Ultraschall-Messtechnik
Eine wesentliche Kompetenz bei der Arbeit mit Ultraschall stellt das Vorhandensein und die Erfahrung im Umgang mit der akustischen Messtechnik dar. Hier hat die inoson GmbH über viele Jahre Erfahrung sammeln können die in spezifische Messtechnik, seien es Verfahren oder Geräte, gemündet sind. Da die Verfahren und insbesondere auch die Analyse und Bewertung deren Ergebnisse häufig auch spezielle Kenntnisse und Erfahrung voraussetzen bieten wir dies auch als Dienstleistung an. Dabei wird im Ergebnis immer eine aussagekräftige Dokumentation geliefert und die Ergebnisse mit dem Auftraggeber besprochen.
Grob lassen sich die Methoden wie folgt beschreiben..
Elektrische Charakterisierung von piezoelektrischen Ultraschallwandlern
Die komplexe, frequenzabhängige elektrische Impedanz eines Ultraschallwandlers beinhaltet viele Informationen über diesen Ultraschallwandler und dessen Übertragungsfunktion. Grund ist die piezoelektrische Kopplung im Resonator welche die mechanische und die elektrische Welt miteinander verbindet. Mittels Kenntnissen der elektromechanischen Ersatzmodelle können weitreichende Aussagen hinsichtlich des Resonanzverhaltens getroffen werden. Wir messen die komplexe, frequenzabhängige Impedanz bei unterschiedlichen Lastzuständen und natürlich auch in Abhängigkeit der Temperatur.
Benötigt werden diese Analysen unter anderem für Toleranzuntersuchungen, Optimierungsverfahren oder auch zur Fehleranalyse.
Schalldruck und Bewegung der Apertur
Die räumliche Schalldruckverteilung oder aber die Oberflächenbewegung eines Ultraschallwandlers stellt neben dem zeitlichen Übertragungsverhalten eine wichtige Übertragungseigenschaft dar. Fokussierung und Richtung des Schalls auf den interessierenden Bereich erhöht die Effizienz und reduziert Störgrößen. Zudem sind auch Schäden eines Ultraschallwandlers detektierbar.
Natürlich können wir auch verifizieren, ob der Ultraschall an der erwarteten Position eintrifft, z.B. bei Durchflussmessstrecken.
Durchgeführt wird eine solche Analyse mittels eines scannenden Systems, wobei wir Hydrofone oder Mikrofone als Sensor verwenden oder aber mittels dynamischer Laserinterferometrie die Oberflächenbewegung direkt abtasten.
Einfügedämpfung und zeitliches Übertragungsverhalten
Das zeitliche Übertragungsverhalten eines Ultraschallwandlers beschreibt den elektrischen Wellenzug, den der Ultraschallwandler der Signalverarbeitung zur Verfügung stellt. Die Analyse des Verhaltens dieser Übertragungsfunktion hinsichtlich der messtechnischen Aufgabe aber auch Störgrößen (wie z.B. Temperatur) stellt eine essenzielle Voraussetzung für die Sensoroptimierung dar. Wir nutzen spezielle Laborgeräte, um auch die Signalerzeugung zu berücksichtigen und betreiben den Schallwandler jeweils im korrekten Arbeitspunkt. Natürlich haben wir unzählige Tools zur Bewertung und Charakterisierung des Übertragungsverhaltens zur Verfügung.
Die Ergebnisse werden häufig auch im Rahmen der Spezifikation von Ultraschallwandlern verwendet, um das Übertragungsverhalten eines Ultraschallwandlers zu beschreiben.
Reziprozität
Es gibt Ultraschallanwendungen, bei denen die Anforderungen außergewöhnlich sind. Dies trifft z.B. für Durchflussmessung zu, wo Unterschiede der Schall-Laufzeit im Pikosekundenbereich zuverlässig bestimmt werden müssen. Hier spielen Linearität und auch die Qualität des für das Verfahren wesentliche Qualität des reziproken Betriebes eine wichtige Rolle. Auch Körperschall hat hier einen signifikanten Einfluss. Wir haben Messverfahren entwickelt, mit denen wir diese speziellen Eigenschaften qualitativ und quantitativ bewerten können.
Akustische Eigenschaften passiver Werkstoffe
Innerhalb eines Ultraschallsensorsystems werden häufig viele Werkstoffe verwendet, die akustische Aufgaben übernehmen. Das können Wellenleiter, Anpassschichten, Linsen, Bedämpfungen oder aber Gehäuseteile sein. Meist sind solche Werkstoffe nicht im Datenblatt hinsichtlich ihrer akustischen Eigenschaften definiert. Fast immer ist auch die Temperaturabhängigkeit dieser Eigenschaften nicht bekannt. Dies ist eine Herausforderung beim Design, da Wellenlänge und akustisches Übertragungsverhalten nicht bekannt sind. Auch ist es schwierig eine Eingangsprüfung solcher Werkstoffe zu gewährleisten die die akustische Funktionalität abbildet.
Wir charakterisieren neben piezoelektrischen Resonatoren auch passive Werkstoffe hinsichtlich der temperaturabhängigen Schallgeschwindigkeit und frequenzabhängigen Dämpfung. Dabei sind unterschiedliche Wellentypen wie Longitudinal- und Transversalwelle oder aber geführte Wellen spezifizierbar.
Fingerprint für Schallwandler
Eine häufige Problematik bei Ultraschallsystemen ist die unzureichende Beschreibung der Schallwandlereigenschaften. Es wird ein verfügbarer Schallwandler verwendet, zumindest solange dieser noch verfügbar ist. Ein Ersatz ist aufgrund einer nicht vorhandenen Standardisierung von Ultraschallwandlern nicht möglich. Dazu kommt, dass ein Schallwandler keine festen Übertragungseigenschaften aufweist, sondern diese erst durch die elektrischen Betriebsparameter festgelegt sind.
Wir bieten eine umfangreiche anwendungsorientierte Charaktersisierung und Beschreibung von Ultraschallwandlern an. Die Ergebnisse sind in einem Bericht zusammengefasst. Einer der wesentlichen Anwendungsbereiche für diesen Service ist die Charakterisierung von Ultraschallwandlern für die Durchflussmessung. Hier haben wir, basierend auf unserer Erfahrung, eine normierte Vorgehensweise, so dass auch unterschiedlichen Ultraschallwandler bzgl. der Eignung in einer Messstrecke miteinander verglichen werden können. Die Ergebnisse eines solchen “Fingerprints” werden immer detailliert mit dem Auftraggeber besprochen.
