DE112008001886B4

DE112008001886B4 - Anordnung zum Bestimmen einer Kenngröße eines Fluids, Sensorvorrichtung und Verwendung in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE112008001886B4
Application number: DE112008001886.3T
Authority: DE
Inventors: Stephan Heinrich; Willibald Reitmeier; Denny Schädlich
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2007-07-25
Filing date: 2008-06-20
Publication date: 2014-09-18
Anticipated expiration: 2028-06-21
Also published as: DE102007034585A1; US20100199749A1; US8297111B2; WO2009013087A1; DE112008001886A5

Abstract

Anordnung zum Bestimmen einer Kenngröße eines Fluids (4), aufweisend – ein beweglich aufgehängtes Messelement (3) mit bekannter Geometrie, das von einem ersten Messpunkt (8) zu einem zweiten Messpunkt (9) innerhalb des Fluids (4) bewegbar ist, – ein Rückhalteelement, durch das das Messelement (3) an dem ersten Messpunkt (8) festhaltbar ist, – ein Vorschubelement, durch das das Messelement (3) in Richtung des zweiten Messpunktes (9) mit einer vorbestimmten Kraft (FV) aktiv beschleunigbar ist, und – eine Steuervorrichtung (14), die dazu eingerichtet ist, das Rückhalteelement und/oder das Vorschubelement anzusteuern, um das Messelement (3) zwischen dem ersten Messpunkt (8) und dem zweiten Messpunkt (9) zu bewegen, eine Zeitdauer zu ermitteln, die das Messelement (3) benötigt, um zwischen dem ersten Messpunkt (8) und dem zweiten Messpunkt (9) bewegt zu werden, und basierend auf der bestimmten Zeitdauer, der vorbestimmten Kraft (FV) und der bekannten Geometrie eine Kenngröße des Fluids (4) zu bestimmen dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Messelementes (3) von dem ersten Messpunkt (8) zu dem zweiten Messpunkt (9) im Wesentlichen in einer horizontalen Ebene verläuft.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Bestimmen einer Kenngröße eines Fluids. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Sensorvorrichtung zur Verwendung in einer derartigen Anordnung und die Verwendung einer solchen Anordnung in einem Kraftfahrzeug.
Die Bestimmung einer Kenngröße eines Fluids ist unter anderem im Automobilbereich von großer Bedeutung, um Eigenschaften von Kraft-, Schmier- und sonstigen Betriebsmitteln zu erfassen. Beispielsweise kann durch ein frühzeitiges Erkennen eines kritischen Nachlassens der Viskosität und somit der Schmierfähigkeit eines Öls erkannt werden, dass das Öl zum störungsfreien Betrieb eines Verbrennungsmotors ersetzt werden muss. Darüber hinaus kann die Viskosität Auskunft über die Alterung von Ölen und das Mischungsverhältnis von Kraftstoffgemischen, beispielsweise Benzin-Ethanol oder Biodiesel-Gemischen, insbesondere Raps-Methyl-Ester-Gemischen, geben. Auch andere Kenngrößen, wie beispielsweise eine aktuelle Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einem Schmier- oder Kühlkreislauf sind von Bedeutung.
Die DE 36 12 659 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Viskosität eines Mediums. Dabei wird Gebrauch gemacht von einer verschwenkbar angeordneten Messplatte, die in einer für das Medium vorgesehenen Messzone mit zwei Seitenwänden zusammenwirkt, um im intermittierenden Antrieb der Messplatte, der mittels eines elektromagnetischen Systems bewirkt wird, eine der Viskosität verhältige Scherkraft durch das Verdrängen des Mediums aus dem bezüglich der einen Seitenwand geschaffenen einen Druckraum und dem gleichzeitigen Ansaugen von neuem Medium in dem bezüglich der anderen Seitenwand geschaffenen zweiten Druckraum zu erzeugen.
Die DE 575 988 A offenbart eine Vorrichtung zur Bestimmung der Viskosität einer Flüssigkeit mittels eines an einer Waage aufgehängten Verdrängungskörpers, welcher bei seiner Aufwärtsbewegung in einem zylindrischen Gefäß befindliche zu untersuchende Flüssigkeit durch einen ringförmigen Spalt verdrängt.
Die DE 10 2004 015 707 A1 offenbart ein Rheometer zum Messen einer rheologischen Kenngröße eines Mediums mit nicht-Newtonschen Eigenschaften. Das Rheometer weist einen kugelförmigen Fallkörper, einen Messbehälter zum Aufnehmen des Medium, einen Führungsmechanismus und ein Haltebauteil zum Halten des kugelförmigen Fallkörpers auf. Der kugelförmige Fallkörper wird bei einer Fallbewegung in dem Medium im Messbehälter geführt. An dem Führungsmechanismus sind Montagemittel zum Montieren eines Zusatzgewichtes zur Erhöhung der bei der Fallbewegung des kugelförmigen Fallkörpers in dem Medium wirkenden Gewichtskraft gebildet.
Methoden zur Bestimmung einer Viskosität umfassen unter anderem Verfahren zum Bestimmen einer Dielektrizitätskonstanten, Ultraschallmethoden oder einfache computerimplementierte Berechnungsverfahren, die basierend auf eine Einsatzzeit, verwendeten Motorparametern, gemessenen Temperaturen und ähnlichen Werten beispielsweise den Verschleiß eines Motoröls bestimmen. Im Unterschied zu solchen indirekten Methoden soll durch die vorliegende Anmeldung eine möglichst einfache Anordnung beschrieben werden, durch die eine direkte Bestimmung einer Kenngröße eines Fluids ermöglicht wird. Darüber hinaus soll eine Sensorvorrichtung zur Verwendung in einer solchen Anordnung angegeben werden.
Die oben genannte Aufgabe wird durch eine Anordnung zum Bestimmen einer Kenngröße eines Fluids gelöst, die folgende Elemente aufweist:

– ein beweglich aufgehängtes Messelement mit bekannter Geometrie, das von einem ersten zu einem zweiten Messpunkt innerhalb des Fluids bewegbar ist,
– ein Rückhalteelement, durch das das Messelement an dem ersten Messpunkt festhaltbar ist,
– ein Vorschubelement, durch dass das Messelement in Richtung des zweiten Messpunktes mit einer vorbestimmten Kraft aktiv beschleunigbar ist, und
– eine Steuervorrichtung, die dazu eingerichtet ist, das Rückhalteelement und/oder das Vorschubelement anzusteuern, um das Messelement zwischen dem ersten Messpunkt und dem zweiten Messpunkt zu bewegen, eine Zeitdauer zu ermitteln, die das Messelement benötigt, um zwischen dem ersten Messpunkt und dem zweiten Messpunkt bewegt zu werden, und basierend auf der bestimmten Zeitdauer, der vorbestimmten Kraft und der bekannten Geometrie eine Kenngröße des Fluids zu bestimmen.

Durch die Bestimmung einer Zeitdauer, die ein beweglich aufgehängtes Messelement benötigt, um unter Einwirkung einer vorbestimmten Kraft eines Vorschubelementes einen vorbestimmten Weg durch das Fluid zurückzulegen, kann die Steuervorrichtung in einfacher Weise eine Kenngröße des Fluids ermitteln.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Rückhalteelement dazu eingerichtet, das Messelement in Richtung des ersten Messpunktes zu beschleunigen. Durch die Beschleunigung des Messelementes in Richtung auf den ersten Messpunkt kann die Messung beliebig oft wiederholt werden, in dem das Messelement zu dem Ausgangspunkt, dem ersten Messpunkt, zurückbewegt wird.
Gemäß weiteren Ausgestaltungen der Erfindung umfassen das Rückhalteelemente oder das Vorschubelement ein Federelement oder ein elastisches Haltelement, das dazu geeignet ist, das Messelement in Richtung des ersten beziehungsweise zweiten Messpunktes zu beschleunigen. Die Verwendung eines Federelementes ermöglicht eine einfache, weitgehend gleich bleibende Beschleunigung in Richtung der Federspannung.
Gemäß weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen umfasst das Messelement ein magnetisches oder paramagnetisches Material und das Rückholelement und/oder das Vorschubelement eine Spule zum Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes, wobei das elektromagnetische Feld dazu geeignet ist, das Messelement in Richtung des ersten beziehungsweise zweiten Messpunktes zu beschleunigen. Durch Verwendung einer Spule zum Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes kann eine vorbestimmte Anziehungs- oder Abstoßungskraft in Richtung des ersten oder zweiten Messelementes ausgeübt werden.
Gemäß weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen weist die Anordnung einen ersten oder einen zweiten Sensor auf, der dazu eingerichtet ist, ein erstes beziehungsweise ein zweites Signal auszugeben, wenn sich das Messelement an dem ersten beziehungsweise dem zweiten Messpunkt befindet. Durch Verwendung eines ersten beziehungsweise zweiten Sensors, kann der Zeitpunkt des Verlassens beziehungsweise Erreichens des ersten beziehungsweise zweiten Messpunktes einfach bestimmt werden.
Gemäß weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen umfasst die Anordnung einen ersten oder einen zweiten Sensor, wobei der erste beziehungsweise der zweite Sensor als Schaltkontakte ausgebildet sind, die beim Verlassen des ersten beziehungsweise beim Erreichen des zweiten Messpunktes einen Stromkreis schließen oder öffnen. Durch das Öffnen beziehungsweise Schließen eines Stromkreises beim Verlassen des ersten beziehungsweise Erreichen zweiten Messpunktes kann die Steuervorrichtung auf einfache Weise die Zeitdauer ermitteln, die das Messelement benötigt, um von dem ersten zu dem zweiten Messpunkt zu gelangen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die vorbestimmte Kraft und die Geometrie des Messelementes derart dimensioniert, dass das Messelement mit einer Geschwindigkeit von dem ersten Messpunkt zu dem zweiten Messpunkt bewegbar ist, bei der sich eine laminare Strömung in dem Fluid ausbildet. Bei Ausbildung einer laminaren Strömung in dem Fluid ist eine besonders einfache und genaue Messung und Berechnung der Kenngröße möglich.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung verläuft die Bewegung des Messelementes von dem ersten zu dem zweiten Messpunkt im Wesentlichen in einer horizontalen Ebene. Dadurch, dass das Messelement sich in einer horizontalen Ebene, also senkrecht zur Schwerkraft, bewegt, wird die beschriebene Anordnung unabhängig von der auf sie einwirkenden Schwerkraft.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Messelement an einem in einer Raumrichtung beweglichen Schwingarm aufgehängt. Durch die Aufhängung an einem Schwingarm kann eine Führung des Messelementes entlang einer Messstrecke sichergestellt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Messelement biegsam ausgestaltet und in einem Fixpunkt fest eingespannt ist. Durch Verwendung eines biegsamen Messelementes kann auf die Verwendung eines mechanischen Lagers verzichtet werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Anordnung ein Sensorelement zur Bestimmung der Durchbiegung des biegsamen Messelements umfasst. Mittels der Bestimmung der Durchbiegung kann auf die Position des Messelementes geschlossen werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Steuervorrichtung dazu eingerichtet ist, das Rückhalteelement und/oder das Vorschubelement derart anzusteuern, um das Messelement aus einer Ruheposition in eine ausgelenkte Position und zurück in die Ruheposition zu bewegen. Durch Auslenkung des Messelementes aus einer Ruheposition kann eine einfache, wiederholbare Messung durchgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung fallen der erste Messpunkt und/oder der zweite Messpunkt räumlich mit der Ruheposition zusammenfallen. Durch die zweifache Verwendung der Ruheposition als Messpunkt kann auf die Verwendung zusätzlicher Messpunkte verzichtet werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Anordnung einen Temperatursensor zur Bestimmung der Temperatur des Fluids. Durch Bestimmung der Temperatur des Fluids kann ein Temperaturausgleich bei der Bestimmung der Kenngröße durchgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Anordnung einen Beschleunigungssensor zur Bestimmung der Beschleunigung der Anordnung in einer horizontalen Ebene. Durch Bestimmung der Beschleunigung der Anordnung kann ein Ausgleich für während der Messung auftretende externe Beschleunigungskräfte durchgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die bestimmte Kenngröße des Fluids mindestens einen der folgenden Parameter: eine Viskosität, ein Strömungsgeschwindigkeit, einen Verschmutzungsgrad, einen Alterungsgrad, eine Schmierfähigkeit oder ein Mischungsverhältnis. Durch Bestimmung einer oder mehrerer der oben genannten Parameter kann ein Fluid besser charakterisiert werden.
Die zugrunde liegende Aufgabe wird ebenso gelöst durch eine Sensorvorrichtung zur Verwendung in einer derartigen Anordnung gemäß dem Patentanspruch 19.
Die beschriebene Anordnung eignet sich insbesondere zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise einem Straßen- oder Schienenfahrzeug, einem Flugzeug oder einem Schiff, gemäß einem der Ansprüche 20 oder 21.
Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung der wirkenden Kräfte in einer horizontalen Anordnung,
2 eine Anordnung zum Bestimmen einer Kenngröße eines Fluids gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung,
3 eine Anordnung zum Bestimmen einer Kenngröße eines Fluids gemäß einer weiteren Ausgestaltung,
4 eine Anordnung zum Bestimmen einer Kenngröße eines Fluids gemäß einer weiteren Ausgestaltung,
5 eine Anordnung zum Bestimmen einer Kenngröße eines Fluids gemäß einer weiteren Ausgestaltung und
6 eine schematische Darstellung eines Kugelviskosimeters gemäß dem Stand der Technik.
Zunächst wird die Bestimmung einer Kenngröße eines Fluids, hier deren Viskosität, anhand einer bekannten Anordnung erläutert. Hierzu zeigt 6 den schematischen Aufbau eines Kugel- oder Fallkörperviskosimeters, bei dem ein Fallkörper 1 in der Regel eine Kugel mit bekanntem Radius r durch eine Flüssigkeitssäule 2, deren Viskosität bestimmt werden soll, zu Boden fällt.
Auf den Fallkörper 1 wirken im Wesentlichen drei Kräfte ein, die in der 6 durch Pfeile angedeutet sind. Aufgrund der Gravitation wird der Fallkörper 1 nach unten beschleunigt. Diese Kraft ist in der 6 mit dem Zeichen F_G bezeichnet. In die entgegengesetzte Richtung, also nach oben, wirken die Auftriebskraft F_A sowie die Reibungskraft F_R auf den Fallkörper 1 ein. Die Auftriebskraft F_A wird durch das Volumen und die Dichte des Fallkörpers 1 sowie die Dichte der Flüssigkeit bestimmt und ist daher konstant. Die Reibungskraft F_R hängt dagegen von der Geschwindigkeit v ab, mit der der Fallkörper 1 sich durch die Flüssigkeitssäule 2 bewegt und nimmt im Allgemeinen mit ansteigender Geschwindigkeit v zu.
Ausgehend von einer Ruhelage oder einer Anfangsgeschwindigkeit v₀ wird der Fallkörper 1 zunächst so lange durch die Gravitationskraft F_G beschleunigt, bis sich ein Kräftegleichgewicht zwischen der Gravitationskraft F_G auf der einen und der Auftriebskraft F_A und der Reibungskraft F_R auf der anderen Seite einsetzt. Somit sinkt der Fallkörper 1 nach Einstellung dieses Gleichgewichts mit konstanter Geschwindigkeit v zu Boden, wobei ausgehend von dem Stoke'schen Reibungsgesetz mittelbar die dynamische Viskosität η der Flüssigkeitssäule 2 bestimmt werden kann.
Nachteilig an dem beschriebenen Fallkörperviskosimeter ist insbesondere deren verhältnismäßig aufwändiger Aufbau, der sich nicht für eine vollautomatische Messung in einem geschlossenen Ölkreislauf, beispielsweise dem einer Brennkraftmaschine, einsetzen lässt. Darüber hinaus ist die Bestimmung der Viskosität im Allgemeinen erst nach Einsetzen der Gleichgewichtsbedingung möglich. Zudem Überlagern die Einwirkungen von Stößen, beispielsweise aufgrund von Straßenunebenheiten, die auf den Fallkörper einwirkende Gravitationskraft F_G und verfälschen somit das Messergebnis.
1 zeigt eine horizontale Anordnung zum Bestimmen einer Kenngröße, insbesondere einer Viskosität, gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung. Gemäß der Anordnung der 1 ist ein Messelement 3 beweglich in einem Fluid 4 angeordnet. Bei dem Messelement 3 kann es sich beispielsweise wiederum um eine Kugel oder um einen anderen Körper bekannter Geometrie handeln. Bei dem Fluid kann es sich beispielsweise um einen Kraftstoff wie Benzin oder Dieselkraftstoff, ein Gemisch verschiedener Kraftstoffarten wie beispielsweise dem Kraftstoffgemisch E50 mit 50 Prozent Ethanol und 50 Prozent Benzin, oder Biodiesel, also einem Raps-Methyl-Ester-Gemisch (RME) handeln. Auch andere Flüssigkeiten, wie beispielsweise Motoröle unterschiedlicher Viskositäten und Bremsflüssigkeiten können als Fluid 4 dienen. Auch Kenngrößen von Gasen können bestimmt werden, wobei in diesem Fall aufgrund der sehr viel geringeren Dichte des Fluids ein besonders großes Messelement 3 oder ein kleine Beschleunigungskräfte eingesetzt werden sollte.
Die Bewegung des Messelementes 3 ist in der in der 1 dargestellten Anordnung auf eine im Wesentlichen horizontale Ebene begrenzt. Somit ist ein Einfluss der Gravitationskraft F_G auf die Bewegung des Messelementes 3 ausgeschlossen. Auf das Messelement 3 wirken somit nur die Reibungskraft F_R und eine entgegengesetzte Vorschubskraft F_V ein, wie dies in der 1 dargestellt ist. Bei der Vorschubskraft F_V kann es sich beispielsweise um die Kraft einer gespannten Feder oder die eines Elektromagneten handeln, die auf das Messelement 3 einwirkt. Aufgrund der Beschleunigung durch die Vorschubskraft F_V wird das Messelement 3 in der 1 nach rechts beschleunigt. Dabei nimmt die Geschwindigkeit v des Messelementes 3 mit der Zeit zu.
Im Falle, dass sich durch die Bewegung der Kugel eine laminare Strömung ausbildet, das heißt, dass in dem Fluid mit der dynamischen Viskosität η keine Verwirbelungen auftreten, wird die Reibungskraft F_R durch das Gesetz von Stokes bestimmt, wobei für eine Kugel mit dem Radius r und der Geschwindigkeit v das Folgende gilt: F_R = 6·π·η·r·v
Bei Verwendung einer Feder zum Beschleunigen des Messelementes 3 gilt für die Vorschubskraft F_V: F_V = D·Δl wobei Δl die Auslenkung des Messelementes 3 beziehungsweise die Ausdehnung der Feder und D für die Federkonstante steht.
Im Kräftegleichgewicht (F_V = F_R) gilt somit D·Δl = 6·π·η·r·v → η = D·Δl / 6·π·η·r·v
Für den zurückgelegten Weg gilt bei zunehmende Geschwindigkeit im Sonderfall v₀ = 0, das heißt aus der Ruhelage des Messkörpers 3 hinaus: Δl = 1 / 2·v·t → v = 2·Δl / t
Für eine konstante Geschwindigkeit v, also im Gleichgewichtsfall, gilt: v = Δl / t
Eingesetzt in die Viskositätsgleichung ergibt sich: η = D·t / 12·π·r beziehungsweise η = D·t / 6·π·r
In der Praxis handelt es sich je nach Viskosität des Fluids sowie der Anordnung des Sensors um den einen oder anderen Fall oder eine Kombination beider Fälle. Bevorzugt sollte die Proportionalitätskonstante daher für den beabsichtigten Messbereich bestimmt und zur Eichung der Sensoranordnung verwendet werden.
Somit ergibt sich im laminaren Fall folgende Abhängigkeit: η ~ t
Im turbulenten Fall, das heißt bei der Ausbildung von Verwirbelungen in dem Fluid 4, muss an Stelle der Stoke'schen Reibung, die Newtonsche Reibung verwendet werden: F_R = 1 / 2·ρ·A·v²·c_w
Dabei steht ρ für die Massendichte des Fluids. Der Strömungswiderstandskoeffizienten c_w liegt zwischen 0,055 für eine Stromlinienform und 1,3 bei einer besonders ungünstigen Geometrie. Eine Kugel als Messelement 3 besitzt einen Strömungswiderstandskoeffizienten c_w von 1,0.
Für die projizierte Fläche A einer Kugel mit Radius r gilt: A = r²·π
Somit ergibt sich im Kräftegleichgewicht (F_V = F_R):
Für die kinematische Viskosität u_kin gilt: u_kin = η / ρ → η = ρ·u_kin wobei η für die dynamische Viskosität oder einfach Viskosität steht. Unter Verwendung der obigen Viskositätsgleichung ergibt sich:
Somit ergibt sich im turbulenten Fall folgende Abhängigkeit: η ~ t²·u_kin
Zur Unterscheidung zwischen laminarem und turbulenten Fall kann beispielsweise die Reynoldszahl Re einer gegebenen Anordnung bestimmt werden, wobei sich oberhalb eines Grenzwertes Re_krit eine turbulente Strömung und unterhalb dieses Grenzwertes Re_krit eine laminare Strömung ausbildet. Für ein kugelförmiges Messelement 3 beträgt Re_krit = 2. Aufgrund der einfacheren Zusammenhänge bietet sich im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik insbesondere der laminare Fall an.
Die oben angeführten Formeln sind abhängig von den geometrischen Gegebenheiten des Messelementes 3. Bei der Verwendung eines nicht kugelförmigen Messelementes 3 müssen die zugrunde gelegten Bedingungen entsprechend angepasst werden. An Stelle einer analytischen Bestimmung der Zusammenhänge kann, insbesondere bei unregelmäßig gestalteten Messelementen, auch ein Eichverfahren zum Bestimmen von Referenzwerten verwendet werden.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine Anordnung gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.
Ein Messelement 3, das über einem Schwingarm 5 an einer Achse 6 beziehungsweise in einem Lager derart aufgehängt ist, dass es im Wesentlichen nur auf einem Kreissegment innerhalb einer Ebene beweglich ist, wird durch Einwirken einer Vorschubkraft F_V in Richtung des Pfeiles 7 beschleunigt. Dabei kann die Vorschubskraft F_V beispielsweise durch eine Feder oder durch eine bestromte Spule ausgeübt werden, die eine magnetische oder paramagnetische Komponente des Messelementes 3 oder des Schwingarms 5 anzieht. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Messelement 3 durch ein Federelement 15 von einem ersten Messpunkt 8 zu einem zweiten Messpunkt 9 bewegt, die in einem vorbestimmten Abstand d voneinander angeordnet sind.
Am ersten Messpunkt 8 schließt das Messelement 3 einen ersten Kontakt 10, der beim Verlassen des Messelementes 3 geöffnet wird. Der zweite Messpunkt 9 bildet einen zweiten Kontakt 11, der beim Erreichen des Messelementes 3 an dem zweiten Messpunkt 9 geschlossen wird. An den ersten Kontakt 10 und dem zweiten Kontakt 11 ist eine Zeitmessvorrichtung 12 angeschlossen, die die Zeit zwischen Öffnen des ersten Kontaktes 10 und Schließen des zweiten Kontaktes 11 bestimmt. Ausgehend von der Bestimmung dieser Zeitdauer kann gemäß obiger Herleitung unter anderem die dynamische Viskosität η des Fluids 4 bestimmt werden.
Des Weiteren umfasst die Anordnung gemäß 2 ein Rückhalteelement, im Ausführungsbeispiel eine Spule 13. Die Spule 13 ist an eine Steuervorrichtung 14 angeschlossen, die mit der Zeitmessvorrichtung 12 verbunden ist oder diese umfasst. Durch die Steuervorrichtung 14 kann die Spule 13, die das Messelement 3 an dem ersten Messpunkt festhält, jederzeit abgeschaltet werden. Nach Abschalten der Spule 13 wird das Messelement 3 in Richtung des Pfeiles 7 durch die Vorschubskraft F_V in Richtung des zweiten Messpunktes 2 beschleunigt. Gleichzeitig wird der erste Kontakt 10 unterbrochen.
Anstelle eines Signals des ersten Kontakts 10 kann die Steuervorrichtung 14 auch ein Signal an die Zeitmessvorrichtung 13 übertragen, um den Beginn einer Messung zu kennzeichnen. Auf den ersten Kontakt 10 kann in einer derartigen Ausgestaltung verzichtet werden. Wird anstelle des Federelementes 15 eine zweite Spule zur Beschleunigung des Messelementes 3 aus einer Ruhelage verwendet, kann die Startzeit der Messung auch durch den Zeitpunkt der Bestromung der Spule bestimmt werden.
Anstelle von Kontakte können selbstverständlich auch Lichtschranken oder andere Sensoren zur Erkennung der Position des Messelementes 3 eingesetzt werden. Dabei ist es unerheblich, ob durch den oder die Sensoren ein Schaltkreis geöffnet geschlossen oder in sonstiger Weise verändert wird, um die Position des Messelementes 3 zu signalisieren.
Im in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Spule 13 außerdem dazu verwendet, das Messelement 3 nach erfolgter Messung zurück zum ersten Messpunkt 8 zu befördern. Dazu muss die von der Spule 13 ausgeübte Kraft die Federkraft des Federelementes 15 übersteigen.
Alternativ ist auch eine Ausgestaltung mit zwei Spulen 13 möglich, bei der sowohl in Vorschubs- als auch in Rückholrichtung die elektromagnetische Anziehungskraft zum Bescheinigen des Messelementes 3 verwendet wird. Ist die Anordnung inklusiv der Spulen 13 symmetrisch ausgestaltet, kann eine Messung sowohl in erster als auch zweiter Richtung erfolgen, wobei die Funktion von Vorschub- und Rückhalteelement sowie erstem und zweitem Messpunkt zwischen zwei aufeinander folgenden Messungen jeweils vertauscht werden.
Zur technischen Umsetzung der Anordnung gemäß der 2 oder 3 bietet sich insbesondere die Verwendung eines gegebenenfalls modifizierten Relais an, dessen Schaltkontakte zumindest teilweise in das zu messende Fluid 4 eintauchen. Dabei stellt ein Relais insbesondere erste und zweite Kontakte 10 beziehungsweise 11 für die Zeitmessung zur Verfügung. Des Weiteren kann der Kontaktarm eines Relais als Schwingarm 5 eingesetzt werden. Federelemente 15 beziehungsweise Spulen 13 eines Relais dienen als Vorschubselemente beziehungsweise Rückhalteelement oder umgekehrt. Somit muss ein Relais nur noch um eine geeignete Steuervorrichtung, die zum Einen die Spulen 13 des Relais in geeigneter Weise ansteuert, um die Messung durchzuführen, und die zum Anderen die Zeit erfasst, die das Messelement 3 für seinem Weg von dem ersten Messpunkt 8 zu dem zweiten Messpunkt 9 benötigt, misst.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Steuervorrichtung 14 dazu eingerichtet, ausgehend von der gemessenen Zeitdauer sowie der bekannten Geometrie des Messelementes 3 und des Abstand d eine Kenngröße des Fluids 4, insbesondere deren dynamische Viskosität η, zu bestimmen. Hierzu eignet sich beispielsweise ein in die Steuervorrichtung 14 eingebauter Mikroprozessor, der beispielsweise aufgrund von bekannten Eichpunkten die aktuell gemessene dynamische Viskosität η zu bestimmen vermag. Alternativ kann diese Bestimmung auch durch eine andere Komponente, beispielsweise einen Bordcomputer eines Kraftfahrzeuges vorgenommen werden.
Um einem Verschleiß insbesondere der elektrischen Kontakte, also dem ersten Kontakt 10 und dem zweiten Kontakt 11, entgegenzuwirken, ist es zudem möglich, die Anordnung in regelmäßigen zeitlichen Abständen automatisch zu reinigen. Beispielsweise ist es möglich, durch Anlegen einer Wechselspannung zwischen einzelnen Messungen die Kontakte 10 oder 11 ”freizubrennen”. Gleichzeitig werden Schmutzpartikel oder sonstige Verunreinigungen von dem Federelement 15 oder dem Messelement 3 entfernt. Ein solches Freibrennen eignet sich insbesondere bei Verwendung der Anordnung in Verbindung mit besonders schweren Ölen oder sonstigen Flüssigkeiten mit verhältnismäßig hoher Beimischung von Fremdstoffen.
3 zeigt eine zweite Ausgestaltung einer Anordnung zum Bestimmen einer Kenngröße eines Fluids 4. Auch die Anordnung gemäß 3 umfasst ein Messelement 3, das in einer Ruheposition 19 mit einem elektrischen ersten Kontakt 10 in Verbindung steht. Über eine Spule 13 kann das Messelement 3, das beispielsweise einen Permanentmagneten umfasst, in Richtung des Pfeils 7 abgestoßen werden, sodass es die Ruheposition 19 verlässt. Die Spule 13 wird über eine Steuervorrichtung 14, die mit einer Zeitmessvorrichtung 12 verbunden ist, angesteuert.
Anders als in der Ausgestaltung gemäß 2 ist das Messelement 3 mittels eines elastischen Halteelementes 16 in einem Fixpunkt 17 fest eingespannt, wobei das das Haltelement 16 gegenüber dem ersten Kontakt 10 vorgespannt ist. Somit übt das elastische Halteelement 16 eine Kraft auf das Messelement 3 aus, die das Messelement 3 in Richtung der Ruheposition 19 zurücktreibt.
Zur Bestimmung der Kenngröße des Fluids 4 wird das Messelement 3 der Anordnung gemäß 3 zunächst durch die Spule 13 aus der Ruheposition 19 weggestoßen, sodass das Messelement 3 eine ausgelenkte Position 20 einnimmt, die in der 3 gestrichelt dargestellt ist. Nach einer vorbestimmten Zeit wird die Spule 13 durch die Steuervorrichtung 14 abgeschaltet, sodass das Messelement 3 in seine ursprüngliche Ruheposition 19 zum ersten Messpunkt 8 zurückkehrt und den ersten Kontakt 10 schließt.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung wird die Spule 13 nur für eine sehr kurze Zeitdauer aktiviert, sodass sich bei der Beschleunigung des Messelementes 3 aus der Ruheposition 19 um einen Kraftstoß handelt und die durch die Zeitmessvorrichtung 12 bestimmte Zeitdauer die Zeit für den Weg des Messelementes 3 aus der Ruheposition 19 in die ausgelenkte Position 20 und zurück zur Ruheposition 19 umfasst. Dabei entspricht die Zeitdauer des einzelnen Weges der Hälfte der gemessenen Gesamtzeit. In diesem Ausführungsbeispiel dient die Ruheposition 19 sowohl als erster Messpunkt 8 als auch als zweiter Messpunkt 9.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung bleibt die Spule 13 solange aktiviert, bis das Messelement 3 sich sicher in einem Gleichgewichtszustand in der ausgelenkten Position 20 befindet, an dem sich die Abstoßungskraft der Spule 13 und die Rückstellkraft des elastischen Halteelementes 16 aufheben. Die Zeitmessvorrichtung 12 beginnt die Zeitmessung mit Deaktivieren der Spule 13, und misst somit die Zeitdauer, die das Messelement 3 aus der ausgelenkten Position 20 zurück zur Ruheposition 19 benötigt. Hierbei dient also die ausgelenkte Position 20 als erster Messpunkt 8, während die Ruheposition 19 als zweiter Messpunkt 9 dient.
4 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung. Die Anordnung gemäß 4 umfasst wiederum eine Zeitmessvorrichtung 12 mit einer Steuervorrichtung 14, an die eine Spule 13 angeschlossen ist. Die Zeitmessvorrichtung 12 ist mit einem ersten Kontakt 10 verbunden, der geschlossen ist, wenn sich ein Messelement 3 in einer Ruheposition 19 befindet. Das Messelement 8 ist an einem Schwingarm 5 befestigt, der in einer Achse 6 beweglich gelagert ist.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 handelt es sich bei dem Messelement 3 um ein magnetisches Messelement mit einem Nordpol N und einem Südpol S. Somit kann das Messelement 3 mittels der Spule 13 sowohl abgestoßen als auch angezogen werden. Zur Änderung der Richtung der Kraft zwischen der Spule 13 und dem Messelement 3 muss lediglich der Strom durch die Spule 13 mittels der Steuervorrichtung 14 umgepolt werden.
Zur Bestimmung der Kenngröße des Fluids 4 wird das Messelement 3 durch die Spule 13 zunächst abgestoßen, sodass es sich in Richtung des Pfeils 7 in eine ausgelenkte Position 20 bewegt. Nach Einstellen eines Gleichgewichtes wird die Spule 13 umgepolt, und die Zeitmessung durch die Zeitmessvorrichtung 12 beginnt. Ab diesem Zeitpunkt zieht die Spule 13 das Messelement 3 in Richtung der Ruheposition 20 an. Ausgehend von der Zeitdauer, die das Messelement 3 von der ausgelenkten Position 20 zurück zur Ruheposition 19 benötigt, kann beispielsweise die dynamische Viskosität η des Fluids 4 wie oben beschrieben bestimmt werden.
5 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Anordnung zum Bestimmen einer Kenngröße eines Fluids 4. Gemäß der 5 ist eine Zeitmessvorrichtung 12 mit zwei Steuervorrichtungen 14a und 14b verbunden. Die Steuervorrichtungen 14a und 14b sind mit jeweils einer Spule 13a beziehungsweise 13b verbunden. Zwischen den beiden Spulen 13a und 13b ist ein Messelement 3, im Ausführungsbeispiel ein biegsamer Metallstreifen, in einem Fixpunkt 17 eingespannt.
Des Weiteren ist auf dem Messelement 3 ein Sensorelement 18 angeordnet, das mit der Zeitmessvorrichtung 12 verbunden ist und eine Durchbiegung des Messelementes 3 erfasst. Bei dem Sensorelement 18 kann beispielsweise ein dünnes piezoelektrisches Material umfassen, dessen Spannung vom Grad der Durchbiegung des Metallstreifens abhängt. Alternativ kann auch ein so genannter Dehnungsmessstreifen Verwendung finden, dessen elektrischer Widerstand von der Durchbiegung des Messelementes 3 abhängt.
Durch abwechselndes Einschalten der Spulen 13a und 13b mittels der Steuervorrichtungen 14a beziehungsweise 14b wird das Messelement 3 in eine mechanische Schwingung zwischen einem ersten Messpunkt 8 und einem zweiten Messpunkt 9 versetzt. Anhand der von dem Sensorelement 18 empfangenen Sensordaten kann die Zeitmessvorrichtung 12 erfassen, an welchem Ort sich das Messelement 3 zu jedem Zeitpunkt befindet. Ausgehend von dieser Information kann die Zeitmessvorrichtung 12 außerdem den Abstand d und die Periodendauer der Schwingung des Messelementes 3 bestimmen. Auf Grundlage des Abstandes d und der Zeitdauer der Bewegung des Messelementes 3 von dem ersten Messpunkt 8 zu dem zweiten Messpunkt 9 kann beispielsweise die dynamische Viskosität η des Fluids 4 wie oben beschrieben bestimmt werden.
Ist die dynamische Viskosität η des Fluids 4 bekannt, kann mit einer oben beschriebenen Anordnungen auch die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb einer von dem Fluid 4 durchströmten Leitung bestimmt werden. Beispielsweise kann eine Verlängerung beziehungsweise eine Verkürzung der Zeit bestimmt werden, die das Messelementes 3 für seine Bewegung im Vergleich zu einem in einem ruhenden Fluid 4 ermittelten Referenzwert benötigt, um vom ersten Messpunkt 8 zum zweiten Messpunkt 9 zu gelangen.
Sowohl bei der Viskositätsmessung als auch bei der Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit ist es gegebenenfalls von Vorteil, eine Temperaturkompensation durchzuführen. Gerade bei Schmierstoffen ist die Viskosität stark temperaturabhängig. Um eine temperaturunabhängige Bestimmung von Betriebsparametern wie beispielsweise dem Verschmutzungs- oder Alterungsgrad eines Öls durchzuführen, sollte die gemessene dynamische Viskosität η des Fluids 4 daher anhand einer vorbestimmten Kennlinie normalisiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die Anordnung daher einen Temperatursensor auf, der die Temperatur des Fluids 4 im Bereich des Messelementes 3 bestimmt. Gemäß einer Ausgestaltung ist der Temperatursensor mit der Steuervorrichtung 14 verbunden. Alternativ kann eine Temperaturkompensation auch ohne Verwendung eines zusätzlichen Temperatursensors in der Anordnung durchgeführt werden. Beispielsweise können hierzu Sensordaten, die an anderer Stelle eines Ölkreislaufes erfasst werden über eine Kommunikationsvorrichtung eines Kraftfahrzeuges, beispielsweise einen so genannten CAN-Bus, bereitgestellt werden. Die Korrektur kann dann über die Steuervorrichtung 14 oder einen hiervon verschiedenen Mikrokontroller, beispielsweise eines Bordcomputers, durchgeführt werden.
Eine horizontale Anordnung zum Bestimmen einer Kenngröße eines Fluids 4 hat die Besonderheit, gegen Unebenheiten der Straße resistent zu sein. Bei starken Quer- oder Längsbeschleunigungen wirken dennoch Beschleunigungskräfte auf die Anordnung. In einer bevorzugten Ausgestaltung werden diese zusätzlich auftretenden Kräfte durch eine Erfassung und Berücksichtung von Referenzwerten kompensiert. Beispielsweise kann die Anordnung hierzu mit zusätzlichen Beschleunigungssensoren ausgestattet werden, die eine Beschleunigung in Richt der Bewegungsrichtung des Schwingarms 5 ermitteln. Alternativ oder zusätzlich können auch mehrere Messwerte über einen Zeitraum hinweg integriert werden, um einen statistischen Mittelwert der Kenngröße zu bestimmen. In diesem Fall oder bei verhältnismäßig geringen Querbeschleunigungen kann auf eine Kompensation verzichtet werden.

Claims

Anordnung zum Bestimmen einer Kenngröße eines Fluids (4), aufweisend – ein beweglich aufgehängtes Messelement (3) mit bekannter Geometrie, das von einem ersten Messpunkt (8) zu einem zweiten Messpunkt (9) innerhalb des Fluids (4) bewegbar ist, – ein Rückhalteelement, durch das das Messelement (3) an dem ersten Messpunkt (8) festhaltbar ist, – ein Vorschubelement, durch das das Messelement (3) in Richtung des zweiten Messpunktes (9) mit einer vorbestimmten Kraft (F_V) aktiv beschleunigbar ist, und – eine Steuervorrichtung (14), die dazu eingerichtet ist, das Rückhalteelement und/oder das Vorschubelement anzusteuern, um das Messelement (3) zwischen dem ersten Messpunkt (8) und dem zweiten Messpunkt (9) zu bewegen, eine Zeitdauer zu ermitteln, die das Messelement (3) benötigt, um zwischen dem ersten Messpunkt (8) und dem zweiten Messpunkt (9) bewegt zu werden, und basierend auf der bestimmten Zeitdauer, der vorbestimmten Kraft (F_V) und der bekannten Geometrie eine Kenngröße des Fluids (4) zu bestimmen dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Messelementes (3) von dem ersten Messpunkt (8) zu dem zweiten Messpunkt (9) im Wesentlichen in einer horizontalen Ebene verläuft.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückhalteelement dazu eingerichtet ist, das Messelement (3) in Richtung des ersten Messpunktes (8) zu beschleunigen.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückhalteelement oder das Vorschubelement ein Federelement (15) oder ein elastisches Haltelement (16) umfassen, das dazu geeignet ist, das Messelement (3) in Richtung des ersten Messpunktes (8) oder des zweiten Messpunktes (9) zu beschleunigen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (3) ein magnetisches oder paramagnetisches Material umfasst und das Rückholelement und/oder das Vorschubelement eine Spule (13) zum Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes umfasst, das dazu geeignet ist, das Messelement (3) in Richtung des ersten Messpunktes (8) oder des zweiten Messpunktes (9) zu beschleunigen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung einen ersten Sensor aufweist, der dazu eingerichtet ist, ein erstes Signal auszugeben, wenn sich das Messelement (3) an dem ersten Messpunkt (8) befindet.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung einen zweiten Sensor aufweist, der dazu eingerichtet ist, ein zweites Signal auszugeben, wenn sich das Messelement (3) an dem zweiten Messpunkt (9) befindet.
Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder der zweite Sensor als Schaltkontakte (10, 11) ausgebildet sind, wobei beim Verlassen des ersten Messpunktes (8) oder beim Erreichen des zweiten Messpunktes (9) ein Stromkreis geschlossen oder geöffnet wird.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Sensor als Schaltkontakte (10, 11) eines Relais ausgebildet sind, das zumindest teilweise in dem Fluid (4) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Kraft (F) und die Geometrie des Messelementes (3) derart dimensioniert sind, dass das Messelement (3) mit einer Geschwindigkeit (v) von dem ersten Messpunkt (8) zu dem zweiten Messpunkt (9) bewegbar ist, bei der sich eine laminare Strömung in dem Fluid (4) ausbildet.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (3) an einem in einer Raumrichtung beweglichen Schwingarm (5) aufgehängt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (3) biegsam ausgestaltet und in einem Fixpunkt (17) fest eingespannt ist.
Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung ein Sensorelement (18) zur Bestimmung der Durchbiegung des biegsamen Messelements (3) umfasst.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (14) dazu eingerichtet ist, das Rückhalteelement und/oder das Vorschubelement derart anzusteuern, um das Messelement (3) aus einer Ruheposition (19) in eine ausgelenkte Position (20) und zurück in die Ruheposition (19) zu bewegen.
Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Messpunkt (8) und/oder der zweite Messpunkt (9) räumlich mit der Ruheposition (19) zusammenfallen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung einen Temperatursensor zur Bestimmung der Temperatur des Fluids (4) umfasst.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung einen Beschleunigungssensor zur Bestimmung der Beschleunigung der Anordnung in einer horizontalen Ebene umfasst.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmte Kenngröße des Fluids (4) wenigstens einen der folgenden Parameter umfasst: eine Viskosität (η), eine Strömungsgeschwindigkeit, einen Verschmutzungsgrad, einen Alterungsgrad, eine Schmierfähigkeit oder ein Mischungsverhältnis.
Sensorvorrichtung zur Verwendung in einer Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, aufweisend – ein beweglich aufgehängtes Messelement (3) mit bekannter Geometrie, das von einem ersten Messpunkt (8) zu einem zweiten Messpunkt (9) bewegbar ist, – ein Rückhalteelement, durch das das Messelement (3) an dem ersten Messpunkt (8) festhaltbar ist, – ein Vorschubelement, durch das das Messelement (3) in Richtung des zweiten Messpunktes (9) mit einer vorbestimmten Kraft (F) aktiv beschleunigbar ist, und – wenigstens einen ersten oder zweiten Sensor, der dazu eingerichtet ist, ein erstes oder ein zweites Signal auszugeben, wenn sich das Messelement (3) an dem ersten Messpunkt (8) oder dem zweiten Messpunkt (9) befindet.
Verwendung einer Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17 zum Erkennen eines Zustands wenigstens eines Betriebsmittels eines Kraftfahrzeugs.
Verwendung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsmittel wenigstens eines der folgenden Betriebsmittel umfasst: ein Schmiermittel, insbesondere Motor- oder Getriebeöl; einen Kraftstoff, insbesondere Benzin, Diesel, Ethanol oder Raps-Methyl-Ester; oder ein Übertragungsmittel, insbesondere Bremsflüssigkeit oder Hydrauliköl.