DE202007000337U1 - Machine fluid viscosity determination piezoelectric bending oscillator has through holes in beam to control oscillation characteristics - Google Patents

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Abstract

A machine fluid viscosity determination piezoelectric bending oscillator has through holes (3) in the beam (2) to allow use as an active mono or multi morph piezo ceramic bending transducer or passive elastic bending oscillator with vibration mode, resonant frequency and amplitude frequency relation controlled by the holes.

Description

Die Erfindung betrifft einen miniaturisierten Biegeschwinger aus keramischen und metallischen Materialien zur Messung der Dichte und Viskosität von Flüssigkeiten. Der Oszillator ist dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens eine Bohrung aufweist, durch die das umgebende flüssige Medium während der Schwingung hindurchströmen kann.The The invention relates to a miniaturized bending oscillator made of ceramic and metallic materials for measuring the density and viscosity of liquids. The oscillator is characterized in that it has at least one Has bore through which the surrounding liquid medium during the Flow through the vibration can.

Viskosität und Dichte sind wichtige funktionelle Merkmale technischer Flüssigkeiten, insbesondere von Schmierstoffen (Ölen) in Motoren und Maschinen, von flüssigen Medien in Wärmeaustauschern oder von zirkulierenden Fluiden in Transformatoren. Zur Überwachung entsprechender Anlagen (remote control) wird heutzutage eine regelmäßige Prüfung des physikalisch/chemischen Zustands des Mediums angestrebt, d.h. eine kontinuierliche Kontrolle der Flüssigkeitseigenschaften.Viscosity and density are important functional features of technical fluids, in particular of lubricants (oils) in engines and machines, of liquid Media in heat exchangers or of circulating fluids in transformers. For monitoring the corresponding systems (remote control) is nowadays a regular check of the physical / chemical state of the medium, i. e. a continuous control of liquid properties.

Die "on-board" Messung der Zustandsparameter von Flüssigkeiten unmittelbar an oder in Maschinen, Motoren oder sonstigen Aggregaten mit Hilfe miniaturisierter Aktor/Sensor Systeme ist derzeit Gegenstand zahlreicher Entwicklungen. Speziell für die Viskositäts- und Dichtemessung haben sich gläserne und piezokeramische Stimmgabel-Schwinger bewährt. Zur oszillatorischen Ölzustandsmessung sind nach aktuellem Kenntnisstand einfache, einseitig eingespannte piezokeramische Biegeschwinger (cantilever beams) gut geeignet. Vorteilhaft sind die relativ simple und robuste Bauweise, die Bandbreite möglicher Geometrien und Materialkombinationen sowie ein günstiger Frequenzbereich der Oszillatoren mit nur wenigen, ausgeprägten Resonanzen. Es gibt diverse Varianten solcher Biegewandler, z.B. mono- oder tri-morphe Layer mit und ohne passiven Träger, und mit Schichten oder Kernmaterialien aus keramischen, metallischen oder Kohlenstofffaser Verbundwerkstoffen.The "on-board" measurement of the state parameters of liquids directly on or in machinery, motors or other equipment with the help of miniaturized actuator / sensor systems is currently the subject numerous developments. Especially for the viscosity and Density measurement have become glassy and piezoceramic tuning fork oscillator proven. For oscillatory oil condition measurement are according to current knowledge, simple piezoceramic clamped on one side Bending cantilever beams well suited. Are advantageous the relatively simple and robust construction, the range of possible Geometries and material combinations as well as a favorable frequency range of Oscillators with only a few pronounced resonances. There are several Variants of such bending transducers, e.g. mono- or tri-morph layer with and without passive support, and with layers or core materials of ceramic, metallic or carbon fiber composites.

Derzeit übliche Varianten mechanischer Biegeschwinger zur Viskositäts- und Dichtemessung von Fluiden beruhen auf folgenden Funktionsprinzipien und Geometrien:

  • • Miniaturisierte Aktor/Sensor Systeme auf Basis von Oszillatoren – Piezo-keramische Stimmgabelschwinger – Piezo-keramische Biegewandler (Cantilever) – Membranoszillatoren.
  • • Mikrosensoren zur Generierung und Messung akustischer Oberflächenwellen.
  • • Mikromechanische Ultraschall Quarzsensoren und Mikro-Quarzwaagen.
Currently common variants of mechanical bending vibrators for measuring the viscosity and density of fluids are based on the following functional principles and geometries:
  • • Miniaturized actuator / sensor systems based on oscillators - Piezo-ceramic tuning fork vibrators - Piezo-ceramic bending transducers (cantilevers) - Membrane oscillators.
  • • Microsensors for generation and measurement of surface acoustic waves.
  • • Micromechanical ultrasonic quartz sensors and micro quartz scales.

Problematisch sind bei den genannten Sensoren mehrere Eigenschaften:

  • • Mikro-Sensoren neigen dazu, durch direkten Kontakt mit aggressiven Flüssigkeiten zu korrodieren oder zu "verkleben". Dies gilt besonders für mikromechanische Oszillatoren mit nicht-glatter Oberflächenstruktur sowie für Membranoszillatoren.
  • • Zahlreiche Sensoren sind (u.a. bedingt durch das Material und die Bauweise) temperaturempfindlich bzgl. thermomechanischer Spannungen.
  • • Membranschwinger haben oft nur eine geringe spektrale Auflösung, d.h. das Amplitudenspektrum um die Resonanz-Peaks ist sehr breit.
  • • Die meisten Varianten besitzen eine zu niedrige Trennschärfe für die Quantifizierung und Differenzierung gleichzeitiger Viskositäts- und Dichteänderungen.
  • • Eine flexible Anpassung der Aktor/Sensor Geometrie und der Oszillatoreigenschaften an spezifische Flüssigkeiten und Umweltbedingungen des Systems ist konstruktionsbedingt oft nicht möglich.
The problem with the mentioned sensors are several properties:
  • • Micro-sensors tend to corrode or "stick together" by direct contact with aggressive fluids. This is especially true for micromechanical oscillators with non-smooth surface structure and for membrane oscillators.
  • • Numerous sensors are (among other things due to the material and the construction) temperature-sensitive with respect to thermo-mechanical stresses.
  • • Membrane oscillators often have only a low spectral resolution, ie the amplitude spectrum around the resonance peaks is very broad.
  • • Most variants have too low a selectivity for the quantification and differentiation of simultaneous viscosity and density changes.
  • • Flexible adaptation of the actuator / sensor geometry and oscillator properties to specific fluids and environmental conditions of the system is often not possible by design.

Mit der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung wird eine deutliche Verbesserung und Flexibilisierung gängiger resonanter Oszillatoren dadurch erreicht, dass durch Anbringung von Bohrungen die schwingungs- und fluid-dynamischen Eigenschaften einfacher Standard-Biegewandler (Cantilever) maßgeblich beeinflusst werden können. Bohrungen im schwingenden Biegebalken bewirken eine bessere Strömungsdynamik der Flüssigkeit; das Fluid kann nahezu laminar und symmetrisch durch die Löcher vor- und zurück strömen.With the protection specified in claim 1 invention is a clear Improvement and flexibility of common resonant oscillators achieved by attaching bores to the vibration and fluid-dynamic properties simple standard bending transducer (cantilever) decisively can be influenced. Holes in the oscillating bending beam cause better flow dynamics the liquid; the fluid can be almost laminar and symmetrical through the holes and back stream.

Die Erfindung realisiert ein zum bekannten Stokes'schen Viskositätstest (Kugelfall-Viskosimeter) komplementäres Messprinzip: Bei konventionellen in vitro Viskositätsmessungen nach der Kugelfallmethode umströmt die Flüssigkeit eine Kugel (Flüssigkeit außen, bewegter Festkörper innen). Bei der vorliegenden Erfindung strömt ein Großteil der durch die Schwingung des Balkens andernfalls verdrängten Flüssigkeit durch die kreisförmige Bohrung hindurch (Flüssigkeit innen, bewegter Festkörper außen). Somit ähnelt die Erfindung des "gelochten Biegeschwingers" der klassischen Kapillar-Viskosimeter Methode.The Invention realizes a measuring principle which is complementary to the known Stokes viscosity test (falling ball viscometer): In conventional in vitro viscosity measurements by the falling ball method flows around the liquid a ball (fluid outside, moving solid Inside). In the present invention, a majority of the flows through the vibration of the bar, otherwise displaced liquid through the circular Bore through (liquid inside, moving solid Outside). Thus, similar the invention of the "perforated Bieschwwingers "the classic capillary viscometer method.

Als weitere Vorteile des gelochten resonanten Biegewandlers sind zu nennen:

  • • Die Strömungsdynamik des gelochten Balkens ist erheblich günstiger, da weniger Flüssigkeit durch den "Schaufeleffekt" des Balkens verdrängt wird und stattdessen kontrolliert, symmetrisch und laminar durch die Bohrung strömt.
  • • Der Massenfluss durch die Bohrung ist eine Relativbewegung zwischen Oszillator und Medium, bei welcher der größte Teil des Mediums (Fluids) ruht, d.h. nicht absolut beschleunigt wird. Während der Relativbewegung wird an den Innenseiten der Bohrungen Reibung zwischen dem Fluid und dem Oszillatormaterial erzeugt, wodurch die Schwingung viskositätsabhängig gedämpft wird.
  • • Änderungen der Viskosität lassen sich relativ zu gleichzeitigen Dichteänderungen besser auflösen, weil die laminare Strömung durch die Bohrung stärker von den viskosen Eigenschaften als von der Dichte des Fluids abhängt (die Dichteabhängigkeit der Resonanzfrequenzen nimmt mit zunehmendem Durchmesser der Bohrung bzw. mit zunehmender Anzahl von Löchern ab).
  • • Schwer quantifizierbare mikro-turbulente Strömungen an den äußeren Kanten und Ecken des Schwingers fallen gegenüber der stabilen, gut reproduzierbaren laminaren Strömung durch die Bohrung weniger ins Gewicht. Das Anbringen von mehreren Bohrungen erhöht diesen positiven Effekt. Beispiel: Eine einzelne Bohrung vom Radius R bietet eine wirksame umströmte Fläche (= Innenseite der Bohrung) von 2πRh (h = Dicke des Balkens). Dagegen bieten etwa vier Bohrungen vom Radius 0,4 R bereits eine umströmte Fläche von 4·(2π·0,4 Rh), also 1,6 mal soviel. Das Verhältnis der durchströmten Flächen nimmt dagegen ab: Es beträgt (πR2) : 4π(0.4 R)2 = 0.64.
  • • Der gelochte Biegeschwinger lässt sich weitgehend frei dimensionieren, und zwar bzgl. diverser geometrischer Parameter (Höhe, Breite, Länge, Anzahl der Bohrungen, Position der Bohrungen, Löcherradius, Ausbildung des Grats der Bohrung, Oberfläche der Loch-Innenseiten).
  • • Die Resonanzfrequenzen des Schwingers können in sehr breiten Intervallen variiert werden, womit sich eine hohe Flexibilität bzgl. der Anpassung an das Medium ergibt und eine Vermeidung unerwünschter Frequenzbereiche ermöglicht wird.
  • • Abhängig von Anzahl, Position und Durchmesser der Bohrungen kann die Kraftverteilung entlang des oszillierenden Biegebalkens gezielt beeinflusst werden, so dass unterschiedliche Schwingungsformen generiert werden können. Bevorzugt soll der Grundmodus, d.h. der flexurale, symmetrisch schwingende Modus angeregt werden, bei dem die Seiten des Balkens synchron schwingen und die Basis nahezu starr bleibt. Der antisymmetrische Modus, bei dem die Seiten antiparallel, also in Gegenphase, schwingen, kann durch geeignete Geometrien weitgehend unterdrückt werden.
Other advantages of the perforated resonant bending transducer are:
  • • The flow dynamics of the perforated beam is considerably more favorable, as less fluid is displaced by the "blade effect" of the beam and instead flows controlled, symmetric and laminar through the bore.
  • • The mass flow through the bore is a relative movement between the oscillator and the medium, at which most of the medium (fluid) rests, ie is not absolutely accelerated. During the relative movement, friction is generated between the fluid and the oscillator material on the insides of the bores, whereby the Vibration is attenuated depending on the viscosity.
  • • Viscosity changes are better resolved relative to concurrent density changes because the laminar flow through the bore is more dependent on the viscous properties than the density of the fluid (the density dependence of the resonant frequencies decreases as the diameter of the bore increases or as the number of holes increases from).
  • • Difficult to quantify micro-turbulent flows at the outer edges and corners of the vibrator are less significant than the stable, well reproducible laminar flow through the bore. The attachment of several holes increases this positive effect. Example: A single hole of radius R provides an effective flow area (= inside of the hole) of 2πRh (h = thickness of the beam). In contrast, about four bores of radius 0.4 R already provide a flow area of 4 · (2π · 0.4 Rh), ie 1.6 times as much. On the other hand, the ratio of flow areas decreases: It is (πR 2 ): 4π (0.4 R) 2 = 0.64.
  • • The perforated bending vibrator can be largely freely dimensioned, with respect to various geometric parameters (height, width, length, number of holes, position of the holes, hole radius, formation of the ridge of the hole, surface of the hole insides).
  • • The resonant frequencies of the vibrator can be varied in very wide intervals, resulting in a high flexibility with respect to the adaptation to the medium and an avoidance of unwanted frequency ranges is made possible.
  • • Depending on the number, position and diameter of the holes, the force distribution along the oscillating bending beam can be influenced in a targeted manner so that different forms of vibration can be generated. Preferably, the basic mode, ie the flexural, symmetrically oscillating mode is to be excited, in which the sides of the beam oscillate synchronously and the base remains almost rigid. The antisymmetric mode, in which the sides oscillate antiparallel, ie in opposite phase, can be largely suppressed by suitable geometries.

Des Weiteren bietet die Erfindung folgende Vorteile:

  • • Der Schwinger kann einseitig oder beidseitig eingespannt werden. Bei zweiseitiger Fixierung sollten die Bohrungen symmetrisch zur Mitte angeordnet werden, so dass die Grundschwingung ebenfalls symmetrisch ist (Schwingungsknoten an den Seiten, Schwingungsbauch in der Mitte, maximale Durchströmung der zentralen Bohrung).
  • • Der Oszillator lässt sich entweder (analog zum üblichen Cantilever) als mono- oder tri-morphe Struktur (Piezokeramik) mit oder ohne passive Zwischenschicht realisieren, d.h. die Anregung der Schwingung erfolgt über flächig aufgebrachte Piezokeramiken in einer oder mehreren Lagen.
  • • Alternativ kann das Material ein beliebiges, elastisches, gegen aggressive Substanzen resistentes Trägermaterial sein (z.B. Edelstahl), sofern die Krafteinleitung zur Erregung der Oszillation an den Seiten erfolgt (Shear-Stress Piezo Aktoren an den seitlichen Einspannungen).
  • • Es lassen sich zwei Biegebalken, von denen der eine gelocht, der andere nicht gelocht ist, parallel anordnen. Änderungen (a) der Dichte und (b) der Viskosität lassen sich damit erheblich besser ausdifferenzieren, d.h. qualitativ und quantitativ analysieren, weil die beiden Oszillatoren auf solche Zustandsänderungen unterschiedlich reagieren.
Furthermore, the invention offers the following advantages:
  • • The transducer can be clamped on one or both sides. In the case of bilateral fixation, the holes should be arranged symmetrically to the center, so that the fundamental oscillation is also symmetrical (oscillation knot on the sides, antinode in the middle, maximum flow through the central bore).
  • • The oscillator can either be realized as a mono- or tri-morph structure (piezoceramic) with or without a passive intermediate layer (analogous to the usual cantilever), ie the oscillation is excited via planarly applied piezoceramics in one or more layers.
  • • Alternatively, the material can be any elastic carrier material that is resistant to aggressive substances (eg stainless steel), provided that the force is applied to excite the oscillation on the sides (Shear-Stress Piezo actuators at the lateral restraints).
  • • You can arrange two bending beams, one of which is perforated, the other not perforated, in parallel. Changes (a) in the density and (b) in the viscosity can thus be significantly better differentiated, ie qualitatively and quantitatively analyzed, because the two oscillators react differently to such changes in state.

Im Folgenden werden einige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen gelochten Biegeschwingers für die oszillatorische Viskositäts- und Dichtebestimmung mit Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.in the Following are some embodiments the perforated invention Bending vibrator for the oscillatory viscosity and Density determination with reference to the attached figures described.

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine bevorzugte Ausführung eines einseitig eingespannten, einfach gelochten Biegebalkens; 1 a preferred embodiment of a cantilevered, single-perforated bending beam;

2 eine bevorzugte Ausführung eines einseitig eingespannten, doppelt gelochten Biegebalkens; 2 a preferred embodiment of a cantilevered, double-perforated bending beam;

3 eine bevorzugte Ausführung eines beidseitig eingespannten, einfach gelochten Biegebalkens; 3 a preferred embodiment of a clamped on both sides, simply perforated bending beam;

4 eine bevorzugte Ausführung zweier seitlich eingespannter paralleler Biegebalken mit und ohne Bohrung; 4 a preferred embodiment of two laterally clamped parallel bending beam with and without hole;

5 eine bevorzugte Ausführung eines einseitig eingespannten, einfach gelochten Biegeschwinger mit seitlich eingekoppelter Erregung (Shear-Stress Piezo Aktor). 5 a preferred embodiment of a cantilevered, single-perforated bending vibrator with side-coupled excitation (shear-stress piezoelectric actuator).

In den Figuren sind Varianten des Viskositäts- und Dichte Sensors auf Basis piezo-keramischer Biegewandler dargestellt, mit seitlichen Trägern bzw. Vorrichtungen 1, 5 zur Einspannung des passiven oder aktiven (mono- oder tri-morphen piezokeramischen) Biegebalkens 2, der mit einer Bohrung 3 versehen ist.In the figures, variants of the viscosity and density sensor based on piezo-ceramic bending transducers are shown, with lateral supports or devices 1 . 5 for clamping the passive or active (mono- or tri-morph piezoceramic) bending beam 2 that with a hole 3 is provided.

Die Biegeschwinger 2 in (1) bis (4) werden durch Anlegung einer Betriebs-Wechselspannung an die Piezoschichten zu Schwingungen angeregt.The bending vibrators 2 in (1) to (4) are excited by applying an AC operating voltage to the piezoelectric layers to vibrate.

(2) zeigt eine Variante, bei der zwei Bohrungen 3, 4 angebracht sind. (2) shows a variant in which two holes 3 . 4 are attached.

Zur Unterdrückung asynchroner Seitwärtsauslenkungen des Balkens (i.e. Generierung von Torsionsschwingungen) zeigt (3) eine Variante mit an zwei Seiten 1, 5 eingespanntem piezokeramischen Biegewandler.For suppressing asynchronous sideways deflections of the beam (ie generation of torsional vibrations) (3) a variant with on two sides 1 . 5 clamped piezoceramic bending transducer.

(4) zeigt die Anordnung zweier paralleler Biegewandler 1, 6, von denen der Balken 2 gelocht ist während der Balken 6 keine Bohrung aufweist. Die äußere Geometrie (Länge, Höhe, Breite) ist für beide Balken bevorzugt – aber nicht notwendigerweise – identisch. (4) shows the arrangement of two parallel bending transducers 1 . 6 of which the beam 2 is punched during the bars 6 has no hole. The outer geometry (length, height, width) is preferably, but not necessarily, identical for both beams.

Eine Alternative zu den Biegewandlern aus mono- oder tri-morphen piezoelektrischen Schichten zeigt (5). Hier besteht nicht der Oszillator 2 sondern der seitliche Träger 7 (d.h. die Einspannzone) aus einem piezokeramischen Material. Elektrisch induzierte Scherbewegungen des Trägers 7 werden seitlich eingekoppelt und bewirken die Anregung des Biegeschwingers. Der Balken ist in dieser Anordnung ein rein passives Element und kann aus einem beliebigen elastischen Material, bevorzugt Edelstahl oder Kohlefaserverbundstoffen, gefertigt sein.An alternative to the bending transducers of mono- or tri-morph piezoelectric layers shows (5) , Here is not the oscillator 2 but the lateral support 7 (ie the clamping zone) made of a piezoceramic material. Electrically induced shearing movements of the wearer 7 be coupled laterally and cause the excitation of the bending oscillator. The beam is in this arrangement a purely passive element and may be made of any elastic material, preferably stainless steel or carbon fiber composites.

Claims (4)

Piezokeramischer Biegeschwinger zur Dichte- und Viskositätsbestimmung von Flüssigkeiten in Motoren, Maschinen und vergleichbaren Aggregaten in Form eines Biegebalkens, dadurch gekennzeichnet dass der Biegebalken (2) mindestens eine durchgehende Bohrung (3) aufweist, wobei der Oszillator als (a) aktiver mono- oder multi-morpher piezokeramischer Biegewandler oder (b) passiver elastischer Biegeschwinger ausgelegt ist.Piezoceramic bending vibrator for determining the density and viscosity of liquids in engines, machines and comparable units in the form of a bending beam, characterized in that the bending beam ( 2 ) at least one through hole ( 3 ), wherein the oscillator is designed as (a) active mono- or multi-morph piezoceramic bending transducer or (b) passive elastic bending vibrator. Piezokeramischer Biegeschwinger nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dass durch die Anzahl, Position und Geometrie der Bohrungen nutzerspezifische Schwingungseigenschaften des Oszillators (2) wie z.B. (a) Schwingungsformen (Schwingungs-Modi) (b) Resonanzfrequenzen (c) Amplitudenfrequenzgang festgelegt werden können.Piezoceramic bending oscillator according to claim 1, characterized in that by the number, position and geometry of the holes user-specific vibration characteristics of the oscillator ( 2 ) such as (a) vibration modes (vibration modes) (b) resonance frequencies (c) amplitude frequency response can be set. Piezokeramischer Biegeschwinger nach Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet dass zwei Oszillatoren (2), (6) mit unterschiedlicher Anzahl von Bohrungen und ggf. mit unterschiedlicher Geometrie parallel nebeneinander angeordnet werden, wobei die elektrische Anregung der Schwingungen (a) synchron (für beide Balken) oder (b) asynchron (separat für jeden Balken) erfolgen kann.Piezoceramic bending oscillator according to claims 1 and 2 characterized in that two oscillators ( 2 ) 6 ) are arranged side by side with different numbers of holes and possibly with different geometry, wherein the electrical excitation of the vibrations (a) synchronously (for both bars) or (b) asynchronously (separately for each bar) can take place. Piezokeramischer Biegeschwinger nach Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet dass die Oszillatoren (2), (6) passive Bauteile aus Edelstahl, Keramik oder ähnlichen elastischen und chemisch resistenten Materialien sind, deren resonante Schwingungen über einen piezokeramischen Aktor angeregt werden, wobei die Krafteinleitung seitlich über die Einspannung (7) des Balkens erfolgt.Piezoceramic bending oscillator according to claims 1 to 3 characterized in that the oscillators ( 2 ) 6 ) are passive components made of stainless steel, ceramic or similar elastic and chemically resistant materials whose resonant oscillations are excited via a piezoceramic actuator, the force being introduced laterally beyond the clamping ( 7 ) of the bar.
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