DE102007028612A1 - Kavitationsstärkenmessgerät - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kavitationsstärkenmessgerät imt einem elektrisch anregbaren Oszillator, wobei der Oszillator eine Beschichtung (22) aufweist und die Beschichtung (22) durch Ultraschall ablösbar ausgebildet ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Kavitationsstärkenmessgerät. Derartige Kavitationsstärkenmessgeräte werden eingesetzt, um Ultraschallreinigungsvorrichtungen auf ihre Funktionstüchtigkeit und ihre Reinigungsleistung zu überprüfen. Im Moment werden beispielsweise Probenkörper in die Ultraschallreinigungsvorrichtung eingebracht und nach einer vorgegebenen Reinigungszeit optisch inspiziert und so überprüft, ob die Ultraschallreinigungsvorrichtung die gewünschte Reinigungsleistung erbracht hat oder nicht. Bislang ist kein Kavitationsstärkenmessgerät bekannt, mit dem eine Reinigungsleistung von Ultraschallreinigungsgeräten quantifizierbar ist.
• Ursache für die Reinigungswirkung von Ultraschallreinigungsgeräten ist Kavitation. In einem Reinigungsbad der Ultraschallreinigungsvorrichtung wird durch einen Ultraschallerzeuger ein Ultraschallwellenfeld in einem Kontaktmedium, in der Regel Wasser, erzeugt. Dabei entstehen kurzfristig Orte in dem Kontaktmedium, an denen ein Druck vorliegt, der kleiner ist als ein Dampfdruck des Kontaktmediums. Sofern an diesem Ort zudem Störstellen, wie beispielsweise eingeschlossene Gasmoleküle, gelöste Stoffe, Schwebstoffe oder Grenzflächen zu einem zu reinigenden Werkstück existieren, reißt das Kontaktmedium an diesen Störstellen auseinander. Es bildet sich eine Dampfblase, die dann, wenn der Druck an dem Ort im Kontaktmedium kurze Zeit später wieder über den Dampfdruck steigt, kollabiert. Beim Kollabieren werden starke Mikroströmungen, Druckwellen und Scherströmungen erzeugt, die auf das zu reinigende Werkstück einwirken und auf einer Oberfläche des Werkstücks vorhandenen Schmutz abtragen können.
• Durch abgetragenen Schmutz erhöht sich die Zahl der Störstellen in dem Kontaktmedium, so dass es in regelmäßigen Abständen ausgetauscht werden muss, um die Reinigungswirkung der Ultraschallreinigungsvorrichtung zu erhalten. Gerade bei Anwendungen in der Medizintechnik, beispielsweise bei der Reinigung von medizinischen Instrumenten, muss sichergestellt sein, dass die Ultraschallreinigungsvorrichtung stets eine vorgegebene Mindest-Reinigungsleistung überschreitet. Um das sicherzustellen, muss bislang das Kontaktmedium häufiger gewechselt werden, als dies eigentlich notwendig wäre, da einfach zu bedienende und verlässliche Kavitationsstärkenmessgeräte fehlen, mit denen die Reinigungsleistung prüfbar wäre.
• Zur Bestimmung der Reinigungsleistung und damit der Kavitationsstärke ist daher bekannt, gezielt verschmutzte Probekörper zu wägen, für eine vorgegebene Zeit mit der Ultraschallreinigungsvorrichtung zu reinigen und anschließend erneut zu wägen. Je mehr Masse der Probekörper verloren hat, desto höher ist Kavitationsstärke. Dieses Vorgehen ist jedoch aufwändig und fehleranfällig, da der Probekörper stets vollständig getrocknet werden muss, um Fehler durch noch anhaftendes Kontaktmedium zu vermeiden. Ein derartiges Verfahren ist zeitaufwändig und damit kostspielig. Unsachgemäß durchgeführt führt es zudem dazu, dass die Reinigungsleistung der Ultraschallreinigungsvorrichtung unterschätzt wird, da noch anhaftendes Kontaktmedium einen geringeren Abtrag von dem Probekörper vortäuscht, als tatsächlich vorhanden ist. Es wird also auch in diesem Fall das Kontaktmedium zu früh ausgetauscht.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Nachteile im Stand der Technik zu überwinden.
• Die Erfindung löst das Problem durch ein Kavitationsstärkenmessgerät, das einen elektrisch anregbaren Oszillator umfasst, wobei der Oszillator eine Beschichtung aufweist, die durch Ultraschall ablösbar ausgebildet ist.
• Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Abtrag der Beschichtung einerseits ein gutes Maß für die Reinigungsleistung der Ultraschallreinigungsvorrichtung darstellt und andererseits der Abtrag der Beschichtung über eine Änderung beispielsweise der Eigenfrequenz einfach und präzise gemessen werden kann. Die Abtragsgeschwindigkeit der Beschichtung stellt dann ein Maß für die Kavitationsstärke und damit für die Reinigungsleistung der Ultraschallreinigungsvorrichtung dar. Es wird so ein leicht bedienbares und reproduzierbare Ergebnisse lieferndes Kavitationsstärkenmessgerät erhalten.
• Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass die Beschichtung so wählbar ist, dass ihre Abtragcharakteristik einer Abtragcharakteristik von typischen Verschmutzungen entspricht. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Kavitationsstärkenmessgeräts können also Ultraschallreinigungsvorrichtungen anhand genau solcher Verschmutzungen quantitativ auf ihre Reinigungsleistung hin überprüft werden, wie sie an zu reinigenden Werkstücken auftreten.
• Vorteilhaft ist zudem der einfache Aufbau eines erfindungsgemäßen Kavitationsstärkenmessgeräts. So kann der elektrisch anregbare Oszillator beispielsweise in seinem Aufbau einer Quarzmikrowaage entsprechen, die in einem standardisierten Herstellungsverfahren einfach herstellbar ist.
• Es ist ein weiterer Vorteil, dass mit Hilfe des erfindungsgemäßen Kavitationsstärkenmessgeräts die Abtragsleistung der Ultraschallreinigungsvorrichtung kontinuierlich erfasst werden kann. So kann das Kavitationsstärkenmessgerät einfach in ein Reinigungsbad der Ultraschallreinigungsvorrichtung eingetaucht werden und ermittelt während der Reinigung, wie viel Beschichtung abgetragen worden ist. Vorteilhaft ist zudem, dass der elektrisch anregbare Oszillator mit einer hohen Güte ausgebildet werden kann, so dass bereits kleinste Veränderungen einer Masse der Beschichtung (Beschichtungsmasse) detektierbar sind.
• Es ist ein weiterer Vorteil, dass das erfindungsgemäße Kavitationsstärkenmessgerät einen quantitativen Wert für die Stärke des Kavitationsfeldes und damit für die Reinigungsleistung einer Ultraschallreinigungsvorrichtung liefert. Es ist dadurch ausreichend, das Kontaktmedium der Ultraschallreinigungsvorrichtung nur dann auszutauschen, wenn dies wirklich notwendig ist. Dazu wird die Ultraschalreinigungsvorrichtung zu vorgegebenen Zeitpunkten mit dem erfindungsgemäßen Kavitationsstärkenmessgerät vermessen und das Kontaktmedium dann, und nur dann, ausgetauscht, wenn eine vorgegebene Mindest-Reinigungsleistung unterschritten wird.
• Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter der Beschichtung insbesondere eine dünne, flächige Komponente des Oszillators verstanden, nicht jedoch eine Kontaktierung des Oszillators. Die Kontaktierung, die beispielsweise aus auf ein Schwingelement des Oszillators aufgedampftem Metall besteht, dient dem elektrischen Anschließen des Schwingelements des Oszillators an einen elektrischen Stromkreis und stellt keine Beschichtung im Sinne der Ansprüche dar.
• Die Beschichtung ist bevorzugt, nicht aber notwendigerweise ein Nichtleiter. Sie bedeckt einen möglichst großen Teil des Schwingelements des Oszillators, beispielsweise eines piezo-elektrischen Kristalls, wie einen Quarzkristall. Es ist möglich, nicht jedoch notwendig, dass die Beschichtung das Schwingelement vollständig bedeckt. Wenn es sich bei dem Schwingelement beispielsweise um einen Quarzkristall handelt, so kann die Beschichtung sich auch über eine elektrische Kontaktierung des Quarzkristalls erstrecken, muss es aber nicht notwendigerweise.
• Unter dem Merkmal, dass die Beschichtung durch Ultraschall ablösbar ausgebildet ist, ist insbesondere zu verstehen, dass die Beschichtung mit einer Standard-Ultraschallreinigungsvorrichtung in einer Zeit ablösbar ist, die einerseits hinreichend lang ist, um ausreichend viele Messpunkte aufzunehmen und andererseits kurz genug ist, um die für die Messung notwendige Messzeit im Rahmen zu halten. Beispielsweise ist die Beschichtung so ausgebildet, dass sie in einer Ultraschallreinigungsvorrichtung, die eine Frequenz von 20 kHz und einen Scheiteldruck von 250 kPa besitzt, innerhalb von 30 Minuten mehr als 50% der Beschichtung bezogen auf deren Masse ablösbar sind. Die aufgezählten Beispiele sind jedoch rein exemplarisch und nicht beschränkend zu verstehen.
• In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die Beschichtung eine Beschichtungsmasse und die Eigenfrequenz des Oszillators hängt von der Beschichtungsmasse ab. Beispielsweise ist die Beschichtung vorzugsweise an solchen Positionen an dem Schwingelement aufgebracht, die beim Betrieb des Oszillators eine besonders große Amplitude aufweisen. Beispielsweise ist die Beschichtung im Zentrum eines kreisscheibenförmigen Schwingelements aufgebracht. Es ist möglich, die Beschichtung auf dessen Kontaktierung aufzubringen, da so eine besonders hohe Empfindlichkeit erreicht wird. Insbesondere für Kavitationsstärkenmessgeräte, die ausgebildet sind, um die Kavitationsstärke in Ultraschallreinigungsvorrichtungen mit hoher Abtragsleistung zu ermitteln, kann es vorteilhaft sein, die Beschichtung auch oder überwiegend in einem Randbereich des Schwingelements, insbesondere jenseits der Kontaktierung aufzubringen.
• Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass die Beschichtung eine im Wesentlichen gleichförmige Dicke aufweist. Bei Kavitationsstärkenmessgeräte, die ausgebildet sind, um die Kavitationsstärke in Ultraschallreinigungsvorrichtungen mit hoher Abtragsleistung zu ermitteln, ist es vorteilhaft, die Beschichtung in dem Randbereich mit einer größeren Schichtdicke vorzusehen. Insbesondere kann die Beschichtung in dem Randbereich eine Dicke von mehr als 16 μm oder sogar von mehr als 20 μm besitzen.
• Ändert sich die Beschichtungsmasse, weil durch Kavitation Beschichtung abgetragen wird, so ändert sich die Eigenfrequenz, was messtechnisch erfassbar ist. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Kavitationsstärkenmessgerät eine elektrische Steuerung, die eingerichtet ist zum Erfassen der Eigenfrequenz des Oszillators. Dazu besitzt die Steuerung beispielsweise eine elektrische Rückkopplungsschaltung, die mit dem Schwingelement des Oszillators so gekoppelt ist, um einen schwingungsfähigen Oszillator zu erhalten, der beim Betrieb auf einer seiner Eigenfrequenzen schwingt. Gegebenenfalls ist die elektrische Steuerung so eingerichtet, dass sie den Oszillator auf eine von mehreren Eigenfrequenzen stabilisiert. Ein ähn licher Aufbau wird in Form einer Quarzmikrowaage insbesondere in der biochemischen Analytik eingesetzt.
• Bevorzugt umfasst das Kavitationsstärkenmessgerät einen piezoelektrischen Kristall, insbesondere einen Quarzoszillatorkristall, als Schwingelement. Derartige Quarzoszillatorkristalle sind kostengünstig herstellbar und weisen eine hohe Güte auf, so dass eine hohe Messgenauigkeit erreichbar ist.
• Es hat sich herausgestellt, dass es vorteilhaft ist, wenn der Oszillator eine Eigenfrequenz von mehr als 500 kHz besitzt. Es wird so ein besonders robuster und gegen Fehlbedienung geschützter Oszillator erhalten.
• Die Eigenfrequenzänderung hängt in umso stärkerem Maße von einer Änderung der Beschichtungsmasse ab, je höher die Eigenfrequenz ist. Um ein zuverlässig messendes Kavitationsstärkenmessgerät zu erhalten, wird bevorzugt ein Oszillator verwendet, der eine Eigenfrequenz von weniger als 10 MHz besitzt.
• Um eine typische Verschmutzung besonders realistisch modellieren zu können, umfasst die Beschichtung bevorzugt in einem Haftmittel gebundene Partikel. Auf diese Weise lässt sich die Reinigungswirkung einer Ultraschallreinigungsvorrichtung einfach beurteilen.
• Es ist günstig, wenn in diesem Fall 80% der Partikel einen Durchmesser von mindestens 1 μm haben. Der Durchmesser wird dazu beispielsweise durch Siebung ermittelt. Günstig ist zudem, wenn mehr als 80% der Partikel einen Durchmesser von unter 50 μm haben, um nicht durch die Ultraschallwirkung der Ultraschallreinigungsvorrichtung verursachten Abtrag der Beschichtung weitgehend vermeiden zu können. Als besonders geeignet haben sich Partikel herausgestellt, die zu mehr als 80% aus Ruß bestehen.
• Eine Beschichtung, die die Reinigungswirkung typischer Verschmutzungen besonders realistisch wiedergibt, besitzt ein Haftmittel, das eine mittlere Schichtdicke aufweist, die kleiner ist als ein Median der Durchmesser der Partikel. Das heißt, dass ungefähr die Hälfte aller Partikel über die Haftmittelschicht hinausragt und so der Kavitationswirkung der Ultraschallreinigungsvorrichtung besonders intensiv ausgesetzt sind.
• Besonders günstig ist es, wenn die Schichtdicke weniger als 8 μm, insbesondere weniger als 5 μm beträgt. Beispielsweise wird das Haftmittel durch Schleuderbeschichten (Spincoating) aufgebracht, wodurch sich eine besonders gleichmäßige und dünne Haftmittelschicht ergibt.
• Alternativ oder additiv kann das Kavitationsstärkenmessgerät eine Vorrichtung zum Erfassen einer Amplitude des Oszillators, insbesondere des Schwingungselements, besitzen. Beispielsweise ist eine elektrische Steuerung vorgesehen, um das Schwingungselement mit einer konstanten Frequenz anzuregen. Eine Veränderung der Beschichtungsmasse führt zu einer veränderten Eigenfrequenz des Schwingungselements und damit zu einer sich verändernden Differenz zu der Anregungsfrequenz. Je nach Differenz zwischen Anregungsfrequenz und Eigenfrequenz ändert sich die Amplitude, mit der das Schwingungselement schwingt, so dass die Amplitude des Schwingungselements ein Maß für die noch nicht abgetragene Beschichtung ist.
• Ein erfindungsgemäßes Verfahren wird bevorzugt dadurch durchgeführt, dass die Kavitationsstärke in einer Ultraschallreinigungsvorrichtung ermittelt wird und die Kavitationsstärke ein Maß für eine Reinigungseffektivität der Ultraschallreinigungsvorrichtung darstellt. Dazu wird beispielsweise ein erfindungsgemäßes Kavitationsstärkenmessgerät teilweise, nämlich mit seinem Schwingelement, in ein Reinigungsbad der Ultraschallreinigungsvorrichtung eingetaucht. Anschließend wird die Ultraschallreinigungsvorrichtung eingeschaltet. Das führt dazu, dass sich die Beschichtung nach und nach ablöst. Hierdurch ändert sich die Eigenfrequenz, mit der der Oszillator schwingt. Die Eigenfrequenz wird kontinuierlich über eine Frequenzermittlungsschaltung erfasst und daraus ein Reinigungsparameter ermittelt, der die Reinigungseffektivität der Ultraschallreinigungsvorrichtung charakterisiert. Um den Reinigungsparameter besonders genau berechnen zu können, wird bevorzugt eine Vielzahl an Oszillatorkennwerten, beispielsweise mehr als 100, aufgenommen.
• Um ein gleichzeitig effektives und wenig Messzeit in Anspruch nehmendes Verfahren zu erhalten, werden genau so lange in vorgegebenen Zeitabständen Oszillatorkennwerte aufgenommen, dass ein vorgegebener Oszillatorgrenzkennwert über- oder unterschritten ist.
• Alternativ oder additiv ist auch ein differentielles Verfahren möglich, bei dem jeweils Differenzen der Oszillatorkennwerte zu einem festen Oszillatorkennwert oder zu einem oder mehreren vorausgegangenen Oszillatorkennwerten betrachtet werden. So ist es möglich, das Verfahren abzubrechen, wenn sich der Oszillatorkennwert über einen vorgegebenen Zeitraum um weniger als einen vorgegebenen relativen Wert ändert.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, die ein erfindungsgemäßes Kavitationsstärkenmessgerät zeigt.
• 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Kavitationsstärkenmessgerät 10, das einen elektrisch anregbaren Oszillator umfasst, der seinerseits ein Schwingelement in Form eines Quarzkristalls 12 und eine mit dem Quarzkristall 12 verbundene Rückkoppelschaltung 14 besitzt. Der Quarzkristall 12 ist als Schwingquarz ausgebildet, der durch Anlegen einer Wechselspannung durch die Rückkoppelschaltung 14 zu einer resonanten Schwingung angeregt werden kann. Bei dem Quarzkristall 12 handelt es sich um einen AT-cut eines Quarzkristalls, d. h., dass eine Scheibe unter einem Winkel von 35,25° zur kristallographischen z-Achse aus einem stabförmigen Quarzkristall geschnitten wird. Derartige Quarzkristalle sind als Schwingquarze im Stand der Technik bekannt und umfangreich beschrieben. Der Quarzkristall 12 besitzt eine Dichte ρ, ein Schermodul μ und eine Quarzkristallmasse m_Q.
• Konzentrisch zum scheibenförmigen Quarzkristall 12 ist auf beiden Stirnflächen eine kreisscheibenförmige Elektrode 16 in Form einer dünnen Goldschicht aufgedampft, die eine Elektrodenfläche A besitzt. Die Elektrode 16 ist über ein elektrisches Kabel 18 mit der Rückkoppelschaltung 14 verbunden und verläuft durch einen Halter 20, an dem der Quarzkristall 12 befestigt ist.
• Auf einer Stirnseite oder beiden Stirnseiten des Quarzkristalls 12 ist durch Schleuderbeschichten eine Beschichtung 22 aufgebracht, die ein Haftmittel 24 in Form eines Lacks und Partikel 26.1, 26.2, ... umfasst. Im Folgenden bezeichnet ein Bezugszeichen ohne Zählsuffix das jeweilige Objekt als solches. Die Partikel 26 sind Rußpartikel und weisen Durchmesser zwischen 5 und 20 μm auf. Die Beschichtung 22 bedeckt eine Beschichtungsfläche A_B des Quarzkristalls 12, besitzt eine Beschichtungsmasse von m_B und hat im Mittel eine Dicke von 8 μm.
• Wenn die Rückkoppelschaltung 14 mit dem Quarzkristall 12 verbunden wird und diesen mit einer geeigneten Phasenverschiebung bestromt, entsteht ein Schwingungskreis und der Schwingquarz 12 schwingt mit einer Eigenfrequenz f₀ von 2 MHz in einem Schwingungsmodus, der als thickness-shear-mode (TSM) bezeichnet wird und sich als Lateralschwingung der Oberfläche beschreiben lässt.
• Zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Quarzkristall 12 in ein Reinigungsbad 28 einer Ultraschallreinigungsvorrichtung 30 getaucht, das ein Kontaktfluid 32, wie beispielsweise Wasser, enthält. Anschließend wird die Rückkoppelschaltung 14 von einer elektrischen Steuerung 34 eingeschaltet und bestromt den Quarzkristall, der daraufhin mit seiner anfänglichen Eigenfrequenz f₀ = f(t₀) schwingt. Die Eigenfrequenz f wird von elektrischer Steuerung 34 in regelmäßigen Zeitabständen durch eine Frequenzzählschaltung erfasst und in einem digitalen Speicher 36 abgelegt.
• Anschließend wird ein Ultraschallkopf 38 der Ultraschallreinigungsvorrichtung 30 aktiviert, der daraufhin Ultraschallwellen abstrahlt, die durch das Kontaktfluid 32 propagieren und die Beschichtung 22 langsam vom Quarzkristall 12 abtragen.
• Wenn der Quarzkristall 12 zu einem Startzeitpunkt t₀ mit seiner Eigenfrequenz f₀ schwingt, so führt ein teilweiser Abtrag der Beschichtung 22 dazu, dass sich die Beschichtungsmasse m_B (t₀) zum Zeitpunkt t₀ auf eine Beschichtungsmasse m_B (t₁) zu einem späteren Zeitpunkt t₁ ändert. Es ändert sich damit auch eine Schwingelementmasse m_S = m_Q + m_b. Daraus resultiert gemäß der Sauerbrey-Gleichung eine Eigenfrequenzänderung Δf der Schwingung des Quarzkristalls 12 um

  
• Die elektrische Steuerung 34 erfasst in periodischen Zeitabständen die Eigenfrequenz f, mit der der Quarzkristall 12 schwingt und legt diese zusammen mit dem Zeitpunkt t, zu dem die Messung erfolgt ist, im digitalen Speicher 36 ab. Durch den zunehmenden Abtrag der Beschichtung 22 verringert sich die Beschichtungsmasse m_B und damit die Schwingelementmasse m_S. Die Eigenfrequenz f hängt von dieser schwingenden Masse m_S ab, die gegen die Quarzkristallmasse m_Q konvergiert, so dass die Eigenfrequenz f ebenfalls gegen eine feste Frequenz konvergiert, nämlich die Eigenfrequenz des beschichtungslosen Quarzkristalls 12.
• Wenn die Frequenz f(t) sich in einem vorgegebenen Zeitintervall T, beispielsweise einer Minute, um weniger als einen vorgegebenen relativen Prozentsatz ändert, so ist dies ein Zeichen dafür, dass kaum noch Beschichtung 22 abgetragen wird. Das einerseits bedeuten, dass die Beschichtung 22 bereits weitgehend abgetragen ist. Das wird dadurch festgestellt, dass Eigenfrequenz sich der die Eigenfrequenz des beschichtungslosen Quarzkristalls 12 angenähert hat. In diesem Fall gibt die elektrische Steuerung 34 ein Signal aus, dass der Quarzkristall 12 zu wechseln ist. Dazu ist die elektrische Steuerung 34 mit einer „Quarzkristall wechseln"-Anzeigevorrichtung verbunden.
• Ändert sich die Eigenfrequenz in einem vorgegebenen Zeitintervall T, beispielsweise einer Minute, um weniger als einen vorgegebenen relativen Prozentsatz, ohne dass sie sich der Eigenfrequenz des beschichtungslosen Quarzkristalls 12 auf mehr als einen weiteren vorgegebenen relativen Prozentsatz angenähert hat, so ist das ein Zeichen für eine nicht mehr hinreichende Reinigungsleistung der Ultraschallreinigungsvorrichtung 30. In diesem Fall wird ein Signal ausgegeben, dass das Kontaktfluid 32 zu wechseln ist. Dazu ist die elektrische Steuerung 34 mit einer „Kontaktfluid wechseln"-Anzeigevorrichtung verbunden.
• Zur quantitativen Bewertung einer Reinigungseffektivität der Ultraschallreinigungsvorrichtung 30 werden standardisierte, d. h. stets gleiche Eigenschaften aufweisende beschichtete Quarzkristalle 12 verwendet. Es werden dazu stets gleiche Eigenschaften aufweisende Quarzkristalle 12 mit Beschichtungen versehen, die ebenfalls konstante Eigenschaften besitzen, insbesondere ähnliche Beschichtungsmassen m_B.
• Aus dem Verlauf der Eigenfrequenz f(t), mit der der Quarzkristall 12 in Abhängigkeit von der Zeit schwingt, kann dann ein Reinigungsparameter R abgeleitet werden, der die Reinigungskraft der Ultraschallreinigungsvorrichtung 30 beschreibt. Beispielsweise kann der Reinigungsparameter R eine Halbwertszeit T_½ sein, d. h. die Zeit, die die Ultraschallreinigungsvorrichtung 30 benötigt, um die Hälfte der Beschichtung 22 bezogen auf die Beschichtungsmasse m_B abzutragen. Überschreitet bzw. unterschreitet der Reinigungsparameter R einen voreingestellten Grenzwert, so wird die Meldung ausgegeben, dass die Reinigungsleistung der Ultraschallreinigungsvorrichtung 30 nicht hinreichend ist und die Messung wird beendet.
• Es ist zudem möglich, die Abhängigkeit der Eigenfrequenz f von der Zeit t durch eine Modellkurve anzupassen (curve fitting) und aus der Modellfunktion den Reinigungsparameter R abzuleiten. Alternativ oder additiv wird die Messung beendet, wenn eine in der elektrischen Steuerung gespeicherte Grenz-Eigenfrequenz f_grenz überschritten wird. Das ist ein Zeichen dafür, dass soviel Beschichtung abgetragen worden ist, dass der Quarzkristall 12 gewechselt werden muss und es wird eine entsprechende Meldung ausgegeben.
• Gemäß einer zweiten Ausführungsform ist es möglich, dass anstelle der Rückkoppelschaltung 14 eine elektrische Schaltung vorgesehen ist, die den Quarzkristall 12 mit einer stets gleich bleibenden Anregungsfrequenz anregt, die sich in der Nähe der Eigenfrequenz f des Quarzkristalls 12 befindet. Mit abnehmender Masse m_B der Beschichtung 22 schwingt der Quarzkristall 12 mit sich verändernder Amplitude, was von einer Amplitudenerfassungsvorrichtung erfasst und an die elektrische Steuerung 34 weitergeleitet wird. Aus den so aufgenommenen Messwerten wird wiederum der Reinigungsparameter R bestimmt.

10

Kavitationsstärkenmessgerät

12

Quarzkristall

14

Rückkoppelschaltung

16

Elektrode

18

Kabel

20

Halter

22

Beschichtung

24

Haftmittel

26.1, 26.2

Partikel

28

Reinigungsbad

30

Ultraschallreinigungsvorrichtung

32

Kontaktfluid

34

elektrische Steuerung

36

digitaler Speicher

38

Ultraschallkopf

ρ

Dichte

μ

Schermodul

A_E

Elektrodenfläche

A_B

Beschichtungsfläche

f

Eigenfrequenz; f₀ = f(t₀)

f_grenz

Grenz-Eigenfrequenz

m_Q

Quarzkristallmasse

m_B

Beschichtungsmasse

m_S

Schwingelementmasse

R

Reinigungsparameter

t

Zeit

Claims (23)

1. Kavitationsstärkenmessgerät (10), gekennzeichnet durch (a) einen elektrisch anregbaren Oszillator (12, 14, 18), (b) wobei der Oszillator eine Beschichtung (22) aufweist und (c) die Beschichtung (22) durch Ultraschall ablösbar ausgebildet ist.
2. Kavitationsstärkenmessgerät (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (22) eine Beschichtungsmasse (m_B) besitzt und eine Eigenfrequenz (f) des Oszillators (12, 14, 18) von der Beschichtungsmasse (m_B) abhängt.
3. Kavitationsstärkenmessgerät (10) nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine elektrische Steuerung (34), die eingerichtet ist zum Erfassen der Eigenfrequenz (f) des Oszillators.
4. Kavitationsstärkenmessgerät (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator einen piezoelektrischen Kristall, insbesondere einen Quarzkristall (12), umfasst.
5. Kavitationsstärkenmessgerät (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator durch einen elektrischen Schwingkreis (12, 14, 18) gebildet ist, der den piezoelektrischen Kristall (12) umfasst.
6. Kavitationsstärkenmessgerät (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator (12, 14, 18) eine Eigenfrequenz (f) von mehr als 0,5 MHz besitzt.
7. Kavitationsstärkenmessgerät (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator (12, 14, 18) eine Eigenfrequenz (f) von weniger als 10 MHz besitzt.
8. Kavitationsstärkenmessgerät (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (22) von einem Haftmittel (24) gebundene Partikel (26.1, 26.2, ..) umfasst.
9. Kavitationsstärkenmessgerät (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als 80% der Partikel (26.1, 26.2, ...) einen Durchmesser von mindestens 1 μm haben.
10. Kavitationsstärkenmessgerät (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als 80% der Partikel (26.1, 26.2, ...) einen Durchmesser von unter 50 μm haben.
11. Kavitationsstärkenmessgerät (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (26.1, 26.2, ...) zu mehr als 80% aus Ruß bestehen.
12. Kavitationsstärkenmessgerät (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Haftmittel (24) eine mittlere Schichtdicke besitzt, die kleiner ist als ein Median der Durchmesser der Partikel (26.1, 26.2, ...).
13. Kavitationsstärkenmessgerät (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke weniger als 8 μm, insbesondere weniger als 5 μm, beträgt.
14. Kavitationsstärkenmessgerät (10), dadurch gekennzeichnet, dass es als Abtragsleistungsmesser für eine Ultraschallreinigungsvorrichtung (30) ausgebildet ist.
15. Kavitationsstärkenmessgerät (10), dadurch gekennzeichnet, dass es eine Vorrichtung zum Erfassen einer Amplitude eines Schwingelements (12) des Oszillators besitzt.
16. Verfahren zum Ermitteln einer Kavitationsstärke in einem Kontaktmedium (32), mit den Schritten: (a) zumindest teilweises Anordnen eines Oszillators, der durch Ultraschall ablösbare Bestandteile, insbesondere eine durch Ultraschall ablösbare Beschichtung (22), umfasst, in dem Kontaktmedium (32), (b) Ermitteln mindestens eines von einer Schwingelementmasse (m_S) eines Schwingelements (12) des Oszillators abhängigen ersten Oszillatorkennwerts (f₀) zu einem ersten Zeitpunkt (t₀), Ermitteln mindestens eines von der Schwingelementmasse (m_S) abhängigen zweiten Oszillatorkennwerts (f₁) zu einem zweiten Zeitpunkt (t₁), und (c) aus den beiden Oszillatorkennwerten (f₀, f₁) Ermitteln eines Reinigungsparameters (Δm; R), der die Kavitationsstärke charakterisiert.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Oszillatorkennwerte Eigenfrequenzen (f) des Oszillators sind.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator einen piezoelektrischen Kristall (12) und das Ermitteln der Eigenfrequenz (f) ein rückgekoppeltes Verstärken einer mechanischen Schwingung eines piezo-elektrischen Kristalls (12) umfasst.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavitationsstärke in einer Ultraschallreinigungsvorrichtung (30) ermittelt wird und der Reinigungsparameter (R) ein Maß für eine Reinigungseffektivität der Ultraschallreinigungsvorrichtung (30) ist.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl an Oszillatorkennwerten (f) aufgenommen wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass so lange in vorgegebenen Zeitabständen Oszillatorkennwerte (f) aufgenommen werden, bis ein vorgegebener Oszillatorgrenzkennwert (f_grenz) über- oder unterschritten ist.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kavitationsstärkenmessgerät (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 eingesetzt wird.
23. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillatorkennwert eine Amplitude ist, wobei der Oszillator insbesondere mit einem elektrischen Strom betrieben wird, der eine konstante elektrische Anregungsfrequenz besitzt.