Principle of a non-contact liquid level sensor using electromagnetic-acoustic resonators

Zusammenfassung

Der Füllstand ist ein entscheidender Parameter bei vielen Anwendungen in der Prozessmesstechnik, Chemie und Pharmaindustrie, um z. B. das Flüssigkeitsvolumen in einer Reaktionskammer genau bestimmen zu können. Dafür existiert eine große Anzahl von Messverfahren, die auf mechanischen, elektrischen und optischen Prinzipien, aber auch auf Ultraschallsensoren und Radarmessungen beruhen. Die meisten dieser Verfahren sind jedoch nicht ohne Weiteres für die Messung sehr kleiner Flüssigkeitsmengen und Füllstände geeignet. Ultraschallwandler stellen eine Methode dar, die eine sehr genaue Messung ermöglicht, wobei die Sensitivität vor allem von der verwendeten Frequenz abhängig ist. In diesem Beitrag stellen wir das Konzept eines elektromagnetisch angeregten, resonanten Ultraschallwandlers vor. Dabei werden anstatt einer allgemein üblichen Laufzeitmessung die Frequenzverschiebungen und Dämpfungscharakteristika einer Resonanzfrequenz gemessen. Durch die kontinuierliche, resonante Anregung von Ultraschallwellen, die in die Flüssigkeit abgestrahlt werden, sind wir nicht durch die Wellenlänge begrenzt, wie auch unsere experimentellen Messungen zeigen. Wir schlagen einen experimentellen Aufbau vor, der aus einem einfachen Schwingungselement besteht, welches in das Fluidbehältnis platziert und von außen von einer Planarspule zum Schwingen angeregt wird. Weiterhin präsentieren wir einige analytische Überlegungen zu der Funktionsweise dieser Sensoren, basierend auf Finite-Elemente-Simulationen der angeregten Schwingungsmoden. Die Möglichkeit, durch elektromagnetisch-akustische Anregung sehr leicht viele verschiedene Schwingungsformen zu erzeugen, ist ein weiterer Vorteil, um z. B. Füllstand und andere Flüssigkeitsparameter gleichzeitig messen zu können.

Summary

Liquid level measurement is a key aspect for many applications in the processing industry, chemistry, and pharmaceutical industry to determine, e.g., the exact liquid volume in a reaction chamber. A large variety of measurement principles exist for these applications, ranging from mechanical, electrical, and optical methods to ultrasonic and radar measurements. However, many of these principles are not suitable for sensing very small amounts of liquid volume and liquid levels. Ultrasonic transducers allow for very precise measurements, where the sensitivity can be improved by increasing the operating frequency. In this contribution we introduce the concept of electromagnetic-acoustic resonators as the ultrasonic transducer. Here, we measure the changed frequency shifts and damping characteristics due to interference effects instead of the time-of-flight measurements usually employed. Our experiments show, that by using continuous, resonant excitation the achievable resolution is not limited by the wavelengths of the ultrasonic waves radiated into the liquid. We introduce an experimental setup consisting of a simple resonating element placed inside the fluidic chamber, which is remotely excited by a planar coil. We present an analytical model for the operation of these devices based on finite element simulations of the excited resonant mode shapes. The ability of electromagnetic-acoustic excitation to easily generate many different modes of vibration is also an advantage to simultaneously measure liquid level and other liquid properties.