DE102005012453A1

DE102005012453A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Viskositätsmessung von nicht-Newtonschen Flüssigkeiten, insbesondere Motorbetriebsstoffen

Info

Publication number: DE102005012453A1
Application number: DE102005012453A
Authority: DE
Inventors: Monika Scherer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-03-18
Filing date: 2005-03-18
Publication date: 2006-09-21
Also published as: EP1864108A1; JP2008533477A; US20090064766A1; WO2006097382A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Viskositätsmessung von nicht-Newtonschen Flüssigkeiten, insbesondere Motorbetriebsstoffen, wobei eine erste und eine zweite Viskositätsmessung mit einer Viskositätssensorvorrichtung (S1, S2; S3) durchgeführt werden und für die erste und zweite Viskositätsmessung eine unterschiedliche Anregung der nicht-Newtonschen Flüssigkeit erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Viskositätsmessung von nicht-Newtonschen Flüssigkeiten, insbesondere Motorbetriebsstoffen.
Obwohl nicht auf Motorbetriebsstoffe beschränkt, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von dem Motorbetriebsstoff Motoröl erläutert.
Bei der Überwachung von nicht-Newtonschen 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. Einfach gesagt ist die Viskosität η einer Flüssigkeit der Widerstand, den die Flüssigkeit einer kinematischen Anregung entgegensetzt.

Zur Viskositätsmessung werden beispielsweise piezoelektrische Dickenschwinger, welche aus Quarz hergestellt sind, verwendet. Siehe dazu beispielsweise S. J. Martin et. al., Sens. Act. A 44 (1994) Seiten 209–218. Wird ein solcher Dickenschwinger 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 nicht-Newtonschen Flüssigkeiten in weit geringerem Maße variiert als die Viskosität, stellt ein derartiges Bauteil praktisch einen Viskositätssensor dar.

Die DE 101 12 433 A1 offenbart eine Viskositätssensoranordnung mit einer piezo-elektrischen Sensoreinrichtung nach dem Prinzip eines piezoelektrischen Dickenschwingers, 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 bezüglich der Flüssigkeit resistent sind und 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.

Insbesondere bei der Anwendung in aggressiven oder korrosiven nicht-Newtonschen Flüssigkeiten, z.B. Motor- oder Getriebeöl, wird die Sensoroberfläche stark beansprucht. Speziell bei der Anwendung in Motoröl bildet sich mit der Zeit ein Belag auf der Sensoroberfläche, der die Sensoreigenschaften verändert. Eine demgegenüber unempfindliche Gruppe von Viskositätssensoren ist aus der DE 198 50 799 A1 bekannt. Hierbei handelt es sich um sogenannte Oberflächenschwinger bzw. Scherschwinger, bei denen ein Schutz gegenüber korrosiven bzw. aggressiven nicht-Newtonschen Flüssigkeiten üblicherweise durch eine Passivierung des Substrats angestrebt wird.

Bei sogenannten Newtonschen Flüssigkeiten hängt die Viskosität η nur von Druck und Temperatur ab. Hingegen sind Viskositätsmessungen bei nicht-Newtonschen Flüssigkeiten stets abhängig von der verwendeten Messmethode und den zugehörigen Messparametern.

5 zeigt eine schematische Darstellung zweier beispielhafter kinematischer Messprinzipien zum Ermitteln der Viskosität einer nicht-Newtonschen Flüssigkeit.

In 5 bezeichnet Bezugszeichen Z1 einen äußeren Hohlzylinder, der mit einer nicht-newtonschen Flüssigkeit F gefüllt ist. Eingetaucht in den Hohlzylinder Z1 ist ein Vollzylinder Z2, der über eine Achse A beweglich ist. Das Messprinzip a) sieht eine Rotation mit konstanter Geschwindigkeit um die Achse A vor. Das Messprinzip b) sieht eine Oszillation mit konstanter Frequenz um die Achse A vor.

6a, b zeigen die Abhängigkeit der Viskosität η beim Messprinzip a) von der Scherrate γ und die Abhängigkeit der Viskosität η beim Messprinzip b) von der Frequenz ω.

In 6a ist gezeigt, dass der Wert der Viskosität η mit steigender Scherrate γ beim Messprinzip a) abnimmt. Die Scherrate γ ist dabei proportional zur Winkelgeschwindigkeit der Drehung.

Gemäß 6b nimmt beim Messprinzip b) der Realteil R der imaginären Viskosität η mit steigender Frequenz der Oszillation ab, wohingegen der Imaginärteil I zunimmt. Bei dem Messprinzip b) tritt neben der Abhängigkeit von der Frequenz ω ebenfalls eine Abhängigkeit von der Amplitude der Oszillation auf.

Ein aus der Labortechnik bekanntes Verfahren zur Messung der Viskosität ist das Ubbelohde-Verfahren (DIN 52562), bei dem die Schwerkraft als treibende Kraft eingesetzt wird. Dieses Verfahren arbeitet näherungsweise mit einer Scherrate γ ungefähr gleich 0.

Hingegen arbeiten Viskositätssensoren, wie sie in der DE 101 12 433 A1 bzw. der DE 198 50 799 A1 beschrieben sind, in einem Frequenzbereich der Größenordnung kHz bis MHz.

VORTEILE DER ERFINDUNG

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Viskositätsmessung von nicht-Newtonschen Flüssigkeiten, insbesondere Motorbetriebsstoffen, gemäss Anspruch 1 und die entsprechende Vorrichtung gemäss Anspruch 8 bzw. 9 weisen gegenüber bekannten Lösungsansätzen den Vorteil auf, dass verschiedene viskositätsbestimmende Faktoren in der Flüssigkeit unterschieden werden können.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass bei nicht-Newtonschen Flüssigkeiten, insbesondere Motorbetriebsparametern, wie z. B. Motoröl, äußerst wichtige komplementäre Informationen dadurch erhalten werden können, dass mehrere Viskositätsmessungen mit verschiedenen Anregungsparametern durchgeführt werden.

Dies bietet beispielsweise bei einem Motoröl mit einem Basisöl und einem großmolekularen Zusatz zur Viskositäts-Verbesserung (VI-Improver) den Vorteil, dass einerseits eine Veränderung im Basisöl und andererseits eine Veränderung der großen Zusatzmoleküle erfasst werden können.

Allgemein liefert eine derartige Messung unter Variation der Viskositäts-Messparametern bzw. der Viskositäts-Messverfahren wertvolle zusätzlich Hinweise auf den Zustand einer nicht-Newtonschen Flüssigkeit, welche verschiedene Einflussfaktoren für die Viskosität aufweist, z.B. eine heterogene Flüssigkeit.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird zur unterschiedlichen Anregung der Viskositätssensor und/oder mindestens einem Anregungsparameter geändert.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung werden die erste und die zweite Viskositätsmessung zu vorbestimmten Zeiten wiederholt werden, wobei ein Zeitverlauf des Messresultats der ersten und zweiten Viskositätsmessung gespeichert wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung werden die erste und die zweite Viskositätsmessung in einem Motoröl durchgeführt, das ein Basisöl und einen makromolekularen Zusatz aufweist, wobei die erste Viskositätsmessung eine Information über das Basisöl und die zweite Viskositätsmessung eine Information über den makromolekularen Zusatz liefert.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Viskositätssensor für die erste und die zweite Viskositätsmessung ein Schwingungssensortyp, wobei sich die Anregung in der Sensordimensionierung und/oder in der Anregungsschwingungsform und/oder in der Anregungsamplitude und/oder in der Anregungsfrequenz unterscheidet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Viskositätssensor für die erste und die zweite Viskositätsmessung ein Konstantbewegungssensortyp, wobei sich die Anregung in der Sensordimensionierung und/oder in der Scherrate unterscheiden.

ZEICHNUNGEN

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Viskositätssensoranordnung;

2 mit der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Viskositätssensoranordnung gewonnene Viskositätsdaten eines heterogenen Motoröls;

3 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Viskositätssensoranordnung;

4 mit der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Viskositätssensoranordnung gewonnene Viskositätsdaten des heterogenen Motoröls;

5 eine schematische Darstellung zweier beispielhafter kinematischer Messprinzipien zum Ermitteln der Viskosität einer nicht-Newtonschen Flüssigkeit; und

6a, b die Abhängigkeit der Viskosität η beim Messprinzip a) von der Scherrate γ und die Abhängigkeit der Viskosität η beim Messprinzip b) von der Frequenz ω.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Viskositätssensoranordnung.
In 1 bezeichnet Bezugszeichen 10 eine Ölwanne eines Kraftfahrzeuges. In der Ölwanne befindet sich ein Basisöl 15 mit einem großmolekularen Zusatz 15a. Eingetaucht in das Motoröl 15, 15a sind ein erster und ein zweiter Viskositätssensor S1, S2. Beim ersten Viskositätssensor S1 handelt es sich um einen mikroakustischen Dickenschwinger, wie beispielsweise aus der DE 101 12 433 A1 bekannt. Beim zweiten Viskositätssensor S2 handelt es sich um einen Stimmgabelschwinger.
Der erste Viskositätssensor 1 arbeitet bei einer Frequenz von 1 MHz und einer Amplitude von 1 μm, wohingegen der zweite Viskositätssensor S2 bei einer Frequenz von 1 kHz und einer Amplitude von 100 μm arbeitet.
Eine Steuereinheit SE steuert über Leitungen I1, I2 den Betrieb der beiden Viskositätssensoren S1, S2.
Insbesondere werden zu vorbestimmten Zeiten Werte zur Erfassung der Oxidation des Motoröls 15, 15a aufgenommen und in einer Speichereinrichtung SP gespeichert.
2 zeigt mit der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Viskositätssensoranordnung gewonnene Viskositätsdaten eines heterogenen Motoröls.
In 2 bezeichnen die Rauten die Messwerte des Viskositätssensors S1, wohingegen die Quadrate die Messwerte des Viskositätssensors S2 bezeichnen. Wie aus 2 erkennbar, erfasst der Viskositätssensor S1 hier die Oxidation des Basisöls 15, weshalb mit zunehmender Oxidationsdauer eine kontinuierliche Zunahme des Messsignals zu beobachten ist. Hingegen nimmt das Messsignal des Viskositätssensors S2 zunächst mit zunehmender Oxidationsdauer ab, bevor es anschliessend in etwa mit gleicher Steilheit wie das Messsignal des Viskositätssensors S1 ansteigt.
Der anfängliche Abfall der Messsignals des Viskositätssensors S2 ist darauf zurückzuführen, dass durch die Oxidation die additiven Makromoleküle zerstört bzw. zerstückelt werden und so die Viskosität zunächst mit der Alterung abnimmt, bevor sie ansteigt. Dieses Verhalten der Makromoleküle kann jedoch nur durch den niederfrequenten Viskositätssensor S2, der zudem eine große Amplitude aufweist, erfasst werden. Die Makromoleküle können nämlich den hochfrequenten Schwingungen des Viskositätssensors S1 mit geringer Auslenkung nicht folgen und bleiben daher für diesen unsichtbar.
3 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Viskositätssensoranordnung.
Bei der in 3 gezeigten zweiten Ausführungsform ist ein einziger Viskositätssensor S3 im Motoröl 15, 15a vorgesehen, der über eine einzige Leitung I3 von der Steuereinheit SE zu vorbestimmten Oxidationszeitpunkten aktiviert wird.
Bei dieser Ausführungsform handelt es sich bei dem Viskositätssensor S3 um einen mikroakustischen Scherschwinger gemäß der DE 198 50 799 A1 , welcher einerseits mit seiner Grundfrequenz und andererseits mit einer harmonischen Oberschwingung, hier der zehnten harmonischen Oberschwingung, angeregt wird. Insofern liefert der Viskositätssensor S3 an den Messpunkten sich ergänzende Informationen, nämlich eine Information über die Viskosität bei der Grundfrequenz und eine Information über die Viskosität bei der zehnfachen Grundfrequenz.
4 zeigt mit der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Viskositätssensoranordnung gewonnene Viskositätsdaten des heterogenen Motoröls.
Gemäß 4 sind die Messwerte bei der Grundfrequenz ω durch die Rauten bezeichnet und die Messwerte bei der Frequenz 10ω durch die Quadrate.
Ein Vergleich mit dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 2 ergibt, dass sich die Messwerte nahezu decken und wiederum Information über das Basisöl bei der hochfrequenten Anregung 10ω und über das makromolekulare Additiv bei der Grundfrequenz ω erhalten lassen. Die Frequenz ω beträgt hier 10 kHz, wohingegen die Frequenz der zehnten harmonischen Oberschwingung 100 kHz beträgt. Bei diesem Beispiel ist die Amplitude bei beiden Anregungen, d.h. ω und 10ω, gleich.
Obwohl bei den vorstehend erläuterten Ausführungsformen die Viskositätssensoren ein mikromechanischen Dickenschwinger, Scherschwinger bzw. Stimmgabelschwinger waren, ist die vorliegende Erfindung darauf nicht beschränkt. Bei der Erfindung können beliebige mikroakustische Dickenschwinger, Scherschwinger und makroskopische Schwinger Anwendung finden.
Auch sind die angegebenen Frequenz- bzw. Amplitudenwerte nur beispielhaft und sind hinsichtlich der jeweiligen zu untersuchenden nicht-Newtonschen Flüssigkeit zu optimieren, um die gewünschten Informationen zu erhalten.

10: Ölwanne
15: Basisöl
15a: makromolekulares Additiv
S1, S2, S3: Viskositätssensor
SE: Steuereinrichtung
SP: Speichereinrichtung
11, 12, 13: Leitungen
A: Achse
Z1, Z2: Zylinder
F: Flüssigkeit
R: Reakteil
I: Imaginärteil
ω: Frequenz
γ: Scherrate
η: Viskosität

Claims

Verfahren zur Viskositätsmessung von nicht-Newtonschen Flüssigkeiten, insbesondere Motorbetriebsstoffen, wobei eine erste und eine zweite Viskositätsmessung mit einer Viskositätssensorvorrichtung (S1, S2; S3) durchgeführt werden und für die erste und zweite Viskositätsmessung eine unterschiedliche Anregung der nicht-Newtonschen Flüssigkeit erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur unterschiedlichen Anregung der Viskositätssensor und/oder mindestens einem Anregungsparameter geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Viskositätsmessung zu vorbestimmten Zeiten wiederholt werden und ein Zeitverlauf des Messresultats der ersten und zweiten Viskositätsmessung gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Viskositätsmessung in einem Motoröl (15, 15a) durchgeführt werden, das ein Basisöl (15) und einen makromolekularen Zusatz (15a) aufweist, und die erste Viskositätsmessung eine Information über das Basisöl (15) und die zweite Viskositätsmessung eine Information über den makromolekularen Zusatz (15a) liefert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Viskositätssensor für die erste und die zweite Viskositätsmessung ein Schwingungssensortyp ist und sich die Anregung in der Sensordimensionierung und/oder in der Anregungsschwingungsform und/oder in der Anregungsamplitude und/oder in der Anregungsfrequenz unterscheidet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Viskositätssensor für die erste und die zweite Viskositätsmessung ein Konstantbewegungssensortyp ist und sich die Anregung in der Sensordimensionierung und/oder in der Seherrate unterscheiden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskositätssensorvorrichtung (S1, S2; S3) zumindest einen Viskositätssensor aufweist, der aus folgender Gruppe stammt: mikroakustischer Scherschwinger, mikroakustischer Dickenschwinger, makroakustischer Schwinger.
Vorrichtung zur Viskositätsmessung von nicht-Newtonschen Flüssigkeiten, insbesondere Motorbetriebsstoffen, mit einer Viskositätssensorvorrichtung (S1, S2; S3), welche einen ersten und einen zweiten Viskositätssensor (S1, S2) aufweist, die derart gestaltet sind, dass eine erste und eine zweite Viskositätsmessung mit unterschiedlicher Anregung der nicht-Newtonschen Flüssigkeit durchführbar ist.
Vorrichtung zur Viskositätsmessung von nicht-Newtonschen Flüssigkeiten, insbesondere Motorbetriebsstoffen, mit einer Viskositätssensorvorrichtung (S1, S2; S3), welche einen dritten Viskositätssensor (S3) aufweist, der derart gestaltet ist, dass eine erste und eine zweite Viskositätsmessung mit unterschiedlicher Anregung der nicht-Newtonschen Flüssigkeit durchführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (SE) vorgesehen ist, die bewirkt, dass die erste und die zweite Viskositätsmessung zu vorbestimmten Zeiten wiederholt werden, und eine Speichereinrichtung (SP) vorgesehen ist, in der ein Zeitverlauf des Messresultats der ersten und zweiten Viskositätsmessung speicherbar ist.