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Abkurzungen•

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Kurzfassung

Die Detektion von Schichtbelegungen innerhalb von ussigkeitsgef•ullten• Rohren und Behaltnissen• ist in vielen technischen Anlagen und Geraten• z. B. in der Wasserversorgung, bei der Lebensmittelherstellung oder in der chemischen Industrie von gro er Bedeutung. Durch den Einsatz eines online messenden Schichtbelegungssensors konnen• Reinigungszyklen e zient gestaltet, Wartungszyklen reduziert und Rohrverschluss vermieden werden.

In dieser Arbeit wird erstmalig das akustische Messprinzip der Modenkonversion von Lambwellen zu Druckwellen in der angrenzenden Flussigkeit• zur Detektion von Schichten innerhalb von ussigkeitsgef•ullten• Rohren und Behaltnissen• untersucht. Hierzu werden Einphasenwandler an Rohre und Behaltnisse• von au en angebracht. In der Rohroder Behaltniswandung• werden gezielt Lambwellen angeregt, die in die angrenzende Flussigkeit• Druckwellen abstrahlen. In 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 Seite des Senderwandlers verbleibende Lambwelle mit einem dritten Einphasenwandler detektiert. Eine Schichtbelegung an der Rohroder Behaltnis•-

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wand resultiert in einer Anderung der gemessenen Laufzeiten und Amplituden der Lambwellen. Dieses Messprinzip hat den entscheidenden Vorteil, dass kein Sensorelement in das Rohr oder Behaltnis• eingebaut werden muss. Hierdurch kann gut Sterilitat• und Reinigungsfahigkeit• beibehalten werden.

Zur Quali zierung des neuartigen Messverfahrens werden erstmals Versuche an verschiedenen Messanordnungen durchgefuhrt• und diese mit Berechnungsergebnissen verglichen.

Um das Ausbreitungsverhalten von Lambwellen und die Abstrahlung von einer Druckwelle in die angrenzende Flussigkeit• mit und ohne Schichtbelegung zu beschreiben, werden Dispersionsberechnungen durchgefuhrt•. Hierzundet die Global-Matrix-Methode Verwendung, die eine Simulation von einem Mehrschichtsystem im Kontakt zu Flussigkeitshalbr•aumen• ermoglicht•. Messungen mittels Laseranregung bestatigen• das dispersive Verhalten der Lambwellen. Ein Vergleich der Dampfungskoe• zienten der abgestrahlten Druckwelle in die umgebende Flussigkeit• mit der Viskositatsd•ampfung• und der Materialdampfung• zeigen eine erhebliche Dominanz der Druckwellendampfung• fur• technisch ubliche• Flussigkeit•-Festkorper•-Kombinationen.

Der Ein uss eines Flussigkeitskontaktes• und einer Flussigkeitsschicht• auf die Rayleighund Lambwellenausbreitungsgeschwindigkeit und den Dampf•-

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ungskoe zienten wird fur• technisch gangige• festussige• Materialkombinationen erstmals vollstandig• berechnet und diskutiert. Schlierenoptische Mes-

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sungen und Schallfeldmessungen zeigen eine sehr gute Ubereinstimmung zwischen den gemessenen und den berechneten Abstrahlwinkeln bzw. Phasengeschwindigkeiten.

Ein Vergleich der Berechnungsergebnisse der Normal-Moden-Theorie und der elastischen Potentialtheorie bzw. der Global-Matrix-Methode fur• den Abstrahlungskoe zient von Rayleighund Lambwellen zeigen eine hervor-

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ragende Ubereinstimmung. Aufgrund der geschlossenen Gleichungen der Normal-Moden-Theorie, wird eine Verwendung dieser Theorie fur• die Auslegung und Optimierung von Sensoren und Aktoren basierend auf der Modenkonversion von Rayleighund Lambwellen zu Druckwellen in die angrenzende Flussigkeit• empfohlen.

Schlierenoptische Aufnahmen innerhalb eines Behaltnisses• zeigen eine Mehrfachre exion. Ferner ist eine nichtgespiegelte Re exion innerhalb der Wellenleiterstruktur zu erkennen, die sich mit der inhomogenen Wellentheorie erklaren• lasst•. Der seitliche Versatz in den Schlierenbildern ist geringer ausgepragt• als die Berechnung es voraussagt. Dies ist den idealisierten Bedingungen des Berechnungsverfahrens geschuldet.

Die Erkenntnisse aus den Berechnungen und Messungen der Kapitel Dispersion, Ausbreitung, Abstrahlung und Re exion werden vereint, um die Messergebnisse zur Schichtdetektion innerhalb von ussigkeitsgef•ullten• Rohren und Behaltnissen• zu erklaren•. Schichten von Gelatine, Tipp-Ex, Tesa lm, Acryllack und Nickel werden auf Laufstrecken aus Glas und Stahl aufgebracht und vermessen. Die Messergebnisse werden mit Berechnungsergebnisse der Biegewellentheorie, Storungstheorie,• Global-Matrix-Methode und Finite-Elemente-Theorie erstmals verglichen und diskutiert. In Behaltnissen• werden Gelatine, Tesa lm, und Tipp-Ex auf Glasoder Stahlplatten, sowie Tesa lm in einem Rohr bestehend aus PES-GF 20, aufgebracht und gemessen. Aus den Messergebnissen ist eine deutliche Abhangigkeit• der gemessenen Laufzeiten und Amplituden von den aufgebrachten Schichten zu erkennen. Die Vergleiche der Messergebnisse mit den Berechnungsergebnissen zeigen gro e Abweichungen, deren Ursachen in den idealisierten Annahmen der Theorien und den unbekannten stark temperaturund frequenzabhangigen• Materialparametern liegen. Fur• die technische Umsetzung wird die Laufzeitmessung der Lambwelle auf der Senderwandung empfohlen, da diese eine geringere Queremp ndlichkeit auf Temperatur, Flussigkeitszusammensetzung• und Stromunggeschwindigkeit• aufweist.

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Diese Arbeit stellt erste Forschungsund Entwicklungsergebnisse des neuartigen Konzeptes der Schichtdetektion innerhalb von ussigkeitsgef•ullten• Rohren und Behaltnissen• durch Lambwellenanregung vor. Zukun• ge Untersuchungen sind notwendig, um die Messanordnung zu optimieren und eine hohere• Schichtsensitivitat• zu erzielen. Insbesondere fur• die Anwendung zur Bio lmdetektion scheint das neuartige Messkonzept vielversprechend zu sein.

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Abstract

The detection of deposition within liquidlled tubes and containers is very important in many technical plants and devices. The application range spreads from water supply systems over food plants to the chemical industry. An optimization of cleaning and maintenance cycles requires on-line sensors for deposition detection.

In this thesis, the acoustical approach of deposition detection by mode conversion of Lamb waves is investigated for the rst time. Single phase transducers are attached to the exterior side of tubes and containers. Selectively excited Lamb waves on the vessel produce pressure waves inside the adjacent liquid. On the opposite side the pressure waves themselves are able to excite Lamb waves, which are detected by a second locally attached single phase transducer. Furthermore, the residual Lamb waves on the emitter wall are detected by a third single phase transducer forming a delay-line together with the emitter. The genesis of a deposition on the inner side of the vessel results in a change of the transmission times and the amplitudes of the measured signals by the two receiving transducers. With this new measurement approach no sensor element has to be insert into the tube or container, which is necessary for applications with high needs of sterility and cleanability.

In order to characterize this novel measurement concept, measurements and calculations were performed.

In the eld of calculations, the dispersion of Lamb waves in multilayers and contact to half-spaces is modelled by the global-matrix-method. The results are veri ed by dispersion measurements. The attenuation, caused by the emission of pressure waves into the adjacent liquid is compared to the viscosity of the uid and the material damping of the plate. For common technical liquid-solid combinations the attenuation by the emission of pressure waves is very dominant compared to the other ones.

The in uence of a liquid layer and a liquid half-space in contact to Rayleigh and Lamb waves on the phase velocities and the attenuation coe cients are calculated and discussed for technically common liquid-solid combinations. Schlierenoptic and sound eld measurements by a membrane hydrophone show good agreement between the measured and the calculated emission angles and phase velocities.

A comparison of the calculated results of the normal-mode-theory and the

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elastic potential theory or the global-matrix-method for the attenuation co- e cient of Rayleigh and Lamb waves shows good conformance. The normal- mode-theory is recommended for the design and optimization of sensors and actuators based on the emission of pressure waves by Rayleigh and Lamb waves.

By Schlierenoptic images within a container structure multire ection was observed. A lateral displacement of the nonspecular re ection is observable in the Schlieren gures. The measured specular re ection angle agree with calculations. The measured non-specular displacement di ers from the calculated result of the inhomogeneous wave theory, which can be justi ed with the ideal conditions of the theory and the non-ideal conditions in the experiment.

Dispersion, propagation, emission and re ection investigations are merged together in order to explain the measurement results on deposition detection within liquidlled tubes and containers. Layers of gelatine, correction uid, adhesive tape, acrylic lacquer and nickel are accurately coated and measured on delay-lines. In vessels consisting of glass, steal or plastic, layers of gelatine, correction uid and adhesive tape are measured. A comparison of the measurement results of the delay-lines with the calculated results of bending wave theory, perturbation theory, global-matrix-method and nite-element-method shows a enormous variation. These are evoked by the idealized approaches in the theories and the unknown material parameters, which strongly depend on temperature and frequency. The container and tube measurements show signi cant layer sensitivities in the measured run-times and amplitudes. For the technical realization of the measurement concept the Lamb wave transmission time of the signal on the emitter wall should be taken into account. The run-time of the wave propagation through the liquid shows strong cross-sensitivity in temperature, concentration and streaming velocity.

This thesis introduces rst results for the concept of layer detection inside liquidlled tubes and containers by Lamb wave excitation. Further investigations for an optimization of the measurement arrangement and for an increase in the layer sensitivity are necessary in the future. Especially for the application of biofouling detection this measurement concept seems to be promising.

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1Einleitung

1.1Schichtdetektion in der Technik

Die Problematik einer Schichtablagerung oder einer Schichtanlagerung innerhalb von ussigkeitsgef•ullten• Rohren und Behaltnissen• gibt es in vielen technischen Gebieten. Beispiele hierfur• waren• die Verkalkung von Kuhlk•or•- pern, die Ablagerung von denaturierten Proteinen bei der Herstellung von Milchprodukten oder die Bildung von Bio lmen in Wasserleitungssystemen [1, 2]. Der vermehrte Einsatz von Sensoren zur Detektion von Ablagerungen ist in Zukunft unabdingbar, um zum Beispiel Herunterfahrzeiten von Anlagen zu minimieren oder Desinfektionszyklen von Medizingeraten• optimal zu gestalten [1, 2]. Anstatt von festde nierten Revisionsoder Desinfektionszeiten kann eine Revision oder eine Desinfektion nur nach aktuellem Bedarf durchgefuhrt• werden, dies spart Kosten und Zeit und tragt• zur

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Produktsicherheit bei. Uber die letzten Jahrzehnte wurden unterschiedliche Messverfahren entwickelt und getestet, um anorganische, organische und biologische Abund Anlagerungen zu detektieren. Viele in der Literatur beschriebene Verfahren haben bis zum heutigen Zeitpunkt den Laborstatus nicht uberschritten• [3, 4]. Dies liegt an den hohen Anforderungen, die an die Sensoren im industriellen Einsatz gestellt werden. So sollen die Sensoren online und nichtinvasiv uber• einen langen Zeitraum und unter den in der Praxis ublichen• harschen Bedingungen verlasslich• Messwerte liefern. Fur• den industriellen Einsatz haben sich Messverfahren basierend auf optischen, thermischen, akustischen und elektrischen Prinzipien als vielversprechend herausgestellt [5]. Aktuell arbeiten vielen Firmen an Sensoren zur Schichtbelegungsdetektion innerhalb von ussigkeitsgef•ullten• Rohren und Behaltnissen,• wie der von der DECHEMA veranstaltete internationale Workshop "Online sensors for fouling monitoring\ zeigt [5].

Diese Arbeit beschrankt• sich auf die akustische Detektion von Schichten innerhalb von ussigkeitsgef•ullten• Rohren und Behaltnissen•. In den folgenden Abschnitten wird hierzu kompakt der Stand der Wissenschaft und der Stand der Technik fur• die akustische und mikroakustische Schichtdetektion dargestellt.

1.2Stand der Technik

Zur mikroakustischen Detektion von Schichtbelegungen in ussiger• Umgebung werden immer Sensoren eingesetzt, die akustische Wellen mit horizontaler Auslenkung anregen oder deren Ausbreitungsgeschwindigkeit geringer als die Schallgeschwindigkeit in der angrenzenden Flussigkeit• ist. Dies ver-

hindert eine Anregung von Druckwellen in die angrenzende Flussigkeit• und damit eine starke Dampfung• der jeweiligen Welle [6{8]. In der Literatur ist die Aussage vorzu nden, dass es nicht mit akustischen Ober achenwellen•

mit dominanter horizontaler Auslenkung, wie z. B. Rayleigh oder Lambwellen, moglich• ist, in einer ussigen• Umgebung Schichten zu messen [6{9]. Zumeist wird hierbei auf fruhere• Messungen von Rayleighwellen auf Quarzsubstrat bei einer Anregungsfrequenz von 10 MHz bis 50 MHz verwiesen. Die Messungen zeigen, dass die Dampfung• aufgrund der Anregung von Druckwellen in die angrenzende Flussigkeit• zu stark ist, um hieraus einen Chemosensor zu realisieren [10].

Bis zum heutigen Tag haben sich nur Schwingquarzsensoren zur Messung von Schichten in der Technik durchgesetzt. Akustische Ober achenwellen• - sensoren fur• die Chemound Biosensorik be nden sich gerade in der Entwicklung bzw. im Markteintritt, wie die Biosensorikplattform sam5 von der Firma SAW Instruments GmbH zeigt [11]. Der Hauptgrund hierfur• liegt in den sensitiven Schichten dieser Sensoren. Fur• eine industrielle Anwendung mussen• die Schichten langzeitbestandig• sein. Das hei t, die anhaftenden oder aufgenommenen Molekule• oder Organismen mussen• von der sensitiven Schicht wieder entfernt werden konnen• und die sensitive Schicht darf uber• den Einsatzzeitraum sich nicht in ihrem Verhalten andern• . Das akustische Bauelement an sich stellt kein Hindernis fur• eine industrielle Produktion dar, da akustische Ober achenwellen• lter in gro en Stuckzahlen• von etlichen Millionen seit Jahren produziert werden.

Im Bereich der Ultraschallsensorik gibt es viele Firmen, die Sensoren zur Fullstands•-, Durch ussoder Entfernungsmessung kommerziell anbieten [12]. Insbesondere fur• Rohrleitungsanwendungen werden dort Anklemm-Ultra- schallsensoren verwendet, deren gro er Vorteil die nichtinvasive Messung darstellt. Im Bereich der Durch usssensorik werden von der Firma FLEXIM Scherwellensensoren und Lambwellensensoren eingesetzt [13]. Hierbei handelt es sich bei den Schallwandlern um eine Art von Keilwandleranordnung, die Scherwellen oder Lambwellen auf der Rohrwandung erzeugen, welche in die angrenzende Flussigkeit• Schallwellen abstrahlen. Fur• dunne• Wanddicken werden Lambwellenwandler und fur• dickere Wanddicken Scherwellen-

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wandler eingesetzt. Uber das Laufzeitdi erenzverfahren wird die Stromungs•- geschwindigkeit im Rohr berechnet. Ferner werden Lambwellen zur Messung der Zusammensetzung von Flussigkeiten• von der Firma SensAction

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AG [14] oder zur Uberwachung von Schmiermitteln in Kugellager von der Firma BestSens AG [15] eingesetzt. Beide Firmen sind Ausgrundungen• des Instituts fur• Sensorund Aktortechnik der Hochschule Coburg und erzeu-