DE69816680T2

DE69816680T2 - Ferrofluidsensor

Info

Publication number: DE69816680T2
Application number: DE69816680T
Authority: DE
Inventors: Kuldip Merrimack Raj
Original assignee: Ferrotec USA Corp
Current assignee: Ferrotec USA Corp
Priority date: 1997-02-11
Filing date: 1998-01-26
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2018-01-27
Also published as: EP0857945A2; DE69816680D1; EP0857945B1; US5780741A; JPH10239096A; EP0857945A3

Description

Bereich der Erfindung
Diese Erfindung betrifft eine Ferrofluidsensor-Untergruppe, die für die Erkennung und Messung von Vibrationen, Beschleunigung und Neigung verwendet werden kann.
Hintergrund der Erfindung
Sensoren bzw. Messwandler können verwendet werden, um zahlreiche unterschiedliche Bedingungen zu messen, wie zum Beispiel Vibrationen, Beschleunigung und Neigung. Sensor-Unterbaugruppen stehen in zahlreichen verschiedenen Formen zur Auswahl, wie zum Beispiel in mechanischen, elektrischen und Ferrofluid-Ausführungen. Mechanische Vibrations- und Beschleunigungssensoren verwenden Schwunggewichte oder bewegliche Elemente. Elektrische Sensoren können Quecksilberstangen oder Auslegerbalken verwenden, um einen elektrischen Kontakt herzustellen oder zu unterbrechen. In einem auf Quecksilber basierenden Sensor ist das Quecksilber in einem Glasgefäß luftdicht eingeschlossen. Auf Grund einer hohen Oberflächenspannung bleibt das Quecksilber nicht im Glasgefäß stecken, sondern reagiert rasch auf geringfügige Vibrationen. Das Quecksilber hat jedoch den Nachteil, ein gefährliches Material zu sein.
Eine Art einer Ferrofluidsensor-Untergruppe des Standes der Technik besteht aus einem axial ge polten Dauermagneten, der sich in einem nicht magnetischen Gehäuse befindet, das vollständig mit einem Ferrofluid gefüllt ist, wie dies in 1 dargestellt ist und im US-Patent Nr. 4,667,414 diskutiert wird. Das Ferrofluid 1 ist eine Kolloidmischung aus Magnetpartikeln, die in einem flüssigen Träger, wie zum Beispiel Öl, suspendiert sind. Diese Partikel sind mit einem oberflächenaktiven Mittel beschichtet, so dass der Träger die Partikel benetzt und in Suspension hält. Das Ferrofluid 1 ist im nicht magnetischen Gehäuse 2 eingeschlossen, welches einen Mechanismus besitzt, der eine Ausdehnung des Ferrofluids ermöglicht (in 1 nicht dargestellt). So kann das Gehäuse 2 zum Beispiel flexible Membranen umfassen. Der Magnet 3 kann sich innerhalb des Gehäuses 2 frei bewegen und wird im Gehäuse 2 vom Ferrofluid 1 schwebend gehalten, welches in dem vom Magneten 3 erzeugten Magnetfeld festgehalten wird.
Die Bewegung des Magneten 3 kann durch Induktionsspulen (nicht dargestellt) erkannt werden, welche um das Gehäuse 2 gewickelt sind, oder durch ein Hall-Element (nicht dargestellt). Mit einer entsprechenden elektronischen Signalverarbeitung kann die Neigung oder Beschleunigung des Magneten 3 gemessen werden.
Wenngleich ein solches Gerät relativ einfach ist und in vielen Fällen auch gut funktioniert, ist das Ferrofluid 1 im Allgemeinen auf Grund des Ölträgers relativ viskos. Die Viskosität des Ferrofluids 1 erzeugt einen Viskositätswiderstand, der auf den Magneten 3 einwirkt, und erhöht dadurch die Ansprechzeit des Geräts. Da die Viskosität des Ferrofluids eine Funktion der Temperatur ist, ist die An sprechzeit temperaturabhängig. Darüber hinaus kommt es im Laufe der Zeit auf Grund der Ablagerung von Ferrofluid-Partikeln auf der Magnetoberfläche zu einer Zunahme der Masse des Magneten 3. Dies beeinträchtigt die Kalibrierung des Geräts.
Zur Beseitigung dieser Probleme wird häufig die in 2 dargestellte Konfiguration verwendet. Diese Konfiguration wird im Detail im US-Patent Nr. 5,452,520 beschrieben. Der in diesem Gerät enthaltene Magnet 3 wird in einem Gehäuse oder Rohr 2 durch zwei Ferrofluidringe 1, 4 zentriert, die sich an beiden Enden des Magneten 3 befinden und vom Magnetfeld gehalten werden. Zwischen dem Magneten 3 und dem Gehäuse 2 gibt es keinen physischen Kontakt. Der Magnet 3 kann sich frei und ohne Reibung bewegen, da die Ferrofluidringe 1, 4 als reibungsloses Lager innerhalb des Gehäuses 2 wirken. Die Ferrofluidringe 1, 4 bilden darüber hinaus auch Niederdruckdichtungen zwischen dem Magneten 3 und den Wänden des Gehäuses 2. Demgemäß besitzen die Enden des Gehäuses 2 im allgemeinen kleine Öffnungen 5, 6, um Luftdruck abzulassen, der sich auf Grund der Bewegung des Magneten 3 bildet.
Dieses Gerät weist die oben diskutierten Probleme hinsichtlich Ansprechzeit und Kalibrierung nicht auf. Wenn sich jedoch der Magnet 3 bewegt, hinterlässt er einen dünnen Ferrofluid-Film, der sich auf Grund der Oberflächenspannung an der Wand des Gehäuses 2 anlegt. Schlussendlich wird das Ferrofluid in den Ferrofluidringen 1, 4 aufgebraucht, und die vom Ferrofluid erzeugte Schwebekraft verringert sich. Wenn das Gehäuse 2 relativ lang ist, so dass der Magnet 3 einen weiten Weg zurücklegt oder sich der Magnet 3 schnell bewegt, kann ein wesentlicher Anteil des Ferrofluids bei jedem zurückgelegten Weg des Magneten 3 durch das Gehäuse 2 aus den Ferrofluidringen 1, 4 verlorengehen, wodurch die Ferrofluidringe 1, 4 rasch entleert werden. Wenn die Ringe 1, 4 ausreichend entleert sind, kann der Magnet 3 nicht mehr in Schwebe gehalten werden, was zu einem Ausfall des Geräts führt. Darüber hinaus kann mit der Zeit Ferrofluid durch die Entlüftungsöffnungen 5, 6 im Gehäuse verlorengehen, was zu einer verkürzten Lebenszeit des Produkts führt.
Es ist daher wünschenswert, die Ansprechzeit von Ferrofluidsensoren zu verkürzen und gleichzeitig deren Lebenszeit zu verlängern
Zusammenfassung der Erfindung
Eine gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung konstruierte Ferrofluidsensor-Baugruppe umfasst einen Permanentmagneten, der in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse von Ferrofluidringen gehalten wird, die sich an beiden Enden des Magneten befinden. Das Gehäuse ist allerdings so groß, dass die Ferrofluidringe das Ende des Magneten nicht gegen die Wandungen des Gehäuses abdichten. Die Gehäusewände sind mit einem dünnen Film einer nicht mischbaren Flüssigkeit beschichtet, auf welchem sich die Ferrofluidringe bewegen.
Da das Gehäuse abgedichtet ist, kann es zu keinen Verdampfungsverlusten des Ferrofluids kommen. Wenn sich der Magnet bewegt, wird kein Ferrofluid-Restfilm an der Oberfläche des Gehäuses gebildet, da sich das Ferrofluid auf dem dünnen Film einer bevorzugten Benetzungsflüssigkeit bewegt und nicht die Oberfläche der Gehäusewandungen benetzt. Der Magnet wird von den zwei Ferrofluidringen dauerhaft in Schwebe gehalten und bewegt sich reibungslos, ohne dass es mit der Zeit zu einer Verschlechterung kommt.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Gehäuse mit einer nicht magnetischen Flüssigkeit gefüllt, die nicht mit dem Ferrofluid mischbar ist. Die nicht magnetische Flüssigkeit benetzt die Wände des Gehäuses und bildet dadurch eine Oberfläche, so dass sich das Ferrofluid auf dem dünnen Film der nicht magnetischen Oberfläche bewegt. Bei der Auswahl der nicht magnetischen Flüssigkeit wird darauf geachtet, dass sie eine niedrige Viskosität besitzt, so dass der Magnet eine viel kürzere Ansprechzeit besitzt als das Gerät des Standes der Technik, welches mit Ferrofluid gefüllt ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Zeichnung einer Ferrofluidsensor-Untergruppe des Standes der Technik, welche vollständig mit Ferrofluid gefüllt ist, um einen Sensormagneten in Schwebe zu halten.
2 ist eine schematische Zeichnung einer anderen Ferrofluidsensor-Untergruppe des Standes der Technik, welche Ferrofluidringe verwendet, um den Magneten in Schwebe zu halten.
3 ist eine schematische Zeichnung einer Ferrofluidsensor-Untergruppe, welche gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung konstruiert ist und Ferrofluidringe verwendet, um den Sensor in einem Gehäuse in Schwebe zu halten, das mit einer niedrigviskosen Flüssigkeit gefüllt ist.
4 ist eine schematische Zeichnung einer Ferrofluidsensor-Untergruppe, die nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, welche die Erkennung der Position des Sensormagneten durch Induktionsspulen zeigt.
5 ist eine schematische Zeichnung einer Ferrofluidsensor-Untergruppe, die nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, welche die Erkennung der Position des Sensormagneten durch Hall-Effekt-Bauelemente zeigt.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Wie in 3 dargestellt, umschließt ein hermetisch abgeschlossenes Gehäuse 2 einen axial polarisierten Permanentmagneten 3 und eine nicht magnetische Flüssigkeit 7. Der Magnet 3 wird im Gehäuse 2 von den Ferrofluidringen 1 und 4 gehalten, die sich an beiden Enden des Magneten befinden, sowie von der Schwebekraft, die vom Ferrofluid erzeugt wird. Die Ringe 1, 4 werden von dem vom Magneten 3 erzeugten Magnetfeld an den Enden des Magnets 3 gehalten. Das Gehäuse 2 ist jedoch so groß, dass die Ferrofluidringe 1, 4 die Enden des Magneten 3 nicht gegen die Wandung des nicht magnetischen Gehäuses 2 abdichten, welches aus Glas oder Plastik hergestellt sein kann. Wenn sich daher der Magnet 3 bewegt, kann sich auch die Flüssigkeit 7 frei rund um den Magneten bewegen.
Das Gehäuse 2 ist mit einer nicht magnetischen Flüssigkeit 7 gefüllt, welche mit dem Ferrofluid in den Ringen 1 und 4 nicht vermischbar ist. Die Ferrofluid-Trägerflüssigkeit vermischt sich mit dem Ferrofluid in den Ringen 1 und 4 nicht und reagiert mit diesem auch nicht chemisch. Daher bleiben die Kolloidstabilität und die physikalischen Eigenschaften des Ferrofluids unverändert, wenn es mit der Flüssigkeit 7 in Kontakt kommt. Die nicht magnetische Flüssigkeit 7 benetzt vorzugsweise die Innenwände des Gehäuses, so dass sich die Ferrofluidringe 1 und 4, welche andernfalls an der trockenen Wand des Gehäuses. stecken bleiben würden, nun auf dem dünnen Film der nicht magnetischen Flüssigkeit 7 bewegen. Alternativ dazu könnte ein anderer nicht benetzender Film an den Innenwänden des Gehäuses verwendet werden. Ein solches Material kann zum Beispiel einen Film aus TEFLON(r) oder ein anderes geeignetes Schmiermittel umfassen.
Für die Flüssigkeit 7 können vielerlei Arten von nicht magnetischen Flüssigkeiten verwendet werden. Wasser ist dabei die bevorzugte Flüssigkeit. Da es allerdings einen hohen Gefrierpunkt (0°C) besitzt, sollte das Wasser mit einem Alkohol gemischt werden, wie zum Beispiel mit Isopropanol, der einen Gefrierpunkt von –89,5°C besitzt. Der Temperaturbereich der Sensor-Untergruppe kann dadurch auf tiefe Temperaturen erweitert werden. Wasser ist mit einer typischen Ferrofluid-Trägerflüssigkeit unmischbar. Eine solche Trägerflüssigkeit könnte eine Fluorkohlenstoffflüssigkeit mit einem niedrigen Molekulargewicht sein, die chemisch als Perfluorpolyether bekannt ist.
Da das Gehäuse 2 abgedichtet ist, kann es zu keinen Verdampfungsverlusten des Ferrofluids kommen. Darüber hinaus bildet sich bei der Bewegung des Magneten 3 kein Restfilm aus Ferrofluid auf der Oberfläche des Gehäuses 1 von den Ferrofluidringen 1 und 4. Der Magnet 3 wird von den zwei Ferrofluidringen 1 und 4 dauerhaft in Schwebe gehalten, ohne dass es mit der Zeit zu einer Verschlechterung kommt.
4 zeigt einen Mechanismus für die Erkennung der Position des Sensormagneten. Die Ferrofluidsensor-Baugruppe ist gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung in der selben Weise konstruiert, wie dies in 3 dargestellt ist. Sie umfasst einen Permanentmagneten 3, der in einem hermetisch abgedichteten Gehäuse 2 von Ferrofluidringen 1 und 4 gehalten wird, welche sich an beiden Enden des Magneten 3 befinden. Das Gehäuse 2 ist mit einer nicht magnetischen Flüssigkeit 7 gefüllt, welche mit dem Ferrofluid in den Ringen 1 und 4 nicht vermischbar ist. 4 zeigt Induktionsspulen 8, die rund um das Gehäuse 2 angeordnet sind, und welche die Position des Sensormagneten 3 erkennen.
Die Position des Magneten in der Sensor-Untergruppe beeinflusst die Induktanz der Spule 8, wodurch ein elektrisches Signal erzeugt wird, welches von der Position des Magneten 3 abhängt. Eine herkömmliche elektronische Verarbeitung dieses Signals führt zu Informationen über die Vibrationsstärke oder Neigung des Gehäuses 2.
5 zeigt eine Ausführungsform, in der die Position des Sensormagneten 3 von Hall-Effekt-Bauelementen 9 und 10 erkannt wird. Diese arbeiten nach herkömmlicher Weise, um Änderungen im Magnetfeld zu erkennen, das vom Magneten 3 erzeugt wird, und auf diese Weise dessen Position zu bestimmen.
Es wurde ein Test mit einer Untergruppe durchgeführt, deren Gehäuse 2 aus einer Glasröhre mit einer Länge von 40 mm, einem Außendurchmesser von 8 mm und einem Innendurchmesser von 6 mm bestand. Das Ge häuserohr 2 war an einem Ende geschlossen. Als nicht magnetische Flüssigkeit 7 wurde eine Mischung von 50 zu 50 nach Volumen aus deionisiertem Wasser und Isopropanol verwendet. Der Magnet 3 bestand aus einem axial polarisierten, zylindrischen Alnico 5-Magneten 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 beruhenden Ferrofluid mit einer Magnetisierung von 325 Gauß und einer Viskosität von weniger als 5 cP bei 27°C.
Das Gehäuserohr 2 wurde zuerst mit der 50/50 Mischung 7 aus Wasser und Isopropanol zwei Mal gespült und anschließend mit der 50/50 Mischung 7 aus Wasser und Isopropanol gefüllt. Der Magnet 3 wurde mit der Mischung 7 gereinigt. Der Magnet 3 wurde mit Heptan und Isopropanol gereinigt, um Unreinheiten zu beseitigen, und anschließend in das Rohr 2 gegeben. Ungefähr 25 Mikroliter des Ferrofluids wurden zu jedem Pol des Magneten mit einem Mikrodispenser hinzugegeben. Das offene Ende des Rohrs 2 wurde anschließend mit einem Stopfen abgedichtet. Es wurde jedoch eine kleine Luftblase innerhalb des Rohrs 2 belassen, um eine Ausdehnung der Mischung 7 zu ermöglichen.
Die zuvor beschriebene Gruppe wurde über einen Zeitraum von sechs Monaten getestet, um herauszufinden, ob die Kolloidstabilität des Ferrofluids durch die unvermischbare Mischung 7 beeinflusst wurde. Weiters wurde in diesem Zeitraum auch geprüft, ob sich das Ferrofluid mit der Mischung 7 mit der Zeit vermischt. Durch weitere Tests wurde überprüft, ob durch die Bewegung des Magneten ein Ferrofluid-Film auf der Wand des Rohrs gebildet wird. Es traten allerdings keine dieser Probleme in der Baugruppe auf. Der Magnet sprach am Ende der Testdauer genauso rasch auf Vibrationen an wie am ersten Tag der Testdauer.
Diese zuvor beschriebene Baugruppe wurde auch als Ersatz als Vibrationssensor für einen auf Quecksilber basierenden Sensor getestet, und es hat sich gezeigt, dass dies ein geeigneter Ersatz ist. Der Magnet in der Baugruppe bietet eine ähnlich hohe Leitfähigkeit wie das Quecksilber, und die Schwebekraft des Magneten, welche auf die Ferrofluids in Gegenwart der niedrigviskosen, unvermischbaren Flüssigkeit einwirkt, ermöglicht eine ebenso reibungslose Bewegung des Magneten, wie die reibungslose Bewegung der Quecksilberstange.
Wenngleich die Erfindung im Hinblick auf verschiedene bevorzugte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, versteht es sich doch von selbst, dass die zuvor genannten wie auch andere Änderungen an Form und Einzelheiten im Umfang der Erfindung liegen, wie sie in den Ansprüchen definiert ist.
So können zum Beispiel Gehäuse und Magnet eine andere Form aufweisen, auch wenn diese Elemente hier als zylindrisch beschrieben wurden. Diese und andere offensichtliche Modifikationen sind im Umfang der folgenden Ansprüche enthalten.

Claims

Ein Ferrofluid-Sensor mit einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse (2), das eine Innenwandung mit einer inneren Dimension aufweist, mit einem Permanentmagnet (3), der ein Paar Pole (N, S) aufweist zur Erzeugung eines Magnetfeldes, mit Ferrofluidringen (1, 4), die den Magnet (3) tragen, wobei der Magnet (3) im Gehäuse beweglich ist, und mit einem Detektor (8) zum Feststellen einer Position des Magneten in dem Gehäuse (2), gekennzeichnet dadurch, dass die Innenwandung des Gehäuses mit einem Material beschichtet ist, das für Ferrofluid nichtbenetzend ist, und dass die Ferrofluidringe (1, 4) an jedem der Magnetpole (N, S) angeordnet sind, jeder Ferrofluidring (1, 4) besteht aus Ferrofluid, das durch das Magnetfeld an seinem Ort gehalten wird, und weist eine äußere Dimension auf, die kleiner ist als die Dimension der Innenwandung des Gehäuses, so dass die Ferrofluidringe die Magnetpole (N, S) gegenüber dem Gehäuse (2) nicht abdichten.
Der Ferrofluid-Sensor nach Anspruch 1, worin des Gehäuse mit einer nichtmagnetischen Flüssigkeit (7) gefüllt ist, die mit dem Ferrofluid (1, 4) nicht mischbar ist.
Der Ferrofluid-Sensor nach Anspruch 2, worin das nichtbenetzende Material eine Schicht der Flüssigkeit (7) auf der Innenwandung des Gehäuses umfasst.
Der Ferrofluid-Sensor nach Anspruch 2, worin das Ferrofluid (1, 4) magnetische Partikel umfasst, die in einer Trägerflüssigkeit mit einer Viskosität suspendiert sind, und worin die nichtmagnetische Flüssigkeit (7) eine viskosität aufweist, die geringer ist als die Viskosität des Ferrofluids.
Der Ferrofluid-Sensor nach Anspruch 4, worin die Trägerflüssigkeit Perfluorpolyether mit niedrigem Molekulargewicht enthält.
Der Ferrofluid-Sensor nach Anspruch 2–5, worin die nichtmagnetische Flüssigkeit (7) eine Mischung aus Wasser und Alkohol ist.
Der Ferrofluid-Sensor nach Anspruch 1, worin der Magnet (3) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Der Ferrofluid-Sensor nach Anspruch 1, worin das Gehäuse (2) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Der Ferrofluid-Sensor nach Anspruch 1, worin der Detektor (8) wenigstens eine induktive Spule umfasst, die das Gehäuse (2) umgibt.
Der Ferrofluid-Sensor nach Anspruch 1, worin der Detektor wenigstens einen Halleffekt-Sensor (9) umfasst.
Der Ferrofluid-Sensor nach Anspruch 1, worin der Detektor ein optischer Detektor ist.
Der Ferrofluid-Sensor nach einem der vorausgehenden Ansprüche, worin das Gehäuse (2) nichtmagnetisch ist.