DE1902907A1

DE1902907A1 - Verfahren zur Bestimmung der Energiedichte in ultraschallerregten Fluessigkeitsraeumen

Info

Publication number: DE1902907A1
Application number: DE19691902907
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Joachim Herbertz; Dr Reimar Pohlman
Original assignee: HERBERTZ DIPL PHYS JOACHIM
Current assignee: HERBERTZ, JOACHIM, PROF. DR.-ING., 4150 KREFELD, D
Priority date: 1969-01-22
Filing date: 1969-01-22
Publication date: 1970-08-20
Also published as: US3593818A

Description

Verfahren zur Bestimmung der Energiedichte in ultraschallerregten Flüssigkeitsräumen

Es ist bisher sehr schwierig, in ultraschallerregten Flüssigkeitsräumen die Energiedichte zu bestimmen. Andererseits ist eine derartige Bestimmung technisch sehr wichtig, da Wannen, deren Flüssigkeitsinhalt zu ültraschallschwingungen erregt wird, eine große Rolle bei der Ultraschallreinxgung, Ultraschallbeize und allen derartigen Prozessen spielen, die in begrenzten Flüssigkeitsräumen ablaufen. Die Erfindung verfolgt daher den Zweck, ein Verfahren zur Bestimmung der Energiedichte und eine Vorrichtung zur Durchführung desselben zu erstellen, bei welchem mit nur einer einzigen Messung, durch Eintauchen einer geeigneten Sonde in die ultraschallerregte Flüssigkeit, die Energiedichte bestimmt werden kann.

Bisher versuchte man, derartige Messungen durch Eintauchen einer thermoelektrisehen oder piezoelektrischen Meßsonde durchzuführen. Jedoch läßt sich bei einem derartigen Vorgehen kein eindeutiger Meßwert gewinnen, weil sich in dem ausζurnessenden ultraschallerregten Fluss jkeitsraum ein Feld stehender Wellen ausbildet, in welchem von Punkt zu Punkt sich die Werte von Schalldruck oder Schallschnelle merklich von einander unterscheiden. Auch der Versuch, einen in der Wanne selbst genau definierten Meßpunkt als ständigen Bezugspunkt zu wählen, schlägt fehl, weil sich die Meßwerte nicht nur örtlich sondern auch zeitlich (z.B. durch Temperaturanstieg der Flüssigkeit usw.) ändern.

Alle diese Schwierigkeiten beseitigt das Verfahren zur Bestimmung der Energiedichte in ultraschallerregten Flüssigkeitsräumen und die Vorrichtung zur Durchführung desselben, indem eine Vielzahl ultraschallsensibler Fühler gleichmäßig verteilt auf der Oberfläche einer Kugel, deren Durchmesser etwa ein ganzzahliges Vielfaches der halben Schallwellenlänge ist, angeordnet ist und die Addition der von den einzelnen Fühlern gelieferten Meßwerte zur Bestimmung der Energiedichte benutzt wird.

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Es läßt sich zeigen, daß eine derartige Sonde, die aus einer Vielzahl ultraschallsensibler Fühler besteht, dann ganz besonders gut die zur Messung der Energiedichte erforderlichen Einzelwerte integriert, wenn die Meßfühler in den Eckpunkten regulärer Polyeder angeordnet sind und, bei dichterer Besetzung der Kugeloberfläche, eine Kombination von Ikosaeder und Dodekaeder bzw. bei anderer Punktzahl von Hexaeder und Oktaeder benutzt wird. Eine derart mit Meßfühlern ausgestattete "Integralsonde" ermöglicht die Bestimmung der Energiedichte weitgehend unabhängig von ihrer Lage und Orientierung zum stehenden Ultraschallwellenfeld.

Die ultraschallsensiblen Meßfühler können z.B. thermoelektrisch arbeiten, wobei die Fühler aus Thermoelementen bestehen, die mit einer Masse möglichst hoher Schallabsorption umgeben sind. Die natürliche Ultraschallabsorption der Masse läßt sich künstlich noch dadurch erhöhen, daß die Ilasse mit kleinen Gasbläschen angereichert wird. Ferner kann die Temperaturerhöhung in der Masse dadurch in eine elektrische Größe umgesetzt werden, daß die Fühler aus temperaturabhängigen Widerständen bzw. Halbleitern bestehen, die mit der genannten Masse möglichst hoher Schallabsorption umgeben sind».

Benutzt man den erstgenannten Fall, nämlich in Absorptionsmasse eingebettete Thermoelemente, so sind Gegenlötstellen erforderlich, welche in hinreichend gutem Wärmekontakt mit der umgebenden Flüssigkeit stehen und die Temperatur der Flüssigkeit annehmen sollen. Die Temperaturdifferenz der durch Absorptionsmasse sensibilisierten Fühler zu den genannten Gegenlötstellen ergibt dann von jedem Fühler eine Thermospannung und die Summe der Thermospannungen aller Fühler wird als Integralwert zur Bestimmung der Energiedichte ausgenutzt. Man erkennt, daß eine derartige Anordnung in erster Näherung unabhängig von der Temperatur der Flüssigkeit sein wird, weil nur durch die in den sensibilisierten Fühlern absorbierte Ultraschallleistung eine Temperaturdifferenz zustande kommt, die zu einer Meßanzeige führt.

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Benutzt man den letztgenannten Fall von in Absorptionsmasse eingebetteten temperaturabhängigen Widerständen bzw. Halbleitern, so ist nur ein einziger mit der Flüssigkeit in gutem Wärmekontakt stehender Gegenwiderstand erforderlich, wobei wiederum die Temperaturdifferenζ zweckmäßig dadurch gemessen wird, daß man die Fühlerwiderstände und den Gegenwiderstand in einer Brückenschaltung auskompensiert.

In beiden Fällen ist es sehr vorteilhaft, die genannten Gegenlötstellen bzw. den Gegenwiderstand möglichst nahe an die sensibilisierten Meßpunkte heranzubringen. Dieses kann erfindungsgemäß dadurch geschehen, daß sich die Gegenlötstellen der Thermoelemente oder aber der Gegenwiderstand der temperaturabhängigen Widerstände bzw. Halbleiter im Innern einer zentral gelegenen Kugel befinden .

Die Figur zeigt als Beispiel eine derartige besonders vorteilhafte Anordnung. Bei 1 erkennen wir die genannte zentral gelegene Kugel, die aus zwei Halbkugeln zusammengesetzt sein kann. In ihrer Wandung sind kleine Röhrchen eingelötet, die derart angeordnet sind, daß ihre Endpunkte in den Eckpunkten eines regulären Polyeders liegen bzw. in der Kombination zweier Polyeder, z.B. ineinander gestellter Ikosaeder und Dodekaeder oder aber Hexaeder und Oktaeder. An den Endpunkten der Röhrchen sind die kleinen Absorptionskörper 3 aufgebracht, in deren Innern sich die genannten Thermoelemente bzw. temperaturabhängigen Widerstände oder Halbleiter befinden. Die elektrischen Verbindungen zu den Gegenlötsteilen bzw. dem Gegenwiderstand im Innern der zentral gelegenen Kugel 1 verlaufen in den Röhrchen 2. Ein Röhrchen 4 dient als Halterung und führt die Zuleitungen nach außen.

Die beschriebene Vorrichtung arbeitet mit Hilfe einer Umsetzung von Ultraschallenergie in Wärme zur Erzeugung einer Temperaturdifferenz, wofür stets Absorptionskörper vorhanden sein nüssen. Es ist jedoch sehr schwer, Massen

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hoher Schallabsorption zu finden, die gegen nahezu alle vorkommenden Flüssigkeiten chemisch resistent sind, keine Alterung zeigen usw. Es kann daher sehr vorteilhaft sein, als ultraschallsensible Fühler kleine piezoelektrische Elemente zu verwenden, die gestatten, die Schalldruckamplitude im betreffenden Meßpunkt unmittelbar zu erfassen. Derartige Fühler, die schalldruckabhängige Spannungen liefern, sind jedoch mit einem zugehörigen Phasenwert behaftet, so daß eine einfache Addition der Spannungswerte der einzelnen Fühler nicht mehr zu dem gewünschten Meßwert führen würde. Bei diesem Meßvorgang muß daher zunächst die vom Meßfühler gelieferte Spannung quadriert und über alle angelieferten Spannungswertquadrate der Mittelwert bestimmt werden, um ein Maß der Energiedichte zu erhalten. Dieses kann in bekannter Weise auf elektronischem Wege geschehen, erfordert jedoch einen gewissen Aufwand.

Ein geringerer Aufwand ergibt sich, wenn man die einzelnen piezoelektrischen Fühlerelemente in periodischer Folge einzeln sehr schnell nach einander abfragt, den hierbei erzielten Spannungsverlauf quadriert und hiervon den Mittelwert bildet. Dieser Mittelwert ist dann wiederum ein Maß für die Energiedichte im stehenden Ultraschallwellenfeld .

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1.) Verfahren zur Bestimmung der Energiedichte in ultraschallerregten Flüssigkeitsräumen und Vorrichtung zur Durchführung desselben dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl ultraschallsensibler Fühler gleichmäßig verteilt auf der Oberfläche, einer Kugel angeordnet ist, deren Durchmesser etwa ein ganzzahliges Vielfaches der halben Schallwellenlänge ist und die Addition der von den einzelnen Fühlern gelieferten Meßwerte zur Bestimmung der Energiedichte benutzt wird.

2.) Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die ' Fühler in den Eckpunkten regulärer Polyeder angeordnet sind.

3.) Vorrichtung nach Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß eine Kombination von Ikosaeder und Dodekaeder bzw. Hexaeder und Oktaeder verwendet wird.

4.) Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Fühler aus kleinen Absorptionskörpern bestehen, deren Temperaturerhöhung im Schallfeld in eine elektrische Größe umgesetzt wird.

5.) Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Fühler aus Thermoelementen bestehen, die mit einer Masse möglichst hoher Schallabsorption umgeben sind.

6.) Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionsmasse mit kleinen Gasbläschen angereichert ist.

7.) Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß sich die Gegenlötstellen der Thermoelemente im Innern einer zentral gelegenen Kugel befinden.

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8.) Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Fühler aus temperaturabhängigen Widerständen bzw. Halbleitern bestehen, die mit einer Masse möglichst hoher Schallabsorption umgeben sind.

9.) Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Fühler aus kleinen piezoelektrischen Elementen bestehen.

10.) Verfahren und Vorrichtung nach Ansprüchen 1 und 9 dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwert der Quadrate der von den einzelnen piezoelektrischen Fühlerelementen erzeugten Spannungen gebildet und zur Bestimmung der Energiedichte benutzt wird.

11.) Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Fühlerelemente in periodischer Folge einzeln abgefragt werden.

12.) Verfahren und Vorrichtung nach Ansprüchen 1 und 11 dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwert des Quadrats der durch periodisches Abfragen der einzelnen piezoelektrischen Fühlerelemente erzeugten Spannung gebildet und zur Bestimmung der Energiedichte benutzt wird.

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