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Tabelle 7.15: Vergleich der zugrundeliegenden Annahmen der Theorien

zitat• und die Masse der Schicht fur• eine Abnahme der relativen Phasengeschwindigkeitsanderung• mit steigender Schichtdicke verantwortlich sind. Eine Spannungsubertragung• an der Grenz ache• Gelatine - Glas ist nicht gegeben.

7.5Messzellen

7.5.1Versuchsaufbau

Empfänger 1

Platten

Abbildung 7.97: Der Grundaufbau der Messzellen besteht aus zwei zueinander parallelen Platten, die an ihren Au enseiten mit drei Einphasenwandlern versehen sind. Auf der Senderseite wird durch den Sender und den Empfanger• 2 eine Laufstrecke aufgebaut. Der dritte Einphasenwandler sitzt als Empfanger• 1 mittig bezuglich• dieser Laufstrecke auf der Ruckseite• der anderen Platte.

Die Messzellenanordnung besteht aus zwei zueinander parallelen Platten,

die an ihren Au enseiten mit drei Einphasenwandlern versehen sind (Abbildung 7.97). Ein Einphasenwandler dient als Sender. Der Empfangswandler 2 ist auf der gleichen Platte wie der Senderwandler und der Empfangswandler 1 ist mittig auf der gegenuberliegenden• Platte angeordnet (Abbildung 7.97). Beide Platten werden in Messzellen eingebaut, die einen konstanten Abstand der Platten und ein blasenfreies Befullen• der Messzellen garantieren.

Fur• die Messungen werden drei Messzellen verwendet (Abbildung 7.98). In Messzelle 1 und Messzelle 2 konnen• beschichtete Platten eingelegt werden. Beide Messzellen unterscheiden sich in Ihrer Zusammenbauweise und der Flussigkeitszuf•uhrung•. Messzelle 1 wird durch Flugelschrauben• verschlos-

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sen (Abbildung 7.98 a). Ferner besitzt Messzelle 1 eine seitliche O nung zur Flussigkeitsbef•ullung•. Messzelle 2 wird mit Exzenterhebel verschlossen, damit wird eine konstante Anpresskraft garantiert (Abbildung 7.98 b). Zudem ist Messzelle 2 als Durch ussmesszelle mit einem Zulauf und einem Ablauf ausgelegt. Die dritte Messzelle besteht aus Edelstahl statt aus dem Material POM, wie Messzelle 1 und 2 (Abbildung 7.98 c). In Messzelle 1 und 2 konnen• beschichtete Platten eingelegt werden. Im Gegensatz hierzu ist in Messzelle 3 die Wand, an der eine Schicht aufgebracht wird, nicht mehr auswechselbar. Die Lambwellen werden direkt von au en auf die Messzellenwand erzeugt. Ferner wird Messzelle 3 auf sehr gute Passung ausgelegt, sodass der Plattenabstand nach dem Zusammenschrauben 7 mm betragt•. Die technischen Zeichnungen fur• die Einzelteile der Messzellen 1 bis 3 sind in der Anlage A.6 vorzu nden.

Die Sendewandler der Messzellen werden mit einem Sinusburst von 5 Zyklen und einer eletrischen Spitze-Spitze Spannungsamplitude von 20 V angesteuert. An den Empfangern• 1 und den Empfangern• 2 der Messzellen werden als Empfangssignale Wellengruppen detektiert, deren Laufzeit durch Nulldurchgangsmessung und deren Amplitude durch Spitze-Spitze-Messung gemessen werden.

In der Messzelle 1 und 2 werden Schichten Tesa lm und Tipp-Ex unterschiedlicher Dicke auf Glasplatten aufgebracht und vermessen. Der Tesa lm wird sorgfalltig• schichtweise aufgeklebt. Die Tipp-Ex-Schicht wird per Rakel aufgetragen. In der Messzelle 3 werden Tesa lmschichten auf die Stahlplatten aufgeklebt und vermessen. In den Messzellen be ndet sich jeweils als Flussigkeit• Wasser.

Abbildung 7.100: Laufzeitanderungen• des Messsignals durch die Flussigkeit• in Messzelle 1 fur• Tipp-Ex- und Tesaschichten unterschiedlicher Dicke auf Glasplatten. Fur• die Messwerte wurde jeweils eine lineare Regressionsgerade eingezeichnet.

7.93). Mit steigender Tesa lmschichtdicke nimmt die Amplitude der Lambwelle auf der Senderplatte zunachst• zu und dann wieder ab (Abbildung 7.99 d). Die Ursache der Amplitudenzunahme liegt im Abstrahlungsprozess. Eine Tesa lmschichtbelegung behindert die Anregung von Druckwellen in die Flussigkeit•. Dementsprechend steigt die gemessene Amplitude an. Eine Massenbelegung der Ober ache• fuhrt• jedoch auch zu einer Abnahme der Amplitude der Lambwelle auf der Platte, wie Messungen auf einer Verzogerungsstrecke• im vorangegangenen Kapitel gezeigt haben (Abbildung 7.92). Fur• dunne• Schichtbelegungen ist der Verhinderungsprozess der Abstrahlung im Vergleich zur Massenenbelegung dominant. Bei dicke Schichten ab 100 m ist die Massenbelegung von gro• erer Bedeutung, sodass die auf der Laufstrecke gemessene Amplitude abfallt• (Abbildung 7.99 d).

Eine Zunahme der Laufzeit der Lambwelle auf der Senderplatte ist mit einer Abnahme der Phasengeschwindigkeit verbunden. In der Messzelle fuhrt• eine Abnahme der Phasengeschwindigkeit zu einer Zunahme des Lambwinkels (Gleichung 66). Eine Zunahme des Lambwinkels hat eine Zunahme der Laufstrecke der modenkonvertierten Druckwelle in der Flussigkeit• W1 und eine

Abnahme des Laufwegs der auf der Empfangerplatte• angeregten Lambwelle W2 zur Folge (Abbildung 7.90). Aufgrund der langsamen Schallgeschwindigkeit in der Flussigkeit• (1480 m/s) gegenuber• der Lambwellengeschwindigkeit (ca. 2300 m/s) ist die Zunahme des Schallwegs in der Flussigkeit• von gro• erer Bedeutung. Damit kommt es zu einer Zunahme der Laufzeit und zu einer positiven Laufzeitanderung• mit steigender Tesa lmschichtdicke (Abbildung 7.99 a). Die Amplitude des Signals durch die Flussigkeit• nimmt ab (Abbildung 7.99 c), da die Tesa lmschicht auf der Senderplatte die Abstrahlung von Druckwellen in die Flussigkeit• verhindert.

In Abbildung 7.100 sind die Laufzeitanderungen• des Messsignals durch die Flussigkeit• fur• Tipp-Ex und Tesa lmschichten auf Glassubstrat zu sehen. Diese Messungen zeigen, dass je nach Plattenmaterial-Beschichtungs- kombination (Glas - Tipp-Ex oder Glas - Tesa lm) die Laufzeit durch die Flussigkeit• sowohl abnehmen als auch zunehmen kann.

7.6Rohr

7.6.1Versuchsaufbau

Der Versuchsaufbau der Rohranordnung besteht aus einem Rohr des Materials PES GF20, welches in einem medizinischen Gerat• verbaut wird. An der Au enseite des Rohres werden Einphasenwandler der Mittenfrequenz von 1 MHz angebracht, sodass zwei Wandler eine Laufstrecke auf der einen Rohrseite bilden und sich ein Wandler auf der gegenuberliegenden• Rohrseite be ndet (Abbildungen 7.101 und 7.91 c). Ein Wandler auf der Laufstreckenanordnung dient als Sender. Der zweite Schallwander (Empfanger• 2) der Laufstreckenanordnung misst die Laufzeit und die Amplitude der verbleibenden Lambwelle auf der Laufstrecke. Der Schallwandler (Empfanger• 1) auf der Rohrgegenseite dient als Empfanger• fur• die Laufzeitund Amplitudenmessung des Signals durch die Flussigkeit• (7.91 c). Der Senderwandler wird mit einem Sinusburst der Frequenz von 1 MHz, der Zyklenanzahl von 5 Zyklen und der Spitze-Spitze Spannungsamplitude von 20 V betrieben. Die Empfangssignale an den Empfangern• 1 und 2 sind Wellengruppen, deren Laufzeiten mittels Nulldurchgangsmessung und deren Amplitude durch Spitze-Spitze-Messung ermittelt werden. Hierbei kann eine zeitliche Verschiebung des gemessenen Nulldurchgangs bei Schichtbelegung mit einer

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Anderung der Phasengeschwindigkeit verknupft• werden. In Abbildung 7.102 ist das Empfangssignal des Empfangers• 1 (Schallweg durch die Flussigkeit)•

fur• eine unbeschichtete Wand und eine mit Tesa lm der Dicke von 300 m beschichteten Wand dargestellt.

Abbildung 7.101: Versuchsaufbau fur• die Rohranordnung bestehend aus einem PES GF20 Rohr, an dem drei Schallwandler angebracht worden sind.

An der Rohrinnenwandung werden Tesa lmschichten ubereinander• auf einer Laufstreckenseite angeklebt. Die Dicke einer Tesa lmschicht betragt• 50 m. Es werden Messungen an 1 bis 6 Tesa lmlagen durchgefuhrt•. Ebenso werden Tipp-Ex-Schichten unterschiedlicher Dicke in das Rohr aufgestrichen.

7.6.2Messergebnisse

Die Ergebnisse der Laufzeitund der Amplitudenmessungen fur• Tesa lmschichten innerhalb des PES GF20 Rohrs sind in der Abbildung 7.103 zusammengefasst.

Ferner werden Messungen mit Tipp-Ex-Schichten verschiedener Dicken durchgefuhrt,• die den Tesa lmmessungen in Abbildung 7.104 gegenubergestellt• werden.

7.6.3Diskussion der Ergebnisse

Eine Beschichtung der Sendelaufstrecke des PES GF20 Rohrs mit Tesa lm fuhrt• zu einer Zunahme der gemessenen Laufzeit mit steigender Schichtdicke (Abbildung 7.103 b). Dies Zunahme kann durch die ansteigende Massenbelegung erklart• werden. Durch die Massenbelegung der Laufstrecke kommt es ebenso zu einer Abnahme der gemessenen Amplitude (Abbildung 7.103

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d). Diese Ergebnisse stehen in sehr guter Ubereinstimmung mit den Messer-

Abbildung 7.104: Laufzeitanderung• des Messsignals durch die Flussigkeit• von Tipp-Ex Beschichtung im Vergleich zu Tesa lmbeschichtungen. Fur• die Messwerte wurde jeweils eine lineare Regressionsgerade eingezeichnet.

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nes Behaltnisses• eingesetzt werden. Zum Beispiel betragt• die Anderung des Signals durch die Flussigkeit• bei einer Konzentrationsanderung• einer Kochsalzlosung• von ca. 4 mg=ml schon ca. 40 ns [117]. Ferner zeigen Untersuchungen der Temperaturabhangigkeit• der Messung der Flussigkeits•- zusammensetzung in einer ahnlichen• Messanordnung eine Abnahme der Laufzeit durch die Flussigkeit• von ca. 50 ns=0C fur• destilliertes Wasser [167]. Die Abhangigkeit• der Laufzeit von der Flussigkeitszusammensetzung• und der Temperatur liegt in der Gro• enordnung des Messe ekts von ca. 50 ns. Dies entspricht einer Tesa lmschicht von 300 m in dem PES GF20 Rohr (Abbildung 7.103 a). Demzufolge muss die Flussigkeitszusammensetzung• konstant und die Temperatur der Flussigkeit• gemessen und kompensiert werden, um mittels des Signals durch die Flussigkeit• eine Schichtanlagerung sicher messen zu konnen•.

Die Laufzeit des Signals auf der Laufstreckenanordnung der Wandung zeigt fur• destilliertes Wasser nur eine Zunahme von ca. 1 ns=0C [167]. Ferner ist der Ein uss der Zusammensetzung der Flussigkeit• auf die Laufzeit (20 ns Laufzeitunterschied zwischen Wasser und Ethanol bei 20 °C) deutlich geringer als fur• die Laufzeit des Schalls durch die Flussigkeit(5• Laufzeitunterschied zwischen Wasser und Ethanol bei 20 °C) [167]. Der Messe ekt der Laufzeitanderung• fur• z. B. Tesa lm auf dem PES GF20 Rohr von ca. 350 ns fur• eine Schichtdicke von 300 m ist deutlich gro• er als der Ein uss der