DE19958769A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Auswertung einer Sensoreinrichtung - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Auswertung einer Sensoreinrichtung, wobei die Sensoreinrichtung einen elektrischen Resonator in einem mit einer äußeren Anregungsspannung angeregten Schwingkreis bildet. Es erfolgt ein Erfassen des Stromes im Schwingkreis im Bereich der Resonanzfrequenz und dann ein Multiplizieren des erfaßten Stromes mit der äußeren Anregungsspannung. Schließlich erfolgt ein Bilden des Mittelwerts des aus der Multiplikation herrührenden Signals.

Description

STAND DER TECHNIK

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Auswertung einer Sensoreinrichtung, wobei die Sensoreinrichtung einen elektrischen Resonator in einem mit einer äußeren Anregungsspannung angeregten Schwingkreis bildet.

Obwohl auf beliebige Sensoreinrichtungen anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrundeliegende Problematik in bezug auf eine Viskositätssensoreinrichtung erläutert.

Zur Viskositätsmessung werden seit geraumer Zeit piezo­ elektrische Dickenscherschwinger, welche beispielsweise aus Quarz hergestellt sind, verwendet. Siehe dazu beispielswei­ se S. J. Martin et. al., Sens. Act. A 44 (1994) Seiten 209-­ 218. Wird ein solcher Dickenscherschwinger in eine visko­ se Flüssigkeit getaucht, so ändern sich seine Resonanzfre­ quenz der Eigenschwingung und deren Dämpfung in Abhängig­ keit von der Viskosität und der Dichte der viskosen Flüs­ sigkeit.

Fig. 4 zeigt ein Ersatzschaltbild eines bekannten Viskosi­ tätssensors mit einem Quarzresonator. In Fig. 4 bezeichnet R allgemein den Viskositätssensor bzw. "Resonator". Im elektrischen Ersatzschaltbild bezeichnet TA den trockenen Anteil und FA den Flüssigkeitsanteil. Im trockenen Anteil TA liegt eine Reihenschaltung einer Kapazität C₁, einer In­ duktivität L₁ und eines Widerstandes R₁ vor. Im Flüssig­ keitsanteil liegt eine Reihenschaltung einer Induktivität L2 und eines Widerstandes R₂ vor. Überbrückt werden der trockene Anteil TA und der Flüssigkeitsanteil FA durch eine weitere Kapazität C₀.

Im Flüssigkeitsanteil FA ist der Widerstand R₂ proportional zu √ηρ, wobei η die dynamische Viskosität und ρ die Dichte der viskosen Flüssigkeit ist. R₂ repräsentiert die viskose Dämpfung durch die Flüssigkeit. L₂ bewirkt die Frequenzver­ schiebung durch die viskose Flüssigkeit, welche ebenfalls proportional zu √ηρ ist. Bei rauhen Resonatoroberflächen enthält L₂ auch Anteile, die durch "gefangene" Flüssig­ keitsanteile in der rauhen Resonatoroberfläche entstehen. Bei bekannter oder hinreichend konstanter Dichte ρ kann der Quarzresonator daher zur Bestimmung der Viskosität η ver­ wendet werden.

Gemäß der oben erwähnten Veröffentlichung von S. J. Martin et. al. können diese veränderbaren elektrischen Parameter R₂ und L₂ durch Verwendung des Resonators R als frequenzbe­ stimmendes Element in einem Oszillator erfasst werden.

Alternativ dazu kann das Impedanzspektrum in der Umgebung der Resonanzfrequenz ermittelt werden. Siehe dazu Lec et. al., Proc. IEEE Ultrasonics Symp. (1997) Seiten 419-422.

Fig. 5 ist eine solche bekannte Auswerteschaltung für den bekannten Viskositätssensor nach Fig. 4.

Ein spannungsgesteuerter Oszillator VCO wird dazu verwen­ det, der den in die Flüssigkeit getauchten Resonator R speist, wobei die Flüssigkeit in diesem Fall Öl ist. Das Ausgangssignal des Resonators R wird mit einem Referenzsig­ nal REF in einem Multiplizierer bzw. Multiplizierer M ge­ mischt.

Der Gleichstromanteil des resultierenden Signals wird schließlich über einen Tiefpassfilter TP ermittelt. Der Verlauf dieses Ausgangssignals über der Frequenz des span­ nungsgesteuerten Oszillators VCO wird schließlich zur Be­ wertung der Ölviskosität herangezogen.

Diese Bewertung geschieht in einem Rechner 100, der eben­ falls die Steuerung des spannungsgesteuerteri Oszillators VCO übernimmt.

Als nachteilhaft bei den obigen bekannten Ansätzen hat sich die Tatsache herausgestellt, dass der Widerstand R₂ bei der Charakterisierung hochviskoser Flüssigkeiten stark an­ steigt, so dass die Impedanz des Resonators auch in der Um­ gebung der Serienresonazfrequenz im wesentlichen durch die Kapazität C₀ und durch die parallel dazu liegende Streuka­ pazität C_s bestimmt wird. Dies erschwert die Bestimmung der relevanten Ersatzparameter mittels eines Oszillators oder der Impedanzspektroskopie. Eine mögliche Abhilfe ist die Parallelschaltung einer Induktivität zur Kompensation von C₀ und C_s in der Umgebung der Serienresonanzfrequenz des Resonators. Nachteil dabei ist der erforderliche Abgleich und die Tatsache, dass die Streukapazität C_s unter Umstän­ den variiert.

Die Methode gemäß der obigen Veröffentlichung von Lec et. al. erlaubt abhängig von der Beschaffenheit des Referenzwe­ ges eine zumindest teilweise Kompensation der Einflüsse von C₀ und C_s, liefert allerdings kein der Viskosität entspre­ chendes Ausgangssignal, sondern dient lediglich zur Ermitt­ lung eines durch die Viskosität bestimmten, charakteristi­ schen Frequenzganges.

VORTEILE DER ERFINDUNG

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des An­ spruchs 1 bzw. die entsprechende Vorrichtung nach Anspruch 6 weisen gegenüber dem bekannten Lösungsansatz den Vorteil auf, daß die entsprechenden Schaltungen auch zur Messung hochviskoser Flüssigkeiten geeignet sind. Das Sensoraus­ gangssignal ist eine einfach weiterzuverarbeitende Gleich­ spannung, welche ein Maß für die Viskosität der Flüssigkeit ist.

Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee ist, dass der störende Einfluss der statischen Resonatorkapazi­ tät C₀ und der Streukapazitäten C_s eliminiert wird, indem die Amplitude des resistiven in Phase verlaufenden Anteils des Resonatorstroms bei der Serienresonanzfrequenz ermit­ telt wird.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbil­ dungen und Verbesserungen des erfindungsgemäßen Gegenstan­ des.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird der Strom durch einen nach Masse geschalteten Meßwiderstand erfaßt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die Amplitude des resistiven Anteils des Resonatorstroms durch Multiplikation eines dem Resonatorstrom entsprechenden Sig­ nals mit der äußeren Anregungsspannung und anschließender Filterung zur Mittelwertbildung ermittelt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die äu­ ßere Anregungsspannung gewobbelt, und der Spitzenwert des dem Mittelwert entsprechenden Signals wird mit einer Zeit­ konstante festgehalten, welche größer als die Periodendauer der Wobbelfrequenz ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die äu­ ßere Anregungsspannung frequenzmoduliert (z. B. mit einem kleinen Rechtecksignal). Damit werden Amplitudenschwankun­ gen des dem Mittelwert entsprechenden Signals bewirkt. Das dem Mittelwert entsprechende Signal wird zusammen mit dem Modulationssignal zur Regelung der Anregungsmittenfrequenz auf die Resonanzfrequenz verwendet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Sen­ soreinrichtung ein Viskositätssensor und weist eine Be­ stimmungseinrichtung zum Bestimmen viskoelastischer Effekte basierend auf dem Ausgangssignal des ersten Tiefpasses und dem Ausgangssignal der Regeleinrichtung auf.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist mindes­ tens eine der Multiplikationseinrichtungen schaltungstech­ nisch durch einen geschalteten Invertierer realisiert.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Erfassungseinrichtung zum Erfassen des Stromes im Schwing­ kreis einen Transimpedanzverstärker auf.

ZEICHNUNGEN

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

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Auswertevorrichtung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Auswertevorrichtung;

Fig. 3 eine Darstellung der Ausgangsspannung des ersten Tiefpasses in Abhängigkeit von der VCO-Frequenz bei der zweiten Ausführungsform der erfindungsge­ mäßen Auswertevorrichtung gemäß Fig. 2;

Fig. 4 ein Ersatzschaltbild eines bekannten Viskositäts­ sensors; und

Fig. 5 eine bekannte Auswerteschaltung für den bekannten Viskositätssensor nach Fig. 4.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche o­ der funktionsgleiche Bestandteile.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungs­ form der erfindungsgemäßen Auswertevorrichtung.

In Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen W eine Wobbel-Einrich­ tung zum Wobbeln der äußeren Versorgungsspannung. VCO ist dabei ein spannungsgesteuerter Oszillator, welcher von ei­ nem Sägezahngenerator SZ gesteuert wird. R bezeichnet all­ gemein den Resonator, C_s ist eine Streukapazität, und R_m ist ein auf Masse geschalteter Erfassungswiderstand. M ist ein Multiplizierer, der das Ausgangssignal des Erfassungs­ widerstandes R_m und das Ausgangssignal der Wobbel-Einrich­ tung W miteinander mischt. TP ist ein Tiefpass, welcher das Ausgangssignal des Multiplizierers M empfängt, und SWD ist ein Spitzenwertdetektor, der das Ausgangssignal des Tiefen­ passes TP empfängt und letztlich das der Viskosität ent­ sprechende Ausgangssignal AUS liefert.

Insbesondere wird der Resonatorstrom durch den Messwider­ stand R_m bestimmt und mit der angelegten Resonatorspannung multipliziert. Der Mittelwert des resultierenden Signals ist der Amplitude der in Phase verlaufenden Komponente des Resonatorstroms proportional und kann durch Filterung mit einem Tiefpass ermittelt werden. Auf diese Art und Weise wird der Einfluss durch C₀ und C_s bestimmten Blindstromkom­ ponente eliminiert.

Die genaue Funktion der dermaßen aufgebauten Schaltung zur Bestimmung der Viskosität ist folgende. Der Resonator R wird durch die Wobbel-Einrichtung W gespeist. Beim Wobbeln bzw. Durchstimmen der Frequenz ergibt sich an der Serienre­ sonanzfrequenz des Resonators R ein Maximum im Ausgangssig­ nal des Tiefpasses TP, welches zut Bestimmung des durch die Viskosität bestimmten Widerstandes R₂ (vgl. Fig. 4) verwen­ det werden kann. Dieses Maximum am Ausgang des Tiefpasses TP wird mit dem Spitzenwertdetektor SWD erfasst und als Ausgangssignal AUS zur Bestimmung der Viskosität verwendet.

Die Gedächtnis-Zeitkonstante des Spitzenwertdetektors SWD ist dabei größer als die Periodendauer der Wobbel-Frequenz der Wobbel-Einrichtung W.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungs­ form der erfindungsgemäßen Auswertevorrichtung.

In Fig. 2 bezeichnen zusätzlich zu den bereits eingeführten Bezugszeichen M1 einen ersten Multiplizierer, TP1 einen ersten Tiefpass, U_TP1 das Ausgangssignal des ersten Tief­ passes TP1, M2 einen zweiten Multiplizierer, TP2 einen zweiten Tiefpass, I einen Integrator, U_VCO das Ausgangs­ signal des Integrators I, ADD einen Addierer, RE eine Rechteckssignal-Erzeugungseinrichtung zum Erzeugen einer Modulationsspannung U_R und A1 bzw. A2 ein jeweiliges ers­ tes und zweites Ausgangssignal.

Bei dieser zweiten Ausführungsform lässt sich der span­ nungsgesteuerte Oszillator VCO alternativ zur Wobbelmethode gemäß der ersten Ausführungsform durch einen Regelkreis auf die Resonanzfrequenz des Resonators R abstimmen. Bei der Serienresonanz zeigt das Signal U_TP1 am Ausgang des ersten Tiefpasses TP1 ein Maximum und kann deshalb nicht direkt als Eingangsgröße eines linearen Reglers verwendet werden.

Daher wird bei dieser Ausführungsform, die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators VCO periodisch um eine Mittenfrequenz f_c variiert, d. h. frequenzmoduliert. Dies ist in Fig. 3 illustriert, die eine Darstellung der Aus­ gangsspannung des ersten Tiefpasses in Abhängigkeit von der VCO-Frequenz bei der zweiten Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Auswertevorrichtung gemäß Fig. 2 ist.

Im betrachteten Fall geschieht dies durch eine Überlagerung der Steuerspannung U_VCO des spannungsgesteuerten Oszilla­ tors VCO mit einem kleinen Rechtecksignal der Amplitude U_R. Die Momentanfrequenz des spannungsgesteuerten Oszilla­ tors springt dann periodisch zwischen den Werten f_c + df und f_c - df hin und her, wobei f_c = k.U_VCO und df = k.U_R, wobei k die Konstante des spannungsgesteuerten Os­ zillators VCO ist.

Am Ausgang des ersten Tiefpasses TP1 ergibt sich demnach eine Gleichspannung, der eine Rechteckspannung überlagert ist, also das Signal U_TP1. Letztere ist, je nachdem ob f_c unterhalb oder oberhalb der Serienresonanzfrequenz f_res liegt, in Phase bzw. 180° außer Phase mit der modulierten Rechteckspannung, wie rechts oben in Fig. 3 dargestellt.

Für f_c = f_res verschwindet die überlagerte Rechteckspan­ nung. Streng genommen gilt das zwar nur bei einem symmetri­ schen Frequenzgang um die Resonanzfrequenz, doch falls U_R klein genug gewählt wurde, gilt dies jedenfalls in guter Nährung.

Eine Multiplikation des Ausgangssignals U_TP1 des ersten Tiefpasses TP1 mit dem Modulationssignal U_R und eine Er­ mittlung des Gleichanteils durch den zweiten Tiefpass TP2, dessen Grenzfrequenz wesentlich kleiner als die Frequenz des Rechtecksignals (Modulationssignals) ist, ergibt dem­ nach eine positive Spannung, falls die Frequenz f_c < f_res, und eine negative Spannung, falls die Frequenz f_c < f_res ist.

Durch die Verwendung des Integrators I im Regler kann dem­ nach eine Regelspannung U_VCO für den spannungsgesteuerten Oszillator VCO gewonnen werden, welche f_c = f_res ein­ stellt. Im eingeregelten Zustand können sowohl das Aus­ gangssignal A1, also U_TP1, als auch das Ausgangssignal A2, also U_VCO, als ein der Viskosität entsprechendes analoges Ausgangssignal verwendet werden.

Die Ausgangssignale A1 und A2 entsprechen dabei der Dämp­ fung bzw. der Resonanzfrequenz des Resonators. Beide Größen repräsentieren die Viskosität der gemessenen Flüssigkeit. Die gleichzeitige Beobachtung dieser Größen erlaubt zudem auch die Erkennung von viskoelastischem (also nicht rein viskosem) Flüssigkeitsverhalten, da sich in diesem Fall die Relation der beiden Größen verglichen mit dem rein viskosen Fall verändert.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Multipli­ zierer schaltungstechnisch durch einen geschalteten Inver­ tierer realisiert werden. Für die Funktionalität der Schal­ tung ist nämlich die Auswertung der Phasenverhältnisse we­ sentlich. Bei allen verwendeten Multiplizierern M, M1, M2 weist eine der beiden Eingangsgrößen eine konstante Ampli­ tude auf (Anregungsspannung bei M und M1, Rechteckspannung bei M2).

Genauer gesagt wird die eine erste Eingangsgröße, nämlich die Anregungsspannung bei M und M1 bzw. die Rechteckspan­ nung bei M2 dazu verwendet, einen Schalter zu steuern. Die zweite. Eingangsgröße wird je nach Stellung des Schalters invertiert (erste Eingangsgröße negativ) oder nicht (erste Eingangsgröße positiv).

Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevor­ zugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie dar­ auf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifi­ zierbar.

Insbesondere ist die Erfindung nicht auf Viskositätssenso­ ren beschränkt, sondern auf allen Sensoren anwendbar, die als die Resonanzfrequenz bestimmendes Element in einem mit einer äußeren Anregungsspannung angeregten Schwingkreis dienen.

Claims (14)

1. Verfahren zur Auswertung einer Sensoreinrichtung, wo­ bei die Sensoreinrichtung einen elektrischen Resonator in einem mit einer äußeren Anregungsspannung angeregten Schwingkreis bildet, mit den Schritten:
Erfassen des Stromes im Schwingkreis im Bereich der Reso­ nanzfrequenz;
Multiplizieren des erfaßen Stromes mit der äußeren Anre­ gungsspannung; und
Bilden des Mittelwerts des aus der Multiplikation herrüh­ renden Signals.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom durch einen nach Masse geschalteten Meßwiderstand (R_m) erfaßt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Amplitude des resistiven Anteils des Stroms durch Multiplikation eines dem Resonatorstrom entsprechen­ den Signals mit der äußeren Anregungsspannung und anschlie­ ßender Filterung zur Mittelwertbildung ermittelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Anregungsspannung gewobbelt wird und der Spit­ zenwert des dem Mittelwert entsprechenden Signals mit einer Zeitkonstante festgehalten wird, welche größer als die Pe­ riodendauer der Wobbelfrequenz ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Anregungsspannung frequenzmoduliert wird, so daß entsprechende Amplitudenschwankungen in dem dem Mittelwert entsprechenden Signal auftreten; und das dem Mittelwert entsprechende Signal zusammen mit dem Modulationssignal zur Regelung der Anregungsmittenfrequenz auf die Resonanzfre­ quenz verwendet wird.

6. Vorrichtung zur Auswertung einer Sensoreinrichtung, wobei die Sensoreinrichtung einen elektrischen Resonator in einem mit einer äußeren Anregungsspannung angeregten Schwingkreis bildet, mit:
einer Erfassungseinrichtung zum Erfassen des Stromes im Schwingkreis;
einer ersten Multiplikationseinrichtung (M, M1) zum Multip­ lizieren des erfaßten Stromes mit der äußeren Anregungsspan­ nung; und
einer Mittelwertbildungseinrichtung zum Bilden des Mittel­ werts des Ausgangssignals der ersten Multiplikationsein­ richtung (M, M1).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungseinrichtung einen nach Masse geschalteten Meßwiderstand (R_m) umfaßt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mittelwertbildungseinrichtung einen ers­ ten Tiefpaß (TP, TP1) umfaßt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Wobbeleinrichtung (W) zum Wobbeln der äußeren Anregungs­ spannung und eine Spitzenwerterfassungseinrichtung zum Er­ fassen des Spitzenwerts des Ausgangssignals des ersten Tiefpasses (TP) mit einer Zeitkonstante, welche größer als die Periodendauer der Wobbelfrequenz ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Frequenzmodulationseinrichtung (RE, ADD) zur Frequenzmodu­ lation der äußeren Anregungsspannung und daraus resultie­ renden Amplitudenschwankungen des Ausgangssignals des ers­ ten Tiefpasses (TP1); und eine Regeleinrichtung (M2, TP2, I) zur Regelung des Schwingkreises auf die Resonanzfrequenz anhand des Ausgangssignals des ersten Tiefpasses (TP1) und des Modulationssignals.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (M2, TP2, I) aufweist: eine zweite Multiplikationseinrichtung (M2) zum Multiplizieren des Aus­ gangssignals des ersten Tiefpasses (TP1) mit dem Modula­ tionssignal; einen zweiten Tiefpaß (TP2) zum Ermitteln des Gleichspannungsanteils des Ausgangssignals der zweiten Mul­ tiplikationseinrichtung (M2); und eine Integrationseinrich­ tung zum Integrieren des Ausgangssignals des zweiten Tief­ passes (TP2).

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sensoreinrichtung ein Viskositätssensor ist und eine Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen viskoe­ lastischer Effekte basierend auf dem Ausgangssignal des ersten Tiefpasses (TP1) und dem Ausgangssignal der Re­ geleinrichtung (M2, TP2, I) aufweist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Multiplikationsein­ richtungen (M, M1, M2) schaltungstechnisch durch einen ge­ schalteten Invertierer realisiert ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungseinrichtung zum Erfassen des Stromes im Schwingkreis einen Transimpedanzverstärker aufweist.