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Patents

  1. Advanced Patent Search
Publication numberDE112004002772 T5
Publication typeApplication
Application numberDE200411002772
PCT numberPCT/US2004/012546
Publication date15 Mar 2007
Filing date22 Apr 2004
Priority date22 Apr 2004
Also published asUS7552619, US20070144240, WO2005114138A2, WO2005114138A3, WO2005114138A8
Publication number0411002772, 200411002772, DE 112004002772 T5, DE 112004002772T5, DE 2004/11002772 T5, DE-T5-112004002772, DE0411002772, DE112004002772 T5, DE112004002772T5, DE2004/11002772T5, DE200411002772, PCT/2004/12546, PCT/US/2004/012546, PCT/US/2004/12546, PCT/US/4/012546, PCT/US/4/12546, PCT/US2004/012546, PCT/US2004/12546, PCT/US2004012546, PCT/US200412546, PCT/US4/012546, PCT/US4/12546, PCT/US4012546, PCT/US412546
InventorsJeffrey C. Andle
ApplicantBiode, Inc.
Export CitationBiBTeX, EndNote, RefMan
External Links: DPMA, Espacenet
Messungen von Dichte und Viskoelastizität mittels eines einzelnen akustischen Wellensensors Measurements of density and viscoelasticity using a single acoustic wave sensor translated from German
DE 112004002772 T5
Abstract  translated from German
Verfahren zur Messung der Dichte eines Fluids, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Method for measuring the density of a fluid, the method comprising the steps of:
Bereitstellen eines Sensors, der eine akustische Flüssigphasenwellenvorrichtung mit einer daran gekoppelten Einfangschicht umfasst, wobei die Einfangschicht eine strukturierte Oberfläche in Kontakt mit besagtem Fluid aufweist, und ein bekanntes Volumen, das zum Einfangen besagten Fluids zur Verfügung steht, aufweist und wobei die akustische Flüssigphasenwellenvorrichtung einen Eingangs- und einen Ausgangswandler umfasst, die elektromechanisch an einen ersten bzw. einen zweiten Resonator gekoppelt sind, wobei besagter erster und zweiter Resonator zwischen sich ausreichend gekoppelt sind, um besagter akustischer Flüssigphasenwellenvorrichtung eine elektrische Übertragungsfunktion zur Verfügung zu stellen, die gekennzeichnet ist durch wenigstens eine erste Resonanzfrequenz F S und eine zweite Resonanzfrequenz F A mit einer Phasenverschiebung von oder etwa von 180° gegenüber besagter F s ; Providing a sensor comprising an acoustic liquid phase wave device having a coupled thereto trap layer, wherein said trap layer has a structured surface in contact with said fluid, and a known volume available for trapping said fluid is available, and wherein the acoustic liquid phase wave device having an input - and an output transducers electromechanically coupled to a first and a second resonator, wherein said first and second resonator coupled enough between them to provide said acoustic liquid phase wave device, an electrical transfer function available, which is characterized by at least a first resonance frequency F S and a second resonant frequency F A with a phase shift of about 180 ° or opposite said F s;
Aufgeben eines elektrischen Eingangssignals auf besagten Eingangsresonator, und Applying an electrical input signal to said input resonator, and
Messung der Dichte des Fluids. Measuring the density of the fluid.
Claims(65)  translated from German
  1. Verfahren zur Messung der Dichte eines Fluids, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Sensors, der eine akustische Flüssigphasenwellenvorrichtung mit einer daran gekoppelten Einfangschicht umfasst, wobei die Einfangschicht eine strukturierte Oberfläche in Kontakt mit besagtem Fluid aufweist, und ein bekanntes Volumen, das zum Einfangen besagten Fluids zur Verfügung steht, aufweist und wobei die akustische Flüssigphasenwellenvorrichtung einen Eingangs- und einen Ausgangswandler umfasst, die elektromechanisch an einen ersten bzw. einen zweiten Resonator gekoppelt sind, wobei besagter erster und zweiter Resonator zwischen sich ausreichend gekoppelt sind, um besagter akustischer Flüssigphasenwellenvorrichtung eine elektrische Übertragungsfunktion zur Verfügung zu stellen, die gekennzeichnet ist durch wenigstens eine erste Resonanzfrequenz F S und eine zweite Resonanzfrequenz F A mit einer Phasenverschiebung von oder etwa von 180° gegenüber besagter F s ; Method for measuring the density of a fluid, the method comprising the steps of: providing a sensor comprising an acoustic liquid phase wave device having a coupled thereto trap layer, wherein said trap layer has a structured surface in contact with said fluid, and a known volume stands for trapping said fluid is available, and wherein the acoustic liquid phase wave device comprises an input and an output transducer, which are electro-mechanically coupled to a first and a second resonator, wherein said first and second resonator are coupled sufficient between them to said acoustic to provide liquid phase wave device an electrical transmission function is available, which is characterized by at least one first resonance frequency F S and a second resonant frequency F A with a phase shift of, or approximately of 180 ° with respect to said F s; Aufgeben eines elektrischen Eingangssignals auf besagten Eingangsresonator, und Messung der Dichte des Fluids. Applying an electrical input signal to said input resonator, and measuring the density of the fluid.
  2. Verfahren zur Messung der Dichte eines Fluids nach Anspruch 1, bei dem besagter Schritt des Messens ferner die folgenden Schritte umfasst: Messen besagter zweiter Resonanzfrequenz; Method for measuring the density of a fluid according to claim 1, wherein said step of measuring further comprises the steps of: measuring said second resonant frequency; und Berechnen der Dichte des Fluids unter Verwendung besagter gemessener Resonanzfrequenz und der charakteristischen Antwort besagter Flüssigphasenakustikwellenvorrichtung. and calculating the density of the fluid using said measured resonant frequency and the characteristic response of said liquid phase acoustic wave device.
  3. Verfahren zur Messung der Dichte eines Fluids nach Anspruch 1, bei dem besagte strukturierte Oberfläche eine annähernd gleiche Fläche jedes der besagten Resonatoren bedeckt. Method for measuring the density of a fluid according to claim 1, wherein said textured surface an approximately equal area of each of said resonators covered.
  4. Verfahren zur Messung der Dichte eines Fluids nach Anspruch 1, bei dem besagter Schritt des Messens ferner den Schritt des Verwendens einer Kalibrierungsfunktion umfasst, um eine approximierte Viskosität besagten Fluids zu berücksichtigen. Method for measuring the density of a fluid according to claim 1, wherein said step of measuring further comprises the step of using a calibration function to account for an approximate viscosity of said fluid.
  5. Verfahren zur Messung der Dichte eines Fluids nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ferner die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines zwischen besagtem Eingangs- und Ausgangswandler gekoppelten Verstärkers, wobei besagter Verstärker einen Verstärkungsfaktor aufweist, der ausreichend hoch ist, um Signale dadurch dazu zu bringen, mit oder etwa mit besagter zweiter Resonanzfrequenz F A zu oszillieren; Method for measuring the density of a fluid according to claim 1, wherein the method further comprises the steps of: providing a coupled between said input and output transducer amplifier, said amplifier having a gain that is sufficiently high to thereby bring signals to oscillating at or about to said second resonant frequency F A; und Bereitstellen einer Frequenzerfassungsschaltung, um Änderungen in der Frequenz der Schwingungen zu erfassen. and providing a frequency detecting circuit for detecting changes in frequency of the vibrations.
  6. Verfahren zur Messung der Dichte und Viskosität eines Fluids, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Sensors, der eine akustische Flüssigphasenwellenvorrichtung umfasst, die eine daran gekoppelte oder darin eingebettete Einfangschicht aufweist, wobei die Einfangschicht über wenigstens eine strukturierte Oberfläche für den Kontakt mit besagtem Fluid verfügt, und über ein bekanntes Volumen verfügt, das zum Einfangen besagten Fluids zur Verfügung steht; A method for measuring density and viscosity of a fluid, the method comprising the steps of: providing a sensor comprising an acoustic liquid phase wave device having a coupled thereto or embedded therein trapping, with the trapping layer via at least one textured surface for contact with said fluid has, and has a known volume available for capturing said fluid available; wobei die akustische Flüssigphasenwellenvorrichtung einen Eingangs- und einen Ausgangswandler umfasst, die elektromechanisch an einen ersten bzw. einen zweiten Resonator gekoppelt sind, wobei besagter erster und zweiter Resonator zwischen sich ausreichend gekoppelt sind, um besagter Flüssigphasenwellenvorrichtung eine elektrische Übertragungsfunktion zur Verfügung zu stellen, die gekennzeichnet ist durch wenigstens eine erste Resonanzfrequenz F S und eine zweite Resonanzfrequenz F A mit einer Phasenverschiebung von oder etwa von 180° Phasenverschiebung gegenüber besagter F s ; wherein the acoustic liquid phase wave device comprises an input and an output transducer, which are electro-mechanically coupled to a first and a second resonator, wherein said first and second resonator are coupled sufficient between them to provide said liquid phase wave device, an electric transfer function available that in is by at least one first resonance frequency F S and a second resonant frequency F A with a phase shift of, or approximately of 180 ° phase shift with respect to said F s; Aufgeben eines elektrischen Eingangssignals auf besagten Eingangswandler, Messen der Dichte des Fluids; Applying an electrical input signal to said input transducer, measuring the density of the fluid; und Messen der Viskosität des Fluids. and measuring the viscosity of the fluid.
  7. Verfahren zur Messung der Dichte und Viskosität nach Anspruch 6, bei dem besagtes elektrisches Eingangssignal so gesteuert wird, dass es eine vorausbestimmte Schergeschwindigkeit erzeugt, unter der besagte Viskosität gemessen wird. A method for measuring density and viscosity of claim 6, is controlled in the said electric input signal so that it creates a pre-determined shear rate, is measured under said viscosity.
  8. Verfahren zur Messung der Dichte und Viskosität nach Anspruch 7, bei dem besagte Schergeschwindigkeit gesteuert wird, indem besagtes elektrisches Eingangssignal auf ein Energieniveau P IN gesteuert wird, um eine gewünschte Flussdichte besagter Einfangschicht zu erzeugen. A method for measuring density and viscosity of claim 7, wherein said shear is controlled speed by said electrical input signal is controlled to an energy level P IN to produce a desired flux density of said trap layer.
  9. Verfahren zur Messung der Dichte und Viskosität nach Anspruch 8, bei dem besagtes Energieniveau P IN so berechnet wird, dass die erforderliche Amplitude U erhalten wird, um die gewünschte Scherrate γ . A method for measuring density and viscosity of claim 8, is calculated at said energy level P in such a way that the required amplitude U is obtained, to the desired shear rate γ. unter Verwendung der Formel: U = δγ ./ω zur Verfügung zu stellen, wobei ω = 2πF A die Kreisfrequenz, using the formula: U = δγ ./ω to provide, where ω = 2.pi.f A is the angular frequency, die Eindringtiefe der Welle in ein Fluid mit der Viskosität η und der Dichte ρ ist, und die akustische Wellenamplitude the penetration depth of the shaft in a fluid with viscosity η and the density is ρ, and the acoustic wave amplitude mittels einer Vorrichtungskonstante C und einem Energieniveau P avg bestimmt wird, bei dem es sich um ein geometrisches Mittel von Leistungsniveaus P IN und P out handelt, die bei besagten Eingangs- und Ausgangswandlern gemessen werden. means of an apparatus constant C and an energy level P avg is determined, which is out is a geometric mean of benefit levels and P IN P measured at said input and output transducers.
  10. Verfahren zur Messung der Dichte und Viskosität nach Anspruch 6, ferner umfassend den Schritt des Messens der Leistungsdifferenz zwischen dem Eingangs- und Ausgangswandler, um ein Produkt der Viskosität und Dichte besagten Fluids zu erhalten. A method for measuring density and viscosity of claim 6, further comprising in order to obtain the step of measuring the power difference between the input and output transducers, a product of viscosity and density of said fluid.
  11. Verfahren zur Messung der Dichte und Viskosität nach Anspruch 6, bei dem besagter Schritt des Messens der Dichte die Messung besagter zweiter Resonanzfrequenz F A umfasst. A method for measuring density and viscosity of claim 6, wherein said step of measuring comprises measuring the density of said second resonance frequency f a.
  12. Verfahren zur Messung der Dichte und Viskosität nach Anspruch 6, bei dem besagte strukturierte Oberfläche eine annähernd gleiche Fläche jedes der besagten Resonatoren bedeckt. A method for measuring density and viscosity of claim 6, wherein said textured surface an approximately equal area of each of said resonators covered.
  13. Verfahren zur Messung der Dichte und Viskosität nach Anspruch 6, bei dem besagter Schritt des Messens der Viskosität das Messen eines Produkts aus Viskosität und Dichte umfasst, und ferner den Schritt des Verwendens der gemessenen Dichte und des besagten Produkts umfasst. A method for measuring density and viscosity of claim 6, wherein said step of measuring comprises measuring the viscosity of a product of viscosity and density, and further comprising the step of using the measured density, and said product comprises.
  14. Verfahren zur Messung der Dichte und Viskosität nach Anspruch 6, ferner umfassend den Schritt der Verwendung der gemessenen Viskosität, um Viskositätseffekte bei besagtem Schritt des Messens der Dichte zu kompensieren. A method for measuring density and viscosity of claim 6, further comprising the step of using the measured viscosity, to compensate for viscous effects in said step of measuring the density.
  15. Verfahren zur Messung der Dichte und Viskosität nach Anspruch 6, bei dem besagter Schritt des Messens der Dichte das Messen der besagten zweiten Resonanzfrequenz umfasst, und bei dem besagter Schritt des Messens der Viskosität das Messen des Leistungseinfügedämpfung zwischen besagtem Eingangsresonator und Ausgangsresonator umfasst. A method for measuring density and viscosity of claim 6, wherein said step of measuring comprises measuring the density of said second resonant frequency, and wherein said step of measuring comprises measuring the viscosity Leistungseinfügedämpfung between said input resonator and output resonator.
  16. Verfahren zur Messung der Dichte und Viskosität nach Anspruch 6, bei dem besagter Schritt des Messens der Viskosität das Messen der Verschiebung einer oder beider der besagten Resonanzfrequenzen umfasst. A method for measuring density and viscosity of claim 6, wherein said step of measuring comprises measuring the viscosity of the displacement of one or both of said resonant frequencies.
  17. Verfahren zur Messung der Dichte und Viskosität nach Anspruch 6, ferner umfassend den Schritt des Steuerns des Energieniveaus besagten elektrischen Eingangssignals, um die Schergeschwindigkeit, in der besagte Viskosität gemessen wird, gesteuert wird, zu steuern; A method for measuring density and viscosity of claim 6, further comprising controlling the step of controlling the energy level of said electrical input signal to the shear rate, measured in the said viscosity is controlled; wobei besagter Schritt des Messens der Dichte das Messen der Frequenzverschiebung besagter zweiter Resonanzfrequenzen umfasst; wherein said step of measuring the density comprises measuring the frequency shift of said second resonance frequencies; und wobei besagter Schritt des Messens der Viskosität das Messen der Leistungseinfügedämpfung zwischen besagtem ersten und zweiten Resonator umfasst. and wherein said step of measuring comprises measuring the viscosity of the Leistungseinfügedämpfung between said first and second resonator.
  18. Sensor zur Messung der Viskosität und Dichte eines Fluids, wobei der Sensor umfasst: ein Substrat mit einem Eingangs- und einem Ausgangswandler, die an einen ersten bzw. einen zweiten Resonator gekoppelt sind; Sensor for measuring the viscosity and density of a fluid, the sensor comprising: a substrate having an input and an output transducer coupled to a first and a second resonator; wobei besagte erste und zweite Resonatoren untereinander ausreichend eng gekoppelt sind, um eine elektrische Übertragungsfunktion zu bilden, die gekennzeichnet ist durch wenigstens eine erste Resonanzfrequenz F S und eine zweite Resonanzfrequenz F A mit oder etwa mit 180° Phasenverschiebung gegenüber besagter F s , und eine an besagtes Substrat gekoppelte oder darin eingebettete Einfangschicht. wherein said first and second resonators are closely coupled sufficient to form an electrical transfer function which is characterized by at least one first resonance frequency F S and a second resonant frequency F A with or approximately 180 ° phase shift with respect to the said F S, and in said substrate coupled or embedded therein TL.
  19. Sensor zur Messung der Viskosität und Dichte eines Fluids wie beansprucht in Anspruch 18, bei dem besagte Einfangschicht mittels einer Zwischenschicht an besagtes Substrat gekoppelt ist. Sensor for measuring the viscosity and density of a fluid as claimed in claim 18, wherein said trap layer is coupled by means of an intermediate layer to said substrate.
  20. Sensor zur Messung der Viskosität und Dichte eines Fluids wie beansprucht in Anspruch 18, bei dem besagte Einfangschicht wenigstens eine Seite mit darauf ausgebildeten Rillen zum Einfangen eines bekannten Volumens des Fluids umfasst. Sensor for measuring the viscosity and density of a fluid as claimed in claim 18, wherein said trap layer at least one side with grooves formed thereon to capture a known volume of the fluid comprises.
  21. Sensor zur Messung der Viskosität und Dichte eines Fluids wie beansprucht in Anspruch 20, bei dem besagte Rillen durch Abscheiden von Material zur Ausbildung von Erhöhungen auf besagter Seite ausgebildet sind, wobei die Rillen zwischen besagten Erhöhungen definiert sind. Sensor for measuring the viscosity and density of a fluid as claimed in claim 20, wherein said grooves are formed by depositing material for forming elevations on said side, said grooves being defined between said elevations.
  22. Sensor zur Messung der Viskosität und Dichte eines Fluids wie beansprucht in Anspruch 20, bei dem besagte Rillen senkrecht zur Richtung der Wellenbewegung in besagtem Substrat ausgerichtet sind. Sensor for measuring the viscosity and density of a fluid as claimed in claim 20, are oriented perpendicular to the direction in which said grooves of the wave motion in said substrate.
  23. Sensor zur Messung der Viskosität und Dichte eines Fluids wie beansprucht in Anspruch 20, bei dem besagte Rillen so bemessen sind, dass sie kleiner sind als die Länge eines Viertels der Wellenlängen besagter Resonanzfrequenz F S in der Flüssigkeit. Sensor for measuring the viscosity and density of a fluid as claimed in claim 20, wherein said grooves are dimensioned such that they are smaller than the length of a quarter of the wavelengths of said resonant frequency F S in the liquid.
  24. Sensor zur Messung der Viskosität und Dichte eines Fluids wie beansprucht in Anspruch 18, bei dem besagte Einfangschicht wenigstens eine darin ausgebildete Kammer umfasst, wobei besagte Kammer wenigstens eine Öffnung zum Einfangen eines bekannten Volumens des Fluids aufweist. Sensor for measuring the viscosity and density of a fluid as claimed in claim 18, wherein said trap layer includes at least one chamber formed therein, said chamber having at least one aperture for trapping a known volume of the fluid.
  25. Sensor zur Messung der Viskosität und Dichte eines Fluids wie beansprucht in Anspruch 24, bei dem besagte Kammer in eine Seite der besagten Einfangschicht geschnitten ist. Sensor for measuring the viscosity and density of a fluid as claimed in claim 24, wherein said chamber is cut in a side of said trap layer.
  26. Sensor zur Messung der Viskosität und Dichte eines Fluids wie beansprucht in Anspruch 24, bei dem besagte Kammer durch Material gebildet ist, das auf besagter Einfangschicht abgeschieden ist. Sensor for measuring the viscosity and density of a fluid as claimed in claim 24, wherein said chamber formed by material that is deposited on said trap layer.
  27. Sensor zur Messung der Viskosität und Dichte eines Fluids wie beansprucht in Anspruch 18, bei dem besagte Einfangschicht ein Ganzes mit wenigstens einer Seite des besagten Substrats bildet. Sensor for measuring the viscosity and density of a fluid as claimed in claim 18, forms a whole with the said trap layer with at least one side of said substrate.
  28. Sensor zur Messung der Viskosität und Dichte eines Fluids wie beansprucht in Anspruch 18, bei dem besagte Einfangschicht eine strukturierte Oberfläche zum Einfangen eines bekannten Volumens des Fluids umfasst. Sensor for measuring the viscosity and density of a fluid as claimed in claim 18, wherein said trap layer includes a structured surface for trapping a known volume of the fluid.
  29. Sensor zur Messung der Viskosität und Dichte eines Fluids wie beansprucht in Anspruch 18, bei dem besagte Einfangschicht eine annähernd gleiche Fläche jedes der besagten Resonatoren bedeckt. Sensor for measuring the viscosity and density of a fluid as claimed in claim 18, covering approximately the same surface of each of said resonators, wherein said trap layer.
  30. Sensor zur Messung der Viskosität und Dichte eines Fluids wie beansprucht in Anspruch 18, bei dem besagte Einfangschicht wenigstens 50% der Vorderfläche jedes der besagten Resonatoren bedeckt. Sensor for measuring the viscosity and density of a fluid as claimed in claim 18, wherein said trap layer covers at least 50% of the front surface of each of said resonators.
  31. Sensor zur Messung der Viskosität und Dichte eines Fluids wie beansprucht in Anspruch 18, bei dem besagte Einfangschicht einen Bereich mit mehreren Hohlräumen umfasst. Sensor for measuring the viscosity and density of a fluid as claimed in claim 18, wherein said trap layer includes a region having a plurality of cavities.
  32. Sensor zur Messung der Viskosität und Dichte eines Fluids wie beansprucht in Anspruch 31, bei dem besagter Bereich im Wesentlichen eine gesamte Oberfläche wenigstens einer Seite der besagten Einfangschicht bedeckt. Sensor for measuring the viscosity and density of a fluid as claimed in claim 31, wherein said region is substantially an entire surface covering at least one side of said trap layer.
  33. Sensor zur Messung der Dichte eines Fluids, wobei der Sensor umfasst: ein Substrat mit einem Eingangs- und einem Ausgangswandler, die an einen ersten bzw. einen zweiten Resonator gekoppelt sind, wobei besagte Resonatoren in besagtes Substrat eingebettet sind; Sensor for measuring the density of a fluid, the sensor comprising: a substrate having an input and an output transducer coupled to a first and a second resonator, wherein said resonators are embedded in said substrate; wobei besagter Eingangsresonator und Ausgangsresonator zwischen sich ausreichend eng gekoppelt sind, um eine elektrische Übertragungsfunktion zu bilden, die gekennzeichnet ist durch wenigstens eine erste Resonanzfrequenz F S und eine zweite Resonanzfrequenz F A und eine zweite Resonanzfrequenz F A mit einer Phasenverschiebung von oder etwa von 180° gegenüber besagter Frequenz F S ; wherein said input resonator and output resonator are tightly coupled sufficient between them to form an electrical transfer function which is characterized by at least one first resonance frequency F S and a second resonant frequency F A and a second resonant frequency F A with a phase shift of, or approximately of 180 ° opposite said frequency F s; und eine Einfangschicht, die an besagte Substrate gekoppelt oder darin eingebettet ist. and a trap layer, which is coupled to said substrates or embedded therein.
  34. Sensor zur Messung der Dichte eines Fluids wie beansprucht in Anspruch 33, bei dem besagte Einfangschicht an besagtes Substrat durch ein Zwischenmaterial gekoppelt ist. Sensor for measuring the density of a fluid as claimed in claim 33, wherein said trap layer to said substrate coupled by an intermediate material.
  35. Sensor zur Messung der Dichte eines Fluids wie beansprucht in Anspruch 33, bei dem besagte Einfangschicht über wenigstens eine Seite mit darauf ausgebildeten Rillen zum Einfangen eines bekannten Volumens des Fluids verfügt. Sensor for measuring the density of a fluid as claimed in claim 33, wherein said trap layer has at least one side with grooves formed thereon to capture a known volume of the fluid.
  36. Sensor zur Messung der Dichte eines Fluids wie beansprucht in Anspruch 35, bei dem besagte Rillen durch Auftragen von Material auf besagter Seite ausgebildet sind, um Erhöhungen zu bilden, wobei die Rillen zwischen besagten Erhöhungen definiert sind. Sensor for measuring the density of a fluid as claimed in claim 35, wherein said grooves are formed by applying material on said side to form increases, the grooves being defined between said elevations.
  37. Sensor zur Messung der Dichte eines Fluids wie beansprucht in Anspruch 35, bei dem besagte Rillen senkrecht zur Richtung der Wellenbewegung in besagtem Substrat ausgerichtet sind. Sensor for measuring the density of a fluid as claimed in claim 35, are oriented perpendicular to the direction in which said grooves of the wave motion in said substrate.
  38. Sensor zur Messung der Dichte eines Fluids wie beansprucht in Anspruch 35, bei dem besagte Rillen so bemessen sind, dass sie kleiner sind als die Länge eines Viertels einer Wellenlänge besagter Resonanzfrequenz F S in der Flüssigkeit. Sensor for measuring the density of a fluid as claimed in claim 35, wherein said grooves are dimensioned such that they are smaller than the length of a quarter of a wavelength of said resonant frequency F S in the liquid.
  39. Sensor zur Messung der Dichte eines Fluids wie beansprucht in Anspruch 33, bei dem besagte Einfangschicht wenigstens eine darin ausgebildete Kammer umfasst, wobei besagte Kammer wenigstens eine Öffnung zum Einfangen eines bekannten Volumens des Fluids aufweist. Sensor for measuring the density of a fluid as claimed in claim 33, wherein said trap layer includes at least one chamber formed therein, said chamber having at least one aperture for trapping a known volume of the fluid.
  40. Sensor zur Messung der Dichte eines Fluids wie beansprucht in Anspruch 39, bei dem besagte Kammer in eine Seite der besagten Einfangschicht geschnitten ist. Sensor for measuring the density of a fluid as claimed in claim 39, wherein said chamber is cut in a side of said trap layer.
  41. Sensor zur Messung der Dichte eines Fluids wie beansprucht in Anspruch 39, bei dem besagte Kammer durch Material gebildet ist, das auf besagter Einfangschicht abgeschieden ist. Sensor for measuring the density of a fluid as claimed in claim 39, wherein said chamber is formed by material which is deposited on said trap layer.
  42. Sensor zur Messung der Dichte eines Fluids wie beansprucht in Anspruch 33, bei dem besagte Einfangschicht ein Ganzes mit wenigstens einer Seite des besagten Substrats bildet. Sensor for measuring the density of a fluid as claimed in claim 33, forms a whole with the said trap layer with at least one side of said substrate.
  43. Sensor zur Messung der Dichte eines Fluids wie beansprucht in Anspruch 33, bei dem besagte Einfangschicht zum Einfangen eines bekannten Volumens des bekannten Fluids strukturiert ist. Sensor for measuring the density of a fluid as claimed in claim 33, wherein said trap layer is structured to capture a known volume of the known fluid.
  44. Sensor zur Messung der Dichte eines Fluids wie beansprucht in Anspruch 33, bei dem besagte Einfangschicht wenigstens eine Rille umfasst. Sensor for measuring the density of a fluid as claimed in claim 33, wherein said trap layer includes at least one groove.
  45. Sensor zur Messung der Viskosität und Dichte eines Fluids wie beansprucht in Anspruch 18, bei dem besagte Einfangschicht eine annähernd gleiche Fläche jedes der besagten Resonatoren bedeckt. Sensor for measuring the viscosity and density of a fluid as claimed in claim 18, covering approximately the same surface of each of said resonators, wherein said trap layer.
  46. Sensor zur Messung der Dichte eines Fluids wie beansprucht in Anspruch 33, bei dem besagte Einfangschicht wenigstens 50% der Vorderfläche jedes der besagten Resonatoren bedeckt. Sensor for measuring the density of a fluid as claimed in claim 33, wherein said trap layer covers at least 50% of the front surface of each of said resonators.
  47. Sensor zur Messung der Dichte eines Fluids wie beansprucht in Anspruch 33, bei dem besagte Einfangschicht eine Schicht mit mehreren Hohlräumen umfasst. Sensor for measuring the density of a fluid as claimed in claim 33, wherein said trap layer includes a layer having a plurality of cavities.
  48. Sensor zur Messung der Dichte eines Fluids wie beansprucht in Anspruch 47, bei dem besagte Fläche im Wesentlichen eine gesamte Oberfläche wenigstens einer Seite der besagten Einfangschicht bedeckt. Sensor for measuring the density of a fluid as claimed in claim 47, wherein said surface is substantially an entire surface of at least one side of said trap layer covered.
  49. Einrichtung zur Messung der Viskosität und Dichte eines Fluids, wobei die Einrichtung umfasst: einen Sensor, umfassend: ein Substrat mit einem Eingangs- und einem Ausgangswandler, die an einen ersten bzw. einen zweiten Resonator gekoppelt sind; Means for measuring the viscosity and density of a fluid, the device comprising: a sensor comprising: a substrate having an input and an output transducer coupled to a first and a second resonator; wobei besagter erster und zweiter Resonator zwischen sich ausreichend eng gekoppelt sind, um eine elektrische Übertragungsfunktion zu bilden, die gekennzeichnet ist durch wenigstens eine erste Resonanzfrequenz F S und eine zweite Resonanzfrequenz F A mit einer Phasenverschiebung von oder etwa von 180° gegenüber besagter Frequenz F s ; wherein said first and second resonator are between sufficiently tightly coupled in order to form an electrical transfer function which is characterized by at least one first resonance frequency F S and a second resonant frequency F A with a phase shift of, or approximately of 180 ° with respect to said frequency F s ; eine an besagtes Substrat gekoppelte oder darin eingebettete Einfangschicht; means coupled to said substrate or embedded therein trapping; eine erste Messeinrichtung zur Messung der Dichte des besagten Fluids; a first measuring device for measuring the density of said fluid; und eine zweite Messeinrichtung zur Messung eines Produkts besagter Viskosität und Dichte. and a second measuring device for measuring a product of said viscosity and density.
  50. Einrichtung zur Messung der Dichte und Viskosität eines Fluids nach Anspruch 49, ferner umfassend einen Computer, der dazu ausgebildet ist, aus dem gemessenen Produkt und der gemessenen Dichte die Dichte zu berechnen. Means for measuring the density and viscosity of a fluid according to claim 49, further comprising calculating a computer that is adapted from the measured product density and the measured density.
  51. Einrichtung zur Messung der Dichte und Viskosität eines Fluids nach Anspruch 49, bei der besagte erste Messeinrichtung Frequenzmessgeräte umfasst. Comprises means for measuring density and viscosity of a fluid according to claim 49, wherein said first frequency measurement device measuring devices.
  52. Einrichtung zur Messung der Dichte und Viskosität eines Fluids nach Anspruch 49, bei der besagte erste Messeinrichtung umfasst: einen ersten Oszillator, der zwischen besagtem Ausgangs- und Eingangsresonator gekoppelt und dahingehend konstruiert ist, mit 180° Phase relativ zu einer in besagten Eingangswandler gegebenen elektrischen Eingangsenergie zu oszillieren; Means for measuring the density and viscosity of a fluid according to claim 49, wherein said first measuring means comprises: a first oscillator, which is coupled between said output and input resonator and the effect designed with 180 ° phase relative to a given in said input transducer electrical input energy to oscillate; und einen zweiten Oszillator, der zwischen besagten Ausgangs- und Eingangsresonator gekoppelt und dazu konstruiert ist, mit oder etwa mit 0° Phase gegenüber besagter elektrischer Eingangsenergie zu oszillieren. and a second oscillator, which is coupled between said output and input resonator and constructed to oscillate at or about 0 ° phase with respect to said input electrical energy.
  53. Einrichtung zur Messung der Dichte und Viskosität eines Fluids nach Anspruch 49, bei der besagte zweite Messeinrichtung Schaltungen zur Messung der Leistungseinfügedämpfung zwischen besagtem Eingangs- und Ausgangswandler umfasst. Comprises means for measuring density and viscosity of a fluid according to claim 49, wherein said second measuring device for measuring the Leistungseinfügedämpfung circuits between said input and output transducers.
  54. Einrichtung zur Messung der Dichte und Viskosität eines Fluids nach Anspruch 49, bei der besagte zweite Messeinrichtung Schaltungen zur Messung von Differenzfrequenzen zwischen besagtem ersten und zweiten Oszillator umfasst. Comprises means for measuring density and viscosity of a fluid according to claim 49, wherein said second measuring device for measuring circuits difference frequencies between said first and second oscillator.
  55. Einrichtung zur Messung der Dichte und Viskosität eines Fluids nach Anspruch 49, bei der besagte Einfangschicht eine Rille umfasst. Means for measuring the density and viscosity of a fluid according to claim 49, wherein said trap layer includes a groove.
  56. Einrichtung zur Messung der Dichte und Viskosität eines Fluids nach Anspruch 49, bei der besagte Einfangschicht mehrere Rillen umfasst. Means for measuring the density and viscosity of a fluid according to claim 49, wherein said trap layer includes a plurality of grooves.
  57. Einrichtung zur Messung der Dichte und Viskosität eines Fluids nach Anspruch 56, ferner umfassend mehrere Erhöhungen, die auf wenigstens einer Seite besagter Einfangschicht abgeschieden sind, wobei besagte Rillen zwischen besagten Erhöhungen definiert sind. Means for measuring the density and viscosity of a fluid according to claim 56, further comprising a plurality of elevations, which are deposited on at least one side of said trap layer, wherein said grooves are defined between said elevations.
  58. Einrichtung zur Messung der Dichte und Viskosität eines Fluids nach Anspruch 56, bei der besagte mehrere Rillen in wenigstens eine Seite der besagten Einfangschicht geätzt sind. Means for measuring the density and viscosity of a fluid according to claim 56, are etched at said plurality of grooves in at least one side of said trap layer.
  59. Einrichtung zur Messung der Dichte und Viskosität eines Fluids nach Anspruch 49, bei der besagte Einfangschicht wenigstens eine Seite des besagten Substrats umfasst. Means for measuring the density and viscosity of a fluid according to claim 49, wherein said trap layer includes at least one side of said substrate.
  60. Einrichtung zur Messung der Dichte und Viskosität eines Fluids nach Anspruch 49, bei der besagte Einfangschicht mittels des Zwischenmaterials an besagtes Substrat gekoppelt ist. Means for measuring the density and viscosity of a fluid according to claim 49, wherein said trap layer is coupled by means of the intermediate material to said substrate.
  61. Einrichtung zur Messung der Dichte und Viskosität eines Fluids nach Anspruch 49, bei der besagte Einfangschicht wenigstens eine Kammer umfasst. Means for measuring the density and viscosity of a fluid according to claim 49, wherein said trap layer includes at least one chamber.
  62. Einrichtung zur Messung der Dichte und Viskosität eines Fluids nach Anspruch 49, bei der das Niveau der Eingangsenergie, das auf besagten Eingangswandler gegeben wird, gesteuert wird. Means for measuring the density and viscosity of a fluid according to claim 49, wherein the level of the input energy which is applied to said input transducer, is controlled.
  63. Einrichtung zur Messung der Dichte und Viskosität eines Fluids nach Anspruch 62, bei der besagte Eingangsenergie gesteuert wird, um eine bekannte Flussdichte wenigstens einer Seite des besagten Substrats zur Verfügung zu stellen. Means for measuring the density and viscosity of a fluid according to claim 62, is controlled at the said input energy to provide a known flux density at least one side of said substrate are available.
  64. Einrichtung zur Messung der Dichte und Viskosität eines Fluids nach Anspruch 62, bei der besagte Eingangsenergie gesteuert wird, um die Viskosität des Fluids bei unterschiedlichen Schergeschwindigkeiten zu messen. Means for measuring the density and viscosity of a fluid according to claim 62, is controlled at the said input energy in order to measure the viscosity of the fluid at different shear rates.
  65. Einrichtung zur Messung der Dichte und Viskosität eines Fluids nach Anspruch 57, ferner umfassend einen Temperatursensor zur Messung der Temperatur des besagten Fluids. Means for measuring the density and viscosity of a fluid according to claim 57, further comprising a temperature sensor for measuring the temperature of said fluid.
Description  translated from German
  • Gebiet der Erfindung Field of the Invention
  • [0001] [0001]
    Der Gegenstand der vorliegenden Anmeldung bezieht sich allgemein auf die Echtzeitmessung der Dichte einer Flüssigkeit (liquid density) unter Einsatz akustischer Wellensensoren (acoustic wave sensors) und speziell auf Verfahren zur Unterscheidung von Informationen über die Dichte gegenüber Informationen über die Viskosität unter Verwendung eines einzelnen Sensors. The subject matter of the present application relates generally to the real-time measurement of the density of a liquid (liquid density) by use of acoustic wave sensors (acoustic wave) sensor and more particularly to method for distinguishing information on the density compared to information on the viscosity using a single sensor.
  • Hintergrund der Erfindung Background of the Invention
  • [0002] [0002]
    Dichte, auch als spezifische Schwerkraft bezeichnet, ist eine wichtige Prozessvariable in Flüssigphasenherstellungsverfahren (liquid phase manufacturing processes). Density, also known as specific gravity, is an important process variable in liquid phase production process (liquid phase manufacturing processes). Dichte ist definiert als die Masse eines Stoffs dividiert durch dessen Volumen. Density is defined as the mass of a substance divided by the volume thereof. Bislang existiert kein zufrieden stellendes Verfahren zur kontinuierlichen Überwachung dieser Eigenschaft. So far there is no satisfactory method for the continuous monitoring of this property. Festzustandsmessungen der Dichte, die für fertigungsbegleitende Messungen (in-process measurements) geeignet sind, erfordern entweder mehrere Sensoren oder zuvor vorhandene Kenntnisse über zusätzliche Materialparameter (zB Druckelastizitätsmodul oder Viskosität) oder eine sorgfältige Kontrolle von Fließeigenschaften (zB im Rahmen der Messung der Coriolis-Kraft). Require solid state measurements of the density are for in-process measurements suitable (in-process measurements), either multiple sensors or pre-existing knowledge of additional material parameters (eg compressive modulus of elasticity or viscosity) or careful monitoring of flow properties (such as in the measurement of the Coriolis force ).
  • [0003] [0003]
    Viskosität und -allgemeiner – Viskoelastizität stellen Eigenschaften von Flüssigkeiten und Feststoffen dar, durch welche die Scherkräfte, die von einem Material erzeugt oder auf dieses ausgeübt werden, in Beziehung zu dem Ausmaß an Scherverformung oder Fließen (flow) gesetzt werden. Viscosity and -allgemeiner - viscoelasticity represent properties of liquids and solids, through which the shear forces generated by a material or applied to this in relation to the amount of shear deformation or flow (flow) are set. Während sich die vorliegende Erfindung ebenso gut auf die Viskoelastizität anwenden lässt, dient in dieser Offenbarung aus Gründen der Klarheit und Einfachheit die Viskosität als Beispiel, wobei ersichtlich ist, dass die Erfindung sich auch auf andere viskoelastische Eigenschaften erstreckt. While the present invention can be applied equally well to the viscoelasticity, is used in this disclosure for the sake of clarity and simplicity, the viscosity as an example, it being evident that the invention also extends to other visco-elastic properties. Viskosität ist in zahlreichen Fertigungsumgebungen von Interesse und wird als primäre Eigenschaft mancher Produkte und als sekundäre Eigenschaft (als Mittel zur Überwachung des Fertigungszustandes) anderer Vorgänge als von hoher Bedeutung angesehen. Viscosity is in many manufacturing environments of interest and is regarded as the primary property of some products and as a secondary characteristic (as a means for monitoring the state of production) than the other operations of high importance. Bei vielen dieser Verwendungsarten ist zugleich die Messung der Dichte erforderlich. In many of these uses, at the same time the measurement of the density is required.
  • [0004] [0004]
    Viskosität beschreibt die Kraft, die erforderlich ist, um aufeinander folgende Lagen von Molekülen einer Flüssigkeit dazu zu bringen, sich bei einer gegebenen Geschwindigkeit der Scherung (rate of shear) bzw. Schergeschwindigkeit ("shear rate") aneinander vorbeizubewegen. Viscosity is the force that is required to bring successive layers of molecules of a liquid to be at a given rate of shear (shear rate of) and shear rate ("shear rate") move past each other. Wenn man eine an den Wänden eines Behälters entlang fließende Flüssigkeit betrachtet, wird die Flüssigkeit an der Grenzfläche typischerweise keine Bewegung im Verhältnis zu der Wand aufweisen und wird in dem Maße, wie man immer weiter von der Wand entfernt gelegene Punkte beobachtet, zunehmend höhere Geschwindigkeiten aufweisen. If one considered one of the walls of a container along flowing liquid, the liquid will typically have at the interface do not move relative to the wall and, to the extent how to always continue to be monitored away from the wall located points, increasingly have higher speeds , Die Schergeschwindigkeit ist definiert als der Gradient der Geschwindigkeit der Flüssigkeit parallel zur Oberfläche (Meter pro Sekunde) mit zunehmender Entfernung von der Oberfläche (Meter). The shear rate is defined as the gradient of velocity of the fluid parallel to the surface (meters per second) with increasing distance from the surface (m). Die Einheit der Schergeschwindigkeit ist s –1 . The unit of shear rate s -1. Die Scherspannung bzw. der Scherdruck (shear stress) ist die Menge an Kraft pro Flächeneinheit, die aufgewandt werden muss, um die Bewegung zu verursachen. The shear stress and the shear pressure (shear stress) is the amount of force per unit area that must be expended in order to cause the movement.
  • [0005] [0005]
    Hydrodynamische Eigenschaften von Flüssigkeiten werden durch die Geschwindigkeit von Scherschallwellen (shear sound waves) in einer Flüssigkeit quantifiziert. Hydrodynamic properties of liquids to be quantified by the rate of shear acoustic waves (shear sound waves) in a liquid. Eine ideale Flüssigkeit, die weder Scherelastizität noch Viskosität aufweist, kann nicht Träger für eine Scherschallwelle sein. An ideal liquid which has not yet shear elasticity viscosity, can not be support for a shear acoustic wave. Ein elastischer Feststoff mit einer Schersteifigkeit (shear stiffness) μ s kann eine Scherschallwelle tragen, die sich durch den Feststoff im Wesentlichen wie die besser bekannte Druck schallwelle (compressional sound wave) ausbreitet. An elastic solid with a shear stiffness (shear stiffness) μ s can support a shear sound wave propagating through the solid essentially as the better-known pressure sound waves (compressional sound wave). Die Geschwindigkeit der Welle ist (μ ss ) 1/2 , wobei ρ s die Dichte des Feststoffs ist. The speed of the wave is (μ s / ρ s) 1/2, where ρ s is the density of the solid. Viskose Flüssigkeiten können Träger einer Scherschallwelle sein; Viscous liquids can be carriers of a shear acoustic wave; allerdings klingt die Welle in dem Maße, wie sie sich fortbewegt, ab und ist nur in der Lage, ein paar Wellenlängen weit zu wandern, bevor sie durch Reibungsverluste vollständig ausgedämpft wird. However, the sound wave in proportion as it travels, from and is only capable of a few wavelengths to wander far before it is completely damped out by friction losses. Die komplexe Geschwindigkeit dieser Wellen ist (jωη/ρ) 1/2 = (1 + j)(ωη/2ρ) 1/2 . The complex velocity of these waves is (jωη / ρ) 1/2 = (1 + j) (ωη / 2ρ) 1/2. Eine Messung der Scherwellengeschwindigkeit liefert somit Informationen über das Verhältnis der Viskosität der Flüssigkeit zu deren Dichte und kann somit dazu verwendet werden, die Dichte zu messen, wenn Daten über die Viskosität zur Verfügung stehen. A measurement of the shear wave velocity thus provides information on the ratio of the viscosity of the liquid to the density thereof and thus can be used to measure the density when data on the viscosity are available.
  • [0006] [0006]
    Diese "Schallwellen" stehen in Beziehung zu der Fließbewegung von Flüssigkeiten in eingeschlossenen Geometrien, wie zB Kapillaren, Rohren und den Räumen zwischen den beweglichen Teilen von Maschinen. This "sound waves" are related to the flow movement of fluids in confined geometries, such as capillaries, tubes and the spaces between the moving parts of machines. Diese Fließbewegungen werden bestimmt von dem Verhältnis der Grenzviskosität (intrinsic viscosity) η zur Dichte des Stoffs ρ. This flow movements are determined by the ratio of the intrinsic viscosity (intrinsic viscosity) η ρ the density of the substance. Das Verhältnis ist bekannt als kinematische Viskosität (kinematic viscosity), η k = η/ρ, und hat als Einheit Fläche durch Zeit (m 2 /s). This ratio is known as the kinematic viscosity (kinematic viscosity), η k = η / ρ, and has a unit area through time (m 2 / s).
  • [0007] [0007]
    Es gibt Densimeter (densitometers), die Änderungen in der Resonanzfrequenz einer Stimmgabel (tuning fork) messen, während diese mit Prüfflüssigkeit gefüllt wird. There are densimeter (densitometer), the changes in the resonant frequency of a tuning fork (tuning fork) measure as it is filled with the test liquid. Das Verfahren ist in hohem Maße anfällig für Schwingungen bzw. Vibrationen. The process is prone to oscillations or vibrations in a high degree. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Sensor zur Verfügung zu stellen, der gegenüber den meisten Schwingungsniveaus unempfindlich ist. An object of the present invention is to provide a sensor that is insensitive to most vibrational levels. Ein Verfahren, die Anfälligkeit gegenüber Schwingungen bei Anwendung des Resonanzmessverfahrens zu verringern, besteht darin, einen Hochfrequenz (MHz)-Resonator einzusetzen, derart, dass die Schwingungen deutlich außerhalb des Frequenzbandes des Instrumentes liegen. A method to reduce the susceptibility to vibrations by applying the resonance measuring method, is to use a high-frequency (MHz) resonator, so that the vibrations are well outside the frequency band of the instrument.
  • [0008] [0008]
    Akustische Druckwellenvorrichtungen (compressional acoustic wave devices) messen das Produkt aus Elastizitätsmodul und Dichte (akustische Impedanz) oder das Verhältnis zwischen diesen (akustische Geschwindigkeit) und bieten einen möglichen Weg, mittels einer einzigen "Messung" beide Werte zu erhalten. Acoustic pressure wave devices (compressional acoustic wave devices) measure the product of the modulus of elasticity and density (acoustic impedance) or the ratio between these (acoustic velocity) and offer a possible way to get both values by a single "measurement". Allerdings sind diesem Ansatz bei übertragungsbasierten Systemen (akustische Spektroskopie) aufgrund der Komplexität der Struktur und der Signalanalyse enge Grenzen gesetzt. However, this approach to transmission based systems (acoustic spectroscopy) are severely limited due to the complexity of the structure and signal analysis. Bei diesen Systemen kommen typischerweise Impulsabtastechosysteme zum Einsatz, bei denen ein Signal beim Weg durch die Probe mehreren Übertragungen unterliegt. In these systems typically Impulsabtastechosysteme are used, where a signal is subject to the path through the sample a number of transmissions. Die Systeme sind in äußerstem Maße davon abhängig, dass die Pfadlänge in der Probe genau bekannt ist. The systems are in the utmost extent dependent on the path length is accurately known in the sample. Eine bevorzugte Lösung würde auf einen einzigen Kontaktpunkt und eine örtliche Messung zurückgreifen. A preferred solution would rely on a single point of contact and a local measurement.
  • [0009] [0009]
    Stimmgabelverfahren messen das Produkt aus Dichte und Elastizitätsmodul oder das Produkt aus Dichte und Viskosität und werden gegenwärtig als Densimeter angeboten. Tuning fork method to measure the product of density and modulus of elasticity or the product of density and viscosity and are currently offered as a densimeter. Sie führen einen Abfall der Resonanzfrequenz zurück auf die Dichte (unter Außerachtlassen des Elastizitätsmoduls) und Abnahmen in der Resonanzschärfe (resonant quality factor) (Zunahme der Dämpfung) auf das Viskositäts-Dichte-Produkt. To perform a drop in the resonance frequency back to the density (under disregard the modulus of elasticity) and decreases in the sharpness of resonance (resonant quality factor) (increase in attenuation) on the viscosity-density product. Diese Verfahren erfordern eine vorherige Kenntnis des Elastizitätsmoduls und eine sorgfältige Kontrolle der Tiefe des Einführens der Stimmgabel in die Probe. These methods require prior knowledge of the elastic modulus and careful control of the depth of insertion of the tuning fork in the sample. Es wird ein Verfahren gewünscht, bei dem die Tiefe des Einführens nicht kritisch ist und bei dem kein anderer Parameter bekannt sein muss, außer denen, die von dem Sensor selbst oder einer geringen Anzahl anderer Sensoren gemessen werden, die innerhalb eines begrenzten Bereichs oder einer Umschließung aneinander gekoppelt sein können, um Daten über räumliche eingegrenzte Bedingungen zu liefern. It is desired a method in which the depth of insertion is not critical and in which no other parameter must be known, other than those which are measured by the sensor itself or a small number of other sensors, which within a limited region or an enclosure may be coupled together to provide data relating to a spatial localized conditions.
  • [0010] [0010]
    Zusätzlich zur Ausbreitung von akustischen Wellen durch einen Stoff ist es möglich, akustische Wellen in einem angrenzenden Feststoff dazu einzusetzen, um die Leistungsübertragung in die viskose Flüssigkeit zu messen. In addition to the propagation of acoustic waves through a material, it is possible to use this acoustic wave in an adjacent solid, to measure the power transmission in the viscous liquid. Die Leistungsübertragung von einem Medium zum anderen wird von dem Verhältnis der akustischen Impedanzen der Stoffe bestimmt. The power transfer from one medium to another is determined by the ratio of the acoustic impedances of the materials. Die Leistungsübertragung akustischer Energie zwischen einem Wellenleiter aus einem Feststoff und einer angrenzenden Flüssigkeit bildet die Basis verschiedener Viskosimeter. The power transmission of acoustic energy between a waveguide made of a solid and a liquid adjacent forms the basis of various viscometers. Die Rate der Energieübertragung (Leistungsverlust) ist in einer Weise, die dem Fachmann bekannt ist, abhängig von den relativen akustischen Impedanzen des Materials des Wellenleiters und der angrenzenden Flüssigkeit. The rate of energy transfer (power loss) is in a manner that is known in the art, depending on the relative acoustic impedances of the material of the waveguide and the adjacent liquid. Die akustische Impedanz der Scherwelle in dem Feststoffwellenleiter ist die Quadratwurzel des Produkts der Dichte ρ s und der elastischen Schersteifigkeit μ S . The acoustic impedance of the shear wave in the solid waveguide is the square root of the product of the density ρ s and the elastic shear stiffness μ S. Sie ist überwiegend reell (resistiv) und ist analog zu der charakteristischen Impedanz einer nahezu verlustfreien Übertragungsleitung in der Elektromagnetik. It is predominantly real (resistive) and is analogous to the characteristic impedance of a nearly lossless transmission line in electromagnetics. Die akustische Impedanz einer Scherwelle in einer viskosen Flüssigkeit ist die Quadratwurzel des Produkts des Steifigkeitsterms jωη und der Dichte ρ. The acoustic impedance of a shear wave in a viscous fluid is the square root of the product of the stiffness term jωη and the density ρ. Die charakteristische Impedanz der viskosen Flüssigkeit ist typischerweise sehr klein verglichen mit dem elastischen Feststoff, was zu einer niedrigen Leistungsübertragung führt. The characteristic impedance of the viscous liquid is typically very small compared with the elastic solids, resulting in a low power transmission. Bei niedrigerer Viskosität ist die Leistungsübertragung proportional zu (ωρη) 1/2 . When the viscosity is proportional to the power transmission (ωρη) 1/2. Daher kann, wenn die Viskosität bekannt ist, die Dichte gemessen werden. Therefore, when the viscosity is known, the density can be measured.
  • [0011] [0011]
    Die US-Patente 5 708 191 A, Greenwood et al., 5 886 250 A Greenwood et al., 6 082 180 A und 6 082 181 A, Greenwood, präsentieren eine Familie von Densimetersensorkonstruktionen, bei denen Eingangs- und Ausgangswandler eingesetzt werden, um Änderungen in der reflektierten Signalstärke akustischer Wellen, so wie diese in der Nähe eines kritischen Einfallwinkels reflektiert werden, zu messen. US Patents 5,708,191 A, Greenwood et al., 5,886,250 A Greenwood et al., 6,082,180 A and 6,082,181 A, Greenwood, presenting a family of Densimetersensorkonstruktionen in which input and output transformers are used, to changes in the reflected signal strength of acoustic waves, as these are reflected in the vicinity of a critical angle of incidence to measure. Diese Viskosimeter messen entweder das Viskositäts-Dichte-Produkt oder das Elastizitäts-Dichte-Produkt basierend auf der Reflexion akustischer Wellen von der flüssigkeitsbeladenen Oberfläche eines Feststoffs, auf dem die Wandler aufgebracht sind. These viscometers measure either viscosity-density product or elasticity-density product based on the reflection of acoustic waves from the liquid-laden surface of a solid on which the transducers are deposited. Die Sensoren messen Reflexionskoeffizienten der Welle von Feststoff-Flüssigkeits-Grenzen auf der Grundlage einiger weniger Reflektionsereignisse eines gepulsten oder kontinuierlich abgestrahlten Wellensignals. The sensors measure the reflection coefficient of the wave of solid-liquid boundaries on the basis of a few reflection events of a pulsed or continuous wave radiated signal. Solche Verfahren bieten weniger Empfindlichkeit und Auflösung der gemessenen Größe als dies für Resonanz- und multireflektive Vorrichtungen gilt. Such methods have less sensitivity and resolution of the measured quantity than for resonance and multireflektive devices is considered. Die letzteren bieten den Vorteil einer höheren Empfindlichkeit aufgrund der kontinuierlichen Wechselwirkung ihrer akustischen Wellen mit der Feststoff-Flüssigkeits-Grenzfläche. The latter have the advantage of higher sensitivity due to the continuous interaction of their acoustic waves with the solid-liquid interface. Die Verfahren mit diskreter Reflektion (discrete reflection methods) haben den Nachteil, dass sie nicht einfach zu bewerkstelligen sind und bei Betrieb keine kontinuierliche Grenzfläche für akustische Wellen (acoustic wave interaction surface) und auch keine vergleichbare Empfindlichkeit oder Auflösung bieten. The method with discrete reflection (discrete reflection methods) have the disadvantage that they are not easy to accomplish and operation no continuous interfacial acoustic wave (acoustic wave interaction surface) and also there is no comparable sensitivity or resolution. Schließlich gehen die Verfahren mit diskreter Reflektion von einem gleich bleibenden Elastizitätsmodul (bei der gebräuchlicheren Druckwellen-Version) oder einer gleich bleibenden Viskosität (bei der weniger gebräuchlichen Scherwellenversion) aus, um Dichteinformationen aus der gemessenen Reaktion des Sensors zu gewinnen. Finally, the processes start with discrete reflection from a constant modulus of elasticity (in the more common pressure wave version) or a constant viscosity (at the less common shear wave version) in order to obtain density information from the measured response of the sensor.
  • [0012] [0012]
    Ein weiteres Verfahren zur Durchführung der Dichte-Viskositäts-Produkt-Messung besteht darin, einen Resonator, der auf einem piezoelektrischen Substrat aufgebracht ist und eine transversale Resonanzschermode (transverse shear mode of resonance) unterstützt, typischerweise eine Scheibe aus AT-Schnitt-Quarzkristall, in die Flüssigkeit einzutauchen und die Verschiebung in der Resonanzfrequenz oder den Verlust der Leistung bei Resonanz zu messen. Another method for performing the density-viscosity product measurement is a resonator which is applied on a piezoelectric substrate and a transverse resonance shear mode (transverse shear mode of resonance) support, typically a disc of AT-cut quartz crystal, in immerse the liquid and measuring the shift in the resonant frequency or the loss of power at resonance. Die erheblichen Nachteile dieses Verfahrens bestehen in der mangelhaften Reproduzierbarkeit bei Anwendung mit erschwinglichen Instrumenten, vor allem aufgrund des Fehlens einer Differentialmessung innerhalb des Sensors. The major disadvantages of this method are the lack of reproducibility when used with affordable instruments, mainly due to the lack of a differential measurement within the sensor.
  • [0013] [0013]
    Dieses Problem wurde durch die Verwendung von auf Mehrpolresonatoren (multi-pole resonators) basierenden Zwei-Port-Vorrichtungen behoben, bei denen akustische Scherwellenmoden, wie zB horizontal polarisierte Scherwellen (Shear Horizontal-Surface Acoustical Wave (SH-SAW)), horizontal polarisierte Plattenmoden (Shear Horizontal Acoustical Plate Mode (SHAPM)), monolithische piezoelektrische Sensoren (Monolithic Piezoelectric Sensor (MPS)) zum Einsatz kommen, wie zB beschrieben in dem US-Patent 6033852 A, erteilt am 7. März 2000 an Andle et al. This problem was solved by the use of on Mehrpolresonatoren (multi-pole resonators) -based two-port devices in which acoustic shear wave modes, such as horizontally polarized shear waves (shear horizontal surface acoustical wave (SH-SAW)), horizontally polarized plate modes (Shear Horizontal Acoustical Plate Mode (SHAPM)), monolithic piezoelectric sensors (Monolithic Piezoelectric Sensor (MPS)) are used, such as described in US Patent 6,033,852 A, issued March 7, 2000 Andle et al.
  • [0014] [0014]
    Die US-Patente 5 741 961 A und 5 798 452A, jeweils erteilt an Martin et al., offenbaren Verfahren, bei denen zwei akustische Wellensensoren mit unterschiedlicher Oberflächenbehandlung im Wesentlichen identische Reaktionen auf das Viskositäts-Dichte-Produkt zeigen, aber verschiedene Reaktionen auf die Dichte. U.S. Patent 5,741,961 A and 5798 452A, each issued to Martin et al., Disclose methods in which two acoustic wave sensors having different surface treatment exhibit substantially identical responses to the viscosity-density product, but different reactions to the density. Ein Referenzsensor liefert Daten zu dem Produkt aus Viskosität und Dichte, wobei eine glatte Oberfläche Verwendung findet. A reference sensor provides data on the product of viscosity and density, wherein a smooth surface is used. Der zweite Sensor hat eine absichtlich rau gemachte Oberfläche, wobei dieser typischerweise Rillen oder Grübchen in seiner Oberfläche zum Einfangen einer gewissen Menge an Fluid aufweist. The second sensor has a deliberately rough-made surface, this typically has grooves or pits in the surface for capturing a certain amount of fluid. Die zusätzliche Masse erzeugt eine finite Frequenzverschiebung mit einem geringen oder keinem Leistungsverlust zusätzlich zu dem Leistungsverlust und der Frequenzverschiebung der viskos mitgeführten Flüssigkeit. The additional mass creates a finite frequency shift with little or no power loss in addition to the power loss and frequency shift of the viscous entrained liquid. Der Unterschied in den Frequenzverschiebungen zwischen den beiden Sensoren wird auf die Masse des Materials, das in den Rillen oder Vertiefungen einer strukturierten Oberfläche eingefangen wird, zurückgeführt, wodurch sie über die Frequenzdifferenz ein zur Dichte proportionales Maß zur Verfügung stellen. The difference in the frequency shifts between the two sensors is applied to the mass of the material which is trapped in the grooves or depressions of a structured surface, recycled, thereby providing over the frequency difference is proportional to the density level available. Das Dichte-Viskositäts-Produkt ist über die Gleichtaktfrequenzverschiebung (common-mode frequency shift) verfügbar. The density-viscosity product is about the same clock frequency offset (common-mode frequency shift) available. Obwohl dieses Verfahren attraktiv ist, ergeben sich dabei Probleme hinsichtlich der Reproduzierbarkeit von Sensor zu Sensor (sensor-to-sensor reproducibility), wenn die beiden Sensoren auf verschiedenen Substraten hergestellt sind. Although this method is attractive, thereby arising problems in terms of reproducibility from sensor to sensor (sensor-to-sensor reproducibility), when the two sensors are manufactured on different substrates.
  • [0015] [0015]
    Das Aufbringen solcher Rillen auf einen Sensor eines Paares von Sensoren für horizontal polarisierte Scherwellen (auch bekannt als Love-Wellen, transversale Oberflächenwellen (surface transverse wave) u. dgl.) ist ebenfalls bekannt (Herrmann et al., US-Patent 6 543 274 B1), und die Erweiterung dieses Ansatzes auf Sensoren für horizontal polarisierte Plattenmoden wird darin erwogen. The application of such grooves on a sensor of a pair of sensors for horizontally polarized shear waves (also known as Love waves, transverse surface waves (surface transverse wave) u. Like.) Is also known (Herrmann et al., US Patent 6,543,274 B1), and the extension of this approach to sensors for horizontally polarized plate modes is contemplated therein. Dieses Verfahren bietet eine höhere Frequenz, geringere Größe und verbesserte Empfindlichkeit auf Kosten von Fertigungskomplexität und des verfügbaren Dynamikbereichs. This method offers higher frequency, smaller size, and improved sensitivity at the expense of manufacturing complexity and available dynamic range. Gleichwohl hält Herrmann die Verwendung zweier vollständig identischer Sensorelemente zur Messung beider Parameter nach wie vor für erforderlich, weshalb die Einschränkungen bei Anwendungen von Sensor zu Sensor der bei Martin beschriebenen Vorrichtung nicht überwunden werden. However, Herrmann keeps the use of two completely identical sensor elements to measure both parameters still necessary, so the limitations in applications of sensor can not be overcome to sensor of the device described in Martin.
  • [0016] [0016]
    In der US-Patentanmeldung No. In U.S. Patent Application No. 10/743,986, eingereicht am 22. Dezember 2003 mit dem Titel "Measurement, Compensation und Control of Equivalent Shear Rate in Acoustic Wave Sensors" (deren gesamter Inhalt durch Bezugnahme zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemacht wird) offenbarte der Erfinder der vorliegenden Anwendung ein Verfahren zur Messung der Viskosität und Schergeschwindigkeit, bei dem die Messung durch Verwendung eines akustischen Wellensensors und Berechnung der Schergeschwindigkeit als eine Funktion der charakteristischen Geschwindigkeit der Fluidbewegung in Reaktion auf eine gegebene auf ein Fluid übertragene Leistung und die Viskosität des Fluids durchgeführt wird. 10 / 743.986, filed December 22, 2003, entitled "Measurement, Compensation and Control of Equivalent Shear rate in Acoustic Wave Sensors" (the entire contents of which are incorporated by reference into the present disclosure) revealed the inventors of the present application, a method for measuring the viscosity and shear rate at which the measurement is performed by using an acoustic wave sensor, and calculating the shear rate as a function of the characteristic rate of fluid movement in response to a given transmitted to a fluid power, and the viscosity of the fluid. Die akustische Wellenvorrichtung verfügt über eine charakteristische Beziehung zwischen Eingangsleistung, Ausgangsleistung und einer akustischen Wellenamplitude in einem ausgewählten Bereich zwischen dem Eingangs- und Ausgangswandler. The acoustic wave device has a characteristic relationship between input power, output power, and an acoustic wave amplitude at a selected region between the input and output transducers. Die akustische Wellenvorrichtung ist an das ge messene Fluid gekoppelt. The acoustic wave device is coupled to the measured fluid GE. Ein vorausbestimmtes Leistungsniveau P in eines harmonischen Signals wird auf einen Eingangswandler gegeben, um in dem ausgewählten Bereich eine akustische Welle auszulösen. Individual a predetermined power level P in a harmonic signal is applied to an input transducer, to induce an acoustic wave in the selected region. Das Ausgangsleistungsniveau P out wird an dem Ausgangswandler gemessen. The output power level P out is measured at the output transducer. Unter Verwendung der charakteristischen Beziehung und der Eingangs- und Ausgangsleistungsniveaus wird die Amplitude der auf das Fluid übertragenen durchschnittlichen akustischen Welle berechnet. Using the characteristic relationship, and the input and output power levels, the amplitude of the transmitted fluid to the average acoustic wave is calculated. Die Messung der Viskosität des Fluids, um eine gemessene Viskosität an dem ausgewählten Bereich zu erhalten, ermöglicht die Berechnung der Schergeschwindigkeit des Fluids an dem ausgewählten Bereich durch Verwendung der Frequenz, der Viskositätsmessung und der akustischen Wellenamplitude. The measurement of the viscosity of the fluid to obtain a measured viscosity at the selected region, allows calculating of the shear rate of the fluid at said selected area by using the frequency, the viscosity measurement and the acoustic wave amplitude. Wie weiter unten dargelegt, kann diese Erfindung vorteilhaft mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden. As shown below, this invention can be advantageously used with the present invention.
  • [0017] [0017]
    Es besteht daher ein eindeutiger und nicht befriedigter Bedarf für ein Densimeter und ebenso für ein kombiniertes Densimeter/Viskositätsmeter, das zuverlässig, genau, einfach herzustellen und für verschiedene Anwendungen leicht anzubringen ist, das nicht notwendigerweise auf dem Einsatz mehrerer Sensoren beruht und bei dem über einen weiten Variationsbereich von Viskositäten in der Probe eine Kompensation stattfindet. There is therefore a clear and unmet need for a densimeter and also for a combined densimeter / viscosity meter, the reliable, accurate, easy to manufacture and easy to install for various applications, is not necessarily based on the use of multiple sensors and in which more than one wide variation range of viscosities in the sample takes place compensation. Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bieten solche Lösungen. The preferred embodiments of the present invention provide such solutions.
  • Zusammenfassung der Erfindung Summary of the Invention
  • [0018] [0018]
    Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, die Ein-Port-Vorrichtungen mit separatem strukturiertem Sensor und glattem Referenzsensor (Impedanzelement) durch eine einzige Zwei-Port- (Übertragungs-) Vorrichtung zu ersetzen, und dabei weiterhin die Möglichkeit zu bieten, Dichte und Viskosität mittels der Vorrichtung zu messen. An object of the present invention is the one-port devices with separate sensor textured and smooth reference sensor (impedance element) by a single two-port (transmission) to replace device, while continuing to offer the possibility, density and viscosity measured by the apparatus. Ein optionaler Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Messung der Dichte in einer viskosen Flüssigkeit in einer Weise zu bewerkstelligen, die kompatibel ist mit der zuvor offenbarten Messung und Steuerung der Schergeschwindigkeit, bei der die Viskosität der Flüssigkeit gemessen wird. An optional aspect of the present invention is to accomplish the measurement of the density in a viscous liquid in a manner which is compatible with the previously disclosed measuring and controlling the shear rate at which the viscosity of the liquid is measured. Weitere Gegenstände der Erfindung gehen für den Fachmann aus der Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen der vorliegenden Anmeldung hervor. Further objects of the invention will become apparent to those skilled in the description, claims and drawings of the present application out.
  • [0019] [0019]
    Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung verwendet, nämlich ein gekoppelter Zweiport-, Zweipolresonator mit einer strukturierten Einfangschicht (two-port, two-pole coupled resonator with a textured entrapment layer) in Kontakt mit einem zu messenden Fluid, wie zB eine Flüssigkeit oder ein Gas. According to the preferred embodiment of the present invention, an apparatus is used, namely a coupled two-port, Zweipolresonator with a structured getter film (two-port, two-pole coupled resonator with a textured entrapment layer) in a contact with a fluid to be measured, such as liquid or a gas. Ferner werden bevorzugte elektronische Schaltungen, offenbart, die es dem Benutzer unter Einschluss besagter Vorrichtung ermöglichen, ein oder mehrere offenbarte Verfahren zur Schätzung der Dichte einer viskosen Flüssigkeit unabhängig von oder gleichzeitig mit der Messung der Viskosität einzusetzen. Further preferred electronic circuits are disclosed which allow the user including said device, use one or more disclosed method for estimating the density of a viscous liquid independently or simultaneously with the measurement of viscosity. Die bevorzugte Ausführungsform bietet ferner die Möglichkeit, die Schergeschwindigkeit, mit der die Viskositätsmessung durchgeführt wird, zu messen und/oder zu steuern. The preferred embodiment also offers the possibility to measure the shear rate at which the viscosity measurement is carried out, and / or control.
  • [0020] [0020]
    Optional erlaubt die vorliegende Erfindung ferner das Messen und die Steuerung der Schergeschwindigkeit, mit der die Viskosität gemessen wird, in Kombination mit der Messung der Dichte. Optionally, the present invention further allows the measurement and the control of the shear speed at which the viscosity is measured in combination with the measurement of the density. Dies bietet den eindeutigen Vorteil, dass es möglich wird, den aufgrund der Abhängigkeit der Viskosität von der Schergeschwindigkeit vorhandenen Fehler aus der Dichtemessung zur vollständigen Viskositätskompensation der gemessenen Dichte herauszumitteln. This provides the distinct advantage that it becomes possible to average out the result of the dependence of the viscosity on the shear rate existing error of the density measurement for compensation of the measured viscosity full density. Ferner ermöglicht es die Erfindung, dass ein einziger Sensor Daten zur akustischen Viskosität (ρη), Grenzviskosität (η) und/oder kinematischen Viskosität (η/ρ) als Funktion der Schergeschwindigkeit liefert, wodurch ein kompakter Festkörperrheometer (solid state rheometer) zur Untersuchung und Bewertung von Materialeigenschaften (materials characterization und evaluation) implementiert wird. Furthermore, the invention allows that a single sensor data for acoustic viscosity (ρη), intrinsic viscosity (η) and / or kinematic viscosity provides (η / ρ) as a function of shear rate, whereby a compact Festkörperrheometer (Solid State rheometer) for examination and evaluation of material properties (material characterization and evaluation) is implemented.
  • [0021] [0021]
    Daher wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Messung der Dichte eines Fluids zur Verfügung gestellt, das die Schritte des Bereitstellens eines Sensors, der Eingabe eines elektrischen Eingangssignals in den Eingangsresonator des Sensors und des Messens der Dichte des Fluids umfasst. Therefore, according to one aspect of the present invention, a method for measuring the density of a fluid is provided, comprising the steps of providing a sensor, the input of an electrical input signal to the input resonator and the sensor of measuring the density of the fluid. Der Sensor umfasst eine akustische Flüssigphasenwellenvorrichtung (liquid phase acoustic wave device (LPAWD)), die über eine daran gekoppelte Einfang schicht verfügt. The sensor comprises an acoustic wave device liquid phase (liquid phase acoustic wave device (LPAWD)), the layer has a capture coupled thereto. Die Einfangschicht hat eine strukturierte Oberfläche in Kontakt mit dem Fluid, die über ein bekanntes Volumen zum Einfangen des Fluids verfügt; The trap layer has a structured surface in contact with the fluid, which has a known volume for trapping fluid; die Flüssigphasenwellenvorrichtung verfügt über einen Eingangs- und einen Ausgangswandler, die elektromechanisch jeweils an einen ersten und einen zweiten Resonator gekoppelt sind. the liquid phase wave device has an input and an output transducer, which are electro-mechanically coupled respectively to a first and a second resonator. Die Resonatoren sind untereinander ausreichend gekoppelt, um die Flüssigphasenwellenvorrichtung mit einer elektrischen Übertragungsfunktion zu versorgen, die charakterisiert ist durch wenigstens eine erste Resonanzfrequenz F S sowie eine zweite Resonanzfrequenz F A , die im Verhältnis zu F s eine Phasenverschiebung von oder etwa von 180° aufweist. The resonators are coupled to each other sufficient to supply the liquid phase wave device having an electrical transfer function which is characterized by at least one first resonance frequency F S and a second resonant frequency F A which s has a phase shift of, or approximately of 180 ° with respect to F. Vorzugsweise umfasst der Schritt des Messens der Dichte ferner die Schritte des Messens der zweiten Resonanzfrequenz F A und des Verwendens der gemessenen Resonanzfrequenz und der charakteristischen Antwort der Flüssigphasenwellenvorrichtung zur Berechnung der Dichte des Fluids. Preferably, the step of measuring the density further comprises the steps of measuring the second resonant frequency F A and using the measured resonance frequency and the response characteristic of the liquid phase wave device to calculate the density of the fluid. Der Schritt des Messens umfasst ferner den Schritt des Verwendens einer Kalibrierungsfunktion um eine approximierte Viskosität des Fluids zu berücksichtigen. The step of measuring further comprises the step of using a calibration function to account for an approximate viscosity of the fluid. Ferner umfasst das Verfahren vorzugsweise die Schritte des Bereitstellens eines Verstärkers, der zwischen den Eingangs- und den Ausgangswandler gekoppelt ist, wobei der Verstärker über einen genügend hohen Verstärkungsfaktor verfügt, um die Signale dadurch zu veranlassen, mit genau oder etwa F A zu oszillieren, und des Bereitstellens einer Frequenzerfassungsschaltung (frequency sensing circuit) zum Erfassen von Veränderungen in der Frequenz der Schwingungen. Further preferably, the method comprises the steps of providing an amplifier which is coupled between the input and the output transducer, wherein said amplifier has a sufficiently high amplification factor, to cause the signals thereby, with or about to oscillate F A, and providing a frequency detecting circuit (frequency sensing circuit) for detecting changes in the frequency of the vibrations.
  • [0022] [0022]
    Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Messung der Dichte und Viskosität eines Fluids zur Verfügung gestellt. According to a further aspect of the invention provides a method for measuring density and viscosity of a fluid is provided. Das Verfahren umfasst die Schritte: The method comprises the steps of:
    Bereitstellen eines Sensors umfassend eine akustische Flüssigphasenwellenvorrichtung (LPAWD) mit einer daran gekoppelten oder darin eingebetteten Einfangschicht, wobei die Einfangschicht über eine strukturierte Oberfläche für den Kontakt mit dem Fluid verfügt sowie über ein bekanntes Volumen, das zum Einfangen des Fluids zur Verfügung steht. Providing a sensor comprising an acoustic liquid phase wave device (LPAWD) with a coupled thereto or embedded therein trapping, with the trapping layer over a textured surface for contact with the fluid has, as well as a known volume available for trapping of the fluid are available. Die Flüssigphasenwellenvorrichtung LPAWD umfasst einen Eingangs- und einen Ausgangswandler, die elektromechanisch an einen ersten bzw. einen zweiten Resonator gekoppelt sind. The liquid phase LPAWD wave device comprises an input and an output transducer, which are electro-mechanically coupled to a first and a second resonator. Die Resonatoren sind zwischen sich ausreichend gekoppelt, um der Flüssigphasenwellenvorrichtung eine elektrische Übertragungsfunktion zur Verfügung zu stellen, die gekennzeichnet ist durch eine erste Resonanzfrequenz F S und eine zweite Resonanzfrequenz F A mit oder etwa mit 180° Phasenverschiebung gegenüber F s . Ein elektrisches Eingangssignal wird auf den Eingangswandler gegeben, und die Dichte und Viskosität des Fluids werden gemessen. The resonators are sufficiently coupled between them to provide the liquid phase wave device an electrical transmission function is available, which is characterized is by a first resonant frequency F S and a second resonant frequency F A with or approximately 180 ° phase shift with respect to F s. An input electrical signal on the input transducer, where, and the density and viscosity of the fluid to be measured. Das Verfahren umfasst vorzugsweise die Schritte des Messens der Leistungsdifferenz zwischen dem Eingangs- und Ausgangswandler, um ein Produkt der Viskosität und Dichte des Fluids zu erhalten, das dann im Schritt des Messens der Viskosität verwendet werden kann. The method preferably includes the steps of measuring the power difference between the input and output transducers, in order to obtain a product of viscosity and density of the fluid, which can then be used in the step of measuring the viscosity. Der Schritt des Messens der Dichte umfasst vorzugsweise das Messen der Frequenz F A . The step of measuring the density preferably includes measuring the frequency f a. Die gemessene Dichte kann dazu verwendet werden, Auswirkungen der Dichte auf die Messungen der Viskosität zu kompensieren, und die gemessene Viskosität kann dazu verwendet werden, Auswirkungen der Viskosität bei der Messung der Dichte zu kompensieren. The measured density can be used to compensate for effects of density on the measurements of the viscosity, and the measured viscosity may be used to compensate for effects of the viscosity in the measurement of density.
  • [0023] [0023]
    Optional wird das elektrische Eingangssignal so gesteuert, dass eine vorausbestimmte Schergeschwindigkeit erzeugt wird, unter der die Viskosität gemessen wird. Optionally, the electrical input signal is controlled so that a pre-determined shear rate is generated, in which the viscosity is measured. Ferner optional wird die Schergeschwindigkeit gesteuert, indem das elektrische Eingangssignal bei einem Energieniveau P IN gesteuert wird, um eine gewünschte elektrische Flussdichte der Einfangschicht zu erzeugen. Further, optionally, the shear rate is controlled by the electrical input signal is controlled at a power level P IN to generate a desired electric flux density of the trap layer.
  • [0024] [0024]
    Das Energieniveau P IN wird unter Verwendung der Formel: γ . The power level P IN is calculated using the formula: γ. = ωU/δ berechnet, wobei = ΩU / δ calculated, die Eindringtiefe der Welle in ein Fluid mit der Viskosität η und der Dichte ρ ist, und wobei die akustische Wellenamplitude the penetration depth of the shaft in a fluid with viscosity η and the density is ρ, and wherein the acoustic wave amplitude mittels einer Vorrichtungskonstante C und einem Energieniveau P avg , bei dem es sich um ein geometrisches Mittel von Leistungsniveaus handelt, an dem Eingangs- und Ausgangswandler gemessen wird. by means of an apparatus constant C and a power level P avg, where it is of a geometric mean power level measured at the input and output transducers.
  • [0025] [0025]
    Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Schritt des Messens der Dichte das Messen der zweiten Resonanzfrequenz, und der Schritt des Messens der Viskosität umfasst das Messen der Leistungseinfügedämpfung (power insertion loss) zwischen dem Eingangsresonator und dem Ausgangsresonator. According to the preferred embodiment of the invention comprises the step of measuring the density of measuring the second resonant frequency, and the step of measuring comprises measuring the viscosity of the Leistungseinfügedämpfung (power insertion loss) between the input resonator and the output resonator. Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst der Schritt des Messens der Viskosität jedoch das Messen der Verschiebung einer oder beider Resonanzfrequenzen. According to another embodiment, however, the step of measuring comprises measuring the viscosity of the displacement of one or both resonant frequencies. Die bevorzugte Ausführungsform umfasst außerdem den Schritt der Steuerung des Energieniveaus des elektrischen Eingangssignals, um die Schergeschwindigkeit, in der die Viskosität gemessen wird, zu steuern. The preferred embodiment further comprises the step of controlling the energy level of the electrical input signal, to control the shear speed at which the viscosity is measured.
  • [0026] [0026]
    Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Sensor zur Messung der Viskosität und/oder der Dichte eines Fluids zur Verfügung gestellt, wobei der Sensor ein Substrat mit einem Eingangs- und einem Ausgangswandler, die jeweils an einen ersten und einen zweiten Resonator gekoppelt sind, umfasst. According to a further aspect of the invention a sensor for measuring the viscosity and / or density of a fluid is provided, wherein the sensor a substrate having an input and an output transducer, which are respectively coupled to a first and a second resonator comprising , Die Resonatoren sind untereinander ausreichend eng gekoppelt, um eine Vorrichtung mit einer elektrischen Übertragungsfunktion zu bilden, die durch wenigstens eine erste Resonanzfrequenz F S und eine zweite Resonanzfrequenz F A mit oder etwa mit 180° Phasenverschiebung im Verhältnis zur Frequenz F s charakterisiert ist. The resonators are coupled to one another sufficiently closely to form a device having an electrical transfer function which is characterized by at least one first resonance frequency F S and a second resonant frequency F A with or approximately 180 ° phase shift relative to the frequency F s. Der Sensor verfügt über eine an das Substrat gekoppelte oder darin eingebettete Einfangschicht. The sensor has a coupled to the substrate or embedded therein TL. Die Einfangschicht ist direkt oder mittels einer Zwischenschicht an das Substrat gekoppelt. The TL is coupled directly or via an intermediate layer to the substrate. Die Einfangschicht weist vorzugsweise wenigstens eine Seite auf, die über eine darin ausgebildete Rille oder darin ausgebildete Rillen zum Einfangen eines bekannten Volumens des Fluids verfügt (dh die Rillen können sich in der Einfangschicht befinden oder darauf abgeschieden sein). The trap layer preferably has at least one side, which has formed therein a groove or grooves formed therein for trapping a known volume of the fluid (ie, the grooves may be in the trap layer, or it can be disposed). Die Rillen sind vorzugsweise senkrecht zur Richtung der Wellenbewegung in dem Substrat ausgerichtet und vorzugsweise so bemessen, dass sie kleiner sind als die Länge eines Viertels der Wellenlängen der Resonanzfrequenz F S in der Flüssigkeit. The grooves are preferably aligned perpendicular to the direction of the wave motion in the substrate and preferably dimensioned so that they are smaller than the length of a quarter of the wavelengths of the resonant frequency F S in the liquid. Solche Rillen können angebracht werden, indem Material auf die Fläche aufgebracht wird, um Erhöhungen (ridges) zu bilden, wobei die Rillen zwischen den Erhöhungen definiert sind. Such grooves can be attached by material is applied to the surface to form ridges (ridges), the grooves being defined between the ridges. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die Rillen in das Substrate geschnitten sein können (zB mittels Bohren, Ätzen u. dgl.). Another possibility is that the grooves can be cut into the substrates (for example, by means of drilling, etching u. The like.). Als eine von vielen Alternativen zu den Rillen kann die Einfangschicht wenigstens eine darin ausgebildete Kammer aufweisen, wobei die Kammer über wenigstens eine Öff nung zum Einfangen eines bekannten Volumens des Fluids verfügt. As one of many alternatives to the grooves of the trap layer may comprise at least one chamber formed therein, wherein the chamber has at least one Publ voltage for trapping a known volume of the fluid. Die Kammer kann in die Einfangschicht geschnitten oder durch darauf aufgetragenes Material gebildet sein. The board can be cut into the trap layer or formed by material applied thereto. Am Bevorzugtesten bildet die Einfangschicht ein Ganzes mit wenigstens einer Seite des Substrats. Most preferably, the trap layer forms a whole with at least one side of the substrate. Ebenfalls vorzugsweise bedeckt die Einfangschicht eine annähernd gleiche Fläche von jedem der Resonatoren und wenigstens 50% der Vorderfläche jedes Resonators. Also preferably covers the trap layer an approximately equal area of each of the resonators, and at least 50% of the front surface of each resonator. Am Bevorzugtesten bedeckt die strukturierte Fläche die gesamte Oberfläche wenigstens einer Seite der Einfangschicht. Most preferably, the structured surface covers the entire surface of at least one side of the trapping layer. Ein solcher Sensor kann allein für Dichtemessungen verwendet werden, indem die Resonanzfrequenz F A gemessen wird. Such a sensor may be used alone for density measurements by the resonant frequency F A is measured.
  • [0027] [0027]
    Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Einrichtung zur Messung der Viskosität und Dichte eines Fluids zur Verfügung gestellt, wobei die Einrichtung einen Sensor umfasst, der ein Substrat mit einem Eingangs- und einem Ausgangswandler umfasst, die an einen ersten und einen zweiten Resonator gekoppelt sind, wobei der erste und zweite Resonator untereinander ausreichend eng gekoppelt sind, um eine elektrische Übertragungsfunktion zu bilden, die durch wenigstens eine erste Resonanzfrequenz F S und eine zweite Resonanzfrequenz F A mit oder etwa mit 180° Phasenverschiebung zu der Frequenz F S gekennzeichnet ist, und eine Einfangschicht, die an das Substrat gekoppelt oder darin eingebettet ist. According to a further aspect of the invention, a device for measuring the viscosity and density of a fluid is provided, wherein the device comprises a sensor which comprises a substrate having an input and an output transducer coupled to a first and a second resonator wherein the first and second resonators are closely coupled sufficient to form an electrical transfer function which is characterized by at least one first resonance frequency F S and a second resonant frequency F A with or approximately 180 ° phase shift to the frequency F S, and a trap layer coupled to the substrate or embedded therein. Das System umfasst ferner eine erste Messeinrichtung zur Messung der Dichte des Fluids und eine zweite Messeinrichtung zur Messung eines Produkts der Viskosität und Dichte. The system further includes a first measuring device for measuring the density of the fluid and a second measuring device for measuring a product of viscosity and density. Ein solcher Sensor kann allein für Dichtemessungen verwendet werden, indem die Resonanzfrequenz F A gemessen wird, in welchem Fall die zweite Messeinrichtung nicht erforderlich ist. Such a sensor may be used alone for density measurements by the resonant frequency F A is measured, in which case the second measuring device is not required. Die Einrichtung umfasst ferner vorzugsweise einen Computer, der dazu ausgebildet ist, die Dichte aus dem gemessenen Produkt und der gemessenen Dichte zu errechnen. The device preferably further comprises a computer which is adapted to calculate the density of the measured material and the measured density. Ein solcher Computer kann ein Spezialrechner oder ein Universalrechner sein. Such a computer can be a computer or a special purpose computer. Die Software in dem Computer kann leicht angepasst werden, um die benötigten Schritte auszuführen. The software in the computer can be easily adapted to perform the required steps. Die erste Messeinrichtung umfasst vorzugsweise Frequenzmessgeräte. The first measuring device preferably includes frequency instruments. Als nicht einschränkendes Beispiel kann die erste Messeinrichtung einen ersten Oszillator umfassen, der zwischen dem Eingangsresonator und dem Ausgangsresonator gekoppelt und dahingehend ausgebildet ist, um mit 180° Phase relativ zu einer elektrischen Eingangsenergie, die in den Eingangswandler gegeben wird, zu oszillieren und vorzugsweise außerdem einen zweiten Oszillator, der zwischen Ausgangs- und Eingangsresonator gekoppelt und dahingehend ausgebildet ist, um mit oder etwa mit 0° Phase gegenüber der elektrischen Eingangsenergie zu oszillieren. As a non-limiting example, the first measuring device comprises a first oscillator which is coupled between the input resonator and the output resonator and is formed in such a way relatively to oscillate with a 180 ° phase to an input electrical energy which is added to the input transducer, and preferably also a second oscillator, which is coupled between the output and input resonator and configured in such a way to oscillate at or about 0 ° phase with respect to the electrical input energy. Die zweite Messeinrichtung umfasst vorzugsweise Schaltungen zur Messung der Leistungseinfügedämpfung zwischen dem Eingangs- und Ausgangswandler. The second measuring device preferably comprises circuitry for measuring the Leistungseinfügedämpfung between the input and output transducers. Alternativ umfasst die zweite Messeinrichtung Schaltungen zur Messung der Differenzfrequenzen zwischen dem ersten und zweiten Oszillator. Alternatively, the second measuring device comprises circuits for measuring the difference frequencies between the first and second oscillator.
  • [0028] [0028]
    Gemäß der bevorzugtesten Ausführungsform wird mittels der Einrichtung die Eingangsenergie gesteuert, um die Viskosität bei Veränderungen der Schergeschwindigkeit zu messen. According to the most preferred embodiment, the input power is controlled to measure the viscosity with changes in shear rate by means of the device. Optional enthält die Einrichtung ferner einen Temperatursensor. Optionally, the apparatus further includes a temperature sensor.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief Description of Drawings
  • [0029] [0029]
    Die Erfindung ist im Lichte der anliegenden Zeichnungen besser zu verstehen, bei denen: The invention will be better understood in the light of the accompanying drawings, in which:
  • [0030] [0030]
    1 1 einen Beispielgraphen einer typischen Frequenzantwort einer einfachen akustischen Zweiport-, Zweipolvorrichtung ohne jegliche Massebeladungs- oder Dämpfungseffekte darstellt; is an example graph of a typical frequency response of a simple acoustic two-port, Zweipolvorrichtung without any Massebeladungs- or damping effects;
  • [0031] [0031]
    2 2 ein Graph ist, der eine typische Frequenzantwort einer einfachen Zweiport-, Zweipolvorrichtung unter der Einwirkung von Massebeladung aufgrund einer auf wenigstens eine ihrer Oberflächen einwirkenden zusätzlichen Masse darstellt; is a graph which represents a typical frequency response of a simple two-port, Zweipolvorrichtung under the influence of mass load due to a force acting on at least one of its surfaces additional mass;
  • [0032] [0032]
    3 3 ein Graph ist, der eine typische Frequenzantwort einer einfachen Zweiport-, Zweipolvorrichtung unter der Einwirkung von Dämpfung aufgrund der kombinierten Effekte viskoser Dämpfung und Dichtemassebeladung auf wenigstens eine ihrer Oberflächen darstellt; is a graph which represents a typical frequency response of a simple two-port, Zweipolvorrichtung under the action of attenuation due to the combined effects of viscous damping and density of mass loading at least one of its surfaces;
  • [0033] [0033]
    4a 4a und and 4b 4b eine Seitenansicht und Draufsicht einer vereinfachten Struktur einer akustischen Wellenvorrichtung mit einer Einfangschicht gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt; a side view and plan view of a simplified structure of an acoustic wave device with a trap layer according to the preferred embodiment of the invention;
  • [0034] [0034]
    5 5 ein vereinfachtes Blockdiagramm auf hohem Abstraktionsniveau einer elektronischen Densimeterschaltung darstellt; is a simplified block diagram of a high level of abstraction of an electronic Densimeterschaltung;
  • [0035] [0035]
    6a 6a ein vereinfachtes Datenflussdiagramm zu Berechnung der Dichte mittels einer akustischen Wellenvorrichtung mit einer Einfangschicht darstellt. a simplified data flow diagram to calculate the density by means of an acoustic wave device is a trap layer. 6b 6b stellt ein vereinfachtes Flussdiagramm der frequenzbasierten Dichtemessung und Leistungsverlustviskositätsmessung dar. illustrates a simplified flow chart of the frequency-based density measurement and power loss viscosity measurement. 6c 6c stellt ein vereinfachtes Flussdiagramm der frequenzbasierten Messungen der Dichte und Viskosität dar; illustrates a simplified flow chart of the frequency-based measurements of the density and viscosity;
  • [0036] [0036]
    7 7 ein vereinfachtes Blockdiagramm der Schaltung eines Dichte/Viskositätssensors gemäß der bevorzugten Ausführungsform darstellt; is a simplified block diagram of the circuit of a density / viscosity sensor according to the preferred embodiment;
  • [0037] [0037]
    8a 8a eine Vorderansicht einer Einfangschicht mit hexagonalen Kammern zeigt, a front view of a trapping layer with hexagonal chambers shows 8b 8b eine Vorderansicht einer Einfangschicht mit verdeckten Tunneln (in gestrichelten Linien dargestellt) und a front view of a TL with hidden tunnels (shown in dashed lines) and 8c 8c eine Seitenansicht der Einfangschicht mit einer Darstellung von zwei möglichen Konstruktionsverfahren, dh durch Abscheiden von Material auf der Oberfläche oder durch Entfernen von Material von der Oberfläche. a side view of the trap layer with a representation of two possible methods of construction, that is, by depositing material on the surface or by removing material from the surface. Es versteht sich, dass auch eine Kombination dieser Verfahren gleichermaßen anwendbar ist. It is understood that a combination of these methods is equally applicable.
  • Ausführliche Beschreibung Full description
  • [0038] [0038]
    Es ist ein grundlegendes Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, um Messungen der Dichte und des Dichte-Viskositäts-Produkts in einem einzigen Sensor bei im Wesentlichen gleichzeitiger Messung zu erhalten. It is a fundamental object of the present invention to provide a method available in order to obtain measurements of the density and the density-viscosity product in a single sensor at substantially simultaneous measurement. Die Aspekte der Erfindung sind gleichermaßen anwendbar auf jede beliebige akustische Wellenvorrichtung für horizontal polarisierte Scherwellen, die zur Implementierung des Sensors verwendet wird, ob dabei Volumenwellen-Parallelplattenresonatoren (bulk acoustic wave (BAW) parallel plate resonator), Parallelplattenwellenleiter für horizontal polarisierte Plattenmoden (SH acoustic plate mode (SHAPM) parallel plate waveguide), oder planare Vorrichtungen für horizontal polarisierte Scherwellen (SH surface acoustic wave (SH-SAW) planar device structure) (allgemein bekannt als Love-Wellenvorrichtung) eingesetzt werden. The aspects of the invention are equally applicable to any acoustic wave device for horizontally polarized shear waves, which is used to implement the sensor if it bulk acoustic wave parallel plate resonators (bulk acoustic wave (BAW) parallel plate resonator), parallel plate waveguide for horizontally polarized plate modes (SH acoustic plate mode (SHAPM) parallel plate waveguide), or planar devices for horizontally polarized shear waves (SH surface acoustic wave (SH-SAW) device planar structure) (commonly known as Love wave device used).
  • [0039] [0039]
    Die Erfindung ist gleichermaßen anwendbar auf jede beliebige akustische Wellenvorrichtung, die keine Verschiebungen von horizontal polarisierten Scherwellen, aber gleichwohl akustische Wellenamplituden aufweisen, die vor einer Strukturierung in erster Linie auf die Oberfläche der akustischen Wellenvorrichtung beschränkt sind. The invention is equally applicable to any acoustic wave device having no shifts of horizontally polarized shear waves, but nevertheless acoustic wave amplitudes which are primarily limited in front of a structuring on the surface of the acoustic wave device. Sie ist ferner auf Biegewellensensorvorrichtungen (flexural plate wave (FPW) devices) anwendbar, bei denen die langsame Mode einer dünnen Membran unter Verwendung entweder piezoelektrischer, magnetischer oder eines beliebigen anderen geeigneten Verfahrens der akustischen Wellentransduktion eingesetzt wird. It is also to bending wave sensor apparatuses (flexural plate wave (FPW) devices), for which the slow mode of a thin membrane is used, using either piezoelectric, magnetic, or any other suitable method of the acoustic Wellentransduktion. Die vorliegende Erfindung kann im Allgemeinen auf jede beliebige akustische Wellenvorrichtung angewandt werden, die eine Kombination von Wellenverschiebungspolarisationen und/oder Wellengeschwindigkeit aufweisen, wie zB zur Steuerung der Energiedämpfung, die durch Kontakt mit einer Flüssigkeit und viskoser Kopplung von Energie in die Flüssigkeit hervorgerufen wird. The present invention can be generally applied to any acoustic wave device having a combination of shaft displacement polarizations and / or wave velocity, such as to control the energy absorption, which is caused by contact with a liquid and viscous coupling of energy into the liquid. Als Oberbegriff ist ein solcher Sensor als eine akustische Flüssigphasenwellenvorrichtung (liquid phase acoustic wave device) zu bezeichnen. As a generic term, such a sensor as an acoustic wave device liquid phase (liquid phase acoustic wave device) must be designated. Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer gekoppelten Mehrpol-Resonatorfilterstruktur, bei der die Flüssigphasenwellenvorrichtung eingesetzt wird, wobei die bevorzugte Ausführungsform zwei Pole aufweist. The invention relates to the use of a coupled multi-pole Resonatorfilterstruktur, wherein the liquid phase wave device is used, the preferred embodiment has two poles.
  • [0040] [0040]
    Ein wichtiger Aspekt der Erfindung basiert auf einer akustischen Flüssigphasenwellenvorrichtung mit einem Substrat und wenigstens zwei Wandlern, die elektrische Eingangs- und Ausgangsports zur Verfügung stellen. An important aspect of the invention is based on an acoustic liquid phase wave device having a substrate and at least two transducers, the electrical input and output ports provide. Die beiden Wandler sind genügend eng an eine erste und eine zweite Resonanzstruktur gekoppelt, wobei die Resonanzstrukturen entweder direkt oder über zusätzliche Re sonanz- oder Übertragungsstrukturen aneinander gekoppelt sind, so dass sie eine elektrische Übertragungsfunktion ähnlich einem Resonatorfilter zeigen, der wenigstens eine Zweipolübertragungsfunktion zwischen dem Eingang und dem Ausgang aufweist. The two transducers are sufficiently closely coupled to a first and a second resonant structure, the resonance structures are either directly or sonanz- on additional Re or transfer structures coupled together so that they similarly show an electrical transfer function of a resonator, the at least one Zweipolübertragungsfunktion between the input and having the output. Die Grundlagen einer solchen gekoppelten Zweipolresonatorfilterstruktur (Two Pole Coupled Resonator Filter structure) werden ausführlicher dargelegt in einem Artikel von MG Schweyer, JA Hilton, JE Munson, JC Andle, JM Hammond und RM Lec mit dem Titel "A Novel Monolithic Piezoelectric Sensor", veröffentlicht in: "IEEE International Frequency Control Symposium" 1997, S. 32–40, und in einem Artikel von MB King, LW Heep und JC Andle mit dem Titel "1500 MHz Coupled Resonator Filter", veröffentlicht in "Proceedings of the 1987 IEEE Ultrasonics Symposium", S. 127–130. The foundations of such a coupled Zweipolresonatorfilterstruktur (Two poles coupled resonator filter structure) are presented in more detail in an article by MG Schweyer, JA Hilton, JE Munson, JC Andle, JM Hammond and RM Lec entitled "A Novel Monolithic Piezoelectric Sensor", published in: "IEEE International Frequency Control Symposium," 1997, pp 32-40, and in an article by MB King, LW Heep and JC Andle entitled "1500 MHz Coupled Resonator Filters", published in "Proceedings of the 1987 IEEE Ultrasonics Symposium ", pp 127-130.
  • [0041] [0041]
    Solche Zweipolresonatoren können basierend auf einer Struktur modelliert und/oder konstruiert werden, die aus zwei einfachen Resonatorstrukturen besteht, wobei eine an einen Eingangswandler gekoppelt ist, der zwischen dem Eingangsanschluss und Masse angeschlossen ist und der andere an einen Ausgangswandler gekoppelt ist, der zwischen dem Ausgangsanschluss und Masse angeschlossen ist, mit einem Kopplungsmechanismus zwischen den Resonatoren. Such Zweipolresonatoren can be based modeled on a structure and / or constructed which consists of two simple resonator, one being coupled to an input converter, which is connected between the input terminal and ground, and the other is coupled to an output transducer between the output terminal and the ground is connected with a coupling mechanism between the resonators. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Resonatoren akustische Strukturen entweder des Spiegelplatten- (mirrored plate) oder des Rasterreflektor- (grating reflector) -Typs, und die Kopplung an den elektrischen Eingang und Ausgang erfolgt über eine geeignete piezoelektrische oder ähnliche Wandlerstruktur. According to the preferred embodiment of the present invention, the structures of either the acoustic resonators are Spiegelplatten- (mirrored plate) or Rasterreflektor- (Grating Reflector) type, and the coupling to the electrical input and output via a suitable piezoelectric transducer or similar structure. Es existieren eindeutig andere Verfahren zur Erzeugung solcher Mehrpol-Mehrport-Strukturen und es kann, wie bekannt, verschiedene ähnliche Anschlussverfahren geben, zB durch Bereitstellen getrennter Eingangs- und Ausgangsschaltungen ohne gemeinsame Masse (floating input und output circuits without a common 'ground'). There are clearly other methods of producing such multi-pole multi-port structures and it can, as is known, enter various similar connection methods, eg by providing separate input and output circuits without common ground (floating input and output circuits without a common 'ground'). Magnetostriktive, elektrostriktive, piezoresistive und andere Übertragungseinrichtungen sind gleichfalls realisierbar und sind zur Kopplung eines Resonators an einen elektrischen Pol oder elektrische Pole als einbezogen zu betrachten. Magnetostrictive, electrostrictive, piezoresistive and other transmitting devices are also feasible and are for coupling a resonator to an electric pole or electric poles included as look at.
  • [0042] [0042]
    Die Struktur funktioniert, indem sie dafür sorgt, dass aufgrund des Kopplungsmechanismus eine Übertragung von Energie zwischen einem Resonator und dem anderen stattfindet. The structure works by ensuring that due to the coupling mechanism is a transfer of energy between a resonator and the other takes place. Das Ergebnis der Kopplung besteht in der Schaffung einer kombinierten Vorrichtung, in der es wenigstens zwei Resonanzmoden gibt, wobei jede eine Überlagerung der von den einzelnen Resonatoren unterstützten Hüllkurve ist. The result of the coupling is to provide a combined apparatus in which there are at least two resonance modes, each of which is a superposition of the individual resonators supported by the envelope. Eine solche kombinierte Resonanz F S , welche die niedrigere Frequenz und typischerweise eine 180°-Phasenverschiebung aufweist, hat eine symmetrische Überlagerung, während die kombinierte Resonanz F A , mit der höheren Frequenz und typischerweise 0°-Phasenverschiebung eine antisymmetrische Überlagerung hat. Such a combined resonant F S, which has the lower frequency, and typically has a 180 ° phase shift, has a symmetrical overlay, while the combined resonant F A, with the higher frequency, typically 0 ° phase shift has an anti-symmetric overlay. Die beiden gekoppelten Resonatoren müssen nicht notwendigerweise identisch sein. The two coupled resonators need not necessarily be identical. Es ist wichtig zu beachten, dass, um einen gekoppelten Zweipolresonator zu erzielen, es nicht ausreicht, lediglich zwei unabhängige Resonatoren auf einem einzelnen Substrat zu platzieren, sondern es ist eine ausreichend enge Kopplung zwischen den Resonatoren erforderlich, um die oben beschriebene Wellenwechselwirkung herbeizuführen. It is important to note that in order to obtain a coupled Zweipolresonator, it is not sufficient to place only two independent resonators on a single substrate, but it is sufficiently tight coupling between the resonators required to bring about the shaft interaction described above. Der Grad der Kopplung M ist so, dass M = ΔF/F 0 = 2(F A – F S )/(F A + F S ) eine quantifizierbare Differenz zwischen F A und F S ergibt. The degree of coupling M is such that M = .DELTA.F / F 0 = 2 (F A - F S) / (F A + F S) gives a quantifiable difference between F A and F S. Ein Fachmann erkennt, dass die absoluten Phasenverschiebungen des Signals bei den beiden Resonanzen durch interne und externe Einflüsse so geändert werden können, dass nicht die typischen Werte erzielt werden, einschließlich zB durch, jedoch hierauf nicht beschränkt, Änderung der Anschlusspolarität, Schwankungen der Wandlerkapazität und durch Verwendung externer Phasenverschiebungsschaltungen. One skilled in the art will recognize that the absolute phase shifts of the signal at the two resonances by internal and external influences can be changed so that it is not the typical values are achieved, including, for example by, but not limited to, change the connection polarity fluctuations of the transducer capacitance and Using external phase shift circuits. Dort, wo in dem vorliegenden Dokument die Werte 180° und 0° verwendet werden, sollte dies, je nachdem, wie es vom Kontext her angemessen ist, so verstanden werden, dass damit entweder die tatsächliche Phase der Signalübertragung bei F S oder F A oder die Phasenverschiebung gemeint ist, die von einem Verstärker benötigt wird, um mit F S oder F A oszillieren, und nicht der spezifische numerische Wert 180° oder 0°. Where the values are used to 180 ° and 0 ° in the present document, this should be, depending on how it is appropriate from the context, be understood that this either the actual phase of the signal transmission at F s or F A or the phase shift is meant, which is required by an amplifier to oscillate at or F S F A, and not the specific numerical value of 180 ° or 0 °.
  • [0043] [0043]
    Die allgemeine Form einer solchen Zweipolfrequenzübertragungsfunktion ist zu einem besseren Verständnis der Erfindung schematisch in The general form of such a Zweipolfrequenzübertragungsfunktion schematically a better understanding of the invention in 1 1 in einer übertriebenen Form dargestellt. shown in an exaggerated form. Der Zweipolfrequenzganggraph zeigt, dass der Kristall wenigstens zwei Resonanzfrequenzen hat, dh wenigstens eine symmetrische Frequenz F S und wenigstens eine antisymmetrische Frequenz F A , die untereinander eine gegenseitige Phasenverschiebung von etwa 180° aufweisen. The Zweipolfrequenzganggraph shows that the crystal has at least two resonant frequencies, ie, at least a symmetrical frequency F S and at least one anti-symmetric frequency F A, to each other have a mutual phase shift of about 180 °. Der Abstand zwischen den Resonanzfrequenzen wird in erster Linie bestimmt durch das Ausmaß gegenseitiger Kopplung zwischen den Resonatorhohlräumen, in denen die akustische Energie lokalisiert ist. The distance between the resonance frequencies is primarily determined by the amount of mutual coupling between the resonator cavities in which the acoustic energy is localized. Hoch gekoppelte Hohlräume führen zu weit getrennten Resonanzfrequenzen. High-coupled cavities lead to widely separated resonance frequencies.
  • [0044] [0044]
    Daher umfasst eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, teilweise schematisch dargestellt in Therefore, a preferred embodiment of the invention, illustrated partially schematically in 4a 4a , ein piezoelektrisches Substrat A piezoelectric substrate 410 410 mit einem Eingangswandler having an input transducer 430 430 und einem Ausgangswandler and an output transducer 440 440 , die beide elektromechanisch an eine in das Substrat eingebettete mechanische Resonanzstruktur (resonant mechanical structure) (schematisch dargestellt als die Wellenausbreitungsform , Both electro-mechanically to a mechanical resonance embedded into the substrate structure (resonant mechanical structure) (schematically shown as the form of wave propagation 435 435 bzw. and 445 445 ) gekoppelt sind. ) Are coupled. Zum Zweck dieser Spezifikationen gilt die mechanische Resonanzstruktur (Resonator) als "eingebettet" ("embedded") in das piezoelektrische Substrat, wenn sie akustische Wellen innerhalb des Substrats oder an der Oberfläche des Substrats einschließt, unabhängig davon, ob sich der gesamte Resonator innerhalb des Substrats befindet oder nicht. For purposes of this specification, the mechanical resonant structure (resonator) is considered to be "embedded" ("embedded") in the piezoelectric substrate, when it includes acoustic waves within the substrate or on the surface of the substrate, regardless of whether the entire cavity within the substrate or not. Die Resonatoren können auch auf andere Weise an das Substrat gekoppelt sein, in der Form, dass sie an äußeren Oberflächen des Substrat angebracht sind, jedoch in starrer mechanischer Kopplung damit, aber immer noch als "eingebettet" in das Substrat und praktisch als ein Teil davon gelten, während sie die erforderlichen Störungen darin erzeugen und das Substrat die im Folgenden beschriebene enge Kopplung ermöglicht. The resonators may be coupled in other ways to the substrate, in the form that they are attached to outer surfaces of the substrate, but in rigid mechanical coupling with it, but still "embedded" as in the substrate and in practice as a part thereof apply while generating the required interference therein and the substrate allows close coupling described below.
  • [0045] [0045]
    Gemäß den bevorzugten Ausführungsformen verwenden die Wandler piezoelektrische Kopplung auf einem Substrat, das aus einem oder mehreren Lagen von Material besteht, von denen wenigstens eine piezoelektrisch ist. According to the preferred embodiments use the transducers piezoelectric coupling on a substrate, which consists of one or more layers of material, of which at least one is piezoelectric. Die bevorzugteste Ausführungsform ist ein Interdigitalwandler (inter-digitated transducer). The most preferred embodiment is an interdigital transducer (inter-digitated transducer). Andere Ausführungsformen ermöglichen eine elektrische Kopplung an die in das Substrat eingebetteten mechanischen Resonatoren unter Verwendung magnetischer, elektrostriktiver, piezoresistiver, optischer oder anderer gleichwertiger Wandlungselemente, um elektrische Eingangssignale in mechanische Energie umzuwandeln, die innerhalb der gekoppelten Resonatoren eingefangen ist, und um die eingefangenen Signale zu erfassen, wobei solche anderen Mittel zur elektrischen Anregung und Messung der akustischen Energie in den gekoppelten Re sonatoren als im Bereich der vorliegenden Erfindung liegend betrachtet werden sollten. Other embodiments allow electrical coupling to the embedded into the substrate mechanical resonators using magnetic, electrostrictive, piezo-resistive, optical or other equivalent conversion elements, for converting electrical input signals into mechanical energy which is trapped within the coupled resonators, and the captured signals to detect, and such other means for the electrical excitation and measurement of the acoustic energy in the coupled resonators as Re in the range of the present invention should be considered to lie.
  • [0046] [0046]
    Der Eingangs- und der Ausgangsresonator sind außerdem über das Substrat aneinander gekoppelt und sind gegenseitig gekoppelt, dh die in dem Eingangsresonator entstehende Störung erreicht den Ausgangsresonator und umgekehrt, um die gewünschte Zweipolfrequenzübertragungsfunktion bereitzustellen. The input and the output resonator are also coupled to each other via the substrate and are mutually coupled, that is generated in the input resonator reach the output resonator perturbation, and vice versa, to provide the desired Zweipolfrequenzübertragungsfunktion. Um eine solche enge Kopplung zu erreichen, könnte die Entfernung zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsresonator mittels spezifisch für die besondere Resonatorgeometrie geltender und in der Literatur vielfach veröffentlichter Methoden berechnet oder approximiert werden. In order to achieve such a tight coupling, the distance between the input and the output resonator could be calculated or approximated by means specific to the particular resonator geometry and existing in the literature published methods. Allgemein beinhaltet die Berechnung zuerst die Schätzung des Ausmaßes der evaneszenten oder mechanischen Streufelder außerhalb eines Resonators und in Richtung des anderen Resonators und anschließend die Berechnung der Überlagerung der Streufelder des einen Resonators mit denen des anderen Resonators, wobei der Grad der Wechselwirkung den Kopplungsfaktor zwischen den Resonatoren darstellt. Generally includes calculating first estimation of the extent of the evanescent or mechanical stray fields outside of a resonator and in the direction of the other resonator, then calculating the superposition of the stray fields of one resonator with those of the other resonator, said degree of interaction the coupling coefficient between the resonators represents. Die bevorzugte Berechnungsmethode besteht darin, die Struktur im Querschnitt als einen eindimensionalen Mehrbereichswellenleiter (multi-region waveguide) mit Randbedingungen zwischen den Bereichen der Kontinuität der mechanischen Amplitude und der Kontinuität der mechanischen Belastung zu behandeln. The preferred method of calculation is to treat the structure in cross section as a one-dimensional multi-range waveguide (multi-region waveguide) with boundary conditions between said regions of continuity of mechanical amplitude and continuity of mechanical stress. Eine solche Randwertanalyse ergibt gekoppelte Differentialgleichungen, die für die symmetrischen und antisymmetrischen Moden der gekoppelten Struktur und die zugehörigen Frequenzen gelöst werden können. Such boundary value analysis yields coupled differential equations that can be solved for the symmetric and anti-symmetric modes of the coupled structure and the associated frequencies. Diese Berechnungsmethode ist nur eine von vielen, die dem Fachmann bekannt sind, wobei jede beliebige geeignete Methode angewandt werden kann. This calculation method is only one of many that are known in the art, wherein any suitable method can be used. Während bei der bevorzugten Ausführungsform aus Gründen der Einfachheit der Herstellung und der Analyse rechtwinklige Geometrien verwendet werden, sind kreisförmige, halbkreisförmige, elliptische, hyperbolische, parabolische und andere Resonatorformen, die ebenfalls anwendbar sind, bekannt und in manchen Anwendungen bevorzugt. While rectangular shapes are used in the preferred embodiment for reasons of simplicity of production and analysis, are circular, semi-circular, elliptical, hyperbolic, parabolic and other Resonatorformen, which are also applicable, known and preferred in some applications. Ebenso sind, während gemäß der bevorzugten Ausführungsform für das piezoelektrische Substrat polierte, parallele Flächen eingesetzt werden, in der Literatur sowohl sphärisch und asphärisch umrissene Resonatorstrukturen beschrieben, die in ausgewählten Anwendungen vorzuziehen sind, um die akustische Energie besser einzufangen, auch wenn dies um den Preis einer gesteigerten Fertigungskomplexität erfolgt. Equally, while in the preferred embodiment for the piezoelectric substrate polished, parallel surfaces are used, described in the literature, both spherical and aspherical outlined resonator structures, which may be preferable in certain applications to capture the acoustic energy better, even if this at the cost of increased manufacturing complexity occurs.
  • [0047] [0047]
    Bei Experimenten wurde beobachtet, dass sich die zwei (oder mehr) Pole (dh Resonanzfrequenzen), wie in In experiments it was observed that the two (or more) of poles (ie resonance frequencies) as shown in 2 2 dargestellt, unter verlustfreier Massebeladung im Einklang bewegen, mit im Wesentlichen konstanter Differenzfrequenz; shown, move under loss-free mass loading in accordance with substantially constant frequency difference; dagegen verändert der Verlust an Leistung aufgrund viskoser Dämpfung die Energielokalisierung der Resonanzhohlräume und verändert somit auch, wie in hand, changes the loss of power due to viscous damping energy localization of resonant cavities and thus also changing, as in 3 3 dargestellt, den Frequenzabstand zwischen der symmetrischen und der antisymmetrischen Frequenz sowie die Durchschnittsfrequenz. shown, the frequency separation between the symmetric and anti-symmetric frequency and the average frequency.
  • [0048] [0048]
    Bei dem Erfindungsgegenstand wird eine Einfangschicht The subject of the invention is a trap layer 420 420 eingesetzt, die bevorzugt in gleicher Weise auf dem ersten und zweiten Resonator angeordnet und besonders bevorzugt einheitlich auf der gesamten Messfläche angeordnet ist, um eine bekannte Menge der viskosen Flüssigkeit einzufangen und sie mittels der strukturierten Oberfläche der Einfangschicht im Wesentlichen einer "Starrkörperbewegung" zu unterwerfen. used, which is preferably arranged in the same manner on the first and second resonator, and particularly preferably uniformly arranged over the entire measuring area to capture a known amount of the viscous fluid and to subject them by means of the structured surface of the trap layer is substantially of a "rigid-body motion." Die Wirkung dieser starr eingefangenen Flüssigkeit ist, dass die gesamte elektrische Antwort aufgrund der Massebeladungsphänomene einen entsprechenden Frequenzabfall erfährt, ohne dass die relativen Unterschiede zwischen der ersten und zweiten Resonanzfrequenz in der elektrischen Antwort verändert werden. The effect of these rigidly trapped liquid is that the entire electrical response undergoes a corresponding drop in rate due to mass loading phenomena without the relative differences between the first and second resonant frequency of the electrical response can be changed. Die Einfangschicht fängt eine bekannte Menge des gemessenen Fluids so ein, dass sie sich an dem Kristall befindet, auf eine Weise, die das Fluid dazu bringt, sich so zu verhalten, als ob es starr an dem Kristall angelagert wäre. The TL catches a known amount of the fluid being measured so that it is at the crystal, to behave in a way that brings the fluid to be as if it were rigidly attached to the crystal. Die Kenntnis des Massensensitivitätskoeffizienten der Frequenz, S m , der mitgeführten Menge V, der Sensorfläche A und des Abfalls der Frequenz von einem unbelasteten Zustand ΔF ist ausreichend, damit die Dichte geschätzt werden kann als Knowledge of the mass sensitivity coefficient of frequency, S m, the entrained quantity V, of the sensor surface A and the waste of the frequency of an unloaded state .DELTA.F is sufficient so that the density can be estimated as ρ = ΔF·A/V·S m . ρ = .DELTA.F · A / V · S m.
  • [0049] [0049]
    Der Massensensitivitätskoeffizient kann aus der Störungstheorie unter Rückgriff auf Formeln, die speziell für die gegebene Resonatorstruktur gelten und dem Fachmann bekannt sind, geschätzt werden. The mass sensitivity coefficient can from the perturbation theory with recourse to formulas that are specific for the given resonator and are known in the art, can be estimated. Diese Formel ist direkt analog zu der bekannten Quarzkristalldepositionsüberwachung (quartz crystal deposition monitor) für Dünnschichten. This formula is directly analogous to the known quartz crystal deposition monitor (quartz crystal deposition monitor) for thin films. Diese zu einfache Schätzung ignoriert die Rolle der Viskosität als eine Fehlerquelle und geht von einer geeigneten Definition der Frequenz der elektrischen Antwort aus. This easy to estimate ignores the role of viscosity as a source of error and is based on a suitable definition of the frequency of the electrical response. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform eines gekoppelten Zweipolresonatorfilters ist der Wert von ΔF die Änderung von F A , von der experimentell beobachtet wurde, dass sie eine minimale Sensitivität gegenüber viskoser Beladung S V aufweist. According to the preferred embodiment of a coupled Zweipolresonatorfilters the value of .DELTA.F is that it comprises the change of F A, was observed from the experiment a minimum sensitivity to viscous loading S V.
  • [0050] [0050]
    Gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird, wie in In the preferred embodiment, as shown in 4 4 dargestellt, die Einfangschicht implementiert, indem Rillen shown implements the trap layer by grooves 425 425 auf eine Metallschicht aufgebracht werden, die auf einer Fläche eines piezoelektrischen Kristalls, der in Kontakt mit einem zu messenden Fluid gebracht wird, abgeschieden ist. be applied to a metal layer on a surface of a piezoelectric crystal, which is brought into contact with a fluid to be measured, is deposited. Es können jedoch auch andere Implementationen der Einfangschicht zur Verfügung gestellt werden, von denen einige in However, it can be made available to other implementations of the trap layer, some of which 8 8 dargestellt sind. are shown. So kann zum Beispiel die Einfangschicht gebildet werden, indem eine oder mehrere Flächen des Kristalls For example, the trapping layer can be formed by one or more faces of the crystal 800 800 mit Grübchen versehen werden, oder durch Anbringen eines Überzugsschicht darauf in Form etwa von Kammern be provided with dimples, or by applying a coating layer thereon in the form of some chambers 810 810 , durch Schaffung abgedeckter Tunnels By creating tunnels covered 820 820 (vorzugsweise offen an beiden Enden in Richtung der Fließbewegung), Kanäle u. dgl., entweder in dem Kristall (Preferably open at both ends in the direction of flow movement), u channels. Like., Either in the crystal 840 840 oder durch Abscheiden von Material or by depositing material 830 830 darauf oder durch eine Kombination aus diesen. on or by a combination of these. Am bevorzugtesten erfolgt dies durch das Anbringen von Kammern oder Rillen, die so dimensioniert sind, dass sie in Richtung der Bewegung eine relativ geringe Größe haben im Vergleich zu der Wellenlänge der in dem Fluid induzierten Schallwelle. Most preferably, this is done by the attachment of chambers or grooves, which are dimensioned so that they have a relatively small size in the direction of movement in comparison to the wavelength of the acoustic wave induced in the fluid. Eine ausführliche Erörterung der Möglichkeiten und Erwägungen zur Strukturierung der Resonatoren findet sich in den Martin-Patenten. A detailed discussion of the options and considerations for structuring the resonators can be found in the Martin patents.
  • [0051] [0051]
    Es sollte beachtet werden, dass eine Einfangschicht nicht notwendigerweise auf der Kristalloberfläche selbst angebracht sein muss, sondern dass auch eine Zwischenschicht oder Zwischenschichten zwischen dem Kristall und der Fluideinfangschicht angebracht sein können. It should be noted that a trap layer need not necessarily be mounted on the crystal surface itself, but also that an intermediate layer or intermediate layers may be provided between the crystal and the Fluideinfangschicht. Darüber hinaus kann die Einfangschicht mittels Schneiden, Ätzen, Bohren oder das Abscheiden von Material auf der Kristalloberfläche oder auf der Zwischenschicht zustande kommen. Moreover, the trapping layer can come about by means of cutting, etching, drilling or the deposition of material on the crystal surface or on the interlayer.
  • [0052] [0052]
    Da zahlreiche Verfahren zur Erzeugung einer Einfangschicht existieren, beziehen sich diese Spezifikationen mit Einfangschicht auf jede beliebige Schicht, die an die akustische Wellenvorrichtung gekoppelt oder darin integriert ist, mit Hohlräumen (voids) darin zum Einfangen einer bekannten Menge des gemessenen Fluids in einer solchen Weise, dass die Einfangschicht aufgrund der in den Hohlräumen eingefangenen Masse des Fluids eine Änderung in den Resonanzeigenschaften der akustischen Wellenvorrichtung herbeiführt. Since numerous processes for the production of a trap layer exist, these specifications relate to trap layer to any layer that is coupled to the acoustic wave device or integrated therein, with cavities (voids) therein for trapping a known quantity of the fluid being measured in such a manner that the trapping layer is a change in the resonance characteristics of the acoustic wave device causes a result of the trapped mass of the fluid in the cavities.
  • [0053] [0053]
    Frühere Experimentaldaten mit einem glatten Sensor, dh einem Sensor ohne eine Einfangschicht, zeigen, dass die viskoelastische Beladung zu einer minimalen (oder gar keinen) Frequenzverschiebung der anti-symmetrischen Resonanzfrequenz F A und einem beträchtlichen Frequenzabfall der symmetrischen Resonanzfrequenz F S führt. Earlier experimental data with a smooth sensor, ie a sensor without a trap layer, show that the viscoelastic loading leads to a minimal (or no) frequency shift of the anti-symmetric resonant frequency F A and a significant drop in rate of the symmetric resonant frequency F S. Dies zeigt, dass F A durch die inhärente Physik der Vorrichtung im Wesentlichen gegenüber Viskositätsabweichungen kompensiert wird. This shows that F A is compensated by the inherent physics of the device substantially opposite viscosity deviations. Die Daten haben außerdem gezeigt, dass die einfache Massebeladung, die sich aufgrund von in der Einfangschicht gefangenem Fluid ereignen würde, bei beiden Resonanzfrequenzen zu gleichen Frequenzverschiebungen führt. The data have also shown that the simple mass loading that would occur due to caught in the trap layer fluid at two resonant frequencies leads to the same frequency shifts. Während die nahezu vollständige Orthogonalität zwischen Dichte und Viskosität, die in den Experimentaldaten für F A beobachtet wurde, ggf. nicht bei allen Designs eintritt, sind die Effekte von Viskosität und Dichte in allen Fällen mathematisch trennbar und können in vielen Fällen durch das Design auf natürliche Weise getrennt werden. While the almost complete orthogonality between density and viscosity, which was observed in the experimental data for F A, may not occur for all designs, the effects of viscosity and density in all cases are mathematically separable, and can in many cases the design of a natural way be separated.
  • [0054] [0054]
    Daher wird gemäß einem Aspekt der Erfindung der Einsatz eines Densimeters erwogen, bei dem nur die F A -Resonanzfrequenz eines gekoppelten Zweipolresonatorsensors mit einer Einfangschicht verwendet wird. Therefore, according to one aspect of the invention, the use of a densimeter is contemplated in which only the F A -Resonanzfrequenz a coupled Zweipolresonatorsensors is used with a trap layer. Ein solcher Densimeter wäre, um hoch genau zu sein, für ggf. vorhandene Restabhängigkeit von der Viskosität in einem gegebenen Verfahren zu kalibrieren, liefert jedoch ein realisierbares Prozessüberwachungsverfahren für Anwendungen mit relativ geringer Präzision, bei denen lediglich die natürliche Orthogonalität verwendet wird. Such a densimeter was to be highly accurate, calibrated for any remainder function of the viscosity in a given process, but provides a feasible method for process monitoring applications with relatively low precision, in which only the natural orthogonality is used.
  • [0055] [0055]
    Ein Densimeter wie vorstehend beschrieben würde eine akustische Wellenvorrichtung mit einer gekoppelten Einfangschicht umfassen, die in Kontakt mit dem gemessenen Fluid ist. A densimeter, as described above would include an acoustic wave device having a coupled trap layer that is in contact with the measured fluid. Wie vorstehend beschrieben, wird die Änderung der Frequenzeigenschaften infolge der eingefangenen Masse als eine Frequenzverschiebung beider Resonanzfrequenzen F S und F A dargestellt. As described above, the change of the frequency characteristics as a result of the trapped mass as a frequency shift of the two resonant frequencies F S and F A is represented.
  • [0056] [0056]
    Die bevorzugte einfachste Densimeterschaltung, die in diesen Spezifikationen in Betracht gezogen wird, verwendet einen Teilsatz des Blockdiagramms gemäß The preferred easiest Densimeterschaltung that is drawn in these specifications when used a subset of the block diagram in accordance with 5 5 . , Die Resonanzfrequenz F A wird durch Einsatz des Sensorelementes The resonance frequency f a is through the use of the sensor element 510 510 als dem Rückkopplungselement eines Nullphasenverstärkers as the feedback element of a zero-phase amplifier 520 520 ausfindig gemacht. traced. Bei der Nullphasenresonanz F A ereignet sich in dieser Schleife eine Schwingung, wenn der Verstärkungsfaktor größer ist als der Sensorelementverlust und die Nettophase der Teilschwingung im Wesentlichen Null oder ein Mehrfaches von 2π ist. In the zero-phase resonance F A occurs in this loop, an oscillation, if the amplification factor is larger than the sensor element loss and the net phase of the oscillation portion is substantially zero or a multiple of 2π is. Die Frequenz wird mittels einer Frequenzerfassungseinheit wie einem Frequenzzähler The frequency is by means of a frequency detection unit such as a frequency counter 525 525 gemessen. measured.
  • [0057] [0057]
    Um sowohl die Viskosität als auch die Dichte zu messen, wird die Resonanzfrequenz F S wird durch Einsatz des Sensorelementes To measure the viscosity as well as the density, the resonant frequency F S is by applying the sensor element 510 510 als dem Rückkopplungselement eines 180°-Verstärkers as the feedback element of a 180 ° Amplifier + 530 530 und einer Frequenzerfassungsschaltung wie des Frequenzzählers and a frequency detection circuit as of the frequency counter 535 535 verfolgt. tracked. Ohne dass dies dargestellt wird, erkennt der Fachmann, dass zur Erfassung der Gleichtaktfrequenzverschiebung eine andere Schaltungsanordnung, wie zB Frequenzmischung u. dgl. gleichermaßen verwendbar ist. Without this being shown, the skilled in the art that for the detection of equal clock frequency shift of other circuitry such as frequency mixing u. The like. Is equally usable. Unter Verwendung der oben beschriebenen Verfahren der Patentanmeldung No. Using the above-described method of Patent Application No. 10/743,986 können die Viskosität und die Schergeschwindigkeit durch Verwendung der Summe und der Differenz der Leistungsniveaus P INA und P OUTA bzw. 10 / 743.986, the viscosity and the shear rate by using the sum and the difference of the power levels P and P INA and OUTA P INS und P OUTS gemessen werden. P INS and OUTS P are measured.
  • [0058] [0058]
    Wie aus As from 6A 6A ersichtlich, beinhaltet ein einfaches Verfahren zur Messung der Dichte nur die Messung der Resonanzfrequenz F A ohne jegliche Massebeladung seen to provide a simple method for measuring the density includes only the measurement of the resonant frequency F A without any mass loading 605 605 , indem das zu messende Fluid auf den Sensor gegeben und die Resonanzfrequenz F A ', die von der in der Einfangschicht By passing the fluid to be measured supplied to the sensor and the resonant frequency f A 'of the trap layer in the 610 610 eingefangenen Masse beeinflusst wird, gemessen wird. trapped mass is affected, is measured. Die Frequenzverschiebung wird berechnet als die Differenz zwischen der Resonanzfrequenz im beladenen Zustand F A ' und im unbeladenen Zustand F A mal einer Konstante A·H(η)/S M ·V The frequency shift is calculated as the difference between the resonance frequency in the loaded state F A 'and F in the unloaded state A times a constant A H · (η) / M · V S 620 620 , wobei A die effektive Fläche des Sensors, H(η) eine Kalibrierungsfunktion zum Ausgleich viskoser Resteffekte, S M die Massensensitivität der Flüssigphasenwellenvorrichtung und V das Volumen des in der Einfangschicht eingefangenen Fluids ist. Where A is the effective area of the sensor, H (η), a calibration function to compensate for effects of viscous residue, S M is the mass sensitivity of the liquid phase wave device and V is the volume of the trapped in the trapping fluid. Der erste Schritt des Messens von F A ohne Massebeladung ist nicht für jede Messung erforderlich und kann nur einmal oder je nach Bedarf für Kalibrierungszwecke erfolgen. The first step of measuring F A without mass loading is not required for each measurement and can be carried out only once, or as needed for calibration purposes.
  • [0059] [0059]
    Es besteht auch die Möglichkeit, das Viskositäts-Dichte-Produkt der Flüssigkeit durch Messen des Leistungsverlustes zwischen dem Eingangs- und Ausgangswandler bei gleichzeitiger Messung der Dichte über die Frequenzverschiebung der F A -Resonanzfrequenz zu messen. It is also possible to measure the viscosity-density product of liquid by measuring the power loss between the input and output transducers at the same time measurement of the density over the frequency shift of the F A -Resonanzfrequenz. Ein solcher Sensor könnte sich zum Ausgleich der Resteffekte der Viskosität auf die Dichtemessung selbst kalibrieren und könnte Daten über die akustische Viskosität (ρη), die Grenzviskosität (η) oder die kinematischen Viskosität (η/ρ) liefern und gleichzeitig eine Direktmessung der Dichte sein. Such a sensor could be calibrated to the density measurement to compensate for the residual effects of the viscosity itself and could data on the acoustic viscosity (ρη), the intrinsic viscosity (η) and the kinematic viscosity (η / ρ) provide and be a direct measurement of the density at the same time.
  • [0060] [0060]
    Wenn die Orthogonalität der Viskositäts- und Dichteeffekte auf F A unzureichend ist, kann die Viskosität berechnet werden, If the orthogonality of the viscosity and density effects on F A is insufficient, the viscosity can be calculated, 650 650 , durch die Verwendung von Messungen der Leistungsniveaus P OUTA und P INA oder aus einer externen Quelle erhalten werden. Can be obtained by the use of measurements of the power levels P and P OUTA INA or from an external source. Diese Daten können dann mit vorausbestimmten Kalibrierungsdaten zur Korrektur des Dichtewertes verwendet werden. This data can then be used with pre-determined calibration data for correcting the density value. Die korrigierte Dichte wird berechnet als ρ CORR = A·H(η)·(F A ' – F A )/(S M ·V), wobei H(η) eine zuvor bestimmte Kalibrierungsfunktion ist. The corrected density is calculated as ρ · CORR (Q A '- F A) = A · H (η) / (S M · V), where H (η) is a previously determined calibration function.
  • [0061] [0061]
    Daten über die Fluidviskosität Data on the fluid viscosity 650 650 werden wie oben geschätzt oder aus einer externen Quelle entnommen. be earlier estimated or taken from an external source. Die Viskositätsdaten werden dazu verwendet, eine geeignete Kalibrierungstabelle für den bei der angenommenen Viskosität The viscosity data is used, a suitable calibration table for assumed in viscosity 650 650 arbeitenden Sensor auszuwählen, und die Tabelle wird dazu verwendet, unter Einsatz der bei Schritt select operating sensor, and the table is used, at step using the 635 635 erhaltenen Frequenzverschiebung und der geeigneten Tabelle die Fluiddichte zu berechnen. obtained frequency shift and the appropriate table to calculate the fluid density. Während sämtliche Berechnungsschritte von Hand vorgenommen werden können, ist eine rechnergestützte Lösung eindeutig vorzuziehen, was dem Fachmann einsichtig ist. While all calculation steps can be done manually, a computer-based solution is clearly preferable to what the person skilled insightful. Spezialisierte Schaltungen, die keine spezifische Software erfordern, können ebenfalls verwendet werden. Specialized circuits, which do not require specific software, can also be used. Außerdem sollte beachtet werden, dass der Viskositätseffekt in manchen Fällen minimal sein kann, und daher die Schritte des Auswählens einer geeigneten Kalib rierungstabelle ggf. nicht erforderlich sind. It should also be noted that the viscosity effect in some cases may be minimal, and therefore, the steps of selecting a suitable Calib rierungstabelle possibly not required. Selbstverständlich erstreckt sich die Erfindung auch auf eine solche Ausführungsform. Of course, the invention also extends to such an embodiment.
  • [0062] [0062]
    Es ist möglich, sowohl die Viskosität als auch die Dichte gleichzeitig zu messen, indem sowohl die symmetrischen als auch die anti-symmetrischen Resonanzfrequenzen gemessen werden, wobei der Unterschied zwischen den Frequenzen in erster Linie von dem Viskositäts-Dichte-Produkt abhängt und die Frequenz der zweiten Resonanzfrequenz F A in erster Linie von der Dichte abhängt. It is possible to measure both the viscosity and density simultaneously by using both the symmetric and the anti-symmetric resonance frequencies are measured, the difference between the frequencies depends primarily on the viscosity-density product, and the frequency of the second resonant frequency F A in the first place dependent on the density.
  • [0063] [0063]
    Es ist zu beachten, dass, während die Dichte allein durch Messung der antisymmetrischen Frequenz erhalten werden kann, zu erwarten ist, dass die Messung eine bessere Genauigkeit liefert, wenn sie unter Verwendung von Informationen über die Viskosität aus den Veränderungen in ΔF = F A – F S kompensiert wird. It should be noted that, while the density can not be obtained merely by measuring the anti-symmetrical frequency, it is expected that the measurement gives a higher accuracy when using information about the viscosity due to changes in .DELTA.F = F A - F S is compensated. Beide Resonanzfrequenzen werden in einem Referenzmedium, typischerweise Luft, und in der Flüssigkeit gemessen. Both resonance frequencies are measured in a reference medium, typically air, and in the liquid. Die antisymmetrische Resonanzfrequenz F A wird gemessen wie oben dargelegt. The antisymmetric resonance frequency f a is measured as set forth above. Außerdem wird ein zweiter Verstärker mit einer 180°-Phasenverschiebung In addition, a second amplifier having a 180 ° phase shift 530 530 zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Sensorelements between the input and the output of the sensor element 510 510 angeschlossen. connected. Diese zweite Oszillatorschleife erzeugt ein Signal mit der Frequenz F S , die von dem Frequenzzähler This second loop oscillator generates a signal at frequency F S, of the frequency counter 535 535 gezählt wird. is counted. Die beiden Oszillatoren werden mittels Schaltelementen gesteuert. The two oscillators are controlled by actuators. Optional werden die Schaltelemente durch andere Mittel zur Isolierung der beiden Rückkopplungspfade, wie zB Frequenzweichen, ersetzt oder ergänzt. Optionally, the switching elements are replaced or supplemented by other means of isolation of the two feedback paths, such as crossovers. Da das Zusammenschalten von gegenphasigen Verstärkern bei den Verstärkern zu einem Kurzschluss, zu Nebensignaleffekten u. dgl. führen kann, ist es wichtig, die Verstärker zu isolieren. Since the interconnection of antiphase amplifiers at the amplifiers to a short circuit, and to crosstalk. Etc. may result. It is important to isolate the amplifier. Hierfür gibt es viele bekannte Beispiele, wie zB dass die Leistungszufuhr der Verstärker abwechselnd geschaltet oder dass der Verstärkerausgang je nach Bedarf geschaltet wird. For this purpose, there are many known examples, such as that the power supply of the amplifier switched or alternately that the amplifier output is switched as needed. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird der Betrieb der Verstärker von einer Zentraleinheit (CPU) According to the preferred embodiment of the operation of the amplifier is supplied from a central processing unit (CPU) 555 555 gesteuert. controlled.
  • [0064] [0064]
    Die Änderung in der Differenz zwischen den beiden Frequenzen zwischen Betrieb in Luft (F A -F S ) und in der Flüssigkeit, (F A '-F S ') wird in Beziehung gesetzt zu dem Produkt aus Dichte und Viskosität, während die Änderung in F A von der Dichte abhängt. The change in the difference between the two frequencies between operation in air (F A -F S) and the liquid (F A -F S ') is related to the product of density and viscosity, while the change in F A depends on the density. Das nichtlineare System zweier Gleichungen in zwei Unbekannten wird mittels numerischer Standardverfahren unter Einsatz eines Computers gelöst. The non-linear system of two equations in two unknowns is solved by standard numerical methods using a computer. Während eine Messung von F A aufgrund ihrer minimalen Abhängigkeit von der Viskosität vorgezogen wird, kann jeder beliebige Frequenzpunkt auf der elektrischen Antwort verfolgt und es können die viskositätsbedingten Verschiebungen der gemessenen Frequenz herauskompensiert werden, wobei dieses Messen von Phasenänderungen bei einer konstanten Frequenz in der Nähe der "gemessenen Frequenz" dem Messen von Änderungen in dieser Frequenz gleichwertig ist. During a measurement of R A is preferred from the viscosity due to their minimal dependence, any frequency point can be tracked on the electrical response, and it can be compensated out, the viscosity-related shifts in the measured frequency, said measuring phase changes at a constant frequency near the "measured frequency" the measuring changes in this rate is equivalent.
  • [0065] [0065]
    7 7 zeigt ein vereinfachtes Schaltungsblockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. shows a simplified circuit block diagram of a preferred embodiment of the invention. Eine akustische Wellenvorrichtung An acoustic wave device 710 710 mit einer Einfangschicht with a trapping 720 720 , die als metallisierte Schicht mit dorthinein geschnittenen Rillen That as a metallized layer therein cut grooves 725 725 ausgebildet ist, bedeckt im Wesentlichen den gesamten akustisch aktiven Teil (den Teil, der über in Resonanzstrukturen gefangene akustische Energie verfügt) der Oberfläche des Kristalls in Kontakt mit dem Fluid. is formed substantially covers the entire acoustically active part (the part that caught on in resonance structures acoustic energy features) of the surface of the crystal in contact with the fluid. Die Rillen sind relativ klein im Vergleich zu der Wellenlänge der akustischen Welle in dem Fluid. The grooves are relatively small compared to the wavelength of the acoustic wave in the fluid. Der mit Rillen versehene Bereich bedeckt vorzugsweise den gesamten in Kontakt mit dem Fluid stehenden Bereich, und die Rillen besetzen etwa 50% des metallisierten Bereichs. The grooved area preferably covers the whole area in contact with the fluid region, and the grooves occupy about 50% of the metallized area. Der mit Rillen versehene Bereich bedeckt den Oberflächenbereich beider gekoppelter Resonatoren und vorzugsweise einen jeweils gleichen Teil; The grooved area covers the surface area of the two coupled resonators and preferably a respective same part; am bevorzugtesten bedeckt er den gesamten Oberflächenbereich beider Resonatoren und die Kopplungsregion dazwischen. most preferably it covers the entire surface area of the two resonators and the coupling region therebetween. Die Berechnung des Volumens des in den Rillen gefangenen Fluids erfolgt mittels einfacher Geometrie, da Länge, Breite und Tiefe der Rillen bekannt sind. The calculation of the volume of fluid is trapped in the grooves by means of simple geometry as length, width and depth of the grooves are known.
  • [0066] [0066]
    Zwei Verstärker, von denen ein erster Nullphase Two amplifiers, of which a first zero-phase 730 730 aufweist und ein zweiter um 180° gegenüber einem darin verstärkten elektrischen Signal phasenverschoben ist, and having a second phase shifted by 180 ° with respect to an amplified electrical signal therein, 740 740 , sind zwischen dem Eingangs- Are between the input 735 735 und dem Ausgangswandler and the output transducer 745 745 gekoppelt. coupled. Die Verstärker sind über geeignete Schaltkreise angeschlossen (nicht dargestellt). The amplifiers are connected via suitable circuitry (not shown). Bei F S stellt der an die akustische Flüssigphasenwellenvorrichtung gekoppelte Resonatorfilter eine Übertragungsphase von typischerweise 180° zur Verfügung, während er bei der antisymmetrischen Frequenz F A typischerweise eine Übertragungsphasenverschiebung von 0° zur Verfügung stellt. At F S represents the coupled to the acoustic wave device resonator filter liquid phase transfer phase of typically 180 ° available, while typically provides a transmission phase shift of 0 ° is available at the antisymmetric frequency F A. Der Verstärker The amplifier 740 740 oszilliert mit F s , und der Verstärker oscillates at F s and the amplifier 730 730 mit oszilliert mit F A . with oscillating with F A. Das Unterstützen von Kopplung/Entkopplung, die Einstellung der Verstärkung und andere für den Betrieb der Verstärker als Oszillatoren benötigte allgemeine Bestandteile sind allgemein bekannt und werden hier nicht erörtert. The supporting coupling / decoupling, the adjustment of the gain and another for the operation of the amplifier as required oscillators common components are well known and will not be discussed here. Anstelle vorgesehener Frequenzzähler Instead intended frequency counter 760 760 und and 765 765 sind auch andere Mittel, um verschiedene Spannungen zu erhalten und um Frequenzen zu addieren, einschließlich Frequenz-Spannungs-Wandlern oder eines Einsatzes von Mischern gleichermaßen geeignet und können hierfür in Erwägung gezogen werden; Other means to obtain different voltages and frequencies to add, including frequency-to-voltage converters or of an insert of mixers are equally suitable for this purpose and can be considered; doch da es sich dabei um bekannte Verfahren handelt, werden diese nicht ausgeführt oder dargestellt. but since this is known methods, they are not executed or displayed.
  • [0067] [0067]
    Gemäß diesen Spezifikationen sind Elastizität und Viskosität die reellen und imaginären Teile des komplexen viskoelastischen Moduls μ + jωη. According to these specifications elasticity and viscosity of the real and imaginary parts of the complex viscoelastic modulus μ + jωη. In der Materialanalyse besteht der weit verbreite Wunsch, die viskoelastischen Eigenschaften als Funktion von Schergeschwindigkeit und Temperatur zu charakterisieren, ohne Fehler aufgrund unzureichender Kenntnis der dazugehörigen Dichte. The material analysis is the widespread desire to characterize the viscoelastic properties as a function of shear rate and temperature without error due to inadequate knowledge of the corresponding density.
  • [0068] [0068]
    Es sollte beachtet werden, dass nicht newtonsche Flüssigkeiten basierend auf Frequenzdaten und auf Leistungsverlustdaten andere Viskositätsschätzungen ergeben würden. It should be noted that non-Newtonian fluids would arise based on frequency data, and performance data different viscosity loss estimates. Der viskoelastische Effekt unter diesen Bedingungen ist in einer nicht newtonschen (zB Maxwellschen) Flüssigkeit anders. The viscoelastic effect under these conditions is in a non-Newtonian (eg Maxwell) fluid differently. Der Erfinder zieht daher ferner die gleichzeitige Messung von Dichte, Viskosität, effektiver Scherelastizität und Schergeschwindigkeit durch Einsatz sowohl von ΔF und Leistungsverlustdaten in Erwägung, um sowohl die reellen (Elastizität) als auch die imaginären (Viskosität) Bestandteile der Viskoelastizität zu erhalten und dabei F AVE und die Durchschnittsleistung einzusetzen, um die Dichte- und Schergeschwindigkeitsdaten zu erhalten. The inventor therefore further contemplates the simultaneous measurement of density, viscosity, effective shear elasticity and shear rate by using both of .DELTA.F and loss of performance data into consideration in order to obtain both the real (elasticity) and the imaginary (viscosity) components of the viscoelasticity while F AVE and using the average power to obtain the density and shear rate data. Unter Verwendung der oben beschriebenen Verfahren der US-Patentanmeldung 10/743,986 ist es ferner möglich, diese Berechnung für verschiedene Schergeschwindigkeiten durchzuführen. Using the above-described method of U.S. Patent Application 10 / 743.986, it is also possible to perform this computation for different shear velocities. Da die Dichte von der Schergeschwindigkeit unabhängig ist, ist es möglich, Fehler bei der Trennung von Dichte und Viskoelastizität zu eliminieren, die aufgrund von mit nicht newtonscher Viskosität in Verbindung stehenden Messfehlern auftreten können. Since the density of the shear rate is independent, it is possible to eliminate error in the separation of density and viscoelasticity, which can occur due to associated with non-Newtonian viscosity measurement errors. Solche Modelle und Algorithmen werden vom Fachmann als gleichwertig betrachtet. Such models and algorithms are considered by the expert as equivalent.
  • [0069] [0069]
    Daher ist die bevorzugteste Ausführungsform der Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur unabhängigen Messung der Dichte, bei der bzw. dem eine gleichzeitige Messung der Dichte und Viskosität erfolgt und/oder gleichzeitige Messungen von Dichte und komplexer Viskoelastizität einer Probe bei einer bekannten Schergeschwindigkeit erfolgen. Therefore, the preferred embodiment of the invention, an apparatus and a method for independent measurement of the density, or the place at which a simultaneous measurement of density and viscosity takes place and / or simultaneous measurement of density and complex viscoelasticity of a sample at a known shear rate. Bei der Vorrichtung wird ein gekoppelter Resonatorfilter verwendet, der über eine Einfangschicht in Kontakt mit der Probenflüssigkeit steht. In the apparatus, a coupled resonator filter is used which is connected via a trap layer in contact with the sample liquid. Der Resonatorfilter hat zwei oder mehr gegenseitig gekoppelte Resonanzhohlräume, von denen wenigstens einer an einen Eingangswandler gekoppelt und wenigstens einer an einen Ausgangswandler gekoppelt ist, und bietet daher wenigstens eine elektrische Zweipolübertragungsfunktion vom Eingangspol zum Ausgangspol. The resonator has two or more mutually coupled resonant cavities least one of which is coupled to an input transducer and at least one coupled to an output transducer, and provides at least one electrical Zweipolübertragungsfunktion from the input terminal to the output pole. Die Vorrichtung kann prägnant als gekoppelter Zweiport- (separate Eingänge und Ausgänge), Mehrpol- (mehrere separate Resonanzfrequenzen) Resonatorfilter mit strukturierter Oberfläche (two-port (separate inputs and outputs), multi-pole (multiple separate resonant frequencies), textured-surfaced, coupled-resonator filter) beschrieben werden. The device can concisely as coupled two-port (separate inputs and outputs), multipole (separate multiple resonance frequencies) resonator with a textured surface (two-port (separate inputs and outputs), multi-pole (separate multiple resonant frequencies), textured-surfaced , coupled-resonator filter) are described. Das Verfahren zur Verwendung der Vorrichtung beinhaltet das Koppeln der Einfangschicht an das zu messende Fluid, das Anregen der Vorrichtung mittels einer dem Eingangswandler zur Verfügung gestellten elektrischen Wechselenergie. The method of using the device includes the coupling of the trap layer to the fluid to be measured, the excitation of the device by means of a transducer provided to the input alternating electrical energy. Das Messen der Leistungseinfügedämpfung, dh der Differenz zwischen der in den Eingangswandler eingegebenen Energie und der Energie am Ausgang des Ausgangswandlers, liefert ein Maß der Grenzviskosität des Fluids mal seiner Dichte (ηρ). Measuring the Leistungseinfügedämpfung, ie the difference between the energy input into the input transducer and the energy at the output of the output transducer, providing a measure of the intrinsic viscosity of the fluid times its density (ηρ). Die Steuerung des Eingangsleistungsniveaus bietet einen Mechanismus zur Steuerung der Schergeschwindigkeit, mit der die Viskositätsmessung ausgeführt wird. The control of the input power level provides a mechanism to control the shear speed at which the viscosity measurement is performed. Ein Messen der Frequenzverschiebung durch Messen einer ersten Resonanzfrequenz F S und einer zweiten Resonanzfrequenz F A erfolgt wie oben beschrieben. Measuring the frequency shift by measuring a first resonant frequency F S and a second resonant frequency F A is as described above. Die Frequenzverschiebung von F A wird in erster Linie auf die Massebeladung aufgrund des eingefangenen Fluids zurückgeführt, während die Frequenzverschiebung und/oder der Amplitudenwechsel der beiden Resonanzfrequenzen F S und F A Daten liefern, aus denen das Viskositäts-Dichte-Produkt hergeleitet wird. The frequency shift of F A is returned primarily to the mass load due to the trapped fluid during the frequency shift and / or amplitude change of the resonant frequencies F S and F A provide data from which the viscosity-density product is derived. Da die Viskosität entweder von dem Schritt der Einfügedämpfungsmessung oder der vorstehend erläuterten Differenzfrequenzmessung bekannt ist und das Volumen des in der Einfangschicht eingefangenen Fluids aus der Geometrie der Einfangschicht bekannt ist, kann die Herleitung der Dichte des Fluids aus den Daten mittels in der Technik allgemein bekannter mathematischer Manipulationen erfolgen. Since the viscosity is known from either the step of insertion loss or the above-described differential frequency measurement, and the volume of the trapped in the trapping fluid from the geometry of the trap layer is known, the derivation of the density of the fluid from the data means in the art generally known mathematical manipulations take place. Am bevorzugtesten wird auch eine unabhängige Temperaturmessung vorgenommen, um die gemessenen/berechneten Parameter zu der spezifischen Temperatur in Beziehung zu setzen. Most preferably, also an independent temperature measurement is made in order to relate the measured / calculated parameters to the specific temperature in relationship.
  • [0070] [0070]
    Die Gebiete, in denen die Erfindung angewandt werden kann, sind äußerst vielfältig. The regions in which the invention may be applied are extremely diverse. Als nicht einschränkendes Beispiel kann die Erfindung zur In-Situ-Messung der Viskosität und Dichte in einem Herstellungsprozess eingesetzt werden, wie etwa für die Qualität der Streichmasse (slurry) bei der Papierherstellung oder bei Gießverfahren, der Tinte bei Druckverfahren, des Kunststoffs bei Gieß- oder Einspritzverfahren, bei biologisch- und chemisch-medizinischen Verfahren, Destillationsverfahren, wie zB Ölraffinierung u. dgl.. Die Erfindung kann auch zur Überwachung von Fluideigenschaften von Betriebsfluiden, wie zB Öl und Kraftstoff in Verbrennungsmotoren, Turbinen und anderen Maschinen, während des Maschinenbetriebs oder mittels Probenentnahme eingesetzt werden. As a non-limiting example the invention for in-situ measurement of viscosity and density can be used in a manufacturing process, such as for the quality of the coating composition (slurry) in paper manufacture or in casting processes, the ink in printing processes, the plastic in casting or injection process, and with biologically and chemically-medical procedures, distillation methods, such as oil refining. the like .. The invention may also for monitoring fluid properties of functional fluids, such as oil and fuel in internal combustion engines, turbines and other machinery, during engine operation, or be used by means of sampling. Darüber hinaus kann die Erfindung in der Materialanalyse eingesetzt werden, um unter Verwendung kleiner Proben zur Bestimmung der Materialzusammensetzung beizutragen. Moreover, the invention can be used in materials analysis to help using small samples for determining the material composition. Die Erfindung ist eindeutig nützlich zur Analyse flüssiger, halbflüssiger und in manchen Fällen gasförmiger Endprodukte, wie zB Milch, Öl, Acetylen und anderer schwerer Gase, vorgefertigter Streichmasse (slurry), Beton, Heizöl u. dgl. Andere Anwendungen sind den Fachleuten in ihren jeweiligen technischen Gebieten klar, in denen eine kompakte, robuste und genaue Messung der Dichte und Viskosität von Bedeutung ist. The invention is clearly useful for the analysis of liquid, semi-liquid and in some cases gaseous end products, such as milk, oil, acetylene and other heavy gases, prefabricated coating composition (slurry), concrete, fuel oil and. Like. Other applications are the experts in their respective technical areas clear where is a compact, robust and accurate measurement of density and viscosity of importance.
  • [0071] [0071]
    Der Fachmann erkennt, dass es sich bei den physikalischen Strukturen, den Berechnungen, dem Prozessablauf und anderen oben dargestellten Details nur um Beispiele dafür handelt, wie die verschiedenen Aspekte der Erfindung zu realisieren und/oder zu verwenden sind und dass der Fachmann angesichts der flexiblen Beschaffenheit von Elektronik und Software in der Lage sein dürfte, zahlreiche Änderungen hinsichtlich der Ordnung der Schritte, der Struktur, der Software und der elektronischen Schaltungen, die vorstehend beschrieben wurden, vorzunehmen. Those skilled in the art will recognize that it is only Examples are in physical structures, the calculator, the process flow, and other details presented above, how to implement the various aspects of the invention and / or use, and that the skilled artisan in view of the flexible nature of electronics and software should be capable of numerous changes regarding the order of the steps, the structure of the software and electronic circuits that have been described above make. Während eine vollständige Beschreibung dessen gegeben wurde, was gegenwärtig für die besten Verfahren zur Ausführung der Erfindung gehalten wird, richtet sich die Erfindung eindeutig auch darauf, solche Modifikationen und gleichwertigen Lösungen abzudecken, wie sie dem Fachmann erkennbar sind und ist nicht auf die logischen Blockanordnungen, Algorithmen, elektronischen Schaltungen, physikalischen Aspekte oder anderen Aspekte der Beschreibung und Zeichnungen beschränkt, die jeweils nur als nicht einschränkendes Beispiel anzusehen sind. While a complete description of which has been given to what is presently considered to be the best method for practicing the invention, the invention is directed clearly also pointed to cover such modifications and equivalent solutions, such as those skilled in the visible and is not in the logical block assemblies, algorithms, electronic circuits, physical aspects, or other aspects of the description and drawings limited, are only to be regarded as a non-limiting example.
  • Zusammenfassung Summary
  • Messungen von Dichte und Viskoelastizität mittels eines einzelnen akustischen Wellensensors Measurements of density and viscoelasticity using a single acoustic wave sensor
  • [0072] [0072]
    Ein Sensor, Verfahren und System zur Messung bestimmter Eigenschaften eines Fluids. A sensor method and system for measuring certain properties of a fluid. Bei dem Sensor wird eine piezoelektrische Vorrichtung mit wenigstens zwei eng gekoppelten Resonatoren eingesetzt, die eine elektrische Zweipolübertragungsfunktion bereitstellt, die auf ein elektrisches Signal anspricht, das an den Eingangsresonator gekoppelt ist. In the sensor, a piezoelectric device having at least two closely-coupled resonators is used, which provides an electrical Zweipolübertragungsfunktion responsive to an electrical signal, which is coupled to the input resonator. Der piezoelektrische Sensor hat eine strukturierte Einfangschicht, die so konstruiert, ist, dass sie ein bekanntes Volumen des Fluids einfängt und sowohl das eingefangene Fluid als auch das umgebende nicht eingefangene Fluid einer Bewegung unterwirft. The piezoelectric sensor has a textured trap layer that is constructed is that they capture a known volume of the fluid and subjecting both the captured fluid and the surrounding not trapped fluid movement. Die Gleichtaktfrequenzverschiebung der beiden Resonanzfrequenzen wird in Beziehung gesetzt zur Massebeladung aufgrund des eingefangenen Fluids, während die von dem Fluid absorbierte Energie oder eine Phasenverschiebung einer der Resonanzfrequenzen in Beziehung zu dem Viskositäts-/Dichteprodukt des Fluids gesetzt wird. The DC shift clock frequency of the two resonant frequencies is related to the mass loading due to the trapped fluid while the absorbed energy of the fluid or a phase shift of the resonance frequencies related to the viscosity / density of the fluid product is set. Das Herausrechnen der Viskosität erfolgt mittels mathematischer Manipulation. The removal computing the viscosity by means of mathematical manipulation. Durch Steuerung des Energieniveaus des elektrischen Eingangssignals, kann die Viskositätsmessung bei einer vorausbestimmten Schergeschwindigkeit durchgeführt werden. By controlling the energy levels of the electrical input signal, the viscosity measurement can be performed at a predetermined shear rate.
Referenced by
Citing PatentFiling datePublication dateApplicantTitle
DE102012002166A1 *1 Feb 20121 Aug 2013Technische Universität DresdenDevice for determining composition of fresh concrete used during construction of building, has sensor to determine oscillation-dependent size which is selected from acceleration, velocity, and rotational speed of rotating element
Classifications
International ClassificationG01N11/16, G01N9/24, G01N9/00
Cooperative ClassificationG01N9/24, G01N2291/02827, G01N11/16
European ClassificationG01N9/24, G01N11/16
Legal Events
DateCodeEventDescription
12 Feb 20098127New person/name/address of the applicant
Owner name: VECTRON INTERNATIONAL.INC., HUDSON, N.H., US
30 Dec 20108110Request for examination paragraph 44
6 Feb 2014R119Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee
Effective date: 20131101