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Aufbau eines Prototyps zur Viskositätsmessung von Motorölen

Eggert, Eric (2007):
Aufbau eines Prototyps zur Viskositätsmessung von Motorölen.
Technische Universität Darmstadt, [Diploma Thesis or Magisterarbeit]

Abstract

Zusammenfassung:

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines Sensorprototyps zur Messung der Viskosität von Motorölen. Für das eingesetzte balkenförmige Sensorelement wird das piezoelektrische und monokristalline Material Lithiumniobat genutzt, das als Bimorph im doppelt gedrehten YZ-Schnitt des Kristalls ausgelegt wird. Bei elektrischer Anregung führt das Sensorelement eine Torsionsschwingung aus, wobei Frequenz und Dämpfung in der Resonanz direkt von der Viskosität und Dichte des Messmediums abhängen. Durch das aufgestellte Messverfahren wird der Sensor in eine freie gedämpfte mechanische Schwingung angeregt, die durch den piezoelektrischen Effekt in einen elektrischen Signalverlauf gewandelt wird. Aus dem Verlauf werden Eigenresonanzfrequenz und Dämpfung bestimmt. Über die vorgestellte mathematische Beschreibung, oder über einen Vergleich mit noch zu erfassenden Kennlinien, können die Viskosität und Dichte ermittelt werden.

Für die Realisierung des Sensors sind Sensorelemente unterschiedlicher Abmessungen mit entsprechend strukturierten Metallelektroden versehen. Diese werden durch eine entwickelte Fotolithografiemaske erstellt, die neben Erreger- und Messelektroden, in Form von Interdigitalkondensatoren, auch einen Temperaturfühler zur Erfassung der Materialtemperatur bereitstellen. Die Gehäusung des Sensorelements ist so ausgelegt, dass der Sensor direkt in eine Ölwanne einen Autos eingeschraubt werden kann. Aufgebaute Funktionsmuster, die aus einer skalierten Gehäusung des Prototyps bestehen und eine ähnliche Elektrodenstruktur wie das Sensorelement aufweisen, sind in einem hierzu entwickelten Versuchsaufbau getestet. Dieser ermöglicht die gleichzeitige Vermessung von bis zu vier Sensoren. Eine gesteuerte Temperaturvariation führt Viskositätsänderungen des Messmediums herbei, um den Sensor zu charakterisieren.

Erste Messungen zeigen die generelle Funktionsfähigkeit der Funktionsmuster und lassen durch dieselbe Bauform auf die Funktionsfähigkeit der Prototypen schließen. Der integrierte Temperaturfühler, zeigt eine lineare Kennlinie und eine Empfindlichkeit von 4, 64mV / °C unter Einsatz der entwickelten Primärelektronik. Wiederholte Messungen in Luft und Öl zeigen bei gleichbleibender Temperatur des Messmediums eine Reproduzierbarkeit der ermittelten Resonanzfrequenz von ±0, 1 Hz. Die Resonanzfrequenzänderung in temperierter Luft zeigt einen annähern linearen Verlauf mit einer Änderung von 0, 62Hz / °C. Dies wird als Eigentemperaturverhalten des Sensors bezeichnet. Durch die Kenntnis dieser Größe sind Messungen an temperierten Ölen möglich. Erste Messungen hierzu zeigen, wie erwartet, einen nichtlinearen Verlauf der Resonanzfrequenz in Analogie zur Temperaturabhängigkeit der Viskosität von Flüssigkeiten.

Item Type: Diploma Thesis or Magisterarbeit
Erschienen: 2007
Creators: Eggert, Eric
Title: Aufbau eines Prototyps zur Viskositätsmessung von Motorölen
Language: German
Abstract:

Zusammenfassung:

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines Sensorprototyps zur Messung der Viskosität von Motorölen. Für das eingesetzte balkenförmige Sensorelement wird das piezoelektrische und monokristalline Material Lithiumniobat genutzt, das als Bimorph im doppelt gedrehten YZ-Schnitt des Kristalls ausgelegt wird. Bei elektrischer Anregung führt das Sensorelement eine Torsionsschwingung aus, wobei Frequenz und Dämpfung in der Resonanz direkt von der Viskosität und Dichte des Messmediums abhängen. Durch das aufgestellte Messverfahren wird der Sensor in eine freie gedämpfte mechanische Schwingung angeregt, die durch den piezoelektrischen Effekt in einen elektrischen Signalverlauf gewandelt wird. Aus dem Verlauf werden Eigenresonanzfrequenz und Dämpfung bestimmt. Über die vorgestellte mathematische Beschreibung, oder über einen Vergleich mit noch zu erfassenden Kennlinien, können die Viskosität und Dichte ermittelt werden.

Für die Realisierung des Sensors sind Sensorelemente unterschiedlicher Abmessungen mit entsprechend strukturierten Metallelektroden versehen. Diese werden durch eine entwickelte Fotolithografiemaske erstellt, die neben Erreger- und Messelektroden, in Form von Interdigitalkondensatoren, auch einen Temperaturfühler zur Erfassung der Materialtemperatur bereitstellen. Die Gehäusung des Sensorelements ist so ausgelegt, dass der Sensor direkt in eine Ölwanne einen Autos eingeschraubt werden kann. Aufgebaute Funktionsmuster, die aus einer skalierten Gehäusung des Prototyps bestehen und eine ähnliche Elektrodenstruktur wie das Sensorelement aufweisen, sind in einem hierzu entwickelten Versuchsaufbau getestet. Dieser ermöglicht die gleichzeitige Vermessung von bis zu vier Sensoren. Eine gesteuerte Temperaturvariation führt Viskositätsänderungen des Messmediums herbei, um den Sensor zu charakterisieren.

Erste Messungen zeigen die generelle Funktionsfähigkeit der Funktionsmuster und lassen durch dieselbe Bauform auf die Funktionsfähigkeit der Prototypen schließen. Der integrierte Temperaturfühler, zeigt eine lineare Kennlinie und eine Empfindlichkeit von 4, 64mV / °C unter Einsatz der entwickelten Primärelektronik. Wiederholte Messungen in Luft und Öl zeigen bei gleichbleibender Temperatur des Messmediums eine Reproduzierbarkeit der ermittelten Resonanzfrequenz von ±0, 1 Hz. Die Resonanzfrequenzänderung in temperierter Luft zeigt einen annähern linearen Verlauf mit einer Änderung von 0, 62Hz / °C. Dies wird als Eigentemperaturverhalten des Sensors bezeichnet. Durch die Kenntnis dieser Größe sind Messungen an temperierten Ölen möglich. Erste Messungen hierzu zeigen, wie erwartet, einen nichtlinearen Verlauf der Resonanzfrequenz in Analogie zur Temperaturabhängigkeit der Viskosität von Flüssigkeiten.

Uncontrolled Keywords: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Bimorph monolithisch, Lithiumniobat, Motorölsensor, Torsionswandler piezoelektrisch, Viskosität, Wandler piezoelektrisch
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design > Microtechnology and Electromechanical Systems
Date Deposited: 31 Aug 2011 10:21
Additional Information:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKD 1646

Art der Arbeit: Diplomarbeit

Beginn Datum: 05-02-2007

Ende Datum: 13-08-2007

Querverweis: keiner

Studiengang: Elektrotechnik und Informationstechnik (ETiT)

Vertiefungsrichtung: Mikro- und Feinwerktechnik (MFT)

Abschluss: Diplom (MFT)

Identification Number: 17/24 EMKD 1646
Referees: Schlaak, Prof. Dr.- Helmut Friedrich
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