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Gebiet der
Erfindung
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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.
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Hintergrund
der Erfindung
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Dichte,
auch als spezifische Schwerkraft bezeichnet, ist eine wichtige Prozessvariable
in Flüssigphasenherstellungsverfahren
(liquid phase manufacturing processes). Dichte ist definiert als
die Masse eines Stoffs dividiert durch dessen Volumen. Bislang existiert
kein zufrieden stellendes Verfahren zur kontinuierlichen Überwachung
dieser Eigenschaft. Festzustandsmessungen der Dichte, die für fertigungsbegleitende
Messungen (in-process measurements) geeignet sind, erfordern entweder
mehrere Sensoren oder zuvor vorhandene Kenntnisse über zusätzliche Materialparameter
(z.B. Druckelastizitätsmodul
oder Viskosität)
oder eine sorgfältige
Kontrolle von Fließeigenschaften
(z.B. im Rahmen der Messung der Coriolis-Kraft).
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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. 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. 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. Bei vielen dieser Verwendungsarten ist zugleich die Messung
der Dichte erforderlich.
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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. 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. Die Schergeschwindigkeit ist definiert
als der Gradient der Geschwindigkeit der Flüssigkeit parallel zur Oberfläche (Meter
pro Sekunde) mit zunehmender Entfernung von der Oberfläche (Meter).
Die Einheit der Schergeschwindigkeit ist 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.
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Hydrodynamische
Eigenschaften von Flüssigkeiten
werden durch die Geschwindigkeit von Scherschallwellen (shear sound
waves) in einer Flüssigkeit
quantifiziert. Eine ideale Flüssigkeit,
die weder Scherelastizität
noch Viskosität
aufweist, kann nicht Träger
für eine
Scherschallwelle sein. Ein elastischer Feststoff mit einer Schersteifigkeit
(shear stiffness) μs kann eine Scherschallwelle tragen, die
sich durch den Feststoff im Wesentlichen wie die besser bekannte
Druck schallwelle (compressional sound wave) ausbreitet. Die Geschwindigkeit
der Welle ist (μs/ρs)1/2, wobei ρs die
Dichte des Feststoffs ist. Viskose Flüssigkeiten können Träger einer
Scherschallwelle sein; 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.
Die komplexe Geschwindigkeit dieser Wellen ist (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.
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Diese "Schallwellen" stehen in Beziehung
zu der Fließbewegung
von Flüssigkeiten
in eingeschlossenen Geometrien, wie z.B. Kapillaren, Rohren und den
Räumen
zwischen den beweglichen Teilen von Maschinen. Diese Fließbewegungen
werden bestimmt von dem Verhältnis
der Grenzviskosität
(intrinsic viscosity) η zur
Dichte des Stoffs ρ.
Das Verhältnis ist
bekannt als kinematische Viskosität (kinematic viscosity), ηk = η/ρ, und hat
als Einheit Fläche
durch Zeit (m2/s).
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Es
gibt Densimeter (densitometers), die Änderungen in der Resonanzfrequenz
einer Stimmgabel (tuning fork) messen, während diese mit Prüfflüssigkeit
gefüllt
wird. Das Verfahren ist in hohem Maße anfällig für Schwingungen bzw. Vibrationen.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Sensor zur Verfügung zu
stellen, der gegenüber
den meisten Schwingungsniveaus unempfindlich ist. 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.
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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.
Allerdings sind diesem Ansatz bei übertragungsbasierten Systemen
(akustische Spektroskopie) aufgrund der Komplexität der Struktur
und der Signalanalyse enge Grenzen gesetzt. Bei diesen Systemen
kommen typischerweise Impulsabtastechosysteme zum Einsatz, bei denen
ein Signal beim Weg durch die Probe mehreren Übertragungen unterliegt. Die
Systeme sind in äußerstem
Maße davon
abhängig,
dass die Pfadlänge
in der Probe genau bekannt ist. Eine bevorzugte Lösung würde auf einen
einzigen Kontaktpunkt und eine örtliche
Messung zurückgreifen.
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Stimmgabelverfahren
messen das Produkt aus Dichte und Elastizitätsmodul oder das Produkt aus
Dichte und Viskosität
und werden gegenwärtig als
Densimeter angeboten. 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.
Diese Verfahren erfordern eine vorherige Kenntnis des Elastizitätsmoduls
und eine sorgfältige Kontrolle
der Tiefe des Einführens
der Stimmgabel in die Probe. 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.
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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. Die Leistungsübertragung von
einem Medium zum anderen wird von dem Verhältnis der akustischen Impedanzen
der Stoffe bestimmt. Die Leistungsübertragung akustischer Energie
zwischen einem Wellenleiter aus einem Feststoff und einer angrenzenden
Flüssigkeit
bildet die Basis verschiedener Viskosimeter. 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.
Die akustische Impedanz der Scherwelle in dem Feststoffwellenleiter
ist die Quadratwurzel des Produkts der Dichte ρs und der
elastischen Schersteifigkeit μS. Sie ist überwiegend reell (resistiv)
und ist analog zu der charakteristischen Impedanz einer nahezu verlustfreien Übertragungsleitung
in der Elektromagnetik. Die akustische Impedanz einer Scherwelle
in einer viskosen Flüssigkeit
ist die Quadratwurzel des Produkts des Steifigkeitsterms jωη und der
Dichte ρ. Die
charakteristische Impedanz der viskosen Flüssigkeit ist typischerweise
sehr klein verglichen mit dem elastischen Feststoff, was zu einer
niedrigen Leistungsübertragung
führt.
Bei niedrigerer Viskosität
ist die Leistungsübertragung
proportional zu (ωρη)1/2. Daher kann, wenn die Viskosität bekannt
ist, die Dichte gemessen werden.
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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. 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. Die Sensoren
messen Reflexionskoeffizienten der Welle von Feststoff-Flüssigkeits-Grenzen
auf der Grundlage einiger weniger Reflektionsereignisse eines gepulsten
oder kontinuierlich abgestrahlten Wellensignals. Solche Verfahren
bieten weniger Empfindlichkeit und Auflösung der gemessenen Größe als dies für Resonanz-
und multireflektive Vorrichtungen gilt. Die letzteren bieten den
Vorteil einer höheren
Empfindlichkeit aufgrund der kontinuierlichen Wechselwirkung ihrer
akustischen Wellen mit der Feststoff-Flüssigkeits-Grenzfläche. 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. 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.
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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. 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.
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Dieses
Problem wurde durch die Verwendung von auf Mehrpolresonatoren (multi-pole
resonators) basierenden Zwei-Port-Vorrichtungen behoben, bei denen
akustische Scherwellenmoden, wie z.B. 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 z.B. beschrieben in dem US-Patent
6033852 A, erteilt am 7. März
2000 an Andle et al.
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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. Ein Referenzsensor
liefert Daten zu dem Produkt aus Viskosität und Dichte, wobei eine glatte
Oberfläche
Verwendung findet. 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. Die zusätzliche Masse
erzeugt eine finite Frequenzverschiebung mit einem geringen oder
keinem Leistungsverlust zusätzlich
zu dem Leistungsverlust und der Frequenzverschiebung der viskos
mitgeführten
Flüssigkeit. 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.
Das Dichte-Viskositäts-Produkt
ist über
die Gleichtaktfrequenzverschiebung (common-mode frequency shift)
verfügbar.
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.
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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. Dieses
Verfahren bietet eine höhere
Frequenz, geringere Größe und verbesserte
Empfindlichkeit auf Kosten von Fertigungskomplexität und des
verfügbaren
Dynamikbereichs. 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.
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In
der US-Patentanmeldung 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. Die akustische Wellenvorrichtung verfügt über eine charakteristische
Beziehung zwischen Eingangsleistung, Ausgangsleistung und einer akustischen
Wellenamplitude in einem ausgewählten Bereich
zwischen dem Eingangs- und Ausgangswandler. Die akustische Wellenvorrichtung
ist an das ge messene Fluid gekoppelt. Ein vorausbestimmtes Leistungsniveau
Pin eines harmonischen Signals wird auf
einen Eingangswandler gegeben, um in dem ausgewählten Bereich eine akustische
Welle auszulösen.
Das Ausgangsleistungsniveau Pout wird an
dem Ausgangswandler gemessen. Unter Verwendung der charakteristischen
Beziehung und der Eingangs- und Ausgangsleistungsniveaus wird die
Amplitude der auf das Fluid übertragenen
durchschnittlichen akustischen Welle berechnet. 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. Wie weiter unten dargelegt, kann diese Erfindung
vorteilhaft mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
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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. Die bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung bieten solche Lösungen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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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. 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. Weitere Gegenstände
der Erfindung gehen für
den Fachmann aus der Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen der
vorliegenden Anmeldung hervor.
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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 z.B. eine Flüssigkeit
oder ein 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.
Die bevorzugte Ausführungsform
bietet ferner die Möglichkeit,
die Schergeschwindigkeit, mit der die Viskositätsmessung durchgeführt wird,
zu messen und/oder zu steuern.
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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. 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. 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.
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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. Der Sensor
umfasst eine akustische Flüssigphasenwellenvorrichtung
(liquid phase acoustic wave device (LPAWD)), die über eine daran
gekoppelte Einfang schicht verfügt.
Die Einfangschicht hat eine strukturierte Oberfläche in Kontakt mit dem Fluid,
die über
ein bekanntes Volumen zum Einfangen des Fluids verfügt; die
Flüssigphasenwellenvorrichtung
verfügt über einen
Eingangs- und einen Ausgangswandler, die elektromechanisch jeweils
an einen ersten und einen zweiten Resonator gekoppelt sind. Die
Resonatoren sind untereinander ausreichend gekoppelt, um die Flüssigphasenwellenvorrichtung
mit einer elektrischen Übertragungsfunktion
zu versorgen, die charakterisiert ist durch wenigstens eine erste
Resonanzfrequenz FS sowie eine zweite Resonanzfrequenz
FA, die im Verhältnis zu Fs eine
Phasenverschiebung von oder etwa von 180° aufweist. Vorzugsweise umfasst
der Schritt des Messens der Dichte ferner die Schritte des Messens
der zweiten Resonanzfrequenz FA und des
Verwendens der gemessenen Resonanzfrequenz und der charakteristischen
Antwort der Flüssigphasenwellenvorrichtung
zur Berechnung der Dichte des Fluids. Der Schritt des Messens umfasst
ferner den Schritt des Verwendens einer Kalibrierungsfunktion um
eine approximierte Viskosität
des Fluids zu berücksichtigen. 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 FA zu oszillieren, und des Bereitstellens
einer Frequenzerfassungsschaltung (frequency sensing circuit) zum
Erfassen von Veränderungen
in der Frequenz der Schwingungen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Messung der
Dichte und Viskosität
eines Fluids zur Verfügung
gestellt. Das Verfahren umfasst die Schritte:
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.
Die Flüssigphasenwellenvorrichtung
LPAWD umfasst einen Eingangs- und einen Ausgangswandler, die elektromechanisch
an einen ersten bzw. einen zweiten Resonator gekoppelt sind. Die
Resonatoren sind zwischen sich ausreichend gekoppelt, um der Flüssigphasenwellenvorrichtung
eine elektrische Übertragungsfunktion
zur Verfügung
zu stellen, die gekennzeichnet ist durch eine erste Resonanzfrequenz
FS und eine zweite Resonanzfrequenz FA mit oder etwa mit 180° Phasenverschiebung gegenüber Fs. Ein elektrisches Eingangssignal wird auf
den Eingangswandler gegeben, und die Dichte und Viskosität des Fluids
werden gemessen. 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. Der Schritt des Messens der Dichte umfasst
vorzugsweise das Messen der Frequenz FA.
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.
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Optional
wird das elektrische Eingangssignal so gesteuert, dass eine vorausbestimmte
Schergeschwindigkeit erzeugt wird, unter der die Viskosität gemessen
wird. Ferner optional wird die Schergeschwindigkeit gesteuert, indem
das elektrische Eingangssignal bei einem Energieniveau PIN gesteuert wird, um eine gewünschte elektrische
Flussdichte der Einfangschicht zu erzeugen.
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Das
Energieniveau P
IN wird unter Verwendung
der Formel: γ . = ωU/δ berechnet,
wobei
die Eindringtiefe der Welle
in ein Fluid mit der Viskosität η und der
Dichte ρ ist,
und wobei die akustische Wellenamplitude
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.
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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.
Gemäß einer
anderen Ausführungsform
umfasst der Schritt des Messens der Viskosität jedoch das Messen der Verschiebung
einer oder beider Resonanzfrequenzen. 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.
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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. Die Resonatoren sind untereinander ausreichend
eng gekoppelt, um eine Vorrichtung mit einer elektrischen Übertragungsfunktion
zu bilden, die durch wenigstens eine erste Resonanzfrequenz FS und eine zweite Resonanzfrequenz FA mit oder etwa mit 180° Phasenverschiebung im Verhältnis zur Frequenz
Fs charakterisiert ist. Der Sensor verfügt über eine
an das Substrat gekoppelte oder darin eingebettete Einfangschicht.
Die Einfangschicht ist direkt oder mittels einer Zwischenschicht
an das Substrat gekoppelt. 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 (d.h. die Rillen können sich
in der Einfangschicht befinden oder darauf abgeschieden sein). 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 FS in der Flüssigkeit.
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. Eine
andere Möglichkeit
besteht darin, dass die Rillen in das Substrate geschnitten sein
können
(z.B. mittels Bohren, Ätzen
u. dgl.). 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. Die
Kammer kann in die Einfangschicht geschnitten oder durch darauf
aufgetragenes Material gebildet sein. Am Bevorzugtesten bildet die Einfangschicht
ein Ganzes mit wenigstens einer Seite des Substrats. Ebenfalls vorzugsweise
bedeckt die Einfangschicht eine annähernd gleiche Fläche von jedem
der Resonatoren und wenigstens 50% der Vorderfläche jedes Resonators. Am Bevorzugtesten bedeckt
die strukturierte Fläche
die gesamte Oberfläche
wenigstens einer Seite der Einfangschicht. Ein solcher Sensor kann
allein für
Dichtemessungen verwendet werden, indem die Resonanzfrequenz FA gemessen wird.
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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 FS und eine zweite Resonanzfrequenz FA mit oder etwa mit 180° Phasenverschiebung zu der Frequenz
FS gekennzeichnet ist, und eine Einfangschicht,
die an das Substrat gekoppelt oder darin eingebettet ist. 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. Ein solcher Sensor kann allein für Dichtemessungen verwendet
werden, indem die Resonanzfrequenz FA gemessen wird,
in welchem Fall die zweite Messeinrichtung nicht erforderlich ist.
Die Einrichtung umfasst ferner vorzugsweise einen Computer, der
dazu ausgebildet ist, die Dichte aus dem gemessenen Produkt und
der gemessenen Dichte zu errechnen. Ein solcher Computer kann ein
Spezialrechner oder ein Universalrechner sein. Die Software in dem
Computer kann leicht angepasst werden, um die benötigten Schritte auszuführen. Die
erste Messeinrichtung umfasst vorzugsweise Frequenzmessgeräte. 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. Die zweite Messeinrichtung umfasst vorzugsweise Schaltungen
zur Messung der Leistungseinfügedämpfung zwischen
dem Eingangs- und Ausgangswandler. Alternativ umfasst die zweite
Messeinrichtung Schaltungen zur Messung der Differenzfrequenzen
zwischen dem ersten und zweiten Oszillator.
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Gemäß der bevorzugtesten
Ausführungsform
wird mittels der Einrichtung die Eingangsenergie gesteuert, um die
Viskosität
bei Veränderungen der
Schergeschwindigkeit zu messen. Optional enthält die Einrichtung ferner einen
Temperatursensor.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung ist im Lichte der anliegenden Zeichnungen besser zu verstehen,
bei denen:
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1 einen
Beispielgraphen einer typischen Frequenzantwort einer einfachen
akustischen Zweiport-, Zweipolvorrichtung ohne jegliche Massebeladungs-
oder Dämpfungseffekte
darstellt;
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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;
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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;
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4a und 4b eine
Seitenansicht und Draufsicht einer vereinfachten Struktur einer
akustischen Wellenvorrichtung mit einer Einfangschicht gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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5 ein
vereinfachtes Blockdiagramm auf hohem Abstraktionsniveau einer elektronischen
Densimeterschaltung darstellt;
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6a ein vereinfachtes Datenflussdiagramm
zu Berechnung der Dichte mittels einer akustischen Wellenvorrichtung
mit einer Einfangschicht darstellt. 6b stellt
ein vereinfachtes Flussdiagramm der frequenzbasierten Dichtemessung
und Leistungsverlustviskositätsmessung
dar. 6c stellt ein vereinfachtes Flussdiagramm
der frequenzbasierten Messungen der Dichte und Viskosität dar;
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7 ein
vereinfachtes Blockdiagramm der Schaltung eines Dichte/Viskositätssensors
gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
darstellt;
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8a eine Vorderansicht einer Einfangschicht
mit hexagonalen Kammern zeigt, 8b eine Vorderansicht
einer Einfangschicht mit verdeckten Tunneln (in gestrichelten Linien
dargestellt) und 8c eine Seitenansicht
der Einfangschicht mit einer Darstellung von zwei möglichen
Konstruktionsverfahren, d.h. durch Abscheiden von Material auf der
Oberfläche
oder durch Entfernen von Material von der Oberfläche. Es versteht sich, dass
auch eine Kombination dieser Verfahren gleichermaßen anwendbar
ist.
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Ausführliche
Beschreibung
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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. 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.
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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. 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.
Die vorliegende Erfindung kann im Allgemeinen auf jede beliebige
akustische Wellenvorrichtung angewandt werden, die eine Kombination
von Wellenverschiebungspolarisationen und/oder Wellengeschwindigkeit
aufweisen, wie z.B. zur Steuerung der Energiedämpfung, die durch Kontakt mit
einer Flüssigkeit
und viskoser Kopplung von Energie in die Flüssigkeit hervorgerufen wird.
Als Oberbegriff ist ein solcher Sensor als eine akustische Flüssigphasenwellenvorrichtung
(liquid phase acoustic wave device) zu bezeichnen. Die Erfindung
bezieht sich auf die Verwendung einer gekoppelten Mehrpol-Resonatorfilterstruktur,
bei der die Flüssigphasenwellenvorrichtung
eingesetzt wird, wobei die bevorzugte Ausführungsform zwei Pole aufweist.
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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. 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. Die Grundlagen einer
solchen gekoppelten Zweipolresonatorfilterstruktur (Two Pole Coupled
Resonator Filter structure) werden ausführlicher dargelegt in einem
Artikel von M.G. Schweyer, J.A. Hilton, J.E. Munson, J.C. Andle,
J.M. Hammond und R.M. 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 M. B. King, L. W. Heep und J. C. Andle
mit dem Titel "1500 MHz
Coupled Resonator Filter",
veröffentlicht
in "Proceedings
of the 1987 IEEE Ultrasonics Symposium", S. 127–130.
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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. 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. Es
existieren eindeutig andere Verfahren zur Erzeugung solcher Mehrpol-Mehrport-Strukturen
und es kann, wie bekannt, verschiedene ähnliche Anschlussverfahren
geben, z.B. durch Bereitstellen getrennter Eingangs- und Ausgangsschaltungen
ohne gemeinsame Masse (floating input und 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.
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Die
Struktur funktioniert, indem sie dafür sorgt, dass aufgrund des
Kopplungsmechanismus eine Übertragung
von Energie zwischen einem Resonator und dem anderen stattfindet.
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. Eine solche kombinierte
Resonanz FS, welche die niedrigere Frequenz
und typischerweise eine 180°-Phasenverschiebung
aufweist, hat eine symmetrische Überlagerung,
während
die kombinierte Resonanz FA, mit der höheren Frequenz
und typischerweise 0°-Phasenverschiebung
eine antisymmetrische Überlagerung
hat. Die beiden gekoppelten Resonatoren müssen nicht notwendigerweise
identisch sein. 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. Der
Grad der Kopplung M ist so, dass M = ΔF/F0 =
2(FA – FS)/(FA + FS) eine quantifizierbare Differenz zwischen
FA und FS ergibt.
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 z.B.
durch, jedoch hierauf nicht beschränkt, Änderung der Anschlusspolarität, Schwankungen
der Wandlerkapazität
und durch Verwendung externer Phasenverschiebungsschaltungen. 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
FS oder FA oder
die Phasenverschiebung gemeint ist, die von einem Verstärker benötigt wird,
um mit FS oder FA oszillieren,
und nicht der spezifische numerische Wert 180° oder 0°.
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Die
allgemeine Form einer solchen Zweipolfrequenzübertragungsfunktion ist zu
einem besseren Verständnis
der Erfindung schematisch in 1 in einer übertriebenen
Form dargestellt. Der Zweipolfrequenzganggraph zeigt, dass der Kristall
wenigstens zwei Resonanzfrequenzen hat, d.h. wenigstens eine symmetrische
Frequenz FS und wenigstens eine antisymmetrische
Frequenz FA, die untereinander eine gegenseitige
Phasenverschiebung von etwa 180° aufweisen.
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. Hoch gekoppelte Hohlräume führen zu weit getrennten Resonanzfrequenzen.
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Daher
umfasst eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung, teilweise schematisch dargestellt in 4a,
ein piezoelektrisches Substrat 410 mit einem Eingangswandler 430 und
einem Ausgangswandler 440, die beide elektromechanisch
an eine in das Substrat eingebettete mechanische Resonanzstruktur
(resonant mechanical structure) (schematisch dargestellt als die
Wellenausbreitungsform 435 bzw. 445) gekoppelt
sind. 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. 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.
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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. Die bevorzugteste Ausführungsform
ist ein Interdigitalwandler (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.
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Der
Eingangs- und der Ausgangsresonator sind außerdem über das Substrat aneinander
gekoppelt und sind gegenseitig gekoppelt, d.h. die in dem Eingangsresonator
entstehende Störung
erreicht den Ausgangsresonator und umgekehrt, um die gewünschte Zweipolfrequenzübertragungsfunktion
bereitzustellen. 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. 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. 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. Eine solche Randwertanalyse ergibt gekoppelte Differentialgleichungen,
die für
die symmetrischen und antisymmetrischen Moden der gekoppelten Struktur
und die zugehörigen
Frequenzen gelöst werden
können.
Diese Berechnungsmethode ist nur eine von vielen, die dem Fachmann
bekannt sind, wobei jede beliebige geeignete Methode angewandt werden
kann. 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. 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.
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Bei
Experimenten wurde beobachtet, dass sich die zwei (oder mehr) Pole
(d.h. Resonanzfrequenzen), wie in 2 dargestellt,
unter verlustfreier Massebeladung im Einklang bewegen, mit im Wesentlichen
konstanter Differenzfrequenz; dagegen verändert der Verlust an Leistung
aufgrund viskoser Dämpfung
die Energielokalisierung der Resonanzhohlräume und verändert somit auch, wie in 3 dargestellt,
den Frequenzabstand zwischen der symmetrischen und der antisymmetrischen
Frequenz sowie die Durchschnittsfrequenz.
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Bei
dem Erfindungsgegenstand wird eine Einfangschicht 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.
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. 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. Die
Kenntnis des Massensensitivitätskoeffizienten
der Frequenz, Sm, 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 ρ = ΔF·A/V·Sm.
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Der
Massensensitivitätskoeffizient
kann aus der Störungstheorie
unter Rückgriff
auf Formeln, die speziell für
die gegebene Resonatorstruktur gelten und dem Fachmann bekannt sind,
geschätzt
werden. Diese Formel ist direkt analog zu der bekannten Quarzkristalldepositionsüberwachung
(quartz crystal deposition monitor) für Dünnschichten. Diese zu einfache
Schätzung
ignoriert die Rolle der Viskosität
als eine Fehlerquelle und geht von einer geeigneten Definition der
Frequenz der elektrischen Antwort aus. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform
eines gekoppelten Zweipolresonatorfilters ist der Wert von ΔF die Änderung
von FA, von der experimentell beobachtet
wurde, dass sie eine minimale Sensitivität gegenüber viskoser Beladung SV aufweist.
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Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform wird,
wie in 4 dargestellt, die Einfangschicht
implementiert, indem Rillen 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. Es können jedoch auch andere Implementationen der
Einfangschicht zur Verfügung
gestellt werden, von denen einige in 8 dargestellt
sind. So kann zum Beispiel die Einfangschicht gebildet werden, indem
eine oder mehrere Flächen
des Kristalls 800 mit Grübchen versehen werden, oder
durch Anbringen eines Überzugsschicht
darauf in Form etwa von Kammern 810, durch Schaffung abgedeckter
Tunnels 820 (vorzugsweise offen an beiden Enden in Richtung
der Fließbewegung),
Kanäle
u. dgl., entweder in dem Kristall 840 oder durch Abscheiden
von Material 830 darauf oder durch eine Kombination aus diesen.
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. Eine ausführliche
Erörterung
der Möglichkeiten
und Erwägungen
zur Strukturierung der Resonatoren findet sich in den Martin-Patenten.
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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.
Darüber
hinaus kann die Einfangschicht mittels Schneiden, Ätzen, Bohren oder
das Abscheiden von Material auf der Kristalloberfläche oder
auf der Zwischenschicht zustande kommen.
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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.
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Frühere Experimentaldaten
mit einem glatten Sensor, d.h. einem Sensor ohne eine Einfangschicht,
zeigen, dass die viskoelastische Beladung zu einer minimalen (oder
gar keinen) Frequenzverschiebung der anti-symmetrischen Resonanzfrequenz
FA und einem beträchtlichen Frequenzabfall der
symmetrischen Resonanzfrequenz FS führt. Dies zeigt,
dass FA durch die inhärente Physik der Vorrichtung
im Wesentlichen gegenüber
Viskositätsabweichungen
kompensiert wird. 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. Während die
nahezu vollständige
Orthogonalität
zwischen Dichte und Viskosität,
die in den Experimentaldaten für
FA 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.
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Daher
wird gemäß einem
Aspekt der Erfindung der Einsatz eines Densimeters erwogen, bei dem
nur die FA-Resonanzfrequenz eines gekoppelten
Zweipolresonatorsensors mit einer Einfangschicht verwendet wird.
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.
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Ein
Densimeter wie vorstehend beschrieben würde eine akustische Wellenvorrichtung
mit einer gekoppelten Einfangschicht umfassen, die in Kontakt mit dem
gemessenen Fluid ist. Wie vorstehend beschrieben, wird die Änderung
der Frequenzeigenschaften infolge der eingefangenen Masse als eine Frequenzverschiebung
beider Resonanzfrequenzen FS und FA dargestellt.
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Die
bevorzugte einfachste Densimeterschaltung, die in diesen Spezifikationen
in Betracht gezogen wird, verwendet einen Teilsatz des Blockdiagramms
gemäß 5.
Die Resonanzfrequenz FA wird durch Einsatz
des Sensorelementes 510 als dem Rückkopplungselement eines Nullphasenverstärkers 520 ausfindig
gemacht. Bei der Nullphasenresonanz FA 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. Die Frequenz wird mittels
einer Frequenzerfassungseinheit wie einem Frequenzzähler 525 gemessen.
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Um
sowohl die Viskosität
als auch die Dichte zu messen, wird die Resonanzfrequenz FS wird durch Einsatz des Sensorelementes 510 als
dem Rückkopplungselement
eines 180°-Verstärkers 530 und einer
Frequenzerfassungsschaltung wie des Frequenzzählers 535 verfolgt.
Ohne dass dies dargestellt wird, erkennt der Fachmann, dass zur
Erfassung der Gleichtaktfrequenzverschiebung eine andere Schaltungsanordnung,
wie z.B. Frequenzmischung u. dgl. gleichermaßen verwendbar ist. Unter Verwendung
der oben beschriebenen Verfahren der Patentanmeldung No. 10/743,986
können
die Viskosität
und die Schergeschwindigkeit durch Verwendung der Summe und der
Differenz der Leistungsniveaus PINA und
POUTA bzw. PINS und
POUTS gemessen werden.
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Wie
aus 6A ersichtlich, beinhaltet ein einfaches
Verfahren zur Messung der Dichte nur die Messung der Resonanzfrequenz
FA ohne jegliche Massebeladung 605,
indem das zu messende Fluid auf den Sensor gegeben und die Resonanzfrequenz FA',
die von der in der Einfangschicht 610 eingefangenen Masse
beeinflusst wird, gemessen wird. Die Frequenzverschiebung wird berechnet
als die Differenz zwischen der Resonanzfrequenz im beladenen Zustand
FA' und
im unbeladenen Zustand FA mal einer Konstante
A·H(η)/SM·V 620,
wobei A die effektive Fläche
des Sensors, H(η)
eine Kalibrierungsfunktion zum Ausgleich viskoser Resteffekte, SM die Massensensitivität der Flüssigphasenwellenvorrichtung
und V das Volumen des in der Einfangschicht eingefangenen Fluids
ist. Der erste Schritt des Messens von FA ohne
Massebeladung ist nicht für
jede Messung erforderlich und kann nur einmal oder je nach Bedarf für Kalibrierungszwecke
erfolgen.
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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 FA-Resonanzfrequenz zu messen. 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.
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Wenn
die Orthogonalität
der Viskositäts-
und Dichteeffekte auf FA unzureichend ist,
kann die Viskosität
berechnet werden, 650, durch die Verwendung von Messungen
der Leistungsniveaus POUTA und PINA oder aus einer externen Quelle erhalten
werden. Diese Daten können
dann mit vorausbestimmten Kalibrierungsdaten zur Korrektur des Dichtewertes
verwendet werden. Die korrigierte Dichte wird berechnet als ρCORR =
A·H(η)·(FA' – FA)/(SM·V), wobei
H(η) eine zuvor
bestimmte Kalibrierungsfunktion ist.
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Daten über die
Fluidviskosität 650 werden wie
oben geschätzt
oder aus einer externen Quelle entnommen. Die Viskositätsdaten
werden dazu verwendet, eine geeignete Kalibrierungstabelle für den bei
der angenommenen Viskosität 650 arbeitenden Sensor
auszuwählen,
und die Tabelle wird dazu verwendet, unter Einsatz der bei Schritt 635 erhaltenen Frequenzverschiebung
und der geeigneten Tabelle die Fluiddichte zu berechnen. Während sämtliche Berechnungsschritte
von Hand vorgenommen werden können,
ist eine rechnergestützte
Lösung
eindeutig vorzuziehen, was dem Fachmann einsichtig ist. Spezialisierte
Schaltungen, die keine spezifische Software erfordern, können ebenfalls
verwendet werden. 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. Selbstverständlich erstreckt sich die Erfindung
auch auf eine solche Ausführungsform.
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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 FA in
erster Linie von der Dichte abhängt.
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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 =
FA – FS kompensiert wird. Beide Resonanzfrequenzen
werden in einem Referenzmedium, typischerweise Luft, und in der
Flüssigkeit
gemessen. Die antisymmetrische Resonanzfrequenz FA wird
gemessen wie oben dargelegt. Außerdem
wird ein zweiter Verstärker
mit einer 180°-Phasenverschiebung 530 zwischen
dem Eingang und dem Ausgang des Sensorelements 510 angeschlossen.
Diese zweite Oszillatorschleife erzeugt ein Signal mit der Frequenz
FS, die von dem Frequenzzähler 535 gezählt wird.
Die beiden Oszillatoren werden mittels Schaltelementen gesteuert.
Optional werden die Schaltelemente durch andere Mittel zur Isolierung
der beiden Rückkopplungspfade,
wie z.B. Frequenzweichen, ersetzt oder ergänzt. 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. Hierfür
gibt es viele bekannte Beispiele, wie z.B. dass die Leistungszufuhr der
Verstärker
abwechselnd geschaltet oder dass der Verstärkerausgang je nach Bedarf
geschaltet wird. Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
wird der Betrieb der Verstärker
von einer Zentraleinheit (CPU) 555 gesteuert.
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Die Änderung
in der Differenz zwischen den beiden Frequenzen zwischen Betrieb
in Luft (FA-FS) und
in der Flüssigkeit,
(FA'-FS')
wird in Beziehung gesetzt zu dem Produkt aus Dichte und Viskosität, während die Änderung
in FA von der Dichte abhängt. Das nichtlineare System
zweier Gleichungen in zwei Unbekannten wird mittels numerischer
Standardverfahren unter Einsatz eines Computers gelöst. Während eine
Messung von FA 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.
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7 zeigt
ein vereinfachtes Schaltungsblockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung. Eine akustische Wellenvorrichtung 710 mit einer
Einfangschicht 720, die als metallisierte Schicht mit dorthinein
geschnittenen Rillen 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. Die Rillen sind relativ klein
im Vergleich zu der Wellenlänge
der akustischen Welle in dem 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. Der
mit Rillen versehene Bereich bedeckt den Oberflächenbereich beider gekoppelter
Resonatoren und vorzugsweise einen jeweils gleichen Teil; am bevorzugtesten
bedeckt er den gesamten Oberflächenbereich
beider Resonatoren und die Kopplungsregion dazwischen. Die Berechnung des
Volumens des in den Rillen gefangenen Fluids erfolgt mittels einfacher
Geometrie, da Länge,
Breite und Tiefe der Rillen bekannt sind.
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Zwei
Verstärker,
von denen ein erster Nullphase 730 aufweist und ein zweiter
um 180° gegenüber einem
darin verstärkten
elektrischen Signal phasenverschoben ist, 740, sind zwischen
dem Eingangs- 735 und dem Ausgangswandler 745 gekoppelt.
Die Verstärker
sind über
geeignete Schaltkreise angeschlossen (nicht dargestellt). Bei FS stellt der an die akustische Flüssigphasenwellenvorrichtung
gekoppelte Resonatorfilter eine Übertragungsphase von
typischerweise 180° zur
Verfügung,
während
er bei der antisymmetrischen Frequenz FA typischerweise
eine Übertragungsphasenverschiebung
von 0° zur Verfügung stellt.
Der Verstärker 740 oszilliert
mit Fs, und der Verstärker 730 mit oszilliert
mit FA. 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.
Anstelle vorgesehener Frequenzzähler 760 und 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; doch da es sich dabei um bekannte Verfahren handelt, werden
diese nicht ausgeführt
oder dargestellt.
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Gemäß diesen
Spezifikationen sind Elastizität
und Viskosität
die reellen und imaginären
Teile des komplexen viskoelastischen Moduls 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.
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Es
sollte beachtet werden, dass nicht newtonsche Flüssigkeiten basierend auf Frequenzdaten und
auf Leistungsverlustdaten andere Viskositätsschätzungen ergeben würden. Der
viskoelastische Effekt unter diesen Bedingungen ist in einer nicht newtonschen
(z.B. Maxwellschen) Flüssigkeit
anders. 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 FAVE und die Durchschnittsleistung einzusetzen,
um die Dichte- und Schergeschwindigkeitsdaten zu erhalten. Unter
Verwendung der oben beschriebenen Verfahren der US-Patentanmeldung 10/743,986
ist es ferner möglich,
diese Berechnung für
verschiedene Schergeschwindigkeiten durchzuführen. 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.
Solche Modelle und Algorithmen werden vom Fachmann als gleichwertig
betrachtet.
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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. Bei
der Vorrichtung wird ein gekoppelter Resonatorfilter verwendet,
der über
eine Einfangschicht in Kontakt mit der Probenflüssigkeit steht. 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. 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. 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. Das Messen der Leistungseinfügedämpfung,
d.h. 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). Die Steuerung
des Eingangsleistungsniveaus bietet einen Mechanismus zur Steuerung
der Schergeschwindigkeit, mit der die Viskositätsmessung ausgeführt wird.
Ein Messen der Frequenzverschiebung durch Messen einer ersten Resonanzfrequenz
FS und einer zweiten Resonanzfrequenz FA erfolgt wie oben beschrieben. Die Frequenzverschiebung
von FA wird in erster Linie auf die Massebeladung
aufgrund des eingefangenen Fluids zurückgeführt, während die Frequenzverschiebung und/oder
der Amplitudenwechsel der beiden Resonanzfrequenzen FS und
FA Daten liefern, aus denen das Viskositäts-Dichte-Produkt
hergeleitet wird. 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. Am bevorzugtesten
wird auch eine unabhängige
Temperaturmessung vorgenommen, um die gemessenen/berechneten Parameter
zu der spezifischen Temperatur in Beziehung zu setzen.
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Die
Gebiete, in denen die Erfindung angewandt werden kann, sind äußerst vielfältig. 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 z.B. Ölraffinierung u. dgl.. Die
Erfindung kann auch zur Überwachung
von Fluideigenschaften von Betriebsfluiden, wie z.B. Öl und Kraftstoff
in Verbrennungsmotoren, Turbinen und anderen Maschinen, während des
Maschinenbetriebs oder mittels Probenentnahme eingesetzt werden.
Darüber
hinaus kann die Erfindung in der Materialanalyse eingesetzt werden, um
unter Verwendung kleiner Proben zur Bestimmung der Materialzusammensetzung
beizutragen. Die Erfindung ist eindeutig nützlich zur Analyse flüssiger,
halbflüssiger
und in manchen Fällen
gasförmiger
Endprodukte, wie z.B. 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.
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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. 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.
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Zusammenfassung
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Messungen von Dichte und
Viskoelastizität
mittels eines einzelnen akustischen Wellensensors
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Ein
Sensor, Verfahren und System zur Messung bestimmter Eigenschaften
eines Fluids. 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. 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.
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. Das Herausrechnen der Viskosität erfolgt
mittels mathematischer Manipulation. Durch Steuerung des Energieniveaus
des elektrischen Eingangssignals, kann die Viskositätsmessung
bei einer vorausbestimmten Schergeschwindigkeit durchgeführt werden.
mittels einer Vorrichtungskonstante C und einem Energieniveau Pavg, bei dem es sich um ein geometrisches Mittel von Leistungsniveaus handelt, an dem Eingangs- und Ausgangswandler gemessen wird.
mittels einer Vorrichtungskonstante C und einem Energieniveau Pavg bestimmt wird, bei dem es sich um ein geometrisches Mittel von Leistungsniveaus PIN und Pout handelt, die bei besagten Eingangs- und Ausgangswandlern gemessen werden.