AT399052B

AT399052B - Sensoreinrichtung zur bestimmung der masse eines flüssigkeitsfilmes

Info

Publication number: AT399052B
Application number: AT149392A
Authority: AT
Inventors: Anton Dipl Ing Plimon; Josef Michael Dipl Ing Stadler
Original assignee: Avl Verbrennungskraft Messtech
Priority date: 1992-07-21
Filing date: 1992-07-21
Publication date: 1995-03-27
Also published as: DE4323449A1; ATA149392A

Description

AT 399 052 B

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zur Bestimmung der Masse eines Flüssigkeitsfilmes auf einer Begrenzungsfiäche.

Die Bestimmung der Masse bzw. der Dicke von Flüssigkeitsfilmen ist in einer Vielzahl von technischen Bereichen von großer Bedeutung. Beispielsweise verändern derartige Wandfilme die aerodynamischen Eigenschaften von Flugzeugen und beeinflussen - um ein ganz anderes technisches Gebiet zu nennen -auch chemische Herstellungsverfahren, sodaß erst eine exakte Bestimmung der Dicke derartiger Filme wirksame Gegenmaßnahmen bzw. eine Änderung der Prozeßparameter ermöglicht.

Eine spezielle Anwendung derartiger Sensoreinrichtungen liegt in der Messung von Kraftstoff-Wandfilmen im Saugrohr von Motoren, wobei die vorliegende Erfindung jedoch auf derartige Anwendungen nicht eingeschränkt werden soll.

Die Stärke von Wandfilmen wurde bisher z.B. durch aufwendige laseroptische Methoden, z.B. laserinduzierte Fluoreszenz, gemessen, welche jedoch am laufenden Motor mit der benötigten Genauigkeit praktisch nicht durchführbar sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine technisch einfache Sensoreinrichtung zur Bestimmung der Masse eines Flüssigkeitsfilmes auf einer Grenzfläche, insbesondere eines Kraftstoff-Wandfiimes im Saugrohr einer Brennkraftmaschine vorzuschlagen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einem Gehäuse ein piezoelektrisch angeregter Zweimassenschwinger befestigt ist, daß eine senkrecht zu deren Oberfläche schwingende Meßfläche des Zweimassenschwingers in die Begrenzungsfläche ragt und vom zu messenden Flüssigkeitsfilm beaufschlagbar ist, sowie daß eine mit dem Zweimassenschwinger in elektrischer Verbindung stehende Einrichtung zur Erfassung der von der Masse des Flüssigkeitsfilms abhängigen Änderung der Eigenfrequenz des Zweimassenschwingers vorgesehen ist. Der piezoelektrisch angeregte Zweimassenschwinger bildet bevorzugt eine sogenannte X/2 Schwingung aus, welche ihre Schwingungsknoten in der Ebene der Meßfläche aufweist. Die Masse eines Flküssigkeitsfilmes, der sich auf der Meßfiäche befindet, wird durch die Frequenzverstimmung des Zweimassenschwingers gemessen. ln einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung weist der Zweimassenschwinger zumindest zwei ringförmige, piezoelektrische Elemente auf, welche an zwei Seiten einer Trägermembran angeordnet und zwischen zwei trägen Massen eingespannt sind, wobei die Trägermembran zwischen zwei Gehäuseteilen festgehalten ist.

Um das Eindringen von Wandfilmen in die Sensoreinrichtung zu verhindern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Meßfläche von einer einen ringförmigen Spalt zwischen Zweimassenschwinger und Gehäuseteil überbrückenden Membran bedeckt ist.

Die elektrische Kontaktierung der piezoelektrischen Elemente der Sensoreinrichtung kann einerseits über das Gehäuse und die elektrisch leitfähig mit der Meßfläche und dem Gehäuse verbundene Membran und andererseits über die zwischen zwei elektrisch isolierende Klemmringe der Gehäuseteile eingespannte Trägermembran erfolgen. Die von einem Oszillator erzeugte Wechselspannung wird in dieser Ausführungsvariante direkt an das Gehäuse und die Trägermembran angelegt.

In einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung ist es auch möglich, die elektrische Kontaktierung der piezoelektrischen Elemente über das Gehäuse und die leitfähig mit dem Gehäuse verbundene Trägermembran einerseits und über die der Meßfläche gegenüberliegende Fläche des Zweimassenschwingers zu realisieren. Bei beiden Kontaktierungsbeispielen können die trägen Massen des Zweimassenschwingers über einen zentralen, die piezoelektrischen Elemente und die Trägermembran mit Spiel durchsetzenden Bolzen verschraubt sein, welcher Bolzen beide Massen elektrisch leitend verbindet. Die Trägermembran und die trägen Massen werden somit als Elektroden verwendet, um an die piezoelektrischen Elemente, die durch den Oszillator erzeugte Wechselspannung anzulegen. Die dadurch in den piezoelektrischen Elementen hervorgerufenen Dickenänderungen erzeugen im Zweimassenschwinger eine stehende Welle.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, daß das Gehäuse der Sensoreinrichtung über ein Außengewinde verfügt, mit welchem die Sensoreinrichtung in eine Saugrohrwand einer Brennkraftmaschine zur Bestimmung der Masse von Kraftstoff-Wandfilmen einschraubbar ist.

In diesem Fall ist es von Vorteil, wenn die piezoelektrischen Elemente aus Piezokeramiken bestehen und die Eigenfrequenz des Zweimassenschwingers 20 bis 500 kHz, vorzugsweise 50-150 kHz beträgt.

Falls die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung zur Messung von Kraftstoff-Wandfilmen in das Saugrohr einer Brennkraftmschine eingeschraubt wird, sind Maßnahmen zu treffen, um eine Beeinflussung des Sensors bzw. der Meßergebnisse durch die starken mechanischen Schwingungen im laufenden Motor zu minimieren.

Die Trägermembran, welche die einzige mechanische Koppelung zwischen Gehäuse und Zweimassenschwinger darstellt, wird möglichst dünn ausgeführt, beispielsweise aus 0,1 mm Stahlblech. Die Träger- 2

Claims

AT 399 052 B membran muß jedoch eine genügend stabile Halterung für den Zweimassenschwinger darstellen. Die in einer Ausführungsvariante vorgesehenen isolierenden Klemmringe zum Einspannen der Trägermembran können gleichzeitig auch als dämpfende Elemente wirken, um eine möglichst stabile Eigenfrequenz der Sensoreinrichtung zu garantieren. Gleichzeitig sollen alle Trennflächen zwischen der Trägermembran, den piezoelektrischen Elementen und den trägen Massen eine geringe Rauhigkeit aufweisen. Die Erfindung wird im folgenden anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung in teilweise schematischer Darstellung und Fig. 2 eine Ausführungsvariante der Einrichtung nach Fig. 1. Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsvariante der Erfindung zeigt einen in einem Gehäuse 1, bestehend aus den Gehäuseteilen 11", durch eine Trägermembran 2 gehaltenen Zweimassenschwinger 3, welcher zwei piezoelektrische Elemente 4 zur Schwingungsanregung aufweist. Die Meßfläche 5 des Zweimassenschwingers 3 liegt in der Begrenzungsfläche 6, auf welcher die Masse eines Flüssigkeitsfilmes - welcher sich auch auf die Meßfiäche 5 erstreckt - gemessen werden soll. Der Zweimassenschwinger 3 weist zu beiden Seiten der Trägermembran 2 ringförmige, piezoelektrische Elemente 4 auf, welche zwischen zwei trägen Massen 7 eingespannt sind. Die beiden Massen 7 sind über einen zentralen Bolzen 8 verschraubt, welcher die piezoelektrischen Elemente 4 und die Trägermembran 2 mit Spiel durchsetzt. Der Spalt 9 zwischen der Meßfläche 5 und dem Gehäuseteil 1 ’ wird durch eine dünne flexible Membran 10 überbrückt, welche mit einem elektrisch leitenden Kleber oder durch Schweißen an der Meßfläche 5 befestigt ist. So wird gleichzeitig ein Eindringen des Flüssigkeitsfilmes in den Spalt 9 verhindert und ein Ausgang des Oszillators 11 über die Masse 7 (z.B. aus Aluminium) mit dem piezoelektrischen Element 4 verbunden. Der andere Ausgang des Oszillators 11 ist direkt mit der Trägermembran 2 verbunden, weiche über elektrisch isolierende Klemmringe 12 zwischen den Gehäuseteiien Γ, 1" gehalten wird. Die Masse des Flüssigkeitsfilmes, der sich auf der Meßfläche 5 bzw. der Membran 10 befindet, wird durch die Frequenzverstimmung des Zweimassenschwingers 3 gemessen, wozu der Oszillator 11 mit einem Frequenzzähler 13 und dieser mit einer Auswerte- und Display-Einheit 14 verbunden ist. Das Funktionsprinzip der Sensoreinrichtung basiert darauf, daß die elektrische Schaltung Oszillator-Zweimassenschwinger ein elektrisches Oszillator-Resonator-System bildet, wobei die Schwingungsfrequenz dieses Systems durch den Zweimassenschwinger festgelegt wird. Wird nun ein Flüssigkeitsfilm auf der Meßfläche 5 bzw. der Membran 10 erzeugt, so sinkt die Eigenfrequenz des Sensors. Diese Frequenzänderung ist direkt proportional der Masse des Flüssigkeitsfilmes und wird vom Frequenzzähler erfaßt. Aus der Masse, der Dichte und der wirksamen Fläche kann eine mittlere Wandfilmdicke von wenigen um bis in den Bereich von 1 mm mit einer Genauigkeit von 5 um bestimmt werden. Das Gehäuse 1 bzw. der Gehäuseteil T verfügt über ein Außengewinde 15, über welches die Sensoreirichtung in die strichliert angedeutete Saugrohrwand 16 eines Motors eingeschraubt werden kann. Damit läßt sich die Dicke eines Kraftstoff-Wandfilmes auf einfache und exakte Weise bestimmen. Die Ausführung nach Fig. 2, bei welcher der Fig. 1 entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, unterscheidet sich von der eingangs beschriebenen Ausführungsvariante vor allem dadurch, daß die Kontaktierung des Zweimassenschwingers 3 einerseits direkt über die Trägermembran 2 erfolgt, weiche auf Gehäusepotential liegt und andererseits über die der Meßfläche 5 gegenüberliegende Fläche 17 des Zweimassenschwingers 3. Der von dieser Fläche abgeleitete Kontakt wird einem genormten Stecker 18 am rückwertigen Gehäuseteil 1" zugeführt. Da bei dieser Ausführungsvariante das Gehäuse 1 und die träge Masse 7 auf unterschiedlichem Potential liegen, ist die Membran 10 mit einem isolierenden Kleber auf der Meßfläche 5 befestigt. Es sind jedoch auch Anwendungsfälle denkbar, bei welchen der Spalt 9 durch einen Dichtring verschlossen oder überhaupt offengelassen wird. Die Eigenfrequenz der in den Fig. 1 und 2 beschriebenen Ausführungsvarianten beträgt ca. 100 kHz. Patentansprüche 1. Sensoreinrichtung zur Bestimmung der Masse eines Flüssigkeitsfilmes auf einer Begrenzungsfläche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Gehäuse (1) ein piezoelektrisch angeregter Zweimassenschwinger (3) befestigt ist, daß eine senkrecht zu deren Oberfläche schwingende Meßfläche (5) des Zweimassenschwingers (3) in die Begrenzungsfläche (6) ragt und vom zu messenden Flüssigkeitsfilm beaufschlagbar ist, sowie daß eine mit dem Zweimassenschwinger (3) in elektrischer Verbindung stehende Einrichtung (11, 13, 14) zur Erfassung der von der Masse des Flüssigkeitsfilms abhängigen Änderung der Eigenfrequenz des Zweimassenschwingers (3) vorgesehen ist.
2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweimassenschwinger (3) zumindest zwei ringförmige, piezoelektrische Elemente (4) aufweist, welche an zwei Seiten einer 3 AT 399 052 B Trägermembran (2) angeordnet und zwischen zwei trägen Massen (7) eingespannt sind, wobei die Trägermembran (2) zwischen zwei Gehäuseteilen (Γ, 1") festgehalten ist.
3. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfläche (5) von einer einen ringförmigen Spalt (9) zwischen Zweimassenschwinger (3) und Gehäuseteil (1') überbrük-kenden Membran (10) bedeckt ist.
4. Sensoreinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Kontaktierung der piezoelektrischen Elemente (4) über das Gehäuse (1) und die elektrisch leitfähig mit der Meßfläche (5) und dem Gehäuse (1) verbundene Membran (10) einerseits und die zwischen zwei elektrisch isolierende Klemmringe (12) der Gehäuseteile (1\ 1") eingespannte Trägermembran (2) andererseits erfolgt.
5. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Kontaktierung der Piezoelektrischen Elemente (4) über das Gehäuse (1) und die leitfähig mit dem Gehäuse (1) verbundene Trägermembran (2) einerseits und über die der Meßfläche (5) gegenüberliegende Fläche (17) des Zweimassenschwingers (3) andererseits erfolgt.
6. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß die beiden trägen Massen (7) des Zweimassenschwingers (3) über einen zentralen, die piezoelektrischen Elemente (4) und die Trägermembran (2) mit Spiel durchsetzenden Bolzen (8) verschraubt sind, welcher Bolzen (8) beide Massen (7) elektrisch leitend verbindet.
7. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Elemente (4) aus Piezokeramiken bestehen.
8. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) der Sensoreinrichtung über- ein Außengewinde (15) verfügt, mit welchem die Sensoreinrichtung in eine Saugrohrwand (16) einer Brennkraftmaschine zur Bestimmung der Masse von Kraftstoff-Wandfil-men einschraubbar ist.
9. Sensoreinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenfrequenz des Zweimassenschwingers (3) 20 bis 500 kHz, vorzugsweise 50-150 kHz beträgt. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 4