DE102010043316A1

DE102010043316A1 - Einrichtung und Verfahren zur Erkennung und Quantifizierung von Kavitationsereignissen in Leistungsultraschall-Prozessanwendungen

Info

Publication number: DE102010043316A1
Application number: DE102010043316A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Gai Stefan; Dr. rer. nat. Bauerschäfer Ulf; Dr. Ledig Lars
Original assignee: FOERDERUNG VON MEDIZIN BIO und UMWELTTECHNOLOGIEN E V GES; Gesellschaft zur Foerderung von Medizin Bio und Umwelttechnologien eV
Current assignee: FOERDERUNG VON MEDIZIN BIO und UMWELTTECHNOLOGIEN E V GES; Gesellschaft zur Foerderung von Medizin Bio und Umwelttechnologien eV
Priority date: 2010-11-03
Filing date: 2010-11-03
Publication date: 2012-05-03
Anticipated expiration: 2030-11-04
Also published as: DE102010043316B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Erkennung und Quantifizierung von Kavitationsereignissen in Leistungsultraschall-Prozessanwendungen. Die Erfindung ist dadurch charakterisiert, dass die Sonotrode (1) Wellenleiter für sich überlagernde nieder- und hochfrequente Moden ist und an der Sonotrode (1), außerhalb des Prozessfluids (5), Piezo-Wandler (7 bzw. 8) angebracht sind, wobei die Piezo-Wandler (7 bzw. 8) nachfolgend mit elektrischen Bausteinen zur Verstärkung, Filterung und Auswertung in Wirkverbindung stehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Erkennung und Quantifizierung von Kavitationsereignissen in Leistungsultraschall-Prozessanwendungen.
Leistungsultraschall im Frequenzband 16 KHz–100 KHz wird zur Intensivierung von Misch-, Dispergier-, Zerkleinerungs- und Reinigungsprozessen in vielen Bereichen der Industrieproduktion eingesetzt.
Anwendungsbeispiele finden sich in der chemischen Industrie, der Pharmaindustrie, der Lebensmitteltechnik sowie in Bio-, Medizin und Umwelttechnologien. Daneben finden zunehmend sonochemische bzw. sonolytische Prozesse industrielles Interesse.
Als zentraler Wirkeffekt wird dabei die akustisch induzierte oder sonoinduzierte Kavitation genutzt. Durch Eintrag von Schallenergie über einen Wellenleiter in ein Fluid entstehen bei Unterschreiten eines bestimmten Druckpegels (Kavitationsschwelle) Blasen. Diese können implosionsartig kollabieren. Dabei entstehen Schockwellen und unter bestimmten Bedingungen kommt es zur Aussendung von Licht (Sonolumineszenz). Der extrem schnelle Blasenkollaps erzeugt im Innern der Blase die Kompression des Dampfes/Gases auf Drücke von mehreren hundert Bar und Temperaturen von mehreren tausend Kelvin. Dies führt nachfolgend zur Ionisation von Gasen und der Bildung von Radikalen. Dieser radikalische Effekt kann zur Initiierung chemischer Reaktionen genutzt werden. Erfolgt der Kollaps nicht frei im Flüssigkeitsvolumen sondern in der Nähe einer Grenzfläche, so erfolgt der Kollaps nicht symmetrisch. In Folge dieser asymmetrischen Randbedingungen wird die Blase deformiert und es kann zur Ausbildung eines Flüssigkeitsjets kommen, der bei Aufprall auf der festen Oberfläche zur Erosion führt. Daneben entsteht aus dem Kollaps ein verstärktes Mikrostreaming in der Flüssigkeit. Die Intensität der Kavitation ist u. a. durch die Zahl der pro Zeit und Volumen kollabierenden Bläschen und deren Blasenradius bestimmt.
Zur zielgerichteten Generierung der Kavitationsblasen wurden Ultraschallsysteme für das Labor und den technischen Einsatz entwickelt. Herzstück dieser Apparate sind meist piezoelektrische Wandler, die entweder an der Außenseite eines Reaktors/Behälters montiert werden oder an einen Resonator (Sonotrode) gekoppelt sind. Taucht man diese Sonotroden in ein fluides Medium, führt dies zu einer Erhöhung der abgestrahlten Schallamplitude und damit zur Erhöhung der flächenspezifischen Energiedichte im Medium. Sonotroden, die direkt in das zu beschallende Medium eingetaucht werden, sind deshalb im besonderen durch Erosion infolge der akustisch induzierten Kavitation (Sonokavitation) betroffen. Für die Behandlung großer Fluidvolumina im quasi-kontinuierlichen Betrieb werden vorzugsweise Durchflusszellen (Sonoreaktoren) eingesetzt.
Eine Vermeidung starker Sonotrodenerosion in Verbindung mit einer zeitlich und räumlich konstanten Energiedichteverteilung im beschallten Reaktionsvolumen sind für einen breiteren Einsatz der sonoinduzierten Kavitation in der Industrie notwendig.
Es hat nicht an Versuchen gefehlt, die Kavitation in Sonoreaktoren mit Hilfe von chemischen, mechanischen und optischen Sonden nachzuweisen.
Der Effekt einer Ultraschallbehandlung kann lediglich indirekt an den erreichten Ausbeuten bzw. Produktqualitäten festgemacht werden. Dies wird häufig unter nicht optimalem bzw. überproportionalem Energieaufwand erreicht, der gleichzeitig mit einem vorzeitigen Verschleiß der Apparatur verbunden ist. Darüber hinaus führt die Abrasion der Sonotrodenoberflächen zur Verunreinigung der Produkte. Letzteres führt insbesondere im Bereich der Lebensmittel- und Pharmaproduktion zur eingeschränkten Anwendbarkeit des Verfahrens. Es fehlt ein sicheres, praxistaugliches Nachweisverfahren für die Stärke der Kavitation, die direkt in Bezug zu den verfahrenstechnischen Prozessparametern gesetzt werden kann.
Gemäß bekanntem Stand der Technik soll nachfolgend auf einige Beispiele des Nachweises von Kavitation in Fluiden eingegangen werden.
DE 100 45 874 B4 offenbart einen Kavitationssensor für Ultraschallbäder bestehend aus einem zylinderförmigen, wasserbefüllbaren Hohlkörper mit einer piezoelektrischen Folie und Ultraschallabsorbern im Außenbereich. Die Auslegung der absorbierenden und transmittierenden Frequenzbereiche des Absorbers und der piezoelektrischen Folie führt zu besonders geeigneten Sensoren. Der Sensor muss in das Ultraschallbad eingetaucht werden, was zu mechanischer Beschädigung führt.
Nach US 2009/0049908 A1 wird ein Kavitationssensor vorgestellt, der in einem festen Volumen durch eine schalltransparente Membran die Volumenausdehnung durch die Blasen der kavitierenden Flüssigkeit misst. Die Volumenausdehnung wird als Maß für die Kavitationsstärke genutzt. Die schalltransparente Membran muss in Kontakt mit der kavitierenden Flüssigkeit gebracht werden, was nachteilig ist.
In WO 2009/016355 A2 wird ein Kavitationsdetektor für hydraulische Maschinen beschrieben. Der Detektor erfasst das unerwünschte Einsetzen der Kavitation durch einen Piezosensor.
In US 2004/0117132 wird eine Methode für die Berechnung des Einsatzes der Kavitation in Pumpen durch Wavelt-Transformationen des Zeitsignals eines Druck-Sensor beschrieben.
In US 2005/0188751 A1 wird neben dem Design und der Elektronik von Ultraschallwannen ein real-time-Verfahren zur Kontrolle der Kavitationsgüte im Reinigungsbad der Wannen beschrieben. Diese Kontrolle wird durch einen Photosensor zur Messung der Chemolumineszenz als Maß der Kavitation erreicht. Die Bestimmung der Chemolumineszenz erfordert einen Kontakt mit dem kavitierenden Fluid.
In JP 2004 26 4163 wird eine Sonde zur Messung des Schalldruckes beschrieben. Durch ein Glas- oder Metallkörper an einem Metallarm wird der Schall aus der kavitierenden Flüssigkeit eines Ultraschallbades auf einen Piezosensor übertragen.
In JP 2009 210 440 wird ein spezielles Hydrophon für kavitierende Flüssigkeiten beschrieben, das einen schichtförmigen Aufbau zum Schutz des Sensormaterials besitzt.
In EP 07 423 72 B1 wird ein Verfahren zur Messung von Kavitationssignalen an hydraulischen Strömungsmaschinen offenbart, welches das Übertragungsverhalten von Strömungsmaschinen durch ein Referenzsignal permanent bestimmt und damit eine Korrektur der Kavitationssignale vorgenommen werden kann.
Ein gravierender Nachteil der vorgenannten Lösungen ist, dass die Sensoren direkten Kontakt mit dem kavitierenden Fluid haben müssen. Starke Kavitationsfelder zerstören jedoch auch hochfeste Titanstähle je nach Prozessbedingungen in kurzer Zeit (Tage, Wochen) – folglich wird ein Sensor in diesem Feld nur eine sehr kurze Lebensdauer besitzen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Lösung für den Aufbau einer Kavitation detektierenden Einrichtung vorzuschlagen, die mit einem Sensor ausgestattet ist, der sich dabei außerhalb der in ein kavitierendes Fluid eintauchenden Sonotrode befindet und Verfahrensschritte anzugeben, nach denen kontinuierlich in real-time der Nachweis von Kavitation und die Bestimmung der Stärke von kavitierenden Fluiden vorgenommen wird und die Fluide vorzugsweise als optisch nicht transparente Medien vorliegen und/oder sich in Prozesszellen oder Bohrlöchern befinden. Insbesondere bei Leistungsultraschallanwendungen sollen dabei Rückschlüsse auf den Zustand der mit dem Prozessfluid in Kontakt stehenden Sonotrodenoberfläche möglich sein, was dazu führt, dass entweder bei sich veränderter Kavitation auf die Anpassung der Kavitation an ein Referenzsignal reagiert wird bzw. zu einem definierten Zeitpunkt ein Austausch der Sonotrode angezeigt werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe wie folgt gelöst, wobei hinsichtlich der grundlegenden erfinderischen Gedanken auf die Merkmale der Patentansprüche 1 und 3 verwiesen wird. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung wird in den Patentansprüchen 2 und 4 dargelegt.
Zur erfinderischen Lösung sind weitere ergänzende Hinweise erforderlich.
Grundsätzlich stützt sich der Aufbau einer neuartigen und erfindungsgemäßen Einrichtung zur Erkennung und Quantifizierung von Kavitationsereignissen darauf, dass Leistungsultraschallsonotroden als Wellenleiter für die durch die kavitierenden Blasen erzeugten hochfrequenten Moden an der Sonotrodengrundfläche einsetzbar sind und diese Moden durch einen Sensor detektierbar sind, wobei ein Einbringen des Sensors in das kavitierende Fluid nicht mehr notwendig ist. Neben der Erfassung der Kavitationsstärke über den Sensor an der Sonotrode, kann auch der aktuelle Zustand der Sonotrode zusätzlich überwacht werden.
Das mit der Einrichtung realisierbare Verfahren zur in real-time möglichen Detektierung von in einem Prozessfluid durch Ultraschalleinkopplung vorliegenden Kavitation lässt sich wie folgt darstellen:
Die implodierenden Kavitationsblasen bilden Schockwellen, welche eine Sonotrode zu hochfrequenten Schwingungen zwischen ca. 1 MHz bis 4 MHz, vorzugsweise im Bereich von 1.2 MHz bis 1.4 MHz anregen. Diese hochfrequenten Schwingungen überlagern sich mit der niederfrequenten Anregung der Sonotrode (z. B. 24 KHz) und werden durch die Sonotrode als Wellenleiter aus dem Prozessfluidvolumen transportiert. Das akustische Signal wird außerhalb des Prozessvolumens als zeitabhängiges Messsignal mit Hilfe eines Sensors (z. B. eines Piezosensors) detektiert und in ein elektrisches Signal gewandelt. Spezielle Signalprozess-Stufen (z. B. Frequenz- und Phasen-Filterstufen) zeigen nach der Auswertung die Stärke der Kavitation an, wobei in der Hauptsache ein Spektrumanalysator zu nennen ist.
Die Erfindung soll nunmehr anhand zweckmäßiger Ausführungen näher erläutert werden:
Dabei wird zur Beschreibung einer denkbaren Einrichtung und eines mit der Einrichtung realisierbaren Verfahrens zur Detektion und Auswertung von Kavitationsereignissen auf die 1 verwiesen.
Die 2 und 3 verweisen auf unterschiedliche Anordnungen der Sensoren 7 und 8.
4 zeigt beispielhaft ein auszuwertendes Frequenzband mit der niederfrequenten Anregung einer Sonotrode 1 (Grundmode einschließlich höherer harmonischer) und der hochfrequenten Moden, induziert durch die Kavitation.
Nach 1 wird das zu detektierenden hochfrequente akustische Signal über einen Wellenleiter, die Sonotrode 1, in real-time aus dem Prozessvolumen transportiert und über einen Piezo-Wandler 7 erfasst und einem Verstärker 10 zugeführt der mit einem nachfolgenden Filterset 11 in Verbindung steht.
2 zeigt schematisch am Beispiel einer Prozesszelle 4 mit Prozessfluid 5, niederfrequent angeregter Sonotrode 1 und Piezo-Elementen 2 mit Backing 3 die Positionierung eines Piezo-Wandlers 7 zur Erfassung der hochfrequenten Moden der als Wellenleiter genutzten Sonotrode 1 aus dem kavitierenden Prozessfluid 5.
3 zeigt eine weitere Variante der Anordnung des Piezo-Wandlers 8 am Backing 3.
Mit 4 werden Kavitationssignale unterschiedlicher Flüssigkeiten und das Grundrauschen eines detektierenden Sensors 7 bzw. 8 dargestellt.
Mit der Darstellung des Blockbildes nach 1, in welchem insbesondere eine Durchflusszelle 9 mittels eines Piezo-Wandlers 7 detektiert wird befindet sich außerhalb der Durchflusszelle 9 an der Sonotrode 1 der Piezo-Wandler 7, der die akustischen Signale in elektrische wandelt und nachfolgenden elektronischen Bausteinen zur Verstärkung, Filterung und Auswertung zuführt. Die Stärke der Kavitation kann sodann in real-time am PC 13 dargestellt und mit einem Referenzwert verglichen werden, sodass anhand von Abweichungen vom Referenzwert auf zu hohe, zu niedrige Kavitation im Prozessfluid 5 und/oder auf eine mehr oder minder erodierte Sonotrode 1 geschlossen werden kann, was letztlich in einer nicht mehr hinnehmbaren Qualität des durch Kavitation behandelten Prozessfluids 5 sichtbar wird. Mit 1 wird somit nicht nur der prinzipiell denkbare Aufbau einer erfindungsgemäßen Einrichtung, sondern gleichzeitig der Ablauf des die Kavitation in einer Durchflusszelle 9 detektierenden Verfahrens gezeigt.
Die physikalischen Zusammenhänge zur Erkennung, Weiterleitung und Auswertung von Kavitation wurden bereits an anderer Stelle erläutert.
Die Vorteile der Erfindung werden zusammenfassend hauptsächlich darin gesehen:

– Sensoren müssen nicht mit einem Prozessfluid in Kontakt gebracht werden,
– Möglichkeit der Einflussnahme auf das Ergebnis stattfindender Kavitation in real-time während eines kontinuierlichen Behandlungsprozesses,
– ein rechtzeitiger Austausch verschlissener Sonotroden ist frühzeitig erkennbar und damit die Einhaltung von geforderten Qualitätskriterien behandelten Prozessfluids gegeben.

Bezugszeichenliste

1: Sonotrode
2: Piezo-Elemente
3: Backing
4: Prozesszelle
5: Prozessfluid
6: Kavitationsfeld
7: Piezo-Wandler
8: Piezo-Wandler
9: Durchflusszelle
10: Verstärker
11: Filterset
12: Signalauswertung
13: PC

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 10045874 B4 [0010]
US 2009/0049908 A1 [0011]
WO 2009/016355 A2 [0012]
US 2004/0117132 [0013]
US 2005/0188751 A1 [0014]
JP 2004264163 [0015]
JP 2009210440 [0016]
EP 0742372 B1 [0017]

Claims

Einrichtung zur Erkennung und Quantifizierung von Kavitationsereignissen in Leistungsultraschall-Prozessanwendungen innerhalb einer Prozess- bzw. Durchflusszelle (4, 9), wobei sich in letzteren ein zu behandelndes Prozessfluid (5) befindet, in welches eine Sonotrode (1) eingetaucht ist, gekennzeichnet dadurch, dass die Sonotrode (1) Wellenleiter für sich überlagernde nieder- und hochfrequente Moden ist und an der Sonotrode (1), außerhalb des Prozessfluids (5), Piezo-Wandler (7 bzw. 8) angebracht sind, wobei die Piezo-Wandler (7 bzw. 8) nachfolgend mit elektrischen Bausteinen zur Verstärkung (10), Filterung (11) und Signalauswertung (12) in Wirkverbindung stehen.
Einrichtung zur Erkennung und Quantifizierung von Kavitationsereignissen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass zur Auswertung der Stärke der Kavitation, insbesondere ein Spektrumanalysator eingesetzt ist.
Verfahren zur Erkennung und Quantifizierung von Kavitationsereignissen in Leistungsultraschall-Prozessanwendungen, wobei eine Sonotrode (1), die mit einem Prozessfluid (5) in Wirkverbindung steht, sich überlagernde Moden nieder- und hochfrequenten Ultraschalls aufnimmt und als Wellenleiter fungierend, einem mit ihr verbundenen Piezo-Wandler (7 bzw. 8) zuführt, der Piezo-Wandler (7 bzw. 8) die akustischen in elektrische Signale wandelt und einer nachfolgenden Kombination elektronischer Bausteine mit dem Ziel übergibt, dass während der Auswertung von in real-time stattfindender Kavitationsereignisse im Prozessfluid (5) ein Vergleich mit einem Referenzwert für die optimale Kavitation eines in bestimmter Zusammensetzung vorliegenden und zu behandelnden Prozessfluids (5) durchgeführt wird und damit auf die Stärke einer gegenwärtig ausreichenden oder nicht ausreichenden Kavitation und/oder auf den Zustand der Oberfläche der Sonotrode (1) geschlossen wird.
Verfahren zur Erkennung und Quantifizierung von Kavitationsereignissen nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, dass die über die Sonotrode (1) empfangenen akustischen Signale, die über einen Piezo-Wandler (7 bzw. 8) in elektrische gewandelt worden, im Frequenzbereich von 1 MHz bis 4 MHz, bevorzugt in einem Bereich von 1,2 MHz bis 1,4 MHz vorliegen.