Frequentie en vermogen van hoogfrequente ultrasone contactloze monitoring

De experimenten werden uitgevoerd in een multi-badkamerinstallatie met ultrasoonsystemen van 500 en 1000 kHz. Ook de in de installatie aanwezige trilsystemen met 40, 80 en 120 kHz zijn betrokken.

Het laserakoestische microfoon bevindt zich voor de experimenten boven het badoppervlak. De metingen worden uitgevoerd zonder direct contact met het medium en zonder beweging.

De weergave toont het frequentiespectrum van een 120 kHz-trillingssysteem (oranje) evenals de achtergrondruis van het meetsysteem (blauw) met een laserakoestisch microfoon.

Voor het vastleggen van de ultrasone signalen van het 500 kHz-trillingssysteem is de microfoon tussen de metingen horizontaal met 160 mm verschoven. De afstand tot het badoppervlak bedroeg 200 mm. De praktisch over elkaar liggende curves (blauw en oranje) illustreren dat de horizontale positie van de laser-akoestische microfoon voor de meting niet significant is.

De frequentiespectra van een oscillatiesysteem van 1.000 kHz worden hier weergegeven voor de vermogensniveaus 20, 40, 60, 80 en 100 %. Het vermogensverschil is vooral zichtbaar in het frequentiebereik dat kleiner is dan de aandrijffrequentie. Afbeeldingsbron: Ecoclean GmbH

De monitoring van frequentie en vermogen is bij reinigingsapplicaties met ultrasoon in het bereik van 250 tot 2.000 kHz een belangrijk instrument voor kwaliteitsborging. Dat met laserakoestische microfoons ook geluidsgolven in het hoogfrequente bereik tot twee megahertz betrouwbaar worden vastgelegd, heeft Ecoclean in proefseries aangetoond. Op basis hiervan heeft het bedrijf zijn innovatieve APM (Acoustic Performance Measurement)-oplossing uitgebreid. De nieuwe oplossing kan ultrasoonfrequentie en -vermogen zowel in volledig geautomatiseerde ultrasoon-meerbad-onderdompelingsinstallaties als in gesloten kamerreinigingssystemen contactloos monitoren.

Hoogfrequente ultrasoon wordt ingezet wanneer fijnste deeltjes en minimale filmcontaminaties van gevoelige of fijn gestructureerde oppervlakken moeten worden gereinigd. Dit is bijvoorbeeld het geval in de halfgeleiderfabricage, microsystemen en elektronica, precisie-optiek, analyse-, laser- en vacuümtechniek, evenals medische technologie. Om de voor een optimale werking vereiste reinigingsnauwkeurigheid betrouwbaar te bereiken en daarbij schade of beïnvloeding van de gevoelige componenten te voorkomen, zijn regelmatige controle van de trillingkarakteristiek en de berekening van reinigingsrelevante kerngetallen essentiële kwaliteitsparameters. Voor deze toepassingen heeft Ecoclean het meetbereik van de innovatieve Acoustic Performance Measurement (APM)-technologie, waarmee tot nu toe ultrasoonfrequenties tot 132 kHz contactloos inline konden worden vastgelegd, op basis van laserakoestiek uitgebreid tot twee megahertz.

Betrouwbare vastlegging van het frequentiespectrum bewezen door proefseries

Aan de ontwikkeling van het nieuwe APM-meetsysteem gingen proefseries met een laserakoestische microfoon vooraf. De onderzoeken werden uitgevoerd in een ultrasoon-meerbad-onderdompelingsinstallatie UCMSmartLine en met ultrasone systemen met 500 kHz en 1.000 kHz plaattrillingen. Daarnaast werden reeds aanwezige plaattrillers in de reinigingsinstallatie met trillingsfrequenties van 40, 80 en 120 kHz in de onderzoeken betrokken en werden de resultaten vergeleken met de bestaande APM-technologie met condensatormicrofoons.

In de proeven kon enerzijds worden aangetoond dat de signaal-ruisverhouding in het gehele frequentiebereik hoog genoeg is om geluidsgolven tot 2 MHz te kunnen vastleggen. Anderzijds ging het erom vast te stellen op welke afstand van het badoppervlak de laserakoestische microfoon moet worden ingezet, zodat ondanks de toenemende demping van de geluidsgolven door de lucht bij hogere frequenties nog een adequaat frequentiespectrum kan worden berekend. Door de hoge gevoeligheid van de laserakoestische microfoon is de afstand vergelijkbaar met die van de condensatormicrofoon, die wordt gebruikt voor de meting van laagfrequente ultrasoon.

Voordelen door contact- en bewegingsvrije meting

In tegenstelling tot hydrofoons vindt de meting met de APM-oplossing plaats zonder direct contact met het medium en is bewegingsvrij. Hierdoor zijn verschillende voordelen verbonden. Zo worden contaminaties van de media door het meetsysteem uitgesloten en kan het ook bij toepassingen met agressieve chemicaliën worden ingezet, zonder het bad te vervuilen of de meetsystemen te beschadigen. De bewegingsvrije meting zorgt er bovendien voor dat deze reproduceerbaar en inline kan worden uitgevoerd. Daarnaast maakt de APM-technologie het mogelijk om ultrasoonfrequentie en geluidsdruk zelfs door 'muren' heen te detecteren. Ze kan daarom ook worden toegepast bij gesloten reinigings- en spoelbakken, bijvoorbeeld bij gebruik van drukwisselmethoden (vacuum-flutreinigingsmethoden zoals PPC – Pulsated Pressure Cleaning), en bij kamerverwijderingsinstallaties. Voor een snelle en eenvoudige functioneringscontrole van de voor het APM-systeem gebruikte laserakoestische en condensatormicrofoons staan geschikte handkalibrators ter beschikking.

Stationaire meting of op tijdsintervallen – ook als dienst

Het meetsysteem wordt zowel aangeboden als stationaire oplossing als in een draagbare uitvoering voor incidentele controles. Bij de stationaire variant wordt de microfoon bevestigd aan de transportautomaat. Vervolgens worden de met ultrasoon uitgeruste reinigings- en spoelbakken achtereenvolgens aangedaan en worden de metingen contactloos uitgevoerd, zodat de resultaten vergelijkbaar zijn. De gemeten waarden voor ultrasoonfrequentie en -vermogen worden overgedragen aan de software van de meetsystemen, geëvalueerd door algoritmen en vergeleken met de vooraf gedefinieerde en opgeslagen streefwaarden. Bij afwijkingen geeft het systeem een waarschuwing of foutmelding.

Gebruikers die het klassieke APM-systeem voor laagfrequente ultrasoon gebruiken, maar ook ultrasoon met frequenties boven 132 kHz bijvoorbeeld in spoelprocessen, kunnen de microfoon en de evaluatie-eenheid eenvoudig verwisselen en daarmee zowel laag- als hoogfrequent ultrasoon monitoren.

Voor metingen met de draagbare uitvoering wordt de microfoon met een houder op het betreffende ultrasoonbad gericht en registreert het de trillingenspectrum in de bak. Bij de analyse en evaluatie door de software worden de gemeten actuele waarden vergeleken met de als referentiewaarden gedefinieerde streefkenmerken voor de betreffende behandelingsstation. Alle metingen worden gedocumenteerd in PDF-rapporten voor een volledige traceerbaarheid.

De mobiele controlemetingen biedt het bedrijf onafhankelijk van de fabrikant ook als service voor reinigingsinstallaties waarin ultrasoon is ingebouwd.