СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КАЧЕСТВЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАВИТАЦИОННОЙ ЭНЕРГИИ УЛЬТРАЗВУКА В ЕМКОСТЯХ
METHOD AND DEVICE FOR QUALITATIVE DETERMINATION OF CAVITATION ENERGY OF ULTRASOUND IN RESERVOIRS

Изобретение относится к способу и устройству для качественного определения кавитационной энергии в емкости, в объеме жидкости, в котором вызывается кавитация посредством подходящего источника ультразвука. При этом образуются мельчайшие микроскопические полости, и они постоянно и заметно поднимаются, подвергаясь коагуляции, или также взрываются вовнутрь. В результате этого создания пузырьков газа или пара кавитация приводит к измеряемому расширению жидкости. Для того, чтобы определить кавитационную энергию, в емкости располагают герметично изолированную измерительную камеру со звукопроницаемой оконной областью. Во время работы источника ультразвука путем кратковременного измерения в измерительной камере может быть определено увеличение объема измерительной жидкости, вызванное кавитацией. Полученное таким образом относительное увеличение объема измерительной жидкости соответствует в хорошем приближении кавитационной энергии, пропорционально введенной в измерительную камеру для емкости. Кавитационная энергия решающим образом определяет ультразвуковой эффект и, следовательно, также, например, эффективную мощность очистки ультразвуковой ванны. Посредством относительного увеличения объема может быть легко проверена, например, производимая емкостью мощность очистки ультразвуком.
На протяжении десятилетий в технологии ультразвуковой очистки и обработки поверхностей, а также в медицинских областях и в промышленности использовались ультразвуковые ванны или также другие емкости, которые оборудованы в высшей степени разнообразными источниками ультразвука. В случае обычных ультразвуковых ванн они представляют собой ультразвуковые преобразователи, установленные на основании или на сторонах ультразвуковой ванны; однако, также существует большое количество других устройств, таких, как, например, погружаемые излучатели, колебательные пластины, трубчатые или выполненные в форме стержня ультразвуковые преобразователи, которые встроены в емкости с жидкостью для того, чтобы инициировать там конкретную предпочтительную ультразвуковую кавитацию. Таким образом, в случае преобразователей предпочтительно используются низкочастотные ультразвуковые системы с рабочими частотами между 18 кГц и 500 кГц, так как вызванная ими кавитация является наибольшей при низких ультразвуковых частотах. Эффект очистки или эффект отделения грязи кавитацией на поверхности деталей тогда является максимальным. Однако, при низкой рабочей частою также являются наибольшими различные эффекты диспергирования, эмульгирования и деэмульгирования, а также звуко-химические эффекты.
Центральной проблемой для многих пользователей ультразвука является требование того, чтобы иметь возможность проверить их мощность очистки или кавитации. Так как возможность прямого измерения кавитации или кавитационной энергии, которая вводится в жидкость ультразвуком, очень затруднена, то были разработаны альтернативные способы.
Используемая в настоящее время и очень недорогая возможность представлена так называемой проверкой фольгой по протоколу IEC/TR 60886. При этом очень тонкая алюминиевая фольга растягивается на проволочной рамке и удерживается диагонально в ультразвуковой ванне в течение определенного, всегда постоянного, временного диапазона. При наличии кавитации фольга заметно атакуется, и образуются плоские перфорации и/или отверстия. Когда это осуществлено в различные моменты времени и при одинаковых условиях, образцы фольги этого типа предлагают основу для оценки того, неизменной или уменьшающейся является мощность очистки в ультразвуковой ванне. Недостатками являются воспроизводимость условий измерения, которая не всегда проста, а также тот факт, что сама фольга изменяет звуковое поле в ультразвуковой ванне.
Дальнейшие способы относятся к локальному определению амплитуды изменения шумового давления, посредством маленького датчика звукового давления в конкретном месте в ультразвуковой ванне, и пересчету этой величины в величину, эквивалентную энергии, и ее отображению.
Используемый при этом датчик звукового давления может содержать одиночный пьезоэлемент в форме стержня или имеет мембранную поверхность, чувствительную к давлению звука, с чувствительными элементами. «Измеритель ультразвуковой энергии» или «измеритель кавитации» этого тина продаются, например, компанией «РРВ» (США) и описаны также, например, в описаниях патентов США №313565 и №6691578.
Типичное приспособление с чувствительным элементом с множеством пьезоэлементов на кварцевом диске описано в патенте США №6450184. Описанный изморительный аппарат для ультразвуковой ванны предназначен для снятия «кавитационного профиля» вблизи поверхности очищаемых деталей, например, полупроводниковых пластин. Предполагается, что локальное распределение «кавитационной энергии» определяется из суммированных электрических сигналов.
Обычные недостатки этих технологий состоят в зависимости измеряемых величин от соответствующего места измерения, а также в изменении звукового поля, вызванного самим измерительным устройством. В случае проведения измерения вручную с одиночными датчиками также существует индивидуальная составляющая ошибки вследствие изменений положения. Кроме того, измеренное звуковое давление не предлагает информации о кавитации, так как фон является в высокой степени нелинейным.
Для того чтобы проверить функцию очистки ультразвуковых ванн, также используются маленькие тестовые трубки. При этом тестовые трубки размещают в ультразвуковой ванне в разных местах в очистительной корзине. При наличии кавитации тестовые трубки показывают изменение цвета от зеленого до желтого спустя заданный промежуток времени. Предполагается, что это основано на зависящем от кавитации изменении значения pH раствора в трубке, в которой также содержатся мельчайшие стеклянные шарики в качестве вызывающих кавитацию зародышей. Следует иметь в виду, что изменение цвета зависит от местной интенсивности ультразвука, от температуры ванны и от частоты ультразвука. Если не происходит изменения цвета, это не означает автоматически, что в занимаемом положении не имеет место кавитация. Предположительно, что она воздействует больше на наружную поверхность трубки, но не является достаточной для того, чтобы инициировать изменение цвета. Для непосредственной быстрой проверки того, очищает ли все еще ультразвуковое устройство вообще, могут быть использованы тестовые трубки. Однако, они непригодны для качественной оценки мощности очистки ультразвуковой ванны.
Для более точных проверок мощности очистки ультразвуковых ванн, производимых время от времени, также используются измерительные устройства с широкополосными гидрофонами. Такой способ описан, например, в заявке на патент Германии №102006026525. Вызванные кавитацией шумовые сигналы при этом улавливаются гидрофоном в различных точках в ультразвуковой ванне, спектрально усредняются и вычисляются. Этот способ и требуемая техника измерения и вычисления являются очень сложными и не подходят для регулярной проверки ультразвуковых ванн.
В патенте Великобритании №2147104 показана измерительная камера для определения энергии, вырабатываемой источником ультразвука, путем увеличения объема измерительной жидкости, содержащейся в измерительной камере, при этом измерительная камера имеет емкость для вмещения измерительной жидкости со звукопроницаемой оконной областью и датчик для измерения увеличения объема измерительной жидкости. В предпочтительных вариантах выполнения за счет нагрева достигается увеличение объема жидкости без пузырьков, которое затем измеряется. В качестве альтернативы упоминается измерение кавитации.
В авторском свидетельстве СССР №1196696 раскрыто измерение посредством капиллярной трубки.
Кроме того, известный уровень техники также показан в патенте Германии №4410032, патенте США №3443797 и заявке на патент США №2003/087748.
Цель, лежащая в основе настоящего изобретения, состоит в том, чтобы выполнить измерительную камеру и предусмотреть способ ее работы, оценку мощности очистки ультразвуком, осуществляемую при помощи измерения вызванного кавитацией увеличения объема простым, надежным и не подверженным износу образом.
Для того чтобы проверить мощность очистки ультразвуковой ванны, является достаточным определение возникающей или введенной кавитационной энергии в достаточно большом парциальном объеме ультразвуковой ванны. При этом способ и устройство измерения должны быть выбраны так, чтобы вышеупомянутые факторы влияния оказывали только малое воздействие.
Известно, что если в объеме жидкости подходящим источником ультразвука вызывается кавитация, то получающиеся в результате в нем пузырьки газа или пара приводят к расширению жидкости. Это может быть легко и быстро измерено при выборе достаточно большого объема жидкости с учетом различных граничных условий.
В этом решении для того, чтобы определить кавитационную энергию ультразвуковой ванны, предлагается достаточно большая и герметично изолированная измерительная камера со звукопроницаемой оконной областью, которая может быть погружена в ультразвуковую ванну. Ультразвуковая ванна при этом заполняется обычной водой, которая, несмотря на региональные различия в качестве, ведет себя равным образом по отношению к физике звука. В течение работы ультразвукового прибора, например, с источником ультразвука на земле, происходит увеличение объема измерительной жидкости в измерительной камере, которое вызвано кавитацией, и затем оно определяется посредством кратковременного измерения. Относительное увеличение объема измерительной жидкости может быть определено прямо или даже косвенно подходящим датчиком, расположенным на измерительной камере. Увеличение объема при этом соответствует, в близком приближении, кавитационной энергии, пропорционально введенной в измерительную камеру. Мощность очистки ультразвуковой ванны может быть хорошо проверена таким образом из пропорции к полному объему жидкости.
Следовательно, по п.1 формулы изобретения, относящимся к устройству, измерительная камера содержит ванну или сосуд, который оборудована низкочастотным источником ультразвука для создания кавитации. Следовательно, при этом всегда важно, что имеется сосуд с жидкой средой, в которой проходит ультразвук. Используемый при этом ультразвук предпочтительно должен быть «низкочастотным ультразвуком», т.e. иметь частоту в диапазоне между 20 кГц и 100 кГц, но также возможны и другие частоты, вплоть до 1 МГц. При этом фундаментально новым является то, что кавитационная энергия, которая вводится ультразвуком (которая также позволяет сделать заключение о мощности очистки) определяется посредством увеличения объема измерительной жидкости, содержащейся в измерительной камере. Измерительная камера при этом имеет емкость со звукопроницаемой оконной областью (т.е. одно или более окон, или одиночное непрерывное окно, которое образует поверхность). Кроме того, емкость имеет датчик для измерения увеличения объема измерительной жидкости. Измерительная камера расположена в емкости.
Следовательно, преимущество состоит в том, что с «самодостаточной» системой, которая может быть введена в любые ультразвуковые ванны или емкости, можно сделать заключения о мощности ультразвука или мощности очистки. Нет необходимости, чтобы здесь имело место дополнительное приспособление к электронике ультразвуковой ванны или к генераторам ультразвука, но это возможно для того, чтобы затем произвести, например, автоматическое выключение. Тем не менее, при наличии такого приспособления следует принять меры для того, чтобы были отфильтрованы соответствующие разрушительные факторы влияния. Измерительная камера может быть преимущественно выполнена, имеющей питание от аккумуляторной батареи, если электрическое или электронное управление датчиком является энергосберегающим; в случае простого измерения с капиллярной трубкой это само по себе излишне.
Предложенный способ работы измерительной камеры включает следующие этапы:
а) полное заполнение измерительной камеры определенным объемом измерительной жидкости, возможно, с изолированием измерительной камеры (в соответствии с чином датчика такая герметизация, по физическим причинам, может быть или не быть необходима):
б) расположение измерительной камеры в ультразвуковой ванне или емкости, которая оборудована низкочастотным источником ультразвука, например, путем закрепления за край сосуда;
в) заполнение сосуда или ультразвуковой ванны, которая готова к работе, той же самой или эталонной жидкостью вплоть до отметки нормального уровня (целесообразно той же самой жидкостью, которая используется в измерительной камере, а также в остальном сосуде; в случае известного соотношения жидкости в измерительной камере и также эталонной жидкости, которая отводится оттуда в ультразвуковую ванну, также могут быть использованы различные жидкости; важно только то, что, благодаря известному соотношению, величины из измерительной камеры могут быть пересчитаны в величины в ультразвуковой ванне/сосуде);
г) введение источника ультразвука в работу или кратковременное включение ультразвуковой ванны, предпочтительно в секундном диапазоне (предпочтительно до 30 с, более предпочтительно от 1 с до 10 с, а наиболее предпочтительно от 1 с до 5 с);
д) определение появляющегося в результате увеличения объема измерительной жидкости при помощи датчика и запись выведенного из него оцененного значения кавитационной энергии, ультразвукового эффекта или также мощности очистки ультразвуковой ванны или сосуда.
Предпочтительные усовершенствования настоящего изобретения описаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
Одно предпочтительное усовершенствование обеспечивает то, что емкость в измерительной камере со звукопроницаемой оконной областью имеет определенное, неизменное объемное содержание и может быть целиком заполнена измерительной жидкостью. Измерительная жидкость при этом не подлежит замене и может быть выбрана из различных вариантов (согласно условиям окружающей среды) и, кроме того, устройство может опустошаться для целей транспортировки.
Еще одно предпочтительное усовершенствование обеспечивает то, что емкость со звукопроницаемой оконной областью имеет жесткую, герметично изолированную, негибкую область стенки. В результате достигается установленное разделение жидкости в ультразвуковой ванне/сосуде, а также в измерительной камере, и также в результате здесь нет объемных эффектов вследствие сжатия емкости измерительной камеры. Тем не менее, в качестве альтернативы (с отличающимися предварительными условиями) звукопроницаемая оконная область может иметь конструкцию с гибкой стенкой.
Также важно, что емкость имеет датчик элемент для измерения увеличения объема измерительной жидкости. Это возможно в особенно предпочтительном варианте выполнения, в котором датчик выполнен в виде капиллярной трубки, которая надежным образом присоединена к емкости так, что в случае увеличения объема измерительная жидкость может подниматься в этой капиллярной трубке.
В качестве альтернативы этот датчик также может быть выполнен в виде датчика, реагирующего на давление, изгибание или расширение, который расположен предпочтительно надежно закрепленным на стенке емкости измерительной камеры и, следовательно, может измерять увеличение объема измерительной жидкости. В случае этих (предпочтительно с питанием от аккумуляторов) приспособлений, для соответствующих жидкостей при этом также могут быть введены эталонные значения, или могут быть сохранены в памяти таблицы значений, которые относятся к ультразвуковой мощности/мощности очистки в ультразвуковой ванне/сосуде.
Звукопроницаемая оконная область имеет специфическую толщину для максимальной звукопроницаемости и перпендикулярного падению звука, которая соответствует кратному числу половины длины волны материала по отношению к частоте. Этот чисто теоретический случай на практике не возникает. Значительные различия между характерными сопротивлениями прохождению звуковых волн измерительной жидкости к эталонной жидкости ослабляют звукопроницаемость и, следовательно, должны быть учтены.
Звукопроницаемая оконная область может быть изготовлена из металла, пластмассы, стекла или композитного материала. Принимая в расчет определенную степень поглощения, звукопроницаемая оконная область также может иметь стенку малой толщины. При этом она должна быть выполнена с фольгой, имеющей «стенку малой толщины» или тонкими дисками с толщиной от 0,5 мм до 5 мм, предпочтительно менее 1 мм.
Дальнейшие предпочтительные усовершенствования указаны в остальных зависимых пунктах формулы изобретения.
Теперь изобретение разъясняется со ссылками на фиг. 1-4.
На фиг. 1 показано схематическое изображение в разрезе обычной ультразвуковой ванны 1, имеющей низкочастотный источник 2 ультразвука, заполненной объемом 3 жидкости, и кавитационного поля 4, которое, ради простоты, изображено с помощью маленьких окружностей. На этом чертеже ультразвуковая ванна 1 представляет собой, например, открытый сосуд, изготовленный, например, из нержавеющей стали или из пластмассы. Источник 2 ультразвука, например, пьезоэлектрическая система, надежно установлен на основание 5 ультразвуковой ванны 1 и приводится в действие не показанным на чертеже генератором с достаточной энергией высокой частоты в резонансе. В течение активной работы низкочастотный источник 2 ультразвука генерирует продольные ультразвуковые волны. которые распространяются по всему основанию 5 в объеме 3 жидкости и создают интенсивное кавитационное поле 4. Конфигурация, распределение и интенсивность возникновения кавитации в кавитационном поле 4, в связи с этим, являются случайными и не могут быть точно определены заранее. Если источник 2 ультразвука содержит несколько пьезоэлектрических систем, распределенных по основанию 5 ультразвуковой ванны 1, то работа может начаться с приблизительно равномерной интенсивностью кавитационного поля 4 в объеме 3 жидкости.
Фиг. 2 соответствует по существу изображению в разрезе того, что изображено на фиг. 1, причем здесь показана герметично изолированная измерительная камера 6, которая погружена в объем 3 жидкости. Измерительная камера 6, обозначенная линией большей толщины, содержит емкость 7 со звукопроницаемой оконной областью 8 (прерывистая линия) и датчик 9. Измерительная камера 6 целиком заполнена измерительной жидкостью 10 установленного объема, например, водой, в которой может быть вызвана кавитация путем возбуждения ультразвука. Емкость 7 и звукопроницаемая оконная область 8 содержат жесткий, нерастяжимый материал с малой толщиной стенки. Датчик 9 может быть встроен в стенку емкости или установлен снаружи.
В течение работы источника 2 ультразвука в объеме 3 жидкости ультразвуковой ванны 1 создается интенсивное ультразвуковое поле 4. Это оказывает воздействие на измерительную камеру 6 сквозь звукопроницаемую и имеющую большой размер оконную область 8 емкости 7. В результате в измерительной жидкости 10 также создается кавитация и увеличивается объем. Увеличение объема измерительной жидкости 10 измеряется датчиком 9. Время работы или измерения, однако, должно быть коротким, например, находиться в секундном диапазоне, для того, чтобы пренебречь измерительными ошибками вследствие обусловленного температурой увеличения объема измерительной жидкости 10. В связи с этим в общем случае также должна быть принята в расчет температурная зависимость коэффициента расширения жидкостей.
Обычно измеряемое увеличение объема невелико и проходит в диапазоне от мкл до мл. Оно решающим образом зависит от размера оконной области 8, а также от измерительного объема 10. Следовательно, эти параметры должны быть выбраны настолько большими, насколько это технически возможно.
На фиг. 3 опять показано схематическое изображение в разрезе варианта выполнения предложенной измерительной камеры 6, имеющей большую прямоугольную емкость 7, которая имеет три диагональные оконные области 8a, 8b и 8c.
На фиг. 4 показан вариант выполнения, сходный с тем, который показан на фиг. 3, в котором есть емкость 7, имеющая круглую или овальную оконную область 8d.
Фиг. 3 и фиг. 4 вместе представляют собой попытку выполнить емкость 7, а также оконную область 8, такими, чтобы они были как можно больше, для того, чтобы получить большое увеличение объема в измерительной жидкости 10, вызванное кавитацией. Емкость и оконная область также могут быть собраны поэлементно из множества аналогичных или отличающихся объемных сегментов, и иметь при этом различные профили сечения. Важно только то, чтобы звукопроницаемая область имела конструкцию/конфигурацию большого размера.
Увеличение объема может быть обнаружено непосредственно или косвенным образом при помощи датчика 9 на емкости 7 измерительной камеры 6. Косвенное измерение увеличения объема возможно, например, посредством тензометра, встроенною в стенку емкости 7. Для прямого измерения увеличения объема измерительной жидкости 10 возможна оценка уровня жидкости в калиброванной капиллярной трубке в качестве датчика. С этой целью эта трубка устанавливается на емкость или непосредственно присоединяется к ней.
Однако, возможны другие типы определения измеряемой величины увеличения объема, например, путем измерения перепада давления.
Измеряемое значение увеличения объема преобразуется при помощи не показанного вычислительного и/или преобразующего устройства в значение параметра, пригодное для отображения и обработки. Вычислительный блок имеет обычные оптоэлектронные, механические и/или электронные компоненты.
Было показано, что увеличение объема измерительной жидкости 10, которое вызвано кавитацией, возникающей в измерительной камере 6 или введенной туда кавитационной энергией, может быть легко и быстро определено и может быть использовано в качестве измерения мощности очистки ультразвуковой ванны.
При проведении встроенного измерения несчетного количества возникновения кавитации в относительно большом парциальном измерительном объеме или в измерительном объеме ультразвуковой ванны, - измерительной камере 6, неоднородности ультразвукового поля, неодинаковые распределения звукового поля и различия в интенсивности играют только малую роль в качественном определении кавитационной энергии ультразвуковой ванны.
Далее предполагается описать более подробно способ качественного определения кавитационной энергии ультразвука в сосудах, например, в ультразвуковых ваннах, в частности, способ работы предложенного устройства с помощью обычной ультразвуковой ванны.
На первом этапе измерительную камеру 6 полностью заполняют заданным объемом измерительной жидкости 10 и, возможно, герметизируют, в соответствии с выбором тина датчика. Измерительная жидкость может быть обычной водой из системы городского водоснабжения или водным раствором с расширяющими добавками. Измерительная жидкость и жидкость в ванне должны быть идентичными по отношении к их физическим свойствам (вязкости, температуры, состава и т.д.).
На втором этапе измерительную камеру 6 располагают в ультразвуковой ванне 1, например, путем закрепления на краю сосуда.
На третьем этапе готовую к работе ультразвуковая ванна 1 с той же самой жидкостью, например, водой из системы городского водоснабжения, имеющей ту же самую температуру, заполняют вплоть до отметки нормального уровня (она равна величине рабочего уровня согласно инструкциям производителя). При этом следует позаботиться о временной стабилизации температуры, в зависимости от размера ванны.
На четвертом этапе, как обычно, приводят в действие источник 2 ультразвука или включают ультразвуковую ванну 1. Время работы должно быть выбрано коротким, например, в секундном диапазоне от 1 с до 5 с, для того, чтобы было можно отбросить более значительные ошибки измерения вследствие вызванного температурой увеличения объема измерительной жидкости 10. Возникающее в это время увеличение объема определяют посредством датчика 9 и вычисляют и отображают как величину мощности очистки ультразвуковой ванны. Одновременно в вычислительном и отображающем блоке также, в качестве полезной информации, могут быть обработаны технические параметры ультразвуковой ванны, например, мощность. Следовательно, также будет возможно сделать заключения о сохранении или ослаблении общего уровня эффективности.