Monitorování frekvence a výkonu vysokofrekvenčního ultrazvuku bezkontaktně

Pokusy byly provedeny v vícebodové vanové zařízení s ultrazvukovými systémy o frekvencích 500 a 1000 kHz. Zařazeny byly také vibrační systémy dostupné v zařízení s frekvencemi 40, 80 a 120 kHz.

Laserově akustické mikrofony jsou umístěny nad hladinou lázně pro pokusy. Měření probíhají bez přímého kontaktu s médiem a bez pohybu.

Zobrazení ukazuje frekvenční spektrum systému oscilací o 120 kHz (oranžová) a základní šum měřicího systému (modrá) s laserově akustickým mikrofonem.

Pro zaznamenání ultrazvukových signálů 500 kHz oscilátoru bylo mikrofon posunuto o 160 mm horizontálně mezi měřeními. Vzdálenost od povrchu vany byla 200 mm. Prakticky překrývající se křivky (modrá a oranžová) ukazují, že horizontální poloha laserově akustického mikrofonu pro měření není významná.

Frekvenční spektra oscilátoru s frekvencí 1 000 kHz jsou zde znázorněna pro výkonové úrovně 20, 40, 60, 80 a 100 %. Rozdíl v výkonu je patrný především v frekvenčním rozsahu, který je menší než frekvence vzrušení. Obrázkový zdroj: Ecoclean GmbH

Monitorování frekvence a výkonu je při čištění ultrazvukem v rozmezí 250 až 2000 kHz důležitým nástrojem pro zajištění kvality. To, že laserové akustické mikrofony spolehlivě zachycují i vysokofrekvenční vlny až do dvou megahertzů, prokázaly Ecoclean ve zkušebních řadách. Na základě toho společnost rozšířila své inovativní řešení APM (Acoustic Performance Measurement). Nové řešení je schopno kontaktu bez monitorování ultrazvukové frekvence a výkonu jak v plně automatizovaných více-badových ultrazvukových systémech, tak v uzavřených čištěcích komorách.

Vysokofrekvenční ultrazvuk se používá, když je třeba čistit jemné částice a minimální filmové kontaminace citlivých nebo jemně strukturovaných povrchů. To je například v polovodičové výrobě, mikrosystémové technice a elektronice, přesné optice, analytické, laserové a vakuové technice, stejně jako v medicíně. Aby bylo možné spolehlivě dosáhnout definovaných požadavků na čistotu pro správnou funkci a zároveň se vyhnout poškození nebo narušení citlivých součástí, jsou pravidelné kontroly kmitočtové charakteristiky a výpočet klíčových parametrů čištění zásadními ukazateli kvality. Pro tyto aplikace společnost Ecoclean rozšířila rozsah měření inovativní technologie Acoustic Performance Measurement (APM), která dříve bezkontaktně zaznamenávala ultrazvukové frekvence až do 132 kHz, na základě laserové akustiky až do dvou megahertzů.

Spolehlivé zachycení spektra frekvencí doloženo zkušebními řadami

Předcházející vývoji nového APM měřicího systému byly provedeny zkušební řady s laserovým akustickým mikrofonem. Vyšetřování probíhalo v ultrazvukové více-badové myčce UCMSmartLine a s ultrazvukovými systémy s plochými měniči o 500 kHz a 1000 kHz. Navíc byly do výzkumu zapojeny již existující ploché měniče v mycím zařízení s kmitočty 40, 80 a 120 kHz a výsledky byly porovnány s dosavadní technologií APM s kondenzátorovými mikrofony.

V experimentech bylo možné mimo jiné prokázat, že poměr signálu k šumu je v celém frekvenčním pásmu dostatečně vysoký, aby bylo možné zachytit vlny až do 2 MHz. Dále šlo o zjištění, v jaké vzdálenosti od povrchu vany je třeba laserový akustický mikrofon použít, aby i při rostoucím frekvenčním útlumu vln způsobeném vzduchem bylo možné vypočítat odpovídající spektrum frekvencí. Díky vysoké citlivosti laserového akustického mikrofonu je vzdálenost srovnatelná s kondenzátorovým mikrofonem, který se používá k měření nízkofrekvenčního ultrazvuku.

Výhody díky kontaktu a pohybu bez měření

Na rozdíl od hydrofonů probíhá měření s řešením APM bez přímého kontaktu s médiem a bez pohybu. To přináší různé výhody. Kontaminace médií měřicím systémem jsou vyloučeny a lze jej použít i při agresivní chemii, aniž by došlo ke znečištění vany nebo poškození měřicí techniky. Pohybově bezkontaktní měření také zajišťuje, že je reprodukovatelné a může být prováděno inline. Navíc technologie APM umožňuje detekci ultrazvukové frekvence a akustického tlaku i přes „stěny“. Proto může být použita i v uzavřených čisticích a oplachovacích vanách, například při použití tlakových výměnných metod (vakuové metody čištění PPC – Pulsated Pressure Cleaning) nebo v komorových systémech. Pro rychlou a jednoduchou kontrolu funkčnosti laserových akustických a kondenzátorových mikrofonů používaných v systému APM jsou k dispozici příslušné ruční kalibrátory.

Stacionární měření nebo v časových intervalech – i jako služba

Systém měření je nabízen jak jako stacionární řešení, tak v přenosné verzi pro občasné kontroly. U stacionární varianty je mikrofon upevněn na dopravníku. Poté jsou postupně obsluhovány mycí a oplachovací vany vybavené ultrazvukem a měření jsou prováděna bezkontaktně, takže jsou výsledky srovnatelné. Naměřené hodnoty frekvence a výkonu ultrazvuku jsou přenášeny do softwaru měřicího systému, analyzovány algoritmy a porovnávány s předem definovanými a uloženými referenčními hodnotami, přičemž jsou uloženy. Při odchylkách systém vydá varování nebo chybovou zprávu.

Uživatelé, kteří používají klasický systém APM pro nízkofrekvenční ultrazvuk, ale i ultrazvuk s frekvencemi nad 132 kHz, například v mycích procesech, mohou mikrofon a vyhodnocovací jednotku jednoduše vyměnit a tím monitorovat jak nízkofrekvenční, tak vysokofrekvenční ultrazvuk.

Pro měření v přenosné verzi je mikrofon nasměrován pomocí držáku na příslušný ultrazvukový bazén a zachycuje spektrum kmitů v vaně. Při analýze a vyhodnocení softwaru jsou naměřené aktuální hodnoty porovnávány s referenčními parametry definovanými pro danou zpracovatelskou stanici. Všechna měření jsou dokumentována ve PDF zprávách pro úplný důkaz.

Mobilní kontrolní měření nabízí společnost nezávisle na výrobci také jako službu pro čistící zařízení, ve kterých je ultrazvuk instalován.