SAW-sensor for continuous control of oil quality in high voltage transformers
Final Report Abstract
Für die Zustandsanalyse von Ölen und anderen Flüssigkeiten sind spezielle Sensoren erforderlich, die bisher nicht auf dem Markt verfügbar sind. Einen Ansatz bietet die Oberflächenwellensensorik (engl.: surface acoustic wave, SAW), basierend auf Oberflächenwellenfiltern. Diese auf piezoelektrischen Substraten hergestellten Bauelemente nutzen eine Signaltransformation elektrisch-akustisch-elektrisch zur Filterung bzw. als Sensoreffekt. Die Bauelemente zeichnen sich durch eine hohe Selektionskurve mit steilen Filterflanken aus, sie finden Einsatz in der Rundfunk- und Fernsehempfangstechnik sowie in anderen HF-orientierten Empfangstechniken wie Mobilfunkgeräten und WLAN-Empfängern. In der Sensorik werden diese frequenzselektiven Bauteile mit einer sensitiven Schicht ausgestattet; dadurch verschiebt sich die Mittenfrequenz der schmalbandigen Filter unter der Einwirkung äußerer Einflussgrößen. Dieser Frequenzshift, der messtechnisch zu erfassen ist, dient als Indikator für die Veränderung einer Umgebungsgröße. Erfolgreich werden solche Sensoren seit einigen Jahren als Gassensoren eingesetzt. Für die Verwendung in der Flüssigkeitsanalyse besteht die Herausforderung eine geeignet akustische Welle zu generieren, die bei der Ankoppelung an die zu untersuchende Flüssigkeit keine wesentliche Dämpfung erfährt. Dabei wird einerseits ausgenutzt, dass sich fast alle Flüssigkeiten in ihren physikalischen Eigenschaften (Dichte, Viskosität, Leitfähigkeit, Dielektrizitätszahl) unterscheiden. Anderseits gilt es, die vielen auftretenden Querempfindlichkeiten eines Oberflächenwellensensors zu unterdrücken, um nur den Einfluss einer Messgröße wiederzugeben. Entscheidend für die Anwendung ist durch eine geeignete Aufbau und Verbindungstechnik eine Kapselung des Sensors sicherzustellen, die z.B. eine Kontaktierung der Anschlüsse auf dem piezoelektrischen Substrat gewährleistet. Während des Bearbeitungszeitraums konnte ein geeigneter Oberflächenwellensensor zur Feuchtemessung durch Anregung einer Scherwelle entwickelt werden. Die so genannte „Love-Welle“ verursacht keine Energieabstrahlung in die Flüssigkeit, da diese akustische Wellenform eine Teilchenauslenkung parallel zur Oberfläche (horizontal polarisierte Scherwelle) mit entsprechend geringer akustische Dämpfung zu Grunde liegt. Die Herstellung der Sensoren erfolgt in Planartechnik durch Abscheidung einer genau festgelegten Folge von mikrostrukturierten Schichten aus leitenden und nichtleitenden Materialien auf einem Quarz- oder LiNbO3-Substrat. Um den Sensor unabhängig von einem Netzwerkanalysator (VNA) auslesen zu können, wurde eine angepasste HF-Schaltungen aufgebaut. Über einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) wird ein Hochfrequenzsignal generiert und auf den Sensor gegeben. Am Ausgang des Sensors lässt sich durch Auswertung der Signalstärke die Resonanzfrequenz und damit die Veränderung des Sensorsignals ermitteln. Es wurde eine im ISM Band bei 443,92 MHz. liegenden Mittenfrequenz des Sensors gewählt, da zu diesem Zeitpunkt nur im Bereich der ISM-Bänder ausreichende HF-Verstärker und Modulatoren verfügbar waren. Es zeigte sich, dass die Feuchteempfindlichkeit zur Charakterisierung von Transformatorölen mit 5 ppm gegeben ist, jedoch das Frequenzband um 443,92 MHz aufgrund der geringen nutzbaren Bandbreite nicht ausreichend. Bei dem erforderlichen Wechsel auf 2,45 GHz kamen statt der Bauform als Zweitor-Resonator eine reflektierende Verzögerungsleitung zum Einsatz. Diese konnten in Verbindung mit der implementierten Ausleseeinheit auf Basis ein FMCW Radars als Temperatursensoren über eine Distanz von ca. 3 m mit einer Genauigkeit von 0,2 °C charakterisiert werden.
Publications
- ”Telemetric surface acoustic wave sensor for humidity”. Kleinheubacher Berichte, ISSN 1684-9965, pp 131-133, 2002
M. Dierkes, U. Hilleringmann
(See online at https://doi.org/10.5194/ars-1-131-2003) - ”Fernauslesbarer Oberflächenwellen Feuchtesensor“. DAGA’03, Aachen, ISBN 3-9808659-0-8, Seite 690-691, 2003
M. Dierkes, U. Hilleringmann
- „Telemetric Surface Acoustic Wave Sensor for Humidity“. 5. Internation Symposium on Instrumentation and Control Technology, 24.-27.10.2003, Peking China
M. Dierkes, U. Hilleringmann
- “Low-Cost Transceiver Unit for SAW-Sensors Using Customized Hardware Components”. Proceedings on IEEE Ultrasonics Symposium, Vancouver, Canada, pp. 953-956, October 2006
P. Scholz, M. Dierkes, U. Hilleringmann
- „Mikrosystemtechnik: Prozessschritte, Technologien, Anwendungen“. Teubner-Verlag, 2006, S. 238-243
U. Hilleringmann
