DE19706486B4 - Sensor means for determining the aging state of liquid media - Google Patents

Sensor means for determining the aging state of liquid media

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DE19706486B4
DE19706486B4 DE1997106486 DE19706486A DE19706486B4 DE 19706486 B4 DE19706486 B4 DE 19706486B4 DE 1997106486 DE1997106486 DE 1997106486 DE 19706486 A DE19706486 A DE 19706486A DE 19706486 B4 DE19706486 B4 DE 19706486B4
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Abstract

Sensoreinrichtung zur Erfassung von Materialparametern eines flüssigen Mediums, bestehend aus zwei Interdigitalwandlern (12, 14) zur Erzeugung einer elektroakustischen Welle von einem (12) der Interdigitalwandler zu dem anderen (14) der Interdigitalwandler, wobei die zwei Interdigitalwandler (12, 14) mit einer ersten Auswertungsschaltung zur Ermittlung der Viskosität, der Viskoelastizität und/oder der Dichte des flüssigen Mediums auf der Grundlage der ermittelten Resonanzfrequenz und/oder der Dämpfung der elektroakustischen Welle verschaltet sind, und wobei einer der Interdigitalwandler (12) mit einer zweiten Auswertungsschaltung zur Ermittlung der Dielektrizitätszahl und/oder der Leitfähigkeit des flüssigen Mediums auf der Grundlage der komplexen elektrischen Impedanz des Interdigitalwandlers (12) verschaltet ist, wobei zur Ermittlung der komplexen elektrischen Impedanz mittels der zweiten Auswertungsschaltung eine von der Resonanzfrequenz der elektroakustischen Welle untersch Sensor means for detecting material parameters of a liquid medium consisting of two interdigital transducers (12, 14) for generating an electroacoustic wave from a (12) of the interdigital transducer to the other (14) of the interdigital transducer, wherein the two interdigital transducers (12, 14) with a first evaluation circuit for determining the viscosity, viscoelasticity and / or the density of the liquid medium are connected on the basis of the determined resonance frequency and / or the damping of the electroacoustic wave, and wherein one of the interdigital transducer (12) with a second evaluation circuit for determining the dielectric constant and / or the conductivity of the liquid medium is connected on the basis of the complex electrical impedance of the interdigital transducer (12), wherein a differnet to determine the complex electrical impedance by means of the second evaluation circuit of the resonance frequency of the electro-acoustic wave iedliche Frequenz verwendet wird. iedliche frequency is used.

Description

  • [0001]
    Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sensoreinrichtung zur Bestimmung des Alterungszustands flüssiger Medien, insbesondere zur Bestimmung und Überwachung des Alterungszustands von Öl. The present invention relates to a sensor device for determining the aging of liquid media, in particular for determining and monitoring the state of aging of oil.
  • [0002]
    Es ist bekannt, daß die Qualität von Ölen von einer Vielzahl von Faktoren abhängt. It is known that the quality of oils depends on a variety of factors. Diese Faktoren umfassen unter anderem die Gesamtbasenzahl, die Gesamtsäurezahl, den Additivabbau, den Eisengehalt, die Tragfähigkeit und dergleichen. These factors include, among others, the total base number, the total acid number, the additive degradation, the iron content, the viability and the like. Diese, die Qualität beispielsweise von Motor- und Getriebe-Ölen bestimmenden Faktoren können jedoch nur im Labor ermittelt werden. However, this, quality, for example, engine and transmission oils determining factors can be determined only in the laboratory. Eine kontinuierliche bzw. quasikontinuierliche Überwachung der Ölqualität erfolgt daher in den meisten technischen Systemen nicht. A continuous or quasi-continuous monitoring of the oil quality is therefore not in most technical systems.
  • [0003]
    Beispielsweise wird in Personenkraftwagen das Motoröl in der Regel alle 15.000 km gewechselt. For example, in passenger cars, the engine oil is changed every 15,000 km in general. Somit werden die Wartungszyklen nicht bedarfsgerecht ermittelt, sondern das Motoröl wird jeweils nach einer bestimmten Anzahl gefahrener Kilometer gewechselt. Thus, the maintenance cycles can not be determined as required, but the engine oil is changed every a certain number of kilometers.
  • [0004]
    Zur quasikontinuierlichen Überwachung des Ölzustands in technischen Systemen vor Ort werden vereinzelt beispielsweise die Laufzeit und die Öltemperatur erfaßt, wobei anhand von Modellen die Ölwechselintervalle bestimmt werden. For quasi-continuous monitoring of the oil condition in technical systems on site, the term and the oil temperature are detected sporadically, for example, which are determined using models the oil change intervals. Diese Methode ist jedoch mit vielen Unsicherheiten behaftet und sagt nichts über die tatsächlichen Eigenschaften des Öls aus. This method is, however, subject to many uncertainties and says nothing about the actual characteristics of the oil from.
  • [0005]
    Die The DE 3701348 C2 DE 3701348 C2 bezieht sich auf ein Verfahren zum Prüfen der Qualität einer Betriebsflüssigkeit von Kraftfahrzeugen. refers to a method for testing the quality of a working fluid of motor vehicles. Zu diesem Zweck lehrt diese Schrift die Erfassung einer in der Regel elektrischen Größe, die mit der Qualität der Betriebsflüssigkeit korreliert ist, beispielsweise dem Widerstandswert oder der Kapazität der Betriebsflüssigkeit. To this end, this reference teaches the detection of an electrical in the controlled variable, which is correlated with the quality of the operating fluid, for example, the resistance value or the capacity of the working fluid. Nähere Angaben über den verwendeten Sensor sind dieser Schrift nicht zu entnehmen. Details of the sensor used can not be inferred herein.
  • [0006]
    Die The EP 0080632 A1 EP 0080632 A1 ist auf eine Vorrichtung zur Erfassung der Ölverschlechterung gerichtet. is directed to an apparatus for detecting deterioration of the oil. Dazu wird ein kapazitiver Sensor, der aus einem Paar von beabstandeten Elektroden besteht, verwendet. To this end, a capacitive sensor which consists of a pair of spaced electrodes are used. Mittels dieses kapazitiven Sensors wird ein Ausgangssignal als eine Funktion der dielektrischen Konstante oder der Leitfähigkeit des Öls erzeugt. By means of this capacitive sensor, an output signal is generated as a function of the dielectric constant or conductivity of the oil. Auf der Grundlage des Ausgangssignals wird die Verschlechterung des Öls ermittelt, wobei das Ausgangssignal dazu mit einer Referenzspannung verglichen wird, die einen Grenzwert darstellt, bei dessen Überschreiten eine optische oder akustische Warnung erzeugt wird. On the basis of the output of the degradation of oil is determined, wherein the output signal is compared to a reference voltage representing a limit, above which a visual or audible warning is generated.
  • [0007]
    In Sensors and Actuators, 20 (1989), Seiten 253–268, ist die Verwendung von SAW-Bauelementen zur Erfassung von Flüssigkeitsparametern beschrieben. In Sensors and Actuators, 20 (1989), pages 253-268, the use of SAW devices for the detection of fluid parameters is described. Diese Schrift beschreibt dazu zum einen Oszillatormessungen, bei denen Änderungen der Flüssigkeitseigenschaften durch Störungen der Oszillationsfrequenz erfaßt werden. This document describes this for an oscillator measurements in which changes in the fluid properties are detected by disorders of the oscillation frequency. Ferner beschreibt diese Schrift Ausbreitungsmessungen, bei denen eine Phasenverschiebung und eine Dämpfung der Amplitude der Oberflächenwellen erfaßt wird. Further, this writing propagation measurements in which a phase shift and an attenuation of the amplitude of the surface waves is detected describes.
  • [0008]
    Aus Chemical Abstracts, 1994, Bd. 120, Zitat-Nr. Chemical Abstracts, 1994, Vol. 120, citation number. 111 208 ist die Möglichkeit bekannt, die Messung der SAW-Dämpfung von SAW-Bauelementen zur Bestimmung der Motorölverschlechterung zu verwenden. 111 208 the possibility is known to use the measurement of the attenuation of SAW-SAW devices for determining the engine oil deterioration.
  • [0009]
    Der vorliegenden Erfindung liegt ausgehend von dem genannten Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, eine Sensoreinrichtung zur Bestimmung des Alterungszustands eines flüssigen Mediums, insbesondere von Öl, zu schaffen, um ein bedarfsgerechtes Auswechseln des flüssigen Mediums, insbesondere des Öls, zu gewährleisten. The present invention is based on the cited prior art, the object of a sensor device for determining the aging state of a fluid medium, in particular oil, to provide, in order to ensure a demand-oriented exchange of the liquid medium, in particular of the oil.
  • [0010]
    Diese Aufgabe wird durch eine Sensoreinrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. This object is achieved by a sensor device according to Claim. 1
  • [0011]
    Gemäß der vorliegenden Erfindung werden vorzugsweise die Viskosität, die Viskoelastizität, die Dichte, die Dielektrizitätszahl und/oder die Leitfähigkeit des flüssigen Mediums ermittelt. According to the present invention, the viscosity, the viscoelasticity, the density, the dielectric constant and / or conductivity of the liquid medium are preferably determined.
  • [0012]
    Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen weist die Sensoreinrichtung der vorliegenden Erfindung ferner einen Temperatursensor auf, um die Erfassung der jeweiligen Zustandsparameter während der unterschiedlichen Perioden bei jeweils zwei unterschiedlichen Temperaturen zu ermöglichen. In preferred embodiments, the sensor device of the present invention further includes a temperature sensor to enable the detection of the respective state parameter during the different periods at two different temperatures. Somit kann eine Temperaturabhängigkeit eines jeweiligen Zustandsparameters ermittelt werden. Thus, a temperature dependence of a respective state parameter can be determined. Ein Vergleich der Temperaturabhängigkeiten eines Zustandsparameters, die während der ersten Periode und der zweiten Periode erfaßt werden, kann dann zusätzlich zur Ermittlung des Alterungszustands des flüssigen Mediums herangezogen werden. A comparison of the temperature dependency of a state parameter which are detected during the first period and the second period, may then additionally be used to determine the aging state of the liquid medium.
  • [0013]
    Zur Erfassung der Viskosität, bzw. der Viskoelastizität, eines flüssigen Mediums kann vorteilhaft ein Oberflächenwellensensor, der aus zumindest zwei Interdigitalwandlern besteht, verwendet werden. For detecting the viscosity or the viscoelasticity of a fluid medium may advantageously be a surface acoustic wave sensor, which consists of at least two interdigital transducers are used. Ferner kann die Dielektrizitätszahl und/oder die Leitfähigkeit eines flüssigen Mediums vorzugsweise durch einen planaren Kondensator, dessen komplexe elektrische Impedanz von der Dielektrizitätszahl und der Leitfähigkeit des angrenzenden Mediums abhängt, ermittelt werden. Further, the permittivity and / or conductivity of a liquid medium may preferably be a planar capacitor whose complex electrical impedance depends on the dielectric constant and the conductivity of the adjacent medium, can be determined. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird zu diesem Zweck ein planarer Interdigital-Kondensator verwendet. In preferred embodiments of the present invention, a planar interdigital capacitor is used for this purpose.
  • [0014]
    Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere zur Vor-Ort-Bestimmung der Ölqualität eines Motors. The present invention is particularly suitable for on-site determination of the oil quality of an engine. Dazu müssen einfach und kostengünstig meßbare Ölparameter verwendet werden. These measurable oil parameters easily and cost must be used. Mit der Alterung von Ölen und zunehmender Verunreinigung durch Abrieb, Ruß, Wasser, usw., ändern sich auch die physikalischen Materialparameter des Öls, wie zB die Viskosität, die Viskoelastizität, die Dichte, die Dielektrizitätszahl und die Leitfähigkeit, die mit den Meßsignalen eines Ölqualitätssensors korreliert sind. With the aging of oils and the increasing pollution caused by abrasion, soot, water, etc. Also, the material parameters of the oil, such as viscosity, viscoelasticity, the density, the dielectric constant and conductivity associated with the measurement signals of an oil quality sensor change are correlated. Jedoch sagen die momentanen Absolutwerte dieser Parameter nichts über die Ölqualität aus, da diese Werte von Ölsorte zu Ölsorte eine starke Streuung zeigen. However, the current absolute values ​​of these parameters say nothing about the oil quality, because these values ​​of oil location to type of oil is large dispersion. Folglich ist nur über die zeitliche Änderung dieser Materialdaten eine Aussage über den Öl-Alterungszustand möglich. Consequently, a statement about the oil aging state is only possible through the change over time in this material data. Zur Bestimmung der Ölqualität, dh des Öl-Alterungszustandes, werden daher nicht die augenblicklichen Absolutwerte der oben genannten Zustandsparameter herangezogen, sondern vielmehr deren zeitliche Änderung. To determine the oil quality, that is of the oil-aging state, not the instantaneous absolute values ​​of the above-mentioned state parameters therefore be used, but rather its time change.
  • [0015]
    Die Viskosität und die Viskoelastizität von Ölen ist stark temperaturabhängig. The viscosity and viscoelasticity of oils is highly temperature dependent. Diese Temperaturabhängigkeit beinhaltet Informationen über die Viskosität bzw. die Viskoelastizität, dh den Additivabbau, der Öle. This temperature dependence includes information on the viscosity and viscoelasticity, ie the additive degradation of the oils. Durchlaufen die Öle während des Betriebs eine Temperaturrampe, beispielsweise beim Start und nach dem Stop von Motoren, so werden für die Sensorsignale, die mit der Viskosität bzw. Viskoelastizität korreliert sind, aus dieser Temperaturrampe zusätzlich zu den Informationen, die bei einer festen Temperatur gewonnen werden, Informationen über die Änderungen der viskosen und viskoelastischen Öleigenschaften bei unterschiedlichen Temperaturen gewonnen. Passing through the oil during the operation of a temperature ramp, for example at the start and after the stop of motors, they are for the sensor signals which are correlated to the viscosity or viscoelasticity, of this temperature ramp, in addition to the information obtained at a fixed temperature obtained information about the changes of the viscous and viscoelastic oil properties at different temperatures. Aus einer derartigen temperaturabhängigen Änderung der Viskosität kann dann beispielsweise auf eine Verschlechterung der Tragfähigkeit des Öls geschlossen werden. example, can then be closed to a deterioration of the load carrying capacity of the oil from such a temperature-dependent change in viscosity.
  • [0016]
    Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit die kostengünstige Ermittlung des Alterungszustands eines flüssigen Mediums, beispielsweise eines Motoröls. The present invention thus enables cost-effective determination of the aging state of a fluid medium, such as an engine oil. Somit können gemäß der vorliegenden Erfindung die Ölwechselintervalle in technischen Systemen bedarfsgerecht ermittelt, die Lebensdauer kann erhöht und Ressourcen können geschont werden. Thus, the oil change intervals can be determined as required in technical systems, the lifetime can be increased and resources can be spared according to the present invention.
  • [0017]
    Eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung eignet sich vorzugs weise zur Erfassung von Zustandsparametern eines Motoröls. A sensor device according to the invention is suitable as preference for recording condition parameters of an engine oil. Mit einem solchen Ölqualitätssensor können die Dichte des Öls sowie viskose, viskoelastische und dielektrische Öleigenschaften vor Ort erfaßt werden. With such Oil quality sensor, the density of the oil as well as viscous, viscoelastic and dielectric oil properties can be detected locally. Werden diese Parameter zu unterschiedlichen Zeiten erfaßt, weisen die Änderungen der physikalischen Meßgrößen eine hohe Korrelation mit der Ölalterung auf. If these parameters are detected at different times, the changes in physical variables have a high correlation with the oil aging. Somit können Aussagen über den tatsächlichen Ölzustand gemacht werden. Thus can be drawn about the actual oil condition.
  • [0018]
    Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Preferred embodiments of the present invention are explained in detail below with reference to the accompanying drawings. Es zeigen: Show it:
  • [0019]
    1 1 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung; a schematic representation of a preferred embodiment of the sensor device according to the invention; und and
  • [0020]
    2 2 ein Diagramm aufgenommener Sensorsignale über der Temperatur für Neuöl und verschiedene Altersstufen des Öls; a diagram of recorded sensor signals versus temperature for fresh oil and different ages of the oil;
  • [0021]
    3 3 mittels eines Interdigital-Kondensators aufgenomme ne dielektrische Eigenschaften eines Öls zu unterschiedlichen Altersstufen desselben; -housed by means of an interdigital capacitor ne dielectric properties of an oil of the same at different ages;
  • [0022]
    4 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung. a schematic diagram for explaining the sensor device according to the invention.
  • [0023]
    Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand einer Vorrichtung zur Bestimmung des Alterungszustandes eines Motoröls näher erläutert. The present invention is explained below with reference to an apparatus for determining the state of aging of a motor oil in greater detail. Es ist jedoch offensichtlich, daß die vorliegende Erfindung ferner zur Bestimmung des Alterungszustands anderer flüssiger Medien verwendet werden kann, deren physikalische Materialparameter sich mit der Alterung, beispielsweise durch zunehmende Verunreinigung, ändern. It is apparent, however, that the present invention can be further used to determine the aging state of other liquid media, the physical material parameters with aging, for example by increasing pollution, change.
  • [0024]
    1 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung zur Erfassung der viskosen und viskoelastischen Eigenschaften sowie der Dichte eines Öls und ferner zur Erfassung der dielektrischen Öleigenschaften. 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 further for detecting the dielectric oil properties.
  • [0025]
    Wie in As in 1 1 gezeigt ist, sind auf einem dielektrischen Substrat is shown, on a dielectric substrate 10 10 , beispielsweise einem Quarzsubstrat, zwei Interdigitalwandler , For example, a quartz substrate, two interdigital transducers 12 12 und and 14 14 angeordnet. arranged. Die zwei Interdigitalwandler The two interdigital transducers 12 12 und and 14 14 bilden einen Oberflächenwellensensor (OFW-Sensor) in Form einer Verzögerungsleitung. forming a surface acoustic wave sensor (SAW) sensor in the form of a delay line. Ebenso kann ein Resonator oder ein Plattenmoden-Sensor verwendet werden. Similarly, a resonator or a plate-mode sensor can be used. Die Interdigitalwandler The interdigital transducer 12 12 und and 14 14 bestehen aus kammförmigen Elektroden, die beispielsweise in Dünnfilmtechnologie auf das piezoelektrische Substrat consist of comb-shaped electrodes, for example, in thin-film technology on the piezoelectric substrate 10 10 aufgebracht sind. are applied. Über eine hochfrequente elektrische Wechselspannung, die an einen ersten Schaltungseingang A high-frequency electrical AC voltage to a first circuit input 16 16 angelegt wird, werden mit dem Interdigitalwandler is applied to the interdigital transducer 12 12 elektroakustische Wellen angeregt, die mittels des Interdigitalwandlers excited electro-acoustic waves by means of the interdigital transducer 14 14 über einen ersten Schaltungsausgang via a first circuit output 18 18 detektiert werden. are detected. Die Resonanzfrequenz und die Dämpfung werden durch das Material des Substrats The resonance frequency and the damping will be the material of substrate 10 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 , The material of the comb electrodes, which may be for example gold, as determined by the geometrical layout of the comb electrodes and adjacent to the sensor component liquid as later with reference to 4 4 näher erläutert wird. is explained in detail.
  • [0026]
    Änderungen der viskosen und viskoelastischen Eigenschaften sowie der Dichte der Öle ändern die Resonanzfrequenz und die Dämpfung der elektroakustischen Welle zwischen den Interdigitalwandlern change changes the viscous and viscoelastic properties and the density of the oils, the resonance frequency and the damping of the electroacoustic wave between the interdigital transducers 12 12 und and 14 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. This resonant frequency and / or damping change can be electronically evaluated, for example, in an oscillator or resonator arrangement with the SAW sensor as frequency-determining element. Wie in As in 1 1 dargestellt ist, ist die erste Kammelektrode des Interdigitalwandlers is shown, the first comb electrode of the interdigital transducer 12 12 , der als Senderwandler dient, mit dem ersten Schaltungseingang Which serves as a transmitter transducer, with the first circuit input 16 16 elektrisch gekoppelt. electrically coupled. Die zweite Kammelektrode des Interdigitalwandlers The second comb electrode of the interdigital transducer 12 12 liegt auf Masse. is grounded. Die erste Kammelektrode des Interdigitalwandlers The first comb electrode of the interdigital transducer 14 14 liegt ebenfalls auf Masse. also is grounded. Die zweite Kammelektrode des Interdigitalwandlers The second comb electrode of the interdigital transducer 14 14 ist mit dem ersten Schaltungsausgang is connected to the first circuit output 18 18 gekoppelt. coupled.
  • [0027]
    Zur Erfassung der dielektrischen Öleigenschaften wird gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Interdigitalwandler des OFW-Sensors, bei dem in For sensing the dielectric properties of oil is an interdigital transducer of the SAW sensor according to a preferred embodiment, in which in 1 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Interdigitalwandler Embodiment of the interdigital transducer shown 12 12 , als planarer Kondensator, Interdigitalkondensator IDK, verwendet. , As a planar capacitor, interdigital capacitor IDK used. Dazu ist die erste Kammelektrode des Interdigitalkondensators This is the first comb electrode of the interdigital capacitor 12 12 ferner mit einem zweiten Schaltungseingang further comprising a second circuit input 20 20 verbunden. connected. Über diesen Schaltungseingang About this circuit input 20 20 kann die komplexe elektrische Impedanz des durch den Interdigitalwandler can the complex electrical impedance of the interdigital transducer by 12 12 gebildeten Kondensators erfaßt werden. Capacitor formed are detected.
  • [0028]
    Die komplexe elektrische Impedanz dieses Kondensators hängt von der Dielektrizitätszahl und der Leitfähigkeit des angrenzenden Mediums ab. The complex electrical impedance of this capacitor depends on the dielectric constant and the conductivity of the adjacent medium. Bei Motorölen, ∈ ≈ 2 – 4, wird die Dielektrizitätszahl zB, durch Wassereintrag, ∈ ≈ 80, der beispielsweise durch einen Kühlwassereinbruch in das Öl auftreten kann, deutlich verändert. For motor oils, ∈ ≈ 2-4, the dielectric constant ∈ ≈ example 80, by water entry, which can occur for example through a cooling water leakage in the oil changed significantly. Ein Benzineintrag, ∈ ≈ 2 – 4 beeinflußt dagegen die Dielektrizitätszahl kaum, wobei ein Benzineintrag aber die Viskosität stark beeinflußt, so daß dies durch den oben beschriebenen, durch die beiden Interdigitalwandler A gasoline entry ∈ ≈ 2 - 4, however, affect the dielectric constant hardly, wherein a gasoline entry but greatly affects the viscosity, so that this by the above described, by the two interdigital transducers 12 12 und and 14 14 gebildeten OFW-Sensor erfaßt werden kann. formed SAW sensor can be detected. Der Basen- bzw. Säuregehalt des Öls (TBN bzw. TAN) sind unter anderem für die Korrosion des Motors verantwortlich. The base- or acid content of the oil (TBN and TAN) are partly responsible for the corrosion of the engine. Dieselben beeinflussen die Leitfähigkeit des Öls und können über die komplexe elektrische Impedanz des Interdigitalwandlers The same affect the conductivity of the oil and can the complex electrical impedance of the interdigital transducer 12 12 erfaßt werden. are detected.
  • [0029]
    Der Oberflächenwellensensor, der gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann beispielsweise auf einem 36°-rotierten Quarz-Substrat The surface acoustic wave sensor, which is used according to the present invention may, for example, on a 36 ° -rotierten quartz substrate 10 10 in Dünnfilmtechnologie gefertigt sein. be manufactured in thin-film technology. Die zwei Interdigitalwandler The two interdigital transducers 12 12 und and 14 14 , die als Senderwandler bzw. Empfängerwandler von elektroakustischen Wellen dienen, sind derart angeordnet, daß Oberflächenscherwellen angeregt werden und können beispielsweise aus 130 doppelten (double-split) Goldelektrodenpaaren mit einer Metallisierungshöhe von 350 nm und einer Strukturbreite von 9 μm bestehen. Which serve as a transmitting transducer or receiving transducer of the electro-acoustic waves are arranged such that the surface shear waves are excited and can, for example, from 130 double (double-split) gold electrode pairs are made with a metallization of 350 nm and a line width of 9 microns. Damit ergibt sich eine Resonanzfrequenz von etwa 70 MHz. This results in a resonance frequency of about 70 MHz. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die Elektrodenüberlappung 2,376 mm. In a preferred embodiment, the electrodes overlap is 2.376 mm.
  • [0030]
    Die Resonanzfrequenz und die Dämpfung des Oberflächenwellensensors werden vorzugsweise mit einer Oszillatorschaltung, die über den ersten Schaltungseingang The resonant frequency and the damping of the surface acoustic wave sensor are preferably with an oscillator circuit on the first circuit input 16 16 und den ersten Schaltungsausgang and the first circuit output 18 18 verschaltet ist, ausgewertet. is screened, evaluated. Die elektrische Impedanz des Interdigitalwandlers The electrical impedance of the interdigital transducer 12 12 wird ebenfalls vorzugsweise über eine Oszillatoranordnung, die über den zweiten Schaltungseingang is also preferably an oscillator arrangement, which via the second circuit input 20 20 verschaltet ist, ausgewertet. is screened, evaluated.
  • [0031]
    Vorzugsweise erfolgt die Auswertung der komplexen Impedanz dieses Kondensators, der durch den Interdigitalwandler Preferably, the evaluation of the complex impedance of this capacitor is formed by the interdigital transducer 12 12 gebildet ist, bei einer Frequenz unter- bzw. oberhalb der Resonanzfrequenz des Oberflächenwellensensors und ist somit unabhängig von der Anregung der elektroakustischen Welle. is formed below or at a frequency above the resonant frequency of the surface wave sensor and is thus independent of the excitation of the electro-acoustic wave. Für die Beurteilung der Ölqualität wird der Real- und/oder der Imaginär-Teil der Impedanz des Kondensators herangezogen, um Aussagen über die Dielektrizitätszahl und/oder die Leitfähigkeit des Öls zu erhalten. For the evaluation of the oil quality of the real and / or imaginary part of the impedance of the capacitor is used to obtain information about the relative permittivity and / or conductivity of the oil. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Frequenz, bei der die elektrische Impedanz des Interdigitalwandlers In a preferred embodiment, the frequency can, in which the electrical impedance of the interdigital transducer 12 12 bestimmt wird, unterhalb von 100 kHz liegen. is determined to be below 100 kHz. Zur Entkopplung der Hochfrequenz, dh der Resonanzfrequenz des Oberflächenwellensensors, und der Niederfrequenz, dh der Frequenz, bei der die elektrische Impedanz des Interdigitalwandlers For decoupling the high frequency, that is, the resonant frequency of the surface acoustic wave sensor, and the low frequency, ie the frequency at which the electrical impedance of the interdigital transducer 12 12 bestimmt wird, ist zwischen dem ersten Schaltungseingang is determined between the first circuit input 16 16 und der ersten Kammelektrode des Interdigitalwandlers and the first comb electrode of the interdigital transducer 12 12 vorzugsweise ein Hochpaß preferably a high-pass filter 22 22 angeordnet, während zwischen dem zweiten Schaltungseingang arranged, while between the second circuit input 20 20 und der ersten Kammelektrode des Interdigitalwandlers and the first comb electrode of the interdigital transducer 12 12 vorzugsweise ein Tiefpaß preferably a low-pass filter 24 24 angeordnet ist. is arranged. Der Hochpaß the high-pass filter 22 22 kann beispielsweise durch einen Kondensator mit geeigneter Kapazität gebildet sein, während der Tiefpaß may for example be formed by a capacitor having a suitable capacitance, while the low-pass filter 24 24 durch eine Spule mit geeigneter Induktivität gebildet sein kann. can be formed by a coil having an appropriate inductance.
  • [0032]
    Die Oszillatorschaltung des Oberflächenwellensensors, die mit dem ersten Schaltungseingang The oscillator circuit of the surface acoustic wave sensor, connected to the first circuit input 16 16 und dem zweiten Schaltungsausgang and the second circuit output 18 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. is connected to an amplitude control can have, which is configured such that the control signal of the same is a measure of the damping of the surface acoustic wave and thus the viscosity of the oil. Die Ausbildung derartiger Regelschaltungen ist in der Technik bekannt. The formation of such control circuits is known in the art. Durch die Entkopplung der Auswertungsschaltungen für die elektrische Impedanz des einen Interdigitalkondensators By decoupling the evaluation circuits for the electrical impedance of an interdigital capacitor 12 12 und der Auswertungsschaltung für den Oberflächenwellensensor, der durch beide Interdigitalwandler and the evaluation circuit for the surface acoustic wave sensor, which by both interdigital transducers 12 12 und and 14 14 gebildet ist, mittels Hoch- bzw. Tief-Pässen kann eine parallele Auswertung sowohl der dielektrischen als auch der viskosen und viskoelastischen Eigenschaften sowie der Dichte des Öls durchgeführt werden. is formed, a parallel analysis can be performed on both the dielectric and the viscous and viscoelastic properties as well as the density of the oil by means of high and low-passes.
  • [0033]
    Zum mechanischen und chemischen Schutz der Sensoroberfläche, dh der Interdigitalwandler, kann das Bauelement bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung beispielsweise mit Silizium-Karbid (SiC) beschichtet sein. For mechanical and chemical protection of the sensor surface, that is, the interdigital transducer, the device may be coated in preferred embodiments of the present invention, for example, silicon carbide (SiC). Die Beschichtung mit Silizium-Karbid kann in Dünnfilmtechnologie erfolgen und bietet einen ausgezeichneten chemischen und me chanischen Schutz. The coating of silicon carbide can be made in thin film technology and offers excellent chemical and me chanical protection.
  • [0034]
    Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung zur Erfassung von Materialparametern eines flüssigen Mediums, insbesondere von Öl, weist ferner vorzugsweise einen Temperatursensor auf. The sensor device according to the invention for the detection of material parameters of a liquid medium, in particular oil, preferably further comprises a temperature sensor.
  • [0035]
    Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun beispielsweise mittels der oben beschriebenen Sensoreinrichtung die zeitliche 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. According to the present invention, the temporal change of the material parameters of the oil is now, for example by means of the above-described sensor device detected by these parameters during a first period, in which the oil has an initial state, and during a second period, which temporally spaced from the first period is to be detected. Die Erfassung während dieser beiden Perioden kann beispielsweise bei jeweils identischer Temperatur durchgeführt werden, wobei eine identische Temperatur durch die Verwendung des Temperatursensors gewährleistet werden kann. The detection during these two periods may be performed at each of identical temperature, for example, where an identical temperature can be ensured by the use of the temperature sensor. Ferner ist es möglich, jeweils während jeder Periode die Materialparameter bei zwei unterschiedlichen Temperaturen zu erfassen, um dadurch eine Temperaturabhängigkeit derselben zu erhalten. Further, it is possible to detect, respectively, during each period the material parameters at two different temperatures, to thereby obtain a temperature dependence thereof. Die Änderung der Temperaturabhängigkeit zwischen der ersten Periode und der zweiten Periode kann dann zusätzlich verwendet werden, um Aussagen über den Alterungszustand des Öls zu treffen. The change in the temperature dependency between the first period and the second period can then be used in addition in order to make statements about the state of aging of the oil.
  • [0036]
    2 2 zeigt ein Sensorsignal-Temperatur-Diagramm eines Oberflächenwellensensors. shows a sensor signal-temperature diagram of a surface acoustic wave sensor. Dabei ist der Meßwert, dh die Amplitude der akustischen Oberflächenwelle des OFW-Sensors über dem Widerstand eines Temperaturfühlers, der ein Maß für die Temperatur ist, aufgetragen. Here, the measured value, that is, the amplitude of the surface acoustic wave of the SAW sensor via the resistance of a temperature sensor, which is a measure of the temperature applied.
  • [0037]
    In dem Diagramm sind die erhaltenen Kurven bei der Erfassung der Materialparameter eines Kraftfahrzeug-Motoröls nach einer unterschiedlichen Betriebsdauer bzw. Fahrleistung des Kraftfahrzeugs dargestellt. In the diagram, the curves obtained upon detection of the material parameters of a motor vehicle engine oil are shown for a different operating duration or running performance of the motor vehicle. Wie aus as from 2 2 zu erkennen ist, ändert sich der Meßwert des Oberflächenwellensensors ausgehend von einem Ausgangszustand, Neuöl, abhängig von der Fahrleistung, 3.500 km bzw. 23.000 km, und der Betriebsdauer, 300 Stunden bzw. 400 Stunden, stark. can be seen, the measured value of the surface acoustic wave sensor changes from an initial state, new oil, depending on the distance traveled 3,500 km and 23,000 km, and the operating time of 300 hours and 400 hours strong. Folglich ist im Diagramm für das Motoröl im Neuzustand und in verschiedenen Altersstufen desselben zu entnehmen, daß sich das Sensorsignal deutlich mit einer zunehmenden Ölalterung ändert. Consequently, it is seen in the same diagram for the engine oil in the new state and in different ages, that the sensor signal changes significantly with an increasing oil aging. Die Meßwertänderung des Signals bei einer festen Temperatur, beispielsweise 40°C oder 100°C, entspricht der Viskositätsänderung des Öls. The measured value of the signal at a fixed temperature, for example 40 ° C or 100 ° C, corresponding to the change in viscosity of the oil. Das Temperaturverhalten, dh die Steigung der Kurven, hat sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel dagegen mit zunehmendem Ölalter nur geringfügig erhöht und indiziert einen geringen Abbau der Viskositätsindex-Verbesserer, dh nur einen geringfügigen Additivabbau. The temperature behavior, ie, the slope of the curves, has however, increased only slightly in the illustrated embodiment, with increasing oil age and indicates a slight reduction in viscosity index improvers, that is only a minor additive degradation.
  • [0038]
    2 2 zeigt ein Diagramm, das die dielektrischen Eigenschaften, die beispielsweise mittels der bezugnehmend auf shows a diagram on the dielectric properties of the reference example, by means of 1 1 beschriebenen Sensoreinrichtung erfaßt wurden, für das Öl bei den unterschiedlichen Alterungszuständen des Öls, wie sie auch in Sensor means described have been detected, for the oil in the different states of aging of the oil as well as in 2 2 gezeigt sind, darstellt. are shown, representing. Die Kapazität wurde dabei mittels einer Oszillatorschaltung bei ca. 50 kHz ausgewertet. The capacity was thereby evaluated by means of an oscillator circuit at approximately 50 kHz. Bei dem in In the in 3 3 dargestellten Diagramm entspricht eine Frequenzerniedrigung einer Kapazitätserhöhung und somit einer Erhöhung von ∈, wie es für gealterte Öle die Regel ist. Diagram shown corresponds to a rate decrease an increase in capacity and thus an increase of ∈, as is the rule for aged oils.
  • [0039]
    Im folgenden wird bezugnehmend auf In the following, referring to 4 4 eine bevorzugte Ausgestaltung des Oberflächenwellensensors, wie er gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, näher erläutert. , Illustrates a preferred embodiment of the surface acoustic wave sensor, as used according to the present invention. 4 4 zeigt das Prinzipbild eines bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung verwendeten Oberflächenwellenbauelements. shows the principle diagram of a surface acoustic wave device used in preferred embodiments of the present invention.
  • [0040]
    Zunächst wird kurz eine allgemeine Beschreibung des in First, a general description of the in briefly 4 4 dargestellten Oberflächenwellenbauelements gegeben. given surface acoustic wave device shown. Auf einem piezoelektrischen Substrat On a piezoelectric substrate 110 110 , beispielsweise einem y-rotierten Quarz, sind kammförmige Elektroden , For example a y-rotated quartz, are comb-shaped electrodes 112 112 , . 114 114 , . 116 116 und and 118 118 beispielsweise in Dünnfilmtechnologie aufgebracht. for example, applied in thin-film technology. Die Elektroden electrodes 112 112 und and 114 114 bilden einen ersten Interdigitalwandler form a first interdigital transducer 120 120 , den sogenannten Sender-Interdigitalwandler (Sender-IDT), während die Elektroden , The so-called transmitter-interdigital transducer (IDT-transmitter), while the electrodes 116 116 und and 118 118 einen zweiten Interdigitalwandler a second interdigital transducer 122 122 , den sogenannten Empfänger-In terdigitalwandler (Empfänger-IDT), bilden. , The so-called receiver-in terdigitalwandler (receiving IDT), are formed. Das Substrat kann aus einem beliebigen Piezoelektrikum bestehen, das zur Anregung von Scherwellen geeignet ist. The substrate may be made of any piezoelectric suitable for exciting shear waves. Vorzugsweise wird ein y-rotierter Quarz mit einem Quarzschnitt zwischen 35° und 40° verwendet. Preferably, a y-quartz of rotated with a quartz crystal cut between 35 ° and 40 ° is used.
  • [0041]
    Durch das Anlegen einer hochfrequenten Wechselspannung an den Sender-IDT By applying a high-frequency alternating voltage to the transmitter-IDT 120 120 werden aufgrund der Piezoelektrizität des Materials des Substrats be due to the piezoelectricity of the material of the substrate 110 110 elektroakustische Wellen, die in electro-acoustic waves in 4 4 schematisch durch die mit dem Bezugszeichen schematically by the reference numeral 124 124 bezeichneten Pfeile dargestellt sind, angeregt. Arrows labeled shown, are excited. Der Abstand zwischen den Fingern der Interdigitalwandler prägt eine Wellenlänge λ ein, wobei über die materialabhängige Ausbreitungsgeschwindigkeit ν der Welle die Anregungsfrequenz f = ν/λ festgelegt wird. The distance between the fingers of the interdigital transducer impresses a wavelength λ a, and on the material-dependent propagation speed of the wave ν the excitation frequency of f = ν / λ is set.
  • [0042]
    Wie in As in 4 4 dargestellt ist, werden zur Unterdrückung der Reflexion an den Fingern vorzugsweise sogenannte Doppelfingerwandler (double-split transducer) verwendet. is shown, the reflection on the fingers preferably so-called double-type finger transducers are used (double-split transducer) for suppression. Bei diesen Wandlern sind jeweils zwei Finger einer Elektrode nebeneinander angeordnet und bilden mit zwei Fingern der anderen Elektrode des Interdigitalwandlers, die neben dem Fingerpaar der ersten Elektrode angeordnet sind, ein Fingerquartett. In these transducers, two fingers of an electrode are arranged next to one another and form with two fingers of the other electrode of the interdigital transducer disposed adjacent to the pair of fingers of the first electrode, a finger quartet. Mit dem Bezugszeichen The reference symbol 126 126 ist ein Fingerpaar der Elektrode is a pair of fingers of the electrode 116 116 bezeichnet. designated. Wie in As in 4 4 ferner gezeigt ist, ist die Breite eines Fingers mit b bezeichnet, während der Abstand zwischen zwei benachbarten Fingern mit a bezeichnet ist. is also shown, the width of a finger with b is designated, while indicated the distance between two adjacent fingers with a. Die Länge des Überlappungsbereichs der Finger zweier gegenüberliegender Elektroden ist mit c bezeichnet. The length of the overlapping area of ​​the fingers of two opposite electrodes is denoted by c. Die Wellenlänge λ entspricht, wie in The wavelength λ corresponds to, as shown in 4 4 dargestellt ist, der Länge eines Fingerquartetts, dh viermal der Breite eines Fingers plus viermal dem Abstand zwischen benachbarten Fingern. is shown, the length of a finger quartets, ie four times the width of a finger plus four times the distance between adjacent fingers.
  • [0043]
    Bei einer geeigneten Wahl des Substratmaterials und der Oberflächenorientierung läuft eine von dem Sender-IDT angeregte Welle entlang dieser Oberfläche und generiert im Empfänger-IDT eine hochfrequente Wechselspannung, die elektronisch ausgewertet werden kann. With a suitable choice of the substrate material and the surface orientation of an excited by the transmitter-IDT shaft along this surface running and generated in the receiver IDT a high-frequency alternating voltage which can be evaluated electronically. Änderungen der physikalischen Randbedingungen entlang der Bauelementoberfläche durch Flüssigkeiten oder Beschichtungen beeinflussen die Ausbreitungsgeschwindigkeit, dh die Frequenz, und die Amplitude der Wellen und können als Sensoreffekt genutzt werden. Changes in the physical boundary conditions along the component surface by coatings liquids or influence the propagation velocity, ie the frequency and the amplitude of the waves and can be used as a sensor effect.
  • [0044]
    Im folgenden wird erläutert, wie das oben beschriebene Oberflächenwellenbauelement mit einer hohen Empfindlichkeit gegenüber Flüssigkeitseigenschaften und geringen entwurfsbedingten Störeinflüssen als Flüssigkeitssensor und somit als Sensoreinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. The following explains how the surface acoustic wave device having a high sensitivity to liquid properties and low design-related disturbances described above can be used as a sensor device according to the present invention thus as a liquid sensor and.
  • [0045]
    Die relative Frequenzänderung einer Oberflächenwelle als Meßeffekt bei Oberflächenscherwellensensoren berechnet sich bei einer Belastung der Sensoroberfläche mit einer Newtonschen Flüssigkeit wie folgt: The relative change in frequency of a surface acoustic wave as measuring effect at surface shear wave sensors is calculated at a load of the sensor surface with a Newtonian fluid, as follows:
    Figure 00130001
    wobei c eine Proportionalitätskonstante ist, η die Viskosität der Newtonschen Flüssigkeit ist, ρ die Dichte der Newtonschen Flüssigkeit ist, und f die Frequenz ist. where c is a proportionality constant, η the viscosity of Newtonian liquid, ρ the density of the Newtonian liquid, and f is the frequency. Die Eindringtiefe der Welle in die Flüssigkeit ist proportional zu √ The penetration depth of the wave in the liquid is proportional to √ ν(2·η/ρ·f) ν (2 · η / ρ · f) und steigt mit sinkender Frequenz, so daß Grenzflächeneffekte bei niedrigen Frequenzen eine geringere Rolle spielen. and increases with decreasing frequency, so that interfacial effects play a less important role at low frequencies. Neben einer Vergrößerung des effektiven Meßvolumens führt daher eine niedrige Frequenz zu verbesserten Sensoreigenschaften. Therefore, besides an increase in the effective measuring volume a low frequency to improved sensor properties. Bevorzugterweise werden daher Frequenzen unter 100 MHz für Oberflächenwellen-Flüssigkeitssensoren verwendet. Preferably, therefore, frequencies are used below 100 MHz for surface wave liquid sensors.
  • [0046]
    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. In addition to the surface shear waves (OFSWs) However, for example, the so-called 'surface skimming bulk waves' can in the y-rotated quartz bulk shear waves are (SSBWs), stimulated, as mentioned above. Die Frequenzen der OFSWs und der SSBWs liegen sehr dicht beieinander. The frequencies of the OFSWs and SSBWs are very close together.
  • [0047]
    In Analogie zu einem optischen Gitter, wird durch die Anzahl der Fingerquartetts der Interdigitalwandler eine Frequenzbandbreite festgelegt. In analogy to an optical grating, a frequency bandwidth is determined by the number of finger quartets of the interdigital transducers. Bei der üblichen Herstellung dieser Sensoren mit Aluminium als Elektrodenmaterial und der Verwendung von niedrigen Frequenzen, wie sie für die Messung der Viskosität nötig sind, überschneiden sich diese Frequenzbänder der OFSW und der SSBW, wobei beide Moden gleichzeitig angeregt werden. In the conventional preparation of these sensors with aluminum as the electrode material and the use of low frequencies, such as are necessary for the measurement of viscosity, overlap these frequency bands of the SSW and the SSBW, both modes are excited simultaneously. Aufgrund des Sensoreffekts ändert sich die Geschwindigkeit und die Dämpfung der OFSW (Oberflächenscherwelle). Due to the effect sensor, the speed and the attenuation of the SSW (surface shear wave) changes. Die Geschwindigkeit und die Dämpfung der SSBWs ändert sich jedoch nicht, bzw. nur sehr gering. However, the speed and attenuation of SSBWs does not change, or only very low. Die Interferenz der unterschiedlichen Scherwellen wird daher abhängig vom Sensoreffekt und stört empfindlich die Auswertung. The interference of the different shear waves is therefore dependent on the sensor effect and disturbs the evaluation. Soll ein Oberflächenbauelement der oben beschriebenen Art als Flüssigkeitssensor verwendet werden, muß daher die gleichzeitige Anregung der Oberflächenscherwelle und der Volumenscherwellen verhindert werden. If a surface component of the type described above are used as a fluid sensor, therefore, the simultaneous excitation of the surface shear wave and the bulk shear waves must be prevented.
  • [0048]
    Um eine Interferenz der oben genannten Art zu verhindern, muß bewirkt werden, daß die OFSW und die SSBWs unterschiedliche Frequenzen aufweisen. In order to prevent interference of the type mentioned above, must be causing the OFSW and SSBWs have different frequencies. Durch die physikalischen Eigenschaften der Metallisierung der IDTs werden die Randbedingungen an der Grenzfläche des Quarzsubstrats zu der Metallisierung der Elektroden festgelegt. Due to the physical properties of the metallization of the IDTs, the boundary conditions at the interface of the quartz substrate are set to the metallization of the electrodes. Durch eine Änderung der physikalischen Eigenschaften der Metallisierung der IDTs kann somit beispielsweise die Geschwindigkeit und damit die Frequenz f der OFSW erniedrigt werden. By changing the physical properties of the metallization of the IDTs, the speed and thus the frequency f of the SSW may thus for example be lowered. Durch eine derartige Modifikation der physikalischen Eigenschaften der Metallisierung wird die Anregungsfrequenz der SSBWs nicht oder zumindest sehr viel schwächer als die Frequenz der OFSW beeinflußt. By such a modification of the physical properties of the metallization, the excitation frequency of the SSBWs is not or at least very much less than the frequency of the SSW affected. 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 werden, daß das Anregungsband der SSBWs außerhalb des Frequenzbands der OFSW liegt. The ability to tailor the bandwidth of the SSW on the number of fingers of the interdigital transducers and by increasing the frequency separation of the SSW of the SSBWs by a corresponding metallization can be achieved that the excitation band of the SSBWs lies outside the frequency band of the SSW. Somit ist eine Anregung der SSBWs verhindert und eine Interferenz zwischen der OFSW und den SSBWs tritt nicht mehr auf. Thus an excitation of the SSBWs is prevented, and interference between the OFSW and SSBWs no longer occurs.
  • [0049]
    Die relative Frequenzänderung der OFSW aufgrund des Elektrodenmaterials läßt sich näherungsweise nach folgender Formel berechnen: The relative change in frequency of the SSW due to the electrode material can be calculated approximately using the following formula:
    Figure 00150001
    wobei γ die Metallisierungsrate (= b/(a + b), Breite/(Breite + Abstand), der Elektroden) ist, ρ m die Dichte der Metallisierung ist, h die Schichthöhe der Metallisierung ist, λ die Wellenlänge ist, c 66 die Schersteifigkeit von Quarz abhängig vom Schnittwinkel des Substrats ist, ν m die Schallgeschwindigkeit der Metallisierung ist, und ν c die Geschwindigkeit der SSBW abhängig vom Schnittwinkel des Substrats ist. wherein γ the Metallisierungsrate (= b / (a + b), width / (width + distance) of the electrode) is, ρ m is the density of the metallization, h is the layer thickness of the metallisation is, is λ the wavelength c 66 shear stiffness of quartz is dependent on the cut angle of the substrate, ν m is the acoustic velocity of the metallization, and ν c is the speed of the SSBW is dependent on the cut angle of the substrate.
  • [0050]
    Die relative Bandbreite (Δf/f) N , innerhalb der die Oberflächenscherwelle angeregt werden kann, ist durch die Anzahl der Fingerquartetts N bestimmt und läßt sich berechnen zu (Δf/f) N = 2/N. The relative bandwidth (.DELTA.f / f) N, within which the surface shear wave can be excited is determined by the number of finger quartets N, and can be calculated to (.DELTA.f / f) N = 2 / N.
  • [0051]
    Damit die Interferenz zwischen der OFSW und den SSBWs verhindert werden kann, muß gelten: So that the interference can be prevented between the SSW and SSBWs must apply:
    Figure 00150002
  • [0052]
    Somit muß N > 2·(f/Δf) m sein. Thus, N> 2 * (f / .DELTA.f) m must be.
  • [0053]
    Bei dem für die Filtertechnik üblicherweise verwendeten Aluminium als Elektrodenmaterial ergibt sich wegen der geringen Masse pro Flächeneinheit ρ m ·h·γ und des geringen Unterschiedes 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 Fingerquartetts in der Größenordnung von 10 4 . In the conventionally used for the filtration industry aluminum as the electrode material, the sound velocities between aluminum (ν m) and the SSBWs results because of the small mass per unit area ρ m · h · γ, and the small difference (ν c) at a frequency of about 50 MHz and a y-rotated quartz slice of 36 ° a number of finger quartets in the order of 10. 4 Ein Filter mit einer derartigen Fingerzahl ist zur technischen Realisierung nicht geeignet. A filter with such a number of fingers is not suitable for technical implementation.
  • [0054]
    Für niedrige Frequenzen, beispielsweise unter 100 MHz, muß daher entsprechend obiger Gleichung eine Metallisierung mit hoher Masse pro Flächeneinheit und niedriger Schallgeschwindigkeit verwendet werden. For low frequencies, for example below 100 MHz, therefore, according to the above equation must be used, a metallization with a high mass per unit area, and low acoustic velocity. Geeignete Materialien für die Metallisierung der Elektroden der Interdigitalwandler sind beispielsweise Gold, Platin oder Kupfer. Suitable materials for the metallization of the electrodes of the interdigital transducer are for example gold, platinum or copper. Beispielsweise ergibt sich für Gold mit einer Schichthöhe h von 350 nm bei 65 MHz und einem y-rotierten Quarzschnitt von 36° eine Mindestanzahl von 75 Fingerquartetts. For example, results for gold with a layer thickness h of 350 nm at 65 MHz and a y-rotated quartz slice of 36 °, a minimum number of finger quartets 75.
  • [0055]
    Somit kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein Oberflächenwellen-Flüssigkeitssensor mit einer hohen Empfindlichkeit gegenüber Flüssigkeitseigenschaften und geringen Störungen durch eine Interferenz der Oberflächenscherwelle mit Volumenscherwellen realisiert werden. Thus, a surface acoustic wave liquid sensor having a high sensitivity to liquid properties and low interference can be realized by an interference of the surface shear wave to bulk shear waves according to the present invention.
  • [0056]
    Ein weiteres Problem bei der Verwendung von Oberflächenwellenbauelementen als Flüssigkeitssensoren, das mittels eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung gelöst werden kann, ist das Dreifachdurchlaufecho (TTE; TTE = Triple Transit Echo) und das elektromagnetische Übersprechen (EM). Another problem with the use of surface acoustic wave devices as liquid sensors, which can be solved by means of an advantageous embodiment of the present invention, the three-pass echo (TTE; TTE = triple transit echo) and electromagnetic crosstalk (EM).
  • [0057]
    Eine elektroakustische Welle, die in den Bereich des Empfänger-Interdigitalwandlers läuft, erzeugt an den Fingern, bzw. den Sammelschienen der Finger, über die angeschlossene elektrische 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. An electro-acoustic wave traveling in the area of ​​the receiving interdigital transducer, generated on the fingers and busbars of the fingers, via the connected electrical load impedance of a potential difference, which in turn generates a surface wave which runs back in the direction of the transmitter interdigital transducer and there also generated on the generator impedance of a shaft which runs back in the direction of the receiver. Die durch diese Effekte an dem Empfänger-Interdigitalwandler ankommende, zweimal reflektierte Welle hat die Meßstrecke dreimal durchlaufen und somit die dreifache Phasenverschiebung wie die nichtreflektierte Welle erfahren. The incoming these effects at the receiving interdigital transducer, twice reflected wave has passed through the measuring section three times, and thus experience the triple phase shift as the non-reflected wave. Dieser Effekt wird als Triple Transit Echo (TTE) bezeichnet. This effect is known as a triple transit echo (TTE). Dasselbe führt zu einer frequenzabhängigen, konstruktiven bzw. destruktiven Interferenz zwi schen direktem Meßsignal und dem zweimal reflektierten Signal. The same results in a frequency-dependent, constructive or destructive interference Zvi rule direct measurement signal and the twice reflected signal. Dadurch entsteht eine frequenzabhängige Welligkeit im Übertragungsverhalten des Oberflächenwellenbauelements, wobei die Amplitude der Welligkeit von der Übertragungsdämpfung (IL; IL = insertion loss) des Bauelements und der TTE-Unterdrückung abhängt. This results in a frequency-dependent transmission behavior of the ripple in the surface acoustic wave device, wherein the amplitude of the ripple of the transmission loss (IL; IL = Insertion loss) is dependent of the component and the TTE suppression. Bei der Auswertung des durch eine Flüssigkeit auf der Oberflächenscherwelle erzeugten Sensoreffekts tritt das TTE als Störgröße auf. In the evaluation of the sensor effect produced by a liquid on the surface of the shear wave TTE occurs as a disturbance variable. Der erzeugte Meßfehler hängt von der TTE-Unterdrückung, der Übertragungsdämpfung und der Größe des Meßeffektes ab. The measurement error generated depends on the TTE suppression of transmission loss and the size of the measuring effect.
  • [0058]
    Es ist offensichtlich, daß mit zunehmender Übertragungsdämpfung IL die TTE-Unterdrückung zunimmt. It is obvious, that with increasing insertion loss IL TTE suppression increases. Näherungsweise gilt die Beziehung: TTE[dB] = 2·IL[dB] + 12dB. Approximately the relationship: TTE [dB] = 2 * IL [dB] + 12dB. 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 möglich zu halten. It is thus advantageous for the sensors to use surface acoustic wave devices having high transmission losses from the transmitter to the receiver-IDT-IDT in order to keep the influence of the TTE as low as possible. Vorzugsweise sind Dämpfungen > 10 dB, noch vorteilhafter > 15 dB, geeignet. Preferably attenuation> 10 dB, more preferably> 15 dB, is suitable.
  • [0059]
    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 frequenzabhängigen Welligkeit als Störgröße im Meßeffekt auf. In addition to the TTE interferes at the receiving interdigital transducer and the direct electromagnetic crosstalk between the transmitter and the receiver-IDT-IDT surface acoustic wave with the signal of, and occurs as a disturbance in the measurement effect in the form of a frequency-dependent ripple. Die Amplitude dieser Welligkeit hängt vom Amplitudenverhältnis zwischen dem elektromagnetischen Übersprechen EM und der Übertragungsdämpfung IL ab. The amplitude of this ripple is dependent on the amplitude ratio between the electromagnetic EM crosstalk and insertion loss IL. Je kleiner dieses Verhältnis ist, desto geringer ist der Einfluß des Übersprechens auf das Meßergebnis. The smaller this ratio is, the less the influence of crosstalk on the measurement result. Das elektromagnetische Übersprechen hängt vom Aufbau des Oberflächenwellenbauelements ab. The electromagnetic crosstalk depends on the structure of the surface wave device. In der Praxis kann eine Dämpfung des elektromagnetischen Übersprechens EM im Bereich von 50 bis 80 dB erreicht werden. In practice, an attenuation of the electromagnetic crosstalk EM in the range of 50 to 80 dB can be achieved. Um den Einfluß des EM klein zu halten, muß also die Übertragungsdämpfung IL klein gehalten werden, dh es muß eine große Amplitude der Oberflächenwelle gewährleistet sein. In order to keep the influence of EM small, so the transmission loss IL must be kept small, ie, there must be a large amplitude of the surface wave to be ensured.
  • [0060]
    Wie aus dem vorhergehenden offensichtlich ist, existiert so mit ein Konflikt zwischen der zur Unterdrückung des TTE erforderlichen hohen Übertragungsdämpfung und der zum Minimieren des Effekts des elektromagnetischen Übersprechens erforderlichen geringen Übertragungsdämpfung. As is apparent from the foregoing, there exists with a conflict between the need to suppress the TTE high transmission loss and the time required for minimizing the effect of the electromagnetic crosstalk low transmission loss. Damit sich beide Effekte die Waage halten, muß folgende Gleichung gelten: Thus the two effects balance each other, the following equation must apply: EM[dB] = IL[dB]+TTE[dB] = 3·IL[dB] + 12dB EM [dB] = IL [dB] + TTE [dB] = 3 x IL [dB] + 12dB
  • [0061]
    Für die Übertragungsdämpfung ergibt sich somit: For the transmission loss, this results in: IL[dB] = (EM[dB] – 12dB)/3 IL [dB] = (EM [dB] - 12dB) / 3
  • [0062]
    Je nach für ein bestimmtes Oberflächenbauelement erreichbarer Unterdrückung des elektromagnetischen Übersprechens ergibt sich damit ein Bereich von 10 dB bis 30 dB, vorzugsweise von 15 dB bis 25 dB, als Übertragungsdämpfung für Oberflächenwellensensoren. Depending on the achievable for a given surface component suppression of the electromagnetic crosstalk, this results in a range of 10 dB to 30 dB, preferably 15 dB to 25 dB, as a transmission loss of surface acoustic wave sensors.
  • [0063]
    Die Übertragungsdämpfung von Oberflächenscherwellen-Bauelementen hängt vom Quarzschnitt des verwendeten Substrats, von (Δf/f) m , von der Anzahl und der Überlappungslänge c der Finger der IDTs (siehe The transmission loss of surface shear wave devices depends on the quartz crystal cut of the substrate used, of (.DELTA.f / f) m, of the number and the overlapping length c of the fingers of IDTs (see 4 4 ) und von einer elektrischen Anpassung an die Impedanz des angeschlossenen Meßgerätes ab. ) And an electrical adjustment to the impedance of the measuring instrument from. Diese Parameter müssen beim Entwurf des Oberflächenbauelements berücksichtigt werden, um eine entsprechende Übertragungsdämpfung, die den obigen Voraussetzungen genügt, zu erreichen. These parameters must be considered when designing the surface structure to achieve an appropriate transmission loss which satisfies the above conditions.
  • [0064]
    Im folgenden werden anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels exakte Parameter angegeben, die zur Realisierung eines erfindungsgemäßen Oberflächenwellen-Flüssigkeitssensors geeignet sind. In the following, exact parameters are specified with reference to a specific exemplary embodiment which are suitable for the realization of an inventive surface acoustic wave liquid sensor. Als Substrat ist ein y-rotierter Quarz mit einem Quarzschnitt von 36° verwendet. As a substrate of rotated Y-cut quartz with a crystal of 36 ° is used. Als Metallisierung für die Elektroden der Interdigitalwandler ist Gold einer Schichthöhe h von 350 nm verwendet. As metallization for the electrodes of the interdigital transducer gold layer a height h of 350 nm is used. Die Metallisierungsrate γ, dh das Verhältnis b/(b + a), ist 0,5, dh 50%. The Metallisierungsrate γ, ie the ratio b / (b + a), is 0.5, ie 50%. Bei einer Anregungsfrequenz f von 65,6 MHz ergibt sich eine Wellenlänge λ von 76 μm. At an excitation frequency f of 65.6 MHz, a wavelength λ of 76 microns results. Die Anzahl der Fingerquartetts bei einem so genannten 'double-split'-Wandler ist 90. Die Fingerüberlappung c beträgt 25 λ. The number of finger quartets at a so-called 'double-split' converter 90. The finger overlap c is 25 λ. Das derart dimensionierte Oberflächenwellenfilter weist eine Übertragungsdämpfung von 20 dB auf. The thus-sized surface acoustic wave filters has a transmission loss of 20 dB.
  • [0065]
    Die vorliegende Erfindung schafft somit Vorrichtungen und Verfahren zur Bestimmung des Alterungszustands eines flüssigen Mediums, insbesondere eines Motoröls, die die bedarfsgerechte Ermittlung von Ölwechselintervallen in vielen technischen Systemen ermöglichen, wodurch die Lebensdauer derselben erhöht und Ressourcen geschont werden können. The present invention thus provides devices and methods for determining the aging state of a fluid medium, in particular an engine oil that allow demand determination of oil change intervals in many technical systems, whereby the service life thereof increases and resources can be conserved. Durch den einfachen Aufbau einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung zur Erfassung der benötigten Materialparameter kann die vorliegende Erfindung ferner kostengünstig realisiert werden. The simple construction of a sensor device according to the invention for the detection of the required material parameters, the present invention can also be realized at low cost. Die vorliegende Erfindung kann zur quasikontinuierlichen Überwachung der Ölalterung in vielen technischen Systemen, beispielsweise in Verbrennungsmotoren, Getrieben, Hydraulikanlagen und dergleichen vorteilhaft zur bedarfsgerechten Ermittlung der Wartungszyklen verwendet werden, wodurch eine Lebensdauererhöhung und eine Ressourcenschonung erreicht werden kann. The present invention may be used for quasi continuous monitoring of the oil aging in many technical systems, for example in internal combustion engines, transmissions, hydraulic systems and the like used to advantage for the appropriate determination of the maintenance cycles, whereby an increase in service life and a conservation of resources can be achieved. 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 vorteilhaft ist, eine Mehrzahl der Parameter, wie zB der Viskosität, der Viskoelastizität, der Dichte, der Dielektrizitätszahl und der Leitfähigkeit, die alle mittels des bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung erfaßt werden können, aufzunehmen. For experts, it is evident that for certain applications, the detection of the change of a state parameter of a liquid medium may be sufficient, while it is advantageous in a variety of applications, a plurality of parameters, such as viscosity, viscoelasticity, the density, the dielectric constant and the conductivity of which can be detected by means of the preferred embodiment of the sensor device according to the invention take.

Claims (8)

  1. Sensoreinrichtung zur Erfassung von Materialparametern eines flüssigen Mediums, bestehend aus zwei Interdigitalwandlern ( Sensor means for detecting material parameters of a liquid medium consisting of two interdigital transducers ( 12 12 , . 14 14 ) zur Erzeugung einer elektroakustischen Welle von einem ( ) For generating an electroacoustic wave from a ( 12 12 ) der Interdigitalwandler zu dem anderen ( ) Of the interdigital transducer to the other ( 14 14 ) der Interdigitalwandler, wobei die zwei Interdigitalwandler ( ) Of the interdigital transducer, wherein the two interdigital transducers ( 12 12 , . 14 14 ) mit einer ersten Auswertungsschaltung zur Ermittlung der Viskosität, der Viskoelastizität und/oder der Dichte des flüssigen Mediums auf der Grundlage der ermittelten Resonanzfrequenz und/oder der Dämpfung der elektroakustischen Welle verschaltet sind, und wobei einer der Interdigitalwandler ( ) Are connected to a first evaluation circuit for determining the viscosity, viscoelasticity and / or the density of the liquid medium on the basis of the determined resonance frequency and / or the damping of the electroacoustic wave, and wherein one of the interdigital transducers ( 12 12 ) mit einer zweiten Auswertungsschaltung zur Ermittlung der Dielektrizitätszahl und/oder der Leitfähigkeit des flüssigen Mediums auf der Grundlage der komplexen elektrischen Impedanz des Interdigitalwandlers ( ) With a second evaluation circuit for determining the dielectric constant and / or conductivity of the liquid medium (on the basis of the complex electrical impedance of the interdigital transducer 12 12 ) verschaltet ist, wobei zur Ermittlung der komplexen elektrischen Impedanz mittels der zweiten Auswertungsschaltung eine von der Resonanzfrequenz der elektroakustischen Welle unterschiedliche Frequenz verwendet wird. is connected), wherein a different from the resonance frequency of the electro-acoustic-wave frequency is used to determine the complex electrical impedance by means of the second evaluation circuit.
  2. Sensoreinrichtung gemäß Anpruch 1, bei der zur Bestimmung des Alterungszustands eines flüssigen Mediums, insbesondere von Öl, ausgehend von einem Ausgangszustand desselben, zumindest ein Zustandsparameter des flüssigen Mediums während einer ersten Periode, in der das flüssige Medium den Ausgangszustand aufweist, und während zumindest einer zweiten, zeitlich nachfolgenden Periode erfaßt wird, und die ferner eine Einrichtung zum Vergleichen der zumindest einen, während der ersten Periode und der zumindest einen zweiten Periode erfaßten Zustandsparameter und eine Einrichtung zur Ermittlung des Zustands des flüssigen Mediums auf der Grundlage des Vergleichs aufweist. Sensor device according to Anpruch 1, in which the same for determining the aging state of a fluid medium, in particular oil, starting from an initial state, at least one state parameter of the liquid medium during a first period, in which the liquid medium comprising the initial state, and during at least a second temporally subsequent period is detected, and further comprising at least while having means for comparing the one of the first period and the state parameter at least a second detected period and means for determining the state of the liquid medium on the basis of the comparison.
  3. Sensoreinrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, die ferner einen Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur des flüssigen Mediums aufweist. Sensor device according to claim 1 or 2, further comprising a temperature sensor for detecting the temperature of the liquid medium.
  4. Sensoreinrichtung gemäß Anspruch 3, bei der die Erfassungseinrichtung den zumindest einen Zustandsparameter während der ersten Periode und der zumindest einen zweiten Periode bei identischer Temperatur erfaßt. Sensor device according to claim 3, wherein said detecting means at least detects the at least one state parameter during the first period and a second period at an identical temperature.
  5. Sensoreinrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der die Erfassungseinrichtung den zumindest einen Zustandsparameter während der ersten Periode und der zumindest einen zweiten Periode jeweils bei zumindest zwei unterschiedlichen Temperaturen erfaßt, wobei die Vorrichtung ferner eine Einrichtung zum Ermitteln einer Temperaturabhängigkeit, die der zumindest eine Zustandsparameter während der ersten Periode und der zumindest einen zweiten Periode besitzt, aufweist, wobei die Vergleichseinrichtung ferner die für einen Zustandsparameter ermittelten Temperaturabhängigkeiten vergleicht und die Zustandsermittlungseinrichtung den Alterungszustand des Mediums ferner auf der Grundlage des Temperaturabhängigkeitsvergleichs ermittelt. Sensor device according to one of claims 2 to 4, wherein said detecting means the at least one state parameter during the first period and the at least detects a second period in each case at at least two different temperatures, wherein the apparatus further comprises means for determining a temperature dependence of the at least one state parameters during the first period and having at least a second period, said comparison means further compares the temperature dependencies determined for a state parameters and the state determining means further determines the state of aging of the medium on the basis of the temperature dependence of the comparison.
  6. Sensoreinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die erste Auswertungsschaltung eine erste Oszillatorschaltung zur Ermittlung der Resonanzfrequenz und/oder der Dämpfung der durch den Oberflächenwellensensor erzeugten elektroakustischen Welle aufweist. Sensor device according to one of claims 1 to 5, in which the first evaluation circuit has a first oscillator circuit for determining the resonant frequency and / or the attenuation of the electro-acoustic wave generated by the surface acoustic wave sensor.
  7. Sensoreinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die zweite Auswertungsschaltung eine zweite Oszillatorschaltung zur Ermittlung der komplexen elektrischen Impedanz des Interdigitalwandlers ( Sensor device according to one of claims 1 to 6, wherein the second evaluation circuit (a second oscillator circuit for determining the complex electrical impedance of the interdigital transducer 12 12 ) aufweist. ) having.
  8. Sensoreinrichtung gemäß Anspruch 6 oder 7, bei der die erste Oszillatorschaltung eine Amplitudenregelungsvorrichtung aufweist, deren Regelsignal ein Maß für die Dämpfung der Oberflächenwelle ist, aus dem die Viskosität des flüssigen Mediums bestimmbar ist. Sensor device according to claim 6 or 7, wherein the first oscillator circuit having an amplitude control device, the control signal is a measure of the attenuation of the surface acoustic wave, from which the viscosity of the liquid medium can be determined.
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