DE102010028285A1

DE102010028285A1 - Konfiguration eines schallaufnehmenden Sensors zum Kavitationsnachweis bei hohen Ultraschallanregungsfrequenzen

Info

Publication number: DE102010028285A1
Application number: DE201010028285
Authority: DE
Inventors: Dr. zur Horst-Meyer Santer; Dipl.-Phys. Münch Hans-Joachim; Dipl.-Phys. Krause Werner; Dr. Frische Tobias; Gunter Weißenborn
Original assignee: SONOTEC DR ZUR HORST MEYER und MUENCH oHG; Sonotec Dr Zur Horst-Meyer und Muench oHG
Current assignee: SONOTEC DR ZUR HORST MEYER und MUENCH oHG; Sonotec Dr Zur Horst-Meyer und Muench oHG
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2010-04-28
Publication date: 2011-11-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine neuartige Konfiguration eines schallaufnehmenden Sensors zum Kavitationsnachweis in einer Flüssigkeit bei hohen Ultraschallanregungsfrequenzen, an welchem an einer seiner Stirnseiten ein Piezoelement unlösbar fixiert ist. Seine Anwendung bezieht sich z. B. auf die Überwachung eines in eine Flüssigkeit eingebrachten Pegels eines Ultraschalls mit der charakteristischen Form von Amplitudenwerten seiner eingekoppelten Frequenz. Der Sensor taucht dabei nicht unmittelbar in die mit Ultraschall beaufschlagte Flüssigkeit ein, sondern er wird von einer mit Kavitation beaufschlagten Flüssigkeit außerhalb eines diese Flüssigkeit enthaltenden Gefäßes durch einen Flüssigkeitsstrahl benetzt. Der Schallaufnehmer (1) weist eine im wesentlichen zylindrische, kompakte Gestalt auf und ist im Bereich seiner Mantelfläche, die einer Ultraschalleinkopplung (7) mittels eines kavitationsbehafteten Flüssigkeitsstrahls entgegengerichtet ist, mit einer Kontaktfläche (8) vom freien Ende des Schallaufnehmers (1) bis etwa zur Hälfte seiner Länge versehen, wobei das Ende des Schallaufnehmers (1), welches seinen Sitz im Inneren eines Sensorgehäuses (3) hat, einen zylindrischen Bund (6) besitzt, auf dessen Abschlussfläche ein Piezoelement (2) in kreisrunder und planer Form stoffschlüssig fest angebracht ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine neuartige Konfiguration eines schallaufnehmenden Sensors zum Kavitationsnachweis in einer Flüssigkeit bei hohen Ultraschallanregungsfrequenzen, an welchem an einer seiner Stirnseiten ein Piezoelement unlösbar fixiert ist.
Seine Anwendung bezieht sich z. B. auf die Überwachung eines ultraschallbeaufschlagten Flüssigkeitsstrahls, der beispielsweise zur Reinigung von in der Halbleitertechnik verwendeten Materialien eingesetzt wird.
Dem Stand der Technik entsprechend sind allgemein Lösungen bekannt, bei denen in die Messeinrichtung durch Schallenergieabsorption ein zu großer Wärmeenergieeintrag stattfindet, wodurch Klebeverbindungen am Sensorelement ungewollt gelöst werden können. Außerdem besteht der Nachteil derartiger Lösungen insbesondere darin, dass die Schallaufnehmer in ein Flüssigkeitsbad eingetaucht werden müssen. Daraus ergibt sich die Tatsache, dass sie nicht für Spülsysteme Verwendung finden können. Die Anregung von ultraschallinduzierter Kavitation ist gemäß bekanntem Stand der Technik bisher nur für niedrige Frequenzen < 500 kHz üblich.
Nachfolgend soll auf einige Beispiele des konkreten Standes der Technik zum Kavitationsnachweis mittels eines als Sensor ausgebildeten Schallaufnehmers näher eingegangen werden.
Nach DE 198 41 946 A1 ist ein Verfahren zur Kavitationsdetektion bekannt. Es werden hierdurch die Amplitudenverhältnisse höherer Bewegungsmodi eines schwingungsfähigen Feder-Masse-Dämpfungssystems ausgewertet, wobei die Signalamplituden der Bewegungsmodi durch elektrische Filterschaltungen separiert und ihre Dauer gemessen und gespeichert werden. Der Sensorkopf, in dem sich das schwingungsfähige Feder-Masse-Dämpfungssystem befindet, ist starr mit dem überwachten hydraulischen Gerät verbunden.
In DE 102 01 662 C1 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kavitationsdetektion vorgestellt. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens enthält eine Sensor- und eine Auswerteeinrichtung, wobei die Sensoreinrichtung mindestens einen Sensor zur richtungsselektiven Schwingungsmessung an einem Bauteil einer strömungstechnischen Vorrichtung aufweist. Es müssen hier mindestens 2 Sensoren eingesetzt werden, die keine besondere konstruktive Ausgestaltung aufweisen und dadurch auch nicht im Messbereich höherfrequent eingekoppelten Ultraschalls eingesetzt werden können.
Gemäß DE 10 2006 026 525 A1 ist ein Verfahren zur Messung des Kavitationsrauschens genannt. Es misst das Rauschen von ultraschallinduzierter Kavitation, wobei das Signal im Frequenzbereich zwischen den spektralen Komponenten des Ultraschallsignals als zeitlicher Maximalwert und Effektivwert ermittelt wird.
Aus dem wie vorstehend genannten Stand der Technik ist erkennbar, dass nach einer Lösung gesucht werden sollte, welche die nachteiligen mechanischen und thermischen Wirkungen hoher Ultraschallanregungsfrequenzen, insbesondere im Bereich von 0,5 bis 5 MHz, auf einen Schallaufnehmer beseitigen.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung einen Schallaufnehmer (Sensor) für den Kavitationsnachweis in Flüssigkeiten bei Einkopplung einer hohen Ultraschallfrequenz, in einem zu detektierenden Messbereich zwischen 0,5 bis 5 MHz, vorzuschlagen. Der Schallaufnehmer – aus natürlichen, mineralischen Werkstoffen bestehend – soll eine zur Detektion eines auf ihn gerichteten kavitationsbeinhaltenden Flüssigkeitsstrahls angeformte Kontaktfläche besitzen und soll somit Kavitation in einer Flüssigkeit außerhalb eines mit ihr gefüllten Gefäßes erfassen. Dabei darf die in ihn eingekoppelte Ultraschallenergie nicht thermisch und/oder mechanisch zerstörend auf ihn einwirken.
Die Aufgabe der Erfindung wird wie folgt gelöst, wobei hinsichtlich der grundlegenden erfinderischen Gedanken auf den Patentanspruch 1 verwiesen wird. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus den Patentansprüchen 2 bis 5.
Folgende ergänzende Hinweise der erfinderischen Lehre sind erforderlich.
Der im Wesentlichen zylindrisch ausgebildete und in kompakter Form vorliegende Schallaufnehmer (Sensor) besteht aus einem homogenen künstlichen oder natürlichen Material, bevorzugt aus einem silikatischen Material. Er hat plane Abschlussflächen jeweils an seinen Enden auf, wobei das Ende, welches im Gehäuse des Sensors untergebracht ist, einen zum übrigen Durchmesser des Sensors vergrößerten zylindrischen Bund aufweist. Die kreisrunde Fläche, die sich auf der dem Gehäuse dadurch zugewandten Seite des Sensors ergibt, bildet dabei die Ansatzfläche für ein Piezoelement, welches die aufgenommenen Schwingungsimpulse in elektrische Signale wandelt, die in einer ihm nachgeordneten Sensorelektronik verarbeitbar sind. In bekannter Weise werden letztere computertechnisch dargestellt und es können Abweichungen von einem Grenzwert gewünschter Kavitation sofort erkannt und korrigiert werden. Eine nach außen weisende und eine dem mit Kavitation beaufschlagten Flüssigkeitsstrahl – diesem im Winkel von etwa 90° – entgegengerichtete Seite des Sensors, besitzt eine im zylindrischen Mantel des Sensors eingebrachte Abflachung, die sich von dem nach außen weisenden Ende des Sensors etwa bis zu dessen Mitte erstreckt. Die Abflachung weist dabei eine Steigung von außen nach innen gegenüber der Symmetrieachse im Winkel von etwa 10° auf. Die als Kontaktfläche für den kavitationsbehafteten Flüssigkeitsstrahl eingebrachte Abflachung kann in ihrer Dimension und Anordnung einen wie vor benannten hochenergetisch mit Kavitationsstoßwellen beladenen Flüssigkeitsstrahl bzgl. seiner Energie abschwächen und grob die Richtung der sich diffus im Sensor ausbreitenden Ultraschallwellen zum Piezoelement vorgeben. Durch diese überraschend gefundene konstruktive Maßnahme gelangt entscheidend weniger zerstörerische und wärmeerzeugende mechanische Energie in die Verbindungsstelle zwischen Sensor und Piezoelement, sodass deren Funktion erhalten bleibt.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dazu wird auf 1 verwiesen.
1 zeigt: Schematische Darstellung des Kavitation aufnehmenden Sensors in einer Messanordnung
Die Bedeutung der gemäß 1 angegebenen Bezugszeichen ergibt sich aus einer separaten Bezugszeichenliste.
Ein Schallaufnehmer 1 besitzt im wesentlichen eine zylindrische Gestalt mit planen ihn an beiden Enden abschließenden Flächen, wobei seine in Richtung eines Kavitation beaufschlagten Flüssigkeitsstroms 7 weisende Mantelfläche eine schräg von dem freien Ende des Schallaufnehmers 1 nach innen leicht ansteigende, ebene Kontaktfläche 8 aufweist. Auf diese Kontaktfläche 8, die etwa eine Neigung gegenüber der Symmetrieachse von 10° hat, trifft ein auszuwertender Flüssigkeitsstrahl auf, d. h. es findet hier die Ultraschalleinkopplung 7 außerhalb eines Bades statt. Der Verlauf des aufgenommenen. Ultraschalls nimmt innerhalb des Schallaufnehmers 1 durch seine spezielle Geometrie eine grob vororientierte Richtung zum Ende des dort mit einem zylindrischen Bund 6 versehenen kompakten Körpers des Schallaufnehmers 1 ein, sodass aufgrund einer diffusen Streuung des Ultraschalls innerhalb des Schallaufnehmers 1 eine relativ geringe Wärmeentwicklung an der planen, äußeren Fläche des Bundes 6 wirksam wird. Dadurch gelingt es, dem Problem einer sich sonst lösenden Klebeverbindung zwischen der genannten planen Fläche und dem daran befestigten Piezoelement 2 sowie der thermischen Zerstörung des Schallaufnehmers 1 und/oder des Piezoelementes 2 entgegen zu treten.
Der Schallaufnehmer 1 und das mit ihm in fester Wirkverbindung stehende Piezoelement 2 sind, bis auf die Kontaktfläche 8 in einem Sensorgehäuse 3 untergebracht, wobei sich darin ebenso eine Sensorelektronik 5 befindet. – In üblicher Form übermittelt der letztgenannte Elektronikbaustein die gewandelten akustischen Signale an eine nachgeordnete Einheit Computerhardware 4. Die Kontaktfläche 8 kann etwa bis zur Hälfte der gesamtem Länge des Schallaufnehmers 1 reichen oder etwa bis zur Hälfte seiner Länge vor dem Bund 6.
Folgende Vorteile können durch die Erfindung realisiert werden:

– Schallaufnehmer und Piezoelement, sowie die Klebestellen zwischen beiden werden durch die hochenergetischen Kavitationsstoßwellen nicht zerstört;
– die auftreffenden Stoßwellen werden, grob vororientiert, in Richtung des Piezoelementes umgelenkt;
– es liegt eine große Kontaktfläche zur Schallaufnahme vor;
– es ergeben sich nur geringe Wechselwirkungen zwischen Schallaufnehmer und mit einem Schallerzeugungselement durch Stehwellen,
– es ist möglich, eine zeitliche Mittelwertbildung der Amplitudenmessung in dem Frequenzbereich 0,5 bis 5 MHz vorzunehmen;
– es ist ein reproduzierbarer Vergleichswert zwischen erwartbaren und abweichenden Amplitudenwerden im oben genannten Frequenzbereich bestimmbar, wodurch Kavitationsereignisse quantifiziert werden können.

Bezugszeichenliste

1: Schallaufnehmer (Sensor)
2: Piezoelement
3: Sensorgehäuse
4: Computerhardware
5: Sensorelektronik
6: Bund, zylindrisch
7: Ultraschalleinkopplung
8: Kontaktfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19841946 A1 [0005]
DE 10201662 C1 [0006]
DE 102006026525 A1 [0007]

Claims

Konfiguration eines schallaufnehmenden Sensors zum Kavitationsnachweis bei hohen Ultraschallanregungsfrequenzen, wobei der schallaufnehmende Sensor als Schallaufnehmer (1) eine im wesentlichen zylindrische, kompakte Gestalt aufweist und im Bereich seiner Mantelfläche, die einer Ultraschalleinkopplung (7) mittels eines kavitationsbehafteten Flüssigkeitsstrahls entgegengerichtet ist, eine Kontaktfläche (8) vom freien Ende des Schallaufnehmers (1) bis etwa zur Hälfte seiner Länge besitzt und das Ende des Schallaufnehmers (1), welches seinen Sitz im Inneren eines Sensorgehäuses (3) hat, einen zylindrischen Bund (6) aufweist, wobei auf die kreisrunde und plane Abschlussfläche des Bundes (6) stoffschlüssig ein Piezoelement (2) fest angebracht ist.
Konfiguration eines schallaufnehmenden Sensors nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Kontaktfläche (8), vom feien Ende des Schallaufnehmers (1) ausgehend, etwa bis zur Mitte vor dem Bund (6) seines zylindrischen Körpers ausgedehnt ist.
Konfiguration eines schallaufnehmenden Sensors nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Kontaktfläche (8), vom freien Ende des Schallaufnehmers (1) ausgehend, in Relation zu dessen Symmetrieachse, eine Steigung von bis zu 10° besitzt.
Konfiguration eines schallaufnehmenden Sensors nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das Piezoelement (2) an dem mit zylindrischem Bund (6) versehenen Ende des Schallaufnehmers (1) mittels einer Verklebung fixiert ist.
Konfiguration eines schallaufnehmenden Sensors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass der Schallaufnehmer (1) bevorzugt aus einem homogenen, silikatischen Material besteht.