EP1444498A2 - Device and method for determining the quality a medium, particularly of a lubricant and/or coolant - Google Patents

Device and method for determining the quality a medium, particularly of a lubricant and/or coolant

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EP1444498A2
EP1444498A2 EP02802294A EP02802294A EP1444498A2 EP 1444498 A2 EP1444498 A2 EP 1444498A2 EP 02802294 A EP02802294 A EP 02802294A EP 02802294 A EP02802294 A EP 02802294A EP 1444498 A2 EP1444498 A2 EP 1444498A2
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EP
European Patent Office
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medium
sensor
substrate
temperature
quality
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02802294A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Stephanus BÜTTGENBACH
Hans-Heinrich Harms
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Hydac Electronic GmbH
Original Assignee
Hydac Electronic GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a device and a method for determining the quality of a medium, in particular a lubricant and / or coolant.
  • Media in the sense of the present invention are frequently and in particular also used in drive technology, for example as a lubricant and / or coolant.
  • Properties of the medium which determine the quality of the medium for example the reduction in the coefficient of friction, are used. These properties are subject to internal and external influences, for example aging due to light, air, operating temperature, changes in temperature, contamination, etc. Proper operation requires a minimum quality of the medium, below which the medium must be replaced. In practice, the medium is often exchanged after a specified period of time or operating hours.
  • a lubricating oil monitoring device which detects the parameters pressure, temperature and viscosity of the lubricating oil in situ.
  • the proportion of long-chain molecules relevant to lubrication in relation to the proportion of already “used” molecules, and therefore the viscosity of the lubricating oil, is determined from a measurement of the
  • Dielectric constant is determined, the data required for this being made available in a storage unit from the experimentally determined relationship between the dielectric constant and the technical lubricity of the oil.
  • DE 197 06 486 A1 shows a device and a method for determining the aging state of liquid media. At least one state parameter of the liquid medium is recorded during a first period in which the liquid medium has the initial state and during at least a second period following in time, and the two recorded states are compared with one another. The state of the liquid medium is determined from the result of this comparison.
  • DE 198 50 799 A1 shows a sensor arrangement for determining physical properties of liquids. Surface waves are excited and detected with electro-acoustic transducers on the polished surface of a substrate plate of homogeneous thickness made of a piezoelectric material. From the
  • Propagation characteristics of the surface waves can be concluded from the viscosity of the medium to be examined.
  • DE 101 08 576 A1 discloses a method and a device for temperature compensation of a piezoelectric device which is used as an actuator, for example as a positioning or drive device of a valve control system.
  • the invention is based on the problem of providing a device and a method for determining the quality of a medium, in particular a lubricating and / or cooling oil, which overcomes the disadvantages of the prior art.
  • the quality of the medium should be reliably determinable, even when the temperature of the medium is higher than the environment.
  • the invention is achieved by a device for determining the quality of a medium, in particular a lubricant and / or coolant, for example a lubricating and / or cooling oil, with a plurality of sensors which can be immersed in the medium and which transmit an electrical output signal Output depending on the respective sensor-specific input variable, wherein a sensor is a temperature sensor that emits an output signal that essentially only has a dependency on the temperature of the medium and in particular is essentially independent of the quality of the medium, and at least one further sensor an output signal emits, which has a dependency both on the quality of the medium and on the temperature of the medium, and wherein the plurality of sensors are arranged on a common substrate and are thereby thermally coupled to one another.
  • a sensor is a temperature sensor that emits an output signal that essentially only has a dependency on the temperature of the medium and in particular is essentially independent of the quality of the medium
  • at least one further sensor an output signal emits which has a dependency both on the quality of the medium and on
  • the medium can in particular be a gas or a fluid, for example a fluid that is produced from a renewable raw material.
  • the temperature influence is recorded and made available as a measured variable.
  • This temperature measurement value can be taken into account accordingly when evaluating the output signal of the further sensor, in which the temperature occurs as a disturbance variable.
  • the arrangement of the sensors on a common substrate which ensures good thermal coupling of the two sensors, ensures that the temperature measured by the temperature sensor is essentially identical to the temperature of the further sensor. This is in particular an advantage over a corresponding device in which the temperature sensor and the further sensor are designed as discrete components, which are also at a significant spatial distance from one another.
  • the sensors are preferably miniaturized in thick-film, hybrid or preferably thin-film technology, so that the spatial distance of the temperature sensor from the further sensor is a few millimeters, for example less than 5 mm. This ensures, even with flows in the medium, that the temperature sensor and the further sensor always have the substantially same temperature, namely the temperature of the medium.
  • the temperature sensor is preferably a resistance thermometer, the resistance path of which is applied to the substrate and is electrically insulated from the medium, but has good thermal coupling to the medium.
  • the resistance track is covered by a very thin layer of an electrically insulating material. The thinner this layer, the lower its heat capacity and the faster the temperature sensor reacts to temperature changes in the medium.
  • the use of a resistance thermometer is advantageous because it enables relatively low-resistance output signals with high interference immunity to be provided, in particular with respect to electromagnetic interference pulses.
  • a current can be impressed into the resistance thermometer, for example, and the voltage drop across the temperature sensor is a measure of the temperature.
  • the preferably metallic resistance track is applied to the substrate as a structured thin layer in the form of a meander.
  • the further sensor can be, for example, an electrically excitable mechanical vibrating body, the resonance frequency of which depends, among other things, on the damping by the medium, which in turn is in turn a parameter for the quality of a medium.
  • the damping is dependent on the viscosity and density of the medium and the vibrating body thus measures a variable which is dependent on the viscosity or density and is in particular proportional to this.
  • the excitation to vibrate can alternatively or additionally also take place in another way, for example acoustically, optically or the like. A different degree of attenuation changes the resonance frequency, which is typically in the range of a few to a few 10 MHz.
  • the mechanical vibrating body can have different suitable geometries, for example also the shape of a fork (vibrating fork). However, plate-like or disk-shaped substrates are particularly simple and robust, which have electrodes for vibration excitation on the opposite surfaces.
  • the substrate is preferably piezoelectric, ie when an electric field is applied, there are displacements in the crystal and thus changes in the shape of the substrate.
  • Quartz crystals (Si0 2 ) from which substrates are cut out in a so-called AT cut are particularly suitable. If the electrodes are arranged on opposing surfaces of the substrate, this occurs
  • Thick shear vibrations the higher the resonance frequency, the thinner the substrate.
  • Typical thicknesses of the substrate are in the range between 10 and 500 ⁇ m, for example approximately 100 ⁇ m.
  • the resonance frequency can be increased by preferably local thin etching; this usually reduces the quality of the vibrating body.
  • the relationship between the measurement signal, ie the shift ⁇ f of the resonance frequency f, the thickness d and the quality Q of the Dickerscherschwinger, is usually such that the shift ⁇ f with the resonance frequency f increases, ie the sensitivity is increased with increasing resonance frequency f.
  • the resonance frequency f increases with decreasing thickness d, for example f ⁇ 1 / d.
  • the quality Q decreases with increasing resonance frequency f, for example Q ⁇ 1 / f. The lower the quality Q, the stronger the noise that limits the measurement resolution. From these relationships, the following optimization method results when designing the device: First, the thickness d of the vibrating body is reduced and thus the resonance frequency f is increased. This increases the difference in the measurement signals for new and used medium. However, since the quality Q of the vibrating body decreases, the noise increases and the measurement error in determining the resonance frequency f increases. The optimum thickness d can be determined from these parameters for each application.
  • the device can have a second further sensor, by means of which the dielectric constant of the medium can be determined, which can be evaluated as a measure of the quality of the medium, for example due to the accumulation of moisture and / or abrasion particles.
  • This second further sensor is also preferably applied to the substrate using thin-film technology. Electrical insulation of the interdigitated or tine-shaped electrodes of the capacitor is not absolutely necessary, but is advantageous for many applications. As with the resistance thermometer, the insulation can be provided by an electrically insulating thin covering layer.
  • a conductivity sensor is arranged on the substrate as the third further sensor, with which the electrical conductivity of the medium can be determined, which is caused, for example, by the enrichment with metallic Abrasion particles or by changing the acid components of a fluid can be changed, for example increased.
  • the electrodes of the conductivity sensor are also applied to the substrate using thin-film technology and contact the medium, for example, via comb-like, laterally interdigitated and prong-shaped electrodes.
  • a moisture sensor is arranged on the substrate as the fourth further sensor, the electrodes of which are also applied using thin-film technology and are covered by a moisture-absorbing layer. Moisture from the medium may accumulate in this layer and thereby change the dielectric properties of the layer, which is, for example, a polymer plastic.
  • the invention is also achieved by a method for determining the quality of a medium using a device according to the invention, the output signals of the sensors being fed to an evaluation device which compares the output signal of the further sensor with an expected value dependent on the temperature of the medium, and that Output result of the comparison output signal.
  • the respective temperature at which the output signal of the further sensor is compared with the associated expected value can be predefined, in particular a temperature which is at each
  • Operating cycle is reached, for example 40 ° C.
  • the output signal can in each case be reached when the predetermined temperature is reached further sensor with the expected value to be able to make a statement about the quality of the medium.
  • a corresponding expected value can be stored in the evaluation device for practically every temperature that the medium reaches in an operating cycle.
  • These expected values can be predefined and can be obtained empirically, for example.
  • these expected values can be calculated taking into account the temporal course of the temperature of the medium, possibly starting from a fixed, predetermined starting value, and can be changed accordingly. For example, different operating cycles with different individual operating times can be taken into account, which have a different influence on the quality of the medium on the one hand and on the output signal of the further sensor on the other hand.
  • information can be stored in the evaluation device to the effect that, given a certain course of the temperature over time, a measured output signal of the further sensor still determines a sufficiently high quality of the medium, while the same output signal of this sensor with a different temporal course of the temperature of the medium represents an insufficient quality of the medium over time.
  • the associated expected values can preferably be stored in the evaluation device, which for this purpose has a microprocessor and associated electronic storage means.
  • a plurality of further sensors are arranged on the substrate, the output signals of which determine further parameters of the medium and with respective associated expected values be compared. If, for example, the viscosity is determined by the resonance frequency of the mechanical vibrating body, the dielectric constant by the capacitor, the electrical conductivity by the conductance sensor and the moisture content of the medium by the moisture sensor, these four parameters can be used to decide whether the quality of the medium is still sufficient and which output signal is to be emitted accordingly.
  • This decision can be made simply in accordance with the majority of the output signals of the further sensors, for example if at least three of the four further sensors emit a corresponding output signal.
  • the output signal which is no longer sufficient or at least critical of the quality of the medium, can also be made dependent on the fact that a specific one of the further sensors emits a corresponding output signal, for example the mechanical vibrating body.
  • the decision criteria can also be made dependent on the time profile of the temperature of the medium. In many applications it is sufficient if the output signal to be displayed only differentiates between "GOOD”, "MEDIUM” or "BAD".
  • Fig. 1 shows a plan view of a device according to the invention
  • Fig. 2 shows a section II-II through the device of Fig. 1
  • Fig. 3 shows the typical course of the resonance frequency f
  • Fig. 4 shows different temperature dependencies of the
  • FIG. 5 shows the course of the electrical resistance R measured by the conductance sensor over the temperature T
  • FIG. 6 shows the course of the measured capacitance C over the temperature T
  • Fig. 7 shows a schematic representation of the invention
  • FIG. 1 shows a top view of a device 1 according to the invention for determining the quality of a medium, in particular a lubricating and / or cooling oil, with a plurality of sensors 3, 4, 5, 6 arranged on a common substrate 2 which can be immersed in the medium. 7, which emit an electrical output signal depending on the respective sensor-specific input variable.
  • a medium in particular a lubricating and / or cooling oil
  • a sensor is a temperature sensor 7, which emits an output signal that is essentially only dependent on the temperature T of the medium and, in particular, is essentially independent of the quality of the medium. At least one further sensor 3, 4, 5, 6 emits an output signal which is dependent on both the quality of the medium and the temperature T of the medium. All sensors 3, 4, 5, 6, 7 are thermally very well coupled to one another due to their design as thin-film sensors and arrangement on the common substrate 2.
  • the temperature sensor 7 is a resistance thermometer, the resistance path 8 of which is applied to the substrate 2 in the form of a meander.
  • the substrate 2 is a single-crystal quartz with a so-called AT cut, the surface 9 of which forms an xz plane.
  • the substrate 2 is preferably rectangular and square in the exemplary embodiment shown.
  • the length of an edge 10 is typically between 2 and 20 mm, preferably about 5 mm.
  • the edge 10 is inclined with respect to the crystallographic z-axis by typically about 35 ° in the direction of the x-axis.
  • the thickness of the substrate 2 is typically between 50 ⁇ m and 1 mm, preferably between 100 and 200 ⁇ m.
  • the substrates 2 are purchased with predeterminable external dimensions as a semi-finished product, provided on both sides with a metallization, which is then structured in a photolithographic manner and can serve as a mask for preferably wet-chemical etching and above all as a conductor track and electrical connection surface.
  • the metallization is preferably a chromium / gold layer, the chromium essentially acting as a thin adhesion promoter for the gold layer on the quartz substrate, which provides the actual electrical conductivity and is corrosion-resistant.
  • a large number of devices 1 according to the invention are preferably produced on a single quartz plate “in use”, which is separated into devices 1 after completion of the thin-layer structuring, for example by means of cut-off or sawing. applied and connected to the conductor tracks provided there.
  • the electrical contact points and conductor tracks can be provided with a seal as far as possible, for example with an epoxy adhesive.
  • a rear side of the substrate 2 can delimit a space that can be ventilated and sealed off from the medium.
  • media under pressure can also be reliably assessed and damping of the vibrating body which falsifies the result due to the carrier plate or an enclosed gas or fluid volume is prevented.
  • the temperature sensor 7 is designed as a resistance thermometer with a meandering resistance track 8 through which two
  • Connection electrodes 1 1 of the temperature sensor 7 are connected to each other.
  • the thickness of the resistance track 8 is between 20 and 1000 nm, preferably between 100 and 500 nm, in particular about 250 nm. This results in typical sheet resistances in the order of 0.1 ohms.
  • the length of the meander is preferably chosen so that there is a resistance of about 200 ohms to 2 kilohms at room temperature. This allows z. B. when impressing a current of 1 mA, an output voltage of the order of 1 volt can be reached, which is sufficiently low-resistance and yet prevents the self-heating of the temperature sensor 7 due to the measurement.
  • Output voltage of the temperature sensor 7 is a measure of the temperature of the substrate 2 and thus of the medium.
  • the substrate is preferably coated with a inorganic insulating layer covered, for example by plasma-assisted deposition of Si0 2 from the gas phase (PECVD-Si0 2 ).
  • the layer thickness is only chosen so large that electrical insulation of the resistance track 8 is ensured.
  • the cover layer should be as thin as possible in order to ensure good thermal coupling of the resistance track 8 to the medium.
  • the thickness of the defense layer are between 100 nm and 1000 nm, preferably between 300 and 600 nm.
  • An essentially circular metallic electrode 12 is arranged in the center on the surface 9 of the front side of the substrate 2, the type and layer thickness of which preferably corresponds to the resistance track 8 and can be produced simultaneously with the latter.
  • a connecting path 13 is guided to one of the edges 10, via which the electrode 12 can be electrically contacted from the edge of the substrate 2.
  • FIG. 2 shows a section II-II through the device 1, in particular through the substrate 2, of FIG. 1.
  • the metallization of the electrode 12 or connecting path is on the surface 9 of the front of the substrate 2 13 shown.
  • a further electrode 14 is arranged in the area corresponding to the electrode 12, which can be contacted via a further connection path 15, preferably of the same edge 10 of the substrate 2 as the electrode 12 on the surface 9.
  • the substrate 2 is excited to vibrate, in the illustrated embodiment when using an AT cut in the form of a Dickerscherschwingers, as indicated by the arrows 16.
  • the movement nodes of this thickness shear vibration lie in the essentially on the neutral zone indicated by the dashed line 17 and running in the substrate 2.
  • the substrate 2 was thinly etched locally, in particular in the center, preferably by anisotropic wet chemical etching, so that the substrate 2 is thinner in a first region 18 in which the electrodes 12, 14 are arranged than in one of the others
  • the masking for the local thin etching is preferably carried out via the metallization of the substrate 2, which can also be used for the formation of the electrodes 12, 14 or, for example, the resistance track 8.
  • Temperature T of the medium also have a dependency on the parameters determining the quality of the medium.
  • the dielectric constant of the medium can be determined by means of the capacitor 5.
  • the capacitor 5 has interdigitated comb electrodes 20, 21 which are electrically insulated from one another and which are likewise formed from the material of the resistance track 8.
  • a typical width of the conductor tracks of the comb electrodes 20, 21 is between 5 and 50 ⁇ m, in particular about 20 ⁇ m.
  • the number and length of the comb electrodes 20, 21 determine the basic capacitance of this sensor 5, which should not be chosen too small for measurement reasons.
  • This basic capacity is typically between 2 and 20 picofarads, preferably between 5 and 10 picofarads.
  • An electrically insulating covering of the electrodes 20, 21 would not be absolutely necessary for the capacitor 5, but in many cases it would be advantageous and harmless, since the capacitance covering caused by the covering is small and essentially independent of the temperature and on the other hand protects against corrosion.
  • a conductance sensor 6 is arranged on the substrate 2, which likewise has interdigitated comb electrodes 22, 23 and, except for the difference that these electrodes do not have an electrically insulating cover, but rather contact the medium electrically, is constructed identically to the capacitor 5th
  • the resistance values to be expected for a typical medium, in particular for a lubricant obtained from renewable raw materials, such as rapeseed oil, are between 1 MOhm and 20 MOhm, for example about 5 MOhm.
  • the measuring frequency should be sufficiently high to be able to reliably determine resistance values even at lower temperatures. On the other hand, the measurement frequency should not be chosen too high, because otherwise the influence of the quality of the medium on the resistance value is no longer so evident.
  • Favorable measuring frequencies are between 100 Hz and 1 MHz, preferably between 1 kHz and 100 kHz.
  • measurements at different frequencies may also be advantageous, since different contaminations can influence the conductivity and the dielectric constant differently in different frequency ranges.
  • the measurement with Alternating signals have the advantage that electrochemical processes in the medium are essentially excluded.
  • a moisture sensor 4 is arranged on the substrate 2, the interlocking comb electrodes 24, 25 of which are also constructed identically to the capacitor 5, but here are provided with a moisture-absorbing cover layer, for example with a polymer plastic. By absorbing moisture in the cover layer, the measurable capacitance changes, so that the capacitance value measured for the moisture sensor 4 is a measure of the proportion of moisture in the medium and thus of its quality.
  • connection paths of all sensors 3, 4, 5, 6, 7 are preferably guided to an edge 10 of the substrate 2, where they form corresponding connection surfaces (pads), via the external connection lines or
  • connection surfaces of the sensors 4, 5, 6, 7 are arranged on two opposite edges 10 of the substrate 2.
  • the device 1 When immersed in the medium, the device 1 is fixed on a carrier board in such a way that only the electrode 12 on the front side 9 comes into contact with the medium.
  • the electrode 12 is preferably placed at ground potential in order to avoid electrochemical processes in this medium.
  • the further electrode 14 on the back of the substrate 2 should not touch the carrier board, even in the case of non-etched substrates 2, but rather should be at a sufficient distance from it, otherwise a additional damping occurs.
  • the device 1 should be fixed on a carrier board in such a way that the vibrating body 3 vibrates as freely as possible, for example the substrate 2 can only be firmly clamped at the edges 10 and only there selectively. If the medium to be examined is under significant pressure, this must also be taken into account when evaluating the output signals of the device 1.
  • the measurement curve 26 represents unused medium, whereas the measurement curve 27 represents the same medium after 1000 operating hours.
  • the standard deviations associated with the measured values of the measurement curves 26, 27 tend to decrease with increasing temperature. As a result, the difference in oil quality at higher temperatures, for example in the range of 60 ° C. and above, can be detected more reliably.
  • the measurement curves 26, 27 were determined using a device 1, the substrate 2 of which was locally thinly etched.
  • the associated resonance frequency f was in the range of approximately 50 MHz.
  • the changes in the resonance frequency f over the temperature range shown are of the order of about 20 kHz.
  • the sensitivity of the vibrating body 3 is decisive for the distance between the two measurement curves 26, 27; the higher the sensitivity of the vibrating body 3, the more different are the measured values for unused and used medium.
  • Resonance frequencies f between 10 and 50 MHz have proven to be particularly favorable, preferably about 20 MHz.
  • the course of the measurement curves 26, 27 is also dependent on the course of the temperature dependence of the fundamental frequency fO of the vibrating body 3 itself, i.e. without surrounding medium, determined. 4 shows various temperature dependencies of the basic frequency f0, the angle ⁇ of the crystal section being the parameter of the family of curves shown.
  • the course of the measurement curves 26, 27 shown in FIG. 3 can basically be set by selecting an appropriate angle ⁇ , the distance between the two measurement curves 26, 27 at a given temperature T becoming more and more important in determining the quality of the medium, than on their respective course over the temperature T.
  • the 5 shows a typical course of the electrical resistance R measured by the conductance sensor 6 over the temperature T, the measurement curve 28 representing unused medium and the measurement curve 29 representing medium with an operating time of 1000 hours.
  • the measuring frequency is about 10 kHz.
  • the resistance values of the unused medium decreased from about 50 MOhm at 20 ° C to about 20 MOhm at 80 ° C.
  • the measurement curve 30 represents the measurement values of the unused medium
  • the measurement curve 31 represents the measurement values of the medium after 1000 operating hours.
  • the capacity of the medium increases with decreasing quality.
  • the capacitance values were determined at a measuring frequency of 100 kHz, where there are sufficiently stable measurement results.
  • the capacitance values vary, for example, between about 5.5 picofarads at 20 ° C and about 6.5 picofarads at 80 ° C. With increasing operating time, the capacity values of the medium increase significantly over the entire temperature range.
  • the resonance frequency f of the vibrating body 3 together with the temperature T of the medium, determined by the temperature sensor 7, is fed to a first test step 40. It is checked whether, at the measured temperature T, the measured resonance frequency f is an indication of a reduced or even poor quality of the medium. If the result of this test is NO (N), the first test step 40 is repeated permanently or at predeterminable time intervals. If, on the other hand, the result of this test step is YES (Y), the quality of the medium is checked again.
  • Humidity sensor 4 humidity H
  • the capacitor 5 capacitor 5
  • the conductance sensor 6 resistance R
  • Evaluation circuit 44 supplied and evaluated there according to a predefinable evaluation key.
  • the evaluation key can stipulate that only if none of the further test steps 41, 42, 43 signals that the expected value has been reached, and thus a significant impairment of the quality of the medium, the evaluation circuit 44 emits an output signal that is of a sufficiently high quality of the medium displays, for example by lighting up a green signal lamp 45, for example a corresponding light-emitting diode (LED).
  • a green signal lamp 45 for example a corresponding light-emitting diode (LED).
  • the evaluation circuit 44 switches to a yellow signal lamp 46.
  • the red signal lamp 47 lights up and, in addition, the evaluation circuit 44 can emit an acoustic signal.
  • the evaluation circuit 44 can cause the associated device to be switched off or in any case prevent it from being switched on again, at least depending on acknowledgment of the knowledge of the associated alarm signal.
  • the evaluation circuit 44 has a corresponding number of input channels and connection options and is preferably designed as a programmable controller using a microprocessor.
  • the measurement of the resonance frequency is of particular importance; if necessary, it forms a trigger for the subsequent measurements.
  • the other sensors can also perform this trigger function.
  • An alternative evaluation key looks, for example, in such a way that two threshold values are defined for each parameter.
  • the time course of the measurement signals from the sensors or the parameters is monitored.
  • the parameter is completely harmless below the first respective threshold value.
  • the parameter is increased between the first and the second threshold value, but not yet critical.
  • the parameter is critical above the second threshold.
  • exceeding the second threshold value of a single parameter triggers the alarm or the red signal lamp 47 lights up. If no parameter exceeds the second threshold value and a majority of the parameters exceeds the respective first threshold value lights up the yellow signal lamp 46. If no parameter exceeds the respective second threshold value and a majority of the parameters does not exceed the first threshold value, the green signal lamp 45 lights up.

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Abstract

The invention relates to a device (1) for determining the quality a medium, particularly of a lubricant and/or cutting oil, comprising a number of sensors (3, 4, 5, 6, 7) that output an electric output signal according to the respective sensor-specific input variable. One sensor is a temperature sensor (7) that outputs an output signal, which is essentially only dependent on the temperature (T) of the medium and is essentially independent of, in particular, the quality of the medium. At least one other sensor (3, 4, 5, 6) outputs an output signal that is dependent on both the quality of the medium as well as the temperature (T) of the medium. The sensors (3, 4, 5, 6, 7) are placed on a shared substrate (2) that can be immersed in the medium. The invention also relates to an associated method.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Qualität eines Mediums, insbesondere eines Schmier- und/oder Kühlmittels Device and method for determining the quality of a medium, in particular a lubricant and / or coolant
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Qualität eines Mediums, insbesondere eines Schmier- und/oder Kühlmittels.The invention relates to a device and a method for determining the quality of a medium, in particular a lubricant and / or coolant.
Medien im Sinne der vorliegenden Erfindung werden häufig und insbesondere auch in der Antriebstechnik eingesetzt, beispielsweise als Schmier- und/oder Kühlmittel. Dabei werden Eigenschaften des Mediums ausgenützt, welche die Qualität des Mediums bestimmen, beispielsweise die Herabsetzung von Reibungskoeffizienten. Diese Eigenschaften unterliegen inneren und äußeren Einflüssen, beispielsweise einer Alterung durch Licht, Luft, Betriebstemperatur, Temperaturwechsel- Beanspruchungen, Verunreinigungen usw.. Ein ordnungsgemäßer Betrieb erfordert eine Mindestqualität des Mediums, bei deren Unterschreiten das Medium ausgetauscht werden muß. Häufig erfolgt in der Praxis ein Austausch des Mediums nach einer vorgegebenen Zeitdauer oder Betriebsstundendauer.Media in the sense of the present invention are frequently and in particular also used in drive technology, for example as a lubricant and / or coolant. Properties of the medium which determine the quality of the medium, for example the reduction in the coefficient of friction, are used. These properties are subject to internal and external influences, for example aging due to light, air, operating temperature, changes in temperature, contamination, etc. Proper operation requires a minimum quality of the medium, below which the medium must be replaced. In practice, the medium is often exchanged after a specified period of time or operating hours.
BESTÄTIGÜSS1GSKOP1E Soweit aus dem Stand der Technik Sensoren zur Ermittlung von die Qualität des Mediums bestimmenden Parametern bekannt sind, ist es von Nachteil, daß das Ausgangssignal dieser Sensoren auch eine große Abhängigkeit von der Temperatur des Mediums aufweist. Versucht man diese Temperaturabhängigkeit dadurch zu eliminieren, daß man den qualitätsbestimmenden Parameter im kalten Betriebszustand mißt, ist es von Nachteil, daß dieser kalte Zustand in der Regel nicht dem eigentlichen Betriebszustand entspricht, in dem die Qualität des Mediums maßgeblich ist.BESTÄTIGÜSS1GSKOP1E Insofar as sensors for determining parameters determining the quality of the medium are known from the prior art, it is disadvantageous that the output signal of these sensors also has a large dependence on the temperature of the medium. If one tries to eliminate this temperature dependency by measuring the quality-determining parameter in the cold operating state, it is disadvantageous that this cold state generally does not correspond to the actual operating state in which the quality of the medium is decisive.
Aus der DE 41 31 969 A1 ist eine Schmierölüberwachungseinrichtung bekannt, welche die Parameter Druck, Temperatur und Viskosität des Schmieröls in situ erfaßt. Der Anteil schmierungsrelevanter langkettiger Moleküle im Verhältnis zu dem Anteil bereits „verbrauchter" Moleküle, und mithin die Viskosität des Schmieröls, wird aus einer Messung derFrom DE 41 31 969 A1 a lubricating oil monitoring device is known which detects the parameters pressure, temperature and viscosity of the lubricating oil in situ. The proportion of long-chain molecules relevant to lubrication in relation to the proportion of already "used" molecules, and therefore the viscosity of the lubricating oil, is determined from a measurement of the
Dielektrizitätskonstante bestimmt, wobei die hierfür benötigten Daten aus dem experimentell ermittelten Zusammenhang zwischen der Dielektrizitätskonstante und der technischen Schmierfähigkeit des Öles in einer Speichereinheit zur Verfügung gestellt werden.Dielectric constant is determined, the data required for this being made available in a storage unit from the experimentally determined relationship between the dielectric constant and the technical lubricity of the oil.
Die DE 197 06 486 A1 zeigt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen des Alterungszustands flüssiger Medien. Dabei wird mindestens ein Zustandsparameter des flüssigen Mediums während einer ersten Periode, in der das flüssige Medium den Ausgangszustand aufweist, und während mindestens einer zweiten, zeitlich nachfolgenden Periode erfaßt, und die beiden erfaßten Zustände werden miteinander verglichen. Aus dem Ergebnis dieses Vergleichs wird der Zustand des flüssigen Mediums ermittelt. Die DE 198 50 799 A1 zeigt eine Sensoranordnung zur Ermittlung physikalischer Eigenschaften von Flüssigkeiten. Auf der polierten Oberfläche einer Substratplatte homogener Dicke aus einem piezoelektrischen Werkstoff werden mit elektro-akustischen Wandlern Oberflächenwellen angeregt und detektiert. Aus derDE 197 06 486 A1 shows a device and a method for determining the aging state of liquid media. At least one state parameter of the liquid medium is recorded during a first period in which the liquid medium has the initial state and during at least a second period following in time, and the two recorded states are compared with one another. The state of the liquid medium is determined from the result of this comparison. DE 198 50 799 A1 shows a sensor arrangement for determining physical properties of liquids. Surface waves are excited and detected with electro-acoustic transducers on the polished surface of a substrate plate of homogeneous thickness made of a piezoelectric material. From the
Ausbreitungscharakteristik der Oberflächenwellen kann auf die Viskosität des zu untersuchenden Mediums geschlossen werden.Propagation characteristics of the surface waves can be concluded from the viscosity of the medium to be examined.
Aus der DE 101 08 576 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Temperaturkompensation einer piezoelektrischen Vorrichtung bekannt, die als Aktuator eingesetzt wird, beispielsweise als Positionierungs- oder Antriebseinrichtung eines Ventilsteuersystems.DE 101 08 576 A1 discloses a method and a device for temperature compensation of a piezoelectric device which is used as an actuator, for example as a positioning or drive device of a valve control system.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Qualität eines Mediums bereitzustellen, insbesondere eines Schmier- und/oder Kühlöls, das die Nachteile des Standes der Technik überwindet. Insbesondere soll die Qualität des Mediums zuverlässig bestimmbar sein, auch bei einer gegenüber der Umgebung erhöhten Temperatur des Mediums.The invention is based on the problem of providing a device and a method for determining the quality of a medium, in particular a lubricating and / or cooling oil, which overcomes the disadvantages of the prior art. In particular, the quality of the medium should be reliably determinable, even when the temperature of the medium is higher than the environment.
Die Erfindung ist durch die im Anspruch 1 bestimmte Vorrichtung sowie durch das im nebengeordneten Anspruch bestimmte Verfahren gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen bestimmt.The invention is solved by the device defined in claim 1 and by the method defined in the independent claim. Particular embodiments of the invention are defined in the subclaims.
Die Erfindung ist gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung der Qualität eines Mediums, insbesondere eines Schmier- und/oder Kühlmittels, beispielsweise eines Schmier- und/oder Kühlöls, mit mehreren in das Medium eintauchbaren Sensoren, die ein elektrisches Ausgangssignal in Abhängigkeit der jeweiligen sensorspezifischen Eingangsgröße abgeben, wobei ein Sensor ein Temperatursensor ist, der ein Ausgangssignal abgibt, das in wesentlichen nur eine Abhängigkeit von der Temperatur des Mediums aufweist und insbesondere von der Qualität des Mediums im wesentlichen unabhängig ist, und mindestens ein weiterer Sensor ein Ausgangssignal abgibt, das eine Abhängigkeit sowohl von der Qualität des Mediums als auch von der Temperatur des Mediums aufweist, und wobei die mehreren Sensoren auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind und dadurch thermisch miteinander gekoppelt sind.The invention is achieved by a device for determining the quality of a medium, in particular a lubricant and / or coolant, for example a lubricating and / or cooling oil, with a plurality of sensors which can be immersed in the medium and which transmit an electrical output signal Output depending on the respective sensor-specific input variable, wherein a sensor is a temperature sensor that emits an output signal that essentially only has a dependency on the temperature of the medium and in particular is essentially independent of the quality of the medium, and at least one further sensor an output signal emits, which has a dependency both on the quality of the medium and on the temperature of the medium, and wherein the plurality of sensors are arranged on a common substrate and are thereby thermally coupled to one another.
Bei dem Medium kann es sich dabei insbesondere um ein Gas oder ein Fluid handeln, beispielsweise um ein Fluid, das aus einem nachwachsenden Rohstoff hergestellt ist.The medium can in particular be a gas or a fluid, for example a fluid that is produced from a renewable raw material.
Dadurch, daß das Ausgangssignal des Temperatursensors von der Qualität des Mediums im wesentlichen unabhängig ist, wird der Temperatureinfluß isoliert als Meßgröße erfaßt und bereitgestellt. Dieser Temperaturmeßwert kann bei der Auswertung des Ausgangssignals des weiteren Sensors entsprechend berücksichtigt werden, bei dem die Temperatur als Störgröße auftritt. Durch die Anordnung der Sensoren auf einem gemeinsamen Substrat, das eine gute thermische Kopplung der beiden Sensoren gewährleistet, ist sichergestellt, daß die von dem Temperatursensor gemessene Temperatur mit der Temperatur des weiteren Sensors im wesentlichen identisch ist. Dies ist insbesondere ein Vorteil gegenüber einer entsprechenden Vorrichtung, bei welcher der Temperatursensor und der weitere Sensor als diskrete Bauelemente ausgebildet sind, die darüber hinaus auch einen signifikanten räumlichen Abstand voneinander haben. Vorzugsweise sind die Sensoren miniaturisiert in Dickschicht-, Hybrid- oder vorzugsweise in Dünnschichttechnik ausgebildet, so daß der räumliche Abstand des Temperatursensors von dem weiteren Sensor wenige Millimeter, beispielsweise weniger als 5 mm beträgt. Dadurch ist auch bei Strömungen im Medium gewährleistet, daß der Temperatursensor und der weitere Sensor stets die im wesentlichen gleiche Temperatur aufweisen, nämlich die Temperatur des Mediums.Because the output signal of the temperature sensor is essentially independent of the quality of the medium, the temperature influence is recorded and made available as a measured variable. This temperature measurement value can be taken into account accordingly when evaluating the output signal of the further sensor, in which the temperature occurs as a disturbance variable. The arrangement of the sensors on a common substrate, which ensures good thermal coupling of the two sensors, ensures that the temperature measured by the temperature sensor is essentially identical to the temperature of the further sensor. This is in particular an advantage over a corresponding device in which the temperature sensor and the further sensor are designed as discrete components, which are also at a significant spatial distance from one another. The sensors are preferably miniaturized in thick-film, hybrid or preferably thin-film technology, so that the spatial distance of the temperature sensor from the further sensor is a few millimeters, for example less than 5 mm. This ensures, even with flows in the medium, that the temperature sensor and the further sensor always have the substantially same temperature, namely the temperature of the medium.
Der Temperatursensor ist vorzugsweise ein Widerstandsthermometer, dessen Widerstandsbahn auf das Substrat aufgebracht ist und gegenüber dem Medium elektrisch isoliert ist, aber eine gute thermische Kopplung an das Medium aufweist. Beispielsweise ist die Widerstandsbahn durch eine sehr dünne Schicht eines elektrisch isolierenden Werkstoffes abgedeckt. Je dünner diese Schicht ist, desto geringer ist ihre Wärmekapazität und desto schneller reagiert der Temperatursensor auf Temperaturänderungen des Mediums. Die Verwendung eines Widerstandsthermometers ist vorteilhaft, weil dadurch verhältnismäßig niederohmige Ausgangssignale mit hoher Störsicherheit insbesondere gegenüber elektromagnetischen Störimpulsen bereitstellbar sind. In das Widerstandsthermometer ist beispielsweise ein Strom einprägbar und die am Temperatursensor abfallende Spannung ist ein Maß für die Temperatur. Um auch bei kleinen Strömen und damit geringer Eigenerwärmung ausreichend hohe Signalspannungen zu erhalten, ist die vorzugsweise metallische Widerstandsbahn als strukturierte Dünnschicht in Form eines Mäanders auf das Substrat aufgebracht.The temperature sensor is preferably a resistance thermometer, the resistance path of which is applied to the substrate and is electrically insulated from the medium, but has good thermal coupling to the medium. For example, the resistance track is covered by a very thin layer of an electrically insulating material. The thinner this layer, the lower its heat capacity and the faster the temperature sensor reacts to temperature changes in the medium. The use of a resistance thermometer is advantageous because it enables relatively low-resistance output signals with high interference immunity to be provided, in particular with respect to electromagnetic interference pulses. A current can be impressed into the resistance thermometer, for example, and the voltage drop across the temperature sensor is a measure of the temperature. In order to obtain sufficiently high signal voltages even with small currents and thus low self-heating, the preferably metallic resistance track is applied to the substrate as a structured thin layer in the form of a meander.
Der weitere Sensor kann beispielsweise ein elektrisch anregbarer mechanischer Schwingkörper sein, dessen Resonanzfrequenz unter anderem von der Dämpfung durch das Medium abhängig ist, die ihrerseits wiederum ein Parameter für die Qualität eines Mediums ist. Die Dämpfung ist abhängig von der Viskosität und Dichte des Mediums und der Schwingkörper mißt somit eine von der Viskosität bzw. Dichte abhängige, insbesondere hierzu proportionale Größe. Die Anregung zum Schwingen kann alternativ oder ergänzend auch auf andere Weise erfolgen, beispielsweise akustisch, optisch oder dergleichen. Eine unterschiedlich starke Dämpfung verändert die Resonanzfrequenz, die typischerweise im Bereich einiger bis einiger 10 MHz liegt. Der mechanische Schwingkörper kann unterschiedliche geeignete Geometrien aufweisen, beispielsweise auch die Form einer Gabel (Schwinggabel). Besonders einfach und robust sind jedoch platten- oder scheibenförmige Substrate, die auf den einander gegenüberliegenden Flächen Elektroden zur Schwingungsanregung aufweisen.The further sensor can be, for example, an electrically excitable mechanical vibrating body, the resonance frequency of which depends, among other things, on the damping by the medium, which in turn is in turn a parameter for the quality of a medium. The damping is dependent on the viscosity and density of the medium and the vibrating body thus measures a variable which is dependent on the viscosity or density and is in particular proportional to this. The excitation to vibrate can alternatively or additionally also take place in another way, for example acoustically, optically or the like. A different degree of attenuation changes the resonance frequency, which is typically in the range of a few to a few 10 MHz. The mechanical vibrating body can have different suitable geometries, for example also the shape of a fork (vibrating fork). However, plate-like or disk-shaped substrates are particularly simple and robust, which have electrodes for vibration excitation on the opposite surfaces.
Das Substrat ist hierzu vorzugsweise piezoelektrisch, d. h. durch Anlegen eines elektrischen Feldes kommt es zu Verschiebungen im Kristall und dadurch zu Änderungen der Form des Substrates. Besonders geeignet sind Quarzkristalle (Si02) aus denen in einem sogenannten AT-Schnitt Substrate herausgeschnitten sind. Bei einer Anordnung der Elektroden auf einander gegenüberliegenden Flächen des Substrates kommt es zuFor this purpose, the substrate is preferably piezoelectric, ie when an electric field is applied, there are displacements in the crystal and thus changes in the shape of the substrate. Quartz crystals (Si0 2 ) from which substrates are cut out in a so-called AT cut are particularly suitable. If the electrodes are arranged on opposing surfaces of the substrate, this occurs
Dickenscherschwingungen, deren Resonanzfrequenz um so höher ist, je dünner das Substrat ist. Typische Dicken des Substrats liegen im Bereich zwischen 10 und 500 μm, beispielsweise etwa 100 μm. Durch vorzugsweise lokales Dünnätzen kann die Resonanzfrequenz erhöht werden; dadurch wird in der Regel die Güte des Schwingkörpers reduziert.Thick shear vibrations, the higher the resonance frequency, the thinner the substrate. Typical thicknesses of the substrate are in the range between 10 and 500 μm, for example approximately 100 μm. The resonance frequency can be increased by preferably local thin etching; this usually reduces the quality of the vibrating body.
Der Zusammenhang zwischen dem Meßsignal, d.h. der Verschiebung Δf der Resonanzfrequenz f, der Dicke d und der Güte Q des Dickenscherschwingers, ist in der Regel derart, daß die Verschiebung Δf mit der Resonanzfrequenz f zunimmt, d.h. die Sensitivität ist mit steigender Resonanzfrequenz f erhöht. Die Resonanzfrequenz f steigt mit abnehmender Dicke d, beispielsweise f ~ 1/d. Die Güte Q sinkt mit steigender Resonanzfrequenz f, beispielsweise Q ~ 1/f. Je geringer die Güte Q ist, desto stärker ist das die Meßauflösung begrenzende Rauschen. Aus diesen Zusammenhängen ergibt sich folgendes Optimierungsverfahren bei der Auslegung der Vorrichtung: Zunächst wird die Dicke d des Schwingkörpers reduziert und damit die Resonanzfrequenz f erhöht. Damit wird der Unterschied in den Meßsignalen für neues und verbrauchtes Medium größer. Da aber die Güte Q des Schwingkörpers abnimmt, wird das Rauschen stärker und der Meßfehler bei der Bestimmung der Resonanzfrequenz f steigt. Aus diesen Parametern ist für jeden Anwendungsfall die optimale Dicke d zu ermitteln.The relationship between the measurement signal, ie the shift Δf of the resonance frequency f, the thickness d and the quality Q of the Dickerscherschwinger, is usually such that the shift Δf with the resonance frequency f increases, ie the sensitivity is increased with increasing resonance frequency f. The resonance frequency f increases with decreasing thickness d, for example f ~ 1 / d. The quality Q decreases with increasing resonance frequency f, for example Q ~ 1 / f. The lower the quality Q, the stronger the noise that limits the measurement resolution. From these relationships, the following optimization method results when designing the device: First, the thickness d of the vibrating body is reduced and thus the resonance frequency f is increased. This increases the difference in the measurement signals for new and used medium. However, since the quality Q of the vibrating body decreases, the noise increases and the measurement error in determining the resonance frequency f increases. The optimum thickness d can be determined from these parameters for each application.
Alternativ oder ergänzend kann die Vorrichtung einen zweiten weiteren Sensor aufweisen, durch den die Dielektrizitätskonstante des Mediums bestimmbar ist, die beispielsweise infolge der Anreicherung von Feuchtigkeit und/oder Abriebpartikeln als Maß für die Qualität des Mediums auswertbar ist. Auch dieser zweite weitere Sensor ist vorzugsweise in Dünnschichttechnik auf das Substrat aufgebracht. Eine elektrische Isolation der kammartig ineinandergreifenden bzw. zinkenförmigen Elektroden des Kondensators ist zwar nicht unbedingt erforderlich, doch für viele Anwendungsfälle vorteilhaft. Die Isolation kann ebenso wie beim Widerstandsthermometer durch eine elektrische isolierende dünne Abdeckschicht erfolgen.As an alternative or in addition, the device can have a second further sensor, by means of which the dielectric constant of the medium can be determined, which can be evaluated as a measure of the quality of the medium, for example due to the accumulation of moisture and / or abrasion particles. This second further sensor is also preferably applied to the substrate using thin-film technology. Electrical insulation of the interdigitated or tine-shaped electrodes of the capacitor is not absolutely necessary, but is advantageous for many applications. As with the resistance thermometer, the insulation can be provided by an electrically insulating thin covering layer.
Alternativ oder ergänzend ist als dritter weiterer Sensor ein Leitwertsensor auf dem Substrat angeordnet, mit dem der elektrische Leitwert des Mediums bestimmbar ist, der beispielsweise durch die Anreicherung mit metallischen Abriebpartikeln oder durch Veränderung in den Säurebestandteilen eines Fluids verändert sein kann, beispielsweise erhöht sein kann. Die Elektroden des Leitwertsensors sind ebenfalls in Dünnschichttechnik auf dem Substrat aufgebracht und kontaktieren das Medium beispielsweise über kammartig lateral ineinandergreifende und zinkenförmige Elektroden.As an alternative or in addition, a conductivity sensor is arranged on the substrate as the third further sensor, with which the electrical conductivity of the medium can be determined, which is caused, for example, by the enrichment with metallic Abrasion particles or by changing the acid components of a fluid can be changed, for example increased. The electrodes of the conductivity sensor are also applied to the substrate using thin-film technology and contact the medium, for example, via comb-like, laterally interdigitated and prong-shaped electrodes.
Alternativ oder ergänzend ist als vierter weiterer Sensor ein Feuchtesensor auf dem Substrat angeordnet, dessen Elektroden ebenfalls in Dünnschichttechnik aufgebracht sind und von einer Feuchtigkeit absorbierenden Schicht abgedeckt sind. In diese Schicht lagert sich gegebenenfalls Feuchtigkeit aus dem Medium an und verändert dadurch die dielektrischen Eigenschaften der Schicht, bei der es sich beispielsweise um einen Polymer-Kunststoff handelt.Alternatively or additionally, a moisture sensor is arranged on the substrate as the fourth further sensor, the electrodes of which are also applied using thin-film technology and are covered by a moisture-absorbing layer. Moisture from the medium may accumulate in this layer and thereby change the dielectric properties of the layer, which is, for example, a polymer plastic.
Die Erfindung ist auch gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung der Qualität eines Mediums unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Ausgangssignale der Sensoren einer Auswerteeinrichtung zugeführt werden, die das Ausgangssignal des weiteren Sensors mit einem von der Temperatur des Mediums abhängigen Erwartungswert vergleicht, und ein das Ergebnis des Vergleiches anzeigendes Ausgangssignal abgibt.The invention is also achieved by a method for determining the quality of a medium using a device according to the invention, the output signals of the sensors being fed to an evaluation device which compares the output signal of the further sensor with an expected value dependent on the temperature of the medium, and that Output result of the comparison output signal.
Die jeweilige Temperatur, bei der das Ausgangssignal des weiteren Sensors mit dem zugehörigen Erwartungswert verglichen wird, kann dabei fest vorgegeben sein, insbesondere eine Temperatur, die bei jedemThe respective temperature at which the output signal of the further sensor is compared with the associated expected value can be predefined, in particular a temperature which is at each
Betriebszyklus erreicht wird, beispielsweise 40°C. So kann beispielsweise bei einem Verbrennungsmotor, bei dessen Betriebszyklus die Temperatur des Mediums von der Umgebungstemperatur bis auf etwa 80° ansteigt, jeweils beim Erreichen der vorgegebenen Temperatur das Ausgangssignal des weiteren Sensors mit dem Erwartungswert verglichen werden, um eine Aussage über die Qualität des Mediums machen zu können.Operating cycle is reached, for example 40 ° C. For example, in the case of an internal combustion engine in the course of whose operating cycle the temperature of the medium rises from the ambient temperature to approximately 80 °, the output signal can in each case be reached when the predetermined temperature is reached further sensor with the expected value to be able to make a statement about the quality of the medium.
Alternativ hierzu kann praktisch für jede Temperatur, die das Medium in einem Betriebszyklus erreicht, ein entsprechender Erwartungswert in der Auswerteeinrichtung hinterlegt sein. Diese Erwartungswerte können fest vorgegeben sein, und beispielsweise empirisch gewonnen sein. Weiterhin können diese Erwartungswerte, gegebenenfalls ausgehend von einem fest vorgegebenen Startwert, unter Berücksichtigung des zeitlichen Verlaufes der Temperatur des Mediums berechnet werden und dementsprechend veränderbar sein. So können beispielsweise unterschiedliche Betriebszyklen mit unterschiedlichen einzelnen Betriebsdauern berücksichtigt werden, die einen unterschiedlichen Einfluß auf die Qualität des Mediums einerseits und auf das Ausgangssignal des weiteren Sensors andererseits mit sich bringen.As an alternative to this, a corresponding expected value can be stored in the evaluation device for practically every temperature that the medium reaches in an operating cycle. These expected values can be predefined and can be obtained empirically, for example. Furthermore, these expected values can be calculated taking into account the temporal course of the temperature of the medium, possibly starting from a fixed, predetermined starting value, and can be changed accordingly. For example, different operating cycles with different individual operating times can be taken into account, which have a different influence on the quality of the medium on the one hand and on the output signal of the further sensor on the other hand.
Letztlich können in der Auswerteeinrichtung Informationen dahingehend hinterlegt sein, daß bei einem bestimmten Verlauf der Temperatur über der Zeit ein gemessenes Ausgangssignal des weiteren Sensors noch eine ausreichend hohe Qualität des Mediums bestimmt, während das gleiche Ausgangssignal dieses Sensors bei einem anderen zeitlichen Verlauf der Temperatur des Mediums über der Zeit eine nicht mehr ausreichende Qualität des Mediums repräsentiert. Die zugehörigen Erwartungswerte sind vorzugsweise in der Auswerteeinrichtung speicherbar, die hierzu einen Mikroprozessor und zugehörige elektronische Speichermittel aufweist.Ultimately, information can be stored in the evaluation device to the effect that, given a certain course of the temperature over time, a measured output signal of the further sensor still determines a sufficiently high quality of the medium, while the same output signal of this sensor with a different temporal course of the temperature of the medium represents an insufficient quality of the medium over time. The associated expected values can preferably be stored in the evaluation device, which for this purpose has a microprocessor and associated electronic storage means.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn mehrere weitere Sensoren auf dem Substrat angeordnet sind, deren Ausgangssignale weitere Parameter des Mediums bestimmen und mit jeweils zugehörigen Erwartungswerten verglichen werden. Werden beispielsweise durch die Resonanzfrequenz des mechanischen Schwingkörpers die Viskosität, durch den Kondensator die Dielektrizitätskonstante, durch den Leitwertsensor die elektrische Leitfähigkeit und durch den Feuchtesensor der Feuchtigkeitsgehalt des Mediums bestimmt, kann anhand dieser vier Parameter entschieden werden, ob die Qualität des Mediums noch ausreichend ist und welches Ausgangssignal demzufolge abzugeben ist.It is particularly advantageous if a plurality of further sensors are arranged on the substrate, the output signals of which determine further parameters of the medium and with respective associated expected values be compared. If, for example, the viscosity is determined by the resonance frequency of the mechanical vibrating body, the dielectric constant by the capacitor, the electrical conductivity by the conductance sensor and the moisture content of the medium by the moisture sensor, these four parameters can be used to decide whether the quality of the medium is still sufficient and which output signal is to be emitted accordingly.
Diese Entscheidung kann einfach entsprechend der Majorität der Ausgangssignale der weiteren Sensoren gefällt werden, beispielsweise wenn mindestens drei der vier weiteren Sensoren ein entsprechendes Ausgangssignal abgeben. Alternativ dazu kann das Ausgangssignal, das die Qualität des Mediums nicht mehr ausreichend oder jedenfalls kritisch ist, aber auch davon abhängig gemacht werden, daß ein bestimmter der weiteren Sensoren ein entsprechendes Ausgangssignal abgibt, beispielsweise der mechanische Schwingkörper. Weiterhin alternativ hierzu können die Entscheidungskriterien auch abhängig von dem zeitlichen Verlauf der Temperatur des Mediums gemacht werden. In vielen Anwendungsfällen ist es ausreichend, wenn das anzuzeigende Ausgangssignal lediglich zwischen „GUT", „MITTEL" oder „SCHLECHT" unterscheidet.This decision can be made simply in accordance with the majority of the output signals of the further sensors, for example if at least three of the four further sensors emit a corresponding output signal. Alternatively, the output signal, which is no longer sufficient or at least critical of the quality of the medium, can also be made dependent on the fact that a specific one of the further sensors emits a corresponding output signal, for example the mechanical vibrating body. Furthermore, as an alternative to this, the decision criteria can also be made dependent on the time profile of the temperature of the medium. In many applications it is sufficient if the output signal to be displayed only differentiates between "GOOD", "MEDIUM" or "BAD".
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel im einzelnen beschrieben ist. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung, Fig. 2 zeigt einen Schnitt ll-ll durch die Vorrichtung der Fig. 1, Fig. 3 zeigt den typischen Verlauf der Resonanzfrequenz f desFurther advantages, features and details of the invention emerge from the subclaims and the following description, in which an exemplary embodiment is described in detail with reference to the drawings. The features mentioned in the claims and in the description can each be essential to the invention individually or in any combination. Fig. 1 shows a plan view of a device according to the invention, Fig. 2 shows a section II-II through the device of Fig. 1, Fig. 3 shows the typical course of the resonance frequency f
Schwingkörpers über der Temperatur T des Mediums, Fig. 4 zeigt verschiedene Temperaturabhängigkeiten derVibrating body over the temperature T of the medium, Fig. 4 shows different temperature dependencies of the
Grundfrequenz fO, Fig. 5 zeigt den Verlauf des vom Leitwertsensor gemessenen elektrischen Widerstandes R über der Temperatur T, Fig. 6 zeigt den Verlauf der gemessenen Kapazität C über der Temperatur T, undFundamental frequency fO, FIG. 5 shows the course of the electrical resistance R measured by the conductance sensor over the temperature T, FIG. 6 shows the course of the measured capacitance C over the temperature T, and
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßenFig. 7 shows a schematic representation of the invention
Verfahrens.Process.
Die Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Bestimmung der Qualität eines Mediums, insbesondere eines Schmier- und/oder Kühlöls, mit mehreren auf einem gemeinsamen und in das Medium eintauchbaren Substrat 2 angeordneten Sensoren 3, 4, 5, 6, 7, die ein elektrisches Ausgangssignal in Abhängigkeit der jeweils sensorspezifischen Eingangsgröße abgeben.1 shows a top view of a device 1 according to the invention for determining the quality of a medium, in particular a lubricating and / or cooling oil, with a plurality of sensors 3, 4, 5, 6 arranged on a common substrate 2 which can be immersed in the medium. 7, which emit an electrical output signal depending on the respective sensor-specific input variable.
Ein Sensor ist dabei ein Temperatursensor 7, der ein Ausgangssignal abgibt, daß im wesentlichen nur eine Abhängigkeit von der Temperatur T des Mediums aufweist und insbesondere von der Qualität des Mediums im wesentlichen unabhängig ist. Mindestens ein weiterer Sensor 3, 4, 5, 6 gibt ein Ausgangssignal ab, das eine Abhängigkeit sowohl von der Qualität des Mediums als auch von der Temperatur T des Mediums aufweist. Alle Sensoren 3, 4, 5, 6, 7 sind durch die Ausbildung als Dünnschichtsensoren und Anordnung auf dem gemeinsamen Substrat 2 thermisch sehr gut miteinander gekoppelt. Der Temperatursensor 7 ist ein Widerstandsthermometer, dessen Widerstandsbahn 8 in Form eines Mäanders auf das Substrat 2 aufgebracht ist. Das Substrat 2 ist ein einkristalliner Quarz mit einem sogenannten AT-Schnitt, dessen Oberfläche 9 eine xz-Ebene bildet. Das Substrat 2 ist vorzugsweise rechteckförmig und im dargestellten Ausführungsbeispiel quadratisch. Die Länge einer Kante 10 beträgt typisch zwischen 2 und 20 mm, vorzugsweise etwa 5 mm. Die Kante 10 ist gegenüber der kristallographischen z-Achse um typisch etwa 35° in Richtung auf die x-Achse geneigt. Die Dicke des Substrats 2 beträgt typisch zwischen 50 vm und 1 mm, vorzugsweise zwischen 100 und 200 μm.A sensor is a temperature sensor 7, which emits an output signal that is essentially only dependent on the temperature T of the medium and, in particular, is essentially independent of the quality of the medium. At least one further sensor 3, 4, 5, 6 emits an output signal which is dependent on both the quality of the medium and the temperature T of the medium. All sensors 3, 4, 5, 6, 7 are thermally very well coupled to one another due to their design as thin-film sensors and arrangement on the common substrate 2. The temperature sensor 7 is a resistance thermometer, the resistance path 8 of which is applied to the substrate 2 in the form of a meander. The substrate 2 is a single-crystal quartz with a so-called AT cut, the surface 9 of which forms an xz plane. The substrate 2 is preferably rectangular and square in the exemplary embodiment shown. The length of an edge 10 is typically between 2 and 20 mm, preferably about 5 mm. The edge 10 is inclined with respect to the crystallographic z-axis by typically about 35 ° in the direction of the x-axis. The thickness of the substrate 2 is typically between 50 μm and 1 mm, preferably between 100 and 200 μm.
In einer Ausführungsart der Erfindung werden die Substrate 2 mit vorgebbaren Außenmaßen als Halbfabrikat gekauft, beidseitig mit einer Metallisierung versehen, die anschließend auf photolithographische Weise strukturiert wird und als Maske beim vorzugsweise naßchemischen Ätzen und vorallem als Leiterbahn und elektrische Anschlußfläche dienen kann. Die Metallisierung ist vorzugsweise eine Chrom/Gold-Schicht, wobei das Chrom im wesentlichen als dünner Haftvermittler wirkt für die Goldschicht auf dem Quarzsubstrat, welche die eigentliche elektrische Leitfähigkeit bereitstellt und dabei korrosionsbeständig ist.In one embodiment of the invention, the substrates 2 are purchased with predeterminable external dimensions as a semi-finished product, provided on both sides with a metallization, which is then structured in a photolithographic manner and can serve as a mask for preferably wet-chemical etching and above all as a conductor track and electrical connection surface. The metallization is preferably a chromium / gold layer, the chromium essentially acting as a thin adhesion promoter for the gold layer on the quartz substrate, which provides the actual electrical conductivity and is corrosion-resistant.
Vorzugsweise wird eine Vielzahl erfindungsgemäßer Vorrichtungen 1 auf einer einzigen Quarzplatte „im Nutzen" hergestellt, die nach Abschluß der Dünnschicht-Strukturierung in die Vorrichtungen 1 vereinzelt wird, beispielsweise durch Trennschleifen oder Sägen. Die vereinzelten Vorrichtungen 1 können auf einer Trägerplatine, beispielsweise aus Epoxydharz, aufgebracht und mit dort vorgesehenen Leiterbahnen verbunden werden. Die elektrischen Kontaktstellen und Leiterbahnen können dabei soweit möglich mit einer Abdichtung versehen werden, beispielsweise mit einem Epoxydklebstoff. Dadurch kann eine Rückseite des Substrats 2 einen belüftbaren und gegenüber dem Medium abgedichteten Raum begrenzen. Hierdurch können auch unter Druck stehende Medien zuverlässig beurteilt werden und eine das Ergebnis verfälschende Dämpfung des Schwingkörpers aufgrund der Trägerplatine oder eines eingeschlossenen Gas- oder Fluidvolumens wird verhindert.A large number of devices 1 according to the invention are preferably produced on a single quartz plate “in use”, which is separated into devices 1 after completion of the thin-layer structuring, for example by means of cut-off or sawing. applied and connected to the conductor tracks provided there. The electrical contact points and conductor tracks can be provided with a seal as far as possible, for example with an epoxy adhesive. As a result, a rear side of the substrate 2 can delimit a space that can be ventilated and sealed off from the medium. As a result, media under pressure can also be reliably assessed and damping of the vibrating body which falsifies the result due to the carrier plate or an enclosed gas or fluid volume is prevented.
Der Temperatursensor 7 ist als Widerstandsthermometer ausgebildet mit einem mäanderförmigen Widerstandsbahn 8, durch die zweiThe temperature sensor 7 is designed as a resistance thermometer with a meandering resistance track 8 through which two
Anschlußelektroden 1 1 des Temperatursensors 7 miteinander verbunden sind. Die Dicke der Widerstandsbahn 8 beträgt zwischen 20 und 1000 nm, vorzugsweise zwischen 100 und 500 nm, insbesondere etwa 250 nm. Damit ergeben sich typische Schichtwiderstände in der Größenordnung von 0, 1 Ohm. Die Länge des Mäanders wird vorzugsweise so gewählt, daß sich bei Raumtemperatur etwa ein Widerstand von 200 Ohm bis 2 Kiloohm ergibt. Dadurch läßt sich z. B. beim Einprägen eines Stromes von 1 mA eine Ausgangsspannung in der Größenordnung von 1 Volt erreichen, die ausreichend niederohmig ist und dennoch eine die Messung störende Eigenerwärmung des Temperatursensors 7 aufgrund der Messung verhindert.Connection electrodes 1 1 of the temperature sensor 7 are connected to each other. The thickness of the resistance track 8 is between 20 and 1000 nm, preferably between 100 and 500 nm, in particular about 250 nm. This results in typical sheet resistances in the order of 0.1 ohms. The length of the meander is preferably chosen so that there is a resistance of about 200 ohms to 2 kilohms at room temperature. This allows z. B. when impressing a current of 1 mA, an output voltage of the order of 1 volt can be reached, which is sufficiently low-resistance and yet prevents the self-heating of the temperature sensor 7 due to the measurement.
Aufgrund der Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstandes der Widerstandsbahn 8, die bei reinen Metallen etwa 0,4 % pro Grad Celsius beträgt und durch Zusätze erhöht werden kann, ist die Änderung derDue to the temperature dependence of the specific resistance of the resistance track 8, which is about 0.4% per degree Celsius for pure metals and can be increased by additives, the change is
Ausgangsspannung des Temperatursensors 7 ein Maß für die Temperatur des Substrates 2 und damit für des Mediums. Um die Widerstandsbahn 8 gegenüber dem Medium elektrisch zu isolieren, ist nach erfolgter Strukturierung der Widerstandsbahn 8 das Substrat mit einer vorzugsweise anorganischen Isolierschicht abgedeckt, beispielsweise durch Plasmaunterstützte Abscheidung von Si02 aus der Gasphase (PECVD- Si02). Die Schichtdicke ist dabei lediglich so groß gewählt, daß eine elektrische Isolation der Widerstandsbahn 8 gewährleistet ist. Andererseits sollte die Abdeckschicht möglichst dünn sein, um eine gute thermische Kopplung der Widerstandsbahn 8 an das Medium zu gewährleisten. Günstige Werte für die Dicke der Abwehrschicht liegen zwischen 100 nm und 1000 nm, vorzugsweise zwischen 300 und 600 nm.Output voltage of the temperature sensor 7 is a measure of the temperature of the substrate 2 and thus of the medium. In order to electrically isolate the resistance track 8 from the medium, after the resistance track 8 has been structured, the substrate is preferably coated with a inorganic insulating layer covered, for example by plasma-assisted deposition of Si0 2 from the gas phase (PECVD-Si0 2 ). The layer thickness is only chosen so large that electrical insulation of the resistance track 8 is ensured. On the other hand, the cover layer should be as thin as possible in order to ensure good thermal coupling of the resistance track 8 to the medium. Favorable values for the thickness of the defense layer are between 100 nm and 1000 nm, preferably between 300 and 600 nm.
Auf der Oberfläche 9 der Vorderseite des Substrats 2 ist im Zentrum eine im wesentlichen kreisrunde metallische Elektrode 12 angeordnet, deren Art und Schichtdicke vorzugsweise der Widerstandsbahn 8 entspricht und gleichzeitig mit dieser herstellbar ist. Zu einer der Kanten 10 hin ist eine Anschlußbahn 13 geführt, über welche die Elektrode 12 vom Rand des Substrats 2 elektrisch kontaktierbar ist.An essentially circular metallic electrode 12 is arranged in the center on the surface 9 of the front side of the substrate 2, the type and layer thickness of which preferably corresponds to the resistance track 8 and can be produced simultaneously with the latter. A connecting path 13 is guided to one of the edges 10, via which the electrode 12 can be electrically contacted from the edge of the substrate 2.
Die Fig. 2 zeigt einen Schnitt ll-ll durch die Vorrichtung 1 , insbesondere durch das Substrat 2, der Fig. 1. Dabei ist aus Gründen der Übersichtlichkeit auf der Oberfläche 9 der Vorderseite des Substrats 2 lediglich die Metallisierung der Elektrode 12 bzw. Anschlußbahn 13 dargestellt. Auf der der Oberfläche 9 der Vorderseite gegenüberliegenden Rückseite ist in dem der Elektrode 12 entsprechenden Bereich eine weitere Elektrode 14 angeordnet, die über eine weitere Anschlußbahn 15 von vorzugsweise der gleichen Kante 10 des Substrats 2 kontaktierbar ist, wie die Elektrode 12 auf der Oberfläche 9. Beim Anlegen einerFIG. 2 shows a section II-II through the device 1, in particular through the substrate 2, of FIG. 1. For reasons of clarity, only the metallization of the electrode 12 or connecting path is on the surface 9 of the front of the substrate 2 13 shown. On the rear side opposite the surface 9 of the front, a further electrode 14 is arranged in the area corresponding to the electrode 12, which can be contacted via a further connection path 15, preferably of the same edge 10 of the substrate 2 as the electrode 12 on the surface 9. When creating one
Wechselspannung wird das Substrat 2 zu Schwingungen angeregt, im dargestellten Ausführungsbeispiels bei Verwendung eines AT-Schnittes in Form eines Dickenscherschwingers, wie es durch die Pfeile 16 angedeutet ist. Die Bewegungsknoten dieser Dickenscherschwingung liegen im wesentlichen auf der durch die gestrichelte Linie 1 7 angedeuteten und im Substrat 2 verlaufenden neutralen Zone.AC voltage, the substrate 2 is excited to vibrate, in the illustrated embodiment when using an AT cut in the form of a Dickerscherschwingers, as indicated by the arrows 16. The movement nodes of this thickness shear vibration lie in the essentially on the neutral zone indicated by the dashed line 17 and running in the substrate 2.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel wurde das Substrat 2 lokal, insbesondere im Zentrum, dünn geätzt, vorzugsweise durch anisotrope naßchemische Ätzung, so daß das Substrat 2 in einem ersten Bereich 18, in dem die Elektroden 12, 14 angeordnet sind, dünner ist als in einem an den ersten Bereich 18 anschließenden, insbesondere den ersten Bereich 18 umgebenden, zweiten Bereich 19. Die Maskierung für das lokale Dünnätzen erfolgt dabei vorzugsweise über die Metallisierung des Substrates 2, die auch für die Ausbildung der Elektroden 12, 14 oder beispielsweise der Widerstandsbahn 8 verwendbar ist.In the exemplary embodiment shown, the substrate 2 was thinly etched locally, in particular in the center, preferably by anisotropic wet chemical etching, so that the substrate 2 is thinner in a first region 18 in which the electrodes 12, 14 are arranged than in one of the others The second region 19 adjoining the first region 18, in particular surrounding the first region 18. The masking for the local thin etching is preferably carried out via the metallization of the substrate 2, which can also be used for the formation of the electrodes 12, 14 or, for example, the resistance track 8.
In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind weitere Sensoren 4, 5, 6 auf der Oberfläche 9 angeordnet, die neben einer Abhängigkeit von derIn the exemplary embodiment in FIG. 1, further sensors 4, 5, 6 are arranged on the surface 9, which in addition to being dependent on the
Temperatur T des Mediums auch eine Abhängigkeit von dem die Qualität des Mediums bestimmenden Parametern aufweisen.Temperature T of the medium also have a dependency on the parameters determining the quality of the medium.
Mittels des Kondensators 5 kann die Dielektrizitätskonstante des Mediums bestimmt werden. Hierzu weist der Kondensator 5 ineinandergreifende, aber gegeneinander elektrische isolierte Kammelektroden 20, 21 auf, die ebenfalls aus dem Werkstoff der Widerstandsbahn 8 gebildet sind. Eine typische Breite der Leiterbahnen der Kammelektroden 20, 21 liegt zwischen 5 und 50 μm, insbesondere etwa 20 μm. Die Anzahl und Länge der Kammelektroden 20, 21 bestimmt die Grundkapazität dieses Sensors 5, die aus meßtechnischen Gründen nicht zu gering gewählt werden sollte. Typischerweise liegt diese Grundkapazität zwischen 2 und 20 Picofarad, vorzugsweise zwischen 5 und 10 Picofarad. Hierzu ist es vorteilhaft, zwischen 20 und 200 derartiger Kammelektroden 20, 21 vorzusehen, insbesondere zwischen 30 und 50 Kammelektroden 20, 21 . Eine elektrisch isolierende Abdeckung der Elektroden 20, 21 wäre für den Kondensator 5 nicht unbedingt erforderlich, vielfach jedoch vorteilhaft und unschädlich, da der von der Abdeckung verursachte Kapazitätsbelag klein und im wesentlichen unabhängig von der Temperatur ist und andererseits vor Korrosion schützt.The dielectric constant of the medium can be determined by means of the capacitor 5. For this purpose, the capacitor 5 has interdigitated comb electrodes 20, 21 which are electrically insulated from one another and which are likewise formed from the material of the resistance track 8. A typical width of the conductor tracks of the comb electrodes 20, 21 is between 5 and 50 μm, in particular about 20 μm. The number and length of the comb electrodes 20, 21 determine the basic capacitance of this sensor 5, which should not be chosen too small for measurement reasons. This basic capacity is typically between 2 and 20 picofarads, preferably between 5 and 10 picofarads. For this purpose, it is advantageous to provide between 20 and 200 such comb electrodes 20, 21, in particular between 30 and 50 comb electrodes 20, 21. An electrically insulating covering of the electrodes 20, 21 would not be absolutely necessary for the capacitor 5, but in many cases it would be advantageous and harmless, since the capacitance covering caused by the covering is small and essentially independent of the temperature and on the other hand protects against corrosion.
Neben dem Kondensator 5 ist ein Leitwertsensor 6 auf dem Substrat 2 angeordnet, der ebenfalls ineinandergreifende Kammelektroden 22, 23 aufweist und bis auf den Unterschied, daß diese Elektroden keine elektrisch isolierende Abdeckung aufweisen, sondern vielmehr das Medium elektrisch kontaktieren, identisch aufgebaut ist wie der Kondensator 5.In addition to the capacitor 5, a conductance sensor 6 is arranged on the substrate 2, which likewise has interdigitated comb electrodes 22, 23 and, except for the difference that these electrodes do not have an electrically insulating cover, but rather contact the medium electrically, is constructed identically to the capacitor 5th
Die zu erwartenden Widerstandswerte betragen bei einem typischen Medium, insbesondere bei einem aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnenen Schmiermittel wie beispielsweise Rapsöl, zwischen 1 MOhm und 20 MOhm, beispielsweise etwa 5 MOhm. Die Meßfrequenz sollte dabei ausreichend hoch liegen, um auch bei geringeren Temperaturen zuverlässig Widerstandswerte bestimmen zu können. Andererseits sollte die Meßfrequenz nicht zu hoch gewählt werden, weil ansonsten der Einfluß der Qualität des Mediums auf den Widerstandswert nicht mehr so deutlich in Erscheinung tritt. Günstige Meßfrequenzen liegen zwischen 100 Hz und 1 MHz, vorzugsweise zwischen 1 kHz und 100 kHz.The resistance values to be expected for a typical medium, in particular for a lubricant obtained from renewable raw materials, such as rapeseed oil, are between 1 MOhm and 20 MOhm, for example about 5 MOhm. The measuring frequency should be sufficiently high to be able to reliably determine resistance values even at lower temperatures. On the other hand, the measurement frequency should not be chosen too high, because otherwise the influence of the quality of the medium on the resistance value is no longer so evident. Favorable measuring frequencies are between 100 Hz and 1 MHz, preferably between 1 kHz and 100 kHz.
Sowohl bei der Messung der Leitfähigkeit als auch bei der Messung der Kapazität sind gegebenenfalls auch Messungen bei verschiedenen Frequenzen vorteilhaft, da unterschiedliche Verschmutzungen die Leitfähigkeit und die Dielektrizitätskonstante in verschiedenen Frequenzbereichen unterschiedlich beeinflussen können. Die Messung mit Wechselsignalen hat den Vorteil, daß elektrochemische Vorgänge in dem Medium im wesentlichen ausgeschlossen sind.Both at the measurement of the conductivity and at the measurement of the capacitance, measurements at different frequencies may also be advantageous, since different contaminations can influence the conductivity and the dielectric constant differently in different frequency ranges. The measurement with Alternating signals have the advantage that electrochemical processes in the medium are essentially excluded.
Weiterhin ist auf dem Substrat 2 ein Feuchtesensor 4 angeordnet, dessen ineinandergreifende Kammelektroden 24, 25 ebenfalls identisch wie beim Kondensator 5 aufgebaut sind, hier allerdings mit einer Feuchtigkeit absorbierenden Abdeckschicht versehen sind, beispielsweise mit einem Polymer-Kunststoff. Durch Aufnahme von Feuchtigkeit in der Abdeckschicht verändert sich der meßbare Kapazitätsbelag, so daß der für den Feuchtesensor 4 gemessene Kapazitätswert ein Maß für den Anteil von Feuchtigkeit in dem Medium und damit für dessen Qualität ist.Furthermore, a moisture sensor 4 is arranged on the substrate 2, the interlocking comb electrodes 24, 25 of which are also constructed identically to the capacitor 5, but here are provided with a moisture-absorbing cover layer, for example with a polymer plastic. By absorbing moisture in the cover layer, the measurable capacitance changes, so that the capacitance value measured for the moisture sensor 4 is a measure of the proportion of moisture in the medium and thus of its quality.
Die Anschlußbahnen aller Sensoren 3, 4, 5, 6, 7 sind vorzugsweise an eine Kante 10 des Substrats 2 geführt, wo sie entsprechende Anschlußflächen (pads) ausbilden, über die externe Anschlußleitungen oderThe connection paths of all sensors 3, 4, 5, 6, 7 are preferably guided to an edge 10 of the substrate 2, where they form corresponding connection surfaces (pads), via the external connection lines or
Verbindungsleitungen zu einer Trägerplatine anschließbar sind. Mit Ausnahme der Elektroden des Schwingkörpers 3 sind die Anschlußflächen der Sensoren 4, 5, 6, 7 an zwei gegenüberliegenden Kanten 10 des Substrats 2 angeordnet.Connecting lines to a carrier board can be connected. With the exception of the electrodes of the vibrating body 3, the connection surfaces of the sensors 4, 5, 6, 7 are arranged on two opposite edges 10 of the substrate 2.
Die Vorrichtung 1 ist dabei beim Eintauchen in das Medium so an einer Trägerplatine festgelegt, daß lediglich die Elektrode 12 auf der Vorderseite 9 mit dem Medium in Kontakt kommt. Hierzu wird die Elektrode 12 vorzugsweise auf Massepotential gelegt, um elektrochemische Vorgänge in diesem Medium zu vermeiden.When immersed in the medium, the device 1 is fixed on a carrier board in such a way that only the electrode 12 on the front side 9 comes into contact with the medium. For this purpose, the electrode 12 is preferably placed at ground potential in order to avoid electrochemical processes in this medium.
Die weitere Elektrode 14 auf der Rückseite des Substrats 2 sollte auch bei ungeätzten Substraten 2 die Trägerplatine nicht berühren, sondern vielmehr einen ausreichenden Abstand hiervon aufweisen, da anderenfalls eine zusätzliche Dämpfung auftritt. Insgesamt sollte die Vorrichtung 1 auf einer Trägerplatine so festgelegt sein, daß ein möglichst freies Schwingen des Schwingkörpers 3 gewährleistet ist, beispielsweise das Substrat 2 nur an den Kanten 10 und auch dort nur punktuell fest eingespannt sein. Sollte das zu untersuchende Medium unter signifikantem Druck stehen, ist dieser bei der Auswertung der Ausgangssignale der Vorrichtung 1 ebenfalls zu berücksichtigen.The further electrode 14 on the back of the substrate 2 should not touch the carrier board, even in the case of non-etched substrates 2, but rather should be at a sufficient distance from it, otherwise a additional damping occurs. Overall, the device 1 should be fixed on a carrier board in such a way that the vibrating body 3 vibrates as freely as possible, for example the substrate 2 can only be firmly clamped at the edges 10 and only there selectively. If the medium to be examined is under significant pressure, this must also be taken into account when evaluating the output signals of the device 1.
Die Fig. 3 zeigt den typischen Verlauf der Resonanzfrequenz f des Schwingkörpers 3 über der Temperatur T des Mediums im Bereich zwischen 25 und 80°C. Die Meßkurve 26 repräsentiert dabei unverbrauchtes Medium, wogegen die Meßkurve 27 das gleiche Medium nach 1000 Betriebsstunden repräsentiert. Die zu den Meßwerten der Meßkurven 26, 27 zugehörigen Standardabweichungen nehmen tendenziell mit zunehmender Temperatur ab. Demzufolge ist der Unterschied hinsichtlich der Ölqualität bei höheren Temperaturen, beispielsweise im Bereich von 60°C und darüber, zuverlässiger zu detektieren. Die Meßkurven 26, 27 wurden mit einer Vorrichtung 1 ermittelt, deren Substrat 2 lokal dünn geätzt war. Die zugehörige Resonanzfrequenz f lag im Bereich von etwa 50 MHz. Die Änderungen der Resonanzfrequenz f über dem dargestellten Temperaturbereich liegen in der Größenordnung von etwa 20 kHz.3 shows the typical course of the resonance frequency f of the vibrating body 3 over the temperature T of the medium in the range between 25 and 80 ° C. The measurement curve 26 represents unused medium, whereas the measurement curve 27 represents the same medium after 1000 operating hours. The standard deviations associated with the measured values of the measurement curves 26, 27 tend to decrease with increasing temperature. As a result, the difference in oil quality at higher temperatures, for example in the range of 60 ° C. and above, can be detected more reliably. The measurement curves 26, 27 were determined using a device 1, the substrate 2 of which was locally thinly etched. The associated resonance frequency f was in the range of approximately 50 MHz. The changes in the resonance frequency f over the temperature range shown are of the order of about 20 kHz.
Die Sensitivität des Schwingkörpers 3 ist dabei mit entscheidend für den Abstand der beiden Meßkurven 26, 27; je höher die Sensitivität des Schwingkörpers 3, desto unterschiedlicher sind die Meßwerte für unverbrauchtes und verbrauchtes Medium. Mit zunehmender Resonanzfrequenz f steigt auch der Rauschanteil im Ausgangssignal. Besonders günstig haben sich Resonanzfrequenzen f zwischen 10 und 50 MHz erwiesen, vorzugsweise etwa 20 MHz.The sensitivity of the vibrating body 3 is decisive for the distance between the two measurement curves 26, 27; the higher the sensitivity of the vibrating body 3, the more different are the measured values for unused and used medium. With increasing resonance frequency f, the noise component in the output signal also increases. Resonance frequencies f between 10 and 50 MHz have proven to be particularly favorable, preferably about 20 MHz.
Der Verlauf der Meßkurven 26, 27 wird auch vom Verlauf der Temperaturabhängigkeit der Grundfrequenz fO des Schwingkörpers 3 selbst, d.h. ohne umgebendes Medium, bestimmt. Die Fig. 4 zeigt verschiedene Temperaturabhängigkeiten der Grundfrequenz fO, wobei der Winkel α des Kristallschnittes der Parameter der dargestellten Kurvenschar ist. Durch Wahl eines entsprechenden Winkels α läßt sich der in der Fig. 3 dargestellte Verlauf der Meßkurven 26, 27 grundsätzlich einstellen, wobei es hinsichtlich der Bestimmung der Qualität des Mediums stets mehr auf den Abstand der beiden Meßkurven 26, 27 bei gegebener Temperatur T ankommt, als auf deren jeweiligen Verlauf über der Temperatur T.The course of the measurement curves 26, 27 is also dependent on the course of the temperature dependence of the fundamental frequency fO of the vibrating body 3 itself, i.e. without surrounding medium, determined. 4 shows various temperature dependencies of the basic frequency f0, the angle α of the crystal section being the parameter of the family of curves shown. The course of the measurement curves 26, 27 shown in FIG. 3 can basically be set by selecting an appropriate angle α, the distance between the two measurement curves 26, 27 at a given temperature T becoming more and more important in determining the quality of the medium, than on their respective course over the temperature T.
Die Fig. 5 zeigt einen typischen Verlauf des vom Leitwertsensor 6 gemessenen elektrischen Widerstandes R über der Temperatur T, wobei die Meßkurve 28 unverbrauchtes Medium repräsentiert und die Meßkurve 29 Medium mit einer Betriebsdauer von 1000 Stunden repräsentiert. Mit abnehmender Qualität sinkt der Widerstand R bzw. steigt die elektrische Leitfähigkeit des Mediums. Die Meßfrequenz beträgt dabei etwa 10 kHz. Die Widerstandswerte des unverbrauchten Mediums reduzierten sich von etwa 50 MOhm bei 20°C bis auf etwa 20 MOhm bei 80°C.5 shows a typical course of the electrical resistance R measured by the conductance sensor 6 over the temperature T, the measurement curve 28 representing unused medium and the measurement curve 29 representing medium with an operating time of 1000 hours. With decreasing quality, the resistance R decreases or the electrical conductivity of the medium increases. The measuring frequency is about 10 kHz. The resistance values of the unused medium decreased from about 50 MOhm at 20 ° C to about 20 MOhm at 80 ° C.
Die Fig. 6 zeigt den mittels des Kondensators 5 gemessenen Verlauf der Kapazität C des Mediums über der Temperatur T. Die Meßkurve 30 repräsentiert dabei die Meßwerte des unverbrauchten Mediums, wogegen die Meßkurve 31 die Meßwerte des Mediums nach 1000 Betriebsstunden repräsentiert. Mit abnehmender Qualität steigt die Kapazität des Mediums. Die Kapazitätswerte wurden bei einer Meßfrequenz von 100 kHz ermittelt, bei denen sich ausreichend stabile Meßergebnisse ergeben. Die Kapazitätswerte schwanken beispielsweise zwischen etwa 5,5 Picofarad bei 20°C und etwa 6,5 Picofarad bei 80°C. Mit zunehmender Betriebsdauer steigen die Kapazitätswerte des Mediums über den gesamten Temperaturbereich hinweg signifikant an.6 shows the course of the capacitance C of the medium over the temperature T measured by means of the capacitor 5. The measurement curve 30 represents the measurement values of the unused medium, whereas the measurement curve 31 represents the measurement values of the medium after 1000 operating hours. The capacity of the medium increases with decreasing quality. The capacitance values were determined at a measuring frequency of 100 kHz, where there are sufficiently stable measurement results. The capacitance values vary, for example, between about 5.5 picofarads at 20 ° C and about 6.5 picofarads at 80 ° C. With increasing operating time, the capacity values of the medium increase significantly over the entire temperature range.
Die Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Resonanzfrequenz f des Schwingkörpers 3 wird zusammen mit der Temperatur T des Mediums, ermittelt durch den Temperatursensor 7, einem ersten Prüfschritt 40 zugeführt. Dabei wird geprüft, ob bei der gemessenen Temperatur T die gemessene Resonanzfrequenz f ein Hinweis auf eine herabgesetzte oder sogar mangelhafte Qualität des Mediums ist. Ist das Ergebnis dieser Prüfung NEIN (N) so wird der erste Prüfschritt 40 permanent oder in vorgebbaren Zeitabständen wiederholt. Ist dagegen das Ergebnis dieses Prüfschrittes JA (Y), erfolgt eine weitere Überprüfung der Qualität des Mediums.7 shows a schematic representation of the method according to the invention. The resonance frequency f of the vibrating body 3 together with the temperature T of the medium, determined by the temperature sensor 7, is fed to a first test step 40. It is checked whether, at the measured temperature T, the measured resonance frequency f is an indication of a reduced or even poor quality of the medium. If the result of this test is NO (N), the first test step 40 is repeated permanently or at predeterminable time intervals. If, on the other hand, the result of this test step is YES (Y), the quality of the medium is checked again.
Hierzu werden in weiteren zeitgleich oder jedenfalls unmittelbar nacheinander ablaufenden Prüfschritten 41 , 42, 43 die Ausgangssignale der weiteren Sensoren, im dargestellten Ausführungsbeispiel desFor this purpose, in further test steps 41, 42, 43 which run simultaneously or in any case immediately one after the other, the output signals of the further sensors, in the exemplary embodiment shown in FIG
Feuchtesensors 4 (Feuchte H), des Kondensators 5 (Kapazität C) und des Leitwertsensors 6 (Widerstand R) unter Berücksichtigung der von dem Temperatursensor 7 ermittelten Temperatur T mit den zugehörigen und in der Auswerteeinheit gespeicherten Erwartungswerten verglichen. Die Ergebnisse dieser Vergleiche JA/NEIN (Y/N) werden derHumidity sensor 4 (humidity H), the capacitor 5 (capacitance C) and the conductance sensor 6 (resistance R), taking into account the temperature T determined by the temperature sensor 7, compared with the associated expected values stored in the evaluation unit. The results of these YES / NO (Y / N) comparisons become the
Auswerteschaltung 44 zugeführt und dort nach einem vorgebbaren Auswerteschlüssel ausgewertet. Beispielsweise kann durch den Auswerteschlüssel festgelegt sein, daß nur dann, wenn keiner der weiteren Prüfschritte 41 , 42, 43 ein Erreichen des Erwartungswertes signalisiert, und damit eine signifikante Beeinträchtigung der Qualität des Mediums, die Auswerteschaltung 44 ein Ausgangssignal abgibt, das eine ausreichend hohe Qualität des Mediums anzeigt, beispielsweise durch Aufleuchten einer grünen Signallampe 45, beispielsweise einer entsprechenden Leuchtdiode (LED). Für den Fall, daß einer der Prüfschritte 41 , 42, 43 ein Erreichen des jeweils zugehörigen Erwartungswertes ergibt, schaltet die Auswerteschaltung 44 auf eine gelbe Signalleuchte 46 um. Für den Fall, daß zwei der Prüfschritte 41 , 42, 43 ein Erreichen des Erwartungswertes signalisieren, leuchtet die rote Signalleuchte 47 auf und darüber hinaus kann die Auswerteschaltung 44 ein akustisches Signal abgeben.Evaluation circuit 44 supplied and evaluated there according to a predefinable evaluation key. For example, the evaluation key can stipulate that only if none of the further test steps 41, 42, 43 signals that the expected value has been reached, and thus a significant impairment of the quality of the medium, the evaluation circuit 44 emits an output signal that is of a sufficiently high quality of the medium displays, for example by lighting up a green signal lamp 45, for example a corresponding light-emitting diode (LED). In the event that one of the test steps 41, 42, 43 results in the respective associated expected value being reached, the evaluation circuit 44 switches to a yellow signal lamp 46. In the event that two of the test steps 41, 42, 43 signal that the expected value has been reached, the red signal lamp 47 lights up and, in addition, the evaluation circuit 44 can emit an acoustic signal.
Für den Fall, daß alle drei Prüfschritte 41 , 42, 43 ein Erreichen des zugehörigen Erwartungswertes signalisieren, kann die Auswerteschaltung 44 ein Abschalten der zugehörigen Einrichtung veranlassen oder jedenfalls ein Wiedereinschalten verhindern, mindestens von einer Quittierung der Kenntnisnahme des zugehörigen Alarmsignales abhängig machen.In the event that all three test steps 41, 42, 43 signal that the associated expected value has been reached, the evaluation circuit 44 can cause the associated device to be switched off or in any case prevent it from being switched on again, at least depending on acknowledgment of the knowledge of the associated alarm signal.
In Abhängigkeit des jeweiligen Anwendungsfalles sind verschiedene Bewertungskriterien für die Ergebnisse der Prüfschritte 41 , 42, 43 möglich. Selbstverständlich können darüber hinaus weitere Sensoren auf dem Substrat 2 der Vorrichtung 1 angeordnet sein, die zusätzliche Prüfschritte möglich machen. Die Auswerteschaltung 44 verfügt über eine entsprechende Anzahl von Eingangskanälen und Verknüpfungsmöglichkeiten und ist vorzugsweise als programmierbare Steuerung unter Verwendung eines Mikroprozessors ausgeführt. Im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel kommt der Messung der Resonanzfrequenz eine besondere Bedeutung zu; sie bildet gegebenenfalls einen Trigger für die nachfolgenden Messungen. Alternativ oder ergänzend zur Messung der Resonanzfrequenz können auch die anderen Sensoren diese Triggerfunktion ausüben.Depending on the respective application, different evaluation criteria for the results of test steps 41, 42, 43 are possible. Of course, further sensors can also be arranged on the substrate 2 of the device 1, which make additional test steps possible. The evaluation circuit 44 has a corresponding number of input channels and connection options and is preferably designed as a programmable controller using a microprocessor. In the exemplary embodiment described above, the measurement of the resonance frequency is of particular importance; if necessary, it forms a trigger for the subsequent measurements. Alternatively or in addition to the measurement of the resonance frequency, the other sensors can also perform this trigger function.
Für viele Anwendungsfälle ist es aber vorteilhaft, wenn keiner der Sensoren eine solche Vorzugsstellung hat, insbesondere außer dem Temperatursensor alle weiteren Sensoren gleichberechtigt sind.For many applications, however, it is advantageous if none of the sensors has such a preferred position, in particular all other sensors, except the temperature sensor, have equal rights.
Ein alternativer Auswerteschlüssel sieht beispielsweise so aus, daß für jeden Parameter zwei Schwellwerte festgelegt werden. Der zeitliche Verlauf der Meßsignale der Sensoren bzw. der Parameter wird überwacht. Unterhalb des ersten jeweiligen Schwellwertes ist der Parameter völlig unbedenklich. Zwischen dem ersten und dem zweiten Schwell wert ist der Parameter erhöht, aber noch nicht kritisch. Oberhalb des zweiten Schwellwertes ist der Parameter kritisch.An alternative evaluation key looks, for example, in such a way that two threshold values are defined for each parameter. The time course of the measurement signals from the sensors or the parameters is monitored. The parameter is completely harmless below the first respective threshold value. The parameter is increased between the first and the second threshold value, but not yet critical. The parameter is critical above the second threshold.
Werden mehrere Parameter durch jeweils einen weiteren Sensor bestimmt, so führt das Überschreiten des zweiten Schwellwerts eines einzigen Parameters zum Auslösen des Alarms bzw. zum Leuchten der roten Signalleuchte 47. Überschreitet kein Parameter den zweiten Schwellwert und eine Mehrzahl der Parameter überschreitet den jeweiligen ersten Schwellwert leuchtet die gelbe Signalleuchte 46. Überschreitet kein Parameter den jeweiligen zweiten Schwellwert und eine Mehrzahl der Parameter überschreitet auch nicht den ersten Schwellwert leuchtet die grüne Signalleuchte 45. If several parameters are determined by a further sensor, exceeding the second threshold value of a single parameter triggers the alarm or the red signal lamp 47 lights up. If no parameter exceeds the second threshold value and a majority of the parameters exceeds the respective first threshold value lights up the yellow signal lamp 46. If no parameter exceeds the respective second threshold value and a majority of the parameters does not exceed the first threshold value, the green signal lamp 45 lights up.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1 . Vorrichtung (1 ) zur Bestimmung der Qualität eines Mediums, insbesondere eines Schmier- und/oder Kühlmittels, mit mehreren Sensoren (3, 4, 5, 6, 7), die ein elektrisches Ausgangssignal in1 . Device (1) for determining the quality of a medium, in particular a lubricant and / or coolant, with a plurality of sensors (3, 4, 5, 6, 7) which transmit an electrical output signal
Abhängigkeit der jeweiligen sensorspezifischen Eingangsgröße abgeben, wobeiDepend on the respective sensor-specific input variable, whereby
• ein Sensor ein Temperatursensor (7) ist, der ein Ausgangssignal abgibt, das im wesentlichen nur eine Abhängigkeit von der Temperatur (T) des Mediums aufweist und insbesondere von der• A sensor is a temperature sensor (7) which emits an output signal which is essentially only dependent on the temperature (T) of the medium and in particular on the
Qualität des Mediums im wesentlichen unabhängig ist, undQuality of the medium is essentially independent, and
• mindestens ein weiterer Sensor (3, 4, 5, 6) ein Ausgangssignal abgibt, das eine Abhängigkeit sowohl von der Qualität des Mediums als auch von der Temperatur (T) des Mediums aufweist, und wobei die Sensoren (3, 4, 5, 6, 7) auf einem gemeinsamen und in das Medium eintauchbaren Substrat (2) angeordnet sind.• at least one further sensor (3, 4, 5, 6) emits an output signal which is dependent on both the quality of the medium and the temperature (T) of the medium, and wherein the sensors (3, 4, 5, 6, 7) are arranged on a common substrate (2) which can be immersed in the medium.
2. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor (7) ein Widerstandsthermometer ist, dessen Widerstandsbahn (8) auf das Substrat (2) aufgebracht ist und gegenüber dem Medium elektrisch isoliert ist, aber eine gute thermische Kopplung an das Medium aufweist.2. Device (1) according to claim 1, characterized in that the temperature sensor (7) is a resistance thermometer, the resistance track (8) is applied to the substrate (2) and is electrically insulated from the medium, but a good thermal coupling has the medium.
3. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsbahn (8) als strukturierte Dünnschicht in Form eines3. Device (1) according to claim 2, characterized in that the resistance track (8) as a structured thin layer in the form of a
Mäanders aufgebracht ist.Meander is applied.
4. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (2) piezoelektrisch ist und daß ein erster weiterer Sensor ein vorzugsweise elektrisch anregbarer Schwingkörper (3) ist, dessen Resonanzfrequenz (f) von der Viskosität des Mediums abhängig ist.4. Device (1) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the substrate (2) is piezoelectric and that a The first further sensor is a preferably electrically excitable vibrating body (3), the resonance frequency (f) of which is dependent on the viscosity of the medium.
5. Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (2) aus Quarz besteht, insbesondere aus einer Platte, die durch einen AT-Schnitt aus einem Quarzkristall hergestellt ist.5. The device (1) according to claim 4, characterized in that the substrate (2) consists of quartz, in particular from a plate which is made by an AT cut from a quartz crystal.
6. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (2) auf den einander gegenüberliegenden Flächen (9), vorzugsweise zentrisch, Elektroden (12, 14) zur Schwingungsanregung aufweist.6. The device (1) according to claim 4 or 5, characterized in that the substrate (2) on the opposite surfaces (9), preferably centrally, electrodes (12, 14) for vibration excitation.
7. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (2) in einem ersten Bereich (18), in dem die Elektroden (12,7. The device (1) according to claim 6, characterized in that the substrate (2) in a first region (18) in which the electrodes (12,
14) angeordnet sind, dünner ist als in einem an den ersten Bereich (18) anschließenden, insbesondere den ersten Bereich (18) umgebenden, zweiten Bereich (19).14) is thinner than in a second area (19) adjoining the first area (18), in particular surrounding the first area (18).
8. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkörper (3) mit einer seiner schwingenden Flächen, insbesondere mit der Oberfläche (9) des Substrats (2), in flächigem Kontakt mit dem Medium ist.8. Device (1) according to one of claims 4 to 7, characterized in that the vibrating body (3) with one of its vibrating surfaces, in particular with the surface (9) of the substrate (2), is in flat contact with the medium.
9. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rückseite des Substrats (2) einen belüftbaren und gegenüber dem Medium abgedichteten Raum begrenzt. 9. Device (1) according to one of claims 4 to 8, characterized in that a back of the substrate (2) delimits a ventilated and sealed from the medium space.
10. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter weiterer Sensor ein Kondensator (5) ist, mit dem die Dielektrizitätskonstante des Mediums bestimmbar ist.10. The device (1) according to one of claims 1 to 9, characterized in that a second further sensor is a capacitor (5) with which the dielectric constant of the medium can be determined.
1 1 . Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator lateral durch ineinandergreifende aber gegeneinander elektrisch isolierte Kammelektroden (20, 21) gebildet ist, die als strukturierte Dünnschicht auf das Substrat (2) aufgebracht sind und gegenüber dem Medium elektrisch isoliert sind.1 1. Device (1) according to claim 10, characterized in that the capacitor is formed laterally by intermeshing but electrically insulated comb electrodes (20, 21), which are applied as a structured thin layer to the substrate (2) and are electrically insulated from the medium.
12. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter weiterer Sensor ein Leitwertsensor (6) ist, mit dem der elektrische Leitwert des Mediums bestimmbar ist.12. The device (1) according to one of claims 1 to 1 1, characterized in that a third further sensor is a conductivity sensor (6) with which the electrical conductivity of the medium can be determined.
13. Vorrichtung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitwertsensor (6) lateral durch ineinandergreifende aber gegeneinander elektrisch isolierte Kammelektroden (22, 23) gebildet ist, die als strukturierte Dünnschicht auf das Substrat (2) aufgebracht sind und das Medium elektrisch kontaktieren.13. The device (1) according to claim 12, characterized in that the conductivity sensor (6) is formed laterally by interlocking but mutually electrically insulated comb electrodes (22, 23) which are applied as a structured thin layer on the substrate (2) and the medium electrical contact.
14. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein vierter weiterer Sensor ein Feuchtesensor (4) ist, mit dem der Feuchtigkeitsgehalt des Mediums bestimmbar ist.14. The device (1) according to one of claims 1 to 13, characterized in that a fourth further sensor is a moisture sensor (4) with which the moisture content of the medium can be determined.
1 5. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Feuchtesensor (4) lateral durch ineinandergreifende aber gegeneinander elektrisch isolierte Kammelektroden (24, 25) gebildet ist, die als strukturierte Dünnschicht auf das Substrat (2) aufgebracht sind und gegenüber dem Medium von einer feuchtigkeitsabsorbierenden Schicht abgedeckt sind.1 5. Device (1) according to claim 14, characterized in that the moisture sensor (4) is formed laterally by intermeshing but mutually electrically insulated comb electrodes (24, 25) which are applied as a structured thin layer on the substrate (2) are and are covered with a moisture-absorbing layer relative to the medium.
16. Verfahren zur Bestimmung der Qualität eines Mediums, insbesondere eines Schmier- und/oder Kühlöls, mit mehreren auf einem gemeinsamen und in das Medium eintauchbaren Substrat (2) angeordneten Sensoren (3, 4, 5, 6, 7), die ein elektrisches Ausgangssignal in Abhängigkeit der jeweiligen sensorspezifischen Eingangsgröße abgeben, wobei » ein Sensor ein Temperatursensor (7) ist, der ein Ausgangssignal abgibt, das im wesentlichen nur eine Abhängigkeit von der Temperatur (T) des Mediums aufweist und insbesondere von der Qualität des Mediums im wesentlichen unabhängig ist, und16. A method for determining the quality of a medium, in particular a lubricating and / or cooling oil, with a plurality of sensors (3, 4, 5, 6, 7) which are arranged on a common substrate (2) which can be immersed in the medium and which have an electrical Output signal depending on the respective sensor-specific input variable, where »a sensor is a temperature sensor (7) which emits an output signal which essentially only depends on the temperature (T) of the medium and in particular is essentially independent of the quality of the medium is and
• mindestens ein weiterer Sensor (3, 4, 5, 6) ein Ausgangssignal abgibt, das eine Abhängigkeit sowohl von der Qualität des• at least one further sensor (3, 4, 5, 6) emits an output signal that is dependent both on the quality of the
Mediums als auch von der Temperatur (T) des Mediums aufweist,Medium as well as the temperature (T) of the medium,
• und wobei die Ausgangssignale der Sensoren (3, 4, 5, 6, 7) einer Auswerteeinrichtung (44). zugeführt werden, die das Ausgangssignal des weiteren Sensors (3, 4, 5, 6) mit einem durch die Temperatur (T) des Mediums bestimmten Erwartungswert vergleicht, und ein das Ergebnis des Vergleiches anzeigendes Ausgangssignal abgibt.• and wherein the output signals of the sensors (3, 4, 5, 6, 7) of an evaluation device (44). are supplied, which compares the output signal of the further sensor (3, 4, 5, 6) with an expected value determined by the temperature (T) of the medium, and emits an output signal indicating the result of the comparison.
1 7. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale mehrerer weiterer Sensoren (3, 4, 5, 6), die weitere1 7. The method according to claim 16, characterized in that the output signals of a plurality of further sensors (3, 4, 5, 6), the further
Parameter des Mediums bestimmen, mit jeweils zugehörigen Erwartungswerten verglichen werden. Determine the parameters of the medium and compare them with the corresponding expected values.
18. Verfahren nach Anspruch 1 6 oder 1 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Erwartungswert fest vorgegeben ist.18. The method according to claim 1 6 or 1 7, characterized in that the expected value is fixed.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Erwartungswert unter Verwendung des zeitlichen Verlaufes der Temperatur (T) des Mediums berechnet wird und dementsprechend veränderbar ist.19. The method according to any one of claims 16 to 18, characterized in that the expected value is calculated using the time profile of the temperature (T) of the medium and can be changed accordingly.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Erwartungswert in der Auswerteschaltung20. The method according to any one of claims 16 to 19, characterized in that the expected value in the evaluation circuit
(44) gespeichert ist. (44) is saved.
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