WO2007017383A1 - Method and device for operating a state sensor for liquids - Google Patents

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WO2007017383A1 PCT/EP2006/064683 EP2006064683W WO2007017383A1 WO 2007017383 A1 WO2007017383 A1 WO 2007017383A1 EP 2006064683 W EP2006064683 W EP 2006064683W WO 2007017383 A1 WO2007017383 A1 WO 2007017383A1
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Markus Gilch
Stephan Heinrich
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Siemens Vdo Automotive Ag
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Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for operating a condition sensor for liquids.
  • Engine oil by the intake of dirt over a period of operation strongly from.
  • the contamination can come from soot particles, but also from metallic abrasion of cylinder surfaces, etc. ago.
  • it is therefore necessary to carry out maintenance at regular maintenance intervals and mileage intervals of approximately 15,000 km, during which the engine oil is exchanged with associated filter devices.
  • the deterioration of the quality in the engine oil does not run the same for all oils or engine oil compositions during operation. Also is the quality deterioration to a certain extent depending on the driving style of the vehicle user. For this reason, it is currently proceeded to monitor the quality of the engine oil separately in order to alert the user in good time to an imminent oil change. This means that too short oil change intervals can be effectively avoided, which in addition to environmental relief also leads to cost savings for the operator of a motor vehicle.
  • a state sensor for liquids which monitors a respective flow behavior of the engine oil and thus its viscosity in the form of a vibrating body driven by a piezoelectric element, is known, for example, from DE 103 45 253 A1.
  • an increase in viscosity is caused by an increase in the density of the engine oil due to impurities.
  • Desirable is a low viscosity of an engine oil to achieve good lubricity and effective friction reduction within the internal combustion engine.
  • a bending oscillator element in contact with the engine oil is mechanically excited by at least one piezoelectric element to oscillate, wherein the at least one piezoelectric element is supplied with an amplitude-controlled electrical input signal.
  • the sensor element itself essentially consists of its carrier substrate with piezo-electrically active layers laminated thereon or integrated, which can act both as actuator layers and as sensor layers. Sensors of the type described are also referred to as trimorphic bending vibrators. Such elements can also be produced as a ceramic multilayer.
  • a difference between an applied electrical excitation or actuator voltage and a measured sensor output voltage is evaluated as a measure of the damping of the bending oscillator in the fluid or engine oil.
  • the resonance frequency and a respective resonance amplitude are evaluated as a measure of the density of the fluid.
  • An increasing density of the fluid leads to a Lowering the resonant frequency.
  • a decreasing viscosity leads to an increase in the amplitude.
  • a predetermined frequency band is tuned.
  • a resonant frequency is determined starting from a previously defined frequency zone. At the same time a resonance amplitude is read out.
  • the measurement principle briefly described above can also be implemented with other excitation methods, such as, for example, magnetically excited bending oscillators.
  • the measurement described above is based on the application of a constant actuator voltage, which is applied, for example, as a sinusoidal voltage and the reading of an attenuation-dependent measurement voltage.
  • a readjusted actuator voltage can be generated, so that in each case the measurement voltage remains constant.
  • a known compensation possibility consists in a one-time or periodically repeated calibration of the condition sensor in a reference liquid at a reference temperature. This procedure is in in motor vehicles built condition sensors impractical and therefore not feasible in principle.
  • a method according to the invention is accordingly distinguished by the fact that a state sensor is subjected to at least two excitation signals of different voltage levels and the respectively obtained measuring signals are compared with stored values. So that sensor output or measurement signals can be measured independently of drifts and gain changes at the sensor input, the invention thus makes use of a differential measurement. It was found that even a measurement with two different voltage levels and a comparison of the measured values with previously stored output values is sufficient to mask out the above-described temperature and aging-related effects and drifts.
  • a frequency range in which a resonant frequency is usually swept over in a preparatory measurement is usually swept over in a preparatory measurement. Subsequently, at least two measuring points are selected which have large deviations with respect to their respective measuring signal.
  • the evaluation and offset determination takes place virtually graphically via a comparison of straight lines in a diagram.
  • the pairs of values ascertained for the purpose of control are entered into a diagram and linearly extrapolated, into which the previously determined and stored values of an ideal sensor are also entered.
  • An offset results in this diagram as a zero shift or ordinate section.
  • grading curves are preferably used using known mathematical methods for minimizing the distance of a respective course to the measured values.
  • Figure 1 a schematic representation of a device according to the invention
  • FIG. 2 shows a result of a sweep with a constant number of oscillations with variation of amplitude and frequency. frequency on a bending vibrator under conditions of use;
  • Figure 4 an evaluation diagram for determining an offset value.
  • FIG. 1 shows a basic structure of a device for implementing a method according to the invention.
  • a sensor element S in the form of a piezoelectrically excited bending oscillator is arranged in the region of an oil pan in the engine oil OIL of an internal combustion engine M.
  • the sensor element S for electrical control of the actuator with an excitation voltage or input vibration A and for receiving and
  • reaction signals in the form of a result or measurement signal E connected to a controller C, which in turn communicates with a non-volatile data memory D.
  • the sensor element S is calibrated by the controller C.
  • the result is stored in the form of original value pairs in the data memory D for later call and for comparative evaluation.
  • the flexural vibrator is normally operated for density and viscosity measurement at a constant amplitude.
  • the flexural vibrator vibrates at a defined resonant frequency where it has its largest, damped amplitude. If the sensor element S ages, for example, as a result of a mechanical change in the clamping point or deposits on the electrode surfaces or the loss of the piezoelectric properties, this results in a change in the resonance frequency and in particular in the resonance amplitude, whose contributions are similar in magnitude to those of viscosity and density acting measuring signals E can lie.
  • the evaluation of the sensor signals E can be carried out in the vicinity of the resonant frequency, so does not necessarily have to be at resonant frequency.
  • the viscosity behavior of the fluid OIL usually does not change significantly within longer periods, ie in particular in the hour range.
  • the bending oscillator of the sensor element S represents a damped mechanical oscillating circuit whose resonant frequency also spreads within certain limits within a series. Since the position of the resonance frequency and a respective resonance amplitude as properties of the mechanical system are therefore not known exactly from the outset, test frequencies and test amplitudes are applied by the controller C to the sensor S in the course of this calibration process. In order to shorten the time required for this process, a fixed number of in this case only seven full oscillation periods is used for each of these test phases O 1 to D 5 according to the illustration of FIG. This ensures that Even in this very short period of time transient phenomena have already subsided.
  • Test signal with the parameter set of D 3 compared to the other results is maximum.
  • this parameter set is selected and stored in the data memory D for later access to the specific variables for safety.
  • a not exactly known resonance curve of the sensor element S is briefly traversed once to estimate its shape and its position. Subsequently, at least two measured values, in this case three measured values, are selected on this curve in order to subsequently determine age phenomena and the occurrence of offsets.
  • a repeat measurement for determining a possible deviation is carried out directly after passing through the test measurement marked in the dashed box.
  • such repetitions are not carried out immediately, but in cyclically or acyclically selected time intervals, since they are only used to monitor signs of aging on the Sensor S serve, not a study of the quality of the engine oil used.
  • FIG. 4 shows an evaluation diagram into which a measuring straight line of an ideal sensor has been entered, which has been determined on the basis of n measurements.
  • This straight line runs as a straight line of origin, because without stimulating amplitude and no reaction signal, and with small excitation even a small reaction signal is obtained.
  • the sensor is now operated a-periodically for multiples of the test interval lengths t n 'in a test mode.
  • the sensor element S is operated for a few seconds at a defined higher and / or lower voltage amplitude at a constant frequency.
  • the principal relationship with the aging influence can be seen in the amplitude-amplitude diagram of FIG. After a short transient phase in relation to a test interval length t n ', a ratio of exciting actuator voltage amplitude and measured output voltage amplitude remains unchanged with the viscosity and current amplitude
  • Density values of the fluid constant. If different actuator voltage amplitudes with associated output voltage amplitudes are entered in the diagram, the result is a linear relationship. The slope of the line is thus a representation of the transfer function. Drifting or offsets can be measured or determined by extrapolation. After determining an offset, a signal change actually caused by viscosity and density changes can be corrected.
  • the straight line of the sensor element S which is actually present is subsequently drawn into the diagram of FIG. 4, which in the present case has been registered using three measuring points as a straight line and has been linearly extrapolated to the origin of the diagram.
  • the diagram of Figure 4 has between the metered ideal sensor and the present real sensor the Grader slope M reduced to m, which is clearly interpreted as a sign of aging.
  • the offset By tilting the straight line this now no longer passes through the origin of the diagram, but cuts the amplitude axis above the origin, that is shifted by a section OS, the offset.
  • this offset must first be overcome by a stimulating oscillation, so that a reaction in the sensor in the form of a measurement signal S can be measured at all due to aging. Without compensating for this influence, the device thus determines values which have been corrupted by the offset OS.

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Abstract

The invention relates to a method and device for operating a state sensor for liquids. In order to provide a method and device of the aforementioned type that has the ability to compensate for sensor-related zero-point and amplification changes, the invention provides that the sensor element S is, for electrical control with an input oscillation A of at least two different amplitudes and for receiving and evaluating measurement signals E, is connected to a controller C that is connected to a non-volatile data memory D, in which the values of the at least two different amplitudes of the exciting input oscillation A are strored.

Description

Beschreibungdescription
Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Zustandssensors für FlüssigkeitenMethod and apparatus for operating a condition sensor for liquids
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Zustandssensors für Flüssigkeiten.The present invention relates to a method and apparatus for operating a condition sensor for liquids.
Beispielsweise ist aus dem Kraftfahrzeugbereich die Notwendigkeit bekannt, insbesondere den Zustand eines Motorenöls zu überwachen. Durch die Qualität des Motorenöls wird die Lebensdauer eines Verbrennungsmotors ganz wesentlich beein- flusst. Da dieser Anwendungsbereich zahlenmäßig und damit auch wirtschaftlich von großer Bedeutung ist, Motorenöle andererseits auch über einen sehr großen Temperaturbereich betrieben werden und hohe Anforderungen an eine Sensorik stellen, wird die vorliegende Erfindung nachfolgend ohne Beschränkung in ihrem Einsatzbereich nur vor dem Hintergrund eines speziellen Einsatzes zur Überwachung des Zustands eines Motorenöls in einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs dargestellt.For example, it is known from the automotive field to monitor in particular the condition of a motor oil. The quality of the engine oil significantly influences the service life of an internal combustion engine. Since this application is numerically and therefore economically important, engine oils on the other hand also operate over a very wide temperature range and make high demands on a sensor, the present invention will not be limited in their scope of use only against the background of a special use for monitoring the state of an engine oil in an internal combustion engine of a motor vehicle.
Während des normalen Betriebs einer Verbrennungskraftmaschine in einem Kraftfahrzeug nimmt die Qualität des eingesetztenDuring normal operation of an internal combustion engine in a motor vehicle, the quality of the used increases
Motoröls durch die Aufnahme von Verschmutzungen über eine Betriebszeit gesehen stark ab. Die Verschmutzungen können aus Rußpartikeln, aber auch aus metallischem Abrieb von Zylinderlaufflächen etc. her stammen. Um die Leistungsfähigkeit der Verbrennungskraftmaschine zu erhalten und eine ausreichende Betriebssicherheit garantieren zu können, wird daher in regelmäßigen Wartungsintervallen und Laufleistungsabständen von circa 15.000 km die Durchführung einer Wartung erforderlich, bei der das Motoröl mit zugehörigen Filtereinrichtungen aus- gewechselt wird. Die Verschlechterung der Qualität im Motoröl läuft im Betrieb nicht bei allen Ölen bzw. MotorölZusammensetzungen gleich ab. Auch ist die Qualitätsverschlechterung zu einem gewissen Grad von einem Fahrstil des Fahrzeugbenutzers abhängig. Aus diesem Grund wird aktuell dazu übergegangen, die Qualität des Motoröls gesondert zu überwachen, um den Benutzer rechtzeitig auf einen bevorstehenden Ölwechsel hinweisen zu können. Damit können auch zu kurze Ölwechselintervalle effektiv vermieden werden, was neben einer Umweltentlastung auch zu einer Kosteneinsparung für den Betreiber eines Kraftfahrzeugs führt.Engine oil by the intake of dirt over a period of operation strongly from. The contamination can come from soot particles, but also from metallic abrasion of cylinder surfaces, etc. ago. In order to maintain the efficiency of the internal combustion engine and to be able to guarantee sufficient operational reliability, it is therefore necessary to carry out maintenance at regular maintenance intervals and mileage intervals of approximately 15,000 km, during which the engine oil is exchanged with associated filter devices. The deterioration of the quality in the engine oil does not run the same for all oils or engine oil compositions during operation. Also is the quality deterioration to a certain extent depending on the driving style of the vehicle user. For this reason, it is currently proceeded to monitor the quality of the engine oil separately in order to alert the user in good time to an imminent oil change. This means that too short oil change intervals can be effectively avoided, which in addition to environmental relief also leads to cost savings for the operator of a motor vehicle.
Ein Zustandssensor für Flüssigkeiten, der in Form eines durch ein Piezo-Element angetriebenen Schwingkörpers ein jeweiliges Strömungsverhalten des Motorenöls und mithin seine Viskosität überwacht, ist beispielsweise aus der DE 103 45 253 Al bekannt. Bei diesem Messaufbau und Verfahren wird davon ausge- gangen, dass eine Zunahme an Viskosität mit einer anwachsenden Dichte des Motorenöls durch Verunreinigungen verursacht wird. Erstrebenswert ist eine niedrige Viskosität eines Motorenöls, damit ein gutes Schmierverhalten und eine effektive Reibungsminderung innerhalb der Verbrennungskraftmaschine er- reicht werden können. Hierzu wird in der vorstehend genannten DE 103 45 253 Al ein Biegeschwingerelement in Kontakt mit dem Motorenöl durch mindestens ein Piezo-Element mechanisch zur Schwingung angeregt, wobei das mindestens eine Piezo-Element mit einem amplitudengeregelten elektrischen Eingangssignal versorgt wird. Das Sensorelement selber besteht im Wesentlichen aus seinem Trägersubstrat mit darauf auflaminierten oder integrierten piezo-elektrisch aktiven Schichten, die sowohl als Aktuator- als auch als Sensorschichten wirken können. Sensoren der beschriebenen Bauart werden auch als trimorphe Biegeschwinger bezeichnet. Derartige Elemente sind auch als Keramik-Multilayer herstellbar. In jedem Fall wird eine Differenz zwischen einer angelegten elektrischen Anregungs- oder Aktorspannung und einer gemessenen Sensorausgangsspannung als Maß für die Dämpfung des Biegeschwingers in dem Fluid bzw. Motorenöl ausgewertet. Die Resonanzfrequenz und eine jeweilige Resonanzamplitude werden als Maß für die Dichte des Fluids ausgewertet. Eine zunehmende Dichte des Fluids führt zu einer Senkung der Resonanzfrequenz. Eine abnehmende Viskosität führt zu einem Ansteigen der Amplitude. Zur Abdeckung eines größeren Vermessungsbereichs wird ein vorgegebenes Frequenzband durchgestimmt. Damit wird in einem Schritt, in einer an- deren Ausführung aber auch als Messung in mehreren Verbrennungsstufen, ab einer vorher festgelegten Frequenzzone eine Resonanzfrequenz ermittelt. Gleichzeitig wird dazu eine Resonanzamplitude ausgelesen. Das vorstehend kurz beschriebene Messprinzip kann auch mit anderen Erregerverfahren, wie bei- spielsweise magnetisch angeregte Biegeschwinger umgesetzt werden.A state sensor for liquids, which monitors a respective flow behavior of the engine oil and thus its viscosity in the form of a vibrating body driven by a piezoelectric element, is known, for example, from DE 103 45 253 A1. In this measurement setup and method, it is considered that an increase in viscosity is caused by an increase in the density of the engine oil due to impurities. Desirable is a low viscosity of an engine oil to achieve good lubricity and effective friction reduction within the internal combustion engine. For this purpose, in the abovementioned DE 103 45 253 A1, a bending oscillator element in contact with the engine oil is mechanically excited by at least one piezoelectric element to oscillate, wherein the at least one piezoelectric element is supplied with an amplitude-controlled electrical input signal. The sensor element itself essentially consists of its carrier substrate with piezo-electrically active layers laminated thereon or integrated, which can act both as actuator layers and as sensor layers. Sensors of the type described are also referred to as trimorphic bending vibrators. Such elements can also be produced as a ceramic multilayer. In any case, a difference between an applied electrical excitation or actuator voltage and a measured sensor output voltage is evaluated as a measure of the damping of the bending oscillator in the fluid or engine oil. The resonance frequency and a respective resonance amplitude are evaluated as a measure of the density of the fluid. An increasing density of the fluid leads to a Lowering the resonant frequency. A decreasing viscosity leads to an increase in the amplitude. To cover a larger survey area a predetermined frequency band is tuned. Thus, in one step, in another embodiment, but also as a measurement in several combustion stages, a resonant frequency is determined starting from a previously defined frequency zone. At the same time a resonance amplitude is read out. The measurement principle briefly described above can also be implemented with other excitation methods, such as, for example, magnetically excited bending oscillators.
Die vorstehend beschriebene Messung beruht auf dem Anliegen einer konstanten Aktuatorspannung, die beispielsweise als si- nusförmige Spannung angelegt wird und dem Auslesen einer dämpfungsabhängigen Messspannung. In einer alternativen Ausführungsform kann auch eine nachgeregelte Aktuatorspannung erzeugt werden, so dass in jedem Fall die Messspannung konstant bleibt.The measurement described above is based on the application of a constant actuator voltage, which is applied, for example, as a sinusoidal voltage and the reading of an attenuation-dependent measurement voltage. In an alternative embodiment, a readjusted actuator voltage can be generated, so that in each case the measurement voltage remains constant.
Es kann jedoch durch Alterungseffekte und thermische Einflüsse an einem Biegeschwinger und/oder dem als Sensor dienenden Piezo-Aktor zu Veränderungen der Verstärkung und/oder einer Nullpunkt-Drift der Anregerspannung kommen. Derartige Effekte lassen sich bislang nur durch relativ aufwändige Mitprotokol- lierung von Nullpunkt und Verstärkung über längere Zeiträume hinweg, oder durch periodische Neukalibrierung des Zustands- sensors für Flüssigkeiten ermitteln und nachfolgend kompensieren. Zudem liegen die genannten Effekte im Bereich der zu erfassenden Messwertänderungen des Primärsignals selber. Sie können mithin vom eigentlichen Nutzsignal nicht ohne weiteres unterschieden werden.However, aging effects and thermal influences on a flexural vibrator and / or the piezoactuator serving as a sensor can lead to changes in the amplification and / or a zero-point drift in the exciter voltage. Such effects can hitherto only be determined by relatively complex coproporting of zero point and amplification over longer periods of time, or by periodic recalibration of the state sensor for liquids and subsequently compensated. In addition, the mentioned effects are in the range of the measured value changes of the primary signal to be detected itself. Consequently, they can not be easily distinguished from the actual useful signal.
Eine bekannte Kompensationsmöglichkeit besteht in einer ein- maligen oder periodisch wiederholten Kalibrierung des Zu- standssensors in einer Referenzflüssigkeit bei einer Referenztemperatur. Dieses Vorgehen ist bei in Kraftfahrzeugen verbauten Zustandssensoren unpraktikabel und daher prinzipiell nicht durchführbar.A known compensation possibility consists in a one-time or periodically repeated calibration of the condition sensor in a reference liquid at a reference temperature. This procedure is in in motor vehicles built condition sensors impractical and therefore not feasible in principle.
Es besteht daher die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrich- tung der eingangs genannten Art mit der Möglichkeit einer Kompensation von sensorbedingten Nullpunkts- und Verstärkungsveränderungen zu schaffen.It is therefore an object to provide a method and a device of the type mentioned above with the possibility of compensation for sensor-related zero point and gain changes.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen An- Sprüche gelöst. Um sicher und eindeutig zwischen alterungsbedingten Effekten an einem Zustandssensor oder der Elektronik einerseits und denjenigen Effekten, die auf Ölalterung bzw. Qualitätsverschlechterung beruhen, andererseits zu unterscheiden, ist eine genaue Kenntnis der durch mechanische oder elektrische Einflüsse verursachten Amplitudenänderung notwendig. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zeichnet sich demnach dadurch aus, dass ein Zustandsensor mit mindestens zwei Anregungssignalen unterschiedlicher Spannungspegel beaufschlagt und die jeweils erhaltenen Messsignale mit gespeicherten Wer- ten verglichen werden. Damit Sensorausgangs- bzw. Messsignale unabhängig von Driften und Verstärkungsänderungen am Sensoreingang gemessen werden können, wird erfindungsgemäß also auf eine Differenzmessung zurückgegriffen. Es wurde dabei herausgefunden, dass bereits eine Messung mit zwei unterschiedli- chen Spannungspegeln und einem Vergleich der Messwerte mit zuvor gespeicherten Ausgangswerten ausreichend ist, um die vorstehend geschilderten temperatur- und alterungsbedingten Effekte und Driften auszublenden.This task is solved by the features of the independent claims. In order to distinguish between aging-related effects on a condition sensor or the electronics on the one hand and those effects that are based on oil aging or quality deterioration on the other hand, an exact knowledge of the change in amplitude caused by mechanical or electrical influences is necessary. A method according to the invention is accordingly distinguished by the fact that a state sensor is subjected to at least two excitation signals of different voltage levels and the respectively obtained measuring signals are compared with stored values. So that sensor output or measurement signals can be measured independently of drifts and gain changes at the sensor input, the invention thus makes use of a differential measurement. It was found that even a measurement with two different voltage levels and a comparison of the measured values with previously stored output values is sufficient to mask out the above-described temperature and aging-related effects and drifts.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. In einer vorteilhaften Ausführungsform werden voneinander unterschiedliche Spannungspegel angelegt, die jeweils gegenüber benachbarten Spannungspegeln maximale Amplituden im Reaktionssignal aufgewiesen haben. Vorzugsweise werden diese Werte ebenfalls als Eingangsgrößen in einem Speicher fest abgelegt und nachfolgend zu Testzwecken an den Zustandsensor bzw. das Sensorelement angelegt, worauf eine Zustandsüberwa- chung des Zustandssensors durch Auswertung der Ergebnisse vorgenommen wird.Advantageous developments are the subject of the dependent claims. In an advantageous embodiment, different voltage levels are applied to each other, which have each exhibited maximum amplitudes in the reaction signal with respect to adjacent voltage levels. Preferably, these values are also stored as input variables in a memory and subsequently applied to the state sensor or the sensor element for test purposes, whereupon a state monitoring is performed. tion of the condition sensor is made by evaluating the results.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird ein Frequenzbereich, in dem sich eine Resonanzfrequenz üblicherweise befindet, in einer vorbereitenden Messung überstrichen. Nachfolgend werden mindestens zwei Messpunkte ausgewählt, die hinsichtlich ihres jeweiligen Messsignals starke Abweichungen aufweisen .In an alternative embodiment of the invention, a frequency range in which a resonant frequency is usually swept over in a preparatory measurement. Subsequently, at least two measuring points are selected which have large deviations with respect to their respective measuring signal.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Auswertung und Offset-Ermittlung quasi graphisch über einen Vergleich von Geraden in einem Diagramm. Hierzu werden die zur Kontrolle ermittelten Wertepaare in ein Diagramm ein- getragen und linear extrapoliert, in das auch die zuvor ermittelten und gespeicherten Werte eines idealen Sensors eingetragen sind. Ein Offset ergibt sich in diesem Diagramm als Nullpunktverschiebung bzw. Ordinatenabschnitt.In a preferred embodiment of the invention, the evaluation and offset determination takes place virtually graphically via a comparison of straight lines in a diagram. For this purpose, the pairs of values ascertained for the purpose of control are entered into a diagram and linearly extrapolated, into which the previously determined and stored values of an ideal sensor are also entered. An offset results in this diagram as a zero shift or ordinate section.
Wenn mehr als zwei Messpunkte ausgewählt werden, dann werden diese Punkte mit im Wesentlichen zueinander gleichgroßen Spannungsschritten in der Eingangsspannung festgelegt. Bei mehr als zwei Messpunkten werden Gradenverläufe vorzugsweise unter Anwendung bekannter mathematischer Methoden zur Mini- mierung des Abstandes eines jeweiligen Verlaufes zu den gemessenen Werten eingesetzt.If more than two measuring points are selected, then these points are determined with substantially equal voltage steps in the input voltage. At more than two measuring points, grading curves are preferably used using known mathematical methods for minimizing the distance of a respective course to the measured values.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel anhand von Abbildungen der Zeichnung zur Darstellung weiterer Merkmale und Vorteile näher erläutert. In der Zeichnung zeigen in jeweils skizzierter Darstellung:The invention with reference to an embodiment with reference to figures of the drawing to illustrate further features and advantages will be explained in more detail. In the drawing show in each sketched representation:
Figur 1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;Figure 1: a schematic representation of a device according to the invention;
Figur 2: ein Ergebnis eines Sweeps bei konstanter Anzahl von Schwingungen bei Variation von Amplitude und Fre- quenz an einem Biegeschwinger unter Einsatzbedingungen;FIG. 2 shows a result of a sweep with a constant number of oscillations with variation of amplitude and frequency. frequency on a bending vibrator under conditions of use;
Figur 3: ein Ergebnis einer Testmessung mit n=3 Messpunkten mit anfolgender Wiederholung zur Bestimmung einerFIG. 3 shows a result of a test measurement with n = 3 measuring points with a subsequent repetition for determining a
Abweichung undDeviation and
Figur 4: ein Auswertungsdiagramm zur Bestimmung eines Offset-Wertes .Figure 4: an evaluation diagram for determining an offset value.
Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden für gleiche Elemente stets die gleichen Bezugszeichen verwendet. Ohne Beschränkung der Erfindung wird nachfolgend nur ein Einsatz mit einem Zustandssensor zur Überwachung von Motoröl in einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs dargestellt und beschrieben .Throughout the various illustrations, the same reference numerals are always used for the same elements. Without limiting the invention, only one insert with a state sensor for monitoring engine oil in an internal combustion engine of a motor vehicle will be shown and described below.
Figur 1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung zur Umsetzung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In der vor- liegenden Ausführungsform wird ein Sensorelement S in Form eines piezo-elektrisch angeregten Biegeschwingers im Bereich einer Ölwanne im Motorenöl OIL einer Verbrennungskraftmaschine M angeordnet. Nach außen hin ist das Sensorelement S zur elektrischen Ansteuerung des Aktors mit einer Anregungsspan- nung oder Eingangsschwingung A sowie zur Entgegennahme undFIG. 1 shows a basic structure of a device for implementing a method according to the invention. In the present embodiment, a sensor element S in the form of a piezoelectrically excited bending oscillator is arranged in the region of an oil pan in the engine oil OIL of an internal combustion engine M. Outwardly, the sensor element S for electrical control of the actuator with an excitation voltage or input vibration A and for receiving and
Auswertung von Reaktionssignalen in Form eines Ergebnis- oder Messsignals E mit einem Controller C verbunden, der wiederum mit einem nicht flüchtigen Datenspeicher D in Verbindung steht. Mit Inbetriebnahme dieser Vorrichtung wird das Sensor- element S durch den Controller C eingemessen. Das Ergebnis wird in Form ursprünglicher Wertepaare in dem Datenspeicher D zum späteren Aufruf und zur vergleichenden Auswertung abgelegt.Evaluation of reaction signals in the form of a result or measurement signal E connected to a controller C, which in turn communicates with a non-volatile data memory D. When this device is put into operation, the sensor element S is calibrated by the controller C. The result is stored in the form of original value pairs in the data memory D for later call and for comparative evaluation.
In Vorrichtungen und Verfahren nach dem Stand der Technik wird der Biegeschwinger normalerweise für die Dichte- und Viskositätsmessung mit einer Konstantamplitude betrieben. In Abhängigkeit von Viskosität, Temperatur und Dichte des Motorenöls OIL schwingt der Biegeschwinger auf einer definierten Resonanzfrequenz und weist dort seine größte, bedämpfte Amplitude auf. Altert das Sensorelement S beispielsweise durch mechanische Veränderung der Einspannstelle oder Ablagerungen auf den Elektrodenflächen oder den Verlust der piezo-elektri- schen Eigenschaften, dann resultiert daraus eine Veränderung der Resonanzfrequenz und insbesondere die der Resonanzamplitude, deren Beiträge in ähnlichen Größenordnungen wie die von Viskosität und Dichte wirkenden Messsignale E liegen können. Die Auswertung der Sensorsignale E kann dabei in der Umgebung der Resonanzfrequenz erfolgen, muss also nicht zwangsläufig bei Resonanzfrequenz liegen. Das Viskositätsverhalten des Fluids OIL ändert sich üblicherweise nicht wesentlich inner- halb längerer Zeiträume, also insbesondere im Stundenbereich.In prior art devices and methods, the flexural vibrator is normally operated for density and viscosity measurement at a constant amplitude. In Depending on the viscosity, temperature and density of the OIL engine oil, the flexural vibrator vibrates at a defined resonant frequency where it has its largest, damped amplitude. If the sensor element S ages, for example, as a result of a mechanical change in the clamping point or deposits on the electrode surfaces or the loss of the piezoelectric properties, this results in a change in the resonance frequency and in particular in the resonance amplitude, whose contributions are similar in magnitude to those of viscosity and density acting measuring signals E can lie. The evaluation of the sensor signals E can be carried out in the vicinity of the resonant frequency, so does not necessarily have to be at resonant frequency. The viscosity behavior of the fluid OIL usually does not change significantly within longer periods, ie in particular in the hour range.
Da die Viskosität- und Dichtemessung bei genauer Kenntnis der Temperatur des Motorenöls OIL also nicht zeitkritisch ist, wird nachfolgend eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung von Alterungseinflüssen an dem Sensorelement S beschrieben, wonach das Sensorelement S periodisch oder aperiodisch über die Dauer eines Vielfachen einer Messzeit auf einen Referenz- bzw. Testmodus geschaltet und in diesem Zustand ausgewertet wird.Since the viscosity and density measurement with precise knowledge of the temperature of the engine oil OIL is therefore not time-critical, an embodiment of a method according to the invention for determining aging effects on the sensor element S will be described below, according to which the sensor element S periodically or aperiodically over the duration of a multiple of a measuring time switched to a reference or test mode and evaluated in this state.
Der Biegeschwinger des Sensorelements S stellt einen bedämpften mechanischen Schwingkreis da, dessen Resonanzfrequenz auch innerhalb einer Baureihe in gewisse Grenzen streut. Da die Lage der Resonanzfrequenz und eine jeweilige Resonanzamp- litude als Eigenschaften des mechanischen Systems dadurch von vornherein nicht genau bekannt sind, werden im Zuge dieses Einmess-Vorgangs Testfrequenzen und Testamplituden durch den Controller C an den Sensor S angelegt. Zur Abkürzung der für diesen Vorgang erforderlichen Zeit wird gemäß der Abbildung von Figur 2 für jede dieser Testphasen O1 bis D5 eine festgelegte Anzahl von in diesem Fall nur jeweils sieben vollen Schwingungsperioden verwendet. Dabei ist sichergestellt, dass auch in diesem nur sehr kurzen Zeitraum Einschwingvorgänge bereits abgeklungen sind.The bending oscillator of the sensor element S represents a damped mechanical oscillating circuit whose resonant frequency also spreads within certain limits within a series. Since the position of the resonance frequency and a respective resonance amplitude as properties of the mechanical system are therefore not known exactly from the outset, test frequencies and test amplitudes are applied by the controller C to the sensor S in the course of this calibration process. In order to shorten the time required for this process, a fixed number of in this case only seven full oscillation periods is used for each of these test phases O 1 to D 5 according to the illustration of FIG. This ensures that Even in this very short period of time transient phenomena have already subsided.
Figur 2 zeit anhand des Verlaufs der Ausgangssignale für die einzelnen Testperioden Di bis D5, dass die Amplitude desFigure 2 time based on the course of the output signals for the individual test periods Di to D 5 , that the amplitude of
Testsignals mit dem Parametersatz von D3 gegenüber den anderen Ergebnissen maximal ist. Für die weitere Messung und den Betrieb einer Vorrichtung gemäß Figur 1 wird daher dieser Parametersatz ausgewählt und für spätere Zugriffe auf die spe- ziellen Größen zur Sicherheit im Datenspeicher D abgelegt.Test signal with the parameter set of D 3 compared to the other results is maximum. For the further measurement and operation of a device according to FIG. 1, therefore, this parameter set is selected and stored in the data memory D for later access to the specific variables for safety.
In einem zeichnerisch nicht weiter dargestellten weiteren Vorbereitungsschritt wird eine nicht genau bekannte Resonanzkurve des Sensorelements S zur Abschätzung ihrer Form und ih- rer Lage ein Mal kurz durchlaufen. Nachfolgend werden mindestens zwei Messwerte, im vorliegenden Fall drei Messwerte, auf dieser Kurve ausgewählt, um hieran nachfolgend Alterserscheinungen und das Auftreten von Offsets zu ermitteln.In a further preparation step, which is not shown further in the drawing, a not exactly known resonance curve of the sensor element S is briefly traversed once to estimate its shape and its position. Subsequently, at least two measured values, in this case three measured values, are selected on this curve in order to subsequently determine age phenomena and the occurrence of offsets.
Figur 3 zeigt ein Ergebnis einer entsprechenden Testmessung mit n=3 Messpunkten. Die Testintervalle Di bis Dn können dabei stets unterschiedliche Zeitdauern ti' bis tn ' aufweisen. Im vorliegenden Fall sind diese Testdauern im Wesentlichen gleich groß, so dass sich eine Gesamtdauer T für den Test zu T=3*ti' ergibt. Je nach gewähltem Parametersatz für die elektrisch anregende Eingangsschwingung A ergeben sich zwischen den Amplituden und des Ergebnis- oder Messsignals E unterschiedlich große Differenzen Δn.FIG. 3 shows a result of a corresponding test measurement with n = 3 measuring points. The test intervals Di to D n can always have different durations ti 'to t n '. In the present case, these test durations are essentially the same, so that a total duration T for the test is T = 3 * ti '. Depending on the selected set of parameters for the electrically stimulating vibration input A result between the amplitudes and the result or the measuring signal E of different size differences Δ n.
Im Diagramm von Figur 3 wird nach Durchlaufen der in dem gestrichelten Kasten gekennzeichneten Testmessung direkt eine Wiederholungsmessung zur Bestimmung einer eventuellen Abweichung durchgeführt. Im realen Betrieb werden derartige Wiederholungen nicht sofort, sondern in zyklischen oder azyk- lisch gewählten zeitlichen Abständen durchgeführt, da sie lediglich einer Überwachung von Alterungserscheinungen an dem Sensor S dienen, nicht einer Untersuchung der Qualität des verwendeten Motoröls.In the diagram of FIG. 3, a repeat measurement for determining a possible deviation is carried out directly after passing through the test measurement marked in the dashed box. In real operation, such repetitions are not carried out immediately, but in cyclically or acyclically selected time intervals, since they are only used to monitor signs of aging on the Sensor S serve, not a study of the quality of the engine oil used.
Figur 4 zeigt schließlich ein Auswertungsdiagramm, in das ei- ne Messgerade eines idealen Sensors eingetragen worden ist, der anhand von n Messungen bestimmt worden ist. Diese Gerade verläuft als Ursprungsgerade, weil ohne anregende Amplitude auch kein Reaktionssignal, und mit kleiner Anregung auch ein nur kleines Reaktionssignal erhalten wird. Gemäß des vorste- hend beschriebenen Ausführungsbeispiels wird der Sensor nun a-periodisch für Vielfache der Testintervall-Längen tn' in einem Testmodus betrieben. Hierzu wird das Sensorelement S für einige Sekunden bei einer definiert höheren und/oder niedrigeren Spannungsamplitude bei gleichbleibender Frequenz betrieben. Der prinzipielle Zusammenhang mit dem Alterungs- einfluss ist in dem Amplituden-Amplituden Diagramm von Figur 4 zu erkennen. Nach einer im Verhältnis zu einer Testintervall-Länge tn' kurzen Einschwingphase bleibt ein Verhältnis von anregender Aktorspannungsamplitude und gemessener Aus- gangsspannungsamplitude bei unveränderten Viskositäts- undFinally, FIG. 4 shows an evaluation diagram into which a measuring straight line of an ideal sensor has been entered, which has been determined on the basis of n measurements. This straight line runs as a straight line of origin, because without stimulating amplitude and no reaction signal, and with small excitation even a small reaction signal is obtained. According to the embodiment described above, the sensor is now operated a-periodically for multiples of the test interval lengths t n 'in a test mode. For this purpose, the sensor element S is operated for a few seconds at a defined higher and / or lower voltage amplitude at a constant frequency. The principal relationship with the aging influence can be seen in the amplitude-amplitude diagram of FIG. After a short transient phase in relation to a test interval length t n ', a ratio of exciting actuator voltage amplitude and measured output voltage amplitude remains unchanged with the viscosity and current amplitude
Dichtewerten des Fluids konstant. Werden unterschiedliche Aktorspannungsamplituden mit zugehörigen Ausgangsspannungsamplituden in das Diagramm eingetragen, so ergibt sich ein linearer Zusammenhang. Die Steigung der Geraden ist also eine Darstellung der Übertragungsfunktion. Driften oder Offsets können hieran gemessen oder durch Extrapolation ermittelt werden. Nach Ermittlung eines Offsets kann eine tatsächlich durch Viskositäts- und Dichteänderung hervorgerufene Signaländerung korrigiert angegeben werden.Density values of the fluid constant. If different actuator voltage amplitudes with associated output voltage amplitudes are entered in the diagram, the result is a linear relationship. The slope of the line is thus a representation of the transfer function. Drifting or offsets can be measured or determined by extrapolation. After determining an offset, a signal change actually caused by viscosity and density changes can be corrected.
Anhand zweier realer Messpunkte wird nachfolgend in das Diagramm von Figur 4 die Gerade des real vorliegenden Sensorelements S eingezeichnet, die im vorliegenden Fall unter Verwendung von drei Messpunkten als Ausgleichsgerade eingetragen und zum Ursprung des Diagramms hin linear extrapoliert worden ist. Im Diagramm von Figur 4 hat sich zwischen dem eingemessen idealen Sensor und dem vorliegenden realen Sensor die Gradensteigung M auf m verringert, was deutlich als Zeichen von Alterung zu interpretieren ist. Durch das Kippen der Geraden verläuft diese nun nicht weiter durch den Ursprung des Diagramms, sondern schneidet die Amplitudenachse oberhalb des Ursprungs, also verschoben um einen Abschnitt OS, den Offset. Dieser Offset muss also durch eine anregende Schwingung erst überwunden werden, damit überhaupt alterungsbedingt eine Reaktion im Sensor in Form eines Messsignals S messbar ist. Ohne Kompensation dieses Einflusses ermittelt die Vorrichtung also um den Offset OS verfälschte Werte. Based on two real measuring points, the straight line of the sensor element S which is actually present is subsequently drawn into the diagram of FIG. 4, which in the present case has been registered using three measuring points as a straight line and has been linearly extrapolated to the origin of the diagram. In the diagram of Figure 4 has between the metered ideal sensor and the present real sensor the Grader slope M reduced to m, which is clearly interpreted as a sign of aging. By tilting the straight line this now no longer passes through the origin of the diagram, but cuts the amplitude axis above the origin, that is shifted by a section OS, the offset. Thus, this offset must first be overcome by a stimulating oscillation, so that a reaction in the sensor in the form of a measurement signal S can be measured at all due to aging. Without compensating for this influence, the device thus determines values which have been corrupted by the offset OS.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Betreiben eines Zustandssensors für Flüssigkeiten, der als mechanisches Schwingungssystem elekt- risch angeregt wird, da du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Zustandsensor mit mindestens zwei anregenden Eingangsschwingungen (A) unterschiedlicher Spannungspegel beaufschlagt und die jeweils erhaltenen Messsignale (E) mit gespeicherten Werten vergli- chen werden.1. A method for operating a fluid condition sensor which is electrically excited as a mechanical vibration system, characterized in that a state sensor is supplied with at least two stimulating input oscillations (A) of different voltage levels and the respective measured signals (E) obtained with stored values - become.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a du r ch ge ke n n z e i c h n e t , dass voneinander unterschiedliche Spannungspegel angelegt werden, die jeweils gegenüber benachbarten Spannungspegeln maximale Amplituden im Reaktionssignal (E) aufgewiesen haben.2. Method according to claim 1, characterized in that mutually different voltage levels are applied, which in each case have exhibited maximum amplitudes in the reaction signal (E) with respect to adjacent voltage levels.
3. Verfahren nach einem der beiden vorangehenden Ansprüche, da du r ch g e k e n n z e i c hn e t , dass die ein- gangs festgelegten Spannungspegel als Werte ebenfalls als Eingangsgrößen in einem Speicher (D) fest abgelegt und nachfolgend zu Testzwecken an das Sensorelement (S) angelegt werden.3. The method according to one of the two preceding claims, since you r ch gekennzeic et hn, that the initially defined voltage levels are also stored as values as input variables in a memory (D) and subsequently applied to the sensor element (S) for test purposes ,
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da du r ch g e k e n n z e i c hn e t , dass die Auswertung und Ermittlung eines Offsets (OS) quasi graphisch über einen Gradenvergleich erfolgt, indem die zur Kontrolle ermittelten Wertepaare in ein Diagramm der zu- vor ermittelten und gespeicherten Werte eines idealen Sensors eingetragen werden.4. The method according to any one of the preceding claims, since you r ch gekennzeic et hn, that the evaluation and determination of an offset (OS) quasi graphically done via a degree of comparison by the value pairs determined for the control in a diagram of previously determined and stored Values of an ideal sensor can be entered.
5. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, d a du r c h g e k e n n z e i c hn e t , dass ein Offset- Wert (OS) ermittelt wird, indem die ermittelten Wertepaare in einem Amplituden-Amplituden- Diagramm linear bis zu einem Ordinatenabschnitt hin extrapoliert werden.5. Method according to the preceding claim, since it is known that an offset value (OS) is determined by linearizing the determined value pairs in an amplitude-amplitude diagram extrapolated to an ordinate section.
6. Vorrichtung zum Betreiben eines Zustandssensors für6. Apparatus for operating a condition sensor for
Flüssigkeiten, der als mechanisches Schwingungssystem zur Anregung durch ein elektrisches Eingangssignal ausgebildet ist, d a du r ch ge ke n n z e i ch n e t , dass die Vorrichtung dadurch zur Umsetzung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildet ist, dass das Sensorelement (S) zur elektri- sehen Ansteuerung mit einer Eingangsschwingung (A) mindestens zwei unterschiedlicher Amplituden sowie zur Entgegennahme und Auswertung von Messsignalen (E) mit einem Controller (C) verbunden ist, der mit einem nicht flüchtigen Datenspeicher (D) in Verbindung steht, wobei der Datenspeicher (D) zum Speichern der Werte der mindestens zwei unterschiedlichen Amplituden der anregenden Eingangsschwingung (A) mit den zugehörigen ursprünglich ermittelten Messsignalen (E) ausgebildet ist.Liquids, which is designed as a mechanical oscillation system for excitation by an electrical input signal, since it is not shown that the device is designed to implement a method according to any one of the preceding claims, that the sensor element (S) for electrical see control with an input oscillation (A) at least two different amplitudes and for receiving and evaluating measurement signals (E) with a controller (C) is connected to a non-volatile data memory (D) is in communication, the data memory (D) for storing the values of the at least two different amplitudes of the exciting input oscillation (A) with the associated originally determined measuring signals (E).
7. Vorrichtung nach dem vorangehenden Anspruch, da du r c h g e k e n n z e i c hn e t , dass Rechenmittel zur Durchführung einer linearen Extrapolation auf Basis von mindestens zwei Wertepaaren und zur Ausgabe eines Offset-Wertes (OS) vorgesehen sind. 7. Apparatus according to the preceding claim, since there are provided calculating means for performing a linear extrapolation on the basis of at least two value pairs and for outputting an offset value (OS).
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