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Ein Sensor zur Bestimmung der Effektivität von Ultraschallreinigungsgeräten

07.06.2013

Ultraschallreinigungsbäder sind in der Industrie und im Gewerbe seit langem weit verbreitet. Trotzdem gibt es bisher kein einheitliches Verfahren, mit dem die erzielte Reinigung von Gütern durch verschiedenen Geräte, oder auch die Reinigungswirkung eines Gerätes in verschiedenen Betriebszuständen verglichen werden kann. Die PTB hat ein Verfahren entwickelt, mit dem direkt der Abtrag von Partikeln von einer Oberfläche – also ein Reinigungsprozess – gemessen werden kann.

Zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit von Ultraschall-Reinigungsgeräten gibt es bisher kein standardisiertes Verfahren, insbesondere Gerätehersteller verwenden jeweils eigene Methoden. Zudem haben die häufig individuell eingesetzten Verfahren keinen direkten, nachgewiesenen Bezug zur Reinigungswirkung. Die PTB hat einen Sensor entwickelt, mit dem der Abtrag von dünnen Testschichten, die dem Ultraschall ausgesetzt werden, quantitativ mit einer Quarz-Mikrowaage bestimmt werden kann. Dabei gibt die Änderung der Masse der Testschicht den Abtrags- und damit den Reinigungsfortschritt an.

Die Änderung der Masse  der auf der Quarzoberfläche aufgebrachten Testschicht steht linear im Zusammenhang mit der Änderung der Resonanzfrequenz des Quarzes, die für eine Wägung bestimmt wird. Im Gegensatz zum weit verbreiteten Verfahren, den Quarz als frequenzbestimmendes Glied in einer Oszillatorschaltung zu betreiben, wird er hier extern mit einem Signal angeregt, wobei die Frequenz um die Resonanzfrequenz des Quarzes von 10 MHz variiert wird. Die HF-Spannung am Quarz wird gleichgerichtet und tiefpassgefiltert, um die Amplitude der Resonanzkurve messen zu können und daraus die Resonanzfrequenz zu bestimmen. So ist es auch bei starker Dämpfung, wie sie in flüssiger Umgebung auftritt, möglich, diese Frequenz zu messen. Bild 1 zeigt eine Prinzipskizze des Aufbaus. Um keine akustische Welle abzustrahlen und Einflüsse durch in der Umgebung reflektierte Wellen zu vermeiden, wird ein Quarz im AT-Schnitt verwendet.

Bild 1: Prinzipskizze des Schwingquarzes und seiner Ansteuerung.

Die Testschicht wird aus einer Suspension von Silikat-Mikropartikeln in einem verdünnten Lack hergestellt. Dieses Gemisch wird mittels Spin-Coating auf die Quarzoberfläche aufgebracht. Die Schicht verschiebt durch ihre Masse die Resonanzfrequenz des Quarzes zu tieferen Frequenzen hin. Im Verlauf der Reinigung steigt die Frequenz infolge des Abtrags der Schicht wieder an. Über den Lackanteil und die Größe der Partikel in der Suspension kann die Schicht an die Bedingungen in der Reinigungswanne angepasst werden; beispielsweise wird Ultraschall mit höherer Frequenz verwendet, um kleinere Partikel abzutragen. Entwickelt und getestet wurde der Sensor-Prototyp für Reinigungsbäder mit einer Arbeitsfrequenz von 45 kHz.

Bei gleichbleibender Kavitation erfolgt der schnellste Abtrag zu Beginn einer Messung mit neu aufgetragener Schicht. Im weiteren Einsatz nähert sich die verbleibende Frequenzverschiebung – also auch die verbleibende Testschicht – dem unbeschichteten Zustand an. Bild 2 zeigt die Quarzoberfläche direkt nach der Beschichtung sowie nach einer und nach fünf Minuten Beschallung.

Bild 2: Von links nach rechts - a) Beschichtete Quarzoberfläche, (b) Oberfläche nach einer Minute und (c) nach fünf Minuten im aktiven Reinigungsbad. Die hellen Flächen sind mit Partikeln belegt.

Zukünftiges Ziel ist es, die Durchführung der Messung  für möglichst viele praktische Anwendungsfälle zu ermöglichen. Ein einmal beschichteter Quarz kann dann für etwa fünf bis zehn Minuten im aktiven Reinigungsbad eingesetzt und damit zu etwa 30 Überprüfungen der Reinigungsleistung genutzt werden, in denen die Testschicht nach und nach abgetragen wird. Anschließend kann der Quarz neu beschichtet werden. Dazu wird er mit einem Lösungsmittel gereinigt und eine neue Testschicht aufgebracht.

Ansprechpartner:

Matthias Jüschke, FB 1.6, AG 1.62, E-Mail: matthias.jueschke@ptb.de