DE69531925T2

DE69531925T2 - Vorrichtung zur Messung einer Eigenschaft eines Fluides

Info

Publication number: DE69531925T2
Application number: DE69531925T
Authority: DE
Inventors: Hidemasa Nagoya-city Aichi-prefecture Okumura; Kazuyoshi Nagoya-city Aichi-prefecture Shibata; Yukihisa Nishikamo-gun Aichi-prefecture Takeuchi
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1994-11-25
Filing date: 1995-11-24
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2015-11-25
Also published as: EP0714022A3; DE69531925D1; EP0714022B1; JPH08201265A; JP3388060B2; EP0714022A2; US5889351A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen nicht nur der Viskosität eines Fluids in einem strömenden Zustand sondern auch von Eigenschaften wie die Konzentration des Fluids. Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zum Messen der Viskosität und auf eine Vorrichtung zum Messen von Eigenschaften eines Fluids, die die Messung präzise durchführen kann, ungeachtet der Ausprägung der Eigenschaften wie die Viskosität des Fluids.
BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
Zahlreiche Produkte wie Chemikalien, Lebensmittel, Schmieröl und Fahrzeugwachs sind in Form von Fluiden hergestellt, verwendet oder verkauft worden, wobei für die Steuerung des Herstellungsprozesses dieser Produkte und für die Sicherstellung ihrer Leistung das Messen der Viskosität dieser Fluide wichtig ist.
Es gibt zahlreiche bekannte Verfahren und Vorrichtungen zum Messen der Viskosität, wobei Beispiele solcher Messverfahren das Kapillarrohrverfahren, das Rotationsverfahren und die Kugelfallmethode einschließen.
Bei der Kapillarrohrmethode wird jedoch eine Probe von einem zu messenden Fluid gezogen und dann die Viskosität der Probe ermittelt. Es ist daher schwierig, die Viskosität des Fluids in fließendem Zustand während eines Herstellungsprozesses kontinuierlich zu messen und zu überwachen. Insbesondere wenn das Fluid Thixotropie-Eigenschaften besitzt, besteht das Problem, dass es extrem schwierig ist, dessen Viskosität in einem vorbestimmten fließenden Zustand genau zu bestimmen.
Mit dem Ziel der Lösung dieses Problems ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Viskosität nahegelegt worden, bei der ein piezoelektrischer Vibrator bzw.
Schwinger verwendet wird, und die japanischen Patentoffenlegungsschriften 311250/1989, 213743/1990 und 189540/1991 haben z. B. Verfahren und Vorrichtungen zum Messen der Viskosität offenbart, bei denen ein piezoelektrisches Element, insbesondere ein Quarz-Resonator mit einem Fluid in Kontakt gebracht wird und eine Veränderung der Resonanzfrequenz oder des Verlustwiderstands zu diesem Zeitpunkt verwendet wird.
Zudem ist in der japanischen Patentoffenlegungsschrift 148040/1991 eine weitere Viskositätsmessvorrichtung offenbart worden, bei der ein bimorpher Vibrator bzw. Schwinger in einem Fluid mit einer vorbestimmten Schwingungsfrequenz in Schwingung versetzt wird, und dann die die Impedanz zu diesem Zeitpunkt detektiert wird.
Unter den herkömmlichen Viskositätsmessverfahren und -vorrichtungen sind jedoch die in den japanischen Patentoffenlegungsschriften 311250/1989, 213743/1990 und 189540/1991 offenbarten Methoden ungenau bei der Detektion, da der Kreis eines Leitwertdiagramms bei der eigentlichen Viskositätsmessung nicht rund ist, wodurch der Verlustwiderstand nicht kontinuierlich auf Basis des Kreisdurchmesser ermittelt werden kann, so dass die Reproduzierbarkeit des Verlustwiderstands dazu neigt, unzureichend zu werden. Zudem wird, da die der Frequenz in der Nähe der Resonanzfrequenzänderungen entsprechende Admittanz zwischen Maximum- und Minimummodus wechselt, die Präzision des Detektierens als unzureichend erachtet. Weiters besteht das Problem, dass eine am Vibrator angebrachte Elektrode direkt mit dem Fluid in Kontakt gebracht wird, und somit aufgrund des Einflusses der Dielektrizitätskonstante des Fluids keine genaue Viskositätsmessung durchgeführt werden kann.
Andererseits weist der bimorphe Vibrator (Schwinger) der in der japanischen Patentoffenlegungsschrift 148040/1991 beschriebenen Viskositätsmessvorrichtung eine relativ große Amplitude auf, so dass im Fluid eine Pulsation auftritt, die einen nachteiligen Einfluss auf die Viskositätsmessung hat.
Darüber hinaus wird die Elektrode des Vibrators, wie oben beschrieben, direkt mit einem Fluid in Kontakt gebracht, woraus sich das Problem ergibt, dass die Dielektrizitätskonstante des Fluids einen nachteiligen Einfluss auf die Viskositätsmessung ausübt.
Bei einer solchen herkömmlichen Viskositätsmessvorrichtung kann die Viskositätsmessung bei einem Fluid mit relativ hoher Viskosität bis zu einem gewissen Maß präzise durchgeführt werden. Bei einem Fluid mit relativ niedriger Viskosität erleidet jedoch das piezoelektrische Element selbst durch die Schwingung einen mechanischen Widerstand, wodurch die Struktur der Viskositätsmessvorrichtung stark eingeschränkt ist, damit elektrische Parameter des piezoelektrischen Elements verändert werden können. Bei der herkömmlichen Viskositätsmessvorrichtung besteht daher das Problem, dass die Viskosität nicht genau gemessen werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Angesichts gewisser Probleme herkömmlicher Verfahren ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Messen einer Eigenschaft eines Fluids, wie die Viskosität, bereitzustellen, die Eigenschaften wie die Viskosität des Fluids ungeachtet der Größenordnung der Eigenschaft mit guter Reproduzierbarkeit messen kann, selbst wenn sich das Fluid in strömendem Zustand befindet. Die Erfinder haben mit intensiver Forschung versucht, die oben erwähnten Probleme zu lösen, und als Ergebnis hat sich herausgestellt, dass das oben angeführte Ziel durch sorgfältiges Steuern des Verhältnisses zwischen elastischen Eigenschaften eines piezoelektrischen Elements, aus dem der Vibrator bzw. Schwinger besteht, und den Eigenschaften wie etwa der Viskositätswiderstand erreicht werden kann. Die vorliegende Erfindung wurde folglich auf Basis dieser Erkenntnisse entwickelt.
Die vorliegende Erfindung stellt daher eine Vorrichtung zum Messen einer Eigenschaft eines Fluids, wie in Anspruch 1 erläutert, bereit.
KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht, die eine Ausführungsform einer Viskositätsmesvorrichtung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Vibrators für den Vergleich mit den Viskositätsmessvorrichtungen der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine perspektivische Ansicht in Einzelteilen, die eine Ausführungsform der Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
4 ist eine Schnittansicht entlang der Linie X-X in 3.
5 ist eine perspektivische Ansicht in Einzelteilen, die eine weitere Ausführungsform der Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
6 ist eine Schnittansicht entlang der Linie Y-Y in 5.
7 ist eine Charakteristik, die die Beziehung zwischen Frequenz und Verlustfaktor veranschaulicht.
8 ist eine Charakteristik, die die Beziehung zwischen Viskosität und Verlustfaktor veranschaulicht.
9 ist eine Charakteristik, die die Beziehung zwischen Viskosität und Verlustfaktor veranschaulicht.
10 ist eine Charakteristik, die die Beziehung zwischen Viskosität und Verlustfaktor bei veränderter Größe der Durchgangslöcher veranschaulicht.
11 ist eine Charakteristik, die die Beziehung zwischen Viskosität und Verlustfaktor veranschaulicht.
12 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Ausführungsform einer Spannungsquelle zeigt, um den Schwinger in Schwingung zu versetzen.
13 ist eine Charakteristik, die die Beziehung zwischen der Schwefelsäurekonzentration einer wässrigen Schwefelsäurelösung und der Viskosität veranschaulicht.
14 ist eine Charakteristik, die die Beziehung zwischen der Schwefelsäurekonzentration einer wässrigen Schwefelsäurelösung und der Dichte veranschaulicht.
15 ist eine Charakteristik, die die Beziehung zwischen der Schwefelsäurekonzentration einer wässrigen Schwefelsäurelösung und der Resonsanzfrequenz veranschaulicht.
16 ist eine perspektivische Ansicht, die eine weitere Ausführungsform der Viskositätsmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bei einer Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung wird ein piezoelektrischer Vibrator (Schwinger) in einem Fluid in Schwingung versetzt, wobei der Schwinger an diesem Zeitpunkt einen mechanischen Widerstand auf Basis der Viskosität des Fluids erfährt, so dass ein elektrischer Parameter des piezoelektrischen Elements, das den Schwinger bildet, verändert wird und diese Veränderung des elektrischen Parameters detektiert wird, um die Viskosität des Fluids zu messen. Beim Messen der Viskosität werden die Intensitäten der elastischen Eigenschaften des piezoelektrischen Schwingers und der viskose Widerstand des Fluids gesteuert, so dass die elektrischen Konstanten des piezoelektrischen Elements vorteilhaft verändert werden können.
Von den oben erwähnten elektrischen Parametern verändern sich der Verlustfaktor und die Phase in der Nähe eines Resonanzpunkts in Übereinstimmung mit einem maximalen oder minimalen Veränderungspunkt und können daher vorzugsweise als Index für die Viskositätsmessung verwendet werden. Der „Verlustfaktor" kann hierbei als absoluter Wert der reziproken Zahl des Tangens eines Phasenwinkels definiert werden, und die Veränderung des Verlustfaktors entspricht im Wesentlichen dem Phasenwinkel.
Bei der Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung wird das Elektrodenpaar, das am piezoelektrischen Schwinger befestigt ist, mit einer schwingenden Platte abgedeckt, und die schwingende Platte wird durch den piezoelektrischen Schwinger in Schwingung versetzt und wird mit dem Fluid in Kontakt gebracht, um die Viskositätsmessung durchzuführen. Dadurch kann vermieden werden, dass die Dielektrizitätskonstante des Fluids einen Einfluss auf die Viskositätsmessung ausübt. In diesem Fall werden die elastischen Eigenschaften der schwingenden Platte als eine synthetisierte Größe dieser Eigenschaften und der elastischen Eigenschaften des piezoelektrischen Schwingers gesteuert.
Auf der Rückfläche der schwingenden Platte, d. h. auf der Fläche, die mit dem Fluid in Kontakt gebracht wird, wird ein Barrierebereich ausgebildet, um den Strömungswiderstand des Fluids in Übereinstimmung mit der Schwingung des Schwingers zu erhöhen, wodurch der mechanische Widerstand, dem der Schwinger unterworfen ist, gesteuert werden kann. Es ist daher z. B. möglich, obwohl die elastischen Eigenschaften des piezoelektrischen Schwingers in einem Einheitszustand gehalten werden, die relativ geringe Viskosität des Fluids zu messen.
In dieser Beschreibung steht „Fluid" für eine Flüssigkeit oder ein Gas, d. h. eine Flüssigkeit, die eine Einzelkomponente wie Wasser, ein Öl oder ein Alkohol, eine Lösung oder eine Suspension, die durch das Hinzufügen einer löslichen oder unlöslichen Beimengung zu dieser Flüssigkeit hergestellt wurde, oder eine Mischlösung dieser Komponenten umfasst. Dementsprechend schließt das Fluid eine Aufschlämmung, eine Paste, einen Schlamm und dergleichen ein.
Als nächstes wird die Vorrichtung zum Messen der Eigenschaften des Fluids gemäß der vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben werden.
Das fundamentale Prinzip der Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung greift auf die Tatsache zurück, dass zwischen der Amplitude eines piezoelektrischen Schwingers und dem viskosen Widerstand des Fluids, das mit dem Vibrator in Berührung ist, eine gewisse Korrelation gegeben ist. Wenn der viskose Widerstand des Fluids z. B. groß ist, ist die Amplitude des Schwingers klein, und wenn der viskose Widerstand des Fluids klein ist, ist die Amplitude groß.
Die Schwingungsmorphologie der schwingenden Platte in einem mechanischen System wie die Schwingung des Schwingers kann durch eine äquivalente Schaltung eines elektrischen Systems ersetzt werden, und die Amplitude kann in diesem Fall als einem Stromwert entsprechend angenommen werden.
Der Schwingungszustand der oben erwähnten äquivalenten Schaltung gibt die Veränderung verschiedener elektrischer Parameter in der Nähe des Resonanzpunkts an, wobei die verschiedenen elektrischen Parameter beispielsweise Verlustfaktor, Phase, Widerstand, Blindwiderstand, Wirkleitwert, Blindleitwert, Induktivität und Kapazität einschließen. Bei der Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung wird von diesen elektrischen Parametern vorzugsweise der Verlustfaktor oder die Phase mit einem Maximum- oder Minimumveränderungspunkt als Index verwendet, um die Parameterveränderung in der Nähe der Resonanzfrequenz der äquivalenten Schaltung festzuhalten. Das Detektieren des Verlustfaktors oder der Phase kann einfach ausgeführt werden, indem ein anderer elektrischer Parameter detektiert wird.
Bei der vorliegenden Erfindung ist es erwünscht, den elektrischen Parameter zu messen, während eine vorbestimmte Spannung (Vorspannung) in dieselbe Richtung wie die Polarisationsrichtung des piezoelektrischen Schwingers angelegt wird. Das heißt, vorzugsweise wird der elektrische Parameter ohne Anlegen eines elektrischen Felds in eine der Polarisationsrichtung entgegengesetzte Richtung gemessen. In diesem Fall wird die Vorspannung vom Standpunkt der Detektionsgenauigkeit her geeignet nicht höher als die Polarisationsspannung angenommen, wobei die Vorspannung jedoch über der Spannungspolarisation liegen kann.
Die Viskositätsmessvorrichtung ist gerade obenstehend beschrieben worden, das Prinzip der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht nur auf die Viskositätsmessung bei einem Fluid beschränkt. Das heißt, wenn ein Faktor, der einen Einfluss auf die Schwingung des piezoelektrischen Elements hat, im Fluid vorhanden ist, können die zu messenden Eigenschaften des Fluids durch Verbinden dieser Eigenschaften mit der Schwingungsveränderung des piezoelektrischen Elements gemessen werden.
Wenn z. B. das Fluid eine Lösung ist und sich die Viskosität oder Dichte der Lösung im Einklang mit einer Konzentrationsveränderung verändert, ändert sich zu diesem Zeitpunkt auch der Schwingungsmodus des piezoelektrischen Elements in der Lösung, wodurch eine Messung der Konzentration der Lösung ermöglicht wird. In anderen Worten, die Viskositätsmessung, Dichtemessung und Konzentrationsmessung der Lösung kann entsprechend durchgeführt werden.
In diesem Zusammenhang ist die Beziehung zwischen der Schwefelsäurekonzentration und der Viskosität einer wässrigen Schwefelsäurelösung wie in 13 dargestellt, und die Beziehung zwischen der Schwefelsäurekonzentration und der Dichte der wässrigen Schwefelsäurelösung wie in 14 dargestellt. Die Schwefelsäurekonzentration kann daher auf Basis der Veränderung der Viskosität der Schwefelsäure oder der Dichte der Schwefelsäure gemessen werden.
Konkret können bei der Fluideigenschaft-Messvorrichtung, wie sie in den 3 und 4 veranschaulicht ist, eine äquivalente Masse m (Masse des schwingenden Fluids), ein äquivalenter Widerstand r (Strömungsleichtigkeit des Fluids) und ein äquivalenter Elastizitätsmodul c (Härte des Fluids) des Fluids in einem Hohlraum 36 und in Durchgangslöchern 38 durch m = f(ρ), r = g(η) und c = h(ρ, v) wiedergegeben werden (worin ρ die Dichte des Fluids, η die Viskosität des Fluids und v die Schallge schwindigkeit im Fluid ist), und diese verändern sich in Zusammenhang mit der Dichte und der Viskosität des Fluids sowie der Schallgeschwindigkeit im Fluid. Die Schwingungsamplitude kann durch A = F(m, r, c) (A ist die Schwingungsamplitude) wiedergegeben werden. Die Veränderung der Eigenschaften des Fluids kann somit in Zusammenhang mit der Veränderung der Schwingung des piezoelektrischen Elements gemessen werden.
Bei der vorliegenden Erfindung wird die Veränderung des Schwingungsmodus des piezoelektrischen Elements bevorzugt als Veränderung des elektrischen Parameters, wie oben beschrieben wurde, gemessen anstatt als Veränderung der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Elements, da sich der elektrische Parameter üblicherweise stärker verändert als die Resonanzfrequenz. Das Messen der Veränderung der Schwingungsmorphologie des piezoelektrischen Elements ist jedoch nicht auf das Messen der Veränderung des elektrischen Parameters des piezoelektrischen Elements beschränkt, und es kann dafür natürlich auch die Veränderung der Resonanzfrequenz herangezogen werden, wenn im Hinblick auf die Messgenauigkeit, Beständigkeit und dergleichen keine Probleme gegeben sind.
Bei einer Fluideigenschaft-Messvorrichtung, die so wie in den 3 und 4, die hierin nachstehend erläutert werden, dargestellt aufgebaut ist, die auf der Rückfläche 20r einer schwingenden Platte 20 (eine erste Keramikplatte) eine geringere Menge einer Glaskomponente aufweist als auf der Fläche der schwingenden Platte 20, die das piezoelektrische Element enthält, ist die Benetzbarkeit durch das zu messende Fluid gut, wodurch die Veränderung in der Schwingungsmorphologie des piezoelektrischen Elements als Veränderung der Resonanzfrequenz herangezogen werden kann.
Gute Benetzbarkeit bedeutet, dass ein Rückwärts-Kontaktwinkel 20° oder weniger, vorzugsweise 10° oder weniger, beträgt.
Als nächstes wird auf die Elemente verwiesen, die in der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet werden, wobei die Beschreibung der Einfachheit halber hauptsächlich mit Verweis auf die Viskositätsmessvorrichtung erfolgen wird.
Als erstes wird der piezoelektrische Schwinger beschrieben werden.
Der piezoelektrische Schwinger besitzt in Verbindung mit dem viskosen Widerstand des Fluids, dessen Viskosität gemessen wird, geeignete elastische Eigenschaften. „Elastische Eigenschaften" steht hierin für das Maß an Kraft, das durch die Schwingung des Schwingers im Fluid auf das Fluid ausgeübt wird, und bezieht sich z. B. auf die Festigkeit, Härte, Dicke und Eigenschwingungsneigung des piezoelektrischen Elements. „Viskoser Widerstand" andererseits steht für das Kraftausmaß, das das Fluid auf den Schwinger während der Schwingung des Schwingers im Fluid ausübt, und bezieht sich auf die Viskosität des Fluids.
In Bezug auf das Verhältnis zwischen den elastischen Eigenschaften und dem viskosen Widerstand bei der Viskositätsmessung bei der vorliegenden Erfindung, ist es notwendig, dass die elastischen Eigenschaften größer sein sollten als der viskose Widerstand, wobei diese Anforderung alleine noch nicht ausreicht. Zudem ist es erforderlich, dass die elastischen Eigenschaften und der viskose Widerstand miteinander in Zusammenhang stehen, so dass die Veränderung des elektrischen Parameters des piezoelektrischen Elements bei der Schwingung zum Zeitpunkt der Viskositätsmessung vorteilhaft detektiert werden kann. Wenn z. B. der Verlustfaktor als elektrischer Parameter herangezogen wird, ist das Verhältnis so, dass sich das Verhältnis der veränderten Breite des Verlustfaktors innerhalb eines Bereichs von 1 bis 500 bewegt.
Der piezoelektrische Schwinger, der bei der Viskositätsmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet wird, muss die oben erwähnte Beziehung erfüllen. Wenn z. B. der viskose Widerstand des Fluids groß ist, müssen auch die elastischen Eigenschaften des piezoelektrischen Schwingers zunehmen, und wenn der viskose Widerstand des Fluids klein ist, müssen die elastischen Eigenschaften des piezoelektrischen Schwingers abnehmen. Hat der piezoelektrische Schwinger die Form einer Platte, können die elastischen Eigenschaften durch Ausbilden eines dicken, harten und kurzen Schwingers erhöht werden und durch Ausbilden eines dünnen, weichen und langen Schwingers verkleinert werden.
Bei der Viskositätsmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung wird, damit die Beziehung zwischen den elastischen Eigenschaften und dem viskosen Widerstand erfüllt werden kann, ein Barrierebereich zum Erhöhen des Strömungswiderstands des Fluids in Übereinstimmung mit der Schwingung des piezoelektrischen Schwingers bereitgestellt. „Strömungswiderstand" steht hierin für das Kraftausmaß, dem das Fluid aufgrund der geometrischen Struktur des Barrierebereichs ausgesetzt ist, wenn sich das Fluid durch die Schwingung des piezoelektrischen Schwingers durch den Barrierebereich bewegt.
Der viskose Widerstand des Fluids kann offensichtlich vergrößert werden, indem der Barrierebereich, in welchem der Strömungswiderstand des Fluids erhöht werden kann, bereitgestellt wird, und daher kann die Beziehung zwischen den elastischen Eigenschaften und dem viskosen Widerstand ohne Steuern der elastischen Eigenschaften des piezoelektrischen Schwingers selbst erfüllt werden. Folglich kann selbst bei einem Fluid mit geringem viskosen Widerstand die Viskositätsmessung üblicherweise ohne Verändern der Dicke, Härte und dergleichen des piezoelektrischen Schwingers erfolgen. Es muss nicht erwähnt werden, dass die Ausbildung des Barrierebereichs gelegentlich einen Einfluss auf die elastischen Eigenschaften des piezoelektrischen Schwingers hat (im Allgemeinen werden die elastischen Eigenschaften erhöht), die Auswirkung des vergrößerten tatsächlichen viskosen Widerstands ist jedoch normalerweise größer.
Der piezoelektrische Schwinger wird üblicherweise durch Befestigen von Elektroden an beiden Oberflächen des plattenförmigen piezoelektrischen Elements ausgebildet, wobei jedoch keine besondere Formbeschränkung beim Schwinger gegeben ist. Annehmbar sind z. B. Rechtecke, Kreise oder Kombinationen davon.
Das piezoelektrische Element kann aus einem beliebigen piezoelektrischen Keramikmaterial, elektrostriktiver Keramik und ferroelektrischer Keramik bestehen, und optional kann eine Polarisationsbehandlung durchgeführt werden. Die Polarisationsbehandlung wird bei einer Temperatur von 0°C bis 100°C in einem elektrischen Feld von 0,5 kV/mm bis 25 kV/mm für 0,1 s oder mehr durchgeführt. Das piezoelektrische Element kann jedoch anstatt aus Keramikmaterial auch aus einem beliebigen anderen Material, wie z. B. Polymermaterialien typisiert als PVDF (Polyvinylidenfluorid) und Verbundstoffe aus diesen Polymeren und oben erwähnten Keramikmaterialien, hergestellt sein. Wenn das piezoelektrische Element ein Polymermaterial enthält, ist es vorzugsweise so aufgebaut, dass das Fluid nicht mit dem Polymermaterial in Kontakt kommen kann.
Beispiele für piezoelektrische Keramikmaterialien schließen Keramikmaterialien ein, die Blei-Zirconat, Blei-Magnesiumniobiat, Blei-Nickelniobat, Blei-Zinkniobiat, Blei-Manganniobiat, Blei-Antimonstannat, Blei-Titanat, Bariumtitanat und Gemische davon enthalten, und insbesondere sind Keramikmaterialien, die Blei-Zirconat-Titanat (PZT) enthalten, bevorzugt. Auch Keramikmaterialien, die 50 Gew.-% oder mehr einer beliebigen der oben erwähnten Verbindungen als Hauptkomponente umfassen, können verwendet werden.
Geeignete Zusatzstoffe, wie z. B. Oxide von Lanthan, Kalzium, Strontium, Molybdän, Wolfram, Barium, Niobium, Zink, Nickel, Mangan und Gemische dieser Oxide, können zu den Keramikmaterialien hinzugefügt werden. Zudem können auch Keramikmaterialien, zu denen andere Verbindung beigemengt werden, verwendet werden. Vorzugsweise werden die Keramikmaterialien eingesetzt, die Blei-Magnesiumniobat, Blei-Zirconat oder Blei-Titanat als Hauptkomponenten und weiters Lanthan und Strontium enthalten.
Das piezoelektrische Element kann fest oder porös sein, wobei die Porosität bei einem porösen Element vorzugsweise 40% oder weniger beträgt.
Für den Schwingungsmodus des Schwingers gilt keine besondere Beschränkung, wobei jedoch bei einem plattenförmigen piezoelektrischen Element die Biegungsverschiebung des Vibrators vorzugsweise in dessen Dickenrichtung erfolgt. Je kleiner die Schwingungsamplitude des piezoelektrischen Elements ist, umso besser. Wenn diese Anforderungen erfüllt sind, kann die Viskositätsmessung mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden, ohne dass eine Pulsation im Fluid hervorgerufen wird.
Für die Dicke des piezoelektrischen Elements gibt es ebenfalls keine besondere Beschränkung, wodurch die Dicke des Elements in Einklang mit der Messgenauigkeit, der Fluidart, der Position der Viskositätsmessvorrichtung und dergleichen geeignet verändert werden kann. Die Dicke der piezoelektrischen Elements liegt vorzugsweise trotzdem im Bereich von etwa 1 bis 100 μm, noch bevorzugter von etwa 5 bis 50 μm, und insbesondere von etwa 5 bis 30 μm. Es muss nicht erwähnt werden, dass das piezoelektrische Element und die Elektroden auch eine Vielschichtstruktur aufweisen können.
Nun wird auf die Elektroden bezuggenommen. Für das Material der Elektroden gilt keine besondere Einschränkung, solange es bei Normaltemperatur fest und elektrisch leitend ist. Beispiele für Elektrodenmaterial schließen Metalle wie Aluminium, Titan, Chrom, Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer, Zink, Niobium, Molybdän, Ruthenium, Rhodium, Silber, Zinn, Tantal, Wolfram, Iridium, Platin, Gold und Blei ein, wobei diese Metalle alleine, in einer möglichen Kombination oder in der Form eine Legierung davon verwendet werden können. Vor allem wird vorzugsweise ein Metall der Platingruppe wie Platin, Rhodium oder Palladium oder einer Legierung wie Silber-Platin oder Platin-Palladium als Hauptkomponente verwendet. Unter dem Gesichtspunkt der Beständigkeit sind Kupfer, Silber und Gold als Elektrodenmaterialien vorzuziehen.
Da die schwingende Platte aus Keramikmaterial an der Viskositätsmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung angebracht wird, ist das Material der Elektroden, die mit der schwingenden Platte in Kontakt gebracht werden, vorzugsweise ein hochschmelzendes Metall, da die beiden Metalle vorzugsweise ohne Verwendung eines Zusatzstoffes miteinander verbunden werden. Beispiele hochschmelzender Metalle schließen Platin, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Iridium, Titan, Chrom, Molybdän, Tantal, Wolfram, Nickel und Kobalt ein, wobei diese alleine, in einer möglichen Kombination oder in Form einer Legierung davon verwendet werden können. Vor allem ist es angesichts der Verleihung eines hohen Schmelzpunkts und chemischer Stabilität besonders bevorzugt, ein Metall der Platingruppe, wie Platin, Rhodium oder Palladium oder eine Legierung wie Silber-Platin oder Platin-Palladium, die diese Metalle enthält, als Hauptkomponente zu verwenden.
Darüber hinaus kann auch ein Cermet, das ein hochschmelzendes Metall und Aluminiumoxid, Zirconiumoxid, Siliciumoxid oder dergleichen enthält, eingesetzt werden.
Für die Dicke der Elektroden gibt es keine besondere Einschränkung, sie liegt jedoch vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 50 μm.
Als Verfahren zum Ausbilden der Elektroden kann angesichts der geringen Kosten ein Siebdruckverfahren herangezogen werden, wobei jedoch auch die Verwendung von Sputtern, Transferdruck, Stiftauftrag oder dergleichen möglich ist.
Als nächstes wird oben erwähnte schwingende Platte erklärt. Die schwingende Platte ist so angeordnet, dass sie mit beiden Elektroden in Kontakt kommt und in Reaktion auf die Schwingung des piezoelektrischen Schwingers schwingt. Der direkte Kontakt der Elektroden mit dem Fluid kann daher vermieden werden, indem die schwingende Platte so angeordnet wird, dass die Dielektrizitätskonstante des Fluids keinen nachteiligen Einfluss auf die Viskositätsmessung ausüben kann. Die Verwendung dieser Aufbauanordnung ermöglicht zusätzlich zum Detektieren der relativen Viskosität, um die Viskositätsveränderung im Fluid zu detektieren, das Detektieren der Absolutviskosität des Fluids mit Genauigkeit.
Für die Gestalt der schwingenden Platte gilt keine besondere Beschränkung, und eine beliebige Form ist annehmbar. Die Dicke der schwingenden Platte liegt vorzugsweise im Bereich von 1 bis 100 μm, noch bevorzugter 3 bis 50 μm, und insbesondere 5 bis 20 μm.
Das Material der schwingenden Platte ist vorzugsweise hitzebeständig und weist chemische Stabilität und Isoliereigenschaften auf. Der Grund dafür liegt darin, dass die schwingende Platte durch Wärmepressen oder Sintern ohne Verwendung eines Zusatzstoffs mit den Elektroden verbunden werden muss, das Fluid manchmal ein organisches Lösungsmittel enthält und die mit dieser verbundenen Elektroden, Leitungen und dergleichen leitend sind.
Beispiele für das Material der schwingenden Platte mit oben erwähnten Eigenschaften schließen hitzebeständige Metalle, die mit Keramikmaterialien wie Glas und Keramikmaterialien beschichtet sind, ein, wobei die schwingende Platte insbesondere aus einem beliebigen der Keramikmaterialien besteht.
Beispiele für Keramikmaterialien, die in diesem Fall verwendet werden können, schließen stabilisiertes Zirconoxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Mullit, Aluminiumnitrid, Siliciumnitrid und Glas ein. Von diesen Keramikmaterialien wird bevorzugt Zirconoxid verwendet, da es auf hohem Niveau mechanische Festigkeit beibehält, selbst wenn die schwingende Platte dünn ausgebildet ist, hervorragende Härte und eine schlechte chemische Reaktionsfähigkeit mit dem piezoelektrischen Element und den Elektroden aufweist.
Das oben erwähnte „stabilisierte Zirconoxid" schließt stabilisiertes Zirconoxid und teilstabilisiertes Zirconoxid ein. Das stabilisierte Zirconoxid besitzt eine Kristallstruktur wie ein kubisches System, weshalb es zu keinem Phasenübergang kommt. Beim teilstabilisierten Zirconoxid kommt es jedoch bei etwa 1000°C zwischen monoklinem System und tetragonalem System zu einem Phasenübergang, bei dem manchmal Risse entstehen.
Das stabilisierte Zirconoxid enthält 1 bis 30 Mol-% eines Stabilisators wie Kalziumoxid, Magnesiumoxid, Yttriumoxid, Scandiumoxid, Ytterbiumoxid, Ceroxid oder ein Oxid eines Seltenerdmetalls, wobei zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit der schwingenden Platte vorzugsweise Yttriumoxid als Stabilisator enthalten ist. Der Yttriumoxidgehalt bewegt sich vorzugsweise im Bereich von 1,5 bis 6 Mol-%, insbesondere von 2 bis 4 Mol-%. Die Hauptkristallphase des stabilisierten Zirconoxids kann ein gemischtes System aus kubischem System und monoklinem System, ein gemischtes System aus tetragonalem System und monoklinem System, ein gemischtes System aus kubischem System, tetragonalem System und monoklinem System, ein gemischtes System aus tetragonalem System und kubischem System oder tetragonalem System sein, wobei von diesen Systemen das tetragonale System oder das gemischte System aus tetragonalem System und kubischem System hinsichtlich der langfristigen Zuverlässigkeit bevorzugt wird. Stabilisiertes Zirconoxid kann darüber hinaus ein Sinter-Hilfsmittel wie MgO, Al₂O₃, SiO₂ oder Ton enthalten.
Die Keramikmaterialien, aus denen die schwingende Platte besteht, enthalten vorzugsweise 0,5 bis 5 Gew.-%, insbesondere 1 bis 3 Gew.-% Siliciumoxid. Der Grund, warum die Zugabe von Siliciumoxid bevorzugt wird, ist, dass bei einer Ausbildung des piezoelektrischen Schwingers durch Wärmebehandlung eine übermäßige Reaktion der schwingenden Platte mit dem piezoelektrischen Schwinger durch das Siliciumoxid vermieden werden kann, um gute piezoelektrische Eigenschaften zu erhalten.
Wenn die schwingende Platte aus Keramikmaterial besteht, sollte die schwingende Platte durch zahlreiche kristalline Teilchen ausgebildet werden, wobei in diesem Fall der durchschnittliche Teilchendurchmesser vorzugsweise im Bereich von 0,05 bis 2 μm, insbesondere von 0,1 bis 1 μm, liegt, um die mechanische Festigkeit der schwingenden Platte zu verbessern.
Als nächstes wird auf die Befestigung des piezoelektrischen Schwingers oder der schwingenden Platte bezuggenommen.
Der piezoelektrische Schwinger oder die schwingende Platte, mit der der piezoelektrische Schwinger verbunden ist, muss in einem schwingenden Zustand fixiert sein. Der piezoelektrische Schwinger oder die schwingende Platte ist teilweise fixiert, wenn der piezoelektrische Schwinger oder die schwingende Platte jedoch z. B. plattenförmig ist, kann ein Teil ihrer Kante auf einem Fixierelement befestigt sein. Alternativ kann sie durch Befestigen eines Rahmens entlang der gesamten Kante oder eines Bereichs nahe der Kante befestigt werden. Um eine Struktur zu erhalten, bei der der piezoelektrische Schwinger nicht mit dem Fluid in Kontakt kommt, wird der piezoelektrische Schwinger mit der schwingenden Platte verbunden und die gesamte Kante der schwingenden Platte muss durch den Rahmen oder ein luftundurchlässiges Dichtungsmaterial vom Fluid getrennt sein.
Hierbei werden für das Fixierelement oder den Rahmen vorzugsweise Keramikmaterialien verwendet, die dieselben oder andere Materialien wie bei der schwingenden Platte sein können. Typische Beispiele der für das Fixierelement oder den Rahmen bevorzugten Keramikmaterialien sind dieselben wie bei der schwingenden Platte und schließen stabilisiertes Zirconoxid, Mullit, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliciumnitrid und Glas ein. Bei einer Viskositätsmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt 16 ein Beispiel einer Struktur mit einem abgedeckten Abschnitt. Wenn ein Schwinger vollständig in einem Fluid eingetaucht ist, wird die Struktur durch die Permittivität des Fluids nicht beeinträchtigt. Der abgedeckte Abschnitt weist einen Rahmen 37 und einen Deckel 37a auf. Der abgedeckte Abschnitt ist zugedeckt, damit er nicht mit dem piezoelektrischen Schwinger in Kontakt kommt. Der abdeckende Abschnitt kann eine beliebige Konfiguration aufweisen, solange er den piezoelektrischen Schwinger abdecken kann, ohne einen Einfluss auf die Schwingungen des piezoelektrischen Schwingers auszuüben. Der abdeckende Abschnitt hat jedoch vorzugsweise eine Struktur mit einem Rahmen 37 und einem Deckel 37a wie in 16 ersichtlich. Als Material kann ein Keramikstoff wie ein Glas, ein Metall, Harze) und ein Gemisch aus beliebigen dieser Materialien oder eine Kombination davon verwendet werden. Der abdeckende Abschnitt kann durch ein Klebemittel mit der schwingenden Platte verbunden werden. Wenn der abdeckende Abschnitt aus Keramik besteht, kann der abdeckende Abschnitt mit der schwingenden Platte durch Sintern verbunden werden.
Als nächstes wird die vorliegende Erfindung gemäß den Ausführungsformen und mit Verweis auf die begleitenden Abbildungen beschrieben werden.
1 ist eine schematische Ansicht, die eine Ausführungsform der Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. In dieser Abbildung wird eine Viskositätsmessvorrichtung mit einem piezoelektrischen Schwinger 1, einem Oszillator 3, der eine Ausführungsform einer Spannungsquelle mit veränderbarer Frequenz ist, und einem Mittel zum Überwachen des Verlustfaktors 5 ausgestattet. Ein vom Oszillator 3 stammendes Signal ist sinusförmig, die Signalspannung bewegt sich im Bereich von 10 mV bis 1 V und die Frequenz variiert im Bereich von 100 Hz bis 15 MHz.
2 zeigt eine Konstruktion eines piezoelektrischen Vibrators für den Vergleich mit den Viskositätsmessvorrichtungen der vorliegenden Erfindung. Der Schwinger 10 besteht aus einem piezoelektrischen Element 12, das sich in Sandwichanordnung zwischen einem Paar an Elektroden 14 befindet, und die Leitungen 16 sind jeweils mit den Elektroden 14 verbunden. Diese Leitungen 16 verbinden den Schwinger 10 mit dem Oszillator 3 bzw. dem Überwachungsmittel, wie in 1 gezeigt.
Vergleichskonstruktion 1
Eine Signalspannung von 500 mV wurde unter Verwendung einer Viskositätmessvorrichtung, die einem in 2 dargestellten piezoelektrischen Schwinger 10 ausgestattet ist, über ein Elektrodenpaar 14 angelegt, während der piezoelektrische Schwinger 10 in ein Fluid eingetaucht war, und ein Frequenzdurchlauf wurde von 100 Hz bis 500 kHz durchgeführt. Nun wurde ein Verlustfaktor D bei einer Resonanzfrequenz als Index der Viskosität des Fluids ermittelt. 7 zeigt die Veränderung des Verlustfaktors D in der Nähe des Resonanzpunkts. In 7 bezeichnet „Da" den Verlustfaktor bei einer deutlich niedrigeren Frequenz als der Resonanzpunkt und „Db" den Verlustfaktor beim Resonanzpunkt.
Vergleichskonstruktion 2
Ein PZT-Pulver wurde geformt und bei 1250°C für 2 h gesintert. Auf dem somit kalzinierten Material wurde mittels einer Ag-Paste ein Elektrodenpaar ausgebildet und anschließend eine Polarisationsbehandlung bei 2 kV/mm bei 70°C für 15 min durchgeführt, um einen piezoelektrischen Schwinger mit einer Größe von 12 mm (Länge) × 3 mm (Breite) × 1 mm (Dicke), wie in 2 dargestellt, auszubilden.
Der erhaltene Schwinger wurde in einer Viskositätsmessvorrichtung montiert und in eine wässrige PVA-Lösung (Polyvinylalkohol) mit einer Viskosität von 1000 bis 100.000 cSt eingetaucht und dann in Schwingung versetzt. Zu diesem Zeitpunkt wurde die Veränderung des Verlustfaktors beobachtet. Die erhaltenen Ergebnisse sind in 8 dargestellt.
Aus 8 geht hervor, dass die elastischen Eigenschaften des piezoelektrischen Elements (PZT), das den Schwinger ausbildet, bei einer Viskosität von weniger als 10.000 cSt zu stark sind, um sie mit dem viskosen Widerstand der wässrigen PVA-Lösung vergleichen zu können, weshalb der Schwinger im Wesentlichen ohne Beeinflussung durch den viskosen Widerstand der wässrigen PVA-Lösung schwingt, so dass der Verlustfaktor D beinahe konstant wird. In dieser Ausführungsform ist es daher schwierig, eine Viskosität von weniger als 10.000 cSt mit Präzision zu detektieren.
Ausführungsform 1
3 ist eine perspektivische Ansicht in Einzelteilen, die eine Ausführungsform einer Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, und 4 ist eine Schnittansicht entlang der Linie X-X in 3. In den 3 und 4 ist die Viskositätsmessvorrichtung mit einem piezoelektrischen Schwinger 10 ausgestattet, der durch das Befestigen eines Paars an Elektroden 14 an beiden Oberflächen des piezoelektrischen Elements 12, eine schwingende Platte 20, die mit einer Elektrode 14 in Kontakt gebracht wurde, eine Rahmen 32, der mit der Rückfläche der schwingenden Platte 20 verbunden wurde, und eine Bodenplatte 34, auf die der Rahmen 32 gegeben wird, ausgebildet.
Ein Leitungsabschnitt 16 der Elektrode 14 ist mit einem Oszillator und einem Mittel zum Überwachen des Verlustfaktors (nicht dargestellt) verbunden. Darüber hinaus ist nur der Kantenumfang der schwingenden Platte 20 auf dem Rahmen 32 befestigt, so dass die schwingende Platte 20 in Reaktion auf die Aufwärts- und Abwärtsschwingungen des piezoelektrischen Elements 12 schwingen kann.
In Bezug auf die Beziehung zwischen piezoelektrischem Element 12 und schwingender Platte 20 muss das piezoelektrische Element 12 nicht die gesamte schwingende Platte 20 bedecken, wobei vorzugsweise ein Bereich bedeckt ist, bei dem die durch die Schwingung (Biegung) des piezoelektrischen Elements 12 erzeugte Belastung ein Maximum annimmt.
Bei der Viskositätsmessvorrichtung ist ein Hohlraum 36 durch die Rückfläche 20r der schwingenden Platte 20, den Rahmen 32 und die Bodenplatte 34 definiert, und ein der Viskositätsmessung zu unterziehendes Fluid kann in den Hohlraum 36 über Durchgangslöcher 38, die in der Bodenplatte 34 ausgebildet sind, eingebracht und aus diesem abgegeben werden. Der Hohlraum 36 dient als Barriere, um den Strömungswiderstand des im Hohlraum 36 vorhandenen Fluids in Reaktion auf die Schwingung des Schwingers 10 und der schwingenden Platte 20 zu erhöhen.
In dieser Ausführungsform bildet eine der Innenwände des Hohlraums 36 die Rückfläche 20r der schwingenden Platte 20, und die anderen Innenwände stellen den Innenumfang des Rahmens 32 und die Deckfläche des Bodenplatte 34 dar. Die Durchgangslöcher 38 sind so ausgebildet, dass das Fluid durch diese in den Hohlraum 36 eingebracht werden kann, um das Fluid mit der schwingenden Platte 20 in Kontakt zu bringen. Die Bedingung, dass das Fluid mit der schwingenden Platte 20 in Kontakt gebracht werden kann, ist ausreichend, so dass die anderen Innenwände aus porösem Material, anstelle des Ausbildens von Durchgangslöchern 38, bestehen können.
Herstellung der Viskositätsmessvorrichtung der 3 und 4 und Viskositätsmessung unter Verwendung derselben
Eine schwingende Platte 20 wurde aus einem Zirconiumoxidmaterial gemäß einem Streichverfahren hergestellt. Zudem wurden ein Rahmen 32 und eine Bodenplatte 34 aus demselben Zirconiumoxidmaterial wie die schwingende Platte 20 angefertigt, und die schwingende Platte 20, der Rahmen 32 und die Bodenplatte 34 wurden zusammengefügt und einstückig gesintert. Die ebene Oberfläche des gesinterten Gegenstandes hatte eine Größe von 2 mm (Länge) × 0,7 mm (Breite), und die schwingende Platte 20, der Rahmen 32 und die Bodenplatte 34 waren 0,01 mm, 0,5 mm bzw. 0,5 mm dick, und der Durchmesser der Durchgangslöcher betrug 300 μm.
Auf der Oberfläche (Außenfläche) der schwingenden Platte 20 wurde eine Pt-Paste im Siebdruckverfahren aufgebracht, so dass die Dicke des kalzinierten Films, getrocknet bei 120°C für 10 min, etwa 5 μm betrug, und anschließend bei 1350°C für 2 h kalziniert, um eine Elektrode 14 (untere Elektrode) auszubilden. Auf diese Elektrode 14 wurde mit Siebdruck eine piezoelektrische Filmbildungspaste aufgetragen, die bei 120°C für 10 min getrocknet wurde und anschließend bei 1300°C für 3 h kalziniert wurde, um ein piezoelektrisches Element 12 auszubilden. Darüber hinaus wurde wie bei der unteren Elektrode 14, auf dem piezoelektrischen Element 12 eine obere Elektrode 14 ausgebildet und dann bei 2,5 kV/mm bei 23°C für 10 s eine Polarisationsbehandlung durchgeführt, wodurch eine Viskositätsmessvorrichtung wie in 4 gezeigt erhalten wurde.
Wie oben beschrieben wurde, wurden in dieser Ausführungsform der piezoelektrische Schwingungen 10 und die schwingende Platte 20 kalziniert, um diese einstückig zu verbinden, und daher wurde kein organisches Klebemittel verwendet.
Dementsprechend kann die Viskositätsmessvorrichtung dieser Ausführungsform bei hohen Temperaturen betrieben werden, und selbst wenn die Vorrichtung so verwendet wird, dass der Schwinger 10 mit dem Fluid in Kontakt gebracht wird, und selbst wenn eine beliebige Art von Fluid verwendet wird, kommt es zu keiner Zersetzung eines Klebemittels, was bedeutet, dass die Viskositätsmessvorrichtung eine hervorragende Lebensdauer aufweist. Da kein Klebemittel, das ansonsten als Puffer dient, vorhanden ist und der piezoelektrische Schwinger und ein schwingender Abschnitt dünn ausgebildet werden können, kann die Detektionsgenauigkeit erhöht werden.
Als nächstes wurde die Viskositätsmessvorrichtung, die durch das oben erwähnte Verfahren erzeugt wurde, in ein Siliconöl mit einer Viskosität von 10 bis 5000 cSt eingetaucht, wodurch der Hohlraum 36 durch die Durchgangslöcher 38 mit dem Siliconöl gefüllt wurde. Danach wurde der Vibrator 10 in Betrieb genommen, um die Verlustfaktoren in verschiedenen Ölen zu messen. Die erhaltenen Ergebnisse sind in 9 dargestellt.
Aus 9 geht hervor, dass die Viskosität gemäß dieser Ausführungsform im Bereich von 10 bis 1000 cSt mit Präzision gemessen werden kann, wenn die Viskosität jedoch über 1000 cSt liegt, ist die Veränderung des Verlustfaktors jedoch kleiner als die des viskosen Widerstands des Siliconöls, so dass der Verlustfaktor D im Wesentlichen zu Da konvergiert und konstant wird, und es dadurch schwierig wird, eine Viskosität von mehr als 1000 cSt genau zu messen. Dieses Phänomen wird durch die Tatsache verursacht, dass bei einer Viskosität von über 1000 cSt die elastischen Eigenschaften des Schwingers 10 schwächer sind als der durch das Fluid gegebene mechanische Widerstand, so dass der Schwinger ungeachtet des viskosen Widerstands des Fluids nicht länger schwingen kann, mit dem Ergebnis, dass der Verlustfaktor D im Wesentlichen konstant wird.
Beispiel 2
Bei der Viskositätsmessvorrichtung für die Ausführungsform 2 wurde dasselbe Verfahren wie in der Ausführungsform 1 angewandt, mit der Ausnahme, dass der Durchmesser der Durchgangslöcher 38 verändert wurde, wodurch das in 10 veranschaulichte Verhältnis zwischen Viskosität, Verlustfaktor und Durchmesser der Durchgangslöcher erhalten wurde.
10 zeigt, wie sich der Verlustfaktor D verhält, wenn sich der mechanische Widerstand, dem der Schwinger durch das Fluid ausgesetzt ist, verändert, indem der Durchmesser der Durchgangslöcher 38 verändert wird. 10 lässt sich auch wie 11 darstellen (bezugnehmend auf 9), und aus 11 geht hervor, dass die Viskositätsmessung in einem breiten Bereich möglich ist, indem der Durchmesser der Durchgangslöcher verändert wird, um den Strömungswiderstand anzupassen.
Ausführungsform 3
Die 5 und 6 zeigen eine weitere Ausführungsform einer Messvorrichtung gemäß der Erfindung. Die im Wesentlichen gleichen Elemente, wie oben beschrieben wurden, werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und auf ihre Beschreibung wird verzichtet.
Bei der Viskositätsmessvorrichtung der 5 und 6 ist der Rahmen 32 durch einen Abstandshalter 32' ersetzt und es sind keine Durchgangslöcher in einer Bodenplatte 34' ausgebildet. Die Bodenplatte 34' dient somit als Ablenkplatte für den Fluidstrom, um einen Barrierebereich 36' zu definieren, um den Strömungswiderstand des Fluids zu erhöhen.
Als nächstes wurde der Barrierebereich 36' mit 2 mm (Länge) × 0,7 mm (Breite) × 0,1 mm (Dicke) festgesetzt und die Viskositätsmessung auf gleiche Art und Weise wie in der Ausführungsform 1 durchgeführt. Es wurden beinahe dieselben Resultate wie in 9 erzielt.
Ausführungsform 4
Die Viskositätsmessvorrichtung aus 1 wurde in dasselbe Siliconöl, wie oben zum Messen der Signalspannung, der Verschiebung des Schwingers 10 und des Verlustfaktors verwendet wurde, eingetaucht. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 1 angeführt. Aus Tabelle 1 geht hervor, dass sich bei dieser Viskositätsmessvorrichtung die Amplitude des Schwingers bei der Viskositätsmessung im Bereich von 0,0003 bis 0,0564 um bewegt und die Amplitude ist kaum beteiligt.
TABELLE 1
TABELLE 1 (Fortsetzung)
Ausführungsform 5
Es wird auf ein Element und eine Vorrichtung zum Messen der Eigenschaften eines Fluids verwiesen, die dieselbe Grundstruktur wie in der in den 3 und 4 dargestellten Viskositätsmessvorrichtung aufweisen.
Das Element zum Messen der Eigenschaften des Fluids ist mit einem piezoelektrischen Schwinger 10 ausgestattet, der durch Befestigen von Elektroden 14 auf beiden Oberflächen eines piezoelektrischen Elements 12, einen Schwinger 20, der eine mit einer Elektrode 14 verbundene erste Keramikplatte ist, einen Rahmen 32, der eine mit der Rückfläche des Schwingers 20 (erste Keramikplatte) verbundene zweite Keramikplatte ist, und eine Bodenplatte (Deckel) 34, auf die der Rahmen (zweite Keramikplatte) 32 aufgebracht ist, ausgebildet ist.
Ein Leitungsabschnitt 16 der Elektrode 14 ist mit einem Überwachungsmittel zum Detektieren der Schwingungsveränderung des piezoelektrischen Elements wie ein Oszillator, und mit einem Mittel zum Überwachen des Verlustfaktors oder einem Resonanzfrequenzmessmittel (nicht dargestellt) verbunden, aus denen die Fluideigenschaft-Messvorrichtung aufgebaut ist. Zudem ist nur der Kantenumfang der schwingenden Platte (erste Keramikplatte) 20 am Rahmen (zweite Keramikplatte) 32 befestigt, so dass die schwingende Platte 20 in Reaktion auf die Aufwärts- und Abwärtsschwingung des piezoelektrischen Elements 12 schwingen kann.
Beim Element und der Vorrichtung zum Messen der Eigenschaften des Fluids ist durch eine Rückfläche 20r der schwingenden Platte (erste Keramikplatte) 20, den Rahmen (zweite Keramikplatte) 32 und die Bodenplatte (Deckel) 34 ein Hohlraum 36 definiert, und ein Fluid, das der Eigenschaftsmessung unterzogen werden soll, kann über Durchgangslöcher 38, die in der Bodenplatte (Deckel) 34 ausgebildet sind, in den Hohlraum 36 eingebracht und aus diesem abgegeben werden. Der Hohlraum 36 dient als eine Barriere, um den Strömungswiderstand des im Hohlraum 36 vorhandenen Fluids in Reaktion auf die Schwingung des Schwingers 10 und die schwingende Platte (erste Keramikplatte) 20 zu erhöhen.
Beim Element und der Vorrichtung zum Messen der Eigenschaften des Fluids bestehen die jeweiligen Innenwände, die den Hohlraum 36 definieren, vorzugsweise aus einem Keramikmaterial mit hervorragendem Korrosionswiderstand, da das so aufgebaute Element und die Vorrichtung wirksam zum Messen von Eigenschaften wie Viskosität, Konzentration und Dichte einer Säurelösung oder einer Alkalilösung aus Schwefelsäure, Salpetersäure, Salzsäure, Natriumchlorid, Natriumcarbonat oder dergleichen eingesetzt werden können. Die Fluideigenschaft-Messvorrichtung kann daher verwendet werden, um die relative Dichte und Konzentration einer Batterieflüssigkeit zu steuern und somit effektiv für die Überwachung der Lebensdauer einer Batterie eingesetzt werden.
Wie oben beschrieben wurde, bestehen die schwingende Platte (erste Keramikplatte) und der Rahmen (zweite Keramikplatte) im Element und der Vorrichtung zum Messen der Eigenschaften eines Fluids vorzugsweise aus Keramikmaterial, wobei das Keramikmaterial (gesintertes Material) jedoch eine schlechte Benetzbarkeit durch das Fluid, insbesondere durch eine Flüssigkeit, aufweist, da üblicherweise eine Glaskomponente, die von einem Sinterhilfsmittel stammt, auf den Oberflächen der Keramikwände abgeschieden wird. Auf der Seite der schwingenden Platte (erste Keramikplatte), auf der der piezoelektrische Schwinger abgeschieden ist, können die Klebeeigenschaften des Schwingers aufgrund diese Glaskomponente sichergestellt werden, weshalb die Glaskomponente nicht entfernt werden muss. Auf der Seite der schwingenden Platte (erste Keramikplatte), die der Bodenplatte (Deckel) zugewandt ist, ist es hingegen erwünscht, die Glaskomponente zum Sicherstellen der Benetzbarkeit durch das Fluid zu entfernen.
Das Entfernen der Glaskomponente kann durch eine chemische Behandlung wie Flusssäurebehandlung, mechanisches Polieren oder Gebläsebehandlung erfolgen. Es wird insbesondere bevorzugt, zum Entfernen der Glaskomponente ein chemisches Verfahren wie die Flusssäurebehandlung einzusetzen, da durch diese Behandlungsmethode das Brechen der Keramikplatte verhindert und die Dicke des Vibrators (erste Keramikplatte) verringert werden kann. Unter dem Gesichtspunkt der Schwingung des piezoelektrischen Schwingers ist zudem ein dünner Schwinger erwünscht.
Das Material der Bodenplatte (Deckel) muss nicht unbedingt ein Keramikmaterial sein, jedoch beim Messen einer korrodierenden Flüssigkeit wie eine Säurelösung besteht die Platte geeigneterweise aus einem nicht korrodierenden organischen Harz wie Polyethylen oder Fluorharz.
Ausführungsform 6
Ein in 4 gezeigtes Fluideigenschaft-Messelement wurde durch denselben Herstellungsvorgang wie in der Ausführungsform 1 beschrieben erzeugt. Ein Hohlraum 36 in 4 wurde für 10 min in Flusssäure mit einer Konzentration von 55% eingetaucht, um die Glaskomponente zu entfernen. Anschließend wurde der derart behandelte Hohlraum 36 des Fluideigenschaft-Messelements mit 10 bis 50% Schwefelsäure gefüllt und der Schwinger 10 wurde in Schwingung versetzt, um Resonanzfrequenzen zu messen.
Die erhaltenen Ergebnisse sind in 15 dargestellt.
Aus dieser Ausführungsform geht hervor, dass die Konzentration der Schwefelsäure in einem Konzentrationsbereich von 10 bis 50% genau gemessen werden kann.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand obiger Ausführungsformen veranschaulicht, wobei jedoch zahlreiche Modifikationen und Anwendungsarten, wie z. B. untenstehend beschrieben, möglich sind.
Der Hohlraum 36 und der Barrierebereich 36' können z. B. beliebig geformt sein, solange sie den Strömungswiderstand des Fluids vergrößern können, und die Gestalt und Größe des Hohlraums 36 und des Barrierebereichs 36' können unter Berücksichtigung der Eigenschaften und dergleichen des Fluids geeignet verändert werden. Die Größe der Durchgangslöcher 38 beträgt vorzugsweise 1 (m²/m) oder weniger hinsichtlich (Fläche/Länge). Darüber hinaus ist die Dicke des Rahmens 32 und der Abstandhalter 32' vorzugsweise 50 μm oder mehr und die Bodenplatte 34 oder 34' ist geeignet aufgebaut, um eine große Fläche auszubilden.
Es muss nicht immer nur ein Vibrator 10 gegeben sein, auch eine Vielzahl an Vibratoren kann bereitgestellt sein.
In der Ausführungsform 1 und dergleichen wurde die Viskositätsmessvorrichtung durch einstückiges Sintern der Keramikmaterialien hergestellt, wobei nicht nur dieses Verfahren verwendet werden muss. Der Schwinger 10, die schwingende Platte 20, der Rahmen 32 und die Bodenplatte 34 können z. B. getrennt ausgebildet werden und dann miteinander verbunden werden. In der Ausführungsform 3 kann der Abstandhalter 32' aus Metall bestehen und geeignet mit der schwingenden Platte 20, z. B. durch Metallisieren der schwingenden Platte 20 verbunden werden. Der piezoelektrische Schwinger 10 kann eine unimorphe, bimorphe oder eine monomorphe Struktur aufweisen.
Als Stromquelle, um den Schwinger in Schwingung zu versetzen, kann nicht nur eine Spannungsquelle mit veränderbarer Frequenz, dargestellt in 1, verwendet werden, sondern auch eine Frequenzfixierspannungsquelle, bei der die Frequenz des vorbestimmten Schwingers auf einen Wert in der Nähe der Db entsprechenden Frequenz, dargestellt in 7, fixiert wird. Zusätzlich kann, wie in 12 gezeigt wird, eine Spannungsquelle verwendet werden, die eine selbsterregte Oszilllationsschaltung umfasst, die keinen spezifischen Frequenzgenerator einsetzt. Den Schwinger durch die selbsterregte Oszillationsschaltung in Schwingung zu versetzen ist besonders bevorzugt, da die Stromquelle selbst kostengünstig hergestellt werden kann.
12 zeigt eine Ausführungsform der Oszillationsschaltung, die Transistoren verwendet, wobei zusätzlich zu diesem Typ Oszillationsschaltung auch ein CMOS-Inverter, ein TTL-Inverter, ein Komparator oder dergleichen verwendet werden kann.
Wie oben beschrieben wurde, kann die Beziehung zwischen den elastischen Eigenschaften eines piezoelektrischen Elements, aus dem ein Schwinger besteht, und dem viskosen Widerstand eines Fluids gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet gesteuert werden, wobei die Viskosität selbst in einem fließenden Fluid einfach und mit guter Reproduzierbarkeit gemessen werden kann. Zudem kann eine Viskositätsmessvorrichtung bereitgestellt werden, die die Viskosität des Fluids ungeachtet des Viskositätsausmaßes erfolgreich messen kann.
Weiters kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein Element und eine Vorrichtung zum Messen von Eigenschaften wie Viskosität, Konzentration und Dichte einer Säurelösung oder einer Alkalilösung aus Schwefelsäure, Salpetersäure, Salzsäure, Natriumchlorid, Natriumcarbonat oder dergleichen bereitgestellt werden. Das Element und die Vorrichtung können daher zum Steuern der relativen Dichte und Konzentration einer Batterieflüssigkeit verwendet werden und somit die Lebensdauer einer Batterie effektiv überwachen.

Claims

Vorrichtung zum Messen einer Eigenschaft eines Fluids, welche umfasst: einen piezoelektrischen Vibrator mit einem Element (12) aus piezoelektrischem Material, das zwischen einem Elektrodenpaar (14) angeordnet ist, eine Spannungsquelle (3), um eine schwingungserzeugende Spannung an die Elektrode (14) anzulegen, wodurch eine Schwingung des Elements (12) verursacht wird, Mittel (5) zum Überwachen eines elektrischen Parameters des piezoelektrischen Elements (12), wobei der Wert dieses Parameters durch Schwingung des Elements variiert wird, gekennzeichnet durch eine in Schwingung versetzbare Platte (20), die mit einer der Elektroden in Kontakt gebracht und durch Schwingung des Elements in Schwingung versetzt wird, wobei die in Schwingung versetzbare Platte bei der Verwendung mit dem Fluid in Kontakt ist, dessen Eigenschaft zu messen ist, eine Barrierestruktur (32, 34; 32', 34'), die mit der in Schwingung versetzbaren Platte zusammenwirkt, um angrenzend an die in Schwingung versetzbare Platte (20) einen begrenzten Raum (36, 36') für das Fluid zu definieren, dessen Eigenschaft zu messen ist, wobei die Struktur (32, 34; 32', 34') eine strömungseinschränkende Kommunikation des Fluids innerhalb des begrenzten Raums (36, 36') mit Fluid außerhalb des begrenzten Raums bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der überwachte elektrische Parameter des piezoelektrischen Elements (12) aus Verlustfaktor, Phase, Widerstand, Blindwiderstand, Wirkleitwert, Blindleitwert, Induktivität, Kapazität und Resonanzfrequenz ausgewählt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, worin zumindest eine Wand der Barrierestruktur (32, 34) mit Löchern (38) versehen ist, welche die strömungseinschränkende Kommunikation bereitstellen, durch die das Fluid in den begrenzten Raum eingebracht und daraus abgegeben werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 3, worin die Löcher (38) durch eine Wand hindurch ausgebildet sind, die einer Oberfläche (20r) der schwingende Platte (20) zugewandt ist, die mit dem Fluid bei der Verwendung in Kontakt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, worin zumindest eine Wand der Barrierestruktur eine poröse Platte umfasst, welche die strömungseinschränkende Kommunikation bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, worin die Barrierestruktur eine Ablenkplatte umfasst, die so angeordnet ist, dass sie einer Oberfläche (20r) der schwingenden Platte (20) zugewandt ist, die mit dem Fluid bei der Verwendung in Kontakt ist.
Verfahren zum Messen der Viskosität eines Fluids unter Einsatz einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin die Amplitude der Schwingung des Vibrators nicht über 0,0564 μm liegt.
Verfahren zum Messen der Viskosität eines Fluids unter Einsatz einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin der überwachte elektrische Parameter des piezoelektrischen Elements (12) der Verlustfaktor oder die reziproke Zahl des Tangens eines Phasenwinkels ist und der Verlustfaktor überwacht wird, um die Viskosität des Fluids zu messen, wobei das Verhältnis der veränderten Breite des Verlustfaktors innerhalb des Bereichs von 1 bis 500 variiert.
Verfahren zum Messen einer Eigenschaft eines Fluids unter Einsatz einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die gemessene Eigenschaft eine aus Viskosität, Dichte und Konzentration ist.