WO2005052554A1 - Sensor - Google Patents

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WO2005052554A1
WO2005052554A1 PCT/AT2004/000409 AT2004000409W WO2005052554A1 WO 2005052554 A1 WO2005052554 A1 WO 2005052554A1 AT 2004000409 W AT2004000409 W AT 2004000409W WO 2005052554 A1 WO2005052554 A1 WO 2005052554A1
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WO
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sensor
liquid
heating electrode
heating
electrode
Prior art date
Application number
PCT/AT2004/000409
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English (en)
French (fr)
Inventor
Bernhard Jakoby
Original Assignee
Technische Universität Wien
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Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universität Wien filed Critical Technische Universität Wien
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Priority to AT0939204A priority patent/AT503212B1/de
Priority to EP04796952A priority patent/EP1745272A1/de
Priority to JP2006540072A priority patent/JP4291373B2/ja
Publication of WO2005052554A1 publication Critical patent/WO2005052554A1/de

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N11/00—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties
    • G01N11/10—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties by moving a body within the material
    • G01N11/16—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties by moving a body within the material by measuring damping effect upon oscillatory body

Definitions

  • the invention relates to a sensor for measuring the viscosity of a liquid comprising at least one piezoelectric component, preferably designed as a resonator, and at least one first excitation electrode and a second excitation electrode, preferably at least the first excitation electrode on a sensitive surface of the sensor is arranged.
  • the nicosity measurement with microacoustic components is known.
  • mechanical or acoustic vibrations can be excited in this element by applying electrical alternating voltages to electrode configurations which are mounted on a piezoelectric element.
  • piezoelectric crystals e.g. quartz
  • piezoelectric ceramics e.g. quartz
  • shear vibrations are preferably formed on at least one crystal surface when excited with an AC voltage on appropriately attached electrodes.
  • the polarization direction must be selected accordingly.
  • shear vibration denotes oscillating deformations of the surface, which preferably form in the plane of the crystal surface (ie not orthogonal to the surface). If such a vibrating crystal surface is brought into contact with a viscous liquid, a damped acoustic shear wave is excited in the liquid. If the acoustic component is designed as a piezoelectric resonator, this contact with the liquid changes the damping and the resonance frequency of the resonator depending on the density and viscosity of the liquid (see, for example, SJ Marlin, GC Frye, KO Wessendorf, "Sensing Liquid Properties with Thickness-Shear Mode Resonators ", Sens. Act. A, vol. 44.
  • Microacoustic components that use shear polarized surface acoustic waves are based on a similar principle (see, for example, B. Jakoby, MJ Vellekoop, "Properties of Love Waves: Applications in Sensors", Smart Mater. Struct, vol. 6, p. 668-679, 1997). This also excites shear waves in the liquid that change the electrical properties of the component.
  • These components can also be designed as resonators, but alternatively also as delay lines. In this case, the damping and the transit time or phase of the delay line change with the viscosity and density of the liquid.
  • a measuring arrangement for a viscosity measurement of liquids is known from US 2002/0170341 AI (Jakoby et al.).
  • US 2002/0170341 AI describes a piezoelectric sensor device which is completely in the area to be measured Liquid is immersed. A cylindrical sensor with two excitation electrodes is described, the sensor being arranged in a container through which the liquid to be measured flows.
  • VT viscosity-temperature
  • the object of the invention is therefore to provide a sensor of the type mentioned, with which the disadvantages mentioned can be avoided and which shortens the time for measuring the viscosity of a liquid at a predeterminable temperature, which is simple and compact, and which is inexpensive in Manufacture and use.
  • At least one heating electrode is provided for heating the liquid to be measured.
  • the liquid to be measured can be heated to a predetermined temperature in the area of the sensor. Since the liquid is heated directly in the area of the sensor, the entire measurement setup is compact and inexpensive. By heating the liquid in the area of the sensor, the predeterminable temperature is reached quickly, which significantly shortens the total measuring time.
  • the microacoustic measurement has the advantage that one can get by with comparatively small sample quantities, because firstly the depth of penetration of the damped shear wave into the liquid is relatively small (typically in the order of one micron), so that the sensor is covered with a thin film of liquid is sufficient in principle and secondly the component can generally be made very small, typically on the order of a few millimeters).
  • the at least one heating electrode is arranged on or next to the sensitive surface of the sensor. This ensures that the part of the liquid affected by the measurement is heated directly, and not other parts of the liquid that are irrelevant for the measurement.
  • the at least one heating electrode is formed in one piece with the first excitation electrode. This eliminates the need for an additional electrode and ensures that the liquid is heated next to the location of the measurement. This saves additional measuring time.
  • the at least one heating electrode a, a central area preferably, a center, in particular a center-having spans surface and having an over the surface of approximately uniform temperature distribution in the operating temperature range. A uniform temperature of the liquid to be measured can ensure that the measured viscosity actually corresponds to the viscosity of the liquid at this temperature.
  • the at least one heating electrode has a meandering shape.
  • the surface to be heated can be designed in a simple manner in accordance with the requirements with regard to the temperature distribution over the surface.
  • the at least one heating electrode has at least two areas of different resistance per unit length. As a result, at least one area can be heated more or less than another area. In this way, a predefinable temperature distribution over the surface can be achieved.
  • the at least one heating electrode has at least two areas of different cross-section. This allows for a heating electrode, which is made up of a whole a material is made, areas with different resistance per unit length can be realized.
  • a variant of the invention can consist in that the resistance per unit length of the at least one heating electrode is designed depending on its distance from the central region, preferably to the center, in particular to the center.
  • the usually prevailing temperature distribution of heated surfaces which has a substantially higher temperature in the middle of the heated surface, can be compensated for a largely homogeneous temperature distribution, since the resistance per unit length determines the degree of heating of the heating electrode.
  • the resistance per unit length of the at least one heating electrode is designed to increase from the central region, preferably from the center, in particular from the central region, to an edge region.
  • the edge is heated more than the center of the surface, which results in a more homogeneous temperature distribution over the surface than with even heating of the surface.
  • a temperature measuring sensor is provided.
  • the temperature actually prevailing on the liquid can also be determined on the sensor.
  • Another possible embodiment can consist in the temperature measuring sensor comprising the at least one heating electrode.
  • the heating electrode which is present anyway, can also be used for temperature measurement, as a result of which a separate component is omitted.
  • the excitation electrodes and / or the at least one heating electrode is covered with an insulation layer.
  • the liquid can be electrically or galvanically separated from the electrode or electrodes. This is particularly useful for electrically conductive liquids.
  • a non-conductive liquid is a dielectric whose capacitive interactions with the excitation electrodes operated with AC voltage which could influence the measurements.
  • the invention further relates to a device for measuring the viscosity of liquids, a sensor according to the invention being provided. All of the advantages of such a sensor can thus be transferred to a device for measuring the viscosity of liquids.
  • the invention further relates to a method for measuring the viscosity of liquids, in which at least one sensitive surface of a sensor is brought into contact with the liquid to be measured, the sensor is set in vibration by applying an alternating voltage, and preferably from measured values of the electrical parameters Voltage and current, a viscosity value of the liquid is determined.
  • a viscosity value of the liquid is determined.
  • it is customary to determine this as a function of the liquid temperature. It is necessary to heat the liquid to the measuring temperature. Since most liquids have a relatively high heat capacity, this also means a relatively long warm-up time between the individual measurements. Such a measurement procedure is therefore extremely lengthy. In addition, considerable amounts of the liquid to be measured are required.
  • the object of the invention is therefore to provide a method for viscosity measurement in liquids of the type mentioned above, with which the disadvantages mentioned can be avoided and which enables measurements in a significantly shorter time.
  • This is achieved according to the invention in that the liquid is heated by a heating electrode in the region of the sensitive surface.
  • the temperature of the liquid is measured.
  • the temperature values of the measurement that are important for the reference of the measurement are also available.
  • a variant of the invention can consist in that when a predeterminable one is reached
  • Viscosity values of the liquid are determined for a plurality of predeterminable temperatures.
  • Viscosity of the liquid is formed over the temperature.
  • the viscosity values of the liquid can determine the viscosity of the liquid in between
  • Figure 1 shows a first particularly preferred embodiment of a sensor according to the invention with a first embodiment of a heating electrode in an oblique crack.
  • FIG. 2 shows a sensor according to FIG. 1 in plan view
  • FIG. 3 shows a sensor according to FIG. 1 in bottom view
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of the activation of a sensor according to FIG. 1;
  • Fig. 5 shows a second embodiment of a sensor according to the invention with a second
  • FIG. 6 shows a third embodiment of a heating electrode
  • FIG. 7 shows a fourth embodiment of a heating electrode
  • Fig. 9 shows a sixth embodiment of a heating electrode.
  • Sensors S for measuring the viscosity of a liquid comprising at least one piezoelectric component 1, preferably designed as a resonator, and at least a first excitation electrode 7 and a second excitation electrode 3, preferably at least the first excitation electrode 7 is arranged on a sensitive surface 8 of the sensor S, and at least one heating electrode 2 is provided for heating the liquid to be measured.
  • the visible surfaces of the first excitation electrode 7, the second excitation electrode 3 and the heating electrode 2 are hatched twice. This serves to better lift the electrodes 2, 3, 7 from the environment.
  • a sensor S according to the invention can be produced using cost-effective methods of microtechnology. Compared to conventional viscometers or the sensors used in them, a sensor S according to the invention can be manufactured comparatively cheaply, in particular in large numbers, and requires only a small amount of sample due to the measuring principle.
  • the heating electrode 2 integrated according to the invention, and preferably the integrated temperature measurement sensor 26, allows the liquid layer relevant to the measurement to be heated quickly and in a controlled manner on the sensitive surface, which results in a shorter overall measurement time compared to conventional methods. As a result, the entire system manages with a significantly lower heating output than conventional devices.
  • Liquid is understood to mean a fluid in the sense of the application.
  • the measurement of the viscosity of substances which are solid and / or gaseous at typical ambient temperatures, for example most metals or gases such as nitrogen, can also be provided in the temperature ranges in which the substance or the material is liquid.
  • Fig. 1 shows an oblique view of a first particularly preferred embodiment of a sensor S according to the invention known AT cut) is executed. According to the invention, however, the sensor S can also have other shapes, for example that of a cuboid with different base areas, such as a square or a rectangle. Conductive structures, e.g. metallizations, are applied to the two surfaces.
  • a sensor S according to the invention has at least a first excitation electrode 7 and a second excitation electrode 3.
  • the excitation electrodes 3, 7 and the heating electrode 2 are arranged on or next to the at least one sensitive surface 8.
  • the first particularly preferred embodiment of a sensor S according to the invention shown in FIG. 1 has a heating electrode 2 which is made in one piece with the first excitation electrode.
  • the heating electrode preferably has a meandering shape. However, as will be explained in the following, other forms of the heating electrode 2 can also be provided.
  • the second excitation electrode 3 is only shown in broken lines in FIG. 1.
  • FIG. 3 shows the second excitation electrode 3, which is circular in the first particularly preferred embodiment of a sensor S.
  • the second excitation electrode 3 is also made in one piece with a heating electrode 2. This can be advantageous if the sensor S is completely enclosed by the liquid to be measured. It can therefore also be provided that the second excitation electrode 3 can have all forms of a heating electrode 2. This can also be provided independently of the one-piece design of the second excitation electrode 3 and a heating electrode 2.
  • the excitation electrodes 3, 7 and / or the heating electrode 2 can comprise any conductive material, preferably metals. Particularly preferred metals for use with excitation electrodes 3, 7 are gold, chromium, copper, silver, rhodium or aluminum. Particularly preferred metals for use in the heating electrode 2 are the aforementioned metals, as well as metals with a high specific resistance, such as manganese, titanium or a resistance alloy according to DL 17471.
  • FIG. 2 shows the meandering shape of the one-piece excitation electrode 7 and the heating electrode 2 of the first particularly preferred embodiment.
  • the excitation electrodes 3, 7 and the heating electrode 2 are contacted via conductive contact surfaces 4, 5, 6.
  • a heating voltage preferably a direct voltage V H
  • V H a heating voltage
  • the corresponding surface 8 of the sensor is then heated.
  • the liquid can optionally only be brought into contact with the directly heated or with both sensor surfaces. In the latter case, provision is preferably made to wait for the entire sensor S to warm up before a measurement is carried out.
  • an alternating voltage V AC is applied on the one hand to the heating electrode 2 or the first excitation electrode 7 (ie the connections 4 and 5) and on the other hand to the second excitation electrode 3 on the other side 6.
  • the heating electrode 2 functions as stated also as a first excitation electrode 7 for excitation of the acoustic vibrations.
  • Capacitors 13, 14 and / or inductors 15, 16 can be used to separate the heating circuit and the AC voltage circuit, as shown in FIG. 4 Exemplary embodiment illustrated.
  • the DC voltage for heating is preferably supplied from a heating voltage source 10, which is used via inductors 15, 16 to decouple the source 10 from the applied AC voltage (these can also be omitted).
  • the AC voltage 11 is preferably supplied via capacitors 13, 14.
  • the impedance defined by the ratio V AC to the current I C is used to record the viscosity, the preferred embodiment of the sensor S being in the mechanical resonance frequency range.
  • the representation of the excitation by an AC voltage source is to be understood as schematic in this context. Provision can preferably be made to use the sensors in circuits (for example oscillators or a control circuit) which automatically adjust to the resonance frequency.
  • 5 shows a second, particularly preferred embodiment of a sensor S according to the invention as a delay line, as can be used for sensor applications in liquids, further explanations of the underlying component can be found, for example, in B.
  • the component is based on a piezoelectric substrate, for example quartz 20, the crystal orientation being selected such that shear waves can be excited electrically.
  • the excitation takes place via so-called interdigital transducers 21, which are realized by corresponding metallizations on the substrate.
  • an interdigital converter is fed by a source 24, while the other serves as a receiver to which, for example, a consumer 25, for example a measuring device, is connected.
  • a waveguide layer 22 can preferably also be applied (for example made of silicon dioxide), which - like an optical waveguide - guides the wave bound to the surface, one speaks here of so-called “love waves” Because of this electrically insulating layer, it is also possible to apply a further electrically conductive layer to this waveguide layer, which electrically shields the interdigital transducers from the liquid (this idea is described in more detail in the above-mentioned publication by Jakoby et. Al.) can be provided according to the invention to implement this shielding as a heating electrode 2, for example by tightly guided conductive filaments 23, so that the shield winding and heating electrode 2 can be functionally combined in one and the same layer.
  • a heating electrode 2 for example by tightly guided conductive filaments 23, so that the shield winding and heating electrode 2 can be functionally combined in one and the same layer.
  • the viscosity of liquids is strongly temperature-dependent. Therefore, in the preferred Off * tuhrungsformen be provided to be integrated into the sensor S has a temperature sensor 26, and / or to be arranged on the surface of the sensor S. As a result, the temperature of the liquid can be detected directly at sensor S or the surface temperature of sensor S.
  • the temperature measurement sensor 26 comprises the at least one heating electrode 2.
  • the heating electrode 2 itself is used for temperature measurement. The temperature can take place, for example, by measuring the resistance of the heating electrode 2 that changes with the heating.
  • any other type of temperature measurement 26 can also be provided, for example by means of a thermocouple.
  • FIGS. 6 to 9 show different embodiments of the heating electrode 2 of sensors S according to the invention. It should be noted at this point that the invention is not limited to the described embodiments of heating electrodes 2. Rather, any advantageous embodiment can be provided.
  • the embodiments shown in FIGS. 6 to 9 only show a small cross section of the possible embodiments. 6 to 9 show only the design of the heating electrode 2 of a sensor S. The other objective details of a sensor S according to the invention were not shown in the corresponding figures.
  • the heating electrode 2 spans a surface 9.
  • This surface 9 is formed, for example in the case of a meandering heating electrode 2, by the envelope of the outer turning points of the individual meanders.
  • the surface 9 is designed such that it completely surrounds the heating electrode 2.
  • the surface 9 can have any shape.
  • Preferred heating electrode arrangements are those which extend over a symmetrical or partially symmetrical surface 9.
  • Such a surface 9 has a central region 17, preferably one Center 18, in particular a center 19. Depending on the specific shape of the surface 9, it will have a center 19 or a central region 17. In the following, only the middle 18 is spoken of for the sake of simplicity.
  • this has an approximately uniform temperature distribution over the surface 9 in the operating temperature range.
  • Uniformly heated or heated surfaces 9 generally have an uneven temperature distribution over the surface 9, the central region 17 in particular having a significantly higher temperature than the edge region 12.
  • Such a temperature distribution over the heated surface 9 leads to falsified or less accurate results in a sensor S for viscosity measurement in liquids.
  • it is provided to heat the edge region 12 more than the center region 17 or the region around the center 18.
  • the resistance per unit length of the at least a heating electrode 2 is formed depending on its distance E from the central region 17, preferably from the center 18, in particular from the center 19. If the increased accuracy of the ascertainable viscosity values is not necessary as a result, the likewise described embodiments can also be provided with an evenly heated sensor S.
  • the heating electrode 2 is heated in accordance with its resistance and thus in accordance with its power loss It can therefore be provided in order to heat individual areas of the sensor S differently from other areas that the heating electrode 2 differentiates at least two areas has resistance per unit length.
  • the resistance of the heating electrode 2 results from the specific resistance of the material from which it is made and from its cross-sectional area.
  • the heating electrode 2 has at least two areas of different cross-section, this change in cross-section being achieved both by a different width of the heating electrode 2 with a constant thickness, by a different thickness of the heating electrode 2 with a constant width, and by a combination of the two possibilities can. Additionally or independently of this, it can be provided that the heating electrode 2 has areas with different specific resistance, hence areas which are made of different materials. These measures make it possible for individual areas of the heating electrode 2 to have a higher or lower temperature than other areas. In the third embodiment of a heating electrode 2 according to FIG.
  • a heating electrode 2 running in a meandering shape over a circular area is located at the edge 12 in the areas which are further away from the center 18 and therefore has a smaller width, as a result of which the The heating electrode 2 has a higher resistance at the edge 12 than in the center 18 and the edge 12 is thus heated more than the center 18. This results in a more homogeneous temperature distribution when viewed in total over the entire surface 9 than with a uniformly heated heating electrode 2.
  • 7 shows a fourth embodiment of a meandering heating electrode 2 inscribed in a circular surface 9. The heating electrode 2 is screwed in in a spiral shape and becomes ever wider towards the center 18. As in the embodiment according to FIG. 6, this embodiment of the heating electrode 2 in the middle 18 also has an increased conductor cross section, thus a reduced resistance per unit length and less heating of the heating electrode 2.
  • FIG. 8 shows a surfed embodiment of a meandering heating electrode 2 inscribed in a circular surface 9.
  • the heating electrode 2 is shown with the same width over the course.
  • designs with changing widths can also be provided, similar to the designs according to FIG. 6 or 7.
  • a change in resistance can be achieved in an embodiment according to FIG. 8, for example and if considered by means of different thicknesses of the heating electrode 2 or by combination of materials with different specifics Resistance can be realized.
  • It can also be provided, with the cross-section and material of a heating electrode 2 remaining the same, to arrange two adjacent heating electrodes 2 in such a way that more is heated on a certain partial area than on another partial area. It can therefore be provided that the heating electrodes are closer together at the edge 12 than in the middle 18.
  • FIG 9 shows a sixth embodiment of a heating electrode 2, the heating electrode 2 spanning a rectangular surface 9 and the heating electrode 2 having different cross sections in some areas. As shown, it can be provided that the cross sections from the center 18, which is formed by the center line in the embodiment, decrease towards the outside.
  • FIGS. 6 to 9 are conceptual and basic illustrations of the invention. These do not place any restrictions regarding the concrete implementation of such heating electrodes 2. Above all, the widths of the heating electrodes 2, but also the distance between the individual areas of a heating electrode 2, are only shown in principle and are in no way restrictive. In all described embodiments of heating electrodes 2 according to the invention, which are only particularly preferred embodiments, all possible and / or described possibilities for changing the resistance per unit length can be combined.
  • a plurality of different heating electrodes 2 can be provided, which can be arranged differently and are heated to different extents.
  • devices for measuring the viscosity of liquids are also provided, a sensor S being provided according to one or more of the above-described embodiments according to the invention.
  • the invention relates to a method for measuring the viscosity of liquids, in which at least one sensitive surface 8 of a sensor S is brought into contact with the liquid to be measured, the sensor 1 is set in vibration by applying an alternating voltage, and from measured values of the electrical Parameters, preferably voltage and current, a viscosity value of the liquid is determined, the liquid being heated by a heating electrode 2 in the area of the sensitive surface 8.
  • the sensor S for viscosity measurement can either be completely immersed in the liquid or can only be covered by the liquid in the area of the sensitive surface 8 or surfaces 8.
  • the heating electrode 2 is heated by applying a corresponding heating voltage, as a result of which it heats the liquid surrounding it.
  • a temperature sensor 26 which is preferably integrated in the sensor S, to measure the temperature of the liquid.
  • provision can be made to interrupt the heating of the liquid when a predeterminable temperature is reached, to measure the electrical parameters and to determine the viscosity value of the liquid. Since it can be provided in many cases that not only the viscosity value of the liquid can be determined at a certain temperature, it can preferably be provided that the viscosity values of the liquid are determined for a plurality of predeterminable temperatures. A course of the viscosity of the liquid over the temperature can be formed from the individual viscosity values of the liquid at the predeterminable temperatures.

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Abstract

Bei einem Sensor (S) zur Messung der Viskosität einer Flüssigkeit umfassend wenigstens ein, vorzugsweise als Resonator ausgeführtes, piezoelektrisches Bauelement (1) und wenigstens eine erste Anrege-Elektrode (7) und eine zweite Anrege-Elektrode (3), wobei vorzugsweise wenigstens die erste Anrege-Elektrode (7) an einer sensitiven Oberfläche (8) des Sensors (S) angeordnet ist wird zur Verkürzung der Messzeit bei vorgebbaren Temperaturen vorgeschlagen, dass wenigstens eine Heizelektrode (2) zur Erwärmung der zu messenden Flüssigkeit vorgesehen ist.

Description

Sensor
Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung der Viskosität einer Flüssigkeit umfassend wenigstens ein, vorzugsweise als Resonator ausgeruhrtes, piezoelektrisches Bauelement und wenigstens eine erste Anrege-Elektrode und eine zweite Anrege-Elektrode, wobei vorzugsweise wenigstens die erste Anrege-Elektrode an einer sensitiven Oberfläche des Sensors angeordnet ist.
Gemäss dem Stand der Technik ist die Niskositätsmessung mit mikroakustischen Bauelementen bekannt. Bei diesen Bauelementen können durch Anlegen von elektrischen Wechselspannungen an Elektrodenkonfigurationen, welche auf einem piezoelektrischen Element angebracht sind, mechanische bzw. akustische Schwingungen in eben diesem Element angeregt werden. In der Regel werden als Materialien piezoelektrische Kristalle (z.B. Quarz) aber auch piezoelektrische Keramiken verwendet. Bei den Kristallen kann durch entsprechende Auswahl der verwendeten Kristallorientierung (dem so genannten Kristallschnitt) erreicht werden, dass sich bei Anregung mit einer Wechselspannung an entsprechend angebrachten Elektroden bevorzugt Scherschwingungen an zumindest einer Kristalloberfiäche ausbilden. Bei Piezokeramiken ist die Polarisierungsrichtung entsprechend zu wählen. Mit dem Begriff "Scherschwingung" werden dabei oszillierende Verformungen der Oberfläche bezeichnet, welche sich bevorzugt in der Ebene der Kristalloberfläche ausbilden (also nicht orthogonal zur Oberfläche). Wird eine derartig schwingende Kristalloberfläche mit einer viskosen Flüssigkeit in Kontakt gebracht, so wird in der Flüssigkeit eine gedämpfte akustische Scherwelle angeregt. Ist das akustische Bauelement als piezoelektrischer Resonator ausgeführt, ändern sich durch diesen Kontakt mit der Flüssigkeit die Dämpfung und die Resonanzfrequenz des Resonators in Abhängigkeit von der Dichte und der Viskosität der Flüssigkeit (siehe zum Beispiel S.J. Marlin, G.C. Frye, K.O. Wessendorf, "Sensing Liquid Properties with Thickness-Shear Mode Resonators", Sens. Act. A, vol. 44. p. 209-218, 1994). Diese beiden Änderungen bewirken entsprechende Änderungen in den elektrischen Parametern des elektrischen Ersatzschaltbildes für die Resonatorimpedanz, welche durch passende elektronische Auswerteschaltungen erfasst werden können. Auf diese Art kann die Viskosität der Flüssigkeit elektronisch erfasst werden.
Auf einem ähnlichen Prinzip basieren auch mikroakustische Bauelemente die scherpolarisierte akustische Oberflächenwellen verwenden (siehe zum Beispiel B. Jakoby, M. J. Vellekoop, "Properties of Love Waves: Applications in Sensors", Smart Mater. Struct, vol. 6, p. 668-679, 1997). Hierbei werden ebenfalls Scherwellen in der Flüssigkeit angeregt welche die elektrischen Eigenschaften des Bauelements verändern. Diese Bauelemente können ebenfalls als Resonatoren ausgebildet sein, alternativ aber auch als Verzögerungsleitungen. In diesem Fall ändern sich die Dämpfung und die Laufzeit bzw. Phase der Verzögerungsleitung mit der Viskosität und der Dichte der Flüssigkeit. Aus der US 2002/0170341 AI (Jakoby et al.) ist eine Messanordnung für eine Viskositätsmessung von Flüssigkeiten bekannt. Ausgehend von der Problematik, dass bei Viskositätsmessungen an aggressiven oder korrosiven Flüssigkeiten die sensitiven Oberflächen entsprechender Sensoren mittels Dichtungen abgedichtet werden, und die Belastung durch die Dichtungen die Messungen beeinflussen beschreibt die US 2002/0170341 AI eine piezo-elektrische Sensoreinrichtung welche vollständig in der zu messenden Flüssigkeit eingetaucht ist. Es wird ein zylinderformiger Sensor mit zwei Anrege- Elektroden beschrieben, wobei der Sensor in einem von der zu messenden Flüssigkeit durchströmten Behälter angeordnet ist.
Da die Viskosität einer Flüssigkeit in der Regel stark temperaturabhängig ist, misst man üblicherweise Viskositäts- Temperatur (VT) Charakteristiken. Dies erfordert eine zusätzliche Einheit zur exakten Temperierung der Flüssigkeit, die oft den Platzbedarf und den Preis der gesamten Messeinrichtung wesentlich erhöht. Als weiterer Nachteil ergibt sich, dass viele Flüssigkeiten eine hohe Wärmekapazität aufweisen, so dass sich je nach Größe des benötigten Probevolumens eine relativ lange Aufheizzeit ergibt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher einen Sensor der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem die genannten Nachteile vermieden werden können und welcher die Zeit zur Messung der Viskosität einer Flüssigkeit bei einer vorgebaren Temperatur verkürzt, welcher einfach und kompakt aufgebaut ist, und welcher kostengünstig in der Herstellung und in der Anwendung ist.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass wenigstens eine Heizelektrode zur Erwärmung der zu messenden Flüssigkeit vorgesehen ist.
Dadurch kann die zu messende Flüssigkeit im Bereich des Sensors auf eine vorgebare Temperatur erwärmt werden. Da die Flüssigkeit direkt im Bereich des Sensors erwärmt wird, ist der gesamte Messaufbau kompakt und kostengünstig. Durch das Erwärmen der Flüssigkeit im Bereich des Sensors wird die vorgebbare Temperatur schnell erreicht, wodurch die Gesamtmesszeit wesentlich verkürzt wird. Im Vergleich zu konventionellen Viskositätsmessungen besitzt die mikroakustische Messung den Vorteil, dass man mit vergleichsweise kleinen Probenmengen auskommt, da erstens die Eindringtiefe der gedämpften Scherwelle in die Flüssigkeit relativ klein ist (typisch in der Größenordnung von einem Mikrometer), so dass die Bedeckung des Sensors mit einem dünnen Flüssigkeitsfilm prinzipiell ausreicht und zweitens das Bauteil generell sehr klein ausgeführt werden kann, typischerweise in der Größenordnung einiger Millimeter). In Weiterfuhrung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Heizelektrode auf oder nächst der sensitiven Oberfläche des Sensors angeordnet ist. Dadurch kann sichergestellt werden, dass direkt der von der Messung betroffenen Teil der Flüssigkeit erwärmt wird, und nicht andere Teile der Flüssigkeit, welche für die Messung belanglos sind. In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Heizelektrode mit der ersten Anrege-Elektrode einstückig ausgebildet ist. Dadurch kann auf eine zusätzliche Elektrode verzichtet werden, und es ist sichergestellt, dass die Erwärmung der Flüssigkeit nächst dem Ort der Messung erfolgt. Dadurch wird noch zusätzlich Messzeit eingespart. Gemäß einer weiteren Aus*cuhrungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Heizelektrode eine, einen Mittenbereich, vorzugsweise eine Mitte, insbesondere einen Mittelpunkt, aufweisende, Fläche aufspannt und im Betriebstemperaturbereich eine über die Fläche annähernd gleichmäßige Temperaturverteilung aufweist. Durch eine gleichmäßige Temperatur der zu messenden Flüssigkeit kann sichergestellt werden, dass die gemessene Viskosität auch tatsächlich der Viskosität der Flüssigkeit bei dieser Temperatur entspricht.
In Weiterfuhrung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Heizelektrode eine Mäanderform aufweist. Dadurch kann die zu erwärmende Fläche entsprechend den Anforderungen hinsichtlich der Temperaturverteilung über die Fläche einfach gestaltet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Heizelektrode wenigstens zwei Bereiche unterschiedlichen Widerstandes pro Längeneinheit aufweist. Dadurch kann wenigstens ein Bereich stärker oder schwächer erwärmt werden als ein anderer Bereich. Dadurch kann eine vorgebare Temperaturverteilung über die Fläche erreicht werden.
Gemäß wieder einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Heizelektrode wenigstens zwei Bereiche unterschiedlichen Querschnitts aufweist. Dadurch können auf einfache Weise bei einer Heizelektrode, welche im Ganzen aus einem Material gefertigt ist, Bereiche mit unterschiedlichem Widerstand pro Längeneinheit realisiert werden.
Eine Variante der Erfindung kann darin bestehen, dass der Widerstand pro Längeneinheit der wenigstens einen Heizelektrode von deren Entfernung zum Mittenbereich, vorzugsweise zur Mitte, insbesondere zum Mittelpunkt, abhängig ausgebildet ist. Dadurch kann der üblicherweise vorherrschenden Temperaturverteilung beheizter Flächen, welche eine wesentlich höhere Temperatur in der Mitte der beheizten Fläche aufweist, hinsichtlich einer weitestgehend homogenen Temperaturverteilung ausgeglichen werden, da der Widerstand pro Längeneinheit den Grad der Erwärmung der Heizelektrode bestimmt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Widerstand pro Längeneinheit der wenigstens einen Heizelektrode vom Mittenbereich, vorzugsweise von der Mitte, insbesondere vom Mittelpunkt, zu einem Randbereich ansteigend ausgebildet ist. Dadurch wird der Rand stärker erwärmt als die Mitte der Fläche wodurch sich über die Fläche eine homogenere Temperaturverteilung einstellt, als bei gleichmäßiger Beheizung der Fläche. Bei Messungen der Viskosität mit einem mikroakustischen Bauelement dringen die akustischen Wellen nur sehr wenig in die zu messende Flüssigkeit ein. Daher, und aufgrund der eher geringen Wärmeleitfähigkeit der meisten Flüssigkeiten, kann davon ausgegangen werden, dass die Temperaturverteilung in der Flüssigkeit unmittelbar oberhalb der beheizten Fläche und im Bereich der Eindringtiefe der akustischen Wellen der Temperaturverteilung der beheizten Fläche entspricht.
In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein Temperaturmesssensor vorgesehen ist. Dadurch kann auf dem Sensor auch die tatsächlich an der Flüssigkeit vorherrschende Temperatur festgestellt werden.
Eine andere mögliche Ausführungsform kann darin bestehen, dass der Temperaturmesssensor die wenigstens eine Heizelektrode umfasst. Dadurch kann die ohnedies vorhandene Heizelektrode ebenfalls zur Temperaturmessung herangezogen werden, wodurch ein gesonderter Bauteil entfällt.
Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine der Anrege-Elektroden und/oder die wenigstens eine Heizelektrode mit einer Isolationsschicht überzogen ist. Dadurch kann die Flüssigkeit von der oder den Elektroden elektrisch bzw. galvanisch getrennt werden. Dies ist vor allem bei elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten sinnvoll. Hinzu kommt, dass eine nichtleitende Flüssigkeit ein Dielektrikum darstellt, dessen kapazitive Wechselwirkungen mit den mit Wechselspannung betriebenen Anrege-Elektroden die Messungen beeinflussen könnten.
Die Erfindung betrifft weiters eine Vorrichtung zur Messung der Viskosität von Flüssigkeiten, wobei ein erfindungsgemäßer Sensor vorgesehen ist. Dadurch lassen sich alle genannten Vorteile eines derartige Sensors auf eine Vorrichtung zur Messung der Viskosität von Flüssigkeiten übertragen.
Die Erfindung betrifft weiters ein Verfahren zur Messung der Viskosität von Flüssigkeiten, bei dem wenigstens eine sensitive Oberfläche eines Sensors mit der zu messenden Flüssigkeit in Kontakt gebracht wird, der Sensor durch Anlegen einer Wechselspannung in Schwingungen versetzt wird, und aus Messwerten der elektrischen Parameter, vorzugsweise Spannung und Strom, ein Viskositätswert der Flüssigkeit ermittelt wird. Bei den bekannten Verfahren zur Viskositätsmessung bei Flüssigkeiten ist es üblich diese in Abhängigkeit der Flüssigkeitstemperatur zu ermitteln. Dabei ist es notwendig die Flüssigkeit auf die Messtemperatur zu erwärmen. Da die meisten Flüssigkeiten eine relativ hohe Wärmekapazität aufweisen ist damit auch eine relativ lange Aufwärmzeit zwischen den einzelnen Messungen verbunden. Ein derartiges Messprozedere ist daher äußerst langwierig. Hinzu kommt, dass erhebliche Mengen der zu messenden Flüssigkeit benötigt werden. Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren zur Viskositätsmessung bei Flüssigkeiten der vorstehend genannten Art anzugeben, mit welchem die genannten Nachteile vermieden werden können und welches Messungen in wesentlich verkürzter Zeit ermöglicht. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Flüssigkeit durch eine Heizelektrode im Bereich der sensitiven Oberfläche erwärmt wird.
Dadurch wird lediglich der für die Messung relevante Teil der Flüssigkeit erwärmt. Dies geht in verhältnismäßig kurzer Zeit vonstatten und benötigt wesentlich weniger Energie als das Erwärmen einer großen Menge Flüssigkeit. Hinzu kommt, dass bei einem derartige Verfahren zur Viskositätsmessung bei Flüssigkeiten lediglich eine geringe Menge an Flüssigkeit notwendig ist um das Verfahren durchführen zu können. So kann es ausreichend sein, lediglich die sensitive, und beheizte Oberfläche des Sensors mit der zu messenden Flüssigkeit zu bestreichen.
In Weiterfuhrung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Temperatur der Flüssigkeit gemessen wird. Dadurch stehen die für den Bezug der Messung wichtigen Temperaturwerte der Messung ebenfalls zur Verfügung. Eine Variante der Erfindung kann darin bestehen, dass bei Erreichen einer vorgebbaren
Temperatur die Erwärmung der Flüssigkeit unterbrochen wird, die elektrischen Parameter gemessen werden und der Viskositätswert der Flüssigkeit ermittelt wird. Dadurch findet während der Messung keine weitere Erwärmung statt. Aufgrund der hohen Wärmekapazität der Flüssigkeit kühlt sich diese in der nur kurzen Messphase nicht merklich bzw. messbar ab.
Dadurch kann auch eine zusätzliche Polarisierung des piezoelektrischen Bauelements ausgeschlossen werden.
Gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die
Viskositätswerte der Flüssigkeit für eine Mehrzahl vorgebbarer Temperaturen ermittelt wird.
Dadurch können Aussagen über die Viskosität einer Flüssigkeit bei verschiedenen, vorgebbaren Temperaturen getroffen werden.
In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass aus den einzelnen der
Viskositätswerten der Flüssigkeit an den vorgebbaren Temperaturen ein Verlauf der
Viskosität der Flüssigkeit über der Temperatur gebildet wird. Dadurch kann aus den ermittelten Viskositätswerten der Flüssigkeit auf deren Viskosität in den dazwischenliegenden
Bereichen geschlossen werden.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen, in welchen besonders bevorzugte Ausfü irungsformen dargestellt sind, näher beschrieben. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine erste besonders bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit einer ersten Ausfuhrungsform einer Heizelektrode im Schrägriss;
Fig. 2 ein Sensor gemäß Fig. 1 in Draufsicht;
Fig. 3 ein Sensor gemäß Fig. 1 in Untersicht;
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Ansteuerung eines Sensors gemäß Fig. 1;
Fig. 5 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit einer zweiten
Ausfuhrungsform einer Heizelektrode im Schrägriss;
Fig. 6 eine dritte Ausführungsform einer Heizelektrode;
Fig. 7 eine vierte Ausfuhrungsform einer Heizelektrode;
Fig. 8 eine fünfte Ausfimrungsform einer Heizelektrode; und
Fig. 9 eine sechste Ausfuhrungsform einer Heizelektrode.
Die Fig. 1 bis 5 zeigen zwei besonders bevorzugte Ausführungsformen erfindungsgemäßer
Sensoren S zur Messung der Viskosität einer Flüssigkeit umfassend wenigstens ein, vorzugsweise als Resonator ausgeführtes, piezoelektrisches Bauelement 1 und wemgstens eine erste Anrege-Elektrode 7 und eine zweite Anrege-Elektrode 3, wobei vorzugsweise wenigstens die erste Anrege-Elektrode 7 an einer sensitiven Oberfläche 8 des Sensors S angeordnet ist, und wobei wenigstens eine Heizelektrode 2 zur Erwärmung der zu messenden Flüssigkeit vorgesehen ist.
In den Figuren sind die sichtbaren Oberflächen der ersten Anrege-Elektrode 7, der zweiten Anrege-Elektrode 3 und der Heizelektrode 2 doppelt schraffiert ausgeführt. Dies dient der besseren Abhebung der Elektroden 2, 3, 7 von der Umgebung.
Ein erfindungsgemäßer Sensor S kann mit kosteneffizienten Verfahren der Mikrotechnologie hergestellt werden. Verglichen mit konventionellen Viskosimetern bzw. den in diesen eingesetzten Sensoren, kann ein erfindungsgemäßer Sensor S insbesondere in großen Stückzahlen vergleichsweise günstig hergestellt werden und kommt durch das Messprinzip mit einer geringen Probenmenge aus. Durch die erfindungsgemäß integrierte Heizelektrode 2, und vorzugsweise durch den integrierten Temperaturmesssensor 26, kann die für die Messung relevante Flüssigkeitsschicht an der sensitiven 8 Oberfläche schnell und kontrolliert erwärmt werden, wodurch sich, verglichen mit konventionellen Verfahren, eine geringere Gesamt- Messzeit ergibt. Dadurch kommt das gesamte System mit einer wesentlich geringeren Heizleistung als konventionelle Geräte aus.
Unter Flüssigkeit wird im Sinne der Anmeldung ein Fluid verstanden. Auch die Messung der Viskosität von Stoffen, welche bei typischen Umgebungstemperaturen fest und/oder gasförmig sind, etwa die meisten Metalle oder Gase wie etwa Stickstoff, kann in den Temperaturbereichen in denen der Stoff bzw. das Material flüssig ist vorgesehen sein. Fig. 1 zeigt einen Schrägriss einer ersten besonders bevorzugten Ausfuhrungsform eines erfindungsgemäßen Sensors S. Der Sensor S, ausgeführt als Dickenscherschwinger besteht aus einem piezoelektrisches Bauelement 1, welches in der ersten bevorzugten Ausfuhrungsform als kreisförmiges Plättchen aus piezoelektrischem Material (z.B. aus Quarz mit Kristallorientierung entsprechend dem bekannten AT-Schnitt) ausgeführt ist. Erfindungsgemäß kann der Sensor S jedoch auch andere Formen aufweisen, beispielsweise die eines Quaders mit unterschiedlichen Grundflächen, wie etwa ein Quadrat oder ein Rechteck. An den beiden Oberflächen sind leitfähige Strukturen, z B. Metallisierungen, aufgebracht. Ein erfindungsgemäßer Sensor S weist wenigsten eine erste Anrege-Elektrode 7 und eine zweite Anrege-Elektrode 3 auf. Hinzu kommt wenigstens eine Heizelektrode 2. In der bevorzugten Ausführung sind die Anrege-Elektroden 3, 7 und die Heizelektrode 2 auf oder nächst der wenigstens einen sensitiven Oberfläche 8 angeordnet. Die in Fig. 1 dargestellte erste besonders bevorzugte Ausfuhrungsform eines erfindungsgemäßen Sensors S weist eine Heizelektrode 2 auf, welche mit der ersten Anrege-Elektrode einstückig ausgeführt ist. Die Heizelektrode weist dabei bevorzugt eine Mäanderform auf. Es können aber, wie in weiterer Folge noch dargelegt auch andere Formen der Heizelektrode 2 vorgesehen sein. Die zweite Anrege-Elektrode 3 ist in Fig. 1 lediglich strichliert dargestellt. Fig. 3 zeigt die zweite Anrege-Elektrode 3 welche in der ersten besonders bevorzugten Ausfuhrungsform eines Sensors S kreisförmig ausgeführt ist. Es kann auch vorgesehen sein, die zweite Anrege- Elektrode 3 ebenfalls einstückig mit einer Heizelektrode 2 auszuführen. Dies kann vorteilhaft sein, wenn der Sensor S vollständig von der zu messenden Flüssigkeit umschlossen ist. Daher kann auch vorgesehen sein, dass die zweite Anrege-Elektrode 3 sämtliche Formen einer Heizelektrode 2 aufweisen kann. Dies kann auch unabhängig von der einstückigen Ausführung der zweiten Anrege-Elektrode 3 und einer Heizelektrode 2 vorgesehen sein. Die Anrege-Elektroden 3, 7 und/oder die Heizelektrode 2 können jeden leitfähigen Werkstoff, vorzugsweise Metalle, umfassen. Besonders bevorzugte Metalle für den Einsatz bei Anrege- Elektroden 3, 7 sind Gold, Chrom, Kupfer, Silber, Rhodium oder Aluminium. Besonders bevorzugte Metalle für den Einsatz bei der Heizelektrode 2 sind die vorgenannten Metalle, sowie Metalle mit einem hohen spezifischen Widerstand, etwa Mangan, Titan oder eine Widerstandslegierung gemäß DL 17471.
Fig. 2 zeigt die Mäanderform der einstückig ausgeführten ersten Anrege-Elektrode 7 und der Heizelektrode 2 der ersten besonders bevorzugten Ausfuhrungsform.
Die Anrege-Elektroden 3, 7 bzw. die Heizelektrode 2 werden über leitfahige Kontaktflächen 4, 5, 6 kontaktiert. Zur Erwärmung der Struktur wird eine Heizspannung, vorzugsweise eine Gleichspannung VH an die Anschlüsse 4 und 5 angelegt. Die entsprechende Oberfläche 8 des Sensors wird daraufhin erwärmt. Die Flüssigkeit kann wahlweise nur mit der direkt beheizten oder mit beiden Sensoroberflächen in Kontakt gebracht werden. Im letzteren Fall ist bevorzugt vorgesehen das Erwärmen des ganzen Sensors S abzuwarten bevor eine Messung vorgenommen wird.
Zur Anregung von mechanischen Schwingungen wird eine Wechselspannung VAC einerseits an Heizelektrode 2 bzw. die erste Anrege-Elektrode 7 (d.h. die Anschlüsse 4 und 5) und anderseits an die zweite Anrege-Elektrode 3 auf der anderen Seite angelegt 6. Die Heizelektrode 2 fungiert wie dargelegt auch als erste Anrege-Elektrode 7 zur Anregung der akustischen Schwingungen. Zur Trennung des Heizstromkreises und des Wechselspannungsstromkreises können z.B. Kapazitäten 13, 14 und/oder Induktivitäten 15, 16 (oder Widerstände) verwendet werden, wie in einem in Fig. 4 dargestellten Ausfuhrungsbeispiel veranschaulicht. Die Gleichspannung zur Heizung wird dabei bevorzugt aus einer Heizspannungsquelle 10, zugeführt welche über Induktivitäten 15,16 zur Entkopplung von der Quelle 10 von der applizierten Wechselspannung dienen (diese können auch entfallen). Die Wechselspannung 11 wird bevorzugt über Kapazitäten 13, 14 zugeführt. Diese verhindern den gleichspannungsmäßigen Kurzschluss der Heizwindung. Zur Erfassung der Viskosität wird in diesem Fall die durch das Verhältnis VAC zum Strom I C definierte Impedanz herangezogen, wobei der Sensor S in den bevorzugten Ausführungen im Bereich der mechanischen Resonanzfrequenz betrieben wird. Die Darstellung der Anregung durch eine Wechselspannungsquelle ist in diesem Zusammenhang als schematisch zu verstehen. Es kann bevorzugt vorgesehen sein, die Sensoren in Schaltkreisen (z.B. Oszillatoren oder ein Regelkreis) einzusetzen, welche sich automatisch auf die Resonanzfrequenz einstellen. Fig. 5 zeigt eine zweite besonders bevorzugte Ausfuhrungsform eines erfindungsgemäßen Sensors S als Verzögerungsleitung wie sie für Sensoranwendungen in Flüssigkeiten verwendet werden kann, weitere Erläuterungen zu dem zugrunde liegenden Bauelement finden sich zum Beispiel in B. Jakoby and M. J. Vellekoop, "Analysis and optimization of Love wave liquid sensors," IEEE Trans, on Ultrason., Ferroelec, and Freq. Contr., vol. 45,: pp. 1293-1302, September 1998. Im Prinzip basiert das Bauelement auf einem piezoelektrischen Substrat, z.B. Quarz 20 wobei die Kristallorientierung so gewählt wird, dass Scherwellen elektrisch angeregt werden können. Die Anregung erfolgt über so genannte Interdigitalwandler 21 welche durch entsprechende Metallisierungen auf dem Substrat realisiert werden. Bei der Anwendung als Verzögerungsleitung wird ein Interdigitalwandler durch eine Quelle 24 gespeist, während der andere als Empfänger dient an den beispielsweise ein Verbraucher 25, z.B. ein Messgerät, angeschlossen ist. Die Dämpfung und Verzögerung (bzw. elektrische Phase) zwischen Ein- und Ausgangssignal dieser so definierten Verzögerungsleitung können bei der Anwendung als Sensor S elektrisch ausgewertet werden. Um eine Führung der Scherwelle an der Oberfläche zu erreichen, kann bevorzugt zusätzlich eine Wellenleiterschicht 22 aufgebracht werden (zum Beispiel aus Siliziumdioxid), welche - ähnlich einem optischen Wellenleiter - die Welle an der Oberfläche gebunden führt, man spricht hier von sogenannten „Love- Wellen". Aufgrund dieser elektrisch isolierenden Schicht ist es auch möglich, auf dieser Wellenleiterschicht eine weitere elektrisch leitende Schicht aufzubringen, welche die Interdigitalwandler von der Flüssigkeit elektrisch abschirmt (diese Idee ist in der oben genannten Veröffentlichung von Jakoby et. al. näher beschrieben). Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein diese Schirmung als Heizelektrode 2 auszuführen, z.B. durch enggeführte leitfähige Wendeln 23, sodass Schirmwicklung und Heizelektrode 2 in ein und derselben Schicht funktionell kombiniert werden können.
Die Viskosität von Flüssigkeiten ist stark temperaturabhängig. Daher kann in den bevorzugten Aus*tuhrungsformen vorgesehen sein einen Temperatursensor 26 in den Sensor S zu integrieren, und/oder an der Oberfläche des Sensors S anzuordnen. Dadurch kann die Temperatur der Flüssigkeit direkt am Sensor S bzw. die Oberflächentemperatur des Sensors S erfasst werden.
Da die Eindringtiefe der akustischen Wellen, mit welchen gemessen wird sehr gering ist, ist es ausreichend lediglich die Flüssigkeit im Bereich des Sensors S auf die vorgebbare Temperatur zu erwärmen. Durch die geringe Menge an Flüssigkeit, welche erwärmt werden muss, kann davon ausgegangen werden, dass dies sehr schnell erfolgt und dass die Oberflächentemperatur des Sensors S der Temperatur der bei der Messung beteiligten Flüssigkeit entspricht. In den besonders bevorzugten Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass der Temperaturmesssensor 26 die wenigstens eine Heizelektrode 2 umfasst. Dabei wird die Heizelektrode 2 selbst zur Temperaturmessung verwendet. Die Temperatur kann dabei etwa durch Messung des sich mit der Erwärmung ändernden Widerstandes der Heizelektrode 2 erfolgen. Es kann jedoch auch jede andere Art der Temperaturmessung 26 vorgesehen sein, etwa mittels eines Thermoelements.
Die Fig. 6 bis 9 zeigen unterschiedliche Ausfuhrungsformen der Heizelektrode 2 erfindungsgemäßer Sensoren S. Es sei an dieser Stelle festgestellt, dass sich die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausfuhrungsformen von Heizelektroden 2 beschränkt. Vielmehr kann jede vorteilhafte Ausfuhrungsform vorgesehen sein. Die in den Fig. 6 bis 9 dargestellten Ausfuhrungsformen zeigen lediglich einen geringen Querschnitt der möglichen Ausfuhrungsformen. Die Fig. 6 bis 9 zeigen dabei nur die Ausführung der Heizelektrode 2 eines Sensors S. Die weiteren gegenständlichen Details eines erfindungsgemäßen Sensors S wurden in den entsprechenden Figuren nicht dargestellt.
Es ist bevorzugt vorgesehen, dass die Heizelektrode 2 eine Fläche 9 aufspannt. Diese Fläche 9 wird, z.B. bei einer mäanderförmigen Heizelektrode 2 durch die Umhüllende der äußeren Wendepunkte der einzelnen Mäander gebildet. Allgemein kann festgestellt werden, dass die Fläche 9 derart ausgebildet ist, dass sie die Heizelektrode 2 vollständig umschließt. Die Fläche 9 kann jede beliebige Form aufweisen. Bevorzugt sind solche Heizelektrodenanordnungen, welche sich über eine symmetrische oder teilsymmetrische Fläche 9 erstrecken. Eine derartige Fläche 9 weist einen Mittenbereich 17, vorzugsweise eine Mitte 18, insbesondere einen Mittelpunkt 19, auf. Abhängig von der konkreten Formgebung der Fläche 9 wird diese einen Mittelpunkt 19 bzw. einen Mittenbereich 17 aufweisen. In der Folge wird um der Einfachheit willen lediglich von der Mitte 18 gesprochen. Bei den bevorzugten Ausgestaltungen erfindungsgemäßer Sensoren S kann vorgesehen sein, dass dieser im Betriebstemperaturbereich eine über die Fläche 9 annähernd gleichmäßige Temperaturverteilung aufweist. Gleichmäßig beheizte oder erwärmte Flächen 9 weisen in der Regel über der Fläche 9 eine ungleichmäßige Temperaturverteilung auf, wobei vor allem der Mittenbereich 17 eine wesentlich höhere Temperatur als der Randbereich 12 aufweist. Eine derartige Temperaturverteilung über der erwärmten Fläche 9 führt bei einem Sensor S zur Viskositätsmessung bei Flüssigkeiten zu verfälschten bzw. weniger genauen Ergebnissen. Um dem entgegenzuwirken ist bei einigen besonders bevorzugten Ausführungsformen vorgesehen den Randbereich 12 stärker zu erwärmen als den Mittenbereich 17 bzw. den Bereich um die Mitte 18. Es kann daher bei besonders bevorzugten Aus"mhrungsformen erfindungsgemäßer Sensoren vorgesehen sein, dass der Widerstand pro Längeneinheit der wenigstens einen Heizelektrode 2 von deren Entfernung E zum Mittenbereich 17, vorzugsweise zur Mitte 18, insbesondere zum Mittelpunkt 19, abhängig ausgebildet ist. Sofern die dadurch erhöhte Genauigkeit der ermittelbaren Viskositätswerte nicht notwendig ist, können auch die ebenfalls beschriebenen Ausführungsformen mit gleichmäßig beheiztem Sensor S vorgesehen sein. Die Heizelektrode 2 wird gemäß deren Widerstand und damit entsprechend deren Verlustleistung erwärmt. Es kann daher vorgesehen sein, um einzelne Bereiche des Sensors S unterschiedlich zu anderen Bereichen zu erwärmen, dass die Heizelektrode 2 wemgstens zwei Bereiche mit unterschiedlichem Widerstand pro Längeneinheit aufweist. Der Widerstand der Heizelektrode 2 ergibt sich aus dem spezifischen Widerstand des Materials aus der diese gefertigt ist, sowie aus deren Querschnittsfläche. Es kann daher vorgesehen sein, dass die Heizelektrode 2 wenigstens zwei Bereiche unterschiedlichen Querschnitts aufweist, wobei diese Querschnittsänderung sowohl durch eine unterschiedliche Breite der Heizelektrode 2 bei gleichbleibender Dicke, durch unterschiedliche Dicke der Heizelektrode 2 bei gleichbleibender Breite, sowie durch Kombination der beiden Möglichkeiten erreicht werden kann. Zusätzlich oder unabhängig davon kann vorgesehen sein, dass die Heizelektrode 2 Bereiche mit unterschiedlichem spezifischen Widerstand aufweist, daher Bereiche welche aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sind. Durch diese Maßnahmen kann erreicht werden, dass einzelne Bereiche der Heizelektrode 2 eine höhere oder niedrigere Temperatur aufweisen als andere Bereiche. Bei der dritten Ausrfährungsform einer Heizelektrode 2 gemäß der Fig. 6 ist vorgesehen, dass eine mäanderförmig über eine Kreisfläche verlaufende Heizelektrode 2 in den Bereichen welche weiter weg von der Mitte 18 angeordnet sind, daher am Rand 12 liegen, eine geringere Breite aufweisen, wodurch die Heizelektrode 2 am Rand 12 einen höheren Widerstand als in der Mitte 18 aufweist und der Rand 12 somit stärker erwärmt wird als die Mitte 18. Dadurch stellt sich in Summe über der gesamten Fläche 9 betrachtet eine homogenere Temperaturverteilung ein als bei einer gleichmäßig erwärmten Heizelektrode 2. Fig. 7 zeigt eine vierte Ausfiihrungsform einer in eine kreisförmige Fläche 9 eingeschriebenen mäanderförmigen Heizelektrode 2. Die Heizelektrode 2 ist dabei spiralförmig eingedreht und wird zur Mitte 18 hin immer breiter. Wie bei der Ausführung gemäß Fig. 6 weist auch diese Ausführung der Heizelektrode 2 in der Mitte 18 einen erhöhten Leiterquerschnitt, damit einen verringerten Widerstand pro Längeneinheit und eine geringere Erwärmung der Heizelektrode 2 auf.
Fig. 8 zeigt eine Surfte Ausf hrungsform einer in eine kreisförmige Fläche 9 eingeschriebenen mäanderförmigen Heizelektrode 2. Die Heizelektrode 2 ist dabei mit einer über den Verlauf gleichen Breite dargestellt. Es können aber auch Ausführungen mit sich verändernden Breiten vorgesehen sein, ähnlich den Ausfuhrungen gemäß Fig. 6 oder 7. Eine Widerstandsänderung kann bei einer Ausfuhrung gemäß Fig. 8 beispielsweise und sofern angedacht mittels unterschiedlicher Dicke der Heizelektrode 2 oder durch Kombination von Materialien mit unterschiedlichem spezifischen Widerstand realisiert werden. Es kann auch vorgesehen sein, bei gleichbleibendem Querschnitt und Material einer Heizelektrode 2 zwei benachbarte Heizelektroden 2 derart anzuordnen, dass auf einer bestimmten Teilfläche mehr geheizt wird als auf einer andern Teilfläche. Daher kann vorgesehen sein, dass am Rand 12 die Heizelektroden dichter beisammen liegen als in der Mitte 18.
Fig. 9 zeigt eine sechste Ausfuhrungsform einer Heizelektrode 2, wobei die Heizelektrode 2 eine rechteckförmige Fläche 9 aufspannt und die Heizelektrode 2 bereichsweise unterschiedliche Querschnitte aufweist. Wie dargestellt kann vorgesehen sein, dass sich die Querschnitte von der Mitte 18, welche bei der Ausführung durch die Mittellinie gebildet ist, nach außen hin vermindert.
Bei den, insbesondere in den Fig. 6 bis 9, dargestellten Ausführungsformen erfindungsgemäßer Heizelektroden 2 handelt es sich um konzeptionelle und prinzipielle Veranschauhchungen der Erfindung. Diese stellen keinerlei Einschränkung hinsichtlich der konkreten Ausf lirung derartiger Heizelektroden 2 dar. Vor allem die Breiten der Heizelektroden 2, aber auch der Abstand der einzelnen Bereiche einer Heizelektrode 2 zueinander sind lediglich prinzipiell dargestellt und in keinster Weise einschränkend. Bei allen beschriebenen Ausführungsformen erfindungsgemäßer Heizelektroden 2, bei welchen es sich lediglich um besonders bevorzugte Ausführungsformen handelt, können alle möglichen und/oder beschriebenen Möglichkeiten zur Veränderung des Widerstandes pro Längeneinheit kombiniert werden.
Alternativ zu einer bereichsweise unterschiedlichen Erwärmung einer Heizelektrode 2 können eine Mehrzahl verschiedener Heizelektroden 2 vorgesehen sein, welche unterschiedlich angeordnet sein können und jeweils unterschiedlich stark erwärmt werden. Erfindungsgemäß sind weiters Vorrichtungen zur Messung der Viskosität von Flüssigkeiten vorgesehen, wobei ein Sensor S gemäß einer oder mehrer der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen vorgesehen ist.
Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Messung der Viskosität von Flüssigkeiten, bei dem wenigstens eine sensitive Oberfläche 8 eines Sensors S mit der zu messenden Flüssigkeit in Kontakt gebracht wird, der Sensor 1 durch Anlegen einer Wechselspannung in Schwingungen versetzt wird, und aus Messwerten der elektrischen Parameter, vorzugsweise Spannung und Strom, ein Viskositätswert der Flüssigkeit ermittelt wird, wobei die Flüssigkeit durch eine Heizelektrode 2 im Bereich der sensitiven Oberfläche 8 erwärmt wird. Der Sensor S zu Viskositätsmessung kann dabei sowohl vollständig in der Flüssigkeit eingetaucht sein, als auch lediglich im Bereich der sensitiven Oberfläche 8 bzw. Oberflächen 8 von der Flüssigkeit bedeckt sein. Die Heizelektrode 2 wird durch Anlegen einer entsprechenden Heizspannung erwärmt, wodurch diese die sie umgebende Flüssigkeit erwärmt. Bevorzugt kann vorgesehen sein mittels eines Temperatursensors 26, welcher vorzugsweise in den Sensor S integriert ist, die Temperatur der Flüssigkeit zu messen. In einer bevorzugten Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, bei Erreichen einer vorgebbaren Temperatur die Erwärmung der Flüssigkeit zu unterbrechen, die elektrischen Parameter zu messen und den Viskositätswert der Flüssigkeit zu ermitteln. Da in vielen Fällen vorgesehen sein kann nicht nur den Viskositätswert der Flüssigkeit bei einer bestimmten Temperatur zu ermitteln, kann bevorzugt vorgesehen sein, dass die Viskositätswerte der Flüssigkeit für eine Mehrzahl vorgebbarer Temperaturen ermittelt werden. Aus den einzelnen Viskositätswerten der Flüssigkeit bei den vorgebbaren Temperaturen kann ein Verlauf der Viskosität der Flüssigkeit über der Temperatur gebildet werden.
Eine Kombination einiger oder aller Merkmale der beschriebenen bevorzugten
Ausfuhrungsformen eines erfindungsgemäßen Sensors, einer Vorrichtung und/oder eines
Verfahrens liegt im Rahmen der Erfindung.
Eine beliebige Kombination sämtlicher geoffenbarter Merkmale kann vorgesehen sein.
Ebenfalls kann vorgesehen sein beliebige der geoffenbarten Merkmale wegzulassen.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Sensor (S) zur Messung der Viskosität einer Flüssigkeit umfassend wenigstens ein, vorzugsweise als Resonator ausgeführtes, piezoelektrisches Bauelement (1) und wenigstens eine erste Anrege-Elektrode (7) und eine zweite Anrege-Elektrode (3), wobei vorzugsweise wenigstens die erste Anrege-Elektrode (7) an einer sensitiven Oberfläche (8) des Sensors (S) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Heizelektrode (2) zur Erwärmung der zu messenden Flüssigkeit vorgesehen ist.
2. Sensor (S) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Heizelektrode (2) auf oder nächst der sensitiven Oberfläche (8) des Sensors (S) angeordnet ist.
3. Sensor (S) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Heizelektrode (2) mit der ersten Anrege-Elektrode (7) einstückig ausgebildet ist.
4. Sensor (S) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Heizelektrode (2) eine, einen Mittenbereich (17), vorzugsweise eine Mitte (18), insbesondere einen Mittelpunkt (19), aufweisende, Fläche (9) aufspannt und im Betriebstemperaturbereich eine über die Fläche (9) annähernd gleichmäßige Temperaturverteilung aufweist.
5. Sensor (S) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Heizelektrode (2) eine Mäanderform aufweist.
6. Sensor (S) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Heizelektrode (2) wenigstens zwei Bereiche unterschiedlichen Widerstandes pro Längeneinheit aufweist.
7. Sensor (S) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Heizelektrode (2) wenigstens zwei Bereiche unterschiedlichen Querschnitts aufweist.
8. Sensor (S) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand pro Längeneinheit der wenigstens einen Heizelektrode (2) von deren Entfernung (E) zum Mittenbereich (17), vorzugsweise zur Mitte (18), insbesondere zum Mittelpunkt (19), abhängig ausgebildet ist.
9. Sensor (S) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand pro Längeneinheit der wemgstens einen Heizelektrode (2) vom Mittenbereich (17), vorzugsweise von der Mitte (18), insbesondere vom Mittelpunkt (19), zu einem Randbereich (12) ansteigend ausgebildet ist.
10. Sensor (S) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperaturmesssensor (26) vorgesehen ist.
11. Sensor (S) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturmesssensor (26) die wenigstens eine Heizelektrode (2) umfasst.
12. Sensor (S) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Anrege-Elektroden (3, 7) und/oder die wenigstens eine Heizelektrode (2) mit einer Isolationsschicht überzogen ist.
13. Vorrichtung zur Messung der Viskosität von Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor (S) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 vorgesehen ist.
14. Verfahren zur Messung der Viskosität von Flüssigkeiten, bei dem wenigstens eine sensitive Oberfläche (8) eines Sensors (S) mit der zu messenden Flüssigkeit in Kontakt gebracht wird, der Sensor (1) durch Anlegen einer Wechselspannung in Schwingungen versetzt wird, und aus Messwerten der elektrischen Parameter, vorzugsweise Spannung und Strom, ein Viskositätswert der Flüssigkeit ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit durch eine Heizelektrode (2) im Bereich der sensitiven Oberfläche (8) erwärmt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Flüssigkeit gemessen wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen einer vorgebbaren Temperatur die Erwärmung der Flüssigkeit unterbrochen wird, die elektrischen Parameter gemessen werden und der Viskositätswert der Flüssigkeit ermittelt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskositätswerte der Flüssigkeit für eine Mehrzahl vorgebbare Temperaturen ermittelt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass aus den einzelnen Viskositätswerten der Flüssigkeit an den vorgebbaren Temperaturen ein Verlauf der Viskosität der Flüssigkeit über der Temperatur gebildet wird.
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