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Licensed Unlicensed Requires Authentication Published by Oldenbourg Wissenschaftsverlag January 27, 2015

Kavitationsdetektion mittels Self-Sensing-Ultraschallwandler

Cavitation detection by a self-sensing ultrasound transducer
Peter Bornmann

Peter Bornmann studierte Maschinenbau mit dem Schwerpunkt Produktentwicklung an der Universität Paderborn. Seit November 2008 ist er als wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Fachgruppe Mechatronik und Dynamik tätig und befasst sich mit der Auslegung, dem Aufbau und der Charakterisierung von Ultraschallsystemen.

Universität Paderborn, Lehrstuhl für Mechatronik und Dynamik, Pohlweg 47–49, 33098 Paderborn

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, Tobias Hemsel

Tobias Hemsel, Jahrgang 1970, studierte 1990 bis 1996 Maschinenbau mit Schwerpunkt Konstruktionstechnik an der – damals noch – Universität Gesamthochschule Paderborn. Anschließend war er von 1996 bis 2001 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl Mechatronik und Dynamik bei Prof. Dr.-Ing. Jörg Wallaschek. Er promovierte 2001 mit Auszeichnung und erhielt eine Dauerstelle als akademischer Rat. Tobias Hemsel ist seit 2003 akademischer Oberrat, er wurde 2003 und 2005 mit dem Forschungspreis der Universität Paderborn ausgezeichnet. Nach dem Ausscheiden von Prof. Wallaschek im April 2007 hat er bis zum Dienstantritt von Prof. Sextro im März 2009 den Lehrstuhl geleitet. Im Februar und März 2009 war Tobias Hemsel als „Visiting Professor“ an der Universität Tokio tätig. Er hat mehr als 100 wissenschaftliche Beiträge veröffentlicht.

Universität Paderborn, Lehrstuhl für Mechatronik und Dynamik, Pohlweg 47–49, 33098 Paderborn

, Walter Sextro

Walter Sextro studierte Maschinenbau mit dem Schwerpunkt in Mechanik, Mess- und Regelungstechnik an der Leibniz Universität Hannover und am Imperial College in London. Nach seinem Studium war er als Entwicklungsingenieur und Projektkoordinator für die Auslegung und Optimierung von Bohrsträngen zur Erdöl- und Erdgasförderung bei der Firma Baker Hughes Inteq im Drilling Research Center in Celle und in Houston, Texas, verantwortlich. Er kehrte als wissenschaftlicher Mitarbeiter an die Universität Hannover zurück und promovierte 1997 am Institut für Mechanik zum Thema „Schwingungsverhalten von Schaufelkränzen mit Reibelementen bei Frequenzverstimmung“. Seine Dissertation wurde im Jahre 1998 mit dem „Wissenschaftspreis Hannover“ ausgezeichnet. Anschließend habilitierte er sich auf dem Gebiet der Mechanik und veröffentlichte seine Habilitationsschrift mit dem Thema „Dynamical Contact Problems with Friction: Modells, Methods, Experiments and Applications“ im Springer-Verlag. Im Februar 2004 folgte er einem Ruf als Professor an das Institut für Mechanik und Getriebelehre der Technischen Universität Graz in Österreich. Prof. Sextro hat zum 1. März 2009 die Leitung des Lehrstuhls für Mechatronik und Dynamik übernommen. Für seine Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet: „Simulation und Optimierung von innovativen Leichtbaustoffen“ erhielt er den Forschungspreis 2009 der Universität Paderborn.

Universität Paderborn, Lehrstuhl für Mechatronik und Dynamik, Pohlweg 47–49, 33098 Paderborn

, Gianluca Memoli

Gianluca Memoli completed his undergraduate studies in Physics at Pisa University, Italy, in 1998, with work on applied optics. In 1999 he started a PhD on multi-phase flow management for space applications (completed in 2002), which kindled his interests in bubble dynamics. Before joining NPL in 2008, he worked as a researcher for the Department of Engineering at Pisa University (2002–2003), for the Environmental Protection Agency in Tuscany (2004–2005), and for the Department of Chemical Engineering of Imperial College London (2006–2008). During these years he acquired unique expertise in solving complex problems in different fields of science and technology, often related to bubbles and/or acoustics. Gianluca is the lead or co-author of 15 papers in peer-reviewed journals and of more than 60 conference papers. He has written one book chapter and has experience supervising both PhD and Master students.

National Physical Laboratory, Teddington, United Kingdom

, Mark Hodnett

Mark Hodnett was awarded a BSc degree in Physics with Acoustics from the University of Surrey in 1994, and started work at NPL in July of that year, commencing NPL's research into measurement techniques for acoustic cavitation. Since then, he has also developed expertise in medical device characterisation, and collaborated on projects as diverse as aerospace NDE to the processing of sewage sludge. He has is the lead or co-author of 24 papers in peer-reviewed journals, has written two book chapters, and currently has leadership responsibility for four staff. Mark is the current President of the Ultrasonic Industry Association, and a visiting lecturer at Hammersmith Hospital.

National Physical Laboratory, Teddington, United Kingdom

and Bajram Zeqiri

Bajram Zeqiri was born in Salerno, Italy, Italy, in 1957. He joined NPL in 1984 following the completion of a PhD in solid-state chemistry at the University of Kent, Canterbury. His work at NPL has seen him contribute to the development of ultrasonic measurement techniques and standards with several topic areas, including: acoustic property of materials determination, calibration and the application of ultrasonic hydrophones, characterisation of ultrasonic power along with the development of standards for physiotherapy ultrasound equipment. Over the last ten years, his major areas of research interest have been in developing methods to characterise the essential properties of high power ultrasonic systems as used within the cleaning and sonoprocessing industries, the development of novel acoustic materials, ultrasound power measurement methods and computed tomography using ultrasound. He is an NPL Fellow and leads a team of ten engaged in developing new measurement methods and disseminating ultrasonic standards to the user community. Dr Zeqiri is a member of IEC Technical Committee 87, primarily contributing to Working Groups 8 and 3, and he is the author of nearly 60 publications in the area of ultrasonic measurement.

National Physical Laboratory, Teddington, United Kingdom

From the journal tm - Technisches Messen

Zusammenfassung

Eine Vielzahl von Prozessen in der Chemie und Verfahrenstechnik kann durch Ultraschall positiv beeinflusst werden. Oftmals ist ultraschallinduzierte Kavitation der Hauptwirkmechanismus für die positiven Effekte der Beschallung. Daher ist es notwendig die Kavitationsaktivität während des Prozesses zu quantifizieren um die Beschallung für den jeweiligen Prozess optimal gestalten und überwachen zu können. Eine Möglichkeit der prozessbegleitenden Kavitationsdetektion ist die Auswertung der akustischen Emissionen von oszillierenden und kollabierenden Kavitationsblasen mittels Drucksensoren in der Flüssigkeit. Raue Prozessrandbedingungen wie hohe Temperaturen oder aggressive Flüssigkeiten erschweren es jedoch geeignete Sensoren zu finden. Als Alternative wurde daher die Nutzbarkeit der Rückwirkung von Kavitationsereignissen auf das elektrische Eingansgssignal des Ultraschallwandlers zur Quantifizierung von Kavitation untersucht. Die experimentelle Analyse hat ergeben, dass das Einsetzen und in einigen Fällen auch die Art der Kavitation auf Basis der Rückwirkung auf das Stromsignal des Ultraschallwandlers bestimmt werden kann. Die Stärke der Kavitation war hingegen nicht aus den Stromsignalen abzuleiten.

Abstract

Many processes in chemistry can be enhanced by ultrasound assistance. In many cases ultrasound induced cavitation is the main reason for these enhancements. Therefore, it is desired to quantify cavitation activity during the process to optimize sonication for various processes and monitor cavitation activity throughout the process. One possibility to monitor cavitation activity is to measure the acoustic emissions of oscillating and collapsing cavitation bubbles by hydrophones in the liquid. However, harsh environments often coming along with chemical processes complicate the application of sensors in the liquid. Thus, this contribution discusses the applicability of the feedback of cavitation on the driving signals of the ultrasound transducer itself as possible alternative for cavitation monitoring. The measurement results show that the threshold of inertial cavitation could be detected based on the current signal of the transducer. Some indicators can even be used to distinguish between the two types of cavitation. However, to evaluate the strength of cavitation the application of a cavitation sensor is recommended.

Über die Autoren

Peter Bornmann

Peter Bornmann studierte Maschinenbau mit dem Schwerpunkt Produktentwicklung an der Universität Paderborn. Seit November 2008 ist er als wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Fachgruppe Mechatronik und Dynamik tätig und befasst sich mit der Auslegung, dem Aufbau und der Charakterisierung von Ultraschallsystemen.

Universität Paderborn, Lehrstuhl für Mechatronik und Dynamik, Pohlweg 47–49, 33098 Paderborn

Tobias Hemsel

Tobias Hemsel, Jahrgang 1970, studierte 1990 bis 1996 Maschinenbau mit Schwerpunkt Konstruktionstechnik an der – damals noch – Universität Gesamthochschule Paderborn. Anschließend war er von 1996 bis 2001 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl Mechatronik und Dynamik bei Prof. Dr.-Ing. Jörg Wallaschek. Er promovierte 2001 mit Auszeichnung und erhielt eine Dauerstelle als akademischer Rat. Tobias Hemsel ist seit 2003 akademischer Oberrat, er wurde 2003 und 2005 mit dem Forschungspreis der Universität Paderborn ausgezeichnet. Nach dem Ausscheiden von Prof. Wallaschek im April 2007 hat er bis zum Dienstantritt von Prof. Sextro im März 2009 den Lehrstuhl geleitet. Im Februar und März 2009 war Tobias Hemsel als „Visiting Professor“ an der Universität Tokio tätig. Er hat mehr als 100 wissenschaftliche Beiträge veröffentlicht.

Universität Paderborn, Lehrstuhl für Mechatronik und Dynamik, Pohlweg 47–49, 33098 Paderborn

Walter Sextro

Walter Sextro studierte Maschinenbau mit dem Schwerpunkt in Mechanik, Mess- und Regelungstechnik an der Leibniz Universität Hannover und am Imperial College in London. Nach seinem Studium war er als Entwicklungsingenieur und Projektkoordinator für die Auslegung und Optimierung von Bohrsträngen zur Erdöl- und Erdgasförderung bei der Firma Baker Hughes Inteq im Drilling Research Center in Celle und in Houston, Texas, verantwortlich. Er kehrte als wissenschaftlicher Mitarbeiter an die Universität Hannover zurück und promovierte 1997 am Institut für Mechanik zum Thema „Schwingungsverhalten von Schaufelkränzen mit Reibelementen bei Frequenzverstimmung“. Seine Dissertation wurde im Jahre 1998 mit dem „Wissenschaftspreis Hannover“ ausgezeichnet. Anschließend habilitierte er sich auf dem Gebiet der Mechanik und veröffentlichte seine Habilitationsschrift mit dem Thema „Dynamical Contact Problems with Friction: Modells, Methods, Experiments and Applications“ im Springer-Verlag. Im Februar 2004 folgte er einem Ruf als Professor an das Institut für Mechanik und Getriebelehre der Technischen Universität Graz in Österreich. Prof. Sextro hat zum 1. März 2009 die Leitung des Lehrstuhls für Mechatronik und Dynamik übernommen. Für seine Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet: „Simulation und Optimierung von innovativen Leichtbaustoffen“ erhielt er den Forschungspreis 2009 der Universität Paderborn.

Universität Paderborn, Lehrstuhl für Mechatronik und Dynamik, Pohlweg 47–49, 33098 Paderborn

Gianluca Memoli

Gianluca Memoli completed his undergraduate studies in Physics at Pisa University, Italy, in 1998, with work on applied optics. In 1999 he started a PhD on multi-phase flow management for space applications (completed in 2002), which kindled his interests in bubble dynamics. Before joining NPL in 2008, he worked as a researcher for the Department of Engineering at Pisa University (2002–2003), for the Environmental Protection Agency in Tuscany (2004–2005), and for the Department of Chemical Engineering of Imperial College London (2006–2008). During these years he acquired unique expertise in solving complex problems in different fields of science and technology, often related to bubbles and/or acoustics. Gianluca is the lead or co-author of 15 papers in peer-reviewed journals and of more than 60 conference papers. He has written one book chapter and has experience supervising both PhD and Master students.

National Physical Laboratory, Teddington, United Kingdom

Mark Hodnett

Mark Hodnett was awarded a BSc degree in Physics with Acoustics from the University of Surrey in 1994, and started work at NPL in July of that year, commencing NPL's research into measurement techniques for acoustic cavitation. Since then, he has also developed expertise in medical device characterisation, and collaborated on projects as diverse as aerospace NDE to the processing of sewage sludge. He has is the lead or co-author of 24 papers in peer-reviewed journals, has written two book chapters, and currently has leadership responsibility for four staff. Mark is the current President of the Ultrasonic Industry Association, and a visiting lecturer at Hammersmith Hospital.

National Physical Laboratory, Teddington, United Kingdom

Bajram Zeqiri

Bajram Zeqiri was born in Salerno, Italy, Italy, in 1957. He joined NPL in 1984 following the completion of a PhD in solid-state chemistry at the University of Kent, Canterbury. His work at NPL has seen him contribute to the development of ultrasonic measurement techniques and standards with several topic areas, including: acoustic property of materials determination, calibration and the application of ultrasonic hydrophones, characterisation of ultrasonic power along with the development of standards for physiotherapy ultrasound equipment. Over the last ten years, his major areas of research interest have been in developing methods to characterise the essential properties of high power ultrasonic systems as used within the cleaning and sonoprocessing industries, the development of novel acoustic materials, ultrasound power measurement methods and computed tomography using ultrasound. He is an NPL Fellow and leads a team of ten engaged in developing new measurement methods and disseminating ultrasonic standards to the user community. Dr Zeqiri is a member of IEC Technical Committee 87, primarily contributing to Working Groups 8 and 3, and he is the author of nearly 60 publications in the area of ultrasonic measurement.

National Physical Laboratory, Teddington, United Kingdom

Erhalten: 2014-12-8
Angenommen: 2015-1-8
Online erschienen: 2015-1-27
Erschienen im Druck: 2015-2-28

©2015 Walter de Gruyter Berlin/Boston

Downloaded on 7.12.2022 from frontend.live.degruyter.dgbricks.com/document/doi/10.1515/teme-2015-0017/html
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