DE10350086A1 - Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Zustands eines Fluids - Google Patents

Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Zustands eines Fluids Download PDF

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Abstract

Eine Sensoreinrichtung hat ein scheibenförmiges Piezoelement (7), das mittels eines stabförmigen ersten Körpers (20) zentrisch fixiert ist. Der stabförmige Körper (20) bildet eine Auflage für das Piezoelement (7) und kontaktiert gleichzeitig eine erste Elektrode (17) des Piezoelements (7) elektrisch. Die zweite gegenüberliegende Elektrode (19) ist mittels eines Drahtes (24, 23) elektrisch kontaktiert.

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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 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.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Bonddraht hat vorteilhaft einen Durchmesser von 30 bis 200 μm.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Zustands eines Fluids in einem Behälter 1,
  • 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der Sensoreinrichtung,
  • 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Sensoreinrichtung,
  • 4 ein drittes Ausführungsbeispiel der Sensoreinrichtung,
  • 5 ein viertes Ausführungsbeispiel der Sensoreinrichtung,
  • 6 ein fünftes Ausführungsbeispiel der Sensoreinrichtung und
  • 7 ein sechstes Ausführungsbeispiel 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • In einer sechsten Ausführungsform der Sensoreinrichtung ist das Piezoelement 7 randseitig in den Beruhigungskörper 5 oder ein weiteres Halteelement eingespannt.
  • Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele können auch beliebig miteinander kombiniert werden.

Claims (11)

  1. Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Zustands eines Fluids mit einem scheibenförmigen Piezoelement (7), das mittels eines ersten stabförmigen Körpers (20) zentrisch fixiert ist, wobei der erste stabförmige Körper (20) eine Auflage für das Piezoelement (7) bildet und gleichzeitig eine erste Elektrode (17) des Piezoelements (7) elektrisch kontaktiert und eine zweite, gegenüberliegende Elektrode (19) mittels eines Drahtes (24) elektrisch kontaktiert ist.
  2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (19) mittels eines Drahtes (24, 23) kontaktiert ist, in einem Bereich, der mit der Auflage des Piezoelements auf dem stabförmigen ersten Körper (20) fluchtet.
  3. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht (23) die zweite Elektrode (19) im Zentrum des Piezoelements (7) kontaktiert.
  4. Sensoreinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (19) mittels eines Bonddrahts (23) kontaktiert ist.
  5. Sensoreinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Bonddraht (24) einen Durchmesser von 30 bis 200 μm hat.
  6. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrisch leitfähige Feder (26, 27) vorgesehen ist, die die zweite Elektrode (19) von dem äußeren Rand des Piezoelements (7) her kontaktiert.
  7. Sensoreinrichtung mit einem scheibenförmigen Piezoelement (7), mit einem ersten stabförmigen Körper (20), der durch eine zentrische Ausnehmung des Piezoelements (7) geführt ist und so das Piezoelement (7) zentrisch fixiert und eine zweite Elektrode (19) des Piezoelement elektrisch kontaktiert, und mindestens ein weiterer stabförmiger oder rohrförmiger Körper (22) parallel zu dem ersten stabförmigen Körper (20) an die erste Elektrode (17) geführt ist und mit dieser elektrisch kontaktiert ist wobei sich der erste stabförmige Körper (20) im wesentlichen entlang des gleichen Bereichs erstreckt wie der mindestens zweite Körper und der zweite Körper eine Auflage für das Piezoelement bildet.
  8. Sensoreinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Körper rohrförmig ausgebildet ist und koaxial zu dem ersten stabförmigen Körper (20) angeordnet ist.
  9. Sensoreinrichtung mit einem scheibenförmigen Piezoelement (7), das randseitig in Auflage auf einen Absatz (29) gebracht ist mittels einer dritten Feder (31).
  10. Sensoreinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auflage mindestens eine elektrische Kontaktierung mindestens einer Elektrode (17, 19) des Piezoelements (7) ausgebildet ist.
  11. Sensoreinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Feder (31) elektrisch leitfähig ist und die erste Elektrode (17) elektrisch kontaktiert.
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