DE4035828C2 - Überwachungsverfahren bei Ultraschallwandlern - Google Patents
Überwachungsverfahren bei UltraschallwandlernInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der
Energieübertragung von Ultraschallwandlern an eine Mem
bran bei Einrichtungen zur Ultraschallreinigung von Werk
stücken, wobei Ultraschallwandler und Membran eine gegen
seitige Verbindung mittels eines Klebers aufweisen, sowie
eine Einrichtung für dieses Verfahren.
Werkstücke der verschiedensten Art werden zur lösungs
mittelarmen Reinigung in Ultraschallbädern behandelt.
Diese Bäder haben als Membranen ausgebildete Schwing
böden, an denen ein oder mehrere Ultraschallwandler
befestigt sind, üblicherweise sind sie angeklebt.
Auf eine derartige Ausführungsform von Ultraschallbädern
wird in den Druckschriften DE 19 51 075 A1 und DE 38 15
925 C1 verwiesen, womit diese im Stand der Technik
bekannt ist.
Die Druckschriften selbst behandeln aber keine mit
solchen Verklebungen befestigten Ultraschallwandler.
Im Laufe der Zeit können sich diese Verklebungen lösen.
Dann setzen die Ultraschallwandler zwar noch elektrische
Energie in mechanische Energie um, aber die mechanische
Energie wird nur noch zum Teil oder, falls sich die Ver
klebung ganz löst und der Ultraschallwandler von der Mem
bran abfällt, gar nicht mehr an das Reinigungsbad abgege
ben.
Dadurch ergibt sich im Bad eine verminderte Ultraschall-
und damit Reinigungsleistung.
Bei mehreren Wandlern kann sich auch eine ungleichmäßige
Verteilung der Leistung im Bad ergeben.
Diese führt dazu, daß bei in einem Bad gereinigten Losen
einzelne Werkstücke erheblich schlechter gereinigt werden
als andere. Es kann vorkommen, daß bis dies festgestellt
wird, bereits weitere Lose durch das Reinigungsbad gelau
fen sind, so daß schon eine erhebliche Anzahl an schlecht
gereinigten Werkstücken angefallen ist.
Diese müssen alle unter erheblichem Aufwand aussortiert
und nachbehandelt werden.
Um einen Leistungsverlust im Reinigungsbad festzustellen,
kann man nicht die von den Ultraschallwandlern umgesetzte
elektrische Leistung messen, da die Ultraschallwandler
diese auch dann umsetzen, wenn sie sich ganz oder teil
weise von der Membran abkoppeln. Als weitere Möglichkeit
bleibt, im Reinigungsbecken selbst die vorhandene Energie
und/oder Energieverteilung zu prüfen. Die dafür benutzten
Meßverfahren sind aber sehr ungenau, da sie von vielen
Einflüssen abhängig sind, wie zum Beispiel Temperatur,
Reinigungsflüssigkeit, Füllstand des Beckens, Reflexionen
und der Position der Prüfsonde.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzuge
ben, mit dem eine Veränderung in der Verbindung, insbe
sondere der Güte der Klebverbindung von Ultraschallwand
ler und Membran, festgestellt werden kann, wobei dieses
Verfahren einfach, sicher und im wesentlich nur mit den
vorhandenen Bauteilen arbeiten soll und ohne hohen kon
struktiven Aufwand in die Praxis umsetzbar sein soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
zwischen der der Membran zugewandten Abschlußfläche des
Ultraschallwandlers und der Membran die Kapazität des aus
Abschlußfläche, Kleber und Membran gebildeten Kondensa
tors geprüft wird.
Aus der US 25 44 673 ist zwar bekannt, die Güte von
Klebeverbindungen mit Hilfe von Kapazitätsmessungen zu
überprüfen, allerdings sieht die Druckschrift dies unter
Aufbringung von Druck vor, was einen hohen apparativen
Aufwand erfordert. Darüberhinaus erfolgt die Messung nur
einmalig und nicht etwa kontinuierlich, was zum Detek
tieren einer nachlassenden Verklebung des Ultraschall
wandlers mit der Membran im Reinigungsbetrieb notwendig
ist.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen
darin, daß schon kleinste Ablösungsbereiche in den Ver
bindungen von Ultraschallwandlern und Membran festge
stellt werden können, da die in diesen Bereichen zusätz
lich in den Kondensatorspalt gelangende Luft aufgrund
ihrer spezifischen Dielektrizitätskonstante eine deutli
che Änderung der elektrischen Kondensatorkapazität be
wirkt, die außerdem auch durch den sich ändernden Abstand
zwischen Ultraschallwandler und Membran verändert wird.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, daß auch Feuch
tigkeit im Schwingsystem bzw. im Kondensatorspalt festge
stellt werden kann. Diese tritt zum Beispiel dann auf,
wenn an der als Schwingboden ausgebildeten Membran durch
Kavitationserscheinungen in den Bereichen, in denen die
Ultraschallwandler befestigt sind, Undichtigkeiten be
wirkt werden, durch die Reinigungsflüssigkeit in den Kon
densatorspalt gelangt.
Außerdem kann die Feuchtigkeit aber auch aus Flüssig
keitsspritzen oder aus auf andere Weise an den Kleber ge
langender Flüssigkeit aus anderen Undichtigkeiten herrüh
ren. Diese Feuchtigkeit verschlechtert das Dielektrikum
und kann auch zu Spannungsüberschlägen zwischen den Kon
densatorflächen führen.
Um die Kapazitätsprüfung durchzuführen, ergeben sich
mehrere Möglichkeiten. Diese haben gemein, daß bei der
ersten Inbetriebnahme der Ultraschallreinigungsanlage die
elektrische Kapazität gemessen wird und dann im weiteren
nur noch geprüft wird, ob sich dieser Wert ändert.
An dieser Stelle soll erwähnt werden, daß auch schon bei
der Befestigung mehrerer Ultraschallwandler an der glei
chen Membran es vorteilhaft ist, die sich bildenden Kapa
zitäten zwischen einzelnen Ultraschallwandlern und der
Membran zu messen. So kann sichergestellt werden, daß bei
gleicher Einzelkapazität zwischen den einzelnen Ultra
schallwandlern und der Membran deren jeweilige Verbindung
von der jeweils selben Qualität ist und alle Ultraschall
wandler ein gleiches Schwing- und Energieabgabeverhalten
haben. Dies führt im späteren Betrieb der Ultraschall
reinigungsanlage zu einer gleichmäßigen Energieverteilung
im Reinigungsbad.
Die Messung der elektrischen Kapazität kann entweder
durchgeführt werden, indem zwischen Abschlußfläche des
Ultraschallwandlers und der Membran eine elektrische
Wechselspannung angelegt wird und die Kapazität dann über
Messung des Blindwiderstandes erfolgt, oder der Kondensa
tor wird in einen Schwingkreis mit bekannter Induktivität
und ohmscher Last integriert und dann wird die Änderung
der Resonanzfrequenz dieses Schwingkreises als Prüfkrite
rium benutzt, oder es wird die Änderung des Phasenwinkels
zwischen Strom und Spannung ermittelt.
Es ist aber auch denkbar, den Kondensator mit einer
Gleichspannung aufzuladen und dann die Zeitkonstante zu
messen. Damit sind einige unterschiedliche Methoden zur
Kapazitätsprüfung nicht abschließend aufgezählt.
Wenn die Messung der Kapazität mit Hilfe eines separaten
Meßgenerators kontinuierlich erfolgt, wird eine besonders
lückenlose Überwachung erreicht.
Um eine mögliche Verfälschung der Prüfergebnisse zu ver
hindern, kann bei abgeschalteten Ultraschallwandlern ge
messen werden.
Es ist vorteilhaft, die Kapazitätsprüfung bei Betriebs
temperatur des Ultraschall-Reinigungsprozesses durch
zuführen, da eine sich verändernde Temperatur die Prüf
ergebnisse beeinflussen könnte.
Für die Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens wird
eine Einrichtung vorgeschlagen, bei der die der Membran
zugewandte Abschlußfläche des Ultraschallwandlers, der
Kleber und die Membran als elektrischer Kondensator aus
gebildet und mit einer Vorrichtung zur Kapazitätsprüfung
verbunden sind.
Dabei ist es sowohl denkbar, daß die Membran und die Ab
schlußfläche des Ultraschallwandlers aus elektrisch leit
fähigem Material sind, als auch daß sie aus nicht elek
trisch leitfähigem Grundmaterial sind und mit einer zu
sätzlichen elektrisch leitfähigen Schicht versehen sind.
Dabei können die leitfähigen Schichten durch nicht elek
trisch leitfähiges Grundmaterial der Membran bzw. des
Ultraschallwandlers vom Kleber getrennt sein.
Wenn der Kleber direkt mit elektrisch leitfähigem Materi
al in Berührung kommt, so muß er elektrisch isolierend
sein.
Bei einigen Ausführungsformen von Ultraschallwandlern ist
vor die Abschlußfläche des eigentlichen Ultraschallwand
lers ein Befestigungskörper gesetzt, über den die Ankop
pelung des Ultraschallwandlers an die Membran erfolgt.
Bei diesen Ausführungsformen wird die elektrische Kapazi
tät zwischen der Membran und der dieser zugewandten An
schlußfläche des Befestigungskörpers gemessen.
Dabei verringern aus Leichtmetall bestehende Befesti
gungskörper der Ultraschallwandler durch ihr niedriges
spezifisches Gewicht dynamisch ungünstige träge Massen.
Dabei bietet sich Aluminium an, da es sehr preiswert ist.
Durch eine Membran, die aus Edelstahl besteht, wird wegen
dessen Widerstandsfähigkeit die Auswahl der für das Rei
nigungsbad möglichen Reinigungsflüssigkeiten erhöht.
Der Ultraschallwandler kann sowohl aus elektrostriktivem
Material bestehen, als auch aus magnetostriktivem Materi
al.
Überlicherweise sind für den Betrieb des Kondensators
zwei Stromleitungen nötig. Für den Betrieb des Ultra
schallwandlers müssen ebenfalls zwei Leitungen vorhanden
sein. Außerdem verlangen die einschlägigen Vorschriften,
daß die Reinigungsbadwanne mit einer Erdungsleitung zu
versehen ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
werden die auf Massepotential liegende Leitung zum Be
trieb des Ultraschallwandlers einerseits und die von
dieser galvanisch getrennte Erdungsleitung der Reini
gungsbadwanne andererseits gleichzeitig als Anschluß
leitungen für den Betrieb des Kondensators genutzt.
So wird eine erhebliche Materialeinsparung erzielt, da
keine zusätzlichen Kabel angebracht werden müssen. Außer
dem ergibt sich auch eine einfache Möglichkeit, festzu
stellen, wenn ein Ultraschallwandler durch Bruch des Mas
sekabels oder der Verbindungsstelle von Kabel und Ultra
schallwandler nicht mehr im Stromkreislauf ist und des
wegen nicht mehr zum Schwingen angeregt wird.
Auf die beschriebene Art lassen sich außer den Klebungen
von Ultraschallwandlern auch andere, insbesondere dyna
misch belastete Klebestellen überwachen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbei
spiels. Dabei zeigt
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Ultraschallreini
gungsbades,
Fig. 2 Prinzipskizze eines nach der Erfindung arbeiten
den elektrostriktiven Ultraschallwandlers,
Fig. 3 Prinzipskizze eines nach der Erfindung arbeiten
den magnetostriktivem Ultraschallwandler.
Fig. 1 zeigt den Schnitt durch ein Ultraschallreinigungs
bad. In einem metallischen Becken 1 befindet sich Reini
gungsflüssigkeit 2. In dieses Becken werden Werkstücke
eingelegt, die durch Ultraschallerregung gereinigt werden
sollen.
Dazu fungiert der Schwingboden des Beckens 1 als Membran
3, an der mehrere Ultraschallwandler 4 befestigt sind. Im
dargestellten Beispiel sind die Ultraschallwandler 4 mit
einem Kleber 5 an der Membran 3 befestigt.
Die Ultraschallwandler 4 werden durch einen Hochfrequenz
generator 6 erregt, mit dem sie über einen hinführenden
Leiter 7 und einen rückführenden Leiter 8 verbunden sind.
Der auf Massepotential liegende rückführende Leiter 8 ist
gleichzeitig an ein Kapazitätsmeßgerät 9 angeschlossen.
Dieses ist mit einer zweiten Anschlußleitung 10 an den
Schutzleiter 11, mit dem das Becken 1 am Erdungsbolzen 12
geerdet ist, verbunden.
An der Schnittstelle 13 werden die Leitungen 7, 8 und 11
aus dem Gehäuse des Ultraschallreinigungsbades nach außen
gelegt.
In der Fig. 2 ist ein entsprechender Aufbau noch einmal
für einen einzelnen Ultraschallwandler 4 skizziert:
Oben ist die Membran 3 zu erkennen, an der der Erdungs
bolzen 12 mit dem Schutzleiter 11 befestigt ist und die
eine Schicht des Klebers 5 trägt. Der eigentliche Ultra
schallwandler setzt sich in dem dargestellten Beispiel
aus mehreren Teilen zusammen.
Als zentrale Elemente erkennt man zwei piezokeramische
Bauteile 14, 15, die durch den Hochfrequenzgenerator 6 zu
striktiven Bewegungen angeregt werden. Dazu wird über den
hinführenden Leiter 7 eine Seite der piezokeramischen
Bauteile 14, 15 über ein zwischen ihnen liegendes Zwi
schenblech 16 mit Spannung gegenüber den Elementen 17, 18
beaufschlagt, die über den rückführenden Leiter 8 auf
Massepotential liegen.
Das Element 17 ist aus besonders schwerem Material, um
eine träge Masse zu bilden, damit die Schallenergie in
die von ihm weggerichtete Richtung abgestrahlt wird.
Damit auf der anderen Seite der piezokeramischen Bauteile
14, 15 keine ungünstigen trägen Massen auftreten, ist das
als Befestigungskörper fungierende Element 18 aus Leicht
metall, vorzugsweise aus Aluminium gefertigt.
In dem vorliegenden Beispiel wird dann über den rückfüh
renden Leiter 8, der mit der Anschlußfläche 19 leitend
verbunden ist, und dem Schutzleiter 11, der mit der Mem
bran 3 verbunden ist, mit dem Kapazitätsmeßgerät 9 die
Kapazität zwischen Membran 3 und Ultraschallwandler 4
gemessen, wobei die Anschlußfläche 19 dem Ultraschall
wandler 4 zugerechnet wird.
Damit der Schutzleiter 11 und der rückführende Leiter 8
galvanisch voneinander getrennt sind, um eine Kapazitäts
messung zu ermöglichen, ist im Hochfrequenzgenerator 6
ein Trenntrafo 20 vorgesehen.
In der Fig. 3 ist das gleiche Prinzip noch einmal für
einen magnetostriktiven Ultraschallwandler dargestellt.
Als Kondensatorfläche wird dabei auf der Wandlerseite zum
einen die durch die Wicklungen der Leiter 7, 8 überstri
chenen Fläche 21 als auch die Ankoppelflächen 22 der
Trafobleche 23 berücksichtigt.
Durch eine entsprechende Prüfschaltung kann mit der vom
Kapazitätsmeßgerät 9 festgestellten Änderung der Kapazi
tät des durch die Anschlußfläche 19 bzw. 21, 22, den Kle
ber 5 und der Membran 3 gebildeten Kondensators überwacht
werden. Diese Kapazität C ist gemäß der folgenden Glei
chung abhängig von der Größe der den Kondensator bilden
den Fläche A, dem Abstand d zwischen den Flächen 19, 21,
22 und der Membran 3 sowie der Elektrizitätskonstante ε
des den Kondensatorspalt füllenden Klebers 5:
C = (A × ε)/d.
Es soll noch darauf hingewiesen werden, daß in dem nach
Fig. 2 gebauten Ultraschallbad der Kleber 5 elektrisch
isolierend sein muß.
Claims (19)
1. Verfahren zur Überwachung der Energieübertragung von
Ultraschallwandlern an eine Membran bei Einrichtungen zur
Ultraschallreinigung von Werkstücken, wobei Ultra
schallwandler und Membran eine gegenseitige Verbindung
mittels eines Klebers aufweisen,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen der der Membran (3) zugewandten Abschlußflä
che (19; 21, 22) des Ultraschallwandlers (4) und der Mem
bran (3) die Kapazität des aus Abschlußfläche (19; 21,
22), Kleber (5) und Membran (3) gebildeten Kondensators
mit Hilfe eines Kapazitätsmeßgerätes kontinuierlich
geprüft wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen Abschluß des Ultraschallwandlers (19; 21,
22) und der Membran (3) eine elektrische Wechselspannung
angelegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kapazitätsprüfung als Messung des Blind
widerstandes durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Kapazitätsprüfung der Kondensator in einen
Schwingkreis mit bekannter Induktivität und ohmscher Last
integriert wird und dann die Änderung der Resonanzfre
quenz dieses Schwingkreises als Prüfkriterium benutzt
wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Prüfung der Kapazität die Änderung des Phasenwin
kels zwischen Strom und Spannung ermittelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen Abschluß des Ultraschallwandlers (19; 21,
22) und der Membran (3) eine elektrische Gleichspannung
angelegt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Prüfung der Kapazität die Zeitkonstante gemessen
wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei abgeschaltetem Ultraschallwandler (4) gemessen
wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kapazitätsprüfung bei Betriebstemperatur des
Ultraschall-Reinigungsprozesses erfolgt.
10. Einrichtung zur Überwachung der Energieübertragung
von Ultraschallwandlern an eine Membran bei Einrichtungen
zur Ultraschallreinigung von Werkstücken, wobei Ultra
schallwandler und Membran eine gegenseitige Verbindung
mittels eines Klebers aufweisen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die der Membran (3) zugewandte Abschlußfläche (19;
21, 22) des Ultraschallwandlers (4), der Kleber (5) und
die Membran (3) als elektrischer Kondensator ausgebildet
und mit einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Kapazi
tätsprüfung (9) verbunden sind.
11. Einrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Membran (3) und die Abschlußfläche (19; 21, 22)
des Ultraschallwandlers (4) aus elektrisch leitfähigem
Material sind.
12. Einrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Membran (3) und die Abschlußfläche (19; 21, 22)
des Ultraschallwandlers (4) aus nicht elektrisch leit
fähigem Grundmaterial und mit einer elektrisch leitfähi
gen Schicht versehen sind.
13. Einrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die leitfähigen Schichten durch nicht elektrisch
leitfähiges Grundmaterial der Membran (3)/des Ultra
schallwandlers (4) vom Kleber (5) getrennt sind.
14. Einrichtung nach Anspruch 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kleber (5) elektrisch isolierend ist.
15. Einrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß vor der Abschlußfläche des Ultraschallwandlers (4)
ein Befestigungskörper (18) sitzt, über den Ankopplung an
die Membran (3) erfolgt und daß dieser Befestigungskörper
aus Leichtmetall, insbesondere Aluminium besteht.
16. Einrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Membran (3) des Reinigungsbeckens (1) aus Edel
stahl besteht.
17. Einrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ultraschallwandler (14, 15) aus elektro-strikti
vem Material bestehen.
18. Einrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ultraschallwandler (23) aus magnetostriktivem
Material bestehen.
19. Einrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß von den zwei für den Betrieb des Ultraschallwandlers
(4) benötigten Stromleitungen (7, 8) die auf Massepoten
tial liegende (8) und eine von dieser galvanisch getrenn
te Erdungsleitung (11) der Reinigungsbadwanne (1) An
schlußleitungen für den Kondensator sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19904035828 DE4035828C2 (de) | 1990-11-10 | 1990-11-10 | Überwachungsverfahren bei Ultraschallwandlern |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19904035828 DE4035828C2 (de) | 1990-11-10 | 1990-11-10 | Überwachungsverfahren bei Ultraschallwandlern |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE4035828A1 DE4035828A1 (de) | 1992-05-14 |
DE4035828C2 true DE4035828C2 (de) | 2000-02-24 |
Family
ID=6418025
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19904035828 Expired - Fee Related DE4035828C2 (de) | 1990-11-10 | 1990-11-10 | Überwachungsverfahren bei Ultraschallwandlern |
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- 1990-11-10 DE DE19904035828 patent/DE4035828C2/de not_active Expired - Fee Related
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