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Die
Erfindung geht aus von einer Viskositätssensoranordnung bzw. einem
Verfahren zur Erfassung von Zustandsparametern einer Flüssigkeit
nach den Oberbegriffen der unabhängigen
Ansprüchen.
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Zur
Viskositätsmessung
werden seit geraumer 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 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, wie er beispielhaft in der
DE 101 12 433 A1 dargestellt ist.
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Üblicherweise
wird zur Auswertung des piezoelektrischen Dickenscherschwingers
eine Oszillatorschaltung verwendet, wie sie in der
DE 199 58 769 A1 bzw. der
DE 102 03 475 A1 beschrieben
wird.
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Neben
der Viskosität
können
jedoch auch andere chemische und/oder physikalische Eigenschaften
der Flüssigkeit
zur Überwachung
bzw. Bestimmung des „Flüssigkeitszustands" herangezogen werden.
So ermöglicht
in dem Sensor gemäß der
DE 198 50 799 A1 ein
erstes Sensorelement in Form eines Oberflächenschwingers die Bestimmung
der Viskosität,
während ein
zweites Sensorelement mittels einer räumlich separierten Kondensatorstruktur
eine Leitfähigkeitsbestimmung
der Flüssigkeit
zulässt. Der
Nachteil von gradientenbedingten Effekten wie beispielsweise Temperatureffekten
bei diesem Sensor, wird in einem Sensor gemäß der nicht vorveröffentlichte
Schrift
DE 103 34
241 A1 mittels einer räumlichen
Kombination beider Sensorelemente behoben.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung beschreibt eine Viskositätssensoranordnung bzw. ein
Verfahren mittels einer Viskositätssensoranordnung
zur Erfassung von Zustandsparameter einer Flüssigkeit. Dabei ist vorgesehen,
dass die Viskositätssensoranordnung einen
Volumenschwinger und elektrische Zufuhrleitungen enthält. Der
Volumenschwinger ist derart ausgestaltet, dass er einen (Schwing-)Quarz
mit wenigstens zwei Quarzelektroden aufweist. Die Quarzelektroden
werden dabei mittels elektrischer Kontaktstellen über die
elektrischen Zufuhrleitungen mit einer Ansteuerung-/Auswerteelektronik
verbunden. Zur Erfassung der Zustandsparameter ist dabei vorgesehen,
dass der Volumenschwinger vollständig
mit der Flüssigkeit
bedeckt ist. Erfindungsgemäß kann mit der
beschriebenen Viskositätssensoranordnung
sowohl die Viskosität
als auch die Permittivität
der Flüssigkeit
erfasst werden, indem die Ansteuer-/Auswerteelektronik die Erfassung
in Abhängigkeit
von der Ansteuerung des Volumenschwingers durchführt.
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Durch
eine Erfassung der Viskosität
und der Permittivität
mit ein und demselben Sensorelement kann eine im Vergleich zu sonstigen
Sensoren kompakte Bauform des Sensors erreicht werden. Darüber hinaus
können
beide Zustandsparameter am selben Ort in der Flüssigkeit erfasst werden, wodurch gradientenbedingte
Effekte, insbesondere Temperatureffekte bei schnellen Temperaturänderungen
bzw. -schwankungen in der Flüssigkeit,
minimiert werden.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die beiden
Quarzelektroden unterschiedliche Elektrodenformen aufweisen. So
ist beispielsweise denkbar, dass die beiden Quarzelektroden nicht
deckungsgleich auf den beiden Seiten des Quarz angebracht sind und/oder
das wenigstens eine der Quarzelektroden als Ring oder Kreis ausgestaltet
ist.
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Optional
ist auch möglich,
auf einer der Seiten des Quarzes eine weitere Elektrode vorzusehen. An
dieser weiteren Elektrode kann eine zusätzliche Kapazitätsmessung
durchgeführt
werden. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Kapazitätsmessung
in Abhängigkeit
von der Ansteuerung des Volumenschwingers erfolgt.
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Da
die Viskosität
bei den meisten Flüssigkeiten
stark temperaturabhängig
ist, ist eine gleichzeitige Erfassung der Temperatur mittels eines
Temperatursensors zur Bewertung der Messdaten wünschenswert. So kann die Viskositätssensoranordnung
und/oder der Volumenschwinger ein Temperatursensor zugeordnet werden,
wobei insbesondere vorgesehen ist, dass dieser Temperatursensor
mit der Ansteuer-/Auswerteeinheit verbunden ist.
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Besonders
vorteilhaft ist das in der vorliegenden Erfindung beschriebene Verfahren
durch die Möglichkeit
der simultanen Erfassung der Viskosität und der Permittivität der Flüssigkeit.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Viskosität der Flüssigkeit
mittels eines Quarzresonators erfasst, der u.a. durch den Volumenschwinger gebildet
wird. Dabei wird die Viskosität
in Abhängigkeit
der viskosen Dämpfung
und/oder der Frequenzverschiebung der Resonanzfrequenz des in der
Flüssigkeit
befindlichen Teils des Quarzresonators erfasst.
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Eine
Möglichkeit
zur Erfassung der Permittivität
der Flüssigkeit
besteht darin, eine Kapazitätsmessung
an einer weiteren Elektrode auf einer Seite des Quarzes durchzuführen. Die
Permittivität
ergibt sich dann in Abhängigkeit
von der so erhaltenen Kapazitätsgröße.
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Vorteilhafterweise
wird die Permittivität
in Abhängigkeit
von der am Quarzresonator erfassten Streukapazität bestimmt. Dabei wird sowohl
der Volumenschwinger als auch wenigstens ein Teil der Zufuhrleitungen
bei der Erfassung der Streukapazität berücksichtigt. Dabei kann vorgesehen
sein, dass die derartige Bestimmung der Streukapazitäten usw.
die Bestimmung der Permittivität,
simultan zur Erfassung der Viskosität durchgeführt wird.
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In
einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, die
Streukapazitäten,
von der die Permittivität
abgeleitet wird, zu modifizieren. So können von der Gesamt-Streukapazität Teil-Streukapazitäten abgezogen
werden, die unabhängig
von der Permittivität
der Flüssigkeit
vorgegeben sind. Übrig
bleiben lediglich derartige Teil-Streukapazitäten, die abhängig von
der Permittivität
sind. Vor diesem Hintergrund können
Teil-Streukapazitäten,
die den Zufuhrleitungen außerhalb
der Flüssigkeit
und/oder dem Feld zwischen den Elektroden des Quarzes zugeordnet
werden können
von der gemessenen Gesamt-Streukapazität abgezogen werden.
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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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In
der 1 ist ein typischer Aufbau eines Quarzresonators
in einem Flüssigkeitsbehälter dargestellt.
Die 2a und 2b zeigen
eine schematische Darstellung der Messanordnung sowie ein elektrisches
Ersatzschaltbild des Quarzresonators. Eine Darstellung des die Streukapazität auslösenden Streufeldes
am Quarz ist in 3 dargestellt. Eine mögliche Ausgestaltung
der Elektroden auf der Quarzscheibe zeigt 4. Dagegen
ist in 5 eine Modifikation der elektrischen Anschlüsse dargestellt.
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Ausführungsbeispiel
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Ausgehend
von einer Messanordnung zur Erfassung der Viskosität einer
Flüssigkeit,
soll im folgenden eine Erfassung der Permittivität mit ein und demselben Sensorelement
beschrieben werden. Dazu wird eine typische Viskositätssensoranordnung als
Messanordnung verwendet, wie sie beispielsweise aus der Schrift
DE 101 12 433 A1 bekannt
ist. Darüber
hinaus soll jedoch selbstverständlich
auch jede andere Ausgestaltung einer entsprechenden Viskositätssensoranordnung
mit der vorliegenden Erfindungsidee betrieben werden können.
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Die
Messanordnung gemäß 1,
befindet sich zur Erfassung der Viskosität bzw. anderer Flüssigkeitseigenschaften
in einem Behälter 190,
der mit einer Flüssigkeit 180,
beispielsweise einem Öl
aufgefüllt
ist. Dabei ist bereits allgemein bekannt, zur Viskositäts- und/oder
Dichtemessung piezoelektrische Schwinger, insbesondere Volumenschwinger
zu verwenden. Wird ein solcher Volumenschwinger in eine viskose Flüssigkeit
getaucht, so ändert
sich dessen Resonanzfrequenz der Eigenschwingung und dessen Dämpfung in
Abhängigkeit
der Viskosität
und der Dichte der Flüssigkeit.
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Ein
Volumenschwinger, beispielsweise ein piezo-elektrischer Quarzkristall 100,
ist scheibenförmig
ausgebildet und vollständig
in die Flüssigkeit 180 in
dem Behälter 190 eingetaucht.
Der scheibenförmige
Quarzsensor 100 besitzt zwei elektrische Kontaktstellen,
die beispielsweise als Gold- oder Chromelektroden 110 bzw. 120 ausgebildet
sein können.
Dabei haben sich bei einer spezifischen Anwendung der Viskositätssensoranordnung
in Öl,
beispielsweise in Motor- oder Getriebeöl, Gold- oder Chromelektroden als
besonders robuste Materialien erwiesen.
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Die
Quarzelektroden 110 bzw. 120 sind über einen
geeigneten Leitklebstoff 135 und Kontaktfedern 130 mit
elektrischen Zufuhrleitungen 140 verbunden, die beispielsweise
als vergoldete oder verchromte Drähte ausgebildet sind. Auch
diese vergoldeten bzw. verchromten Drähte haben sich bei einer spezifischen
Anwendung im Motorenöl
eines Fahrzeugs als besonders robuste Leitermaterialien erwiesen.
Zur mechanischen Aufnahme der piezoelektrischen Quarzscheibe 100 weisen
die Kontaktfedern 130 eine geschlitzte Form auf.
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Der
Leitklebstoff 135 gewährleistet
die elektrische und mechanische Kontaktierung der piezoelektrischen
Quarzscheibe 100 mit den Kontaktfedern 130 an
den auf dem Rand der Quarzelektroden befindlichen Kontaktstellen.
Der isotrop elektrisch leitende Klebstoff 135 besteht in
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung aus Epoxidharz, Phenolharz und/oder Polyimid. Daneben
kann das Material des Leitklebstoffes 135 auch auf einer
Epoxy-Phenolbasis basieren. Die isotropen Leitklebstoffe 135 sind üblicherweise
mit Metallteilchen, vorzugsweise Nickel- und/oder Goldteilchen,
in Flake- oder Kugelform bzw. Mischungen versehen, um eine bessere
Leitfähigkeit zu
erreichen. Dabei können
die Nickel- bzw. Goldteilchen eine Teilchengröße von etwa 2 μm bis 20 μm besitzen.
Die Konzentration der Nickel- bzw. Goldteilchen in dem Leitklebstoff 8 beträgt in etwa
75 bis 95 Gew.%.
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Die
elektrischen Zufuhrleitungen 140 können entweder direkt durch
die Halterung 150 der Messanordnung mittels isolierten
Durchführungen 155 geführt sein,
oder durch geeignete Verbindungstechniken, beispielsweise Schweißen, mit
entsprechenden Anschlussdrähten 170 an
der Wand des Behälters 190 verbunden
sein. Entscheidend ist, dass eine elektrische Verbindung der Messanordnung über die Kontaktstellen
der Quarzelektroden 110 bzw. 120 und den elektrischen
Zufuhrleitungen 140 mit einer Ansteuer-/Auswerteelektronik 199 außerhalb
des Behälters 190 für eine elektrische
Ansteuerung der Messanordnung und eine anschließende Auswertung der Ergebnisse
hergestellt wird, wobei die verwendeten Kontaktstellen, Leitklebstoffe 135 und elektrischen
Zufuhrleitungen 140 bezüglich
der zu messenden Flüssigkeit 180 resistent
sind.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
beschrieben wird, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise
modifizierbar. So können
andere Flüssigkeiten
als Öl
vermessen werden, wobei in bezug auf diese Flüssigkeit resistente Kontaktstellenmaterialien,
Leitklebstoffe mit entsprechenden Metallteilchen und elektrische
Zuführleitungsmaterialien zu
verwenden sind. Außerdem
kann die Messanordnung bestehend aus der Quarzscheibe 100,
den Quarzelektroden 110 bzw. 120, sowie den Zuführleitungen 140 ohne
einer Beeinträchtigung
der Messwertaufnahme mit einer Abdeckung versehen werden, sofern
die Quarzscheibe 100 mit der Flüssigkeit 180 in Kontakt
treten kann.
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Die
Auswertung der Messsignale der Messanordnung 200 sei anhand
einer schematischen Darstellung in 2a näher erläutert. In
dem Behälter 180 befindet
sich die Flüssigkeit 180,
beispielsweise ein Öl.
In die Flüssigkeit 180 ist
der mit dem Bezugszeichen 220 bezeichnete Schwinger eingetaucht. Der
Schwinger 220 ist mit einer Regelungs- und Auswerteeinheit 199 verbunden,
welche über
in der 2a nicht dargestellte drahtgebundene
oder nicht drahtgebundene Kanäle
die Messergebnisse bzgl. der zu messenden Größen der Flüssigkeit 180 weiterzuleiten
imstande ist. Für
den Quarzresonator, der zur Erfassung der Viskosität bzw. der
Dichte der Flüssigkeit 180 verwendet
wird, kann ein Ersatzschaltbild gemäß 2b verwendet
werden. Dabei entspricht das Schaltsymbol 200 einem Schwingungssystem, bestehend
aus dem Schwinger 220 bzw. der Quarzscheibe 100 und
der an dem Schwinger angekoppelten Flüssigkeit 180. Dieses
Schwingsystem besteht, wie im rechten Teil der 2b dargestellt,
aus einem ersten Teil 230 und einem zweiten Teil 240.
Während der
erste Teil 230 den trockenen Anteil, d.h. den Anteil des
Schwingsystems repräsentiert,
der nicht mit der Flüssigkeit 180 in
Kontakt steht, repräsentiert
der zweite Teil 240 den Flüssigkeitsanteil des Schwingungssystems,
d.h. den Anteil der mit der Flüssigkeit 180 in
Kontakt steht.
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Der
trockene Anteil 230 und der Flüssigkeitsanteil 240 sind
im Sinne einer Serienschaltung verbunden und im rechten Teil der 2b hintereinander
angeordnet. Der trockene Anteil 230 umfasst hierbei einen
Schwinger 220, dessen Verhalten sich durch eine erste Kapazität C1, eine erste Induktivität L1 und
einen ersten Widerstand R1 beschreiben lässt. Der Flüssigkeitsanteil 240 umfasst
hierbei die an den Schwinger 220 angrenzende Flüssigkeitsschicht
bzw. den Anteil der Flüssigkeit 180,
welcher durch die mechanischen Schwingungen des Schwingers 220 beeinflusst
wird. Das Verhalten der an den Schwinger 220 angekoppelten
Flüssigkeitsschicht bzw.
des an den Schwinger 220 angekoppelten Anteils der Flüssigkeit 180 lässt sich
dabei durch eine zweite Induktivität L2 und
einen zweiten Widerstand R2 beschreiben.
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Der
zweite Widerstand R2 ist näherungsweise
proportional zur Quadratwurzel aus dem Produkt der Dichte und der
dynamischen Viskosität
der Flüssigkeit.
Der zweite Widerstand R2 repräsentiert
die viskose Dämpfung
durch die Flüssigkeit.
Die zweite Induktivität
L2 bewirkt eine Frequenzverschiebung durch
die viskose Flüssigkeit,
wobei die zweite Induktivität
L2 bei rauen Resonatoroberflächen auch
Anteile umfasst, die durch "gefangene" Flüssigkeitsanteile in
der rauen Resonatoroberfläche
entstehen. Diese Frequenzverschiebung ist ebenfalls näherungsweise proportional
zur Quadratwurzel aus dem Produkt der Dichte und der dynamischen
Viskosität
der Flüssigkeit.
Bei bekannter oder hinreichend konstanter Dichte kann der Resonator
daher zur Bestimmung der (dynamischen) Viskosität verwendet werden.
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Um
ein vollständigeres
Bild des Flüssigkeitszustands
zu erhalten, ist vorgesehen, neben der Viskosität bzw. Dichte auch die Dielektrizitätszahl bzw. Permittivität der Flüssigkeit
zu bestimmen. Erfindungsgemäß lässt sich
die Permittivität
der Flüssigkeit
durch eine zusätzliche
Auswertung der Streukapazität
C0 des Quarzes mit demselben Sensorelement 220 erfassen.
Die Streukapazität
C0 setzt sich dabei aus verschiedenen Anteilen
zusammen. So lässt
sich der Anteil CQ identifizieren, der durch
das Feld zwischen den beiden Quarzelektroden 110 bzw. 120 durch
die Quarzscheibe 100 bestimmt wird. Darüber hinaus erzeugen die Zuführungen 170 bzw.
der Teil der Durchführungen 160,
der nicht in der Flüssigkeit
eingetaucht ist, neben CQ mit CZu einen
weiteren einen Anteil, der nicht durch die Flüssigkeit beeinflusst wird.
Zieht man diese beiden Anteile CQ und CZu von der Gesamt-Streukapazität C0 ab, so verbleibt im wesentlichen der Anteil
CFl der Streukapazität, der durch das Feld der Elektroden,
Kontaktfedern und Zufuhrleitungen bestimmt wird, welches durch die Flüssigkeit
führt.
Somit kann durch die Ermittlung von CFl gemäß C~εr eine
Messgröße ermittelt
werden, aus der die Permittivität
abgeleitet werden kann.
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Durch
eine geeignete Modifikation der Quarzelektroden bzw. der Zuführungsleitungen
kann die Permittivitätserfassung
optimiert werden. So ist in 3 die Situation
des elektrischen Feldes 340 zwischen den Quarzelektroden 310 in
der Quarzscheibe 320 sowie im Außenraum mit dem Streufeld 330 dargestellt.
Werden die Quarzelektroden 310 abweichend von der runden,
kreisförmigen
Elektrodenform gestaltet, so kann eine Erhöhung des Streufeld-Anteils
und somit eine Erhöhung
des Wertes von CFl erreicht werden. Neben
Ausgestaltungen der Quarzelektroden als Ringe oder unterschiedlichen
Formen auf beiden Seiten des Quarzes kann auch eine Abweichung von
der genauen Überdeckung
der beiden Elektroden auf dem Quarz zu einer Erhöhung des Streuanteils durch
die Flüssigkeit
führen.
Darüber
hinaus ist auch möglich,
eine Elektrode zur Erfassung der Viskosität und die andere zur Erfassung
der Permittivität
zu optimieren.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Quarzelektroden zur Erfassung der Permittivität ist in 4 dargestellt.
Dabei wird auf einer Seite des Quarzes 400 neben der Quarzelektrode 410 eine
weitere Elektrode 430 mit einem zusätzlichen Anschluss erzeugt, wobei
die Quarzelektrode 410 und die weitere Elektrode 430 durch
einen Bereich 440 voneinander (elektrisch) getrennt sind. Über diesen
zusätzlichen Anschluss
kann eine Kapazitätsmessung
durchgeführt
werden, woraus sich ebenfalls die Permittivität ableiten lässt. Wie
an der 4 zu sehen ist, können auch die beiden Quarzelektroden 410 und 420 auf den
beiden Seiten des Quarzes 400 gegeneinander verschoben
sein.
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Eine
weitere Möglichkeit
zur Erhöhung
des Streufeldes durch die Flüssigkeit
wird in 5 gezeigt. So ist möglich, die
Zuführungsleitungen 500, die
unterhalb der Halterung 150 verlaufen, näher zusammen
zu führen
bzw. dicker auszugestalten. Daneben ist auch eine Modifikation der
elektrischen Durchführung
denkbar, beispielsweise, indem eine größere Fläche benutzt wird oder die Durchführungen
näher zusammen
geführt
werden.