Surveiller la fréquence et la puissance des ultrasons à haute fréquence sans contact

Les essais ont été réalisés dans une installation à bains multiples avec des systèmes à ultrasons de 500 et 1 000 kHz. Ont également été inclus les systèmes oscillants présents dans l'installation, avec des fréquences de 40, 80 et 120 kHz.

Le microphone laser acoustique est placé au-dessus de la surface de l'eau pour les essais. Les mesures sont effectuées sans contact direct avec le milieu et sans mouvement.

La représentation montre le spectre de fréquence d'un système oscillant à 120 kHz (orange) ainsi que le bruit de fond du système de mesure (bleu) avec microphone laser acoustique.

Pour la capture des signaux ultrasonores du système oscillant à 500 kHz, le microphone a été déplacé de 160 mm horizontalement entre les mesures. La distance par rapport à la surface du bain était de 200 mm. Les courbes pratiquement superposées (bleu et orange) illustrent que la position horizontale du microphone laser acoustique pour la mesure n'est pas significative.

Les spectres de fréquence d'un système oscillant de 1 000 kHz sont présentés ici pour les niveaux de puissance de 20 %, 40 %, 60 %, 80 % et 100 %. La différence de puissance se manifeste principalement dans la plage de fréquences inférieure à la fréquence de stimulation. Source de l'image : Ecoclean GmbH

La surveillance de la fréquence et de la puissance est un outil essentiel pour assurer la qualité lors des applications de nettoyage par ultrasons dans la plage de 250 à 2000 kHz. La capacité à détecter de manière fiable les ondes sonores dans la gamme haute fréquence jusqu’à deux mégahertz à l’aide de microphones laser-acoustiques a été démontrée par Ecoclean lors de séries d’essais. Sur cette base, l’entreprise a étendu sa solution innovante APM (Acoustic Performance Measurement). La nouvelle solution est capable de surveiller sans contact la fréquence et la puissance des ultrasons aussi bien dans des systèmes de nettoyage ultrasonores multi-bacs entièrement automatisés que dans des systèmes de nettoyage en chambre fermée.

Les ultrasons haute fréquence sont utilisés lorsque des particules très fines et des contaminations minimales en film doivent être éliminées de surfaces sensibles ou à structure fine. C’est notamment le cas dans la fabrication de semi-conducteurs, la microtechnologie et la microélectronique, l’optique de précision, la technique analytique, laser, vacuum ainsi que la technologie médicale. Afin d’assurer de manière fiable les exigences de propreté définies pour un fonctionnement parfait, tout en évitant d’endommager ou de compromettre les composants sensibles, la vérification régulière des caractéristiques de vibration et le calcul d’indicateurs de nettoyage pertinents sont des paramètres de qualité essentiels. Pour ces applications, Ecoclean a étendu la plage de mesure de la technologie innovante Acoustic Performance Measurement (APM), qui permettait jusqu’à présent de détecter sans contact en ligne les fréquences ultrasonores jusqu’à 132 kHz, jusqu’à deux mégahertz en se basant sur la laseracoustique.

Une détection fiable du spectre de fréquences confirmée par des séries d’essais

Les séries d’essais avec un microphone laser-acoustique ont précédé le développement du nouveau système de mesure APM. La réalisation des tests s’est effectuée dans un système de nettoyage ultrasonore multi-bacs UCMSmartLine et avec des systèmes ultrasonores équipés de transducteurs à plaques de 500 kHz et 1 000 kHz. De plus, des transducteurs à plaques existants dans l’installation de nettoyage, avec des fréquences de vibration de 40, 80 et 120 kHz, ont été inclus dans les tests, et les résultats ont été comparés à ceux de la technologie APM précédente utilisant des microphones à condensateur.

Les essais ont permis de démontrer d’une part que le rapport signal-bruit dans toute la bande de fréquence est suffisamment élevé pour détecter des ondes sonores jusqu’à 2 MHz. D’autre part, il s’agissait de déterminer à quelle distance de la surface du bain le microphone laser-acoustique doit être placé pour que, malgré l’atténuation accrue des ondes sonores par l’air à mesure que la fréquence augmente, un spectre de fréquences adéquat puisse encore être calculé. Grâce à la haute sensibilité du microphone laser-acoustique, la distance est comparable à celle d’un microphone à condensateur, utilisé pour la mesure des ultrasons de basse fréquence.

Avantages grâce à une mesure sans contact ni mouvement

Contrairement aux hydrophones, la mesure avec la solution APM se fait sans contact direct avec le milieu et sans mouvement. Cela présente plusieurs avantages. La contamination des médias par le système de mesure est exclue, et il peut également être utilisé dans des applications avec une chimie agressive, sans polluer le bain ni endommager la technologie de mesure. La mesure sans mouvement garantit également sa reproductibilité et sa réalisation en ligne. De plus, la technologie APM permet de détecter la fréquence ultrasonore et la pression acoustique même à travers des « murs ». Elle peut donc être utilisée dans des bains de nettoyage et de rinçage fermés, par exemple lors de l’utilisation de procédés de changement de pression (procédé de nettoyage par pression pulsée, PPC – Pulsated Pressure Cleaning), ainsi que dans des systèmes de nettoyage en chambre. Pour un contrôle rapide et simple du bon fonctionnement des microphones laser-acoustiques et à condensateur utilisés dans le système APM sur site, des étalons de calibration manuels sont disponibles.

Mesure stationnaire ou à intervalles – également en tant que service

Le système de mesure est proposé à la fois comme solution stationnaire et en version portable pour des contrôles occasionnels. Dans la version stationnaire, le microphone est fixé sur le robot de transport. Ensuite, les bains de nettoyage et de rinçage équipés d’ultrasons sont successivement approchés, et les mesures sont effectuées sans contact, de manière à garantir la comparabilité des résultats. Les valeurs mesurées pour la fréquence et la puissance ultrasonores sont transmises au logiciel de la solution de mesure, analysées par des algorithmes, comparées aux valeurs de référence prédéfinies et enregistrées. En cas de déviation, le système émet une alerte ou un message d’erreur.

Les utilisateurs disposant déjà d’un système APM classique pour les ultrasons de basse fréquence, mais utilisant également des ultrasons avec des fréquences supérieures à 132 kHz, par exemple dans les processus de rinçage, peuvent simplement échanger le microphone et l’unité d’évaluation pour surveiller aussi bien les ultrasons de basse que de haute fréquence.

Pour les mesures avec la version portable, le microphone est orienté vers le bain à ultrasons à l’aide d’un support, et il enregistre le spectre de vibration dans le bain. Lors de l’analyse et de l’évaluation par le logiciel, les valeurs mesurées sont comparées aux valeurs de référence définies pour chaque station de traitement. Tous les résultats de mesure sont documentés dans des rapports PDF pour une traçabilité complète.

Les contrôles mobiles sont également proposés par l’entreprise en tant que service indépendant du fabricant pour les systèmes de nettoyage équipés d’ultrasons.