DE4423822C1 - Sensor zur berührungslosen Messung von Medienparametern mit Mikromembranen vermittels Ultraschall - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur berührungslosen Mes­ sung mit Mikromembranen vermittels Ultraschall nach dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1, wie er aus der DE 43 12 887 A1 bekannt ist.

In der DE 41 14 268 C2 ist ein Verfahren zur berührungslosen Messung von Parametern wie Druck, Dehnung, Viskosität und Tem­ peratur an während der Messung nicht direkt zugänglichen Meßorten beschrieben. An den Meßort wird eine Anordnung von Mikromembranen gebracht und mit einem Ultraschallpuls zu Schwingungen angeregt. Durch die Wechselwirkung mit den Mikro­ membranen bildet sich im Frequenzspektrum des durch die Mikro­ membranen transmittierten Ultraschallpulses ein Minimum aus, dessen Frequenz mit der Resonanzfrequenz der Mikromembranen korreliert ist. Deshalb kann durch die Analyse des Spektrums eines durch die Mikromembranen transmittierten Ultraschallpul­ ses eine Veränderung der Resonanzfrequenz der Mikromembranen gemessen und mit Hilfe einer Kalibrierkurve auf die Größe ei­ nes Parameters geschlossen werden, der die Resonanzfrequenz der Mikromembranen verändert.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß ein wesentlicher Teil der Ultraschallenergie in die dem Detektor abgewandte Richtung abgestrahlt wird und somit nicht zur Messung herangezogen wer­ den kann. Außerdem ist es bei vielen Meßumgebungen nicht mög­ lich, einen Detektor hinter den Mikromembranen anzubringen.

Die Erfindung hat die Aufgabe, einen Sensor der gattungsge­ mäßen Art derart auszugestalten, daß ein größerer Teil der Ul­ traschallenergie zur Messung verwendet werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Der Unteranspruch zeigt eine vorteilhafte Ausgestal­ tung des Sensors.

Ein besonderer Vorteil des Sensors besteht darin, daß der De­ tektor nicht hinter den Mikromembranen angebracht zu werden braucht, da durch die Anordnung eines Mediums mit kleiner Schallgeschwindigkeit genügend Energie in Rückwärtsrichtung abgestrahlt wird.

Da Änderungen der dynamischen Viskosität und der Dichte eines Mediums die Abklingzeit und die Resonanzfrequenz der Sensor­ schwingungen beeinflussen, ist es mit dem Verfahren möglich, den Inhalt von hermetisch verschlossenen Behältern zu überwa­ chen oder stichprobenartig zu überprüfen, z. B. Lebensmittel in Konservendosen oder Farben in verschlossenen Behältern.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 1 bis 6 mit Hilfe eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 den verwendeten Versuchsaufbau,

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf des Ultraschallsignales,

Fig. 4 das Frequenzspektrum eines Ultraschallpulses, der an Mikromembranen reflektiert wurde,

Fig. 5 eine mögliche Ausführungsform eines Sensors und die übrigen Figuren stellen Meßergebnisse dar.

Das erste Anwendungsbeispiel beschreibt eine Viskositätsmes­ sung mit nur einem Ultraschallkopf durch Totalreflexion eines Ultraschallpulses an Mikromembranen:

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, wurde in einem Wasserbad 7 eine 2,7 µm dünne Titanmembran 1 angebracht. Die Membran 1 war über einem runden Metallrahmen 3 mit einem Innendurchmesser von 20 mm und einem Außendurchmesser von 40 mm aufgespannt. Unter der Titanmembran 1 befand sich ein Luftpolster 2. Auf der Titanmembran 1 waren ca. 10 µm hohe, wabenförmige Mi­ krostrukturen 4 aus Nickel angebracht, die die Membran 1 in sechseckförmige Mikromembranen mit einer Breite von ca. 80 µm einteilten.

Von einem Ultraschallkopf 5 wurde ein breitbandiger Ultra­ schallpuls abgestrahlt. Durch das Luftpolster 2 wurde der Ul­ traschallpuls an den Mikromembranen totalreflektiert und wie­ der vom Ultraschallkopf 5 empfangen. Fig. 2 zeigt das aufgezeichnete Ultraschallsignal 6. Die Intensität dieses Si­ gnales war ca. 4 mal größer als die Intensität eines Signales, das ohne das Luftpolster 2 von der Titanmembran empfangen wurde.

Wird nun wie in der DE 41 14 268 C2 beschrieben das Spektrum dieses Ultraschallsignales berechnet, so zeigt sich ein mit der Resonanzfrequenz der Mikromembranen korreliertes Maximum. Die Viskosität des Wasserbades wurde durch die schrittweise Zugabe von Polyvenylmethylether erhöht. Mit einem kommerziell erhältlichen Viskosimeter wurde die dynamische Viskosität der jeweiligen Lösung bestimmt. In Fig. 3 ist die Frequenz des Maximums aus dem Frequenzspektrum der Ultraschallsignale in Abhängigkeit von der dynamischen Viskosität der Lösung dar­ gestellt. Das Zustandekommen der Abhängigkeit der gemessenen Frequenz von der Temperatur kann so gedeutet werden, daß die Schwingungen der Mikromembranen durch die Viskosität des sie umgebenden Mediums bedämpft werden. Die Dämpfung einer Schwin­ gung führt zu einer Verminderung der Resonanzfrequenz.

Für ein weiteres Auswerteverfahren wurde nicht das gesamte in Fig. 2 dargestellte Signal herangezogen. Das Signal besteht aus zwei in ihrer Schwingungsform deutlich unterschiedlichen Teilen. Der erste Teil 6a weist die Signalform des vom Ultra­ schallkopf ausgesandten Pulses auf. Der zweite Teil 6b stellt dagegen eine gedämpfte Schwingung dar und wird als das Aus­ schwingen der durch den Ultraschallpuls angeregten Mikromem­ branen interpretiert. Die Frequenz dieses Ausschwingens ent­ spricht demnach der Resonanzfrequenz der Mikromembranen. Des­ halb wurde für eine weitere Auswertung nur das Spektrum des ausschwingenden Teils 6b des Ultraschallpulses untersucht. Im Frequenzspektrum dieses zweiten Teils 6b ist die Frequenz der Ausschwingung deutlicher als Maximum zu erkennen als im Fre­ quenzspektrum des gesamten Signales 6. Fig. 4 zeigt das Frequenzspektrum des Teiles 6b des Signals.

Wenn sich kein Luftpolster 2 unterhalb der Membran 1 befindet, kann die Frequenz des zweiten Teils 6b des Signales auch an dem von den Mikromembranen ausgesandten Ultraschall und dem durch sie transmittierten Ultraschall gemessen werden. Die so gemessenen Frequenzen sind bei Vorhandensein eines Luftpol­ sters 2 höher als ohne Luftpolster. An einer Titanmembran 1 mit 10 µm hohen, wabenförmigen Mikrostrukturen 4 aus Nickel, die eine Schlüsselweite von 80 µm aufwiesen, wurde mit Luftpolster 2 eine Resonanzfrequenz von ungefähr 3,1 MHz und ohne Luftpolster eine Resonanzfrequenz von circa 2,8 MHz ge­ messen. Dies kann darauf zurückgeführt werden, daß die Membranschwingungen durch das sie umgebende Wasser bedämpft werden. Der Wegfall des Wassers auf einer Membranseite führt zu einer geringeren Dämpfung und damit zu einer höheren Schwingungsfrequenz. Dies wird auch dadurch deutlich, daß das beobachtete Ausschwingen des Signals bei Vorhandensein des Luftpolsters 2 länger ist als ohne Luftpolster. Durch das län­ gere Ausschwingen bei Vorhandensein des Luftpolsters steht ein zeitlich längerer Signalteil 6b zur Verfügung, der eine Fre­ quenzbestimmung mit größerer Genauigkeit ermöglicht.

Für eine praktische Anwendung des hier beschriebenen Sensors ist es wie in Fig. 5 dargestellt vorteilhaft das Luftpolster in einem Hohlraum 8 einzuschließen, der über eine kleine Öff­ nung 8a mit dem den Sensor umgebenden Medium verbunden ist. Die Öffnung 8a und ein Teil des Hohlraums 8 sind mit dem den Sensor umgebenden Medium gefüllt, um eine Druckentstehung in der Öffnung 8a durch Kapillarkräfte zu vermeiden. Durch die Öffnung 8a wird ein Druckausgleich erreicht, der eine Beeinflussung der Membrandehnung durch über der Membran ab­ fallende Druckunterschiede weitgehend ausschließen soll.

Für eine weitere Auswertung der Ultraschallsignale wurde die Abklingkonstante T des Ausschwingens 6b in Fig. 2 der Membra­ nen bestimmt. Die Abklingkonstante T, eine Frequenzverteilung W und eine Phase j wurden so angepaßt, daß eine Funktion S der Form S = e^-t/T · cos (Wt + j) das gemessene Signal als Funk­ tion der Zeit t möglichst gut beschrieb. In Fig. 6 ist die aus der Anpassung gewonnene Abklingkonstante in Abhängigkeit von der dynamischen Viskosität des Wasserbades dargestellt.

Das Maß der Bedämpfung der Membranschwingungen kann nicht nur aus der Abklingkonstanten T sondern auch aus der Breite des Maximums einer Frequenzverteilung, wie in Fig. 4, gewonnen werden. Die Messung der Viskosität oder Dichte des mit der Mi­ kromembranen in Kontakt stehenden Mediums 7 aus der Bedämpfung der Membranschwingungen ist auch möglich, wenn sich kein Luft­ polster unter den Mikromembranen befindet.

Claims (2)

1. Sensor zur berührungslosen Messung von Medienparametern vermittels Ultraschall-Verfahren bestehend aus Mikrostruk­ turen (4) welche an einer Membran (1) angebracht sind, wo­ bei die Membran (1) durch einen Rahmen (3) gehaltert wird und der Rahmen (3) als Gehäuse ausgebildet ist, welches ein Volumen (8) umschließt, dadurch gekennzeichnet, daß das Vo­ lumen (8) mit einem Medium (2) gefüllt ist, dessen Schall­ geschwindigkeit kleiner ist, als die des zu untersuchenden Mediums (7) und daß das Gehäuse eine Kapillaröffnung (8a) aufweist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (2) ein Gas ist.