DE112010003713T5

DE112010003713T5 - Kontrollierte druckwellenkomponenten von dickenschermodus-mehrmessgrössensensoren

Info

Publication number: DE112010003713T5
Application number: DE112010003713T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey C. Andle; Reichl B. Haskell; Dana Y.G. Tucker; Daniel S. Stevens
Original assignee: Delaware Capital Formation Inc; Capital Formation Inc
Current assignee: Delaware Capital Formation Inc; Capital Formation Inc
Priority date: 2009-09-18
Filing date: 2010-09-17
Publication date: 2012-10-25
Also published as: US20110071776A1; US8073640B2; WO2011035147A2; JP5166652B2; WO2011035147A3; JP2013505449A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft die technische Bemessung einer Leitfähigkeits-Dielektrizitäts (Conductivity-Dielectric, CD)-Elektrode mit Öffnungen, die es Druckwellen erlauben, sich unbehindert von der Oberfläche des Schallwellenbauelements fort auszubreiten. Dies verhindert eine Reflexion von Druckwellen, die mit der Viskositätssensoroberfläche interagieren würden und so die Frequenzgänge des Bauelements verändern würden. Es erlaubt das Passieren von Druckwellen, und es ermöglicht die Nutzung von Frequenzgängen von Dualmodus-Viskositätssensoren für die Messung und Korrelation von Dichte, Viskosität und Elastizität. Die Erfindung stellt des Weiteren Instrumentierungsverfahren bereit, um unerwünschte Reflexionen zu detektieren und durch Reflexionen verursachte Verzerrungen zu kompensieren und zu korrigieren. Und schließlich stellt die Erfindung ein System und ein Verfahren zur Nutzung gewollt hervorgerufener Reflexionen zum Erhalten zusätzlicher Informationen, einschließlich der Fluiddichte, bereit.

Description

Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/243685, eingereicht am 18.09.2009; diese Anmeldung wird hiermit für alle Zwecke durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen. US-Anmeldung Nr. 12/036125, eingereicht am 22.2.2008 mit dem Titel „Sensor, System, and Method for Measuring Fluid Properties Using Multi-Mode Quasi-Shear-Horizontal Resonator”; US-Anmeldung Nr. 12/540,339, eingereicht am 12.8.09 mit dem Titel „Instrumentierung of Acoustic Wave Devices”; US-Anmeldung 12/780,869, eingereicht am 15.05.2010 mit dem Titel „Improved Measurement of Fluid Parameters”; US-Anmeldung 12/780,868, eingereicht am 15.05.2010 mit dem Titel „Improved Calibration of High Frequenz Fluid Phase Acoustic Sensors”; US-Anmeldung Nr. 11/814074 mit dem Titel „Electro Acoustic Sensor for High Pressure Environments” an Andle, eingereicht am 20.04.2006; US-Anmeldung Nr. 12/202,431 mit dem Titel „Asymmetric Composite Acoustic Wave Sensor” an Andle und Haskell, eingereicht am 02.09.2008; und US-Anmeldung 12/404,288 mit dem Titel „Improved Lateral Excitation of Pure Shear Modes” an Andle, Haskell und Stevens, eingereicht am 14.03.2009, werden hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft das Messen physikalischer Eigenschaften von Fluidproben. Genauer gesagt, betrifft die Erfindung Bauelemente, Systeme und Verfahren zum gleichzeitigen Bestimmen der Messungs- und Korrelationseigenschaften der Dichte, Scherviskoelastizität und Kompressionselastizität eines Materials wie zum Beispiel Schmieröl oder Kraftstoffen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Es besteht ein zunehmender Bedarf an Mehrmessgrößenmessungen von Fluideigenschaften in industriellen Umfeldern. Als ein konkretes Beispiel sei die Überwachung von Kraftstoffen, Schmierstoffen, Hydraulikfluiden und Kühlmitteln genannt, bei denen die Alterung und Verunreinigung des Fluids überwacht und einer Trendanalyse unterzogen werden muss, um Präuentivwartungspläne optimieren zu können. In der Regel erfordern diese Anwendungen eine Viskositätsmessung zum sofortigen Erkennen eines Totalausfalls und arbeiten mit Leitfähigkeits- und/oder Dielektrizitätsmessungen für prädiktive Messungen. Oft haben die Messprinzipien, die sich am besten für die in-situ-Messung eignen, eine Reihe von Nebenwirkungen, welche die Messwerte im Vergleich zu denen verzerren, die mit Laborausrüstung erhalten werden. Des Weiteren werden oft andere physikalische Fluideigenschaften gewünscht, um die Ursache einer Viskositätsänderung zu qualifizieren.
Trotz mehr als zwanzigjähriger Forschung zur Entwicklung eines kostengünstigen, leistungsstarken Mehrmessgrößen-Fluidzustandssensors gibt es keinen Messungsansatz, der allein in der Lage wäre, gleichzeitig sämtliche interessierenden Fluideigenschaften von Schmierstoffen, Kraftstoffen, Hydraulikfluiden und Kühlmitteln zu detektieren, wie zum Beispiel Kraftstoffverdünnung, Verrußungsgrad, Wasser- und Glykolverunreinigung, Additivverarmung und Verschleißpartikeldetektion.
Zwar sind schon viele Lösungsansätze zum Überwachen dieser Eigenschaften vorgeschlagen worden, doch Vibrationssensoren – und speziell die Festkörperimplementierungen auf der Grundlage piezoelektrischer Bauelemente, die das Fluid mit Schallenergie beaufschlagen – haben sich am vielversprechendsten erwiesen. Im Allgemeinen sind die messbaren Parameter nicht-lineare Funktionen einer harmonischen Frequenz, ω, und der Ansteuerungssignalamplitude des Sensors. Da die funktionalen Formen bekannt sind, und da der Stand der Technik Instrumentierungsverfahren für die Frequenzabhängigkeit und die Amplitudenabhängigkeit bereitstellt, können diese Effekte berücksichtigt werden. Unter Verwendung des Standes der Technik in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung ist es in einigen Anwendungen möglich, die Abhängigkeit zu charakterisieren, und in anderen Anwendungen möglich, die Werte zurück auf Laborbedingungen zu korrigieren. Von besonderem Interesse ist die Rheologie eines Fluids, insbesondere die Beziehung zwischen Scherbelastung und der Rate der Scherbelastung als eine Funktion der Rate der Scherbelastung und der harmonischen Frequenz der Scherbelastung. In der Literatur sind viele pseudoplastische Modelle bekannt.
Zum besseren Verständnis werden in dieser Anmeldung solche Sensoren, die auf piezoelektrischen Vibrationsbauelementen basieren, als Schallwellenbauelement oder AWD (Acoustic Wave Device) bezeichnet. Ein Resonanz-AWD wird in der vorliegenden Anmeldung als ein Bauelement angesehen, das ein kristallines Material umfasst, das mehrere Elektroden aufweist, das eine Bewegung der Kristallfläche in Reaktion auf elektrischen Strom bewirkt, der zwischen mindestens einem Eingangspaar dieser Elektroden anliegt, und umgekehrt ein elektrisches Signal an einem Ausgangspaar von Elektroden erzeugt, wenn Strom an die Kristallfläche angelegt wird. Eine oder mehrere Elektroden können sowohl dem Eingangs- als auch dem Ausgangspaar gemein sein, und das Eingangspaar kann auch als das Ausgangspaar dienen. Der Begriff erstreckt sich auf Dickenschermodus (Thickness Shear Mode, TSM), Oberflächenschallwelle (Surface Acoustic Wave, SAW), Oberflächentransveralwelle (Surface Transverse Wave, STW), Körperschallwelle (Bulk Acoustic Wave, BAW), Quarzkristall-Mikrowaage (Quartz Crystal Microbalance, QCM) und dergleichen. Ein AWD kann unter Verwendung von Plattenmodus, Dickenmodus, Schermodus und Scherdickenmodus, Körperwelle, Querwelle und dergleichen arbeiten und kann jeden zweckmäßigen Schnitt oder jedes zweckmäßige Material verwenden. In der Literatur werden häufig Quarz, Langasit, Langatat, Galliumphosphat, Lithiumniobat und Lithiumtantalat für Sensoranwendungen unter Verwendung von AWD genannt, und es wird davon ausgegangen, dass sich viele neuere Materialien, die ausdrücklich unter die AWD-Definition fallen, in diesem aufkommenden technischen Gebiet als vielversprechend erweisen werden. Es wird angemerkt, dass ein einzelnes AWD gewöhnlich mehrere Resonanzfrequenzen besitzt, die jeweils synonym als ein „Modus” oder ein „Resonanzmodus” bezeichnet werden. Des Weiteren haben selbst Bauelemente, die als „Einzelmodus”-Bauelemente vorgesehen sind, unerwünschte Störmodi.
Das Erhalten von Informationen über die Umgebung, in der das AWD arbeitet, macht das AWD zu einem Sensor. Jedoch muss der Sensor an eine Ausrüstung angeschlossen werden, wie Schaltungen, Computer und dergleichen, um verwertbare Informationen zu liefern. Das Anschlussverfahren, die Hilfsschaltungen und die Art und Weise des Decodierens der Informationen sind gemeinhin als die „Instrumentierung” eines Bauelements bekannt, und das Bereitstellen der Instrumentierung ist als „Instrumentieren” des Bauelements bekannt.
Es sind zahlreiche Sensoren bekannt, die auf der Technologie des piezoelektrischen Schallwellenbauelements (Acoustic Wave Device, AWD) basieren, die möglicherweise die Bedürfnisse wenigstens zum Teil erfüllen. So wurden zum Beispiel Quarzstimmgabeln im US-Patent 6,401,519 an McFarland und Mitarbeiter offenbart; gewellte Dickenschermodus(Thickness Shear Mode, TSM)-Sensoren wurden im US-Patent 5,741,961 durch Martin und Mitarbeiter offenbart, und gewellte Oberflächentransveralwellen (STW, Quermodus) wurden durch Hermann und Mitarbeiter im US-Patent 6,543,274 offenbart. Der monolithische piezoelektrische Sensor (MPS) von Andle, wie im US-Patent 6,033,852 gelehrt, der gewellte MPS von Andle, der im US-Patent 7,552,619 beschrieben ist, die Hochdruck-Verbundresonatoren von Andle, die in den US-Patentveröffentlichungen 2009-0309453 und 2010-0052470-A1 beschrieben sind, der Mehrmoden-Quasi-Scher-Horizontalresonator (Multi-mode, Quasi-Shear Horizontal Resonator, MMQSHR) von Andle, der in den US Patentveröffentlichungen 2009/0216467 und WO2009/105354 offenbart ist, die Lateralfeld-erregte TSM von Vetelino, der im US-Patent 7,075,216 offenbart ist, und der koplanare, zirkular polarisierte Messwandler (Coplanar Circularly Polarized Transducer, CCPT) von Andle, der in der US-Patentanmeldung 12/404,288 offenbart ist, stellen neuere Beispiele dar. Der CCPT umfasst mehrere Elektroden, die auf einer gemeinsamen Oberfläche (planar oder gekrümmt) dergestalt ausgebildet sind, dass eine oder mehrere Elektroden eine funktional geschlossene Form bilden, wobei die mehreren Elektroden mehrere Formen bilden, wobei jede dieser Formen funktional vollständig von einer anderen Form umschlossen wird oder vollständig eine andere Form umschließt und einen Spalt dazwischen definieren. Die Elektroden darin sind als koplanare, zirkular polarisierte Elektroden (Coplanar Circularly Polarized Electrodes, CCPE) definiert, und ein CCPT umfasst mehrere koplanare, zirkular polarisierte Elektroden, die durch mindestens einen Spalt dazwischen getrennt sind. „Funktional geschlossene Form” impliziert, dass ein oder mehrere kleine Spalte in der Form ausgebildet werden können, die zwar die geschlossene Form geometrisch aufbrechen, aber kaum eine Auswirkung auf die zirkulare Polarisation haben, die durch den CCPT bewirkt wird. Dieser Messwandler kann auf eine Vielzahl verschiedener AWDs angewendet werden, ist aber am effektivsten, wenn er dafür verwendet wird, eine Lateralfelderregung in einem Dickenschermodus(Thickness Shear Mode, TSM)-Bauelement zu erzeugen.
Alle oben genannten Patente, Patentveröffentlichungen und Patentanmeldungen werden in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen.
Frühe Arbeiten der Sandia National Laboratories und von anderen, S. J. Martin, V. E. Granstaff und G. C. Frye, „Characterization of a Quartz Crystal Microbalance with Simultaneous Mass and Liquid Loading", Anal Chem 1991, 63, 2272–2281, zeigten sowohl die Anwendbarkeit als auch die Beschränkungen von Quarz-Dickenschermodus(Thickness Shear Mode, TSM)-Sensoren auf. Fünf signifikante Beschränkungen der frühen TSM-Sensoren sind: (a) die Zeitkonstante der statischen Kapazität parallel zum dynamischen Verlustwiderstand begrenzt den Messbereich und die Auflösung; (b) die geringe piezoelektrische Kopplung (k²) von Quarz begrenzt den Messbereich des dynamischen Verlustwiderstandes für ein bestimmtes Instrumentierungssystem; (c) die Maxwellschen Eigenschaften echter Fluide weichen bei typischen Kohlenwasserstoffen oberhalb – 1 MHz erheblich von dem Newtonschen Modell ab; (d) beiläufige Druckwellenkomponenten, die bei TSM-Energiefallen inhärent sind, verursachen bekanntlich fehlerhafte Messungen der Viskositätsverluste; und (e) Reflexionen dieser Druckwellen von einer gegenüberliegenden Fläche erzeugen Resonanzen innerhalb des Fluids zwischen der Kristallfläche und einer benachbarten reflektierenden Fläche.
Ein Quarz-basiertes monolithisches Kristallfilter (Monolithic Crystal Filter, MCF) wurde im Jahr 1997 durch Schweyer und Mitarbeiter, M. Schweyer, J. Hilton, J. Munson, J. Andle, J. Hammond, R. Lec und Q. Lin, „A Novel Monolithic Piezoelectric Sensor", 1997 IEEE International Ultrasonics Symposium, Seiten 371–374, und M. Schweyer, J. Hilton, J. Munson, J. Andle, J. Hammond und R. Lec, „A Novel Monolithic Piezoelectric Sensor", 1997 IEEE International Frequency Control Symposium, Seiten 32–40, als eine Lösung für das parallele Laden der statischen Kapazität von TSM-Bauelementen mit einer einzelnen Öffnung vorgestellt. Die Topologie des MCF platziert die statische Kapazität als zwei Nebenschlusselemente parallel zur Quelle und den Lastwiderständen und nicht parallel zur Übertragung durch den dynamischen Schaltkreis, wodurch die Beschränkungen von (a) oben verstärkt werden.
Um die Messungen von Fluidparametern mittels eines Resonanz-AWD zu vereinfachen, ist es bekannt, das Bauelement nach einem Ersatzschaltbild oder Übertragungsleitungen zu modellieren, die einen oder mehrere vereinfachte messbare elektrische Parameter zu einer oder mehreren physikalischen Eigenschaften des Fluids ungefähr in Beziehung setzen. Es ist üblich, das Verhalten des AWD in einer einzelnen Resonanzfrequenz durch ein einfaches Reihenresonanz-Ersatzschaltbild zu modellieren, das einen Widerstand R_m, eine Induktivität L_m und eine Kapazität C_m, in Reihe geschaltet, umfasst. Das tiefgestellte m bezeichnet eine Bewegungseigenschaft, die durch das „Transformationsverhältnis” von akustisch zu elektrisch des piezoelektrischen Effekts gesehen wird. Solche reduzierten Ersatzschaltbildmodelle werden aus Gründen der rechnerischen Einfachheit und der konzeptuellen Klarheit verwendet.
1.a zeigt das Ersatzschaltbild des zum Stand der Technik gehörenden Einzelöffnungs-TSM, und 1.b zeigt das Ersatzschaltbild des zum Stand der Technik gehörenden monolithischen piezoelektrischen Sensors, der in der jüngeren Vergangenheit als ein Mehrmoden-Quasi-Scher-Horizontalresonator (Multi-mode, Quasi-Scher Horizontal Resonator, MMQSHR) verkörpert wurde. In dem originalen TSM befindet sich die physikalische statische Kapazität 101 der Elektroden parallel zum Resonanzübertragungsweg 102, dargestellt durch einen dynamischen Verlustwiderstand 103, eine dynamische Kapazität 104 und eine dynamische Induktivität 105, die in Reihe geschaltet sind. In dem MMQSHR ist die statische Kapazität in einen Eingangskapazität 111 und eine Ausgangskapazität 112 geteilt, von denen keine im Nebenschluss mit den Übertragungswegen 113 und 114 steht. Der Übertragungsweg 113 hat eine Phasenverschiebung von 0° an seiner Reihenresonanz und wird durch eine dynamische Induktivität 115, eine dynamische Kapazität 116 und einen dynamischen Verlustwiderstand 117 modelliert. Der Übertragungsweg 114 hat eine Phasenverschiebung von 180° an seiner Reihenresonanz und wird durch eine dynamische Induktivität 118, eine dynamische Kapazität 119 und einen dynamischen Verlustwiderstand 121 mit einem 180°-Phasenschieber 121 modelliert.
Diese Neuanordnung der physikalischen Kapazität beseitigt die Notwendigkeit komplexer Kompensationsregimes und erlaubt außerdem den Betrieb eines TSM-Sensors mit isolierten elektrischen Anschlüssen, die undurchdringlich sind und so elektrische Störungen durch das Fluid vermeiden. Des Weiteren erlaubt die Verwendung eines Erregungsschaltkreises mit geringer Quellenimpedanz und eines Strommessungsdetektors mit geringer Lastimpedanz die Messung der Übertragungsadmittanz, Y₂₁, des Elements, wodurch die Resteffekte der physikalischen statischen Kapazität dieser Messwandlerelemente beseitigt werden.
Es kann ein Frequenzdurchlauf-Übertragungsschaltkreis verwendet werden, um den dynamischen Verlustwiderstand aus den Daten der abgetasteten Übertragungsfunktion zu extrahieren und die Resonanzfrequenz über Störungen infolge von Druck, Temperatur und Viskosität zu verfolgen. Eine Reihe von Verfahren erlauben die Messung des realen Teils der Übertragungsfunktion. Die Übertragungsfunktion könnte S₂₁, das durch einen Vektornetzwerkanalysator gemessen wird, H(F), das durch die detektierten RMS-Spannungen gemessen wird, oder Y₂₁ als das Verhältnis des Kurzschluss-Ausgangsstromes zur Eingangsspannung sein. Bei einer Last von 50 Ω sind eine hinreichend kleine statische Kapazität und ein hinreichend großer dynamischer Verlustwiderstand, die realen Teile von S₂₁, H(F) und 50*Y₂₁, mit lediglich moderaten Änderungen an der Kalibrierungskurve durchaus gegeneinander austauschbar.
2 zeigt eine solche Ausführungsform als eine bevorzugte Ausführungsform der Instrumentierungsschaltungen für einen MMQSHR. Eine impedanzarme Spannungsquelle 210 erregt den MMQSHR 220, dessen Kurzschluss-Ausgangsstrom durch den Transimpedanzverstärker 230 verstärkt wird. Die geringe Impedanz der Spannungsquelle und die Strom-Spannungs-Verstärker machen die physikalischen Kapazitäten 111 und 112 unbedeutend. Infolge dessen ist das Verhältnis der Ausgangsspannung des Verstärkers 230 zur Quellenspannung 210 die Übertragungsadmittanz, Y₂₁, des MMQSHR mal der Rückkopplungswiderstand, R_F 231, des Verstärkers. In einer Ausführungsform der Instrumentierung wird das phasengleiche Ansteuerungssignal 210 phasenverschoben 215, um ein Quadratursignal zu erhalten, und die Ansteuerungssignale werden optional gepuffert 235, 240, um die Mischer 240, 245 anzusteuern, was zu abwärtskonvertierten phasengleichen Signalen 250 und Quadratursignalen 255 einer Größenordnung führt. Da die Frequenz der Quelle 210 variiert wird, sind die Spannungen bei 250 und 255 für die realen und imaginären Teile von Y₂₁, und zwar die Übertragungskonduktanz bzw. die Übertragungsadmittanz, repräsentativ. Die Übertragungsadmittanz lässt sich ohne weiteres an eine Kurve anpassen, um die Elemente des Ersatzschaltbildes von 1.a unterhalb der Grenze von winzig kleinen Druckwellenreflexionen zu erhalten.
Die Leistung der Quarz-basierten MCF-Struktur war immer noch durch die piezoelektrische Kopplung begrenzt; jedoch wurde die Beschränkung auf höhere Viskositäten skaliert, indem die statische Kapazität von ihrem früheren Ort im Nebenschluss mit der zu messenden dynamischen Resonanz entfernt wurde. Die Entwicklung von Lanthan-Gallium-Silikat (LGS) und anderer höherkoppelnder, Quarzartiger piezoelektrischer Kristalle ermöglichte es, erfolgreiche Bauelemente vorzustellen. Diese Materialien besitzen eine höhere akustische Impedanz und eine höhere Kopplung. Eine höhere akustische Impedanz führt zu einer geringeren Empfindlichkeit für Fluiddämpfung, und eine höhere Piezoelektrizität führt zu einem niedrigeren Verhältnis von dynamischem Verlustwiderstand des Ersatzschaltbildes zu physikalischer Dämpfung. Im Jahr 2007 überwanden J. Andle, R. Haskell, R. Sbardella, G. Morehead, M. Chap, J. Columbus und D. Stevens, „Design, packaging and characterization of a two-port bulk wave langasite viscometer", IEEE Sensors 2007, Seiten 868–871, die Beschränkung (b) oben.
Da viele Großanwendungen für die Trendbildung (Alterung) von Betriebsfluiden ausgelegt sind, werden die Abweichungen vom Newtonschen Modell bei 5 MHz als tolerierbar angesehen. Frühere Arbeiten, darunter K. Durdag und J. Andle, „Portable/Handheld Oil Assessment Device Project: NCMS Collaborative Agreement No: 200640–140414", Abschlussbericht, 12. November 2007 (unveröffentlicht),K. Durdag und J. Andle, „Real-Time Viscosity Measurement for Condition-Based Monitoring Using Solid-State Viscosity Sensor", Tribology Transactions, 51: 296–302, 2008, und Andle J., Durdag K., Chap M., Haskell R., „Threaded Fluid Condition Sensor for Real-Time, On-Line and In-Line Oil Conditioning Monitoring", im Tagungsprotokoll der Konferenz SENSOR+TEST 2009, Nürnberg, Deutschland, 26.–28. Mai 2009, Band II, Seiten 229–234, zeigen eine gute Korrelation innerhalb breiter Klassen von Schmierstoffen zwischen der „akustischen Viskosität” („AV” = ρη), die in einem Oszillator-basierten LGS-MCF-Sensorsystem gemessen wurde, und den Labormessungen von entweder der intrinsischen Viskosität (η) oder der kinematischen Viskosität (η/ρ) mit einem linearen Korrelationsterm bezüglich (c) oben. Trotzdem ist es nach wie vor wünschenswert, die Notwendigkeit einer Korrelation zu beseitigen sowie die Dichte und sogar den Kompressionsmodul des Materials zu messen.
Zu diesem Zweck stellt die US-Anmeldung 12/780,869, eingereicht am 15. Mai 2010, mit dem Titel „Improved Measurement of Fluid Parameters”, ein Verfahren zur Umwandlung der sechs Ersatzschaltbildparameter in vier linearisierte „Eingangsparameter” bereit. Zwei Eingangsparameter beziehen sich auf den Energieverlust (linearisierter dynamischer Verlustwiderstand) der zwei Resonanzübertragungswege, und zwei Eingangsparameter beziehen sich auf eine Frequenzverschiebung (linearisierte dynamische Induktivität) der beiden Modi.
Ein wichtiges Merkmal ausgewählter Aspekte der Anmeldung '869 ist die Nutzung tatsächlicher gemessener Werte der dynamischen Kapazität, die aus einer Ersatzschaltbildanpassung des Sensors im Referenz- und/oder Messungszustand extrahiert werden, anstatt, wie im Stand der Technik, die ideale dynamische Kapazität als einen berechneten Empfindlichkeitsparameter des dynamischen Verlustwiderstandes, der einem Laden entgegenwirkt, zu verwenden. Ein weiteres wichtiges Merkmal ist die Verwendung von nicht-linearen Produkten dynamischer Verlustwiderstände und dynamischer Kapazitäten (das „RC-Produkt”) bei jeder der ausgewählten Resonanzen, die individuell in der Ersatzschaltbildanpassung extrahiert werden, als einen „Verlust”-Eingangsparameter für mindestens eine Berechnungsfunktion. Die Verwendung des RC-Produkts in dem Verlustparameter linearisiert den Frequenzgang des Sensors. Gleichermaßen kann das nichtlineare Produkt der Resonanzfrequenz, der dynamischen Induktivität und der dynamischen Kapazität (das „ωLC-Produkt”) der ausgewählten Resonanzen, die individuell in der Ersatzschaltbildanpassung extrahiert werden, als ein „Frequenz”- oder „Phasen”-Eingangsparameter für mindestens eine Berechnungsfunktion verwendet werden, um den Frequenzgang des Sensors optimal zu linearisieren. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Differenz der RC-Produkte und ωLC-Produkte zwischen dem Messungszustand und dem Referenzzustand zu messen. Es hat sich des Weiteren gezeigt, dass ein Multiplizieren dieser Differenzen mit der unbelasteten oder Referenzresonanzfrequenz, ω_o, das Problem optimal normalisiert. Das ordnungsgemäß normalisierte System erlaubt das Definieren eines komplexen Eingangsparameters, I_m, für jede ausgewählte m-te Resonanz mit einer anharmonischen Zahl m. Der komplexe Eingangsparameter hat einen realen Teil, der der Verlusteingangsparameter L_m ist, und den imaginären Teil, der der Frequenzeingangsparameter P_m ist. Durch Analogie und das Dualitätsprinzip der Schaltkreistheorie ist es gleichermaßen akzeptabel, das Verhältnis R/L als einen Verlustparameter und vorzugsweise das Verhältnis R/ωL zur Normalisierung zu verwenden. Dies ist nachweislich mit den RC- bzw. ωRC-Produkten identisch und wird in der gesamten vorliegenden Offenbarung als identisch angesehen. Gleichermaßen wird ωLC als 1/ω anerkannt. Darum wird 1/ω als mit dem ωLC-Produkt identisch angesehen.
Somit wird in der Anmeldung '869 ein Verfahren zum Messen der mechanischen Eigenschaften von Fluiden unter Verwendung eines Resonanzschallwellenbauelements (Acoustic Wave Device, AWD) bereitgestellt. Das Verfahren beginnt mit dem Messen einer Referenzzustandsübertragungsfunktion des AWD bei mehreren Frequenzen über mindestens eine ausgewählte Resonanzfrequenz des AWD. Es werden Ersatzschaltbildparameter extrahiert, welche die Übertragungsfunktion entsprechend einem Ersatzschaltbildmodell beschreiben. Die Parameter widerspiegeln einen dynamischen Verlustwiderstand, eine dynamische Induktivität und eine dynamische Kapazität, welche die Ersatzschaltbildparameter in dem bevorzugten Modell sind. Nachdem das AWD in einem Referenzzustand gemessen wurde, wird der AWD-Sensor in einem belasteten oder Messungszustand verwendet, indem an das AWD eine viskoelastische Last des zu messenden Fluids angelegt wird. Die Übertragungsfunktion des belasteten AWD wird erneut bei mehreren Frequenzen über mindestens eine Resonanzfrequenz gemessen. Die belasteten Ersatzschaltbildparameter, welche die Übertragungsfunktion beschreiben, werden erneut extrahiert. Nach dem Extrahieren des Ersatzschaltbildes im Messungszustand und Referenzzustand werden die mechanischen Eigenschaften des Fluids berechnet durch: Definieren mindestens eines mit der Resonanzfrequenz verknüpften Eingangsparameters, der eine nicht-lineare Kombination der Ersatzschaltbildparameter umfasst, und Definieren mindestens eines mit den Fluideigenschaften verknüpften Ausgangsparameters; Anwenden mindestens einer linearisierten Berechnungsfunktion, die den mindestens einen Ausgangsparameter zu den Differenzen der Eingangsparameter vom Referenz- zum belasteten Zustand in Beziehung setzt; und Berechnen von Ausgangsparametern. Die mechanische Eigenschaft des Fluids wird dann anhand der Ausgangsparameter der Berechnungsfunktion unter Verwendung bekannter Beziehungen berechnet, die den Ausgangsparameter in Bezug auf die Fluideigenschaften definieren. Es besteht eine Eins-zu-Eins-Entsprechung zwischen einer Berechnungsfunktion und dem Ausgangsparameter, der berechnet wird.
Die Berechnungsfunktion enthält in der Regel einen oder mehrere justierbare Terme, die als „Kalibrierungskoeffizienten” bezeichnet werden. Diese Koeffizienten können angenommen, geschätzt oder experimentell gemessen werden.
Die Balance zwischen Verlust- und Frequenzparametern zeigt die scherviskoelastische Entspannungszeit des Fluids an. Barlow und Lamb wendeten dieses Prinzip erstmals in ihrem Aufsatz „The Visco-Elastic Behaviour of Lubricating Oils under Cyclic Shearing Stress", Proc. R. Soc. Lond. A 1959 253, 52–69, ohne Kompressionsmodusüberlegungen auf Quarzsensoren an. Diese Herangehensweise wird in der Anmeldung '869 und auch in der US-Anmeldung 12/780,868, eingereicht am 15. Mai 2010, mit dem Titel „Improved Calibration of High Frequency Fluid Phase Acoustic Sensors”, weiter ausgebaut. Diese Anmeldungen offenbaren Verfahren zum gleichzeitigen Instrumentieren des Sensors, um einen Abstrahlungswiderstand zu erhalten, der mit der Druckwellenabstrahlung in Verbindung steht, das heißt ein Produkt aus Dichte ρ und kompressionalem Elastizitätsmodul, κ, sowie der viskoelastischen Entspannungszeit, τ, zusätzlich zu dem besser bekannten Produkt aus dynamischer Viskosität, η(ω), und Dichte, ρ. Die Anmeldung '868, die in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird, bestimmt die Kalibrierungskoeffizienten, indem an solche AWDs viskoelastische Lasten aus mehreren bekannten statischen Lastzuständen angelegt werden und Übertragungsfunktionen des AWD über mindestens eine Resonanzfrequenz unter diesen bekannten Lastzuständen gemessen werden. Es werden Anfangswerte der Kalibrierungskoeffizienten ausgewählt, und dann wird ein iterativer Prozess ausgeführt, bei dem eine Fehlerfunktion zwischen einem ausgewählten Parameter, der durch das AWD gemessen oder aus einer solchen Messung berechnet wird, und einem entsprechenden idealen Parameter, der aus dem bekannten Kalibrierungsfluid abgeleitet wird, bestimmt wird. Sobald die Fehlerfunktion bestimmt wurde, werden die Kalibrierungskoeffizienten justiert, und die Berechnung wird wiederholt, bis die Fehlerfunktion in eine akzeptable Toleranz fällt. Vor allem aber nutzt die Berechnung die geschätzte viskoelastische Entspannungszeit der nicht-Newtonschen Kalibrierungsfluide, die durch das AWD unter Verwendung der angenommenen Kalibrierungskoeffizienten gemessen wird. Die Berechnung der idealen Parameter verwendet eine Schätzung der scherviskoelastischen Entspannungszeit des Fluids bei der Resonanzfrequenz zum Schätzen der fluidstatischen Fluidparameter anhand des gemessenen Parameters und Justieren dieser Entspannungszeit entsprechend der Vorgabe durch die Justierungen an den Kalibrierungskoeffizienten. Ein Ergebnis dieses Verfahrens erlaubt die Kalibrierung von Hochfrequenz-AWD-Sensoren zur Messung der viskoelastischen Eigenschaft unter Verwendung von Fluiden, die bei der Betriebsfrequenz des AWD nicht-Newtonisch sind und für die nur Informationen zur statischen Viskosität vorliegen, die unter Newtonschen Betriebsbedingungen gemessen wurde. Die Verwendung der tatsächlichen, gemessenen dynamischen Kapazität in einer Weise, die der der vorliegenden Anmeldung ähnelt, stellt ein bevorzugtes Verfahren zum Erhalten der viskoelastischen Entspannungszeit bereit, das die Berechnung der Kalibrierungsparameter vereinfacht.
3 zeigt den Frequenzgang eines MMQSHR-Bauelements, das geteilte elliptische Elektroden mit einer Gesamtlänge von 3,5 mm, einer Gesamtbreite von 2 mm und einer Kristalldicke von 0,26 mm verwendet, die aus Lanthan-Gallium-Silikat (LGS) mit Y-Schnitt bestehen. Die Grundebenenfläche wurde mit Testfluiden beladen, und die Änderung des gemessenen dynamischen Verlustwiderstands des ersten und des zweiten Resonanzmodus gegenüber den Referenzzuständen wurde bei verschiedenen Temperaturen entsprechend den oben gezeigten Berechnungen des Standes der Technik gemessen. 3 zeigt einen Versuch der grafischen Darstellung einer Berechnungsfunktion unter Verwendung der frequenznormalisierten akustischen Scherimpedanz. Das Perfluorpolyether HT270 von Solvay-Solexis ist ein Fluid, das bei 5,25 MHz hinreichend Newtonisch ist und das als ein Viskositätsstandard verwendet wurde. Es zeigt hoch-lineare Beziehungen für den ersten (00) Modus 301 und den zweiten (10) Modus 302. Die Steilheiten dieser Kurven sind deutlich verschieden – ein Effekt, für den es vor der Anmeldung '869 in der Theorie des Standes der Technik keinen Korrekturmechanismus gibt, der einen dynamischen Verlustwiderstand oder die Frequenz verwendet.
Man sieht, dass ein Cannon-Mineralölstandard, N250, eine Aufwärtskrümmung im Frequenzgang aufweist, die eine Entspannungszeit andeutet, die mit zunehmender Viskosität (abnehmender Temperatur) zunimmt. Auch hier weisen die beiden Modi 303, 304 signifikante Differenzen bei der Empfindlichkeit auf. Infolge von Kompressionseffekten 305, 306 ist es nicht möglich, diese Messung verlässlich zum Erhalten der Widerstandsdifferenz zu verwenden, und es ist aufgrund der Nichtlinearitäten des Systems nicht möglich, verlässliche, wiederholbare und genaue Messungen des viskoelastischen Effekts zu erhalten.
Der gemessene Wert der Druckwellenabstrahlung kann zum Korrigieren der eindimensionalen Schätzung des Scher-(Viskositäts-)Terms verwendet werden. Eine direkte Messung des dynamischen Verlustwiderstandes (1/g_max) oder eine Schätzung unter Verwendung einer Kurvenanpassung in den beiden Modi erlaubt die Verwendung von Matrixverfahren zum Lösen des Systems aus Gleichungen, die die scher- und kompressionalen akustischen Impedanzen zu der Änderung des dynamischen Verlustwiderstands im Vergleich zum nominalen Luftwert in Beziehung setzen.
Im Stand der Technik hängen die zwei Observablen von zwei Messgrößen, Z_S und Z_C, ab, welche die tangentialen und kompressionalen „akustischen Impedanz”-Werte des Fluids, (2ωρη)^½ bzw. (ρκ)^¼, in der Newtonschen Grenze sind. Ein System aus linearen Gleichungen kann in Bezug auf die scherakustische Impedanz und die kompressionale akustische Impedanz geschrieben werden. Die normalisierte quadrierte Scherimpedanz heißt „akustische Viskosität”, ausgedrückt als „AV” mit Einheiten von Pa-s-kg/m³. Gemäß der Anmeldung '125 kann eine einfache Beziehung ausgedrückt werden als:
wobei R_S0 und R_A0 die symmetrischen bzw. antisymmetrischen Widerstände in Luft sind. In Anlehnung an die Anmeldung '869 ist der symmetrische Modus der Modus 0, und der antisymmetrische Modus ist der Modus 1. Die Konstanten K_ST, K_SC, K_AT und K_AC setzen ΔR_S und ΔR_A zu Z_T und Z_C in Beziehung. Das Invertieren dieser Beziehung führt zu einer sogenannten Berechnungsfunktion, die die akustischen Impedanzen der Scher- und Druckwellen aus den zwei gemessenen dynamischen Verlustwiderständen ergeben würde. Die Mathematik nimmt eine lineare Belastung der akustischen Übertragungsleitung an, die ρκ << ρ_SC₂₂ und 2ωρη >> ρ_SC₆₆, wobei das tiefgestellte S die Substratdichte bezeichnet.
Die Kenntnis der zwei Widerstandswerte in Luft und in dem Fluid und die Kenntnis der Parametermatrix führt zu einem System aus linearen Gleichungen gemäß der Anmeldung '125. Das Gleichungssystem erbringt nicht nur das Dichte-Viskosität-Produkt als Z_S ², sondern kompensiert auch Restmessfehler infolge nicht-reflektierter Druckwellenstrahlung, sofern die Determinante der Koeffizientenmatrix ungleich null ist. Und schließlich erbringen zusätzliche Informationen über den Wert der kompressionalen quadrierten Impedanz das Elastizität-Dichte-Produkt, ρκ. Häufig ist K_ST ~ K_AT, da beide Modi vergleichbare Energieeinfangprofile und Scherwellenkomponenten haben.
Darum ist die Anforderung an das Messen der Dichte-Elastizität (kompressionalen Impedanz), dass K_AC ≠ K_SC. Dies wird durch Verwenden eines gekoppelten Dickenscher-(X-ausbreitenden)Resonators im Gegensatz zu einem gekoppelten Dicken-Twist-(Z-ausbreitenden)Resonator mit Dickenfelderregung und durch einen guten Energieeinfang hinreichend sichergestellt. Dicken-Twist-Anharmonische sind in bestimmten gekoppelten Lateralfeldresonatoren erwünscht. Für einen idealen Resonator, der einen Energieeinfang von einer halben Wellenlänge über den Durchmesser des Resonators für den symmetrischen Modus und von einer vollen Wellenlänge für den antisymmetrischen Modus aufweist, gibt es ein Verhältnis dieser Terme von vier zu eins. Ein evaneszentes Abklingen über die Energieeinfangregion hinaus verkleinert das Verhältnis.
Das sich verändernde U_x(x) führt zu unterschiedlichen Anharmonischen mit unterschiedlicher Empfindlichkeit für kompressionale Abstrahlung, aber ähnlicher Empfindlichkeit für viskose Belastung, wie in den 3 und 4 zu sehen ist. Diese Empfindlichkeit entsteht aus dem Verhältnis von kompressionalen Verschiebungen zu Scherverschiebungen, das aus Überlegungen zum Energieeinfang bekannt ist. Das Quadrat dieses Verhältnisses wird in der vorliegenden Anmeldung als θ_m für die m-te Anharmonische bezeichnet.
Die Lösungen für die Änderung des dynamischen Verlustwiderstandes 117, 120 infolge der Fluidbelastung werden in den Anmeldungen '869 und '869 alle durch die reale dynamische Kapazität linearisiert, die für den Modus gemessen wird. Modusformen, die nicht mit dem eindimensionalen Modell übereinstimmen, führen zu ganz erheblichen Änderungen der Empfindlichkeitssteilheit selbst. Dies wird in diesen Anwendungen bei fehlender kompressionaler Welligkeit kompensiert.
4 zeigt den gemessenen Frequenzgang desselben MMQSHR-Bauelements, das in 3 gezeigt wurde, unter den gleichen Bedingungen; jedoch wird der verbesserte Frequenzgang unter Verwendung von in der Anmeldung '869 offenbarten Techniken erhalten. Die Änderung des Produkts der gemessenen dynamischen Kapazität und der gemessenen dynamischen Verlustwiderstände (ΔRC) des ersten und des zweiten Resonanzmodus im Vergleich zu den Referenzzuständen wurde als der Eingangsparameter für zwei Resonanzen verwendet. 4 zeigt eine grafische Darstellung einer Berechnungsfunktion zum Erhalten der frequenznormalisierten scherakustischen Impedanz, (ρη)^½, als den Ausgangsparameter relativ zu dem Widerstand-Kapazität-Produkt, das unter Newtonschen Bedingungen gemessen wurde, z. B. unter Verwendung eines Anton-Parr SVM-3000. HT270 ist ein Newtonscher Viskositätsstandard und zeigt hoch-lineare Beziehungen für beide Übertragungswege.
Die Steilheiten dieser Kurven sind im Wesentlichen identisch, was die Wirksamkeit des Linearisierens des Eingangsparameters durch Multiplizieren des gemessenen dynamischen Verlustwiderstandes mit der gemessenen dynamischen Kapazität beweist. Der beispielhafte Ausgangsparameter eignet sich nur für Newtonsche Fluide und stellt eine nicht-lineare Berechnungsfunktion für andere Fluide dar. Die zusätzlichen Auswirkungen der kompressionalen Abstrahlung 405 und 406 sind klar sichtbar. Man sieht, dass der Mineralölstandard, N250, eine Aufwärtskrümmung im Frequenzgang vollführt, was eine nicht-Newtonsche Entspannungszeit angibt, die mit zunehmender Viskosität (abnehmender Temperatur) zunimmt. Auch hier haben die beiden Modi 403, 404 eine signifikant identische Krümmung und eine gute Nachführung, so dass sich andere Prozesse, wie zum Beispiel die Maxwellsche Viskoelastizität und die Druckwellenstrahlung klar beobachten lassen.
Wenn Fluide Newtonisch sind, so ist der zusätzliche dynamische Verlustwiderstand 117, 120 gleich dem Produkt der Resonanzkreisfrequenz und der zusätzlichen dynamischen Induktivität 115, 118. Es wird oft gesagt, dass ein TSM-Sensor keine Fluide außerhalb dieses Bereichs messen könne und dass niederfrequente Stimmgabelresonatoren wünschenswert seien. Jedoch sind die Grundlagen der Maxwellschen und Kelvin-Voigtschen Analyse pseudoplastischer Fluide unter Verwendung eines TSM-Resonators und des Extrahierens der Viskosität innerhalb der Grenze einer Niederfrequenz (in der vorliegenden Anmeldung als die statische Viskosität bezeichnet) allgemein bekannt, wie durch die oben erwähnte Arbeit von Barlow und Lamb (1959) bezeugt wird.
Aufgrund der Linearität, die durch die vorliegende Erfindung erzeugt wird, ist es nun möglich, brauchbare Schätzungen der Maxwellschen viskoelastischen Effekte zu erhalten, während gleichzeitig die Abstrahlung im Kompressionsmodus gemessen wird. Die mechanische Impedanz, Z_S, (das Verhältnis der Belastung zur Zeitableitung der Beanspruchung) ist für die Scherwelle in dem Maxwellschen Modell gegeben als
wobei ρ die Fluiddichte ist, η die statische Viskosität des Fluids ist, μ der geklemmte Schersteifigkeitsmodul des Fluids ist, τ die molekulare Entspannungszeit des Fluids ist, gleich dem Verhältnis der statischen Viskosität zu dem geklemmten elastischen Steifigkeitsmodul, γ/μ, und, für Newtonsche Fluide, τ = 0.
Um Aspekte der Erfindung in nicht-Newtonschen Fluiden zu praktizieren, wird dann die komplexe scherakustische Impedanz, Z_S, quadriert, und die nicht-Newtonsche Entspannungszeitkonstante, τ, wird durch Dividieren des realen Teils des Quadrates der scherakustische Impedanz durch das Produkt der Frequenz und des imaginären Teils des Quadrates der scherakustischen Impedanz erhalten. Der imaginäre Teil des Quadrates der scherakustischen Impedanz, die Frequenz und die Zeitkonstante werden dann zum Erhalten des statische-Viskosität-Dichte-Produkts verwendet, und das Produkt aus dem geklemmten elastischen Steifigkeitsmodul und der Dichte wird dann als das statische-Viskosität-Dichte-Produkt, dividiert durch die Entspannungszeit, erhalten:
Um die Rolle der nicht-Newtonschen Entspannungszeit zu beurteilen, wird eine Approximierung unter Vernachlässigung der Kompressionseffekte gegeben. Die Ergebnisse für das Bauelement, das verwendet wurde, um 4 zu generieren, sind in 5 gezeigt, wobei die Maßstabskalibrierung der Scherimpedanz und die Kompressionseffekte ignoriert wurden. Das Ergebnis wurde nur erhalten, wenn die Viskosität hinreichend groß war, um die Kompressionseffekte unbedenklich ignorieren zu können. Für eine Sensorfrequenz von 5,25 MHz liegt die Kennzeit der Messung, 1/ω, in der Größenordnung von 30 ns. Für HT270 lag der Wert bei 0°C bei 2,9 ns und ist immer noch recht Newtonisch. Die Fehler in Verbindung mit der Vernachlässigung von ω²τ² betragen in diesem Fall 1%. Ein spürbarer Maxwellscher Einfluss ist für die Mineralöle mit ω²τ² ~ 1 zu sehen, sowie eine 50%-ige Verringerung der scheinbaren Viskosität für N250 nahe 25°C bei 5,25 MHz. Bemühungen, die Entspannungszeiteffekte und die Effekte der kompressionalen Abstrahlung zu trennen, wurden durch Druckwellenreflexionen behindert.
Die beispielhafte Betriebsfrequenz von 5,25 MHz führt zu einer Kennzeit von ungefähr 30 ns. Der Betrieb zwischen einer ungefähren Untergrenze von 1 MHz und einer ungefähren Obergrenze von 25 MHz verändert nicht signifikant das qualitative Ansprechen des Sensors auf Mineralöle, sondern verschiebt lediglich die spezifische Entspannungszeit, bei der es einen beobachtbaren Effekt gibt. Maxwellsche Fluide haben Entspannungszeiten im Bereich von etwa 1 ns für Wasser über mehrere zehn Nanosekunden für Mineralöle bis Mikrosekunden für Silikone. Obgleich eine Korrelation akzeptabel ist, ist eine direkte Entsprechung bevorzugt.
Die im Stand der Technik von Barlow und Lamb und in der Anmeldung '125 offenbarten Verfahren sind auf den Fall beschränkt, bei dem es keine Reflexion der Kompressionsmodus-Energie von einer gegenüberliegenden Oberfläche zurück in den Sensor gibt. Es ist darum eine Aufgabe, Reflexionen zu beseitigen, und eine weitere Aufgabe, die Qualität einer auf dieser Annahme basierenden Messung zu verifizieren.
Die den Stand der Technik darstellende 6, die der Anmeldung '869 entnommen ist, veranschaulicht die Schritte des Messens einer Übertragungsfunktion (610 Wiederholen über diskrete Frequenzabtastungen, 615 Messen diskreter Übertragungsfunktionswerte, 620 Testen, ob die Wiederholung vollendet ist, 615 Erhalten der Übertragungsfunktion, und 630 Extrahieren des Ersatzschaltbildes durch eines von vielen verfügbaren Kurvenanpassungsverfahren) für den Referenzzustand 605 und Wiederholen dieser Schritte 655 in einem belasteten Zustand 650. Es offenbart außerdem das Bestimmen von Eingangsverlustparametern 660 und/oder Eingangsfrequenzparametern 665 und das Berechnen von Ausgangsparametern 670 entsprechend dem kalibrierten belasteten Zustand des Bauelements. Und schließlich offenbart es die Berechnung der Entspannungszeit 675, des dynamische-Viskosität-Dichte-Produkts 678, des statische-Viskosität-Dichte-Produkts 680, des dynamische-Steifigkeit-Dichte-Produkts 682, des geklemmte-Steifigkeit-Dichte-Produkt 685 und des Kompressionselastizität-Dichte-Produkts 690. Es muss angemerkt werden, dass der Schritt des Extrahierens der tatsächlichen Fluideigenschaften die unabhängige Kenntnis der Dichte erfordert, die ein interessierender Parameter für sich ist. Es muss ebenso angemerkt werden, dass die Auswahl des Ersatzschaltbildes von 1.b und die Auswahl von nur vier Eingangsparametern die Anmeldung '869 auf bestimmte Betriebsbedingungen mit Bezug auf die Reflexion von abgestrahlter Kompressionsenergie zurück in das Bauelement beschränkt. Obgleich die Anmeldung '869 ein Mittel zum Schätzen der kompressionalen Impedanz des Fluids in einer endlichen Zelle und zum Bestimmen des Kompressionselastizität-Dichte-Produkts anbietet, besteht Bedarf an einem besseren Verfahren zum Implementieren der Berechnungsfunktion 670 unter Verwendung zusätzlicher Eingangsparameter oder zum Beseitigen der Reflexionen von Anfang an.
Die Anmeldung '869 beinhaltet die Analyse und Instrumentierung von AWD-Resonanzsensoren, die reflektierte Druckwellen aufweisen, sofern die Weglänge der Reflexionen hinreichend kurz ist, um die Verwendung eines Modells der punktförmig verteilten Elemente zu ermöglichen.
Eine durchdachte Installation und technische Bemessung der Sensorbausteine kann Probleme mit reflektierten Druckwellen auf eine hinreichende Genauigkeitstoleranz mindern, die für ein Trendanalyse- und Ressourcenmanagement-Tool hinreichend ist. Jedoch verkomplizieren die Miniaturisierung, die mit zunehmend höheren Betriebsdrücken einhergeht, und die Integration zusätzlicher Sensorstrukturen den Druckwelleneffekt zusätzlich. Bemühungen um eine Minderung der Reflexionen in einem Mehrmessgrößensensor werden von J. Andle, R. Haskell und M. Chap in „Electrically Isolated Thickness Shear Mode Liquid Phase Sensor for High Pressure Environments", 2008 IEEE Ultrasonics Symposium, Seiten 1128–1133, das im Ganzen in die vorläufige US-Patentanmeldung 61/243685, eingereicht am 18.09.2009, aus der sich die vorliegende Anmeldung ableitet, aufgenommen ist, berichtet.
Die Minderung führte zu einem relativ konstanten dynamischen Verlustwiderstandsterm infolge von Viskosität, der für die mehreren Modi ungefähr gleich war, und einem weiteren dynamischen Verlustwiderstandsterm, der mit zunehmender Moduszahl – in Antwort auf die Beschränkung (d) oben – zunahm. Die oben besprochenen Verfahren behandeln auch diesen Fall, wodurch es möglich wird, dass ein MMQSHR gleichzeitig das Viskosität-Dichte-Produkt, das Kompressionsmodul-Dichte-Produkt und die viskoelastische Entspannungszeit bei Fehlen von reflektierter Kompressionsmodusenergie messen kann. Eine sorgfältige Installation und ein sorgfältiger Betrieb der Sensoren erlauben es, diese Bedingungen zu erfüllen; doch die damit einhergehenden Beschränkungen sind für die Endnutzer zu beschwerlich. Das heißt, obgleich der Stand der Technik die obige Beschränkung(e) bis zu einem gewissen Grad gelöst hat, ist eine bessere Lösung erwünscht.
7 zeigt eine Messung des Viskosität-Dichte-Produkts gemäß US-Anmeldung 12/780,869 für eine Messreihe mit („Reflektierende Befestigungsvorrichtung – REF”) signifikanten kompressionalen Reflexionen 701 und ohne („Reflexionsmindernde Befestigungsvorrichtung – AR”) signifikante kompressionale Reflexionen 702, wie in der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die reflektierende Befestigungsvorrichtung verwendete eine flache, parallele Fläche gegenüber dem Sensor, während die reflexionsmindernde Fläche eine konisch verjüngte Fläche umfasste, die dafür gedacht war, die Reflexionen zu zerstreuen. Die Phase des Reflexionssignals ist eine Funktion der Temperatur infolge der Veränderungen der Phasengeschwindigkeit mit der Temperatur in dem Fluid.
Das reflektierte Signal verursacht einen zusätzlichen Verlustterm an den Punkten mit destruktiver Interferenz, die als zusätzliche Viskosität fehlinterpretiert werden. An den Punkten mit konstruktiver Interferenz wird die abgestrahlte Energie komplett zurückgesendet, und das Ergebnis entspricht dem, als wenn es von vornherein keine abgestrahlte Kompressionsenergie gegeben hätte. Es ist klar, dass die Verfahren des Standes der Technik keine signifikanten Grade an kompressionaler Reflexion tolerieren können. Obgleich die Messung mit der reflexionsmindernden Befestigungsvorrichtung 702 von 7 deutlich weniger Welligkeit zeigt als die reflektierende Befestigungsvorrichtung, ist es immer noch kein perfektes Beispiel einer reflexionsmindernden Befestigung. Des weiteren gab es einige Reflexion in der Kalibrierungsbefestigungsvorrichtung, die darum dauerhaft in den Frequenzgang des Sensors eingerechnet werden.
Die Gesamtkurve „Viskosität versus Temperatur” zeigt den unerwünschten Einfluss der Reflexionen. Jedoch ist es in einer einzelnen Messung des Fluids, gleich bei welcher Temperatur, nicht möglich, mit irgend einem Grad an Gewissheit zu sagen, ob die Daten durch den Wert der Messung selbst beschädigt sind oder nicht. Es ist nur offenkundig, dass kompressionale Reflexionen signifikant sind, wenn man die Daten als Ganzes betrachtet.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung offenbart Mehrmessgrößen-Bauelementstrukturen, welche die Reflexion von abgestrahlter Kompressionsenergie zurück in das piezoelektrische Sensorelement steuern. Die vorliegende Erfindung offenbart außerdem Instrumentierungsverfahren, welche die Reflexion von Kompressionsenergie detektieren, kompensieren oder nutzen. Es ist zu beachten, dass das Fluid in Ausführungsformen leitfähig ist und als eine Erdungselektrode dient.
Ein Verfahren zum gleichzeitigen Bestimmen von physikalischen Eigenschaften eines Fluids unter Verwendung eines Schallwellenbauelement (Acoustic Wave Device, AWD)-Sensors, der mindestens zwei Resonanzmodi hat, wobei die Modi überwiegend horizontal polarisierte Scherwellen umfassen, mit folgenden Schritten: Messen einer Übertragungsfunktion des AWD-Sensors über einen interessierenden Frequenzbereich über mindestens zwei Resonanzfrequenzen, die den mindestens zwei Resonanzmodi entsprechen; Zerlegen der Übertragungsfunktion in Grundfunktionen, wobei jede der Grundfunktionen eine spezifische Resonanz des AWD-Sensors beschreibt; und Ableiten der physikalischen Eigenschaften des Fluids aus Koeffizienten der Grundfunktionen, welche die Übertragungsfunktion des AWD-Sensors beschreiben, wobei mindestens eine der Grundfunktionen außerdem eine Fluidresonanz mit endlicher Geometrie beschreibt und wobei mindestens eine der Grundfunktionen eine Frequenzabhängigkeit der Übertragungsfunktion beinhaltet, die von einem Ersatzschaltbild mit punktförmig verteilten Elementen (diskreten Elementen-engl.: lumped elements) abweicht.
Ein Verfahren, das Folgendes umfasst: Zerlegen der gemessenen Übertragungsfunktion in Grundfunktionen, die ideale Resonanzen bei Fehlen von Reflexionen beschreiben; Erhalten einer Fehlerfunktion über eine erste Resonanz, die eine Abweichung zwischen gemessenen Daten und einer Summe der Grundfunktionen ist, und anschließendes Modellieren der Fehlerfunktion als eine erste Schwingungsfunktion; Neuanpassung der gemessenen Übertragungsfunktion an eine erste Grundfunktion einer ersten Resonanz nach dem Subtrahieren der ersten Schwingungsfunktion von gemessenen Daten; Erhalten von Fehlerfunktionen über zusätzliche Resonanzen, die Differenzen zwischen den gemessenen Daten und der Summe der Grundfunktionen sind, und anschließendes Modellieren der Fehlerfunktionen als zusätzliche Schwingungsfunktionen; Neuanpassung der gemessenen Übertragungsfunktion an zusätzliche Grundfunktionen der zusätzlichen Resonanzen nach dem Subtrahieren der zusätzlichen Schwingungsfunktionen von den gemessenen Daten in jedem Frequenzintervall über die zusätzlichen Resonanzen; Bewerten eines Restfehlers; Wiederholen der Schritte des Erhaltens einer Fehlerfunktion über eine erste Resonanz, Neuanpassung der fehlerkompensierten ersten Resonanz an eine Grundfunktion, Erhalten einer Fehlerfunktion über jede von zusätzlichen Resonanzen, erneute Neuanpassung jeder der fehlerkompensierten zusätzlichen Resonanzen an zusätzliche Grundfunktionen und Bewerten, bis der Fehler minimiert ist; und Erhalten von Grundfunktionen, die jeden ausgewählten Resonanzmodus der Übertragungsfunktion beschreiben, der um Fehler aus Reflexionen kompensiert wurde.
Ein Verfahren, das Folgendes umfasst: Ausdrücken mindestens einer der Grundfunktionen als Summe einer Reihenresonanz-Grundfunktion und einer Übertragungsleitungs-Grundfunktion, Schätzen von Grundfunktionen anhand von Intervallen einer Übertragungsfunktion, die Frequenzbereichen über Resonanzfrequenzen des mindestens zwei Modi entsprechen, wobei Übertragungsleitungseffekte bei der ersten Wiederholung ignoriert werden; Teilen einer Grundfunktion der Resonanz eines ersten Modus in Terme, die mit einer ersten idealen R-L-C-Resonanz und einer ersten Reihenübertragungsleitung verknüpft sind; Teilen einer Grundfunktion von Resonanzen zusätzlicher Modi in Terme, die mit zusätzlichen idealen R-L-C-Resonanzen und zusätzlichen Reihenübertragungsleitungen verknüpft sind; Wiederholen der Schritte des Schätzens, des Teilens der Grundfunktion der Resonanz des ersten Modus und des Teilens der Grundfunktion der Resonanzen zusätzlicher Modi, bis ein Restfehler minimiert ist; und Bestimmen von Parametern anhand von idealen Resonanzen der mindestens zwei Modi und anhand der Übertragungsleitung von mindestens einem Modus, wobei die Parameter die physikalischen Eigenschaften des Fluids widerspiegeln.
Ein Verfahren, das Folgendes umfasst: Bestimmen der Druckwellengeschwindigkeit des Fluids anhand der Periodizität der Schwingungsfunktionen unter Kenntnis des Trennungsabstandes (H).
Ein Verfahren, das Folgendes umfasst: Ignorieren der Schwingungsfunktionen und Verwenden von Koeffizienten der Grundfunktionen zum Erhalten von Eingangsparametern in eine Berechnungsfunktion, deren Ergebnisse für die physikalischen Eigenschaften des Fluids stehen, wobei die Eingangsparameter um Welligkeitsverzerrungen kompensiert sind.
Ein Verfahren, bei dem des Weiteren die verwendeten Grundfunktionen hinreichend genau sind, um den Einfluss von Fluidresonanzen zu integrieren, und des Weiteren Folgendes umfasst: Zerlegen einer kompensierten Übertragungsfunktion, die eine Summe der Grundfunktionen umfasst, in eine Summe neuer Grundfunktionen, wobei jede der neuen Grundfunktionen eine spezifische Resonanz des AWD beschreibt; Ableiten der physikalischen Eigenschaften des Fluids aus Koeffizienten der neuen Grundfunktionen des AWD-Sensors; wobei mindestens eine neue Grundfunktion außerdem die Fluidresonanz mit endlicher Geometrie beschreibt; wobei die mindestens eine Grundfunktion eine Frequenzabhängigkeit der Übertragungsfunktion beinhaltet, die von dem Ersatzschaltbild mit punktförmig verteilten Elementen abweicht; und des Weiteren Folgendes umfasst: Ausdrücken mindestens einer der neuen Grundfunktionen als Summe einer Reihenresonanz-Grundfunktion und einer Übertragungsleitungs-Grundfunktion; Schätzen der neuen Grundfunktionen anhand der Intervalle der kompensierten Übertragungsfunktion, die Frequenzbereichen über Resonanzfrequenzen der mindestens zwei Modi entsprechen, wobei Übertragungsleitungseffekte bei der ersten Wiederholung ignoriert werden; Teilen der neuen Grundfunktion der Resonanz des ersten Modus in Terme, die mit einer ersten idealen R-L-C-Resonanz und einer ersten Reihenübertragungsleitung verknüpft sind; Teilen der neuen Grundfunktion der Resonanzen zusätzlicher Modi in Terme, die mit zusätzlichen idealen R-L-C-Resonanzen und zusätzlichen Reihenübertragungsleitungen verknüpft sind; Wiederholen der Schritte des Schätzens, des Teilens der Grundfunktion der Resonanz des ersten Modus und des Teilens der Grundfunktion der Resonanzen zusätzlicher Modi, bis ein Restfehler minimiert ist; und Bestimmen von Parametern anhand von idealen Resonanzen der mindestens zwei Modi und anhand der Übertragungsleitung von mindestens einem Modus, wobei die Parameter die Fluideigenschaften widerspiegeln.
Ein Verfahren, das des Weiteren Folgendes umfasst:
Zerlegen der Übertragungsfunktion in Familien von mindestens einer Grundfunktion, wobei jede der Familien eine spezifische Resonanz des AWD beschreibt und jede Übertragungsfunktion innerhalb der Familie eine Fluid-Bauelement-Interaktion für die Resonanz beschreibt.
Ein Verfahren, wobei unterschiedliche Grundfunktionen bei mindestens zwei aufeinanderfolgenden Wiederholungen verwendet werden, wodurch eine endgültige Zerlegung bewirkt wird.
Ein Verfahren, wobei unterschiedliche neue Grundfunktionen bei mindestens zwei aufeinanderfolgenden Wiederholungen verwendet werden, wodurch eine endgültige Zerlegung bewirkt wird.
Ein Verfahren, wobei das Verwenden der Koeffizienten der Grundfunktionen zum Erhalten von Eingangsparametern in eine Berechnungsfunktion, deren Ergebnisse für die physikalischen Eigenschaften des Fluids stehen, Folgendes umfasst: wobei mindestens zwei der Eingangsparameter Verlustparameter sind, wobei mindestens zwei der Eingangsparameter Frequenzparameter sind, wobei mindestens einer der Eingangsparameter eine Funktion der dynamischen Kapazität einer ersten Resonanz ist, wobei die Funktion linear unabhängig von anderen Eingangsparametern ist und wobei mindestens einer der Eingangsparameter eine Funktion der dynamischen Kapazität einer zweiten Resonanz ist, wobei die Funktion linear unabhängig von anderen Eingangsparametern ist.
Ein Schallwellenbauelement(Acoustic Wave Device, AWD)-Sensor zum gleichzeitigen Bestimmen von Fluideigenschaften, wobei das Bauelement Folgendes umfasst: mindestens eine massive Struktur gegenüber einer Fläche des AWD, die endliche Erstreckungen eines zu messenden Fluids definiert, wobei die Struktur reflexionsmindernd für Druckwellen ist, die sich von der Fläche des AWD fort ausbreiten, wodurch die Reflexion von Druckwellen verhindert wird, die mit dem AWD interagieren und dadurch den Frequenzgang des AWD verändern würden, und Zulassen, dass Dualmodus-Viskositätssensor-Frequenzgänge für die Messung der Fluideigenschaften und Korrelation verwendet werden können.
Ein Bauelement, wobei das AWD auf beiden Flächen mit Fluid beladen wird und die mindestens eine massive Struktur massive Strukturen gegenüber beiden Flächen des AWD umfasst.
Ein Bauelement, wobei die massive Struktur gegenüber einer Fläche des AWD Öffnungen umfasst, die es Druckwellen erlauben, sich unbehindert von der Fläche des AWD fort auszubreiten, wodurch die Reflexion von Druckwellen verhindert wird, die mit dem AWD interagieren und dadurch den Frequenzgang des AWD verändern würden; wobei die Öffnungen es den Druckwellen erlauben, die massive Struktur zu passieren, und praktisch reflexionsmindernd sind, und es ermöglichen, Dualmodus-Viskositätssensor-Frequenzgänge für die Messung der Fluideigenschaften und Korrelation zu verwenden.
Ein Bauelement, wobei die massive Struktur gegenüber einer Fläche des AWD Texturen umfasst, wobei die Texturen die Druckwellen nach dem Zufallsprinzip reflektieren, wodurch eine kohärente Reflexion der Druckwellen verhindert wird, die mit dem AWD interagieren und dadurch den Frequenzgang des AWD verändern würden; wobei die Texturen praktisch reflexionsmindernd sind, und es ermöglichen, Dualmodus-Viskositätssensor-Frequenzgänge für die Messung der Fluideigenschaften und Korrelation zu verwenden.
Ein Bauelement, das eine reflexionsmindernde Schicht umfasst, die auf der massiven Fläche angeordnet ist.
Ein Bauelement, wobei die massive Struktur mindestens eine Elektrode eines integrierten Teilsystems zum Messen von elektrischen Eigenschaften des Fluids umfasst.
Ein Bauelement, wobei die reflexionsmindernde Schicht auf der massiven Fläche eine Elektrode eines integrierten Teilsystems zum Messen von elektrischen Eigenschaften des Fluids umfasst.
Ein Bauelement, das reflexionsmindernde Stützen umfasst.
Ein Bauelement, wobei die Messung von Fluideigenschaften Fluiddichte und/oder Fluidviskosität und/oder Fluidentspannungszeit und/oder Fluidschallgeschwindigkeit und/oder Fluidschalldämpfung und/oder Fluidelastizität umfasst.
Ein Mehrmessgrößen-Fluidsensorsystem, das Folgendes umfasst: einen Mehrmoden-Quasi-Scher-Horizontalresonator (Multi-Mode, Quasi-Shear-Horizontal Resonator, MMQSHR)-AWD-Sensor; mindestens eine proximale, effektiv parallele, schallreflektierende Fläche; ein Fluid in einer Region zwischen einer Fläche des Sensors und der mindestens einen Fläche; und wobei die mindestens eine schallreflektierende Fläche Schallwellen reflektiert, wobei das System Druckwellenresonanzen zwischen dem AWD und der schallreflektierenden Fläche entstehen lässt, wobei die kompressionalen Fluidresonanzen in die Quasi-Scher-Horizontalresonanzen des Sensors eingekoppelt werden, wobei die kompressionalen Fluidresonanzen die nominale Übertragungsfunktion des Sensors ändern, wobei die Änderungen unabhängig die Dichte des Fluids und den kompressionalen Elastizitätsmodul des Fluids widerspiegeln.
Ein Sensorsystem, wobei eine Fläche des Resonators kontouriert ist und funktional parallel zu einer schallreflektierenden Fläche angeordnet ist.
Ein Sensorsystem, wobei die mindestens eine schallreflektierende Fläche eine Elektrode einer Messzelle zum Bestimmen der elektrischen Eigenschaften des Fluids umfasst.
Ein Sensorsystem, wobei die Fläche des Sensors eine Elektrode einer Messzelle zum Bestimmen der elektrischen Eigenschaften des Fluids umfasst.
Ein Sensorsystem, wobei mindestens eine mit Durchbrüchen versehene massive Struktur zwischen der Fläche des AWD und der schallreflektierenden Fläche angeordnet ist.
Ein Sensorsystem, wobei die mindestens eine mit Durchbrüchen versehene massive Struktur Elektroden für eine Messzelle zum Bestimmen der elektrischen Eigenschaften des Fluids umfasst.
Ein Sensorsystem, wobei sich der Sensor zwischen zwei gegenseitig reflektierenden Flächen befindet, zwischen denen eine kompressionale Resonanz entsteht.
Ein Sensorsystem, das einen Trennungswert (H) umfasst, der so gewählt ist, dass, bei einer nominalen Betriebstemperatur und Fluidzusammensetzung, die Eingangimpedanz der Resonanz des Fluids rein real ist.
Ein Sensorsystem, wobei die Eingangimpedanz einem kleinsten kompressionalen dynamischen Verlustwiderstand entspricht.
Ein Sensorsystem, wobei die Eingangimpedanz einem größten kompressionalen dynamischen Verlustwiderstand entspricht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt (a) das zum Stand der Technik gehörende Butterworth-VanDyke-Ersatzschaltbildmodell des einfachen TSM-Sensors und (b) das zum Stand der Technik gehörende Ersatzschaltbildmodell des MMQSHR.
2 zeigt einen zum Stand der Technik gehörenden Instrumentierungsschaltkreis, der in der Lage ist, den realen und den imaginäre Teil der Übertragungsadmittanz zu erhalten.
3 ist ein zum Stand der Technik gehörendes Diagramm, das die Effekte der Nichtlinearität der Empfindlichkeit des dynamischen Verlustwiderstandes für die scherakustische Impedanz des Fluids als sqrt(Viskoelastizität * Dichte) zeigt.
4 zeigt ein Diagramm des Sensors, der entsprechend dem Stand der Technik bei Fehlen von kompressionalen Reflexionen linearisiert ist. Der Versatz infolge von kompressionaler Abstrahlung und die Effekte der Maxwellschen Entspannungszeiten sind nun evident.
5 ist eine Schätzung der Entspannungszeit entsprechend dem Stand der Technik, wobei die Effekte der kompressionalen Abstrahlung und Reflexion ignoriert werden.
6 veranschaulicht ein zum Stand der Technik gehörendes Verfahren zum Bestimmen von Fluideigenschaften anhand von Ersatzschaltbildparametern gemäß dem Stand der Technik.
7 vergleicht das Ansprechen eines Sensors auf ein Mineralöl, das in einer reflektierenden Befestigungsvorrichtung des Standes der Technik (massive Quadrate) gemessen wird, mit demselben Sensor, der in einer relativ reflexionsmindernden Befestigungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung (offene Quadrate) gemessen wird.
8 veranschaulicht (a) die Integration von Leitfähigkeits- und Dielektrizitäts(CD)-Messelektroden und die damit verbundene kompressionale Resonanz des Fluids, (b) die Herstellung einer während des Betriebes reflexionsmindernden Elektrode durch das Ausbilden von Durchbrüchen und (c) eine Draufsicht der CD-Elektroden mit einer elliptischen Öffnung passend zum Grundmodus eines LGS-MMQSHR mit Y-Schnitt.
9 veranschaulicht (a) eine alternative Ausführungsform, die einen untertauchbaren, symmetrischgebondeten MMQSHR mit symmetrischen reflexionsmindernden CD-Zellen verwendet. Ebenfalls veranschaulicht ist (b) das Hervorrufen gewollter Reflexionen bei einer Länge größer als der Maßstab der CD-Elektroden, so dass eine definierte und kontrollierte Fluidresonanz entsteht.
10 veranschaulicht ein alternatives Mittel zum Herstellen einer reflexionsmindernden Elektrode oder einer reflexionsmindernden Befestigungsvorrichtung.
11.a veranschaulicht die zunehmende Veränderlichkeit der dynamischen Kapazität gemäß einer Schätzung durch das Anpassungsverfahren unter Verwendung lediglich des realen Teils einer Übertragungsfunktion mit zunehmenden kompressionalen Reflexionen. 11.b zeigt den dynamischen Verlustwiderstand für dieselbe Messung.
12 veranschaulicht die Effekte einer langsamen Welligkeit auf die gemessenen Übertragungsfunktionen des MMQSHR. Die Ausgangsdaten mit einer reflexionsmindernden Befestigungsvorrichtung (durchgezogene Linie) werden mit einer Trennung von 5 mm zu Titan (feine Strichlinie) und Luft (grobe Strichlinie) verglichen.
13 ist ein Ersatzschaltbild des MMQSHR gemäß der vorliegenden Erfindung.
14 zeigt die Verzerrungen des frequenzabhängigen dynamischen Verlustwiderstandes infolge der Reflexionen.
15 veranschaulicht die überragenden Ergebnisse einer invers-polynomen Entfaltung von Spitzen, wenn die polynome Ordnung von quadratisch zur 6. Ordnung und 12. Ordnung erhöht wird.
16 veranschaulicht die Welligkeit in den gemessenen Daten der Übertragungskonduktanz eines MMQSHR infolge von Druckwellenleitungseffekten.
17 ist ein Flussdiagramm des Verfahrens, das zum Anpassen der gemessenen Daten an separate Resonanzmodus-Grundfunktionen und periodische Welligkeitsfunktionen verwendet wird.
18 ist ein Flussdiagramm des Verfahrens, das zum Anpassen der gemessenen Daten an eine Summe von Resonanzmodus-Grundfunktionen und Reihenübertragungsleitungseigenschaften der Kompressionsmodi in Fluid verwendet wird.
19 veranschaulicht ein Verfahren zum Bestimmen von Fluideigenschaften anhand von Ersatzschaltbildparametern gemäß der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende detaillierte Beschreibung enthält beispielhafte Ausführungsformen der hier beanspruchten Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen. Die Beschreibung soll lediglich der Veranschaulichung dienen und nicht den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung einschränken. Die Ausführungsformen werden hinreichend detailliert beschrieben, um es dem Durchschnittsfachmann zu ermöglichen, die vorliegende Erfindung zu praktizieren. Weitere Ausführungsformen können mit einigen Veränderungen praktiziert werden, ohne vom Geist oder Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Die vorliegende Erfindung enthält eine Verschmelzung von Sensorprinzipien, wobei die Auslegung und der Betrieb der verschiedenen Teilsysteme vorteilhaft integriert sind. Insbesondere betrifft die Erfindung die Integration eines Dickenschermodus (Thickness Shear Mode, TSM)- oder ähnlichen Resonanzsensors in eine Fluidumgebung mit endlichen Abmessungen, vorzugsweise definiert durch eine oder mehrere Sensorstrukturen, die einer oder mehreren integrierten Sensorelektroden zugeordnet sind. Der bevorzugte TSM-Sensor ist ein Mehrmoden-Quasi-Scher-Horizontalresonator(Multi-Mode, Quasi-Shear-Horizontal Resonator, MMQSHR)-Sensor mit einer proximalen, effektivparallelen, schallreflektierenden Fläche mit einem Fluid in der dazwischenliegenden Region. Der MMQSHR kann vom dickenfelderregten gekoppelten Dickenscher- oder gekoppelten Dicken-Twist-Modus aus der US-Anmeldung Nr. 12/036,125 sein, oder kann vom alternativen lateralfelderregten, linear und zirkular polarisierten Schermodus sein, wie in der US-Anmeldung 12/404,288 mit dem Titel „Improved Lateral Excitation of Pure Shear Modes” an Andle, Haskell und Stevens offenbart und am 14. März 2009 eingereicht. Der MMQSHR der einen wie der anderen Erregung kann umfassen: ein einzelnes piezoelektrisches Sensorelement; ein Sensorelement aus symmetrisch gebondeten piezoelektrischen Substraten, wie in der US-Anmeldung Nr. 2009/0309,453 mit dem Titel „Electro Acoustic Sensor for High Pressure Environments” an Andle, eingereicht am 20. April 2006, offenbart; oder einen asymmetrischen Verbund aus einem piezoelektrischen Substrat und einem weiteren Material, wie in der US-Anmeldung Nr. 12/202,431 mit dem Titel „Asymmetric Composite Acoustic Wave Sensor” an Andle und Haskell, eingereicht am 2. September 2008, offenbart. Für die Zwecke der vorliegenden Anmeldung werden diese alle zusammen als Resonanzschallwellenbauelement(Acoustic Wave Device, AWD)-Sensoren bezeichnet. Eine oder beide Flächen können mit einem Fluid beladen werden, und eine oder beide Flächen können eine entsprechende Reflexion von Kompressionsenergie aufweisen. Die Fälle lassen sich ohne weiteres durch ordnungsgemäße Berücksichtung der Symmetrie und verschiedene Faktoren von 2 in die vorliegende Offenbarung integrieren und werden der Einfachheit halber zusammen als einseitig beladen offenbart und besprochen.
In einer Gruppe von Ausführungsformen werden reflexionsmindernde Strukturen bereitgestellt, die es ermöglichen, den Reflexionskoeffizienten der beiläufig abgestrahlten Kompressionsenergie hinreichend zu minimieren. Wie in 6 zu sehen ist, kann das Bauelement selbst reflexionsmindernd sein, kann aber infolge der Installation immer noch mit Reflexionen behaftet sein. Diese reflexionsmindernden Strukturen werden am besten mit Verfahren verwendet, die das Messergebnis anhand der Restreflexionen detektieren und/oder kompensieren. Dabei bietet die Kombination des Bauelements und des Verfahrens ein verlässlicheres System zum Messen einer physikalischen Eigenschaft, wie zum Beispiel der Viskoelastizität des Fluids, während die Beschränkungen hinsichtlich Installation und Endnutzung reduziert werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, unerwünschte kompressionale Resonanzen zu detektieren, die sich in die erwünschten Resonanzen des Sensors einkoppeln, und des Weiteren die relative Qualität der Sensormessung allein unter Verwendung der Parameter anzuzeigen, die bereits zum Zeitpunkt der Messung verfügbar sind.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die durch unerwünschte kompressionale Resonanzen verursachten Verzerrungen zu messen und zu kompensieren, wodurch die Installations- und Betriebsbedingungen für einen Endnutzer erleichtert werden.
In einer weiteren Gruppe von Ausführungsformen werden Strukturen bereitgestellt, die gleichbleibende Reflexionskoeffizienten der abgestrahlten Kompressionsenergie erzeugen. Das Erzeugen eines gleichbleibenden Reflexionskoeffizienten vereinfacht die Verwendung von Verfahren zum Kompensieren des Messergebnisses, wenn es nicht möglich ist, reflexionsmindernde gegenüberliegende Flächen zu realisieren.
In einer weiteren Gruppe von Ausführungsformen werden Strukturen bereitgestellt, welche die Reflexionskoeffizienten der abgestrahlten Kompressionsenergie maximieren und die zugeordnete Weglänge zum Erhalten eines gleichbleibenden Stehwellenmusters und eine zugeordnete funktionale Form der Druckwellenimpedanz für das AWD optimieren. Das Erzeugen eines großen Reflexionskoeffizienten erlaubt eine größtmögliche Variation zwischen konstruktiven und destruktiven Interferenzpunkten, so dass Verfahren zum Instrumentieren der reflektierten Signale trotz eines hohen Ausbreitungsverlustes und relativ großer Weglängen zwischen der Sensorfläche und der gegenüberliegenden reflektierenden Fläche bereitgestellt werden können. Eine solche Anordnung erlaubt es der Instrumentierung, zusätzliche Informationen über Fluideigenschaften aus den Effekten der Reflexionen herauszulesen.
Die ordnungsgemäß konstruierte Fluidzelle hat dagegen nur einen endlichen Reflexionskoeffizienten auf der gegenüberliegenden Fläche, wodurch ein schneller Schwingungsfehlerterm in dem Fluid, der mit einem unten besprochenen hoch-dispersiven Wellenleitungsphänomen verknüpft ist, beseitigt wird. Obgleich die Schwingungsfehlerfunktion zu den Fluideigenschaften in Beziehung steht, sind die verknüpften Wellenleitungsbedingungen oft zu instabil, um in einer reproduzierbaren Instrumentierung verwendet zu werden. Ungeachtet dessen kann in diesen Fällen diese sogenannte „schnelle Welligkeit” modelliert, an eine Funktion angepasst und aus der übrigen Analyse ausgeklammert werden. Auf diese Weise kann die Fehlerquelle korrigiert werden. Und schließlich ist zu sehen, dass nur eine Fluid-Luft- oder eine Fluid-Kristall-Luft-Grenze einen hinreichend geringen Reflexionsverlust aufweist, um diesen Effekt zu ermöglichen. Darum ist die schnelle Welligkeit in bestimmten Ausführungsformen als eine Form von Blasendetektor verfügbar.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, zusätzliche Informationen über die physikalischen Eigenschaften des Fluids aus der Messung der Verzerrungen zu erhalten, die durch die Interaktion von Druckwellenresonanzen in dem Fluid mit Scherresonanzen in dem Sensorselement verursacht werden. Ein solches System wurde in der Anmeldung '869 offenbart; jedoch bezieht sich die Analyse darin auf ein Modell der punktförmig verteilten Elemente. Die Schritte, die zum Optimieren von reflektierten Wellen für diesen Zweck erforderlich sind, sind möglicherweise nicht mit dem Modell der punktförmig verteilten Elemente kompatibel. Des Weiteren lehrte die Anmeldung '869 nicht ausdrücklich, wie die reflektierten Wellen zu optimieren sind.
Zu diesem Zweck werden ein Bauelement, ein System und ein Verfahren bereitgestellt, wobei die Reflexionen so maximiert und kontrolliert werden, dass die spezifischen Einflüsse der kompressionalen Resonanzen zu instrumentierbaren Merkmalen führen, die zum Elastizitätsmodul, zum elastischen Verlustkoeffizienten und zur Massedichte korreliert sind.
Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Instrumentierung von Druckwellenresonanzen eines Fluids in Kontakt mit einem Resonanz-AWD-Sensor, ganz besonders bevorzugt einem Mehrmoden-Quasi-Scher-Horizontalresonator(Multi-Mode, Quasi-Shear-Horizontal Resonator, MMQSHR)-Sensor mit einem integrierten Leitfähigkeit-Dielektrikum-Sensorelementepaar gegenüber der Sensorfläche des MMQSHR. Die gekoppelten Resonanzen werden instrumentiert, und ihre Eigenschaften werden zum Extrahieren von Informationen über Dichte und Komprimierbarkeitsmodul verwendet.
In einigen Fallen, wie zum Beispiel Reflexionen von der gegenüberliegenden Stirnfläche einer Fluidzelle oder der Integration von Leitfähigkeit-Dielektrikum(CD)-Messelektroden, ist die reflektierende Fläche ein Nebenprodukt der Integration und Installation der Sensorselemente. In anderen Fällen kann die reflektierende Fläche gewollt eingerichtet werden, um einen definierten und kontrollierten Reflexionszustand hervorzurufen und die Installation zu vereinfachen.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Detektion unerwünschter reflektierter Druckwellenenergie und der damit einhergehenden Verzerrungen. Um ein solches Verfahren zu praktizieren, ist es wünschenswert, dass es entweder keine Fläche gegenüber der piezoelektrischen Fläche gibt oder dass die gegenüberliegende Fläche so verändert wird, dass Reflexionen unterdrückt werden.
In einem Fall von besonderem Interesse ist die proximale Fläche eine parallele Plattenelektrode einer Leitfähigkeits- oder Dielektrizitätskonstanten(CD)-Messzelle. Die gegenüberliegende Fläche reflektiert Schallwellen zurück zum MMQSHR-Resonator, sofern sie nicht operativ reflexionsmindernd gemacht wird. Solche reflexionsmindernden Elektroden erlauben es erzeugten Druckwellen, die Elektroden zu durchqueren, wodurch Viskositäts-, Dichte- und Elastizitätsmessungen auf der Grundlage von Messprinzipien des Standes der Technik, die unabhängig von dem reflektierten Signal sind, vereinfacht werden. 8.a zeigt einen AWD-Sensor 801 in einem abgedichteten Gehäuse 804 mit Fluidbelastung auf einer einzelnen, exponierten Seite, die eine reflektierende Leitfähigkeits- und Dielektrizitäts(CD)-Sonde 802, 803 nahe dem Sensor aufweist. In dem Fluid entsteht zwischen dem Sensor und der inneren Elektrode 802 eine vervielfachend-reflektierte kompressionale Resonanz 805. 8.b zeigt denselben Sensor mit einer operativ reflexionsmindernden CD-Sonde, die durch selektives Abtragen von Material 811, 812 von den CD-Elektroden 802, 803 gebildet wird, damit sich abgestrahlte Energie 813 von dem Sensor fort ausbreiten kann. 8.c zeigt eine Draufsicht auf Elektroden 802, 803 mit Öffnungen 811, 812. 8.a zeigt außerdem eine elektrische Erregung und Messung innerhalb des Gehäuses 804 und elektrische Anschlüsse einer angesteuerten äußeren Elektrode 803, die für eine CD-Messung über einen Widerstand 806 mit dem Gehäuses 804 des AWD gekoppelt ist, während über den Kondensator 807 eine HF-Masse zu dem Gehäuse bereitgestellt wird. Es ist zu beachten, dass eine massive Struktur mit mindestens einer Öffnung eine mit Durchbrüchen versehene Elektrode ist.
9.a veranschaulicht einen symmetrischen gebondeten Resonator mit symmetrischen CD-Elektroden, die operativ reflexionsmindernde Öffnungen aufweisen. Ein Verbund-AWD 901 ist symmetrisch zwischen operativ reflexionsmindernden CD-Elektroden 902, 903, 904 und 905 angeordnet. Die gesamte Struktur wird untergetaucht, und abgestrahlte Druckwellen breiten sich durch Öffnungen 906, 907, 908 und 909 aus. 9.b veranschaulicht dasselbe Bauelement mit einem reflektierenden Gehäuse, das dem AWD einen kontrollierten Ausbreitungsweg und Reflexionszustand verleiht. Der Verbund-AWD 901 und die Elektroden 902, 903, 904 und 905 sind zwischen kontrollierten und optimal angeordneten Reflektoren 910, 911 angeordnet, um Fluidresonanzen 912, 913 zu erzeugen. Es ist zu beachten, dass die massive Fläche eine Fluidaufnahmezelle, Elektroden für Messungen der elektrischen Fluideigenschaften oder mechanische Stützen und Streben zum Positionieren des AWD umfassen kann, um einige nicht-einschränkende Beispiele zu nennen.
Ein möglicher Weg zur Unterdrückung von Druckwellenreflexionen besteht darin, das CD-Elektrodenmaterial gegenüber der aktiven akustischen Fläche des Bauelements zu entfernen, wie in 8.b und 8.c veranschaulicht. Diese Herangehensweise mit Öffnungen oder Löchern, die jede beliebige Form haben können, die ungefähr zu der Form des Energieeinfangs der akustischen Modi in Beziehung stehen, erlaubt es der abgestrahlten Energie, sich weiter unbehindert in das Volumen des Fluids hinein auszubreiten, wie durch Pfeile 813 veranschaulicht. Die interessantesten Formen sind zirkular oder elliptisch. Für LGS mit Y-Schnitt ist der Energieeinfang einer Metallelektrode für eine Grundwelle und eine fünfte Oberschwingung optimal elliptisch und für eine dritte Oberschwingung optimal ungefähr zirkular. Der übrige Teil der Elektrode oder sonstigen proximalen parallelen reflektierenden Fläche wird im übrigen Teil des Textes als eine CD-Parallelringelektrode bezeichnet.
Obgleich das Ausbilden von Durchbrüchen starke Reflexion von Druckwellen verhindert, die sonst mit der Viskositätssensorfläche interagieren und dadurch den Frequenzgang des Bauelements verändern würden, kann die durchgelassene Welle anschließend durch die Öffnung zurück reflektiert werden. Auf diese Weise sind die mit Durchbrüchen versehenen CD-Elektroden eine konkrete Ausführungsform einer operativ reflexionsmindernden Elektrode, und ihre Wirksamkeit wird durch den Ausbreitungsverlust des Fluids und die Installationsdetails beschränkt. Gekoppelt mit einem Verfahren zum Validieren der Qualität der Daten durch Detektieren unerwünschter Reflexionen oder zum Kompensieren der als Nebeneffekt der Installation auftretenden Reflexionen erfüllt dieses Elektrodendesign die Erfordernisse des Minderns des Einflusses von Kompressionsmodi auf den Schermodussensor.
Verschiedene Regimes zum Implementieren einer reflexionsmindernden Elektrode oder Fläche sind in 10 veranschaulicht. 10.a veranschaulicht den Sensor 801 und ein normal reflektierendes Material 1003 mit einem Fluid dazwischen. Eine Antireflexionsbeschichtung 1004 ist ein Viertel einer Schallwellenlänge dick und hat eine kompressionale akustische Impedanz, die ungefähr das geometrische Mittel der Fluidimpedanz und das des normal reflektierenden Materials ist. Zum Beispiel hat Edelstahl eine kompressionale Impedanz von 30 × 10⁶, und ein Nennwert der Fluidimpedanz ist 1,5 × 10⁶. Eine Antireflexionsschicht würde idealerweise eine kompressionale Impedanz in der Größenordnung von 6,7 × 10⁶ haben. Da selbst ein Leichtmetall, wie zum Beispiel Aluminium, eine Impedanz von 17 × 10⁶ hat, ist es klar, dass Polymerfilme erforderlich wären.
In einer Ausführungsform wird angenommen, dass das reflektierende Material hinreichend dick ist, dass die gegenüberliegende Grenze keine Quelle von Reflexionen ist. In einer weiteren Ausführungsform ist die gegenüberliegende Fläche außerdem mit einer Antireflexionsbeschichtung 1005 vergütet. Im Allgemeinen garantieren die Polykristallinität der meisten Metalle und die plastischen Verluste der meisten Polymere, dass die Region 1003 für viele mögliche Materialien hinreichend dick ist.
10.b veranschaulicht eine alternative Ausführungsform, in der die Fläche 1010 aus reflektierendem Medium 1011 so texturiert ist, dass sie die auftreffende Schallwelle 1002 willkürlich beugt 1012. Das Fehlen kohärenter Reflexionen reicht aus, um den Einfluss der reflektierten Energie zu beseitigen. Beide Verfahren sind – zu einem gewissen Grad – von der Wellenlänge von Schall in dem Fluid abhängig und sind nur über bestimmte Betriebsbereiche effektiv. Ein einschränkender Fall von 10.b, bestehend aus einem einzelnen, konischen Vorsprung, wurde verwendet, um die Daten 702 von 7 zu erfassen.
10.c veranschaulicht ein weiteres Verfahren, um dies zu erreichen, wobei die Elektrode selbst die Antireflexionsbeschichtung ist. Das Ziel ist es, eine Kombination aus Elektrodenmaterialien mit akustischen Impedanzen und Phasendicken dergestalt auszuwählen, dass das auftreffende Signal von dem Fluid nicht reflektiert wird. Eine solche Lösung verwendet eine Elektrode 1021 mit einer Dicke Δ/4, bei der die Fläche gegenüber dem Fluid mit einem Dämpfungsmaterial 1022 mit einer Impedanz Z_D beladen ist. Das Elektrodenmetall hat eine Impedanz Z_M, die ungefähr das geometrische Mittel der Dämpfungsmaterialimpedanz und der Fluidimpedanz Z_F ist. Da die interessierenden Fluide Änderungen bei der Impedanz zwischen 50°C und +150°C von 3:1 haben können, ist dieser Lösungsansatz auf bestimmte Betriebsbedingungen beschränkt. Ein weiterer Ansatz ist die räumliche Modulation der Impedanz des Metalls, wie die durch das Fluid gesehen wird. Dies kann durch das Ausbilden von Durchbrüchen, Wellungen oder strukturierten Beschichtungen der CD-Elektroden erreicht werden, die in einem Maßstab variieren, der der Druckwellenlänge in dem Fluid vergleichbar ist und eine Verallgemeinerung von 10.b darstellt.
Zusammengenommen sind Regimes, um eine Elektrode reflexionsmindernd zu machen, parallele Mittel zum Erreichen eines gemeinsamen Ziels der vorliegenden Erfindung, und das Abtragen von Material, die Herstellung eines reflexionsmindernden Mediums und die Herstellung einer beugenden Streuungsfläche sind nur drei solcher Ansätze. Jede solche gegenüberliegende Elektrode gilt als eine „reflexionsmindernde Elektrode”, und jede solche gegenüberliegende Fläche gilt als eine „reflexionsmindernde Fläche”, wenn die Elektrode oder Fläche behandelt oder vergütet wurde, um Reflexionen zu beseitigen oder wesentlich zu mindern.
Ungeachtet des Ansatzes, mit dem Reflexionen gemindert werden, gibt es immer Restreflexionen auftreffender kompressionaler Reflexionen. Kein in der Praxis realisierbares Regime zum Herstellen einer reflexionsmindernden Umgebung bleibt über große Änderungen der Fluideigenschaften hinweg hinreichend reflexionsmindernd. Es versteht sich, dass die betrieblichen Grenzen in Bezug auf Veränderungen der Fluideigenschaften die Betriebsbedingungen einschränken könnten, über die eine Fläche oder Elektrode reflexionsmindernd ist. In Situationen, wo diese Unterscheidung von Belang ist, gilt die Elektrode oder Fläche als „operativ reflexionsmindernd”. Das genaue Niveau der Reflexionskoeffizienten, die als reflexionsmindernd angesehen werden können, ist eine Frage der technischen Auslegung. Die Anforderungen könnten von einem hohen Reflexionskoeffizienten von –10 dB bis zu einem niedrigen Reflexionskoeffizienten von –40 dB Leistungsreflexion variieren (eine Reflexion in der Größenordnung von ungefähr 0,3 bis 0,01). Es ist zu beachten, dass der primäre Einfluss der kompressionalen Reflexionen darin besteht, eine Übertragungsfunktion zu erzeugen, die infolge der endlichen Phasenverschiebungen der Fluidresonanz von dem Modell der punktförmig verteilten Elemente abweicht. Die Abweichungen, als eine Differenz oder als ein Verhältnis gemessen, von einer idealen Darstellung der Übertragungsfunktion durch punktförmig verteilte Elemente repräsentieren die Rolle von Übertragungsleitungs- oder Wellenleitereigenschaften der Fluidresonanz. Ihre Frequenzsteilheit oder Dispersion gibt Informationen über die Druckschallgeschwindigkeit des Fluids.
Im Stand der Technik wird die dynamische Kapazität verwendet, um die Änderung des dynamischen Verlustwiderstandes unter Fluidbelastung zu linearisieren, um einen Verlustparameter zu erhalten. Sie wird des Weiteren dafür verwendet, die Änderung der dynamischen Induktivität unter Fluidbelastung zu linearisieren, um einen Frequenz- oder Phasenparameter zu erhalten. Jedoch wird die Kapazität selbst im Stand der Technik nicht verwendet. Somit werden drei unabhängige Informationen aus jedem akustischen Resonanzübertragungsweg erhalten, doch nur zwei von diesen werden in dem System der linearen Gleichungen verwendet. Ein solches Gleichungssystem aus der Anmeldung '869 zeigt die Scher- und kompressionale Impedanz des Fluids anhand einer Matrixberechnungsfunktion, die die Verlust- und Phasenparameter misst, als
wobei Z_os die Scherimpedanz des Sensors ist, Z_oc die kompressionale Impedanz des Sensors ist, die K_xn vier Kalibrierungsparameter sind und die Verlust- und Phasenparameter, L_mn und P_mn, der anharmonischen Resonanzmodi des MMQSHR optimal normalisiert sind. Die Scherimpedanz ist anhand der Frequenz ω, der Dichte ρ, der Viskosität η und der Entspannungszeit τ gegeben als
und die kompressionale akustische Impedanz einer endlichen Fluidschicht mit Dicke H ist gegeben als
Bei Fehlen von Druckwellenreflexionen ist die Impedanz rein real und ist √ ρκ . Bei kompressionalen Reflexionen in einem Fluid mit endlichem Ausbreitungsverlust, α, Höhe, H, Phasengeschwindigkeit, v = √ κ/ρ , und einer Kennimpedanz des gegenüberliegenden Materials,
nähert sich die Impedanz Z_opp bei sehr kurzen Leitungen, hat ein oszillatorisches, aber abklingendes Verhalten für Leitungen von mittleren Längen und nähert sich asymptotisch √ ρκ bei langen Leitungen. Bei Newtonschen Fluiden braucht nur der reale Teil von Z_S in Betracht gezogen zu werden, und die Gleichungen der Anmeldung '125 sind das Ergebnis.
Das Vorhandensein eines imaginären Teils von Z_C ist ein Hinweis auf kompressionale Reflexionen. Als solches ist der Umstand, dass der imaginäre Teil ungleich null ist, ein Hinweis darauf, dass die Elektrode oder sonstige Struktur nicht operativ reflexionsmindernd ist. Es wird ein Mittel zum Detektieren und Quantifizieren unerwünschter kompressionaler Reflexionen bereitgestellt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist festzustellen, dass die dynamische Kapazität, die anhand der Krümmung des realen Teils der Übertragungsadmittanz geschätzt wird, minimal und systematisch mit der viskoelastischen und nicht-reflektierten kompressionalen Belastung des Sensors variiert, während reflektierte Kompressionsenergie diese Schätzung der dynamischen Kapazität, die bei der Anpassung des realen Teils der Übertragungsfunktion beobachtet wurde, zu einem Ersatzschaltbildmodell moduliert. Es gibt mindestens zwei Ursachen dafür. Eine ist ein numerisches Problem, die mit der scheinbaren Änderung der Krümmung der Resonanzspitze der Übertragungsfunktion zu tun hat, wenn die Periode der Fluidresonanz nahe der Bandbreite der Resonanz liegt. In diesem Fall können Verformungen der Resonanzform bestimmte numerisch einfache Ansätze zum Anpassen eines Ersatzschaltbildes zunichte machen. Der zweite Fall betrifft die Störung der Resonanz durch die Fluidresonanz, wenn die Fluidresonanz nicht hinreichend durch punktförmig verteilte Elemente modelliert werden kann. Dies wird unten ausführlich besprochen.
Gemäß mindestens einem Aspekt der Erfindung wird die Modulation der dynamischen Kapazität aus einem erwarteten Ergebnis zum Detektieren der Qualität einer Fluideigenschaftsmessung verwendete. 11.a zeigt die dynamische Kapazität der beiden Modi eines MMQSHR über die Temperatur in einem Mineralöl mit (1103, 1105) und ohne (1104, 1106) Minderung der Reflexionen von Kompressionsenergie. Die Minderung ist unvollständig, und es ist bekannt, dass die dynamische Kapazität bei Fehlen von Reflexionen einer sprungfreien, fast-linearen Temperaturabhängigkeit folgt, wie durch die Linien 1101 und 1102 angedeutet ist. Die dynamische Kapazität der Bauelemente von 6 ist mit gewollter Reflexion (vollschwarze Symbole) und ohne gewollte Reflexion (Rahmensymbole) für die Modi 0° (Quadrate) und 180° (Rauten) gezeigt. Bei einem Bauelement ist eine flache Stahlfläche gegenüber dem MMQSHR in einem Abstand angeordnet, während bei dem anderen Bauelement eine 45° konische Form verwendet wird, um die Reflexionen gemäß einer Ausführungsform von 9.b zu streuen. Es ist zu sehen, dass die dynamische Kapazität erheblich vom Ausgangswert abweicht. Die Abweichungen sind beim 0°-Modus deutlich ausgeprägter als beim 180°-Modus und bei der flachen reflektierenden Fläche deutlich ausgeprägter als bei der konischen reflexionsmindernden Fläche. Aus diesen Figuren wird außerdem deutlich, dass die Unterdrückung von Reflexionen durch die einfache konische Verjüngung der Fläche unvollständig ist.
11.b zeigt die Differenz zwischen den Werten des 0°-Modus und des 180°-Modus der kapazitiven Reaktanz und des dynamischen Verlustwiderstandes. Es ist zu sehen, dass die differenzielle kapazitive Reaktanz mit der flachen gegenüberliegenden Fläche 1111 und der differenzielle Widerstand für dieselbe Messung 1112 eine Welligkeit im Vergleich zu der reflexionslosen Reaktanz 1113 und dem reflexionslosen Widerstand 1114 aufweisen, die zueinander phasenungleich sind. Während die Kapazität allein also ein uneinheitliches Bild vom Vorhandensein von Reflexionen in 11.a gab, gibt die Kombination der Differenziale von kapazitiver Reaktanz und Widerstand zwischen den Modi ein Bild unter allen Phasenbedingungen. Mit Bezug auf die Eingangsparameter der Anmeldung '869 sind die individuellen dynamischen Verlustwiderstände bereits als die Verlustparameter eingerechnet, so dass den Berechnungsfunktionen der differenzielle Widerstand implizit zur Verfügung steht. Zusammen mit der differenziellen kapazitiven Reaktanz kann sie zum Detektieren unerwünschter kompressionaler Reflexionen verwendet werden. Es werden Verfahren in Betracht gezogen, die explizit die differenzielle Kapazität, den differenziellen Widerstand oder beides verwenden. Vor allem aber können die differenzielle kapazitive Reaktanz und der differenzielle Widerstand jedes Modus höherer Ordnung mit Bezug auf den nullten (180°-)Modus als ein zusätzlicher N-1-Eingangsparameter für einen N-Modus-Sensor verwendet werden. Es versteht sich, dass jeder Modus nach Belieben als der 0-te Modus bezeichnet werden kann. Im vorliegenden Beispiel eines Dualmodus-Sensors würde es nun fünf oder sechs gemessene Eingangsparameter geben. Im Prinzip erlaubt dies die Messung von mindestens fünf Fluideigenschaften.
Der Effekt der kompressionalen Reflexionen besteht im Zurückwerfen von Energie bei einer variablen Phase zur Scherresonanz. Die Auswirkungen von reflektierten Signalen auf Frequenz und Verlust wurden in der Anmeldung '869 offenbart und beansprucht. 11.a und 11.b zeigen eine Änderung der dynamischen Kapazität infolge der Reflexionen, getrennt von der Frequenzverschiebung, die in der Anmeldung '869 nicht antizipiert wurde. Bei Phasengleichheit oder Phasenungleichheit erhöhen oder verringern diese Reflexionen den gemessenen dynamischen Verlustwiderstand, wie in 12 zu sehen ist. In der Regel ist die Verringerung des dynamischen Verlustwiderstandes (Vergrößerung von |Re[Y₂₁]|) klein, und Vergrößerungen des Widerstandes (Verringerungen von |Re[Y₂₁]|) sind ausgeprägter, wie in der Figur zu sehen ist. Es ist außerdem zu sehen, dass, wenn die reflektierte Druckwelle für den 0°-Modus konstruktiv ist, sie für den 180°-Modus destruktiv ist und umgekehrt, weshalb das differenzielle Signal auf Kompressionsenergie anspricht, die zum Sensor zurück reflektiert wird. Es ist zu beachten, dass jede Vergrößerung von Y₂₁ (Verringerung des Widerstandes) beschränkt ist und nicht das Ergebnis des Auslöschens des Wertes des reflexionsmindernden Strahlungswiderstandes übersteigen kann; jedoch kann die Vergrößerung des Widerstandes bei Resonanzbedingungen unendlich sein, und Y₂₁ kann null werden.
Jede andere Phasenkomponente des reflektierten Signals ist mindestens teilweise reaktiv und ändert je nach der Phasenverschiebung entweder die dynamische Induktivität oder Kapazität. Auch hier entspricht ein Frequenzanstieg für den 0°-Modus allgemein einer Frequenzverringerung für den 180°-Modus und umgekehrt. Ebenfalls anzumerken ist, dass sich die dynamische Kapazität der beiden Modi mit der Reflexion verändert, wie in den 11.a und 11.b zu sehen ist und wie in der sich verändernden Krümmung der Modi in 12 zu sehen ist. Es ist eine Verringerung der Größenordnung der dynamischen Kapazität und (überwiegend) eine Vergrößerung des dynamischen Verlustwiderstandes für die Modi zu sehen, die zyklisch mit der Phase der reflektierten Druckwelle relativ zur Scherresonanz des MMQSHR variiert.
Durch Vergleichen der Abweichung der dynamischen Kapazität von dem Wert in Luft mit den anderen gemessenen Werten ist es möglich, den Grad der Verzerrungen in mindestens einige Fällen zu quantifizieren. Die Änderung der dynamischen Kapazität bei bestimmten viskoelastischen Belastungen wurde im Stand der Technik für die Fluidbelastung durch Arnau, Jiminez und Sogorb in ihrem Aufsatz mit dem Titel „Thickness shear mode quartz crystals in viscoelastic fluid media", JAP 88(8), Seiten 4498–4506 (2000); jedoch besprachen sie nicht die reflektierte Energie. Es gibt außerdem Artefakte des Kurvenanpassungsprozesses im Stand der Technik, die zu reproduzierbaren Fehlern bei der Berechnung der dynamischen Kapazität führen. Diese systematischen Fehler zeigen des Weiteren die reflektierte Energie an, da die gemessenen Daten nicht mehr mit den Grundfunktionen des Resonators in reflexionsmindernden Umgebungen übereinstimmen.
Es ist zu sehen, dass die zusätzlichen Informationen, die in der dynamischen Kapazität transportiert werden, zum Detektieren von Ungleichgewichten in den Verlust- und Frequenzparametern infolge von Druckwellenreflexionen verwendet werden können. Da die Ergebnisse manchmal im Gleichgewicht sind, auch mit Reflexionen, ist das Verfahren allein unter Verwendung der dynamischen Kapazität – im Vergleich zur Verwendung sowohl der dynamischen Kapazität als auch des differenziellen Ungleichgewichts des Terms ωRC – nur von beschränktem Wert.
Die vorangegangenen Figuren und Besprechungen beziehen sich alle auf Datensätze mit sich langsam verändernder Kompressionsmodusverzerrung. Die folgenden Daten sollen den bedeutsamen Einfluss reflektierter Kompressionsmodi veranschaulichen. Der Frequenzgang des MCF ist durch zwei erwünschte Modi gekennzeichnet. Der erste Modus ist der symmetrische Modus, der einer elektrischen Phasenverschiebung von 180° entspricht, während der zweite Modus der antisymmetrische Modus ist, der einer elektrischen Phasenverschiebung von 0° entspricht.
Der symmetrische Modus ähnelt in seiner Modusform sehr dem Einzelöffnungs-Resonator. Darum wird die Empfindlichkeit der Oberflächenimpedanz (Z_s) durch (ρη)^½ dominiert, mit nur einen kleinen Komponente der Empfindlichkeit für (ρκ) infolge einer Druckwellenstrahlung, die durch seine relativ flache cos((0π + δ)x/L)-Modusformverteilung am Resonator bestimmt wird. Das Verhältnis von Druckwelle zu Scherwelle, θ₀, ist ungefähr (δL/t)² für einen Kristall der Dicke, t, wobei δ → 1.
Die Empfindlichkeit des antisymmetrischen Modus wird ebenfalls durch (ρη)^½ dominiert. Jedoch hat er infolge seiner steileren Modusverteilung, sin((π + δ')x/L), an der Oberfläche des Resonators ungefähr die drei- bis vierfache Druckwellenstrahlung des symmetrischen Modus. Das Verhältnis von Druckwelle zu Scherwelle, θ₁, beträgt ungefähr ((1 + δ')L/t)² für einen Kristall der Dicke, t. In der Regel ist δ' < δ, aber die Werte sind bei guten Designs ähnlich. Das Empfindlichkeitsverhältnis beträgt ungefähr θ₁/θ₀ ≈ ((1 + δ')/δ)² und wird durch die Energieeinfangparameter des Bauelements, δ und δ', bestimmt, die immer kleiner als 1 sind. Die Empfindlichkeit für Z_C wird ungefähr um einen Faktor von mindestens vier im Vergleich zum symmetrischen Modus erhöht, wenn δ und δ' → 1. Angesichts der Elastizität des Fluids erlaubt die Verwendung von Daten aus den beiden Modi das Extrahieren von Dichte und Viskosität, wenn die beiden Modi eine vergleichbare Empfindlichkeit für Z_S und eine differenziell signifikante Empfindlichkeit für Z_C haben. Umgekehrt ist es bei gegebener Dichte möglich, die Elastizität und Viskosität zu berechnen.
Ein Ansatz und ein Verfahren für ein Paar Einmodus-Resonatoren ist durch Kim und Mitarbeiter vorgeschlagen worden. Dabei werden ein einzeln gedrehtes und ein doppelt gedrehtes Resonatorpaar verwendet, wobei das Modell Δ(Z) mit Z_C = (ρκ)^½ schätzte. Die vorliegende Erfindung erlaubt es einem einzelnen Resonator, die gleiche Messung unter Verwendung der zwei Anharmonischen auszuführen, aber ebenfalls einen Messwert der Druckwellengeschwindigkeit im Fluid, V = (κ/ρ)^½, zu erhalten.
Das oben Dargelegte stellt ein Mittel zum Detektieren von Ungleichgewichten in der Messung infolge von reflektierter Kompressionsenergie bereit. Gewünscht werden ein Verfahren und ein Bauelement, die es diesen reflektierten Signalen ermöglichen, das Volumen des Fluids zu sondieren und zusätzliche Informationen zu liefern. Da das Modell von 1 sechs unabhängige Informationen enthält, sollte es im Prinzip möglich sein, bis zu sechs Fluideigenschaften zu extrahieren; jedoch stellen die akustischen Impedanzen des Fluids immer das Produkt von Dichte und einem weiteren Parameter dar. Darum ist es nicht möglich, die Dichte aus dem Ersatzschaltbild von 1 zu extrahieren, ohne die anderen Parameter zu kennen. Die Verzerrungen infolge von reflektierter Kompressionsenergie über eine endliche Weglänge liefern die nötigen Daten, da die Phasenverschiebung des reflektierten Signals zu der Geschwindigkeit der Schallwelle in dem Fluid, die (κ/ρ) ist, in Beziehung steht. Wenn man in der Lage ist, die Schallgeschwindigkeit und die kompressionale Impedanz zu extrahieren, so kann man die Variablen trennen und die Dichte bestimmen.
Es wird erkannt, dass das Fluid von endlicher Geometrie einen Wellenleiterresonator darstellt. Der einfachste Modus eines solchen Resonators ist eine Pseudoebenenwelle zwischen den zwei reflektierenden Stirnflächen und kann als eine Übertragungsleitung mit einer Impedanz-Nichtübereinstimmung am gegenüberliegenden Ende behandelt werden. Eine bedeutsame Feststellung ist, dass die Impedanz am Eingang der Druckwellenübertragungsleitung nicht durch punktförmig verteilte Elemente über ein willkürlich breites Band approximiert werden kann und dass die Abweichung vom idealen Modell der punktförmig verteilten Elemente von dem Phasenterm abhängt, der das Produkt der Kreisfrequenz und der Fluiddicke, geteilt durch die Schallgeschwindigkeit in dem Fluid, ωH/V, ist. Das Gleiche gilt für die Resonanz des piezoelektrischen Sensors; jedoch kann über jede normale Fluidbelastung hinweg die Abweichung des Modells der punktförmig verteilten Elemente gegenüber dem genaueren Übertragungsleitungsmodell vernachlässigt werden. Da das Fluid in der Regel in einer Oberschwingung der Grundresonanz arbeitet, ist der Bereich, über den Modelle der punktförmig verteilten Elemente genau sind, entsprechend stärker beschränkt. Unter klug gewählten Sollbedingungen ruft der Gütefaktor der Resonanz in dem Fluid messbare Abweichungen von dem Ersatzmodell der punktförmig verteilten Elemente hervor. Die Abweichungen der Übertragungsleitung von einfachen Approximierungen punktförmig verteilter Element wird offenkundig und zeigt die Phasengeschwindigkeit und/oder die physikalische Länge der Fluidübertragungsleitung an.
13 zeigt eine vorgeschlagene Erweiterung des Ersatzschaltbildes des MMQSHR. Die Modellelemente von 1 werden mit ihren ursprünglichen Bezeichnern wiederholt. Die zusätzlichen Merkmale bestehen aus zwei Übertragungsleitungen 1301, 1303 und zwei terminierenden Impedanzen, 1302, 1304, die die langsame Resonanz des Fluids beschreiben, und zwei zusätzlichen Übertragungsleitungen 1305, 1306, die den durchgelassenen Wellenleitermodus beschreiben. Die Übertragungsleitungen haben eindeutige Impedanzen und Längen, da sie eindeutige θ_m und Kontaktprellhäufigkeiten haben. Wenn kompressionale Reflexionen gewollt hervorgerufen werden, so ist in der Praxis Z_opp >> Z_o. Die Übertragungsleitungen werden durch die elektrisch-mechanische Transformation und außerdem durch den Druck-Scher-Kopplungsfaktor gewichtet.
Ein Modellieren des Sensors in der Weise, dass die Auswirkungen der Fluidresonanzen und des Wellenleitens eingerechnet werden, führt zu dem Schaltkreismodell in 13, indem der Gesamtfrequenzgang entsprechend der Resonanz des akustischen Modus an drei Teilsysteme angepasst wird. Ein Teilsystem ist die elektrische Reihenresonanz, das heißt, die herkömmliche dynamische Resonanz des Resonanzmodus in dem Kristall, Z_m1, Z_m2, ... (die „ideale Resonanz”). Diese Impedanz besteht aus einer Induktivität, L_m, einer Kapazität, C_m, und einem Widerstand, R_m. In Reihe mit diesen dynamischen Termen der idealen Resonanz ist ein Reihenpfad eingebettet, der die eindimensionale Resonanz der Druckwelle in dem Fluid darstellt (die „Reihenübertragungsleitung”). Dieses Teilsystem wird durch einen Transformator (nicht gezeigt, und implizit in den berechneten Werten) skaliert, dessen Wicklungsverhältnis eine Eigenschaft des Kristalls (θ_m/ωC_m(ρ_SC_effS)^½)^½, ist, wobei θ_m die Scher-Druck-Umwandlung ist, C_m die dynamische Kapazität ist, ρ_s die Substratdichte ist und C_effS der Substrat-Elastizitätsmodul des Substrats ist. Der Transformator wird durch eine Übertragungsleitung belastet, die das Fluid beschreibt. Wenn Z_opf = (θ_m/ωC_m(ρ_SC_effS)^½)(κρ)^½ oder wenn die Leitungslänge unendlich ist, dann vereinfacht sich die Übertragungsleitung zu einem einfachen Druckabstrahlungsanteil an dem dynamischen Verlustwiderstand, wie im Stand der Technik. In der Regel ist C_effS gleich C_22S.
Den Schaltkreis vollendet ein Nebenschlusspfad, der mit einer schnellen Welligkeit des Wellenleitermodus für jede Resonanz einhergeht („periodische Welligkeitsfunktion”) und als ein dispersiver Wellenleiter modelliert wird, der durch Transformatoren gesehen wird, die Scherwellen zu Druckwellen und zurück umwandeln. Es wird angenommen, dass der Wellenleiter hinreichend verlustbehaftet ist, um mehrere Reflexionen ignorieren zu können. Diese schnelle Welligkeit tritt nur unter anomalen Bedingungen auf und ist hoch-instabil. in den folgenden Besprechungen wird angenommen, dass diese schnelle Welligkeit aus den Daten gefiltert wird und praktisch sogenannte gemessene Daten gefiltert werden, um diese Effekte zu beseitigen, sofern nichts anderes angegeben ist.
Es kann gezeigt werden, dass, bei Fehlen der kompressionalen Reflexionen, das Modell von 1.b hinreichend genau ist und vollständig durch die parallele Kombination zweier Impedanzen, Z_n(ω), beschrieben werden kann, die durch die bezeichneten punktförmig verteilten Elemente beschrieben werden. Wenn wir die Übertragungsadmittanz, Y₂₁, in mindestens zwei parallele Y_n(ω) = 1/Z_n(ω) zerlegen, die mindestens zwei Resonanzmodi des Sensors beschreiben, so stellen wir fest, dass der reale Teil jedes Y_n(ω) eine invers-parabolische Form hat, wenn keine Reflexionen vorhanden sind, und innerhalb eines moderaten Frequenzbereichs liegt. Das Hervorrufen von Reflexionen bei einer frequenzabhängigen Phasendistanz, ωH/V, verzerrt die parabolische Form von 1/Re[Y_n] und trägt höhere Koeffizienten in die invers-polynome Anpassungsfunktion ein.
In einem Verfahren findet die Spitzenentfaltung statt, indem die Übertragungsfunktion an mehrere ideale Resonanzen angepasst wird. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Übertragungsfunktion der reale Teil der Übertragungsadmittanz, und die idealen Resonanzgrundfunktionen sind invers-parabolische Anpassungen des realen Teils der Admittanz. Inversparabolische Anpassungen sind attraktiv, da sie die natürliche Beschreibung einer idealen Reihen-R-L-C-Resonanz nahe der Resonanzfrequenz darstellen und eine analytische Anpassung erlauben. Die Anpassung trennt die mindestens zwei resonanten Übertragungsfunktionen in einer Reihenzerlegung. Eine Variante des Verfahrens erfordert des Weiteren die Kenntnis der imaginären Teile von Y₂₁, die ebenfalls angepasst werden können oder als Hilbert-Transformationen des realen Teils erhalten werden können oder aus den Ersatzschaltbilden, die den inversparabolischen Anpassungen entsprechen, erhalten werden können.
Die idealen Resonanzen werden dann nur verwendet, um die gemessene Übertragungsfunktion in einem einzigen Frequenzintervall für die ideale Überlappung der Resonanzen der anderen Modi zu kompensieren. Für jeden Modus wird dann ein Y'_n(ω) berechnet, das der Rest des gemessenen Y₂₁ ist, minus der idealen Resonanzen aller anderen Modi und der Anpassungen des imaginären Teils aller anderen Modi. Y'_n wird invertiert, um Z'_n(ω) zu erhalten, und bei Fehlen von Reflexionen ist der reale Teil eine Konstante, die der dynamische Verlustwiderstand ist. Mit Reflexionen wird der reale Teil der Eingangimpedanz der resonanten Übertragungsleitung in der Differenz zwischen der gemessenen Übertragungsfunktion und der Zerlegung gesehen.
Der Wert von Re[Z'_n] wird zu dem idealen Ergebnis der parabolischen Anpassung, R_n, für den 180° (n = 0)-Modus und den 0° (n = 1)-Modus in 14 normalisiert. Obgleich beide Modi Kompressionsmodus-Inhalt haben, wird der 0°-Modus in der Regel, speziell wegen seines höheren Gehalts an Kompressionsenergie, in dem MMQSHR verwendet. Der reale Teil der Impedanz ist als der konstante Widerstand plus eines Terms, der aus einer verlustbehafteten terminierten Übertragungsleitung abgeleitet ist, zu erkennen. Der konstante Term, R_n, umfasst einen Term infolge von viskoelastischen Verlusten, R_ηn, und einen weiteren infolge der nicht-reflektierten Abstrahlung von Druckwellen, R_κn. Der letztere Term ist (θ_m√ ρκ /ωC_m(ρ_SC_effS)^½)^½, und berücksichtigt bereits die Kennimpedanz der Übertragungsleitung.
Der reale Teil der Eingangimpedanz eines Fluid-Wellenleiters, der in einer fehlangepassten Impedanz terminiert ist, ist anhand der akustischen Impedanz der gegenüberliegenden Fläche, Z_opp, der akustischen Impedanz des Fluids, √ ρκ , des Ausbreitungsverlustterms, α, der nominalen Phasenlänge, ω_oH/V, und der Phasendispersion, (ω – ω_o)H/V, gegeben. Die Skalierungsfaktoren sind
wobei θ_n die Druckumwandlungsverhältnisse der Modi sind, C_n die dynamischen Kapazitäten der Modi sind, ρ_s die Substratdichte ist und C_effS die effektive Scherelastizitätskonstante des Substrats ist. Da R_κn bereits die Kennimpedanz der Übertragungsleitung enthält, muss dieser Term von der Leitungsgleichung subtrahiert werden. Als Ersatz für die Geschwindigkeit, lautet die Gleichung
Infolge des ungleich-null-Wertes von α ist κ ebenfalls komplex, aber der imaginäre Teil dieses Terms kann auf eine hinreichende Genauigkeit ignoriert werden. Die Form des Widerstands im Verhältnis zur Frequenz wird dann an die Frequenzabhängigkeit des obigen Modells angepasst, indem die Dichte, ρ, der Elastizitätsmodul, κ, und der Ausbreitungsverlust, α, oder alternative Variablen, die diese widerspiegeln, variiert werden. Es ist außerdem möglich, die gegenüberliegende Impedanz eine Anpassungsvariable sein zu lassen; jedoch muss die Abmessung der Fluidzelle, H, bekannt sein. Wie in 14 zu sehen ist, hat die Abweichung von einem konstanten Wert mindestens eine hinreichende Krümmung, um an Re{Z_in} angepasst zu werden. Darum ist es möglich, den Ausbreitungsverlust, α, die Fluidimpedanz, Z_o, und die Phasengeschwindigkeit, V, zu extrahieren, wenn die Impedanz des gegenüberliegenden Reflektors, Z_L, und die Fluiddicke, H, bekannt sind.
In einem alternativen Verfahren erfolgt die Spitzenentfaltung mit einer verallgemeinerten Grundfunktion der individuellen Resonanzen zum Zerlegen der gemessenen Daten in die mindestens zwei resonanten Übertragungsfunktionen. Auch hier verwendet die bevorzugte Ausführungsform den realen Teil der Übertragungsadmittanz; jedoch können je nach technischer Auslegung auch andere Übertragungsfunktionen verwendet werden. Die Form der Grundfunktion muss hinreichend sein, um die Abweichungen vom Invers-parabolischen zu erfassen, die infolge von Fluidresonanzen entstehen.
15 vergleicht eine invers-polynome Entfaltung eines Zweimoden-MMQSHR, der parabolische Polynome 6. Ordnung und 12. Ordnung verwendet. Die Daten, die für Wasser in einer 5 mm großen Zelle gemessen wurden, sind zusammen mit den Ergebnissen der invers-polynomen Zweimoden-Anpassungen (oben) für den 180°-Modus (links) und den 0°-Modus (rechts) gezeigt. Der Restfehler (darunter) ist ebenfalls gezeigt. Für Wasser, das einen Extremfall in der Größenordnung der reflektierten Signale darstellt, gibt es einige Restfehler; jedoch erlaubt für die meisten Fluide das Polynom der 6. Ordnung eine adäquate Anpassung. In dem vorangegangenen Verfahren wird die einfachere Anpassung verwendet, und der Fehler wird analysiert, um die übrigen Werte zu erhalten. Polynome erlauben eine leichte Anpassung, gewähren aber weder physikalische Einblicke in die Fluideigenschaften, noch sind sie die besten Grundfunktionen. Im Gegensatz dazu ist das analytische Modell des Ersatzschaltbildes in seiner Kurvenanpassung mühselig, aber erlaubt eine bessere Korrelation zu den physikalischen Eigenschaften. Die genaue Auswahl der Grundfunktionen ist eine Frage der technischen Auslegung und soll die Erfindung in keiner Weise beschränken.
In einer Variante dieses Verfahrens werden dann invers-polynome Anpassungen direkt zum Berechnen der verschiedenen Parameter verwendet. In mindestens einer Ausführungsform wird das Invers des realen Teils der analytischen Funktion für die Admittanz eines einzelnen resonanten Zweigs als eine Taylor-Reihe über die Resonanzfrequenz erweitert. Die analytischen Ausdrücke für die polynomen Koeffizienten werden für die gewünschten Parameter aufgelöst, und die Zahlenwerte die Kurvenanpassung werden zum Berechnen der zugehörigen Eigenschaften verwendet. Es können Kombinationen der beiden Ansätze verwendet werden, wobei Grundfunktionen, die besser geeignet sind als das Invers-parabolische, zum Zerlegen der Übertragungsfunktion verwendet werden und die Grundfunktionen zusammen mit der Fehlerfunktion zum Bestimmen der Eingangimpedanz einer Reihenübertragungsleitung und der R-L-C Werte der idealen Reihenresonanz gemessen werden.
Die obigen Beispiele verwendeten einen moderat kurzen Fluidpfad von 5 mm, der infolge von Beschränkungen von Leitfähigkeits- und Dielektrizitäts(CD)-Messungsstrukturen, die derzeit verwendet werden, ausgewählt wurde. Der Ansatz von 9 erlaubt eine kompakte und optimierte CD-Messungsstruktur mit Abmessungen, die von einer größeren Reflektorbeanstandung, welche die Gesamt-Fluidresonanz bestimmt, unabhängig sind. In mindestens einer Ausführungsform sind die gewollten Reflektoren geerdet und bilden eine Abschirmung um die CD-Zelle herum. In mindestens einer solchen Umgebung ist die innere Elektrode mit Durchbrüchen versehen, und die äußere Elektrode ist massiv. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor ein einseitiger Sensor, der mittels Flipchip-Technologie an einem keramischen Träger montiert wurde, und der keramische Träger stützt ebenfalls die innere und die äußere CD-Elektrode.
Indem man Druckwellen erlaubt, die CD-Elektrodenstruktur zu passieren, ermöglichen die mit Durchbrüchen versehenen Elektroden die gewollte Reflexion von MMQSHR-Sensorfrequenzgängen bei einer Weglänge, die sich von der optimalen Zellengeometrie der integrierten CD-Elektroden unterscheidet, wie in 9.b zu sehen ist. Zum Beispiel erfordert die Messung von Leitfähigkeit und Dielektrizitätskonstante eine große Überlappungsfläche und eine geringe Trennung, um den geometrischen Faktor des Elektrodenpaares zu maximieren. Um eine parasitäre Zelle zwischen den Elektroden und der inneren Elektrode zu unterdrücken und die Zellenkonstante zu vergrößern, während Spalte zwischen den Elektroden erlaubt werden, die den Fluidfluss unterstützen, werden die äußere Elektrode und die exponierte Sensorfläche gemeinsam angesteuert, wie in 8.a veranschaulicht. Die Bildung einer Sandwichzelle, welche die Sensorfläche und die äußere Elektrode ansteuert, während die innere Elektrode umschlossen wird, minimiert Leckeffekte und Rauschen. Die Optimierung der Zellenkonstante erfordert Beabstandungen in der Größenordnung von 0,5 bis 2,0 mm. Signifikant kleinere Beabstandungen riskieren ein Verstopfen, und signifikant größere Beabstandungen haben niedrige Zellenkonstanten und hohe parasitäre Effekte. Bei 2 mm breiten Beabstandungen und 1 mm dickem Metall erkennt man einen möglichen Wert von 5 mm für die Distanz zu der oberen (äußeren) Elektrode.
Andererseits hat die kompressionale Resonanz eines Fluids mit kompressionaler Phasengeschwindigkeit, V, und einer reflektierenden gegenüberliegenden Fläche bei einer Distanz, H, eine Trennung, Δω = πV/H, zwischen Frequenzen von konstruktiver Interferenz mit der Scherwellenresonanz des Kristalls. Die Anzahl der Interferenzzyklen zwischen den Kristall- und Fluidresonanzen ist N = δω/Δω = ω_oH/πVQ, wobei ω_o die Resonanzfrequenz des Kristalls ist, Q der Gütefaktor der Resonanz ist und die Resonanzbandbreite δ_ω = Q/ω_o ist. Bei einem 5,25 MHz-Sensor mit einem Q von 1000 in Wasser, einer Höhe von 5 mm und einer Fluidgeschwindigkeit von 1,9 mm/μs gibt es nur 0,028 Perioden oder 10 Grad Phasenverschiebung der kompressionalen Resonanz des Fluids über das Resonatorband. Im Gegensatz zu der 90°-Verschiebung des MMQSHR über dieses Band gibt es ein 80°-Phasendifferenzial zwischen der kompressionalen Fluidresonanz und der Scherresonanz des Kristalls über die Resonanzbandbreite des Kristalls. Bei einem Perfluorpolyether mit einer Geschwindigkeit von 0,35 mm/μs beträgt die Phasenverschiebung über eine Resonanz mit Q = 1000 0,164 Perioden oder 60 Grad, was zu einem Differenzial von nur 30° führt. Bei einem Mineralöl, bei dem die Resonatorgüte auf weniger als 100 verringert wird, könnte es ungefähr 0,28 Perioden oder 100 Grad Phasenverschiebung geben, was zu einem effektiven Differenzial von –10° führt. Bei diesen Beabstandungen, Geschwindigkeiten und Q-Faktoren kann die Impedanz, die mit resonanten Druckwellen verknüpft ist, über die Resonatorbandbreite nicht als konstant angesehen werden. Diese Phasendifferenziale führen allesamt zu einer messbaren Abweichung von der Grundfunktionsentfaltung in ideale RLC-Resonanzen und sind alle von hinreichend geringer Phasenabweichung, damit es zu keiner periodischen Welligkeit im Durchlassband der Resonanz kommt. Der letztere Punkt ist für die Verwendung von invers-polynomen Verfahren wichtig, und der Zustand von weniger als zwei Perioden einer Welligkeit über das Durchlassband gilt in dieser Erfindung als „langsame Welligkeit”. Wie in 15 zu sehen ist, gibt es bei 5 mm zwischen 1 und 1,5 Perioden Welligkeit in Wasser. Messungen von Perfluorpolyether und Mineralöl bestätigen ähnliche Ergebnisse.
In sehr seltenen Fallen werden Daten mit einer viel schnelleren Welligkeit erhalten. Gemessene Daten mit einer Weglänge in der Größenordnung von 5 mm zu einer Fluid-Luft-Grenze und einem Q von knapp unter 1000 für einen mit Wasser beladenen LGS-MMQSHR, der bei 5,25 MHz arbeitet, zeigen eine Bandbreite von 4 kHz bei einer Leitfähigkeit von halbem Maximum und einer Welligkeitsperiode von 414 Hz, wie in 16 zu sehen ist. Daraus wird geschlussfolgert, dass es eine gegenseitige Interferenz zwischen der Scherwellenresonanz und einer Welle geben muss, die mindestens 400 Kontaktprellungen zwischen dem Piezoelektrikum und der gegenüberliegenden Luft-Fluid-Grenzfläche zurückgelegt hat. Experimentell wird festgestellt, dass dieser Wellenleitermodus nur existiert, wenn die gegenüberliegende Fläche Luft ist. Der Reflexionskoeffizient von einer Flüssigkeit zu Luft ist fast perfekt –1, während der Reflexionskoeffizient zwischen einer Flüssigkeit und Stahl nur 0,8 bis 0,9 ist. Die Welle würde effektiv um –20 dB innerhalb etwa 20 Kontaktprellungen und um –40 dB in dem beobachteten Fall von 400 Kontaktprellungen abklingen.
Als solches ist das Vorhandensein von schneller Welligkeit relativ zu der Bandbreite des Resonators mit einer relativ kurzen Fluidweglänge ein deutlicher Hinweis auf eine Flüssigkeit-Luft-Grenzfläche und kann dafür verwendet werden, einen niedrigen Fluidpegel oder eine Luftblase zu detektieren. 16 zeigt außerdem die Kurvenanpassung der invers-parabolischen Grundfunktion, die zum Erzeugen des Ersatzschaltbildes verwendet wird.
Der Phaseninterferenzfaktor entsteht, weil der MMQSHR Energie von einem Eingang zu einem Ausgangsmesswandler des AWD überträgt. Der akustische Pfad durch den Kristall hat eine Phasenverschiebung und eine Laufzeit, die durch die Güte des Resonators bestimmt werden. Der akustische Übertragungsweg durch das Fluid umfasst einen Wellenleitermodus, der zwischen der Stirnfläche des Kristalls und der gegenüberliegenden Fluidgrenze eingeschlossen ist und sich langsam von einer Spitzenregion einer Scher-zu-Kompressionsmodus-Umwandlung einer Eingangselektrode zu der Spitzenregion einer Scher-zu-Kompressionsmodus-Umwandlung des Ausgangsmesswandlers hin ausbreitet. Dieser Wellenleitermodus mit langsamer Gruppengeschwindigkeit vergrößert und verkleinert die Resonanzübertragungsfunktion, was zu Interferenz und einer schnellen Welligkeit führt.
In jedem Fall ist die schnelle Welligkeit in einer kurzen Flüssigkeitszelle für viele Faktoren hoch-sensibel und eignet sich nicht sonderlich für eine Instrumentierung. Dies wäre nicht der Fall bei einer langen Fluidzelle mit einer kleinen Anzahl von Übergängen, und ein solches System wird in der vorliegenden Anmeldung in Betracht gezogen. Obgleich Verfahren angeboten werden, die die Welligkeit nutzen, ist es in der Regel vorteilhafter, sie herauszufiltern. Eines dieser Verfahren analysiert die Übertragungsfunktion des Schaltkreismodells in 13 durch Anpassen des Gesamt-Frequenzgangs an die drei Teilsysteme entsprechend dem akustischen Modus.
Das Verfahren beinhaltet die Anpassung einer Messung an diese drei Teilsysteme in jedem resonanten Schaltkreispfad als eine Funktion der Frequenz. In mindestens einer Ausführungsform werden die schnellen Welligkeitsterme, die mit dem Wellenleitermodus verknüpft sind, extrahiert und dafür verwendet, einen anomalen Betrieb zu detektieren, und werden dann verworfen. Die übrige Lösung besteht aus dem herkömmlichen RLC-Zweig und der Eingangimpedanz der Reihenübertragungsleitung, wie oben besprochen. Die langsamen Welligkeitsterme, die mit der Resonanz der Reihenübertragungsleitung verknüpft sind, können zum Detektieren von Reflexionen oder zum Extrahieren von Informationen über die Geschwindigkeit, V, den Ausbreitungsverlust, α, und die akustische Impedanz, Z_o, des Fluids verwendet werden. Da die Geschwindigkeit sqrt(κ/ρ) ist und die kompressionale Impedanz des Fluids θ_m sgrt(κρ) ist, ergibt das Verhältnis von Impedanz zu Geschwindigkeit eine Schätzung der Dichte, und das Produkt ergibt die Elastizitätskonstante des Fluids, sofern das Impedanzverhältnis, θ_m, jedes Modus bekannt ist. Jedes der oben besprochen Verfahren zum Behandeln der primären Resonanz des Fluids kann nach dem Filtern verwendet werden.
Das Flussdiagramm dieses iterativen Prozesses ist in 17 gezeigt. Zuerst wird die gemessene Übertragungsfunktion in Grundfunktionen zerlegt, welche die idealen Resonanzen beschreiben 1710. Als Zweites wird die Fehlerfunktion über die erste Resonanz erhalten und als eine oszillatorische Welligkeitsfunktion modelliert 1720, die einer parallelen Pfadübertragung durch eine Nebenschlussübertragungsleitung 1306 entspricht. Als Drittes wird die gemessene Übertragungsfunktion erneut an die Grundfunktion der ersten Resonanz, nach dem Subtrahieren der Welligkeit, angepasst 1730. Als Viertes wird eine Fehlerfunktion über die zweite Resonanz erhalten und als eine oszillatorische Welligkeitsfunktion modelliert 1740, die einer parallelen Pfadübertragung durch eine Nebenschlussübertragungsleitung 1305 entspricht. Als Fünftes wird die gemessene Übertragungsfunktion erneut an die Grundfunktion der ersten Resonanz, nach dem Subtrahieren der Welligkeit, angepasst 1750. Der Prozess wird optional für Modi dritter und höherer Ordnung wiederholt, sofern vorhanden. Der Restfehler wird evaluiert 1760, und Wiederholungen werden durchgeführt 1720–1760, bis der Fehler minimiert ist und die Wiederholungen vollendet sind. An diesem Punkt 1770 gibt es eine Reihe von Welligkeitsfunktionen, welche die durch die Nebenschlussübertragungsleitung induzierte schnelle Welligkeit beschreiben, und eine kompensierte, welligkeitskorrigierte Übertragungsfunktion, welche die Reihenkombination einer Reihen-R-L-C-Resonanz beschreibt, und eine Reihenübertragungs-Stichleitung, die mit dem primären Signalweg jedes Resonanzmodus verknüpft ist. Die korrigierte Übertragungsfunktion wird zusätzlich zu den periodischen Welligkeitsfunktionen jedes Modus in Grundfunktionen der Resonanz jedes Modus und eine Restfehlerfunktion zerlegt.
Die Verwendung dieser Übertragungsleitunsparameter korrigiert die ursprüngliche Messung um die durch die Welligkeit verursachten Störungen. Die Informationen, welche die Welligkeit beschreiben, können verworfen werden, wenn das IFFT der Welligkeit zu einer Zeit eintritt, die hinreichend größer als 2 H/0,350 μs ist, wobei H die Distanz von dem Kristall zu der gegenüberliegenden Fläche in mm ist und 0,35 mm/μs die langsamste Druckwellengeschwindigkeit ist, die für die interessierenden Flüssigkeiten erwartet wird. In einem Verfahren werden die Grundfunktionen, mit oder ohne Fehlerfunktion, direkt verwendet, um die Parameter des Ersatzschaltkreises zu bestimmen.
In einem weiteren Verfahren, das unten ausführlich beschrieben wird, wird die oben beschriebene anfängliche Korrektur verwendet, um die periodische Welligkeit zu beseitigen, gefolgt von einer genaueren Zerlegung in Grundfunktionen von hinreichender Komplexität, um die Effekte der kompressionalen Reflexion zu erfassen. Diese zweiten Grundfunktionen werden dann direkt zum Berechnen der Fluideigenschaften verwendet.
Es gibt ein Instrumentierungsverfahren, in dem die Grundresonanzen der verschiedenen Modi des MMQSHR und die Fehlerfunktionen jedes Modus an das Modell von 13 angepasst werden. Es wird angenommen, dass die oben beschriebene Welligkeit des Durchlassbandes unbedeutend ist oder bereits durch iterative Anpassung aus den Daten herausgefiltert und/oder kompensiert wurde. In einer solchen Ausführungsform wird die Übertragungskonduktanz der Resonanz wie zuvor unter Verwendung geeigneter Grundfunktionen für die Reihen-R-L-C-Resonanz jedes Modus approximiert, und das Ergebnis wird von den gemessenen Daten subtrahiert oder in die gemessenen Daten dividiert, wodurch Fehlerterme zurückbleiben. Die Restfehlerfunktionen werden an die Impedanzen der Reihenübertragungs-Stichleitung angepasst. Die Periodizität und/oder Krümmung der Übertragungsfunktionsterme, welche die Impedanz der Reihenübertragungsleitung beschreiben, werden verwendet, um eine Zeitkonstante der Leitung zu schätzen, und bieten – im Verbund mit der Kenntnis der Abmessungen der Fluidkammer – zusätzliche Informationen zu den physikalischen Eigenschaften des dazwischen befindlichen Fluids, und zwar zur Schallgeschwindigkeit. Dann wird ein iterativer Prozess verwendet, bei dem die Schätzungen der Schaltkreisparameter der anderen Modi, zusammen mit den berechneten Übertragungsleitungsparametern, von den welligkeitskorrigierten gemessenen Daten subtrahiert werden und die neu-evaluierten Schaltkreisparameter des übrigen Modus an die Restfehlerfunktion angepasst werden.
18 zeigt ein Flussdiagramm eines alternativen Prozesses. Die Parameter der Nebenschlussübertragungsleitungen 1205, 1206 können ignoriert werden, weil sie entweder unbedeutend sind oder bereits herausgefiltert wurden; und die anzupassenden Daten sind die gemessene Übertragungsfunktion, die um diese Welligkeitsterme korrigiert wurde. Zuerst werden die Grundfunktionen anhand der Intervalle der Übertragungsfunktion, die Frequenzbereichen über die Resonanzfrequenzen der mindestens zwei Modi entsprechen, geschätzt 1810, wobei Übertragungsleitungseffekte bei der ersten Wiederholung ignoriert werden. Als Zweites wird die Grundfunktion der Resonanz eines ersten Modus in Terme geteilt, die mit der ersten idealen R-L-C-Resonanz und einer ersten Reihenübertragungsleitung verknüpft sind 1820. Als Drittes wird die Grundfunktion der Resonanz des zweiten Modus in Terme geteilt, die mit der zweiten idealen R-L-C-Resonanz und einer zweiten Reihenübertragungsleitung verknüpft sind 1830. Optional werden zusätzliche Modi geteilt. Wiederholungen 1840 dieser aufeinanderfolgenden Approximierung werden durchgeführt, 1810 durch 1830, bis der Restfehler minimiert ist 1850. Das Ergebnis ist ein Paar Gesamt-Grundfunktionen, die in Grundfunktionen, welche die R-L-C-Resonanzen beschreiben, und Funktionen, welche die Impedanzen der Reihenübertragungsleitung selbst beschreiben, geteilt sind. Die Grundfunktionen werden um die Verzerrungen der Übertragungs-Stichleitungen korrigiert, wodurch alle Effekte der Reflexion kompensiert werden. Das Verfahren kann optional die Grundfunktionen höherer Ordnung vollständig zerlegen, nur Schritt 1810 wiederholen und dann die Grundfunktionen nach der Konvergierung in eine ideale Resonanz und Reihenübertragungs-Stichleitungen 1820 und 1830 teilen.
Die ursprünglichen Parameter, die nun um die Druckwellenreflexionen kompensiert sind, können so verwendet werden, wie es in den Anmeldungen '868 und '869 vorgeschlagen wurde. Alternativ kann der komplette Satz Anpassungsparameter in einer Erweiterung des Standes der Technik unter Verwendung zusätzlicher Parameter, wie unten dargelegt, verwendet werden.
19 veranschaulicht ein bevorzugtes Verfahren zum Bestimmen von Fluideigenschaften aus Ersatzschaltbildparametern gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Messungen des unbelasteten Zustands erfolgen wie oben beschrieben, da der unbelastete Zustand von allen kompressionalen oder viskoelastischen Effekten unabhängig ist. Schritt 1950 stellt das zu messende Fluid bereit, und Schritt 1955 wiederholt die Schritte 610–630 für den belasteten Zustand, außer dass Schritt 630 den zusätzlichen Prozess von 17 oder 18 oder eine Kombination daraus anstatt der einfacheren Schaltkreisparameteranpassung der Anmeldung '869 verwendet. Die Schritte 1960, 1965 und 1967 erzeugen die Eingangsparameter. Verlusteingangsparameter sind ausführlich in der Anmeldung '869 definiert und umfassen mindestens das Produkt aus dynamischem Verlustwiderstand und dynamischer Kapazität. Frequenzeingangsparameter sind in der Anmeldung '869 ebenfalls gut definiert und umfassen mindestens das Produkt aus dynamischer Induktivität und dynamischer Kapazität, was, wie zu sehen ist, zu einem inversen Frequenzverhalten führt. Der neue Kapazitätsparameter wurde in den Besprechungen von 11.a und 11.b behandelt und ist die differenzielle Kapazität zwischen den beiden Modi. Der Geschwindigkeitsparameter wird aus Übertragungsleitungstermen von 18 erhalten, die entweder aus der Fehlerfunktion, wie in 14 zu sehen, oder aus der Teilung einer Grundfunktion höherer Ordnung extrahiert werden 1968. Die sechs Eingangsparameter werden in eine Berechnungsfunktion 1970 eingespeist und werden zum Bestimmen von Ausgangsparametern verwendet. Wenn wir das Quadrat der Schallgeschwindigkeit als das Verhältnis von Elastizität zu Dichte nehmen, so wird es nun möglich, die Dichte von den anderen Messgrößen zu trennen, 1975–1995.
Das Erhalten der kompressionalen Geschwindigkeit des Fluids erweitert das System aus Gleichungen auf drei, mit drei Unbekannten und drei Observablen. V_F = sqrt(κ_F/ρ_F) Z_C = sqrt(κ_F·ρ_F) AV = sqrt(p_Fη_F)
AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführungsformen demonstrieren die Integration von Leitfähigkeits- und Dielektrizitätselektroden in ein Viskometer unter Verwendung von gekoppelten Dickenschermodus-Resonatoren. Die Ansätze sind allgemein auf jeden TSM-Resonatorsensor anwendbar, einschließlich Einzelpolresonatoren, Mehrmodenresonatoren und dergleichen, entweder mit Dickenfeld- oder Lateralfeld-Erregung. Der Ansatz ist auf linear polarisierte Resonatoren wie auch auf planare torsionale Sensoren und dergleichen anwendbar, wie inJ. Andle, R. Haskell, M. Chap und D. Stevens, „Improved Substrate Selection for Lateral Field TSM Sensors", 2009 IEEE UFFC (unveröffentlicht). Die allgemein bekannten Probleme der Kompressionsmoduserzeugung werden gemindert und sogar vorteilhaft genutzt.
Es wäre des Weiteren erwünscht, den kompressionalen Elastizitätsmodul zu kennen, um die Dichte besser zu kennen und Fehler infolge von Druckwellenstrahlung besser korrigieren zu können. In hydraulischen Systemen ist die Komprimierbarkeit von direktem Interesse. Martin, S. J. Martin, G. C. Frye, R. W. Cernosek und S. D. Senturia, „Microtextured Resonators for Measuring Liquid Properties", Tech. Digest, Solid-State Sensor and Actuator Workshop, (1994), haben ein Verfahren zum eindeutigen Messen der Dichte unter Verwendung texturierter Oberflächen an einem Resonator und glatter Oberflächen an einem anderen Resonator vorgeschlagen. Andle, J. Andle, US-Patent 7,552,619 B2 , „Measurement of Density and Viscoelasticity with a Single Acoustic Wave Sensor”, (2005), demonstrierten ein Verfahren unter Verwendung eines einzelnen, texturierten, gekoppelten Resonators. Durch Texturieren der Oberfläche des Sensors und Verwenden der Nulldurchgangsfrequenz zwischen den Modi 00 und 10 zum Überwachen der Dichte ist es möglich, diese Dichte-Daten und Gleichung (1) zu verwenden, um Viskosität, Dichte und Kompressionsmodul zu erhalten, wodurch ein Mehrmessgrößen-Schallwellenelement mit drei Parametern ermöglicht wird. In diesem Fall ist es wünschenswert, die reflektierte Welle zu unterdrücken, oder sie könnte zum Erhalten redundanter Daten zur Fehlerreduzierung verwendet werden.
Außerdem kann diese CD-Ringelektrodenanordnung für jeden Einmoden-Einzelöffnungs-TSM-Resonator oder MMQSHR, der einen piezoelektrischen Kristall umfasst, der solche Modi unterstützt (LGS, QTZ usw.), verwendet werden, der genügend durchgelassene Druckwellen aufweist, um die Anforderung zu erfüllen, dass eine Teilmenge der drei elektrischen Parameter (ΔR_M, ΔC_M und ΔL_M) von mindestens einem M-ten Resonanzmodus dafür verwendet werden kann, eine Korrelation zu dichte-, viskositäts- oder elastizitätsabhängigen Fluidparametern herzustellen.
Die US-Anmeldung 12/780,869 mit dem Titel „Improved Measurement of Fluid Parameters” offenbart eine nichtlineare Kombination dieser Parameter zu einem „Verlustparameter”, ω_M,Luft(R_MC_M- R_M,LuftC_M,Luft), und einem „Frequenzparameter”, ω² _M,Luft(L_MC_M- L_M,Luft, C_M,Luft) = (ω² _M,Luft/ω² _M – 1). Die dynamische Kapazität wird in dem Modell minimal verändert, und die geringfügigen Änderungen sind in Bezug auf die Verlust- und Frequenzparameter systematisch. Obgleich das Verfahren am besten mit einem gekoppelten Resonator praktiziert wird, wie zum Beispiel dem MMQSHR, ist es auch möglich, diese Verfahren mit Einzelpol-Einzelöffnungs-Resonatoren auszuführen.
Des Weiteren kann diese CD-Ringelektrodenanordnung für jeden Einzelöffnungs-TSM-Resonator oder MMQSHR (LGS, QTZ usw.) verwendet werden, der die Anforderung erfüllt, dass mehrere elektrische Parameter (R_M, ΔF und L1 usw.) dafür verwendet werden können, eine Korrelation zu dichte-, viskositäts- oder elastizitätsabhängigen Fluidparametern herzustellen.
Darum kann, in einer Gruppe von Ausführungsformen, die gegenüberliegende Fläche reflexionsmindernd realisiert werden, wobei die Größenordnung der Welligkeit minimiert wird und Installationsbeschränkungen verwendet werden, um die operativ reflexionsmindernden, mit Durchbrüchen versehenen Elektroden für die Anwendung effektiv zu machen. Alternativ kann die gegenüberliegende Fläche optimal reflektierend und in einem zweckmäßigen Abstand, unabhängig von der Optimierung der Beabstandungen der CD-Elektroden, realisiert werden, um eine hinreichende Größenordnung und Periodizität der konstruktiven und destruktiven Interferenz mit dem elektrischen Frequenzgang des Sensors zu ermöglichen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung haben reflektierte Signale – gewollte oder beiläufige – eine hinreichend schnelle Phasenverschiebung relativ zur Hauptresonanz über die Frequenz, dass die Nichtübereinstimmung der Phasen eine periodische Verzerrung der Übertragungsfunktion des Sensors hervorruft. Unabhängig davon, ob die Elektroden massiv oder ein paralleler Ring sind, ist es wünschenswert, die mit den reflektierten Signalen einhergehenden Verzerrungen zu kompensieren. In mindestens einer Ausführungsform sind die CD-Elektroden von einer parallelen Ringkonfiguration mit einer dritten Schutzelektrode, die die Messzelle umschließt und eine elektrische Abschirmung bewirkt. Es kann unerwünscht sein, die Abschirmungselektrode mit Durchbrüchen zu versehen, oder aus sonstigen Gründen unpraktisch sein, sie reflexionsmindernd zu machen. In einer weiteren Ausführungsform kann das Sensorpaket in einen Motorblock eingeschraubt werden, der eine potenziell reflektierende Fläche nahe der Öffnung der CD-Parallelringelektroden aufweist. In jedem Fall können Reflexionen unvermeidlich sein, und ein Verfahren zum Kompensieren der Verzerrungen kann wünschenswert sein.
Welligkeit tritt ein, weil die Messung bei einer Frequenz ausgeführt wird, die über die Scherwellenresonanz synchron zur Phase des durchgelassenen Signals ist, während die reflektierten Kompressionsmodi bei einer Phase zurückkehren, die durch die hoch-temperaturabhängig Schallgeschwindigkeit des Fluids bestimmt wird. Über die Temperatur hinweg gibt es eine variierende Phasendifferenz zwischen den zwei Signalen, und es entsteht ein Muster aus konstruktiven und destruktiven Interferenzen.
Ausführungsformen stellen Lösungen für das Integrieren einer Viskositätsmessung in einen Mehrmessgrößensensor bereit, der eine proximale, im Wesentlichen parallele, schallreflektierende Fläche enthält, wie zum Beispiel eine Elektrode oder eine Gruppierung von Elektroden für eine Leitfähigkeits- und Dielektrizitäts(CD)-Messzelle, ohne dass es zu einer Leistungsminderung infolge von Druckwelleneffekten kommt. Außerdem werden in einigen Ausführungsformen die Effekte nicht nur gemindert, sondern die Resteffekte werden dafür verwendet, zusätzliche Messgrößen zu ermöglichen.
In einer weiteren Ausführungsform werden dem Ersatzschaltbildmodell des MMQSHR weitere Schaltkreiselemente hinzugefügt, um die Welligkeit zu berücksichtigen. Das Einpassen des vollständigeren Modells kompensiert die Parameter des ursprünglichen Modells um die durch die Reflexionen hervorgerufene Welligkeit. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform werden die Parameter des zusätzlichen Modells verwendet, um zusätzliche physikalische Eigenschaften zu erhalten.
Diese CD-Parallelringelektrodenanordnung kann für jeden Resonator verwendet werden, um reflektierte Druckwellen zu reduzieren. Die ganz besonders bevorzugte Ausführungsform verwendet einen Mehrmoden-Quasi-Scher-Resonator (MMQSR), wie er in der US-Anmeldung Nr. 12/036125 beschrieben ist, mit mehreren Modi, die eine Vielzahl von elektrischen Ausgangsfrequenzgängen erzeugen, die zu dichte-, viskositäts- oder elastizitätsabhängigen Fluidparametern korreliert werden können. In der ganz besonders bevorzugten Ausführungsform ist der MMQSR ein Zweiöffnungs-Mehrpol-Resonator.
Es kann stattdessen auch wünschenswert sein, das reflektierte Signal als eine Druckwellensonde der Fluideigenschaften zu verwenden. Insbesondere beschreiben die US-Anmeldungen Nr. 12/036,125 und Nr. 12/540,339 einen Ansatz zum Messen von (ρη) und (ρC_F), doch sie müssen die Kenntnis einer Variablen voraussetzen, um die anderen beiden zu quantifizieren. In der vorliegenden Erfindung wird eine dritte Messgröße angeboten, die (C_F/ρ) erhält, so dass die volle Kenntnis aller drei physikalischen Eigenschaften ermöglicht wird. Die Frequenzperiodizität der Welligkeit, die in der Übertragungsfunktion des Resonators hervorgerufen wird, verhält sich umgekehrt proportional zur Länge des Ausbreitungsweges in dem Fluid. Verlustarme Fluide, die zu Resonanzen mit hohem Q-Wert führen, erfordern lange Fluidzellen, während hoch-viskose Fluide mit breiten Resonanzen kurze Ausbreitungswege in dem Fluid tolerieren oder sogar erfordern können.
In einer Ausführungsform sind die CD-Elektroden beide massiv, und die Druckwelle wird sofort zu der Fläche zurück reflektiert. In einer weiteren Ausführungsform sind eine oder mehrere parallele Platten mit Durchbrüchen versehen, um einen längeren Fluidausbreitungsweg zu ermöglichen.
Andere Ausführungsformen stellen ein Mehrmessgrößen-Sensorsystem bereit, das Folgendes umfasst: einen Dickenschermodus(Thickness Shear Mode, TSM)-Resonatorsensor; mindestens eine proximale, effektiv parallele, schallreflektierende Fläche; ein Fluid in der Region der mindestens einen Fläche; und wobei mindestens eine Elektrode Schallwellen reflektiert, wobei das System Druckwelleneffekte hervorruft, wobei mehrere Messungen nicht infolge von Druckwelleneffekten beeinträchtigt werden.
Die obige Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung wurde zum Zweck der Veranschaulichung und Beschreibung gegeben. Sie soll weder erschöpfend sein, noch soll sie die Erfindung auf die konkret offenbarte Form beschränken. Im Licht dieser Offenbarung sind viele Modifikationen und Veränderungen möglich. Es ist beabsichtigt, dass der Schutzumfang der Erfindung nicht durch diese detaillierte Beschreibung, sondern nur durch die dieser Beschreibung beigefügten Ansprüche begrenzt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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Zitierte Nicht-Patentliteratur

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Martin, S. J. Martin, G. C. Frye, R. W. Cernosek und S. D. Senturia, „Microtextured Resonators for Measuring Liquid Properties”, Tech. Digest, Solid-State Sensor and Actuator Workshop, (1994) [0164]

Claims

Verfahren zum gleichzeitigen Bestimmen von physikalischen Eigenschaften eines Fluids unter Verwendung eines Schallwellenbauelement(Acoustic Wave Device, AWD)-Sensors, der mindestens zwei Resonanzmodi hat, wobei die Modi überwiegend horizontal polarisierte Scherwellen umfassen, mit folgenden Schritten: Messen einer Übertragungsfunktion des AWD-Sensors über einen interessierenden Frequenzbereich über mindestens zwei Resonanzfrequenzen, die den mindestens zwei Resonanzmodi entsprechen; Zerlegen der Übertragungsfunktion in Grundfunktionen, wobei jede der Grundfunktionen eine spezifische Resonanz des AWD-Sensors beschreibt; und Ableiten der physikalischen Eigenschaften des Fluids aus Koeffizienten der Grundfunktionen, welche die Übertragungsfunktion des AWD-Sensors beschreiben, wobei mindestens eine der Grundfunktionen außerdem eine Fluidresonanz mit endlicher Geometrie beschreibt, und wobei mindestens eine der Grundfunktionen eine Frequenzabhängigkeit der Übertragungsfunktion beinhaltet, die von einem Ersatzschaltbild mit punktförmig verteilten Elementen abweicht.
Verfahren nach Anspruch 1, das Folgendes umfasst: Zerlegen der gemessenen Übertragungsfunktion in Grundfunktionen, die ideale Resonanzen bei Fehlen von Reflexionen beschreiben; Erhalten einer Fehlerfunktion über eine erste Resonanz, die eine Abweichung zwischen gemessenen Daten und einer Summe der Grundfunktionen ist, und anschließendes Modellieren der Fehlerfunktion als eine erste Schwingungsfunktion; Neuanpassung der gemessenen Übertragungsfunktion an eine erste Grundfunktion einer ersten Resonanz nach dem Subtrahieren der ersten Schwingungsfunktion von gemessenen Daten; Erhalten von Fehlerfunktionen über zusätzliche Resonanzen, die Differenzen zwischen den gemessenen Daten und der Summe der Grundfunktionen sind, und anschließendes Modellieren der Fehlerfunktionen als zusätzliche Schwingungsfunktionen; Neuanpassung der gemessenen Übertragungsfunktion an zusätzliche Grundfunktionen der zusätzlichen Resonanzen nach dem Subtrahieren der zusätzlichen Schwingungsfunktionen von den gemessenen Daten in jedem Frequenzintervall über die zusätzlichen Resonanzen; Bewerten eines Restfehlers; Wiederholen der Schritte des Erhaltens einer Fehlerfunktion über eine erste Resonanz, Neuanpassung der fehlerkompensierten ersten Resonanz an eine Grundfunktion, Erhalten einer Fehlerfunktion über jede von zusätzlichen Resonanzen, erneute Neuanpassung jeder der fehlerkompensierten zusätzlichen Resonanzen an zusätzliche Grundfunktionen, und Bewerten, bis der Fehler minimiert ist; und Erhalten von Grundfunktionen, die jeden ausgewählten Resonanzmodus der Übertragungsfunktion beschreiben, der um Fehler aus Reflexionen kompensiert wurde.
Verfahren nach Anspruch 1, das Folgendes umfasst: Ausdrücken mindestens einer der Grundfunktionen als Summe einer Reihenresonanz-Grundfunktion und einer Übertragungsleitungs-Grundfunktion, Schätzen von Grundfunktionen anhand von Intervallen einer Übertragungsfunktion, die Frequenzbereichen über Resonanzfrequenzen der mindestens zwei Modi entsprechen, wobei Übertragungsleitungseffekte bei der ersten Wiederholung ignoriert werden; Teilen einer Grundfunktion der Resonanz eines ersten Modus in Terme, die mit einer ersten idealen R-L-C-Resonanz und einer ersten Reihenübertragungsleitung verknüpft sind; Teilen einer Grundfunktion von Resonanzen zusätzlicher Modi in Terme, die mit zusätzlichen idealen R-L-C-Resonanzen und zusätzlichen Reihenübertragungsleitungen verknüpft sind; Wiederholen der Schritte des Schätzens, des Teilens der Grundfunktion der Resonanz des ersten Modus und des Teilens der Grundfunktion der Resonanzen zusätzlicher Modi, bis ein Restfehler minimiert ist; und Bestimmen von Parametern anhand von idealen Resonanzen der mindestens zwei Modi und anhand der Übertragungsleitung von mindestens einem Modus, wobei die Parameter die physikalischen Eigenschaften des Fluids widerspiegeln.
Verfahren nach Anspruch 2, das Folgendes umfasst: Bestimmen der Druckwellengeschwindigkeit des Fluids anhand der Periodizität der Schwingungsfunktionen unter Kenntnis des Trennungsabstandes (H).
Verfahren nach Anspruch 2, das Folgendes umfasst: Ignorieren der Schwingungsfunktionen, und Verwenden von Koeffizienten der Grundfunktionen zum Erhalten von Eingangsparametern in eine Berechnungsfunktion, deren Ergebnisse für die physikalischen Eigenschaften des Fluids stehen, wobei die Eingangsparameter um Welligkeitsverzerrungen kompensiert sind.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem des Weiteren die verwendeten Grundfunktionen hinreichend genau sind, um den Einfluss von Fluidresonanzen zu integrieren, und das des Weiteren Folgendes umfasst: Zerlegen einer kompensierten Übertragungsfunktion, die eine Summe der Grundfunktionen umfasst, in eine Summe neuer Grundfunktionen, wobei jede der neuen Grundfunktionen eine spezifische Resonanz des AWD beschreibt; Ableiten der physikalischen Eigenschaften des Fluids aus Koeffizienten der neuen Grundfunktionen des AWD-Sensors; wobei mindestens eine neue Grundfunktion außerdem die Fluidresonanz mit endlicher Geometrie beschreibt; wobei die mindestens eine Grundfunktion eine Frequenzabhängigkeit der Übertragungsfunktion beinhaltet, die von dem Ersatzschaltbild mit punktförmig verteilten Elementen abweicht; und des Weiteren Folgendes umfasst: Ausdrücken mindestens einer der neuen Grundfunktionen als Summe einer Reihenresonanz-Grundfunktion und einer Übertragungsleitungs-Grundfunktion; Schätzen der neuen Grundfunktionen anhand der Intervalle der kompensierten Übertragungsfunktion, die Frequenzbereichen über Resonanzfrequenzen der mindestens zwei Modi entsprechen, wobei Übertragungsleitungseffekte bei der ersten Wiederholung ignoriert werden; Teilen der neuen Grundfunktion der Resonanz des ersten Modus in Terme, die mit einer ersten idealen R-L-C-Resonanz und einer ersten Reihenübertragungsleitung verknüpft sind; Teilen der neuen Grundfunktion der Resonanzen zusätzlicher Modi in Terme, die mit zusätzlichen idealen R-L-C-Resonanzen und zusätzlichen Reihenübertragungsleitungen verknüpft sind; Wiederholen der Schritte des Schätzens, des Teilens der Grundfunktion der Resonanz des ersten Modus und des Teilens der Grundfunktion der Resonanzen zusätzlicher Modi, bis ein Restfehler minimiert ist; und Bestimmen von Parametern anhand von idealen Resonanzen der mindestens zwei Modi und anhand der Übertragungsleitung von mindestens einem Modus, wobei die Parameter die Fluideigenschaften widerspiegeln.
Verfahren nach Anspruch 3, das des Weiteren Folgendes umfasst: Zerlegen der Übertragungsfunktion in Familien von mindestens einer Grundfunktion, wobei jede der Familien eine spezifische Resonanz des AWD beschreibt und jede Übertragungsfunktion innerhalb der Familie eine Fluid-Bauelement-Interaktion für die Resonanz beschreibt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei unterschiedliche Grundfunktionen bei mindestens zwei aufeinanderfolgenden Wiederholungen verwendet werden, wodurch eine endgültige Zerlegung bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei unterschiedliche neue Grundfunktionen bei mindestens zwei aufeinanderfolgenden Wiederholungen verwendet werden, wodurch eine endgültige Zerlegung bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verwenden der Koeffizienten der Grundfunktionen zum Erhalten von Eingangsparametern in eine Berechnungsfunktion, deren Ergebnisse für die physikalischen Eigenschaften des Fluids stehen, Folgendes umfasst: wobei mindestens zwei der Eingangsparameter Verlustparameter sind, wobei mindestens zwei der Eingangsparameter Frequenzparameter sind, wobei mindestens einer der Eingangsparameter eine Funktion der dynamischen Kapazität einer ersten Resonanz ist, wobei die Funktion linear unabhängig von anderen Eingangsparametern ist, und wobei mindestens einer der Eingangsparameter eine Funktion der dynamischen Kapazität einer zweiten Resonanz ist, wobei die Funktion linear unabhängig von anderen Eingangsparametern ist.
Schallwellenbauelement(Acoustic Wave Device, AWD)-Sensor zum gleichzeitigen Bestimmen von Fluideigenschaften, wobei das Bauelement Folgendes umfasst: mindestens eine massive Struktur gegenüber einer Fläche des AWD, die endliche Erstreckungen eines zu messenden Fluids definiert, wobei die Struktur reflexionsmindernd für Druckwellen ist, die sich von der Fläche des AWD fort ausbreiten, wodurch die Reflexion von Druckwellen verhindert wird, die mit dem AWD interagieren und dadurch den Frequenzgang des AWD verändern würden, und Zulassen, dass Dualmodus-Viskositätssensor-Frequenzgänge für die Messung der Fluideigenschaften und Korrelation verwendet werden können.
Bauelement nach Anspruch 11, wobei das AWD auf beiden Flächen mit Fluid beladen wird und die mindestens eine massive Struktur massive Strukturen gegenüber beiden Flächen des AWD umfasst.
Bauelement nach Anspruch 11, wobei die massive Struktur gegenüber einer Fläche des AWD Öffnungen umfasst, die es Druckwellen erlauben, sich unbehindert von der Fläche des AWD fort auszubreiten, wodurch die Reflexion von Druckwellen verhindert wird, die mit dem AWD interagieren und dadurch den Frequenzgang des AWD verändern würden; wobei die Öffnungen es den Druckwellen erlauben, die massive Struktur zu passieren, und praktisch reflexionsmindernd sind, und es ermöglichen, Dualmodus-Viskositätssensor-Frequenzgänge für die Messung der Fluideigenschaften und Korrelation zu verwenden.
Bauelement nach Anspruch 11, wobei die massive Struktur gegenüber einer Fläche des AWD Texturen umfasst, wobei die Texturen die Druckwellen nach dem Zufallsprinzip reflektieren, wodurch eine kohärente Reflexion der Druckwellen verhindert wird, die mit dem AWD interagieren und dadurch den Frequenzgang des AWD verändern würden; wobei die Texturen praktisch reflexionsmindernd sind, und es ermöglichen, Dualmodus-Viskositätssensor-Frequenzgänge für die Messung der Fluideigenschaften und Korrelation zu verwenden.
Bauelement nach Anspruch 11, das eine reflexionsmindernde Schicht umfasst, die auf der massiven Fläche angeordnet ist.
Bauelement nach Anspruch 11, wobei die massive Struktur mindestens eine Elektrode eines integrierten Teilsystems zum Messen von elektrischen Eigenschaften des Fluids umfasst.
Bauelement nach Anspruch 15, wobei die reflexionsmindernde Schicht auf der massiven Fläche eine Elektrode eines integrierten Teilsystems zum Messen von elektrischen Eigenschaften des Fluids umfasst.
Bauelement nach Anspruch 11, das reflexionsmindernde Stützen umfasst.
Bauelement nach Anspruch 11, wobei die Messung von Fluideigenschaften Fluiddichte und/oder Fluidviskosität und/oder Fluidentspannungszeit und/oder Fluidschallgeschwindigkeit und/oder Fluidschalldämpfung und/oder Fluidelastizität umfasst.
Mehrmessgrößen-Fluidsensorsystem, das Folgendes umfasst: einen Mehrmoden-Quasi-Scher-Horizontalresonator (Multi-Mode, Quasi-Shear-Horizontal Resonator, MMQSHR)-AWD-Sensor; mindestens eine proximale, effektiv parallele, schallreflektierende Fläche; ein Fluid in einer Region zwischen einer Fläche des Sensors und der mindestens einen Fläche; und wobei die mindestens eine schallreflektierende Fläche Schallwellen reflektiert, wobei das System Druckwellenresonanzen zwischen dem AWD und der schallreflektierenden Fläche entstehen lässt, wobei die kompressionalen Fluidresonanzen in die Quasi-Scher-Horizontalresonanzen des Sensors eingekoppelt werden, wobei die kompressionalen Fluidresonanzen die nominale Übertragungsfunktion des Sensors ändern, wobei die Änderungen unabhängig die Dichte des Fluids und den kompressionalen Elastizitätsmodul des Fluids widerspiegeln.
Sensorsystem nach Anspruch 20, wobei eine Fläche des Resonators kontouriert ist und funktional parallel zu einer schallreflektierenden Fläche angeordnet ist.
Sensorsystem nach Anspruch 20, wobei die mindestens eine schallreflektierende Fläche eine Elektrode einer Messzelle zum Bestimmen der elektrischen Eigenschaften des Fluids umfasst.
Sensorsystem nach Anspruch 22, wobei die Fläche des Sensors eine Elektrode einer Messzelle zum Bestimmen der elektrischen Eigenschaften des Fluids umfasst.
Sensorsystem nach Anspruch 20, wobei mindestens eine mit Durchbrüchen versehene massive Struktur zwischen der Fläche des AWD und der schallreflektierenden Fläche angeordnet ist.
Sensorsystem nach Anspruch 24, wobei die mindestens eine mit Durchbrüchen versehene massive Struktur Elektroden für eine Messzelle zum Bestimmen der elektrischen Eigenschaften des Fluids umfasst.
Sensorsystem nach Anspruch 20, wobei sich der Sensor zwischen zwei gegenseitig reflektierenden Flächen befindet, zwischen denen eine kompressionale Resonanz entsteht.
Sensorsystem nach Anspruch 20, das einen Trennungswert (H) umfasst, der so gewählt ist, dass, bei einer nominalen Betriebstemperatur und Fluidzusammensetzung, die Eingangimpedanz der Resonanz des Fluids rein real ist.
Sensorsystem nach Anspruch 27, wobei die Eingangimpedanz einem kleinsten kompressionalen dynamischen Verlustwiderstand entspricht.
Sensorsystem nach Anspruch 27, wobei die Eingangimpedanz einem größten kompressionalen dynamischen Verlustwiderstand entspricht.