JPH08292144A - Liquid viscosity sensor - Google Patents

Liquid viscosity sensor

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JPH08292144A
JPH08292144A JP11763395A JP11763395A JPH08292144A JP H08292144 A JPH08292144 A JP H08292144A JP 11763395 A JP11763395 A JP 11763395A JP 11763395 A JP11763395 A JP 11763395A JP H08292144 A JPH08292144 A JP H08292144A
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JP
Japan
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viscosity
liquid
bridge circuit
circuit
liquid viscosity
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Application number
JP11763395A
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Japanese (ja)
Inventor
Masatsune Yamaguchi
正常 山口
Kiyonari Hashimoto
研也 橋本
Hajime Suzuki
一 鈴木
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Riken Corp
Original Assignee
Riken Corp
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Abstract

PURPOSE: To obtain a small-scaled lightweight liquid viscosity sensor with good measuring accuracy usable in a system (inline) by using an impedance bridge circuit making a circuit element of quartz oscillators and capacity elements. CONSTITUTION: The liquid viscosity sensor is constituted by an impedance bridge circuit making a circuit element of quartz oscillators for liquid viscosity measuring X1, X2 and capacity elements (capacitor) C1, C2. And a coefficient of viscosity (viscosity) of liquid specimen is measured by measuring the Q values of the quartz oscillators X1, X2 by the impedance bridge circuit. In other words, when alternating voltage of a few volts is applied between contact points 0-1 of the impedance bridge circuit, alternating voltage proportional to the Q values of the quartz oscillators X1, X2 produces at a resonance point of the bridge circuit between contact points 2-3. Direct voltage proportional to the Q value can be obtained by detecting and rectifying it. In addition, when the circuit elements are integrated on the same substrate, scattering of each circuit element is lessened.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、液体の粘度測定に使用
される液体粘度センサに関し、特に詳述すれば、粘性率
の比較的に小さい低粘度液体の粘度測定用として利用で
きるものであって、液体粘度の一般的な測定から、ディ
ーゼルエンジンの燃料噴射ポンプ内の軽油の粘度測定を
可能にするなど、小空間内でのインライン液体粘度測定
などにも使用される液体粘度センサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a liquid viscosity sensor used for measuring the viscosity of a liquid, and more particularly to a liquid viscosity sensor which can be used for measuring the viscosity of a low-viscosity liquid having a relatively small viscosity. Also, the present invention relates to a liquid viscosity sensor used for in-line liquid viscosity measurement in a small space, for example, which enables measurement of light oil viscosity in a fuel injection pump of a diesel engine from general measurement of liquid viscosity.

【0002】[0002]

【従来の技術】液体の粘度測定には、絶対測定を行う方
法または装置としては、ポアズイユの法則に基づく細管
からの液体の流出を利用するもの、ストークスの法則の
利用に基づく液体内の球の落下速度を測るもの、液体内
での円板または円筒の回転または振動に対する液体の抵
抗を利用するもの、あるいは標準液体に対する粘性率を
比較測定を行うものとしては、細管部を一定量の液体が
通過するに要する時間を比較するオストヴァルト粘度
計、ウオッシュバーン・ウィリアムズの粘度計、ウベロ
ーデの粘度計などがある。
2. Description of the Related Art In measuring the viscosity of a liquid, there are two methods or devices for performing absolute measurement: a method using the outflow of a liquid from a thin tube based on Poiseuille's law, and a method using a sphere in a liquid based on the use of Stokes' law. To measure the falling speed, to use the resistance of the liquid to the rotation or vibration of the disk or cylinder in the liquid, or to compare and measure the viscosity of the standard liquid, a small amount of liquid is applied to the thin tube. There are Ostwald viscometer, Washburn Williams viscometer, Ubbelohde viscometer, etc., which compare the time required to pass.

【0003】例えば、液体内での物体の振動を利用する
機械振動式の液体粘度測定装置は、特開平1−2093
38号公報にみられる如く、液体槽内で振動片を振動さ
せ液体の粘性抵抗による振動振幅の減衰量から当該液体
の粘性を測定するものである。しかしながら、これらの
測定方法を採る装置は、その測定部が大きくなるととも
に、被検液体の量も多く、したがって、据置型の測定装
置としての利用に限られている。
[0003] For example, a mechanical vibration type liquid viscosity measuring apparatus utilizing vibration of an object in a liquid is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 1-2093.
As disclosed in Japanese Patent Publication No. 38-38, a vibrating piece is vibrated in a liquid tank, and the viscosity of the liquid is measured from the attenuation amount of the vibration amplitude due to the viscous resistance of the liquid. However, devices employing these measurement methods have a large measuring section and a large amount of liquid to be tested, and are therefore limited to use as stationary measurement devices.

【0004】近年、多くの分野においてシステムの自動
化が進められている。システムの自動化は、システム中
において使用される物性の種々の物性値に基づいた制御
がなされることから、当該物性値を測定する各種のセン
サが開発され使用されている。液体を含むシステムの自
動化を進めるには、液体の重要な物性値の一つである粘
性をインラインで測定するに適する小型、軽量でかつ安
価な液体粘度センサが必要とされる。
In recent years, system automation has been advanced in many fields. Since the automation of the system is controlled based on various physical property values used in the system, various sensors for measuring the physical property values have been developed and used. In order to automate a system including a liquid, a small, lightweight, and inexpensive liquid viscosity sensor suitable for in-line measurement of viscosity, which is one of the important physical property values of a liquid, is required.

【0005】圧電材料からなる超音波振動子、弾性表面
波素子などを粘度センサに利用し小型の粘度センサを製
作する試みがなされる。このような超音波振動子を利用
した液体粘度センサの中でも、水晶厚み滑り振動子を用
いたものは、構造が単純で強度もあり、また、温度変化
に対する安定特性が良好である等の特徴を有するため、
特に低粘度の液体用の粘度センサとしての実用可能性が
期待されている。しかし、液体中での振動子の共振周波
数frから粘度測定を行うという従来提案されている方
式による場合には、液体中での共振低下が大きく、簡便
な発振回路を利用した検出方式では困難であり、ネット
ワークアナライザ等の高価な測定機器を用いたアドミタ
ンス測定が必要であり、安価なセンサシステムを構成す
る上での障害となっていた。更に、アドミタンス実部最
大点としての共振周波数frの測定は、センサが液体中
にある時の共振強度であるため、共振ピークがブロード
になりfrの測定のバラツキを大きくするという難点が
ある。
Attempts have been made to manufacture a small-sized viscosity sensor by using an ultrasonic transducer, a surface acoustic wave element, or the like made of a piezoelectric material as a viscosity sensor. Among the liquid viscosity sensors using such an ultrasonic vibrator, those using a quartz thickness sliding vibrator have features such as simple structure, high strength, and good stability characteristics against temperature change. To have
In particular, its practicality as a viscosity sensor for low viscosity liquids is expected. However, in the case of the conventionally proposed method of measuring the viscosity from the resonance frequency fr of the vibrator in the liquid, the decrease in resonance in the liquid is large, and it is difficult with a detection method using a simple oscillation circuit. There is a need for admittance measurement using an expensive measurement device such as a network analyzer, which has been an obstacle in configuring an inexpensive sensor system. Furthermore, the measurement of the resonance frequency fr as the admittance real part maximum point is the resonance intensity when the sensor is in the liquid, and therefore has a disadvantage that the resonance peak becomes broad and the measurement variation of fr becomes large.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記に鑑
み、システム内(インライン)での使用を可能にするよ
うな、小型軽量で且つ測定精度の良好な液体粘度センサ
を提供することを課題としてなされたものである。
SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above, it is an object of the present invention to provide a small, lightweight, and highly accurate liquid viscosity sensor which can be used in a system (in-line). It was done as.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明は、前述した課題
を解決するために、少なくとも1個の液体粘性測定用水
晶振動子及び容量素子を回路素子とするインピーダンス
ブリッジ回路で構成した液体粘度センサを提供する。
According to the present invention, there is provided a liquid viscosity sensor comprising at least one crystal oscillator for measuring liquid viscosity and an impedance bridge circuit having a capacitive element as a circuit element. I will provide a.

【0008】好ましくは、上記インピーダンスブリッジ
回路の相対向する一対の回路素子として同一水晶基板の
上に離間して設けた一対の振動子を使用することがで
き、また、更に本発明においては、インピーダンスブリ
ッジ回路の回路素子として水晶基板を同一として構成し
た二対の振動子を使用することができ、この場合、各回
路素子、即ち、振動子のアドミタンス及び共振周波数
は、該振動子を構成する電極部の質量負荷の大きさを調
整することにより調整される。上記電極部の質量負荷調
整、即ち、振動子のアドミタンスおよび共振周波数の調
整は、比重の異なる電極材料を使用する、或いは電極の
厚さを変化させる、等々の手段により容易に行うことが
できる。本発明においては、回路素子として組み込まれ
た液体粘度測定用の水晶振動子のQ値を上記インピーダ
ンスブリッジ回路により測定することにより、該Q値に
対応する値として被検液体の粘度(粘性)を検知する方
法を採ることができる。水晶振動子のアドミタンス実部
を測定すると、共振周波数付近でローレンツ型の共振ピ
ークを示し、この最大点の周波数が共振周波数frであ
る。そして、この点におけるアドミタンス実部の値をG
-maxとすると、G-maxと該振動子が浸されている液体の
粘度ηおよび密度ρとの間には、
Preferably, a pair of vibrators provided separately on the same crystal substrate can be used as a pair of circuit elements opposed to each other in the impedance bridge circuit. As a circuit element of the bridge circuit, two pairs of vibrators having the same quartz substrate can be used. In this case, the admittance and resonance frequency of each circuit element, that is, the vibrator, It is adjusted by adjusting the magnitude of the mass load of the part. The adjustment of the mass load of the electrode portion, that is, the adjustment of the admittance and the resonance frequency of the vibrator, can be easily performed by using an electrode material having a different specific gravity, or changing the thickness of the electrode. In the present invention, the viscosity (viscosity) of the test liquid is determined as a value corresponding to the Q value by measuring the Q value of the crystal oscillator for measuring the liquid viscosity incorporated as a circuit element by the impedance bridge circuit. A detection method can be adopted. When the real part of the admittance of the crystal resonator is measured, it shows a Lorentz-type resonance peak near the resonance frequency, and the frequency at the maximum point is the resonance frequency fr. Then, the value of the admittance real part at this point is represented by G
-max, between G-max and the viscosity η and density ρ of the liquid in which the oscillator is immersed,

【式1】 (ここで、Kは比例係数であり、ρおよびηが既知であ
る標準液に対してG-maxを測定することにより定めるこ
とができる。)なる関係がある。したがって、被検液体
の密度ρが既知であれば、G-maxを測定することにより
当該被検液体の粘度ηを求めることができる。
(Equation 1) (Where K is a proportionality coefficient and can be determined by measuring G-max for a standard solution with known ρ and η). Therefore, if the density ρ of the test liquid is known, the viscosity η of the test liquid can be obtained by measuring G-max.

【0009】アドミタンス実部のピーク周波数frは、
被検液体からの外乱(温度分布不均一、乱流等)により
測定値にバラツキを生じるが、G-maxの測定バラツキは
比較的に少ないので、G-maxの測定値に基づき液体粘度
ηを測定することにより、より高い検知分解能を得るこ
とができる。G-maxを用いて液体粘度を測定する方法
は、fr測定を用いる場合よりも高分解能を与えるが、
G-maxの直接測定にはネットワークアナライザ等の高価
な測定機器を必要とする。本発明では、液体粘度測定用
の水晶振動子及び容量素子を回路素子として有するイン
ピーダンスブリッジ回路の利用を提案する。また、上記
インピーダンスブリッジ回路を利用して、G-maxに関係
する物理量であるQに着目し、このQを測定する方法を
提案する。
The peak frequency fr of the real part of the admittance is
The measured value varies due to disturbance from the test liquid (non-uniform temperature distribution, turbulent flow, etc.). However, since the measured variation of G-max is relatively small, the liquid viscosity η is determined based on the measured value of G-max. By measuring, higher detection resolution can be obtained. The method of measuring liquid viscosity using G-max gives higher resolution than using fr measurement,
Direct measurement of G-max requires expensive measuring equipment such as a network analyzer. The present invention proposes the use of an impedance bridge circuit having a crystal oscillator for measuring liquid viscosity and a capacitor as a circuit element. In addition, a method of measuring the Q by focusing on the physical quantity Q related to G-max using the impedance bridge circuit is proposed.

【0010】即ち、振動子の共振点においては、Q=2
πfrL/R であり、G-max=1/Rであるので、Q
とG-maxとの間にはQ=2πfrL・G-maxなる関係が
ある。ここで、液体の粘度変化に伴うLの変化量は、R
の変化量に比べて僅少であるので、Q=K’G-max
(K’は定数)となる。望ましいインピーダンスブリッ
ジ回路としては、図1に例示するような、2つの相対す
る水晶振動子X1 及びX2 と、振動子の等価並列容量に
等しい容量を持つ2つのコンデンサC1 及びC2 とで構
成する。ここで、回路素子となる2つの水晶振動子のう
ちの1つをコンデンサに置き換えることもできるが、こ
の場合には粘度検出感度が半減するので、相対向する回
路素子として2つの振動子を採用することが望ましい。
That is, at the resonance point of the vibrator, Q = 2
πfrL / R, and since G-max = 1 / R, Q
And G-max have a relationship of Q = 2πfrL · G-max. Here, the amount of change in L due to the change in viscosity of the liquid is R
Q = K'G-max
(K ′ is a constant). As a desirable impedance bridge circuit, as shown in FIG. 1, two opposing crystal units X 1 and X 2 and two capacitors C 1 and C 2 having a capacitance equal to the equivalent parallel capacitance of the unit. Configure. Here, one of the two crystal oscillators serving as circuit elements can be replaced with a capacitor. However, in this case, the viscosity detection sensitivity is reduced by half, and therefore, two oscillators are used as opposing circuit elements. It is desirable to do.

【0011】図1において、インピーダンスブリッジ回
路の接点1−0間に数ボルトの交流電圧を印加すると、
接点2−3間にはブリッジ回路の共振点で水晶振動子の
Q値に比例する交流電圧が発生する。これを検波、整流
することによりQ値に比例した直流電圧の出力を得るこ
とができる。また、入力信号を参照信号として同期検波
を行うことにより、振動子の位相変化に関する情報を得
ることができ、更に、マイコンによるデータ処理やPL
L回路を加えることにより共振の半値幅や共振周波数等
の種々の情報を検出することができるので、インピーダ
ンスブリッジを利用した検出回路は、センサの汎用性を
高める上でも有効である。
In FIG. 1, when an AC voltage of several volts is applied between the contacts 1-0 of the impedance bridge circuit,
An AC voltage proportional to the Q value of the crystal oscillator is generated between the contacts 2-3 at the resonance point of the bridge circuit. By detecting and rectifying this, an output of a DC voltage proportional to the Q value can be obtained. In addition, by performing synchronous detection using the input signal as a reference signal, it is possible to obtain information on the phase change of the vibrator.
By adding an L circuit, various information such as the half width of resonance and the resonance frequency can be detected. Therefore, the detection circuit using the impedance bridge is also effective in increasing the versatility of the sensor.

【0012】インピーダンスブリッジ回路は、好ましく
は2つの水晶振動子と2つのコンデンサにより構成でき
る。別々に製作した各回路素子を用いてインピーダンス
ブリッジ回路を構成する場合には、各素子の特性のバラ
ツキが大きくなり易く、それ故、センサの特性バラツキ
が大きくなり易い。
The impedance bridge circuit can preferably be constituted by two crystal units and two capacitors. When an impedance bridge circuit is configured using each of the circuit elements manufactured separately, the variation in the characteristics of each element tends to increase, and therefore, the variation in the characteristics of the sensor tends to increase.

【0013】本発明では、上記の不具合を除去する方法
として、同一水晶基板の上に、並列容量を等しくし且つ
共振周波数を異にする2組の振動子を形成し、これを回
路素子として上記インピーダンスブリッジを構成するこ
とを提案する。水晶振動子の等価回路は図2のように表
される。ここで、Cpは基板誘電率や厚さ及び電極面積
から決まる電気的な容量成分であり、L1 、C1 、R1
は水晶の圧電振動を記述するための動的な回路要素を示
す。水晶振動子の電極部の質量負荷を増加させることに
よりL1 が増加し、共振周波数frが低下する。前記し
た通り、発明では好ましいインピーダンスブリッジ回路
は、並列容量を等しくし且つ共振周波数を異にする2組
の振動子を回路素子として使用して構成されるが、この
種の振動子即ち回路素子は例えば、以下の方法により製
作される。
According to the present invention, as a method for eliminating the above-mentioned disadvantages, two sets of vibrators having the same parallel capacitance and different resonance frequencies are formed on the same quartz substrate, and these are used as circuit elements. It is proposed to construct an impedance bridge. FIG. 2 shows an equivalent circuit of the crystal resonator. Here, Cp is an electrical capacitance component determined by the substrate dielectric constant, thickness, and electrode area, and L 1 , C 1 , R 1
Denotes a dynamic circuit element for describing the piezoelectric vibration of the crystal. L 1 is increased by increasing the mass load of the electrodes of the quartz oscillator, the resonance frequency fr is reduced. As described above, in the present invention, a preferred impedance bridge circuit is configured by using two sets of oscillators having the same parallel capacitance and different resonance frequencies as circuit elements. For example, it is manufactured by the following method.

【0014】同一水晶基板の表面及び裏面に、相対向し
た円形電極をそれぞれ離間させて4組設けて4個の水晶
振動子とする。ここで、各電極は同一半径にしてあり、
したがって、各振動子の並列容量Cpは等しくなってい
る。ただし、対向する2組の振動子の電極はその質量負
荷が各組間でそれぞれ異ったものとしてあり、したがっ
て、各組間で振動子の共振周波数frが異なったものと
なっている。上記の如くして得られた2組の振動子(回
路素子)は、一方の組の振動子(回路素子)の共振周波
数付近においては、他方の組の振動子は共振ゾーンから
離れた状態にあり単なるコンデンサとして機能する。し
たがって、上記2組の振動子(回路素子)をブリッジ状
に組み合わせることにより、図1に示すような構成のイ
ンピーダンスブリッジ回路を得ることができる。なお、
振動子(回路素子)の電極部での質量負荷の変化は、例
えば、異種の電極材料、例えばAlとAuを使用するこ
とにより、或いは更に電極厚さを異にする等の手段によ
り変化させることが出来る。
On the front and back surfaces of the same quartz substrate, four sets of opposed circular electrodes are provided separately from each other to form four quartz oscillators. Here, each electrode has the same radius,
Therefore, the parallel capacitance Cp of each transducer is equal. However, the electrodes of the two opposing transducers have different mass loads between the respective sets, and therefore, the resonance frequency fr of the transducer is different between the respective sets. The two sets of vibrators (circuit elements) obtained as described above are arranged such that the vibrator of the other set is separated from the resonance zone near the resonance frequency of one set of vibrators (circuit elements). It functions as a simple capacitor. Therefore, an impedance bridge circuit having a configuration as shown in FIG. 1 can be obtained by combining the two sets of vibrators (circuit elements) in a bridge shape. In addition,
The change of the mass load at the electrode portion of the vibrator (circuit element) may be changed, for example, by using different types of electrode materials, for example, Al and Au, or by further changing the electrode thickness. Can be done.

【0015】[0015]

【作用】水晶厚み振動子を用い且つインピーダンスブリ
ッジ回路を用いて、以上のように構成された液体粘度セ
ンサは、低粘度域での高分解能の液体粘度センサであっ
て且つ小型でバラツキの少ないセンサを提供する。
The liquid viscosity sensor configured as described above using a quartz crystal vibrator and an impedance bridge circuit is a high-resolution liquid viscosity sensor in a low-viscosity region, and is a small and small-variation sensor. I will provide a.

【0016】[0016]

【実施例】振動子のQ値は、アドミタンス実部の周波数
特性から測定でき、具体的には共振ピークの最大値を示
す周波数をfr、その最大値に対して
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The Q value of a vibrator can be measured from the frequency characteristics of the real part of admittance. Specifically, the frequency indicating the maximum value of the resonance peak is represented by fr,

【式2】 となる周波数f1 、f2 (f1 <f2 )の差であるΔf
=f2 −f1 とすると、Q=fr/Δfと測定出来る。
また、振動子の動的インダクタンス成分をL、動的抵抗
成分をRとすると、共振周波数frにおいて、Q=2π
frL/Rであり、更にG-max=1/Rである。ここ
で、液体の粘性変化にともなうLの変化量は、Rの変化
量に比べて極僅かであるので、Q=2πfrLG-max=
K・G-max(K:定数)となる。したがって、Qと等価
な代用値としてG-maxを測定した。また、共振周波数f
rは、G-maxを与える周波数として同じに測定された。
(Equation 2) Δf which is the difference between the frequencies f 1 and f 2 (f 1 <f 2 )
= F 2 −f 1 , it can be measured as Q = fr / Δf.
When the dynamic inductance component of the vibrator is L and the dynamic resistance component is R, Q = 2π at the resonance frequency fr.
frL / R, and G-max = 1 / R. Here, since the amount of change in L due to the change in viscosity of the liquid is very small compared to the amount of change in R, Q = 2πfrLG-max =
K · G-max (K: constant). Therefore, G-max was measured as a substitute value equivalent to Q. Also, the resonance frequency f
r was similarly measured as the frequency giving G-max.

【0017】被検液体としては、温度20〜80℃の範
囲で粘度、密度ともに既知の軽油を使用し、温度が室温
〜約90℃の範囲で、共振周波数frおよびG-maxを測
定した。なお、実験に先立ち予め、水晶基板自体の温度
特性の影響は、軽油粘度の温度変化すなわち粘度変化に
伴うfr、G-maxの変化に比べて無視できる程度に小さ
いことを確認した。
As the test liquid, a light oil whose viscosity and density are known in the temperature range of 20 to 80 ° C. was used, and the resonance frequency fr and G-max were measured in the temperature range of room temperature to about 90 ° C. Prior to the experiment, it was previously confirmed that the influence of the temperature characteristic of the quartz substrate itself was negligibly small compared to the temperature change of the gas oil viscosity, that is, the change in fr and G-max accompanying the change in viscosity.

【0018】測定した水晶振動子の共振周波数fr、G
-maxを図3に示す。実験値は、
The measured resonance frequency fr, G of the quartz oscillator
-max is shown in FIG. The experimental value is

【式3】 となっており、この傾向は従来の研究報告及び理論とも
一致している。それぞれの粘度に対する感度は、回帰直
線の傾きdfr/dη、dG-max/dηで評価できる
が、実際の検出分解能は測定バラツキを考慮して、Δf
r/(dfr/dη)、ΔG-max/(dG-max/dη)
として評価した。ここで、Δfr、ΔG-maxは、測定バ
ラツキであり、標準偏差σを用いて4σ(=Xavg.±2
σ)とした。測定バラツキは図3から明らかにG-max測
定の方が少ない。表1に検出分解能を示す。
(Equation 3) This is consistent with previous research reports and theories. The sensitivity to each viscosity can be evaluated by the slopes dfr / dη and dG-max / dη of the regression line, but the actual detection resolution is Δf
r / (dfr / dη), ΔG-max / (dG-max / dη)
Was evaluated. Here, Δfr and ΔG-max are measurement variations, and 4σ (= Xavg. ± 2) using the standard deviation σ.
σ). The measurement variation is clearly smaller in the G-max measurement from FIG. Table 1 shows the detection resolution.

【0019】[0019]

【表1】 [Table 1]

【0020】次に、厚さ415μmのATカット水晶基
板1を用いて、図4のaとbに示すように、その両面に
それぞれ対向して直径10mmの円形で、厚さ0.2μmと
0.4μmのAu電極2をそれぞれスパッタ成膜、及びフ
ォトリソグラフィにより形成し、同一水晶基板上に4個
の振動子(回路素子)を設け、図1に示すようなインピ
ーダンスブリッジ回路を構成した。このブリッジ回路の
入力リード3および出力リード4は、図4に示されてい
るように基板1の両面に入出力分離した形で設けられて
いる。測定に際しては、Vp−p=2Vの正弦波をファ
ンクションジェネレータで入力リード3から印加し、4
MHz 近傍で周波数掃引し、出力リード4に生じる交流電
圧をオッシロスコープで観察し、最大振幅となった時の
最大電圧を観測した。なお、被検液体としては予め密
度、粘度共に既知の軽油を用意し、室温で測定した。
Next, using an AT cut quartz substrate 1 having a thickness of 415 μm, as shown in FIGS. 4A and 4B, a circular shape having a diameter of 10 mm and a thickness of 0.2 μm is opposed to both surfaces thereof.
A 0.4 μm Au electrode 2 was formed by sputtering film formation and photolithography, and four vibrators (circuit elements) were provided on the same quartz substrate to form an impedance bridge circuit as shown in FIG. The input lead 3 and the output lead 4 of this bridge circuit are provided on both sides of the substrate 1 in a form separated from input and output, as shown in FIG. At the time of measurement, a sine wave of Vp-p = 2 V is applied from the input lead 3 by the function generator, and
The frequency was swept in the vicinity of MHz, and the AC voltage generated at the output lead 4 was observed with an oscilloscope, and the maximum voltage when the amplitude reached the maximum was observed. In addition, as a test liquid, a light oil whose density and viscosity were known in advance was prepared and measured at room temperature.

【0021】以上のようにして予め粘度、密度が明らか
にされている各種の軽油中にセンサを浸して測定した時
の出力電圧を図5に示す。インピーダンスブリッジ回路
の等価回路解析から、出力電圧は
FIG. 5 shows the output voltage when the sensor was immersed in various types of light oil whose viscosity and density were previously determined as described above and measured. From the equivalent circuit analysis of the impedance bridge circuit, the output voltage is

【式4】 に比例することが予想されるが、被検液体とした軽油の
密度はほぼ0.82g/cm3 で一定であり、それ故、出力
電圧は概ね
(Equation 4) It is expected that the density of light oil used as the test liquid is constant at approximately 0.82 g / cm 3 , and therefore, the output voltage is approximately

【式5】 に比例する。即ち、予め密度がわかっている液体に関し
ては、このインピーダンスブリッジ素子の出力電圧を利
用して粘度測定を行うことができる。
(Equation 5) Is proportional to That is, for a liquid whose density is known in advance, the viscosity can be measured using the output voltage of the impedance bridge element.

【0022】また、この粘度測定感度は、低粘度液体に
関しては非常に高感度であり、図5に示されているよう
に、各種の軽油の判別がきわめて明瞭にできる。なお、
出力電圧は交流電圧として得られるが、これを検波、整
流回路を通して直流電圧に変換すれば粘度検知のための
出力信号とすることができる。例えば、演算回路で粘度
値に比例した直流電圧にすれば、電圧計を用いて粘度表
示が可能であり、また、インライン計測においてこのよ
うにして得られた液体粘度に関する出力信号(情報)を
前段又は後段の制御系に伝達しシステム制御の情報とし
て活用することができる。
The viscosity measurement sensitivity is very high for a low-viscosity liquid, and as shown in FIG. 5, it is possible to distinguish various light oils very clearly. In addition,
Although the output voltage is obtained as an AC voltage, if this is converted into a DC voltage through a detection and rectification circuit, it can be used as an output signal for viscosity detection. For example, if the DC voltage is proportional to the viscosity value in the arithmetic circuit, the viscosity can be displayed using a voltmeter, and the output signal (information) relating to the liquid viscosity obtained in the in-line measurement is obtained in the preceding stage. Alternatively, the information can be transmitted to a subsequent control system and used as information for system control.

【0023】[0023]

【発明の効果】本発明では、水晶振動子及び容量素子を
回路素子とするインピーダンスブリッジ回路で構成した
液体粘度センサであるので小型で且つ高感度であり、特
に低粘度液体の粘度検知に有効である。また、センサの
回路素子を同一基板上に集積させているので、各回路素
子の特性のバラツキが少なく、出力特性の安定性も良好
であり、インライン計測用としての用途にも適するもの
である。
According to the present invention, since the liquid viscosity sensor is constituted by an impedance bridge circuit using a crystal unit and a capacitance element as circuit elements, it is small and highly sensitive, and is particularly effective for detecting the viscosity of a low viscosity liquid. is there. Further, since the circuit elements of the sensor are integrated on the same substrate, variations in the characteristics of each circuit element are small, the stability of the output characteristics is good, and the apparatus is suitable for use in in-line measurement.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】インピーダンスブリッジ回路の概要図である。FIG. 1 is a schematic diagram of an impedance bridge circuit.

【図2】水晶厚み滑り振動子の等価回路である。FIG. 2 is an equivalent circuit of a quartz thickness slip resonator.

【図3】水晶振動子の共振周波数fr、G-maxと軽油粘
度との関係を示すグラフ図である。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the resonance frequency fr and G-max of a quartz oscillator and the viscosity of light oil.

【図4】同一基板上に形成したインピーダンスブリッジ
回路素子の概要図である。
FIG. 4 is a schematic diagram of an impedance bridge circuit element formed on the same substrate.

【図5】同一基板上の回路素子でなるインピーダンスブ
リッジ回路の出力特性を示す図である。
FIG. 5 is a diagram illustrating output characteristics of an impedance bridge circuit including circuit elements on the same substrate.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基板 2 Au電極 3 入力リード 4 出力リード X1 、X2 水晶振動子 C1 、C2 コンデンサ1 substrate 2 Au electrode 3 input lead 4 output lead X 1 , X 2 crystal oscillator C 1 , C 2 capacitor

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 水晶振動子と容量素子とを回路素子とし
たインピーダンスブリッジ回路を有する液体粘度セン
サ。
1. A liquid viscosity sensor having an impedance bridge circuit using a crystal unit and a capacitor as circuit elements.
【請求項2】 被検液体内における該水晶振動子のQ値
の測定を可能にするインピーダンスブリッジ回路を有す
る請求項1記載の液体粘度センサ。
2. The liquid viscosity sensor according to claim 1, further comprising an impedance bridge circuit for enabling measurement of a Q value of the quartz oscillator in the test liquid.
【請求項3】 前記回路素子が、同一水晶基板上に並べ
て形成されている請求項1または2記載の液体粘度セン
サ。
3. The liquid viscosity sensor according to claim 1, wherein the circuit elements are formed side by side on the same quartz substrate.
【請求項4】 前記回路素子を構成する電極部の質量負
荷の大きさを異にすることにより、各回路素子のアドミ
タンス及び共振周波数を異にしている請求項3記載の液
体粘度センサ。
4. The liquid viscosity sensor according to claim 3, wherein the admittance and the resonance frequency of each of the circuit elements are made different by making the magnitude of the mass load of the electrode part constituting the circuit element different.
【請求項5】 前記容量素子の容量が、水晶振動子の有
する並列容量に等しくされている請求項1乃至4の何れ
かに1項記載の液体粘度センサ。
5. The liquid viscosity sensor according to claim 1, wherein the capacitance of the capacitance element is equal to the parallel capacitance of the crystal unit.
【請求項6】 水晶振動子及び容量素子とから構成され
るインピーダンスブリッジ回路を有し、該ブリッジ回路
を4個の振動子を同一水晶基板上に配して構成し、振動
子のQ値はブリッジ回路により検出し、各振動子のアド
ミタンス及び共振周波数はその電極部の質量負荷の大き
さにより調整され、電極部の質量負荷は、電極材料を質
量密度の異なった異種材料を用いるか、同一電極材料で
も膜厚を変化させるか、電極上に多種材料を積層させる
か、又はこれらの何れかの組合せにより調整されること
を特徴とする液体粘度センサ。
6. An impedance bridge circuit comprising a crystal unit and a capacitance element, wherein the bridge circuit is configured by arranging four units on the same crystal substrate, and the Q value of the unit is Detected by a bridge circuit, the admittance and resonance frequency of each vibrator are adjusted according to the magnitude of the mass load on the electrode section. A liquid viscosity sensor characterized by being adjusted by changing the film thickness of the electrode material, laminating various materials on the electrode, or any combination thereof.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005351798A (en) * 2004-06-11 2005-12-22 Ulvac Japan Ltd Measuring method by surface elastic wave element
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