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Die Erfindung betrifft ein Wasserreinigungssystem zur Behandlung von Wasser sowie ein Verfahren zur Behandlung von Wasser, insbesondere zur Reinigung von Wasser.
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Es ist bekannt, Geräte zur Reinigung von Wasser beziehungsweise zur Behandlung von Wasser einzusetzen, welche auf der Abgabe von Ultraschall in das Wasser basieren. Beispielsweise werden solche Geräte zur Algenreduzierung in Garten- und Schwimmteichen, zur Verbesserung der Wasserqualität in Wasserreservoirs, Warmwasserbehältern und Kaltwasserbehältern, Wassertanks, Fischzuchtanlagen oder dergleichen eingesetzt.
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Bei Wasserbehältern mit fester Wandung reinigt beispielsweise der Ultraschall die Wandungen von einem so genannten Biofilm oder reduziert die Entstehung von Kalkablagerungen, welche als Brutstätte für schädliche Bakterien wie Legionellen oder Kolibakterien dienen können. Weiterhin ist es möglich, durch die Ultraschallwellen das Wachstum und/oder die Vermehrung von Algen und Pilzen zu verhindern, welche in übermäßiger, unkontrollierter Menge zu einer Schädigung des entsprechenden Gewässers führen kann. Bei herkömmlichen Geräten ist jedoch die Effizienz der Abgabe der Ultraschallwellen in das Wasser systematisch begrenzt.
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Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein verbessertes Konzept für die Reinigung beziehungsweise Behandlung von Wasser mittels Ultraschallwellen anzugeben, welches sich durch eine höhere Effizienz auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein Ultraschallwandler ist beispielsweise eingerichtet, elektrische Energie in mechanische Energie umzusetzen, wobei die Umsetzung beispielsweise auf dem Piezoeffekt beruht, bei dem ein Piezokristall mit einem Schwingkörper, beispielsweise einem metallischen Schwingkörper, verbunden ist. Ein solcher Schwingkörper weist eine Schwingfläche auf, über die die Ultraschallwellen abgegeben werden können. Ein solcher Ultraschallwandler weist beispielsweise eine oder zwei Hauptresonanzfrequenzen auf, bei denen die abgegebene Leistung bautechnisch mit höherer Effizienz abgegeben wird. Weiterhin ist es möglich, einen solchen Ultraschallwandler durch eine angepasste Masse zu dämpfen, um das energetisch wirksame abgegebene Frequenzspektrum zu erweitern.
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Die Idee des vorliegenden Konzepts beruht darauf, dass die effektive Leistungsübertragung von Ultraschallwellen von jeweiligen Schallgeschwindigkeiten der Medien abhängt, die von den Ultraschallwellen durchdrungen werden bzw. mit der Ultraschallfrequenz schwingen. Beispielsweise weisen verschiedene Metalle wie Aluminium eine Schallgeschwindigkeit von zirka 5100 bis 6000 m/sek auf, während Wasser eine Schallgeschwindigkeit von zirka 1300 m/sek hat. Dadurch kann es zu Reflexionen auf der Übergangsfläche zwischen dem Metall und dem Wasser kommen, welche sogar verstärkt auftreten, wenn der Ultraschallwandler beispielsweise aus Gründen einer Spannungsisolierung mit einer weichen Masse abgedeckt wird.
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In einer Ausführungsform weist der Ultraschallwandler eine metallische Schwingfläche und wenigstens eine Kunststoffschicht auf, die auf der metallischen Schwingfläche befestigt ist. Beispielsweise umfasst ein solcher Ultraschallwandler einen Aluminiumkopf, welcher die Schwingfläche bildet. Durch die Kunststoffschicht, die auf der Schwingfläche befestigt ist, kann ein Übergang der Schallwellen von dem Aluminiumkopf beziehungsweise der Schwingfläche in das Wasser verbessert werden. Die Kunststoffschicht ist vorzugsweise im Wesentlichen starr. Die Kunststoffschicht weist insbesondere eine Schallgeschwindigkeit auf, die zwischen der Schallgeschwindigkeit der metallischen Schwingfläche und der Schallgeschwindigkeit des Wassers liegt.
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Beispielsweise ist die Kunststoffschicht aus Acryl, aus Epoxid oder einem ähnlichen Material gebildet, welches eine passende Schallgeschwindigkeit aufweist. In weiteren Ausführungsformen können auch mehrere Schichten aus Kunststoff auf der Schwingfläche befestigt werden, wobei diese jeweils in ihren Schallgeschwindigkeiten in Richtung des Wassers hin abnehmen, um eine schrittweise Anpassung der Schallgeschwindigkeit zu erreichen. Dadurch werden der Übergang und die Energieübertragung ins Wasser weiter verbessert.
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Beispielsweise ist die Kunststoffschicht auf der metallischen Schwingfläche durch Verklebung und/oder Verschraubung befestigt. Das Verkleben kann beispielsweise mit einem Epoxidkleber oder dergleichen erfolgen. Alternativ ist es auch möglich, die Kunststoffschicht durch Aufgießen auf die metallische Schwingfläche zu befestigen beziehungsweise in befestigter Form herzustellen. Beispielsweise wird hierzu ein Epoxid oder ein Acrylat ohne ein zusätzliches Verkleben in flüssiger Form auf die metallische Schwingfläche aufgebracht und zur Kunststoffschicht ausgehärtet.
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Die Kunststoffschicht kann auf der abgebenden Seite eine plane Fläche aufweisen, so dass die Kunststoffschicht eine plane Linse bildet. In verschiedenen Ausführungsformen ist die Kunststoffschicht in Form einer Sammellinse oder einer Streulinse ausgebildet. Herkömmliche Ultraschallwandler weisen üblicherweise eine Richtcharakteristik von bis zu etwa 45° auf, wobei in diesem Bereich die Ultraschallwellen energetisch ausreichend ins Wasser abgegeben werden. In den übrigen Bereichen werden somit bei dem Einsatz eines herkömmlichen Ultraschallwandlers nicht die gewünschten Effekte erzielt beziehungsweise nicht in ausreichender Intensität.
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Durch die Ausbildung der Kunststoffschicht in Form einer konzentrierenden oder einer aufweitenden Linse kann daher der Abstrahlwinkel der Ultraschallwellen an die jeweils vorgesehene Anwendung angepasst werden. Wenn beispielsweise die Kunststoffschicht auf der dem Wasser zugewandten Seite im Wesentlichen konkav ausgebildet ist, werden die Ultraschallwellen in einem größeren Winkel ins Wasser abgegeben als bei einer planen Schicht. Andererseits werden bei einer konvexen Ausbildung der Kunststoffschicht die Ultraschallwellen gebündelt ins Wasser abgegeben.
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Die Linsenform weist nicht zwingend einen einheitlichen Krümmungsradius auf, sondern kann individuell angepasst sein. Beispielsweise können damit bauartbedingte Eigenschaften des Ultraschallwandlers berücksichtigt werden, welche aufgrund bestimmter Eigenschaften und Anordnung eines Piezoelements so genannte Hot Spots bilden, an denen eine verstärkte Ultraschallwellenabgabe erfolgt. Durch eine daran angepasste Linsenform kann eine energetisch gleichmäßigere Abstrahlung der Ultraschallwellen erfolgen. Eine jeweilige Linsenform kann beispielsweise auf der Basis von Simulationen, Messungen oder empirisch entwickelt werden.
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Durch die Ausbildung der Kunststoffschicht in Linsenform kann somit eine effektive Abstrahlung der Ultraschallwellen in einem Winkelbereich von im Wesentlichen 180° erfolgen.
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In einigen Anwendungsfällen kann es jedoch gewünscht sein, noch größere Abstrahlwinkel zu erreichen. Dementsprechend weist das Wasserreinigungssystem in einigen Ausführungsformen ferner einen akustischen Defraktor auf, der mit den Ultraschallwellen der Ultraschallwandler bestrahlt wird, um eine Reflexion beziehungsweise Beugung und/oder Brechung der Ultraschallwellen in die gewünschten Bereiche des Wassers zu ermöglichen. Vorzugsweise ist der Defraktor in einer Ausführungsform derart angeordnet, dass die Ultraschallwellen der Ultraschallwandler zumindest teilweise auf den Defraktor treffen, wobei der Defraktor zur Brechung und/oder Beugung der auf den Defraktor treffenden Ultraschallwellen eingerichtet ist. Vorzugsweise ist der Defraktor in der Nähe der Ultraschallwandler angeordnet, beispielsweise in einer Entfernung von 5 bis 50 cm.
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In einigen Ausführungsformen weist der Defraktor eine dreieckige Pyramidenform auf. Ebenso ist es möglich, dass in anderen Ausführungsformen der Defraktor eine paraboloide Form aufweist, die insbesondere rotationssymmetrisch ist. Weiterhin kann der Defraktor auch eine Glockenform, insbesondere eine Gauss-Glockenform, oder eine Kugelform oder Ballform aufweisen.
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Wenn beispielsweise die Ultraschallwellen in ein tonnenförmiges Gefäß von oben eingebracht werden, kann ein rotationssymmetrischer Defraktor mit einer paraboloiden Form geeignet sein. Die Ultraschallwellen werden somit an den Wänden des Defraktors in das Gefäß reflektiert. Zudem entstehen am Rand des Defraktors gleichzeitig Beugungseffekte, sodass auch der Bereich hinter dem Defraktor ausreichend mit Ultraschallwellen versorgt wird. Beispielsweise erfolgt eine Bündelung des Ultraschalls auf den Defraktor mit einer konvexen Sammellinse, wie für einige der oben angeführten Ausführungsbeispiele beschrieben.
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Wenn der Ultraschall horizontal in ein größeres Gewässer eingebracht wird, kann ein Defraktor mit einer entsprechenden dreieckigen Pyramidenform geeignet sein, sodass die Ultraschallwellen parallel zur Wasseroberfläche im Gewässer verteilt werden, und sich nicht an der Wasseroberfläche oder im Untergrund verlieren.
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Die Form der Defraktoren richtet sich insbesondere danach, welche Bereiche eines Wasserbehältnisses mit besonders viel Energie versorgt werden sollen. Handelt es sich z. B. um ein geschlossenes Wasserreservoir, bei dem die Wände biofilmfrei gehalten werden sollen, ist es günstig, die Form des Defraktors so zu wählen, dass eine Abstrahlung sowohl im oberen Bereich des Behältnisses hinter dem Ultraschallwandler, als auch parallel zum Ultraschallwandler und unterhalb des Ultraschallwandlers erfolgt. Der Boden benötigt vergleichsweise wenig Energie.
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Eine Besonderheit kann dadurch erzeugt werden, dass ein ballförmiger Defraktor durch die Anregung des Ultraschallwandlers selbst anfängt zu schwingen und somit eine insgesamt konzentrische gleichmäßige Energieverteilung im Wasserbehältnis erzeugt. Diese Einsatzmöglichkeit kann insbesondere bei kleineren Aquarien vorteilhaft sein.
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Eine weitere Idee des vorliegenden Konzepts beruht darauf, dass zur effektiven Behandlung von Wasser je nach Anwendungsgebiet verschiedene Frequenzspektren im Ultraschallbereich eingesetzt werden sollten. Bei herkömmlichen Ultraschallwandlern wird versucht, den gesamten notwendigen Frequenzbereich mit einem einzigen Ultraschallwandler abzudecken. Dementsprechend wird ferner vorgeschlagen, zwei oder mehr Ultraschallwandler parallel einzusetzen, welche jeweils für zumindest teilweise abweichende Frequenzbereiche ausgelegt sind. Dadurch kann jeder verwendete Ultraschallwandler in effektiver Weise Ultraschallwellen im jeweils für ihn passenden Ultraschallbereich in das Wasser abgeben. Dadurch wird der Wirkungsgrad zwischen eingesetzter Energie und abgegebener Ultraschallenergie im Gesamtsystem verbessert.
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Dementsprechend weist in einer weiteren Ausführungsform eines Wasserreinigungssystems zur Behandlung von Wasser dieses einen ersten Ultraschallwandler und wenigstens einen zweiten Ultraschallwandler auf, die jeweils zur Abgabe von Ultraschallwellen mit einem vorbestimmten Frequenzbereich in das Wasser eingerichtet sind. Dabei weicht ein erster Frequenzbereich des ersten Ultraschallwandlers zumindest teilweise von einem zweiten Frequenzbereich des zweiten Ultraschallwandlers ab.
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In verschiedenen Ausführungsformen weist das Wasserreinigungssystem auch einen dritten Ultraschallwandler auf, der zur Abgabe von Ultraschallwellen mit einem vorbestimmten dritten Frequenzbereich in das Wasser eingerichtet ist, wobei der dritte Frequenzbereich zumindest teilweise von dem ersten Frequenzbereich und dem zweiten Frequenzbereich abweicht. Beispielsweise ist es gewünscht, einen gesamten Ultraschall-Frequenzbereich von etwa 20 kHz bis etwa 50 kHz mit dem Wasserreinigungssystem abzudecken, wobei dieser gesamte Frequenzbereich vorzugsweise auf den ersten und zweiten Frequenzbereich beziehungsweise auf den ersten, den zweiten und den dritten Frequenzbereich aufgeteilt ist. Eine Überlappung der Frequenzbereiche ist möglich.
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Wie bereits oben erläutert kann jeder der Ultraschallwandler auf den ihm zugeordneten Frequenzbereich abgestimmt werden, beispielsweise durch mechanische Anpassung. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Ultraschallwandler, bei dem der gesamte Frequenzbereich abgedeckt werden sollte, können die in den obigen Ausführungsbeispielen verwendeten Ultraschallwandler für kleinere Frequenzbereiche abgestimmt werden, wodurch sich die Effektivität der einzelnen Ultraschallwandler im Vergleich zu einem herkömmlichen Ultraschallwandler verbessert.
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In verschiedenen Ausführungsformen weist das Wasserreinigungssystem ferner eine Steuerung auf, die eingerichtet ist, ein gemeinsames elektrisches Signal an die Ultraschallwandler zur Erzeugung der Ultraschallwellen mit den jeweils vorbestimmten Frequenzbereichen abzugeben. Bei einem Betrieb der Ultraschallwandler gibt somit jeder Ultraschallwandler jeweils nur die für ihn abgestimmten Frequenzen ins Wasser ab.
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In einer alternativen Ausführungsform weist das Wasserreinigungssystem eine Steuerung auf, die eingerichtet ist, ein erstes elektrisches Signal an den ersten Ultraschallwandler zur Erzeugung der Ultraschallwellen mit dem ersten Frequenzbereich und ein zweites elektrisches Signal an den zweiten Ultraschallwandler zur Erzeugung der Ultraschallwellen mit dem zweiten Frequenzbereich abzugeben. Wenn auch ein dritter Ultraschallwandler mit dem dritten Frequenzbereich vorgesehen ist, ist die Steuerung auch eingerichtet, ein entsprechendes drittes elektrisches Signal zur Erzeugung der Ultraschallwellen mit dem dritten Frequenzbereich abzugeben.
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Beispielsweise erhält somit jeder Ultraschallwandler ein eigenes elektrisches Signal mit einem bestimmten Frequenzspektrum, welches in die jeweiligen Ultraschallwellen umgesetzt wird. Zudem ist beispielsweise für jeden Ultraschallwandler ein eigener Verstärker vorgesehen, der über einen eigenen Übertrager jeweils an das entsprechende Piezoelement angeschlossen ist.
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Mit den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen ist es somit möglich, mehr Energie in Form von Ultraschallwellen in das Wasser abzugeben, als mit einem herkömmlichen Ultraschallwandler. Zudem werden die Frequenzbereiche, die für die gewünschten Effekte der Wasserreinigung notwendig sind, besser abgedeckt. Der Wirkungsgrad zwischen ins Wasser abgegebener Leistung in Bezug auf die von dem jeweiligen Ultraschallwandler erzeugte Leistung ist verbessert.
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Um die Effektivität des Wasserreinigungssystems weiter zu erhöhen, weist das Wasserreinigungssystem ferner eine Steuerung auf, die eingerichtet ist, mehrere auswählbare Frequenzprogramme zu speichern, welche jeweils unterschiedliche Frequenzspektren innerhalb vorbestimmter Frequenzbereiche bewirken.
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Beispielsweise ist es möglich, dass bei der Anwendung für eine Reduzierung von Algen eine bestimmte Algenart durch eine bestimmte Frequenz beziehungsweise ein bestimmtes Frequenzspektrum reduziert wird. Durch das Fehlen dieser Algenart kann es jedoch zum Nachwachsen einer anderen Algenart kommen, welche auf das zuvor verwendete Frequenzspektrum nicht reagiert. Dementsprechend sind die gespeicherten Frequenzprogramme vorzugsweise jeweils für unterschiedliche Anwendungsfälle spezifiziert, sodass durch kontinuierliche Auswahl jeweils anderer Frequenzprogramme eine effektive Reinigung für verschiedene Anwendungsfälle ermöglicht wird.
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Dazu sind beispielsweise in den verschiedenen Frequenzprogrammen zueinander verschobene Frequenzspektren vorgesehen, welche im Wesentlichen einem so genannten Wobbeln beziehungsweise Verschieben der Frequenzen entspricht. Dadurch werden auch Zwischenfrequenzen erfasst. Vorzugsweise erfolgt eine Veränderung der Frequenzprogramme so langsam, dass eine ausreichende Anzahl von Frequenzpaketen ähnlicher Frequenz mit einer ausreichenden Energiemenge auf das Wasser wirken kann. Somit kann eine kumulierte Energieabgabe über die Ultraschallwellen ans Wasser verbessert werden.
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Ein Frequenzprogramm ist beispielsweise auch dadurch definiert, dass das Frequenzspektrum auf der Basis eines Parameters oder eines Satzes von Parametern angepasst wird. Solche Parameter lassen sich etwa durch Messung ermitteln.
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In verschiedenen Ausführungsformen können auch mehrere Defraktoren oder auch komplizierter geformte Defraktoren in dem Wasserreinigungssystem eingesetzt werden, welche speziell die Formung des jeweils zu behandelnden Gewässers berücksichtigen. Beispielsweise können mehrere Ultraschallwandler ihre Energie aus unterschiedlichen Richtungen auf einen Defraktor lenken, um eine gleichmäßigere Energieverteilung im Gewässer zu erreichen. Durch den Einsatz von zwei oder mehr Ultraschallwandlern, welche jeweils Ultraschallwellen mit unterschiedlichen Frequenzbereichen an das Wasser abgeben, können auch Aufhebungseffekte des Ultraschalls innerhalb des Wassers vermieden werden.
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Ein jeweils passendes Frequenzspektrum entsprechend einem Frequenzprogramm kann von mehreren Faktoren abhängen, welche mit dem zu behandelnden Wasser und dessen Umgebung zusammenhängen. Beispielsweise seien hier die Temperatur des Wassers beziehungsweise der Umgebung, Tageszeiten beziehungsweise Nachtzeiten, Jahreszyklen, sich ändernde Wasserinhaltsstoffe, Veränderungen im biologischen Bereich, sowohl mikrobiologisch als auch bakteriologisch, fungologisch, Veränderungen im Florabereich beziehungsweise Faunabereich oder dergleichen genannt.
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Auch wenn der gewünschte Veränderungsprozess durch den Einsatz von Ultraschallwellen eintritt, zieht dies im Wesentlichen unmittelbar Veränderungen im vorher bestehenden Wasserund Ökogleichgewicht nach sich, was gegebenenfalls neue Störprozesse im Wasser zur Folge haben kann. Wenn beispielsweise bestimmte Schwebealgen im Wasser durch die Ultraschallwellen verringert werden, bildet sich eine ökologische Nische, welche von anderen Lebewesen oder Pflanzen, welche nicht auf diese Ultraschallfrequenzen ansprechen, besetzt wird. Ebenso ist es möglich, dass durch klarere beziehungsweise sauberere Wasserverhältnisse ein Wachstum von zum Beispiel Fadenalgen gefördert werden kann.
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Dementsprechend erfolgt eine Auswahl eines Frequenzprogramms aus den gespeicherten Frequenzprogrammen auf der Basis wenigstens eines der folgenden: Einer Zeitinformation, eines Messwert eines Parameters des Wassers, eines Messwerts eines Umweltparameters in der Umgebung des Wassers. Somit können beispielsweise Programmveränderungen im Tagesverlauf durch Abhängigkeit von der jeweiligen Tageszeit erfolgen. Ebenso ist es möglich, grundsätzliche Programmveränderungen im Jahresverlauf, beispielsweise in Abhängigkeit des Datums, vorzunehmen.
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Weiterhin ist es möglich, Messwerte von Wasserparametern wie beispielsweise Wassertemperatur, einen pH-Wert, einen Sauerstoffgehalt, einen Redox-Wert, Nitratwerte, Schadstoffinhalte oder dergleichen aufzunehmen, um auf Basis eines oder mehrerer solcher Messwerte ein geeignetes Frequenzprogramm auszuwählen. Zusätzlich oder alternativ können auch Umweltparameter gemessen werden, wie beispielsweise eine Sonnenintensität, eine Lufttemperatur oder dergleichen.
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In verschiedenen Ausführungsformen kann die Erfassung der Messwerte und deren Auswertung beziehungsweise deren Nutzung zu einem Programmwechsel im Wesentlichen zeitgleich erfolgen. Es ist aber auch möglich, dass die Messwerte getrennt und lediglich in periodischen Abständen erfasst werden, um diese dann in das Wasserreinigungssystem beziehungsweise die Steuerung einzugeben, um eine Programmauswahl zu ermöglichen. Die getrennte Messwerterfassung ist deswegen möglich, da Wassersysteme in der Regel relativ träge sind und somit eine zeitkritische Verarbeitung der Messwerte üblicherweise nicht notwendig ist.
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Im Folgenden sollen einige Beispiele zur Anwendung eines Wasserreinigungssystems gemäß einem der zuvor genannten Ausführungsbeispiele beschrieben werden. Beispielsweise kann in einer Anwendung als Aufgabe die Wasserreinhaltung in einem abgeschlossenen Warmwasser- oder Kaltwassertank vorgegeben werden. Mögliche zu erreichende Effekte sind hier beispielsweise die Entkalkung, die Verhinderung eines Biofilms, die Reduktion von schädlichen Bakterien wie Kolibakterien oder Legionellenbakterien oder dergleichen. Eine Auswahl der Frequenzprogramme erfolgt beispielsweise auf Basis der Wassertemperatur, einer gemessenen Anzahl von Schädlingen beziehungsweise einer Kalkhärte des Wassers.
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In einer anderen Aufgabe kann durch das Wasserreinigungssystem eine Wasserreinhaltung in einem offenen Ökosystem wie zum Beispiel einem Teich oder einem Trinkwasser- und Nutzwasserrückhaltebecken zu gartenbaulichen oder landwirtschaftlichen Bewässerungen und Trinkwasserherstellung vorgegeben sein. Eine Auswahl der Frequenzprogramme kann beispielsweise auf Basis von Messwerten von Wasserparametern wie dem pH-Wert, einer Wassertransparenz oder einem Blaualgennachweis erfolgen. Zudem können auch Messwerte zu Umweltparametern verwendet werden, wie zum Beispiel eine Sonnenintensität, eine Lufttemperatur, eine Zuflussmenge von Regenwasser oder dergleichen.
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Eine weitere mögliche Aufgabe für die Anwendung eines Wasserreinigungssystems besteht in der Süßwasser-Fischzucht. Hierbei kann es ein Ziel sein, eine intensive Haltung von Fischen auf engem Raum bei minimiertem Einsatz von Medikamenten, eine Minimierung von Pilzen und/oder anderen wachstumshemmenden Algen zu erreichen. Die Auswahl der Frequenzprogramme kann unter anderem auf Basis von Messwerten bezüglich Sauerstoffgehalt und Nitratgehalt des Wassers erfolgen.
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In einer beispielhaften Ausführungsform eines Verfahrens zur Behandlung von Wasser, insbesondere zur Reinigung von Wasser, werden Ultraschallwellen mit einem Ultraschallwandler erzeugt. Mittels wenigstens einer Kunststoffschicht, die auf einer metallischen Schwingfläche des Ultraschallwandlers befestigt ist, wird eine Schallgeschwindigkeit der Ultraschallwellen angepasst. Dabei liegt eine Schallgeschwindigkeit der wenigstens einen Kunststoffschicht zwischen einer Schallgeschwindigkeit der metallischen Schwingfläche und der Schallgeschwindigkeit des Wassers. Die Ultraschallwellen werden mit der angepassten Schallgeschwindigkeit in das Wasser abgegeben.
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Weitere Ausführungsformen des Verfahrens ergeben sich unmittelbar aus den zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Wasserreinigungssystems.
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Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen hierbei Elemente oder Bauteile gleicher Funktion. Soweit sich Elemente oder Bauteile in ihrer Funktion entsprechen, wird deren Beschreibung nicht in jeder der folgenden Figuren wiederholt.
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Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlers für ein Wasserreinigungssystem,
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2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlers für ein Wasserreinigungssystem,
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlers für ein Wasserreinigungssystem,
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4 ein Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlers mit einem Defraktor,
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5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlers mit einem Defraktor,
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6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlers mit einem Defraktor,
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7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlers mit einem Defraktor,
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8 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlers mit einem Defraktor,
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9 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlers mit einem Defraktor,
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10 ein Ausführungsbeispiel eines Defraktors,
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11 ein Ausführungsbeispiel eines Wasserreinigungssystems, und
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12 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Wasserreinigungssystems.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlers USW1, der zur Abgabe von Ultraschallwellen in Wasser AQ eingerichtet ist. Der Ultraschallwandler USW1 umfasst einen metallischen Schwingkörper, welcher eine Schwingfläche AK bildet. Zwischen dem Schwingkörper und einer Endmasse GM ist ein Piezoelement PZ angeordnet, welches über ein elektrisches Signal ES angesteuert werden kann. Der Schwingkörper ist vorzugsweise aus einem Leichtmetall wie Aluminium hergestellt. Die Endmasse GM dient beispielsweise zur Anpassung der Hauptresonanzfrequenz des Ultraschallwandlers USW1.
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Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Ultraschallwandler ist auf der Schwingfläche AK eine Kunststoffschicht KL befestigt. Die Kunststoffschicht ist in diesem Ausführungsbeispiel über einen Kunststoffklebstoff GL, beispielsweise Epoxid, mit der Schwingfläche AK verklebt. Zusätzlich ist bei der dargestellten Ausführungsform eine Kunststoffschraube KSS vorgesehen, welche die Kunststoffschicht mit der Schwingungsfläche AK verbindet. Die Schwingungsfläche AK und die damit verbundenen Elemente sind wasserdicht in ein Gehäuse HS eingebaut.
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Vorzugsweise weist die Kunststoffschicht eine Schallgeschwindigkeit auf, die zwischen einer Schallgeschwindigkeit der Schwingungsfläche AK und einer Schallgeschwindigkeit des Wassers AQ liegt. Beispielsweise weist Aluminium eine Schallgeschwindigkeit von zirka 5100 bis 6000 m/sek auf, während Wasser eine Schallgeschwindigkeit von zirka 1300 m/sek hat. In verschiedenen Ausführungsformen können auch mehrere Kunststoffschichten übereinander auf die Schwingungsfläche AK aufgebracht werden, welche in ihrer Schallgeschwindigkeit in Richtung des Wassers hin abnehmen.
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Durch die Kunststoffschicht KL erfolgt eine Anpassung der Schallgeschwindigkeit von der Schwingungsfläche AK auf das Wasser AQ, wodurch es zu einer Verringerung von Reflexionen auf der Übergangsfläche kommt. Dadurch wird die Effizienz und der Wirkungsgrad des beschriebenen Ultraschallwandlers weiter erhöht. Die Verbindung kann jedoch auch nur durch Verklebung oder Verschraubung erfolgen.
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Der Klebstoff GL und die Verbindung zwischen der Kunststoffschicht GL und dem Schwingungskörper AK ist vorzugsweise derart realisiert, dass die Verbindung durch die Ultraschallschwingung nicht mittelfristig zerstört oder beschädigt wird.
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Zudem kann durch den Klebstoff eine Reflexion an der Klebestelle bei der Energieübertragung weiter verringert werden.
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Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform ist die Oberfläche der Kunststofflinse, die zum Wasser hin gewandt ist, plan. 2 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Kunststoffschicht KL in Form einer konkaven Streulinse ausgeführt ist. Ähnlich wie bei optischen Systemen kann durch eine solche Streulinse eine Verteilung der Ultraschallwellen ins Wasser mit einer Auffächerung erfolgen, sodass der effektive Abstrahlwinkel der Ultraschallwellen im Vergleich zu einem planen Ultraschallwandler vergrößert ist. Die Abstrahlung der Ultraschallwellen ist in 2 mit den von der Kunststofflinse KL abgehenden Pfeilen gekennzeichnet.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Ultraschallwandlers, bei dem die Kunststoffschicht KL eine konvexe Sammellinse bildet. Ähnlich wie bei der in 2 beschriebenen Ausführungsform werden somit die Ultraschallwellen in ihrer Abstrahlrichtung geformt, wobei bei der in 3 dargestellten Ausführungsform eine Konzentration der Ultraschallwellen erfolgt.
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Eine genaue Formung der Kunststoffschichten beziehungsweise der Linsenform der Kunststoffschichten KL kann auch durch Simulation oder Messung oder empirisch auf die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Schwingungsfläche AK beziehungsweise des Piezoelements PZ angepasst werden. Dementsprechend können auch Linsenformen mit einem nichtkonstanten Krümmungsradius gebildet werden.
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Auch bei einer Auffächerung der Ultraschallwellen gemäß der in 2 dargestellten Ausführungsform des Ultraschallwandlers lässt sich lediglich ein Abstrahlwinkel erreichen, der im Wesentlichen bei etwa 180° liegt. 4 zeigt eine Ausführungsform eines Ultraschallwandlers mit einem akustischen Defraktor DF, der in der Abstrahlrichtung des Ultraschallwandlers USW1 angeordnet ist. Beispielsweise weist bei der dargestellten Ausführungsform der Ultraschallwandler USW1 eine konvexe Kunststoffschicht KL auf, welche eine Bündelung der Ultraschallwellen auf den akustischen Defraktor DF bewirkt.
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Der Defraktor DF weist eine dreieckige Pyramidenform auf, welche bei den auftreffenden Ultraschallwellen sowohl zu Brechungs- als auch zu Beugungseffekten führt. Insbesondere werden auf den Flächen des Defraktors DF die Ultraschallwellen gebrochen und dadurch reflektiert, während an den Ecken des Defraktors DF die Ultraschallwellen gebeugt und somit wiederum in Bereiche hinter dem Defraktor abgelenkt werden. Somit kann der Wirkungsbereich der Ultraschallwellen effektiv vergrößert werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann beim Einsatz mehrerer Ultraschallwandler für jeden Ultraschallwandler ein eigener Defraktor vorgesehen werden, oder die Ultraschallwandler und der Defraktor sind so zueinander ausgerichtet, dass die Ultraschallwellen der einzelnen Ultraschallwandler jeweils auf den gleichen Defraktor treffen.
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In 5 ist eine Ausführungsform eines Ultraschallwandlers USW1 mit einem Defraktor DF dargestellt, bei dem über den Ultraschallwandler USW1 im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Wassers AQ Ultraschallwellen in einen Wassertank abgegeben werden. Der Defraktor DF ist dabei so angeordnet, dass durch die Brechungs- und Streuungseffekte die Ultraschallwellen im Wesentlichen gleichmäßig im Wassertank WT verteilt werden. Der Ultraschallwandler USW1 ist dazu in einem Schwimmer SC gelagert. Beispielsweise ist der Defraktor DF ebenfalls mit dem Schwimmer SC verbunden, um ein gewünschtes Auftreffen der Ultraschallwellen auf den Defraktor von dem Ultraschallwandler USW1 zu gewährleisten.
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6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlers USW1 mit einem Defraktor DF, wobei sich lediglich die Form des Defraktors DF von der in 5 dargestellten Ausführungsform unterscheidet. Hierbei weist der Defraktor eine Gauss-Glockenförmige Form auf, durch die Ultraschallwellen vorzugsweise an die Wände des Wassertank WT gestrahlt bzw. reflektiert werden. Beispielsweise handelt es sich bei dem Wassertank WT um ein geschlossenes Wasserreservoir, bei dem die Wände biofilmfrei gehalten werden sollen. Dementsprechend ist es günstig, die Form des Defraktors DF so zu wählen, dass eine Abstrahlung sowohl im oberen Bereich des Behältnisses WT hinter dem Ultraschallwandler USW1, als auch parallel zum Ultraschallwandler USW1 und unterhalb des Ultraschallwandlers USW1 erfolgt. Der Boden benötigt vergleichsweise wenig Energie.
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7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlers USW1 mit einem Defraktor DF, wobei sich wiederum lediglich die Form des Defraktors DF von der in 5 dargestellten Ausführungsform unterscheidet. Hierbei weist der Defraktor DF eine Kugelform bzw. Ballform auf. Durch die Bestrahlung mit den Ultraschallwellen wird der kugelförmige Defraktor DF selbst zur Schwingung angeregt und gibt diese durch eine Kombination aus Reflexion und Eigenschwingung in alle Richtungen ab. Der Defraktor DF wirkt dementsprechend wie ein Punktstrahler. Anders ausgedrückt wird somit eine insgesamt konzentrische gleichmäßige Energieverteilung im Wassertank WT erzeugt. Diese Einsatzmöglichkeit kann insbesondere bei kleineren Aquarien vorteilhaft sein.
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8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlers USW1 mit einem Defraktor DF. Bei dieser Ausführungsform ist die Schwingfläche des Ultraschallwandlers USW1 plan beziehungsweise der Ultraschallwandler USW1 umfasst eine plane Kunststoffschicht. Der Defraktor DF weist eine paraboloide Form auf, sodass die vom Ultraschallwandler USW1 abgegebenen Ultraschallwellen im Wesentlichen durch Brechungseffekte vom Defraktor DF abgestrahlt werden. Der Defraktor DF ist derart dimensioniert, dass auch Anteile der Ultraschallwellen am Defraktor DF vorbeistrahlen und somit auch ein Bereich hinter dem Defraktor DF abgedeckt ist.
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In 9 ist eine darauf basierende Ausführungsform dargestellt, bei der der Ultraschallwandler USW1 zusammen mit dem Defraktor DF in ein Gewässer eingebracht ist. Hierbei ist der Ultraschallwandler USW1 über einen Schwimmer SC gelagert und derart angeordnet, dass eine primäre Abstrahlrichtung im Wesentlichen parallel zur Wasseroberfläche erfolgt. Ferner ist an dem Schwimmer SC der Defraktor DF befestigt, um einen definierten Abstand beziehungsweise eine definierte Anordnung zum Ultraschallwandler USW1 zu gewährleisten. Der Defraktor DF weist vorzugsweise eine paraboloide Form auf, die beispielsweise in 10 in exemplarischer Weise als räumliche Ansicht dargestellt ist.
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Durch die in 9 dargestellte Anordnung wird erreicht, dass eine Verteilung der Ultraschallwellen in dem ungleichmäßig geformten Gewässer erreicht wird. In weiteren, nicht dargestellten Ausführungsformen können mehrere Ultraschallwandler derart angeordnet werden, dass diese auf einen einzigen Defraktor strahlen. Weiterhin ist es möglich, auch mehrere Defraktoren einzusetzen, welche von jeweils unterschiedlichen Ultraschallwandlern bestrahlt werden, um eine effiziente Verteilung der Schallwellen im Gewässer zu erreichen. Insbesondere ist es möglich, dass ein Defraktor von mehreren Seiten beziehungsweise aus mehreren Richtungen bestrahlt wird, um die größere räumliche Abdeckung zu erreichen.
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11 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Wasserreinigungssystems mit einer Steuerung CTL, welche eine Signalerzeugungseinheit SE umfasst. Die Signalerzeugungseinheit SE ist über eine elektrische Leitung EL an einen ersten Ultraschallwandler USW1, einen zweiten Ultraschallwandler USW2 und einen Ultraschallwandler USW3 angeschlossen, welche im Wasser AQ angeordnet sind. Die Ultraschallwandler USW1, USW2, USW3 sind jeweils zur Abgabe von Ultraschallwellen mit einem vorbestimmten Frequenzbereich in das Wasser AQ eingerichtet, wobei sich die Frequenzbereiche untereinander unterscheiden. Insbesondere sind die Ultraschallwandler USW1, USW2, USW3 jeweils nach einer in 1, 2 oder 3 beschriebenen Ausführungsformen ausgeführt. Der erste Ultraschallwandler USW1 weist einen ersten Frequenzbereich FB1 auf, der zweite Ultraschallwandler USW2 einen zweiten Frequenzbereich FB2 und der dritte Ultraschallwandler USW3 einen dritten Frequenzbereich FB3. Beispielsweise führt eine Überlagerung der Frequenzbereiche FB1, FB2, FB3 zu einem gesamten Ultraschallfrequenzbereich von etwa 20 kHz bis 50 kHz.
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Der erste Frequenzbereich FB1 deckt einen unteren Bereich des genannten Ultraschallbereichs ab, der zweite Frequenzbereich FB2 einen mittleren Bereich und der dritte Frequenzbereich FB3 einen oberen Frequenzbereich. Dadurch kann jeder Ultraschallwandler für einen kleineren Frequenzbereich als ein herkömmlicher Ultraschallwandler ausgelegt werden, sodass eine Abgabe von Ultraschallwellen ins Wasser AQ mit höherer Effizienz erfolgen kann. Dies ist unter anderem darin begründet, dass bei einem Ultraschallwandler eine Abstimmung der abgebbaren Frequenzen durch Anpassung von Hauptresonanzfrequenzen mittels Schwingungsmassen erfolgt, sodass ein höherer Wirkungsgrad für die Übertragung der Ultraschallwellen erreicht werden kann. Vorzugsweise erfolgt die Anpassung der Hauptresonanzfrequenzen wiederum durch Aufteilung des Ultraschallfrequenzbereichs.
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Bei der in 11 dargestellten Ausführungsform wird von der Signalerzeugungseinheit SE ein gemeinsames elektrisches Signal an die drei Ultraschallwandler USW1, USW2, USW3 abgegeben, wobei aufgrund der mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Ultraschallwandler USW1 nur Ultraschallwellen entsprechend dem vorbestimmten Frequenzbereich abgegeben werden.
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12 zeigt eine alternative Ausführungsform des Wasserreinigungssystems, bei dem die Signalerzeugungseinrichtung SE drei getrennte elektrische Signale über separate elektrische Leitungen EL1, EL2, EL3 an die Ultraschallwandler USW1, USW2, USW3 abgibt, die jeweils auf den vorbestimmten Frequenzbereich FB1, FB2, FB3 abgestimmt sind. Beispielsweise sind somit für jeden Ultraschallwandler eine eigene Frequenzerzeugung und ein eigener Verstärker vorgesehen, der über einen eigenen Übertrager jeweils an ein entsprechendes Piezoelement des Ultraschallwandlers angeschlossen ist.
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Bei den zuvor dargestellten Ausführungsbeispielen kann die Steuerung CTL die Ultraschallwandler mit verschiedenen Frequenzprogrammen ansteuern, sodass zu unterschiedlichen Zeiten jeweils andere Frequenzspektren im Ultraschallbereich ins Wasser abgegeben werden. Dementsprechend kann das jeweils verwendete Frequenzspektrum an unterschiedliche Reinigungsaufgaben angepasst werden beziehungsweise auf unterschiedliche Algen, Bakterien oder dergleichen, welche auf jeweils bestimmte Ultraschallfrequenzen ansprechen. Eine Auswahl der gespeicherten Frequenzprogramme kann sowohl in Abhängigkeit einer Zeitinformation als auch in Abhängigkeit von Messwerten von Wasserparametern und/oder Umweltparametern erfolgen. Beispielsweise können Programmveränderungen im Tagesverlauf und/oder im Jahresverlauf erfolgen. Zudem ist es möglich, dass Programmveränderungen aufgrund von Messwerten erfolgen, mit denen beispielsweise eine Wassertemperatur, ein pH-Wert des Wassers, ein Sauerstoffgehalt des Wassers, ein Redox-Wert des Wassers, eine Anzahl von Schädlingen beziehungsweise Bakterien im Wasser, eine Kalkhärte oder ähnliches ausgewertet wird. Weiterhin können Programmveränderungen auch auf der Basis von Umweltparametern vorgenommen werden, wie zum Beispiel einer Sonnenintensität, einer Außentemperatur, einer Zuflussmenge von Regenwasser oder dergleichen.
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Die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele lassen sich beliebig miteinander kombinieren. Zudem ist es möglich, einen einzeln betriebenen Ultraschallwandler mit einer Kunststoffschicht gemäß einer der beschriebenen Ausführungsformen zu versehen, wobei sowohl plane Kunststoffschichten als auch linsenförmige Kunststoffschichten eingesetzt werden können. Auch der Einsatz eines Defraktors ist sowohl mit einem als auch mit mehreren Ultraschallwandlern möglich.
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Bezugszeichenliste
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- USW1, USW2, USW3
- Ultraschallwandler
- FB1, FB2, FB3
- Frequenzbereich
- CTL
- Steuerung
- SE
- Signalerzeugung
- AQ
- Wasser
- EL, EL1, EL2, EL3
- elektrische Leitung
- HS
- Gehäuse
- GL
- Klebstoff
- KS
- Kunststoffschraube
- KL
- Kunststoffschicht
- AK
- Schwingfläche
- GM
- Endmasse
- ES
- elektrisches Signal
- PZ
- Piezoelement
- DF
- Defraktor
- SC
- Schwimmer
- WT
- Wassertank
