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LabortechnikWatt-Angaben

beim Einsatz von Ultraschall-Desintegratoren
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Labortechnik: Watt-Angaben

Dipl.-Chem. Andreas Heinemann*)

  1. G.Heinemann Ultraschall- und Labortechnik, Erwin-Rommel-Straße 42, 73525 Schwäb.Gmünd, Tel. 07171/61142, Fax 07171/38750, info@gheinemann.de, www.gheinemann.de.


Häufig findet man in Publikationen und vor allem in Prospekten von Ultraschall-Herstellern Angaben über die Leistungsfähigkeit von Ultraschall-Desintegratoren in Form von Absolutwerten wie „350 W Ultraschall-Leistung” oder „man beschalle bei 75 Watt”. Befasst man sich etwas näher mit Ultraschall-Technik, so findet man sehr schnell heraus, dass diese Angaben nur in geringstem Maße Aussagen über die tatsächliche Leistungsfähigkeit eines Ultraschall-Gerätes machen. Watt-Angaben beziehen sich in praktisch allen Fällen auf die Leistung der Hochfrequenz-Generatoren, sagen aber nichts über die wahre Energie, die über den Konverter und die Arbeitsspitzen (SONOTRODEN, z.B. Mikrospitzen usw.) in die Probe eingebracht wird.
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Darüber hinaus findet man auch mehrere unterschiedliche Watt-Angaben im selben Prospekt. Dabei fällt auf, dass die Aufnahmeleistung (auch Nenn-Aufnahme) häufig wesentlich geringer als die Ultraschall-Abgabeleistung (auch HF-Ausgangs-Leistung) ist. Dabei gilt zu wissen, dass die HF-Ausgangsleistung anders bemessen wird als die normale Aufnahme-Leistung aus dem Stromnetz. Bei der HF-Ausgangs-Leistung wird die Peak-to-Peak-Leistung berücksichtigt (ebenso wie übrigens bei der Angabe der Amplituden der Schwingung!). Mitunter wird dann (allerdings nur in sehr exakten und tief in die Materie eingehenden Unterlagen) auch noch eine Nennleistung angegeben, die dann der Leistung entspricht, die vom Generator an den Konverter (durch das HF-Kabel) abgegeben wird. Diese Nennleistung muss stets kleiner als die Aufnahmeleistung sein.

Physikalisch betrachtet wird von der RMS-(Root Mean Square-)Leistung gesprochen, einem Vergleichswert für die Leistung eines elektronischen oder akustischen Verstärkers. Dieser Wert wird zwar ebenfalls mit der Leistungs-Einheit „Watt“ angegeben, jedoch hat dies mit der physikalischen Leistung nichts zu tun. Man muss daher die RMS-Leistung als Kunstwort ansehen, ohne unmittelbaren Bezug zu echten physikalischen Größen.

Die für den Anwender relevante Leistung bezieht sich aber einzig und allein auf die Dichte der Kavitationserscheinungen im Ultraschallfeld. Die Arbeitsspitzen erzeugen mit ihrer hochfrequenten Eigenschwingung (Nenn-Frequenz i. allg. 20 kHz bei Desintegratoren) hochfrequente Druckunterschiede in der Flüssigkeit. In der Unterdruckphase sinkt der statische Druck unter den Dampfdruck der Flüssigkeit und es bilden sich kleine Flüssigkeitsdampfblasen, die bei wechselnder Druckbedingung wieder implosionsartig (mit annähernder Schallgeschwindigkeit) zusammenbrechen. Dabei entstehen im zusammenstürzenden Hohlraum sehr hohe Drucke (u.U. tausende von Atmosphären) {Gehrtsen, Kneser, Vogel; „PHYSIK”}.

Die auftretenden Kavitationserscheinungen sind von mehreren Parametern abhängig:

Frequenz:

Je niedriger die Frequenz des Ultraschallfeldes, um so größer sind die auftretenden Kavitationsblasen. Je größer die Kavitationsblasen, um so größer ist die Kraft der Implosion auf die Umgebung. Aus diesem Grund wird die Nennfrequenz von 20 kHz bei Desintegratoren bevorzugt gegenüber höheren Frequenzen bei anderen Ultraschalleinsätzen (Reinigung, Kunststoff-Schweißen usw.). Da sich kleinere Frequenzen bereits im Bereich des vom menschlichen Ohr wahrnehmbaren Schalls befinden, wird von Frequenzen unter 20 kHz aus Lärmschutz-Gründen Abstand genommen. Darüber hinaus spielen auch noch technische Gründe eine Rolle.

Amplitude:

Je größer die Amplitude der schallabgebenden Spitze, desto wahrscheinlicher ist das Auftreten von Kavitationen. Über die Amplitude der Arbeitsspitzen wird die Energie des Desintegrators geregelt!

Daher ist die Amplitude der schallabgebenden Spitze (der Weg, den die Spitze innerhalb der Nennfrequenz – also 20000 Mal pro Sekunde zurücklegt) der einzige wirkliche Leistungswert eines Ultraschall-Systems. Bei größerem Weg in der selben Zeit wird ein deutlich größerer Druckunterschied und damit eine wesentlich höhere Anzahl an Kavitationen im Schallfeld erzeugt. Diese Kavitationen sind aber letztendlich allein für die Leistungsfähigkeit eines Desintegrators zuständig.

Auch Parameter wie Temperatur, Druck, Zusammensetzung der Proben-Flüssigkeit (Konzentration, Oberflächenspannung usw.) beeinflussen das Auftreten der Kavitation in starkem Maße. Die meisten modernen Ultraschall-Desintegratoren (der BRANSON SONIFIER bereits seit 1968) besitzen eine elektronische Amplitudenkonstanz-Regelung, welche die Amplitude an den Schwingerelementen im Konverter (!) je nach Last auf der Arbeitsspitze (Eintauchtiefe, Viskosität usw.) konstant hält. Dies bedeutet, dass bei größerer Last, z.B. tieferes Eintauchen der Spitze in die Probe, mehr Energie vom Generator zur Verfügung gestellt werden muss, um die gleiche Amplitude zu erreichen wie beim Arbeiten mit geringerer Eintauchtiefe. Dies bedeutet aber gleichzeitig eine höhere Leistungsaufnahme (Watt) des Generators bei gleicher Leistungsabgabe (Amplitude).

Darüber hinaus spielt bei der Leistungsaufnahme des Generators die Art der verwendeten Arbeitsspitze eine entscheidende Rolle. So ist beispielsweise bei Verwendung der Mikrospitze unerheblich, ob ein Generator mit 200 W (SONIFIER „W-250”) oder mit 400 W (SONIFIER „W-450”) verwendet wird, die Amplitude an der schallabgebenden Fläche der Spitze ist bei gleicher „output-control”-Einstellung bei beiden Geräten gleich. Lediglich die Verwendung bestimmter Resonatoren (z.B. HIGH GAIN-Resonator ¾ Zoll, Booster usw.) setzt die höhere Generatorleistung des „W-450” voraus. Der einzige Unterschied beim beschriebenen Einsatz ist die geringere Anzeige am Messgerät beim „W-450” auf Grund der geringeren Generatorausnutzung. Selbst eine Verwendung eines 1000-W-Generators würde keine Verbesserung der Beschallung bei gleicher Arbeitsspitze bringen. Größere Generatoren (ab 400 W) werden im allgemeinen erst für Einsätze im technischen Maßstab benötigt, bei denen größere Mengen beschallt werden müssen.

Die Obergrenzen der Belastbarkeit der Arbeitsspitzen ist nicht dadurch bedingt, dass keine größeren Schwingungs-Energien zur Verfügung gestellt werden können, sondern sind durch die Belastbarkeit des verwendeten Materials vorgegeben. So sind die verwendeten Titan-Legierungen die einzigen Materialien, die diese hohen Eigenschwingungen überhaupt noch mitmachen. Eine vergleichbare Spitze aus Aluminium oder Stahl würde innerhalb von Sekundenbruchteilen brechen. So liegen die Amplituden am BRANSON SONIFIER verwendeter Mikrospitzen in Bereichen bis über 500 μm; obwohl in Material-Kennblättern für diese Legierung nur maximale Elastizitäten von ca. 140 μm angegeben werden.

Speziell aus diesem Grund (Energie-Betrachtung) erachten wir auch den Verkauf eines DIGITAL-SONIFIERs (Modell W-250D bzw. W-450D) nicht für sinnvoll, weil dadurch dem Anwender eine Genauigkeit vorgezeigt wird, die in jeder Beziehung fern der realen Exaktheit des Kavitationssystems ist. Vor allem Anwender, die sich nicht näher mit dem physikalischen Hintergrund der Ultra-Beschallung bzw. mit dem durch Ultraschall erzeugten und eigentlich in der Probe wirksamen Phänomen der Kavitation befasst haben, werden durch digital angezeigte Watt-Angaben eher zu Anwendungsfehlern verleitet. Noch extremer empfinden wir die Tatsache, dass über Schnittstellen zu PC-Anlagen Werte ausgegeben werden, die sich zwar sehr imposant auf dem Papier lesen, aber im Endeffekt relativ wenig Aussagekraft über die realen Energie-Parameter des durchgeführten Experiments haben. So ist es uns schon öfters vorgekommen, dass wir nach Ultraschall-Systemen mit hohen Watt-Leistungen gefragt wurden, da der Anwender mit Ultraschall-Geräten anderer Hersteller Versuche gefahren hat, aber zu keinem befriedigenden Ergebnis gekommen ist. Bei Versuchen mit BRANSON SONIFIERn wurden dann aber sehr gute Ergebnisse erzielt, obwohl teilweise nicht einmal die Hälfte an Watt Generator-Leistung zur Verfügung stand.

Selbstverständlich sind die Vorteile der DIGITAL-Modelle der SONIFIER-Reihe (exakte Parameter-Eingabe wie Zeit, Pulsierung, eingebauter Temperatur-Monitor, Schnittstellen-Steuerung und Datenausgabe) ganz entscheidende Gründe für diese Modell-Serie, allein die Watt-Angaben jedoch erfüllen nicht die in sie gesetzten Wünsche und Erwartungen. Auch gilt zu beachten, dass bei schlecht abgestimmten oder stark abgenutzten Arbeitsspitzen die Leistungsaufnahme vom Generator zunimmt, was einer höheren Leistungsanzeige am Messgerät gleichkommt. Der Grund hierfür liegt daran, dass bei optimal abgestimmter Arbeitsspitze im optimalen Resonanzbereich gearbeitet wird und dabei die Energie in optimaler Weise in Schwingung an der schallabgebenden Fläche abgegeben wird. Bei höherer Anzeige wird aber normalerweise ja automatisch auf höhere Ultraschall-Energie in der Probe geschlossen – das Gegenteil ist aber der Fall. Aus diesem Grund wird bei Ultraschall-Geräten, die noch eine manuelle Frequenzabstimmung benötigen (z.B. ältere BRANSON SONIFIER-Modelle B12/15) die optimale Resonanzfrequenz dadurch abgestimmt, dass man die Abstimmscheibe solange verdreht, bis man eine Minimum-Anzeige am Messgerät erreicht. Gerade beim Minimum der Generatorabgabe-Anzeige (würde einer geringeren Watt-Angabe bei Absolutwert-Ausgabe entsprechen) hat man aber die optimale Energieübertragung zwischen elektrischer HF-Energie vom Generator zur mechanischen Schwingung an der Spitze.

Zu guter letzt – sicherlich aber als wichtigster Gesichtspunkt – muss man beachten, dass das Phänomen der Kavitation bis in die heutige Zeit noch nicht exakt erfasst ist – geschweige denn energetisch exakt bestimmt werden kann. So gibt es eine große Anzahl von Untersuchungen und Publikationen der verschiedensten Forschungsrichtungen, die sich mit dem Phänomen der Wirkung von Ultraschall in Flüssigkeiten befasst, allerdings ohne exakte Beschreibung der Energieverhältnisse im Schallfeld. Auch beruhen die diversen Angaben über Energieverhältnisse in Bereich der Kavitationserscheinungen (Strömungsverhältnisse, Temperaturen und Druck) bei genauerer Betrachtung lediglich auf Modellbetrachtungen mit Extrapolation auf Grund von makroskopisch feststellbarer Wirkung des Ultraschallfeldes.

Möge die Wissenschaft auch auf diesem Gebiet vollständige Aufklärung bringen und den bisher empirischen Einsatz von Ultraschall in Flüssigkeiten besser erklärbar und vor allem exakt bestimmbar machen.

Anmerkung:

Sollten Sie sich noch näher mit diesem Thema auseinandersetzen wollen oder haben Sie zu den gemachten Aussagen Anmerkungen oder Verbesserungen, so wäre der Verfasser an einer Kontaktaufnahme sehr interessiert, da das vorliegende Thema von überaus großem Interesse für ihn ist und er selbstverständlich an allen weiteren Erkenntnissen stark interessiert ist. Diese Zusammenfassung beruht auf langjährigen Erfahrungen bei der Anwendung von Ultraschall, langjährigen Literaturstudien sowie intensivem Erfahrungsaustausch mit Wissenschaftlern der unterschiedlichsten Fachrichtungen.

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