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DE10350084A1 - Sensor e.g. for recording filling level status of oil in vehicle engine, measures fluid in container with disk-shaped piezo element, and arranged having its axle running perpendicularly to interface between fluid - Google Patents

Sensor e.g. for recording filling level status of oil in vehicle engine, measures fluid in container with disk-shaped piezo element, and arranged having its axle running perpendicularly to interface between fluid Download PDF

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DE10350084A1
DE10350084A1 DE10350084A DE10350084A DE10350084A1 DE 10350084 A1 DE10350084 A1 DE 10350084A1 DE 10350084 A DE10350084 A DE 10350084A DE 10350084 A DE10350084 A DE 10350084A DE 10350084 A1 DE10350084 A1 DE 10350084A1
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DE
Germany
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fluid
determined
sensor device
piezo element
piezoelectric element
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Markus Gilch
Anton Dr. Grabmaier
Hans-Peter Göttler
Alexander von Dr. Jena
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Continental Automotive GmbH
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Siemens Corp
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Abstract

The sensor measures a fluid (2) in a container (1) with a disk-shaped piezo element (7), and arranged having its axle running perpendicularly to a interface (10) between the fluid. The sensor records the echo of a wave from a resonant vibration of the piezo element after a given length of time which is used to calculate the fill level of the fluid. An independent claim is included for a method for operating the sensor.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Füllstandes eines Fluids in einem Behälter und ein Verfahren zum Betreiben der Sensoreinrichtung. Eine derartige Sensoreinrichtung wird insbesondere eingesetzt zum Erfassen des Füllstandes eines Motoröls in einer Brennkraftmaschine. So wird der Füllstand des Motoröls in einer Brennkraftmaschine überwacht, um sicherzustellen, dass die Brennkraftmaschine ausreichend mit Öl versorgt wird. Eine mangelnde Versorgung der Brennkraftmaschine mit Öl kann zu deren Überhitzung und letztlich deren Zerstörung führen.The The invention relates to a sensor device for detecting a fill level a fluid in a container and a method of operating the sensor device. Such Sensor device is used in particular for detecting the filling level an engine oil in an internal combustion engine. So the level of the engine oil in one Internal combustion engine monitors, to ensure that the internal combustion engine is sufficiently supplied with oil. A lack of supply of the internal combustion engine with oil can their overheating and ultimately their destruction to lead.

Aus der DE 43 28 792 C1 ist eine Detektoreinrichtung zum Detektieren von Flüssigkeitsfüllständen mit einem als Sende/Empfangswandler dienenden Ultraschallwandler und einem Schallreflektor, der die von dem Ultraschallwandler ausgesandte Schallenergie auf den Ultraschallwandler zurückreflektiert. Der Ultraschallwandler ist als piezoelektrisches Element ausgebildet. Die Detektoreinrichtung umfasst ferner eine U-förmige Gabel nach dem Prinzip einer Gabelschranke. Der Ultraschallsender ist auf einer Gabel angeordnet und der Reflektor ist auf der gegenüberliegenden Gabel angeordnet. Je nachdem, ob sich Fluid zwischen den beiden Gabeln befindet oder ob sich z.B. Gas zwischen den beiden Gabeln befindet, ergeben sich unterschiedliche Laufzeiten für die zwischen dem Sender und Empfänger laufende Schallwelle, welche dann zur Beurteilung des Füllstandes elektrisch auswertbar sind. Eine derartige Detektoreinrichtung ist jedoch darauf beschränkt, Messsignale zu liefern, die eine Aussage darüber erlauben, ob sich Flüssigkeit zwischen den beiden Gabeln befindet, oder ob sich lediglich ein gasförmiges Medium zwischen ihnen befindet.From the DE 43 28 792 C1 is a detector device for detecting liquid levels with an ultrasonic transducer serving as a transmitting / receiving transducer and a sound reflector, which reflects the sound energy emitted by the ultrasonic transducer back to the ultrasonic transducer. The ultrasonic transducer is designed as a piezoelectric element. The detector device further comprises a U-shaped fork according to the principle of a fork barrier. The ultrasonic transmitter is arranged on a fork and the reflector is arranged on the opposite fork. Depending on whether there is fluid between the two forks or if, for example, there is gas between the two forks, different transit times result for the sound wave running between the transmitter and the receiver, which can then be evaluated electrically to evaluate the level. However, such a detector device is limited to providing measurement signals that allow a statement as to whether there is liquid between the two forks or whether there is only a gaseous medium between them.

Bei verschiedenen Anwendungsfällen ist es notwendig, den Füllstand absolut zu bestimmen und nicht lediglich eine Aussage zu erhalten, ob der Füllstand ein gewisses Niveau überschritten oder unterschritten hat.at different applications it is necessary to fill the level absolutely to determine and not just to get a statement whether the level exceeded a certain level or has fallen short of.

Aus der DE 101 12 433 A1 ist eine Messanordnung für eine Viskositätsmessung von Flüssigkeiten bekannt. Die Anordnung umfasst einen Behälter, der sich vollständig in der zu messenden Flüssigkeit befindet und über Öffnungen mit der Flüssigkeit kommuniziert. In dem Behälter ist ein scheibenförmiges piezoelektrisches Element angeordnet. Das Piezoelement hat zwei elektrische Kontaktstellen, die mit elektrischen Zuführleitungen kontaktiert sind, die als Federelemente ausgebildet sind. Das Piezoelement ist durch entsprechende elektrische Ansteuerung zu Scherschwingungen anregbar. Die Viskosität des Fluids, das sich in dem Behälter befindet, wird anhand einer geänderten Resonanzfrequenz des Piezoelements ermittelt.From the DE 101 12 433 A1 a measuring arrangement for a viscosity measurement of liquids is known. The arrangement comprises a container which is completely in the liquid to be measured and communicates via openings with the liquid. In the container, a disc-shaped piezoelectric element is arranged. The piezoelectric element has two electrical contact points, which are contacted with electrical supply lines, which are designed as spring elements. The piezoelectric element can be excited by appropriate electrical control to shear oscillations. The viscosity of the fluid that is in the container is determined based on a changed resonant frequency of the piezoelectric element.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Sensoreinrichtung zu schaffen, die geeignet ist, zu einem präzisen Erfassen des Füllstands von unterschiedlichen Fluiden bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen.The The object of the invention is to provide a sensor device, which is suitable for a precise Recording the level of different fluids under different environmental conditions.

Ferner ist die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der Sensoreinrichtung zu schaffen, das ein präzises Erfassen des Füllstandes von unterschiedlichen Fluiden bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen gewährleistet.Further the object of the invention is a method for operating the sensor device to create a precise one Detecting the level of different fluids under different environmental conditions guaranteed.

Die Erfindung zeichnet sich gemäß des Aspekts der Sensoreinrichtung aus durch eine Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Füllstands eines Fluids in einem Behälter mit einem scheibenförmigen Piezoelement, das so angeordnet ist, dass seine Achse im wesentlichen senkrecht zu einer Trennfläche verläuft zwischen dem Fluid, in dem das Piezoelement anordenbar ist, und einem weiteren Fluid oder Gas. Die Sensoreinrichtung umfasst ferner einen Reflektor, der im wesentlichen senkrecht zu der Achse des Piezoelements zugewandt zu der Scheibenober fläche des Piezoelements angeordnet ist, die abgewandt ist von der Trennfläche, und der so zu dem Piezoelement beabstandet ist, dass innerhalb des Füllstandsbereichs, der von der Sensoreinrichtung zu erfassen ist, das Echo eines Wellenpakets, das für eine vorgegebene Zeitdauer durch die axiale Resonanzschwingung des Piezoelements erzeugt wird und an dem Reflektor reflektiert wird, vollständig wieder bei dem Piezoelement eingetroffen ist und danach eine Abklingzeit abgelaufen ist, bevor das Echo des gleichzeitig ausgesandten Wellenpakets, das an der Trennfläche reflektiert wird, bei dem Piezoelement eintrifft. Die axiale Resonanzschwingung des Piezoelements, die auch als Dickenschwingungsmodus bezeichnet wird, kann einfach durch Anregen des Piezoelements mit einer vorgegebenen Resonanzfrequenz erzeugt werden.The Invention is characterized according to the aspect the sensor device by a sensor device for detecting a level a fluid in a container with a disc-shaped Piezoelectric element which is arranged so that its axis substantially perpendicular to a separation surface extends between the fluid in which the piezoelectric element can be arranged, and another fluid or gas. The sensor device further comprises a reflector which is substantially perpendicular to the axis of the piezoelectric element facing the disc top surface of the piezoelectric element is arranged, which is remote from the separating surface, and which is so spaced from the piezoelectric element, that within the filling level region, to be detected by the sensor device, the echo of a wave packet, that for a predetermined period of time by the axial resonance vibration of Piezo element is generated and is reflected at the reflector, Completely arrived again at the piezo element and then a cooldown has elapsed before the echo of the simultaneously transmitted wave packet, that at the interface is reflected, arrives at the piezoelectric element. The axial resonance vibration of the piezoelectric element, which is also referred to as a thickness vibration mode can be, simply by exciting the piezoelectric element with a predetermined Resonant frequency can be generated.

Die Sensoreinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Schallgeschwindigkeit beim Betrieb der Sensoreinrichtung einfach mittels Auswertens des Echos des Wellenpakets ermittelt werden kann, das an dem Reflektor reflektiert wird. Sie zeichnet sich ferner dadurch aus, dass die beiden Echos zeitlich nacheinander auf das Piezoelement auftreffen und so eine eindeutige Signaltrennung ermöglicht ist.The Sensor device is characterized by the fact that the speed of sound during operation of the sensor device simply by evaluating the echo the wave packet can be detected, which reflects on the reflector becomes. It is also characterized by the fact that the two echoes chronologically hit the piezoelectric element one after the other and so on clear signal separation allows is.

Der Abstand des Reflektors ist zu wählen abhängig von dem in den zu messenden Fluiden möglicherweise vorkommenden Schallgeschwindigkeiten, von dem zu erfassenden Füllstandsbereich und von der Zeitdauer der Anregung des Wellenpakets. Die Zeitdauer der Anregung des Wellenpakets hängt ab von der Frequenz der axialen Resonanzschwingung und der Anzahl der erzeugten Wellen. Die Abklingzeit ist für die Frequenz der axialen Resonanzschwingung, die Zeitdauer der Anregung des Wellenpakets und die unterschiedlichen in dem Behälter befindlichen Fluide gegeben und vorzugsweise durch Versuche ermittelt.The distance of the reflector is to be selected depending on the sound velocities possibly occurring in the fluids to be measured, on the level range to be detected and on the duration of the wave packet excitation. The The duration of the excitation of the wave packet depends on the frequency of the axial resonance oscillation and the number of waves generated. The decay time is given for the frequency of the axial resonance oscillation, the time duration of the excitation of the wave packet and the different fluids in the container, and preferably determined by tests.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Beruhigungskörper vorgesehen, der mit dem Fluid in dem Behäl ter kommuniziert, und in dem das Piezoelement angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass insbesondere bei stark zeitlich schwankenden Füllständen, also bei einem hin und her Schwappen des Fluids, ein präziseres Erfassen des tatsächlichen Füllstandes des Behälters ermöglicht ist. Der Beruhigungskörper ist vorzugsweise rohrförmig ausgebildet und sein Querschnitt parallel zu der Scheibenebene des Piezoelements ist deutlich kleiner als der entsprechende Querschnitt des Behälters.In an advantageous embodiment of the invention, a sedative body is provided the ter with the fluid in the Behäl communicates, and in which the piezoelectric element is arranged. this has the advantage that, in particular in the case of highly time-varying filling levels, ie with a back and forth sloshing of the fluid, a more precise Capture the actual filling level of the container is possible. The calming body is preferably tubular formed and its cross section parallel to the disc plane of the Piezo element is significantly smaller than the corresponding cross section of the container.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Beruhigungskörper mit mindestens einer Drossel versehen, über die er mit dem Fluid in dem Behälter kommuniziert und die so ausgebildet ist, dass zeitlich schnelle Schwankungen des Füllstands in dem Behälter gedämpft werden. Dadurch kann einfach bei einem sehr ausgeprägten hin und her Schwappen des Fluids ein präzises Erfassen des Füllstands erfolgen.In a further advantageous embodiment of the invention is the calming body provided with at least one throttle, through which he can with the fluid in the container communicates and which is designed to be fast in time Fluctuations in the level in the container muted become. This can be easy with a very pronounced down and sloshing of the fluid a precise Recording the level respectively.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Sensoreinrichtung ist der Beruhigungskörper doppelwandig ausgebildet und zwischen seinen Wänden ist ein gasförmiges Medium eingebracht. Dies hat den Vorteil, dass die von dem Piezoelement erzeugten Schallwellen an den Wänden sehr gut reproduzierbar reflektiert werden unabhängig von dem aktuellen Füllstand des Fluids an der Außenwand des Beruhigungskörpers. Dadurch ist das jeweilige Echo wesentlich unabhängiger von dem aktuellen Füllstand des Fluids außerhalb des Beruhigungskörpers. Dies ist somit dann von besonderem Vorteil, wenn das Fluid in dem Behälter stark hin und her schwappt und die Amplitude der dadurch zeitlich resultierenden Füllstandsschwingung an der äußeren Wand des Beruhigungskörpers wesentlich höher ist als die an der Innenwand des Beruhigungskörpers.In a further advantageous embodiment of the sensor device the tranquilizer is double-walled formed and between its walls is a gaseous medium brought in. This has the advantage that the generated by the piezoelectric element Sound waves on the walls be reflected very well reproducible regardless of the current level of the fluid on the outer wall of the Calming body. As a result, the respective echo is much more independent of the current level the fluid outside of the calming body. This is thus of particular advantage when the fluid in the container strong back and forth spills and the amplitude of the time resulting level vibration on the outer wall of the calming body significantly higher is as the on the inner wall of the sedative body.

Besonders vorteilhaft ist, wenn das gasförmige Medium Luft ist.Especially is advantageous if the gaseous Medium air is.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Beruhigungskörper konisch ausgebildet und zwar so, dass sich der Durchmesser des Beruhigungskörpers weg von dem Piezoelement und hin zu der Trennfläche verjüngt. Dies hat den Vorteil, dass bei niedrigem Füllstand das Piezoelement in eine große Fläche seine Schallenergie einkoppeln kann und damit die Güte des Messsignals des Echos steigt, da bei einem niedrigen Pegelstand der Anteil der Reflexion an den Wänden des Beruhigungskörpers geringer ist. Mit steigendem Füllstand nimmt jedoch auch die Dämpfung des ausgesandten Wellenpakets zu und die somit dann kleinere zur Verfügung stehende Trennfläche wirkt fokussierend im Zusammenhang mit den konisch zusammen laufenden Wänden des Beruhigungskörpers und führt so zu einer Verbesserung der Messsignalgüte, also des Echos.In a further advantageous embodiment of the invention is the calming body conical and in such a way that the diameter of the sedative body away tapered from the piezoelectric element and towards the interface. This has the advantage that at low level the piezo element into a large one area can inject its sound energy and thus the quality of the measurement signal of the echo rises, since at a low water level the proportion of Reflection on the walls of the calming body is lower. With increasing level but also takes the attenuation of the transmitted wave packet to and thus then smaller to Available interface Focussing in connection with the conically converging walls of the calming body and leads so to an improvement of the measurement signal quality, so the echo.

Besonders vorteilhaft ist, wenn der Beruhigungskörper so konisch zuläuft, dass sein freier Durchmesser bei dem maximal zu erfassenden Füllstand in etwa dem des scheibenförmigen Piezoelements entspricht.Especially is advantageous if the sedative body is tapered so that its free diameter at the maximum level to be detected in about that of the disc-shaped Piezo element corresponds.

Gemäß des weiteren Aspekts der Erfindung betreffend das Verfahren zum Betreiben der Sensoreinrichtung zeichnet sich die Erfindung durch ein Verfahren aus, bei dem das scheibenförmige Piezoelement für eine vorgegebene Anzahl an axialen Resonanzschwingungen mit diesen angeregt wird und so Schallwellen in dem Fluid erzeugt werden. Anschließend wird das Piezoelement als Empfänger der reflektierten Schallwellen betrieben. Die Laufzeit der Welle hin zu der Trennfläche und zurück wird abhängig von dem Aussenden der Schallwelle und dem Eintreffen der reflektierten Schallwelle ermittelt. Die Laufzeit der Schallwelle hin zu dem Reflektor und zurück wird abhängig von dem Aussenden der Schallwelle und dem Eintreffen der reflektierten Schallwelle ermittelt. Abhängig von den ermittelten Laufzeiten wird der Füllstand des Fluids ermittelt.According to the other Aspect of the invention concerning the method for operating the Sensor device, the invention is characterized by a method off, in which the disc-shaped Piezo element for a predetermined number of axial resonance vibrations with these is excited and so sound waves are generated in the fluid. Subsequently, will the piezo element as a receiver operated the reflected sound waves. The duration of the wave towards the interface and back becomes dependent from the emission of the sound wave and the arrival of the reflected Sound wave determined. The duration of the sound wave towards the reflector and back becomes dependent from the emission of the sound wave and the arrival of the reflected Sound wave determined. Dependent From the determined transit times, the level of the fluid is determined.

So kann einfach auch bei unterschiedlicher Dichte des Fluids der Füllstand präzise erfast werden.So can easily even at different density of the fluid level precise be erfast.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Temperatur des Fluids erfasst. Abhängig von der Laufzeit der Schallwelle hin zu dem Reflektor und zurück und der Temperatur des Fluids wird dann die Viskosität des Fluids ermittelt. Dies ermöglicht ein einfaches Ermitteln der Viskosität des Fluids.In an advantageous embodiment of the method, the temperature of the fluid detected. Dependent from the duration of the sound wave towards the reflector and back and the Temperature of the fluid is then determined the viscosity of the fluid. This allows a simple determination of the viscosity of the fluid.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Piezoelement zu Radialschwingungen angeregt in einem vorgegebenen Frequenzbereich. Die Resonanzfrequenz einer radialen Resonanzschwingung des Piezoelements wird ermittelt, die Amplitude der radialen Resonanzschwingung wird ermittelt und abhängig von der Amplitude der radialen Resonanzschwingung wird die Viskosität des Fluids ermittelt. Dadurch kann die Viskosität des Fluids auf einfache und sehr präzise Art und Weise neben dem Füllstand mit ein und derselben Sensoreinrichtung ermittelt werden.In a further advantageous embodiment of the invention, the piezoelectric element is excited to radial vibrations in a predetermined frequency range. The resonant frequency of a radial resonance oscillation of the piezoelectric element is determined, the amplitude of the radial resonance oscillation is determined, and depending on the amplitude of the radial resonance oscillation, the viscosity of the fluid is determined. Thereby, the viscosity of the fluid in a simple and very precise manner in addition to the level with one and the same Sensorein be determined direction.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Piezoelement zu Radialschwingungen angeregt in einem vorgegebenen Frequenzbereich. Die Resonanzfrequenz einer radialen Resonanzschwingung des Piezoelements wird ermittelt, die Schwinggüte der radialen Resonanzschwingung wird ermittelt und abhängig von der Schwinggüte wird die Viskosität des Fluids ermittelt. Dadurch kann die Viskosität des Fluids auf einfache und sehr präzise Art und Weise neben dem Füllstand mit ein und derselben Sensoreinrichtung ermittelt werden.In a further advantageous embodiment of the invention is the Piezo element excited to radial vibrations in a given Frequency range. The resonance frequency of a radial resonance vibration of the piezoelectric element is determined, the quality of the vibration of the radial resonance vibration is determined and dependent from the vibration quality is the viscosity of the fluid determined. This allows the viscosity of the fluid to be simple and easy very precise Way next to the level be determined with one and the same sensor device.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Füllstand und die Viskosität alternierend ermittelt werden. Das Verhältnis von Radial- zu Axialresonanz liegt bevorzugt zwischen 1:5 bis 1:20, was durch entsprechendes Dimensionieren des Durchmessers und der Dicke des scheibenförmigen Piezoelements erreicht werden kann.Especially It is advantageous if the level and the viscosity be determined alternately. The ratio of radial to axial resonance is preferably between 1: 5 to 1:20, which by appropriate dimensioning the diameter and the thickness of the disk-shaped piezoelectric element achieved can be.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:embodiments The invention are explained below with reference to the schematic drawings. It demonstrate:

1 eine Sensoreinrichtung in einem Behälter 1, 1 a sensor device in a container 1 .

2 eine erste Ausführungsform der Sensoreinrichtung, 2 a first embodiment of the sensor device,

3 eine zweite Ausführungsform der Sensoreinrichtung, 3 a second embodiment of the sensor device,

4 eine dritte Ausführungsform der Sensoreinrichtung und 4 a third embodiment of the sensor device and

5 ein Ablaufdiagramm eines Programms zum Betreiben der Sensoreinrichtung. 5 a flowchart of a program for operating the sensor device.

Elemente gleicher Konstruktion und Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.elements same construction and function are cross-figurative with the same Reference number marked.

Eine Sensoreinrichtung ist in einem Behälter 1 (1) angeordnet, in dem sich ein Fluid 2 befindet. Das Fluid ist bevorzugt Öl und Kraftstoff. Die Sensoreinrichtung umfasst einen Beruhigungskörper 5, in dem ein scheibenförmiges Piezoelement in einem vorgegebenen Abstand zu einem Reflektor 9 angeordnet ist. Das Piezoelement 7 und auch der Reflektor 9 befinden sich vollständig in dem Fluid 2, dessen Trennschicht zu einem gasförmigen Medium mit 10 bezeichnet ist. Alternativ kann die Trennschicht auch hin zu einem anderen Fluid sein.A sensor device is in a container 1 ( 1 ), in which there is a fluid 2 located. The fluid is preferably oil and fuel. The sensor device comprises a calming body 5 in which a disk-shaped piezoelectric element is at a predetermined distance from a reflector 9 is arranged. The piezo element 7 and also the reflector 9 are completely in the fluid 2 , whose separation layer to a gaseous medium with 10 is designated. Alternatively, the separation layer may also be toward another fluid.

Der Beruhigungskörper 5 kommuniziert mit dem Behälter 1 mittels erster und zweiter Ausnehmungen 12, 13, die bevorzugt als Drosseln ausgebildet sind. Der Reflektor 9 ist im wesentlichen senkrecht zu der Achse des Piezoelements zugewandt zu der Scheibenoberfläche des Piezoelements 7 angeordnet, die abgewandt ist von der Trennfläche 10. Der Reflektor 9 ist so zu dem Piezoelement 7 beabstandet, dass innerhalb des Füllstandsbereichs, der von der Sensoreinrichtung zu erfassen ist, das Echo des Wellenpakets, das für eine vorgegebene Zeitdauer durch die axiale Resonanzschwingung des Piezoelements erzeugt wird und an dem Reflektor 9 reflektiert wird, vollständig wieder bei dem Piezoelement 7 eingetroffen ist und danach eine Abklingzeit abgelaufen ist, bevor das Echo des gleichzeitig ausgesandten Wellenpakets, das an der Trennfläche 10 reflektiert wird, bei dem Piezoelement 7 eintrifft. Werden pro Wellenpaket beispielsweise zwischen 5 und 10 Schallwellen bei einer Frequenz von 2 MHz erzeugt und betragen die möglichen Schallgeschwindigkeiten zwischen 1.300 m/s und 1.600 m/s, so beträgt beispielsweise der Abstand in etwa 10 mm. Die axiale Eigenfrequenz des Piezoelements 7 hängt ab von dessen Dicke.The calming body 5 communicates with the container 1 by means of first and second recesses 12 . 13 , which are preferably designed as throttles. The reflector 9 is substantially perpendicular to the axis of the piezoelectric element facing the disk surface of the piezoelectric element 7 arranged, which is remote from the separation surface 10 , The reflector 9 is so to the piezo element 7 spaced such that within the fill level region to be detected by the sensor device, the echo of the wave packet generated for a predetermined period of time by the axial resonance vibration of the piezo element and at the reflector 9 is reflected, completely back to the piezoelectric element 7 has arrived and then a cooldown has expired before the echo of the simultaneously transmitted wave packet, that at the interface 10 is reflected in the piezoelectric element 7 arrives. If, for example, between 5 and 10 sound waves are generated per wave packet at a frequency of 2 MHz and the possible sound velocities are between 1,300 m / s and 1,600 m / s, the distance is approximately 10 mm, for example. The axial natural frequency of the piezoelectric element 7 depends on its thickness.

Durch den Beruhigungskörper wird die Amplitude eines möglichen Hin- und Herschwappens des Fluids 2 im Vergleich zu der Amplitude in dem Behälter 1 entsprechend dem Verhältnis des Durchmessers des Beruhigungskörpers 5 und des Behälters 1 verringert. Darüber hinaus bewirken auch die gegebenenfalls mit Drosseln versehenen Ausnehmungen 12 und 13 eine Beruhigung des Füllstandes. Dies führt dazu, dass der Füllstand des Fluids auch bei stark hin und her schwappendem Fluid präzise bestimmt werden kann. Das genaue Vorgehen zum Ermitteln des Füllstandes wird weiter unten anhand des Ablaufdiagramms der 5 beschrieben.By the calming body, the amplitude of a possible back and forth slosh of the fluid 2 compared to the amplitude in the container 1 according to the ratio of the diameter of the calming body 5 and the container 1 reduced. In addition, the optionally provided with chokes recesses effect 12 and 13 a calming of the filling level. This results in that the level of the fluid can be precisely determined even with strongly sloshing fluid back and forth. The exact procedure for determining the level is described below with reference to the flowchart of the 5 described.

Eine zweite Ausführungsform der Sensoreinrichtung (3) hat gegebenenfalls einen Zusatzreflektor 11. Dadurch ist eine zweite Referenzstrecke neben der von dem Piezoelement 7 hin zu dem Reflektor 9 geschaffen mit der Folge, dass auf zwei unabhängige Arten gegebenenfalls die Schallgeschwindigkeit in dem Fluid ermittelt werden kann. In dem zweiten Ausführungsbeispiel ist der Reflektor 9 beabstandet zu dem Boden des Beruhigungskörpers 5 angeordnet. Der Zusatzreflektor kann sich um einen Teil des Umfangs des Beruhigungskörpers 5 oder auch um den gesamten Umfang erstrecken.A second embodiment of the sensor device ( 3 ) optionally has an additional reflector 11 , As a result, a second reference path is next to that of the piezoelectric element 7 towards the reflector 9 created with the result that, if appropriate, the speed of sound in the fluid can be determined in two independent ways. In the second embodiment, the reflector 9 spaced from the bottom of the calming body 5 arranged. The auxiliary reflector may be around a part of the circumference of the calming body 5 or extend around the entire circumference.

3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Sensoreinrichtung. Der Beruhigungskörper 5 ist bei dieser Ausführungsform doppelwandig ausgeführt. In dem Zwischenraum 15 zwischen den Wänden ist ein gasförmiges Medium, bevorzugt Luft, eingebracht. Dies hat zur Folge, dass von dem Piezoelement 7 ausgesandte Schallwellen unabhängig von dem aktuellen Füllstand außerhalb des Beruhigungskörpers reflektiert werden. So kann insbesondere bei starkem Schwappen des Fluids 2 in dem Behälter 1 die Genauigkeit des Erfassens des Füllstands deutlich verbessert werden. 3 shows a third embodiment of the sensor device. The calming body 5 is double-walled in this embodiment. In the gap 15 between the walls, a gaseous medium, preferably air, introduced. This has the consequence that of the piezoelectric element 7 emitted sound waves regardless of the current level outside the calming body be reflected. Thus, especially with strong sloshing of the fluid 2 in the container 1 the accuracy of detecting the level can be significantly improved.

In der Ausführungsform der Sensoreinrichtung gemäß 4 ist der Beruhigungskörper 5 konisch ausgebildet und zwar so, dass sich der freie Durchmesser des Beruhigungskörper 5 weg von dem Piezoelement 7 und hin zu der Trennfläche verjüngt. Vorzugsweise ist der freie Durchmesser des Beruhigungskörpers bei dem maximal zu erfassenden Füllstand 16 in etwa entsprechend dem des Piezoelements 7.In the embodiment of the sensor device according to 4 is the calming body 5 conical and in such a way that the free diameter of the sedative body 5 away from the piezoelectric element 7 and tapered towards the interface. Preferably, the free diameter of the sedative body is at the maximum level to be detected 16 approximately corresponding to that of the piezoelectric element 7 ,

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die hier dargestellten Ausführungsbeispiele. So können die verschiedenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden. Zum Beispiel kann der konusförmige Beruhigungskörper 5 auch doppelwandig ausgebildet sein oder in allen Ausführungsformen der Zusatzreflektor vorhanden sein oder auch der Reflektor 9 beabstandet sein zu dem Boden des Beruhigungskörpers 5. Ferner kann der jeweilige Beruhigungskörper 5 auch ohne Boden und ohne Deckel ausgebildet sein.The invention is not limited to the embodiments shown here. Thus, the various embodiments can be combined. For example, the cone-shaped calming body 5 be formed double-walled or be present in all embodiments of the additional reflector or the reflector 9 be spaced to the bottom of the calming body 5 , Furthermore, the respective calming body 5 be formed without a bottom and without a lid.

Ein Verfahren zum Betreiben der Sensoreinrichtung wird im folgenden anhand des Ablaufdiagramms der 5 beschrieben. Das Programm wird in einem Schritt S1 gestartet. In einem Schritt S2 wird das Piezoelement 7 zu axialen Resonanzschwingungen angeregt durch eine Anregung mit seiner axialen Resonanzfrequenz F_RES_A. Die Anregung erfolgt für eine angegebene Anzahl an Schwingungen. Die vorgegebene Anzahl an Schwin gungen liegt bevorzugt zwischen 5 und 10, kann aber auch bis etwa 100 betragen.A method for operating the sensor device will be described below with reference to the flow chart of 5 described. The program is started in a step S1. In a step S2, the piezoelectric element is 7 to axial resonance vibrations excited by an excitation with its axial resonance frequency F_RES_A. The excitation takes place for a specified number of oscillations. The predetermined number of vibra tions is preferably between 5 and 10, but can also be up to about 100.

In dem Schritt S3 wird das Piezoelement als Empfänger des reflektierten Schallwellenpakets betrieben, das in dem Schritt S2 von dem Piezoelement zum einen hin zu dem Reflektor 9 und zum anderen hin zu der Trennfläche 10 emittiert worden ist.In step S3, the piezoelectric element is operated as a receiver of the reflected sound wave packet, which in step S2 from the piezoelectric element to the one to the reflector 9 and on the other hand to the interface 10 has been emitted.

Anschließend wird in einem Schritt S4 eine zweite Laufzeit T_ECHO_2 ermittelt, die die Laufzeit des Schallwellenpakets von dem Piezoelement 7 hin zu der Trennfläche 10 und zurück zu dem Piezoelement 7 ist.Subsequently, in a step S4, a second transit time T_ECHO_2 is determined which determines the transit time of the sound wave packet from the piezoelectric element 7 towards the interface 10 and back to the piezo element 7 is.

In einem Schritt S5 wird dann die Schallgeschwindigkeit C_S in dem Fluid 2 abhängig von der ersten Laufzeit T_ECHO_1 und dem bekannten Abstand DIST_REFL des Reflektors 9 von dem Piezoelement 7 ermittelt. In einem Schritt S7 wird dann der Füllstand FS abhängig von der Schallgeschwindigkeit C_S in dem Fluid 2 und der zweiten Laufzeit T_ECHO_2 ermittelt. Das Programm wird dann in einem Schritt S9 beendet.In a step S5 then the sound velocity C_S in the fluid 2 depending on the first running time T_ECHO_1 and the known distance DIST_REFL of the reflector 9 from the piezo element 7 determined. In a step S7, the fill level FS then becomes dependent on the speed of sound C_S in the fluid 2 and the second runtime T_ECHO_2 determined. The program is then ended in a step S9.

Vorteilhaft ist nach dem schritt S7 ein Schritt S11 vorgesehen, in dem die Viskosität VISC des Fluids 2 abhängig von der durch den Temperatursensor 4 erfassten Temperatur TEMP und der ersten Laufzeit T_ECHO_1 ermittelt. Dies kann bevorzugt mittels eines Kennfeldes erfolgen, in dem entsprechende Viskositätswerte abhängig von der Temperatur TEMP und der ersten Laufzeit T_ECHO_1 abgelegt sind. Die Schallgeschwindigkeit C_S hängt der Mediendichte ab, die wiederum abhängt von dem Kraftstoffeintrag, dem Rußpartikelgehalt und auch von dem Wassergehalt beeinflusst wird. Die Viskositätswerte sind bevorzugt vorab durch entsprechende Versuche oder Simulationen ermittelt.Advantageously, a step S11 is provided after the step S7, in which the viscosity VISC of the fluid 2 depending on the temperature sensor 4 detected temperature TEMP and the first time T_ECHO_1 determined. This can preferably take place by means of a characteristic map in which corresponding viscosity values are stored as a function of the temperature TEMP and the first transit time T_ECHO_1. The speed of sound C_S depends on the media density, which in turn depends on the fuel input, the soot particle content and also on the water content is affected. The viscosity values are preferably determined in advance by appropriate tests or simulations.

Alternativ oder zusätzlich können zu dem Schritt S11 auch noch die Schritte S13 bis S17 abgearbeitet werden. In einem Schritt S13 wird das Piezoelement 7 zu Schwingungen in einem vorgegebenen Frequenzbereich angeregt. Es wird dazu ein sogenannter Frequenzsweep durchgeführt. Der Frequenzbereich ist so vorgegeben, dass für alle möglichen zu erfassenden Viskositäten eine Radial-Resonanzfrequenz F_RES_R des Piezoelements 7 innerhalb dieses Frequenzbereichs liegt.Alternatively or additionally, the steps S13 to S17 can also be processed for the step S11. In a step S13, the piezo element becomes 7 excited to vibrations in a given frequency range. It is carried out a so-called frequency sweep. The frequency range is predetermined so that for all possible viscosities to be detected, a radial resonance frequency F_RES_R of the piezoelectric element 7 within this frequency range.

Durch ein entsprechendes Auswerten der Impedanz des Piezoelements 7 über den gesamten getesteten Frequenzbereich wird dann in dem Schritt S15 die Radial-Resonanzfrequenz F_RES_R des Piezoelements 7 und die Amplitude AMP_R der radialen Resonanzschwingung ermittelt. Die Radial-Resonanzfrequenz F_RES_R des Piezoelements 7 ist die Frequenz, bei der das Piezoelement 7 zu radialen Resonanzschwingungen angeregt wird.By a corresponding evaluation of the impedance of the piezoelectric element 7 Over the entire frequency range tested, the radial resonance frequency F_RES_R of the piezoelectric element then becomes in step S15 7 and determines the amplitude AMP_R of the radial resonance oscillation. The radial resonance frequency F_RES_R of the piezoelectric element 7 is the frequency at which the piezo element 7 is excited to radial resonance vibrations.

In einem Schritt S17 wird dann die Viskosität VISC des Fluids 2 abhängig von der Amplitude AMP_R der radialen Resonanzschwingung und ggf. der Radial-Resonanzfrequenz F_RES_R ermittelt. Dies erfolgt bevorzugt mittels eines Kennfelds und Kennfeldinterpolation. Es wird dabei die Erkenntnis genutzt, dass sich die Radial-Resonanzfrequenz F_RES_R des Piezoelements und auch die Amplitude der radialen Resonanzschwingung in Abhängigkeit von der Viskosität des Fluids ändern. Dadurch kann dann insbesondere beim Einsatz der Sensoreinrichtung in einem Kraftfahrzeug zum Erfassen des Füllstands des Öls auch eine Ölalterung erfasst werden, die mit einem Viskositätsanstieg verbunden ist. Bevorzugt wird zum Ermitteln der Viskosität VISC die mechanische Güte, auch als Schwinggüte bezeichnet, ermittelt und zwar abhängig von der Radial-Resonanzfrequenz F_RES_R und der Amplitude AMP_R oder der Impedanz.In a step S17 then the viscosity VISC of the fluid 2 is determined as a function of the amplitude AMP_R of the radial resonance oscillation and possibly of the radial resonance frequency F_RES_R. This is preferably done by means of a map and map interpolation. It is thereby used the knowledge that the radial resonance frequency F_RES_R of the piezoelectric element and also the amplitude of the radial resonance oscillation change depending on the viscosity of the fluid. As a result, in particular when using the sensor device in a motor vehicle for detecting the fill level of the oil, oil aging can also be detected, which is associated with an increase in viscosity. For determination of the viscosity VISC, the mechanical quality, also referred to as vibration quality, is preferably determined, specifically as a function of the radial resonance frequency F_RES_R and of the amplitude AMP_R or of the impedance.

Die Sensoreinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie raumsparend ausgeführt werden kann und sehr robust gegenüber schädlichen Einflüssen des Fluids ist. So ist die Sensoreinrichtung deutlich unempfindlicher gegenüber Verschmutzungen als bekannte Füllstandssensoren auf kapazitiver Basis. Es gibt ferner keine Kapillar- und Benetzungseffekte, die die Messungen verfälschen könnten. Darüber hinaus lässt sich der Füllstand sehr schnell erfassen. In Verbindung mit einer Permitivitäts- und/oder Leitfähigkeitsmessung sowie der Temperaturmessung liegen alle notwendigen Größen für eine hinreichende Beschreibung des Ölzustandes vor. Gegenüber Viskositätsmessungen mit Oberflächenwellen-Bauelementen ist die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung deutlich unempfindlicher gegen Anlagerungen von Schichten und hat weniger Packagingaufwand. Dies hat zur Folge, dass der Bereich, in dem das Piezoelement 7 angeordnet ist, nicht zwangsläufig von dem Fluid durchströmt werden muss, um Ablagerungen zu verhindern. Die Schwingung des Piezoelements 7 schützt gegen derartige Ablagerungen.The sensor device is characterized in that it can be designed to save space and is very robust against harmful influences of the fluid. So the sensor device is clear less sensitive to contamination than known level sensors on a capacitive basis. There are also no capillary and wetting effects that could falsify the measurements. In addition, the level can be detected very quickly. In conjunction with a permittivity and / or conductivity measurement as well as the temperature measurement, all necessary quantities are available for a sufficient description of the oil condition. Compared with viscosity measurements with surface wave components, the sensor device according to the invention is significantly less sensitive to deposits of layers and has less packaging costs. As a result, the area in which the piezoelectric element 7 is arranged, not necessarily flows through the fluid to prevent deposits. The vibration of the piezo element 7 protects against such deposits.

Claims (12)

Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Füllstands (FS), eines Fluids (2) in einem Behälter (1) mit einem scheibenförmigen Piezoelement (7), das so angeordnet ist, dass seine Achse im wesentlichen senkrecht zu einer Trennfläche (10) verläuft zwischen dem Fluid (2), in dem das Piezoelement (7) anordenbar ist, und einem weiteren Fluid oder gasförmigen Medium, und mit einem Reflektor (9), der im wesentlichen senkrecht zu der Achse des Piezoelements (7) zugewandt zu der Scheibenoberfläche des Piezoelements (7) angeordnet ist, die abgewandt ist von der Trennfläche (10), und der so zu dem Piezoelement (7) beabstandet ist, dass innerhalb des Füllstandsbereichs, der von der Sensoreinrichtung zu erfassen ist, das Echo eines Wellenpakets, das für eine vorgegebene Zeitdauer durch die axiale Resonanzschwingung des Piezoelements (7) erzeugt wird und an dem Reflektor (9) reflektiert wird, vollständig wieder bei dem Piezoelement (7) eingetroffen ist und danach eine Abklingzeit abgelaufen ist, bevor das Echo des gleichzeitig ausgesandten Wellenpakets, das an der Trennfläche (10) reflektiert wird, bei dem Piezoelement (7) eintrifft.Sensor device for detecting a fill level (FS), a fluid ( 2 ) in a container ( 1 ) with a disk-shaped piezo element ( 7 ) arranged so that its axis is substantially perpendicular to a parting surface ( 10 ) runs between the fluid ( 2 ), in which the piezo element ( 7 ) can be arranged, and another fluid or gaseous medium, and with a reflector ( 9 ), which is substantially perpendicular to the axis of the piezoelectric element ( 7 ) facing the disk surface of the piezoelectric element ( 7 ) is arranged, which is remote from the parting surface ( 10 ), and thus to the piezo element ( 7 ) is spaced within the fill level range to be detected by the sensor device, the echo of a wave packet, for a predetermined period of time by the axial resonance vibration of the piezoelectric element ( 7 ) and at the reflector ( 9 ) is completely reflected again at the piezo element ( 7 ) and after that a cooldown has elapsed before the echo of the simultaneously transmitted wave packet arriving at the interface ( 10 ) is reflected in the piezo element ( 7 ) arrives. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Beruhigungskörper (5) vorgesehen ist, der mit dem Fluid (2) in dem Behälter (1) kommuniziert, und in dem das Piezoelement (7) angeordnet ist.Sensor device according to claim 1, characterized in that a calming body ( 5 ) provided with the fluid ( 2 ) in the container ( 1 ) communicates, and in which the piezo element ( 7 ) is arranged. Sensoreinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Beruhigungskörper (5) mit mindestens einer Drossel versehen ist, über die er mit dem Fluid (2) in dem Behälter (1) kommuniziert und die so ausgebildet ist, dass zeitlich schnelle Schwankungen des Füllstands (FS) in dem Behälter (1) gedämpft werden.Sensor device according to claim 2, characterized in that the calming body ( 5 ) is provided with at least one throttle through which it communicates with the fluid ( 2 ) in the container ( 1 ) and which is designed so that temporally rapid fluctuations of the level (FS) in the container ( 1 ) are dampened. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Beruhigungskörper (5) doppelwandig ausgebildet ist und sich zwischen den Rohrwänden ein gasförmiges Medium befindet.Sensor device according to one of claims 2 or 3, characterized in that the sedative body ( 5 ) is double-walled and is located between the tube walls, a gaseous medium. Sensoreinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Medium Luft ist.Sensor device according to claim 4, characterized that the gaseous Medium air is. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Beruhigungskörper (5) konisch ausgebildet ist und zwar so, dass sich der freie Durchmesser des Beruhigungskörpers (5) weg von dem Piezoelement (7) und hin zu der Trennfläche (10) verjüngt.Sensor device according to one of claims 2 to 5, characterized in that the calming body ( 5 ) is conical in such a way that the free diameter of the sedative body ( 5 ) away from the piezo element ( 7 ) and towards the interface ( 10 ) rejuvenated. Sensoreinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Freie Durchmesser des Beruhigungskörpers bei dem maximal zu erfassenden Füllstand in etwa dem des Piezoelements (7) entspricht.Sensor device according to claim 6, characterized in that the free diameter of the calming body at the maximum level to be detected approximately in that of the piezoelectric element ( 7 ) corresponds. Verfahren zum Betreiben einer Sensoreinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem – das Piezoelement (7) für eine vorgegebene Anzahl an axialen Resonanzschwingungen angeregt wird und so Schallwellen in dem Fluid (2) erzeugt werden, – das Piezoelement (7) als Empfänger der reflektierten Schallwellen betrieben wird, – die Laufzeit (T_ECHO_1) der Schallwelle hin zu dem Reflektor (9) und zurück abhängig von dem Aussenden der Schallwelle und dem Eintreffen der reflektierten Schallwelle ermittelt wird, – die Laufzeit (T_ECHO_2) der Schallwelle hin zu der Trennfläche (10) und zurück abhängig von dem Aussenden der Schallwelle und dem Eintreffen der reflektierten Schallwelle ermittelt wird und – abhängig von den ermittelten Laufzeiten (T_ECHO_1, T_ECHO_2) der Füllstand (FS) des Fluids (2) ermittelt wird.Method for operating a sensor device according to one of the preceding claims, in which - the piezoelement ( 7 ) is excited for a predetermined number of axial resonant oscillations and thus sound waves in the fluid ( 2 ), - the piezo element ( 7 ) is operated as a receiver of the reflected sound waves, - the transit time (T_ECHO_1) of the sound wave towards the reflector ( 9 ) and back dependent on the emission of the sound wave and the arrival of the reflected sound wave is determined, - the transit time (T_ECHO_2) of the sound wave towards the separation surface ( 10 ) and back depending on the emission of the sound wave and the arrival of the reflected sound wave is determined and - depending on the determined transit times (T_ECHO_1, T_ECHO_2) the level (FS) of the fluid ( 2 ) is determined. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem – die Temperatur (TEMP) des Fluids (2) erfasst wird und – abhängig von der Laufzeit (T_ECHO_1) der Schallwelle hin zu dem Reflektor (9) und zurück zu dem Piezoelement (7) und der Temperatur (TEMP) des Fluids (2) die Viskosität (VISC) des Fluids (2) ermittelt wird.Method according to claim 8, in which - the temperature (TEMP) of the fluid ( 2 ) and - depending on the transit time (T_ECHO_1) of the sound wave towards the reflector ( 9 ) and back to the piezo element ( 7 ) and the temperature (TEMP) of the fluid ( 2 ) the viscosity (VISC) of the fluid ( 2 ) is determined. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, bei dem – das Piezoelement (7) zu Schwingungen angeregt wird in einem vorgegebenen Frequenzbereich, – die Resonanzfrequenz (F_RES_ R) einer radialen Resonanzschwingung des Piezoelements (7) ermittelt wird, – die Amplitude (AMP_R) der radialen Resonanzschwingung ermittelt wird und – abhängig von der Amplitude (AMP_R) der radialen Resonanzschwingung die Viskosität (VISC) des Fluids ermittelt wird.Method according to one of claims 8 or 9, in which - the piezoelement ( 7 ) is excited to oscillations in a predetermined frequency range, - the resonance frequency (F_RES_ R) of a radial resonance vibration of the piezoelectric element ( 7 ) is determined, - the amplitude (AMP_R) of the radial resonance oscillation is determined and - Is determined depending on the amplitude (AMP_R) of the radial resonance vibration, the viscosity (VISC) of the fluid. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, bei dem – das Piezoelement (7) zu Schwingungen angeregt wird in einem vorgegebenen Frequenzbereich, – die Resonanzfrequenz (F_RES_R) einer radialen Resonanzschwingung des Piezoelements (7) ermittelt wird, – die Schwinggüte der radialen Resonanzschwingung ermittelt wird und – abhängig von der Schwinggüte der radialen Resonanzschwingung die Viskosität (VISC) des Fluids ermittelt wird.Method according to one of claims 8 or 9, in which - the piezoelement ( 7 ) is excited to vibrations in a predetermined frequency range, - the resonance frequency (F_RES_R) of a radial resonance vibration of the piezoelectric element ( 7 ) is determined, - the vibration quality of the radial resonance vibration is determined and - depending on the quality of the vibration of the radial resonance vibration, the viscosity (VISC) of the fluid is determined. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem der Füllstand (FS) und die Viskosität (VISC) alternierend ermittelt werden.A method according to claim 10 or 11, wherein the level (FS) and the viscosity (VISC) can be determined alternately.
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