhalten des Schallwandlers (SW), betrieben wird, ein Schallimpuls (SS) mit einer vorgegebenen Frequenz durch den Schallwandler (SW) erzeugt wird, ein erster Zeitpunkt (T0) ermittelt wird, an dem der Schallimpuls (SS) erzeugt wird, ein zweiter Zeitpunkt (T) ermittelt wird, an dem eine Amplitude (A) des Messsignals (SE) des Schallwandlers (SW) nach Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwerts (TH) den Schwellwert (TH) für eine vorgegebene Dauer unterschreitet, abhängig von dem ersten Zeitpunkt (T0) und dem zweiten Zeitpunkt (T) eine Nachschwingzeit (N) ermittelt wird, und abhängig von der Nachschwingzeit (N) ein Kennwert (K) ermittelt wird, der repräsentativ ist für eine Viskosität des Fluids (F).Method and system for determining a viscosity of a fluid (F) in a fluid space (FR), in which a sound transducer (SW) for transmitting a sound signal and for determining a measurement signal (SE) which is representative of a vibration behavior of the sound transducer (SW) , is operated, a sound pulse (SS) with a predetermined frequency by the sound transducer (SW) is generated, a first time (T0) is determined, at which the sound pulse (SS) is generated, a second time (T) is determined, in which an amplitude (A) of the measuring signal (SE) of the sound transducer (SW), after exceeding a predetermined threshold value (TH), falls below the threshold value (TH) for a predetermined duration, depending on the first instant (T0) and the second instant (T ) a Nachschwingzeit (N) is determined, and depending on the Nachschwingzeit (N) a characteristic value (K) is determined, which is representative of a viscosity of the fluid (F).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein korrespondierendes System zum Bestimmen einer Viskosität eines Fluids in einem Fluidraum.The invention relates to a method and a corresponding system for determining a viscosity of a fluid in a fluid space.

Die DE 44 23 822 C1 offenbart einen Sensor zur berührungslosen Messung von Medienparametern mit Mikromembranen, auf denen Mikrostrukturen angebracht sind. Durch Ultraschallwellen werden die Mikrostrukturen zu Ultraschallschwingungen angeregt, wobei sich das Schwingverhalten der Mikromembranen verändert. Das Verfahren ist derart gestaltet, dass ein großer Teil der Ultraschallenergie zur Messung verwendet werden kann. Dabei wird unter den Mikromembranen ein Medium angeordnet, dessen Schallgeschwindigkeit kleiner als die des zu untersuchenden Mediums ist.The DE 44 23 822 C1 discloses a sensor for non-contact measurement of media parameters with micro-membranes on which microstructures are mounted. By ultrasonic waves, the microstructures are excited to ultrasonic vibrations, whereby the vibration behavior of the micro-membranes changed. The method is designed such that a large part of the ultrasound energy can be used for the measurement. In this case, a medium is arranged under the micro-membranes whose sound velocity is smaller than that of the medium to be examined.

Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, ein Verfahren und ein korrespondierendes System zum Bestimmen einer Viskosität eines Fluids zu schaffen, das dazu beiträgt, dass die Viskosität des Fluids zuverlässig bestimmt werden kann.The object underlying the invention is to provide a method and a corresponding system for determining a viscosity of a fluid, which contributes to the fact that the viscosity of the fluid can be reliably determined.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.The object is solved by the features of the independent claims. Advantageous developments of the invention are characterized in the subclaims.

Die Erfindung zeichnet sich durch ein Verfahren zum Bestimmen einer Viskosität eines Fluids in einem Fluidraum aus, bei dem ein Schallwandler zum Senden eines Schallsignals und zum Ermitteln eines Messsignals, das repräsentativ ist für ein Schwingungsverhalten des Schallwandlers, betrieben wird.The invention is characterized by a method for determining a viscosity of a fluid in a fluid space, in which a sound transducer is operated for transmitting a sound signal and for determining a measurement signal which is representative of a vibration behavior of the sound transducer.

Ein Schallimpuls mit einer vorgegebenen Frequenz wird durch den Schallwandler erzeugt.A sound pulse with a predetermined frequency is generated by the sound transducer.

Es wird ein erster Zeitpunkt ermittelt, an dem der Schallimpuls erzeugt wird. Ferner wird ein zweiter Zeitpunkt ermittelt, an dem eine Amplitude eines Messsignals des Schallwandlers nach Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwerts den Schwellwert für eine vorgegebene Dauer unterschreitet.It is determined a first time at which the sound pulse is generated. Furthermore, a second point in time is determined at which an amplitude of a measuring signal of the sound transducer falls below the threshold value for a predetermined duration after exceeding a predetermined threshold value.

Abhängig von dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt wird eine Nachschwingzeit ermittelt. Abhängig von der Nachschwingzeit wird ein Kennwert ermittelt, der repräsentativ ist für eine Viskosität des Fluids.Depending on the first time and the second time a reverberation time is determined. Depending on the Nachschwingzeit a characteristic value is determined, which is representative of a viscosity of the fluid.

In diesem Zusammenhang wird die Erkenntnis genutzt, dass eine Dämpfung des Schallwandlers abhängig von der Viskosität des Fluids ist. Es ist lediglich erforderlich, die Dämpfung des Messsignals zu ermitteln. Dazu erfolgt lediglich eine Anregung des Schallwandlers, frei von einer Anordnung zum Empfangen des Schallimpulses. In vorteilhafter Weise wird dadurch eine besonders einfache und kostengünstige Bestimmung der Viskosität des Fluids ermöglicht.In this context, the knowledge is used that an attenuation of the transducer is dependent on the viscosity of the fluid. It is only necessary to determine the attenuation of the measurement signal. For this purpose, only an excitation of the sound transducer, free from an arrangement for receiving the sound pulse. Advantageously, this allows a particularly simple and cost-effective determination of the viscosity of the fluid.

In einer Ausführungsform gemäß dem ersten und dem zweiten Aspekt ist der Kennwert repräsentativ für eine Ölviskosität. In vorteilhafter Weise ermöglicht ein Bestimmen der Ölviskosität eine Überwachung eines Alterungsprozesses des Öls.In one embodiment according to the first and second aspects, the characteristic value is representative of an oil viscosity. Advantageously, determining the oil viscosity enables monitoring of an aging process of the oil.

Gemäß einem dritten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch ein System zum Bestimmen einer Viskosität eines Fluids in einem Fluidraum. Das System umfasst einen Schallwandler, der zum Senden eines Schallsignals und zum Ermitteln eines Messsignals, das repräsentativ ist für ein Schwingungsverhalten des Schallwandlers, ausgebildet ist. Das System umfasst ferner eine Steuervorrichtung, die zur Durchführung eines Verfahrens gemäß dem ersten und dem zweiten Aspekt ausgebildet ist.According to a third aspect, the invention features a system for determining a viscosity of a fluid in a fluid space. The system comprises a sound transducer, which is designed to transmit a sound signal and to determine a measurement signal which is representative of a vibration behavior of the sound transducer. The system further comprises a control device, which is designed to carry out a method according to the first and the second aspect.

Ein solches System ist besonders robust und ermöglicht in einfacher Weise das Bestimmen der Viskosität des Fluids.Such a system is particularly robust and makes it easy to determine the viscosity of the fluid.

In einer Ausführungsform gemäß dem dritten Aspekt umfasst das System eine Ventilvorrichtung einer Brennkraftmaschine. Die Ventilvorrichtung umfasst einen Ventilantrieb und einen Ventilkörper. Der Fluidraum ist der Ventilvorrichtung zugeordnet.In an embodiment according to the third aspect, the system comprises a valve device of an internal combustion engine. The valve device comprises a valve drive and a valve body. The fluid space is associated with the valve device.

Eine ultraschallbasierte Viskositätsmessung kann im Gegensatz zu einer temperaturbasierten Viskositätsmessung beispielsweise lokal, in geringem Abstand zu dem Ventilkörper durchgeführt werden, sodass die Viskosität des Fluids in unmittelbarer Nähe zu dem Ventilkörper mit hoher Präzision bestimmt werden kann. Dies ermöglicht beispielsweise einen effizienten Betrieb der Ventilvorrichtung, beispielsweise durch Nutzung eines sogenannten variablen Ventiltriebs, sodass zu einem kraftstoffsparsamen, effizienten Betrieb der Brennkraftmaschine beigetragen wird.An ultrasound-based viscosity measurement, in contrast to a temperature-based viscosity measurement, for example locally, be carried out at a small distance to the valve body, so that the viscosity of the fluid in close proximity to the valve body can be determined with high precision. This allows, for example, an efficient operation of the valve device, for example by using a so-called variable valve train, so that contributes to a fuel-efficient, efficient operation of the internal combustion engine.

Der Fluidraum bildet insbesondere eine Baueinheit mit der Ventilvorrichtung.The fluid space forms in particular a structural unit with the valve device.

In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem dritten Aspekt ist der Schallwandler in dem Fluidraum angeordnet. Alternativ ist der Schallwandler angrenzend an den Fluidraum angeordnet. Eine derartige Anordnung trägt zu einem zuverlässigen Bestimmen der Viskosität des Fluids bei.In a further embodiment according to the third aspect, the sound transducer is arranged in the fluid space. Alternatively, the sound transducer is disposed adjacent to the fluid space. Such an arrangement contributes to a reliable determination of the viscosity of the fluid.

In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem dritten Aspekt ist der Schallwandler derart innerhalb des Fluidraums angeordnet, dass er von dem Fluid vollständig umströmt wird. Dies hat den Vorteil, dass zu einem besonders zuverlässigen Bestimmen der Viskosität des Fluids beigetragen wird. In a further embodiment according to the third aspect, the sound transducer is arranged within the fluid space such that it is completely surrounded by the fluid. This has the advantage that it contributes to a particularly reliable determination of the viscosity of the fluid.

In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem dritten Aspekt ist der Schallwandler als Piezo-Schallwandler ausgebildet.In a further embodiment according to the third aspect, the sound transducer is designed as a piezo-sound transducer.

In einer weiteren Ausführungsform gemäß dem dritten Aspekt ist der Schallwandler als CMUT ausgebildet. CMUTs sind mikromechanisch hergestellte Ultraschallwandler, deren Schallerzeugung auf einer elektrostatisch verursachten Auslenkung und einer damit einhergehenden Abstandsänderung beruht.In a further embodiment according to the third aspect, the sound transducer is designed as a CMUT. CMUTs are micromechanically produced ultrasonic transducers whose sound generation is based on an electrostatically induced deflection and a concomitant change in distance.

Ein als CMUT ausgebildeter Schallwandler (CMUT-Schallwandler) ist aufgrund seiner kurzen Nachschwingzeit beispielsweise schneller mess- beziehungsweise sendebereit als ein Piezo-Schallwandler. Des Weiteren zeichnen sich CMUT-Schallwandler durch eine besonders große Bandbreite, hohe Temperaturbeständigkeit und eine günstige und platzsparende Herstellung aus.For example, a transducer designed as a CMUT (CMUT transducer) is quicker to transmit or transmit than a piezo transducer due to its short ringing time. Furthermore, CMUT transducers are characterized by a particularly wide range, high temperature resistance and a favorable and space-saving production.

Eine Empfindlichkeit der Messvorrichtung ist über eine Geometrie des CMUT-Schallwandlers einstellbar. Beispielsweise kann über eine Größe einer Grundfläche des Schallwandlers ein Frequenzspektrum des Schallwandlers bestimmt werden.A sensitivity of the measuring device is adjustable via a geometry of the CMUT sound transducer. For example, a frequency spectrum of the sound transducer can be determined via a size of a base area of the sound transducer.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert.Embodiments of the invention are explained below with reference to the schematic drawings.

Es zeigen:Show it:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Systems zum Bestimmen einer Viskosität eines Fluids in einem Fluidraum, 1 A first embodiment of a system for determining a viscosity of a fluid in a fluid space,

2 ein Ablaufdiagramm eines ersten Programms zur Durchführung eines Verfahrens zum Bestimmen der Viskosität des Fluids in dem Fluidraum, 2 a flowchart of a first program for carrying out a method for determining the viscosity of the fluid in the fluid space,

3a eine beispielhafte Resonanzkurve, 3a an exemplary resonance curve,

3b beispielhafte Resonanzkurven in Fluiden unterschiedlicher Viskosität, 3b exemplary resonance curves in fluids of different viscosity,

4 ein Ablaufdiagramm eines zweiten Programms zur Durchführung eines Verfahrens zum Bestimmen der Viskosität des Fluids in dem Fluidraum, 4 3 is a flowchart of a second program for carrying out a method for determining the viscosity of the fluid in the fluid space.

5a ein Signal zur Erzeugung eines Schallimpulses, 5a a signal for generating a sound pulse,

5b–5d Kurven maximaler Amplituden eines Messsignals in Fluiden unterschiedlicher Viskosität. 5b - 5d Curves of maximum amplitudes of a measurement signal in fluids of different viscosity.

Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Elements of the same construction or function are provided across the figures with the same reference numerals.

Eine Ventilvorrichtung einer Brennkraftmaschine umfasst einen Ventilantrieb und einen Ventilkörper. Durch die Ventilvorrichtung wird beispielsweise ein Gaseinlass oder ein Gasauslass der Brennkraftmaschine gesteuert. Beispielsweise ist ein Fluidraum FR der Ventilvorrichtung zugeordnet. Insbesondere bildet der Fluidraum FR eine Baueinheit mit der Ventilvorrichtung.A valve device of an internal combustion engine comprises a valve drive and a valve body. For example, a gas inlet or a gas outlet of the internal combustion engine is controlled by the valve device. For example, a fluid space FR is assigned to the valve device. In particular, the fluid space FR forms a structural unit with the valve device.

Der Fluidraum FR weist ein Fluid F auf, bei dem es sich beispielsweise um ein Motoröl handelt. Das Fluid F ist beispielsweise dazu ausgebildet, den Ventilkörper zu schmieren. Um einen Alterungsprozess des Fluids F zu überwachen, oder eine effizientere Nutzung eines variablen Ventiltriebs zu ermöglichen, ist beispielsweise in dem Fluidraum FR ein System angeordnet zum Bestimmen der Viskosität des Fluids F in dem Fluidraum FR (1).The fluid space FR has a fluid F, which is, for example, an engine oil. The fluid F is designed, for example, to lubricate the valve body. In order to monitor an aging process of the fluid F or to enable a more efficient use of a variable valve train, a system is arranged in the fluid space FR for determining the viscosity of the fluid F in the fluid space FR (for example). 1 ).

Das System weist einen Schallwandler SW zum Senden eines Schallsignals und zum Ermitteln eines Messsignals SE auf, der innerhalb des Fluidraums FR beispielsweise schwimmend in dem Fluid F angeordnet ist, sodass er vollständig von dem Fluid F umströmt wird. Das Messsignal SE ist dabei repräsentativ für ein Schwingungsverhalten des Schallwandlers SW.The system has a sound transducer SW for transmitting a sound signal and for determining a measurement signal SE, which is arranged, for example, floating within the fluid space FR in the fluid F, so that it is completely surrounded by the fluid F. The measurement signal SE is representative of a vibration behavior of the sound transducer SW.

Beispielsweise ist der Schallwandler SW als kapazitiver, mikromechanisch hergestellter Ultraschallwandler (CMUT, „Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer”, im Folgenden CMUT-Schallwandler) ausgebildet.For example, the sound transducer SW as a capacitive, micromechanically produced ultrasonic transducer (CMUT, "Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer", hereinafter CMUT sound transducer) is formed.

CMUT-Schallwandler sind Ultraschallwandler, deren Schallerzeugung auf einer elektrostatisch verursachten Auslenkung und einer damit einhergehenden Abstandsänderung beruht. Ein CMUT-Schallwandler weist eine Kavität in einem Siliziumsubstrat auf, das als erste Elektrode dient und von einer dünnen, metallisierten Membran bedeckt ist, die als zweite Elektrode dient. Wird ein Wechselstromsignal an den beiden Elektroden angelegt, wird die Membran zum Schwingen angeregt und Ultraschallwellen werden generiert, so dass der CMUT-Schallwandler als Sender arbeitet. Bei einem Schwingen der Membran ändert sich die Kapazität des CMUT-Schallwandlers, ein alternierendes Signal wird generiert und der CMUT-Schallwandler arbeitet als Messeinheit.CMUT transducers are ultrasonic transducers whose sound generation is based on an electrostatically induced deflection and a concomitant change in distance. A CMUT transducer has a cavity in a silicon substrate that serves as a first electrode and is covered by a thin, metallized membrane that serves as a second electrode. When an AC signal is applied to the two electrodes, the membrane is excited to vibrate and ultrasonic waves are generated so that the CMUT transducer operates as a transmitter. When the diaphragm oscillates, the capacitance of the CMUT transducer changes, an alternating signal is generated and the CMUT transducer works as a measuring unit.

Das System umfasst ferner eine nicht näher dargestellte Steuervorrichtung, in deren Daten- und Programmspeicher ein erstes Programm zum Bestimmen der Viskosität des Fluids F in dem Fluidraum FR gespeichert ist, das im Folgenden anhand des Ablaufdiagramms der 2 näher erläutert wird.The system further comprises a control device, not shown, in the data and program memory, a first program for determining the viscosity of the fluid F is stored in the fluid space FR, which will be described below with reference to the flowchart of 2 is explained in more detail.

Das erste Programm wird in einem Programmschritt P101 gestartet, indem beispielsweise Variablen initialisiert werden. The first program is started in a program step P101, for example by initializing variables.

In einem Programmschritt P103 wird ein Schallimpuls SS erzeugt. Das erste Programm wird anschließend in einem Programmschritt P105 fortgesetzt.In a program step P103, a sound pulse SS is generated. The first program is then continued in a program step P105.

Beispielsweise sendet der Schallwandler SW mehrere Schallimpulse SS mit jeweils einer vorgegebenen Frequenz. Alternativ sendet der Schallwandler SW beispielsweise einen Schallimpuls SS mit mehreren vorgegebenen Frequenzen.For example, the sound transducer SW sends several sound pulses SS each having a predetermined frequency. Alternatively, the sound transducer SW sends, for example, a sound pulse SS with a plurality of predetermined frequencies.

In dem Programmschritt P105 wird eine Frequenzanalyse durchgeführt, bei der abhängig von dem Messsignal SE des nachschwingenden Schallwandlers SW eine Resonanzkurve RK ermittelt wird. Das erste Programm wird anschließend in einem Programmschritt P105 fortgesetzt.In the program step P105, a frequency analysis is carried out in which a resonance curve RK is determined as a function of the measurement signal SE of the resonating sound transducer SW. The first program is then continued in a program step P105.

In dem Programmschritt P105 wird abhängig von der Resonanzkurve RK eine Resonanzfrequenz RF ermittelt. Das erste Programm wird anschließend in einem Programmschritt P107 fortgesetzt.In program step P105, a resonance frequency RF is determined as a function of the resonance curve RK. The first program is then continued in a program step P107.

Abhängig von der Resonanzkurve RK kann beispielsweise zusätzlich oder alternativ eine Resonanzamplitude RA ermittelt werden.Depending on the resonance curve RK, for example, additionally or alternatively, a resonance amplitude RA can be determined.

In dem Programmschritt P107 wird abhängig von der Resonanzfrequenz RF ein Kennwert K ermittelt, der repräsentativ ist für die Viskosität des Fluids F in dem Fluidraum FR.In the program step P107, a characteristic value K is determined as a function of the resonance frequency RF which is representative of the viscosity of the fluid F in the fluid space FR.

Alternativ kann der Kennwert K beispielsweise abhängig von der Resonanzamplitude RA ermittelt werden.Alternatively, the characteristic value K can be determined, for example, as a function of the resonance amplitude RA.

3A zeigt eine beispielhafte Luft-Resonanzkurve RKL, bei dem der Schallwandler SW beispielsweise von Luft umströmt ist. Mit einer gestrichelten Linie ist ferner eine beispielhafte Öl-Resonanzkurve RKO dargestellt, bei der das den Schallwandler SW umströmende Fluid F beispielsweise Öl ist. 3A shows an exemplary air resonance curve RKL, in which the sound transducer SW is, for example, flows around air. A dashed line further shows an exemplary oil resonance curve RKO, in which the fluid F flowing around the sound transducer SW is, for example, oil.

Eine Luft-Resonanzfrequenz RFL, an dem eine Luft-Resonanzamplitude RAL der Luft-Resonanzkurve RKL maximal wird, ist beispielsweise höher als eine Öl-Resonanzfrequenz RFO, bei der eine Öl-Resonanzamplitude RAO der Öl-Resonanzkurve RKO maximal wird. Generell hat sich gezeigt, dass die Resonanzfrequenz RF und die Resonanzamplitude RA mit ansteigender Viskosität des den Schallwandler SW umströmenden Fluids F sinken.For example, an air resonance frequency RFL at which an air resonance amplitude RAL of the air resonance curve RKL becomes maximum is higher than an oil resonance frequency RFO at which an oil resonance amplitude RAO of the oil resonance curve RKO becomes maximum. In general, it has been found that the resonance frequency RF and the resonance amplitude RA decrease with increasing viscosity of the fluid F flowing around the sound transducer SW.

Dieser Zusammenhang ist in 3b mit einer gestrichelten Kurve RAFK dargestellt. Eine erste Resonanzkurve RK1 ergibt sich für das den Schallwandler SW umströmende Fluid F, das eine erste Viskosität aufweist. Eine zweite Resonanzkurve RK2 ergibt sich für eine höhere zweite Viskosität des Fluids F und eine dritte Resonanzkurve RK3 für eine wiederum höhere dritte Viskosität. Beispielsweise durch Interpolation beziehungsweise Extrapolation von den jeweiligen Resonanzkurven RK1, RK2, RK3 zugehörigen Resonanzamplituden RA1, RA2, RA3 an jeweiligen Resonanzfrequenzen RF1, RF2, RF3 wird die Kurve RAFK ermittelt, die repräsentativ ist für die Resonanzfrequenz RF und die Resonanzamplitude RA abhängig von der Viskosität des Fluids F.This connection is in 3b shown with a dashed curve RAFK. A first resonance curve RK1 results for the fluid F flowing around the sound transducer SW, which has a first viscosity. A second resonance curve RK2 results for a higher second viscosity of the fluid F and a third resonance curve RK3 for a again higher third viscosity. For example, by interpolation or extrapolation of respective resonance curves RK1, RK2, RK3 associated resonance amplitudes RA1, RA2, RA3 at respective resonance frequencies RF1, RF2, RF3, the curve RAFK is determined, which is representative of the resonance frequency RF and the resonance amplitude RA depending on the viscosity of the fluid F.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich das System zum Bestimmen der Viskosität des Fluids F in dem Fluidraum FR von dem ersten Ausführungsbeispiel aus 1 dadurch, dass der Schallwandler SW zur Ermittlung einer Nachschwingzeit N des Schallwandlers SW beispielsweise lediglich einen Schallimpuls SS in das Fluid F sendet. Das Messsignal SE wird im Wesentlichen frei von einer Reflexion des Schallimpulses SS ermittelt.In a second embodiment, the system for determining the viscosity of the fluid F in the fluid space FR differs from the first embodiment 1 in that the sound transducer SW sends, for example, only one sound pulse SS into the fluid F for determining a ringing time N of the sound transducer SW. The measurement signal SE is determined substantially free of reflection of the sound pulse SS.

Der Schallwandler SW ist beispielsweise als CMUT-Schallwandler ausgebildet. In diesem Fall wird beispielsweise unmittelbar nach einem Anregen der Membran des CMUT-Schallwandlers zum Erzeugen des Schallimpulses SS zu einem ersten Zeitpunkt T0 das Messsignal SE des CMUT-Schallwandlers ermittelt, das an dem ersten Zeitpunkt T0 im Wesentlichen einem zur Erzeugung des Schallimpulses SS erforderlichen Signal S entspricht. Da die Membran keine weitere Anregung erfährt und abhängig von der Viskosität des den Schallwandler SW umströmenden Fluids F zusätzlich gedämpft wird, lässt sich abhängig von der Nachschwingzeit N des Schallwandlers SW die Viskosität des Fluids F ermitteln.The sound transducer SW is designed, for example, as a CMUT sound transducer. In this case, for example, immediately after an excitation of the membrane of the CMUT transducer for generating the sound pulse SS at a first time T0, the measurement signal SE of the CMUT transducer is determined, which at the first time T0 essentially a signal required to generate the sound pulse SS S corresponds. Since the membrane undergoes no further excitation and is additionally attenuated depending on the viscosity of the fluid F flowing around the sound transducer SW, the viscosity of the fluid F can be determined as a function of the reverberation time N of the sound transducer SW.

Zu diesem Zweck ist in dem Daten- und Programmspeicher der Steuervorrichtung ein zweites Programm zum Bestimmen der Viskosität des Fluids F in dem Fluidraum FR gespeichert, das im Folgenden anhand des Ablaufdiagramms der 4 näher erläutert wird.For this purpose, stored in the data and program memory of the control device, a second program for determining the viscosity of the fluid F in the fluid space FR, which will be described below with reference to the flowchart of 4 is explained in more detail.

Das zweite Programm wird in einem Programmschritt P201 gestartet, indem beispielsweise Variablen initialisiert werden.The second program is started in a program step P201, for example by initializing variables.

In einem Programmschritt P203 wird der erste Zeitpunkt T0 ermittelt, an dem der Schallimpuls SS erzeugt wird. Das zweite Programm wird anschließend in einem Programmschritt P205 fortgesetzt.In a program step P203, the first time T0 is determined at which the sound pulse SS is generated. The second program is then continued in a program step P205.

Beispielsweise sendet der Schallwandler SW mehrere Schallimpulse mit der vorgegebenen Frequenz, bis der Schallwandler SW einen im Wesentlichen eingeschwungenen Zustand aufweist. Insbesondere sendet der Schallwandler SW zu diesem Zweck zwischen 3 und 5 Schallimpulse. Der letzte Schallimpuls ist dabei der Schallimpuls SS, dessen Sendezeitpunkt als der erste Zeitpunkt T0 ermittelt wird.For example, the sound transducer SW sends several sound pulses with the predetermined frequency until the sound transducer SW has a substantially steady state. In particular, the sound transducer SW sends for this purpose between 3 and 5 sound pulses. The last sound pulse is the sound pulse SS whose transmission time is determined as the first time T0.

In dem Programmschritt P205 wird eine Amplitude A des Messsignals SE ermittelt. Das zweite Programm wird anschließend in einem Programmschritt P207 fortgesetzt.In the program step P205, an amplitude A of the measurement signal SE is determined. The second program is then continued in a program step P207.

Beispielsweise wird die Amplitude A des Messsignals SE abhängig von einer Amplitude des Schallimpulses SS normiert.For example, the amplitude A of the measurement signal SE is normalized as a function of an amplitude of the sound pulse SS.

In dem Programmschritt P207 wird der zweite Zeitpunkt T ermittelt, an dem die Amplitude A des Messsignals SE nach Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwerts TH den Schwellwert TH für eine vorgegebene Dauer unterschreitet. Das zweite Programm wird anschließend in einem Programmschritt P209 fortgesetzt.In the program step P207, the second time T is determined at which the amplitude A of the measurement signal SE falls below the threshold value TH for a predetermined duration after exceeding a predetermined threshold value TH. The second program is then continued in a program step P209.

Der vorgegebene Schwellwert TH entspricht beispielsweise einer Auslenkung der Membran des Schallwandlers SW von weniger als 10% einer maximalen Auslenkung der Membran des Schallwandlers SW, die zur Erzeugung einer maximalen Amplitude des Schallimpulses SS benötigt werden.The predetermined threshold TH corresponds for example to a deflection of the diaphragm of the sound transducer SW of less than 10% of a maximum deflection of the diaphragm of the sound transducer SW, which are needed to generate a maximum amplitude of the sound pulse SS.

Ein Neutralwert des Messsignals SE ist beispielsweise repräsentativ für eine Neutralstellung des Schallwandlers SW, bei der die Membran des Schallwandlers SW im Wesentlichen schwingungsfrei ist. Beispielsweise entspricht bei einem als CMUT-Schallwandler ausgebildeten Schallwandler SW bei dem Neutralwert eine Kapazität des CMUT-Schallwandlers seiner Grundkapazität.A neutral value of the measurement signal SE is for example representative of a neutral position of the sound transducer SW, in which the membrane of the sound transducer SW is substantially free of vibration. For example, in the case of a sound transducer SW designed as a CMUT transducer, a capacitance of the CMUT sound transducer corresponds to its basic capacity at the neutral value.

Unterschreitet die Amplitude A des Messsignals SE den vorgegebenen Schwellwert TH für die vorgegebene Dauer, so kann davon ausgegangen werden, dass das Messsignal SE im Wesentlichen dem Neutralwert entspricht.If the amplitude A of the measurement signal SE falls below the predetermined threshold value TH for the predetermined duration, then it can be assumed that the measurement signal SE essentially corresponds to the neutral value.

In dem Programmschritt P209 wird abhängig von dem ersten Zeitpunkt T0 und dem zweiten Zeitpunkt T die Nachschwingzeit N ermittelt. Das zweite Programm wird anschließend in einem Programmschritt P21 fortgesetzt.In the program step P209, the ringing time N is determined as a function of the first time T0 and the second time T. The second program is then continued in a program step P21.

Die Nachschwingzeit N ist insbesondere repräsentativ für ein Zeitintervall zwischen dem ersten Zeitpunkt T0 und dem zweiten Zeitpunkt T. Die Nachschwingzeit N ist insbesondere abhängig von der Viskosität des Fluids F.The ringing time N is particularly representative of a time interval between the first time T0 and the second time T. The Nachschwingzeit N is particularly dependent on the viscosity of the fluid F.

In dem Programmschritt P211 wird abhängig von der Nachschwingzeit N der Kennwert K ermittelt, der repräsentativ ist für die Viskosität des Fluids F.In the program step P211, depending on the reverberation time N, the characteristic value K which is representative of the viscosity of the fluid F is determined.

In 5a ist das Signal S dargestellt, mit dem der Schallwandler SW zur Erzeugung dreier Schallimpulse angeregt wird. Zu dem ersten Zeitpunkt T0 wird der Schallimpuls SS erzeugt.In 5a the signal S is shown, with which the sound transducer SW is excited to produce three sound pulses. At the first time T0, the sound pulse SS is generated.

5b–5d zeigen eine erste Kurve A1 einer maximalen Amplitude des Messsignals SE, bei dem der Schallwandler SW von dem Fluid F mit der ersten Viskosität umströmt ist, eine zweite Kurve A2 der maximalen Amplitude des Messsignals SE, bei dem das Fluid F die zweite Viskosität aufweist, sowie eine dritte Kurve A3 bei der dritten Viskosität des Fluids F. 5b - 5d show a first curve A1 of a maximum amplitude of the measurement signal SE, in which the sound transducer SW is flowed around by the fluid F with the first viscosity, a second curve A2 of the maximum amplitude of the measurement signal SE, in which the fluid F has the second viscosity, and a third curve A3 at the third viscosity of the fluid F.

Der zweite Zeitpunkt T1, an dem die erste Kurve A1 den vorgegebenen Schwellwert TH für die vorgegebene Dauer unterschreitet tritt dabei vor dem zweiten Zeitpunkt T2 ein, an dem die zweite Kurve A2 den vorgegebenen Schwellwert TH für die vorgegebene Dauer unterschreitet, der wiederum vor dem zweiten Zeitpunkt T3 der dritten Kurve A3 eintritt.The second time T1 at which the first curve A1 falls below the predetermined threshold value TH for the predetermined duration occurs before the second time T2 at which the second curve A2 falls below the predetermined threshold value TH for the predetermined duration, which in turn precedes the second Time T3 of the third curve A3 occurs.

Im Allgemeinen kann durch diesen Zusammenhang abhängig von der Nachschwingzeit N die Viskosität des Fluids F ermittelt werden. Je kürzer die ermittelte Nachschwingzeit N ist, desto geringer ist die Viskosität des Fluids F.In general, the viscosity of the fluid F can be determined by this relationship as a function of the ringing time N. The shorter the determined Nachschwingzeit N, the lower the viscosity of the fluid F.

Claims (7)

Verfahren zum Bestimmen einer Viskosität eines Fluids (F) in einem Fluidraum (FR), bei dem – ein Schallwandler (SW) zum Senden eines Schallsignals und zum Ermitteln eines Messsignals (SE), das repräsentativ ist für ein Schwingungsverhalten des Schallwandlers (SW), betrieben wird, – ein Schallimpuls (SS) mit einer vorgegebenen Frequenz durch den Schallwandler (SW) erzeugt wird, – ein erster Zeitpunkt (T0) ermittelt wird, an dem der Schallimpuls (SS) erzeugt wird, – ein zweiter Zeitpunkt (T) ermittelt wird, an dem eine Amplitude (A) des Messsignals (SE) des Schallwandlers (SW) nach Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwerts (TH) den Schwellwert (TH) für eine vorgegebene Dauer unterschreitet, – abhängig von dem ersten Zeitpunkt (T0) und dem zweiten Zeitpunkt (T) eine Nachschwingzeit (N) ermittelt wird, und – abhängig von der Nachschwingzeit (N) ein Kennwert (K) ermittelt wird, der repräsentativ ist für eine Viskosität des Fluids (F).Method for determining a viscosity of a fluid (F) in a fluid space (FR), in which A sound transducer (SW) for transmitting a sound signal and for determining a measurement signal (SE), which is representative of a vibration behavior of the sound transducer (SW) operated, A sound pulse (SS) having a predetermined frequency is generated by the sound transducer (SW), A first time (T0) is determined at which the sound pulse (SS) is generated, A second point in time (T) is determined at which an amplitude (A) of the measuring signal (SE) of the sound transducer (SW), after exceeding a predetermined threshold value (TH), falls below the threshold value (TH) for a predetermined duration, - depending on the first time (T0) and the second time (T) a Nachschwingzeit (N) is determined, and - Is determined depending on the Nachschwingzeit (N) a characteristic value (K), which is representative of a viscosity of the fluid (F). Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Kennwert (K) repräsentativ ist für eine Ölviskosität.The method of claim 1, wherein the characteristic value (K) is representative of an oil viscosity. System zum Bestimmen einer Viskosität eines Fluids (F) in einem Fluidraum (FR), umfassend – einen Schallwandler (SW), der zum Senden eines Schallsignals und Ermitteln eines Messsignals (SE), das repräsentativ ist für ein Schwingungsverhalten des Schallwandlers (SW), ausgebildet ist, – eine Steuervorrichtung, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 2 ausgebildet ist.System for determining a viscosity of a fluid (F) in a fluid space (FR), comprising - a sound transducer (SW) which is capable of transmitting a sound signal and determining a measurement signal (SE), which is representative of a vibration behavior of the sound transducer (SW), is formed, - a control device, which is designed to carry out a method according to any one of the preceding claims 1 to 2. System nach Anspruch 3, mit einer Ventilvorrichtung einer Brennkraftmaschine, umfassend einen Ventilantrieb und einen Ventilkörper, wobei der Fluidraum (FR) der Ventilvorrichtung zugeordnet ist.System according to claim 3, comprising a valve device of an internal combustion engine, comprising a valve drive and a valve body, wherein the fluid space (FR) is associated with the valve device. System nach einem der vorstehenden Ansprüche 3 bis 4, bei dem der Schallwandler (SW) in dem Fluidraum (FR) oder angrenzend an den Fluidraum (FR) angeordnet ist.System according to one of the preceding claims 3 to 4, wherein the sound transducer (SW) in the fluid space (FR) or adjacent to the fluid space (FR) is arranged. System nach einem der vorstehenden Ansprüche 3 bis 5, bei dem der Schallwandler (SW) derart innerhalb des Fluidraums (FR) angeordnet ist, dass er von dem Fluid (F) vollständig umströmt wird.System according to one of the preceding claims 3 to 5, wherein the sound transducer (SW) is arranged within the fluid space (FR) such that it is completely surrounded by the fluid (F). System nach einem der vorstehenden Ansprüche 3 bis 6, bei dem der Schallwandler (SW) als CMUT ausgebildet ist.System according to one of the preceding claims 3 to 6, in which the sound transducer (SW) is designed as a CMUT.
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