Viskositätssensor für Schmieröle auf Basis eines piezoelektrischen Quarz-Dickenscherschwingers

Abstract

Die vorliegende Arbeit handelt von der Umsetzung des Prinzips der Viskositätsmessung mittels piezoelektrischer Resonatoren in einem Viskositätsbereich von 1-2500mPa s. Konkret wird die Entwicklung eines präzise temperierbaren Sensorkopfes für die Vermessung von Schmierölen unter Verwendung eines Quarz-Dickenscherschwingers im AT-Schnitt beschrieben. Als Industriepartner fungierte dabei die Eralytics GmbH aus Wien.<br />Das Messprinzip beruht auf der Beeinflussung der Resonanzeigenschaften eines Dickenscherschwingers durch Flüssigkeitsbeladung. In die Flüssigkeit wird durch direkten Kontakt mit der Resonatoroberfläche Energie in Form einer Scherwelle eingestrahlt, wobei deren Größe abhängig vom Viskositäts-Dichte-Produkt der Flüssigkeit ist. Während dieses Konzept in der Theorie für unendlich ausgedehnte Systeme vollständig analytisch beschrieben werden kann, treten in der Praxis Probleme mit gekoppelten Longitudinalwellen auf. Ein großer Teil der Arbeit beschäftigt sich deshalb mit der Problematik der (zusätzlich zur erwünschten Scherwelle) in die Flüssigkeit abgestrahlten longitudinalen Kompressionswelle. Durch ein spezielles Messzellendesign konnte bei der finalen Sensorversion eine Beeinflussung der Viskositätsmessung durch diese gekoppelte Welle unterdrückt werden.<br />Im Zuge der Entwicklung wurde mit AT-Quarzresonatoren in unterschiedlichen Ausführungen experimentiert. Besonderes Augenmerk wurde auf ihre möglichst verspannungsarme Befestigung im Sensoraufbau gelegt. Als beste Lösung erwies sich dafür eine relativ flexible, leitfähige Klebung des Resonators an einen Trägerring aus Edelstahl.<br />Als Messinstrument wurde das an der TU-Wien entwickelte QxSens-System verwendet, welches um ein Reglermodul zur Ansteuerung eines Peltierelements erweitert wurde. Die Messresultate aus der Vermessung von Mineralölen im niederviskosen Bereich zeigten sehr gute Übereinstimmung mit den Herstellerangaben, mit steigender Viskosität (>30mPas) nahm die Absolutgenauigkeit jedoch stark ab. Der Auswertung lagen dabei das Newton'sche- oder das Maxwell'sche Flüssigkeitsmodell zugrunde.<br />Zur Überprüfung der Praxistauglichkeit wurden Motorölproben verschiedenster Art untersucht. Dabei wurden Hinweise auf eine mögliche Querempfindlichkeit des Messwertes auf die Probenzusammensetzung gefunden.<br />

This diploma thesis deals with the development of a viscosimeter, based on a piezoelectric bulk acoustic wave resonator. In collaboration with Eralytics GmbH a temperature controlled measuring cell for the measurement of lubrication oils in a viscosity range of 1-2500mPas was constructed. As sensing element a piezoelectric resonator in thickness shear mode made out of AT-cut quartz was used.<br />The measurement principle is based on a change of the resonance properties of the thickness shear resonator depending on the liquid load. A shear wave is radiated into the liquid by direct contact with the resonator surface. The size of the shear wave depends on the viscosity-density-product of the liquid. While there is a complete theoretical description of this concept for one dimensional systems, there arise some difficulties with spurious longitudinal waves in reality. For this reason a big part of the thesis is dedicated to the investigation of coupled longitudinal waves radiated into the liquid. In the final version of the sensor, an influence of this wave to the measurement signal could be suppressed by a special design of the measurement cell.<br />Within the development process experiments with different versions of AT-cut quartz resonators were carried out. The main focus was on the construction of a low-stress clamping for the sensing element. The bonding of the resonator to a steel carrier with a flexible and conductive adhesive has proved to be the best solution for this issue.<br />As measuring device the QxSens-System, developed at the TU-Vienna, with an additional temperature control module for driving a Peltier element was used. The results from the measurement of low viscous mineral oils showed a very good agreement with the reference data from the oil producer. At higher viscosities (>30mPas) however, the absolute accuracy strongly decreased. For the viscosity calculation out of the raw resonance data a Newtonian or a Maxwellian liquid model was assumed.<br />Different samples of engine oils were investigated to check the applicability of the constructed sensor for industrial use. As a result hints to a cross sensitivity of the measurement value to the oil composition could be found.