DE10345253B4

DE10345253B4 - Verfahren zum Betreiben eines Zustandssensors für Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE10345253B4
Application number: DE2003145253
Authority: DE
Inventors: Markus Gilch; Stephan Heinrich
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2003-09-29
Filing date: 2003-09-29
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2023-09-30
Also published as: DE10345253A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Zustandssensors für Flüssigkeiten, bei dem zunächst ein Schwingkörper in einer Flüssigkeit über ein Piezo-Element in eine Schwingzustand versetzt wird und der Frequenzgang des Schwingkörpers ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Zustandssensors für Flüssigkeiten gemäß Patentanspruch 1.

Aus der Kfz-Technik ist die Notwendigkeit bekannt, den Füllstand des Motorenöls zu überwachen. Weiterhin ist bekannt, dass die Qualität des Öls insbesondere durch Verschmutzung mit der Zeit nachlässt. Aus diesem Grund wird üblicherweise bei regelmäßigen Wartungsarbeiten am Kraftfahrzeug das Motorenöl ausgewechselt. Da der Verschleiß des Motorenöls unter anderem auch von dem Fahrstil des Kraftfahrzeugbenutzers abhängt, wird zunehmend dazu übergegangen, die Ölqualität gesondert zu überwachen und den Benutzer darauf hinzuweisen, dass ein Ölwechsel stattzufinden hat.

Neben der ständigen Überwachung des Ölstandes ist die möglichst exakte Vorhersage des Ölwechselzeitpunktes bisher im wesentlichen durch Messungen der Leitfähigkeit oder Permitivität des Öls mit kapazitiven Verfahren erfolgt. Bekannte Ausführungen nach dem kapazitiven Verfahren können bei Ausbildung der Elektrodenstruktur als konzentrische Röhren gleichzeitig zur Füllstandsmessung benutzt werden. Diese haben allerdings den Nachteil, dass im Öl enthaltene Wassertropfen oder Metallpartikel die eng beabstandeten Elektrodenstrukturen kurzschließen können, wodurch dauerhafte Funktionsstörungen hervorgerufen werden. Die Erfahrungen auf diesem Gebiet haben auch gezeigt, dass mit rein kapazitiven Sensoren keine eindeutigen Aussagen über die Lebensdauer und den Zustand eines Öls möglich sind.

Aus der DE 199 44 047 A1 ist es bekannt, einen Piezo-Schwinger in den Strömungskanal eines Ölkreislaufs einzubringen und mit diesem Ultraschallwellen auszusenden und zu empfangen. Durch Laufzeitmessungen bzw. über Auswertungen des Doppler-Effekts werden dabei Rückschlüsse auf die Qualität des Fluids gezogen.

Ähnliches ist aus der DE 41 31 969 bekannt. Zusätzlich ist aus diesem Dokument bekannt, über Leitfähigkeitsmessungen Rückschlüsse auf die Ölqualität zu ziehen.

Aus der DE 697 10 358 T2 (Entgegenhaltung 1) ist ein piezoelektrischer Schwingungssensor bekannt, bei dem ein Piezoelektrisches Element auf einem Schwingkörper angebracht und über entsprechende Elektroden aktivierbar ist.

Aus der AT 006 059 U1 ist eine Messzelle beschrieben, die mit einem Dickenscher-Schwinger arbeitet. Hier dient der Piezokristall als Schwingkörper.

Aus der Publikation von R. C. Asher, Ultrasonic-Sensors, erschienen im Institut of Physics Publishing, Bristol and Philadelphia, 1997, Seiten 107-110 ist bekannt, einen piezobetriebenen Schwingkörper in einer Flüssigkeit bei seiner Resonanzfrequenz zu betreiben und hierzu den Resonanzbetrieb durch eine Rückkopplung über eine zusätzliche Elektrode zu gewährleisten.

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Zustandssensors für Flüssigkeiten vorzusehen, das mit einfachen Mitteln zuverlässig eine Aussage über den Flüssigkeitszustand ergibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Durch das Vorsehen eines Schwingkörpers, der in einer Haltevorrichtung gehalten ist, und das Vorsehen eines Piezo-Elementes an dem Schwingkörper, das über einen Betriebsan schluss betreibbar ist, ist der Schwingkörper über das Piezo-Element in einen Schwingungszustand versetzbar, wobei aus dem Schwingungszustand, den der Schwingkörper mittels Anregung durch das Piezo-Element einnimmt, Rückschlüsse auf den Zustand der jeweiligen Flüssigkeit entnehmbar sind.

Insbesondere durch das einseitige Vorsehen eines Piezo-Elementes an dem Schwingkörper ist der Zustandssensor besonders preisgünstig herstellbar. Dabei vereinfacht sich der Betrieb, wenn das Piezo-Element mehrteilig ausgebildet ist, da dann über den ersten Teil der Schwingkörper zur Schwingung angeregt werden kann und über die weiteren Teile der jeweils eingenommene Schwingungszustand erfassbar ist. Durch die Verwendung mehrteiliger Elektroden kann der Regelkreis vom Messkreis noch besser entkoppelt werden. Damit lassen sich die Phase, die Frequenz und die Amplitude im jeweiligen Schwingungszustand genauer ermitteln.

Durch das Anbringen jeweils eines Piezo-Elementes auf gegenüberliegenden Seiten des Schwingkörpers ist dieser besonders wirkungsvoll betreibbar.

Durch das Vorsehen einer Kapazitätsmessanordnung oder einer Leitfähigkeitsmessanordnung, wobei eine Elektrode ein Betriebsanschluss eines Piezo-Elementes ist und die zweite Elektrode ein Gehäuseteil und/oder die Halterung darstellt, sind weitere Zustandseigenschaften mit einfachen Mitteln ermittelbar.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.
Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Zustandssensors,
2 eine schematische Draufsicht von unten des in 1 dargestellten Zustandssensors,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel des Zustandssensors,
4 ein drittes Ausführungsbeispiel des Zustandssensors,
5 ein viertes Ausführungsbeispiel des Zustandssensors,
6A bis C das vierte Ausführungsbeispiel in Seitenansicht im Betrieb,
7 ein fünftes Ausführungsbeispiel des Zustandssensors,
8a ein Betriebsschema des fünften Ausführungsbeispiels bzw. eine Realisierungsdarstellung,
8b eine Weiterbildung des Ausführungsbeispiels aus 8a
9 bis 11 Messergebnisse am Zustandssensor,
12 ein sechstes Ausführungsbeispiel des Zustandssensors,
13 ein siebtes Ausführungsbeispiel des Zustandssensors,
14 ein achtes Ausführungsbeispiel,
15 eine erste Weiterbildung des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels,
16 eine weitere Ausbildung des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels und
17 eine dritte Weiterbildung des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleich wirkende Gegenstände bezeichnen.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des Zustandssensors. Ein Schwingkörper 1, der beispielsweise aus einem plattenförmigen metallischen Teil besteht, weist beidseitig ein Piezo-Element 2 bzw. ein weiteres Piezo-Element 3 auf. Außerhalb des Bereichs, innerhalb dessen die Piezo-Elemente auf dem Schwingkörper 1 angeordnet sind, liegt der Schwingkörper 1 auf einem Lager 6 auf, das mit einem Teil eines Grundkörpers bzw. einer Grundplatte 7 verbunden ist. Der Schwingkörper 1 selbst wird von einer Befestigung 5 gehalten.
2 zeigt eine Ansicht von unten auf den Schwingkörper 1. Dieser weist neben dem weiteren Piezo-Element 3 eine das Piezo-Element 3 weitgehend bedeckende zweite Betriebselektrode 3a auf. Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist das Schwingelement 1 von einer Befestigung 5 gehalten. Weiterhin weist das Schwingelement 1 im Anschluss an die Befestigung 5 einen Auflagebereich 4 auf, in dem das Schwingelement 1, wie in 1 dargestellt ist, auf dem Lager 6 aufliegt. Gemäß 1 wird das Piezo-Element 2 über die erste Betriebselektrode 2a von einem Signalgenerator 8 angesteuert, der das Piezo-Element 2 somit mit einer Eingangsspannung Uin, die sinusförmig verläuft, betreibt. Eine derartige Anregung bewirkt eine sinusförmige Ausdehnungsänderung des Piezo-Elementes 2, so dass der Schwingkörper 1 in eine sinusförmige Schwingung versetzt wird. Diese sinusförmige Schwingung wiederum bewirkt eine Krafteinwirkung auf das weitere Piezo-Element 3, das an dem Schwingkörper 1 gegenüberliegend zum Piezo-Element 2 angeordnet ist. Der Vollständigkeit halber sei ergänzt, dass die Piezoanordnung auch mehrteilig ausgeführt sein kann, d.h. aus mehr als zwei Teilen, dem Piezoelement 2 und dem weiteren Piezo-Element 3. Hierfür sind auch sogenannte Piezolaminate geeignet. Durch diese Krafteinwirkung auf das weitere Piezo-Element 3 wird in diesem eine elektrische Spannung Uout erzeugt, die über die zweite Betriebselektrode 3a einer Signalmesseinrichtung 9 zugeführt wird. Insbesondere verursacht durch mechanische Verluste wird, wenn davon ausgegangen wird, dass das weitere Piezo-Element 3 mit dem Piezo-Element 2 übereinstimmt, die im weiteren Piezo-Element 3 generierte Spannung nicht mit der Eingangsspannung Uin übereinstimmen, dieser jedoch weitgehend entsprechen. Nunmehr soll im normalen Betrieb der Schwingkörper 1 vollständig in eine Flüssigkeit eingetaucht sein, deren Zustand zu überwachen ist. Durch die Flüssigkeit wird das Schwingungsverhalten des Schwingkörpers 1 stark gedämpft. Wie dies im einzelnen zu bewerten ist, wird an späterer Stelle im einzelnen erläutert.
Für eine möglichst einfache Herstellung weist, wie dies in 3 dargestellt ist, der Schwingkörper 1 nur auf einer Seite ein Piezo-Element 3 auf und ist mit einer Betriebselektrode 2a versehen. Durch das einseitige Auftragen ist eine derartige Anordnung leicht im Siebdruckverfahren herzustellen. Um das Schwingverhalten erfassen zu können, ist nunmehr ein Schalter S vorzusehen, wobei eine Schalterstellung, die in 3 dargestellt ist, vom Signalgenerator 8 eine Anrege- bzw. Eingangsspannung Uin dem Piezo-Elemente 2 eingeprägt wird, so dass der Schwingkörper 1 in einen Schwingzustand versetzt wird, der durch den Pfeil angedeutet ist. Wird nunmehr der Schalter 5 in einen zweiten Schaltzustand versetzt, der durch den Pfeil am Schalter S angedeutet ist, so wird die durch das Schwingen des Schwingkörpers 1 im Piezo-Element 2 erzeugte Ausgangsspannung Uout der Signalmesseinrichtung 9 zugeführt. Um auf den Schalter S verzichten zu können, muss die Betriebselektrode auf dem Piezo-Element 2 mehrteilig ausgebildet sein, was leicht ebenfalls mittels Siebdrucktechnik oder Dünnfilmtechnik herstellbar ist. Dann wird die erste Betriebselektrode beispielsweise mit dem Signalgenerator 8 und der zweite Teil der Betriebselektrode mit der Signalmesseinrichtung 9 verbunden. Hierauf wird ebenfalls zu einem späteren Zeitpunkt unter Bezugnahme auf 8 noch einmal ausführlich eingegangen.
Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel, das im wesentlichen dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht, ist die Grundplatte 7 so ausgebildet, dass sie dem Schwingkörper 1 gegenüberliegt. Der Abstand zwischen dem Schwingkörper 1 und der Grundplatte 7 ist durch die Dicke des Lagers 6 bestimmt, wobei dieser Abstand vermindert durch die Dicke des weiteren Piezo-Elements 3 und der zweiten Betriebselektrode 3a einen Spalt 11 darstellt. In diesem Spalt 11 ist die Strömungsgeschwindigkeit bzw. das Strömungsverhalten der Flüssigkeit, die durch den Zustandssensor überwacht werden soll, beeinflusst. Dies hat zur Auswirkung, dass Veränderungen der zu überwachenden Flüssigkeit sich besonders deutlich auf das Schwingverhalten des Schwingkörpers 1 auswirken. Dies hängt damit zusammen, dass der schwingende Schwingkörper 1 die Flüssigkeit im Spalt verdrängt, was nur durch eine Strömungsbewegung der Flüssigkeit erfolgen kann. Da die Strömungsgeschwindigkeit durch die Viskosität bzw. die Dichte des verdrängten Mediums, das heißt der verdrängten Flüssigkeit, bestimmt wird, wird geprägt durch die Viskosität bzw. die Dichte dieses Mediums die Schwingung des Schwingkörpers 1 in besonderem Maße gedämpft.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Zustandssensors ist in 5 dargestellt. Bei diesem ist der Schwingkörper 1 aus einem runden, plattenförmigen metallischen Körper hergestellt. Der Schwingkörper 1 wird in einem zentralen Bereich im Auflagebereich 4 gehalten. Konzentrisch zum Auflagebereich 4 ist das Piezo-Element 2 auf den kreis- bzw. scheibenförmigen Schwingkörper 1 aufgetragen. Darüber ist, um das Piezo-Element 2 betreiben zu können, wie bereits bei den vorangegangenen Ausführungsbeispielen, die erste Betriebselektrode 2a ausgebildet. Beides kann, wie bereits zuvor erwähnt, mittels Siebdruckverfahren hergestellt werden. Ebenso sind elektrisch leitend verklebte Piezoscheiben (z.B. 0,5 mm Dicke) einsetzbar. In 6 ist dieses Ausführungsbeispiel im Querschnitt dargestellt. Der scheibenförmige Trägerkörper 1 wird zentrisch von der Halterung 5 gehalten, die in diesem Ausführungsbeispiel die gleiche Funktion wie das Lager aufweist, und befestigt den scheibenförmigen Schwingkörper 1 mit der Grundplatte 7. Dem Piezo-Element 2a ist ein weiteres Piezo-Element 3 und eine zweite Betriebselektrode, wie im Ausführungsbeispiel gemäß 4, gegenüberliegend angeordnet, wobei diese scheibenförmige Ausgestaltung ebenfalls einen Spalt gegenüber der Grundplatte 7 bildet.
Durch das Einprägen des sinusförmigen Eingangssignals Uin aus dem Signalgenerator 8 wird, wie in den Teilbildern b und c dargestellt, der Schwingkörper 1 in eine Auf- und Abwärtsbewegung versetzt, so dass in dem Spalt 11 die Flüssigkeit 20 durch die Veränderung des Spaltes 11 in eine Strömungsbewegung versetzt wird, die wiederum durch Viskosität bzw. Dichte beeinflusst ist. Durch die scheibenförmige Ausgestaltung des Schwingkörpers 1 kann der Zustandssensor mit großem Wirkungsgrad mechanisch einfach hergestellt werden, da der Spalt eine große Oberfläche aufweist.
In der Herstellung ist es deutlich einfacher, wenn der scheibenförmige Schwingkörper 1 nur einseitig mit einem Piezo-Element versehen ist. Gemäß 7 ist der Schwingkörper 1 dabei flächig mit einem Piezo-Element 2 versehen, auf dem als konzentrische Ringe die erste Betriebselektrode 2a und die zweite Betriebselektrode 3a mittels Siebdruckverfahren aufgebracht sind. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Mittelbereich 4, der als Auflagebereich geeignet ist, für einen Massekontakt 15 verwendet wird. Im Querschnitt ist dies schematisch in 8a dargestellt. Hierbei ist, um das Piezo-Element 2 sicher in einer Flüssigkeit betreiben zu können, dieses einschließlich der ersten Betriebselektrode 2a und der zweiten Betriebselektrode 3a von einer Kapselung oder Beschichtung 10 umgeben, wobei Anschlussleitungen zum Signalgenerator 8 und zur Signalmesseinrichtung 9 geführt sind. Der metallische und damit elektrisch leitende Schwingkörper 1 dient dabei als Massekontakt. Eine derartige Anordnung wird nunmehr vorteilhafterweise wie im Folgenden beschrieben unter Bezugnahme auf 9 beschrieben. Das Piezo-Element 2 wird vom Signalgenerator 8 mit einem variablen Eingangssignal Uin betrieben. Uin wird dabei in ihrer Frequenz verändert. Das heißt, es wird der Frequenzgang des Schwingkörper 1 ermittelt, wobei die Amplitude des Eingangssignals Uin derart variiert, dass ein mittels der Signalmesseinrichtung erfasstes, über die zweite Betriebselektrode 3a aufgenommenes Messsignal Uout konstant gehalten wird.
Eine zusätzliche vorteilhafte Ausgestaltung ist in 8b dargestellt. Es ist zusätzlich zur ersten Betriebselektrode 2a und der zweiten Betriebselektrode 3a eine Messelektrode 3b vorgesehen. Mit dieser Anordnung ist ein Messsignal unabhängig vom Betriebskreis aus dem Signalgenerator 8 und der Signalmesseinrichtung 9 und den beiden Betriebselektroden auskoppelbar. Das Messsignal an der Messelektrode 3b wird von der Messeinrichtung 12 erfasst und zu Aufbereitung einer Auswerteeinrichtung 13 zugeführt. Diese Maßnahme, eine zusätzliche Messelektrode vorzusehen ist auf alle Ausführungsbeispiele dieser Anmeldung anwendbar.
Dies wird unter Bezugnahme auf 9 erläutert. Bestimmt durch die Resonanzfrequenz des Schwingkörpers und die Fließeigenschaft der den Schwingkörper umgebenden Flüssigkeit kommt es zu Dämpfungsmaxima und -minima des Gesamtsystems in Abhängigkeit der Frequenz des Eingangssignals Uin. Diese Dämpfungsmaxima und -minima sind, wenn die Anordnung als solche konstant bleibt, durch das umgebende flüssige Medium charakterisiert. Beim in 9 dargestellten Beispiel ist die Eingangssignalamplitude in Abhängigkeit von der Frequenz für zwei unterschiedliche Öle, nämlich 15W40 und 0W30 bei gleichbleibender Ausgangssignalamplitude Uout dargestellt.
Im Vergleich der beiden Ölsorten ergibt sich damit eine Verschiebung ΔD der Dämpfungsmaxima, die dem Dichteunterschied entspricht, und ein Amplitudenunterschied ΔUc, der für die konstante Ausgangsspannung Uout notwendige Eingangssignalamplitude Uin, was einem Viskositätsunterschied ΔV gleichkommt. Die praktische Ausgestaltung des Schwingkörpers ist in 8 als Vergrößerung dargestellt. Dabei ist auf dem scheibenförmigen Schwingkörper 1 das Piezo-Element 2 mit einem geringerem Durchmesser ausgebildet. Die zweite Betriebselektrode 3a verläuft aus der Nähe des Randes des Piezo-Elementes 2 fingerförmig zur Mitte der Anordnung. Diese fingerförmige zweite Betriebselektrode umschließend und zu dieser zum Rand des Piezo-Elementes ebenfalls einen Abstand freilassend, ist die erste Betriebselektrode 2a ausgebildet.
In 10 sind Messergebnisse für zwei unbenutzte Öle, nämlich 15W40 und 0W30 und ein über die Dauer von 90,6 Stunden benutztes Öl über der Viskosität bei Raumtemperatur dargestellt. Dabei wurde die Messung zweimal durchgeführt. Das nahe Beieinanderliegen der Messpunkte für diese drei verschiedenen Öle zeigt, dass die Messungen sehr gut reproduzierbar sind und damit eine Aussage aus der Detektion der Spannungen mit hoher Zuverlässigkeit gemacht werden kann. In 11 ist die Abhängigkeit der Viskosität über der Resonanzfrequenz, die der Dichte äquivalent ist, wie unter Bezugnahme auf 9 zuvor erläutert wurde, dargestellt. Das bei dieser Messung verwendete Öl entspricht dem zu 10.
Es ist deutlich zu erkennen, dass die Viskositätsänderungen, die im wesentlichen wegen einer größeren Temperaturabhängigkeit der Viskosität, die zu einer höheren Auflösung der Viskositätskomponente führt, zu einer Änderung der Dämpfung des Schwingkörpers führt. Dies wirkt sich in unterschiedlichen Spannungsamplituden aus. Die dargestellte messbare Verschiebung der Resonanzfrequenzen bei unterschiedlichen Ölsorten wird durch eine Massebeladung bzw. die Dichte beeinflusst. Mit weiterführenden Schaltungen, wie dies nachfolgend unter Bezugnahme auf die 12 bis 14 erfolgt, sind weitere Aussagen möglich. Die gezeigten Messergebnisse verdeutlichen, dass mit der beschriebenen Anordnung der Alterungsprozess einer Flüssigkeit, dargestellt am Beispiel von Motorenöl, gut überwachbar ist.
Zunächst sei erwähnt, dass die Auslenkung des Schwingkörpers 1 geregelt erfolgen sollte. Das heißt, die Eingangs- oder Ausgangsamplitude muss immer gleich groß sein, zumindest bei konstanter Medientemperatur. Nullpunktdriften der Spannungsversorgung können dabei durch modulierte Signale eliminiert werden. Dabei wird zu der regelnden Spannung ein vordefinierter Wert abgezogen.
Folgendes Beispiel sei erwähnt. In gleichen Zeitintervallen wird die konstant zu haltende Spannung am Ausgang auf einen Differenzwert von z. B. 1 V eingeregelt. Dann wird die Eingangsspannung ebenfalls einen Differenzwert aufweisen, der vom Nullpunkt unabhängig ist. Bei den zuvor dargestellten Ausführungsbeispielen bewirkt die stetige Bewegung des Schwingers den Vorteil, dass durch die ständige Bewegung der Flüssigkeit der Bildung von Ablagerungen im Spalt oder auf den Sensoroberflächen entgegengewirkt wird, was eine qualitativ hochwertige Aussage über den Zustand der Flüssigkeit ermöglicht. Der Betrieb mit Wechselstrom, mit der einhergehend eine elektrischen Umpolung der Elektrodenstruktur erfolgt, kommt der Anlagerung von im Öl enthaltenen polaren Teilen entgegen.
Die Messung der Viskosität sollte für eine verbesserte Genauigkeit bei mehreren definierten, möglichst konstanten Temperaturen erfolgen. Dies kann beispielsweise beim Warmlaufen eines Motors erfolgen. Beim Durchschreiten einer Temperatur von z. B. 80°C kann exakt an diesem Arbeitspunkt die Viskosität ermittelt werden. Um mehrere Messpunkte über die Lebensdauer zu gewinnen, können Messwerte z. B. bei definierten Temperaturstufen, z. B. alle 10°C, oder in definierten Temperaturbereichen ermittelt werden. Hierzu ist z. B. auch die Ermittlung eines Mittelwertes der Viskosität über einem Temperaturgradienten oder ein Temperaturfenster von z. B. wenigen Grad K möglich. Damit kann ein viskositätsindexäquivalenter Messwert ermittelt werden. Hierfür ist allerdings auf jeden Fall der Einsatz eines präzisen Temperatursensors in unmittelbarer Nähe zum Viskositätssensor nötig, d. h. der Temperatursensor sollte eine Genauigkeit von +/– 0,2 bis 0,5° C aufweisen.
Weitere Aussagen über den Zustand einer Flüssigkeit, wie beispielsweise einem Öl, vornehmen zu können, sind mittels weiter Ausgestaltungen des Zustandssensors gemäß der 12 bis 14 möglich. Diese Ausgestaltungen beruhen auf dem unter Bezugnahme auf 6 beschriebenen Ausführungsbeispiel.
Die erste Betriebselektrode 2a und die zweite Betriebselektrode 3a stellen eine leitende Schicht dar. Diese bilden gegenüber der Grundplatte 7 einen Kondensator, wobei ein Abstand zwischen dem Schwingkörper 1 und der Grundplatte 7 durch das Lager 6 gehalten wird. Nunmehr ist die Messung eines komplexen Widerstands zwischen den Elektroden 2a, 3a einerseits und der Grundplatte 7 andererseits, die den Massekontakt 15 bildet, möglich. Das heißt, es kann mittels einer Leitfähigkeitsmessung und einer Kapazitätsmessung die Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit, die sich zwischen den Elektroden 2a, 3a und der Grundplatte 7 befindet, ermittelt werden. Aus diesen Werten lassen sich Aussagen über den Zustand der überprüften Flüssigkeit machen.
Es ist leicht verständlich, dass beispielsweise beim Betrieb einer Brennkraftmaschine im Schmiermittel, nämlich dem Öl, Schwebteile hinterlassen werden. Diese verändern sowohl die Leitfähigkeit als auch die Dielektrizitätskonstante des Öls. Gemäß der weiteren Ausgestaltung, wie sie in 13 dargestellt ist, kann durch eine geeignete Umkapselung des Schwingkörpers die Leitfähigkeit bzw. die Kapazität gegenüber dieser Umkapselung zum Erhalt eines besseren Messwertes verwendet werden.
In einer weiteren Ausgestaltung, wie sie in 14 dargestellt ist, ist auf der Oberfläche des Schwingkörpers 1 das Piezo-Element zweiteilig, d. h. als Piezo-Element 2 und weiteres Piezo-Element 3, ausgebildet. Auf diese sind dann jeweils mit entsprechenden Kontakten für die Signale Uin und Uout eine jeweilige erste Betriebselektrode 2a und eine zweite Betriebselektrode 3a angeordnet. Die Piezo-Elemente mit ihren Betriebselektroden sind dicht verkapselt. Auf der Grundplatte 7 ist eine Isolierschicht 16 aufgebracht. Auf dieser eine geteilte leitende Schicht 17 angeordnet. Ein Teils ist mit ei nem Masseanschluss 15 und der andere Teil mit einem weiteren Kontakt 18 versehenen. Auf dem mit dem Masseanschluss 15 verbundene Teil der leitenden Schicht 17 ist der leitende Schwingkörper 1 über das leitende Lager 6 getragen. Durch den durch das Lager 6 gehaltenen Abstand bildet somit der Schwingkörper 1 gegenüber dem Leiter 17 eine Kapazität C bzw. Elektroden zur Ermittlung des komplexen Widerstandes des Öls aus. Bei dieser Ausgestaltung weist folglich der Schwingkörper 1 das Massepotential auf.
Die zuvor erläuterten Ausgestaltungen des Zustandssensors bzw. die beschriebenen Messverfahren lassen sich selbstverständlich vom scheibenförmigen Schwingungskörper auf den beispielsweise unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen rechteckförmigen Schwingungskörper übertragen.
Gemäß den 15, 16 und 17 ist die Anwendung des Zustandssensors als Füllstandsmesser dargestellt. Dabei ist jeweils unter dem Teilbild a der Zustand einer maximalen Füllstandshöhe der Flüssigkeit 20 und unter dem Teilbild b ein Füllstand der Flüssigkeit 20 unterhalb eines Grenzwertes dargestellt. In den Teilbildern a ist beispielhaft unter Verwendung eines rechteckförmigen Schwingungskörpers in unterschiedlichen Halteranordnungen der Schwingungskörper jeweils vollständig von der Flüssigkeit 20 umgeben. Solange dies beibehalten ist, kann auch bei Veränderung der Füllstandshöhe diese Änderung keinen Einfluss auf das Schwingverhalten des Zustandssensors ausüben.
Sobald der Zustandssensor, d. h. der Schwingkörper 1, nicht mehr oder nur noch unvollständig von der Flüssigkeit umgeben ist, wird sich das Schwingverhalten signifikant ändern. Zwischen einem vollständigen Umgeben des Schwingkörpers und keinem Umgeben des Schwingkörpers 1 von der Flüssigkeit 20 gibt es eine Übergangsphase, in der sich das Schwingverhalten dramatisch verändert. Dies kann dazu ausgenutzt werden, eine Füllstandsänderung bei Unterschreiten eines Grenzwertes anzu zeigen. Dies bedeutet, wenn der Schwingkörper 1 in Höhe eines minimal zulässigen Ölstands, Schmieröl einer Brennkraftmaschine beispielsweise, in der Ölwanne angeordnet ist, wird, sobald die Füllstandshöhe etwa auf gleicher Höhe des Schwingkörpers 1 angelangt ist, das Schwingverhalten sich stark verändern. Dies kann dann zu einer Signalisierung ausgewertet werden, die anzeigt, dass der Füllstand zu überprüfen wäre. Sobald der Schwingkörper 1 vollständig außerhalb der Flüssigkeit, d. h. des Öls, 20 ist, wird sich keine Veränderung des Schwingverhaltens mehr ergeben. Dieser Wert kann dann als Alarmsignal, dass unbedingt Öl nachzufüllen ist, ausgenutzt werden. Neben den in den 15 bis 17 dargestellten Anordnungen sind selbstverständlich eine Vielzahl von Variationen möglich. Genau so gut ist auch der scheibenförmig Sensor als Füllstandssensor anwendbar.
Je nach räumlicher Anordnung des Sensors bzw. des Schwingkörpers 1 in der Ölwanne, eines Kraftfahrzeugs mit Brennkraftmaschine beispielsweise, kann dieser Sensor auch zum Erfassen von Beschleunigungen bzw. Schwappbewegungen des Öls verwendet werden. Beschleunigungen überlagern sich als Gleichstromanteil mit den verhältnismäßig hochfrequenten Sensorsignalen. Aus der Erfassung eines Ölschwappens heraus könnte beispielsweise eine Grenzsituation für den Fahrzustand eines Fahrzeugs verwendet werden. Zusätzlich kann der Schwingkörper dazu verwendet werden, bei einem abgestellten Fahrzeug durch das ständige Anlegens eines Signals mit einer geeigneten Frequenz dieser als Ultraschall-Signalgeber zum Abschrecken von Tieren, wie beispielsweise Marder, zu verwenden.
Mit den zuvor beschriebenen Messungen des komplexen Widerstandes des Öls lassen sich beispielsweise äquivalente Parameter zur sogenannte "total acid number" (TAN) oder der sogenannte "total base number" (TBN) ermitteln.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Zustandssensors für Flüssigkeiten, bei dem zunächst ein Schwingkörper in einer Flüssigkeit über ein Piezo-Element in eine Schwingzustand versetzt wird und der Frequenzgang des Schwingkörpers ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schwingkörper mittels eines Eingangssignals über eine erste Betriebselektrode und ein erstes Piezo-Element angeregt wird und über ein zweites Piezo-Element und eine zweite Betriebselektrode ein Messsignal erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Frequenzgang in der Weise ermittelt wird, dass bei Veränderung der Frequenz des Eingangssignals die Amplitude des Eingangssignals derart verändert wird, dass das Messsignal konstant gehalten wird.