Frequenz und Leistung von hochfrequentem Ultraschall kontaktfrei monitoren

Die Versuche wurden in einer Mehrbadtauchanlage mit 500 und 1.000 kHz-Ultraschallsystemen durchgeführt. Einbezogen wurden auch die in der Anlage vorhandenen Schwingsysteme mit 40, 80 und 120 kHz.

Das laserakustische Mikrofon befindet sich für die Versuche oberhalb der Badoberfläche. Die Messungen erfolgen ohne direkten Kontakt zum Medium und bewegungsfrei.

Die Darstellung zeigt das Frequenzspektrum eines 120 kHz-Schwingsystems (orange) sowie das Grundrauschen des Messsystems (blau) mit laserakustischen Mikrofon.

Für die Erfassung der Ultraschallsignale des 500 kHz-Schwingsystems wurde das Mikrofon zwischen den Messungen um 160 mm horizontal versetzt. Der Abstand zur Badoberfläche lag bei 200 mm. Die praktisch übereinander liegenden Kurven (blau und orange) verdeutlichen, dass die horizontale Position des laserakustischen Mikrofons für die Messung nicht signifikant ist.

Die Frequenzspektren eines 1.000 kHz-Schwingsystems sind hier den Leistungsstufen 20, 40, 60, 80 und 100 % dargestellt. Der Leistungsunterschied wird hauptsächlich in dem Frequenzbereich erkennbar, der kleiner ist als die Anregungsfrequenz. Bildquelle: Ecoclean GmbH

Die Überwachung der Frequenz und -leistung ist bei Reinigungsanwendungen mit Ultraschall im Bereich von 250 bis 2.000 kHz ein wichtiges Instrument zur Qualitätssicherung. Dass mit laserakustischen Mikrofonen auch Schallwellen im hochfrequenten Bereich bis zwei Megahertz zuverlässig erfasst werden, hat Ecoclean in Versuchsreihen nachgewiesen. Basierend darauf hat das Unternehmen seine innovative APM (Acoustic Performance Measurement)-Lösung erweitert. Die neue Lösung ist in der Lage, Ultraschallfrequenz und -leistung sowohl in vollautomatisierten Ultraschall-Mehrbadtauchanlagen als auch geschlossenen Kammerreinigungssystemen kontaktfrei zu überwachen.

Hochfrequenter Ultraschall wird eingesetzt, wenn feinste Partikel und minimale filmische Kontaminationen von empfindlichen beziehungsweise fein strukturierten Oberflächen abzureinigen sind. Dies ist beispielsweise in der Halbleiterfertigung, Mikrosystemtechnik und -elektronik, Präzisionsoptik, Analyse-, Laser- und Vakuumtechnik sowie Medizintechnik der Fall. Um die für eine einwandfreie Funktion definierten Sauberkeitsanforderungen zuverlässig zu erzielen und dabei eine Beschädigung oder Beeinträchtigung der sensiblen Bauteile zu vermeiden, sind die regelmäßige Überprüfung der Schwingcharakteristik und die Berechnung reinigungsrelevanter Kennzahlen wesentliche Qualitätsparameter. Für diese Anwendungen hat Ecoclean den Messbereich der innovativen Acoustic Performance Measurement (APM)-Technologie, mit der bisher Ultraschallfrequenzen bis 132 kHz kontaktlos inline erfasst werden konnten, auf Basis der Laserakustik bis zwei Megahertz erweitert.

Zuverlässige Erfassung des Frequenzspektrums durch Versuchsreihen belegt

Der Entwicklung des neuen APM-Messsystems vorausgegangenen sind Versuchsreihen mit einem laserakustischen Mikrofon. Die Durchführung der Untersuchungen erfolgte in einer Ultraschall-Mehrbadtauchanlage UCMSmartLine und mit Ultraschallsystemen mit 500 kHz und 1.000 kHz Plattenschwingern. Darüber hinaus wurden bereits in der Reinigungsanlage vorhandene Plattenschwinger mit Schwingfrequenzen von 40, 80 und 120 kHz in die Untersuchungen einbezogen und die Ergebnisse mit der bisherigen APM-Technologie mit Kondensatormikrofonen verglichen.

In den Versuchen konnte einerseits nachgewiesen werden, dass das Signal-Rausch-Verhältnis im gesamten Frequenzband hoch genug ist, um Schallwellen bis 2 MHz erfassen zu können. Andererseits ging es darum festzustellen, in welchem Abstand von der Badoberfläche das laserakustische Mikrofon eingesetzt werden muss, damit trotz der bei zunehmender Frequenz stärker werdenden Dämpfung der Schallwellen durch die Luft noch ein adäquates Frequenzspektrum berechnet werden kann. Durch die hohe Sensitivität des laserakustischen Mikrofons ist der Abstand vergleichbar zum Kondensatormikrofon, das zur Messung von niederfrequenten Ultraschall eingesetzt wird.

Vorteile durch kontakt- und bewegungsfreie Messung

Im Gegensatz zu Hydrophonen erfolgt die Messung mit der APM-Lösung ohne direkten Kontakt zum Medium sowie bewegungsfrei. Dadurch ergeben sich verschiedene Vorteile. So sind Kontaminationen der Medien durch das Messsystem ausgeschlossen und es kann auch bei Anwendungen mit aggressiver Chemie eingesetzt werden, ohne das Bad zu verschmutzen oder die Messtechnik zu beschädigen. Die bewegungsfreie Messung sorgt außerdem dafür, dass sie reproduzierbar und inline durchgeführt werden kann. Darüber hinaus ermöglicht die APM-Technologie, Ultraschallfrequenz und Schalldruck selbst durch „Wände“ hindurch zu detektieren. Sie kann daher auch bei geschlossenen Reinigungs- und Spülbecken, die beispielsweise beim Einsatz von Druckwechselverfahren (Vakuum-Flutreinigungsverfahren wie PPC – Pulsated Pressure Cleaning) erforderlich sind, sowie bei Kammerreinigungsanlagen eingesetzt werden. Für einen schnellen und einfachen Funktionscheck der für das APM-System eingesetzten laserakustischen und Kondensatormikrofone am Einsatzort stehen entsprechende Handkalibratoren zur Verfügung.

Stationäre Messung oder in Zeitintervallen – auch als Dienstleistung

Angeboten wird das Messsystem sowohl als stationäre Lösung als auch in einer portablen Ausführung für gelegentliche Kontrollen. Bei der stationären Variante wird das Mikrofon am Transportautomaten befestigt. Anschließend werden die mit Ultraschall ausgestatteten Reinigungs- und Spülwannen nacheinander angefahren und die Messungen berührungsfrei durchgeführt, so dass die Ergebnisse vergleichbar sind. Die ermittelten Werte für Ultraschallfrequenz und -leistung werden an die Software der Messlösung übertragen, durch Algorithmen ausgewertet und mit den zuvor definierten und hinterlegten Sollwerten abgeglichen und gespeichert. Bei Abweichungen gibt das System eine Warnung beziehungsweise Fehlermeldung aus.

Anwender, die das klassische APM-System für niederfrequenten Ultraschall im Einsatz haben, aber auch Ultraschall mit Frequenzen über 132 kHz, beispielsweise in Spülprozessen nutzen, können Mikrofon und Auswerteeinheit einfach tauschen und damit sowohl nieder- als auch hochfrequenten Ultraschall monitoren.

Für Messungen mit der portablen Ausführung wird das Mikrofon mittels einer Halterung auf das jeweilige Ultraschallbecken ausgerichtet und erfasst das Schwingspektrum in der Wanne. Bei der Analyse und Auswertung durch die Software werden die gemessenen Ist-Werte mit den als Referenzwerten definierten Soll-Kenngrößen für die jeweilige Behandlungsstation abgeglichen. Alle Messungen werden in PDF-Berichten für einen lückenlosen Nachweis dokumentiert.

Die mobilen Kontrollmessungen bietet das Unternehmen herstellerunabhängig auch als Serviceleistung für Reinigungsanlagen an, in denen Ultraschall verbaut ist.