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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ultraschallbehandlung mindestens eines Werkstücks, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
- - Einbringen des mindestens einen zu behandelnden Werkstücks in ein Behandlungsbad einer Behandlungsflüssigkeit; und
- - Erzeugen von Ultraschall-Druckschwingungen in dem Behandlungsbad.
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Ein solches Verfahren zur Ultraschallbehandlung eines Werkstücks ist beispielsweise aus der
EP 3 620 238 A1 bekannt.
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Zur Durchführung eines solchen Verfahrens werden Ultraschallbehandlungsvorrichtungen verwendet, die auf der Basis von ultraschallinduzierter Kavitation eine mechanische Reinigung und/oder eine Oberflächenbehandlung eines in das flüssige Behandlungsmedium eingetauchten Werkstücks ermöglichen.
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Eine solche Behandlungsvorrichtung umfasst einen Behandlungsbehälter, der ein Behandlungsbad aus einer Behandlungsflüssigkeit enthält.
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Das mindestens eine zu behandelnde Werkstück wird händisch oder mittels einer automatisierten Handhabungsvorrichtung in das Behandlungsbad eingetaucht.
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Nach dem vollständigen Eintauchen des mindestens einen Werkstücks in die Behandlungsflüssigkeit wird durch eine Steuerungsvorrichtung ein Ultraschall-Erzeuger aktiviert und derart angesteuert, dass sich in der Behandlungsflüssigkeit Ultraschallwellen ausbreiten.
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Die mittels der Ultraschall-Erzeugungsmittel generierten Ultraschallwellen breiten sich in der Behandlungsflüssigkeit als Druckwellen aus, was die frequenzabhängige Ausbildung von Überdruckbereichen und Unterdruckbereichen zur Folge hat. Dies wiederum führt zur Ausbildung von als Kavitation bezeichneten Gasblasen und Hohlräumen in der Behandlungsflüssigkeit, welche für die Reinigung und/oder die Oberflächenbehandlung des eingetauchten Werkstücks genutzt werden können.
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Für eine wirksame Behandlung eignen sich Ultraschallwellen in einem Frequenzbereich von ungefähr 20 kHz bis ungefähr 1 MHz.
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Die mittels Ultraschall erzeugten Kavitationen können transient oder stabil sein, wobei die Übergänge fließend sind.
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Eine transiente oder auch harte Kavitation entsteht, wenn in den Unterdruckbereichen der Behandlungsflüssigkeit der statische Druck unter den Verdampfungsdruck des flüssigen Behandlungsmediums fällt, was die Entstehung von transienten Gasblasen mit hoher Erosionswirkung zur Folge hat, welche in der darauffolgenden Phase ansteigenden Drucks schlagartig implodieren, wobei Druckstöße in einer Größenordnung von bis zu 1000 bar entstehen können.
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Ferner entstehen in der Behandlungsflüssigkeit auch als Jets bezeichnete lokale Strömungen von solcher Energie, dass das zu behandelnde Werkstück, auch wenn es aus Metall gebildet ist, erodiert werden kann.
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Da es bei einer zu starken Ausbildung von Kavitationen zu einer negativen Beeinflussung des zu behandelnden Werkstücks und/oder des Badbehälters kommen kann, ist es von Vorteil, den Ultraschallbehandlungsvorgang kontrolliert durchzuführen.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, hierfür auf einem Sekundäreffekt basierende Nachweisverfahren zur Bestimmung der Intensität der Kavitation während eines Behandlungsvorgangs durchzuführen. Hierbei wird, beispielsweise in einem dem eigentlichen Behandlungsvorgang vorgelagerten Testlauf, die zu erwartende mechanische Zerstörung des Werkstücks durch die zeitliche Summation der Erosion einer in einem Rahmenelement eingespannten Aluminiumfolie ermittelt. Aufgrund des zusätzlichen Testlaufs ist dieses Nachweisverfahren jedoch sehr aufwändig. Ferner erlaubt es lediglich eine grobe Charakterisierung des Behandlungsvorgangs, und es führt ferner zu einer Verunreinigung des flüssigen Behandlungsmediums durch Bestandteile der erodierten Aluminiumfolie. Außerdem lässt sich ein solches Summationsmessverfahren nicht für eine unmittelbare Beeinflussung eines laufenden Behandlungsvorgangs nutzen.
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Alternativ hierzu ist es aus dem Stand der Technik auch bekannt, die sich in der Behandlungsflüssigkeit ausbreitenden Ultraschallwellen durch eine akustische Messung in der Behandlungsflüssigkeit mittels eines Hydrophons oder eines gleichwirkenden Sensorelements zu erfassen, was eine mittelbare Bestimmung der sich in der Behandlungsflüssigkeit ausbreitenden Druckwellen ermöglicht. Das Hydrophon kann dabei ortsveränderlich sein und von entsprechend geschultem Messpersonal in dem Behandlungsbehälter an unterschiedliche Positionen gebracht werden, um die erzeugten Druckwellen an verschiedenen Positionen des Behandlungsbads zu erfassen, was Rückschlüsse auf die Intensität der Kavitation ermöglicht. Alternativ hierzu kann auch ein stationär angeordnetes Hydrophon verwendet werden.
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Die Verwendung eines Hydrophons zur Ermittlung der Druckwellen in der Behandlungsflüssigkeit weist den Nachteil auf, dass das Hydrophon mit der Behandlungsflüssigkeit in Kontakt kommt, so dass es durch chemische Einwirkung oder durch Verschmutzung der Sensoroberfläche beeinflusst oder zerstört werden kann.
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Ferner ist die Sensoroberfläche des Hydrophons der Kavitation in der Behandlungsflüssigkeit ausgesetzt, was ebenfalls die Funktionalität der Sensoroberfläche negativ beeinflusst.
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Wenn das Hydrophon nicht bewegt wird, erfasst es die Kavitation nur an einer einzigen Stelle des Behandlungsbades. Ferner erfasst das Hydrophon nicht die Kavitation, die während des Behandlungsvorgangs an der Position entsteht, an der die zu behandelnden Werkstücke positioniert sind.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ultraschallbehandlung mindestens eines Werkstücks der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem eine einfache und zuverlässige Erfassung des Kavitationsgeschehens in dem Behandlungsbad während der laufenden Ultraschallbehandlung ermöglicht ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Ultraschallbehandlung mindestens eines Werkstücks der vorstehend genannten Art gelöst, wobei das Verfahren zusätzlich Folgendes umfasst:
- - Erfassen des zeitlichen Verlaufs von Schalldruckschwingungen in einer Gasatmosphäre außerhalb des Behandlungsbads mittels mindestens eines Schallsensors; und
- - Auswertung des Signals des mindestens einen Schallsensors mittels einer Auswertungsvorrichtung, wobei mindestens eine ein Kavitationsgeschehen in dem Behandlungsbad charakterisierende Kenngröße ermittelt wird.
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Der erfindungsgemäßen Lösung liegt das Konzept zugrunde, einen Schallsensor so anzuordnen, dass er nicht in direktem Kontakt mit dem Behandlungsbad der Behandlungsflüssigkeit, nicht in direktem Kontakt mit der Bodenwand oder den Seitenwänden des Behandlungsbehälters und/oder nicht in direktem Kontakt mit den Ultraschall-Schwingungselementen des Ultraschall-Erzeugers steht.
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Die durch die Beaufschlagung der Behandlungsflüssigkeit mit Ultraschall in der angrenzenden Luft erzeugten Druckschwingungen werden mittels des Schallsensors erfasst und in elektrische Signale umgewandelt. Diese elektrischen Signale werden ausgewertet. Die Amplitude und die Frequenz der elektrischen Signale charakterisieren die Ultraschallwirkung im Behandlungsbad.
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Vorzugsweise steht mindestens ein Schallsensor der Ultraschallbehandlungsvorrichtung nicht in direktem Kontakt mit dem Behandlungsbad, mit einem das Behandlungsbad enthaltenden Behandlungsbehälter oder mit einem Ultraschall-Erzeuger.
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Besonders günstig ist es, wenn kein Schallsensor der Ultraschallbehandlungsvorrichtung in direktem Kontakt mit dem Behandlungsbad, mit einem das Behandlungsbad enthaltenden Behandlungsbehälter oder mit einem Ultraschall-Erzeuger steht.
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Der Schallsensor oder mindestens einer der Schallsensoren kann gemäß einer oder mehreren der nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet sein:
- - Mindestens ein Schallsensor kann einen Piezokristall umfassen.
- - Mindestens ein Schallsensor kann ein Kondensatormikrofon umfassen.
- - Mindestens ein Schallsensor kann ein optisches Mikrofon, das vorzugsweise membranlos ist, umfassen. Durch die in der Gasatmosphäre induzierten Druckschwingungen wird der optische Brechungsindex des Gases in der Gasatmosphäre verändert. Diese Veränderung wird mittels eines Lasers durch ein interferometrisches Prinzip (das heißt eine Überlagerung von Wellen, in diesem Fall von Lichtwellen, wie sie auch bei Radarpistolen angewandt wird) detektiert, von mindestens einem Photodetektor erfasst und von einem Wandler in ein elektrisches Ausgangssignal des Schallsensors übersetzt.
- - Mindestens ein Schallsensor umfasst ein faseroptisches Sensorelement. Die in der Gasatmosphäre induzierten Druckschwingungen beeinflussen den Brechungsindex einer optischen Faser, was eine Erfassung der Druckschwingungen ermöglicht.
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Mindestens ein Schallsensor ist vorzugsweise so ausgebildet, dass er Schallwellen im Ultraschallbereich bis zu 200 kHz erfassen kann.
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Mindestens ein Schallsensor umfasst vorzugsweise eine sehr kleine Membran.
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Mindestens ein Schallsensor umfasst vorzugsweise einen Vorverstärker und eine Mikrofonkapsel, wobei der Vorverstärker und die Mikrofonkapsel in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.
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Für eine aussagekräftige Analyse der von dem mindestens einen Schallsensor erfassten Druckschwingungen in der Gasatmosphäre ist es günstig, wenn das Verfahren mindestens eine Maßnahme zur Reduzierung von Nebengeräuschen, insbesondere zur Reduzierung des Fremdschalls, welcher durch Ultraschallbehandlungsvorgänge in anderen Behandlungsbehältern oder von anderen Ultraschallbehandlungsvorrichtungen erzeugt wird, umfasst.
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Beispielsweise ist vorzugsweise vorgesehen, dass mindestens ein Schallsensor an einer Sensorhalterung gehalten ist, welche ein Entkopplungselement umfasst.
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Ein solches Kopplungselement kann insbesondere als ein flexibles Element und/oder als ein elastisches Element ausgebildet sein.
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Durch das Entkopplungselement wird verhindert, dass Körperschall von einer Maschinenstruktur der Ultraschallbehandlungsvorrichtung auf den Schallsensor übertragen wird.
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Um mindestens einen Schallsensor vor Spritzern der Behandlungsflüssigkeit oder vor Schwaden aus der Behandlungsflüssigkeit zu schützen, kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Schallsensor durch einen Luftvorhang vor Schwaden und/oder Tröpfchen der Behandlungsflüssigkeit abgeschirmt ist.
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Ein solcher Luftvorhang kann beispielsweise mittels eines Tubus erzeugt werden, aus welchem ein gasförmiges Medium, beispielsweise Luft, so ausströmt, dass Schwaden und/oder Tröpfchen der Behandlungsflüssigkeit von dem Schallsensor ferngehalten werden.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass mindestens ein Schallsensor mit einer akustischen Abschirmung versehen ist. Eine solche akustische Abschirmung kann beispielsweise zur Reduzierung von Reflexionseffekten dienen.
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Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zeitliche Verlauf von Schalldruckschwingungen in einer Gasatmosphäre außerhalb des Behandlungsbads mittels einer Mehrzahl von Schallsensoren erfasst wird, welche räumlich voneinander beabstandet sind, und die Schallausbreitung in dem Behandlungsbad aus der zeitlichen Verzögerung zwischen den Ausgangssignalen der Mehrzahl von Schallsensoren ermittelt wird.
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Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass mehrere Schallsensoren so angeordnet sind, dass ein Schallsensoren-Array gebildet wird, welcher die Funktion einer Akustik-Kamera hat. Durch die zeitliche Verzögerung zwischen den Ausgangssignalen der Mehrzahl von Schallsensoren wird eine dreidimensionale Aufnahme des Schallfeldes ermöglicht. Hierdurch kann die Schallausbreitung in dem Behandlungsbad detektiert werden.
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Die Sensorik des mindestens eines Schallsensors wandelt das zeitabhängige akustische Signal, das von den Druckschwingungen in der Gasatmosphäre erzeugt wird, in ein zeitabhängiges elektrisches Signal um.
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Bei bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens eine Filterfunktion und/oder mindestens eine Fensterfunktion auf das Ausgangssignal des Schallsensors oder auf ein aus dem Ausgangssignal des Schallsensors abgeleitetes Signal angewandt wird.
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Beispielsweise kann ein Anti-Alias-Filter auf das Ausgangssignal des Schallsensors angewandt werden, um Frequenzanteile oberhalb der Nyquist-Frequenz zu unterdrücken. Dies kann insbesondere bei nicht-bandbreitenlimitierter Sensorik des Schallsensors sinnvoll sein.
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Das analoge zeitabhängige elektrische Signal wird vorzugsweise in ein digitales zeitabhängiges Signal umgewandelt.
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Diese Umwandlung kann beispielsweise mittels eines Analog/Digital-Wandlers erfolgen.
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Eine Fensterfunktion kann auf das Ausgangssignal des Schallsensors angewandt werden, um Leck-Effekte bei einer Fourier-Transformation zu vermeiden.
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Die Fensterfunktion kann beispielsweise ein Von-Hann-Fenster, ein Hamming-Fenster oder ein Blackman-Fenster sein.
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Die Auswertung des Ausgangssignals des Schallsensors umfasst vorzugsweise die Ermittlung eines Spektrums mittels einer Fourier-Transformation, um das zeitabhängige Ausgangssignal des Schallsensors in ein frequenzabhängiges Signal umzuwandeln.
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Das durch Fourier-Transformation erhaltene Spektrum kann, beispielsweise durch Quadrierung, in ein Leistungsspektrum umgewandelt werden.
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Das durch Fourier-Transformation erhaltene frequenzabhängige Signal kann einem Mittelungsprozess unterzogen werden.
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Ein solcher Mittelungsprozess kann beispielsweise eine Medianbildung, eine Mittelwertbildung oder eine Minimalwertbildung innerhalb von Frequenzblöcken (sogenannten „Bins“) vorgegebener Breite umfassen.
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Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass der Mittelungsprozess die Anwendung eines Savitzky-Golay-Filters umfasst.
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Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass zeitlich nacheinander mehrere Spektren, also frequenzabhängige Signale, erzeugt werden und dass über diese mehreren Spektren gemittelt wird.
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Dabei kann mit einstellbaren Überlappraten der jeweils gewählten Fensterfunktion gearbeitet werden.
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Das durch Fourier-Transformation und gegebenenfalls einen Mittelungsprozess erhaltene Spektrum enthält Anteile der Anregungsfrequenz, mit welcher das mindestens eine Ultraschall-Schwingungselement des Ultraschall-Erzeugers angeregt wird, Anteile von harmonischen Resonanzen der Anregungsfrequenz, welche oberhalb oder unterhalb der Anregungsfrequenz liegen können, und Anteile eines breitbandigen Rauschens, welches von den im Behandlungsbad stattfindenden Kavitationsvorgängen herrührt (sogenanntes Kavitationsrauschen).
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Durch einen Mittelungsprozess, insbesondere einen mehrstufigen Mittelungsprozess, werden vorzugsweise die Anteile der Anregungsfrequenz sowie der harmonischen und subharmonischen Resonanzen der Anregungsfrequenz reduziert, um eine Rauschkurve zu erhalten, welche vorwiegend oder ausschließlich das breitbandige Rauschen in dem frequenzabhängigen Signal repräsentiert.
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Vorzugsweise wird eine Anpassungskurve an die Rauschkurve angepasst, wobei softwaretechnische Modelle verwendet werden können.
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Alternativ oder ergänzend hierzu können die Maximum-Positionen, die Minimum-Positionen und die Wendepunkt-Positionen des frequenzabhängigen Signals ermittelt werden.
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Ferner ist es möglich, die integrierten Anteile der Anregungsfrequenz sowie der harmonischen und der subharmonischen Resonanzen der Anregungsfrequenz zu ermitteln, um diese von dem frequenzabhängigen Signal abzuziehen und so zu dem integrierten Anteil der Rauschkurve, welche auf das breitbandige Kavitationsrauschen zurückzuführen ist, zu gelangen.
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Die Rauschkurve kann über das gesamte mittels des mindestens einen Schallsensors messbare Spektrum integriert werden oder über einen oder mehrere vorgegebene Frequenzbereiche hinweg integriert werden, um eine das Kavitationsgeschehen in dem Behandlungsbad charakterisierende Kenngröße zu ermitteln.
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Vorzugsweise wird die Rauschkurve oder eine Approximation an die Rauschkurve von einer Startfrequenz bis zu einer Endfrequenz integriert.
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Die Startfrequenz kann beispielsweise bei 1000 Hz liegen.
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Die Endfrequenz kann beispielsweise bei 200 kHz liegen.
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Die durch vollständige oder teilweise Integration der Rauschkurve enthaltene Kenngröße charakterisiert das Kavitationsrauschen in dem Behandlungsbad und wird beispielsweise als Ultraschall-Performance-Indikator (UsPI) bezeichnet.
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Die Auswertung des Ausgangssignals des mindestens einen Schallsensors kann einen Vergleich mit einem Referenzspektrum umfassen.
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Die Auswertung des Ausgangssignals des mindestens einen Schallsensors kann eine Maßnahme zur Unterdrückung von Eigenrauschen des Schallsensors und/oder eine Maßnahme zur Unterdrückung von Nebengeräuschen aus der Ultraschallbehandlungsvorrichtung umfassen.
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Die Auswertung des Ausgangssignals des mindestens einen Schallsensors kann eine Analyse der im frequenzabhängigen Signal enthaltenen Töne, von Oberschwingungen der Anregungsfrequenz und/oder von Unterschwingungen der Anregungsfrequenz umfassen.
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Die Auswertung des Ausgangssignals des mindestens einen Schallsensors kann eine Rauschanalyse umfassen.
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Ein Messvorgang zur Erfassung der in der Gasatmosphäre induzierten Druckschwingungen kann während der Durchführung der Ultraschallbehandlung in dem Behandlungsbad kontinuierlich oder nur während vorgegebener Zeitintervalle stattfinden.
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Dadurch, dass der Messvorgang mittels des mindestens einen Schallsensors und die Auswertung des Ausgangssignals des mindestens einen Schallsensors in Echtzeit während der Durchführung der Ultraschallbehandlung in dem Behandlungsbad durchgeführt wird, kann die laufende Ultraschallbehandlung unmittelbar beeinflusst werden, indem mindestens ein Prozessparameter der Ultraschallbehandlung angepasst wird.
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Beispielsweise kann die im Ultraschall-Erzeuger erzeugte Ultraschallleistung und/oder die Anregungsfrequenz des Ultraschall-Erzeugers ein solcher in Echtzeit anpassbarer Prozessparameter sein.
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Durch die Anpassung der Prozessparameter des laufenden Ultraschallbehandlungsvorgangs wird ein geschlossener Regelkreis geschaffen, in welchem der Ultraschallbehandlungsvorgang durch Messung des Kavitationsgeschehens überwacht wird.
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Aus dem Spektrum oder aus dem Leistungsspektrum kann eine Rauschkurve ermittelt werden, welche ein breitbandiges Kavitationsrauschen, das der Ultraschall-Anregungsfrequenz und den harmonischen und/oder den subharmonischen Resonanzen der Ultraschall-Anregungsfrequenz überlagert ist, wiedergibt.
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Beispielsweise kann die Rauschkurve über einen oder mehrere Frequenzbereiche hinweg integriert werden, um mindestens eine das Kavitationsgeschehen charakterisierende Kenngröße (beispielsweise einen Ultraschall-Performance-Indikator UsPI), zu ermitteln.
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Die mindestens eine ermittelte Kenngröße kann an einer Anzeige einer Auswertungsvorrichtung oder einer Steuerungsvorrichtung der Ultraschallbehandlungsvorrichtung, in welcher das Verfahren zur Ultraschallbehandlung mindestens eines Werkstücks durchgeführt wird, angezeigt werden.
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Ferner kann die mindestens eine ermittelte Kenngröße als Steuergröße zur Steuerung des Ultraschallbehandlungsverfahrens verwendet werden.
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Alternativ oder ergänzend hierzu kann die mindestens eine ermittelte Kenngröße als Regelgröße zur Regelung des Ultraschallbehandlungsverfahrens verwendet werden.
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In einem Regelkreis zur Regelung des Ultraschallbehandlungsverfahrens kann der Ultraschallbehandlungsvorgang beispielsweise durch Anpassung der Ultraschall-Anregungsfrequenz, der Ultraschallleistung und/oder der Ultraschall-Modulation (das heißt des zeitlichen Verlaufs der Amplitude der Ultraschall-Anregung) beeinflusst werden.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass in Abhängigkeit von der mindestens einen Kenngröße eine Behandlungstemperatur, eine chemische Zusammensetzung der Behandlungsflüssigkeit und/oder ein Gasgehalt der Behandlungsflüssigkeit geändert wird.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass durch den Regelkreis die Behandlungszeit, während welcher die Ultraschallbehandlung durchgeführt wird, beeinflusst wird.
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Die während eines Ultraschallbehandlungsvorgangs ermittelten Betriebsparameter, einschließlich der ermittelten Kenngröße, welche das Kavitationsgeschehen in dem Behandlungsbad charakterisiert, können abgespeichert werden. Die abgespeicherten Betriebsparameter können beispielsweise als Qualitätsnachweis für die durchgeführte Ultraschallbehandlung dienen.
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Das Erfassen des zeitlichen Verlaufs der Schalldruckschwingungen in der Gasatmosphäre außerhalb des Behandlungsbads mittels des mindestens einen Schallsensors und die Auswertung des Signals des mindestens einen Schallsensors kann vor und/oder nach dem Einbringen des mindestens einen Werkstücks in das Behandlungsbad durchgeführt werden.
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Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zeitliche Verlauf von Schalldruckschwingungen in der Gasatmosphäre außerhalb des Behandlungsbads mittels des mindestens einen Schallsensors vor dem Einbringen des mindestens einen zu behandelnden Werkstücks in das Behandlungsbad, während des Einbringens des mindestens einen zu behandelnden Werkstücks in das Behandlungsbad und/oder nach dem Einbringen des mindestens einen zu behandelnden Werkstücks in das Behandlungsbad erfasst und ausgewertet wird.
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Wenn der zeitliche Verlauf von Schalldruckschwingungen in der Gasatmosphäre außerhalb des Behandlungsbads mittels des mindestens einen Schallsensors bereits vor dem Einbringen des mindestens einen zu behandelnden Werkstücks in das Behandlungsbad, aber während der Erzeugung von Ultraschall-Druckschwingungen in dem Behandlungsbad durchgeführt wird, so bietet dies den Vorteil, dass die Parameter des Ultraschallbehandlungsvorgangs, beispielsweise eine Behandlungstemperatur, eine chemische Zusammensetzung der Behandlungsflüssigkeit, ein Gasgehalt der Behandlungsflüssigkeit, eine Anregungsfrequenz der Ultraschall-Druckschwingungen, eine Leistung der Ultraschall-Druckschwingungen und/oder eine Modulation der Ultraschall-Druckschwingungen, bereits vor dem Einbringen des mindestens einen zu behandelnden Werkstücks verändert werden können, um so eine optimale Behandlung des mindestens einen Werkstücks zu erzielen.
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Wenn der zeitliche Verlauf von Schalldruckschwingungen in der Gasatmosphäre außerhalb des Behandlungsbads mittels des mindestens einen Schallsensors sowohl vor dem Einbringen des mindestens einen zu behandelnden Werkstücks in das Behandlungsbad als auch nach dem Einbringen des mindestens einen zu behandelnden Werkstücks in das Behandlungsbad erfasst und ausgewertet wird, so ermöglicht dies einen Vergleich der jeweils ermittelten Kenngröße vor dem Einbringen des mindestens einen zu behandelnden Werkstücks in das Behandlungsbad und nach dem Einbringen des mindestens einen zu behandelnden Werkstücks in das Behandlungsbad, wobei aus einem solchen Vergleich Rückschlüsse auf die Beeinflussung des Kavitationsgeschehens in dem Behandlungsbad durch das mindestens eine zu behandelnde Werkstück gezogen werden können und als Ergebnis dieses Vergleichs Parameter des Ultraschallbehandlungsvorgangs, beispielsweise eine Behandlungstemperatur, eine chemische Zusammensetzung der Behandlungsflüssigkeit, ein Gasgehalt der Behandlungsflüssigkeit, eine Anregungsfrequenz der Ultraschall-Druckschwingungen, eine Leistung der Ultraschall-Druckschwingungen und/oder eine Modulation der Ultraschall-Druckschwingungen, verändert werden können, um eine optimale Behandlung des mindestens einen zu behandelnden Werkstücks zu erzielen.
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Durch die Überwachung des Kavitationsgeschehens kann überprüft werden, ob die Behandlungswirkung, beispielsweise eine Reinigungswirkung, der Ultraschallbehandlung in dem Behandlungsbad ausreichend ist.
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Fernern kann durch die Überwachung des Kavitationsgeschehens überprüft werden, ob durch eine zu starke, beispielsweise transiente, Kavitation ein Risiko für eine Schädigung der Oberfläche eines zu behandelnden Werkstücks besteht.
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Durch die Überwachung des Kavitationsgeschehens kann somit festgestellt werden, ob sich das Kavitationsgeschehen im gewünschten Behandlungsfenster befindet, das heißt dass das Kavitationsgeschehen weder zu stark noch zu schwach ist.
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Bei zu schwachem Kavitationsgeschehen kann das Kavitationsgeschehen beispielsweise durch Erhöhung der Ultraschallleistung verstärkt werden.
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Bei einem zu starken Kavitationsgeschehen kann das Kavitationsgeschehen beispielsweise durch Verringerung der Ultraschallleistung abgeschwächt oder der Behandlungsvorgang abgebrochen werden.
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Durch die Analyse der zeitlichen Entwicklung der ermittelten Kenngröße, welche das Kavitationsgeschehen im Behandlungsbad charakterisiert, können Trends im Laufe eines einzelnen Behandlungsvorgangs oder in einer Abfolge von mehreren Behandlungsvorgängen aufgefunden werden.
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Die zeitliche Entwicklung der ermittelten Kenngröße kann mit anderen Ereignissen in der Ultraschallbehandlungsvorrichtung korreliert sein, und solche Korrelationen können durch Überwachung der zeitlichen Entwicklung der Kenngröße aufgefunden werden.
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Beispielsweise können die zeitliche Entwicklung der Behandlungstemperatur, des Gasgehalts der Behandlungsflüssigkeit, der chemischen Zusammensetzung der Behandlungsflüssigkeit, des Verschmutzungsgrads der Behandlungsflüssigkeit (beispielsweise durch Partikel oder durch Verschmutzung in Form von Filmen, beispielsweise in Form von Ölfilmen), der Anregungsfrequenz der Ultraschall-Anregung und/oder der in das Behandlungsbad übertragenen Ultraschallleistung aufgezeichnet und auf Korrelationen mit der zeitlichen Entwicklung der ermittelten Kenngröße untersucht werden.
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Um den Schallsensor oder die Mehrheit von Schallsensoren zu kalibrieren, kann die Empfindlichkeit des mindestens einen Schallsensors bei unterschiedlichen Frequenzen im Messbereich geprüft und mit einem Referenzwert abgeglichen werden. Dadurch kann überprüft werden, ob der mindestens eine Schallsensor eine ordnungsgemäße Funktion aufweist.
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Beispielsweise kann ein Lautsprecher als Kalibrator in einem vorgegebenen Abstand von dem jeweiligen Schallsensor positioniert werden und das jeweilige Ausgangssignal des Schallsensors mit einem Soll-Ausgangssignal verglichen werden.
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Es kann mindestens ein Schallsensor verwendet werden, der ortsfest relativ zu dem Behandlungsbehälter angeordnet ist.
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Alternativ oder ergänzend hierzu kann mindestens ein Schallsensor verwendet werden, welcher relativ zu dem Behandlungsbehälter beweglich angeordnet ist.
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Der Abstand eines Schallsensors von der Oberfläche des Behandlungsbads (Badspiegel) und/oder der Abstand eines Schallsensors vom Rand des Behandlungsbehälters beträgt vorzugsweise mindestens 5 cm, besonders bevorzugt mindestens 10 cm.
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Der Abstand eines Schallsensors von der Oberfläche des Behandlungsbads (Badspiegel) und/oder der Abstand eines Schallsensors vom Rand des Behandlungsbehälters beträgt vorzugsweise höchstens 1,0 m, besonders bevorzugt höchstens 0,5 m.
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Ein beweglicher Schallsensor kann beispielsweise längs mindestens eines Freiheitsgrads, längs mindestens zweier Freiheitsgrade oder längs mindestens dreier Freiheitsgrade relativ zu dem Behandlungsbehälter bewegbar sein, um das in der an das Behandlungsbad angrenzenden Gasatmosphäre erzeugte Schallfeld an mehreren voneinander verschiedenen Positionen ausmessen zu können.
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Der Schallsensor oder mindestens einer der Schallsensoren kann an einer Seitenwand des Behandlungsbehälters angeordnet sein. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn der Behandlungsbehälter als eine geschlossene Behandlungskammer ausgebildet ist.
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Vorzugsweise ist der Behandlungsbehälter offen ausgebildet, so dass der mindestens eine Schallsensor in einer Gasatmosphäre positionierbar ist, welche direkt an einen Badspiegel des Behandlungsbads angrenzt.
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Durch die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens mögliche Funktionsüberwachung einer Ultraschallbehandlungsvorrichtung während des Ultraschallbehandlungsvorgangs wird die Prozesssicherheit der Ultraschallbehandlungsvorrichtung erhöht.
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Die Ausfallsicherheit des mindestens eines Schallsensors wird erhöht, weil der Schallsensor nicht in Kontakt mit der Behandlungsflüssigkeit steht.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Ultraschallbehandlungsvorrichtung zur Ultraschallbehandlung von Werkstücken, wobei die Ultraschallbehandlungsvorrichtung Folgendes umfasst:
- - einen Behandlungsbehälter, der mit einem Behandlungsbad aus einer Behandlungsflüssigkeit befüllbar ist; und
- - mindestens einen Ultraschall-Erzeuger zum Erzeugen von Ultraschall-Druckschwingungen in dem Behandlungsbad.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, eine solche Ultraschallbehandlungsvorrichtung zu schaffen, bei welcher eine einfache und zuverlässige Erfassung des Kavitationsgeschehens in dem Behandlungsbad während der laufenden Ultraschallbehandlung ermöglicht ist.
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Diese Aufgabe wird bei einer Ultraschallbehandlungsvorrichtung zur Ultraschallbehandlung von Werkstücken der vorstehend genannten Art gelöst, welche zusätzlich Folgendes umfasst:
- - mindestens einen Schallsensor zum Erfassen des zeitlichen Verlaufs von Schalldruckschwingungen in einer Gasatmosphäre außerhalb des Behandlungsbads; und
- - eine Auswertungsvorrichtung zum Auswerten des Signals des mindestens einen Schallsensors, mittels welcher mindestens eine ein Kavitationsgeschehen in dem Behandlungsbad charakterisierende Kenngröße (beispielsweise ein Ultraschall-Performance-Indikator; UsPI) ermittelbar ist.
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Besondere Ausgestaltungen einer solchen erfindungsgemäßen Ultraschallbehandlungsvorrichtung sind bereits vorstehend im Zusammenhang mit besonderen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ultraschallbehandlung mindestens eines Werkstücks erläutert worden.
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Die erfindungsgemäße Ultraschallbehandlungsvorrichtung eignet sich insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ultraschallbehandlung mindestens eines Werkstücks.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ultraschallbehandlung mindestens eines Werkstücks wird vorzugsweise mittels der erfindungsgemäßen Ultraschallbehandlungsvorrichtung durchgeführt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels.
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In den Zeichnungen zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ultraschallbehandlungsvorrichtung zur Ultraschallbehandlung von Werkstücken, wobei die Ultraschallbehandlungsvorrichtung einen Behandlungsbehälter, der mit einem Behandlungsbad aus einer Behandlungsflüssigkeit befüllbar ist, eine Mehrzahl von Ultraschall-Schwingungselementen zum Erzeugen von Ultraschall-Druckschwingungen in dem Behandlungsbad, einen Schallsensor zum Erfassen des zeitlichen Verlaufs von Schalldruckschwingungen in einer Gasatmosphäre außerhalb des Behandlungsbads, einen Analog-/Digital-Wandler zum Wandeln eines analogen Ausgangssignals des Schallsensors in ein digitales Ausgangssignal und eine Auswertungsvorrichtung zum Auswerten des digitalen Ausgangssignals des mindestens einen Schallsensors, mittels welcher mindestens eine ein Kavitationsgeschehen in dem Behandlungsbad charakterisierende Kenngröße ermittelbar ist, umfasst;
- 2 ein mittels der Auswertungsvorrichtung der Ultraschallbehandlungsvorrichtung aus 1 erhaltenes Intensitätsspektrum des Ausgangssignals des Schallsensors während einer Ultraschallbehandlung eines Werkstücks in dem Behandlungsbad;
- 3 eine Darstellung der aus dem Intensitätsspektrum gemäß 2 erhaltenen Kenngröße (Ultraschall-Performance-Indikator UsPI) in Abhängigkeit von der Zeit;
- 4 eine Darstellung der Ultraschall-Anregungsfrequenz f der Ultraschallbehandlung in Abhängigkeit von der Zeit;
- 5 eine Darstellung einer Anzeige der Auswertungsvorrichtung der Ultraschallbehandlungsvorrichtung aus 1, welche den aktuellen Wert der Kenngröße UsPI, das arithmetische Mittel der Kenngröße UsPI, die Varianz σ2 der Kenngröße UsPI, einen unteren Warnmeldungs-Grenzwert UWM und einen oberen Warnmeldungs-Grenzwert OWM für die Kenngröße UsPI anzeigt; und
- 6 eine Darstellung einer Anzeige der Auswertungsvorrichtung der Ultraschallbehandlungsvorrichtung aus 1, welche die aktuelle Anregungsfrequenz f der Ultraschall-Druckschwingungen in dem Behandlungsbad, das arithmetische Mittel der Anregungsfrequenz f, die Varianz σ2 der Anregungsfrequenz f, einen unteren Warnmeldungs-Grenzwert für die Anregungsfrequenz f und einen oberen Warnmeldungs-Grenzwert für die Anregungsfrequenz f anzeigt.
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Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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Eine in 1 schematisch dargestellte, als Ganzes mit 100 bezeichnete Ultraschallbehandlungsvorrichtung zur Ultraschallbehandlung von Werkstücken 102 umfasst einen Behandlungsbehälter 104, der mit einem Behandlungsbad 106 aus einer Behandlungsflüssigkeit befüllbar ist,
einen Ultraschall-Erzeuger 107, der ein oder mehrere Ultraschall-Schwingungselemente 108 und einen Ultraschall-Generator 110 umfasst,
einen Schallsensor 112 zum Erfassen des zeitlichen Verlaufs von Schalldruckschwingungen in einer Gasatmosphäre 114 außerhalb des Behandlungsbads 106, und
einen Analog/Digital-Wandler 116, der über eine Analog-Signalleitung 118 mit dem Schallsensor 112 und über eine Digital-Signalleitung 120 mit einer Auswertungsvorrichtung 122 verbunden ist.
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Die Auswertungsvorrichtung 122 ist vorzugsweise über eine Steuerungsleitung 124 mit dem Ultraschall-Generator 110 des Ultraschall-Erzeugers 107 verbunden und kann zugleich als Steuerungsvorrichtung der Ultraschallbehandlungsvorrichtung 100 dienen.
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Der Behandlungsbehälter 104 ist an einer Maschinenstruktur 126 der Ultraschallbehandlungsvorrichtung 100 angeordnet.
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Dabei kann der Behandlungsbehälter 104 unlösbar mit der Maschinenstruktur 126 verbunden oder lösbar an der Maschinenstruktur 126 angeordnet sein.
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Das Behandlungsbad 106 ist aus einer Behandlungsflüssigkeit gebildet, welche insbesondere durch ihren Gasgehalt, ihre Behandlungstemperatur und ihre chemische Zusammensetzung charakterisiert ist.
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Die Behandlungsflüssigkeit kann beispielsweise Wasser umfassen oder Wasser sein.
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Das oder die Ultraschall-Schwingungselemente 108 sind vorzugsweise an jeweils einer Wand des Behandlungsbehälters 104 angeordnet, beispielsweise an einer Bodenwand 128 und/oder an einer Seitenwand 130 des Behandlungsbehälters 104.
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Das mittels Ultraschall zu behandelnde Werkstück 102 ist vorzugsweise vollständig in das Behandlungsbad 106 eingetaucht, so dass seine Oberseite von dem Badspiegel 132 des Behandlungsbads 106 beabstandet ist.
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Die Ultraschall-Schwingungselemente 108 werden von dem Ultraschall-Generator 110 mit einer elektrischen Schwingung einer Anregungsfrequenz f versorgt und wandeln diese elektrische Schwingung in eine mechanische Schwingung um, beispielsweise mittels eines Piezokristalls.
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Die mittels der Ultraschall-Schwingungselemente 108 erzeugten mechanischen Schwingungen werden als Druckschwingungen in das Behandlungsbad 106 übertragen, wo sie sich als Druckwellen ausbreiten, was die frequenzabhängige Ausbildung von Überdruckbereichen und Unterdruckbereichen in dem Behandlungsbad 106 zur Folge hat. Dies führt zur Ausbildung von als Kavitation bezeichneten Gasblasen und Hohlräumen in der Behandlungsflüssigkeit, die für eine Reinigung und/oder eine Oberflächenbehandlung des zu behandelnden Werkstücks 102 wirksam sind.
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Die Anregungsfrequenz f des Ultraschall-Erzeugers 107 liegt vorzugsweise in einem Bereich von ungefähr 20 kHz bis ungefähr 1 MHz.
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Die in dem Behandlungsbad 106 erzeugten Druckschwingungen und die dort bewirkte Kavitation erzeugen in der an das Behandlungsbad 106 angrenzenden Gasatmosphäre 114, insbesondere in der Umgebungsluft, Druckschwankungen, welche sich in der Gasatmosphäre 114 als akustischer Luftschall fortpflanzen und zu dem Schallsensor 112 gelangen.
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Der Schallsensor 112 ist so angeordnet, dass kein direkter Kontakt mit dem Behandlungsmedium, kein direkter Kontakt mit den Wänden 128, 130 des Behandlungsbehälters 104 und kein direkter Kontakt mit den Ultraschall-Schwingungselementen 108 des Ultraschall-Erzeugers 107 besteht.
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Die in der Gasatmosphäre 114 erzeugten Druckschwingungen werden mittels des Schallsensors 112 erfasst und in elektrische Signale umgewandelt, welche durch die Analog-Signalleitung 118 zu dem Analog/Digital-Wandler 116 geleitet werden.
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Der Analog/Digital-Wandler 116 wandelt das analoge Ausgangssignal des Schallsensors 112 in ein digitales Ausgangssignal des Schallsensors 112 um, welches über die Digital-Signalleitung 120 zu der Auswertungsvorrichtung 122 geleitet wird.
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Die Amplitude und die Frequenz des Ausgangssignals des Schallsensors 112 charakterisieren die Ultraschallwirkung in dem Behandlungsbad 106.
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In der Auswertungsvorrichtung 122 erfolgt eine Auswertung des Signals des Schallsensors 112, wobei mindestens eine ein Kavitationsgeschehen in dem Behandlungsbad 106 charakterisierende Kenngröße ermittelt wird.
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In Abhängigkeit von dieser Kenngröße kann der Ultraschall-Generator 110 der Ultraschallbehandlungsvorrichtung 100 von der Auswertungsvorrichtung 122 über die Steuerungsleitung 124 angesteuert werden, so dass ein geschlossener Regelkreis entsteht.
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Der Schallsensor 112 kann zur Wandlung der Druckschwingungen in der Gasatmosphäre 114 in ein analoges elektrisches Ausgangssignal beispielsweise einen Piezokristall umfassen.
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Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass Schallsensor 112 ein Kondensatormikrofon umfasst.
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Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass der Schallsensor 112 ein - vorzugsweise membranloses - optisches Mikrofon umfasst. Bei einem solchen optischen Mikrofon wird ausgenutzt, dass der optische Brechungsindex des in der Gasatmosphäre 114 enthaltenen Gases, beispielsweise Luft, durch die Druckschwingungen des akustischen Luftschalls verändert wird. Diese Veränderung des Brechungsindex wird mittels eines Lasers durch ein interferometrisches Prinzip (das heißt durch eine Überlagerung von Lichtwellen, wie sie beispielsweise auch bei Radarpistolen verwendet wird) detektiert, anschließend von einem oder mehreren Photodetektoren erfasst und von einem Wandler in ein Ausgangssignal des Schallsensors 112 umgesetzt.
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Alternativ oder ergänzend hierzu kann auch vorgesehen sein, dass der Schallsensor 112 einen faseroptischen Sensor umfasst, welcher eine oder mehrere Fasern umfasst, deren Brechungsindex durch die Druckwellen des akustischen Schalls beeinflusst wird, was eine Detektion der Druckwellen mittels des Schallsensors 112 ermöglicht.
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Vorzugsweise ist der Schallsensor 112 so ausgebildet, dass er Schallwellen im Ultraschallbereich bis zu einer Frequenz von mindestens 200 kHz erfassen kann.
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Wenn der Schallsensor 112 eine Membran enthält, so ist es von Vorteil, wenn diese Membran möglichst klein ausgebildet ist und somit nur eine geringe Trägheit aufweist.
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Ein als Mikrofon ausgebildeter Schallsensor 112 kann eine Mikrofonkapsel und einen Vorverstärker umfassen, welche vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.
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Zur Entkopplung des Schallsensors 112 von dem Behandlungsbehälter 104 und von dem Fremdschall, der von anderen Behandlungsbehältern 104 oder von anderen Elementen, welche mit der Maschinenstruktur 126 verbunden sind, herrühren kann, können beispielsweise die folgenden Maßnahmen getroffen werden:
- - Eine Sensorhalterung 134, mittels welcher der Schallsensor 112 an der Maschinenstruktur 126 gehalten ist, kann ein Entkopplungselement zur Entkopplung des Schallsensors 112 von einem Untergrund, an welchem die Sensorhalterung 134 festgelegt ist, umfassen.
Ein solches Entkopplungselement kann insbesondere als ein flexibles und/oder elastisches Element ausgebildet sein.
- - Der Schallsensor 112 kann durch eine (nicht dargestellte) akustische Abschirmung von anderen Schallquellen abgeschirmt sein, insbesondere zur Reduzierung von Reflexionseffekten.
- - Der Schallsensor 112 kann durch einen (nicht dargestellten) Luftvorhang vor Schwaden und/oder Tröpfchen der Behandlungsflüssigkeit aus dem Behandlungsbad 106 abgeschirmt sein. Ein solcher Luftvorhang kann beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass ein Tubus, aus welchem Luft ausströmt, so angeordnet wird, dass Behandlungsflüssigkeit von dem Schallsensor 112 ferngehalten wird.
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Der Schallsensor 112 wandelt das zeitabhängige akustische Signal, welches von den in der Gasatmosphäre 114 erzeugten Druckschwingungen herrührt, in ein zeitabhängiges elektrisches Signal um.
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Wenn die Sensorik des Schallsensors 112 nicht bandbreitenlimitiert ist, kann es sinnvoll sein, in diese Sensorik einen Anti-Alias-Filter zu integrieren, um Frequenzanteile oberhalb der Nyquist-Frequenz zu unterdrücken.
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Mittels des Analog/Digital-Wandlers 116 wird das analoge zeitabhängige elektrische Signal des Schallsensors 112 in ein digitales zeitabhängiges Signal umgewandelt.
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Dieses digitale zeitabhängige Signal wird in der Auswertungsvorrichtung 122 weiterverarbeitet und ausgewertet.
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Die Signalverarbeitung und Signalauswertung in der Auswertungsvorrichtung 122 kann beispielsweise wie folgt durchgeführt werden:
- Zur Abtastung des Ausgangssignals des Schallsensors 112 wird demselben eine Fensterfunktion überlagert, um bei einer nachfolgenden Fourier-Transformation den sogenannten Leck-Effekt („leakage effect“) zu vermeiden, welcher auftritt, wenn die Länge des abgetasteten Blocks des Signals nicht ein natürlichzahliges Vielfaches der Periodenlänge des Signals ist. Durch die Verwendung einer geeigneten Fensterfunktion lässt sich der Leck-Effekt vermindern. Dabei wird das Signal am Fensterbeginn eingeblendet und am Fensterende ausgeblendet, was zu einer künstlichen Periodisierung des Signals innerhalb der Zeitfensterlänge führt.
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Grundsätzlich kann jede geeignete Fensterfunktion verwendet werden, beispielsweise ein Von-Hann-Fenster, ein Blackman-Fenster oder ein Hamming-Fenster.
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Vorzugsweise wird ein Von-Hann-Fenster verwendet, welches auch bei der Erzeugung des in 2 dargestellten Frequenzspektrums verwendet worden ist.
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Nach der Anwendung der Fensterfunktion wird das zeitabhängige Signal einer Fourier-Transformation unterzogen, um das zeitabhängige Signal in ein frequenzabhängiges Signal umzuwandeln.
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Das durch die Fourier-Transformation erhaltene Spektrum wird vorzugsweise durch Quadrierung in ein Leistungsspektrum umgewandelt.
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Das so erhaltene Leistungsspektrum ist in 2 durch die mit 136 bezeichnete Kurve dargestellt.
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Das in 2 dargestellte Leistungsspektrum ergibt sich nach einem Mittelungsvorgang, bei welchem jedem Frequenzwert der Median eines Frequenzblocks einer vorgegebenen Breite zugewiesen wird. Solche Frequenzblöcke werden als auch „Bins“ bezeichnet. Als vorgegebene Breite eines Frequenzblocks kann bei diesem Mittelungsvorgang beispielsweise 160 Hz gewählt werden.
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Die durch die Kurve 136 in 2 repräsentierten Rohdaten zeigen verschiedene Spitzen, die der Anregungsfrequenz f des Ultraschall-Generators 110 (Spitze 138) oder den harmonischen Vielfachen der Anregungsfrequenz f (Spitzen 140) oder den Subharmonischen der Anregungsfrequenz f (Spitzen 142) oder den Subharmonischen von Obertönen der Anregungsfrequenz f (Spitzen 144) entsprechen, sowie ein diesen spektralen Spitzen überlagertes breitbandiges Rauschen, welches das Kavitationsgeschehen in dem Behandlungsbad 106 charakterisiert und im Folgenden als Kavitationsrauschen bezeichnet wird.
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Um die Spitzen 140, 142 und 144 aus dem Spektrum zu eliminieren und das von den harmonischen und den subharmonischen Resonanzen der Anregungsfrequenz f sowie von der Anregungsfrequenz f selbst befreite Kavitationsrauschen zu erhalten, wird ein mehrstufiger Mittelungsprozess durchgeführt.
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Bei jedem der Mittelungsschritte des Mittelungsprozesses wird jedem Frequenzwert ein vorgegebenes Quantil eines Frequenzblocks (Bin) einer vorgegebenen Breite zugewiesen, wobei der Mittelungsvorgang bei einer vorgegebenen Startoffset-Frequenz begonnen wird.
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Bei einem ersten Mittelungsschritt kann beispielsweise eine Breite der Frequenzblöcke (Bins) von 3200 Hz und eine Startoffset-Frequenz von 0 Hz gewählt werden, wobei jedem Frequenzblock das 25 %-Quantil des betreffenden Frequenzblocks zugewiesen wird.
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Das p %-Quantil eines Frequenzblocks ist dabei derjenige Ordinatenwert, für welchen gilt, dass p % der Ordinatenwerte innerhalb des Frequenzblocks unter dem betreffenden Ordinatenwert liegen. So gilt beispielsweise für ein 25 %-Quantil, das 25 % der Ordinatenwerte eines Frequenzblocks unter dem betreffenden Wert liegen. Das 50 %-Quantil entspricht dem Median.
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Durch diesen Mittelungsschritt wird ein Spektrum erhalten, welches niedrigere Spitzen 138, 140, 142 und 144 aufweist.
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Mit jedem weiteren Mittelungsschritt werden diese Spitzen noch weiter abgesenkt.
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Bei einem zweiten Mittelungsschritt können beispielsweise Frequenzblöcke (Bins) mit der Breite 11200 Hz und eine Startoffset-Frequenz von 9680 Hz verwendet werden, wobei jedem Frequenzwert das 20 %-Quantil des zugehörigen Frequenzblocks zugewiesen wird.
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Bei einem dritten Mittelungsschritt können Frequenzblöcke (Bins) der Breite 16000 Hz und eine Startoffset-Frequenz von 64080 Hz verwendet werden, wobei jedem Frequenzwert das 30 %-Quantil des jeweils zugeordneten Frequenzblocks zugewiesen wird.
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Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass die Mittelungsschritte des Mittelungsprozesses mit Frequenzblöcken wachsender Breite und mit einer wachsenden Startoffset-Frequenz durchgeführt werden und dass jedem Frequenzwert ein zunehmend höheres Quantil des jeweils zugeordneten Frequenzblocks zugewiesen wird.
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Nach dem dritten Mittelungsvorgang kann das so erhaltene Spektrum geglättet werden, beispielsweise durch Anwendung eines Savitzky-Golay-Filters.
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Die nach einem dreistufigen Mittelungsprozess und einer Glättung mittels eines Savitzky-Golay-Filters erhaltene Rauschkurve 146 (siehe 2) gibt das Kavitationsrauschen sehr gut wieder.
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Aus dieser Rauschkurve 146 wird eine das Kavitationsgeschehen im Behandlungsbad charakterisierende Kenngröße ermittelt, indem die Rauschkurve 146 im Bereich von einer Startfrequenz bis zu einer Endfrequenz integriert wird.
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Dabei kann die Startfrequenz beispielsweise bei 1000 Hz und die Endfrequenz beispielsweise bei 200 kHz liegen.
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Vorzugsweise wird über einen Frequenzbereich integriert, in welchem der Schallsensor 112 auf Druckschwingungen anspricht.
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Die so erhaltene Kenngröße wird im Folgenden als „Ultraschall-Performance-Indikator“ (UsPI) bezeichnet.
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In 3 ist der zeitliche Verlauf des Ultraschall-Performance-Indikators wiedergegeben, wobei die Zeit in Einheiten eines Messintervalls Δt angegeben ist. Dabei wird einmal pro Messintervall Δt die vorstehend beschriebene Frequenzanalyse des von dem Schallsensor 112 erzeugten Ausgangssignals durchgeführt.
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Ein typisches Messintervall Δt ist kürzer als 2 Sekunden und liegt beispielsweise bei ungefähr 1,5 Sekunden.
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In dem in 3 dargestellten Fall ist zwischen dem 21. Messintervall und dem 22. Messintervall eine Änderung an der Ansteuerung des Ultraschall-Generators 110 durchgeführt worden. Insbesondere wurde die Anregungsamplitude von einem Anfangswert von 100 % auf einen Wert von 50 % reduziert.
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Diese Änderung der Ansteuerung des Ultraschall-Generators 110 spiegelt sich in einer deutlichen Veränderung des Werts des Ultraschall-Performance-Indikators UsPI wider.
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Vor der Reduzierung der Anregungsamplitude liegt der Ultraschall-Performance-Indikator UsPI im Bereich von 44 bis 50 dB.
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Nach der Absenkung der Anregungsamplitude liegt der Ultraschall-Performance-Indikator UsPI im Bereich von 29 bis 33 dB.
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Diese deutliche Reduktion des Ultraschall-Performance-Indikators UsPI spiegelt wider, dass aufgrund der Absenkung der Anregungsamplitude der Ultraschallschwingungen in dem Behandlungsbad 106 eine deutlich geringere Leistung für die Kavitationsbildung, also für die Bildung von Gasblasen und Hohlräumen in dem flüssigen Behandlungsmedium, aufgewandt wird.
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Dies geht üblicherweise mit einer geringeren Reinigungswirkung der Ultraschallbehandlung in dem Behandlungsbad 106 einher.
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Aus dem Schaubild von 4 ist zu ersehen, dass durch die Reduktion der Anregungsamplitude des Ultraschall-Generators 110 zugleich die Anregungsfrequenz f angehoben wird.
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Bis zum 21. Messintervall liegt die aus dem Spektrum gemäß 2 ermittelte Anregungsfrequenz f (welche dem Frequenzwert mit der höchsten Amplitude im Frequenzspektrum entspricht) unterhalb von 38000 Hz, während die Anregungsfrequenz ab dem 22. Messintervall oberhalb von 38000 Hz liegt.
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Die aus der Analyse des Ausgangssignals des Schallsensors 112 gewonnenen Informationen können einer Bedienungsperson der Ultraschallbehandlungsvorrichtung 100 von der Auswertungsvorrichtung 122 in einer Anzeige 148 angezeigt werden (siehe die 5 und 6).
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Die Anzeige 148 kann analog oder digital ausgebildet sein.
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Beispielsweise kann die Anzeige 148 als ein LCD-Display oder als ein OLED-Display ausgebildet sein.
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In dem in 5 dargestellten Betriebszustand der Anzeige 148 wird der aktuell ermittelte Wert des Ultraschall-Performance-Indikators UsPI angezeigt, und zwar sowohl auf einer analogen Skala 150 mittels eines verschwenkbaren Zeigers 151 als auch digital in einem Anzeigefeld 152.
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In einem weiteren Anzeigefeld 154 kann das arithmetische Mittel des Ultraschall-Performance-Indikators UsPI während einer Behandlungszeit der Ultraschallbehandlungsvorrichtung 100 angezeigt werden.
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In einem weiteren Anzeigefeld 156 kann die Varianz σ2des Ultraschall-Performance-Indikators UsPI während einer Behandlungszeit der Ultraschallbehandlungsvorrichtung 100 angezeigt werden.
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In einem weiteren Anzeigefeld 158 kann ein unterer Grenzwert für den Ultraschall-Performance-Indikator UsPI angegeben werden, bei dessen Erreichen ein untere Warnmeldung (UWM) ausgelöst wird.
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In einem weiteren Anzeigefeld 160 kann ein oberer Grenzwert für den Ultraschall-Performance-Indikator UsPI angezeigt werden, bei welchem eine obere Warnmeldung (OWM) ausgelöst wird.
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Der zwischen dem unteren Grenzwert für die untere Warnmeldung und dem oberen Grenzwert für die obere Warnmeldung liegende Bereich der Skala 150 der Anzeige 148 kann beispielsweise grün eingefärbt sein, um einer Bedienungsperson anzuzeigen, dass der Ultraschall-Performance-Indikator sich in einem Wertebereich befindet, welcher einer ordnungsgemäßen Durchführung der Ultraschallbehandlung in der Ultraschallbehandlungsvorrichtung 100 entspricht.
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Ein Unterschreiten des unteren Grenzwerts für den Ultraschall-Performance-Indikator UsPI von beispielsweise 30 dB ist ein Indiz dafür, dass die Behandlungsintensität, insbesondere die Reinigungswirkung, der Ultraschallbehandlung in dem Behandlungsbad 106 aufgrund einer zu geringen Kavitationswirkung unbefriedigend sein könnte.
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Ein Überschreiten des oberen Grenzwerts für den Ultraschall-Performance-Indikator UsPI von beispielsweise 50 dB ist ein Indiz dafür, dass die Kavitationswirkung in dem Behandlungsbad 106 zu stark sein und eine Schädigung des im Behandlungsbad 106 behandelten Werkstücks 102 eintreten könnte.
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Die Auswertungsvorrichtung 122 kann so ausgebildet sein, insbesondere durch Hardware oder Software so programmiert sein, dass sie bei einem Erreichen oder Unterschreiten des unteren Grenzwerts für den Ultraschall-Performance-Indikator UsPI die Anregungsamplitude des Ultraschall-Generators 110 erhöht.
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Ferner kann die Auswertungsvorrichtung 122 so ausgebildet sei, insbesondere durch Hardware oder Software so programmiert sein, dass sie bei einem Erreichen oder Überschreiten des oberen Grenzwerts die Anregungsamplitude des Ultraschall-Generators verringert oder den Behandlungsvorgang in der Ultraschallbehandlungsvorrichtung 100 unterbricht oder abbricht.
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Die Auswertungsvorrichtung 122 kann eine weitere Anzeige 162 aufweisen, welche auf einem weiteren Display dargestellt wird oder als alternativer Betriebszustand des Displays, auf welchem die erste Anzeige 148 dargestellt wird, ausgebildet ist.
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Diese weitere Anzeige 162 kann die mittels der Auswertungsvorrichtung 122 durch Frequenzanalyse ermittelte Anregungsfrequenz f in analoger Form darstellen, mittels einer Skala 164 und eines relativ zu der Skala 164 schwenkbaren Zeigers 166.
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Die Anzeige 162 kann ferner ein Anzeigefeld 168 umfassen, in welchem der aktuell ermittelte Wert der Anregungsfrequenz f angezeigt wird.
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In einem weiteren Anzeigefeld 170 kann das arithmetische Mittel der Anregungsfrequenz f während des Ultraschallbehandlungsvorgangs angezeigt werden.
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In einem weiteren Anzeigefeld 172 kann die Varianz σ2 der ermittelten Anregungsfrequenz f während des Ultraschallbehandlungsvorgangs angezeigt werden.
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In einem weiteren Anzeigefeld 174 kann ein unterer Grenzwert für die Anregungsfrequenz f angezeigt werden, welcher eine untere Warnmeldung (UWM) auslöst.
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In einem weiteren Anzeigefeld 176 kann ein oberer Grenzwert für die Anregungsfrequenz f angezeigt werden, welcher eine obere Warnmeldung (OWM) auslöst.
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Wie bereits vorstehend ausgeführt, zeigt eine Erhöhung der Anregungsfrequenz f in der Regel eine Verringerung des Kavitationsrauschens und somit eine Verringerung der Behandlungsintensität, insbesondere der Reinigungswirkung, der Ultraschallbehandlung in dem Behandlungsbad 106 an.
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Es kann daher vorgesehen sein, dass die Auswertungsvorrichtung 122 so ausgebildet ist, insbesondere durch Hardware oder Software so programmiert ist, dass sie die Anregungsamplitude des Ultraschall-Generators 110 absenkt oder den Ultraschallbehandlungsvorgang in der Ultraschallbehandlungsvorrichtung 100 unterbricht oder abbricht, wenn der ermittelte Wert für die Anregungsfrequenz f den unteren Grenzwert erreicht oder unterschreitet, um eine mögliche Beschädigung des in dem Behandlungsbad 106 befindlichen Werkstücks 102 zu vermeiden.
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Ferner kann die Auswertungsvorrichtung 122 so ausgebildet sein, insbesondere durch Hardware oder Software so programmiert sein, dass sie die Anregungsamplitude des Ultraschall-Generators 110 erhöht, wenn der ermittelte Wert der Anregungsfrequenz f den oberen Grenzwert erreicht oder überschreitet, um eine ausreichende Kavitationswirkung und damit eine ausreichende Behandlungsintensität, insbesondere Reinigungswirkung, in dem Behandlungsbad 106 zu gewährleisten.
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Der mittels des Schallsensors 112 und der Auswertungsvorrichtung 122 durchgeführte Messvorgang zur Erfassung der Druckwellen in der Gasatmosphäre 114, in welcher der Schallsensor 112 angeordnet ist, kann vor oder während der Ultraschallbehandlung des Werkstücks 102 in der Ultraschallbehandlungsvorrichtung 100 kontinuierlich oder intervallweise durchgeführt werden.
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Dadurch, dass der Messvorgang und die Frequenzanalyse der den Schallsensor 112 beaufschlagenden Druckwellen während der laufenden Ultraschallbehandlung durchgeführt wird, ist durch Anpassung der Prozessparameter der Ultraschallbehandlung eine unmittelbare Beeinflussung des Ultraschallbehandlungsvorgangs möglich, beispielsweise durch Anpassung der Ultraschallleistung und/oder der Anregungsfrequenz der Ultraschallwellen.
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In einem geschlossenen Regelkreis kann der Ultraschallbehandlungsvorgang durch Messung des Kavitationsrauschens überwacht und beeinflusst werden.
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In diesem Regelkreis kann der Ultraschallbehandlungsvorgang durch Anpassung der Ultraschall-Anregungsfrequenz, der Ultraschallleistung und/oder der Modulation der Ultraschallerzeugung beeinflusst werden.
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Ferner können durch die Überwachung und Analyse des Ausgangssignals des Schallsensors 112 die Behandlungstemperatur, die chemische Zusammensetzung der Behandlungsflüssigkeit und der Gasgehalt der Behandlungsflüssigkeit ermittelt und beeinflusst werden.
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Weiterhin kann durch den Regelkreis die Behandlungszeit, während welcher die Ultraschallbehandlung des Werkstücks 102 durchgeführt wird, beeinflusst werden.
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Die während des Ultraschallbehandlungsvorgangs ermittelten Betriebsparameter können beispielsweise als Qualitätsnachweis für die durchgeführte Ultraschallbehandlung abgespeichert werden.
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Ferner können Korrelationen der ermittelten Betriebsparameter mit anderen Ereignissen in der Ultraschallbehandlungsvorrichtung 100 ermittelt und analysiert werden.
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Insbesondere kann die Korrelation der ermittelten Kenngröße, insbesondere des Ultraschall-Performance-Indikators UsPI, mit der Temperatur des Behandlungsbads, mit dem Gasgehalt des Behandlungsbads, mit der chemischen Zusammensetzung der Behandlungsflüssigkeit und/oder mit dem Verschmutzungsgrad des Werkstücks 102 (durch Partikel oder durch eine Verschmutzung in Form eines Films, beispielsweise eines Ölfilms) analysiert und ausgewertet werden.
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Ferner können mittels der Auswertungsvorrichtung 122 die Anregungsfrequenz f des Ultraschall-Erzeugers 107 und die in das Behandlungsbad 106 eingekoppelte Ultraschallleistung ermittelt und überwacht werden.
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Eine Kalibrierung des Schallsensors 112 kann durch Durchführung des beschriebenen Frequenzanalyseverfahrens bei unterschiedlichen Anregungsfrequenzen unter Abgleich mit einem Referenzwert erfolgen. Dabei wird geprüft, ob der Schallsensor 112 die dort eintreffenden Druckschwingungen korrekt in ein elektrisches Ausgangssignal wandelt.
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Zum Zwecke der Kalibrierung kann beispielsweise ein Lautsprecher in einem vorgegebenen Abstand von dem Schallsensor 132 positioniert und dann geprüft werden, ob die ermittelte Anregungsfrequenz und die ermittelte integrierte Rauschleistung den bekannten Werten des als Kalibrator verwendeten Lautsprechers entspricht.
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Der mittels des Schallsensors 112 und der Auswertungsvorrichtung 122 durchgeführte Messvorgang zur Erfassung der Druckwellen in der Gasatmosphäre 114, in welcher der Schallsensor 112 angeordnet ist, kann bereits vor dem Einbringen des Werkstücks 102 in das Behandlungsbad 106 durchgeführt werden.
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Die bei der Auswertung des Signals des mindestens einen Schallsensors mittels der Auswertungsvorrichtung ermittelte Kenngröße kann dazu verwendet werden, Prozessparameter der Ultraschallbehandlungsvorrichtung, beispielsweise eine Behandlungstemperatur, eine chemische Zusammensetzung der Behandlungsflüssigkeit, einen Gasgehalt der Behandlungsflüssigkeit, die Anregungsfrequenz f der Ultraschall-Druckschwingungen, die Leistung der Ultraschall-Druckschwingungen und/oder die Modulation der Ultraschall-Druckschwingungen, schon vor dem Einbringen des mindestens einen zu behandelnden Werkstücks 102 in das Behandlungsbad 106 so einzustellen, dass eine optimale Behandlung des Werkstücks 102 in dem Behandlungsbad 106 erzielt wird.
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Ferner kann die vor dem Einbringen des mindestens eines zu behandelnden Werkstücks 102 in das Behandlungsbad 106 ermittelte Kenngröße mit der nach dem Einbringen des mindestens einen zu behandelnden Werkstücks 102 in das Behandlungsbad 106 ermittelten Kenngröße verglichen werden, und aus diesem Vergleich können Rückschlüsse darauf gezogen werden, wie die Prozessparameter des Ultraschallbehandlungsvorgangs, beispielsweise eine Behandlungstemperatur, eine chemische Zusammensetzung der Behandlungsflüssigkeit, ein Gasgehalt der Behandlungsflüssigkeit, die Anregungsfrequenz f der Ultraschall-Druckschwingungen, die Leistung der Ultraschall-Druckschwingungen und/oder die Modulation der Ultraschall-Druckschwingungen, angepasst werden können, um die Wirkung der Ultraschallbehandlung auf das mindestens eine zu behandelnde Werkstück zu optimieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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