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Verfahren zur Optimierung und Überwachung von Ultraschall-
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bädern Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung und Überwachung
von Ultraschallbädern nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ultraschall nennt man in der Akustik die Schallfrequenzen oberhalb
der Hörgrenze des menschlichen Ohres, d.h. die Schallschwingungen von rund 20 kHz
an aufwärts. Die höchsten bisher erzeugten Ultraschall-Schwingungen liegen etwa
bei 106 kHz. In Wellenlängen ausgedrückt bedeutet dies, daß die Ultraschall-Wellen
in Flüssigkeiten beispielsweise den Wellenlängenbereich von 6 cm bis 1,2 . 10 4
cm überstreichen. Durch die Kleinheit der Wellenlängen und die damit verbundenen
sehr hohen Druckgradienten bzw. aufgrund der hohen Leistungsdichte des Ultraschalls
haben sich besondere Anwendungen des Ultraschalls auf den verschiedensten Gebieten
ergeben. Bei der Anwendung des Ultraschalls in Flüssigkeiten schwankt der Schallwechseldruck
periodisch zwischen einem Überdruck und einer Zugspannung, wobei die Zugspannung
infolge von Kavitation meist ein Zerreißen der Flüssigkeit bewirkt. Beim Wiederanstieg
des Druckes klatscht die Flüssigkeit dann heftig zusammen, wobei örtlich hohe Drücke
auftreten können. Auf dieser Kavitation beruht auch die Wirkung von Ultraschall-Reinigungsbädern,
die für die Reinigung von Metallteilen, optischen Linsen, elektrischen und elektronischen
Bauteilen, Schmuck und dgl. eingesetzt werden.
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Derartige Ultraschall-Reinigungsbäder, die beispielsweise in der DE-OS
31 36 516 beschrieben sind, bestehen aus einer
Wanne zur Aufnahme
der Badflüssigkeit und des zu reinigenden Gutes und an die Seitenwand der Wanne
oder auch an den Boden der Wanne angekoppelten Ultraschallgebern, bei welchen es
sich in der Regel um piezoelektrische Ultraschallgeber handelt.
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Ultraschall kann auch in Lotbädern zur Verbesserung der Benetzungseigenschaften
und zum flußmittelfreien Beloten eingesetzt werden. Ein derartiges Ultraschall-Lotbad
ist beispielsweise aus der DE-PS 27 28 634 bekannt.
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Beim Einsatz von Ultraschall bädern erfordert die Anpassung der Betriebsparameter
an die jeweils vorhandenen Bedingungen eine Kenntnis des Schallfeldes, wobei unter
den Begriff Schallfeld hier der dem Schall vorgang zugeordnete physikalische Erregungszustand
der Badflüssigkeit zu verstehen ist.
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Die Messung und Erfassung einzelner Größen des Schallfeldes im Ultraschallbad
bereitet jedoch erhebliche Schwierigkeiten, da die hierfür erforderlichen Meßgeräte
beispielsweise den bei der Ultraschallreinigung verwendeten aggressiven Lösungsmitteln
oder den im Ultraschall-Lotbad herrschenden hohen Temperaturen ausgesetzt werden.
So hydrolisiert beispielsweise das bei der Ultraschall reinigung häufig als Badflüssigkeit
eingesetzte Trichloräthen unter dem Einfluß von Luftfeuchtigkeit langsam zu Salzsäure,
Kohlenmonoxid und anderen Gasen, so daß es auf Meßgeräte stark korrodierend und
zerstörend wirkt. Außerdem führt die in Ultraschall-Reinigungsbädern auftretende
Kavitation nicht nur zu mechanischen, hämmernden Beeinflussungen, sondern auch zu
chemischen Anfressungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Optimierung
und Überwachung von Ultraschall bädern zu schaffen, welches insbesondere auch bei
heißen und/oder
aggressiven Badflüssigkeiten eingesetzt werden kann.
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Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß es sich bei dem Schallwechseldruck
um die wichtigste Schallfeldgröße und damit auch um den für die Optimierung und
Überwachung von Ulraschallbädern maßgeblichen Betriebsparameter handelt.
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Insbesondere die Kenntnis räumlich und zeitlich periodischer Schwankungen
des Schallwechseldruckes ermöglicht dann eine effektive Überwachung des Schallwechseldruckes,
die Festlegung der Schallwechseldruck-Ebenen, die Erfassung der Schallwechseldruck-Verteilung,
das Beobachten des Schallwechseldruck-Verhaltens bei gefahrenen Temperaturschleifen,
die Schallwechseldruck-Verteilung und den Aufbau im strömenden durch Ultraschall
erregten Medium, sowie die Anpassung der Ultraschall-Einrichtungen an die jeweiligen
Erfordernisse. Ferner kann durch die Kenntnis des räumlichen und zeitlichen Verlaufs
des Schallwechseldruckes dem Einfluß der Betriebstemperatur, des Füllstandes, des
Verschmutzungsgrades, des jeweiligen Belegungsgrades mit Größe und Anzahl der Werkstücke
sowie dem Einfluß eines etwaigen Verschleißes der Wanne oder des Ultraschallgebers
Rechnung getragen werden.
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Insbesondere kann durch die Kenntnis der Schallwechseldruck-Ebenen
mit Schwingungsknoten und Schwingungsmaxima die Anordnung der Werkstücke so festgelegt
werden, daß eine optimale Wirkung wie z.B. eine optimale Reinigung erzielt wird.
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Die erfindungsgemäße Messung des räumlichen und zeitlichen Verlaufs
des Schallwechseldruckes auf elektrischem Wege wird dabei durch in Druckaufnehmergehäuse
hermetisch gekapselte Druckaufnehmer ermöglicht, deren aktive Meßflächen an einen
als Membran wirkenden Gehäuseteil des Druckaufnehmergehäuses
angekoppelt
sind. Durch die hermetische Abkapselung werden die Druckaufnehmer vor heißen und/oder
aggressiven Badflüssigkeiten, vor den mechanischen und chemischen Auswirkungen der
Kavitation und vor aggressiven Dämpfen geschützt.
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Der als Membran wirkende Gehäuseteil eines Druckaufnehmergehäuses
wird vorzugsweise senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Schalls eines zugeordneten
Ultraschallgebers ausgerichtet, so daß die Meßergebnisse möglichst wenig verfälscht
werden. Zur Messung des Schallwechseldruckes in Ultraschallbädern mit bodenseitig
angebrachten Ultraschallgebern werden dann vorzugsweise stabförmige Druckaufnehmergehäuse
verwendet, deren untere Stirnfläche als Membran wirkt. Andererseits werden dann
zur Messung des Schallwechseldruckes in Ultraschall bädern mit wandseitig angebrachten
Ultraschallgebern L-förmig abgewinkelte Druckaufnehmergehäuse verwendet, deren seitliche
Stirnfläche als Membran wirkt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die Druckaufnehmer
über Ladungsverstärker an zur Anzeige des Schallwechseldruckes geeichte Spannungsmeßgeräte
angeschlossen. An den Spannungsmeßgeräten kann dann der jeweilige Schallwechseldruck
direkt abgelesen werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden
als Druckaufnehmer Quarzkristall-Druckaufnehmer verwendet. Die Quarzkristalle haben
dabei den Vorteil, daß sie auch für hohe Temperaturen ausgelegt werden können und
daß sie sich für die Messung von schnell veränderlichen Drücken besonders gut eignen.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der
Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
Figur 1 eine Meßanordnung zur Ermittlung
des Schallwechseldruckes in einem Ultraschallbad in stark vereinfachter schematischer
Darstellung, Figur 2 eine erste Ausführungsform eines in einem Druckaufnehmergehäuse
hermetisch gekapselten Druckaufnehmers in stark vereinfachter schematischer Darstellung
und Figur 3 eine zweite Ausführungsform eines in einem Druckaufnehmergehäuse hermetisch
gekapselten Druckaufnehmers in stark vereinfachter schematischer Darstellung.
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Figur 1 zeigt ein beispielsweise für die Ultraschallreinigung einsetzbares
Ultraschallbad USB mit einer Wanne W, welche beispielsweise aus einem säurebeständigem,
nicht rostenden Stahl besteht. Als Badflüssigkeit BF befindet sich in der Wanne
W beispielsweise Trichloräthen. An die Unterseite des Wannenbodens ist ein piezoelektrischer
Ultraschallgeber UG1 angebracht, der von einem Ultraschallgenerator USG erregt wird.
Ferner ist an die Innenseite einer Seitenwand der Wanne W ein piezoelektrischer
Ultraschallgeber UG2 befestigt, der ebenfalls über den Ultraschallgenerator USG
erregt wird.
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Die beiden piezoelektrischen Ultraschallgeber UG1 und UG2 wurden in
Figur 1 in erster Linie dargestellt, um die Möglichkeiten der bodenseitigen Anbringung
und der wandseitigen Anbringung aufzuzeigen. Die Anbringung von zwei oder mehreren
Ultraschallgebern ist nur bei größeren Ultraschallbädern oder zur Erzielung besonders
effizienter Wirkungen erforderlich.
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Zur Messung des Schallwechseldruckes bei bodenseitig angeordneten
Ultraschallgebern UG1 wird in die Badflüssigkeit BF
eine stabförmige
Druckmeßsonde eingetaucht, die gemäß Figur 2 aus einem in einem Druckaufnehmergehäuse
DAG1 hermetisch gekapselten Druckaufnehmer DA1 besteht, wobei die aktive Meßfläche
des Druckaufnehmers DA1 an die als Membran M1 wirkende untere Stirnfläche des Druckaufnehmergehäuses
DAG1 angekoppelt ist. Dabei wird der Druckaufnehmer DA1 durch eine Druckfeder DF
gegen die dünne und mit dem übrigen Druckaufnehmergehäuse DAG1 dicht verschweißte
Membran N1 gedrückt.
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Die Ankoppelung des Druckaufnehmers DA1 an die Membran Ml könnte aber
auch durch Verkleben oder durch eine Schraubverbindung bewirkt werden. In Figur
2 sind ferner zwei Anschlußleitungen AL zu erkennen, von welchen eine an die Oberseite
des Druckaufnehmers DA1 ankontaktiert ist, während die zweite über das Druckaufnehmergehäuse
DAG1 und die Membran M7 mit der Unterseite des Druckaufnehmers DA1 elektrisch leitend
verbunden ist. Diese beiden Leitungen AL sind dann durch die obere Stirnseite der
aus der Badflüssigkeit BF herausragenden Druckmeßsonde absolut dicht hindurchgeführt,
was in Figur 2 jedoch nicht dargestellt ist. Durch diese hermetische Abkapselung
wird ein Eindringen aggressiver Flüssigkeiten und auch ein Eindringen aggressiver
Dämpfe in das Druckaufnehmergehäuse DAG1 verhindert und damit eine sichere und dauerhafte
Funktion des Druckaufnehmers DA1 gewährleistet. Gemäß Figur 1 ist die stabförmige
Druckmeßsonde an einen Ladungsverstärker LV1 angeschlossen und weiterhin mit einem
Spannungsmeßgerät SM1 verbunden, welches den gemessenen Schallwechseldruck anzeigt
und bei welchem es sich um ein Voltmeter oder auch um einen Oszillographen handeln
kann. Um nicht nur die zeitlichen, sondern auch die räumlichen Schwankungen des
Schallwechseldruckes erfassen zu können, ist die stabförmige Druckmeßsonde in x-,
y- und z-Richtung des dargestellten räumlichen kartesischen Koordinatensystems verschiebbar,
wobei die Membran M1 stets parallel zur abstrahlenden Ebene des piezoelektrischen
Ultra-
schallgebers UG1 und damit senkrecht zur Ausbreitungsrichtung
des Schalls ausgerichtet bleibt.
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Zur Messung des Schallwechseldrucks bei wandseitig angeordneten Ultraschallgebern
UG2 wird in die Badflüssigkeit BF eine L-förmig abgewinkelte Druckmeßsonde eingebracht,
die gemäß Figur 3 aus einem in einem Druckaufnehmergehäuse DAG2 hermetisch gekapselten
Druckaufnehmer DA2 besteht, wobei die aktive Meßfläche des Druckaufnehmers DA2 an
die als Membran M2 wirkende Stirnfläche des kurzen seitlichen Schenkels des Druckaufnehmergehäuses
DAG2 angekoppelt ist. Die Membran M2 ist somit parallel zur abstrahlenden Ebene
des piezoelektrischen Ultraschallgebers UG2 ausgerichtet. Im übrigen entspricht
der Aufbau der L-förmig abgewinkelten Druckmeßsonde dem Aufbau der in Figur 2 dargestellten
stabförmigen Druckmeßsonde. Wie in Figur 1 zu erkennen ist, ist die ebenfalls in
x-, y- und z-Richtung verschiebbare L-förmig abgewinkelte Druckmeßsonde an einen
mit LV2 bezeichneten Ladungsverstärker und ein mit SM2 bezeichnetes Spannungsmeßgerät
angeschlossen.
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Die Druckaufnehmergehäuse DAG1 bzw. DAG2 einschließlich der Membranen
M1 bzw. M2 werden aus einem säurebeständigen nicht rostenden Stahl hergestellt,
der beispielsweise 18% Chrom, 8% Nickel und maximal 0,12% Kohlenstoff enthält. Bei
den Druckaufnehmern DA1 bzw. DA2 handelt es sich um Quarzkristall-Druckaufnehmer.
Abweichend von den rein schematischen Darstellungen der Figuren 2 und 3 sind dabei
jeweils drei Quarzkristall-Säulen vorgesehen, die um Winkel von 1200 gegeneinander
versetzt auf der Membran M1 bzw. M2 angeordnet und über eine elektrische Brückenschaltung
miteinander verknüpft sind.
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Es ist ferner möglich, die von den Druckmeßsonden erzeugten Spannungen,
koordiniert zur Geometrie des Ultraschallbades USB, über Rechner und Plotter als
räumliche Darstellung des
Schallwechseldruckes aufzuzeichnen.
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Weiterhin ist es auch möglich, in das Ultraschallbad ein Kompakt-Druckaufnehmer-System
einzuhängen, das aus einer Vielzahl gerader und winkliger Druckmeßsonden besteht
und gleichzeitig in einer Meßstellung um einen Meßpunkt eine räumliche Messung des
Schallwechseldruckes ermöglicht.
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Dieses Kompakt-Druckaufnehmer-System könnte aber auch ein gemeinsames
kugelförmiges Gehäuse besitzen, aus welchem die einzelnen Druckmeßsonden in verschiedenen
Richtungen radial hervorstehen. Dieses kugelförmige Gehäuse kann dann über einen
Stiel, der auch die Anschlußleitungen aufnimmt, in die Wanne eines Ultraschallbades
eingehängt werden.
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6 Patentansprüche 3 Figuren