EIGENSCHAFTEN EINER FLÜSSIGKEIT

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung von Eigen schaften einer Flüssigkeit. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung von Eigenschaften einer Flüssigkeit nach einem kapazitiven Messprinzip.

US 6,269,693 Bi beschreibt einen kapazitiven Sensor zur Messung einer Eigenschaft eines Fluids oder einer Füllhöhe einer Flüssigkeit in einem Behälter. Eine Leiterplatte ist entwe der flexibel oder hat starre und flexible Abschnitte. Metallische Beschichtungen bilden Kondensatorplatten auf der Leiterplatte, die dann so gebogen wird, dass zwei Kondensa torplatten durch Abstandhalter in einer Distanz voneinander gehalten werden, so dass sie einen Kondensator bilden. Zusätzliche metallische Beschichtungen sind zur Abschirmung vorgesehen. Leiterbahnen auf der Leiterplatte verbinden die Kondensatorplatten mit einer Auswerteschaltung und die Abschirmung mit einem Referenzpotential. Die gebogene Leiterplatte ist in einem Gehäuse gehalten und durch Fixierstifte fixiert.

Es kann als Aufgabe angesehen werden, eine Sensorvorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung von Eigenschaften einer Flüssigkeit vorzuschlagen, mit denen eine besonders genaue Erfassung möglich ist.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfah ren zur Erfassung von Eigenschaften einer Flüssigkeit gemäß Anspruch 14. Abhängige Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung weist ein Gehäuse mit einem Innenraum zur Aufnahme einer Flüssigkeit auf, in dem eine Leiterplattenstruktur angeordnet ist mit starren Leiterplattenabschnitten, die jeweils durch flexible Leiterbahnträgerabschnitte verbunden sind.

Bei dem Gehäuse kann es sich bspw. um einen Behälter oder Tank handeln, bevorzugt handelt es sich um ein Leitungsstück mit einem Zufluss und einem Abfluss, die über den Innenraum miteinander durchströmbar verbunden sind.

Bei den starren Leiterplattenabschnitten und flexiblen Leiterbahnträgerabschnitten handelt es sich jeweils um ein flaches, elektrisch nichtleitendes Trägermaterial mit darauf aufgebrachten elektrisch leitfähigen Leiterstrukturen. Als Trägermaterial können insbe sondere geeignete Kunststoffmaterialien dienen. Die starren Leiterplattenabschnitte bestehen bevorzugt aus Epoxidharz mit Glasfasergewebe, insbesondere FR4. Die flexiblen Leiterbahnträgerabschnitte sind biegsam und können bspw. aus Polyimid bestehen. Sowohl die starren Leiterplattenabschnitte als auch die flexiblen Leiterbahnträgerab schnitte dienen als Träger für Leiterstrukturen, insbesondere Leiterflächen und Leiterbah nen aus leitfähigem Material, bspw. Metall, bevorzugt Kupfer.

Dabei sind die flexiblen Leiterbahnträgerabschnitte jeweils so angeordnet, dass sie Ab schnittskanten der starren Leiterplattenabschnitte miteinander verbinden, d. h. den Bereich von einem ersten Rand eines ersten starren Leiterplattenabschnitts zu einem zweiten Rand eines zweiten starren Leiterplattenabschnitts überbrücken. Zur Bildung der Leiterplattenstruktur können die flexiblen Leiterbahnträgerabschnitte und die starren Leiterplattenabschnitte bevorzugt als Kette jeweils abwechselnd angeordnet sein.

Die Abschnittskanten der starren Leiterplattenabschnitte, an denen die flexiblen Leiter bahnträgerabschnitte ansetzen, sind bevorzugt mindestens im Wesentlichen gerade, allerdings sind auch gebogene Verläufe möglich. Bevorzugt weisen die starren Leiterplat tenabschnitte jeweils zumindest im Wesentlichen gleiche Form und Größe auf. Die Form der Leiterplattenabschnitte kann bevorzugt zumindest im Wesentlichen rechteckig sein, worunter auch Formen verstanden werden, bei denen eine oder mehrere Ecken abgerun det sind.

Auf zumindest einigen, bevorzugt allen starren Leiterplattenabschnitten sind Leiterflächen angeordnet, d.h. Flächen aus leitfähigem Material. Bevorzugt handelt es sich um große Flächen, so dass bspw. mehr als die Hälfte, bevorzugt mehr als drei Viertel der Fläche der starren Leiterplattenabschnitte mit Leiterflächen bedeckt ist. Dabei sind die starren Leiterplattenabschnitte zueinander parallel und im Abstand voneinander angeordnet, so dass dazwischen Zwischenräume gebildet sind, in denen die Flüssigkeit aufgenommen sein kann. Die Leiterplattenstruktur kann unter Biegung der flexiblen Leiterbahnträgerab- schnitte gefaltet sein, um die parallele Anordnung der starren Leiterplattenabschnitte zu erreichen. Über zumindest einen Zwischenraum, bevorzugt mehrere oder alle Zwischen räume gegenüberliegenden Leiterflächen ist zumindest eine Messkapazität gebildet; bevorzugt sind mehrere Messkapazitäten jeweils über Zwischenräume gebildet jeweils zwischen gegenüberliegenden Leiterflächen.

Dabei ist die Leiterplattenstruktur im Inneren des Gehäuses befestigt, indem das Gehäuse Schlitzaufnahmen aufweist und zumindest einige, bevorzugt alle Abschnittskanten der starren Leiterplattenabschnitte in den Schlitzaufnahmen gehalten sind. Mindestens ein Teil der starren Leiterplattenabschnitte, bevorzugt alle, sind somit zumindest einseitig, bevorzugt auf zwei gegenüberliegenden Seiten zumindest teilweise in die Schlitzaufnah men eingesteckt und so gegenüber dem Gehäuse fixiert. Die Schlitzaufnahmen sind bevorzugt so bemessen, dass sie die starren Leiterplattenabschnitte mit knapper Passung aufnehmen. So kann insbesondere die relative Lage der starren Leiterplattenabschnitte zueinander festgelegt sein, auch gegenüber dem Einwirken äußerer Kräfte, z. B. im Fall der Durchströmung der Zwischenräume durch die Flüssigkeit.

Die Sensorvorrichtung ist geeignet zur elektrischen, insbesondere kapazitiven Erfassung von Eigenschaften der im Innenraum aufgenommenen oder diesen durchfließenden Flüssigkeit. Dazu kann ein komplexer Widerstand ermittelt werden, von dem ein Kapazi tätswert mindestens einer Messkapazität mindestens eine Komponente bilden kann. Da die Flüssigkeit im Zwischenraum zwischen den Leiterflächen als Dielektrikum wirkt, hängt der Kapazitätswert von den dielektrischen Eigenschaften der Flüssigkeit ab, die je nach Zusammensetzung und Art der Flüssigkeit abweichen können. So kann bspw. ein Anteil von Wasser in Öl, das in den Zwischenräumen angeordnet ist, erkannt werden, da die Permittivität von Wasser ein Vielfaches der Permittivität von Öl beträgt. Durch die Aufnahme von Abschnittskanten der starren Leiterplattenabschnitte in den Schlitzaufnahmen wird insbesondere die Anordnung der starren Leiterplattenabschnitte zueinander, d. h. der Abstand der Leiterflächen konstant gehalten. Messfehler aufgrund von schwankenden Kapazitätswerten infolge von Abstandsänderungen zwischen den starren Leiterplattenabschnitten werden so minimiert, auch beim Einwirken äußerer Kräfte.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird unter Verwendung der oben erläuterten Elemente ein Kapazitätswert der Messkapazität ermittelt sowie ggfs weitere Eigenschaften eines die Messkapazität umfassenden komplexen Widerstands, woraus eine Eigenschaft der im Innenraum und somit in den Zwischenräumen aufgenommenen Flüssigkeit abge leitet werden kann. Auf diese Weise ist eine sehr einfache und zuverlässige Erkennung insbesondere von Verunreinigungen möglich, bspw. von Wasseranteilen in Öl, ebenso aber auch von anderen Bestandteilen wie bspw. Metallspänen etc.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann am Gehäuse eine Hal testruktur gebildet sein, die mehrere in Richtung des Innenraums vorstehende Halteele mente aufweist, zwischen denen die Schlitzaufnahmen gebildet sind. Eine solche Hal testruktur kann bspw. an einer oder mehreren Gehäusewänden angebracht sein, die unter einem Winkel, bevorzugt einem rechten Winkel zu den starren Leiterplattenabschnitten angeordnet sind. Die Halteelemente der Haltestruktur können sich von der Gehäusewand bzw. bevorzugt gegenüberliegenden Gehäusewänden unter dem Winkel, bevorzugt im rechten Winkel erstrecken. Die Halteelemente können bspw. jeweils als Platten ausgebil det sein. Sie können sich von einer Wand des Gehäuses in einer Richtung parallel zu den starren Leiterplattenabschnitten erstrecken, bevorzugt von zwei gegenüberliegenden Wänden. Bevorzugt sind alle Halteelemente der Haltestruktur einstückig miteinander gebildet, bspw. aus Kunststoff. Weiter bevorzugt können die Halteelemente der Hal testruktur einstückig mit mindestens einem Gehäuseteil gebildet sein, was bei einfacher Herstellung eine sehr exakte und mechanisch feste Halterung der Leiterplattenstruktur erlaubt.

Während eine einseitige Halterung der starren Leiterplattenabschnitte möglich ist, wird eine Halterung durch Schlitzaufnahmen an gegenüberliegenden Abschnittskanten der starren Leiterplattenabschnitte bevorzugt. Hierfür können zwei separate, einander gegen überliegende Haltestrukturen mit jeweils vorstehenden Halteelementen vorgesehen sein.

Das Gehäuse kann bevorzugt mindestens einen ersten und einen zweiten Gehäuseteil umfassen. Besonders bevorzugt ist dabei, wenn sowohl am ersten als auch am zweiten Gehäuseteil jeweils eine Haltestruktur mit Schlitzaufnahmen vorgesehen ist.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann mindestens ein Fixierstift vorgesehen sein, der die starren Leiterplattenabschnitte durchdringt und somit fixiert. Bevorzugt sind mehrere Fixierstifte vorgesehen, die parallel im Abstand zueinander angeordnet sein können. Die Verwendung eines oder mehrerer Fixierstifte ist insbesondere vorteilhaft in Verbindung mit vorstehenden Halteelementen. Dann kann eine besonders gute Verbin dung erreicht werden, wenn der Fixierstift sowohl die Halteelemente als auch die starren Leiterplattenabschnitte durchdringt und somit Letztere in den Schlitzaufnahmen fixiert.

Die Leiterflächen können einseitig oder beidseitig auf den starren Leiterplattenabschnitten angeordnet sein. Bevorzugt ist eine Anordnung, bei der auf mindestens einem der starren Leiterabschnitte, bevorzugt mehreren starren Leiterplattenabschnitten sowohl auf einer Vorderseite eine erste Leiterfläche als auch auf einer gegenüberliegenden Rückseite eine zweite Leiterfläche angeordnet ist, bevorzugt von gleicher Größe und deckungsgleicher Anordnung. Dabei ist es besonders bevorzugt, dass die erste und zweite Leiterfläche durch eine direkte elektrische Verbindung auf gleichem elektrischen Potential gehalten sind. So wird bei der Messung ein Einfluss des Materials der Leiterplattenabschnitte als Dielektri kum ausgeschlossen.

Über mindestens einen der Zwischenräume, bevorzugt mehrere und besonders bevorzugt alle Zwischenräume, können gemäß einer Weiterbildung zwei separate Messkapazitäten gebildet sein. Diese sind bevorzugt galvanisch voneinander getrennt, d. h. umfassen zwei separate Paare von Leiterflächen auf den sich gegenüberliegenden starren Leiterplattenab schnitten, die dementsprechend jeweils nur einen Teil von deren Fläche bedecken. Bevor zugt können zwei über denselben Zwischenraum gebildeten Messkapazitäten mindestens im Wesentlichen gleich sein, d. h., dass die jeweiligen Leiterflächen gleich groß sind. Mit geeigneten Mitteln können bevorzugt separate Kapazitätswerte der beiden Messkapazitä- ten erfasst werden. Dies kann genutzt werden, um eine Redundanz in der Erfassung zu schaffen und so zu ermöglichen, die ordnungsgemäße Funktion des Sensors durch Ab gleich sicherzustellen. Im bevorzugten Fall, in dem der Innenraum von einem Zufluss zu einem Abfluss durchströmbar ist, sind die erste und zweite Messkapazität mindestens an einem Zwischenraum, bevorzugt allen Zwischenräumen in Strömungsrichtung hinterei nander angeordnet, so dass im Flüssigkeitsstrom transportierte Verunreinigungen nachei nander beide Messkapazitäten passieren. So kann sichergestellt werden, dass beide Mess kapazitäten jeweils den vollen Flüssigkeitsstrom erfassen.

Die flexiblen Leiterbahnträgerabschnitte weisen gemäße einer Weiterbildung jeweils eine Mehrzahl von parallel verlaufenden Leiterbahnen auf, die bevorzugt mit den Leiterflächen auf den starren Leiterplattenabschnitten verbunden sind und diese untereinander und/oder mit einem Anschluss für eine Auswertungsschaltung verbinden. Um eine evtl. Beschädigung der flexiblen Leiterbahnträgerabschnitte erkennen zu können, kann eine Schaltung zur Erkennung einer Leitungsunterbrechung vorgesehen sein, die an mindes tens eine der Leiterbahnen angeschlossen ist. Dabei ist besonders bevorzugt, dass eine außen entlang einer Kante eines flexiblen Leiterbahnträgerabschnitts verlaufende Leiter bahn an die Schaltung zur Erkennung einer Leistungsunterbrechung angeschlossen ist, da im Randbereich naturgemäß eine Beschädigung am ehesten zu befürchten ist. Besonders bevorzugt sind die auf beiden Seitenjeweils am Rand verlaufenden Leiterbahnen entspre chend angeschlossen. Die Schaltung zur Erkennung der Leistungsunterbrechung kann insbesondere eine Leiterschleife umfassen, die Leiterbahnen auf den flexiblen Leiterbahn trägerabschnitten einschließt, und deren Unterbrechung durch geeignete Mittel erkannt werden kann. Die Leiters chleife kann als Detektionselement eine elektrisches Bauelement, bevorzugt ein Widerstandselement aufweisen, dessen elektrische Eigenschaften von der Schaltung erkannt werden und das auf einem der starren Leiterplattenabschnitte oder flexiblen Leiterbahnträgerabschnitte angeordnet ist.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist mindestens einer der flexiblen Leiter bahnträgerabschnitte, bevorzugt mehrere oder alle, eine Breite auf, die weniger als 50% der Breite des starren Leiterplattenabschnitts entspricht, an dessen Abschnittskante er angebracht ist. So verbleibt eine ausreichende Länge der Abschnittskante, die in den Schlitzaufnahmen aufgenommen werden kann, ohne dass der jeweilige flexible Leiter- bahnträgerabschnitt dort angeordnet sein muss. Besonders bevorzugt beträgt die Breite des flexiblen Leiterbahnträgerabschnitts weniger als 25% der Breite des starren Leiterplat tenabschnitts. Über eine Mehrzahl von Zwischenräumen zwischen den starren Leiterplattenabschnitten können jeweils separate Messkapazitäten gebildet sein, die bspw. separat an eine Schal tung zur Ermittlung eines Kapazitätswerts angeschlossen sein können. Bevorzugt sind eine Mehrzahl von Messkapazitäten, die über verschiedene Zwischenräume gebildet sind, elektrisch parallel geschaltet. Besonders bevorzugt sind Messkapazitäten über alle Zwi- schenräume parallel geschaltet, so dass eine kombinierte Messkapazität gebildet ist. Hierdurch erhöht sich einerseits der Kapazitätswert, was für die Auswertung günstig ist. Andererseits kann so ein relativ großer Teil des Innenraums gleichzeitig durch Ermittlung des Kapazitätswerts der kombinierten Messkapazität erfasst werden. Die Parallelschaltung der Messkapazitäten erfolgt bevorzugt über Leiterbahnen auf den flexiblen Leiterbahnträ- gerabschnitten. Die Leiterflächen auf den starren Leiterplattenabschnitten können bevor zugt jeweils wechselweise der ersten oder zweiten Elektrode der kombinierten Messkapazi tät zugeordnet sein. Besonders bevorzugt ist eine solche Anordnung in Kombination damit, dass wie oben beschrieben Leiterflächen beidseitig auf den starren Leiterplattenab schnitten angeordnet und vor- und rückseitige Leiterflächen jeweils direkt miteinander verbunden sind.

Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen Figur 1 in einer schematischen Darstellung eine erste, vereinfachte Ausführungs form einer Sensorvorrichtung;

Figur 2 ein schematisches Schaltbild einer Auswertungsschaltung, an die eine Sensorvorrichtung angeschlossen ist;

Figur 3 in Seitenansicht einen Teil einer Leiterplattenstruktur in aufgefaltetem Zustand,

Figur 4a, 4b in Längs- und Querschnitt eine zweite Ausführungsform einer Sensorvor richtung mit der Leiterplattenstruktur aus Fig. 3 in gefalteter Form;

Figur 5 in schematischer Darstellung ein Schaltbild zur elektrischen Konfigurati- on der Leiterplattenstruktur in der zweiten Ausführungsform der Sensor vorrichtung gemäß Fig. 4a, 4b;

Figur 6a, 6b Schaltpläne einer ersten und zweiten Variante zum Anschluss der Leiter plattenstruktur aus Fig. 3-5 an eine Auswertevorrichtung;

Figur 7 ein Diagramm mit Darstellung von Spannungssignalen in Abhängigkeit von einer Anregungsfrequenz bezogen auf einen idealen Tiefpass,

Figur 8 ein Diagramm mit Darstellung von Spannungssignalen in Abhängigkeit von einer Anregungsfrequenz bezogen auf die Schaltung aus Fig.5, 6a, 6b.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Sensorvorrichtung 10 gemäß einer ersten Ausführungsform. Ein Gehäuse 12 mit einem Innenraum 14 ist vorgesehen zur Aufnahme einer Flüssigkeit, die durch einen Zufluss 16 zuströmt, den Innenraum 14 durchströmt und durch einen Abfluss 18 abgeführt wird.

Bei der Flüssigkeit kann es sich bspw. um Öl handeln, in dem als Verunreinigung unbe kannte Anteile von Wasser in Form von einzelnen Tröpfchen enthalten sein können. Die Sensorvorrichtung 10 dient dazu, eventuelle Wasseranteile zu erfassen und ein Ausgangsi gnal A auszugeben, das das Vorhandensein von Wasseranteilen anzeigt.

Dies erfolgt nach einem vorrangig kapazitiven Messprinzip, wobei allerdings wie nachfol gend dargestellt eine betrachtete Messkapazität auch Teil eines komplexen Widerstands sein kann und bei der Messung bzw. Erfassung auch andere Komponenten des komplexen Widerstands erfasst werden können.

Im Innenraum 14 ist eine Kondensatoranordnung 20 angeordnet. Die Kondensatoranord nung 20 umfasst eine erste Messkapazität 22, gebildet aus zwei sich über einen Zwischen raum 27 gegenüberliegenden Kondensatorflächen 24a, 24b und eine zweite Messkapazität 26, gebildet aus Kondensatorflächen 28a, 28b, die im selben Abstand voneinander über den Zwischenraum 27 angeordnet sind.

Die im Zwischenraum 27 angeordnete Flüssigkeit (Öl) bildet somit das Dielektrikum der beiden Messkapazitäten 22, 26. Der Kapazitätswert Ci, C2 der Messkapazitäten 22, 26 hängt dabei von den Eigenschaften der Flüssigkeit ab, insbesondere von der evtl. Verun- reinigung, hier bspw. durch Wassertröpfchen. Die Permittivität von Öl liegt erheblich niedriger als die Permittivität von Wasser, so dass Wassertröpfchen, die den Zwischen raum 27 durchströmen, zu einer Erhöhung der Kapazitätswerte Ci, C2 der Messkapazitä ten 22, 26 führen. Ebenso können andere Bestandteile in der Flüssigkeit, die von der reinen Flüssigkeit abweichende dielektrische Eigenschaften haben, zu einer detektierbaren Änderung führen.

Dabei sind die Messkapazitäten 22, 26 in der Strömungsrichtung vom Zufluss 16 zum Abfluss 18 hintereinander angeordnet, so dass sie von der Flüssigkeit und den darin transportierten Verunreinigungen sequentiell durchströmt werden. Zudem sind die Messkapazitäten 22, 26 im Strömungsweg so angeordnet, dass mindestens im Wesentli chen der gesamte Flüssigkeitsstrom den Zwischenraum 27 durchströmt. So ist sicherge stellt, dass durchströmende Wasseranteile nacheinander den Kapazitätswert beider Messkapazitäten 22, 26 verändern.

Die Messkapazitäten 22, 26 sind an eine Auswertevorrichtung 30 angeschlossen, die in vorgegebenen Messintervallen jeweils einen Kapazitätswert Ci für die erste Messkapazität 22 und einen Kapazitätswert C2 für die zweite Messkapazität 26 bestimmt und abhängig von den ermittelten Kapazitätswerten Ci, C2 das Ausgangssignal A ausgibt, das die Über schreitung eines Schwellenwerts des Wasseranteils im durchströmenden Öl anzeigt.

Fig. 2 zeigt in einem schematischen Blockschaltbild Funktionselemente der Auswertevor richtung 30, die an die Messkapazitäten 22, 24 angeschlossen sind. Die Auswertevorrich tung ist zweikanalig aufgebaut, d.h. für jede der Messkapazitäten 22, 24 ist jeweils ein separater Kanal vorgesehen aus einer Anregungsschaltung 32, die an eine Reihenschaltung aus einem jeweiligen Messwiderstand Ri, R2 und der jeweiligen Messkapazität 22, 24 angeschlossen ist, und einem Kanal einer Auswerteschaltung 34, die das Ausgangssignal A erzeugt.

Jeder Messkanal der Auswerteschaltung 34 ist an eine der Messkapazitäten 22, 24 ange schlossen, um deren jeweiligen Kapazitätswert Ci, C2 zu ermitteln. Dazu weist sie für jeden Messkanal jeweils einen Pufferverstärker 36, einen Spitzenwertdetektor 38, einen Tiefpass 40 und einen A/D-Wandler 42 auf. Die beiden A/D-Wandler 42 sind an einen Prozessor 44 angeschlossen, auf dem ein Programm ausgeführt wird, das Signale Üi, Ü2 der A/D- Wandler 42 verarbeitet und daraus das Ausgangssignal A erzeugt.

Die erste und zweite Messkapazität 22, 24 ist mit dem jeweiligen Messwiderstand Ri, R2 jeweils als RC-Glied geschaltet, so das ein komplexer Widerstand gebildet ist, der von der zugehörigen Anregungsschaltung 32 angeregt wird mit einem Rechtecksignal einer Fre quenz fi, f2. Dabei unterscheiden sich die Anregungsfrequenzen fl, f2 der beiden Messka näle. Dadurch wird die jeweilige Kapazität Ci, C2 durch den jeweiligen Messwiderstand Ri, R2 zyklisch aufgeladen und entladen. Dabei ist bei festem Zeitablauf die sich über die jeweilige Messkapazität 22, 24 ergebende Spannung, U2 abhängig vom Kapazitätswert Ci, C2.

Das jeweilige Spannungssignal Ui, U2 wird in der Auswerteschaltung 34 gemessen, digitalisiert und verarbeitet. Zunächst wird es durch den Pufferverstärker 36 gepuffert. Sein Spitzenwert wird mit dem Spitzenwert detektor 38 ermittelt und gefiltert durch den Tiefpass-Filter 40 vom AD-Wandler 42 als digitales Signal ausgewertet, dass dem Prozes sor 44 zugeführt wird.

Dabei wirkt das jeweilige RC-Glied an beiden Messkanälen als Tiefpass. In Figur 7 ist beispielhaft für die erste Messkapazität 22 - idealisiert und doppelt logarithmisch - der Verlauf der Ausgangsspannung Ui in Abhängigkeit von der Frequenz f gezeigt. Wie dort dargestellt ergibt sich für eine festen Kapazitätswert Ci (entsprechend bspw. dem Kapazi tätswert der ersten Messkapazität 22, gefüllt mit Flüssigkeit ohne Verunreinigungen) bei Anregung mit verschiedenen Frequenzen f der mit einer durchgezogenen Linie dargestellte Verlauf des Spitzenwerts der Ausgangsspannung Üi. Deutlich unterhalb der Grenzfre quenz f _G = 1/ (2p RiCi) ergibt sich im Wesentlichen keine Dämpfung und ein im wesentli chen konstanter Verlauf des Spitzenwerts der Ausgangsspannung Üi. Im Bereich der Grenzfrequenz f _G ergibt sich ein mit dem Dämpfungsverlauf zu höheren Frequenzen f hin abfallender Spannungswert Üi.

Dabei ist die Grenzfrequenz f _G allerdings abhängig vom Kapazitätswert Ci und somit von den Eigenschaften der Flüssigkeit, hier insbesondere vom Anteil möglicher Wasser- Verunreinigungen im Ölstrom. Durch einen Wasseranteil erhöht sich die Kapazität Ci auf eine erhöhte Kapazität Ci‘, so dass die Grenzfrequenz f _G sinkt. In Fig. 7 zeigt die strich punktierte Linie den Verlauf des Spitzenwerts der Ausgangsspannung Üi über verschiede ne Frequenzen f für einen geringen Wasseranteil im Zwischenraum 27. Wie dort darge stellt ist die Kurve gegenüber den Verhältnissen ohne Verunreinigungen nach links ver schoben.

Somit kommt es - bei fester Frequenz fl - durch die Änderung der Kapazität Ci auf die Kapazität Ci‘ zu einer Differenz im Ausgangssignal Üi. Um eine hinreichende Sensitivität des Sensors zu erreichen, wird die Messfrequenz fl so gewählt, dass sich eine deutliche Differenz AU bei einer Änderung der Kapazität zeigt. Bekanntlich beträgt der Pegel des Ausgangssignals bei der Grenzfrequenz fg ca. 70%. Die Messfrequenz fl kann bspw. so gewählt werden, dass der Pegel des Ausgangssignals (jeweils betrachtet bei fester Kapazität Ci ohne Kontamination) zwischen 90% und 10% beträgt.

Bei geeigneter Wahl der Messfrequenz bzw. Anregungsfrequenz fl des ersten Kanals der Aus wertungs Vorrichtung 30 ergibt sich dann ein variables Ausgangssignal Üi abhängig davon, ob sich reine Flüssigkeit (Öl) ohne Wasseranteil oder ein gewisser Anteil an Was sertröpfchen im Zwischenraum 27 befindet. Ebenso bewirken andere Arten von Verunrei nigungen wie bspw. Metallspäne eine Änderung des komplexen Widerstands, die an einem geänderten Ausgangssignal erkennbar ist.

Die beiden separaten Messkapazitäten 22, 24 und die jeweils zugeordneten Kanäle der Auswertungsschaltung 30 liefern somit dem Prozessor 40 in digitaler Form Signale Üi, Ü2. Die beiden Signale Üi, Ü2 werden durch ein vom Prozessor 44 ausgeführtes Auswer tungsprogramm verarbeitet, um das Ausgangssignal A zu generieren.

Dies umfasst einerseits eine Entscheidung darüber, ob das jeweilige Signal Üi, Ü2 eine Abweichung zeigt, die auf einen Wasseranteil im strömenden Öl hinweist. Andererseits kann die Verarbeitung auch eine Plausibilisierung des jeweiligen Signals umfassen, um mögliche Fehlerzustände zu erkennen.

In einer bevorzugten Ausführung führt das vom Prozessor 44 ausgeführte Auswertungs programm für mindestens eines der Signale Üi, Ü2 einen Schwellenwertvergleich durch, wobei beim Unterschreiten einer zuvor festgelegten Schwelle eine solche Veränderung erkannt wird, dass im Ausgangssignal A eine Verunreinigung des Öls durch Wasser ange zeigt wird. Die jeweilige Schwelle kann einerseits nach vorherigen Berechnungen fest vorgegeben sein oder andererseits durch Messungen und ggf. statistische Auswertungen ermittelt werden.

So kann bspw. im Neuzustand, in dem davon ausgegangen werden kann, dass sich ledig lich reines Öl im Zwischenraum 27 befindet, eine Häufigkeitsverteilung einer Vielzahl von Messungen erfasst und so bspw. die statistischen Parameter einer Standardverteilung (Mittelwert, Standardabweichung Sigma) ermittelt werden. Die Entscheidungsschwelle kann hiervon abhängig dann festgelegt werden bspw. als Mittelwert minus n*Sigma, wobei der Faktor n geeignet zu wählen ist, so dass einerseits eine hinreichende Sensitivität erreicht wird aber andererseits eine ausreichende Robustheit gegen Fehldetektionen gewährleistet bleibt.

Im Betrieb der Sensorvorrichtung 10 können die beiden Kanäle der Auswertevorrichtung 30 mit gleichen oder unterschiedlichen Frequenzen fl, f2 betrieben werden. In einer Ausführungsform mit gleichen Frequenzen fl, f2 kann es u.U. zu Übersprechen zwischen den Kanälen kommen, so dass zumindest geringfügig voneinander abweichende Frequen zen bevorzugt sein können. Dabei können beide Frequenzen fl, f2 im Bereich der Grenz frequenz des jeweiligen RC-Gliedes liegen (wobei die Kapazität C ohne Verunreinigungen maßgeblich ist). Die Signale Üi, Ü2 aus den beiden Kanälen können jeweils eigenständig zu einer separaten Messung und Erkennung von deutlichen Verunreinigungen genutzt werden. Die Erkennung der beiden Kanäle kann dann plausibilisiert werden, so dass bspw. nur bei gleichzeitiger Erkennung von Verunreinigungen in beiden Kanälen das Vorliegen einer Verunreinigung signalisiert wird.

In alternativen Ausführungen können die Frequenzen fl, f2 auch stärker voneinander abweichen. Bspw. kann der erste an die erste Messkapazität 22 angeschlossene Kanal mit einer Frequenz fl im Bereich der Grenzfrequenz des jeweiligen RiCi-Gliedes betrieben werden (wobei auch hier die Kapazität Ci ohne Verunreinigungen maßgeblich ist.) Der zweite, an die zweite Messkapazität 24 angeschlossene Kanal wird dann bspw. mit einer Anregungsfrequenz f2 deutlich unterhalb der Anregungsfrequenz fl und auch unterhalb der Grenzfrequenz betrieben, d.h. in Bereichen, in denen die in Fig. 7 gezeigten Kurven keine oder wenig Änderungen mit der Frequenz aufweisen. In diesem Fall kann das im zweiten Kanal erstellte Signal Ü2 zur Normierung des Signals Üi genutzt werden, bspw. durch Differenzbildung oder Bildung des Verhältnisses der beiden Signale.

Ergänzend sei daraufhingewiesen, dass die Kapazitätswerte Ci, C2 temperaturabhängig sind. Es ist daher bevorzugt ein Temperatursensor (nicht dargestellt) im Innenraum 14 des Gehäuses 12 angeordnet, dessen Messsignal ebenfalls dem Prozessor 44 zugeführt wird. Das Auswerteprogramm berücksichtigt dann eine zuvor rechnerisch oder experimentell ermittelte Kompensationskurve abhängig von dem Temperatursignal.

Während die oben beschriebene erste Ausführungsform der Sensorvorrichtung lediglich die Grundform bildet, sind verschiedene weitere Ausführungen möglich. Nachfolgend wird anhand von Fig. 3, Fig 4a, Fig. 4b eine zweite Ausführungsform einer Sensorvorrichtung beschrieben. Die zweite Ausführungsform sieht eine spezielle Anordnung von Kondensa torflächen der Messkapazitäten 22, 26 im Innenraum 14 des Gehäuses 12 vor, wie nachfol gend im Detail erläutert wird. Im Übrigen aber entspricht die Sensorvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der oben beschriebenen Sensorvorrichtung 10 gemäß der ersten Ausführungsform, insbesondere hinsichtlich der Auswertungsvorrichtung 30. Nachfolgend werden deshalb die Unterschiede zwischen den Ausführungsformen erläu tert, wobei für gleiche oder direkt vergleichbare Elemente identische Bezugszeichen verwendet werden.

Fig. 4a, 4b zeigen jeweils in Quer- und Längsschnitt einen Teil einen Sensorvorrichtung 110 gemäß der zweiten Ausführungsform. Diese umfasst ein zweiteiliges Gehäuse 12 mit einem Gehäuseoberteil 12a und Gehäuseunterteil 12b, zwischen denen der Innenraum 14 gebildet ist. Im Innenraum 14 ist eine Kondensatoranordnung 120 angeordnet. Jede der Gehäusehälften 12a, 12b weist dabei jeweils eine Haltestruktur 60 mit in Richtung des Innenraums 14 vorstehenden Halteelementen 62 und dazwischen gebildeten Schlitzauf nahmen 64 auf. Die Halteelemente 62 erstrecken sich rechtwinklig von gegenüberliegen den Gehäusewänden.

Ein Teil der Kondensatoranordnung 120 ist in Fig. 3 gezeigt. Sie umfasst eine Leiterplat- tenstruktur mit mehreren - im dargestellten Beispiel fünf - starren Leiterplattenabschnit ten 52a, 52b, die jeweils mit flexiblen Leiterbahnträgerabschnitten 54 zu einer Kette verbunden sind. Die starren Leiterplattenabschnitte 52a, 52b sind bspw. übliche FR4- Leiterplatten, die flexiblen Leiterbahnträgerabschnitte 54 sind bspw. Polyimid-Streifen.

Die flexiblen Leiterbahnträgerabschnitte 54 setzen jeweils an Kanten 58 der starren Leiterplattenabschnitte 52a, 52b an und sind dort befestigt. Die flexiblen Leiterbahnträ gerabschnitte 54 sind in der gezeigten Ausführungsform nicht mittig, sondern am Rand der jeweiligen Kante 58 angeordnet. Dabei sind die flexiblen Leiterbahnträgerabschnitte 54 von geringer Breite verglichen mit der Länge der Kanten 58, so dass die überwiegende Länge der Kanten 58 frei bleibt und die entsprechenden Bereiche der starren Leiterplat tenabschnitte 52a, 52b zur Befestigung genutzt werden können, wie nachfolgend näher erläutert wird.

Auf jedem der starren Leiterplattenabschnitte 52a, 52b sindjeweils beidseits große Leiter flächen 24a, 24b, 28a, 28b angeordnet. Jeweils auf Vorder- und Rückseite jedes der starren Leiterplattenabschnitte 52a, 52b sind nebeneinander zwei Leiterflächen 24a, 28a bzw. 24b, 28b angeordnet. Die Leiterflächen 24a, 24b, 28a, 28b sind ebenso wie Leiter bahnen 56 auf den flexiblen Leiterbahnträgerabschnitten 54 sowie Leiterbahnen auf den starren Leiterplattenabschnitten 52a, 52b und als Kupferschichten gebildet. Die Leiter bahnen verbinden die Leiterflächen 24a, 24b, 28a, 28b elektrisch wie schematisch in Fig.5 gezeigt.

Zur Anordnung im Innenraum 14 wird die Leiterplattenstruktur der Kondensatoranord nung 120 gefaltet, so dass die starren Leiterplattenabschnitte 52a, 52b jeweils parallel im Abstand zueinander angeordnet sind und die Leiterflächen 24a, 24b, 28a, 28b als Konden satorflächen wirken und Messkapazitäten über die dazwischen angeordneten Zwischen räume bilden.

Die Leiterplattenstruktur der Kondensatoranordnung 120 wird in der gefalteten Anord nung innerhalb des Gehäuses 12 gehalten, indem die Kanten 58 der starren Leiterplatten abschnitte 52a, 52b jeweils in die Schlitzaufnahmen 64 der Haltestruktur 60 eingesteckt sind, wo sie in enger Passung aufgenommen und durch sowohl die Halteelemente 62 als auch die starren Leiterplattenabschnitte 52a, 52b durchdringenden Haltestifte fixiert sind. Dabei sind wie in Fig. 4b gezeigt allerdings nur die freien, d.h. nicht durch die flexiblen Leiterbahnträger ab schnitte 54 belegten Abschnitte der Kanten 58 in den Schlitzaufnah men 64 aufgenommen, so dass die flexiblen Leiterbahnträgerabschnitte 54 nicht einge klemmt werden. Die Erstreckung der Halteelemente 62 ist dabei parallel zur Ausrichtung der starren Leiterplattenabschnitte 52a, 52b.

Wie in Fig.5 schematisch gezeigt sind die beidseitig auf den starren Leiterplattenabschnit ten 52a, 52b aufgebrachten Leiterflächen 24a, 24b; 28a, 28b elektrisch kurzgeschlossen, d.h. die Leiterflächen auf Vorder- und Rückseite sind stets auf gleichem elektrischen Potential. Wie bereits erläutert bilden jeweils gegenüberliegende Leiterflächen 24a, 24b; 28a, 28b Messkapazitäten über die dazwischen angeordneten Zwischenräume, wobei die im Innenraum 14 aufgenommene Flüssigkeit das Dielektrikum bildet. Durch die direkte elektrische Verbindung der beidseitigen Leiterflächen 24a, 24b; 28a, 28b ist sichergestellt, dass das Material der starren Leiterplattenabschnitte 52a, 52b kein Dielektrikum der Messkapazitäten bildet und so keinen Einfluss auf die Messung hat.

Dabei sind wie weiter in Fig. 5 gezeigt die einzelnen Messkapazitäten parallelgeschaltet, so dass zwei kombinierte Messkapazitäten gebildet sind, die jeweils alle Zwischenräume und somit den gesamten Innenraum 14 erfassen. Die beiden kombinierten Messkapazitäten sind wie in Fig. 1 für die grundlegende Ausführungsform gezeigt hintereinander zwischen Zu- und Abfluss (nicht dargestellt) angeordnet.

Fig. 6a zeigt eine erste Variante des Anschlusses der Kondensatoranordnung 120 an die Auswertevorrichtung 30. Wie bereits im Hinblick auf Fig. 2 erläutert ist die kombinierte Messkapazität Ci in Reihe mit einem Widerstandselement an die Anregungsschaltung 32 angeschlossen. Dabei kann ein komplexer Widerstand bspw. auf verschiedene Arten dadurch gebildet sein, dass das Widerstandselement Ria aus Sicht der Anregungsschal tung 32 vor der Messkapazität angeordnet sein, oder alternativ dahinter (Widerstandsele ment Rib), oder es können beide dargestellten Widerstandselemente Ria, Rib vorgesehen sein.

Zusätzlich kann zur Detektion von Leitungsunterbrechungen, insbesondere im Bereich der flexiblen Leiterbahnträgerabschnitte 54, durch Parallelschaltung eines Detektionswider stands Rd zur Messkapazität Ci eine Leiters chleife über alle starren Leiterplattenabschnit te 52a, 52b und über alle flexiblen Leiterbahnträgerabschnitte 54 gebildet sein. Der Detek tionswiderstand Rd kann wie in der ersten Variante gemäß Fig. 6a dargestellt auf dem letzten starren Leiterplattenabschnitt 52a, 52b angeordnet sein oder an anderer Stelle, bspw. auf dem ersten starren Leiterplattenabschnitt 52a wie in der zweiten Variante gemäß Fig. 6b gezeigt. In jedem Fall ist eine den Detektionswiederstand Rd enthaltende Leiter schleife über alle flexiblen Leiterbahnträgerabschnitte 54 gebildet, wobei bevorzugt die Leiterbahnen der Leiterschleife jeweils entlang der beiden Ränder der flexiblen Leiter bahnträgerabschnitte 54 verlaufen, so dass diese in besonderer Weise überwacht werden.

Durch die Parallelschaltung des Detektionswiederstands Rd zur kombinierten Messkapazi tät Ci, in Kombination mit der Reihenschaltung mit den Widerstandselementen Ria und/ oder Rib wird wiederum ein komplexer Widerstand gebildet. Die Auswertung erfolgt dennoch wie zuvor erläutert, wobei allerdings in dem Fall, dass infolge eines Leitungs bruchs die Leiterschleife mit dem Detektionswiederstands Rd nicht mehr geschlossen ist, dies durch die Auswertevorrichtung 30 erkannt wird.

Für den komplexen Widerstand, der durch Ria/Rib, die Kapazität Ci und den Detektions widerstand Rd gebildet ist, zeigt Fig. 8 beispielhaft den Verlauf der Ausgangsspannung Ui in Abhängigkeit von der Frequenz f. Für eine Kapazitätswert Ci (ohne Verunreinigungen) ergibt sich der mit einer durchgezogenen Linie dargestellte Frequenzgang mit einer Grenzfrequenz etwa bei f _G = 1/ (2p RiCi), während sich bei Wasseranteilen im Zwischen raum 27 der mit einer strichpunktierten Linie dargestellte Frequenzgang ergibt mit einer geringeren Grenzfrequenz, d.h. als gegenüber den Verhältnissen ohne Verunreinigungen nach links verschobene Kurve.

Als punktierte Linie ist frequenzabhängig die jeweilige Differenz der Ausgangssignale zwischen dem betrachteten Fall der Flüssigkeit ohne Verunreinigungen (durchgezogene Linie) und der Flüssigkeit mit Wassertröpfchen (strichpunktierte Linie) dargestellt. Die Differenzkurve bildet ein Maximum im Bereich knapp oberhalb der Grenzfrequenz f _G für den Fall ohne Verunreinigungen aus. Diese Frequenz, bei der die sich abhängig von der Kapazitätsänderung einstellende Span nungsdifferenz maximal ist, wird als bevorzugte Anregungsfrequenz b des ersten Kanals der Auswertevorrichtung 30 verwendet. Wie beispielhaft in Fig. 8 aufgetragen ergibt sich bei dieser Messfrequenz b im Fall der Flüssigkeit ohne Wasseranteil eine Ausgangsspan- nung Ua, während sich bei einem gewissen Anteil an Wassertröpfchen die Ausgansspan nung Ub ergibt.

Während der Frequenzgang im Bereich der Grenzfrequenz wie dargestellt variabel ist, sind die Signalverläufe deutlich ober- bzw. unterhalb der Grenzfrequenz sehr flach. Die Span- nungswerte Ui bei geringen Frequenzen (im Beispiel von Fig. 8 ca. 5V) und bei hohen Frequenzen (im Beispiel von Fig.8 ca. 2,7 V) sind u.a. durch den Detektionswiderstand Rd bestimmt. Spannungswerte deutlich außerhalb des so eingegrenzten Spannungsbereiches (im Beispiel 2,7 - 5V) zeigen somit einen Fehlerzustand an, d.h. bspw. einen Kurzschluss oder Leitungsbruch. Dies ist durch ein vom Prozessor 44 ausgeführtes Auswertungspro- gramm leicht erkennbar.

Es sei darauf hingewiesen, dass sich die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausfüh rungsformen und Varianten beschränkt, sondern weitere Ausführungen möglich sind. So kann bspw. statt zwei Messkapazitäten 22, 26 nur eine einzige Messkapazität oder weitere Messkapazitäten vorgesehen sein. Es kann bspw. auch eine andere Anzahl von starren Leiterplattenabschnitten 52a, 52b vorgesehen sein. Statt einer Signalauswertung mit Spitzenwertdetektion kann auch durch Verwendung schneller A/D Wandler der jeweilige Momentanwert ausgewertet werden. Generell können die Merkmale der Ausführungsfor men sowie der Ansprüche beliebig kombiniert werden.