Dem wahren Ultraschall auf der Spur

Messen der tatsächlichen Kavitation in einem Ultraschallbad per Hydrophon

Über die Messung des Kavitationsgeräusches lässt sich die effektive Wirkung des Ultraschalls messen und an die jeweilige Anwendung anpassen (Bilder: Köchel)

Der Ultraschall und seine Intensität sind in einem realen Reinigungbad nicht konstant. Daher ist es bei anspruchsvollen Reinigungsprozessen ratsam, Analysemethoden einzusetzen, um die Effektivität des Ultraschalls zu optimieren. Möglich ist dies mittels akustischer Messung der Kavitation im Ultraschallbad.

Die Reinigung von Teilen mittels Ultraschall hat sich als äußerst effektive Methode in einer Vielzahl von Branchen etabliert, von der Industrie bis zur Medizin und Halbleitertechnik. Ein wesentlicher Prozess bei der Ultraschallreinigung ist die Kavitation, ein Phänomen, bei dem durch die Wechselwirkung von Ultraschallwellen und Flüssigkeit Gasbläschen erzeugt werden, die daraufhin implodieren und einen Jetstrom erzeugen.

Diese Kavitationsbläschen agieren als winzige Mikrobürsten, die selbst hartnäckigste Verunreinigungen von den zu reinigenden Oberflächen lösen. Doch je nach Geometrie des Bades, der Anzahl der Ultraschallschwinger, deren Auslegung und auch in Abhängigkeit der Teilegeometrie können auch erfahrene Anlagenkonstrukteure bezüglich der Reinigungswirkung Überraschungen erleben. Hinzu kommt, dass am Ultraschall-Generator die Leistung eingestellt wird, die zum Ultraschallschwinger geschickt wird – von daher bietet das Ablesen der US-Skala nur einen Anhaltswert, welche Leistung effektiv im Bad abgestrahlt wird.

Der Cavispector in Form eines Tablet-PCs und der Auswerteelektronik samt Hydrophon ermöglicht ein großes Plus an Prozesssicherheit.

Akustische Vermessung des Ultraschalls

Allerdings gibt es inzwischen eine Lösung, um diese Wissenslücke zu schließen, denn die Intensität des der Ultraschallwirkung zugrunde liegenden Kavitationsprozesses kann anhand des charakteristischen akustischen Geräuschs gemessen werden, das während der Implosionen der Gasbläschen entsteht.

Dieses Kavitationsgeräusch wird Level cavitation noise (Lcn) genannt und der Zahlenwert, der in Dezibel (dB) ausgedrückt wird, steht in direktem Zusammenhang mit der Reinigungswirkung des Ultraschallbads. Je intensiver die Kavitation ist, desto lauter ist das akustische Signal, und desto effektiver ist die Reinigung.

Das Kavitationsmesssystem Cavispector besteht aus einem Hydrophon zur Erfassung des Kavitationsgeräuschs im Ultraschallbad, einem Verstärker mit Analog-/Digitalwandler und einem Computer mit spezieller Software zur Analyse der Messdaten. Das Hydrophon erfasst die akustischen Signale, die dann durch den Verstärker geleitet und digitalisiert werden.

Die Software analysiert die Daten und extrahiert relevante Messgrößen. Durch den Einsatz statistischer Methoden lässt sich eine bemerkenswert hohe Wiederholgenauigkeit bei der Messung des normalerweise stochastischen Phänomens des Kavitationsrauschens erzielen.

Nach der Messung werden detaillierte Messprotokolle in verschiedenen Dateiformaten automatisch erstellt, die alle notwendigen Parameter enthalten. Nach Abschluss einer Messreihe wird ein Deckblatt erstellt, das ergänzende übergeordnete Informationen enthält. Diese Protokolle ermöglichen eine präzise Dokumentation und sind somit auch eine wertvolle Unterstützung für Audits.

 

Standardisiertes Messverfahren

Um weltweit vergleichbare Messergebnisse zu gewährleisten, wurde das Verfahren zur Messung der Kavitationsgeräusche in Ultra-
schallbädern in der IEC TS 63001 standardisiert. Die Edition 1.0 wurde im Januar 2019 veröffentlicht und nun im Februar 2024 durch die Veröffentlichung der Edition 2.0 aktualisiert.

Die Aktualisierung des technischen Standards beinhaltet unter anderem die Ergänzung eines weiteren Messverfahrens durch das National Physical Laboratory (NPL) sowie eine präzisere Beschreibung des Messverfahrens, um Interpretationsspielräume zu minimieren und Messergebnisse verschiedener Anbieter zu vereinheitlichen.

 

Messaufbau
Manuelle Messung mit kleinem Gerät.

Tatsächliche Effektivität nur im Bad messbar

Neben der im Standard beschriebenen Methode, das Hydrophon im Medium des Ultraschallbades zu platzieren, bieten alternative Messmethoden wie die Messung des Kavitationsrauschens mit einem Mikrofon in Luft oder einem Körperschallsensor weitere Möglichkeiten.

Diese alternativen Ansätze sind je nach Anwendungsfall und Präferenz des Anwenders einsetzbar. Zu beachten ist allerdings, dass zahlreiche Phänomene, die sich im Medium abspielen, und zum Beispiel Bezug zu dem Einfluss von Warenträgern, der Beladung des Bads mit Ware oder lokal unterschiedlichen Kavitationswerten haben, nur bei der Messung mit dem Hydrophon im Reinigungsmedium, wie es mittels des Cavispectors geschieht, erfasst werden.

Prozessmängel aufgespürt

Der Glaube, dass das Aktivieren des Ultraschalls und das Einstellen einer bestimmten Leistung mit großer Sicherheit zu dem gewünschten Ergebnis bezüglich der Bauteilsauberkeit führt, ist weit verbreitet und doch längst nicht immer zutreffend. Zahlreiche Messungen von Köchel Verifications in Anlagen bei den Anwendern vor Ort haben gezeigt, dass bei vielen Anlagen entweder die Parameter nicht ordnungsgemäß eingestellt sind oder die Ultraschalltechnik sogar Schäden aufweist.

Solche Missstände können entweder durch Unwissen seitens der Anwender hinsichtlich der für einen Reinigungsprozess relevanten Parameter verursacht sein, oder aber darin begründet sein, dass der Ultraschall und seine Wirksamkeit bisher gar nicht auf dem Prüfplan vieler Anwender stand. Mittels Kavitationsmessungen lassen sich solche Schwachstellen jedenfalls sehr effizient aufdecken und den Reinigungsprozess in einem Maße in Bezug auf Effizienz und Wirksamkeit optimieren, wie es bisher durch Try and Error nicht möglich war.

 

Anhand des aufgenommen Ultraschallspektrums per im Medium eingetauchten Hydrophon lässt sich ein Ultraschall-Reinigungsprozess und seine Wirksamkeit überwachen. Auch Anlagendefekte oder Parameterfehler lassen sich so identifizieren.
Für High-Purity-Anwendungen erlaubt die Messung eine Regelung der Ultraschallstärke.

Zu wenig ist schlecht, zu viel aber auch

Nicht immer geht es bei der Kavitationsmessung darum, die Ursache für eine zu geringe Ultraschallintensität zu finden. Auch das Gegenteil kann gefragt sein. So ist die Kavitationsmessung besonders in Anwendungen mit hohen Reinheitsanforderungen – Stichwort High-Purity – von Bedeutung. Und hierbei geht es nicht nur um eine effektive Reinigung, sondern auch um die Vermeidung von Schäden an den empfindlichen Teilen durch übermäßige Kavitation. Daher gilt es mitunter, die Bäder mit reduzierter Leistung zu betreiben.

Leider ist die Leistungseinstellung vieler US-Geräte relativ ungenau, so dass auch bei Einsatz des gleichen Gerätetyps die tatsächlichen Kavitationswerte teilweise erheblich auseinanderliegen können. Auch in diesem Fall erlaubt es die Kavitationsmessung, ein optimales Prozessfenster zu definieren und die Effektivität des Reinigungsprozesses zu kontrollieren, um eine schonende und dennoch wirksame Reinigung zu gewährleisten.

Optimierung für Wechseldruckverfahren

Es gibt zunehmend geschlossene Ultraschall-Reinigungsgeräte und -anlagen, die Ultraschall mit einem Druckwechselverfahren kombinieren. In diesen Systemen beeinflussen zusätzlich Druckschwankungen die Kavitation – auch hier erlaubt der Cavispector eine Konkretisierung der herrschenden Prozessbedingungen. Durch die Kavitationsmessung lässt sich die Dynamik des Systems erfassen und darstellen, wodurch es möglich wird, die Zeitkonstanten für Unterdruck und Belüftung zu optimieren.

Kalibrieren und Prüfen sind wichtig

Ein weiterer wichtiger Aspekt der Kavitationsmessung ist die regelmäßige Überprüfung und Kalibrierung der Messmittel, insbesondere des Hydrophons. Das Hydrophon ist das wichtigste Instrument zur Erfassung des Kavitationsgeräuschs und sollte daher regelmäßig auf seine Genauigkeit und Zuverlässigkeit hin überprüft werden.

Methoden wie eine schnell und einfach durchgeführte Impedanzmessung oder ein Vergleich des Arbeits- mit einem Referenzhydrophon ermöglichen eine frühzeitige Erkennung von Schäden oder Verschleiß am Hydrophon und eine entsprechende Anpassung oder der Austausch des Messgeräts. Aufgrund der Rückführbarkeit der Empfindlichkeitscharakteristik des Hydrophons im Cavispector auf ein Naturnormal ist sichergestellt, dass die Messungen stets auf eine objektive und eindeutige Basis gestellt werden können.

 

Die Tabelle zeigt die Vorteile der einzelnen Messmethoden. Die meisten Informationen liefert die Messung per Hydrophon im Medium, unter anderem absolute Werte für die Kavitation. Messungen von außerhalb des Bades ermöglichen in der Regel nur relative Messwerte.

Fazit

Die kontinuierliche Weiterentwicklung und Standardisierung der Kavitationsmessung trägt dazu bei, die Effizienz und Qualität von Ultraschall-Reinigungsprozessen in verschiedenen Branchen zu verbessern. So kann die genaue und zuverlässige Messung der Kavitation mit einer Messvorrichtung wie dem Cavispector einen wichtigen Beitrag zu konstanteren Reinigungsergebnissen und einer konsistenteren Leistung über verschiedene Geräte hinweg leisten. Noch dazu ist eine Verlängerung der Lebensdauer einzelner Komponenten, wie zum Beispiel der Ultraschalltechnik, möglich.

Köchel Verifications GmbH
www.cavispector.com