DE102008031772B4 - Apparatus and method for measuring viscosity and / or density of fluids - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung für die Messung der Viskosität und/oder der Dichte von Fluiden, umfassend – einen Biegeschwinger mit einer Trägerzunge (1) und einer auf einer Seite der Trägerzunge (1) angeordneten und mit ihr verbundenen Lage aus Piezokeramik (2), – zwei mit der Piezokeramik (2) verbundene Elektroden (3, 4), – eine Halterung (5), die ein Ende der Trägerzunge (1) einspannt, – ein mit den Elektroden (3, 4) verbundenes Impedanzmessgerät (6), und – eine mit den Elektroden (3, 4) verbundene Wechselspannungsversorgung.Device for measuring the viscosity and / or the density of fluids, comprising - a bending oscillator with a carrier tongue (1) and one on one side of the carrier tongue (1) and connected to it layer of piezoceramic (2), - two with the Piezoceramic (2) connected electrodes (3, 4), - a holder (5) which clamps one end of the carrier tongue (1), - an impedance measuring device (6) connected to the electrodes (3, 4), and - one with the Electrodes (3, 4) connected AC power supply.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Messung der Viskosität und/oder der Dichte von Fluiden nach Anspruch 1.The present invention relates to a device for measuring the viscosity and / or the density of fluids according to
Die gerichtete Verformung eines piezoelektrischen Materials führt zu einer messbaren elektrischen Spannung. Umgekehrt kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung eine Verformung des Bauteils aus Piezokeramik erreicht werden. Es ist bekannt, zwei Piezokeramiken miteinander und entsprechend mit Elektroden zu verbinden und als Sensor einzusetzen, wobei eine Keramikschicht als Aktorschicht und die andere als Sensorschicht dient. Die Aktorschicht wird durch Anlegen einer Wechselspannung angeregt, wodurch das System in mechanische Schwingung versetzt wird. Die damit verbundene Sensorschicht dient zur Messung der Schwingung über die durch die Verformung induzierte Spannung. Ein derartiger Sensor kann zur Bestimmung der Dichte eines Fluids unter Ausnutzung der dichteabhängigen Resonanzverschiebung eingesetzt werden. Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist, dass die Klebeschichten, die bei zwei Piezokeramiken verwendet werden müssen, die Messung nachteilig beeinflussen.The directional deformation of a piezoelectric material leads to a measurable electrical voltage. Conversely, by applying an electrical voltage, a deformation of the component made of piezoceramic can be achieved. It is known to connect two piezoceramics with one another and correspondingly with electrodes and to use them as a sensor, one ceramic layer serving as the actuator layer and the other as the sensor layer. The actuator layer is excited by applying an alternating voltage, which causes the system to vibrate mechanically. The associated sensor layer serves to measure the oscillation over the strain induced by the deformation. Such a sensor can be used to determine the density of a fluid utilizing the density-dependent resonant shift. A disadvantage of this device is that the adhesive layers, which must be used in two piezoceramics, adversely affect the measurement.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren für die Messung der Viskosität und/oder der Dichte von Fluiden bereitzustellen, die eine zuverlässigere Messung erlaubt.The invention has for its object to provide an apparatus and a method for measuring the viscosity and / or the density of fluids, which allows a more reliable measurement.
Die Aufgabe wird zum einen durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen bilden den Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved on the one hand by a device having the features of
Die erfindungsgemäße Vorrichtung für die Messung der Viskosität und/oder der Dichte von Fluiden umfasst einen Biegeschwinger mit einer Trägerzunge und einer auf einer Seite der Trägerzunge angeordneten und mit ihr verbundenen Lage aus Piezokeramik, zwei mit der Piezokeramik verbundene Elektroden, eine Halterung, die ein Ende der Trägerzunge einspannt und ein mit den Elektroden verbundenes Impedanzmessgerät sowie eine mit den Elektroden verbundene Wechselspannungsversorgung.The device according to the invention for measuring the viscosity and / or the density of fluids comprises a bending oscillator with a carrier tongue and a layer of piezoceramics arranged on one side of the carrier tongue and connected thereto, two electrodes connected to the piezoceramic, a holder having one end the carrier tongue clamps and an impedance measuring device connected to the electrodes as well as an AC voltage supply connected to the electrodes.
Durch Anlegen einer Wechselspannung an die Elektroden wird sich die Piezokeramik gemäß dem Spannungsverlauf ausdehnen bzw. zusammenziehen, wodurch die Anordnung aus biegsamer Trägerzunge und Piezokeramik Biegeschwingungen ausführt. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass lediglich eine Piezokeramik verwendet wird, was eine kostengünstige und vereinfachte Herstellung ermöglicht. Außerdem kann so auf eine Klebeschicht, die bei einer Sensor-Aktor-Anordnung aus zwei Piezokeramiken erforderlich ist, verzichtet werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung vermindert somit den Dämpfungseffekt, den eine Klebeschicht wegen des so genannten Koppelfaktors nach sich zieht und verbessert die Messgenauigkeit.By applying an alternating voltage to the electrodes, the piezoceramic will expand or contract according to the voltage curve, whereby the arrangement of flexible carrier tongue and piezoceramic performs bending oscillations. It is particularly advantageous that only a piezoceramic is used, which allows a cost-effective and simplified production. In addition, it is thus possible to dispense with an adhesive layer which is required in the case of a sensor / actuator arrangement comprising two piezoceramics. The device according to the invention thus reduces the damping effect which an adhesive layer draws on account of the so-called coupling factor and improves the measuring accuracy.
Bevorzugt wird genau eine Piezokeramikschicht auf genau einer Seite der Trägerzunge angeordnet. Preferably, exactly one piezoceramic layer is arranged on exactly one side of the carrier tongue.
In einer bevorzugten Ausgestaltung besteht die Trägerzunge aus einem elektrisch leitenden Material. Dies kann z. B. ein dünnes Blech sein. In dem Fall kann die Trägerzunge eine der Elektroden bilden. Hierdurch wird der Aufbau vereinfacht.In a preferred embodiment, the carrier tongue consists of an electrically conductive material. This can be z. B. be a thin sheet. In that case, the carrier tongue can form one of the electrodes. This simplifies the structure.
Bevorzugt ist die andere Elektrode von einer elektrisch leitenden Schicht auf der trägerfernen Seite der Piezokeramik gebildet. Dadurch ist die Elektrode optimal und über die gesamte Fläche dieser Seite der Piezokeramik mit der Piezokeramik verbunden.The other electrode is preferably formed by an electrically conductive layer on the side of the piezoceramic remote from the carrier. As a result, the electrode is optimally connected to the piezoceramic over the entire surface of this side of the piezoceramic.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Piezokeramik auf die Trägerzunge aufgeklebt. So kann auf einfache Weise eine gleichmäßige und feste Verbindung zwischen Piezokeramik und Trägerzunge hergestellt werden.In a preferred embodiment, the piezoceramic is adhered to the carrier tongue. Thus, a uniform and firm connection between piezoceramic and carrier tongue can be produced in a simple manner.
Die Wechselspannungsversorgung kann mit dem Impedanzmessgerät integriert ausgebildet sein. Dadurch wird der Aufbau weiter vereinfacht.The AC power supply may be formed integrally with the impedance measuring device. This further simplifies the structure.
Bevorzugt ist mit der Wechselspannungsversorgung und dem Impedanzmessgerät eine Steuer- und Auswerteeinrichtung zur Steuerung der Wechselspannungsversorgung und Auswertung der Messungen des Impedanzmessgeräts verbunden.A control and evaluation device for controlling the AC voltage supply and evaluating the measurements of the impedance measuring device is preferably connected to the AC voltage supply and the impedance measuring device.
Die Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 8 gelöst.The object is also achieved by a method having the features of claim 8.
Bei dem Verfahren zur Messung der Viskosität und/oder der Dichte von Fluiden wird ein Biegeschwinger, umfassend eine mit einer Trägerzunge verbundene und zwei Elektroden aufweisende Piezokeramik, in ein Fluid eingetaucht. An die Elektroden wird eine den Biegeschwinger zum Schwingen anregende Wechselspannung angelegt. Die Impedanz der Piezokeramik wird mit einem an die Elektroden angeschlossenen Impedanzmessgerät gemessen. Im Resonanzbetrieb des Biegeschwingers wird aus der Resonanzfrequenz des Biegeschwingers die Dichte des Fluids bestimmt und/oder aus der Amplitude des Biegeschwingers die Viskosität des Fluids bestimmt.In the method for measuring the viscosity and / or the density of fluids, a bending oscillator, comprising a piezoceramic connected to a carrier tongue and having two electrodes, is immersed in a fluid. To the electrodes, an alternating voltage exciting the bending oscillator for oscillation is applied. The impedance of the piezoceramic is measured with an impedance measuring device connected to the electrodes. In resonance mode of the bending oscillator, the density of the fluid is determined from the resonant frequency of the bending oscillator and / or the viscosity of the fluid is determined from the amplitude of the bending oscillator.
Das Schwingungsverhalten eines Schwingers hängt von der Dichte und der Viskosität des Mediums ab, in dem er schwingt. Seine Schwingungen werden in Abhängigkeit von der Viskosität des Fluids gedämpft. Mit zunehmender Viskosität nimmt die Amplitude ab. Ferner nimmt die Resonanzfrequenz mit zunehmender Dichte des Fluids ab. Das Fluid kann Öl, z. B. Motoröl eines Kraftfahrzeugs, sein.The vibration behavior of a vibrator depends on the density and viscosity of the medium in which it vibrates. Its vibrations are damped depending on the viscosity of the fluid. As the viscosity increases, the amplitude decreases. Furthermore, the resonance frequency decreases with increasing density of the fluid. The fluid may be oil, e.g. As engine oil of a motor vehicle to be.
Um diese Amplitudendämpfung und die Verschiebung der Resonanzfrequenz messen zu können, wird erfindungsgemäß die Impedanz der Piezokeramik im Resonanzbetrieb gemessen. Zur Herstellung der Resonanz wird die Frequenz der anregenden Wechselspannung variiert, bis die maximale Amplitude, d. h. maximale Spannung, gemessen wird. Die maximale Spannung liegt bei maximaler Impedanz vor, das System befindet sich dann in Parallelresonanz. Aus der so gefundenen Resonanzfrequenz kann nun durch einen Vergleich mit bekannten Kurven bzw. Tabellen die Dichte des Fluids bestimmt werden. Im Resonanzbetrieb kann aus der Spannung die Amplitudendämpfung und damit die Viskosität bestimmt werden. Die Steuerung der Wechselspannungsversorgung und die Auswertung der Messwerte kann von einer an die Vorrichtung angeschlossenen Steuer- und Auswerteeinrichtung erfolgen.In order to be able to measure this amplitude attenuation and the shift of the resonance frequency, according to the invention the impedance of the piezoceramic is measured in resonant mode. To produce the resonance, the frequency of the exciting AC voltage is varied until the maximum amplitude, i. H. maximum voltage, is measured. The maximum voltage is at maximum impedance, the system is then in parallel resonance. From the resonance frequency thus found, the density of the fluid can now be determined by comparison with known curves or tables. In resonance mode, the amplitude damping and thus the viscosity can be determined from the voltage. The control of the AC voltage supply and the evaluation of the measured values can be carried out by a control and evaluation device connected to the device.
Aus der gemessenen Viskosität und der Dichte kann dann durch einen Vergleich mit frischem Motoröl, z. B. der Ruß- und/oder Kraftstoffanteil im Motoröl und somit der Verschleißzustand des Motoröls bestimmt werden.From the measured viscosity and density can then be compared with fresh engine oil, z. B. the soot and / or fuel content in the engine oil and thus the state of wear of the engine oil are determined.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet sein.The device according to the invention may be suitable for carrying out the method according to the invention.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.A preferred embodiment of the device according to the invention will be explained in more detail with reference to the following figures.
Es zeigen:Show it:
Die in
Wird an die Elektroden
Wird dieser Biegeschwinger in ein Fluid, beispielsweise ein Motoröl, eingetaucht, werden seine Schwingungen in Abhängigkeit von der Viskosität des Fluids gedämpft. Außerdem weisen derartige Biegeschwinger eine ausgeprägte Resonanzfrequenz auf, deren Wert sich in Abhängigkeit von der Dichte des Fluids ändert. Die Verschiebung der Resonanzfrequenz gibt Aufschluss über die Dichte des Fluids (vgl. auch
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