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Sensor für Füllstands-Grenzwert-Kontrolle hochviskoser
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Stoffe.
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Die Erfindung betrifft einen Sensor für Füllstands-C=renzwert-Kontrolle,
wie er im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist.
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In der Technik werden Stoffe mit hoher Viskosität verwendet. Solche
Stoffe können wenigstens zum Teil noch als Flüssigkeiten bezeichnet werden, die
jedoch entsprechend zähflüssig sind. Beispiele für hochviskosen Stoff, für den die
vorliegende Erfindung in Betracht kommt, sind sehr zähflüssiges Öl und Schmierfett,
wie es im Zaschinenbau und insbesondere bei Fahrzeugen als Schmiermittel Verwendung
findet.
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Seit Jahrzehnten ist die sogenannte Zentralschmierung bekannt, d.h.
eine Einrichtung an Maschinen oder Fahrzeugen, die so ausgebildet und so betrieben
wird, daß von einem zentralen Schmiermittel-Behälter das Schmiermittel über entsprechende
Leitungen den einzelnen zu schmierenden Stellen fortlaufend oder intermittierend
zugeführt wird. Man kann solche Anlagen so betreiben, daß sie nur relativ selten
bzw. in großen Zeitabständen überwacht werden müssen. Ein wichtiger Punkt dabei
ist jedoch die Füllstands-Kontrolle des Vorratsbehälters, in dem sich das den einzelnen
Schmierstellen zuzuführende Schmierfett oder (zähflüssige) Schmieröl befindet.
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Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, daß es auch Zentralschmierungen
gibt und gegeben hat, die mit relativ niedrigviskosem öl, wie z.3. irotorenöl, betrieben
wurden.
Eine Füllstandskontrolle für niedrigviskose Stoffe kann in relativ einfacher Weise
mit Hilfe eines Kaltleiters (keramischen PTC-Widerstands) durchgeführt werden. Solche
Füllstandskontrollen sind für Heizöltanks sogar sehr weit verbreitet. Sie arbeiten
nach dem Prinzip der unterschiedlich großen Wärmeableitung eines solchen Kaltleiters,
je nachdem ob dieser noch in die Flüssigkeit eingetaucht ist oder sich bereits außerhalb
der Flüssigkeit befindet. Wichtig ist dabei, daß an dem Kaltleiter keine nennenswerte
Menge der zu überwachenden Flüssigkeit mehr anhaftet, sobald dieser Kaltleiter-Sensor
nicht mehr eingetaucht ist. Für die für die Erfindung in Betracht kommenden hochviskosen
Stoffe bzw. hochviskosen Flüssigkeiten trifft dies nicht zu. Aufgrund der hohen
Viskosität würde (noch) ein so großer Anteil dieses Stoffes am Kaltleiter-Sensor
anhaften, daß dieser nicht in der Lage ist, zwischen nicht mehr eingetauchtem und
eingetauchtem Zustand zu unterscheiden. Dieser voranstehende Hinweis soll auch mit
dazu dienen, den Begriff "hoch"-viskos, wie er für die vorliegende Erfindung relevant
ist, zu definieren oder wenigstens begrifflich klar zu machen. Es sind auch mit
Ultraschall arbeitende Füllstandsmesser für Flüssigkeiten und für Schüttgut bekannt,
die in die Behälterwand eingesetzte-Ultraschall-Wandler haben.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensor für Füllstands-Grenzwert-Kontrolle
für hochviskose Stoffe anzugeben, der in weiten Grenzen unabhängig vom Viskositätsgrad
zuverlässig arbeitet. Insbesondere soll dieser Sensor so ausgebildet sein, daß er
für eine Nachrüstung einer vorhandenen Anlage geeignet ist.
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Diese Aufgabe wird mit einem Sensor nach dem OberbegrIff des Patentanspruchs
1 gelöst, der erfindungsgemM die
Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruchs
1 aufweist.
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Für den Sensor der vorliegenden Erfindung wird für die Füllstandskontrolle
mit Ultraschall gearbeitet. Auch ein hochviskoser Stoff, wie z.B. ein Schmierfett
oder ein sehr zähes Öl, weist eine Ultraschall-Leitfähigkeit auf, die in einem erheblichen
Maße unterschiedlich gegenüber Ultraschall-Leitfähigkeit von Luft ist. Der erfindungsgemäße
Sensor enthält einen als Sender zu verwendenden Ultra schall-Wandler bzw. Ultra
schall-Erzeuger und einen als Empfänger verwendeten Ultraschall-Wandler.
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Ultraschall-Sendewandler und Ultraschall-Empfangswandler werden einander
gegenüberliegend in einem Abstand voneinander angeordnet. Es ist aber prinzipiell
auch möglich, nur einen Ultraschall-Wandler zu verwenden, der zeitlich abwechselnd
als Sender und Empfänger betrieben wird, wobei für den Ultraschall ein Reflektor
vorgesehen ist, der den von dem einen einzigen Wandler im Sendebetrieb ausgesandten
Ultraschall auf diesen nachfolgend als Empfänger betriebenen Wandler zurückreflektiert.
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Bei noch ausreichender Füllung des Vorratsbehälters mit dem hochviskosen
Stoff, z.B. Schmierfett, befinden sich der Sendewandler und der Empfangswandler
bzw. der eine Wandler und die Reflexionsfläche noch innerhalb der Vorratsmasse dieses
Stoffes. Zwischen den beiden-einander gegenüberliegenden TttEandlern (bzw. zwischen
dem Wandler und der ihm gegenüberstehenden Reflexionafläche) befindet sich zwangsläufig
eine derartige Menge des hochviskosen, auf seinen Füllstand zu überwachenden Stoffes,
daß relativ gte Ultraschall-Teitung zwischen Sender und Empfänger besteht. Die Amplitude
bzw. die Intensität des empfangenen Ultraschall-Signals wird überwacht und ein entsprechend
großes Empfangssignal zeigt ausreichen-
den Füllstand an. Verringert
sich jedoch die Vorratsmenge im Behälter derart, daß der Abstand zwischen Sender
und Empfänger (bzw. Sende- und Empfangswandler einerseits und Reflexionsfläche andererseits)
bis unter das Niveau der Anbringung dieser Wandler sinkt, so liegt zwischen Sendewandler
und Empfangswandler (bzw. Sende-Empfangs-Wandler und Reflektor) eine Luftstrecke
vor, deren geringere Ultraschall-Leitfähigkeit zu entsprechend verringertem Empfangssignal
führt. Wie ersichtlich, sind der Grad der Viskosität des viskosen Stoffes und der
notwendige Abstand der Wandler (Wandler-Reflektor) bis zu einem gewissen Grad abhängig
voneinander, denn ein höherviskoser Stoff wird bei gleichem Abstand eher noch eine
Brücke zwischen beiden Wandlern bilden, als dies für einen weniger hochviskosen
Stoff der Fall ist. Bei der Bemessung des Abstands ist auch die Temperaturabhängigkeit
der Viskosität des Stoffes zu berücksichtigen, d.h. es muß auch gewährleistet sein,
daß schon in relativ kaltem Zustand eine derartige Brückenbildung unterbleibt, wenn
der Füllstand dieses Stoffes unter ein vorgegebenes Niveau fällt. In einer Vorrichtung
für Zentralschmierung wird das Schmierfett aus dem Vorratsbehälter durch eine (an
tiefer Stelle gelegene) Öffnung aus dem Vorratsbehälter abgesaugt. Der Durchmesser
einer solchen Öffnung ist in etwa ein Maß für den Mindestabstand zwischen -den beiden
Wandlern (bzw. zwischen Wandler und Reflektor), der gewährleistet, daß bei Absinken
des Vorratsniveaus -keine Brückenblldung des hochviskosen Stoffes mehr auftritt.
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Fig*1 zeigen je eine Seitenansicht einer bevorzugten Aus-und 2 führungsform
eines erfindungsgemäßen Sensors, wobei Fig.1 eine Schnittdarstellung I-I ist.
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Fig.3 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensor in einem zu
einer
Vorrichtung für Zentralschmierung gehörigen Vorratsbehälter für das Schmierfett.
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Mit 2 ist ein Sendewandler und mit 4 ist ein Empfangswandler eines
wie in Fig.1 dargestellten Sensors bezeichnet.
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Solche Wandler sind z.B. Scheiben aus Piezokeramik (wie z.B. Bleizirkonat-Titanat),
die beidseitig mit Elektroden 21 und 22 versehen sind. Zu diesen Elektroden gehören
die elektrischen Anschlußleitungen 124 und 122, wobei die Anschlußleitung 122 z.B.
um den Seitenrand der jeweiligen Keramikscheibe 2, 4 herum bis zur Elektrode 22
geführt ist.
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Solche Ultraschall-Wandler 2, 4 in Scheibenform sind prinzipiell bekannt.
Für den Betrieb als Sendewandler wird an die Anschlußleitungen 121, 122 eine elektrische
Wechselspannung einer Frequenz angelegt, die z.B. zwischen 300 kHz und 3 IHz liegt.
Zur Erzeugung von Resonanzschwingungen der Scheibe des Wandlers 2 sind die Frequenz
und die Abmessungen der Scheibe in an sich bekannter Weise aufeinander abzustimmen.
Ein übliches Piezokeramikmaterial ergibt z.B. bei einer Dicke von 3 mm der Scheibe
2 eine Anregungsfrequenz von 96 MHz für die Grundschwingung der Dickenresonanz.
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Eine solche in einem Mode einer Dickenresonanz schwingende Scheibe
des 5v^Tandlers 2 erzeugt eine Ultraschall-Strahlung, von der derjenige Anteil mit
den Pfeilen 5 angedeutet ist, der für die vorliegende Erfindung von Interesse ist.
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Diese Ultraschall-Strahlung 5 ist auf die Scheibe des zweiten Wandlers
4 gerichtet. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß auch in rückwärtige Richtung
Ultraschall abgestrahlt wird. Diese unerwünschte Strahlung wird in an sich bekannter
Preise gedämpft bzw. absorbiert. Bei Betrieb des Tdandlers 4 als Empfänger wird
in der scheibe
aufgrund des piezoelektrischen Effekts bei Auftreffen
der Ultraschall-Strahlung 5 ein elektrisches Signal erzeugt, das an den Anschlüssen
121, 122 abgenommen werden kann. Von besonderem Vorteil ist es, die beiden Wandler
2 und 4 auf gleich großen Frequenzwert abzustimnen, so daß die in Resonanzschwingung
des Sendewandlers 2 ausgesandte Ultraschall-Strahlung 5 ein der Resonanzüberhöhung
im Empfangswandler entsprechend hohes elektrisches Signal an dessen Elektroden 21,
22 bzw. zwischen den Ausgangsanschlüssen 121 und 122 liefert.
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Für die vorliegende Erfindung ist für den Wandler 4 nur der Empfang
derjenigen Ultraschall-Strahlung 5 von Interesse, die wie angedeutet über die Abstandsentfernung
a direkt vom Sendewandler 2 auf den Empfangswandler 4 trifft.
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Für die Halterung der beiden Wandler 2 und 4, und zwar in einer wie
dargestellten Lage einander gegenüberstehend, ist z.B. ein gabelförmiger Bügel 10
vorgesehen, in dessen Zinken 11, 111 je ein Wandler 2 bzw. 4 eingesetzt ist.
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Um Körperschall-Ubertragung vom Wandler 2 auf den Wandler 4 über den
Weg der Gabel 10 wenigstens weitgehend zu vermeiden, sind die Wandler 2 und 4 gegen
Schall-Leitung möglichst gut isoliert, jedoch mechanisch stabil eingesetzt.
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Für diese Schallisolation dienen die ringförmigen Elemente 12. Sie
bestehen z.B. aus Silikongummi.
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Diese Gabel 10 kann z.B. an einem mit 12 bezeichneten Stiel 13 gehalten
sein. Mit der die Gabel 10 umgebenden unregelmäßigen Umrißlinie 14 ist auf einen
hochviskosen Stoff, z.B. ein Schmierfett, hingewiesen. Die mit 14 wiedergegebene
Darstellung in Fig.1 deutet einen Zustand an, der sich dann einstellt, wenn die
zuvor in Schmierfett eingetauchte Gabel 10 aus dem Schmierfett herausgenommen ist.
Wie ersichtlich, ist noch ein Anteil des
Zwischenraumes der Gabel,
und zwar nahe der Halterung 13, mit den Fett 14 ausgefüllt. Für die Erfi.ndung wichtig
ist der Zustand, daß sich zwischen den Wandlern 2 und 4 keine aus derartigem Schmierfett
14 bestehende Brücke befindet, die Ultraschall vom Wandler 2 direkt auf den Wandler
4 leiten könnte. Im Zustand der wie in Fig.1 angedeuteten Verteilung von restlichem
Fett an der Gabel ist der den Empfangswandler 4 direkt erreichende Ultraschall 5
gezwungen, seinen Weg über einen Luftzwischenraum zu nahmen, der entsprechend schlechte
Schall-Leitung hat und zu entsprechend geringem Empfangs signal an den Anschlüssen
121, 122 des Empfangswandlers führt. Entsprechend der bereits erwähnten Schallisolation
12 ist der Körperschall vom Wandler 2 zum Wandler 4 über die Gabel 10 vernachlässigbar.
Prinzipiell läßt sich bei der Auswertung unterscheiden, ob der den Empfänger erreichende
Schall auf direktem Weg (entsprechend den Pfeilen 5) gelaufen ist, nämlich aus der
Laufzeit.
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Fig.2 zeigt die Seitenansicht zu Fig.1 und mit den entsprechenden
übereinstimmenden Bezugszeichen versehen die betreffenden Einzelheiten des erfindungsgemäßen
Sensors 1. Aus der Fig.2 ist mit größerer Deutlichkeit die kreisförmige, nur Bruchteile
eines Millimeters dicke Elektrode 21 zu erkennen, die sich auf der dem Betrachter
zugewandten Oberflächenseite der Scheibe des Wandlers 2 befindet. Ihr äußerer Rand
ist gestrichelt dargestellt, damit er sich vom Rand der Scheibe des Wandlers 2 abhebt-.
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Die Fig.3 zeigt eine beispielhafte Ansicht, wie ein erfindungsgemäßer
Sensor 1 in einem Vorratsbehälter 31 für ein Schmierfett angebracht sein kann. Der
Rohrstutzen 131 ist der Eingang einer Transportleitung für das Fett 14. Durch diesen
Stutzen wird das Fett 14 aus
dem Behälter 31 abgesaugt. Mit 114
ist ein momentanes Niveau des Fettvorrates angedeutet. Wird nicht ausreichend Fett
nachgefüllt, so sinkt dieses Niveau 114 schließlich bis auf ein Mindestniveau 214,
von dem ab Gefahr besteht, daß nachfolgend durch den Stutzen 131 hindurch auch Luft
angesaugt wird. Ist das Niveau 214 erreicht -die Fig.3 zeigt einen etwas idealisierten
Niveau-Zustand - so befindet sich der mit 1 bezeichnete erfindungsgemäße Sensor
mit seinen Wandlern 2 und 4 nicht mehr im Fett 14.
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An den Gabelzinken noch anhaftendes Fett wird z.B. eine wie in Fig.1
mit 14 angedeutete Oberflächenfiguration haben. Spätestens bei der mit der Lage
des Sensors 1 und dem Mindestniveau 214 in Fig.3 angedeuteten Situation ist der
Zustand erreicht, daß erheblich weniger Ultraschall-Signal vom Wandler 2 auf den
Wandler 4 übertragen wird, als dies der Zustand bei in Fett eingetauchtem Sensor
1 der Fall ist. Beim Ein- oder Nachfüllen einer ausreichend großen Menge Fett 14
wird z.B. bereits durch das Eigengewicht des Fettes der Zwischenraum zwischen den
Zinken 11, 111 des Sensors 1 aufgefüllt. Dieser Zwischenraum bleibt - wie schon
angedeutet - solange mit Fett ausgefüllt, bis das bezeichnete Mindestniveau 214
erreicht ist.
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Eine mit 35 angedeutete Elektronikschaltung wertet die Veränderung
des Empfangssignals des Empfangswandlers 4 aus. Sie liefert außerdem die elektrische
Wechselstromenergie für die Anregung des Sendewandlers 2.
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Voranstehend ist auch auf die Konstruktions- und Betriebsmöglichkeit
hingewiesen worden, bei der nur ein einziger Wandler, z.B. der Wandler 2, vorhanden
ist, und sich anstelle des Wandlers 4 ein Reflektor befindet. Dieser Reflektor kann
die einwärtsgerichtete XJand der in diesen Falle vorzugsweise durchgehenden der
Gabel 10 sein.
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Die Elektronikschaltung 35 erzeugt dann zeitlich na che inander das
elektrische Sendesignal und wertet die (nach Reflexion auf diesen einzigen Wandler
wieder zurückkehrende) Ultraschall-Welle aus.
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Für ein Schmierfett mit für Fahrzeuge zu verwendender Viskosität ergibt
sich ein günstiger Abstand a = 20 mm.
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Dabei ist die Breite b (siehe Fig.2) der Gabel 10 für Wandler 2, 4
mit einem Durchmesser von etwa 9 mm etwa 20 mm groß. Unnotwendig größere Breite
der Gabel 10 würde etwas größeren Abstand a erfordern, da dann mit stärkerer Tendenz
zu Brückenbildung zu rechnen ist.
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Beim Ein- oder Nachfüllen des hochviskosen Stoffes ist darauf zu achten,
daß dieser möglichst keine Luftblasen enthält bzw. keine solchen dabei erzeugt werden.
Frisches Schmierfett wird z.B. frei von Luftblasen angeliefert.
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Die Elektronikschaltung 35 enthält insbesondere einen Schwellenwertdetektor,
der z.B. auf einen Schwellenwert von 50 mVolt Empfangssignalspannung eingestellt
ist. Etwa 10 mV Empfangssignal werden über eine aus Aluminium bestehende Gabel 10
als Störsignal übertragen. Ein reguläres Empfangssignal liegt bei mindestens 100
mV und normalerweise bei 300 mVolt.
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Eine solche Elektronikschaltung läßt sich preiswert in Ctf1.OS-Technik
realisieren. Als Betriebs spannung genügen z.3. 8 bis 15 Volt.
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Für die Erfindung in Frage kommende hochviskose Stoffe können auch
entsprechende Kunststoffe oder runsWstoff-Rohmassen sein, die für nachfolgende Verarbeitung
in Vorratsbehältern bereitgehalten werden.
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3 Patentansprüche 3 Figuren