DE10045847B4

DE10045847B4 - Kavitationssensor

Info

Publication number: DE10045847B4
Application number: DE10045847A
Authority: DE
Inventors: Bajram Zeqiri
Original assignee: UK Secretary of State for Trade and Industry
Current assignee: UK Secretary of State for Trade and Industry
Priority date: 1999-09-16
Filing date: 2000-09-14
Publication date: 2008-11-06
Anticipated expiration: 2020-09-15
Also published as: GB2358705A; JP2001133321A; GB0022006D0; GB2358705B; US6497140B1; JP4261040B2; DE10045847A1; GB9921982D0

Abstract

Kavitationssensor (10; 75) zur Erkennung von Kavitationsereignissen in einem Fluidmedium,
mit einem hohlzylindrischen Ultraschallabsorber (20), welcher transparent gegenüber Frequenzen im Bereich von 20 kHz bis 80 kHz ist, der jedoch Frequenzen in dem Bereich oberhalb von 1 MHz dämpft; und
mit einem zylindrischen piezoelektrischen Element (30), das innerhalb des hohlzylindrischen Ultraschallabsorbers (20) angeordnet ist, wobei das hohlzylindrische piezoelektrische Element (30) während der Verwendung eine Begrenzung eines Volumens des Fluidmediums bildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kavitationssensor zur Erkennung von Kavitationsereignissen in einem Fluidmedium.
Um pharmazeutische Behältnisse wie Ampullen und dergleichen zu reinigen, werden beispielsweise aus der DE 197 41 836 A1 bekannte Reinigungsvorrichtungen eingesetzt. Die Behältnisse sollen vor dem Befüllen von Schmutzteilchen oder ähnlichem befreit werden. Das Reinigungsprinzip beruht dabei auf der sogenannten Kavitation, die in einem Ultraschallbad stattfindet, in dem von Schwingungserzeugern erzeugte Schwingungen von entscheidender Bedeutung sind.
Derartige und ähnliche Ultraschallreinigungskessel werden in der gesamten Industrie für eine Reihe von Reinigungsanwendungen einschließlich der Sterilisation eingesetzt. Zu reinigende Objekte werden in einem Wasserbad platziert, welches ein akustisches Feld enthält, das von einem oder einer Gruppe von Übertragern erzeugt wird. Der Übertrager wird typischerweise ein akustisches Antriebsfeld innerhalb des Frequenzbereiches von ungefähr 20 kHz bis 100 kHz erzeugen, abhängig von den zu reinigenden Artikeln, dem gewünschten Reinigungsgrad usw.
Die von dem akustischen Feld erzeugten mechanischen Vibrationen induzieren eine Blasenbewegung innerhalb des Mediums. Dies liegt an den kleinen gelösten Blasen innerhalb des flüssigen Mediums, die im Allgemeinen mit Schwachpunkten innerhalb der Flüssigkeit wie beispielsweise Verunreinigungen in Verbindung gebracht werden. Die Kavitation ist der Begriff, der verwendet wird, um die Oszillation, Ausdehnung, und den Kollaps der Blasen zu beschreiben. Die Oszillation und der Kollaps der Blasen selbst erzeugen akustische Wellen, deren Komponenten einen Frequenzbereich einschließen, welcher von den Details der Blasenbewegung abhängt, aber sich hoch in den Megahertzfrequenzbereich erstreckt, wesentlich höher als das akustische Antriebsfeld. Die Blasen können auch katastrophenartig kollabieren und Schockwellen erzeugen und diese zusammen mit den Wasserstrahlen, die durch den Kollaps erzeugt werden, sind typische Mechanismen, durch welche eine Ultraschallreinigung der Komponenten stattfindet. Der Grad an Kavitation kann variiert werden durch das Justieren der Größe des elektrischen Antriebs an die Übertrager, wodurch die akustischen in dem Bad erzeugten Drücke beeinflusst werden.
Die Dichte der Kavitationsblasen, die Frequenz der Blasenerscheinungen und die Gewalt des Kollapses stehen in Bezug zur Effektivität einer jeden Reinigungstechnik, die dieses Phänomen einsetzt. Die Fähigkeit, diese Parameter oder einen kombinierten Effekt der Blasenaktivität zu messen würde eine Optimierung der Antriebsamplitude der Übertrager für einen gegebenen Typ eines Reinigungskessels ermöglichen. Es würde eine Überwachung des Langzeitverhaltens des Reinigungskessels ermöglichen und eine Basis eines Tests schaffen, durch welchen das Verhalten von Reinigungskesseln verglichen werden könnte.
Es gibt in anderem Zusammenhang bereits verschiedene Möglichkeiten, Schwingungen zu beobachten, die mit Kavitation zusammenhängen. So schlägt die GB 1 487 203 Überwachungseinrichtungen für Schwingungen vor, die bei einer unerwünschten Kavitation an den Lamellen eines Propellers auftreten können. Die DE 25 25 425 A1 beschreibt Drucksensoren für das Feststellen von Stoßwellenfeldern in Flüssigkeiten, wofür piezoelektrische Kristalle verwendet werden. Ein ählicher Stoßwellensensor ist auch aus der DE 34 37 976 A1 bekannt, wobei Folien aus einem Polyvinylidenfluorid eingesetzt werden.
Aus der EP 0 256 202 A2 ist ein Ankoppelkörper für eine Stoßwellen-Therapieeinrichtung bekannt. Dabei ist ein Sensor vorgesehen, um während einer Nierensteinzertrümmerung die Stoßwellenimpulse überwachen zu können. Diesem Zweck dient auch ein aus der EP 0 418 663 A1 bekanntes piezoelektrisches Membranhydrophon.
Weitere akustische Sensoren sind aus der US-PS 4,433,400 und der US-PS 5,293,353 bekannt.
Keine der vorgenannten Entgegenhaltungen beschäftigt sich mit der Überwachung des Langzeitverhaltens von Reinigungsvorrichtungen, die mit Ultraschall arbeiten.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensor zum Überwachen akustischer Kavitation in Ultraschallreinigungskesseln vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Kavitationssensor zur Erkennung von Kavitationsereignissen in einem Fluidmedium, mit einem hohlzylindrischen Ultraschallabsorber, welcher transparent gegenüber Frequenzen im Bereich von 20 kHz bis 80 kHz ist, der jedoch Frequenzen in dem Bereich oberhalb von 1 MHz dämpft; und mit einem hohlzylindrischen piezoelektrischen Element, das innerhalb des hohlzylindrischen Ultraschallabsorbers angeordnet ist, wobei das hohlzylindrische piezoelektrische Element während der Verwendung eine Begrenzung eines Volumens des Fluidmediums bildet.
Dieser Kavitationssensor ermöglicht ein Erkennen von Blasenerscheinungen innerhalb eines Fluids, das einem akustischen Feld ausgesetzt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform zeichnet sich ein Kavitationssensor dadurch aus, dass ein Kern vorgesehen ist, dass der Kern längs der Längsachse des hohlzylindrischen Ultraschallabsorbers angeordnet ist, und dass der Kern transparent gegenüber Frequenzen in dem Bereich von 20 kHz bis 80 kHz ist, jedoch bei Frequenzen oberhalb von 1 MHz dämpfend ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform zeichnet sich der Kavitationssensor dadurch aus, dass das hohlzylindrische, piezoelektrische Element eine Beschichtung der Innenseite des zylindrischen Ultraschallabsorbers bildet.
In einer alternativen Ausführungsform zeichnet sich der erfindungsgemäße Kavitationssensor dadurch aus, das das hohlzylindrische, piezoelektrische Element eine Beschichtung der Außenseite des Kerns bildet.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden beschrieben anhand lediglich von Beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in welchen:
1 eine Explosionsdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines Kavitationssensors im Schnitt zeigt;
2 einen Schnitt längs der Linie A-A des Kavitationssensors aus 1 zeigt;
3 eine Draufsicht auf die Deckplatte des Kavitationssensors aus 1 zeigt;
4 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform eines Kavitationssensors zeigt;
5 einen Schnitt längs der Linie B-B des Sensors aus 4 zeigt;
6 einen Schnitt einer anderen Ausführungsform eines Kavitationssensors zeigt; und
7 einen Schnitt eines Sensors aus der 6 längs der Linie C-C zeigt.
Unter Bezugnahme auf die 1, 2 und 3 soll die Ausführungsform des dargestellten Sensors 10 in einem Reinigungskessel platziert werden. Der Sensor 10 besitzt ein piezoelektrisches Element 30 mit der Form eines (Hohl-)Zylinders. Die Außenseite dieses piezoelektrischen Elements 30 zeigt eine Beschichtung mit einem Ultraschallabsorber 20, welcher beispielsweise aus Gummi oder einem polymerem Material wie beispielsweise Polyurethan besteht. Für beste Ergebnisse sollte der Ultraschallabsorber 20 eine akustische Impedanz besitzen, die hinreichend genau zu der des Mediums passt, die in dem Reinigungskessel verwendet wird. Der Absorber 20 wirkt sehr dämpfend auf Ultraschall bei Frequenzen oberhalb von 1 MHz (selbst bei relativ dünnen Schichten mit einer Dicke von 2 oder 3 mm), ist aber praktisch transparent gegenüber Frequenzen in dem Bereich von 20 kHz bis 80 kHz.
Der Vorteil dieser Materialien besteht darin, dass sie als Beschichtung auf einer Seite des piezoelektrischen Sensors verwendet werden können, um diesen von akustischen Signalen abzuschirmen, die von den Blasenkollapsen erzeugt werden, die außerhalb des Sensorzylinders stattfinden. Dies dient dazu, die piezoelektrische Folie zu schützen und außerdem die von den Kavitationsblasenkollapsen erzeugten Signale auf der Sensoroberfläche zu eliminieren, da diese die Reaktion dominieren könnten.
Durch das Zentrum und im Wesentlichen parallel zur Achse des Sensors 10 läuft eine zylindrische Bohrung oder Leitung 25. Während der Verwendung, also wenn der Sensor in das Fluid beim Test eingetaucht ist, definiert das Ausmaß der Bohrung ein Volumen des Fluidmediums. Das Fluidmedium kann typischerweise Wasser sein, könnte aber auch jedes andere Fluidmedium sein.
Eine Deckplatte 40 wird als Unterstützungsrahmen vorgesehen und außerdem als eine Schnittstelle für eine Verbindungsstange 50. Innerhalb der Verbindungsstange 50 ist ein tauchfähiger Vorverstärker 60 angeordnet, um die erforderliche Verstärkung des Sensorsignals bereitzustellen, das durch einen Verbinder 70 geleitet wird. Das Signal wird dann zu einem entfernten Ort (nicht dargestellt) für eine Verarbeitung und Analyse weitergeführt.
Störungen des akustischen Antriebsfeldes innerhalb des Fluidmediums verursacht durch die Einführung des Sensors müssen minimiert werden, wenn der Sensor effektiv sein soll. Es ist daher vorzuziehen, Materialien zu verwenden, die im Wesentlichen akustisch zu den Eigenschaften des Testmediums passen, in diesem Beispiel zu Wasser.
Es hat sich herausgestellt, dass Materialien wie beispielsweise Polyvinylidenfluorid (PVDF)-Folien gute Piezoelektrika für diesen Zweck sind. Es wird bevorzugt, piezoelektrische Copolymerfolien mit einer Dicke von weniger als der Wellenlänge der akustischen Frequenzen im Bereich von 40 bis 50 kHz zu verwenden. Diese Arten von Folie haben die gewünschte akustische Impedanz, die zu Wasser passt.
Die Verbindungsstange 50 und die Deckplatte 40 werden vorzugsweise aus einem Material hergestellt, dessen akustische Impedanz zu Wasser relativ gut passt, beispielsweise ein syntaktisches Epoxymaterial. Dieser Materialtyp kann geformt und bearbeitet werden und kann vorteilhafterweise mit einer sehr geringen Dichte hergestellt werden, vorzugsweise in dem Bereich zwischen 0,5 und 0,55 g/cm³. Außerdem passt die akustische Impedanz der syntaktischen Epoxyde sehr gut zu Wasser.
Nach der Platzierung in einem Volumen von Wasser, das einem akustischen Antriebsfeld ausgesetzt ist, treten Blasenereignisse innerhalb des durch die zylindrische Bohrung 25 vorgesehenen Volumens auf und werden mittels induzierter Reaktionen in dem piezoelektrischen Material 30 aus Ultraschalldruckwellen erkannt, die aus den Blasenereignissen entstehen.
Das Maximum in der Reaktion wird begrenzt auf eine koaxiale zigarrenförmige Region, die sich längs der Axiallänge des Sensors erstreckt. Die radiale Reaktion nimmt rapide ab und der Abnahmegrad steigt mit dem Anstieg der Antriebsfrequenz. Links der Achse des Sensors ist die Reaktion mehr oder weniger konstant. Obwohl die Reaktion außerhalb der Achse wesentlich niedriger ist, neigt sie zum Ansteigen gegenüber der Außenkante des (Hohl-)Zylinders, der von dem piezoelektrischen Material 30 gebildet wird, aufgrund der inversen radialen Druckabfälle.
Ein Kernzylinder von akustisch transparentem Material kann im Zentrum des (Hohl-)Zylinders angeordnet werden, um Kohärenzen zu beseitigen und räumliche Feldvariationen auszugleichen.
Die 4 und 5 zeigen eine andere Ausführungsform eines Kavitationssensors. Hier ist ein zusätzlicher koaxialer Kern 80, der von einem weiteren Ultraschallabsorber gebildet wird, in dem Sensor 75 eingeschlossen. Dieser Kern 80 ist im Wesentlichen ähnlich transparent gegenüber den akustischen Antriebsfrequenzen, wie es der äußere Ultraschallabsorber 20 ist. Zusätzlich zu der Deckplatte 90 ist eine Bodenplatte 95 vorgesehen, um eine Unterstützung für die Sensorkonfiguration zu bilden. Durchlässe 81, 82, 83 und 84 sind sowohl in der Deckplatte 90 als auch der Bodenplatte 95 enthalten, um dem Fluidmedium Zugang zur Leitung 85 zu erlauben.
Die starke axiale Reaktion auf einzelne Blasenereignisse (wie oben erörtert) liegt an der starken Phasenauslöschung für außerachsige Ereignisse. Einschließen des Kernes 80 kann die Kohärenz beseitigen und vorteilhafterweise ein Glätten der räumlichen Variationen unterstützen.
Die 6 und 7 zeigen eine weitere Ausführungsform eines Kavitationssensors. Der innere Kern 80 ist konzentrisch zu dem äußeren piezoelektrischen Element 30, das hier eine Beschichtung dieses Kerns 80 bildet. Die Leitung 105 wird durch den hohlzylindrischen Ultraschallabsorber 20 begrenzt. Die Deckplatte 100 schließt Fluidmedien-Durchlässe 101 und 102 mit entsprechenden Durchlässen 103 und 104 in der Bodenplatte 110 ein. In dieser Ausführungsform ist die Verbindungsstange 50 (die einen nicht dargestellten Vorverstärker enthält) an dem Sensor an einem zentralen Punkt der Deckplatte angebracht.
Der durch diese Ausführungsform erzielte Vorteil besteht darin, dass die Reaktion sanft von der piezoelektrischen Kernoberfläche zum äußeren Absorber 20 abfällt.
Piezoelektrische Folienmessungen
Die Bandbreite der piezoelektrischen Folie muss so breit sein wie möglich, um hochfrequente Signale (Schockwellen) erhalten zu können, die von Kavitationskollapsen erzeugt werden.
Eine Reihe von unterschiedlichen Materialien wurde getestet und Messungen zur Feststellung der Sensitivitäten gemäß der folgenden Beschreibung durchgeführt.
Um Zahlen für die Sensitivität oder Empfindlichkeit der verschiedenen erhältlichen piezoelektrischen Materialien zu bekommen wurde eine Reihe von Messungen durchgeführt, die neue und existierende Übertrager als Quellen nutzten. Diese wurden angetrieben unter Verwendung von fünf Zyklusbursts bei der gewünschten Frequenz, die typischerweise einen akustischen Druck von einigen 100 kPa von Spitze zu Spitze erzeugten. Die räumliche Verteilung und akustische Impulsinformation wurde über einen Frequenzbereich von 500 kHz bis 5 MHz erhalten unter Verwendung eines kalibrierten 9 μm bi-laminaren Membranhydrophons. Unter Verwendung einer Substitutionstechnik wurden die aus den untersuchten Materialien hergestellten Sensoren danach an demselben Punkt in dem akustischen Feld platziert und die errechnete Empfindlichkeit aus dem Verhältnis der erzeugten Spannung zu dem bekannten akustischen Druck aus den Hydrophonmessungen errechnet. Sofern angemessen, wurden Korrekturen für die Kabelladung und das Mitteln des räumlichen Verhaltens durchgeführt.
Die Verbindungen wurden unter Verwendung von leitender Silberfarbe an einem RG174 Kabel und einem MCX Verbinder hergestellt. Der zylindrische Sensor wurde mit dem Vorverstärker verbunden und in dem akustischen Fernfeld angeordnet, wobei er vertikal mit Abstand gegenüber dem Übertrager gehalten wurde. Eine Reaktion wurde beobachtet, die anzeigte, dass das Gerät ein Signal von beiden Seiten des Zylinders erzeugt, wobei der erste Impuls in der zeitabhängigen Spur ähnlich dem war, der beobachtet werden konnte von dem Punkt aus, an dem die Sensoren zuvor waren, während das zweite Signal kom plexer war, wahrscheinlich anzeigend einige Phasenauslöschungen über die große aufgesammelte Fläche. Auf jeden Fall war das Signal sehr verrauscht.
Unter Verwendung von Lack wurde der Zylinder isoliert und dann mit einem Nickelüberzugsaerosolspray abgedeckt in der Hoffnung, dass dieses einige Abschirmung geben würde. Nach der Platzierung in dem akustischen Feld stellte sich dieses als teilweise erfolgreich heraus, wobei die Rauschniveaus um ungefähr 30% gesenkt wurden.
Um qualitativ die Reaktion des Sensors auf Kavitationssignale herauszufinden wurde der Zylinder in einem mit Leitungswasser gefüllten Tank platziert, in welchem ein akustischer Übertrager bei 750 kHz arbeitete. Leistung im Bereich oberhalb von 10 W erzeugte sichtbare Kavitationsaktivität, die sich durch subharmonische Komponenten (375 kHz) zeigte, aber noch nützlicher konnte ein Anstieg in dem Breitbandrauschen in dem Bereich von 1 bis 4 MHz beobachtet werden. Kein systematischer Trend konnte in den Signalniveaus beobachtet als Funktion der Position des Sensors im Verhältnis zum von dem Übertrager ausgestrahlten Strahl werden.
Berechnungen mit getesteten piezoelektrischen Materialien zeigten einen leichten Anstieg in der Empfindlichkeit an bis hin zu einer scharfen Resonanz bei 9 MHz, 50% höher als die Werte bei niedrigen MHz-Frequenzen. Ein vorhandenes Gerät von 30 mm × 15 mm wurde qualitativ in den vorerwähnten akustischen Feldern getestet und erzeugte fertig messbare Signale in dem Bereich von 0,5 bis 20 MHz, die für derartige dünne Folien erwartet werden können. Kavitationssignale wurden auch beim Platzieren des Sensors in einem Tank beobachtet.
In einer anderen Ausführungsform kann die Folie um eine innere Form, optional hergestellt aus Perspex^TM, herumgeschlagen werden. Unter Bezugnahme auf die Darstellung in 2 kann diese Ausführungsform mit einem zusätzlichen dünnwandigen Kern als Former vorgesehen werden.
Es ist klar, dass die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen alle miteinander kombiniert werden können.

Claims

Kavitationssensor (10; 75) zur Erkennung von Kavitationsereignissen in einem Fluidmedium, mit einem hohlzylindrischen Ultraschallabsorber (20), welcher transparent gegenüber Frequenzen im Bereich von 20 kHz bis 80 kHz ist, der jedoch Frequenzen in dem Bereich oberhalb von 1 MHz dämpft; und mit einem zylindrischen piezoelektrischen Element (30), das innerhalb des hohlzylindrischen Ultraschallabsorbers (20) angeordnet ist, wobei das hohlzylindrische piezoelektrische Element (30) während der Verwendung eine Begrenzung eines Volumens des Fluidmediums bildet.
Kavitationssensor (10; 75) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kern (80) vorgesehen ist, dass der Kern (80) längs der Längsachse des hohlzylindrischen Ultraschallabsorbers (20) angeordnet ist, und dass der Kern (80) transparent gegenüber Frequenzen in dem Bereich von 20 kHz bis 80 kHz ist, jedoch bei Frequenzen oberhalb von 1 MHz dämpfend ist.
Kavitationssensor (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das hohlzylindrische, piezoelektrische Element (30) eine Beschichtung der Innenseite des hohlzylindrischen Ultraschallabsorbers (20) bildet.
Kavitationssensor (75) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das hohlzylindrische, piezoelektrische Element (30) eine Beschichtung der Außenseite des Kerns (80) bildet.
Kavitationssensor (10; 75) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallabsorber (20) und/oder der Kern (80) aus Gummi oder aus einem polymeren Material besteht.
Kavitationssensor (10; 75) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (30) aus einem Polyvinylidenfluorid besteht.
Kavitationssensor (10; 75) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (30) eine Dicke von weniger als der Wellenlänge der akustischen Frequenzen in dem Bereich von 40 bis 50 kHz besitzt.
Kavitationssensor (10; 75) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschichtung des Sensors mit Lack vorgesehen ist, und dass die Beschichtung aus Lack mit einer Nickelschicht überdeckt ist.