DE19819348A1 - Ferrofluid-Sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ferrofluid-Sensor- Einrichtung, die zum Feststellen und Messen von Vibrationen, Beschleunigungen und Kippbewegungen geeignet ist.

Sensoren oder Meßwertgeber können zur Feststellung und Messung einer Vielzahl von Zuständen verwendet werden, einschließlich Vibrationen, Beschleunigungen und Kippbewegungen und dergl. Mechanische Vibrations- und Beschleunigungssensoren verwenden Pendel oder bewegliche Elemente. Elektrische Sensoren verwenden Quecksilberperlen oder Auslegerarme zur Herstellung oder Unterbrechung eines elektrischen Kontakts. In einem auf der Verwendung von Quecksilber beruhenden Sensor wird das Quecksilber in einem versiegelten Glasgefäß angeordnet. Durch die hohe Oberflächenspannung haftet das Quecksilber nicht am Glasgefäß, sondern reagiert schnell auf geringe Vibrationen. Quecksilber hat jedoch den Nachteil, ein gefährliches Material zu sein.

Eine bekannte Ferrofluid-Sensoreinrichtung besteht aus einem axial polarisierten Permanentmagnet, der in einem nichtmagnetischen Gehäuse angeordnet ist, das vollständig mit Ferrofluid gefüllt ist, wie in Fig. 1 dargestellt und im Detail im US Patent 4,667,414 offenbart ist. Das Ferrofluid 1 ist eine kolloidale Mischung von magnetischen Partikeln in einem flüssigen Träger wie z. B. Öl. Die Partikel sind mit einem Surfactant beschichtet und werden in Suspension in der Trägerflüssigkeit gehalten. Das Ferrofluid 1 ist in dem nichtmagnetischen Gehäuse 2 versiegelt, das einen (in Fig. 1 nicht dargestellten) Mechanismus aufweist, der es dem Ferrofluid gestattet, sich auszudehnen. Das Gehäuse 2 kann z. B. flexible Membranen aufnehmen. Ein Magnet 3 ist im Gehäuse frei beweglich und schwimmt im Ferrofluid, das in dem vom Magnet 3 erzeugten Magnetfeld eingeschlossen wird.

Die Bewegung des Magneten 3 kann durch das Gehäuse 2 umgebende induktive Spulen oder durch ein Hall-Element (nicht gezeigt) festgestellt und angezeigt werden. Mit einer geeigneten elektronischen Signalverarbeitung kann die Neigung oder Beschleunigung des Gehäuses 2 gemessen werden.

Solche Einrichtungen sind relativ einfach und arbeiten auf vielen Einsatzgebieten zufriedenstellend. Durch die Verwendung von Öl als Trägerflüssigkeit ist jedoch das Ferrofluid 1 im allgemeinen ziemlich zähflüssig. Die Zähflüssigkeit des Ferrofluids 1 erzeugt einen Widerstand für den Magnet 3 und reduziert damit die Antwortzeit der Einrichtung. Da die Zähflüssigkeit des Ferrofluids eine Funktion der Temperatur ist, ist die Antwortzeit zudem temperaturabhängig. Des weiteren tritt über die Zeit eine leichte Erhöhung der Masse des Magneten 3 ein als Folge einer Sedimentation von Ferrofluid-Partikeln auf der Oberfläche des Magneten. Dies beeinträchtigt die Kalibrierung der Einrichtung.

Zur Vermeidung dieser Probleme wird oft eine Einrichtung benutzt, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist und die im US Patent 5,452,520 offenbart ist. In dieser Einrichtung ist ein Magnet 3 in einem Gehäuse oder einer Röhre 2 zentriert durch zwei Ferrofluid-Ringe 1, 4, die sich an den Enden des Magneten 3 befinden und durch das Magnetfeld gehalten werden. Es besteht kein physikalischer Kontakt zwischen dem Magneten 3 und dem Gehäuse 2. Der Magnet 3 kann im Inneren des Gehäuses frei gleiten durch die Ferrofluid-Ringe, die als reibungslose Lager wirken. Die Ferrofluid-Ringe bilden auch Niedrigdruck- Versieglungen zwischen dem Magneten 3 und den Wänden des Gehäuses 2. An den Enden des Gehäuses 2 befinden sich kleine Öffnungen 5, 6, durch die ein mit der Bewegung des Magneten 3 entstehender Luftdruck abgebaut werden kann.

Diese bekannte Einrichtung weist zwar nicht die oben genannten Probleme der Antwortzeit und der Kalibrierung auf. Bei der Bewegung des Magneten 3 hinterläßt dieser jedoch eine dünne Schicht von Ferrofluid, das aufgrund der Oberflächenspannung an der Wandung des Gehäuses 2 haften bleibt. Hierdurch wird das Ferrofluid in den Ringen 1, 4 allmählich entleert, und die von den Ferrofluid-Ringen erzeugte Kraft, die ein freies Schweben des Magneten 3 bewirkt, verringert sich. Wenn das Gehäuse 2 relativ lang ist, so daß auch die Auslenkung des Magneten 3 lang ist, oder wenn der Magnet 3 schnelle Bewegungen aus führt, kann während der Bewegung des Magneten 3 im Gehäuse eine bedeutender Menge des Ferrofluid aus den Ferrofluid-Ringen 1, 4 verloren gehen, wodurch eine schnelle Entleerung der Ferrofluid-Ringe eintritt. Sind die Ringe ausreichend entleert, kann der Magnet nicht länger frei schweben, was zu einer fehlerhaften Funktion der Einrichtung führt. Zudem kann über die Zeit Ferrofluid durch die Lüftungsöffnungen 5, 6 verloren gehen, wodurch sich insgesamt eine kurze Lebensdauer der Einrichtung ergibt. Es besteht daher die Forderung, einerseits die Antwortzeit von Einrichtungen dieser Art zu reduzieren und andererseits ihre Lebensdauer zu Verlängern.

Zur Lösung dieser Probleme existiert bereits ein älterer Vorschlag der Anmelderin (US Patentanmeldung mit Titel "Ferrofluid-Sensor", angemeldet am 11.02.1997, Ser. Nr. 08/799,121, und europäische Patentanmeldung 98 101 263.6), wonach eine Ferrofluid-Sensor-Einrichtung einen Permanentmagnet aufweist, der in einem hermetisch versiegelten Gehäuse durch Ferrofluid-Ringe an seinen Enden getragen wird. Das Gehäuse ist mit einer nichtmagnetischen Flüssigkeit gefüllt, die mit dem Ferrofluid nicht vermischbar ist und die Wandungen des Gehäuses benetzt, so daß das Ferrofluid auf einem dünnen Film der nichtmagnetischen Flüssigkeit gleitet.

Die vorliegende Erfindung stellt eine Weiterentwicklung dieses Vorschlags dar. Die Merkmale der Erfindung sind in den Ansprüchen gekennzeichnet.

Die erfindungsgemäße Anordnung weist ein versiegeltes Gehäuse auf, das ein bewegliches Ferrofluid enthält, welches von den Innenwänden des Gehäuses durch ein Isolationsmaterial getrennt ist. Das Isoliermaterial bildet eine Schicht zwischen dem Induktivitätskern-Material und den Wänden des Gehäuses und verhindert einen Kontakt zwischen beiden. Ein Detektor dient zum Feststellen der Position des Ferrofluid in dem Gehäuse.

Da das Gehäuse versiegelt ist, entstehen keine Verdampfungsverluste des Ferrofluids. Bei der Bewegung des Magneten entsteht auch kein Restfilm von Ferrofluid auf der Oberfläche des Gehäuses, da sich das Ferrofluid auf einer dünnen Schicht aus Isoliermaterial bewegt und nicht mit den Gehäusewandungen in Berührung kommt.

Nachfolgend sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bekannten ferrofluidischen Sensoreinrichtung, die vollständig mit Ferrofluid gefüllt ist zur Aufnahme eines Sensormagneten;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer anderen bekannten ferrofluidischen Sensoreinrichtung, die
Ferrofluid-Ringe verwendet, um den Sensormagneten im Schwebezustand zu halten;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Ferrofluid- Sensoreinrichtung, die Ferrofluid-Ringe verwendet, um den Sensormagneten in einem mit einer Flüssigkeit geringer Viskosität gefüllten Gehäuse im Schwebezustand zu halten;

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Ferrofluid- Sensoreinrichtung nach Fig. 3 mit induktiven Spulen;

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Ferrofluid- Sensoreinrichtung nach Fig. 3 mit Hall-Effekt- Einrichtungen;

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Ferrofluid- Sensoreinrichtung, die ein Ferrofluid, das als alleiniges Induktivitätskern-Material wirkt, und eine einzelne Induktivitätsspule aufweist;

Fig. 7A eine schematische Darstellung einer Ferrofluid- Sensoreinrichtung, die ein Ferrofluid, das als alleiniges Induktivitätskern-Material wirkt, und zwei Induktivitätsspulen aufweist; und

Fig. 7B eine schematische Darstellung einer Ferrofluid- Sensoreinrichtung nach Fig. 7B in einer geneigten Anordnung.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, umschließt ein hermetisch versiegeltes Gehäuse 2 ein bewegliches Induktivitätskern- Material 3 und ein Isoliermaterial 7. Der bewegliche Induktivitätskern 3 kann ein axial polarisierter Permanentmagnet sein. Das Isoliermaterial 7 ist eine nichtmagnetische Flüssigkeit. Der Magnet 3 wird im Gehäuse 2 durch Ferrofluid-Ringe 1 und 4 an den Enden des Magneten und durch die Schwebekraft getragen, die durch das Ferrofluid erzeugt wird. Die Ringe 1, 4 werden an ihrem Ort am Ende des Magneten 3 durch das Magnetfeld gehalten, das vom Magneten 3 erzeugt wird. Das Gehäuse ist jedoch groß genug, um zu verhindern, daß die Ferrrofluid-Ringe 1, 4 die Enden des Magneten gegenüber den Wänden des Gehäuses 2 versiegeln, das aus einem nichtmagnetischen Material wie Glas oder Plastik besteht. Wenn sich daher der Magnet 3 bewegt, kann sich auch die Flüssigkeit 7 frei um den Magneten 3 bewegen.

Das Gehäuse 2 ist mit der nichtmagnetischen Flüssigkeit 7 gefüllt, die mit dem Ferrofluid in den Ringen 1 und 4 nicht vermischbar ist. Es findet weder eine Vermischung der Ferrofluid-Trägerflüssigkeit mit dem Ferrofluid in den Ringen 1 und 4, noch eine chemische Reaktion zwischen beiden statt. Die kolloidale Stabilität und die physikalischen Eigenschaften des Ferrofluids bleiben daher unverändert, wenn es sich in Kontakt mit der Flüssigkeit 7 befindet. Die nichtmagnetische Flüssigkeit 7 benetzt vorzugsweise die Innenwände des Gehäuses 2, so daß das Ferrofluid in den Ringen 1 und 4, das sonst an den trockenen Wänden der Gehäuses haften würde, frei auf der dünnen Schicht (Film) der nichtmagnetischen Flüssigkeit gleiten kann. Die dünne Schicht aus nichtmagnetischer Flüssigkeit 7 kann im Minimum eine Dicke von einem Molekül der Flüssigkeit haben. Alternativ könnte ein anderer nichtbenetzender Film verwendet werden, wie z. B. ein Film aus TEFLON (R) oder einer anderen geeigneten Beschichtung.

Viele Arten von nichtmagnetischen Flüssigkeiten können als Flüssigkeit 7 Verwendung finden. Wasser ist die bevorzugte Flüssigkeit. Wegen der hohen Gefriertemperatur von Wasser (0 Grad C) wird eine Mischung von Wasser mit Propanol (Isopropylalkohol), das eine Gefriertemperatur von etwa -89,5 Grad C aufweist, oder einem anderen geeigneten Alkohol vorgezogen. Der Temperaturbereich der Sensoreinrichtung kann auf diese Weise in Richtung niedriger Temperaturen ausgeweitet werden. Wasser ist unvermischbar mit einer typischen auf Ölbasis hergestellten Ferrofluid-Trägerflüssigkeit. Solch ein Ferrofluid kann auf einem Fluorkohlenstoff mit niedrigem Molekulargewicht basieren, der als Perfluorpolyether bekannt ist.

Da das Gehäuse 2 versiegelt ist, erfolgen keine Verdampfungsverluste des Ferrofluid-Trägers. Des weiteren bleibt bei einer Bewegung des Magneten 3 kein Restfilm von Ferrofluid von den Ferrofluid-Ringen 1 und 4 auf der Oberfläche des Gehäuses 2 zurück. Der Magnet 3 wird durch die zwei Ferrofluid-Ringe 1 und 4 permanent im Schwebezustand gehalten ohne daß mit der Zeit eine Verschlechterung dieses Zustandes eintritt.

Die Fig. 4 zeigt eine Anordnung zum Abfühlen der Position des Sensormagneten 3. Die Ferrofluid-Sensor-Einrichtung von Fig. 4 ist so aufgebaut wie die Einrichtung von Fig. 3 und enthält einen Permanentmagnet 3, der in einem hermetisch versiegelten Gehäuse 2 durch zwei Ferrofluid-Ringe 1 und 4 an seinen beiden Enden getragen wird. Das Gehäuse 2 ist mit einer nichtmagnetischen Flüssigkeit 7 gefüllt, die mit dem Ferrofluid in den Ringen 1 und 4 nicht vermischbar ist. Um das Gehäuse 2 ist eine induktive Spule 8 angeordnet, die die Position des Sensormagneten 3 abfühlt.

Die Position des Magneten 3 in der Einrichtung von Fig. 4 beeinflußt die Induktivität der Spule 8, wodurch ein elektrisches Signal erzeugt wird, das von der Position des Magneten 3 abhängt. Herkömmliche elektronische Verarbeitung dieses Signals liefert Information über den Vibrationspegel oder die Neigung des Gehäuses 2.

Die Fig. 5 zeigt eine Einrichtung, in der die Position des Sensormagneten 3 durch Hall-Effekt-Elemente 9 und 10 abgetastet wird. Diese Elemente arbeiten in herkömmlicher Weise, um Änderungen in dem Magnetfeld festzustellen, das durch den Magnet 3 erzeugt wird, und sie bestimmen damit dessen Position.

Eine Einrichtung der beschriebenen Art wurde hergestellt und getestet unter Verwendung von einem Glasrohr als Gehäuse 2 mit einer Länge von 40 mm, einem Außendurchmesser von 8 mm und einem Innendurchmesser von 6 mm. Das Gehäuse 2 wurde an einem Ende verschlossen. Die nichtmagnetische Flüssigkeit 7 war eine Mischung mit 50/50 Volumenanteilen von entionisiertem Wasser und Propanol. Der Magnet 3 bestand aus einem axial polarisiertem zylindrischen Alnico 5 Magnet mit einer Länge von 11 mm und einem Durchmesser von 2,5 mm. Das Ferrofluid in den Ringen 1 und 4 bestand aus einem auf Fluorkohlenstoff basierten Ferrofluid mit einer Magnetisierung von 325 Gauß und einer Viskosität von weniger als 5 cP bei 27°C.

Das Gehäuse 2 wurde zunächst mit der 50/50 Wasser/Propanol Mischung zweimal gespült und danach mit der 50/50 Wasser/Propanol Mischung 7 gefüllt. Der Magnet 3 wurde mit der Mischung gereinigt. Der Magnet 3 wurde mit Heptan und Propanol gereinigt, um Unreinheiten zu entfernen, und danach im Inneren des Gehäuses 2 angeordnet. Etwa 25 Mikroliter Ferrofluid wurde an jedem Pol des Magneten mittels eines Mikrospenders hinzugefügt. Daraufhin wurde das offene Ende der Röhre 2 mit einem Stopfen versiegelt. Es wurde jedoch eine kleine Luftblase in Inneren der Röhre 2 belassen, um eine Ausdehnung der Mischung 7 zu ermöglichen.

Die beschriebene Einrichtung wurde über einen Zeitraum von sechs Monaten getestet, um zu bestimmen, ob die kolloidale Stabilität des Ferrofluid durch die Flüssigkeit 7 beeinträchtigt wird. Die Einrichtung stand auch unter Beobachtung, um zu bestimmen, ob zwischen dem Ferrofluid und der Flüssigkeit 7 über die Zeit eine Vermischung eintritt. Des weiteren wurden Prüfungen durchgeführt, um zu bestimmen, ob die Bewegung des Magneten einen dünnen Film von Ferrofluid auf der Wandung der Röhre beläßt. Der Test ergab, daß keines der Probleme in der getesteten Einrichtung aufgetreten ist. Der Magnet wies am Ende der Testperiode die gleiche Ansprechempfindlichkeit für Vibrationen auf wie am Anfang der Testperiode.

Die beschriebene Einrichtung wurde auch als Ersatz eines mit Quecksilber arbeitenden Vibrationssensors getestet, und es wurde festgestellt, daß die Einrichtung ein geeigneter Ersatz für einen solchen Sensor ist. Der Magnet in der Einrichtung weist eine hohe Leitfähigkeit auf ähnlich der hohen Leitfähigkeit von Quecksilber, und der Schwebezustand des Magneten auf den Ferrofluid-Ringen in Anwesenheit der unvermischbaren Flüssigkeit niedriger Viskosität ergibt eine Beweglichkeit des Magneten ähnlich der reibungsarmen Bewegung des Quecksilberpfropfens.

Die Fig. 6, 7A und 7B zeigen eine andere Ausführungsform der Erfindung, worin das Induktivitätskern- Material ein Ferrofluid ist. Diese Ausführungsform weist keinen Magnet auf. Der Sensor enthält ein Ferrofluid 3, das vorzugsweise ein Volumen von etwa der Hälfte von dem des Gehäuses 2 besitzt. Während der Herstellung wird die Innenwandung des Gehäuses 2 mit einer dünnen Schicht von Isoliermaterial 7 beschichtet, bevor das Ferrofluid 3 hinzugefügt wird. Danach wird das Ferrofluid 3 in das Gehäuse 2 gefüllt, wobei das Ferrofluid von den Innenwänden des Gehäuses 2 isoliert bleibt. Da das Ferrofluid 3 unvermischbar mit dem Isoliermaterial 7 ist und schwerer (weil dichter) als dieses ist, sinkt es im wesentlichen auf den Boden des Gehäuses 2 ab. Dennoch kommt das Ferrofluid 3 nicht in Kontakt mit den Innenwänden des Gehäuses 2, weil es die Schicht Isoliermaterial 7 auf den Innenwänden nicht durchdringen kann. Zur Erreichung einer hohen Wirksamkeit sollte die Schicht eine Dicke von wenigstens einem Molekül des Isoliermaterials 7 aufweisen. Dementsprechend sollte bei einer Bewegung des Ferrofluid 3 in dem Gehäuse 2 kein Restfilm von Ferrofluid 3 auf der Innenwand des Gehäuses 2 zurückbleiben.

Die Fig. 6 zeigt eine erste Einrichtung dieser alternativen Ausführungsform. Bei dieser Einrichtung enthält das Gehäuse 2 das Ferrofluid 3, das Isoliermaterial 7 und eine kleine Luftblase 10, die eine Expansion des Ferrofluids 3 und des Isoliermaterials 7 gestattet. Die Einrichtung umfaßt ferner eine einzelne Detektorspule 8 zur Anzeige einer Bewegung des Ferrofluids 3 im Gehäuse 2. Die Fig. 7A und 7B zeigen eine weitere Sensoreinrichtung der alternativen Ausführungsform. Bei dieser Einrichtung umfaßt der Detektor zwei Spulen 12 und ist damit besonders geeignet zur Anzeige von Kippbewegungen. Die Induktivität der Spulen 8 und 12 ändert sich, wenn sich das Ferrofluid 3 im Gehäuse 2 der Sensoreinrichtungen der Fig. 6, 7A und 7B bewegt. Die Änderung kann durch herkömmliche elektronische Abfühleinrichtungen angezeigt werden.

Während die Erfindung mit Bezug auf verschiedene bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, können Abwandlungen und andere Ausführungsformen von einem Fachmann realisiert werden, ohne daß dabei der Rahmen der Erfindung, wie er durch die Ansprüche definiert ist, verlassen wird.

Claims (14)

1. Eine Ferrofluid-Sensor-Einrichtung, gekennzeichnet durch:
ein geschlossenes Gehäuse (2), das Innenwände aufweist,
eine Beschichtung aus Isoliermaterial auf den Innenwänden,
ein in dem Gehäuse enthaltenes bewegliches Ferrofluid (3), das durch die Beschichtung aus Isoliermaterial von den Innenwänden des Gehäuses getrennt ist, und
einen Detektor (8) zum Feststellen einer Position des Ferrofluids in dem Gehäuse.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliermaterial (7) mit dem Ferrofluid (3) nicht mischbar ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliermaterial (7) eine Schicht auf den Innenwänden bildet, deren minimale Dicke der Dicke eines einzelnen Moleküls des Isoliermaterials entspricht.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ferrofluid (3) eine Dichte aufweist, und magnetische Partikel enthält, die in einer Trägerflüssigkeit schwimmen, und worin das Isoliermaterial (7) eine Dichte aufweist, die geringer ist als die Dichte der Trägerflüssigkeit.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (8) wenigstens eine Spule enthält, die das Gehäuse umgibt.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliermaterial (7) eine nichtmagnetische Flüssigkeit ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) hermetisch versiegelt ist.

9. Die Ferrofluid-Sensor-Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
ein Gehäuse (2), das Innenwände aufweist,
eine Beschichtung aus Isoliermaterial (7) auf den Innenwänden des Gehäuses,
ein in dem Gehäuse enthaltenes bewegliches Induktivitätskern-Material (3), das durch die Beschichtung aus Isoliermaterial von den Innenwänden des Gehäuses getrennt ist, und
einen Detektor (8, 9, 10) zum Feststellen der Position des Induktivitätskern-Materials in dem Gehäuse.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das induktivitätskern-Material (3) ein Ferrofluid enthält.

11. Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das induktivitätskern-Material (3) einen Permanentmagneten und einen Ferrofluid-Ring (1, 4) umfaßt und daß der Permanentmagnet einen Magnetpol aufweist, an dem der Ferrofluid-Ring angeordnet ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.

13. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Isoliermaterial-Schicht (7) eine minimale Dicke aufweist, die der Dicke eines einzelnen Moleküls des Isoliermaterials entspricht.

14. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliermaterial (7) mit dem Induktivitätskern-Material (3) nicht mischbar ist.