Inertialsensorik

Viskositätssensor

© Fraunhofer ENAS
Detailaufnahme des in das Fluid eintauchenden Sensorteils.

Die Fließfähigkeit und das spezifische Gewicht organischer Flüssigkeiten wie Schmieröle und Kraftstoffe sind für viele Anwendungen entscheidende Parameter. Informationen darüber sind zur Beurteilung der Qualität, zur Erkennung von Alterung, von Beimengungen und von durch hohe oder tiefe Temperaturen hervorgerufene Veränderungen in vielen Anwendungen wünschenswert, in einigen Applikationen unbedingt erforderlich.

Am Fraunhofer ENAS wurde deshalb ein Viskositäts- und Dichtesensor entwickelt, der auf der Basis von MEMS-Resonatoren arbeitet, die durch das zu testende Fluid beeinflusst werden. Siliziumzungen werden durch piezoelektrische Aluminiumnitrid-Wandler mechanisch angeregt und die entstehende Schwingung detektiert. Die Frequenzabhängigkeit der Schwingungseigenschaften wird gemessen. Die Resonanzfrequenz der Zungen wird wesentlich durch die Dichte des zu testenden Fluids verändert, während die Dämpfung der Resonatoren durch die Viskosität beeinflusst wird. Es kommt jedoch auch zur Beeinflussung beider Schwingungsparameter durch die jeweils andere Fluideigenschaft. Ein geeigneter mathematischer Algorithmus wurde entwickelt, der die physikalischen Zusammenhänge interpretierend aus den Schwingungsparametern Viskosität und Dichte errechnet. Für praktische Erprobungen in einem weiten Temperaturbereich von -40°C bis 150°C stehen Sensoren bereit, die mittels NPT-Gewindenippel in ein fluidgefülltes Betriebsmittel eingeschraubt werden. Ein integrierter Controller steuert Anregung und Schwingungsdetektion und liefert die Informationen über die Viskosität der Flüssigkeit in einem Messbereich von 0,5 cP … 100 cP und über die Dichte in einem Bereich von 0,6 kg/l … 1,5 kg/l an eine USB-Schnittstelle.