DE4323449A1 - Sensoreinrichtung zur Bestimmung der Masse eines Flüssigkeitsfilmes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zur Bestimmung der Masse eines Flüssigkeitsfilmes auf einer Begrenzungsflä­ che.

Die Bestimmung der Masse bzw. der Dicke von Flüssigkeitsfilmen ist in einer Vielzahl von technischen Bereichen von großer Be­ deutung. Beispielsweise verändern derartige Wandfilme die ae­ rodynamischen Eigenschaften von Flugzeugen und beeinflussen - um ein ganz anderes technisches Gebiet zu nennen - auch chemi­ sche Herstellungsverfahren, so daß erst eine exakte Bestimmung der Dicke derartiger Filme wirksame Gegenmaßnahmen bzw. eine Änderung der Prozeßparameter ermöglicht.

Eine spezielle Anwendung derartiger Sensoreinrichtungen liegt in der Messung von Kraftstoff-Wandfilmen im Saugrohr von Moto­ ren, wobei die vorliegende Erfindung jedoch auf derartige An­ wendungen nicht eingeschränkt werden soll.

Die Stärke von Wandfilmen wurde bisher z. B. durch aufwendige laseroptische Methoden, z. B. laserinduzierte Fluoreszenz, ge­ messen, welche jedoch am laufenden Motor mit der benötigten Genauigkeit praktisch nicht durchführbar sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine technisch einfache Sensor­ einrichtung zur Bestimmung der Masse eines Flüssigkeitsfilmes auf einer Grenzfläche, insbesondere eines Kraftstoff-Wand­ filmes im Saugrohr einer Brennkraftmaschine vorzuschlagen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in ei­ nem Gehäuse ein piezoelektrisch angeregter Zweimassenschwinger befestigt ist, daß eine senkrecht zu deren Oberfläche schwin­ gende Meßfläche des Zweimassenschwingers in die Begrenzungs­ fläche ragt und vom zu messenden Flüssigkeitsfilm beaufschlag­ bar ist, sowie daß eine mit dem Zweimassenschwinger in elek­ trischer Verbindung stehende Einrichtung zur Erfassung der von der Masse des Flüssigkeitsfilms abhängigen Änderung der Eigen­ frequenz des Zweimassenschwingers vorgesehen ist. Der piezo­ elektrisch angeregte Zweimassenschwinger bildet bevorzugt eine sogenannte /2 Schwingung aus, welche ihre Schwingungsknoten in der Ebene der Meßfläche aufweist. Die Masse eines Flüssig­ keitsfilmes, der sich auf der Meßfläche befindet, wird durch die Frequenzverstimmung des Zweimassenschwingers gemessen.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung weist der Zweimassenschwinger zumindest zwei ringförmige, piezoelek­ trische Elemente auf, welche an zwei Seiten einer Trägermem­ bran angeordnet und zwischen zwei trägen Massen eingespannt sind, wobei die Trägermembran zwischen zwei Gehäuseteilen festgehalten ist.

Um das Eindringen von Wandfilmen in die Sensoreinrichtung zu verhindern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Meßfläche von einer einen ringförmigen Spalt zwischen Zweimassenschwin­ ger und Gehäuseteil überbrückenden Membran bedeckt ist.

Die elektrische Kontaktierung der piezoelektrischen Elemente der Sensoreinrichtung kann einerseits über das Gehäuse und die elektrisch leitfähig mit der Meßfläche und dem Gehäuse verbun­ dene Membran und andererseits über die zwischen zwei elek­ trisch isolierende Klemmringe der Gehäuseteile eingespannte Trägermembran erfolgen. Die von einem Oszillator erzeugte Wechselspannung wird in dieser Ausführungsvariante direkt an das Gehäuse und die Trägermembran angelegt.

In einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung ist es auch möglich, die elektrische Kontaktierung der piezoelektrischen Elemente über das Gehäuse und die leitfähig mit dem Gehäuse verbundene Trägermembran einerseits und über die der Meßfläche gegenüberliegende Fläche des Zweimassenschwingers zu realisie­ ren. Bei beiden Kontaktierungsbeispielen können die trägen Massen des Zweimassenschwingers über einen zentralen, die pie­ zoelektrischen Elemente und die Trägermembran mit Spiel durch­ setzenden Bolzen verschraubt sein, welcher Bolzen beide Massen elektrisch leitend verbindet. Die Trägermembran und die trägen Massen werden somit als Elektroden verwendet, um an die piezo­ elektrischen Elemente, die durch den Oszillator erzeugte Wech­ selspannung anzulegen. Die dadurch in den piezoelektrischen Elementen hervorgerufenen Dickenänderungen erzeugen im Zwei­ massenschwinger eine stehende Welle.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante der Er­ findung ist vorgesehen, daß das Gehäuse der Sensoreinrichtung über ein Außengewinde verfügt, mit welchem die Sensoreinrich­ tung in eine Saugrohrwand einer Brennkraftmaschine zur Bestim­ mung der Masse von Kraftstoff-Wandfilmen einschraubbar ist.

In diesem Fall ist es von Vorteil, wenn die piezoelektrischen Elemente aus Piezokeramiken bestehen und die Eigenfrequenz des Zweimassenschwingers 20 bis 500 kHz, vorzugsweise 50-150 kHz beträgt.

Falls die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung zur Messung von Kraftstoff-Wandfilmen in das Saugrohr einer Brennkraftmaschine eingeschraubt wird, sind Maßnahmen zu treffen, um eine Beein­ flussung des Sensors bzw. der Meßergebnisse durch die starken mechanischen Schwingungen im laufenden Motor zu minimieren.

Die Trägermembran, welche die einzige mechanische Koppelung zwischen Gehäuse und Zweimassenschwinger darstellt, wird mög­ lichst dünn ausgeführt, beispielsweise aus 0,1 mm Stahlblech. Die Trägermembran muß jedoch eine genügend stabile Halterung für den Zweimassenschwinger darstellen.

Die in einer Ausführungsvariante vorgesehenen isolierenden Klemmringe zum Einspannen der Trägermembran können gleichzei­ tig auch als dämpfende Elemente wirken, um eine möglichst sta­ bile Eigenfrequenz der Sensoreinrichtung zu garantieren. Gleichzeitig sollen alle Trennflächen zwischen der Trägermem­ bran, den piezoelektrischen Elementen und den trägen Massen eine geringe Rauhigkeit aufweisen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von zwei Ausführungs­ beispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung in teilweise schematischer Darstellung und

Fig. 2 eine Ausführungsvariante der Einrichtung nach Fig. 1.

Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsvariante der Erfindung zeigt einen in einem Gehäuse 1, bestehend aus den Gehäusetei­ len 1′, 1′′, durch eine Trägermembran 2 gehaltenen Zweimassen­ schwinger 3, welcher zwei piezoelektrische Elemente 4 zur Schwingungsanregung aufweist. Die Meßfläche 5 des Zweimassen­ schwingers 3 liegt in der Begrenzungsfläche 6, auf welcher die Masse eines Flüssigkeitsfilmes - welcher sich auch auf die Meßfläche 5 erstreckt - gemessen werden soll. Der Zweimassen­ schwinger 3 weist zu beiden Seiten der Trägermembran 2 ring­ förmige, piezoelektrische Elemente 4 auf, welche zwischen zwei trägen Massen 7 eingespannt sind. Die beiden Massen 7 sind über einen zentralen Bolzen B verschraubt, welcher die piezo­ elektrischen Elemente 4 und die Trägermembran 2 mit Spiel durchsetzt.

Der Spalt 9 zwischen der Meßfläche 5 und dem Gehäuseteil 1′ wird durch eine dünne flexible Membran 10 überbrückt, welche mit einem elektrisch leitenden Kleber oder durch Schweißen an der Meßfläche 5 befestigt ist. So wird gleichzeitig ein Ein­ dringen des Flüssigkeitsfilmes in den Spalt 9 verhindert und ein Ausgang des Oszillators 11 über die Masse 7 (z. B. aus Alu­ minium) mit dem piezoelektrischen Element 4 verbunden. Der an­ dere Ausgang des Oszillators 11 ist direkt mit der Trägermem­ bran 2 verbunden, welche über elektrisch isolierende Klemm­ ringe 12 zwischen den Gehäuseteilen 1′, 1′′ gehalten wird.

Die Masse des Flüssigkeitsfilmes, der sich auf der Meßfläche 5 bzw. der Membran 10 befindet, wird durch die Frequenzverstim­ mung des Zweimassenschwingers 3 gemessen, wozu der Oszilla­ tor 11 mit einem Frequenzzähler 13 und dieser mit einer Aus­ werte- und Display-Einheit 14 verbunden ist. Das Funktions­ prinzip der Sensoreinrichtung basiert darauf, daß die elektri­ sche Schaltung Oszillator-Zweimassenschwinger ein elektrisches Oszillator-Resonator-System bildet, wobei die Schwingungsfre­ quenz dieses Systems durch den Zweimassenschwinger festgelegt wird. Wird nun ein Flüssigkeitsfilm auf der Meßfläche 5 bzw. der Membran 10 erzeugt, so sinkt die Eigenfrequenz des Sen­ sors. Diese Frequenzänderung ist direkt proportional der Masse des Flüssigkeitsfilmes und wird vom Frequenzzähler erfaßt. Aus der Masse, der Dichte und der wirksamen Fläche kann eine mitt­ lere Wandfilmdicke von wenigen µm bis in den Bereich von 1 mm mit einer Genauigkeit von 5 µm bestimmt werden.

Das Gehäuse 1 bzw. der Gehäuseteil 1′ verfügt über ein Außen­ gewinde 15, über welches die Sensoreirichtung in die strich­ liert angedeutete Saugrohrwand 16 eines Motors eingeschraubt werden kann. Damit läßt sich die Dicke eines Kraft­ stoff-Wandfilmes auf einfache und exakte Weise bestimmen.

Die Ausführung nach Fig. 2, bei welcher der Fig. 1 entspre­ chende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, unter­ scheidet sich von der eingangs beschriebenen Ausführungsvari­ ante vor allem dadurch, daß die Kontaktierung des Zweimassen­ schwingers 3 einerseits direkt über die Trägermembran 2 er­ folgt, welche auf Gehäusepotential liegt und andererseits über die der Meßfläche 5 gegenüberliegende Fläche 17 des Zweimas­ senschwingers 3. Der von dieser Fläche abgeleitete Kontakt wird einem genormten Stecker 18 am rückwertigen Gehäuseteil 1′′ zugeführt. Da bei dieser Ausführungsvariante das Gehäuse 1 und die träge Masse 7 auf unterschiedlichem Potential liegen, ist die Membran 10 mit einem isolierenden Kleber auf der Meßflä­ che 5 befestigt. Es sind jedoch auch Anwendungsfälle denkbar, bei welchen der Spalt 9 durch einen Dichtring verschlossen oder überhaupt offengelassen wird. Die Eigenfrequenz der in den Fig. 1 und 2 beschriebenen Ausführungsvarianten beträgt ca. 100 kHz.

Claims (9)

1. Sensoreinrichtung zur Bestimmung der Masse eines Flüssig­ keitsfilmes auf einer Begrenzungsfläche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in einem Gehäuse (1) ein piezoelektrisch an­ geregter Zweimassenschwinger (3) befestigt ist,, daß eine senkrecht zu deren Oberfläche schwingende Meßfläche (5) des Zweimassenschwingers (3) in die Begrenzungsfläche (6) ragt und vom zu messenden Flüssigkeitsfilm beaufschlagbar ist, sowie daß eine mit dem Zweimassenschwinger (3) in elektrischer Verbindung stehende Einrichtung (11, 13, 14) zur Erfassung der von der Masse des Flüssigkeitsfilms ab­ hängigen Änderung der Eigenfrequenz des Zweimassenschwin­ gers (3) vorgesehen ist.

2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweimassenschwinger (3) zumindest zwei ringför­ mige, piezoelektrische Elemente (4) aufweist, welche an zwei Seiten einer Trägermembran (2) angeordnet und zwi­ schen zwei trägen Massen (7) eingespannt sind, wobei die Trägermembran (2) zwischen zwei Gehäuseteilen (1′, 1′′) festgehalten ist.

3. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Meßfläche (5) von einer einen ringförmi­ gen Spalt (9) zwischen Zweimassenschwinger (3) und Gehäu­ seteil (1′) überbrückenden Membran (10) bedeckt ist.

4. Sensoreinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Kontaktierung der piezoelektrischen Elemente (4) über das Gehäuse (1) und die elektrisch leit­ fähig mit der Meßfläche (5) und dem Gehäuse (1) verbundene Membran (10) einerseits und die zwischen zwei elektrisch isolierende Klemmringe (12) der Gehäuseteile (1′, 1′′) ein­ gespannte Trägermembran (2) andererseits erfolgt.

5. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß die elektrische Kontaktierung der piezoelektrischen Elemente (4) über das Gehäuse (1) und die leitfähig mit dem Gehäuse verbundene Trägermem­ bran (2) einerseits und über die der Meßfläche (5) gegen­ überliegende Fläche (17) des Zweimassenschwingers (3) an­ dererseits erfolgt.

6. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die beiden trägen Massen (7) des Zweimassenschwingers (3) über einen zentralen, die piezo­ elektrischen Elemente (4) und die Trägermembran (2) mit Spiel durchsetzenden Bolzen (8) verschraubt sind, welcher Bolzen (8) beide Massen (7) elektrisch leitend verbindet.

7. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Ele­ mente (4) aus Piezokeramiken bestehen.

8. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) der Sensorein­ richtung über ein Außengewinde (15) verfügt, mit welchem die Sensoreinrichtung in eine Saugrohrwand (16) einer Brennkraftmaschine zur Bestimmung der Masse von Kraft­ stoff-Wandfilmen einschraubbar ist.

9. Sensoreinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenfrequenz des Zweimassenschwingers (3) 20 bis 500 kHz, vorzugsweise 50-150 kHz beträgt.