NL1038090C2 - Werkwijze en inrichting voor een optische microfoon. - Google Patents

Description

Werkwijze en inrichting voor een optische microfoon

Onderhavige vinding betreft een werkwijze of inrichting voor het meten van acoustische trillingen in een fluïdum in het algemeen en in een vloeistof in het bijzonder gekenmerkt door tenminste een eerste acoustische trillingsbron, tenminste een door de acoustische 5 trillingbron in trilling gebracht object, tenminste een eerste lichtbron die het in trilling gebrachte object blootstelt aan licht, lichtreflecterende en / of brekende en / of absorberende middelen, die op het in trilling gebrachte object zijn aangebracht of direct of indirect blootgesteld worden aan licht afkomstig van de eerste lichtbron, en een sensor om de lichtopbrengst te meten die via de eerste lichtbron en na interactie met het trillend object 10 bij de sensor terechtkomt. Bij voorkeur meet de sensor fluctuaties in lichtopbrengst die zijn veroorzaakt door de aard en intensiteit van de trillingen van het in trilling gebrachte object. Onderhavige vinding is geschikt om de amplitude en frequentieverdeling van acoustische trillingen in een fluïdum te meten zonder daarbij gebruik te maken van een klassieke microfoon of piezo-element dat trillingen van een sensor direct omzet in een elektrisch 15 signaal.

Inleiding

Een belangrijk aandachtspunt in de procesindustrie, de voedingsmiddelenindustrie en in de waterzuiveringstechnologie is het op een duurzame manier desinfecteren van water en 20 voedingsmiddelen i.e., desinfectie zonder daarbij gebruik te maken van chemicaliën bij een laag energieverbruik per m3 gedesinfecteerd water. Recente ontwikkelingen om zonder gebruik van chemicaliën desinfectie van water toe te passen richten zich onder meer op desinfectie door middel van (gemoduleerde) radiogolven, en / of een wisselend elektrisch veld en / of ultrasone trillingen en / of UV straling en / of ozon.

25 Een bijzonder efficiënte wijze van desinfectie blijkt toepassing van een combinatie van bovengenoemde technieken. Met name de desinfectie waarbij gebruik wordt gemaakt van ultrasone trillingen in combinatie met (gemoduleerde) radiogolven en / of een wisselend elektrisch veld en / of ultrasone trillingen en / of UV straling en / of ozon blijkt bijzonder effectief om water zonder chemicaliën tegen een laag energieverbruik te desinfecteren. Bij 30 blootstelling van vloeistof aan ultrasone trillingen treedt bij een voldoende groot ultrasoon vermogen (ordegrootte > 1 Watt / kg) microcavitatie op. Door de geluidsgolven treden drukmaxima en drukminima in de vloeistof op. In een drukminimum gaat lokaal water koken waarbij een microdampbel ontstaat. Even later implodeert deze dampbel wanneer een drukmaximum ontstaat met als gevolg dat een grote hoeveelheid energie in een klein 35 volume-elementje wordt wordt gedissipeerd. Lokaal kan de temperatuur daarbij zeer kortstondig tot vele honderden graden Celsius oplopen. Door deze verschijnselen van microcavitatie kunnen micro-organismen worden gedood. Een ander effect van ultrasone 10 3 8 0 9 0 2 trillingen is dat deze aggregaten van deeltjes kunnen opbreken. Micro-organismen die in deze aggregaten van deeltjes aanwezig waren en als het ware beschermd waren tegen UV straling en / of radiogolven en / of wisselspanning, worden na opbreken van de aggegaten door de behandeling met ultrasone trillingen zeer effectief gedood.

5 Een andere recente ontwikkeling in de procesindustrie is het ontwikkelen en toepassen van een zodanige reaktorgeometrie dat door toepassing van ultrasone trillingen, de door een transducer geproduceerde hoeveelheid ultrasone energie gelijkmatig over het reaktorvolume wordt verdeeld. In de meeste reaktoren die volgens stand der techniek zijn ontworpen, wordt weliswaar een grote hoeveelheid ultrasone energie in het reaktorvolume 10 gebracht maar is de verdeling van deze energie over het vloeistofvolume in de reaktor zeer beperkt. Het overgrote deel van de ultrasone energie wordt gedissipeerd in een klein volume-element rondom de ultrasone transducer die zich in de reaktor bevindt, hetgeen de effectiviteit van de ultrasone behandeling niet ten goede komt.

Nog een andere recente ontwikkeling in de procesindustrie is het toepassen van ultrasone 15 trillingen gecombineerd met andere ondersteunende desinfectietechnieken en een gepakt bed of een gefluidiseerd bed van deeltjes die zich in een reaktor bevinden.

Een belangrijk probleem bij de ontwikkeling en optimalisatie van reaktorgeometrieen en reaktoren waarbij ultrasone desinfectie wordt gecombineerd met andere desinfectietechnieken is de meting van de distributie van de in de vloeistof gebrachte 20 ultrasone energie over het reaktorvolume. Zoals uiteengezet is een gelijkmatige verdeling van de door de transducer in de reaktor of een array van transducers in de reaktor geproduceerde ultrasone energie over het vloeistofvolume in de reaktor essentieel om een efficient desinfectieproces te verkrijgen.

Een aantal problemen dat zich voordoet bij het meten van de amplitude en frequentie van 25 ultrasone trillingen op verschillende plekken in de reaktor wanneer gemeten wordt met middelen volgens stand der techniek (hydrofoon, bestaande uit piezo-elementen) is: • Aanbrengen van microfoons, piezo-elementen volgens stand der techniek vergt inbreng van sensors en draden in de reaktor. Hiermee wordt niet alleen de feitelijke situatie in de reaktor verstoord maar ook is deze methode bewerkelijk en is het 30 aantal realiseerbare meetpunten beperkt.

• De afmetingen van de microfoons of piezo-elementen die in de vloeistof worden gebracht of die werkzaam verbonden worden met de reaktor zijn relatief groot (tenminste orde-grootte centimeters) hetgeen de kwaliteit van de meting en de maximaal realiseerbare resolutie niet ten goede komt.

35 · De microfoons of piezo-elementen bevinden zich in de vloeistof waarin naast de ultrasone behandeling ook een andere behandeling plaatsvindt. Indien deze andere, synergetische behandeling bestaat uit het behandelen van water met radiogolven of 3 wisselspanning of UVC straling dan bevindt zich in de vloeistof of in de nabijheid van de vloeistof een wisselend elektrisch veld dat in de praktijk een aanzienlijk stoorsignaal veroorzaakt in de versterkers waarop de microfoons of piezo-elementen zijn aangesloten.

5 · De klassieke microfoons of piezo-elementen zijn gevoelig in een beperkt frequentiegebied.

• De ultrasone transducer of het array van ultrasone transducers wordt eveneens aangedreven met een wisselspanning die een wisselend elektrisch veld opwekt. Dit wisselend elektrisch veld heeft dezelfde frequentie als de ultrasone trilling waaraan 10 de vloeistof wordt blootgesteld. Het gevolg hiervan is dat met name de aansturing(en) van de ultrasone transducer(s) zelf een grote bron van storing zijn bij metingen van de distributie van ultrasone energie over de desinfectiereaktoren.

De technologie volgens onderhavige vinding betreft een werkwijze en inrichting om met een grote resolutie de verdeling van ultrasone energie over een vloeistof in een reaktor te meten 15 zonder dat bovengenoemde nadelen van metingen volgens stand der techniek optreden.

Beschrijving van de technologie volgens onderhavige vinding

De technologie volgens onderhavige vinding is gebaseerd op het verschijnsel dat de afmetingen van een object veranderen als functie van de tijd wanneer dat object wordt 20 blootgesteld aan ultrasone trillingen. De verandering van de afmetingen als functie van de tijd geschiedt in het ritme van de ultrasone trillingen en is gebaseerd op drukfluctuaties in het object. De amplitude waarmee de afmetingen van het object veranderen met de frequentie van de ultrasone trillingen is een kwantitatieve maat voor het ultrasoon vermogen waaraan het object is blootgesteld. Door het object te voorzien van middelen die licht 25 reflecteren of licht breken, het object vervolgens bloot te stellen aan een lichtbron en op tenminste een maar bij voorkeur meerdere plekken de door of via het object verspreide lichtbundel te bemeten op amplitude en frequentie kan het ultrasone vermogen waaraan het object is blootgesteld nauwkeurig worden gemeten.

Nu de basis van de technologie volgens onderhavige vinding is uiteengezet wordt deze 30 nauwkeuriger gedefinieerd. Vervolgens wordt een aantal niet limiterende uitvoeringsvormen van de technologie volgens onderhavige vinding beschreven.

Volgens een eerste aspect bestaat de technologie volgens onderhavige vinding uit een lichtbron. Een lichtbron is volgens de definitie in deze aanvrage een gloeilamp, zonlicht, licht dat wordt geproduceerd door een LED, licht dat wordt geproduceerd door een laser, 35 UVC straling. Hoewel ongebruikelijk wordt onder lichtbron in deze aanvrage ook een elektromagnetische golf met een veel lagere frequentie verstaan zoals een radiogolf. Het is de vakman duidelijk dat de technologie volgens onderhavige vinding ook met radiogolven 4 werkt en dat een sensor om de amplitude en frequentie te bemeten in dat geval uit een antenne bestaat.

Volgens een tweede aspect bestaat de technologie volgens onderhavige vinding uit een object dat wordt blootgesteld aan ultrasone trillingen. Een eerste niet limiterend voorbeeld 5 van een dergelijk object is de wand van een reaktor. Indien de wand van de reaktor van een polymeer is gemaakt en / of is voorzien van een coating van reflecterende deeltjes (metallic lak, commercieel verkrijgbare coating om niet metalen behuizingen dicht te maken voor hoogfrequente straling zoals coating met koperdeeltjes) dan zal deze reaktor wanneer deze wordt aangestraald met licht, dit licht door reflectie op de deeltjes in de coating in 10 verschillende richtingen verspreiden. Indien de reaktor onder invloed van de ultrasone trillingen beweegt heeft dit tot gevolg dat op verschillende plekken de intensiteit van het licht fluctueert in het ritme van de ultrasone trilling. Het zal de vakman duidelijk zijn dat bovengenoemd niet limiterend voorbeeld met name toepassing van een laser interessant is omdat hiermee zeer eenvoudig de intensiteit van de ultrasone trilling als functie van de 15 plaats kan worden gemeten aangezien de lichtbron zich bij elke meting concentreert op een klein oppervlak. Een tweede niet limiterend voorbeeld van een dergelijk object is een transparant volume-element, zoals een reaktor van glas, die licht uit de lichtbron doorlaat en waarop al dan niet onregelmatigheden zijn geetst.

Volgens een derde aspect bestaat de technologie volgens onderhavige vinding uit een 20 sensor die veranderingen in de lichtintensiteit meet van het licht dat afkomstig is van de lichtbron en door reflectie'en / of breking bij de sensor komt. Een dergelijke sensor bestaat uit een ccd camera en / of een fotodiode array en / of een fotodiode en / of een LDR array en / of zonnecel(array) en / of een antennedraad en / of een hf probe en / of een hoornantenne en / of een golfpijpantenne. De sensor kan zowel de frequentie van het 25 signaal meten als de amplitude. Het is de vakman duidelijk dat bij toepassing van een array van fotosensors, de positie of de posities van de sensors in het array die licht detecteren een maat zijn voor de amplitude van het signaal.

Nu de technologie volgens onderhavige vinding nader is gespecificeerd volgt een aantal niet limiterende uitvoeringsvormen.

30 In een eerste uitvoeringsvorm wordt een lichtbron, bij voorkeur een laser, gericht op het trillend oppervlak van de ultrasone transducer die ultrasone energie produceert en overdraagt naar de vloeistof in de reaktor. Het is de vakman bekend dat het oppervlak van commercieel verkrijgbare transducers bij de produktie van de transducer ruw is gemaakt dan wel uit gesinterd materiaal bestaat. Deze configuratie is gekozen om ultrasone energie 35 efficient naar de vloeistof te kunnen overbrengen. Met name dit oppervlak is geschikt om te gebruiken als trillend object zoals beschreven in het tweede aspect van onderhavige vinding. In combinatie met een sensor(array) zoals beschreven in het derde aspect kan op 5 deze wijze zeer nauwkeurig de hoeveelheid ultrasone energie die naar de vloeistof wordt overgedragen worden gemeten. Opgemerkt wordt dat deze meting veel nauwkeuriger is dan de stroommeting in het elektrische circuit van de aansturing van de transducer i.e., de meting volgens stand der techniek. Deze stroommeting in combinatie met de spanning over 5 de transducer levert het door de transducer opgenomen elektrisch vermogen en niet het geproduceerde ultrasoon vermogen.

In een tweede uitvoeringsvorm wordt een zeer dunne metalen of glazen staaf in de vloeistof gestoken. Deze staaf dient vervolgens als trillend object volgens het tweede aspect van onderhavige vinding.

10 In een derde uitvoeringsvorm wordt in een reaktor een aantal transducers aangebracht. Vervolgens wordt een aantal sensors volgens de technologie van onderhavige vinding op de reaktorwand en / of in de reaktor gebracht waarna de amplitude van de transducers automatisch, softwarematig en gebruik makend van de sensors zodanig wordt ingesteld dat het ultrasoon vermogen zich gelijkmatig over de vloeistof verdeeld.

15 In een vierde uitvoeringsvorm wordt de technologie volgens onderhavige vinding gecombineerd met microholografische technieken i.e., holografische interferometrie. Holografische interferometrie is een optische techniek waarmee het mogelijk is een driedimensionale afbeelding van een voorwerp te maken en vast te leggen in een zogenaamd hologram. Uit een dergelijk hologram kan men dan door reconstructie het 20 voorwerp weer zichtbaar maken. Deze optische reconstructie gaat zo nauwkeurig dat, indien we de virtuele reconstructie met het voorwerp zelf laten samenvallen er interferentieverschijnselen optreden. Hierdoor is de techniek geschikt voor het meten van kleine vormveranderingen.

In een vijfde uitvoeringsvorm wordt de technologie volgens onderhavige vinding toegepast 25 op reflecterende deeltjes en / of transparante deeltjes in een gepakt bed of gefluidiseerd bed van die deeltjes in een reaktor. De deeltjes zijn dan trillende objecten volgens het tweede aspect van onderhavige vinding. In geval van een gefluidiseerd bed wordt gebruik gemaakt van het feit dat de snelheid waarmee de individuele deeltjes bewegen zeer klein is ten opzichte van de frequentie waarmee de deeltjes onder invloed van de ultrasone 30 trillingen bewegen.

In een zesde uitvoeringsvorm wordt de technologie volgens onderhavige vinding toegepast als microfoon i.e., om hoorbaar geluid zoals muziek, om te zetten in een elektrisch signaal. De acoustische trillingen zoals genoemd in deze aanvrage bevinden zich bij voorkeur in het gebied van 1 Hz tot 100 MHz. De ultrasone trillingen zoals genoemd in deze aanvrage 35 bevinden zich bij voorkeur in het gebied van 18 kHz tot 100 MHz. De radiogolven als lichtbron volgens de definitie in deze aanvrage bevinden zich bij voorkeur in het gebied van 400 MHz tot 100 GHz.

1038090

Claims (13)

1. 2. Inrichting volgens conclusie 1 waarbij het fluïdum een vloeistof is.
2. 3. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 en 2 waarbij het eerste object een houder of reactorwand is waarin zich de vloeistof in trilling bevindt.
3. 4. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 t/m 3 waarbij de sensor een ccd camera en / of een fotodiode array en / of een LDR array en / of een 20 zonnecelarray is.
4. 5. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 t/m 4 waarbij het eerste object een ultrasone transducer is.
5. 6. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 t/m 5 waarbij het eerste object is voorzien van een coating die tenminste individuele reflecterende deeltjes 25 bevat.
6. 7. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 t/m 6 waarbij de intensiteit van de acoustische trilling wordt gemeten door middel van holografische interferometrie.
7. 8. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 t/m 7 waarbij het eerste 30 object een deeltjes uit een gepakt bed reaktor of een gefluidiseerd bed reaktor is.
8. 9. Desinfectiereaktor vermeerderd met een inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 t/m 8 waarbij de verdeling van acoustisch vermogen over de vloeistof automatisch, softwarematig en continu op een gewenste waarde wordt ingesteld middels tenminste en microprocessor en programmatuur.
9. 10. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 t/m 9 waarbij de acoustische trillingen tenminste uit ultrasone trillingen bestaan. II. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 t/m 9 waarbij de acoustische 1038090 trillingen tenminste uit trillingen in het hoorbare gebied bestaan i.e., in het frequentiegebied van 1 Hz tot 18 kHz liggen.
10. 12. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 t/m 9 waarbij de ultrasone trillingen in het frequentiegebied liggen van 18 kHz tot 100 MHz.
11. 13. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 t/m 12 waarbij als lichtbron volgens de definitie in deze aanvrage radiogolven worden toegepast in het frequentiegebied van 400 MHz tot 100 GHz en waarbij een antenne als sensor wordt toegepast.
12. 14. Werkwijze voor het kwantificeren van acoustische signalen in een fluïdum 10 gekenmerkt door een inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 t/m 13.
13. 15. Werkwijze voor de produktie en optimalisatie van een desinfectiereaktor met een inrichting volgens een van de voorgaande conclusies 1 t/m 13. 15 20 25 30 35 1038090