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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zum
Testen eines Sensorelements mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.
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Bei
der Überwachung
von Flüssigkeiten,
insbesondere flüssiger
Motorbetriebsstoffe, wie z.B. Motoröl, können mehrere chemische und
physikalische Eigenschaften der Flüssigkeit zur Überwachung
ihres "Zustandes" herangezogen werden.
Ein wichtiges Bewertungskriterium für den aktuellen Flüssigkeitszustand
ist dabei die Viskosität η, die mit
Hilfe eines Viskositätssensors
gemessen werden kann.
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Zur
Viskositätsmessung
werden dabei seit einiger Zeit piezoelektrische Dickenscherschwinger, welche
beispielsweise aus Quarz hergestellt sind, verwendet. Siehe dazu
beispielsweise S. J. Martin et. al., Sens. Act. A 44 (1994) Seiten
209-218. Wird ein solcher Dickenscherschwinger in eine viskose Flüssigkeit
getaucht, so ändern
sich die elektrischen Parameter des Resonators wie beispielsweise
die Resonanzfrequenz der Eigenschwingung und deren Dämpfung in
Abhängigkeit
von der Viskosität
und der Dichte der viskosen Flüssigkeit.
Da die Dichte für
typische Flüssigkeiten
in weit geringerem Maße
variiert als die Viskosität,
stellt ein derartiges Bauteil praktisch einen Viskositätssensor
dar.
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Die
Schriften
DE 101 12
433 A1 und
DE
101 23 040 A1 offenbaren Viskositätssensoranordnungen mit einer
piezo-elektrischen Sensoreinrichtung, die sich vollständig in
der zu messenden Flüssigkeit
befindet und elektrische Kontaktstellen für eine elektrische Ansteuerung
aufweist, die bezüglich
der Flüssigkeit
resistent sind und mit elektrischen Zufuhrleitungen, die einerseits
mit einer Ansteuer-/Auswerteelektronik außerhalb der Flüssigkeit
und andererseits mit den Kontaktstellen der Sensoreinrichtung mittels eines
geeigneten mit Metallteilchen versehenen Leitklebstoffes verbunden
sind.
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Eine
geeignete Ansteuer- und Auswerteelektronik ist dabei beispielsweise
in der Schrift
DE
102 03 475 A1 beschrieben.
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Bei
der Messung der Viskosität
mittels eines piezoelektrischen Plättchens sollte idealerweise
die Oberfläche
eine reine Scherschwingung an die Flüssigkeit übertragen. Da der Resonator
jedoch einen lokal gebundenen Schwingungsmodus realisiert, ergibt sich,
dass die schwingende Resonatoroberfläche auch unerwünschte kompressive
Schallwellen, d.h. longitudinale Moden bzw. Druckwellen, in die
Flüssigkeit
abstrahlt. Die Ursache für
derartige kompressive Wellen liegt in der inhomogenen Verteilung
der Scherkomponente eines typischen Resonators, da die Verteilung
der Amplitude der Scherbewegung über
der Resoantoroberfläche
in etwa einer Gauss'schen
Verteilung mit einem Maximum im Zentrum der Elektrode gleicht. Diese
inhomogene Verteilung der Scherkomponente bewirkt eine Ausbildung von
Zentren kompressiver Wellenanregung an zwei Stellen an der Oberfläche, welche
symmetrisch zum Mittelpunkt der Elektrode angeordnet sind (siehe auch
B. A. Martin and H. E. Hager, J. Appl. Phys. 65, p. 2630, 1989 B.
A. Martin and H. E. Hager, J. Appl. Phys. 65, p. 2627, 1989). Ein
weiterer Mechanismus zur Anregung kompressiver Wellen ergibt sich
durch die Tatsache, dass durch die Anregung des Schermodus ein Drehmoment
eingeprägt
wird, welches das Plättchen
zu Taumelbewegungen um eine Achse parallel zur Sensoroberfläche anregt,
was ebenfalls zu Bewegungen normal zur Sensoroberfläche führt (R.
Thalhammer et. al., Proc. IEEE Int. Freq. Contr. Symp., Orlando,
FL, p. 105, 1997). Schließlich
kann der dominante lokalisierte Schermodus durch Effekte an der
Berandung (z.B. bei der Fixierung des Plättchens durch den Kleber) oder
durch andere Inhomogenitäten,
die zum Teil in andere Moden konvertiert werden (Modenumwandlung
bzw. „mode
conversion") hervorgerufen
werden. Diese anderen Moden weisen in der Regel Verschiebungskomponenten normal
zur Sensoroberfläche
auf und führen
somit ebenfalls zur Anregung kompressiver Wellen.
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Kompressive
Wellen weisen üblicherweise selbst
in hochviskosen Flüssigkeiten
eine weit geringere Dämpfung
auf als Scherwellen. Daher können diese
Wellen an Objekten in der Umgebung des Sensors reflektiert werden
und in der Folge zu unerwünschten
Interferenzerscheinungen führen,
welche das Messergebnis verfälschen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es nun, ein einfaches Messverfahren zur Bewertung
der Güte
von Sensoren aufzuzeigen, welches unter anderem die Erfassung der
kompressiven Wellen beinhaltet.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Testen wenigstens eines ersten Sensorelements. Dabei weist das erste
Sensorelements einen zu mechanischer Schwingungen fähigen Schwinger
auf. Dies kann beispielsweise ein piezoelektrisches Plättchen sein. Weiterhin
ist vorgesehen, dass das erste Sensorelement, insbesondere der Schwinger,
wenigstens zum Teil mit einem ersten Medium in Kontakt steht. Zum Testen
des ersten Sensorelements ist dabei notwendig, dass das erste Medium
dazu geeignet ist, die Schwingungen, die der Schwinger erzeugt,
zu übertragen.
Dabei ist besonders vorgesehen, dass der Schwinger vorgebbare, das
heißt
definierte Schwingungen im ersten Medium erzeugen kann. Der Kern der
Erfindung besteht nun darin, dass während des Tests des wenigstens
ersten Sensorelements wenigstens ein Parameter in der Testanordnung
derart gewählt
werden kann, dass die Ausbreitung der vorgebbaren Schwingungen in
dem ersten Medium beeinflusst werden kann.
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Der
Vorteil bei einem derartigen Testverfahren liegt dabei darin, dass
eine einfache Vermessung der Abstrahlungscharakteristik des ersten
Sensorelements unter verschiedenen Randbedingungen durchgeführt werden
kann. So können
beispielsweise die kompressiven Wellen, die von dem Schwinger ausgehen,
vermessen werden und die Güte
des ersten Sensorelements in Abhängigkeit
von der Abstrahlungscharakteristik festgelegt werden.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Ausbreitung der Schwingungen
in dem ersten Medium durch einen Reflektor beeinflusst. Dabei ist
insbesondere vorgesehen, dass der Abstand und/oder der Winkel des
Reflektors relativ zum ersten Sensorelement variiert werden kann.
Weiterhin ist vorgesehen, dass während
des Tests des ersten Sensorelements die Zusammensetzung und/oder
die Temperatur und/oder die Dichte und/oder die Viskosität des ersten
Mediums verändert
werden kann.
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Erfindungsgemäß wird die
Ausbreitung der vorgebbaren Schwingungen im ersten Medium in Abhängigkeit
von dem wenigstens einen wählbaren
Parameter erfasst. In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung
wird dabei die Güte
des ersten Sensorelements durch die so erfasste Ausbreitung bestimmt.
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Vorteilhafterweise
wird die Ausbreitung der vorgebbaren Schwingungen im ersten Medium
durch das erste Sensorelements selbst und alternativ durch einen
zweites Sensorelement erfasst, wobei bei letzterem das erste Sensorelement
als Sender und das zweite Sensorelement als Empfänger verwendet wird. In einer
speziellen Ausgestaltung der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass
das erste und das zweite Sensorelement aus baugleichen Sensorelementen bestehen.
Dies hat den Vorteil, dass die Verwendung einer teuren Spezialmessapparatur
entfällt.
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In
dem erfindungsgemäßen Testverfahren
ist besonders vorgesehen, dass das erste Sensorelement auf die Erzeugung
von kompressiven Schwingungen bzw. Wellen in dem ersten Medium untersucht
wird. Das Ausmaß der
kompressiven Schwingungen stellt dabei ein Maß für die Güte des ersten Sensorelements
bzw. das Schwingers dar. Zur Durchführung des Testverfahrens ist
insbesondere vorgesehen, dass die Frequenz der kompressiven Schwingungen
durch die Ansteuerung des ersten Sensorelements bzw. das Schwingers
vorgebbar ist. Weiterhin ist vorgesehen, dass das Testverfahren
die Ausbreitung der kompressiven Wellen ausgehend von dem Sensorelement
erfasst.
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Zur
Durchführung
des Testverfahrens ist vorgesehen, dass das erste Sensorelement
an eine Ansteuerung bzw. Auswerteelektronik angeschlossen wird.
Mittels dieser Elektronik kann zum einen das Sensorelements bzw.
der Schwinger gesteuert und zum anderen die Parameter variiert werden.
So ist beispielsweise denkbar, dass diese Elektronik die Lage des
Reflektors in dem Medium aktiv steuert und gleichzeitig die Messwerte,
die durch das erste Sensorelement aufgenommen werden, verarbeitet.
Darüber
hinaus kann die Elektronik jedoch auch eine Vorrichtung ansteuern,
die beispielsweise das erste Medium in einem Behälter erhitzt, verdünnt oder
durch ein zweites Medium ersetzt.
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In
einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass
mit dem ersten Sensorelement die Viskosität des ersten Mediums erfasst werden
kann.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw.
aus den abhängigen
Patentansprüchen.
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Zeichnungen
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1 zeigt
einen Viskositätssensor,
dessen Güte
in dem erfindungsgemäßen Testverfahren
bestimmt werden kann. Ein Ausführungsbeispiel
des Testverfahrens mit lediglich einem Sensorelement, welches gleichzeitig
als Sender und Empfänger
fungiert, ist in 2 dargestellt. Dagegen zeigt 3 eine
mögliche
Ausgestaltung mit zwei Sensorelementen, bei denen das erste Sensorelement
als Sender und das zweite Sensorelement als Empfänger verwendet wird.
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Ausführungsbeispiel
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In
der 1 ist ein typischer Viskositätssensor dargestellt, wie er
beispielsweise in dem eingangs genannten Stand der Technik näher beschrieben
wird. Dabei wird auf die Vorderseite 130 und auf die Rückseite 140 einer
Quarzscheibe bzw. einem piezo-elektrischen Plättchen 100 eine Elektrodenmetallisierung
aufgebracht. Auf diesen Elektroden 130 und 140 werden
dann mittels eines geeigneten leitfähigen Klebstoffs 150 Kontaktleitungen 110 aufgebracht.
Diese Kontaktleitungen 110 werden dann durch isolierte
Durchführungen
in ein Halteelement 120 geführt.
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Die
Funktion eines derartigen Sensors besteht darin, dass eine Wechselspannung,
die an die beiden Elektroden 130 und 140 angelegt
wird, zu elektrischen Feldlinien durch das piezoelektrischen Plättchen 100 führt und
damit das Plättchen
zu Schwingungen anregt. Wird das piezo-elektrische Plättchen 100 in
eine Flüssigkeit
getaucht, so regt die Scherbewegung an der Oberfläche des
Plättchen eine
stark gedämpfte
akustische Scherwelle in der (viskosen) Flüssigkeit an. Dadurch ändern sich
die elektrischen Parameter des Resonators entsprechend der Viskosität, womit
eine elektrische Messung derselben ermöglicht wird. Weitergehende
Details zum Funktionsprinzip sind u.a. in der bereits genannten
Schrift von Martin et al zu finden.
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Wie
bereits ausgeführt,
kann die schwingende Resonatoroberfläche unerwünschte kompressive Schallwellen,
d. h. der longitudinale Moden bzw. Druckwellen in der Flüssigkeit
erzeugen. Im Gegensatz zu den erwünschten Scherwellen, mit denen
die Viskosität
der Flüssigkeit
gemessen wird, weisen diese kompressiven Wellen üblicherweise selbst in hochviskosen
Flüssigkeiten
eine weitaus geringere Dämpfung
auf. Durch einen Reflexion und damit verbundener Interferenzerscheinungen
kann es zu einer Verfälschung
des Messergebnis mittels des Sensorelements kommen. Da die aufgeführten Mechanismen,
die zu einer Bildung von kompressiven Wellen führen, zu vielschichtig sind,
ist eine Auslegung des Sensors zur Minimierung der Anregung kompressiver
Wellen entsprechend kompliziert. Mögliche Parameter bei der Herstellung
des Sensors zur Beeinflussung diese Eigenschaft sind unter anderem
der Scheibendurchmesser, der Elektrodendurchmesser, die Ausführung der
Kontaktierung des Sensors und die Gestaltung der Oberfläche (konvex
oder mit einer Fase an den Scheibenrändern). Zur Verifikation und Evaluierung
von Sensortypen-Entwürfen
aber insbesondere auch zur Qualitätskontrolle von Sensoren in einer
Serienfertigung ist es daher von Nutzen, ein einfaches Messverfahren
zur Bewertung der Güte der
Sensoren hinsichtlich der Unterdrückung von kompressiven Moden
zur Verfügung
zu haben.
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Im
ersten Ausführungsbeispiel
nach 2 wird dabei der Sensor bzw. das Sensorelement 220 in
einen Behälter
mit Test-Flüssigkeit 200 getaucht und
mit einem Generator 230 angeregt. Gleichzeitig mit der
Anregung des Sensorelements können
dabei die elektrischen Parameter des Sensorelements 220 wie
in dem eingangs genannten Stand der Technik bestimmt werden. Als
möglicher
Generator hat sich dabei zum Beispiel ein Impedanzanalysator als
besonders geeignet erwiesen. Wird nun dem Sensorelement 220 im
Abstand d (250) eine Reflektorwand 210, wie in 2 gezeigt,
gegenübergestellt,
so kann eine Veränderung
der Sensorcharakteristika (im wesentlichen die Sensorimpedanz) in
Abhängigkeit
von dem Abstand d (250) und/oder von dem Winkel 240 beobachtet
werden. Darüber
hinaus kann ebenso vorgesehen sein, die Test-Flüssigkeit 200 mittels
einer Heiz-Vorrichtung zu erhitzen. Dies kann beispielsweise die
Wellenlänge
der kompressiven Wellen beeinflussen. Weiterhin ist denkbar die
Flüssigkeit
als solches zu variieren. Dies kann entweder durch Austausch der
Flüssigkeit
mit einer weiteren Flüssigkeit
und/oder durch Verdünnung
und/oder durch Hinzufügung
einer anderen Flüssigkeit
geschehen.
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In
einem zweiten Ausführungsbeispiel
gemäß 3 wird
statt des Reflektors 210 dem ersten Sensorelement 300 ein
zweites Sensorelement 310 ebenfalls im Abstand d (350)
gegenübergestellt.
Dabei wird das erste Sensorelement 300 als Sender und das
zweite Sensorelement 310 als Empfänger verwendet. Ebenso wie
bereits zum Ausführungsbeispiel
der 2 beschrieben, kann sowohl der Abstand d (350)
als auch der Winkel 340 zwischen den beiden Sensorelementen 300 und 310 variiert
werden. Das Steuergerät 320 z.B.
Ein Netzwerkanalysator, dient in diesem zweiten Ausführungsbeispiel
dazu, an Stelle der Überwachung
der Impedanz des ersten Sensors die Übertragungsfunktion vom ersten zum
zweiten Sensor bei Variation des Abstands d (350) und des
Winkels 340 zu erfassen und auszuwerten. Auf Grund des
Reziprozitätstheorems
(wie es zum Beispiel auch für
elektromagnetische Sende- und Empfangsantennen gilt) kann auf diese
Weise bei Bedarf die akustische Abstrahlcharakteristik eines Sensors
bestimmt werden. In einem besonderen Ausführungsbeispiel können die
beiden Sensorelement 300 und 310 durch baugleiche
Sensorelemente realisiert werden.
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Die
Variation der verschiedenen Parameter erlaubt es bei beiden Ausführungsbeispielen,
Rückschlüsse auf
das Ausmaß der
Anregung von kompressiven Wellen zu ziehen. Zum Beispiel kann dies im
ersten beschriebenen Ausführungsbeispiel
gemäß 2 durch
Erfassung der auftretenden Interferenzmuster im Verlustwiderstand
(im Ersatzschaltbild des Quarzes) bei Annäherung des Reflektors 210 erfolgen.
Dabei kann selbstverständlich
auch das Sensorelement 220 an den Reflektor 210 angenähert werden.
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Im
zweiten Ausführungsbeispiel
nach 3 kann das Übertragungsmaß selbst
als Maß für die Anregung
kompressiver Wellen herangezogen werden, da akustische Scherwellen
typischerweise innerhalb weniger Mikrometer von der Sensoroberfläche entfernt
bereits stark gedämpft
werden. Für
eine Signalübertragungen über weitere
Strecken (einige Millimeter) sind deshalb im wesentlichen kompressiven
Wellen verantwortlich.
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Eine
Auswertung bezüglich
der Güte
des Sensorelements 220 bzw. 300 kann sowohl in
dem Steuergerät 230 als
auch in dem Steuergerät 320 durchgeführt werden.
Darüber
hinaus ist jedoch auch denkbar, dass die Steuergeräte 230 und 320 lediglich zur
Ansteuerung und zur Erfassung der Messdaten während der Durchführung des
Testverfahrens dienen. Eine endgültige
Auswertung der Güte
des Sensorelements kann dann durch eine separate Auswerteeinheit
erfolgen, die sowohl mit den Steuergeräten 230 bzw. 320 als
auch mit den Vorrichtungen verbunden ist, die die Parameter variiert.
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Allgemein
ist jedoch zur Auswertung der Variation der Abstrahlcharakteristika
erforderlich, dass bei den durchgeführten Änderungen des Abstandes d (250 bzw. 350),
des Winkels 240 bzw. 340 sowohl die Temperatur
als auch die Zusammensetzung der Flüssigkeit 200 berücksichtigt
werden muss. Eine besonders vorteilhafte Vorrichtung sieht dabei
vor, dass eine zentrale Steuereinheit sowohl die Ansteuerung der
Sensorelemente, des Reflektors, bzw. deren Positionen zueinander
sowie die Zusammensetzung der Flüssigkeiten
automatisch steuert.
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Als
mögliches
Kriterium der Güte
eines mittels des vorliegenden Testverfahrens untersuchten Sensorelements
kann dabei ein vorgebbares Höchstmaß an Erzeugung
von kompressiven Wellen sein, beispielsweise in einer vordefinierten
Entfernung.