DE19706486A1

DE19706486A1 - Device and method for determining the state of aging of liquid media

Info

Publication number: DE19706486A1
Application number: DE1997106486
Authority: DE
Inventors: Anton Dipl Phys Leidl
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1997-02-19
Filing date: 1997-02-19
Publication date: 1998-08-20
Anticipated expiration: 2017-02-20
Also published as: WO1998037412A1; DE19706486B4

Abstract

The invention relates to a sensor device for determining material parameters of a liquid medium, comprising two interdigital transuducers (12, 14) for generating an electroacoustic wave from the one (12) interdigital transducer to the other (14) interdigital transducer. The two interdigital transducers (12, 14) are connected to a first evalutation circuit to determine the viscosity, viscoeleasticity and/or density of the liquid medium on the basis of the resonance frequency determined and/or the damping of the electroacoustic wave. One of the interdigital transducers (12) is also connected to a second evaluation circuit for determining the dielectric constant and/or the conductivity of the liquid medium on the basis of the complex electric impedance of said interdigital transducer (12). A frequency different from the resonance frequency of the electroacoustic wave is used to determine said complex electric impedance by means of the second evaluation circuit.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren zur Bestimmung des Alterungszustands flüssiger Me dien, insbesondere zur Bestimmung und Überwachung des Alte rungszustands von Öl.The present invention relates to devices and Method for determining the aging state of liquid Me serve, in particular to determine and monitor the old condition of oil.

Es ist bekannt, daß die Qualität von Ölen von einer Vielzahl von Faktoren abhängt. Diese Faktoren umfassen unter anderem die Gesamtbasenzahl, die Gesamtsäurezahl, den Additivabbau, den Eisengehalt, die Tragfähigkeit und dergleichen. Diese, die Qualität beispielsweise von Motor- und Getriebe-Ölen be stimmenden Faktoren können jedoch nur im Labor ermittelt werden. Eine kontinuierliche bzw. quasikontinuierliche Über wachung der Ölqualität erfolgt daher in den meisten techni schen Systemen nicht.It is known that the quality of oils of a variety depends on factors. These factors include, among others the total base number, the total acid number, the additive degradation, iron content, load capacity and the like. These, the quality of engine and transmission oils, for example However, matching factors can only be determined in the laboratory will. A continuous or quasi-continuous over Oil quality is therefore monitored in most technologies systems.

Beispielsweise wird in Personenkraftwagen das Motoröl in der Regel alle 15 000 km gewechselt. Somit werden die Wartungs zyklen nicht bedarfsgerecht ermittelt, sondern das Motoröl wird jeweils nach einer bestimmten Anzahl gefahrener Kilome ter gewechselt.For example, in passenger cars, the engine oil in the Usually changed every 15,000 km. Thus, the maintenance cycles not determined as required, but the engine oil is driven after a certain number of kilometers changed.

Zur quasikontinuierlichen Überwachung des Ölzustands in technischen Systemen vor Ort werden vereinzelt beispielswei se die Laufzeit und die Öltemperatur erfaßt, wobei anhand von Modellen die Ölwechselintervalle bestimmt werden. Diese Methode ist jedoch mit vielen Unsicherheiten behaftet und sagt nichts über die tatsächlichen Eigenschaften des Öls aus.For quasi-continuous monitoring of the oil condition in technical systems on site are isolated, for example se the running time and the oil temperature recorded, using of models the oil change intervals are determined. These However, the method is fraught with many uncertainties and says nothing about the actual properties of the oil out.

Der vorliegenden Erfindung liegt ausgehend von dem genannten Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Alterungszustands eines flüssigen Mediums, insbesondere von Öl, zu schaffen, um ein bedarfsgerechtes Auswechseln des flüssigen Mediums, insbe sondere des Öls, zu gewährleisten.The present invention is based on the above Prior art based on the task of a device and a method for determining the aging condition of a liquid medium, especially oil, to create a needs-based replacement of the liquid medium, esp special of the oil.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 12 gelöst.This object is achieved by a device according to claim 1 and a method according to claim 12 solved.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht dar in, eine Sensoreinrichtung zur Erfassung von Materialparame tern eines flüssigen Mediums mit einem einfachen Aufbau zu schaffen.Another object of the present invention is in, a sensor device for detecting material parameters tern of a liquid medium with a simple structure create.

Diese Aufgabe wird durch eine Sensoreinrichtung gemäß An spruch 16 gelöst.This task is performed by a sensor device according to An Proverb 16 solved.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Be stimmung des Alterungszustands eines flüssigen Mediums, ins besondere von Öl, ausgehend von einem Ausgangszustand des selben, die folgende Merkmale aufweist: eine Einrichtung zum Erfassen von zumindest einem Zustandsparameter des flüssigen Mediums während einer ersten Periode, in der das flüssige Medium den Ausgangszustand aufweist, und während zumindest einer zweiten, zeitlich nachfolgenden Periode, eine Einrich tung zum Vergleichen der zumindest einen während der ersten Periode und der zumindest einen zweiten Periode erfaßten Zu standsparameter und eine Einrichtung zur Ermittlung des Zu stands des flüssigen Mediums auf der Grundlage des Ver gleichs.The present invention provides an apparatus for loading mood of the aging state of a liquid medium, ins particular of oil, starting from an initial state of the same, which has the following features: a device for Detection of at least one state parameter of the liquid Medium during a first period in which the liquid Medium has the initial state, and while at least a second period following in time, a Einrich device for comparing the at least one during the first Period and the at least one second period recorded Zu stand parameters and a device for determining the Zu level of the liquid medium based on Ver same.

Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zur Bestimmung des Alterungszustands eines flüssigen Mediums, insbesondere von Öl, ausgehend von einem Ausgangszustand, bei dem zumindest ein Zustandsparameter des flüssigen Me diums während einer ersten Periode, in der das flüssige Me dium den Ausgangszustand aufweist, erfaßt wird. Nachfolgend wird während einer zweiten, zeitlich nachfolgenden Periode der zumindest eine Zustandsparameter des flüssigen Mediums erfaßt. Die während der ersten Periode und während der zwei ten, zeitlich nachfolgenden Periode erfaßten Zustandsparame ter werden nachfolgend verglichen, wobei auf der Grundlage des Vergleichs der Alterungszustand des flüssigen Mediums ermittelt wird.The present invention also provides a method for Determination of the aging condition of a liquid medium, especially oil, starting from an initial state, in which at least one state parameter of the liquid Me diums during a first period in which the liquid Me dium has the initial state is detected. Below during a second period following in time the at least one state parameter of the liquid medium detected. Those during the first period and during the two state parameters recorded in the subsequent period ter are compared below, based on the comparison of the aging state of the liquid medium is determined.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden vorzugsweise die Viskosität, die Viskoelastizität, die Dichte, die Dielektri zitätszahl und/oder die Leitfähigkeit des flüssigen Mediums ermittelt.According to the present invention, the Viscosity, viscoelasticity, density, dielectri zitätszahl and / or the conductivity of the liquid medium determined.

Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen weist die Erfassungs einrichtung der vorliegenden Erfindung ferner einen Tempe ratursensor auf, um die Erfassung der jeweiligen Zustandspa rameter während der unterschiedlichen Perioden bei jeweils zwei unterschiedlichen Temperaturen zu ermöglichen. Somit kann eine Temperaturabhängigkeit eines jeweiligen Zustands parameters ermittelt werden. Ein Vergleich der Temperaturab hängigkeiten eines Zustandsparameters, die während der er sten Periode und der zweiten Periode erfaßt werden, kann dann zusätzlich zur Ermittlung des Alterungszustands des flüssigen Mediums herangezogen werden.In preferred embodiments, the detection device of the present invention further a tempe temperature sensor to enable the detection of the respective state para parameters during the different periods at each to allow two different temperatures. Consequently can be a temperature dependency of a particular condition parameters are determined. A comparison of the temperature dependencies of a state parameter during which he most period and the second period can be recorded then in addition to determining the aging condition of the liquid medium can be used.

Zur Erfassung der Viskosität, bzw. der Viskoelastizität, ei nes flüssigen Mediums kann vorteilhaft ein Oberflächenwel lensensor, der aus zumindest zwei Interdigitalwandlern be steht, verwendet werden. Ferner kann die Dielektrizitätszahl und/oder die Leitfähigkeit eines flüssigen Mediums vorzugs weise durch einen planaren Kondensator, dessen komplexe elektrische Impedanz von der Dielektrizitätszahl und der Leitfähigkeit des angrenzenden Mediums abhängt, ermittelt werden. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegen den Erfindung wird zu diesem Zweck ein planarer Interdigi tal-Kondensator verwendet.To record the viscosity or viscoelasticity, ei Nes liquid medium can advantageously a surface wel lensensor, which consists of at least two interdigital transducers is used. Furthermore, the dielectric constant and / or the conductivity of a liquid medium preferred wise by a planar capacitor, its complex electrical impedance from the dielectric constant and Conductivity of the adjacent medium depends will. In preferred embodiments of the present For this purpose, the invention becomes a planar interdigi valley capacitor used.

Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere zur Vor ort-Bestimmung der Ölqualität eines Motors. Dazu müssen ein fach und kostengünstig meßbare Ölparameter verwendet werden. Mit der Alterung von Ölen und zunehmender Verunreinigung durch Abrieb, Ruß, Wasser, usw., ändern sich auch die physi kalischen Materialparameter des Öls, wie z. B. die Viskosi tät, die Viskoelastizität, die Dichte, die Dielektrizitäts zahl und die Leitfähigkeit, die mit den Meßsignalen eines Ölqualitätssensors korreliert sind. Jedoch sagen die momen tanen Absolutwerte dieser Parameter nichts über die Ölqua lität aus, da diese Werte von Ölsorte zu Ölsorte eine starke Streuung zeigen. Folglich ist nur über die zeitliche Ände rung dieser Materialdaten eine Aussage über den Öl-Alte rungszustand möglich. Zur Bestimmung der Ölqualität, d. h. des Öl-Alterungszustandes, werden daher nicht die augen blicklichen Absolutwerte der oben genannten Zustandsparame ter herangezogen, sondern vielmehr deren zeitliche Änderung.The present invention is particularly suitable for the front Location determination of the oil quality of an engine. To do this, a measurable and inexpensive oil parameters can be used. With the aging of oils and increasing contamination due to abrasion, soot, water, etc., the physi Kalische material parameters of the oil, such as. B. the viscose the viscoelasticity, the density, the dielectric number and the conductivity associated with the measurement signals of a Oil quality sensor are correlated. However, the momen say absolute values of these parameters have nothing to do with the oil quality lity, because these values are strong from oil type to oil type Show scatter. Hence, only about the temporal change this material data, a statement about the old oil condition possible. To determine the oil quality, d. H. of the oil-aging condition, therefore do not become eyes visible absolute values of the state parameters mentioned above ter, but rather their temporal change.

Die Viskosität und die Viskoelastizität von Ölen ist stark temperaturabhängig. Diese Temperaturabhängigkeit beinhaltet Informationen über die Viskosität bzw. die Viskoelastizität, d. h. den Additivabbau, der Öle. Durchlaufen die Öle während des Betriebs eine Temperaturrampe, beispielsweise beim Start und nach dem Stop von Motoren, so werden für die Sensorsig nale, die mit der Viskosität bzw. Viskoelastizität korre liert sind, aus dieser Temperaturrampe zusätzlich zu den In formationen, die bei einer festen Temperatur gewonnen wer den, Informationen über die Änderungen der viskosen und vis koelastischen Öleigenschaften bei unterschiedlichen Tempe raturen gewonnen. Aus einer derartigen temperaturabhängigen Änderung der Viskosität kann dann beispielsweise auf eine Verschlechterung der Tragfähigkeit des Öls geschlossen wer den.The viscosity and viscoelasticity of oils is strong temperature dependent. This includes temperature dependency Information about viscosity or viscoelasticity, d. H. additive degradation, oils. Go through the oils during a temperature ramp during operation, for example when starting and after the stop of engines, so be for the sensor signal nale, the correct with the viscosity or viscoelasticity are gated from this temperature ramp in addition to the In formations obtained at a fixed temperature the, information about changes in viscous and vis coelastic oil properties at different temperatures instruments won. From such a temperature dependent The viscosity can then be changed, for example, to a Deterioration of the carrying capacity of the oil who closed the.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit die kostengünsti ge Ermittlung des Alterungszustands eines flüssigen Mediums, beispielsweise eines Motoröls. Somit können gemäß der vor liegenden Erfindung die Ölwechselintervalle in technischen Systemen bedarfsgerecht ermittelt, die Lebensdauer kann er höht und Ressourcen können geschont werden.The present invention thus enables the inexpensive ge determination of the aging condition of a liquid medium, for example an engine oil. Thus, according to the before lying invention the oil change intervals in technical Systems determined as required, the lifespan can increases and resources can be saved.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfin dung eine Sensoreinrichtung zur Erfassung von Materialpara metern eines flüssigen Mediums, bestehend aus zwei Interdi gitalwandlern zur Erzeugung einer elektroakustischen Welle von einem der Interdigitalwandler zu dem anderen der Inter digitalwandler, wobei die zwei Interdigitalwandler mit einer ersten Auswertungsschaltung zur Ermittlung der Viskosität, der Viskoelastizität und/oder der Dichte des flüssigen Me diums auf der Grundlage der ermittelten Resonanzfrequenz und der Dämpfung der elektroakustischen Welle verschaltet sind, und wobei einer der Interdigitalwandler mit einer zweiten Auswertungsschaltung zur Ermittlung der Dielektrizitätszahl und/oder der Leitfähigkeit des flüssigen Mediums auf der Grundlage der komplexen elektrischen Impedanz des Interdigi talwandlers verschaltet ist.In another aspect, the present inventions a sensor device for recording material para meters of a liquid medium consisting of two interdi gital transducers for generating an electroacoustic wave from one of the interdigital converters to the other of the inter digital converter, the two interdigital converters with one first evaluation circuit for determining the viscosity, the viscoelasticity and / or the density of the liquid me diums based on the determined resonance frequency and the damping of the electro-acoustic wave is connected, and wherein one of the interdigital transducers with a second Evaluation circuit for determining the dielectric constant and / or the conductivity of the liquid medium on the Basis of the complex electrical impedance of Interdigi Talwandlers is connected.

Eine derartige Sensoreinrichtung eignet sich vorzugsweise zur Erfassung von Zustandsparametern eines Motoröls. Mit ei nem solchen Ölqualitätssensor können die Dichte des Öls so wie viskose, viskoelastische und dielektrische Öleigenschaf ten vor Ort erfaßt werden. Werden diese Parameter zu unter schiedlichen Zeiten erfaßt, weisen die Änderungen der physi kalischen Meßgrößen eine hohe Korrelation mit der Ölalterung auf. Somit können Aussagen über den tatsächlichen Ölzustand gemacht werden.Such a sensor device is preferably suitable for recording condition parameters of an engine oil. With egg Such an oil quality sensor can measure the density of the oil such as viscous, viscoelastic and dielectric oil properties ten be recorded on site. These parameters become too recorded different times, show the changes in physi calic measurands have a high correlation with oil aging on. This enables statements to be made about the actual oil condition be made.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich nungen näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the present invention are referred to below with reference to the attached drawing nations explained in more detail. Show it:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Sensor einrichtung; und Fig. 1 is a schematic representation of a preferred embodiment of the sensor device according to the invention; and

Fig. 2 ein Diagramm aufgenommener Sensorsignale über der Temperatur für Neuöl und verschiedene Altersstufen des Öls; Fig. 2 is a diagram of recorded sensor signals versus temperature for fresh oil and different ages of the oil;

Fig. 3 mittels eines Interdigital-Kondensators aufgenomme ne dielektrische Eigenschaften eines Öls zu unter schiedlichen Altersstufen desselben; Fig. 3 by means of an interdigital capacitor aufgeomme ne dielectric properties of an oil at different ages of the same;

Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung. Fig. 4 is a schematic representation for explaining the sensor device according to the invention.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand einer Vorrichtung zur Bestimmung des Alterungszustandes eines Mo toröls näher erläutert. Es ist jedoch offensichtlich, daß die vorliegende Erfindung ferner zur Bestimmung des Alte rungszustands anderer flüssiger Medien verwendet werden kann, deren physikalische Materialparameter sich mit der Al terung, beispielsweise durch zunehmende Verunreinigung, än dern.The present invention is based on a Device for determining the aging condition of a mo Toröls explained in more detail. However, it is obvious that the present invention further for determining the old condition of other liquid media can be used can, whose physical material parameters with the Al change, for example due to increasing contamination other.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungs gemäßen Sensoreinrichtung zur Erfassung der viskosen und viskoelastischen Eigenschaften sowie der Dichte eines Öls und ferner zur Erfassung der dielektrischen Öleigenschaften. Fig. 1 shows a schematic representation of a sensor device according to the Invention for detecting the viscous and viscoelastic properties and the density of an oil and also for detecting the dielectric oil properties.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, sind auf einem dielektrischen Substrat 10, beispielsweise einem Quarzsubstrat, zwei Inter digitalwandler 12 und 14 angeordnet. Die zwei Interdigital wandler 12 und 14 bilden einen Oberflächenwellensensor (OFW-Sensor) in Form einer Verzögerungsleitung. Ebenso kann ein Resonator oder ein Plattenmoden-Sensor verwendet werden. Die Interdigitalwandler 12 und 14 bestehen aus kammförmigen Elektroden, die beispielsweise in Dünnfilmtechnologie auf das piezoelektrische Substrat 10 aufgebracht sind. Über eine hochfrequente elektrische Wechselspannung, die an einen ersten Schaltungseingang 16 angelegt wird, werden mit dem Interdigitalwandler 12 elektroakustische Wellen angeregt, die mittels des Interdigitalwandlers 14 über einen ersten Schaltungsausgang 18 detektiert werden. Die Resonanzfrequenz und die Dämpfung werden durch das Material des Substrats 10, das Material der Kammelektroden, das beispielsweise Gold sein kann, durch das geometrische Layout der Kammelektroden und eine an das Sensorbauelement angrenzenden Flüssigkeit bestimmt, wie später bezugnehmend auf Fig. 4 näher erläutert wird.As shown in FIG. 1, two inter digital converters 12 and 14 are arranged on a dielectric substrate 10 , for example a quartz substrate. The two interdigital transducers 12 and 14 form a surface wave sensor (SAW sensor) in the form of a delay line. A resonator or a plate mode sensor can also be used. The interdigital transducers 12 and 14 consist of comb-shaped electrodes which are applied to the piezoelectric substrate 10 using thin film technology, for example. Via a high-frequency electrical AC voltage, which is applied to a first circuit input 16 , the interdigital transducer 12 is used to excite electroacoustic waves, which are detected by means of the interdigital transducer 14 via a first circuit output 18 . The resonance frequency and the damping are determined by the material of the substrate 10 , the material of the comb electrodes, which can be gold, for example, by the geometric layout of the comb electrodes and a liquid adjacent to the sensor component, as will be explained in more detail later with reference to FIG. 4.

Änderungen der viskosen und viskoelastischen Eigenschaften sowie der Dichte der Öle ändern die Resonanzfrequenz und die Dämpfung der elektroakustischen Welle zwischen den Interdi gitalwandlern 12 und 14. Diese Resonanzfrequenz- und/oder Dämpfungs-Änderung kann elektronisch beispielsweise in einer Oszillator- oder Resonator-Anordnung mit dem OFW-Sensor als frequenzbestimmendem Glied ausgewertet werden. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, ist die erste Kammelektrode des Interdigi talwandlers 12, der als Senderwandler dient, mit dem ersten Schaltungseingang 16 elektrisch gekoppelt. Die zweite Kamm elektrode des Interdigitalwandlers 12 liegt auf Masse. Die erste Kammelektrode des Interdigitalwandlers 14 liegt eben falls auf Masse. Die zweite Kammelektrode des Interdigital wandlers 14 ist mit dem ersten Schaltungsausgang 18 gekop pelt.Changes in the viscous and viscoelastic properties as well as the density of the oils change the resonance frequency and the damping of the electroacoustic wave between the interdigital transducers 12 and 14 . This change in resonance frequency and / or attenuation can be evaluated electronically, for example in an oscillator or resonator arrangement, using the SAW sensor as the frequency-determining element. As shown in Fig. 1, the first comb electrode of the Interdigi talwandler 12 , which serves as a transmitter converter, is electrically coupled to the first circuit input 16 . The second comb electrode of the interdigital transducer 12 is grounded. The first comb electrode of the interdigital transducer 14 just lies on ground. The second comb electrode of the interdigital transducer 14 is pelt gekop to the first circuit output 18th

Zur Erfassung der dielektrischen Öleigenschaften wird gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Interdigitalwand ler des OFW-Sensors, bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausfüh rungsbeispiel der Interdigitalwandler 12, als planarer Kon densator, Interdigitalkondensator IDK, verwendet. Dazu ist die erste Kammelektrode des Interdigitalkondensators 12 fer ner mit einem zweiten Schaltungseingang 20 verbunden. Über diesen Schaltungseingang 20 kann die komplexe elektrische Impedanz des durch den Interdigitalwandler 12 gebildeten Kondensators erfaßt werden.To detect the dielectric oil properties, an interdigital converter of the SAW sensor is used, in the exemplary embodiment shown in FIG. 1, of the interdigital converter 12 , as a planar capacitor, interdigital capacitor IDK, according to a preferred exemplary embodiment. For this purpose, the first comb electrode of the interdigital capacitor 12 is also connected to a second circuit input 20 . The complex electrical impedance of the capacitor formed by the interdigital converter 12 can be detected via this circuit input 20 .

Die komplexe elektrische Impedanz dieses Kondensators hängt von der Dielektrizitätszahl und der Leitfähigkeit des an grenzenden Mediums ab. Bei Motorölen, ε ≈ 2-4, wird die Di elektrizitätszahl z. B. durch Wassereintrag, ε ≈ 80, der bei spielsweise durch einen Kühlwassereinbruch in das Öl auftre ten kann, deutlich verändert. Ein Benzineintrag, ε ≈ 2-4 be einflußt dagegen die Dielektrizitätszahl kaum, wobei ein Benzineintrag aber die Viskosität stark beeinflußt, so daß dies durch den oben beschriebenen, durch die beiden Inter digitalwandler 12 und 14 gebildeten OFW-Sensor erfaßt werden kann. Der Basen- bzw. Säuregehalt des Öls (TBN bzw. TAN) sind unter anderem für die Korrosion des Motors verantwort lich. Dieselben beeinflussen die Leitfähigkeit des Öls und können über die komplexe elektrische Impedanz des Interdigi talwandlers 12 erfaßt werden.The complex electrical impedance of this capacitor depends on the dielectric constant and the conductivity of the adjacent medium. For engine oils, ε ≈ 2-4, the Di electricity number z. B. by water input, ε ≈ 80, which may occur in the oil in example by a cooling water ingress, significantly changed. A gasoline entry, ε ≈ 2-4, on the other hand, hardly influences the dielectric constant, but a gasoline entry strongly influences the viscosity, so that this can be detected by the SAW sensor described above, formed by the two inter digital converters 12 and 14 . The base or acid content of the oil (TBN or TAN) are responsible for the corrosion of the engine, among other things. The same affect the conductivity of the oil and can be detected via the complex electrical impedance of the Interdigi talwandler 12 .

Der Oberflächenwellensensor, der gemäß der vorliegenden Er findung verwendet wird, kann beispielsweise auf einem 36°-ro tierten Quarz-Substrat 10 in Dünnfilmtechnologie gefer tigt sein. Die zwei Interdigitalwandler 12 und 14, die als Senderwandler bzw. Empfängerwandler von elektroakustischen Wellen dienen, sind derart angeordnet, daß Oberflächenscher wellen angeregt werden und können beispielsweise aus 130 doppelten (double-split) Goldelektrodenpaaren mit einer Me tallisierungshöhe von 350 nm und einer Strukturbreite von 9 µm bestehen. Damit ergibt sich eine Resonanzfrequenz von et wa 70 MHz. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die Elektrodenüberlappung 2,376 mm.The surface wave sensor used in accordance with the present invention can be manufactured, for example, on a 36 ° rotated quartz substrate 10 using thin film technology. The two interdigital transducers 12 and 14 , which serve as transmitter transducers or receiver transducers of electroacoustic waves, are arranged in such a way that surface shear waves are excited and can be made, for example, from 130 double (split) gold electrode pairs with a tallization height of 350 nm and a structure width of 9 µm exist. This results in a resonance frequency of approximately 70 MHz. In a preferred embodiment, the electrode overlap is 2.376 mm.

Die Resonanzfrequenz und die Dämpfung des Oberflächenwellen sensors werden vorzugsweise mit einer Oszillatorschaltung, die über den ersten Schaltungseingang 16 und den ersten Schaltungsausgang 18 verschaltet ist, ausgewertet. Die elek trische Impedanz des Interdigitalwandlers 12 wird ebenfalls vorzugsweise über eine Oszillatoranordnung, die über den zweiten Schaltungseingang 20 verschaltet ist, ausgewertet.The resonance frequency and the attenuation of the surface wave sensor are preferably evaluated with an oscillator circuit which is connected via the first circuit input 16 and the first circuit output 18 . The electrical impedance of the interdigital transducer 12 is also preferably evaluated via an oscillator arrangement which is connected via the second circuit input 20 .

Vorzugsweise erfolgt die Auswertung der komplexen Impedanz dieses Kondensators, der durch den Interdigitalwandler 12 gebildet ist, bei einer Frequenz unter- bzw. oberhalb der Resonanzfrequenz des Oberflächenwellensensors und ist somit unabhängig von der Anregung der elektroakustischen Welle. Für die Beurteilung der Ölqualität wird der Real- und/oder der Imaginär-Teil der Impedanz des Kondensators herangezo gen, um Aussagen über die Dielektrizitätszahl und/oder die Leitfähigkeit des Öls zu erhalten. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Frequenz, bei der die elektri sche Impedanz des Interdigitalwandlers 12 bestimmt wird, un terhalb von 100 kHz liegen. Zur Entkopplung der Hochfre quenz, d. h. der Resonanzfrequenz des Oberflächenwellensen sors, und der Niederfrequenz, d. h. der Frequenz, bei der die elektrische Impedanz des Interdigitalwandlers 12 bestimmt wird, ist zwischen dem ersten Schaltungseingang 16 und der ersten Kammelektrode des Interdigitalwandlers 12 vorzugswei se ein Hochpaß 22 angeordnet, während zwischen dem zweiten Schaltungseingang 20 und der ersten Kammelektrode des Inter digitalwandlers 12 vorzugsweise ein Tiefpaß 24 angeordnet ist. Der Hochpaß 22 kann beispielsweise durch einen Konden sator mit geeigneter Kapazität gebildet sein, während der Tiefpaß 24 durch eine Spule mit geeigneter Induktivität ge bildet sein kann.The complex impedance of this capacitor, which is formed by the interdigital transducer 12 , is preferably evaluated at a frequency below or above the resonance frequency of the surface wave sensor and is therefore independent of the excitation of the electroacoustic wave. For the assessment of the oil quality, the real and / or the imaginary part of the impedance of the capacitor is used to obtain information about the dielectric constant and / or the conductivity of the oil. In a preferred embodiment, the frequency at which the electrical impedance of the interdigital transducer 12 is determined can be below 100 kHz. To decouple the high frequency, that is, the resonance frequency of the surface wave sensor, and the low frequency, that is, the frequency at which the electrical impedance of the interdigital transducer 12 is determined, a high pass filter 22 is preferably between the first circuit input 16 and the first comb electrode of the interdigital transducer 12 arranged, while a low-pass filter 24 is preferably arranged between the second circuit input 20 and the first comb electrode of the inter digital converter 12 . The high-pass filter 22 can be formed, for example, by a capacitor with a suitable capacitance, while the low-pass filter 24 can be formed by a coil with a suitable inductance.

Die Oszillatorschaltung des Oberflächenwellensensors, die mit dem ersten Schaltungseingang 16 und dem zweiten Schal tungsausgang 18 verbunden ist, kann eine Amplitudenregelung aufweisen, die derart ausgestaltet ist, daß das Regelsignal derselben ein Maß für die Bedämpfung der Oberflächenwelle und somit die Viskosität des Öles ist. Die Ausbildung derar tiger Regelschaltungen ist in der Technik bekannt. Durch die Entkopplung der Auswertungsschaltungen für die elektrische Impedanz des einen Interdigitalkondensators 12 und der Aus wertungsschaltung für den Oberflächenwellensensor, der durch beide Interdigitalwandler 12 und 14 gebildet ist, mittels Hoch- bzw. Tief-Pässen kann eine parallele Auswertung sowohl der dielektrischen als auch der viskosen und viskoelasti schen Eigenschaften sowie der Dichte des Öls durchgeführt werden.The oscillator circuit of the surface wave sensor, which is connected to the first circuit input 16 and the second circuit output 18 , may have an amplitude control which is designed such that the control signal thereof is a measure of the attenuation of the surface wave and thus the viscosity of the oil. The training of such control circuits is known in the art. By decoupling the evaluation circuits for the electrical impedance of the one interdigital capacitor 12 and the evaluation circuit for the surface wave sensor, which is formed by both interdigital transducers 12 and 14 , by means of high and low passes, a parallel evaluation of both the dielectric and the viscous can be carried out and viscoelastic properties and the density of the oil.

Zum mechanischen und chemischen Schutz der Sensoroberfläche, d. h. der Interdigitalwandler, kann das Bauelement bei bevor zugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung bei spielsweise mit Silizium-Karbid (SiC) beschichtet sein. Die Beschichtung mit Silizium-Karbid kann in Dünnfilmtechnologie erfolgen und bietet einen ausgezeichneten chemischen und me chanischen Schutz.For mechanical and chemical protection of the sensor surface, d. H. the interdigital transducer, the component before preferred embodiments of the present invention for example, be coated with silicon carbide (SiC). The Coating with silicon carbide can be done in thin film technology done and offers excellent chemical and me chan protection.

Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung zur Erfassung von Ma terialparametern eines flüssigen Mediums, insbesondere von Öl, weist ferner vorzugsweise einen Temperatursensor auf.The sensor device according to the invention for detecting Ma material parameters of a liquid medium, in particular of Oil, also preferably has a temperature sensor.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun beispielsweise mittels der oben beschriebenen Sensoreinrichtung die zeit liche Änderung der Materialparameter des Öls erfaßt, indem diese Parameter während einer ersten Periode, in der das Öl einen Ausgangszustand aufweist, und während einer zweiten Periode, die zeitlich von der ersten Periode beabstandet ist, erfaßt werden. Die Erfassung während dieser beiden Pe rioden kann beispielsweise bei jeweils identischer Tempera tur durchgeführt werden, wobei eine identische Temperatur durch die Verwendung des Temperatursensors gewährleistet werden kann. Ferner ist es möglich, jeweils während jeder Periode die Materialparameter bei zwei unterschiedlichen Temperaturen zu erfassen, um dadurch eine Temperaturabhän gigkeit derselben zu erhalten. Die Änderung der Temperatur abhängigkeit zwischen der ersten Periode und der zweiten Pe riode kann dann zusätzlich verwendet werden, um Aussagen über den Alterungszustand des Öls zu treffen.According to the present invention, for example the time using the sensor device described above change in the material parameters of the oil detected by these parameters during a first period in which the oil has an initial state, and during a second Period that is spaced from the first period is to be detected. The acquisition during these two pe Riodes can be, for example, at identical temperatures be carried out at an identical temperature guaranteed by using the temperature sensor can be. It is also possible to do so during each Period the material parameters at two different Detect temperatures, thereby a temperature dependent ability to maintain them. The change in temperature dependence between the first period and the second pe riode can then also be used to make statements about the aging of the oil.

Fig. 2 zeigt ein Sensorsignal-Temperatur-Diagramm eines Oberflächenwellensensors. Dabei ist der Meßwert, d. h. die Amplitude der akustischen Oberflächenwelle des OFW-Sensors über dem Widerstand eines Temperaturfühlers, der ein Maß für die Temperatur ist, aufgetragen. Fig. 2 shows a sensor signal-temperature diagram showing a surface acoustic wave sensor. The measured value, ie the amplitude of the surface acoustic wave of the SAW sensor, is plotted against the resistance of a temperature sensor, which is a measure of the temperature.

In dem Diagramm sind die erhaltenen Kurven bei der Erfassung der Materialparameter eines Kraftfahrzeug-Motoröls nach ei ner unterschiedlichen Betriebsdauer bzw. Fahrleistung des Kraftfahrzeugs dargestellt. Wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, ändert sich der Meßwert des Oberflächenwellensensors ausge hend von einem Ausgangszustand, Neuöl, abhängig von der Fahrleistung, 3500 km bzw. 23 000 km, und der Betriebsdau er, 300 Stunden bzw. 400 Stunden, stark. Folglich ist im Diagramm für das Motoröl im Neuzustand und in verschiedenen Altersstufen desselben zu entnehmen, daß sich das Sensorsi gnal deutlich mit einer zunehmenden Ölalterung ändert. Die Meßwertänderung des Signals bei einer festen Temperatur, beispielsweise 40°C oder 100°C, entspricht der Viskositäts änderung des Öls. Das Temperaturverhalten, d. h. die Steigung der Kurven, hat sich bei dem dargestellten Ausführungsbei spiel dagegen mit zunehmendem Ölalter nur geringfügig erhöht und indiziert einen geringen Abbau der Viskositätsindex-Ver besserer, d. h. nur einen geringfügigen Additivabbau.The graph shows the curves obtained when the material parameters of a motor vehicle engine oil are recorded after a different operating time or mileage of the motor vehicle. As can be seen from Fig. 2, the measured value of the surface wave sensor changes starting from an initial state, new oil, depending on the mileage, 3500 km or 23 000 km, and the operating time, 300 hours or 400 hours, greatly. Consequently, it can be seen in the diagram for the engine oil when new and at different ages that the sensor signal changes significantly with increasing oil aging. The change in the measured value of the signal at a fixed temperature, for example 40 ° C. or 100 ° C., corresponds to the change in viscosity of the oil. In contrast, the temperature behavior, ie the slope of the curves, has only increased slightly with increasing oil age in the embodiment shown and indicates a slight reduction in the viscosity index improvement, ie only a slight reduction in additives.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm, das die dielektrischen Eigen schaften, die beispielsweise mittels der bezugnehmend auf Fig. 1 beschriebenen Sensoreinrichtung erfaßt wurden, für das Öl bei den unterschiedlichen Alterungszuständen des Öls, wie sie auch in Fig. 2 gezeigt sind, darstellt. Die Kapazi tät wurde dabei mittels einer Oszillatorschaltung bei ca. 50 kHz ausgewertet. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Diagramm entspricht eine Frequenzerniedrigung einer Kapazitätserhö hung und somit einer Erhöhung von ε, wie es für gealterte Öle die Regel ist. Fig. 2 shows a diagram showing the dielectric properties, which were detected, for example, by means of the sensor device described with reference to FIG. 1, for the oil with the different aging states of the oil, as are also shown in FIG. 2. The capaci ty was evaluated using an oscillator circuit at approx. 50 kHz. In the diagram shown in FIG. 3, a decrease in frequency corresponds to an increase in capacity and thus an increase in ε, as is the rule for aged oils.

Im folgenden wird bezugnehmend auf Fig. 4 eine bevorzugte Ausgestaltung des Oberflächenwellensensors, wie er gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, näher erläutert. Fig. 4 zeigt das Prinzipbild eines bei bevorzugten Ausführungs beispielen der vorliegenden Erfindung verwendeten Oberflä chenwellenbauelements.A preferred embodiment of the surface wave sensor as used in accordance with the present invention is explained in more detail below with reference to FIG. 4. Fig. 4 shows the schematic diagram of a surface-wave component used in preferred embodiments of the present invention.

Zunächst wird kurz eine allgemeine Beschreibung des in Fig. 4 dargestellten Oberflächenwellenbauelements gegeben. Auf einem piezoelektrischen Substrat 110, beispielsweise einem y-rotierten Quarz, sind kammförmige Elektroden 112, 114, 116 und 118 beispielsweise in Dünnfilmtechnologie aufgebracht. Die Elektroden 112 und 114 bilden einen ersten Interdigital wandler 120, den sogenannten Sender-Interdigitalwandler (Sender-IDT), während die Elektroden 116 und 118 einen zwei ten Interdigitalwandler 122, den sogenannten Empfänger-In terdigitalwandler (Empfänger-IDT), bilden. Das Substrat kann aus einem beliebigen Piezoelektrikum bestehen, das zur Anre gung von Scherwellen geeignet ist. Vorzugsweise wird ein y-ro tierter Quarz mit einem Quarzschnitt zwischen 35° und 40° verwendet.First, a general description of the surface acoustic wave device shown in Fig. 4 will be briefly given. Comb-shaped electrodes 112 , 114 , 116 and 118, for example using thin-film technology, are applied to a piezoelectric substrate 110 , for example a y-rotated quartz. The electrodes 112 and 114 form a first interdigital transducer 120 , the so-called transmitter interdigital transducer (transmitter IDT), while the electrodes 116 and 118 form a second interdigital transducer 122 , the so-called receiver-interdigital transducer (receiver IDT). The substrate can consist of any piezoelectric that is suitable for excitation of shear waves. A y-rotated quartz with a quartz cut between 35 ° and 40 ° is preferably used.

Durch das Anlegen einer hochfrequenten Wechselspannung an den Sender-IDT 120 werden aufgrund der Piezoelektrizität des Materials des Substrats 110 elektroakustische Wellen, die in Fig. 4 schematisch durch die mit dem Bezugszeichen 124 be zeichneten Pfeile dargestellt sind, angeregt. Der Abstand zwischen den Fingern der Interdigitalwandler prägt eine Wel lenlänge λ ein, wobei über die materialabhängige Ausbrei tungsgeschwindigkeit ν der Welle die Anregungsfrequenz f = ν/λ festgelegt wird.By applying a high-frequency AC voltage to the transmitter IDT 120 due to the piezoelectricity of the material of the substrate 110 electro-acoustic waves, which are shown schematically in Fig. 4 by the arrows with the reference numeral 124 , are excited. The distance between the fingers of the interdigital transducer embosses a wavelength λ, the excitation frequency f = ν / λ being determined via the material-dependent propagation speed ν of the wave.

Wie in Fig. 4 dargestellt ist, werden zur Unterdrückung der Reflexion an den Fingern vorzugsweise sogenannte Doppelfin gerwandler (double-split transducer) verwendet. Bei diesen Wandlern sind jeweils zwei Finger einer Elektrode neben einander angeordnet und bilden mit zwei Fingern der anderen Elektrode des Interdigitalwandlers, die neben dem Fingerpaar der ersten Elektrode angeordnet sind, ein Fingerquartett. Mit dem Bezugszeichen 126 ist ein Fingerpaar der Elektrode 116 bezeichnet. Wie in Fig. 4 ferner gezeigt ist, ist die Breite eines Fingers mit b bezeichnet, während der Abstand zwischen zwei benachbarten Fingern mit a bezeichnet ist. Die Lange des Überlappungsbereichs der Finger zweier gegenüber liegender Elektroden ist mit c bezeichnet. Die Wellenlänge λ entspricht, wie in Fig. 4 dargestellt ist, der Länge eines Fingerquartetts, d. h. viermal der Breite eines Fingers plus viermal dem Abstand zwischen benachbarten Fingern.As shown in Fig. 4, so-called double-finger transducers are preferably used to suppress the reflection on the fingers. In these transducers, two fingers of one electrode are arranged next to each other and form a finger quartet with two fingers of the other electrode of the interdigital transducer, which are arranged next to the pair of fingers of the first electrode. Reference number 126 denotes a pair of fingers of the electrode 116 . As further shown in Fig. 4, the width of a finger is indicated by b, while the distance between two adjacent fingers is indicated by a. The length of the overlap area of the fingers of two opposite electrodes is designated by c. As shown in FIG. 4, the wavelength λ corresponds to the length of a finger quartet, ie four times the width of a finger plus four times the distance between adjacent fingers.

Bei einer geeigneten Wahl des Substratmaterials und der Oberflächenorientierung läuft eine von dem Sender-IDT ange regte Welle entlang dieser Oberfläche und generiert im Emp fänger-IDT eine hochfrequente Wechselspannung, die elektro nisch ausgewertet werden kann. Änderungen der physikalischen Randbedingungen entlang der Bauelementoberfläche durch Flüs sigkeiten oder Beschichtungen beeinflussen die Ausbreitungs geschwindigkeit, d. h. die Frequenz, und die Amplitude der Wellen und können als Sensoreffekt genutzt werden.With a suitable choice of substrate material and Surface orientation runs from the transmitter IDT excited wave along this surface and generated in Emp catcher IDT a high-frequency alternating voltage, the electro niche can be evaluated. Changes in physical Boundary conditions along the component surface due to rivers Liquids or coatings affect the spread speed, d. H. the frequency, and the amplitude of the Waves and can be used as a sensor effect.

Im folgenden wird erläutert, wie das oben beschriebene Ober flächenwellenbauelement mit einer hohen Empfindlichkeit ge genüber Flüssigkeitseigenschaften und geringen entwurfsbe dingten Störeinflüssen als Flüssigkeitssensor und somit als Sensoreinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.The following explains how the waiter described above Surface wave component with a high sensitivity compared to liquid properties and low design caused interference as a liquid sensor and thus as Sensor device used according to the present invention can be.

Die relative Frequenzänderung einer Oberflächenwelle als Meßeffekt bei Oberflächenscherwellensensoren berechnet sich bei einer Belastung der Sensoroberfläche mit einer Newton schen Flüssigkeit wie folgt:
The relative frequency change of a surface wave as a measurement effect in surface shear wave sensors is calculated as follows when the sensor surface is loaded with a Newtonian liquid:

wobei c eine Proportionalitätskonstante ist, η die Viskosi tät der Newtonschen Flüssigkeit ist, ρ die Dichte der New tonschen Flüssigkeit ist, und f die Frequenz ist. Die Eindringtiefe der Welle in die Flüssigkeit ist proportional zu √(2.η/ρ.f) und steigt mit sinkender Frequenz, so daß Grenzflächeneffekte bei niedrigen Frequenzen eine geringere Rolle spielen. Neben einer Vergrößerung des effektiven Meßvolumens führt daher eine niedrige Frequenz zu verbes serten Sensoreigenschaften. Bevorzugterweise werden daher Frequenzen unter 100 MHz für Oberflächenwellen-Flüssigkeits sensoren verwendet.where c is a constant of proportionality, η is the viscosity the Newtonian liquid, ρ is the density of the New is tonic liquid, and f is the frequency. The Penetration depth of the wave into the liquid is proportional to √ (2.η / ρ.f) and increases with decreasing frequency, so that Interface effects at low frequencies are less Role-play. In addition to increasing the effective Measurement volume therefore leads to a low frequency test sensor properties. Therefore, are preferred Frequencies below 100 MHz for surface wave liquid sensors used.

Neben den Oberflächenscherwellen (OFSWs) können jedoch in y-rotierten Quarzen Volumenscherwellen, beispielsweise die sogenannten "surface skimming bulk waves" (SSBWs), angeregt werden, wie oben erwähnt wurde. Die Frequenzen der OFSWs und der SSBWs liegen sehr dicht beieinander. In addition to the surface shear waves (OFSWs), however y-rotated quartz volume shear waves, for example the so-called "surface skimming bulk waves" (SSBWs) as mentioned above. The frequencies of the OFSWs and the SSBWs are very close together.

In Analogie zu einem optischen Gitter, wird durch die Anzahl der Fingerquartetts der Interdigitalwandler eine Frequenz bandbreite festgelegt. Bei der üblichen Herstellung dieser Sensoren mit Aluminium als Elektrodenmaterial und der Ver wendung von niedrigen Frequenzen, wie sie für die Messung der Viskosität nötig sind, überschneiden sich diese Fre quenzbänder der OFSW und der SSBW, wobei beide Moden gleich zeitig angeregt werden. Aufgrund des Sensoreffekts ändert sich die Geschwindigkeit und die Dämpfung der OFSW (Oberflä chenscherwelle). Die Geschwindigkeit und die Dämpfung der SSBWs ändert sich jedoch nicht, bzw. nur sehr gering. Die Interferenz der unterschiedlichen Scherwellen wird daher ab hängig vom Sensoreffekt und stört empfindlich die Auswer tung. Soll ein Oberflächenbauelement der oben beschriebenen Art als Flüssigkeitssensor verwendet werden, muß daher die gleichzeitige Anregung der Oberflächenscherwelle und der Vo lumenscherwellen verhindert werden.In analogy to an optical grating, the number the finger quartets of the interdigital transducers a frequency bandwidth set. In the usual manufacture of this Sensors with aluminum as electrode material and the ver use of low frequencies as used for measurement the viscosity are necessary, these Fre overlap frequency bands of the OFSW and the SSBW, whereby both modes are the same be stimulated early. Due to the sensor effect changes the speed and damping of the OFSW (surface chenscherwelle). The speed and damping of the SSBWs, however, do not change, or only very slightly. The Interference of the different shear waves is therefore reduced dependent on the sensor effect and sensitively disturbs the ejector tung. If a surface component of the above described To be used as a liquid sensor, the simultaneous excitation of the surface shear wave and the vo lumen shear waves can be prevented.

Um eine Interferenz der oben genannten Art zu verhindern, muß bewirkt werden, daß die OFSW und die SSBWs unterschied liche Frequenzen aufweisen. Durch die physikalischen Eigen schaften der Metallisierung der IDTs werden die Randbedin gungen an der Grenzfläche des Quarzsubstrats zu der Metalli sierung der Elektroden festgelegt. Durch eine Änderung der physikalischen Eigenschaften der Metallisierung der IDTs kann somit beispielsweise die Geschwindigkeit und damit die Frequenz f der OFSW erniedrigt werden. Durch eine der artige Modifikation der physikalischen Eigenschaften der Me tallisierung wird die Anregungsfrequenz der SSBWs nicht oder zumindest sehr viel schwächer als die Frequenz der OFSW be einflußt. Durch ein gezieltes Einstellen der Bandbreite der OFSW über die Fingerzahl der Interdigitalwandler und durch eine Erhöhung des Frequenzabstandes der OFSW von den SSBWs durch eine entsprechende Metallisierung kann erreicht wer den, daß das Anregungsband der SSBWs außerhalb des Frequenz bands der OFSW liegt. Somit ist eine Anregung der SSBWs ver hindert und eine Interferenz zwischen der OFSW und den SSBWs tritt nicht mehr auf. To prevent interference of the type mentioned above, the OFSW and the SSBWs must be differentiated Liche frequencies have. Through the physical property The metallization of the IDTs becomes the marginal condition at the interface of the quartz substrate with the metal the electrodes. By changing the physical properties of the metallization of the IDTs can thus, for example, the speed and thus the frequency f of the OFSW can be lowered. Through one of the like modification of the physical properties of the Me the excitation frequency of the SSBWs will not or at least much weaker than the frequency of the OFSW be influences. By setting the bandwidth of the OFSW on the number of fingers of the interdigital converter and by an increase in the frequency separation of the OFSW from the SSBWs who can be reached by appropriate metallization that the excitation band of the SSBWs outside the frequency bands of OFSW lies. Thus a suggestion of the SSBWs is ver prevents and interference between the OFSW and the SSBWs no longer occurs.

Die relative Frequenzänderung der OFSW aufgrund des Elektro denmaterials läßt sich näherungsweise nach folgender Formel berechnen:
The relative frequency change of the OFSW due to the electrode material can be calculated approximately using the following formula:

wobei γ die Metallisierungsrate (= b/ (a+b), Breite/(Breite + Ab stand), der Elektroden) ist, ρ_m die Dichte der Metallisie rung ist, h die Schichthöhe der Metallisierung ist, λ die Wellenlänge ist, c₆₆ die Schersteifigkeit von Quarz abhängig vom Schnittwinkel des Substrats ist, ν_m die Schallgeschwin digkeit der Metallisierung ist, und ν_c die Geschwindigkeit der SSBW abhängig vom Schnittwinkel des Substrats ist.where γ is the metallization rate (= b / (a + b), width / (width + distance) of the electrodes), ρ _{m is} the density of the metallization, h is the layer height of the metallization, λ is the wavelength, c ₆₆ the shear stiffness of quartz is dependent on the cutting angle of the substrate, ν _{m is} the speed of sound of the metallization, and ν _c the speed of SSBW is dependent on the cutting angle of the substrate.

Die relative Bandbreite (Δf/f)_N, innerhalb der die Oberflä chenscherwelle angeregt werden kann, ist durch die Anzahl der Fingerquartetts N bestimmt und läßt sich berechnen zu (Δf/f)_N = 2/N.The relative bandwidth (Δf / f) _N within which the surface shear wave can be excited is determined by the number of finger quartets N and can be calculated as (Δf / f) _N = 2 / N.

Damit die Interferenz zwischen der OFSW und den SSBWs ver hindert werden kann, muß gelten:
To prevent interference between the OFSW and the SSBWs, the following must apply:

Somit muß N < 2.(f/Δf)_m sein.Hence N <2. (f / Δf) _m .

Bei dem für die Filtertechnik üblicherweise verwendeten Alu minium als Elektrodenmaterial ergibt sich wegen der geringen Masse pro Flächeneinheit ρ_m.h.γ und des geringen Unterschie des der Schallgeschwindigkeiten zwischen Aluminium (ν_m) und der SSBWs (ν_c) bei einer Frequenz von ca. 50 MHz und einem y-rotierten Quarzschnitt von 36° eine Anzahl der Fingerquar tetts in der Größenordnung von 10⁴. Ein Filter mit einer derartigen Fingerzahl ist zur technischen Realisierung nicht geeignet. With the aluminum commonly used for filter technology as the electrode material, the low mass per unit area ρ _m .h.γ and the small difference in the speed of sound between aluminum (ν _m ) and the SSBWs (ν _c ) at a frequency of approx 50 MHz and a y-rotated quartz cut of 36 °, a number of finger quartet in the order of 10 ⁴ . A filter with such a number of fingers is not suitable for technical implementation.

Für niedrige Frequenzen, beispielsweise unter 100 MHz, muß daher entsprechend obiger Gleichung eine Metallisierung mit hoher Masse Pro Flächeneinheit und niedriger Schallgeschwin digkeit verwendet werden. Geeignete Materialien für die Me tallisierung der Elektroden der Interdigitalwandler sind beispielsweise Gold, Platin oder Kupfer. Beispielsweise er gibt sich für Gold mit einer Schichthöhe h von 350 nm bei 65 MHz und einem y-rotierten Quarzschnitt von 36° eine Mindest anzahl von 75 Fingerquartetts.For low frequencies, for example below 100 MHz, must therefore a metallization in accordance with the above equation high mass per unit area and low sound speed be used. Suitable materials for the Me Tallization of the electrodes of the interdigital transducers for example gold, platinum or copper. For example, he for gold with a layer height h of 350 nm 65 MHz and a y-rotated quartz cut of 36 ° is a minimum number of 75 finger quartets.

Somit kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein Oberflächen wellen-Flüssigkeitssensor mit einer hohen Empfindlichkeit gegenüber Flüssigkeitseigenschaften und geringen Störungen durch eine Interferenz der Oberflächenscherwelle mit Volu menscherwellen realisiert werden.Thus, according to the present invention, a surface wave liquid sensor with high sensitivity against liquid properties and minor disturbances by interference of the surface shear wave with Volu human waves can be realized.

Ein weiteres Problem bei der Verwendung von Oberflächenwel lenbauelementen als Flüssigkeitssensoren, das mittels eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfin dung gelöst werden kann, ist das Dreifachdurchlaufecho (TTE; TTE = Triple Transit Echo) und das elektromagnetische Über sprechen (EM).Another problem with the use of surface wel lenbauelemente as liquid sensors, which by means of a advantageous embodiment of the present invention triple pass echo (TTE; TTE = Triple Transit Echo) and the electromagnetic over speak (EM).

Eine elektroakustische Welle, die in den Bereich des Empfän ger-Interdigitalwandlers läuft, erzeugt an den Fingern, bzw. den Sammelschienen der Finger, über die angeschlossene elek trische Lastimpedanz eine Potentialdifferenz, die ihrerseits eine Oberflächenwelle generiert, die in die Richtung des Sender-Interdigitalwandlers zurückläuft und dort ebenfalls über die Generatorimpedanz eine Welle generiert, die in Richtung des Empfängers zurückläuft. Die durch diese Effekte an dem Empfänger-Interdigitalwandler ankommende, zweimal re flektierte Welle hat die Meßstrecke dreimal durchlaufen und somit die dreifache Phasenverschiebung wie die nichtreflek tierte Welle erfahren. Dieser Effekt wird als Triple Transit Echo (TTE) bezeichnet. Dasselbe führt zu einer frequenzab hängigen, konstruktiven bzw. destruktiven Interferenz zwi schen direktem Meßsignal und dem zweimal reflektierten Si gnal. Dadurch entsteht eine frequenzabhängige Welligkeit im Übertragungsverhalten des Oberflächenwellenbauelements, wo bei die Amplitude der Welligkeit von der Übertragungsdämp fung (IL; IL = insertion loss) des Bauelements und der TTE-Unterdrückung abhängt. Bei der Auswertung des durch eine Flüssigkeit auf der Oberflächenscherwelle erzeugten Sensor effekts tritt das TTE als Störgröße auf. Der erzeugte Meß fehler hängt von der TTE-Unterdrückung, der Übertragungs dämpfung und der Größe des Meßeffektes ab.An electro-acoustic wave that is in the range of the receiver ger interdigital converter runs, generated on the fingers, or the busbars of the fingers, over the connected elec trical load impedance a potential difference, which in turn generates a surface wave in the direction of the Transmitter interdigital converter runs back and there too generates a wave via the generator impedance, which in Direction of the receiver. The through these effects arriving at the receiver interdigital transducer, twice right reflected wave has passed through the measuring section three times and thus three times the phase shift as the non-reflective experienced wave. This effect is called triple transit Called Echo (TTE). The same leads to a frequency down dependent, constructive or destructive interference between direct measurement signal and the twice reflected Si gnal. This creates a frequency-dependent ripple in the Transmission behavior of the surface acoustic wave component, where at the amplitude of the ripple from the transmission attenuator fung (IL; insertion loss) of the component and the TTE suppression depends. When evaluating the by a Liquid generated on the surface shear wave sensor effect, the TTE appears as a disturbance variable. The generated measurement error depends on the TTE suppression, the transmission attenuation and the size of the measurement effect.

Es ist offensichtlich, daß mit zunehmender Übertragungsdämp fung IL die TTE-Unterdrückung zunimmt. Näherungsweise gilt die Beziehung: TTE[dB] = 2.IL[dB]+12 dB. Es ist somit für die Sensorik vorteilhaft, Oberflächenwellenbauelemente mit hohen Übertragungsdämpfungen von dem Sender-IDT zu dem Empfänger-IDT zu verwenden, um den Einfluß des TTE so gering wie mög lich zu halten. Vorzugsweise sind Dämpfungen < 10 dB, noch vorteilhafter < 15 dB, geeignet.It is obvious that with increasing transmission loss T IL suppression increases. Approximately applies the relationship: TTE [dB] = 2.IL [dB] +12 dB. It is therefore for the Sensor technology advantageous, surface wave components with high Transmission loss from the transmitter IDT to the receiver IDT to be used to minimize the influence of the TTE to keep. Attenuation is preferably <10 dB, yet more advantageous <15 dB, suitable.

Neben der TTE interferiert am Empfänger-Interdigitalwandler auch das direkte elektromagnetische Übersprechen zwischen dem Sender-IDT und dem Empfänger-IDT mit dem Signal der Oberflächenwelle und tritt in der Form einer frequenzabhän gigen Welligkeit als Störgröße im Meßeffekt auf. Die Ampli tude dieser Welligkeit hängt vom Amplitudenverhältnis zwi schen dem elektromagnetischen Übersprechen EM und der Über tragungsdämpfung IL ab. Je kleiner dieses Verhältnis ist, desto geringer ist der Einfluß des Übersprechens auf das Meßergebnis. Das elektromagnetische Übersprechen hängt vom Aufbau des Oberflächenwellenbauelements ab. In der Praxis kann eine Dämpfung des elektromagnetischen Übersprechens EM im Bereich von 50 bis 80 dB erreicht werden. Um den Einfluß des EM klein zu halten, muß also die Übertragungsdämpfung IL klein gehalten werden, d. h. es muß eine große Amplitude der Oberflächenwelle gewährleistet sein.In addition to the TTE, the receiver interdigital transducer interferes also the direct electromagnetic crosstalk between the transmitter IDT and the receiver IDT with the signal of Surface wave and occurs in the form of a frequency dependent Ripple as a disturbance in the measuring effect. The ampli tude of this ripple depends on the amplitude ratio between the electromagnetic crosstalk EM and the over cushioning IL from. The smaller this ratio is the less the influence of crosstalk on that Measurement result. The electromagnetic crosstalk depends on Structure of the surface acoustic wave component. In practice can attenuate electromagnetic crosstalk EM can be achieved in the range of 50 to 80 dB. About the influence To keep the EM small, the transmission loss IL be kept small, d. H. there must be a large amplitude of the Surface wave can be guaranteed.

Wie aus dem vorhergehenden offensichtlich ist, existiert so mit ein Konflikt zwischen der zur Unterdrückung des TTE er forderlichen hohen Übertragungsdämpfung und der zum Minimie ren des Effekts des elektromagnetischen Übersprechens erfor derlichen geringen Übertragungsdämpfung. Damit sich beide Effekte die Waage halten, muß folgende Gleichung gelten:
As is apparent from the foregoing, there is a conflict between the high transmission loss required to suppress the TTE and the low transmission loss required to minimize the effect of electromagnetic crosstalk. In order for both effects to be balanced, the following equation must apply:

EM[dB] = IL[dB]+TTE[dB] = 3.IL[dB]+12dBEM [dB] = IL [dB] + TTE [dB] = 3.IL [dB] + 12dB

Für die Übertragungsdämpfung ergibt sich somit:
The result for the transmission loss is:

IL[dB] = (EM[dB]-12 dB)/3IL [dB] = (EM [dB] -12 dB) / 3

Je nach für ein bestimmtes Oberflächenbauelement erreichba rer Unterdrückung des elektromagnetischen Übersprechens er gibt sich damit ein Bereich von 10 dB bis 30 dB, vorzugswei se von 15 dB bis 25 dB, als Übertragungsdämpfung für Ober flächenwellensensoren.Depending on the achievable for a certain surface component suppressing electromagnetic crosstalk there is a range of 10 dB to 30 dB, preferably two se from 15 dB to 25 dB, as transmission loss for upper surface wave sensors.

Die Übertragungsdämpfung von Oberflächenscherwellen-Bauele menten hängt vom Quarzschnitt des verwendeten Substrats, von (Δf/f)_m, von der Anzahl und der Überlappungslänge c der Finger der IDTs (siehe Fig. 4) und von einer elektrischen Anpassung an die Impedanz des angeschlossenen Meßgerätes ab. Diese Parameter müssen beim Entwurf des Oberflächenbauele ments berücksichtigt werden, um eine entsprechende Übertra gungsdämpfung, die den obigen Voraussetzungen genügt, zu er reichen.The transmission loss of surface shear wave components depends on the quartz cut of the substrate used, on (Δf / f) _m , on the number and overlap length c of the fingers of the IDTs (see FIG. 4) and on an electrical adaptation to the impedance of the connected measuring device from. These parameters must be taken into account when designing the surface component in order to achieve appropriate transmission damping that meets the above requirements.

Im folgenden werden anhand eines konkreten Ausführungsbei spiels exakte Parameter angegeben, die zur Realisierung ei nes erfindungsgemäßen Oberflächenwellen-Flüssigkeitssensors geeignet sind. Als Substrat ist ein y-rotierter Quarz mit einem Quarzschnitt von 36° verwendet. Als Metallisierung für die Elektroden der Interdigitalwandler ist Gold einer Schichthöhe h von 350 nm verwendet. Die Metallisierungsrate γ, d. h. das Verhältnis b/(b+a), ist 0,5, d. h. 50%. Bei einer Anregungsfrequenz f von 65,6 MHz ergibt sich eine Wellenlän ge λ von 76 µm. Die Anzahl der Fingerquartetts bei einem so genannten "double-split"-Wandler ist 90. Die Fingerüberlap pung c beträgt 25 λ. Das derart dimensionierte Oberflächen wellenfilter weist eine Übertragungsdämpfung von 20 dB auf.The following are based on a concrete execution exact parameters specified to implement ei nes surface wave liquid sensor according to the invention are suitable. A y-rotated quartz is used as the substrate a quartz cut of 36 ° is used. As a metallization for the electrodes of the interdigital transducers is gold one Layer height h of 350 nm used. The metallization rate γ, d. H. the ratio b / (b + a) is 0.5, d. H. 50%. At a Excitation frequency f of 65.6 MHz results in a wavelength ge λ of 76 µm. The number of finger quartets in such a way called "double-split" converter is 90. The finger overlap pung c is 25 λ. The surfaces so dimensioned wave filter has a transmission loss of 20 dB.

Die vorliegende Erfindung schafft somit Vorrichtungen und Verfahren zur Bestimmung des Alterungszustands eines flüs sigen Mediums, insbesondere eines Motoröls, die die bedarfs gerechte Ermittlung von Ölwechselintervallen in vielen tech nischen Systemen ermöglichen, wodurch die Lebensdauer der selben erhöht und Ressourcen geschont werden können. Durch den einfachen Aufbau einer erfindungsgemäßen Sensoreinrich tung zur Erfassung der benötigten Materialparameter kann die vorliegende Erfindung ferner kostengünstig realisiert wer den. Die vorliegende Erfindung kann zur quasikontinuierli chen Überwachung der Ölalterung in vielen technischen Syste men, beispielsweise in Verbrennungsmotoren, Getrieben, Hy draulikanlagen und dergleichen vorteilhaft zur bedarfsge rechten Ermittlung der Wartungszyklen verwendet werden, wo durch eine Lebensdauererhöhung und eine Ressourcenschonung erreicht werden kann. Für Fachleute ist es offensichtlich, daß bei bestimmten Anwendungen die Erfassung der Änderung eines Zustandsparameters eines flüssigen Mediums ausreichen kann, während es bei einer Vielzahl von Anwendungen vorteil haft ist, eine Mehrzahl der Parameter, wie z. B. der Viskosi tät, der Viskoelastizität, der Dichtem der Dielektrizitäts zahl und der Leitfähigkeit, die alle mittels des bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung erfaßt werden können, aufzunehmen.The present invention thus provides devices and Method for determining the aging condition of a river medium, especially an engine oil, which needs the fair determination of oil change intervals in many tech enable African systems, thereby the life of the the same and resources can be saved. By the simple structure of a sensor device according to the invention can be used to record the required material parameters present invention also realized inexpensively who the. The present invention can be used quasi-continuously Chen monitoring of oil aging in many technical systems men, for example in internal combustion engines, transmissions, Hy Draulikanlagen and the like advantageous for needs right determination of the maintenance cycles are used where through an increase in service life and resource conservation can be reached. It’s obvious to professionals that in certain applications the detection of the change of a state parameter of a liquid medium are sufficient can, while beneficial in a variety of applications is most of the parameters, such as. B. the viscose the viscoelasticity, the density of the dielectric number and conductivity, all by means of the preferred Embodiment of the sensor device according to the invention can be recorded.

Claims

1. Device for determining the aging state of a liquid medium, in particular oil, starting from an initial state thereof, with the following features:
a device for detecting at least one state parameter of the liquid medium during a first period in which the liquid medium has the initial state and during at least a second period following in time;
means for comparing the at least one state parameter detected during the first period and the at least one second period; and
means for determining the state of the liquid medium based on the comparison.

2. Apparatus according to claim 1, wherein the detection device a device for detecting the tempera structure of the liquid medium.

3. Apparatus according to claim 2, wherein the detection device selects the at least one state parameter rend the first period and the at least a second Period recorded at identical temperature.

4. Device according to one of claims 1 to 3, in which the detection device has the at least one state parameters during the first period and at least a second period each at least two under different temperatures detected, the device a device for determining a temperature dependency of the at least one state parameter during the first period and the at least one has second period, the ver same device also for a state pair temperature dependencies determined and the condition determination device the aging state of the medium also based on the tem temperature dependency comparison determined.

5. Device according to one of claims 1 to 4, in which the detection device devices for detection the viscosity, the viscoelasticity, the density, the Dielectric constant and / or the conductivity of the has liquid medium.

6. The device according to claim 5, in which the device for detecting the viscosity, the viscoelasticity and / or the density of the liquid medium is a surface wave sensor consisting of at least two interdigital transducers ( 12 , 14 ).

7. The device according to claim 6, wherein the device for detecting the dielectric constant and / or the conductivity of the liquid medium is formed by an interdigital transducer ( 12 ) of the surface wave sensor, the dielectric constant and / or the conductivity of the liquid medium being based on the complex electrical impedance of the interdigital transducer ( 12 ) can be determined.

8. The device according to claim 6 or 7, wherein the upper surface wave sensor with a first oscillator scarf device for determining the resonance frequency and / or the Damping generated by the surface wave sensor th electroacoustic wave is coupled, the Viscosity and / or viscoelasticity and / or Density of the liquid medium on the basis of it average resonance frequency and / or attenuation are tunable.

9. The device according to claim 8, wherein an Interdigi talwandler ( 12 ) is coupled to a second oscillator circuit for determining the complex electrical impedance of the interdigital transducer ( 12 ), wherein the Di electricity number and / or the conductivity of the liquid medium on the basis of complex electrical impedance of the interdigital transducer ( 12 ) can be determined.

10. The device according to claim 9, wherein the oscillator frequency of the second oscillator circuit is different from the Resonance frequency of the electro-acoustic wave of the upper surface wave sensor differs.

11. The device according to claim 8, wherein the first Oszil an amplitude control device points, whose control signal is a measure of the damping of the Surface wave is from which the viscosity of the river medium can be determined.

12. A method for determining the aging state of a liquid medium, in particular oil, starting from an initial state, with the following steps:

a) detecting at least one state parameter of the liquid medium during a first period in which the liquid medium has the initial state;
b) detecting the at least one state parameter of the liquid medium during a second period following in time;
c) comparing the state parameters recorded in steps a) and b); and
d) determining the aging state of the liquid medium on the basis of the comparison carried out in step c).

13. The method according to claim 12, wherein in the steps a) and b) in addition to the at least one state parameters recorded the temperature of the liquid medium becomes.

14. The method according to claim 13, wherein the at least one Parameters in steps a) and b) at a time is detected, to which the detected temperatures are identical are.

15. The method according to claim 13, wherein in step a) and in step b) the at least one state parameter of the liquid medium in each case at least two under different temperatures is detected to a tempera dependence of the state parameter during the he most and the second period, the compare the two temperature dependencies in step c) and the result of the comparison in step d) to determine the state of aging of the liquid Medium is taken into account.

16. Sensor device for detecting material parameters of a liquid medium, consisting of two interdigital transducers ( 12 , 14 ) for generating an electro-acoustic wave from one ( 12 ) of the interdigital transducers to the other ( 14 ) of the interdigital transducers, the two interdigital transducers ( 12 , 14 ) are connected to a first evaluation circuit for determining the viscosity, the viscoelasticity and / or the density of the liquid medium on the basis of the determined resonance frequency and / or the damping of the electroacoustic waves, and one of the interdigital transducers ( 12 ) is connected to a second evaluation circuit for determining the dielectric constant and / or the conductivity of the liquid medium on the basis of the complex electrical impedance of the interdigital transducer ( 12 ).

17. Sensor device according to claim 16, wherein the Frequency that the second evaluation circuit for Er complex electrical impedance used, from the resonance frequency of the electroacoustic wave differs.

18. Sensor device according to claim 16 or 17, further comprising a temperature sensor for detecting the temperature of the has liquid medium.