WM in gesprek - Onderzoek/ontwikkeling: innovatieve sensor meet de viscositeit van olie

WM SE: Geachte heer Pfusterschmied, u hebt aan het Instituut voor Sensor en Actuatorsystemen van de Technische Universiteit Wenen een dichtheids- en viscositeitssensor ontwikkeld, die geschikt is voor de controle van motor- en tandwieloliën. U staat op het punt daarvoor te worden onderscheiden met de Fehrer-prijs van de TU Wenen. Waarover gaat het?

Pfusterschmied: De basis voor de gebruikte technologie is gebaseerd op een piëzo-elektrische micro-resonerende balk en werd al ongeveer acht jaar geleden in het kader van mijn promotieonderzoek gelegd. Daarbij zijn trillingsmodi gevonden (zogenaamde 'roof tile shaped modes'), die ook in zeer viskeuze vloeistoffen nog een trilling mogelijk maken, terwijl conventionele trillingsmodi maximaal worden gedempt. Tijdens mijn promotieonderzoek kon ik dit concept dankzij nieuwe aanknopingspunten significant verbeteren en zowel de nauwkeurigheid als de toepasbaarheid van de sensor voor de meting van dichtheid en viscositeit van vloeistoffen demonstreren. Deze verder ontwikkeling maakte dan uiteindelijk de succesvolle meting van de viscositeit van bitumen, een uiterst viskeus materiaal dat wordt gebruikt voor asfalt, mogelijk. Verder zorgt de piëzo-elektrische microsensor met behulp van dichtheidsmetingen, voor de monitoring van de wijnfermentatie. Bij de doorontwikkeling van de sensor is ook een toepassing in personenauto's denkbaar voor de meting van de dichtheid en viscositeit. Dit zou dus weer uitspraken over de oliekwaliteit mogelijk kunnen maken. De Fehrer-prijs is zowel voor deze grondslagen, als de toepassingsgeoriënteerde prestaties op het gebied van microsensoren verkregen.

WM SE: Hoe werkt de sensor?

Pfusterschmied: De sensor bestaat uit eenzijdig vastgezette, vrijstaande siliciumbalk. Door het aanbrengen van een elektrisch contacteerbare, piëzo-elektrische dunne laag van aluminiumnitride kan de balk gericht in een mechanische trilling in een van de boven genoemde 'roof tile shaped' trillingsmodi worden gebracht. Bovendien zorgt de piëzo-elektrische laag ook voor een direct elektrisch uitlezen van de mechanische beweging en dient daarom zowel als opwekkings- en als uitleeslaag. Zodra deze trillende structuur door een te testen vloeistof wordt omgeven, dan wordt energie aan de trilling onttrokken door viskeuze effecten die ontstaan door de wisselwerking van de mechanische trilling met de vloeistof. Dit kan worden gedetecteerd als een verandering in het mechanische trillingsgedrag en met een geschikte kalibratieprocedure worden vertaald naar de viscositeit en dichtheid van de vloeistof.

WM SE: Hoe kan deze sensor worden gebruikt bij moderne personenauto's/bedrijfsauto's?

Pfusterschmied: Het is wellicht mogelijk om deze microstructuren direct in het oliecircuit te integreren, om als het ware 'on board' een realtime-monitoring van de fysische eigenschappen zoals viscositeit en dichtheid mogelijk te maken. De bij de piëzo-elektrische microsensor gebruikte materialen zijn geschikt voor een gebruikstemperatuur tot maximaal 300 °C en zouden daarmee ook direct in een personenauto kunnen worden ingezet. Omdat het hier om een sensorontwikkeling in het kader van een wetenschappelijk onderzoek gaat, moet er voor een commerciële toepassing echter nog behoorlijk veel werk worden verzet om bijvoorbeeld het sensoromhulsel te realiseren en de nauwkeurigheid van de sensor in de ontelbare commercieel verkrijgbare motoroliën te onderzoeken.

WM SE: Wat zijn de conclusies die, op basis van een verandering van de dichtheid en de viscositeit, over de oliekwaliteit kunnen worden getrokken?

Pfusterschmied: Allereerst moet hierbij worden vermeld dat vooral de viscositeit zeer sterk afhangt van de temperatuur en dat daarom een exacte temperatuurmeting absoluut noodzakelijk is. Een degradatie van de olie ontstaat door chemische veranderingen zoals bijvoorbeeld door de reactie met zuurstof. Deze veranderingen beïnvloeden zowel de dichtheid als de viscositeit. Op basis van de vele verschillende soorten motorolie is het momenteel echter moeilijk om hier een eenduidig antwoord op te geven.

WM SE: Moderne motor- en versnellingsbakoliën zijn hightechproducten. Het aandeel additieven bedraagt inmiddels max. 40 procent, de rest bestaat uit synthetische basisvloeistoffen. De interacties tussen componenten zijn chemisch complex. Is de sensor volledig ongevoelig voor eventuele chemische invloeden?

Pfusterschmied: De gebruikte materialen hebben allemaal een hoge chemische weerstand. Bovendien is het ook mogelijk, de gehele sensor te voorzien van een dunne beschermlaag zoals bijvoorbeeld siliciumcarbide. Zo wordt de sensor extra ongevoelig en resistent tegen chemicaliën gemaakt. Wat wij nog niet helemaal kunnen inschatten, zijn de depositie-effecten die optreden tijdens het ouder worden van de olie en ook de trillingsparameters beïnvloeden.

WM SE: Uiteindelijk draait alles om een optimaal verversingsinterval. De olie moet pas worden ververst, wanneer het daadwerkelijk noodzakelijk is. Welke rol speelt daarbij de keuze van de juiste, door de OE vrijgegeven, kwaliteitsolie?

Pfusterschmied: De sensor kan in de huidige uitvoering alleen de fysische eigenschappen van de olie detecteren, maar daarbij niet vaststellen om welke olie het gaat. Omdat elke olie verschillend veroudert, zou het daarom toch al nodig zijn het verouderingsgedrag van de gebruikte olie te kennen of tenminste een olieafhankelijke drempelwaarde van de viscositeitsverandering te gebruiken. In dit opzicht is een toepassing in personenauto's niet zo eenvoudig, omdat de autobezitter bij elke olieverversing alleen oliën met opgeslagen gegevens zou mogen gebruiken. Wat het gebruik van motor- en versnellingsbakoliën aangaat, dan raad ik toch altijd aan om kwaliteits- en merkoliën te gebruiken die voldoen aan de juiste normen en OE-specificaties. Goedkope oliën die de klanten zelf meenemen zijn geen optie!

Meneer Pfusterschmied, wij danken u hartelijk voor de beantwoording van de vragen.