Nichtinvasive, orts- und zeitaufgelöste Messung von Schallgeschwindigkeiten zur Prozessüberwachung

• Antragstellerin: Professorin Dr. Elfgard Kühnicke
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme ; Akustik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 239880265

In Zeiten zunehmender Rohstoffknappheit gewinnt eine genaue Kenntnis und Überwachung technischer Prozesse immer mehr an Bedeutung. Von besonderem Interesse sind dabei Mischvorgänge in der Metallurgie, Kristallzüchtung und Elektrochemie, wie sie beispielsweise zur Herstellung von Stählen oder zur Herstellung von Siliziumwafern verwendet werden. Aussagen über den Mischvorgang lassen sich dabei an Hand des zeitlichen Verlaufs der Konzentrationsverteilung der zu mischenden Komponenten gewinnen. Nichtinvasive Messverfahren, die direkt die zeit- und ortsaufgelöste Konzentration bestimmen, sind aktuell nicht bekannt, bzw. funktionieren nur unter Einschränkungen für transparente Flüssigkeiten. Daher ist das Ziel des Antrags die Entwicklung eines vollkommen neuen Verfahrens zur Überwachung von Mischvorgängen durch Messung der orts- und zeitaufgelösten Schallgeschwindigkeit mittels Ultraschall. Denn aus der Schallgeschwindigkeit an einzelnen Orten kann auf die Konzentration der einzelnen Komponenten des Gemisches an diesen Stellen geschlossen werden. Der Antragstellerin gelang es erstmals, die Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeiten mit bewegten Streuteilchen mit einem einzigen Ultraschallwandler ohne Reflektoren an bekannten Positionen zu messen. Bei diesem Verfahren wird die Fokuslage, die von der Schallgeschwindigkeit abhängt, als zusätzliche Information neben der Schalllaufzeit genutzt. Die Fokuslage kann bestimmt werden, da bei einer Mittelung über die Echosignale der bewegten Streuteilchen das Maximum der gemittelten Echosignalamplitude durch die Streuteilchen im Fokus erzeugt wird. Aus der Laufzeit lassen sich somit mit Hilfe von berechneten oder gemessenen Kalibrierkurven die Schallgeschwindigkeit und daraus der Messort bestimmen. Das bildet die Grundlage für die Entwicklung eines neuen Verfahrens.Im hier beantragten Projekt soll durch Verwendung eines Arrays und der gezielten Ansteuerung der einzelnen Elemente die Fokuslage entlang der Achse verschoben und damit ein Schallgeschwindigkeitsprofil entlang der Achse erstellt werden. Dadurch ist eine orts- und zeitaufgelöste Messung der Schallgeschwindigkeit möglich. Das Verfahren soll auch für dämpfende Flüssigkeiten und für ein möglichst breites Spektrum an Streuteilchen im Hinblick auf Größe und Konzentration angewendet werden. Die abschließend geplanten Messungen während der Vermischung von Flüssigkeiten dienen dem Nachweis der Funktionstüchtigkeit des Verfahrens. Jedoch ist ein deutlich größeres Anwendungspotential zu erwarten. So können z. B. auch chemische Reaktionen überwacht oder Temperaturverteilungen ermittelt werden. Somit kann das neue Verfahren auch in der chemischen und thermischen Verfahrenstechnik, der Bioverfahrenstechnik oder in der Lebensmitteltechnik genutzt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen