DE102016109520A1

DE102016109520A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung einer Kenngröße für die Auswirkung von Kavitationen

Info

Publication number: DE102016109520A1
Application number: DE102016109520.6A
Authority: DE
Inventors: Martin Dimitrov
Original assignee: Pd2m GmbH
Current assignee: Pd2m GmbH
Priority date: 2016-05-24
Filing date: 2016-05-24
Publication date: 2017-11-30

Abstract

Bei einem Verfahren zur Ermittlung einer Kenngröße für die Auswirkung von Kavitationen auf eine Oberfläche (2) einer fluiddurchströmten fluidtechnischen Vorrichtung wird mit einem piezoelektrischen Foliensensor, dessen drucksensitive Piezofolie (1) auf der Oberfläche (2) angeordnet ist, ein von einer Krafteinwirkung von Kavitationen auf die Piezofolie (1) verursachtes Messsignal erzeugt, und ausgehend von dem Messsignal in einem Umwandlungsschritt mit Hilfe einer vorgegebenen Umrechnungsfunktion die gesuchte Kenngröße ermittelt. In dem Umwandlungsschritt wird das Messsignal in ein zur effektiven Leistung proportionales Effektivsignal mit einer geringeren Frequenz als das Messsignal umgewandelt, welches zur Ermittlung der Kenngröße verwendet wird. Ausgehend von dem Messsignal wird eine Eigenfrequenz eines Kavitationsereignisses ermittelt und von der ermittelten Eigenfrequenz des Kavitationsereignisses aus ein auf einen Wirkungsbereich der Oberfläche (2) erzeugter Kavitationsdruck ermittelt. Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist einen piezoelektrischen Foliensensor mit einer drucksensitiven Piezofolie (1) und mit einer Signalwandeleinrichtung zur Erzeugung eines Messsignals sowie eine Auswerteeinrichtung auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Kenngröße für die Auswirkung von Kavitationen auf eine Oberfläche einer fluidfluidtechnischen Vorrichtung.
Eine häufige Ursache für Kavitationen sind beispielsweise schnell bewegte Objekte in einer Flüssigkeit, durch welche eine stark unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit und dadurch entstehende Druckunterschiede erzwungen werden. Es ist ebenfalls möglich, dass auf Grund der Formgebung einer von einer Flüssigkeit durchströmten fluidtechnischen Vorrichtung beispielsweise an Gehäusezungen oder Kanten die Strömungsgeschwindigkeit lokal begrenzt stark ansteigt und der Druck der Flüssigkeit in diesem Bereich stark abfällt. Wenn der statische Druck der sehr schnell strömenden Flüssigkeit unter den Verdampfungsdruck der Flüssigkeit abfällt, bilden sich Dampfblasen. Sobald der Druck wieder ansteigt oder die Dampfblasen durch die Strömung in Bereiche der Flüssigkeit mit einem höheren Druck mitgerissen werden, steigt der die Dampfblase umgebende statische Druck wieder über den Dampfdruck an, so dass die Dampfblasen schlagartig kollabieren. Dabei strömt die umgebende Flüssigkeit implosionsartig in den ursprünglich von der Dampfblase eingenommenen Hohlraum zurück, wodurch sehr kurzzeitig Druckwellen mit hohen Druckspitzen entstehen. Dieser Vorgang wird als Kavitation bezeichnet.
Es hat sich gezeigt, dass sich innerhalb von fluidtechnischen Vorrichtungen, in denen zumindest lokal begrenzt die Strömungsgeschwindigkeit einer hindurch strömenden Flüssigkeit unter den Dampfdruck der Flüssigkeit abfallen kann, die Dampfblasen und damit die Kavitationen bevorzugt an einer Oberfläche der fluidtechnischen Vorrichtung entstehen. Bei der Implosion der Dampfblase bzw. bei der Kavitation entsteht regelmäßig ein Flüssigkeitsstrahl, der auch als Mikrojet bezeichne wird und mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche auftrifft. Diese durch den Mikrojet bewirkte schlagartige Druckbelastung beansprucht die Oberfläche stark, da der Impuls bzw. die Gesamtenergie eines Mikrojets zwar gering ist, jedoch der durch die zusammenfallende Dampfblase erzeugte Mikrojet auf einer sehr kleinen Wirkfläche von oftmals weniger als 100 μm² auftrifft und dadurch eine lokal begrenzte, sehr hohe Druckwirkung erzeugen kann.
Treten während einer bestimmungsgemäßen Benutzung der fluidtechnischen Vorrichtung häufig bzw. über einen langen Zeitraum hinweg Kavitationen auf, kann dies zu einer zunehmenden Beschädigung der Oberfläche führen. Die Kavitationen bewirken weiterhin eine oftmals unerwünschte Geräuschentwicklung und eine nachteilige Reduzierung des Wirkungsgrads der flüssigkeitsdurchströmten fluidtechnischen Vorrichtung. Die Auswirkung von Kavitationen ist beispielsweise bei schnell rotierenden Propellern, aber auch bei Pumpen, Ventilen oder Turbinen von großer Bedeutung. Es wird versucht, durch die Ausgestaltung und Auslegung der jeweiligen fluidtechnischen Vorrichtung den Einfluss von Kavitationen so gering wie möglich zu halten.
Es sind auch fluidtechnische Vorrichtungen wie beispielsweise Sonoreaktoren bekannt, die als Ultraschall-Reinigungsvorrichtungen oder für die Durchführung von Ultraschall-Aufschlussverfahren verwendet werden können, bei denen Kavitationen erwünscht sind und gezielt erzeugt und dazu eingesetzt werden, um über die Auswirkungen der Kavitationen beispielsweise eine Reinigung von Oberflächen von Objekten zu bewirken oder um biologisches Zellmaterial aufzubrechen. Für derartige Anwendungsfälle und die Auslegung und Konstruktion solcher Vorrichtungen ist es ebenfalls von großem Vorteil, wenn mit geeigneten Methoden die Auswirkungen von Kavitationen auf die betreffenden Objekte und Materialien möglichst gut erfasst werden können.
Aus der Praxis sind zwei verschiedene Messtechniken entwickelt worden, um die Bildung von Kavitationen in einer fluidtechnischen Vorrichtung und auch die Auswirkung von Kavitationen auf die Oberfläche der fluidtechnischen Vorrichtung oder eines darin angeordneten Objekts erfassen zu können. Häufig wird dabei ausgenutzt, dass die Implosion einer Dampfblase ein abklingend gedämpftes Schwingungsverhalten aufweist und diese hochfrequenten Druckwellen die umgebende Flüssigkeit sowie die fluidtechnische Vorrichtung zu Schwingungen anregen. Bei einer indirekten Kavitationsmessung wird in der Regel der Körperschall der Flüssigkeit oder der fluidtechnischen Vorrichtung durch geeignete akustische Sensoren oder Drucksensoren gemessen. Dabei kann mit den Sensoren der von den Kavitationen erzeugte Körperschall gemessen werden oder der von Ultraschall-Erzeugern in die fluidtechnische Vorrichtung eingeleitete Körperschall, der durch Kavitationen beeinflusst und verändert wird. Eine derartige indirekte Kavitationsmessung kann kostengünstig durchgeführt werden. Es hat sich jedoch als Nachteil herausgestellt, dass über die Messung des Körperschalls oftmals keine aussagekräftige Ortsauflösung für die den Körperschall erzeugenden Kavitationen möglich ist, so dass unklar bleibt, wo die Kavitationen innerhalb der fluidtechnischen Vorrichtung erfolgen und die Dampfblasen implodieren. Zudem ist die messbare Bandbreite der Körperschallsignale regelmäßig stark beschränkt, beispielsweise auf Grund von unterschiedlichen Impedanzen der die Kavitationen enthaltenen Flüssigkeit und der umgebenden fluidtechnischen Vorrichtung.
Es ist ebenfalls möglich, auf die interessierende Oberfläche der fluidtechnischen Vorrichtung oder eines zu diesem Zweck in die Vorrichtung eingeführten Prüfkörpers eine dünne Beschichtung beispielsweise aus Farbe aufzubringen und nach einer ausreichend langen Betriebsdauer der fluidtechnischen Vorrichtung die durch Kavitationen verursachte Erosion oder Beschädigung dieser auf die Oberfläche aufgebrachten Messschicht zu erfassen. Derartige direkte Kavitationsmessungen an der interessierenden Oberfläche sind sehr aufwändig und kostenintensiv. Die Messungen können üblicherweise nur an dafür vorgesehen Prüfständen durchgeführt werden. Zudem lassen sich die Auswirkungen der Kavitationen auf die Messschicht nicht ohne weiteres auf die Auswirkungen der Kavitationen auf die nicht mit einer Messschicht bedeckte Oberfläche der fluidtechnischen Vorrichtung oder eines darin angeordneten Objekts übertragen.
Die derzeit aus der Praxis bekannten Messverfahren lassen demzufolge regelmäßig nur ungenaue Abschätzungen bzw. qualitative Aussagen über die Auswirkung von Kavitationen zu.
Es wird deshalb als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen, ein Verfahren zur Ermittlung einer Kenngröße für die Auswirkung von Kavitationen auf die Oberfläche einer fluiddurchströmten fluidtechnischen Vorrichtung bereitzustellen, wobei die Auswirkung der Kavitationen mit möglichst geringem konstruktiven Aufwand und mit möglichst hoher Ortsauflösung bzw. unmittelbar an der Oberfläche der fluidtechnischen Vorrichtung gemessen werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mit einem piezoelektrischen Foliensensor, dessen drucksensitive Piezofolie auf der Oberfläche angeordnet ist, ein von einer Krafteinwirkung von Kavitationen auf die Piezofolie verursachtes Messsignal erzeugt wird und dass ausgehend von dem Messsignal in einem Umwandlungsschritt mit Hilfe einer vorgegebenen Umrechnungsfunktion die Kenngröße für die Auswirkung von Kavitationen auf die Oberfläche ermittelt wird. Die drucksensitive Piezofolie kann unmittelbar auf der interessierenden Oberfläche der fluidtechnischen Vorrichtung angeordnet werden. Obwohl eine Kavitation und insbesondere ein während der Implosion der Druckblase erzeugter Mikrojet eine wesentlich kleiner Wirkfläche als die drucksensitive Fläche der Piezofolie aufweist, hat sich herausgestellt, dass die dadurch erzeugte Krafteinwirkung auf die drucksensitive Piezofolie ein ausreichend präzises Messsignal erzeugt, das verstärkt und umgerechnet werden kann, um eine aussagefähige Kenngröße für die Auswirkung der Kavitationen auf die betreffende Oberfläche zu ermöglichen.
Als Piezomaterial der drucksensitiven Piezofolie kann beispielsweise ein piezoelektrischer Kunststoff oder ein Piezo-Kompositmaterial verwendet werden. Für viele Anwendungen kann beispielsweise eine Piezokeramik-Polymerverbindung mit einem 0-3-Verbindungsmuster geeignet sein. Ein häufig verwendetes und für die Erfindung geeignetes Piezomaterial weist Keramikpartikel aus Blei-Zirkonat-Titanat in einer geeigneten Polymermatrix auf. Derartige drucksensitive Piezofolien können kostengünstig hergestellt werden und sind handelsüblich erhältlich. Die Piezofolien weisen für viele Anwendungen bzw. Formgebungen von fluidtechnischen Vorrichtungen eine ausreichend große Flexibilität auf und können an nahezu jedem beliebigen Bereich der Oberfläche der fluidtechnischen Vorrichtung angeordnet und festgelegt werden, an welchem die Flüssigkeit während des Betriebs entlang strömt. Im Verhältnis zu einem piezoelektrischen Keramikmaterial, das in vielen Messvorrichtungen eingesetzt wird, kann eine derartige drucksensitive Piezofolie wesentlich dünner hergestellt werden. Sie verfügt zugleich über eine deutlich höhere mechanische Stabilität insbesondere gegenüber stoßartigen Belastungen und kann ohne großen Aufwand in der fluidtechnischen Vorrichtung montiert werden. Dünn aufgetragene piezoelektrische Kunststoffe oder Kunststoff-Komposite weisen aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften im Verhältnis zu Piezokeramiken weiterhin deutliche Vorteile im Impedanzverhalten auf. Mit einer hinreichend dünn ausgebildeten Piezofolie kann das dynamische Verhalten der Kavitation sehr breitbandig bis in den Bereich von 100 Megahertz gemessen werden, was von großem Vorteil für die Ermittlung von Kenngrößen der Auswirkungen von Kavitationen ist.
Mit einem derartigen piezoelektrischen Foliensensor können die von implodierenden Dampfblasen erzeugten hochfrequenten Druckwellen erfasst werden und als ein hochfrequentes Messsignal ausgegeben werden. Das hochfrequente Messsignal kann dabei einen Bereich von beispielsweise einige zehn kHz bis mehr als 200 MHz bzw. 1 GHz oder mehrere GHz umfassen. Das Messsignal kann eine elektrische Ladung sein, die an einer Elektrode des Foliensensors abgegriffen werden kann.
Mit einem geeigneten Ladungsverstärker kann das als elektrische Ladung erzeugte Messsignal in eine hierzu proportionale Spannung überführt werden. Diese Spannung kann mit Hilfe eines geeigneten Analog-Digital-Wandlers in digitale Daten umgewandelt werden, die in einfacher Weise und mit handelsüblichen Mikrokontrollern oder Datenverarbeitungseinrichtungen gespeichert und weiter verarbeitet werden können.
Aus dem Messsignal, das durch die Krafteinwirkung von Kavitationen auf die Piezofolie erzeugt wurde, kann in dem Umwandlungsschritt beispielsweise als Kenngröße die mechanische Leistung ermittelt werden, die von den Kavitationen auf die Piezofolie bzw. auf die Oberfläche ausgeübt wurde.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in dem Umwandlungsschritt das Messsignal in ein zur effektiven Leistung proportionales Effektivsignal mit einer geringeren Frequenz als das Messsignal umgewandelt wird, welches zur Ermittlung der Kenngröße verwendet wird. Das hochfrequente Messsignal kann dabei vor oder nach einer Verstärkung des Signals mit einer geeigneten Wandlereinrichtung in ein niederfrequentes Wandlersignal umgewandelt werden. Dabei kann die Wandlereinrichtung beispielsweise die elektrische Leistung eines Eingangssignals in eine zu dieser Leistung proportionale Spannung umwandeln. Dabei kann das Ausgangssignal logarithmisch skalieren, so dass auch hochfrequente Messsignale mit einer geringen Amplitude ausreichend aufgelöst und in nachfolgend weiter verarbeitbare Ausgangssignale umgewandelt werden können, und dadurch kleine Kavitationen hinreichend gut erfasst werden können. Aus dem Bereich der Messung von Funkleistungen sind handelsüblich erhältliche Wandlereinrichtungen bekannt, die eine kostengünstige Umwandlung von Eingangssignalen bis zu einer Frequenz von mehreren Gigahertz ermöglichen und ein zu der erfassten Leistung proportionales, niederfrequentes Spannungssignal erzeugen. Die mit einer derartigen Wandlereinrichtung erfolgende Signalumwandlung ermöglicht eine nachfolgende digitale Abtastung des Ausgangssignals bzw. des Wandlersignals mit einer geringeren Abtastrate, wodurch der Aufwand und die Kosten für die weitere Auswertung des Messsignals in den Umwandlungsschritt reduziert werden kann.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass ausgehend von dem Messsignal eine Eigenfrequenz eines Kavitationsereignisses ermittelt wird. Bei einer Implosion einer Druckblase werden Druckwellen mit Amplituden ausgelöst, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erfasst und nachgewiesen werden können. Nachdem ein Radius der implodierenden Dampfblase ein Minimum erreicht hat, wächst die Dampfblase auf Grund von dynamischen Wechselwirkungen zwischen der Dampfblase und der umgebenden Flüssigkeiten zunächst erneut an und geht in eine abklingende gedämpfte Schwingung über, die mit jedem lokalen Minimum des Radiuses der Banddampfblase eine neue Druckwelle erzeugt. Für diese hochfrequenten Druckwellen kann eine Eigenfrequenz ermittelt werden. Diese Eigenfrequenz ist unter anderem von einem Anfangsradius R₀ der implodierenden Dampfblase abhängig. Durch die Ermittlung der Eigenfrequenz der betreffenden Implosion können demzufolge der Anfangsradius R₀ der implodierenden Dampfblase sowie weitere Informationen zu dem betreffenden Kavitationsereignis ermittelt werden.
Insbesondere ist es möglich, ausgehend von der ermittelten Eigenfrequenz eines Kavitationsereignisses einen auf einen Wirkungsbereich der Oberfläche erzeugten Kavitationsdruck zu ermitteln. Anhand von Referenzmessungen, die vorab durchgeführt wurden, ist ein näherungsweise linearer Zusammenhang zwischen dem Anfangsradius R der implodierenden Dampfblase und einer Querschnittsfläche A_μ eines Mikrojets bekannt, der bei der Implosion der Dampfblase erzeugt wird und einen Druckstoß auf die von der drucksensitiven Piezofolie bedeckte Oberfläche ausübt. Die Amplitude des von der drucksensitiven Piezofolie erzeugten Messsignals ist proportional zu der Krafteinwirkung von einer implodierenden Dampfblase, und die charakteristische Eigenfrequenz der während der Implosion erzeugten Druckwellen ist von dem Anfangsradius R₀ der Dampfblase abhängig und ermöglicht die Ermittlung der Querschnittsfläche A_μ des Mikrojets. Aus diesen beiden Größen kann dann auch der Druck P_μ des Mikrojets ermittelt werden, der auf die Oberfläche der fluidtechnischen Vorrichtung ausgeübt wird.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ausgehend von dem Messsignal und der Eigenfrequenz eine mechanische Leistungsdichte ermittelt wird, die von einem Kavitationsereignis auf die Oberfläche ausgeübt wird. Auf diese Weise wird es ermöglicht, dass das Messsignal, das von dem piezoelektrischen Foliensensor während eines Kavitationsereignisses erzeugt wird, in eine Kenngröße für die mechanische Leistung umgerechnet werden kann, die für eine Abschätzung und Beurteilung der Auswirkungen von Kavitationen auf die Oberfläche der fluidtechnischen Vorrichtung von großer Bedeutung bzw. vorteilhafterweise geeignet ist. Dabei kann auch eine Kalibration der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten Kenngröße für die mechanische Leistungsdichte durchgeführt werden, um zuverlässig reproduzierbare Ergebnisse mit einer bekannten Unsicherheit erzielen zu können.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des vorangehend beschriebenen Verfahrens. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Vorrichtung einen piezoelektrischen Foliensensor, der eine drucksensitive Folie und eine Signalwandeleinrichtung zur Erzeugung eines Messsignals aufweist, und dass die Vorrichtung eine Auswerteeinrichtung aufweist, die so eingerichtet ist, dass ausgehend von dem Messsignal des piezoelektrischen Foliensensors eine Kenngröße für die Auswirkung von Kavitationen auf einer Oberfläche einer fluiddurchströmten fluidtechnischen Vorrichtung ermittelt werden kann. Die drucksensitive Folie ist zweckmäßigerweise ausreichend flexibel ausgebildet, um an dem gewünschten Ort innerhalb einer fluidtechnischen Vorrichtung angeordnet und festgelegt werden zu können. Zudem sollte die drucksensitive Folie eine ausreichend hohe Empfindlichkeit aufweisen, um die üblicherweise auftretenden Kavitationsereignisse zuverlässig erfassen und in aussagekräftige Messergebnisse umwandeln zu können.
Die Signalwandeleinrichtung kann räumlich unmittelbar angrenzend an die drucksensitive Folie angeordnet sein. Es ist ebenfalls möglich, dass die Signalwandeleinrichtung datenübertragend mit der drucksensitiven Folie verbunden ist und außerhalb eines fluiddurchströmten Innenraums der fluidtechnischen Vorrichtung angeordnet werden kann. Zweckmäßigerweise ist vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung ebenfalls datenübertragend mit der Signalwandeleinrichtung verbunden ist und zumindest außerhalb des Innenraums der fluidtechnischen Vorrichtung sowie gegebenenfalls auch beabstandet zu der fluidtechnischen Vorrichtung angeordnet werden kann. Die Auswerteeinrichtung kann neben einem Mikroprozessor zur Verarbeitung von digitalisierten Messergebnissen auch weitere elektrische oder elektronische Komponenten aufweisen, mit denen das von dem piezoelektrischen Foliensensor erzeugte Messsignal weiterverarbeitet, gegebenenfalls verstärkt und umgewandelt in die gewünschte Kenngröße für die Auswirkung der Kavitationen auf die Oberfläche umgerechnet werden kann.
Einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass der piezoelektrische Foliensensor eine Ladung als Messsignal erzeugt und dass die Auswerteeinrichtung einen Ladungsverstärker aufweist, mit welchem die Ladung des Messsignals in eine hierzu proportionale Spannung umgewandelt wird. Durch die Verwendung eines Ladungsverstärkers bzw. eines Ladungs-Spannungs-Wandlers können sehr geringe Ladungsmengen in eine hierzu proportionale Spannung in einem Spannungsbereich umgewandelt werden, der für die nachfolgende Umrechnung in eine Kenngröße für die Auswirkung von Kavitationen wesentlich besser als die geringen Ladungsmengen geeignet ist, die von dem piezoelektrischen Foliensensor als Messsignal erzeugt und abgegeben werden können. Die mit dem Ladungsverstärker umgewandelte proportionale Spannung kann beispielsweise mit handelsüblichen Analog-Digitalen-Wandlern in eine digitale Information umgewandelt und für eine nachfolgende Auswertung und Umrechnung zur Verfügung gestellt werden.
Um den konstruktiven Aufwand für die Auswerteeinrichtung zu reduzieren ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung eine Wandlereinrichtung aufweist, mit welcher ein hochfrequentes Spannungssignal in ein niederfrequentes Wandlersignal umgewandelt wird. Das niederfrequente Wandlersignal kann zweckmäßigerweise ebenfalls ein Spannungssignal sein, das proportional zu einer elektrischen Leistung des der Wandlereinrichtung zugeführten hochfrequenten Spannungssignals ist. Als Wandlereinrichtung kann beispielsweise ein handelsüblich erhältlicher elektrischer Baustein eingesetzt werden, der für die Messung von einer Funkleistung bei verschiedenen Funkstandards vorgesehen ist und mit welchem Kavitationsereignisse mit Eigenfrequenzen bis zu 6 Gigahertz ausgewertet werden können. Das Wandlersignal der Wandlereinrichtung kann dabei logarithmisch skaliert sein, so dass auch kleine bzw. schwache Kavitationsereignisse hinreichend gut erfasst und aufgelöst werden können.
Einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung eine Frequenzmesseinrichtung aufweist. Mit der Frequenzmesseinrichtung kann bei periodisch auftretenden Messsignalen, die von Druckwellen einer implodierenden Dampfblase verursacht werden, sehr schnell und nahezu in Echtzeit deren Frequenz bzw. die für das Kavitationsereignis und die implodierende Dampfblase charakteristische Eigenfrequenz ermittelt werden. Ausgehend von der Eigenfrequenz kann in Verbindung mit der ebenfalls gemessenen Amplitude des von einer Kavitation verursachten Messsignals der während der Implosion der Druckblase auf die Oberfläche der fluidtechnischen Vorrichtung ausgeübte Druck sowie die mechanische Leistung ermittelt werden. Es ist weiterhin möglich, aus diesen Kenngrößen auch die auf die Oberfläche ausgeübte Leistungsdichte der Kavitationen zu berechnen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des Erfindungsgedankens näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt ist. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer implodierenden Druckblase, die einen Mikrojet erzeugt, der auf die angrenzende Oberfläche eine Kraftwirkung ausübt, die mit einer auf der Oberfläche angeordneten drucksensitiven Piezofolie erfasst und in eine Kenngröße für die Auswirkung von Kavitationen auf der Oberfläche umgewandelt werden kann,
2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung einer Kenngröße für die Auswirkung von Kavitationen auf eine Oberfläche einer fluiddurchströmten fluidtechnischen Vorrichtung, und
3 eine schematische Darstellung einer abweichend ausgestalteten erfindungsgemäßen Vorrichtung, die in einem verschraubbaren Gehäuse angeordnet ist.
1 zeigt beispielhaft eine drucksensitive Piezofolie 1, die auf einer Oberfläche 2 einer nicht näher dargestellten fluidtechnischen Vorrichtung angeordnet ist. Die drucksensitive Piezofolie ist aus einem geeigneten Piezo-Kompositmaterial hergestellt und ist ausreichend flexibel, so dass die Piezofolie 1 ohne weiteres auch auf einer gekrümmt verlaufenden Oberfläche 2 angeordnet und festgelegt werden kann.
Auf der Piezofolie 1 hat sich während eines Kavitationsereignisses eine Druckblase 3 gebildet, die gerade implodiert. Dabei wird ein als Mikrojet bezeichneter Flüssigkeitsstrahl 4 erzeugt, der mit großer Geschwindigkeit auf die drucksensitive Piezofolie 1 strömt. Der Flüssigkeitsstrahl 4 weist bei seinem Aufprall auf die Piezofolie 1 einen typischen Durchmesser von etwa 100 μm² auf. Eine von dem Flüssigkeitsstrahl 4 betroffene Aufprallfläche 5 von etwa 100 μm² ist üblicherweise wesentlich kleiner als die Abmessungen bzw. als die Flächenausdehnung der Piezofolie 1.
Aufgrund der hohen Aufprallgeschwindigkeit des Mikrojets 4 auf der Piezofolie 1 erzeugt die dadurch verursachte Kraftwirkung ein sich deutlich von einem Signalrauschen abhebendes Messsignal, welches über eine Signalleitung 5 zu einer in 1 nicht dargestellten Auswerteeinrichtung übermittelt werden kann.
Eine in 2 schematisch dargestellte Vorrichtung zur Ermittlung einer Kenngröße für die Auswirkung von Kavitationen auf die Oberfläche 2 weist die drucksensitive Piezofolie 1 mit einer nicht näher dargestellten Signalwandeleinrichtung zur Erzeugung eines Messsignals auf. Die Signalwandlereinrichtung erzeugt als Messsignal eine geringe Ladung, die nachgewiesen, bzw. an einer Elektrode abgegriffen werden kann. Die drucksensitive und flexible Piezofolie 1 bzw. die Signalwandlereinrichtung ist über eine ebenfalls flexible Leiterbahn mit einer Platine 6 verbunden, auf der eine Auswerteeinrichtung 7 angeordnet ist. Die Auswerteeinrichtung 7 ist so eingerichtet, dass ausgehend von dem Messsignal der Piezofolie 1 eine Kenngröße für die Auswirkung von Kavitationen auf die Oberfläche 2 einer fluiddurchströmten fluidtechnischen Vorrichtung ermittelt werden kann. Zu diesem Zweck weist die Auswerteeinrichtung 7 unter anderem einen Ladungsverstärker 8, eine Frequenzmesseinrichtung 9 und eine Wandlereinrichtung 10 auf. Mit dem Ladungsverstärker 8 wird das von der Piezofolie 1 erzeugte Messsignal, eine hochfrequent sich verändernde und betragsmäßig geringe Ladung, in eine hierzu proportionale und ausreichend große Spannung umgewandelt. Mit der Frequenzmesseinrichtung 9 kann eine Eigenfrequenz eines einzelnen Kavitationsereignisses ermittelt werden, um unter anderem auf den Radius R₀ der implodierenden Dampfblase und auf die Querschnittsfläche des Mikrojets schließen zu können. Mit der Wandlereinrichtung 10 kann das hochfrequente Messsignal in ein niederfrequentes gemitteltes Leistungssignal umgewandelt werden, wodurch sich eine nachfolgende Auswertung und Berechnung wesentlich vereinfacht.
Für kollabierende Dampfblasen 3 in einem viskosen, inkompressiblen, newtonschen Fluid gilt ein auf die Rayleigh-Plesset-Gleichung zurückgehender Zusammenhang wie folgt:
Mit dieser Gleichung kann ein Spektrum der Blasenradien R von Dampfblasen 3 bestimmt werden, die innerhalb einer Kavitationswolke mit einer großen Anzahl von Kavitationen kollabieren. In dieser Gleichung bezeichnet R₀ den Anfangsradius einer Dampfblase 3, p_v der Dampfdruck in der Dampfblase 3, p₀ der Druck der umgebenden Flüssigkeit weit entfernt von der Dampfblase 3, p_p der partielle Druck des ungelösten Gases in der Dampfblase 3 (z. B. der Gaskeim, aus dem die Dampfblase 3 entstanden ist), ρ die Dichte der Flüssigkeit, σ die Oberflächenspannung, ν die kinematische Viskosität der Flüssigkeit und γ den Polytropenexponent.
Die Gleichung kann nach der Substitution R = R₀(1 + x(t)) und einem anschließenden Linearisierungsschritt in eine Bewegungs-Differential-Gleichung der Form
umgeschrieben werden. Daraus kann eine Eigenkreisfrequenz mit folgender Gleichung abgeleitet werden:
Diese Eigenkreisfrequenz ist auch die typische Frequenz eines Blasenzerfalls mit dem Anfangsradius R₀, so dass für das physikalische Phänomen der Kavitation folgende Frequenz definiert werden kann:
Diese Gleichung gibt die Beziehung zwischen dem Blasenradius R₀ der Dampfblase 3 und der Eigenfrequenz f₀ während des Zerfalls wieder. Daraus kann aus der typischen Frequenz des gemessenen Messsignals eine Anfangsblasengröße (und umgekehrt) ermittelt werden. Weiterhin kann für Dampfblasen 3 mit dem Anfangsradius R₀ anhand von vorausgegangenen Messungen aus der Literatur der Querschnitt des Microjets 4 als A_μ ≅ 0.1πR 2 / 0 bestimmt werden.
Der Druck p_μ des Microjets 4, der über die Aufprallfläche A auf die Oberfläche 2 bzw. die Piezofolie 1 ausgeübt wird, ist dann wie folgt definiert:
Die Oberflächenkraft F ist die Messgröße, die mit dem piezoelektrischen Foliensensor gemessen werden kann. Weiterhin kann aus den vorangehend beschriebenen Zusammenhängen und Gleichungen für den Druck folgendes bestimmt werden:
Betrachtet man den Blasenkollaps aus der Sicht der Energieumsetzung, kann aus der Volumenänderungsarbeit der Dampfblase 3 die umgesetzte mechanische Leistung P_m wie folgt definiert werden: P_m = p(t)Q(t).
In dieser Gleichung ist Q(t) der Volumenstrom als Volumenänderung der Blase ΔV_B vom Radius R₀ zum Zeitpunkt t₀ = 0 auf den Radius R für die Zeit t = 1/f₀ definiert, so dass gilt:
Und ΔV_B = 4 / 3π(R 3 / 0 – R³).
Mit R → 0 (zum Singularitäts-Zeitpunkt) folgt:
Der Druck p(t) kann als Differenz des Drucks p₀ zum Zeitpunkt t₀ und des Drucks p_μ am Ende des Blasenkollaps definiert werden, sodass p(t) = p_μ – p₀ gilt. Damit kann mit der Annahme p₀ = 0 sowie folgender Zusammenhang ermittelt werden:
Mittels dieser Gleichung kann die mechanische Leistung von Kavitationsimplosionen auf einer Oberfläche gemessen werden. Als Eingangsgröße der Gleichung wird neben den Materialgrößen das zu der Kraftwirkung proportionale Messsignal aus dem piezoelektrischen Foliensensor benötigt.
Das als Ladung vorliegende Messsignal, nachfolgend mit q₃ bezeichnet, kann mit dem Ladungsverstärker 8 mit der Übertragungsfunktion
verstärkt bzw. in ein Spannungssignal u_LV umgewandelt werden.
Falls das Signal aus dem Ladungsverstärker von einer weiteren Verstärker-Stufe mit Übertragungsfunktion z. B.
verstärkt wird, ergibt sich für die Leistung
Mit der Vorrichtung kann eine weitere Kenngröße abgeleitet werden, nämlich die Leistungsdichte S_F der implodierenden Dampfblase 3. Die Leistung bezogen auf die Aufprallfläche A_μ der kollabierenden Dampfblase 3 bzw. des Microjets 4 ist wie folgt definiert:
Aus den vorangehenden Zusammenhängen sowie A_μ ≅ 0.1πR 2 / 0 folgt:
Damit ergibt sich für die Leistungsdichte S_F
Um die Frequenz und die Amplitude der Kavitation für die Berechnung zu bestimmen kann das Messsignal Fouriertransformiert werden. Dazu muss das Messsignal hochfrequent abgetastet werden und anschließend eine Fast-Fourier-Transformation durchgeführt werden, bevor die Leistungsdichte S_F der Kavitation bestimmt wird.
In 3 ist beispielhaft eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung einer Kenngröße für die Auswirkung von Kavitationen auf eine in 3 nicht näher dargestellte Oberfläche abgebildet. Die drucksensitive Piezofolie 1 ist an einer Stirnseite 11 eines hohlen Schraubenbolzens 12 angeordnet. In einem Innenraum 13 des hohlen Schraubenbolzens 12 ist die Platine 6 mit der Auswerteeinrichtung 7 angeordnet. Die in der Auswerteeinrichtung 7 transformierten Signale können drahtgebunden über eine Leitung 14 oder aber über Funk zu einer nicht dargestellten Datenverarbeitungseinrichtung übermittelt werden. Der Schraubenbolzen 12 weist einen Gewindeabschnitt 15 auf, mit welchem der Schraubenbolzen 12 in einer Bohrung einer fluidtechnischen Vorrichtung so festgelegt werden kann, dass die Stirnseite 11 des Schraubenbolzens 12 mit der Piezofolie 1 in der Oberfläche angeordnet ist, zu der die Messungen der Auswirkungen der Kavitationen durchgeführt werden sollen.

Claims

Verfahren zur Ermittlung einer Kenngröße für die Auswirkung von Kavitationen auf eine Oberfläche (2) einer fluiddurchströmten fluidtechnischen Vorrichtung, wobei mit einem piezoelektrischen Foliensensor, dessen drucksensitive Piezofolie (1) auf der Oberfläche (2) angeordnet ist, ein von einer Krafteinwirkung von Kavitationen auf die Piezofolie (1) verursachtes Messsignal erzeugt wird, und wobei ausgehend von dem Messsignal in einem Umwandlungsschritt mit Hilfe einer vorgegebenen Umrechnungsfunktion die gesuchte Kenngröße ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Umwandlungsschritt das Messsignal in ein zur effektiven Leistung proportionales Effektivsignal mit einer geringeren Frequenz als das Messsignal umgewandelt wird, welches zur Ermittlung der Kenngröße verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von dem Messsignal eine Eigenfrequenz eines Kavitationsereignisses ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von der ermittelten Eigenfrequenz eines Kavitationsereignisses ein auf einen Wirkungsbereich der Oberfläche (2) erzeugter Kavitationsdruck ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von dem Messsignal und der Eigenfrequenz eine mechanische Leistungsdichte ermittelt wird, die von einem Kavitationsereignis auf die Oberfläche (2) ausgeübt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem piezoelektrischen Foliensensor, der eine drucksensitive Piezofolie (1) und eine Signalwandeleinrichtung zur Erzeugung eines Messsignals aufweist, und mit einer Auswerteeinrichtung (7), die so eingerichtet ist, dass ausgehend von dem Messsignal des piezoelektrischen Foliensensors eine Kenngröße für die Auswirkung von Kavitationen auf eine Oberfläche (2) einer fluiddurchströmten fluidtechnischen Vorrichtung ermittelt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Foliensensor eine Ladung als Messsignal erzeugt und dass die Auswerteeinrichtung (7) einen Ladungsverstärker (8) aufweist, mit welchem die Ladung des Messsignals in eine hierzu proportionale Spannung umgewandelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (7) eine Wandlereinrichtung (10) aufweist, mit welcher ein hochfrequentes Spannungssignal in ein niederfrequentes Wandlersignal umgewandelt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (7) eine Frequenzmesseinrichtung (9) aufweist.
Fluidtechnische Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die fluidtechnische Vorrichtung eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9 aufweist.