DE19850803A1 - Sensoranordnung und ein Verfahren zur Ermittlung der Dichte und der Viskosität einer Flüssigkeit - Google Patents
Sensoranordnung und ein Verfahren zur Ermittlung der Dichte und der Viskosität einer FlüssigkeitInfo
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Abstract
Es wird eine Sensoranordnung zur Ermittlung der Dichte und der Viskosität einer Flüssigkeit vorgeschlagen, mit einer Anordnung aus mindestens zwei Sensorgrundelementen, von denen mindestens eines mit der Flüssigkeit benetzbar ist und mit elektro-akustischen Wandlern (6) in den Sensorgrundelementen zur Erzeugung und Detektion akustischer Oberflächenwellen, aus deren Ausbreitungsverhalten entlang einer Messstrecke ein Maß für die Dichte und die Viskosität der Flüssigkeit ermittelbar ist. Im Bereich mindestens eines der Sensorgrundelemente sind parallel zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle, in der jeweiligen Messstrecke verlaufende Flüssigkeitsfallen (17) für die Flüssigkeit angeordnet.
Description
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Ermitt
lung der Dichte und Viskosität von Flüssigkeiten und ein
Verfahren zur Durchführung dieser Ermittlung nach dem
Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Allgemein wird bei einer Dichtemessung die Masse eines
bekannten Flüssigkeitsvolumens mit einfachen Messanord
nungen ermittelt. Außerdem kann auch die Resonanzverstim
mung zur Bestimmung der Dichte in einem von der unter
suchten Flüssigkeit durchströmten Rohr in einer akusti
schen Messanordnung ermittelt und ausgewertet werden. Zur
Viskositätsmessung der Flüssigkeit sind die sogenannte
Rotationsviskosimetrie und die Fallkugelviskosimetrie als
hinlänglich bekannte Messmethoden anwendbar. Allen ge
nannten Methoden ist gemeinsam, daß die beiden Meßgrößen
Dichte und Viskosität mit unterschiedlichen Geräten er
mittelt werden müssen, die jeweils einen hohen Raumbedarf
haben, bei hohen Anforderungen an die Meßgenauigkeit ko
stenintensiv sind und zur Messung relativ große Flüssig
keitsvolumina benötigen.
Aufgrund einer immer häufiger werdenden Notwendigkeit der
Miniaturisierung und Systemintegration besteht ein Bedarf
an kompakten und kostengünstigen Geräten zur hochgenauen
online-Dichte- und Viskositätsmessung in kleinen Flüssig
keitsvolumina, der jedoch mit den heute verfügbaren Meß
geräten nicht gedeckt werden kann. Beispiele für eine An
wendung sind die Dichte- und Viskositätsmessung bei der
Zumessung von Dieselkraftstoffen in Kraftfahrzeugen, die
online-Überwachung des Zustandes von Motorölen oder die
Entwicklung mikrofluidischer Analysesysteme in der Chemie
oder Medizin, beispielsweise zur Untersuchung physiologi
scher Medien wie Blut oder Urin oder zur Herstellung
pharmazeutischer Produkte.
Mikrosensoren zur Dichte- und Viskositätsmessung von
Flüssigkeiten lassen sich aufgrund der zugrunde liegenden
Funktionsprinzipien in zwei Kategorien einteilen. Zum ei
nen gibt es sogenannte Surface Acoustic Wave-Sensoren
(SAW-Sensoren), die unter der Ausnutzung einer Wechsel
wirkung zwischen der Ausbreitungsstrecke einer akusti
schen Oberflächenwelle oder einer Bulkwelle und der zu
untersuchenden Flüssigkeit arbeiten und zum anderen gibt
es Sensoren, deren Messwandler aus resonant schwingenden
Mikrostrukturen bestehen.
Bei der gattungsgemäßen Sensoranordnung wird von einem
bekannten Messprinzip ausgegangen, das beispielsweise in
dem Aufsatz "A study of Love-wave acoustic sensors",
J. Du, G.L. Hardling, P.R. Ogilvy und M. Lake in der Fach
zeitschrift Sensors and Actuators A56 (1996), Seiten 211
bis 219 beschrieben ist. Mit dem hier beschriebenen Mess
aufbau ist ein Sensor realisiert, bei dem mit horizontal
polarisierten akustischen Scherwellen als Oberflächenwel
len gearbeitet wird, sog. Leckwellen (Leakywaves) bzw.
Surface Skimming Bulk Wave (SSBW-Wellen) oder Love-
Wellen. Diese akustischen Wellenmoden werden mit soge
nannten, für sich auch aus dem zuvor erwähnten Stand der
Technik bekannten, Interdigitaltransducern erzeugt und
auch detektiert, so dass aus dem Ausbreitungsverhalten
auf einer Ausbreitungs- oder Messstrecke das gewünschte
Sensorsignal gewonnen werden kann.
Die eingangs erwähnte gattungsgemäße Sensoranordnung zur
Ermittlung der Dichte und der Viskosität einer Flüssig
keit ist gemäß der Erfindung mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs und des nebengeordneten Ver
fahrensanspruches in vorteilhafter Weise weitergebildet.
Diese erfindungsgemäße Sensoranordnung erlaubt durch die
Ausnutzung des Einflusses von zusätzlichen, gezielt auf
der Sensoroberfläche eines Sensorgrundelements einge
brachten Störungen in einer Ausbreitungsstrecke für die
akustischen Wellen in vorteilhafter Weise eine getrennte
Messung von Dichte und Viskosität einer Flüssigkeit in
einem Messaufbau mit einer hohen Messgenauigkeit. Bei der
eingangs genannten bekannten Anordnung ist dagegen bei
einer Messung mit Love-Wellenmoden nur die Erfassung ei
nes Dichte-Viskositäts-Produkts möglich.
Für sich gesehen ist ein Viskositäts- und Dichtesensor
mit einer sogenannten Quarzmikrowaage (QCM - Quarz Cry
stal Microbalance) für die Messung mit Bulkwellen, also
nicht mit Oberflächenwellen, bekannt, bei der ähnliche
Störungen in Form von Flüssigkeitsfallen angeordnet sind.
Beispielsweise ist dies in dem Aufsatz "Measuring Liquid
Properties with Smooth- and Textured-Surface Resonators",
S.J. Martin et al. aus IEEE, 1993, International Frequency
Control Symposium, Seiten 603 bis 608, beschrieben. Hier
bei ist beispielsweise die Oberfläche des einen Schwin
gers mit senkrecht zur Schwingrichtung ausgerichteten
Wällen aus Metall, z. B. Gold, versehen ist. Die Taschen
zwischen den Wällen dienen als Flüssigkeitsfallen, wobei
die darin befindliche Flüssigkeit die Schwingungsbewegung
unabhängig von ihrer Viskosität ausführt.
Bei dieser bekannten Quarzmikrowaage handelt es sich um
einen Dickenscherschwinger, der unter Nutzung des inver
sen piezoelektrischen Effektes durch flächige Elektroden
angeregt wird. Da es in einer Flüssigphase aufgrund der
Scherbewegung zu keiner direkten Abstrahlung akustischer
Energie kommt, denn Schermoden sind in Flüssigkeiten
nicht ausbreitungsfähig, ist die QCM auch zur Flüssig
keitsuntersuchung geeignet. Hierbei wird häufig eine Re
sonanzfrequenzänderung durch Massenanlagerung gemessen,
wobei die QCM als frequenzbestimmendes Element in einer
Oszillatorschaltung dient.
Gemäß der Erfindung wird in vorteilhafter Weise der Ef
fekt ausgenutzt, dass es zusätzlich in viskosen Flüssig
keiten durch viskose Kopplung zu einer von Viskosität und
Dichte der Flüssigkeit bedingten Frequenzverschiebung
kommt. Dies kann zur Ermittlung des Dichte-Viskosi
tätsprodukts der Flüssigkeit herangezogen werden, wobei
jedoch zusätzlich der Dichte- vom Viskositätseinfluss mit
dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Aufbau auch trennbar
ist und so beide Größen unabhängig voneinander zu messen
sind.
Es werden somit in Weiterbildung der gattungsgemäßen An
ordnung mindestens zwei in ihrem Aufbau parallel betrie
bene Sensorgrundelemente in vorteilhafter Weise verwen
det, wobei die Vorteile bei der Verwendung der Oberflä
chenwellen, insbesondere der SSB-Wellen oder der Love-
Wellen ausgenutzt werden können. Diese sind vor allem ei
ne hohe Messempfindlichkeit, die Verwendung von gegenüber
der Flüssigkeit geschützten Wandler-Elektroden, eine
inerte Oberfläche und eine geringe Querempfindlichkeit.
Gegenüber der Verwendung der bekannten QCM's kann bei
der erfindungsgemäßen Anordnung auf die galvanische An
bringung von Gold verzichtet und die Sensoranordnung ins
gesamt in einem halbleiterkompatiblen Fertigungsprozess
hergestellt werden. Da das bei der bekannten Anordnung
mit QCM's verwendete Gold eine sehr hohe Dichte gegenüber
der Flüssigkeit aufweist, kann mit dem erfindungsgemäßen
Aufbau, dessen Materialien näher an der Dichte der Flüs
sigkeit liegen, auch demgegenüber eine Erhöhung der Mes
sempfindlichkeit erreicht werden.
Mit dem beanspruchten Messverfahren kann auf einfache
Weise über die Auswertung von Frequenzverschiebungen ein
leicht weiterzuverarbeitendes Messsignal gewonnen werden.
Die Frequenzverschiebungen des Sensorgrundelements mit
den Flüssigkeitsfallen weist zusätzlich zum Einfluss des
Dichte-Viskositäts-Produkts eine nur durch die Dichte der
Flüssigkeit und das effektive Volumen der Flüssigkeits
fallen gegebene Abhängigkeit auf. Werden nun die Fre
quenzverschiebungen beider Sensorgrundelemente miteinan
der verknüpft, können Dichte und Viskosität der Messflüs
sigkeit getrennt ermittelt werden.
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Mikrosensor vor
geschlagen, mit dem die Bestimmung von Dichte und Visko
sität von Flüssigkeitsvolumina im ml-Bereich mit hoher
Auflösung und Messgenauigkeit möglich ist. Dieser Sensor
kann mit zur Massenfertigung geeigneten Batchprozessen
kostengünstig hergestellt werden, wobei auf aus der Halb
leiterfertigung bekannte Verfahren zurückgegriffen wird.
Es wird somit eine Zusammenführung der Vorteile der Sen
soren, die unter Ausnutzung der Wechselwirkung zwischen
der Ausbreitungsstrecke einer akustischen Oberflächenwel
le und der zu untersuchenden Flüssigkeit ein Messsignal
erzeugen und anderer Sensoren (z. B. Bulk-Mode-Sensoren =
QCM) ermöglicht, wobei die jeweils spezifischen Nachteile
vermieden sind.
Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildun
gen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen, ein
schließlich der rückbezogenen Unteransprüche, auch aus
der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die
einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehre
ren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungs
form der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht
sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausfüh
rungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht
wird.
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Sensoranord
nung werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Sensoranord
nung zur Ermittlung der Dichte und der Viskosität
einer durch die Sensoranordnung strömenden Flüssig
keit;
Fig. 2 eine Detailansicht eines Interdigitaltrans
ducers zur Erzeugung und Detektion akustischer Wel
len;
Fig. 3 bis 5 Anordnungsvarianten der Interdigi
taltransducer nach der Fig. 2;
Fig. 6 bis 8 Schnitte durch ein Substrat der Sen
soranordnung mit unterschiedlichen Ausführungen der
Beschichtung;
Fig. 9 eine detaillierte Draufsicht auf zwei Aus
breitungsstrecken der Messflüssigkeit in der Sen
soranordnung;
Fig. 10 ein Prinzipschaltbild einer mit der Sen
soranordnung gekoppelten Auswerteschaltung und
Fig. 11 eine gegenüber der Fig. 10 erweiterte Aus
werteschaltung.
Aus Fig. 1 ist eine Sensoranordnung 1 in einer aufge
schnittenen Prinzipdarstellung gezeigt, durch die eine
Messflüssigkeit zur Bestimmung ihrer Dichte und ihrer
Viskosität von einem Eingang 2 zu einem Ausgang 3 gemäß
Pfeil 4 fließt. Hauptbestandteil der vorgeschlagenen Sen
soranordnung 1 ist ein einseitig poliertes Substrat 5 aus
einem piezoelektrischen Werkstoff, in dem horizontal po
larisierte akustische Schermoden von Sensorgrundelementen
anregbar und ausbreitungsfähig sind. Als Substratwerk
stoffe sind Y-rotierte Quarzschnitte, einige Lithiumni
obat- und Lithiumtantalatschnitte sowie entsprechend ge
polte piezoelektrische Keramiken geeignet.
Auf der polierten Oberfläche des Substrats 5 befindet
sich eine Anordnung aus metallischen Interdigitaltransdu
cern (IDT) 6, die anhand von Fig. 2 näher erläutert wer
den. Diese Interdigitaltransducer 6 sind beispielsweise
aus Aluminium, Titan, Chrom, Gold oder Platin, gegebenen
falls auf einer Haftschicht aus Titan oder Silizium und
dienen zur Anregung und Detektion der akustischen Ober
flächenwellen.
In der Fig. 2 ist einer der Interdigitaltransducer 6 im
Detail gezeigt, wobei Wandlerfinger 7 akustische Wellen
mit der Wellenlänge 8 (Mittenfrequenz) bei einer Anregung
durch eine elektrische Spannung an einem Eingang 9 erzeu
gen können. Hierdurch entsteht eine akustische Oberflä
chenwelle, d. h. insbesondere eine Scherwelle in der Pola
risationsrichtung des Pfeiles 11, mit der Apertur gemäß
Pfeil 12. Gemäß eines hier nicht dargestellten Ausfüh
rungsbeispiels können die Wandlerfinger 7 auch innerhalb
der Periode in zwei Einzelfinger oder auch Splitfinger
aufgeteilt sein, so dass λ/8 Finger entstehen. Zwischen
der elektrischen und der mechanischen Periode liegt hier
der Faktor zwei, so dass eine Beseitigung oder zumindest
eine Verminderung innerer Reflexionen und des sog. Tri
ple-Transit-Echos (TTE) erreichbar ist.
Die Anordnung der Interdigitaltransducer 6 in der Sen
soranordnung 1 gemäß der Fig. 1 kann nach den Ausfüh
rungsbeispielen der Fig. 3 bis 5 ausgeführt werden. Bei
spielsweise nach der Fig. 3 als Verzögerungsleitung mit
einem Sende-IDT 6a, einer Ausbreitungsstrecke 13 und ei
nem Empfangs-IDT 6b bzw. nach der Fig. 4 als Zwei- oder
nach der Fig. 5 als Eintorresonator mit einem oder zwei
IDT 6 und mit Reflektorbänken 14 ausgebildet sein.
Die Sensoranordnung 1 nach der Fig. 1 enthält zwei par
allel zueinander angeordnete Grundelemente mit den Inter
digitaltransducern 6, wobei allerdings zur vereinfachten
Auswertung und verbesserten Temperaturkompensation der
Messsignale auch ein drittes paralleles, anhand dieser
Figur nicht dargestelltes Sensorgrundelement angeordnet
werden kann. Weiterhin ist beim Ausführungsbeispiel nach
der Fig. 1 neben oder zwischen den Grundelementen mit
den IDT 6 auf der Oberfläche des Substrats 5 ein mäander
förmiger Dünnschicht-Temperaturwiderstand 15 angeordnet,
da insbesondere die Viskosität stark temperaturabhängig
ist und somit die Temperatur eine weitere wichtige Mess
größe darstellt. Als Material für den Dünnschicht-
Temperaturwiderstand 15 kommt hier in vorteilhafter Wei
se, das Material wie für die IDT 6 in Frage, nämlich Ti
tan/Platin oder Titan/Platin/Titan, wobei die Haftschicht
entweder Titan oder auch Silizium sein kann.
Auf dem Substrat 5 nach der Fig. 1 ist oberhalb der
Grundelemente mit den IDT 6 eine akustische Wellenleiter
schicht 16 angeordnet, die z. B. aus einem Ormocer, aus
einer Siliziumverbindung oder einem Polymer bestehen
kann, so dass aus dem allgemeinen Schermode (Leckwelle
oder SSBW) der akustischen Welle ein sog. Wellenleitermo
de (hier eine Love-Welle) wird. Zur Trennung des Dichte
einflusses vom Viskositätseinfluss bei der Messung werden
oberhalb eines Grundelementes mit den IDT 6 gezielt me
chanische Störungen in Form von Flüssigkeitsfallen 17 an
geordnet, innerhalb derer die akustische Welle aufgrund
der mechanischen Inhomogenität nicht ausbreitungsfähig
ist.
Hierzu wird der Bereich vor, über und zwischen den jewei
ligen Interdigitaltransducern 6 mit den parallel zur Aus
breitungsrichtung der akustischen Welle ausgerichteten
Wällen 18 versehen, deren geometrische Anordnungsmöglich
keiten anhand von Fig. 6 bis 8 bzw. in der Draufsicht
nach Fig. 9 erläutert wird. Diese Flüssigkeitsfallen 17
können hier durch entsprechende Strukturierung einer
oberhalb des Interdigitaltransducers 6 befindlichen
Schicht 20 als Gräben 22 hergestellt werden, wie in der
Fig. 6 gezeigt oder auch, wie nicht gezeigt, als Gruben
oder Schwämme. Zwischen der Schicht 20 und den IDT 6 kann
zur Haftungsverbesserung und/oder zum Schutz der IDT 6
eine weitere Zwischenschicht 21 vorgesehen werden. Bei
der Anordnung nach der Fig. 6 werden die sog. Leckwellen
oder SSB-Wellen benutzt.
Wenn es sich um ein sog. Love-Mode-Bauelement handelt,
können die Flüssigkeitsfallen nach der Fig. 7 auch durch
Einbringung grabenartiger Ätzungen 22 direkt in eine Wel
lenleiterschicht 23 erzeugt werden, die ansonsten der
Wellenleiterschicht 16 nach der Fig. 1 entspricht. Die
Dicke der Wellenleiterschicht 23 oberhalb des zweiten,
parallelen Grundelementes mit den IDT 6 ohne die Flüssig
keitsfallen kann soweit verringert werden, dass dieselbe
Empfindlichkeit beider Grundelemente erreicht wird.
Eine weitere in der Fig. 8 gezeigte Methode der Erzeu
gung von Flüssigkeitsfallen 17, bzw. Gräben 22 für Wellen
des Love-Moden-Typs besteht in der Aufbringung und an
schließenden Strukturierung einer weiteren Flüssigkeits
fallenschicht 25 oberhalb der akustischen Wellenleiter
schicht 23, eventuell auch unter Verwendung einer zusätz
lichen Zwischenschicht 21 als Haftvermittler und/oder als
Ätzstopschicht ähnlich des Beispiels nach der Fig. 6.
Auf diese Weise wird die Reproduzierbarkeit der Graben
tiefe verbessert.
Bei allen Ausführungen kann die hier nicht dargestellte
Bildung von Flüssigkeitsfallen 17 durch Anordnung von
Gruben mit kreisförmigem oder polygonalem Querschnitt
oder einer schwammartigen Oberflächenstruktur, wie oben
erwähnt, erfolgen. In allen beschriebenen Fällen kann
oberhalb der Flüssigkeitsfallen eine dünne metallische
Abschirmschicht 26, die wenige nm bis 100 nm dick sein
kann, zur Abschirmung ungewollter, akustoelektrischer
Wechselwirkungen zwischen der Messflüssigkeit und der
Sensoranordnung 1 vorgesehen werden. Bei dem Ausführungs
beispiel nach der Fig. 8 kann die Zwischenschicht 21 au
ßerdem besonders vorteilhaft gleichzeitig als Haftver
mittler und Ätzstopschicht sowie als Abschirmschicht zwi
schen der Wellenleiterschicht 23 und den Flüssigkeitsfal
len 22 genutzt werden.
Die grundsätzliche Funktionsweise der zuvor beschriebenen
Sensoranordnung 1 wird im folgenden erläutert. Durch An
legen einer Wechselspannung an die Elektroden, bzw. Wand
lerfinger 7 eines der zuvor beschriebenen Interdigital
transducers 6 werden aufgrund des inversen piezoelektri
schen Effekts wechselnde mechanische Spannungen im
Substrat 5 erzeugt, die eine senkrecht zu den IDT 6 durch
das Substrat 5 laufende akustische Scherwelle zur Folge
haben.
Ist bei Verwendung von akustischen Wellenleiterschichten,
z. B. bei einer Sensoranordnung für akustische Love-Mode-
Wellen, die Scherwellengeschwindigkeit in der Wellenlei
terschicht 16, 23 niedriger als im Substrat 5, kommt es
zu einer Konzentration der akustischen Energie unterhalb
und in dieser Schicht (sog. Wellenleitereffekt). Der so
entstehende Oberflächenwellentyp wird als Love-Welle be
zeichnet. Diese akustischen Wellenleitermoden weisen eine
vergrößerte Empfindlichkeit auf, als die allgemeinen
Schermoden, jedoch wird durch die Wellenleiterschicht 16,
23 auch die Ausbreitungsdämpfung der Welle beeinflusst.
Bei einer Veränderung der Ausbreitungsbedingungen der
akustischen Welle werden die Ausbreitungsgeschwindigkeit
und die Dämpfung beeinflußt, so dass eine Messung dieser
Wellenparameter Aussagen über die einwirkenden Größen
liefern.
Befindet sich auf einem Sensorgrundelement mit den IDT 6
ein flüssiges Messmedium, so kommt es zu einer viskosen
Kopplung, d. h., eine dünne Flüssigkeitsschicht an der
Oberfläche des Sensorgrundelements wird zum Mitmachen der
Scherschwingungen gezwungen. Die effektive Höhe der mit
schwingenden Flüssigkeitsschicht (Abklinglänge) hängt di
rekt von der Viskosität und der Frequenz ab. Die viskose
Kopplung bewirkt eine Abnahme der Ausbreitungsgeschwin
digkeit der akustischen Welle sowie eine Zunahme der Wel
lendämpfung proportional zur Wurzel aus dem Dichte-
Viskositätsprodukt.
Befinden sich nun auf der Oberfläche eines der Sensor
grundelemente als Flüssigkeitsfallen 17 wirkende Inhomo
genitäten, so wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit durch
einen zweiten, von der Flüssigkeitsdichte und dem in den
Flüssigkeitsfallen 17 eingeschlossenen Flüssigkeitsvolu
men abhängigen Einfluss reduziert. Die Änderung der Aus
breitungsgeschwindigkeit kann beispielsweise gemessen
werden, wenn ein Sensorgrundelement, z. B. mit der Verzö
gerungsleitung nach der Fig. 3 oder den Reflektoren 14
nach den Fig. 4 und 5 als frequenzbestimmendes Glied
in einer Oszillatorschaltung eingesetzt wird. Die Verän
derung der Resonanzfrequenz eines solchen Oszillators ist
ein Maß für die Geschwindigkeitsänderung der Welle.
Steht nunmehr auch noch ein Sensorgrundelement mit den
IDT 6 zur Verfügung, das nicht der Flüssigkeit als Mess
größe ausgesetzt ist, zur Verfügung, können durch Mischen
zweier Oszillatorfrequenzen Störgrößen wie z. B. Tempera
tureinflüsse kompensiert werden; außerdem steht als Aus
gangsgröße direkt das niederfrequente Signal Δf zur Ver
fügung.
In Fig. 10 ist ein prinzipielles Ausführungsbeispiel ei
nes Schaltungsaufbaus zur Ermittlung der Dichte und der
Viskosität einer Messflüssigkeit mit zwei Oszillator
schaltungen 30 und 31 dargestellt. Die Oszillatorfrequenz
f1 eines Grundelementes mit den IDT 6 und Flüssigkeits
fallen 17 in der ersten Oszillatorschaltung 30 wird mit
der Oszillatorfrequenz f2 der Oszillatorschaltung 31 ohne
Flüssigkeitsfallen in einem Mischer 32 gemischt, wobei
die Mischfrequenz Δf am Ausgang eines nachgeschalteten
Tiefpasses 33 in guter Näherung ein Maß für die Flüssig
keitsdichte ist, da der auf beide Oszillatorschaltungen
30 und 31 wirkende, viskose Einfluss sowie eventuelle wei
tere Störgrößen kompensiert werden. Vorausgesetzt ist da
bei, dass die Empfindlichkeit gegenüber viskoser Kopplung
bei beiden Sensorgrundelemente identisch ist.
Die Viskosität der Messflüssigkeit kann mit der beschrie
benen Schaltungsanordnung unter Benutzung der ermittelten
Dichte aus der Verschiebung der Frequenz des Sensorgrund
elements ohne Flüssigkeitsfallen in der Oszillatorschal
tung 31 gegenüber der bekannten Frequenz bei einem Be
trieb der Messanordnung ohne eine Messflüssigkeit ermit
telt werden. Auf analoge Weise kann als Messgröße hier
auch die Dämpfungsänderung herangezogen werden.
Ein weiteres, erweitertes Ausführungsbeispiel einer
Schaltungsanordnung zur Erfassung der erforderlichen
Messgrößen ist in Fig. 11 gezeigt. In dieser Schaltungs
anordnung ist zusätzlich noch eine Oszillatorschaltung 34
mit einer Messstrecke ohne die Durchleitung der Messflüs
sigkeit vorhanden, so dass diese Messstrecke als nicht
benetztes Referenzelement dient. Diese Anordnung ist ins
besondere dann vorteilhaft, wenn die beiden mit der Mess
flüssigkeit benetzten Sensorelemente aus technologischen
Gründen keine identische Empfindlichkeit gegenüber visko
sen Wechselwirkungen aufweisen. Außerdem werden bei die
ser Anordnung mögliche Bauelementedriften zur Verbesse
rung der Langzeitstabilität homogenisiert.
Aus den Resonanzfrequenzverschiebungen Δf1 und Δf2 kann
anhand des Aufbaus nach der Fig. 11 bei bekannter Emp
findlichkeit der Bauelemente gegenüber Dichte- und Visko
sitätsänderungen die Flüssigkeitsdichte und unter Benut
zung der somit bekannten Flüssigkeitsdichte aus Δf2 die
Viskosität in der oben beschriebenen Weise ermittelt wer
den. Alternativ kann auch hier die Dämpfungsänderung als
Messgröße genutzt werden.
Eine dritte, nicht in der Zeichnung dargestellte Ausfüh
rungsform weist zwei Sensorgrundelemente auf, die beide
mit Flüssigkeitsfallen versehen sind und von denen eines
mit der Messflüssigkeit und eines mit Luft in Kontakt
ist. Die hier in analoger Weise zu den Ausführungsbei
spielen nach den Fig. 9 bis 11 gewonnene Mischfrequenz
ist dabei von der Dichte und der Wurzel aus dem Dichte-
Viskositäts-Produkt abhängig. Die Dämpfungsdifferenz ist
dabei auch das Maß für die Wurzel aus dem Dichte-
Viskositäts-Produkt, da eine geringfügige Massezunahme
durch die Messflüssigkeit in den Flüssigkeitsfallen eine
vernachlässigbare Dämpfungsänderung bewirkt.
Hierbei ist somit eine Dämpfungsmessung unbedingt notwen
dig; allerdings ist vorteilhaft, dass nur zwei völlig
identische Sensorgrundelemente notwendig sind, bei glei
cher Empfindlichkeit, Drift und mechanischer Querempfind
lichkeit.
1
Achse
2
Verzahnung
3
Zahnrad
4
Zahnrad
5
Sensor
6
Sensor
7
Magnet
8
Magnet
9
Auswerteschaltung
10
Zähne der Verzahnung
2
11
Zähne auf dem Zahnrad
3
12
Zähne auf dem Zahnrad
4
20
Torsionsstab
21
Befestigungsstelle
22
Hülse
23
Verzahnung
24
Zahnrad
Claims (15)
1. Sensoranordnung zur Ermittlung der Dichte und der Vis
kosität einer Flüssigkeit, mit
- 1. einer Anordnung aus mindestens zwei Sensorgrundelemen ten, von denen mindestens eins mit der Flüssigkeit be netzbar ist und mit
- 2. elektro-akustischen Wandlern (6) in den Sensorgrundele menten zur Erzeugung und Detektion akustischer Oberflä chenwellen mit vorgegebenen Wellenmoden, aus deren Aus breitungsverhalten entlang einer Messstrecke ein Maß für die Dichte und die Viskosität der Flüssigkeit ermittelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass
- 3. im Bereich mindestens eines der Sensorgrundelemente parallel zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Ober flächenwelle, in der jeweiligen Messstrecke verlaufende Flüssigkeitsfallen (17) für die Flüssigkeit angeordnet sind.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, dass
- 1. die ausgewerteten, akustischen Oberflächenwellen hori zontal polarisierte, akustische Scherwellen des Love- Moden-Typs sind.
3. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, dass
- 1. die ausgewerteten, akustischen Oberflächenwellen hori zontal polarisierte, akustische Scherwellen des SSBW- oder Leckwellen-Typs sind.
4. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, dass
- 1. die elektro-akustischen Wandler aus auf einem Substrat (5) angeordneten Interdigitaltransducern (6) gebildet sind, deren Wandlerfinger (7) so ausgebildet sind, dass sich die erforderlichen Wellenmoden mit einer geeigneten Oszillatorfrequenz erzeugen lassen.
5. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, dass
- 1. jeweils ein Sensorgrundelement als Verzögerungsleitung mit zwei Interdigitaltransducern (6a, 6b) und einer dazwi schenliegenden Ausbreitungs- oder Messstrecke (13) ausge bildet ist.
6. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, dass
- 1. jeweils ein Sensorgrundelement als Zweitorresonator mit zwei nebeneinanderliegenden Interdigitaltransducern (6a, 6b) und jeweils außen liegenden Reflektoren (14) aus gebildet ist.
7. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, dass
- 1. jeweils ein Sensorgrundelement als Eintorresonator mit einem Interdigitaltransducer (6) und jeweils außen lie genden Resonatoren (14) ausgebildet ist.
8. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, dass
- 1. die Flüssigkeitsfallen (17) durch Gräben oder Ätzungen (22) in einer entsprechend strukturierbaren Schicht (20) oberhalb der elektro-akustischen Wandler (6), gegebenen falls auf einer Zwischenschicht (21), gebildet sind.
9. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da
durch gekennzeichnet, dass
- 1. die Flüssigkeitsfallen (22) durch Gräben oder Ätzungen in einer entsprechend strukturierbaren, akustischen Wel lenleiterschicht (23) oberhalb der elektro-akustischen Wandler (6), gegebenenfalls mit einer äußeren, metalli schen Abschirmung (26), gebildet sind.
10. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da
durch gekennzeichnet, dass
- 1. die Flüssigkeitsfallen (17) durch Gräben oder Ätzungen in einer entsprechend strukturierbaren Schicht (20) ober halb der elektro-akustischen Wandler (6) gebildet sind und dass
- 2. eine darunterliegende Zwischenschicht (21) und eine weitere, zwischen der Zwischenschicht (21) und dem elek tro-akustischen Wandler (6) liegende, akustische Wellen leiterschicht (23) vorhanden ist.
11. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, dass
- 1. die Flüssigkeitsfallen (17) durch parallel zur Ausbrei tungsrichtung der akustischen Welle verlaufende Gräben (22) gebildet sind.
12. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
- 1. die Flüssigkeitsfallen (17) aus einer Anordnung von Gruben mit kreisförmigem oder polygonalem Querschnitt oder einer schwammartigen Oberflächenstruktur gebildet sind.
13. Verfahren zur Ermittlung der Dichte und Viskosität
einer Flüssigkeit mit einer Sensoranordnung nach einem
der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass
- 1. mit einer ersten Oszillatorschaltung (30), die ein Sen sorelement mit Flüssigkeitsfallen (17, 22) aufweist, eine erste Oszillatorfrequenz (f1) erzeugt wird,
- 2. mit einer zweiten Oszillatorschaltung (31), die ein Sensorelement ohne Flüssigkeitsfallen aufweist, eine zweite Oszillatorfrequenz (f2) erzeugt wird, dass
- 3. aus der Mischfrequenz (Δf) der beiden Oszillatorfrequen zen (f1) und (f2) die Dichte der Flüssigkeit ermittelt wird und dass
- 4. aus der Frequenzverschiebung der Oszillatorfrequenz (f2) der Oszillatorschaltung (31) bei einer Messung ohne Flüs sigkeit gegenüber der Messung mit Flüssigkeit die Visko sität der Flüssigkeit ermittelt wird.
14. Verfahren zur Ermittlung der Dichte und Viskosität
einer Flüssigkeit mit einer Sensoranordnung nach einem
der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass
- 1. mit einer ersten Oszillatorschaltung (30), die ein Sen sorelement mit Flüssigkeitsfallen (17, 22) aufweist, eine erste Oszillatorfrequenz (f1) erzeugt wird, dass
- 2. mit einer zweiten Oszillatorschaltung (31), die ein Sensorelement ohne Flüssigkeitsfallen aufweist, eine zweite Oszillatorfrequenz (f2) erzeugt wird, dass mit einer dritten Oszillatorschaltung (34), die ein Sensorelement ohne Flüssigkeitsfallen und ohne die zu messende Flüssigkeit aufweist, eine dritte Oszillatorfre quenz (f3) erzeugt wird, dass
- 3. aus der Mischfrequenz (Δf1) der beiden Oszillatorfrequen zen (f1) und (f3) und der Mischfrequenz (Δf2) der beiden Oszil latorfrequenzen (f2) und (f3) die Dichte der Flüssigkeit er mittelt wird und dass
- 4. aus der Mischfrequenz (Δf2) die Viskosität der Flüssig keit ermittelt wird.
15. Verfahren zur Ermittlung der Dichte und Viskosität
einer Flüssigkeit mit einer Sensoranordnung nach einem
der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass
- 1. mit einer ersten Oszillatorschaltung, die ein Sensore lement mit Flüssigkeitsfallen aufweist, eine erste Oszil latorfrequenz (f1) erzeugt wird, dass
- 2. mit einer zweiten Oszillatorschaltung, die ein Sensore lement mit Flüssigkeitsfallen und ohne die zu messende Flüssigkeit aufweist, eine zweite Oszillatorfrequenz (f3) erzeugt wird, dass
- 3. aus der Mischfrequenz (Δf) der beiden Oszillatorfrequen zen (f1) und (f2) ein Messsignal in Abhängigkeit von der Dichte und der Wurzel aus dem Dichte-Viskositäts-Produkt der Flüssigkeit ermittelt wird und dass
- 4. aus der Dämpfungsdifferenz der beiden Oszillatorfre quenzen (f1) und (f2) ein Maß für die Wurzel aus dem Dichte- Viskositäts-Produkt ermittelt wird.
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