Verwendung piezoelektrischer Resonatoren für die Online-Messung der Dichte und Viskosität von Flüssigkeiten

Abstract

For all processes in industry where liquids are intermediate or end products, there is a demand for online measurements of physical liquid properties, like density, viscosity and speed of sound. The continuous monitoring of those quantities is important for quality control and for enhancing productivity. In this paper layered resonant piezoelectric sensors for liquids are investigated and it is shown that they are advantageous because of their high resolution and accuracy and especially because of the analytically defined sensor function. The resonant sensor for liquids described in this paper is based on two bulk acoustic wave (BAW) piezoelectric plates with the liquid under investigation in between the vibrating plates. The density and the speed of sound sensors for liquids use BAW thickness extensional mode vibrators, while for the viscosity measurements BAW thickness shear resonators are used. In both cases sensor versions are available for low sample volumes of 250 ml and 130 ml, respectively. Further miniaturization of these sensor versions is feasible, which would allow their use also in microfluidic applications.For this sensor family a unique measurement electronics based on an electrical admittance measurement system has been developed. While the rather low accuracy currently obtained with the density sensors is still not competitive with established methods, the accuracy of monitoring the speed of sound and the viscosity with these resonant BAW sensors is already very close to, in some cases even better than, the accuracy obtained with more expensive offline laboratory measurement equipment.Verwendung piezoelektrischer Resonatoren fü r die Online-Messung der Dichte und Viskositä t von Flü ssigkeiten.Bei allen industriellen Prozessen, bei denen Flü ssigkeiten als Zwischen-oder Endprodukte auftreten, besteht ein Bedarf an einer OnlineMessung von physikalischen Flü ssigkeitseigenschaften wie z. B. Dichte, Viskositä t, Schallgeschwindigkeit. Die kontinuierliche Messung dieser Flü ssigkeitsparameter ist fü r die Ü berwachung und Steuerung der Produktqualitä t sowie fü r die Verbesserung der Produktivitä t von Bedeutung. In diesem Beitrag wird ü ber die Untersuchung von mehrschichtigen resonanten piezoelektrischen Sensoren fü r Flü ssigkeiten berichtet, und es wird gezeigt, dass sich diese durch hohe Auflö sung und Genauigkeit sowie insbesondere durch die analytisch definierte Sensorkennlinie auszeichnen.Der in dieser Arbeit beschriebene resonante Sensor fü r Flü ssigkeiten basiert auf zwei piezoelektrischen Volumenresonatorscheiben, zwischen denen die zu messende Flü ssigkeit eingeschlossen ist. Die Sensoren fü r die Dichte und die Schallgeschwindigkeit von Flü ssigkeiten verwenden piezoelektrische Volumenresonatoren, die im extensionalen Dickenschwingungsmodus betrieben werden, wä hrend fü r die Viskositä tsmessungen Dickenschwerschwinger eingesetzt werden. In beiden Fä llen sind Versionen mö glich, die mit sehr geringen Flü ssigkeitsmengen von 250 l bzw. 130 l auskommen. Eine weitergehende Miniaturisierun...

Inverse procedure for simultaneous evaluation of viscosity and density of Newtonian liquids from dispersion curves of Love waves

“…21,27,28 Whereas, our method determines the unknown density and viscosity of the liquid independently.…”