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Die
Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Zustands
eines Fluids. Eine derartige Sensoreinrichtung wird eingesetzt zum
Erfassen des Füllstandes
eines Fluids, insbesondere 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.
Die Sensoreinrichtung wird ferner eingesetzt zum Erfassen der Viskosität eines Fluids.
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Aus
der
DE 43 28 792 C1 ist
eine Detektoreinrichtung bekannt zum Detektieren von Flüssigkeitsfüllständen mit
einem als Sende/Empfangswandler dienenden Ultraschallwandler und
einem Schallreflektor, der die von dem Ultraschallwandler ausgesandte
Schallenergie auf den Ultraschallwandler zurück reflektiert. 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.
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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.
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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.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Sensoreinrichtung zum Erfassen
eines Zustands eines Fluids zu schaffen, die einfach ist und ein
Betreiben der Sensoreinrichtung zu einer Füllstandsmessung und einer Viskositätsmessung
des Fluids ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung zeichnet sich aus durch eine Sensoreinrichtung zum Erfassen
eines Zustands eines Fluids mit einem scheibenförmigen Piezoelement, das mittels
eines stabförmigen
Körpers
zentrisch fixiert ist. Der stabförmige
Körper
bildet eine Auflage für
das Piezoelement und kontaktiert gleichzeitig eine erste Elektrode
des Piezoelements elektrisch. Eine zweite, gegenüberliegende Elektrode des Piezoelements
ist mittels eines Drahtes elektrisch kontaktiert.
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Durch
eine derartige Sensoreinrichtung ist eine geringe Dämpfung von
axialen Schwingungen des Piezoelements und radialen Schwingungen
des Piezoelements gewährleistet.
Die axialen Schwingungen des Piezoelements werden auch als Dickenschwingungen
bezeichnet.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die zweite Elektrode
des Piezoelements mittels eines Drahts elektrisch kontaktiert in
einem Bereich, der mit der Auflage des Piezoelements auf dem stabförmigen Körper fluchtet.
Dies hat den Vorteil, dass der Draht auch sehr steif ausgebildet
sein kann, da das Piezoelement in diesem Bereich, der mit der Auflage
des Piezoelements auf dem stabförmige
Körper
fluchtet, ohnehin in seinen Schwingungen gedämpft ist.
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Es
ist dabei besonders vorteilhaft, wenn der Draht die zweite Elektrode
im Zentrum des Piezoelements kontaktiert. Der Draht kann dann sehr
steif ausgebildet sein, beispielsweise auch aus einem Stanzgitter
hergestellt sein, da im Zentrum des scheibenförmigen Piezoelements nur äußerst geringe Schwingungen
auftreten.
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Besonders
vorteilhaft ist die Sensoreinrichtung ausgebildet, wenn die zweite
Elektrode mittels eines Bonddrahts kontaktiert ist. So kann der
Kontakt zwischen dem Bonddraht und der zweiten Elektrode auch stark
exzentrisch angeordnet sein ohne die Schwingungen des Piezoelements
nennenswert zu beeinflussen.
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Der
Bonddraht hat vorteilhaft einen Durchmesser von 30 bis 200 μm.
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Die
Sensoreinrichtung ist besonders vorteilhaft ausgebildet, wenn eine
elektrisch leitfähige
Feder vorgesehen ist, die die zweite Elektrode von dem äußeren Rand
des Piezoelements her kontaktiert.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Sensoreinrichtung mit einem
scheibenförmige
Piezoelement versehen, mit einem ersten stabförmige Körper, der durch eine zentrische
Ausnehmung des Piezoelements geführt
ist und so das Piezoelement zentrisch fixiert und gleichzeitig eine zweite
Elektrode des Piezoelements elektrisch kontaktiert. Ferner ist dann
mindestens ein weiterer stabförmiger
oder rohrförmiger
Körper
parallel zu dem ersten stabförmigen
Körper
an die erste Elektrode geführt
und mit dieser elektrisch kontaktiert. Der erste stabförmige Körper erstreckt
sich im wesentlichen entlang des gleichen Bereichs wie der mindestens zweite
Körper.
Der zweite stabförmige
oder rohrförmige
Körper
bildet eine Auflage für
das Piezoelement. Gemäß dieses
Aspekts ist eine gute Fixierung des Piezoelements gewährleistet.
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Gemäß einer
Weiterbildung dieses zweiten Aspekts der Erfindung ist der zweite
Körper
rohrförmig
ausgebildet und koaxial zu dem ersten Körper angeordnet. Dadurch ergibt
sich bei geeignet kleinem Durchmesser des zweiten Körpers eine äußerst geringe
Beeinflussung der Radial- und der Axialschwingungen des scheibenförmigen Piezoelements.
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Gemäß eines
dritten Aspekts der Erfindung ist eine Sensoreinrichtung vorgesehen
mit einem scheibenförmige
Piezoelement, das randseitig in Auflage auf einem Absatz gebracht
ist mittels einer Feder. Die Feder kann vorteilhaft als Zug- oder Druckfeder
ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass die Sensoreinrichtung
einfach zu montieren ist.
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Bezüglich dieses
Aspekts der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn in der Auflage mindestens
eine elektrische Kontaktierung mindestens einer Elektrode des Piezoelements
auf gebildet ist. Dadurch ist eine besonders einfache Montierbarkeit
der Sensoreinrichtung gewährleistet.
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Ferner
ist es vorteilhaft, wenn die Feder der Sensoreinrichtung elektrisch
leitfähig
ist und die erste Elektrode elekt risch kontaktiert, dadurch ergibt
sich auch eine sehr einfache Montierbarkeit der Sensoreinrichtung.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Zustands eines Fluids in einem
Behälter 1,
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2 ein
erstes Ausführungsbeispiel
der Sensoreinrichtung,
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3 ein
zweites Ausführungsbeispiel
der Sensoreinrichtung,
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4 ein
drittes Ausführungsbeispiel
der Sensoreinrichtung,
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5 ein
viertes Ausführungsbeispiel
der Sensoreinrichtung,
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6 ein
fünftes
Ausführungsbeispiel
der Sensoreinrichtung und
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7 ein
sechstes Ausführungsbeispiel
der Sensoreinrichtung.
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Elemente
gleicher Konstruktion und Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen gekennzeichnet.
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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.
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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.
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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.
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Die
Sensoreinrichtung kann auch zum Bestimmen der Viskosität des Fluids 2 betrieben
werden. Dazu 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
des Piezoelements 7 innerhalb dieses Frequenzbereichs liegt.
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Durch
ein entsprechendes Auswerten der Impedanz des Piezoelements 7 über den
gesamten getesteten Frequenzbereich wird die Radial-Resonanzfrequenz
des Piezoelements 7 und die Amplitude der radialen Resonanzschwingung
ermittelt. Die Radial-Resonanzfrequenz
des Piezoelements 7 ist die Frequenz, bei der das Piezoelement 7 zu
radialen Resonanzschwingungen angeregt wird.
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Die
Viskosität
des Fluids 2 wird abhängig
von der Amplitude der radialen Resonanzschwingung und ggf. der Radial-Resonanzfrequenz
ermittelt. Dies erfolgt bevorzugt mittels eines Kennfelds und Kennfeldinterpolation.
Es wird dabei die Erkenntnis genutzt, dass sich die Radial-Resonanzfrequenz
des Piezoelements und auch die Amplitude der radialen Resonanzschwingung
sich in Abhängigkeit
von der Viskosität
des Fluids ändert.
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
die mechanische Güte,
auch als Schwinggüte
bezeichnet, ermittelt und zwar abhängig von der Radial-Resonanzfrequenz und
der Amplitude oder der Impedanz.
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Bei
einer ersten Ausführungsform
der Sensoreinrichtung (2) ist das Piezoelement 7 mit
einer ersten Elektrode 17 und einer gegenüberliegenden
zweiten Elektrode 19 versehen. Das Piezoelement ist mittels
eines ersten stabförmigen
Körpers 20 zentrisch
fixiert, der durch einen zentrische Ausnehmung des Piezoelements 7 hindurch
geführt
ist. Der erste stabförmige
Körper 20 kontaktiert
die zweite Elektrode 19 elektrisch. Der erste stabförmige Körper 20 und
die zweite Elektrode 19 sind vorzugsweise mittels einer
Lötverbindung
verbunden.
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Ein
zweiter Körper,
der als rohrförmiger
Körper 22 ausgebildet
ist, ist koaxial zu dem ersten stabförmige Körper 20 an die erste
Elektrode 17 geführt und
kontaktiert diese elektrisch. Die Verbindung zwischen der ersten
Elektrode 17 und dem rohrförmigen Körper 22 ist bevorzugt
mittels eines leitfähigen
Klebers hergestellt, sie kann aber auch mittels einer Lötverbindung
oder einer anderen geeigneten Verbindung hergestellt sein. Der erste
stabförmige
Körper 20 und
der zweite rohrförmige
Körper 22 sind
in einem Teilbereich in einem Haltekörper 8 geführt, der bevorzugt
als Kunststoff-Spritzteil ausgeführt
ist und der gleichzeitig den Reflektor 9 bildet.
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Der
zweite Körper
kann auch als mindestens ein weiterer stabförmiger Körper ausgebildet sein, vorzugsweise
als drei weitere stabförmige
Körper, die
dann z.B. auf einem Radius um den ersten stabförmigen Körper oder auch eng beabstandet
verschieden beabstandet zu dem ersten stabförmigen Körper angeordnet sein können.
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Bei
einer zweiten Ausführungsform
der Sensoreinrichtung (3) kontaktiert der erste stabförmige Körper 20 die
erste Elektrode 17 elektrisch leitend und bildet gleichzeitig
auch die Auflage für
das scheibenförmige
Piezoelement 7. Die zweite Elektrode 19 ist mittels
eines als Bonddraht ausgebildeten Drahtes 24 kontaktiert.
Dabei ergibt sich eine besonders geringe Beeinflussung der radialen
und axialen Schwingungen des Piezoelements je weiter der Bonddraht 24 hin
zum äußeren Rand
des scheibenförmigen
Piezoelements 7 kontaktiert ist. Der Bonddraht hat bevorzugt
einen Durchmesser zwischen 30 und 200 μm.
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In
einer dritten Ausführungsform
der Sensoreinrichtung bildet der erste stabförmige Körper 20 eine Auflage
für das
Piezoelement 7 und ist beispielsweise durch Kleben oder
durch eine Lötverbindung mit
diesem verbunden jedoch nicht über
den ersten beiden Ausführungsformen
durch eine zentrische Ausnehmung des Piezoelements 7 geführt. Die
erste Elektrode 17 ist durch den ersten stabförmigen Körper 20 kontaktiert.
Die zweite Elektrode 19 ist mittels des Drahts 23 kontaktiert.
Die elektrische Kontaktierung der zweiten Elektrode 19 erfolgt
in einem Bereich, der mit dem Auflagebereich des Piezoelements auf
dem ersten stabförmige
Körper 20 fluchtet. Eine
besonders geringe Dämpfung
von radialen und axialen Schwingungen des Piezoelements 7 ergibt sich,
insbesondere dann wenn der Draht 23 relativ steif ausgebildet
ist, wenn der Draht 23 die zweite Elektrode 19 in
dem Zentrum des Piezoelements 7 kontaktiert. Der Draht 23 ist
z.B. relativ steif ausgebildet, wenn er Teil eines Stanzgitters
ist.
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In
einer vierten Ausführungsform
der Sensoreinrichtung (5) ist das Piezoelement 7 mittels
eines ersten stabförmigen
Körpers 20a fixiert
und zwar zentrisch. Die erste Elektrode 17 ist mittels
einer ersten Feder 26 kontaktiert und die zweite Elektrode 19 ist
mittels einer zweiten Feder 27 elektrisch leitend kontaktiert.
Alternativ kann auch nur eine der beiden Federn 26, 27 vorgesehen
sein und die jeweils andere Elektrode mittels des ersten stabförmigen Körpers 20a kontaktiert
sein.
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In
einer fünften
Ausführungsform
der Sensoreinrichtung (6) ist das scheibenförmige Piezoelement 7 randseitig
in Auflage auf einen Absatz 29 gebracht und zwar mittels
einer dritten Feder 31. Die dritte Feder 31 ist
in dieser Ausführungsform
als Druckfeder ausgebildet. Sie ist mit einer Vorspannung von beispielsweise
5 Newton vorgespannt und drückt
so das scheibenförmige
Piezoelement 7 gegen den Absatz 29. Der Absatz 29 kann
rundumlaufend sein um den Beruhigungskörper 5 kann aber auch
nur abschnittsweise entlang des Umfangs ausgebildet sein. Die Feder
hat beispielsweise eine Federsteifigkeit von 10 N/mm. Bevorzugt
bilden Teile des Absatzes 29 auch gleichzeitig die elektrische Kontaktierung
mit der ersten und/oder der zweiten Elektrode 17, 19.
Es ist jedoch auch möglich,
dass die erste Elektrode 17 mittels der dritten Feder 31 elektrisch
leitend kontaktiert ist.
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Der
Beruhigungskörper
ist vorzugsweise derart zweiteilig ausgeführt, dass bei der Montage die Feder 31 eingesetzt
wird, anschließend
das Piezoelement 7 auf den Absatz 29 gelegt wird
und anschießend
entweder mittels Verschraubens der zwei Gehäuseteile oder mittels Herstellen
einer Schnappverbindung der zwei Gehäuseteile das Piezoelement 7 dann
durch Vorspannen der Feder 31 mit der Vorspannkraft an
dem Absatz 29 gedrückt
wird.
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In
einer sechsten Ausführungsform
der Sensoreinrichtung ist das Piezoelement 7 randseitig
in den Beruhigungskörper 5 oder
ein weiteres Halteelement eingespannt.
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Die
Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Die
Ausführungsbeispiele
können
auch beliebig miteinander kombiniert werden.