WO2016055149A1

WO2016055149A1 - Messvorrichtung

Info

Publication number: WO2016055149A1
Application number: PCT/EP2015/001947
Authority: WO
Inventors: Andreas Paulick; Wolfgang Kurt Brode; Ralf Koppert
Original assignee: Siegert Thinfilm Technology Gmbh; Fügetechnik Berlin-Brandenburg GmbH
Priority date: 2014-10-07
Filing date: 2015-10-05
Publication date: 2016-04-14
Also published as: DE102014014843A1; EP3204744A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung für die Längen- und/oder Kraftmessung mit einem helixförmigen Bauteil (2) aus isolierendem Material, dessen Flächen (4) zumindest teilweise derart mit einem elektrisch leitenden Material (5) versehen sind, dass voneinander elektrisch isolierte Flächenareale (6, 8) entstehen und dass bei einer Verformung des Bauteils (2) durch seine sich hierdurch ändernde Kapazität und/oder Induktivität die Generierung mindestens eines Mess-Signals erfolgt.

Description

Messvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung für die Längen- und/oder Kraft- messung mit einem helixförmigen Bauteil.

Dahingehende Messvorrichtungen unter Einsatz von wendel- oder helixförmigen, linienartig verlaufenden Bauteilen, beispielsweise in Form von Spiralfedern aus härtbaren Metallen, sind bekannt. Solche Federn sind auf dem Markt frei erhältlich (www.kraftmessgeraet.de/Stand 2014) und werden für vielfältige Aufgaben eingesetzt. Typische Beispiele hierfür sind das Feststellen von Positionen, Messen von Kräften in Verbindung mit einem externen Sensor oder einer Mechanik mit auslenkbaren Elementen, Erzeugen einer Vorspannung bei absperrenden Elementen, wie Ventilschiebern von Ventilen etc.

Veränderungen in der Gefügestruktur der Metalle führen jedoch regelmäßig zu einer Veränderung des Richtmoments der Feder, wobei dieser Effekt sowohl auftritt, wenn die Feder stärkeren Deformationen ausgesetzt ist, als auch bei häufig wiederkehrenden kleinen Auslenkungen im Sinne eines schleichenden Alterungsprozesses. Alterungseffekte sind jedoch bei Federn, die für die oben genannte Anwendung in der Messtechnik genutzt werden sollen, höchst nachteilig, weil Messgeräte, die diese Bauteile verwenden, entsprechend oft nachkalibriert werden müssen.

Ferner kommen im Bereich von Messvorrichtungen auch Spiralfedern aus Kunststoff zum Einsatz (EP 1 287 31 5 B1); allerdings ist die in der Messtechnik interessierende Spannungs-Dehnungskennlinie bei Kunststoffen durch einen verschwindend kleinen elastischen Bereich gekennzeichnet, was sich im Rahmen der Messwerte-Auflösung als nachteilig erweist, und die Alterungsproblematik kann noch ausgeprägter ausfallen als bei den vorstehend genannten Metallfedern.

Des Weiteren sind federnde Elemente, aufgebaut aus mineralischen Werk- Stoffen in der Literatur genannt, beispielsweise in Matthias Künzel: Ein Beitrag zur interferenzoptischen Präzisionsdruckmessung mit Quarz- Bourdonfedern, Tectum- Verlag, 1997, ISBN 382880022X.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, auch unter Einsatz vorstehend bekannter Federsysteme diese dahingehend weiter zu verbessern, dass in kostengünstiger weise sowie messtechnisch verlässlich ein Gesamt-Messsystem geschaffen ist, das sich in vielfältiger Weise einsetzen lässt. Eine dahingehende Aufgabe löst eine Messvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die angesprochene Messvorrichtung für die Längen- und/oder Kraftmessung mit dem hel/xförmigen Bauteil aus isolierendem Material gebildet ist, dessen Flächen zumindest teilweise der- art mit einem elektrisch leitenden Material versehen sind, dass voneinander elektrisch isolierte Flächenareale entstehen und dass bei einer Verformung des Bauteils durch seine sich hierdurch ändernde Kapazität und/oder Induktivität, vorzugsweise eine Spannungsänderung erfolgt, die zur Generierung mindestens eines Mess-Signals dient. Sofern in diesem Zusammenhang metallische, helixförmige Bauteile zum Einsatz kommen, wie Metallfedern, wären diese zunächst auf ihrer Oberfläche mit einem isolierenden Material zu versehen, dessen Flächen dann wiederum zumindest teilweise derart mit einem elektrisch leitenden Material zu beschichten sind, dass voneinander elektrisch isolierte Flächenareale für die Generierung des Mess-Signals erhalten sind. Hierdurch ergibt sich zwar ein Bauteil mit einer elektrischen Kapazität, allerdings verändert sich diese nur äußerst geringfügig, wenn das Bauteil verformt wird, da der überwiegende Teil dieser Kapazität durch die Metallflächen beidseits der Isolierschicht gebildet wird. Diese Isolierschicht ist wesentlich dünner als der Abstand beweglicher metallischer Flächenelemente, so dass der Beitrag der starren metallischen Flächenelemente zur Gesamtkapazität bei weitem überwiegt. Das angesprochene linienförmige Bauteil, jedoch mit entsprechender Flächenausdehnung entlang der Linie konzipiert, braucht nicht zwingend aus einem rückfedernden Material zu bestehen; braucht also mit- hin nicht ideal-elastisch zu sein, sondern kann auch aus einem nichtelastischen Material bestehen, das dann durch eine von außen jeweils zwangsweise aufgeprägte Kraft eine Wegänderung für die Messwerterzeugung erfährt. Bevorzugt werden jedoch helixförmige Bauteile mit Federcharakteristik eingesetzt, auch in Form von zylindrischen Schraubenfedern oder konisch verlaufenden Spiralfedern.

Sofern im Sinne der erfindungsgemäßen Messvorrichtungslösung von li- nien- und/oder helixförmigen Bauteilen die Rede ist, meint dies nach dem „Wörterbuch dieses Schutzrechts" jede wendeiförmige Struktur, zylindrisch oder konisch verlaufende Schraubenlinien, auch in der Art einer Spirale, die auch in einer Ebene liegen kann, vergleichbar einer ßourdon- Federanordnung.

Alle vorstehend genannten erfindungsgemäßen Strukturen und Anordnun- gen haben als gemeinsames Merkmal, dass die vorgegebenen zulässigen Auslenkungen zwar extrem gering sein können; dennoch die Erzeugung eines reproduzierbaren elektrischen Mess-Signals im Gegensatz zur Lösung im Stand der Technik erheblich begünstigt ist. Da das angesprochene zu verformende Bauteil bevorzugt vollständig aus isolierendem Material be- steht, sind Streukapazitäten und Wirbelstromverluste bei der Messung, die ansonsten die Erzeugung oder Generierung eines verwertbaren elektrischen Mess-Signals bei rein metallisch aufgebauten Mess-Systemen behindern könnten, mit Sicherheit vermieden. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung weist das verformbare Bauteil eine Doppel-Helix-Struktur dergestalt auf, dass auf den einander zugewandten Stirnseiten einer jeden Windung die voneinander elektrisch isolierten Flächenareale gebildet sind. Vorzugsweise sind dabei die elektrisch leitenden Flächenareale der Doppel- Helix-Struktur entlang ihres wendeiförmigen Innen- und Außenumfanges elektrisch voneinander isoliert. Hierdurch wird eine Art Plattenkondensator für die Mess-Signal-Generierung geschaffen mit der Kombination eines relativ großen Mess-Verfahrweges durch das verformbare, rückstellbare Bauteil bei gleichzeitig hoher Messauflösung, was so durch keine andere Messvor- richtung mit zumutbarem Aufwand erreicht ist.

Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das elektrisch leitende Material für die Flächenareale der helixförmigen Struktur durch Beschichten, insbesondere durch ein Sputterverfahren aufgetragen ist. Insbesondere als vor- teilhaft hat es sich erwiesen, als Beschichtung eine aufgesputterte Chrom- Nickel-Dünnschicht zu verwenden. Durch das aufgezeigte Sputterverfahren lässt sich in kostengünstiger und technisch verlässlicher Weise eine funktionsfähige Messvorrichtung auf der Basis eines kapazitiven Kondensators oder einer induktiven Spule erreichen. Durch den angesprochenen Metallauftrag mittels Sputterverfahren ist darüber hinaus sichergestellt, dass für eine Kontaktierung der jeweiligen elektrisch leitenden Flächenareale mittels Kontaktdrähten eine am freien Endbereich der jeweils zuordenbaren Flächenareal-Windung der Doppel- Helix-Struktur ein gut lötbares Schichtsystem aufgetragen ist, wobei hier Schichten aus FeNi und Au aufgesputtert werden können. Insbesondere ist auch durch das Sputter-Auftragverfahren erreicht, dass die beiden voneinander elektrisch isolierten Flächenareale der Doppel-Helix-Struktur am wendeiförmigen Außenumfangsbereich verlässlich voneinander isoliert werden können.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Messvorrichtung ist das Bauteil aus einem nicht- oder einem nicht-ideal-elastischen Material gebildet, insbesondere in Form eines Kunststoffmaterials, wie einem Polymer, bzw. aus einem Keramikmaterial, wie Aluminiumoxid (AI2O3), Zirko- noxid (ZrÜ2), Siliciumcarbid (SiC), Siliciumnitrid (S13N4) oder Aluminiumnitrid (AIN).

Besonders bevorzugt ist jedoch das verformbare Bauteil aus einem idealelastischen Material als Feder ausgebildet, deren Verformung aus einem Ausgangszustand heraus kapazitiv und/oder induktiv messbar ist, wobei nach Wegfall der Kraft- oder Längenänderung von außen her das Bauteil in seinen ursprünglichen Ausgangszustand zurückgelangt. Aufgrund der keramischen Grundstruktur für das verformbare Bauteil lassen sich die sonst üblichen Alterungseffekte bei Federn vermeiden, und die derart aufgebaute erfindungsgemäße Messvorrichtung lässt sich auch langfristig für genaue Messungen verwenden, ohne dass entsprechend nachkalibriert werden müsste. Mit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung steht relativ kostengünstig ein kapazitiver oder induktiver Sensor zur Verfügung mit einer sehr guten Messwertauflösung im jeweils interessierenden Bereich. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung kann sich bevorzugt immer von selbst aufgrund ihrer Federcharakteristik nach Wegnahme der Kraft- oder Längenänderung von außen wieder in den Ausgangszustand zurückversetzen für einen erneuten Messwert-Aufnahmevorgang. Es besteht aber auch die Möglichkeit, eine Längen- oder Wegänderung auf das jeweilige Bauteil von außen her„aufzuprägen", insbesondere in Form einer Krafteinwirkung von mechanisch verfahrbaren Baukomponenten, wie einem Ventilschieber eines Fluidventils, wobei der Ventilschieber dann in beiden Verfahrrichtungen auf das verformbare Bauteil für eine Messwertgenerierung einwirkt. Für eine derartige Fremdkraftaufprägung braucht das Bauteil nicht zwingend aus einem keramischen Werkstoff in der Art einer rückstellbaren Feder zu bestehen, sondern kann aus Kunststoffmaten^'alien, wie einem Polymerwerkstoff, relativ starr ausgestaltet sein, wobei dennoch eine gewisse Verformungsänderung des Bauteils, beispielsweise in Form einer Längen- oder Querschnittsänderung möglich sein muss, die dann jedoch nicht zwingend elastisch oder nicht-ideal-elastisch zu sein braucht.

Die erfindungsgemäße Messvorrichtung lässt sich beispielsweise in vorteilhafter Weise zur Viskositätsmessung eines Fluids einsetzen, wobei das als Feder konzipierte Bauteil mit seiner Resonanzfrequenz angeregt wird. Die sich ergebende Frequenz-Verschiebung ist dann über die Dämpfung der mechanischen Eigenfrequenz des Bauteils in Folge von Viskositätsunterschieden des das Bauteil jeweils umhüllenden, nicht leitenden Fluids, wie Hydraul iköl, messbar. Ferner kann die Messvorrichtung zu Öl- Analysezwecken eingesetzt werden, die bedingt durch partikuläre Ver- schmutzungen und/oder Wasseranlagerungen im Ölmedium hierdurch zu messbaren Kapazitäts- und/oder Induktivitätsänderungen führt. Im Folgenden ist die erfindungsgemäße Messvorrichtung anhand eines Ausführungsbeispiels nach der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen in prinzipieller und nicht maßstäblicher Darstellung die

Fig. 1 in perspektivischer Draufsicht ein helixförmiges, verformbares

Bauteil mit einem Keramik-Federgrundkörper, der zumindest teilweise elektrisch leitfähig beschichtet ist;

Fig. 2 eine teilweise geschnitten dargestellte Seitenansicht auf die Dar- Stellung nach der Fig. 1 , bei der die einzelnen Windungen des

Keramikfeder-Bauteils der besseren Darstellung wegen auseinandergezogen dargestellt sind; und

Fig. 3 die Verwendung zweier Mess-Bauteile nach den Figuren 1 und 2 zu Fluid-, insbesondere Öl-Analysezwecken.

Die in der Fig. 1 gezeigte Messvorrichtung für die Längen- und/oder Kraftmessung weist ein helixförmiges Bauteil 2 aus isolierendem Material auf, dessen Flächen 4 mit einem elektrisch leitenden Material 5 versehen sind, wobei voneinander elektrisch isolierte Flächenareale 6, 8 entstehen. Der besseren Darstellung wegen sind in der Fig. 2 die Flächenareale symbolisch mit durchgezogenen Linien wiedergegeben und die Flächenareale 8 sind strichliniert dargestellt. Bei einer Verformung des Bauteils 2 durch Kraftoder Längenänderung in Richtung seiner Längsachse 9 entsteht aufgrund des vorstehend beschriebenen konstruktiven Aufbaus zwangsläufig eine Änderung der Kapazität und/oder Induktivität, wobei die dahingehende Änderung die Generierung mindestens eines Mess-Signals; bevorzugt jedoch einer Vielzahl von Mess-Signalen, erlaubt.

Wie sich insbesondere aus der Fig. 2 ergibt, weist das Bauteil 2 dergestalt eine Doppel-Helix-Struktur auf, dass auf den einander zugewandten Stirnseiten oder stirnseitigen Flächen 4 einer jeden Windung 10 die voneinander elektrisch isolierten Flächenareale 6, 8 gebildet sind. Dabei bildet das zusammenhängende Flächenareal 6 eine helixförmige Leiterstruktur aus und das andere Areal 8 die andere Helix der Doppel-Helix-Struktur. Wie insbesondere die Fig. 2 zeigt, sind die beiden elektrisch leitenden Flächenareale 6, 8 der Doppel-Helix-Struktur entlang ihres wendeiförmigen Innenumfanges 12 und entlang ihres entsprechend wendeiförmig gebildeten Außenumfanges 14 elektrisch voneinander isoliert, indem bevorzugt das elektrisch leitende Material nicht über die dahingehenden Umfangsbe- reiche 12, 14 der Wendel von einem Flächenareal 6 zum anderen Flächenareal 8 geführt ist. Wie insbesondere die Darstellungen nach den Figuren 1 und 2 zeigen, ist das helixförmige Bauteil 2 in der Art einer zylindrisch verlaufenden Schraubenfeder als Doppel-Helix-Struktur ausgebildet. Das elektrisch leitende Material 5 für die Flächenareale 6, 8 der helixförmi- gen Bauteilstruktur wird durch Beschichten erhalten, insbesondere unter Einsatz eines sogenannten Sputterverfahrens.

Vor dem eigentlichen Beschichten wird jedoch ein Schutzlack (Photolack) auf die Außenfläche der Bauteil-Feder 2 aufgetragen. Besonders gute Be- schichtungsergebnisse lassen sich dabei erzielen, indem man die Bauteil- Feder 2 auf einem mit Lack getränkten Tuch (nicht dargestellt) ähnlich wie bei einem Tampon-Druck-Verfahren abrollen lässt. Dieser Schritt wird mehrfach nach dem Trocknen des Lacks im Ofen bei 100°C wiederholt, um eine gleichmäßige Verteilung zu gewährleisten. Das angesprochene Belacken kann auch grundsätzlich mit einem Pinsel von Hand erfolgen; es zeigt sich jedoch dann häufig, dass keine gleichmäßige Schichtdicke aufgebracht werden kann. Prinzipiell wäre es auch denkbar, den Schritt des Be- lackens entfallen zu lassen, wenn die Mantelfläche der Feder nach der Be- Schichtung geschliffen wird, so dass kein elektrischer Kontakt zwischen den beiden beschichteten Zwischenräumen in Form der angesprochenen Flä- chenareale 6, 8 existiert. Zum Schutz der jeweiligen Innenfläche 12 der Bauteilfeder 2 kann diese passgenau auf einen (Metall-)Kern (nicht dargestellt) einer nicht näher spezifizierten Herstellvorrichtung aufgeschoben werden. Die Beschichtung der Feder selbst erfolgt in mindestens drei Schrit- ten, oder kontinuierlich rotierend um den gesamten Umfang der Feder gleichmäßig beschichten zu können.

Die Beschichtung wird durch Sputtertechnik realisiert, beispielsweise unter Einsatz eines an sich bekannten Magnetron-Sputtersystems (nicht darge- stellt). Dazu wird das Substrat, in diesem Fall gebildet durch die Bauteil- Feder 2, in einem Abstand von einigen Zentimetern gegenüber dem Target des Sputtersystems positioniert. Vor der Beschichtung wird die Kammer des Magnetrons auf Hochvakuum evakuiert, um eine Verunreinigung der aufzutragenden Dünnschichten zu verhindern. Durch Einleiten von Argon als Sputtergas wird beim Anlegen einer Gleichstrom (DC)-Spannung an das Target ein Plasma gezündet und positive Argon-Ionen auf das Target zu beschleunigt. Dort schlagen die Ionen dann durch Impuls-Übertragung Target- Atome aus dem Material hinaus, die auf dem Substrat kondensieren. Auf diese Weise wird die Dünnschicht als elektrisch leitende Schicht 5 auf der Substratoberfläche aufgebaut. Das dahingehende Sputtern ist an sich bekannt, so dass an dieser Stelle hierauf nicht mehr näher im Einzelnen eingegangen wird.

Als Besch ichtungsmaterial wird ein gut leitfähiges Metall verwendet, wobei die Schichtdicke bevorzugt am Außenmantel des Bauteils 2 ca. 300 bis 400 nm beträgt. Da der jeweilige Spalt 16 zwischen den einzelnen Windungen 10 der Bauteilfeder 2 aufgrund des relativ geringen Windungsabstandes nur eine Streu-Besch ichtung erhält, kann in diesen Arealen 6, 8 keine genaue Angabe zur Schichtdicke gemacht werden. Der elektrische Widerstand ei- ner Leiterbahn auf dem federförmigen Bauteil 10 kann an die Meßaufgabe angepaßt werden und sollte bevorzugt im Bereich von wenigen Ohm bis in den kOhm-Bereich liegen. Der dahingehende elektrische Widerstand ist jedoch für eine Funktion des Bauteils 2 als kapazitiver Sensor nicht essentiell relevant, solange eine ausreichende Leitfähigkeit gegeben ist. Positiv für das Generieren einer ausreichenden Schichtdicke zwischen den Windungen 10 wirkt sich aus, dass man einen relativ niedrigen Argon- Sputtergas-Druck während der Beschichtung wählt, da die mittlere freie Weglänge der abgesputterten Teilchen stark vom dahingehenden Gasdruck abhängt.

Die Leitfähigkeit der so erhaltenen Schicht kann durch eine galvanische Verstärkung erhöht werden. Dazu muß die aufgesputterte Dünnschicht eine für den Galvanikprozeß ausreichende Leitfähigkeit aufweisen. Wie insbesondere die Fig. 1 zeigt, wurde für eine Kontaktierung mittels zweier elektrischer Drähte 18 auf die CrNi-Dünnschicht noch zusätzlich ein Schichtsystem 20 aus FeNi und Au aufgesputtert, das jedoch an den freien stirnseitigen Endbereichen 22 des helixförmigen Bauteiles 2 nur teilweise entlang des dahingehenden Radial umfanges aufgetragen ist. Durch das zu- sätzliche Schichtsystem 20 lassen sich in besonders einfacher Weise die elektrischen Drähte 18 an die beiden Enden oder Endbereiche 22 des feder- förmigen Bauteils 2 anlöten und stellen somit einen sicheren und insoweit auch bestrombaren, Kontakt her. Als Alternative hierzu kann auch ein in der Dünnschichttechnik bewährtes Kontaktschichtsystem auf Basis von z.B. Pt, Pd, Cu o.ä. Anwendung finden, wobei Pt und Pd-Schichtsysteme für Hochtemperaturanwendungen gut geeignet sind.

Nach der vorstehend beschriebenen Beschichtung mittels Sputter- Auftragverfahren wird der Photolack entfernt, was beispielsweise mit Ace- ton als Lösemittel erfolgen kann, so dass die darauf befindliche metallische Dünnschicht„gelittet" wird. Die jeweilige Innenfläche der Feder in Form des Innenumfanges 12 war im Versuch ausreichend durch den (Metall)- Kern, auf den das federförmige Bauteil 2 aufgeschoben wurde, geschützt, so dass insoweit keine Nacharbeit notwendig war. Das bereits angesprochene Anlöten der Kontaktdrähte 18 kann mittels Standard-Lötverfahren auch von Hand erfolgen.

Als Ausgangswerkstoff für das zu beschichtende Bauteil 2 ist dieses als Keramikfeder in Form einer zylindrischen Schraubenfederform (zylindrische Doppel-Helix-Form) realisiert, die im Querschnitt gesehen rechteckförmig und massiv ausgestaltete Windungen 10 aufweist. Der hierfür eingesetzte keramische Werkstoff ist nicht leitend und besteht vorzugsweise aus Aluminiumoxid und in weiter bevorzugter Weise aus Aluminiumoxid mit einer Reinheit von mehr als 99,9 % und einer mechanischen Festigkeit (4-Punkt Biegebruch nach Din 831 EN) von >400 MPa.

Für die Herstellung des dahingehend keramischen Feder-Grundkörpers können an sich bekannte Technologien eingesetzt werden, beispielsweise isostatisches Pressen auf einem Kern zur Erzeugung eines Rohres, Grünbearbeitung des Presslings, Sintern, Hartbearbeitung sowie heißisostatische Nachverdichtung, wobei der letzte Verfahrensschritt nicht zwingend notwendig ist. Alternativ hierzu könnte die zylindrische Federform auch durch Verformen eines extrudierten Stabes oder durch Spritzgießen hergestellt werden. Allen Formgebungsverfahren ist gemeinsam, dass nach dem Sinter- Prozess eine Feder als Bauteil-Grundstruktur aus hochreiner Keramik ohne Fremdmaterialien vorliegt.

Grundsätzlich ist es weiterhin möglich einen Feder-Grundkörper durch die entsprechende Bearbeitung eines einkristallinen Werkstoffes z.B. Saphir zu fertigen, um extreme Genauigkeiten zu erhalten. Mit dem Begriff„kerami- scher Werkstoff" wird hier sowohl die polykristalline, als auch eine einkristalline Werkstoffform bezeichnet. Das in den Figuren 1 und 2 gezeigte Ausführungsbeispiel zeigt eine beschichtete Keramik-Federgrundstruktur, bei der die innere und äußere Mantelfläche 12, 14 des zylinderförmigen Schraubenkörpers unbeschichtet ge- blieben sind, so dass die gegenüberliegenden metallisierten Flächenareale 6, 8 voneinander elektrisch isoliert sind und dann insoweit genutzt werden können, um einen Kondensator als Gesamtbauteil 2 zu erzeugen, dessen Kapazität in guter Näherung umgekehrt proportional zum Abstand der metallisierten Flächenareale 6, 8 ist. Das gezeigte Bauteil 2 mit seiner Keramik- feder-Grundstruktur kann beispielsweise einen Federweg von 3 mm besitzen, bei dessen Änderung im Rahmen einer von außen aufgeprägten Kraft, sich eine Kapazitätsänderung ergibt, die mindestens im Bereich von einigen pF liegt. Selbst unter Berücksichtigung der Nichtlinearität der Kapazitätsänderung eines Plattenkondensators bei Änderung des Plattenabstandes ergibt sich eine sehr hohe Auflösung. Damit lässt sich im Bereich von wenigen pF ein auswertbares Mess-Signal erzeugen. Ohne Berücksichtigung der der Feder inhärenten Nichtlinearität ist dennoch auf dem gesamten Federweg eine sehr hohe Auflösung gegenüber konventionellen Messverfahren auf diesem Gebiet erreicht.

Wie vorstehend die Kapazitätsänderung für den derart gebildeten Bauteil- Kondensator beschrieben ist, lässt sich auch das Bauteil 2 mit seiner sich dann ändernden Induktivität als Spulen-Messeinrichtung für die Induktivitätsänderung verwenden. Dabei kann die Keramikfeder auch in rückstellen- der Weise eine Torsionskraft messtechnisch erfassen. Die jeweilige Messwertableitung erfolgt über die elektrischen Drähte 18, die jedoch auch mit einer Spannung je nach Messverfahren beaufschlagt werden können. Das in den Figuren 1 und 2 gezeigte zylindrisch-helixförmige Bauteil 2 ist voll federelastisch ausgebildet und mithin aus ideal-elastischem Keramik-Material aufgebaut. Es besteht aber auch die Möglichkeit, das Bauteil 2 von seiner Grundkörper-Struktur her aus einem nicht-ideal-elastischen Material auszu- bilden, beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial, wie einem Polymer. Für eine Veränderung der Bauteillänge, die zu einer Kapazitäts-, respektive Induktivitätsänderung führt, ist aber dann das derart konzipierte Bauteil 2 von außen her mit einer Fremdkraft anzusteuern, die dann die Längenände- rung für das Bauteil 2 messtechnisch„aufprägt". Die dahingehende

Kraftein Wirkung oder Kraftaufprägung kann beispielsweise über mechanisch verfahrbare Baukomponenten, wie einem Ventilschieber eines Fluidventils erfolgen, so dass sich dergestalt über das Mess-Bauteil 2 eine Aussage über die aktuelle Schieberposition für jede Ventil-Schieberstellung treffen lässt.

Insbesondere kann die erfindungsgemäße Messvorrichtung zur Viskositätsmessung eingesetzt werden, indem die Bauteil-Feder 2 mit ihrer Resonanzfrequenz über die Drähte 18 elektrisch angeregt wird und die Verschiebung der mechanischen Eigenfrequenz in Abhängigkeit von der Schwingungs- dämpfung durch ein umgebendes viskoses Medium gemessen wird. Diese Schwingungsdämpfung ist eine Funktion der Viskosität des Mediums, die auf diese Art gemessen werden kann.

Die Fig. 3 zeigt nun abschließend eine weitere Anwendung der Messvor- richtung, diesmal zu Öl-Analysezwecken, wobei eine Differenzdruck- Messung realisiert ist, indem zwei helixförmige Mess-Bauteile 2 sich an einem Trennelement 24 angreifend, das innerhalb eines Gehäuses 25 längs- verfahrbar geführt ist und diese fluiddicht in zwei Kammern 26 mit je einem Mess-Bauteil 2 unterteilt. Durch Druckunterschiede in den durch das Trennelement 24 voneinander getrennten Kammern 26 werden die Federn gemäß der Doppel-Pfeil-Darstellung wechselweise ausgelenkt bzw. zusammengedrückt. Insoweit ist es möglich eine sehr empfindliche Messung des Differenzdruckes in einem Flüssigkeitskreislauf durchzuführen um z.B. den Verschmutzungsgrad eines Filters zu überwachen. Ein derartiges System ist äußerst vorteilhaft weil gleichzeitig eine hohe Druckfestigkeit und hohe Auflösung garantiert werden können.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die erfindungsgemäße Messvorrichtung in einer elektrisch isolierenden Flüssigkeit mit einer elektrischen Dielektrizitätskonstante > 1 zu platzieren, wodurch die Kapazitätsänderung der Messvorrichtung entsprechend vergrößert wird.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, eine erfindungsgemäße Messvorrichtung zur Messung eines Differenzdruckes in einem Flüssigkeitskreislauf gleichzeitig dazu zu benutzen, über die Veränderung der Dielektrizitätskonstante den Zustand der Flüssigkeit zu detektieren, insbesondere bei Schmierölen.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

Messvorrichtung für die Längen- und/oder Kraftmessung mit einem helixförmigen Bauteil (2) aus isolierendem Material, dessen Flächen

(4) zumindest teilweise derart mit einem elektrisch leitenden Material

(5) versehen sind, dass voneinander elektrisch isolierte Flächenareale (6, 8) entstehen und dass bei einer Verformung des Bauteils (2) durch seine sich hierdurch ändernde Kapazität und/oder Induktivität die Generierung mindestens eines Mess-Signals erfo}gt.

Messvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2) eine Doppel-Helix-Struktur dergestalt aufweist, dass auf den einander zugewandten Stirnseiten (4) einer jeden Windung (10) die voneinander elektrisch isolierten Flächenareale (6, 8) gebildet sind.

Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitenden Flächenareale (6, 8) der Doppel-Helix- Struktur entlang ihres wendeiförmigen Innen- (12) und Außenumfan- ges (14) elektrisch voneinander isoliert sind.

Messvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Material für die Flächenareale (6, 8) der helixförmigen Bauteil-Struktur durch PVD- Prozesse, insbesondere durch Sputter- oder Aufdampfverfahren aufgetragen ist.

Messvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Beschichtung eine aufgesputterte Metallschicht, insbesondere eine gut leitfähige Schicht wie z.B. AI, Cu, Au, Pt dient, deren Leitfähigkeit bedarfsweise mittels galvanischer Verstär- kung unter Einsatz der Dünnschichttechnik erhöht ist.

Messvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Kontaktierung der jeweiligen elektrisch leitenden Flächenareale (6, 8) mittels Kontaktdrähten (18) eine am freien Endbereich (22) der jeweils zuordenbaren Flächenareal- Windung der Doppel-Helix-Struktur ein gut lötbares Schichtsystem (20) aufgetragen ist, insbesondere Schichten bzw. Schichtsysteme aus FeNi, Cu, Pt, Pd und Au aufgespürter! sind.

Messvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2) aus einem nicht- oder einem ideal-elastischen Material gebildet ist, insbesondere in Form eines Kunststoffmaterials wie einem Polymer bzw. aus einem Keramikmaterial besteht wie Aluminiumoxid (AI2O3), Zirkonoxid (ZrÜ2), deren

Mischoxiden sowie Saphir und/oder Quarz.

Messvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2) bestehend aus einem ideal- elastischen Material als Feder ausgebildet ist, deren Verformung aus einem Ausgangszustand heraus kapazitiv und/oder induktiv messbar ist, und dass nach Wegfall der Kraft- oder Längenänderung von außen her das Bauteil (2) wieder seinen Ausgangszustand einnimmt.

Messvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Längen- oder Wegänderung auf das jeweilige Bauteil (2) von außen her aufgeprägt ist, insbesondere in Form der Kraftein Wirkung von mechanisch verfahrbaren Baukomponenten wie einem Ventilschieber eines Fluidventils.

10. Messvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Viskositätsmessung eines Fluids das als Feder konzipierte Bauteil (2) mit seiner Resonanzfrequenz anregbar ist und dass die Frequenz-Verschiebung durch Dämpfung der mechani- sehen Eigenfrequenz des Bauteils (2) in Folge von Viskositätsunterschieden eines das Bauteil (2) jeweils umhüllenden, nicht leitenden Fluids wie Hydrauliköl messbar ist.

1 1. Meßvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kapazitätsbildende Struktur des Sensors in einem elektrisch nicht leitenden, flüssigen Medium (Flüssigkeit, Suspension, Emulsion o.dgl.) angeordnet ist, dessen Dielektrizitätskonstante > 1 ist. 12. Messvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu Öl-Analysezwecken eingesetzt die bedingt durch partikuläre Verschmutzungen und/oder Wasseranlagerungen im Ölmedium hierdurch sich ergebenden Kapazitäts- und/oder Induktivitätsänderungen durch das Bauteil (2) erfassbar sind.

1 3. Messvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Differenzdruckmessung jeweils ein Federelement (2) mit jeweils einer der Seiten einer bewegbar angeordneten Trennmembran (24) verbunden ist, die mit unterschiedlichen Drü- cken beaufschlagbar ist.