İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Anabilim Dalı
2012
A novel liquid level sensor design using laser optics technology
Lazer optik teknolojisi ile yeni bir sıvı seviye sensörü
Mehmet Emre Erdem
Özet:
Elektronik ve bilgisayar sektörlerindeki teknolojik gelişmeler ve yeni malzemelerin keşfi bütün endüstri kollarını değiştirdiği gibi, dünyayı da baştan aşağı değiştirmiş ve değiştirmeye de devam etmektedir. Günümüzde sensörler, havacılıktan otomotive, uzay çalışmalarından, makine, inşaat sektörlerine ve hatta tıp alanına kadar, mühendisliğin kullanıldığı her alana girmiş ve girdiği alanlarda, sadece mevcut metodları kolaylaştırmakla kalmamış, aynı zamanda büyük yeniliklere ve ilerlemelere yol açmıştır.Bu çalışmaya yüksek hassasiyete sahip, yanıcı ve patlayıcı ortamlardan etkilenmeden çalışabilecek yeni bir sıvı seviye sensörü ihtiyacı ile yola çıkılmış, bu talebi karşılayabilmek icin mevcut sensörlerin artı ve eksi yönleri, bunun yanında literatürde benzeri çalışmalar incelenmiştir. İlk önce mevcut ultrasonik bir seviye sensöründeki sorunları çözebilmek adına sonlu elemanlar analizleri yapılmış ve çalışma ilk imalat prototipleri üretilip testler yapılacak noktaya kadar getirilmiştir. Ancak bu çalışma sonucunda istenen hassasiyet noktasına ulaşılamayacağı görüldüğü için tamamen yeni bir sıvı seviye sensörü geliştirme fikri ortaya çıkmıştır. Sensörü geliştirme aşamaları planlanmış ve daha sonra detaylarıyla anlatılacak olan deneysel sonuçlarla fikrin doğrulanması sağlanmıştır.Tekniğin bilinen durumuna göz atıldığında sıvı seviyesi tespit yöntemlerinin çok çeşitli olduğu gözlemlenmiştir. Bunlardan bazıları, Arşimed prensibiyle mekanik olarak sıvıların kaldırma kuvvetini ölçen sistemler, şamandıralı sıvı seviye tespit sistemleri, manyetik seviye indikatörleri, ultrasonik ses ve lambda dalgalarıyla bu dalgaların gidiş-geliş sürelerine göre mesafeyi ölçen sistemler, düşük enerjili gamma ışıması ile nükleer sıvıların seviyesini ölçmekte kullanılan sistemler ve çeşitli temel optik uygulamalarıdır. Bu optik uygulamaların bazıları, sıvının mevcudiyetine göre üst veya alt seviyede konumlandırılan optik sensörler ve akademik çalışmalarda da göze çarpan ortamdaki kırılma indisi değişiminden yararlanarak sıvının mevcudiyetini tespit etmekte kullanılan fiber optik sistemlerdir.Bunun haricinde belli başlı basınç sensörleri incelendiğinde ise temelde kondansatör plakalarının arasındaki alanın basıncındaki değişim sonucu kondansatör kapasitesinin değişmesi prensibine dayanan kapasitif basınç ölçme sistemleri, strain gage (gerilim ölçer) kullanarak şekil değişikliğinden yararlanan basınç sensörleri, Load Cell (Yük Hücresi) tipindeki sistemler ve üzerine gelen basınca göre elektrik akımı/gerilim oluşturan Piezoelektrik basınç ölçme sistemleri göze çarpar.Bu sistemler genellikle hassasiyet sorunlarına sahiptirler. Örneğin ultrasonik sıvı seviye sistemlerinin otomotiv uygulamalarında sıvı yüksekliği ±1mm hassasiyetine sahipken basınç ölçümünde kullanılan sensörler 50-100 kPa hassasiyetlerde çalışırlar.Bu noktada sıvı seviyesi tespit yöntemlerinde bir eksiklik olduğu görülmüş, ve yüksek teknolojiye sahip, hassasiyet açısından sorunu olmayan bir alternatif arayışına girilmiştir, ve sıvı seviyesi ölçümünde uygulamaları olmasa da, farklı alanlarda çığır açan yepyeni bir yönteme rastlanmıştır.Bahsedilen çalışmanın teorisi, bundan uzun yıllar önce fısıldama tonundaki seslerin dairesel bir galerinin çevresi boyunca yansıyarak çevresel olarak uzak mesafelerde duyulması sonucu bulunmuş olup Fısıldayan Galeri Modu (Whispering Gallery Mode (WGM)) ismini almıştır. Günümüzde ise WGM uygulamalarında, lazer ışığı, mikro küreciklere temas ettiği noktada tam yansımalar meydana getirip dairesel bir yörünge izlemektedir. Dairesel yörünge boyunca tam yansımalarla ilerleyen lazer ışığı dalga boyunun tam katlarında mükemmel bir şekilde üst üste gelerek ilerlemeye devam eder. Ancak bu mükemmel çakışmaların bir sonucu olarak, küreciklerin yörüngelerinden geçen ışık sinyalinde rezonanslar meydana gelir.Teorinin gereği olarak, kürenin kırılma indisi veya şekli değiştiği zaman bu rezonanslar da yer degiştirmektedir. Bu durumda kürenin üzerine uygulanan basınç veya kuvvet sonucu kürenin şeklinde veya yarıçapında bir farklılık olduğu taktirde, mevcut rezonansların yeri değişecek, ve bu değişim bir yazılımla takip edildiği taktirde mikro küreciğe uygulanan basınç veya kuvvet bulunabilecektir. Bu yöntemin en önemli avantajlarından biri, bu prensibe göre çalışan sensörlerin yüksek hassasiyete sahip oluşlarıdır. Diğer bir önemli avantaj ise sensörün giriş ve çıkışında sadece düşük enerjili lazer ışığı olmasından dolayı her türlü patlayıcı veya yanıcı ortamda sorunsuz ve tehlikesiz çalışabilecek olmasıdır.Bu tip bir sıvı seviye sensörü geliştirmek fikriyle Southern Methodist Üniversitesi (SMU, Dallas, TX) Makine Mühedisliği bölümü Mikro Sensörler laboratuarı ziyaret edilmiş, ve benzeri WGM uygulamaları üzerinde çalışmalar yapılarak yöntemin sıvı seviyesi ölçümüne uygulanabilirliği incelenmiştir. Bu konuda çok sayıda makale incelendikten, ve SMU'daki konunun uzmanları ile fikir alışverişinde bulunulduktan sonra WGM prensibinin sıvı seviyesi ölçümünde kullanılabileceği kararına varılmıştır. Bu kararın alınmasının ardından teorinin detaylarına inilerek, çalışma prensibi doğrultusunda en uygun deney düzeneği ve sensör prototipinin nasıl olması gerektiğine dair ön çalışmalar yapılmıştır. Bu teorik çalışmalarda da bir fikir birliğine varıldığı noktada, SMU Mikrosensörler laboratuarlarına bizzat gidilmiş, ve WGM prensibi ile çalışan yeni bir sıvı seviye sensörü geliştirme üzerinde çalışmalara başlanmıştır. Geliştirilen çeşitli sensör prototipi ve deney düzeneği kullanılarak nihai tasarıma ulaşılmış, ve nihai tasarımla ilk önce sıvı olmayan ortamda gaz basınçlarını ölçmek üzere bir düzenek kurularak ilk deneyler yapılmıştır. Deneylerde başarılı sonuçlar elde edilmesini takiben sıvı seviye ölçümü dene düzeneğinin kurulması çalışmalarına başlanmış, ve bu aşamada özellikle sensörün sıvı altında çalışacak şekilde sızdırmazlığa karşı korunmasına özen gösterilmiştir. Bu aşamalardan sonra bir konteynır içine yerleştirilen sensör çalışmaya başlamış, ve çok çeşitli kereler konteynıra su doldurma ve boşaltma sağlanarak, sensörün çeşitli durumlardaki davranışı gözlemlenmiş, ve bütün bu deneyler süresince veri toplanmıştır.Deneylerde toplanan datalar göstermiştir ki WGM rezonans kaymalarının sıvı seviyesi değişimlerine verdiği karşılık, diğer bir değişle sensörün hassasiyeti lineer bir eğri halini almaktadır. Grafikler incelendiğinde eğriler, 0,9967-0,9993 arasında değişen R² değerleri ile mükemmele yakın bir korelasyon ile doğru teşkil etmektedir.Üstelik bu davranış sıvı seviyelerine veya doldurma boşaltma sürelerine bağlı olmaksızın çeşitli seviyelerde tekrar etmektedir, ki bu durum sonuçların güvenilirliği açısından son derece önemlidir.Elde edilen değerler fiziksel olarak incelendiğinde ise, 1 Pa seviyesindeki değişimin gaz basıncı deneylerinde 5,93 pm seviyelerinde rezonans kaymalarına sebep olduğu, sıvı basıncı deneylerinde ise 3,12 pm seviyelerine kadar rezonans kaymalarına ulaşılabileceği görülmektedir. Bir başka değişle eksenler yer değiştirdiğinde özellikle sıvı seviyesi ölçümü deneylerinde 0,033-0,053mm'lik su seviyesi değişimlerinin, laser spektrumunda 1 pm'lik kaymaya neden olduğu görülebilir. Burada belirtmek gerekir ki sonuçlar yine mükemmele yakın bir lineerlikle ortaya çıkmaktadır.Bu sonuçlara ek olarak hata hesabı yapıldığında deney düzeneğine sıvı doldurulurken % ±1,126, deney düzeneğindeki sıvı boşaltılırken ise % ±1,137 seviyelerinde doğruluk değerleri elde edilmiştir. Burada dikkat edilmesi gereken bir husus, gerek gaz basıncı, gerekse de sıvı seviyesi ölçümlerinde kullanılan referans cihaz olan basınç dönüştürülerin üretici verilerine bakıldığında bu cihazların %±1 doğruluğa sahip olduklarıdır. Dolayısıyla ileride yapılacak çalışmalarda deney düzeneğinde daha yüksek doğruluğa sahip ekipmanların kullanılması ile beraber doğruluk değerlerinin daha da iyileşeceği tahmin edilmektedir.Bu çalışmanın sonucunda, otomotivden uzay-uçak sanayi ve havacılığa, tıptan savunma sanayine, ve benzeri çok çeşitli alanlarda basınç ve sıvı seviyesi ölçümü yapabilecek lazer-optik teknolojisi temelli yepyeni ve ileri teknoloji ürünü hassas bir basınç sensörü tasarımı, deneysel sonuçları ile beraber sunulmuştur.
Summary:
The discovery of new materials and the technological developments in electronics have changed the whole industry and the world. Today sensors are being used nearly in every application of aeration, space, naval, automotive, civil, mechanical, industrial, electronics and computer engineering as well as advanced medicine, medical sciences and many other areas, and led to innovations and advances to every process when used.The study has started with the need of highly sensitive, compact liquid level measurement sensor which can be used even in flammable medium. To provide the demand, the positive and negative features and aspects of the current sensors, the literature and similar studies have been investigated. At first, a valid ultrasonic liquid level sensor has been analyzed to meet the requirements by improving its characteristics. For improving and solving the problems of the current sensor, finite element analysis has been performed until reaching a new model, which can be used to build the initial production prototypes. Although consideration of the results has shown that to meet all of the targets, a new and highly sensitive liquid levels sensor has to be developed, which should be the next step of the study.When looking through the techniques of the liquid level detection, it has been seen that there is a wide variety of detection methods. Some of them are: sensors working mechanically with Archimedes? principle, floating level sensors, magnetic liquid level indicators, liquid level sensors using ultrasound and lambda waves to measure the flight time of the waves, Nuclear level switches using low level radiations emitted by radioactive sources, and various optical detection methods. In some of the optic applications, optic sensors are located at top or bottom level according to liquid existence and some of the fiber optic based systems measure the liquid level by the change of the refractive index.Other than these, when investigating some other common sensors, capacitive pressure measurement systems based on principle that measures the pressure change between the capasitor plates, strain gage systems which measure the pressure by shape changes, load cell type systems and piezoelectric pressure measuring systems has been evaluated.These systems usually have sensitivity problems. As an example, ultrasonic liquid level systems in automotive applications have ±1mm liquid height sensitivity values, while most of the precise pressure measurement sensors are sensitive to measure 50-100 kpa.The theory of this study was found many years ago when it was seen that sound waves in whispering tone bounce along the circular gallery of St Paul's Cathedral with very little loss, and this phenomenon was named as Whispering Gallery Mode (WGM). Today WGM theory has been introduced into modern electronics, and as a result, it has become an advanced theory including optical physics and electronics. In modern WGM applications, when laser light comes into the microsphere in its contact point with the tapered film, the light undergoes total internal reflections in the sphere. After repeated total internal reflections at the curved boundary, the electromagnetic field can close on itself and a resonance occurs on the light signal going to the photodiode.More importantly these resonances change when there is a change on the refractive index or geometry. The resonance frequencies shift with the changes of the microsphere size and/or the optical properties of the surrounding medium. One of the biggest advantages of the WGM theory is that very small values such as 10-5 N can be detected by using this method.For evaluating the possibility of developing a higly sensitive novel liquid level sensor using WGM phenomenon Southern Methodist University Microsensors lab. has been visited. After many meetings and discussions, it has been considered that a new kind of highly sensitive liquid level sensor can be developed by using the WGM phenomenon, in the Micro sensors lab. facilities of Southern Methodist University, where the experiments of the novel sensor have been performed.The novel sensor shows that the dependence of WGM shifts to liquid levels can be assumed as perfectly linear all the measurement range without being affected by the amount of liquid in the container. A Pa change in liquid pressure, results as high as 3,12 pm WGM shifts, which have been observed during the liquid level experiments. When the axis have been switched, it can be estimated that the values are ranging between 0,033-0,053 mm of water level per pm WGM shift of the Laser Spectrum, again with a perfect linear correlation. It has also been calculated that the total uncertainity of the experiments is assumed to be around ±1,12%, which might be improved with the usage of equipments with higher accuracy.Also nother advantage relies on the WGM phenomenon, in which this novel sensor can be worked in any environment without being affected by the availability of flammable liquids and gasses etc.As a result of this study, a novel high-tech laser-optic technology based liquid level measurement sensor has been designed which can be used in automotive, aerospace & aviation industries, medicine, defense, civil engineering, and many other fields.