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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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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.
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BESCHREIBUNG
DES STANDS DER TECHNIK
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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.
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Es gibt zahlreiche bekannte Verfahren
und Vorrichtungen zum Messen der Viskosität, wobei Beispiele solcher
Messverfahren das Kapillarrohrverfahren, das Rotationsverfahren
und die Kugelfallmethode einschließen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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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.
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Die vorliegende Erfindung stellt
daher eine Vorrichtung zum Messen einer Eigenschaft eines Fluids, wie
in Anspruch 1 erläutert,
bereit.
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KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
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1 ist
eine schematische Ansicht, die eine Ausführungsform einer Viskositätsmesvorrichtung
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Vibrators für den Vergleich
mit den Viskositätsmessvorrichtungen
der vorliegenden Erfindung.
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3 ist
eine perspektivische Ansicht in Einzelteilen, die eine Ausführungsform
der Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
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4 ist
eine Schnittansicht entlang der Linie X-X in 3.
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5 ist
eine perspektivische Ansicht in Einzelteilen, die eine weitere Ausführungsform
der Messvorrichtung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
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6 ist
eine Schnittansicht entlang der Linie Y-Y in 5.
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7 ist
eine Charakteristik, die die Beziehung zwischen Frequenz und Verlustfaktor
veranschaulicht.
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8 ist
eine Charakteristik, die die Beziehung zwischen Viskosität und Verlustfaktor
veranschaulicht.
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9 ist
eine Charakteristik, die die Beziehung zwischen Viskosität und Verlustfaktor
veranschaulicht.
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10 ist
eine Charakteristik, die die Beziehung zwischen Viskosität und Verlustfaktor
bei veränderter Größe der Durchgangslöcher veranschaulicht.
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11 ist
eine Charakteristik, die die Beziehung zwischen Viskosität und Verlustfaktor
veranschaulicht.
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12 ist
ein Schaltungsdiagramm, das eine Ausführungsform einer Spannungsquelle
zeigt, um den Schwinger in Schwingung zu versetzen.
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13 ist
eine Charakteristik, die die Beziehung zwischen der Schwefelsäurekonzentration
einer wässrigen
Schwefelsäurelösung und
der Viskosität
veranschaulicht.
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14 ist
eine Charakteristik, die die Beziehung zwischen der Schwefelsäurekonzentration
einer wässrigen
Schwefelsäurelösung und
der Dichte veranschaulicht.
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15 ist
eine Charakteristik, die die Beziehung zwischen der Schwefelsäurekonzentration
einer wässrigen
Schwefelsäurelösung und
der Resonsanzfrequenz veranschaulicht.
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16 ist
eine perspektivische Ansicht, die eine weitere Ausführungsform
der Viskositätsmessvorrichtung
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Als nächstes wird die Vorrichtung
zum Messen der Eigenschaften des Fluids gemäß der vorliegenden Erfindung
detaillierter beschrieben werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Gute Benetzbarkeit bedeutet, dass
ein Rückwärts-Kontaktwinkel
20° oder
weniger, vorzugsweise 10° oder
weniger, beträgt.
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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.
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Als erstes wird der piezoelektrische
Schwinger beschrieben werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das piezoelektrische Element kann
fest oder porös
sein, wobei die Porosität
bei einem porösen
Element vorzugsweise 40% oder weniger beträgt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Darüber hinaus kann auch ein Cermet,
das ein hochschmelzendes Metall und Aluminiumoxid, Zirconiumoxid,
Siliciumoxid oder dergleichen enthält, eingesetzt werden.
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Für
die Dicke der Elektroden gibt es keine besondere Einschränkung, sie
liegt jedoch vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 50 μm.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Als nächstes wird auf die Befestigung
des piezoelektrischen Schwingers oder der schwingenden Platte bezuggenommen.
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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.
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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.
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Als nächstes wird die vorliegende
Erfindung gemäß den Ausführungsformen
und mit Verweis auf die begleitenden Abbildungen beschrieben werden.
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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.
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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.
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Vergleichskonstruktion
1
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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.
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Vergleichskonstruktion
2
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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.
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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.
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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.
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Ausführungsform 1
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Herstellung der Viskositätsmessvorrichtung
der 3 und 4 und Viskositätsmessung
unter Verwendung derselben
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Beispiel 2
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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.
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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.
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Ausführungsform 3
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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.
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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.
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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.
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Ausführungsform 4
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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.
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Ausführungsform 5
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ausführungsform 6
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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.
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Die erhaltenen Ergebnisse sind in 15 dargestellt.
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Aus dieser Ausführungsform geht hervor, dass
die Konzentration der Schwefelsäure
in einem Konzentrationsbereich von 10 bis 50% genau gemessen werden
kann.
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Die vorliegende Erfindung wurde anhand
obiger Ausführungsformen
veranschaulicht, wobei jedoch zahlreiche Modifikationen und Anwendungsarten,
wie z. B. untenstehend beschrieben, möglich sind.
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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.
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Es muss nicht immer nur ein Vibrator 10 gegeben
sein, auch eine Vielzahl an Vibratoren kann bereitgestellt sein.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.