DE10350084A1 - Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Füllstands und Verfahren zum Betreiben der Sensoreinrichtung - Google Patents

Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Füllstands und Verfahren zum Betreiben der Sensoreinrichtung Download PDF

Info

Publication number
DE10350084A1
DE10350084A1 DE10350084A DE10350084A DE10350084A1 DE 10350084 A1 DE10350084 A1 DE 10350084A1 DE 10350084 A DE10350084 A DE 10350084A DE 10350084 A DE10350084 A DE 10350084A DE 10350084 A1 DE10350084 A1 DE 10350084A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fluid
determined
sensor device
piezo element
piezoelectric element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE10350084A
Other languages
English (en)
Other versions
DE10350084B4 (de
Inventor
Markus Gilch
Anton Dr. Grabmaier
Hans-Peter Göttler
Alexander von Dr. Jena
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Continental Automotive GmbH
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to DE10350084.7A priority Critical patent/DE10350084B4/de
Publication of DE10350084A1 publication Critical patent/DE10350084A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE10350084B4 publication Critical patent/DE10350084B4/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N11/00Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties
    • G01N11/10Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties by moving a body within the material
    • G01N11/16Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties by moving a body within the material by measuring damping effect upon oscillatory body
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/296Acoustic waves
    • G01F23/2962Measuring transit time of reflected waves

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

Eine Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Füllstands eines Fluids (2) in einem Behälter (1) hat ein scheibenförmiges Piezoelement (7), das so angeordnet ist, dass seine Achse im Wesentlichen senkrecht zu einer Trennfläche (10) verläuft zwischen dem Fluid (2), in dem das Piezoelement (7) anordenbar ist, und einem weiteren Fluid oder gasförmigen Medium. Ferner ist ein Reflektor (9) vorgesehen, der im Wesentlichen senkrecht zu der Achse des Piezoelements (7) zugewandt zu der Scheibenoberfläche des Piezoelements (7) angeordnet ist, die abgewandt ist von der Trennfläche (10). Der Reflektor (9) ist so zu dem Piezoelement (7) beabstandet, dass innerhalb des Füllstandsbereichs, der von der Sensoreinrichtung zu erfassen ist, das Echo eines Wellenpakets, das für eine vorgegebene Zeitdauer durch die axiale Resonanzschwingung des Piezoelements (7) erzeugt wird und an dem Reflektor (9) reflektiert wird, vollständig wieder bei dem Piezoelement (7) eingetroffen ist und danach eine Abklingzeit abgelaufen ist, bevor das Echo des gleichzeitig ausgesandten Wellenpakets, das an der Trennfläche (10) reflektiert wird, bei dem Piezoelement (7) eintrifft.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Füllstandes eines Fluids in einem Behälter und ein Verfahren zum Betreiben der Sensoreinrichtung. Eine derartige Sensoreinrichtung wird insbesondere eingesetzt zum Erfassen des Füllstandes eines Motoröls in einer Brennkraftmaschine. So wird der Füllstand des Motoröls in einer Brennkraftmaschine überwacht, um sicherzustellen, dass die Brennkraftmaschine ausreichend mit Öl versorgt wird. Eine mangelnde Versorgung der Brennkraftmaschine mit Öl kann zu deren Überhitzung und letztlich deren Zerstörung führen.
  • Aus der DE 43 28 792 C1 ist eine Detektoreinrichtung zum Detektieren von Flüssigkeitsfüllständen mit einem als Sende/Empfangswandler dienenden Ultraschallwandler und einem Schallreflektor, der die von dem Ultraschallwandler ausgesandte Schallenergie auf den Ultraschallwandler zurückreflektiert. Der Ultraschallwandler ist als piezoelektrisches Element ausgebildet. Die Detektoreinrichtung umfasst ferner eine U-förmige Gabel nach dem Prinzip einer Gabelschranke. Der Ultraschallsender ist auf einer Gabel angeordnet und der Reflektor ist auf der gegenüberliegenden Gabel angeordnet. Je nachdem, ob sich Fluid zwischen den beiden Gabeln befindet oder ob sich z.B. Gas zwischen den beiden Gabeln befindet, ergeben sich unterschiedliche Laufzeiten für die zwischen dem Sender und Empfänger laufende Schallwelle, welche dann zur Beurteilung des Füllstandes elektrisch auswertbar sind. Eine derartige Detektoreinrichtung ist jedoch darauf beschränkt, Messsignale zu liefern, die eine Aussage darüber erlauben, ob sich Flüssigkeit zwischen den beiden Gabeln befindet, oder ob sich lediglich ein gasförmiges Medium zwischen ihnen befindet.
  • Bei verschiedenen Anwendungsfällen ist es notwendig, den Füllstand absolut zu bestimmen und nicht lediglich eine Aussage zu erhalten, ob der Füllstand ein gewisses Niveau überschritten oder unterschritten hat.
  • Aus der DE 101 12 433 A1 ist eine Messanordnung für eine Viskositätsmessung von Flüssigkeiten bekannt. Die Anordnung umfasst einen Behälter, der sich vollständig in der zu messenden Flüssigkeit befindet und über Öffnungen mit der Flüssigkeit kommuniziert. In dem Behälter ist ein scheibenförmiges piezoelektrisches Element angeordnet. Das Piezoelement hat zwei elektrische Kontaktstellen, die mit elektrischen Zuführleitungen kontaktiert sind, die als Federelemente ausgebildet sind. Das Piezoelement ist durch entsprechende elektrische Ansteuerung zu Scherschwingungen anregbar. Die Viskosität des Fluids, das sich in dem Behälter befindet, wird anhand einer geänderten Resonanzfrequenz des Piezoelements ermittelt.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Sensoreinrichtung zu schaffen, die geeignet ist, zu einem präzisen Erfassen des Füllstands von unterschiedlichen Fluiden bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen.
  • Ferner ist die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der Sensoreinrichtung zu schaffen, das ein präzises Erfassen des Füllstandes von unterschiedlichen Fluiden bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen gewährleistet.
  • Die Erfindung zeichnet sich gemäß des Aspekts der Sensoreinrichtung aus durch eine Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Füllstands eines Fluids in einem Behälter mit einem scheibenförmigen Piezoelement, das so angeordnet ist, dass seine Achse im wesentlichen senkrecht zu einer Trennfläche verläuft zwischen dem Fluid, in dem das Piezoelement anordenbar ist, und einem weiteren Fluid oder Gas. Die Sensoreinrichtung umfasst ferner einen Reflektor, der im wesentlichen senkrecht zu der Achse des Piezoelements zugewandt zu der Scheibenober fläche des Piezoelements angeordnet ist, die abgewandt ist von der Trennfläche, und der so zu dem Piezoelement beabstandet ist, dass innerhalb des Füllstandsbereichs, der von der Sensoreinrichtung zu erfassen ist, das Echo eines Wellenpakets, das für eine vorgegebene Zeitdauer durch die axiale Resonanzschwingung des Piezoelements erzeugt wird und an dem Reflektor reflektiert wird, vollständig wieder bei dem Piezoelement eingetroffen ist und danach eine Abklingzeit abgelaufen ist, bevor das Echo des gleichzeitig ausgesandten Wellenpakets, das an der Trennfläche reflektiert wird, bei dem Piezoelement eintrifft. Die axiale Resonanzschwingung des Piezoelements, die auch als Dickenschwingungsmodus bezeichnet wird, kann einfach durch Anregen des Piezoelements mit einer vorgegebenen Resonanzfrequenz erzeugt werden.
  • Die Sensoreinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Schallgeschwindigkeit beim Betrieb der Sensoreinrichtung einfach mittels Auswertens des Echos des Wellenpakets ermittelt werden kann, das an dem Reflektor reflektiert wird. Sie zeichnet sich ferner dadurch aus, dass die beiden Echos zeitlich nacheinander auf das Piezoelement auftreffen und so eine eindeutige Signaltrennung ermöglicht ist.
  • Der Abstand des Reflektors ist zu wählen abhängig von dem in den zu messenden Fluiden möglicherweise vorkommenden Schallgeschwindigkeiten, von dem zu erfassenden Füllstandsbereich und von der Zeitdauer der Anregung des Wellenpakets. Die Zeitdauer der Anregung des Wellenpakets hängt ab von der Frequenz der axialen Resonanzschwingung und der Anzahl der erzeugten Wellen. Die Abklingzeit ist für die Frequenz der axialen Resonanzschwingung, die Zeitdauer der Anregung des Wellenpakets und die unterschiedlichen in dem Behälter befindlichen Fluide gegeben und vorzugsweise durch Versuche ermittelt.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Beruhigungskörper vorgesehen, der mit dem Fluid in dem Behäl ter kommuniziert, und in dem das Piezoelement angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass insbesondere bei stark zeitlich schwankenden Füllständen, also bei einem hin und her Schwappen des Fluids, ein präziseres Erfassen des tatsächlichen Füllstandes des Behälters ermöglicht ist. Der Beruhigungskörper ist vorzugsweise rohrförmig ausgebildet und sein Querschnitt parallel zu der Scheibenebene des Piezoelements ist deutlich kleiner als der entsprechende Querschnitt des Behälters.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Beruhigungskörper mit mindestens einer Drossel versehen, über die er mit dem Fluid in dem Behälter kommuniziert und die so ausgebildet ist, dass zeitlich schnelle Schwankungen des Füllstands in dem Behälter gedämpft werden. Dadurch kann einfach bei einem sehr ausgeprägten hin und her Schwappen des Fluids ein präzises Erfassen des Füllstands erfolgen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Sensoreinrichtung ist der Beruhigungskörper doppelwandig ausgebildet und zwischen seinen Wänden ist ein gasförmiges Medium eingebracht. Dies hat den Vorteil, dass die von dem Piezoelement erzeugten Schallwellen an den Wänden sehr gut reproduzierbar reflektiert werden unabhängig von dem aktuellen Füllstand des Fluids an der Außenwand des Beruhigungskörpers. Dadurch ist das jeweilige Echo wesentlich unabhängiger von dem aktuellen Füllstand des Fluids außerhalb des Beruhigungskörpers. Dies ist somit dann von besonderem Vorteil, wenn das Fluid in dem Behälter stark hin und her schwappt und die Amplitude der dadurch zeitlich resultierenden Füllstandsschwingung an der äußeren Wand des Beruhigungskörpers wesentlich höher ist als die an der Innenwand des Beruhigungskörpers.
  • Besonders vorteilhaft ist, wenn das gasförmige Medium Luft ist.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Beruhigungskörper konisch ausgebildet und zwar so, dass sich der Durchmesser des Beruhigungskörpers weg von dem Piezoelement und hin zu der Trennfläche verjüngt. Dies hat den Vorteil, dass bei niedrigem Füllstand das Piezoelement in eine große Fläche seine Schallenergie einkoppeln kann und damit die Güte des Messsignals des Echos steigt, da bei einem niedrigen Pegelstand der Anteil der Reflexion an den Wänden des Beruhigungskörpers geringer ist. Mit steigendem Füllstand nimmt jedoch auch die Dämpfung des ausgesandten Wellenpakets zu und die somit dann kleinere zur Verfügung stehende Trennfläche wirkt fokussierend im Zusammenhang mit den konisch zusammen laufenden Wänden des Beruhigungskörpers und führt so zu einer Verbesserung der Messsignalgüte, also des Echos.
  • Besonders vorteilhaft ist, wenn der Beruhigungskörper so konisch zuläuft, dass sein freier Durchmesser bei dem maximal zu erfassenden Füllstand in etwa dem des scheibenförmigen Piezoelements entspricht.
  • Gemäß des weiteren Aspekts der Erfindung betreffend das Verfahren zum Betreiben der Sensoreinrichtung zeichnet sich die Erfindung durch ein Verfahren aus, bei dem das scheibenförmige Piezoelement für eine vorgegebene Anzahl an axialen Resonanzschwingungen mit diesen angeregt wird und so Schallwellen in dem Fluid erzeugt werden. Anschließend wird das Piezoelement als Empfänger der reflektierten Schallwellen betrieben. Die Laufzeit der Welle hin zu der Trennfläche und zurück wird abhängig von dem Aussenden der Schallwelle und dem Eintreffen der reflektierten Schallwelle ermittelt. Die Laufzeit der Schallwelle hin zu dem Reflektor und zurück wird abhängig von dem Aussenden der Schallwelle und dem Eintreffen der reflektierten Schallwelle ermittelt. Abhängig von den ermittelten Laufzeiten wird der Füllstand des Fluids ermittelt.
  • So kann einfach auch bei unterschiedlicher Dichte des Fluids der Füllstand präzise erfast werden.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Temperatur des Fluids erfasst. Abhängig von der Laufzeit der Schallwelle hin zu dem Reflektor und zurück und der Temperatur des Fluids wird dann die Viskosität des Fluids ermittelt. Dies ermöglicht ein einfaches Ermitteln der Viskosität des Fluids.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Piezoelement zu Radialschwingungen angeregt in einem vorgegebenen Frequenzbereich. Die Resonanzfrequenz einer radialen Resonanzschwingung des Piezoelements wird ermittelt, die Amplitude der radialen Resonanzschwingung wird ermittelt und abhängig von der Amplitude der radialen Resonanzschwingung wird die Viskosität des Fluids ermittelt. Dadurch kann die Viskosität des Fluids auf einfache und sehr präzise Art und Weise neben dem Füllstand mit ein und derselben Sensoreinrichtung ermittelt werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Piezoelement zu Radialschwingungen angeregt in einem vorgegebenen Frequenzbereich. Die Resonanzfrequenz einer radialen Resonanzschwingung des Piezoelements wird ermittelt, die Schwinggüte der radialen Resonanzschwingung wird ermittelt und abhängig von der Schwinggüte wird die Viskosität des Fluids ermittelt. Dadurch kann die Viskosität des Fluids auf einfache und sehr präzise Art und Weise neben dem Füllstand mit ein und derselben Sensoreinrichtung ermittelt werden.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Füllstand und die Viskosität alternierend ermittelt werden. Das Verhältnis von Radial- zu Axialresonanz liegt bevorzugt zwischen 1:5 bis 1:20, was durch entsprechendes Dimensionieren des Durchmessers und der Dicke des scheibenförmigen Piezoelements erreicht werden kann.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Sensoreinrichtung in einem Behälter 1,
  • 2 eine erste Ausführungsform der Sensoreinrichtung,
  • 3 eine zweite Ausführungsform der Sensoreinrichtung,
  • 4 eine dritte Ausführungsform der Sensoreinrichtung und
  • 5 ein Ablaufdiagramm eines Programms zum Betreiben der Sensoreinrichtung.
  • Elemente gleicher Konstruktion und Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • Eine Sensoreinrichtung ist in einem Behälter 1 (1) angeordnet, in dem sich ein Fluid 2 befindet. Das Fluid ist bevorzugt Öl und Kraftstoff. Die Sensoreinrichtung umfasst einen Beruhigungskörper 5, in dem ein scheibenförmiges Piezoelement in einem vorgegebenen Abstand zu einem Reflektor 9 angeordnet ist. Das Piezoelement 7 und auch der Reflektor 9 befinden sich vollständig in dem Fluid 2, dessen Trennschicht zu einem gasförmigen Medium mit 10 bezeichnet ist. Alternativ kann die Trennschicht auch hin zu einem anderen Fluid sein.
  • Der Beruhigungskörper 5 kommuniziert mit dem Behälter 1 mittels erster und zweiter Ausnehmungen 12, 13, die bevorzugt als Drosseln ausgebildet sind. Der Reflektor 9 ist im wesentlichen senkrecht zu der Achse des Piezoelements zugewandt zu der Scheibenoberfläche des Piezoelements 7 angeordnet, die abgewandt ist von der Trennfläche 10. Der Reflektor 9 ist so zu dem Piezoelement 7 beabstandet, dass innerhalb des Füllstandsbereichs, der von der Sensoreinrichtung zu erfassen ist, das Echo des Wellenpakets, das für eine vorgegebene Zeitdauer durch die axiale Resonanzschwingung des Piezoelements erzeugt wird und an dem Reflektor 9 reflektiert wird, vollständig wieder bei dem Piezoelement 7 eingetroffen ist und danach eine Abklingzeit abgelaufen ist, bevor das Echo des gleichzeitig ausgesandten Wellenpakets, das an der Trennfläche 10 reflektiert wird, bei dem Piezoelement 7 eintrifft. Werden pro Wellenpaket beispielsweise zwischen 5 und 10 Schallwellen bei einer Frequenz von 2 MHz erzeugt und betragen die möglichen Schallgeschwindigkeiten zwischen 1.300 m/s und 1.600 m/s, so beträgt beispielsweise der Abstand in etwa 10 mm. Die axiale Eigenfrequenz des Piezoelements 7 hängt ab von dessen Dicke.
  • Durch den Beruhigungskörper wird die Amplitude eines möglichen Hin- und Herschwappens des Fluids 2 im Vergleich zu der Amplitude in dem Behälter 1 entsprechend dem Verhältnis des Durchmessers des Beruhigungskörpers 5 und des Behälters 1 verringert. Darüber hinaus bewirken auch die gegebenenfalls mit Drosseln versehenen Ausnehmungen 12 und 13 eine Beruhigung des Füllstandes. Dies führt dazu, dass der Füllstand des Fluids auch bei stark hin und her schwappendem Fluid präzise bestimmt werden kann. Das genaue Vorgehen zum Ermitteln des Füllstandes wird weiter unten anhand des Ablaufdiagramms der 5 beschrieben.
  • Eine zweite Ausführungsform der Sensoreinrichtung (3) hat gegebenenfalls einen Zusatzreflektor 11. Dadurch ist eine zweite Referenzstrecke neben der von dem Piezoelement 7 hin zu dem Reflektor 9 geschaffen mit der Folge, dass auf zwei unabhängige Arten gegebenenfalls die Schallgeschwindigkeit in dem Fluid ermittelt werden kann. In dem zweiten Ausführungsbeispiel ist der Reflektor 9 beabstandet zu dem Boden des Beruhigungskörpers 5 angeordnet. Der Zusatzreflektor kann sich um einen Teil des Umfangs des Beruhigungskörpers 5 oder auch um den gesamten Umfang erstrecken.
  • 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Sensoreinrichtung. Der Beruhigungskörper 5 ist bei dieser Ausführungsform doppelwandig ausgeführt. In dem Zwischenraum 15 zwischen den Wänden ist ein gasförmiges Medium, bevorzugt Luft, eingebracht. Dies hat zur Folge, dass von dem Piezoelement 7 ausgesandte Schallwellen unabhängig von dem aktuellen Füllstand außerhalb des Beruhigungskörpers reflektiert werden. So kann insbesondere bei starkem Schwappen des Fluids 2 in dem Behälter 1 die Genauigkeit des Erfassens des Füllstands deutlich verbessert werden.
  • In der Ausführungsform der Sensoreinrichtung gemäß 4 ist der Beruhigungskörper 5 konisch ausgebildet und zwar so, dass sich der freie Durchmesser des Beruhigungskörper 5 weg von dem Piezoelement 7 und hin zu der Trennfläche verjüngt. Vorzugsweise ist der freie Durchmesser des Beruhigungskörpers bei dem maximal zu erfassenden Füllstand 16 in etwa entsprechend dem des Piezoelements 7.
  • Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die hier dargestellten Ausführungsbeispiele. So können die verschiedenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden. Zum Beispiel kann der konusförmige Beruhigungskörper 5 auch doppelwandig ausgebildet sein oder in allen Ausführungsformen der Zusatzreflektor vorhanden sein oder auch der Reflektor 9 beabstandet sein zu dem Boden des Beruhigungskörpers 5. Ferner kann der jeweilige Beruhigungskörper 5 auch ohne Boden und ohne Deckel ausgebildet sein.
  • Ein Verfahren zum Betreiben der Sensoreinrichtung wird im folgenden anhand des Ablaufdiagramms der 5 beschrieben. Das Programm wird in einem Schritt S1 gestartet. In einem Schritt S2 wird das Piezoelement 7 zu axialen Resonanzschwingungen angeregt durch eine Anregung mit seiner axialen Resonanzfrequenz F_RES_A. Die Anregung erfolgt für eine angegebene Anzahl an Schwingungen. Die vorgegebene Anzahl an Schwin gungen liegt bevorzugt zwischen 5 und 10, kann aber auch bis etwa 100 betragen.
  • In dem Schritt S3 wird das Piezoelement als Empfänger des reflektierten Schallwellenpakets betrieben, das in dem Schritt S2 von dem Piezoelement zum einen hin zu dem Reflektor 9 und zum anderen hin zu der Trennfläche 10 emittiert worden ist.
  • Anschließend wird in einem Schritt S4 eine zweite Laufzeit T_ECHO_2 ermittelt, die die Laufzeit des Schallwellenpakets von dem Piezoelement 7 hin zu der Trennfläche 10 und zurück zu dem Piezoelement 7 ist.
  • In einem Schritt S5 wird dann die Schallgeschwindigkeit C_S in dem Fluid 2 abhängig von der ersten Laufzeit T_ECHO_1 und dem bekannten Abstand DIST_REFL des Reflektors 9 von dem Piezoelement 7 ermittelt. In einem Schritt S7 wird dann der Füllstand FS abhängig von der Schallgeschwindigkeit C_S in dem Fluid 2 und der zweiten Laufzeit T_ECHO_2 ermittelt. Das Programm wird dann in einem Schritt S9 beendet.
  • Vorteilhaft ist nach dem schritt S7 ein Schritt S11 vorgesehen, in dem die Viskosität VISC des Fluids 2 abhängig von der durch den Temperatursensor 4 erfassten Temperatur TEMP und der ersten Laufzeit T_ECHO_1 ermittelt. Dies kann bevorzugt mittels eines Kennfeldes erfolgen, in dem entsprechende Viskositätswerte abhängig von der Temperatur TEMP und der ersten Laufzeit T_ECHO_1 abgelegt sind. Die Schallgeschwindigkeit C_S hängt der Mediendichte ab, die wiederum abhängt von dem Kraftstoffeintrag, dem Rußpartikelgehalt und auch von dem Wassergehalt beeinflusst wird. Die Viskositätswerte sind bevorzugt vorab durch entsprechende Versuche oder Simulationen ermittelt.
  • Alternativ oder zusätzlich können zu dem Schritt S11 auch noch die Schritte S13 bis S17 abgearbeitet werden. In einem Schritt S13 wird das Piezoelement 7 zu Schwingungen in einem vorgegebenen Frequenzbereich angeregt. Es wird dazu ein sogenannter Frequenzsweep durchgeführt. Der Frequenzbereich ist so vorgegeben, dass für alle möglichen zu erfassenden Viskositäten eine Radial-Resonanzfrequenz F_RES_R des Piezoelements 7 innerhalb dieses Frequenzbereichs liegt.
  • Durch ein entsprechendes Auswerten der Impedanz des Piezoelements 7 über den gesamten getesteten Frequenzbereich wird dann in dem Schritt S15 die Radial-Resonanzfrequenz F_RES_R des Piezoelements 7 und die Amplitude AMP_R der radialen Resonanzschwingung ermittelt. Die Radial-Resonanzfrequenz F_RES_R des Piezoelements 7 ist die Frequenz, bei der das Piezoelement 7 zu radialen Resonanzschwingungen angeregt wird.
  • In einem Schritt S17 wird dann die Viskosität VISC des Fluids 2 abhängig von der Amplitude AMP_R der radialen Resonanzschwingung und ggf. der Radial-Resonanzfrequenz F_RES_R ermittelt. Dies erfolgt bevorzugt mittels eines Kennfelds und Kennfeldinterpolation. Es wird dabei die Erkenntnis genutzt, dass sich die Radial-Resonanzfrequenz F_RES_R des Piezoelements und auch die Amplitude der radialen Resonanzschwingung in Abhängigkeit von der Viskosität des Fluids ändern. Dadurch kann dann insbesondere beim Einsatz der Sensoreinrichtung in einem Kraftfahrzeug zum Erfassen des Füllstands des Öls auch eine Ölalterung erfasst werden, die mit einem Viskositätsanstieg verbunden ist. Bevorzugt wird zum Ermitteln der Viskosität VISC die mechanische Güte, auch als Schwinggüte bezeichnet, ermittelt und zwar abhängig von der Radial-Resonanzfrequenz F_RES_R und der Amplitude AMP_R oder der Impedanz.
  • Die Sensoreinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie raumsparend ausgeführt werden kann und sehr robust gegenüber schädlichen Einflüssen des Fluids ist. So ist die Sensoreinrichtung deutlich unempfindlicher gegenüber Verschmutzungen als bekannte Füllstandssensoren auf kapazitiver Basis. Es gibt ferner keine Kapillar- und Benetzungseffekte, die die Messungen verfälschen könnten. Darüber hinaus lässt sich der Füllstand sehr schnell erfassen. In Verbindung mit einer Permitivitäts- und/oder Leitfähigkeitsmessung sowie der Temperaturmessung liegen alle notwendigen Größen für eine hinreichende Beschreibung des Ölzustandes vor. Gegenüber Viskositätsmessungen mit Oberflächenwellen-Bauelementen ist die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung deutlich unempfindlicher gegen Anlagerungen von Schichten und hat weniger Packagingaufwand. Dies hat zur Folge, dass der Bereich, in dem das Piezoelement 7 angeordnet ist, nicht zwangsläufig von dem Fluid durchströmt werden muss, um Ablagerungen zu verhindern. Die Schwingung des Piezoelements 7 schützt gegen derartige Ablagerungen.

Claims (12)

  1. Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Füllstands (FS), eines Fluids (2) in einem Behälter (1) mit einem scheibenförmigen Piezoelement (7), das so angeordnet ist, dass seine Achse im wesentlichen senkrecht zu einer Trennfläche (10) verläuft zwischen dem Fluid (2), in dem das Piezoelement (7) anordenbar ist, und einem weiteren Fluid oder gasförmigen Medium, und mit einem Reflektor (9), der im wesentlichen senkrecht zu der Achse des Piezoelements (7) zugewandt zu der Scheibenoberfläche des Piezoelements (7) angeordnet ist, die abgewandt ist von der Trennfläche (10), und der so zu dem Piezoelement (7) beabstandet ist, dass innerhalb des Füllstandsbereichs, der von der Sensoreinrichtung zu erfassen ist, das Echo eines Wellenpakets, das für eine vorgegebene Zeitdauer durch die axiale Resonanzschwingung des Piezoelements (7) erzeugt wird und an dem Reflektor (9) reflektiert wird, vollständig wieder bei dem Piezoelement (7) eingetroffen ist und danach eine Abklingzeit abgelaufen ist, bevor das Echo des gleichzeitig ausgesandten Wellenpakets, das an der Trennfläche (10) reflektiert wird, bei dem Piezoelement (7) eintrifft.
  2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Beruhigungskörper (5) vorgesehen ist, der mit dem Fluid (2) in dem Behälter (1) kommuniziert, und in dem das Piezoelement (7) angeordnet ist.
  3. Sensoreinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Beruhigungskörper (5) mit mindestens einer Drossel versehen ist, über die er mit dem Fluid (2) in dem Behälter (1) kommuniziert und die so ausgebildet ist, dass zeitlich schnelle Schwankungen des Füllstands (FS) in dem Behälter (1) gedämpft werden.
  4. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Beruhigungskörper (5) doppelwandig ausgebildet ist und sich zwischen den Rohrwänden ein gasförmiges Medium befindet.
  5. Sensoreinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Medium Luft ist.
  6. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Beruhigungskörper (5) konisch ausgebildet ist und zwar so, dass sich der freie Durchmesser des Beruhigungskörpers (5) weg von dem Piezoelement (7) und hin zu der Trennfläche (10) verjüngt.
  7. Sensoreinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Freie Durchmesser des Beruhigungskörpers bei dem maximal zu erfassenden Füllstand in etwa dem des Piezoelements (7) entspricht.
  8. Verfahren zum Betreiben einer Sensoreinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem – das Piezoelement (7) für eine vorgegebene Anzahl an axialen Resonanzschwingungen angeregt wird und so Schallwellen in dem Fluid (2) erzeugt werden, – das Piezoelement (7) als Empfänger der reflektierten Schallwellen betrieben wird, – die Laufzeit (T_ECHO_1) der Schallwelle hin zu dem Reflektor (9) und zurück abhängig von dem Aussenden der Schallwelle und dem Eintreffen der reflektierten Schallwelle ermittelt wird, – die Laufzeit (T_ECHO_2) der Schallwelle hin zu der Trennfläche (10) und zurück abhängig von dem Aussenden der Schallwelle und dem Eintreffen der reflektierten Schallwelle ermittelt wird und – abhängig von den ermittelten Laufzeiten (T_ECHO_1, T_ECHO_2) der Füllstand (FS) des Fluids (2) ermittelt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem – die Temperatur (TEMP) des Fluids (2) erfasst wird und – abhängig von der Laufzeit (T_ECHO_1) der Schallwelle hin zu dem Reflektor (9) und zurück zu dem Piezoelement (7) und der Temperatur (TEMP) des Fluids (2) die Viskosität (VISC) des Fluids (2) ermittelt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, bei dem – das Piezoelement (7) zu Schwingungen angeregt wird in einem vorgegebenen Frequenzbereich, – die Resonanzfrequenz (F_RES_ R) einer radialen Resonanzschwingung des Piezoelements (7) ermittelt wird, – die Amplitude (AMP_R) der radialen Resonanzschwingung ermittelt wird und – abhängig von der Amplitude (AMP_R) der radialen Resonanzschwingung die Viskosität (VISC) des Fluids ermittelt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, bei dem – das Piezoelement (7) zu Schwingungen angeregt wird in einem vorgegebenen Frequenzbereich, – die Resonanzfrequenz (F_RES_R) einer radialen Resonanzschwingung des Piezoelements (7) ermittelt wird, – die Schwinggüte der radialen Resonanzschwingung ermittelt wird und – abhängig von der Schwinggüte der radialen Resonanzschwingung die Viskosität (VISC) des Fluids ermittelt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem der Füllstand (FS) und die Viskosität (VISC) alternierend ermittelt werden.
DE10350084.7A 2003-10-27 2003-10-27 Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Füllstands und Verfahren zum Betreiben der Sensoreinrichtung Expired - Fee Related DE10350084B4 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10350084.7A DE10350084B4 (de) 2003-10-27 2003-10-27 Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Füllstands und Verfahren zum Betreiben der Sensoreinrichtung

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10350084.7A DE10350084B4 (de) 2003-10-27 2003-10-27 Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Füllstands und Verfahren zum Betreiben der Sensoreinrichtung

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE10350084A1 true DE10350084A1 (de) 2005-06-02
DE10350084B4 DE10350084B4 (de) 2016-05-19

Family

ID=34529805

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE10350084.7A Expired - Fee Related DE10350084B4 (de) 2003-10-27 2003-10-27 Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Füllstands und Verfahren zum Betreiben der Sensoreinrichtung

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE10350084B4 (de)

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005012566A1 (de) * 2005-03-18 2006-09-21 Hella Kgaa Hueck & Co. Vorrichtung zum Messen des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter mit einem Ultraschallwandler
WO2008009277A1 (de) * 2006-07-18 2008-01-24 Conti Temic Microelectronic Gmbh Mehrkammerultraschallsensor zur bestimmung eines flüssigkeitspegels
DE102006045654B3 (de) * 2006-09-27 2008-01-31 Siemens Ag Kombinationssensor und Verfahren zur Bestimmung von Zustand und Füllstand einer Füssigkeit in einem Behälter
DE102007014539A1 (de) * 2007-03-27 2008-10-09 Hella Kgaa Hueck & Co. Dämpfungsbecher
DE102007014540A1 (de) * 2007-03-27 2008-10-09 Hella Kgaa Hueck & Co. Dämpfungsbecher
DE102008017183A1 (de) * 2008-04-04 2009-10-08 Volkswagen Ag Verfahren zum Messen eines Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behälter für ein Kraftfahrzeug und entsprechende Vorrichtung
DE102008027969A1 (de) * 2008-06-12 2009-12-17 Hella Kgaa Hueck & Co. Vorrichtung zum Erfassen eines Füllstands mit einem Dämpfungsbecher
DE102011013687A1 (de) * 2011-03-11 2012-09-13 Continental Automotive Gmbh Verfahren zur Kalibrierung eines Füllstandsensors
DE102005043263B4 (de) * 2005-09-09 2017-03-16 Volkswagen Ag Vorrichtung zum Erfassen eines Füllstands eines Fluids in einem Behälter
DE102018127526A1 (de) * 2018-11-05 2020-05-07 Endress+Hauser SE+Co. KG Vibronischer Multisensor
WO2020249318A1 (de) * 2019-06-13 2020-12-17 Endress+Hauser SE+Co. KG Vibronischer multisensor
DE102019116150A1 (de) * 2019-06-13 2020-12-17 Endress+Hauser SE+Co. KG Vibronischer Multisensor
WO2020249319A1 (de) * 2019-06-13 2020-12-17 Endress+Hauser SE+Co. KG Vibronischer multisensor

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2281621A (en) * 1993-09-06 1995-03-08 Yamaichi Electronics Co Ltd Measurement of liquid parameters using resonant vibration
JP2001264148A (ja) * 2000-03-15 2001-09-26 Ngk Spark Plug Co Ltd レベル及び粘性測定装置
EP0914594B1 (de) * 1996-07-26 2003-05-14 Marwal Systems Piezoelektrischer flüssigkeitsstandmesser
DE10259809A1 (de) * 2001-12-21 2003-07-03 Marwal Systems Chalons En Cham Pegelmessvorrichtung
US6588269B1 (en) * 1999-01-26 2003-07-08 Marwal Systems Piezoelectric device for measuring liquid level

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4328792C1 (de) * 1993-08-26 1994-12-08 Siemens Ag Detektoreinrichtung zur Detektierung von Flüssigkeitsfüllständen
EP1139075A3 (de) * 2000-03-27 2007-03-28 Robert Seuffer GmbH & Co. KG Verfahren und Vorrichtung zum Messen eines durch Betriebsverbrauch sich ändernden Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter
DE10112433A1 (de) * 2001-03-15 2002-10-02 Bosch Gmbh Robert Messanordnung für eine Viskositätsmessung von Flüssigkeiten
DE10309861B4 (de) * 2003-03-06 2006-05-04 Robert Seuffer Gmbh & Co. Kg Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung wenigstens einer chemischen oder physikalischen Eigenschaft einer Flüssigkeit bei Füllstandsmessung in einem Behälter

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2281621A (en) * 1993-09-06 1995-03-08 Yamaichi Electronics Co Ltd Measurement of liquid parameters using resonant vibration
EP0914594B1 (de) * 1996-07-26 2003-05-14 Marwal Systems Piezoelektrischer flüssigkeitsstandmesser
US6588269B1 (en) * 1999-01-26 2003-07-08 Marwal Systems Piezoelectric device for measuring liquid level
JP2001264148A (ja) * 2000-03-15 2001-09-26 Ngk Spark Plug Co Ltd レベル及び粘性測定装置
DE10259809A1 (de) * 2001-12-21 2003-07-03 Marwal Systems Chalons En Cham Pegelmessvorrichtung

Cited By (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005012566A1 (de) * 2005-03-18 2006-09-21 Hella Kgaa Hueck & Co. Vorrichtung zum Messen des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter mit einem Ultraschallwandler
DE102005043263C5 (de) 2005-09-09 2019-09-05 HELLA GmbH & Co. KGaA Vorrichtung zum Erfassen eines Füllstands eines Fluids in einem Behälter
DE102005043263B4 (de) * 2005-09-09 2017-03-16 Volkswagen Ag Vorrichtung zum Erfassen eines Füllstands eines Fluids in einem Behälter
WO2008009277A1 (de) * 2006-07-18 2008-01-24 Conti Temic Microelectronic Gmbh Mehrkammerultraschallsensor zur bestimmung eines flüssigkeitspegels
US9121745B2 (en) 2006-07-18 2015-09-01 Conti Temic Microelectronic Gmbh Multichamber ultrasonic sensor for determining a liquid level
DE102006045654B3 (de) * 2006-09-27 2008-01-31 Siemens Ag Kombinationssensor und Verfahren zur Bestimmung von Zustand und Füllstand einer Füssigkeit in einem Behälter
DE102007014539B4 (de) * 2007-03-27 2014-10-30 Hella Kgaa Hueck & Co. Dämpfungsbecher
DE102007014539A1 (de) * 2007-03-27 2008-10-09 Hella Kgaa Hueck & Co. Dämpfungsbecher
DE102007014540A1 (de) * 2007-03-27 2008-10-09 Hella Kgaa Hueck & Co. Dämpfungsbecher
DE102007014540B4 (de) * 2007-03-27 2014-10-30 Hella Kgaa Hueck & Co. Dämpfungsbecher
DE102008017183A1 (de) * 2008-04-04 2009-10-08 Volkswagen Ag Verfahren zum Messen eines Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behälter für ein Kraftfahrzeug und entsprechende Vorrichtung
DE102008017183B4 (de) * 2008-04-04 2019-11-07 Volkswagen Ag Verfahren zum Messen eines Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behälter für ein Kraftfahrzeug und entsprechende Vorrichtung
DE102008027969B4 (de) * 2008-06-12 2017-11-02 Hella Kgaa Hueck & Co. Vorrichtung zum Erfassen eines Füllstands mit einem Dämpfungsbecher
DE102008027969A1 (de) * 2008-06-12 2009-12-17 Hella Kgaa Hueck & Co. Vorrichtung zum Erfassen eines Füllstands mit einem Dämpfungsbecher
DE102011013687B4 (de) * 2011-03-11 2014-10-09 Continental Automotive Gmbh Verfahren zur Kalibrierung eines Füllstandsensors
DE102011013687A1 (de) * 2011-03-11 2012-09-13 Continental Automotive Gmbh Verfahren zur Kalibrierung eines Füllstandsensors
DE102018127526A1 (de) * 2018-11-05 2020-05-07 Endress+Hauser SE+Co. KG Vibronischer Multisensor
CN112955717A (zh) * 2018-11-05 2021-06-11 恩德莱斯和豪瑟尔欧洲两合公司 振动多传感器
WO2020249318A1 (de) * 2019-06-13 2020-12-17 Endress+Hauser SE+Co. KG Vibronischer multisensor
DE102019116150A1 (de) * 2019-06-13 2020-12-17 Endress+Hauser SE+Co. KG Vibronischer Multisensor
WO2020249317A1 (de) * 2019-06-13 2020-12-17 Endress+Hauser SE+Co. KG Vibronischer multisensor
WO2020249319A1 (de) * 2019-06-13 2020-12-17 Endress+Hauser SE+Co. KG Vibronischer multisensor
US11994420B2 (en) 2019-06-13 2024-05-28 Endress+Hauser SE+Co. KG Vibronic multisensor with pressure detection unit

Also Published As

Publication number Publication date
DE10350084B4 (de) 2016-05-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE4311963C2 (de) Füllstandsmeßgerät
DE10350084B4 (de) Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Füllstands und Verfahren zum Betreiben der Sensoreinrichtung
DE4307635C2 (de) Füllstandsmeßvorrichtung
DE4025326A1 (de) Verfahren und vorrichtung zu fuellstandsmessung
DE102011013687B4 (de) Verfahren zur Kalibrierung eines Füllstandsensors
DE112007000456T5 (de) Eingetauchter Kraftstofffüllstandssensor
WO2007028365A1 (de) Vorrichtung zum erfassen eines füllstands eines fluids in einem behälter
EP2440888B1 (de) Verfahren zum messen einer messgrösse
DE102008009626A1 (de) Verfahren zur Zustandsüberprüfung einer Pipette, Pipettierverfahren, Pipettiervorrichtung und Saugrohr für eine Pipettiervorrichtung
DE102020105214A1 (de) Vibronischer Multisensor
DE102011089685B4 (de) Messanordnung zur Bestimmung eines Füllstands und/oder einer Konzentration einer Flüssigkeit
DE102006045654B3 (de) Kombinationssensor und Verfahren zur Bestimmung von Zustand und Füllstand einer Füssigkeit in einem Behälter
EP3246668A1 (de) Messvorrichtung und verfahren zum bestimmen der strömungsgeschwindigkeit eines in einer leitung strömenden fluids
DE10312100A1 (de) Vorrichtung zur Messung eines Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter
DE4306193B4 (de) Füllstandssensor
DE4011923C2 (de)
DE19930896A1 (de) Füllstands-Detekor für fließendes Material
DE102018202209B3 (de) Vorrichtung zum Bestimmen einer Höhe und/oder Qualität eines Fluids in einem Fluidbehälter
WO2019042788A1 (de) Vorrichtung zum bestimmen einer qualität eines fluids
DE10350086A1 (de) Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Zustands eines Fluids
DE102018214294B4 (de) Verfahren zum Betreiben einer Fluidsensorvorrichtung und Fluidsensorvorrichtung
WO2020038809A1 (de) Verfahren zum betreiben einer fluidsensorvorrichtung und fluidsensorvorrichtung
DE102015203394A1 (de) Baugruppe zur Messung des Füllstands eines Ölbehälters
DE19601944C2 (de) Vorrichtung zur Messung von akustischen Größen in Fluiden
DE102004059050A1 (de) Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8127 New person/name/address of the applicant

Owner name: CONTINENTAL AUTOMOTIVE GMBH, 30165 HANNOVER, DE

R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee