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R. Schnitzer:
"Development of a microprocessor controlled multi-channel measurement system for resonant piezoelectric sensors";
Betreuer/in(nen), Begutachter/in(nen): M. Gröschl; Institut für Allgemeine Physik, 2006; Rigorosum: 26.04.2006.

Im Zuge dieser Arbeit wird ein mehrkanaliges Messsystem mit der Bezeichnung QxSens für Mess- und Steuerungsaufgaben für resonante piezoelektrische Sensoren (RPC) entwickelt und beschrieben. Das Messsystem ist modular aufgebaut, sodass eine möglichst flexible Adaptierung in unterschiedlichen Messanordungen und Computersystemen für diverse Anwendungen als stationäres Labormessgerät, mobiles USB Messgerät oder als industriell einsetzbares Messsystem ermöglicht wird. Das QxSens System wurde entwickelt, um neuartige resonante piezoelektrische Sensoren für die Erfassung technisch bedeutsamer physikalischer Messgrößen wie Temperatur, Viskosität oder Luftfeuchtigkeit nutzen zu können. Derartige Sensoren haben eine vergleichsweise hohe absolute Empfindlichkeit, hohe Auflösung, einen sehr großen dynamischen Messbereich und sie sind weitgehend unempfindlich gegen elektrische und magnetische Störfeldeinflüsse.
Unter Verwendung einer speziell entwickelten vielseitig einsetzbaren Messhardware und Software unterstützt das QxSens Messsystem resonante Sensoren für diverse Messgrößen wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Viskosität, Dichte und Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeiten sowie Filmdickenmessung von Flüssigkeitsfilmen. Das verwendete Messprinzip beruht auf der Auswertung der Admittanzortskurve des angeschlossenen Sensors für eine oder mehrere Resonanzen (Grundschwingung und/oder Oberschwingungen) im Frequenzbereich von 30 kHz bis 50 MHz. Der physikalische Messwert wird aus der gemessenen Serienresonanzfrequenz sowie der Resonanzgüter unter Verwendung einer sensorspezifischen Sensorfunktion oder Sensorkalibrierung errechnet. Ein eigens entwickelter Frequenzabtastalgorithmus, der durch Anpassen der Frequenzschrittweite an die gemessenen Admittanzwerte eine möglichst hohe Abtastgeschwindigkeit bei einer zugleich hohen Frequenzauflösung ermöglicht, erlaubt eine schnelle Messung und Analyse des Admittanzspektrums über einen weiten Frequenzbereich. Spezielle elektronische Schaltungen ermöglichen eine Reduktion der störenden Einflüsse von parasitären Parallelkapazitäten, hervorgerufen durch Quarzelektroden, Sensorgehäuse und Verbindungskabel zwischen Sensor und Auswerteelektronik.
Standardisierte Messhardware und Software erlauben eine flexible Anpassung des gesamten Messsystems an die applikationsspezifischen Randbedingungen. Die Software mit interaktiver Benutzeroberfläche des Messsystems ist in LabView® möglichst modular gestaltet, was eine einfache und ökonomische Implementierung für diverse Messaufgaben ermöglicht. Weiters bietet die digitale Datenverarbeitung der Messsignale den Vorteil, Messwerte direkt in digitale Steuerungssysteme einzubinden und für Industriesteuerungszwecke zu verwendet. Letztlich ermöglicht das QxSens Messsystem den Industrieeinsatz resonanter piezoelektrischer Sensoren um die Produktqualität ständig zu überwachen und zu verbessern.
In dieser Arbeit wurde das Messsystem in erster Linie für Viskositätsmessungen in Mineralölen und Viskosefaserlösungen mit unterschiedlichen resonanten Quarzsensoren verwendet. Bisher unerkannte Effekte, wie der Einfluss von elektrischen Flüssigkeitseigenschaften auf das Viskositätsergebnis, werden messtechnisch nachgewiesen, obwohl keine elektrisch leitenden Teile des Sensors in Kontakt mit der Flüssigkeit sind. Eine universelle Kalibrierungsroutine für verschieden aufgebaute Viskositätssensoren erlaubt es, derartige Effekte in der Sensorsignalauswertung zu berücksichtigen. Erstmals kann auch gezeigt werden, dass man mit einer derartigen Technologie Viskositätsmessungen bei extrem hohen Scherraten durchführen kann und theoretisch vorhergesagte Effekte jetzt auch der Messtechnik zugänglich sind.
Die Anwendung des QxSens Messsystems als universelles Admittanzmesssystem wurde mit kommerziellen Systemen wie Netzwerk- und Impedanzanalysatoren und mit einem langjährig entwickelten und bewährten Labormessplatz, bestehend aus einem Vektorvoltmeter zur Signalauswertung, verglichen. Testmessungen mit verschiedenen Quarzresonatoren mit unterschiedlichen Serienresonanzwiderständen von 10 Ω bis hinauf zu einigen hundert kΩ in einem weiten Frequenzbereich von 30 kHz bis 50 MHz haben gezeigt, dass das QxSens Messsystem auch für einen sehr weiten Admittanzbereich einsetzbar ist und somit auch für Admittanzmessungen von nicht resonanten Messobjekten z.B. für die Admittanzspektroskopie geeignet ist.

The present work is dedicated to the development of a multi-channel measurement system, termed QxSens, for on-line monitoring and control applications, based on resonant piezoelectric crystal (RPC) sensors. The system is structured in functional blocks and can be implemented as a laboratory desktop version, a mobile USB measurement device or as an embedded industrial measurement solution. The QxSens system is designed for novel RPC sensors which can be employed advantageously for the determination of various physical measurement quantities of technical importance. The benefits of these sensors are their high absolute accuracy, high sensitivity and dynamic range, independence from strong external electric and magnetic fields, and an output signal ideally suitable for digital processing.
By use of specially developed versatile measurement hardware and software, the system supports various sensor types for different physical measurands, such as temperature, humidity, viscosity, density and speed of sound of liquids, and film thickness. The measurement principle is based on the determination of locus of admittance curves of the respective sensors for one or several resonances (fundamental and/or overtones). Measurement results are calculated from the measured resonance frequencies or quality factors by applying the appropriate sensor function or calibration data for each sensor. The system covers sensors with resonance frequencies ranging from 30 kHz to 50 MHz. A special frequency scan algorithm with automatically adjusted frequency step width features fast resonance peak detection and high resolution over a wide frequency range. Special electronic means are provided to reduce the spurious influence of the sensor's parallel capacitance caused by the electrodes, the enclosure and the cable connecting the sensor electronics.
This novel general-purpose on-line measurement system may promote the wide-spread industrial use of RPC sensors for process quality control by providing technical solutions for application-specific needs. Standardized hardware and software allow the flexible adaptation to various measurement requirements via a virtual instrument interface based on LabView®. Future demonstration of the QxSens system in selected industrial applications will be of high socio-ecological impact.
In this work, the QxSens system is tested with different types of RPC sensors for the viscosity of liquids, such as lubricating oils and rayon fibres solutions. Unique calibration methods for each type of sensor are investigated with regard to the sensor cross sensitivities to temperature and the liquid´s electrical properties. From the admittance spectra measured by the QxSens system, it is evident that the piezoelectric quartz sensor is affected by the dielectric properties of the test liquid, even if no electrically conducting part of the sensor is in contact with the liquid. A special calibration routine is described to overcome these spurious effects.
Finally, the QxSens system operating as a general-purpose admittance measurement device is compared to commercial devices, such as network analyzers, and to a sophisticated laboratory set-up comprising a vector voltmeter. Tests are performed successfully with different crystal resonators in a broadband frequency range from 30 kHz to 50 MHz and with resonance impedances ranging from 10 Ω up to hundreds of kΩ. These results suggest the applicability of the QxSens system as an admittance spectrometer for resonant as well as non-resonant sensors or test devices.