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借助于传感元件来测量液体的特性的传感器和方法
【专利摘要】本发明涉及用于检测尤其是用于车辆的液体燃料的密度或粘度的传感器(2-2Ⅳ)，其包括被放置成与所述液体燃料接触并位于参考元件(28,28Ⅰ,28Ⅱ,28Ⅲ,31)附近的传感元件(4,4Ⅲ,4Ⅳ)，以便通过增加传感元件(4,4Ⅲ,4Ⅳ)的粘性摩擦效力来影响液体燃料流的运动，使得所述传感元件(4,4Ⅲ,4Ⅳ)的谐振频率更多地被所述液体燃料的密度和粘度影响。
【专利说明】借助于传感元件来测量液体的特性的传感器和方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及传感器，尤其是本德尔（bender)型的传感器，且涉及用于测量液体 (尤其是燃料，优选是用于车辆的燃料）的特性的方法。

【背景技术】
[0002] 术语"bender"通常指由与非压电柔性支撑物关联的一个或多个压电元件组成的 装置，该非压电柔性支撑物可以是导电的或绝缘的，取决于该元件的特定配置，其充当对该 压电元件的限制，从而将变形转换成该装置的垂直位移。本文描述的bender通常被限定为 "单态的"，因为压电元件与非压电无源元件（也被称为柔性支撑物）关联。
[0003] 作为可选方案，可能使用两个关联的压电元件，其被直接焊接到彼此或焊接到中 央无源元件，并被供电，使得一个元件的延伸相应于另一元件的收缩。以这后一种方式配置 的Bender通常被称为"双态的"。
[0004] 单态装置和双态装置在工作时，都在其一端处以"固定杆"模式或"悬臂"模式受 限制。这一概念可扩展到在两端处均受限制的薄板或更复杂的形状，例如在其四端处均受 限制的十字形，或在极限情形中，具有无限小长度的无限侧面的形状或在其周边处受限制 的膜，例如圆形膜。
[0005] 由"bender"致动器（不管是单态的还是双态的）所提供的优点是，使用压电致动 器可得到的位移可被放大到甚至大于一个数量级的倍数：例如，压电元件的几微米的内在 变形可被一直放大到毫米级。这个特征对于在本申请中提出的传感器的操作是重要的，因 为较大的位移意味着较高的测量灵敏度。
[0006] Bender可使用比体元件成本更低的技术来制造，如下面将解释的，并可使用较低 的电压供电，这对于汽车方面的应用是一个关键特征。
[0007] 众所周知，液体的特性的连续测量具有重要的作用，因为其使得有可能对将会涉 及液体的过程进行优化。一个例子是发生在内燃发动机内部的燃烧过程；为了增加燃烧效 率，燃料的特征必须在燃烧发生之前是已知的。
[0008] 燃料的密度和粘度是用于调节燃烧发动机等等的两个重要参数。实际上，通过密 度能够了解是否水（其具有不同的密度）已被添加到燃料，而通过粘度能够验证燃料是否 可通过喷射系统被最佳地雾化或成雾状。
[0009] 当使用从工厂得到的柴油机燃料时，粘度测量变得更加重要，柴油机燃料中的石 蜡含量比矿物燃料更丰富；已知粘度值，如果太粘滞，在燃料在发动机汽缸内被雾化或成雾 状之前，我们可通过加热燃料来干预粘度值，从而不阻塞燃料导管和/或喷射器。由Shih 等人在《应用物理学杂志》（Journal of Applied Physics) (vol. 89(2))中发表的文章"使 用压电单悬臂同时确定液体粘度和密度（Simultaneous liquid viscosity and density determination with piezoelectric unimorph cantilevers)，'中描述了用于测量密度和 /或粘度的一个解决方案。该文章描述了 bender,其类似于在本专利申请中所主张的本发 明所使用的bender。
[0010] 在这个现有技术文献中描述的传感器的一个局限是它的灵敏度差，其不能实现以 令人满意的方式在一些应用中检测在液体燃料中的密度和/或粘度的变化，因为bender振 动时的频率的变化的范围是有限的（仅仅几赫兹（Hz)或几十Hz)。
[0011] 而且，由于存在源自操作中的发动机的振动，测量灵敏度变得更加糟糕，操作中的 发动机的振动可使bender振动，从而进一步增加进入测量电路的噪声。


【发明内容】

[0012] 本发明目的在于通过提供新的传感器和/或新的测量方法来解决这些问题和其 它问题，其中使用bender型元件。
[0013] 构成本发明的基础的一个理念是使用bender型元件检测优选地在车辆中的液体 的特性，所述bender型元件包括至少一个与压电有源元件关联的非压电无源元件。
[0014] 构成本发明的基础的另一理念是提供用于检测燃料和/或油或润滑油和/或添加 齐|J (例如燃烧和/或废气添加剂）的特性的bender型传感器。
[0015] 构成本发明的基础的又一理念是使用优选地位于离bender的接近距离处的辅助 元件（也被称为参考元件）。
[0016] 以这种方式，由于参考元件的使用，使得有可能通过增加密度/粘度改变时出现 的谐振频率变化（这引起传感器的衰减程度的增加）来增强测量灵敏度。
[0017] 浸没在液体中并被制造成通过外部施加的力

【权利要求】
1. 一种传感器，用于检测流体，尤其是用于车辆的流体，的至少一个特性，例如用于检 测液体的密度或粘度，所述传感器包括与所述流体接触的传感元件（4, 4111，4 w)，且其中所 述传感元件（4, 4m，4W)的状态被所述流体的所述特性例如密度或粘度中的至少一个影响， 且其中所述传感元件（4, 4m，4w)包括本德尔型压电有源元件（32, 32111)， 其特征在于， 所述传感器包括与所述传感元件（4,4m，4w)并列或在所述传感元件（4,4m，4 w)附 近的至少一个参考元件（28, 28 1，28 11，28111)，以便与其一起限定流体路径的至少一部分， 在此所述流体的至少一个特性将被检测。
2. 如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述参考元件（28, 28 1，28 11，28111)实质 上平行于所述传感元件（4,4m，4 w)或其主体部分，或与所述传感元件（4,4m，4w)或其主 体部分均勻地间隔开。
3. 如权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，还包括与所述有源元件（32, 32111)相 关联的无源元件（31，31111)，当检测所述至少一个特性时，所述无源元件（31，31 111)与所述 有源元件（32, 32111)协作以与所述流体交互作用。
4. 如前述权利要求中的任一项所述的传感器，其特征在于，所述有源元件（32, 32111)实 质上具有从下列项当中选择的形状：平行六面体、十字形、多边形、环形和圆形。
5. 如前述权利要求中的任一项所述的传感器，其特征在于，所述无源元件（31，31111)实 质上具有从下列项当中选择的形状：平行六面体、十字形、多边形、环形和圆形。
6. 如前述权利要求中的任一项所述的传感器，其特征在于，还包括有与所述传感元件 (4,4m，4w)相关联的，用于检测所述传感元件（4,4 m，4w)的谐振频率和/或在固定频率 下的其振荡的衰减的装置。
7. 如权利要求6所述的传感器，其特征在于，与所述传感元件（4,4m，4w)关联的用于 检测所述传感元件的谐振频率和/或其振荡的衰减的所述装置包括测量电路或类似电路。
8. 如前述权利要求中的任一项所述的传感器，其特征在于，还包括至少一种保护元件 (29)，所述保护元件（29)能够保护所述传感元件（4, 4m，4w)尤其是免受由液体燃料流和 /或由分散在所述液体燃料中的微粒引起的任何扰动。
9. 如前述权利要求中的任一项所述的传感器，其特征在于，所述参考元件 (28 1，28 11，28111)包括孔（28 1 a，28 11 a)，尤其是用于允许所述液体燃料随着层流运动而流 动的孔（28 1 a, 28 11 a)。
10. 如前述权利要求中的任一项所述的传感器，其特征在于，还包括基座或壳体（24)， 所述基座或壳体（24)具有至少部分地与包括在燃料导管（1)中的壳体底座（11)兼容的形 状。
11. 一种燃料导管（1)，包括根据前述权利要求中的任一项的传感器（2-2IV)。
12. 根据权利要求1到11中的任一项所述的传感器的用途，用于检测在导管、罐和过滤 器中的至少一个中的流体的至少一个特性。
13. 根据权利要求12所述的传感器的用途，用于汽车应用。
14. 一种检测方法，用于借助于传感器（2-2IV)来检测流体尤其是用于车辆的流体的至 少一个特性，例如液体的密度或粘度， 其特征在于， 所述传感器^巧包括传感元件^彳^彳?^所述传感元件^彳叱彳"包括本德 尔型压电有源元件（32, 32m)，且其中所述方法包括下列步骤： a. 通过将峰值电压VI施加到所述传感元件（4, 4111，4 w )来测量所述传感元件 (4, 4111，4 w)的第一谐振频率； b. 通过将大于VI的峰值电压V2施加到所述传感元件（4, 4m，4w)来测量第二谐振频 率； c. 估计所述流体的特性，例如所述液体或燃料的密度或粘度值，其中所述传感元件 (4, 4m，4W)基于预定的对应关系而被浸没在所述流体中。
15. -种检测方法，用于借助于传感器（2-2IV)检测流体尤其是用于车辆的流体的至少 一个特性，例如液体的密度或粘度， 其特征在于， 所述传感器^巧包括传感元件^彳^彳?^所述传感元件^彳叱彳"包括本德 尔型压电有源元件（32, 32111)，且其中所述方法包括下列步骤： a. 当所述传感元件（4, 4m，4w)由对应于其第一振动模式的频率Π 激励时，测量第一 谐振频率； b. 当所述传感元件（4,4m，4w)由对应于其第二振动模式的频率f2激励时，测量第二 谐振频率； c. 估计所述流体的密度和粘度值，例如所述液体或燃料的密度或粘度值，其中所述传 感元件（4, 4m，4w)基于预定的对应关系而被浸没在所述流体中。
16. -种检测方法，用于借助于传感器（2-2IV)检测流体尤其是用于车辆的流体的至少 一个特性，例如液体的密度或粘度， 其特征在于， 所述传感器（2_2IV)具有不同的特征，并分别包括第一传感元件（4,4m，4w)和第二传 感元件（4,4111，41￥)，其中所述第一传感元件（4,4111，4 1￥)包括第一有源元件（32,32111)，所 述第二传感元件（4,4m，4 w)包括第二有源元件（32, 32111)，且其中所述方法包括下列步 骤： a. 测量所述第一传感元件（4, 4m，4w)的谐振频率； b. 测量所述第二传感元件（4,4m，4w)的谐振频率； c. 估计所述流体的密度和粘度值，例如所述液体或燃料的密度或粘度值，其中所述传 感元件（4, 4m，4w)基于预定的对应关系而被浸没在所述流体中。
17. 如权利要求14到16中的任一项所述的方法，其特征在于，至少一个传感器 (2-2IV，4, 4m，4W)与至少一个参考元件（28, 28 1，28 11，28111)相关联，其中所述至少一个参 考元件（28,28 ^28^28111)与所述至少一个传感器（2-2IV，4,4m，4 w)并列，和/或与所 述至少一个传感器（2-2IV，4, 4m，4w)协作，尤其是用于与所述流体交互作用，同时检测所 述流体的至少一个参数和/或用于与其一起限定流体路径的至少一部分，在此所述流体的 至少一个特性将被检测。
18. 如权利要求14到17中的任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一个传感器 (2-2IV，4,4 m，4w)与多个所述参考元件（28,28 ^28^28111)相关联，其中所述参考元件 (28,28 ^28^28111)优选地不同于彼此，使得第一传感器（2, 2111)将具有与第二传感器 (2, 2m)不同的特征。
【文档编号】G01N9/00GK104094098SQ201380007941
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2013年2月1日 优先权日:2012年2月3日
【发明者】马尔科·皮兹, 皮尔卡罗·梅拉诺, 马泰奥·罗达诺, 埃瑞克·莫尔塔拉 申请人:埃尔特克有限公司