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Temperatur von ca. 1 ns=0C auf die Laufzeit (Abbildung 7.103 b). Ferner ist die Streuung der Laufzeitmessung deutlich geringer, als bei der Laufzeitmessung duch die Flussigkeit• (Abbildung 7.99 a und b). Demzufolge ist es ratsam, fur• die Schichtdetektion innerhalb eines ussigkeitsgef•ullten• Rohrs oder eines Behaltnisses• auf die Laufzeitanderung• der verbleibenden Lambwelle auf der Rohrbzw. Behaltniswandung• zuruckzugreifen•. Wenn uber• die Laufzeitanderung• der Lambwelle auf der Rohrbzw. Behaltniswandung• eine Schichtanlagerung gemessen wird, dann kann mit einer Laufzeitkorrektur

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des Signals durch die Flussigkeit• sogar eine Anderung der Zusammensetzung der Flussigkeit• gemessen werden, solang die Temperatur der Flussigkeit• mit einem Temperatursensor parallel mitgemessen und das Messsignal dementsprechend temperaturkompensiert wird.

Die technische Entwicklung der Wandlerklebung, der Wandlerkontaktierung, der Wandleransteuerung und der Auswertung der Messsignale wird von Ausgrundungen• aus dem Institut fur• Sensorund Aktortechnik zur Serienreife vorangetrieben [14, 15]. Erste Sensoren zur Messung von Flussigkeits•- zusammensetzungen mit ahnlichem• Funktionsprinzip sind sowohl als Durch-usssensoren sowie als Eintauchsensoren auf dem Markt erhaltlich• [14].

7.8Zusammenfassung der Schichtdetektion

In diesem Kapitel zum Thema der Schichtdetektion wird das neuartige Konzept der Detektion von Schichten innerhalb von ussigkeitsgef•ullten• Behaltnissen• und Rohren durch Modenkonversion von Lambwellen untersucht.

Zunachst• werden Laufzeitmessungen an Laufstreckenanordnungen gemacht. Hierzu werden Gelatine-, Tipp-Ex- und Acryllackschichten auf Glasplatten und Nickelschichten auf Stahlplatten mit unterschiedlicher Schichtdicke auf-

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gebracht. Die ermittelten relativen Anderungen der Phasengeschwindigkeiten werden fur• eine Nickelbeschichtung auf Stahlplatten und einer Gelatinebeschichtung auf Glasplatten mit den Berechnungsergebnissen der Biegewellentheorie, der Storungstheorie,• der Global-MatrixMethode und der Finiten-Elemente-Methode verglichen und diskutiert.

Um de nierte Beschichtungen innerhalb von ussigkeitsgef•ullten• Behaltnissen• zu vermessen, werden Messzellen konstruiert und gefertigt, die es ermoglichen• de nierte Schichten auf Einlegeplatten oder auf der Innenseite der Messzellenwand aufzubringen. Mit diesen Messzellen werden Tesa lmschichten auf Stahlplatten und Tipp-Ex- und Tesa lmschichten auf Glasplatten vermessen. Es werden sowohl die Laufzeit und die Amplitude der verbleibenden

akustischen Wellengruppe auf der Laufstrecke der Senderwandung als auch die akustische Wellengruppe gemessen, die durch Abstrahlung und Lambwellenanregung auf der Empfangerplatte• zu detektieren ist.

Fur• die technische Anwendung sind Rohre von gro er Bedeutung. Deswegen werden gezielt Tesa lmlagen auf der Senderlaufstrecke eines PES GF20 Rohrs aufgebracht. Hierbei handelt es sich beim PES GF20 Rohr um ein Rohr aus einem medizinischen Gerat•. Sowohl die Laufzeiten und die Amplituden der verbleibenden Lambwellengruppe auf der Senderwandung, als auch die akustische Wellengruppe, die durch Abstrahlung in die Flussigkeit• und Wiedereinkopplung auf der Empfangerwandung• entsteht, werden gemessen.

Fur• eine technische Umsetzung des neuartigen Messkonzeptes werden die Abhangigkeiten• der Messgro• en von der Temperatur und der Zusammensetzung der Flussigkeit• diskutiert.

Folgende neue Erkenntnisse konnen• diesem Kapitel der Schichtdetektion entnommen werden:

•Sowohl die Laufzeiten als auch die Amplituden der Schallsignale auf der Senderwand und durch die Flussigkeit• zeigen eine deutliche Abhangigkeit• von der Beschichtungsdicke.

•Die Gro• enordnung und Richtung der Laufzeitund Amplitudenander•- ung mit steigender Beschichtungsdicke ist von der Kombination des Plattenmaterials zum Beschichtungsmaterial abhangig•. Ferner ist die Lage des Senders zu den beiden Empfangern• von Bedeutung.

•Fur• die technische Umsetzung wird die Laufzeitmessung der Wellengruppe auf der Senderwandung empfohlen, da dort die Storgr•o• en Temperatur und Zusammensetzung der Flussigkeit• geringer als die Laufzeitanderung• pro Schichtdicke sind.

•Der Vergleich zwischen den Messungen und den Berechnungen der relativen Phasengeschwindigkeitsanderungen• mit steigender Schichtdicke zeigt fur• die akustisch dunne• Schicht Nickel R = 0; 027 << 1) auf Stahlplatten, dass die Massenbeladung fur• die Laufzeitanderung• verantwortlich ist.

•Der Vergleich zwischen den Messungen und den Berechnungen der relativen Phasengeschwindigkeitsanderungen• mit steigender Schichtdicke zeigt fur• die akustisch dicke Schicht Gelatine (R = 2; 1 104 >> 1)

auf Glasplatten, dass die viskoelastischen Eigenschaften und die Masse der Schicht fur• die Laufzeitanderung• von Bedeutung sind.

Die Messungen und Diskussionen der Schichtdetektion dieses Kapitels stellen erste Untersuchungen zur Schichtdetektion innerhalb von ussigkeits•- gefullten• Rohren und Behaltnissen• durch Modenkonversion von Lambwellen dar. Weitere detailliertere Untersuchungen bezuglich• der Kombinationen von Plattenund Beschichtungsmaterial, der Schichtaufbringungstechnik und der Anordnung der Schallwandler auf der Au enwand des Rohres oder des Behaltnisses• sind notwendig, um das neuartige Messprinzip fur• eine spezielle Anwendung zu optimieren.

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8Zusammenfassung und Ausblick

8.1Zusammenfassung

Die Detektion von Schichtbelegungen innerhalb von ussigkeitsgef•ullten• Rohren und Behaltnissen• ist in vielen technischen Anlagen und Geraten• unabdingbar. Beispielsweise kommt es in Wasserleitungssystemen zu einer Bio lmbildung an den Rohrwandungen oder in gro en technischen Anlagen der Lebensmittelindustrie zu Anlagerungen von denaturiertem Eiwei an Behaltniswandungen•. Um Reinigungszyklen e zient zu gestalten und Wartungszeiten von Anlagen und Geraten• zu reduzieren, muss die Schichtbelegung moglichst• online uberwacht• werden. Hierzu haben sich akustische, optische, thermische, und elektrische Sensorprinzipien als vielversprechend herausgestellt.

Der Bereich der akustischen Sensorprinzipien lasst• sich in die Mikroakustik und die Ultraschalltechnik untergliedern. Zur Detektion von Schichtbelegungen werden in der Mikroakustik ublicherweise• akustische Ober achen• - wellenarten auf piezoelektrischen Substraten angeregt, die moglichst• nur eine Auslenkungskomponente parallel zur Ober ache• besitzen. Auf diese Weise wird die Anregung von Druckwellen in die angrenzende Flussigkeit• verhindert. Mikroakustische Sensoren zeichnen sich im Bereich der Schichbelegungssensorik durch ihre sehr hohe Sensitivitat• bezuglich• Schichtbelegungen aus. In der Ultraschalltechnik werden Schallwandler an Rohrleitungen angeklemmt, um Schichtbelegungen auf der Innenseite des Rohres aufgrund von akustischen Kennimpedanzanderungen• zwischen der Rohrwandung und der Flussigkeit• zu detektieren. Ist jedoch die akustische Kennimpedanz der Schichtbelegung ahnlich• der akustischen Kennimpedanz der Flussigkeit,• dann kommt dieses Verfahren an seine Einsatzgrenze.

In dieser Arbeit werden die Vorteile der hohen Schichtsensitivitat• der Mikroakustik mit dem nichtinvasiven Verfahren der Ultraschalltechnik vereint. Hierbei wird erstmals das akustische Messprinzip der Abstrahlung von Lambwellen zur Detektion von Schichten innerhalb von ussigkeitsgef•ullten• Rohren und Behaltnissen• untersucht. Hierzu werden Einphasenwandler von au-en an in der Technik ubliche• Rohre und Behaltnisse,• bestehend aus Glas, Edelstahl oder glasfaserverstarktem• Kunststo , angebracht. Auf der Rohroder Behaltniswandung• werden gezielt Lambwellen angeregt, die in die angrenzende Flussigkeit• Druckwellen abstrahlen. Auf der Gegenseite des Rohres oder des Behaltnisses• erzeugen die Druckwellen wiederum Lambwellen, die dort mit einem weiteren Einphasenwandler detektiert werden konnen•. Ferner wird die auf der Senderwandung verbleibende Lambwelle mit ei-

nem dritten Einphasenwandler detektiert. Eine Schichtbelegung innerhalb

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der Rohroder Behaltnisstruktur• resultiert in einer Anderung der gemessenen Laufzeiten und Amplituden. Dieses Messprinzip hat den entscheidenden Vorteil, dass kein Sensorelement in das Rohr oder Behaltnis• eingebracht werden muss. Dies ermoglicht• gute Sterilitat• und Reinigungsbedingungen, welche fur• viele technische Bereiche, wie der Medizintechnik oder der Lebensmitteltechnik, von gro er Bedeutung sind.

Um das neuartige Messkonzept beschreiben zu konnen,• wird das Messverfahren in verschiedene Teilschritte zerlegt:

Die Struktur des Schallwandlers ist so gestaltet, dass Lambwellen auf der Rohroder Behaltniswandung• angeregt werden. Lambwellen sind im Allgemeinen dispersiv. Dispersion bedeutet hierbei, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit der angeregten Lambwellen von der Anregungsfrequenz und der Plattendicke abhangt•. Mit der Global-Matrix-Methode kann das Dispersionsverhalten von Lambwellen in Mehrschichtsystemen und im Kontakt zu Halbraumen• beschrieben werden. Ferner kann die Anregung von Druckwellen in die angrenzende Flussigkeit,• auch genannt Modenkonversion, die Materialdampfung• und die Viskositatsd•ampfung• mit in das Berechnungsmodell einbezogen werden.

Ein Flussigkeitskontakt• bzw. eine Flussigkeitsbelegung• der Rohroder der

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Behaltniswandung• fuhrt• zu einer Anderung der Phasengeschwindigkeit und dem Abstrahlungskoe zienten der Lambwelle. Es werden die zwei Grenzfalle• einer Flussigkeitsschichtbelegung• und eines Kontakts zu einem Flussig•- keitshalbraum rechnerisch fur• Rayleighund Lambwellen auf technisch ub•- lichen festussigen• Materialkombinationen behandelt. Durch die Verwendung des Schlierenoptischen Messverfahrens und durch den Einsatz eines Schallfeldmessplatzes mit einem Membranhydrophon wird der Abstrahlungsprozess von Druckwellen in die angrenzende Flussigkeit• und die Abstrahlcharakteristik des Einphasenwandlers visualisiert und vermessen. Die Schlierenoptischen Aufnahmen und die Schallfeldmessungen werden mit den berechneten Phasengeschwindigkeiten verglichen und diskutiert.

Das neuartige Messprinzip baut auf der Modenkonversion von Lambwellen zu Druckwellen in der Flussigkeit• auf. Zur Berechnung des Abstrahlungsko- e zienten werden verschiedene Verfahren angewandt. Fur• Rayleighwellen wird ein Energieansatz, die Normal-Moden-Theorie und die elastische Potentialtheorie und fur• Lambwellen wird die Normal-Moden-Theorie mit der Global-Matrix-Methode untereinander verglichen.

Die in die Flussigkeit• abgestrahlte Druckwelle regt auf der gegenuberliegenden• Rohrbzw. Behaltnisseite• eine Lambwelle an, die wiederum in der Flussigkeit• durch Modenkonversion eine Druckwelle anregt. Mittels der inhomogenen Wellentheorie wird der Betrag und die Phase des Re exionskoe zienten berechnet. Schlierenoptische Aufnahmen machen diesen Re exionsprozess das erste Mal sichtbar, sodass die Berechnungsergebnisse mit den Schlierenbildern verglichen und diskutiert werden konnen•.

Die Erkenntnisse aus den Berechnungen und Messungen der Dispersion, den Ausbreitung, der Abstrahlung und der Re exion werden vereint, um die Messergebnisse zur Schichtdetektion innerhalb von ussigkeitsgef•ull•- ten Rohren und Behaltnissen• zu erklaren•. Es werden Messungen an Laufstrecken, Behaltnissen• und Rohr durchgefuhrt•. Unterschiedliche Schichtdicken von Gelatine, Tipp-Ex und Acryllack werden per Rakel auf Glas aufgebracht, Tesa lm auf Glas aufgeklebt und Nickel auf Stahl galvanisch abgeschieden. Diese Materialkombinationen werden sowohl auf einer Laufstrecke als auch in einem Behaltnis• mit Wasserfullung• vermessen. In einem glasfaserverstarkten• Rohr aus einem medizinischen Gerat• werden Tesa lmund Tipp-Ex Schichten verschiedener Dicken aufgebracht, dieses mit Wasser gefullt• und ebenso Messungen durchgefuhrt•. Die Ergebnisse der Laufzeitmessungen von Lambwellen auf Laufstrecken werden mit den Berechnungsergebnissen von in der Mikroakustik ublichen• Berechnungsverfahren (Biegewellentheorie, Storungstheorie,• Finite-Elemente-Methode und Global-Matrix- Methode) verglichen.

Aus dieser Dissertation konnen• folgende neue wissenschaftliche und technische Erkenntnisse abgeleitet werden:

8.2Wissenschaftliche Erkenntnisse

•Schlierenoptische Messungen und Schallfeldmessungen beweisen die Anregung und die gewinkelte Abstrahlung der antisymmetrischen Lambleckwelle durch einen Einphasenwandler auf einer Platte. Die gemessenen Abstrahlwinkel bzw. Phasengeschwindigkeiten der antisymmetrischen Lambleckwelle stimmen mit den Dispersionsberechnungen der Global-Matrix-Methode gut uberein,• solange die akustische Lambwellenlange• Lamb gro• er als die Plattendicke d ist ( Lamb > d).

•Schlierenoptische Aufnahmen zeigen erstmals eine Mehrfachre exion des Schalls innerhalb eines Behaltnisses•. Diese Mehrfachre exion wurde bereits zur Interpretation des Zeitverlaufs des Empfangssignals an-

•Laser-Doppler-Vibrometer-Messungen zeigen die Wellenausbreitung einer durch einen Einphasenwandler angeregten Lambwelle. Aufgrund der geringen Apertur des verwendeten Schallwandlers be ndet sich ein Empfangswandler fur• eine Laufstreckenanordnung ab 2,4 mm Abstand im Fernfeld.

•Ein Vergleich der Berechnungsmethoden des Abstrahlungskoe zienten von Rayleighwellen (Energieansatz, Normal-Moden-Theorie und elastischer Potentialansatz) und von Lambwellen (Normal-Moden-Theo-

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rie und Global-Matrix-Methode) zeigt eine sehr gute Ubereinstimmung der Berechnungsergebnisse.

•Bei technisch ublichen• Festkorper• - Flussigkeit• - Kombinationen (z. B. Glas -Wasser oder Alu -Wasser) tragt• die Modenkonversion von Lambwellen zu Druckwellen in die angrenzende Flussigkeit• hauptsachlich• zur Dampfung• bei. Die Materialdampfung• der Platte und die Viskositatsd•ampfung• der Flussigkeit• konnen• in erster Naherung• vernachlassigt• werden.

•Experimente von Beschichtungen auf Laufstrecken zeigen eine klare Abhangigkeit• der gemessenen Laufzeiten und Amplituden der Lambwellengruppen von der Schichtdicke und der Beschichtungsart. Berech-

nungen mit in der Mikroakustik ublichen• Theorien stehen allerdings

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noch nocht in hinreichender Ubereinstimmung mit den experimentellen Befunden.

8.3Technische Erkenntnisse

•In den Messzellen und im Rohr zeigen sowohl die Laufzeiten als auch die Amplituden der Lambwellengruppen auf der Senderwandung als auch durch die Flussigkeit• eine deutliche Abhangigkeit• von der Beschichtungsdicke.

•Die Gro• enordnung und Richtung der Laufzeitund Amplitudenander•- ung mit steigender Beschichtungsdicke ist von der Kombination des

Plattenmaterials zum Beschichtungsmaterial abhangig•. Ferner ist die Lage des Senders zu den beiden Empfangern• von Bedeutung.

•Die Laufzeit der Schallausbreitung durch die Flussigkeit• im Rohr und in den Messzellen weist eine starke Abhangigkeit• von der Temperatur und der Flussigkeitszusammensetzung• auf. Diese Abhangigkeit• ist in der gleichen Gro• enordnung wie der zu messende Schichte ekt. Deswegen wird fur• eine technische Umsetzung des neuartigen Sensorkonzeptes zur Schichtdetektion die Laufzeitmessung der verbleibenden Lambwelle auf der Senderwandung empfohlen.

•Die Normal-Moden-Theorie und der Energieansatz, die im Gegensatz zur numerischen Potentialtheorie bzw. Global-Matrix-Methode eine geschlossene Gleichung liefern, ist bestens fur• eine schnelle Berechnung des Abstrahlungskoe zienten von Rayleighund Lambwellen geeignet. Ferner sind die am Prozess wichtigen physikalischen Gro• en (akustische Kennimpedanz der Flussigkeit• Zf , Anregungsfrequenz f, und Eigenschaften der akustischen Ober achenwelle)• aus den Gleichungen ersichtlich. Mit dieser neuen Erkenntnis konnen• Sensoren und Aktoren basierend auf der Modenkonversion von Rayleigh und Lambwellen zu Druckwellen in die angrenzende Flussigkeit• ohne gro en Rechenaufwand ausgelegt und optimiert werden.

8.4Ausblick

Diese Arbeit stellt erste Ergebnisse des neuartigen Messkonzeptes der Schichtdetektion innerhalb von ussigkeitsgef•ullten• Rohren und Behalnissen• durch Lambwellenanregung vor. Zwischen den Messergebnissen und den Berechnungsergebnissen gibt es Diskrepanzen, die es noch zu klaren• gilt. Hierzu sollen in Zukunft Messungen an wohlde nierten Modellsystemen durchgefuhrt• werden, um den Ein uss von verschiedenen Wandungsmaterial-Be- schichtungsmaterial-Kombinationen, der Haftung zwischen der Wandung und der Schicht und der Positionierung der Schallwandler zu klaren•. Ebenso muss der Schallwandlerentwurf optimiert werden. Durch eine schmalbandigere Anregung und eine Anregung von hoheren• Lambmoden ist zu erwarten, dass die Sensitivitat• bezuglich• einer Schichtbelegung deutlich gestei-

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gert werden kann [168]. Ein Ubergang zu hoheren• Frequenzen wurde• sicherlich auch die Sensitivitat• steigern. Jedoch gibt die Rohrwandung bzw. die Behaltniswandung• die akustische Lambwellenlange• vor. Wie die Schallfeldmessungen zeigen, muss die akustische Lambwellenlange• gro• er oder gleich der Rohrbzw. Behaltniswandungsdicke• sein. Ansonst kommt es zu keiner

Anregung einer Lambwelle im Inneren. Eine Alternative zur Anregung von hoheren• Moden ist die Anregung der Quasi-Scholte-Plattenmode auf der Rohroder Behaltniswandung•. Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen, dass diese evaneszente Plattenmode fur• niedrige Frequenzen eine hohe Sensitivitat• bezuglich• der umgebenden Gasatmosphare• besitzt [169]. Wenn zwischen unterschiedlichen Gasatmospharen• unterschieden werden kann, dann ist auch eine hohe Schichtemp ndlichkeit zu erwarten.

Wie der aktuelle Internationale Workshop "Online sensors for fouling monitoring\ der DECHEMA zeigt, gibt es besonders bei der schwierigen Detektion von Bio lm ein gro es industrielles und wissenschaftliches Interesse. Erste Bio lmmessungen mit dem vorgestellten Messkonzept in einem

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Behaltnis• zeigen eine Anderung der Laufzeit auf der Senderwandung bei der Bio lmbildung [170]. Dieses interessante wissenscha iche und technische Anwendungsgebiet sollte weiter verfolgt werden.