DE102024136969B3 - System and method for producing bubbles and/or drops using a nozzle - Google Patents
System and method for producing bubbles and/or drops using a nozzleInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein System (1) zur Herstellung von Blasen (2) und/oder Tropfen (32), wobei das System (1) eine Herstelleinrichtung (3) für die Blasen (2) und/oder Tropfen (32), die über eine Düse (4) verfügt, und eine Überwachungseinrichtung (5) zur Überwachung eines Herstellungsbetriebs der Herstelleinrichtung (3) aufweist. Um Blasen (2) und/oder Tropfen (32) mit einer gewünschten definierten Auftriebsneutralität und Konsistenz herstellen zu können und die Eigenschaften der Blasen (2) und/oder Tropfen (32) noch während der Herstellung gezielt anpassen zu können, wird vorgeschlagen, dass die Überwachungseinrichtung (5) einen Schallwandler (6) aufweist, welcher eingerichtet ist, um abhängig von durch die Herstellung der Blasen (2) und/oder Tropfen (32) erzeugten Schallwellen (7) Signale zu erzeugen, wobei die Überwachungseinrichtung (5) eine Auswerteeinrichtung (8) aufweist, welche eingerichtet ist, um die von dem Schallwandler (6) erzeugten Signale zur Bestimmung einer charakteristischen Eigenschaft der von der Herstelleinrichtung (3) erzeugten Blasen (2) und/oder Tropfen (32) und/oder zur Bestimmung eines charakteristischen Parameters der Herstellung auszuwerten. The invention relates to a system (1) for producing bubbles (2) and/or drops (32), wherein the system (1) comprises a production device (3) for the bubbles (2) and/or drops (32) which has a nozzle (4) and a monitoring device (5) for monitoring a production operation of the production device (3). In order to produce bubbles (2) and/or drops (32) with a desired defined buoyancy neutrality and consistency, and to be able to selectively adjust the properties of the bubbles (2) and/or drops (32) during production, it is proposed that the monitoring device (5) includes a sound transducer (6) which is configured to generate signals depending on sound waves (7) produced by the production of the bubbles (2) and/or drops (32), wherein the monitoring device (5) includes an evaluation device (8) which is configured to evaluate the signals generated by the sound transducer (6) to determine a characteristic property of the bubbles (2) and/or drops (32) produced by the production device (3) and/or to determine a characteristic parameter of the production.
Description
TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNGTECHNICAL AREA OF INVENTION
Die Erfindung betrifft ein System zur Herstellung von Blasen und/oder Tropfen. Das System weist eine Herstelleinrichtung für die Blasen und/oder Tropfen, die über eine Düse verfügt, sowie eine Überwachungseinrichtung zur Überwachung eines Herstellungsbetriebs der Herstelleinrichtung auf.The invention relates to a system for producing bubbles and/or drops. The system comprises a bubble and/or droplet production device, which has a nozzle, and a monitoring device for monitoring the production operation of the production device.
Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Blasen und/oder Tropfen mittels eines Systems zur Herstellung von Blasen und/oder Tropfen. Das Verfahren sieht vor, dass eine Herstelleinrichtung des Systems Blasen und/oder Tropfen mittels einer Düse erzeugt und dass der Herstellungsbetrieb der Herstelleinrichtung mittels einer Überwachungseinrichtung überwacht wird.Furthermore, the invention relates to a method for producing bubbles and/or drops using a bubble and/or drop production system. The method provides that a production unit of the system generates bubbles and/or drops by means of a nozzle and that the production operation of the production unit is monitored by means of a monitoring device.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Systeme und Düsen zur Herstellung von Blasen und/oder Tropfen sind im Stand der Technik in unterschiedlichen Ausführungen bekannt.Systems and nozzles for producing bubbles and/or drops are known in the prior art in various designs.
Eine Herstellung von Tropfen kann beispielsweise durch Systeme und Verfahren zur Aerosolerzeugung oder zur additiven Fertigung von Bauteilen erfolgen.Droplet production can be achieved, for example, through systems and processes for aerosol generation or for the additive manufacturing of components.
Eine Herstellung von Blasen kann wiederum auf unterschiedliche Arten von Blasen gerichtet sein, insbesondere auf Seifenblasen zur Sichtbarmachung von Strömungen, aber auch auf Unterwasserblasen.The production of bubbles can in turn be directed towards different types of bubbles, especially soap bubbles to visualize currents, but also underwater bubbles.
Seifenblasen finden in vielen technischen Bereichen Anwendung, beispielsweise zur quantitativen Erfassung von Strömungen unter Verwendung optischer Messverfahren wie dem Lagrange'schen Particle Tracking (LPT) oder der Particle Image Velocimetry (PIV).Soap bubbles are used in many technical fields, for example for the quantitative detection of flows using optical measurement methods such as Lagrange Particle Tracking (LPT) or Particle Image Velocimetry (PIV).
Zur Verwendung in den genannten Messverfahren ist es wesentlich, auftriebsneutrale Blasen mit einheitlicher Größe herzustellen. Auftriebsneutralität der Blase ist dann erreicht, wenn das Gewicht der Blase dem Gewicht des von der Blase verdrängten Gases entspricht. Unter idealen Bedingungen wird die auftriebsneutrale Blase dann in einem ruhenden umgebenden Gas weder sinken noch steigen.For use in the aforementioned measurement methods, it is essential to produce buoyancy-neutral bubbles of uniform size. Buoyancy neutrality of the bubble is achieved when the weight of the bubble equals the weight of the gas it displaces. Under ideal conditions, the buoyancy-neutral bubble will then neither sink nor rise in a stationary surrounding gas.
Systeme und Verfahren zur Herstellung solcher Blasen sind bekannt. Diese Systeme und Verfahren machen von sogenannten Orifice-Düsen Gebrauch, die zwei konzentrisch ineinander angeordnete Röhrchen aufweisen, die wiederum von einem äußeren Düsengehäuse umgeben sind. Das innere Röhrchen leitet ein Gas und das äußere Röhrchen leitet eine Flüssigkeit zu einem mit einem Hilfsgas durchströmten Bereich innerhalb des Düsengehäuses. Dabei entsteht ein schlauchförmiger, gasgefüllter Blasenfilm, der durch Instabilitäten in einzelne Blasen zerfällt. So können beispielsweise mit Helium gefüllte Seifenblasen erzeugt werden, die einen Durchmesser im Sub-Millimeter-Bereich oder Millimeter-Bereich aufweisen. Im Idealfall entstehen die Blasen bereits innerhalb des Düsengehäuses und verlassen das Düsengehäuse durch eine Auslassöffnung. Der Durchmesser der Blasen hängt von mehreren Faktoren ab, insbesondere von dem Betrag der Volumenströme der beteiligten Fluide. Allein durch Variation der Volumenströme lassen sich sowohl Blasen unterschiedlicher mittlerer Größe erzeugen als auch eine Vielzahl verschiedener Betriebsmodi realisieren, die vor allem durch unterschiedliche Größenverteilungen der erzeugten Blasen und dem Ort der Ablösung der Blasen vom Blasenfilm charakterisiert sind.Systems and methods for producing such bubbles are known. These systems and methods utilize so-called orifice nozzles, which have two concentrically arranged tubes surrounded by an outer nozzle housing. The inner tube carries a gas, and the outer tube carries a liquid to a region within the nozzle housing through which an auxiliary gas flows. This creates a tubular, gas-filled bubble film that breaks up into individual bubbles due to instabilities. For example, helium-filled soap bubbles with diameters in the sub-millimeter or millimeter range can be produced. Ideally, the bubbles form within the nozzle housing and exit through an outlet opening. The diameter of the bubbles depends on several factors, particularly the volumetric flow rates of the fluids involved. By varying the volumetric flow rates alone, bubbles of different average sizes can be generated, and a multitude of different operating modes can be realized, characterized primarily by different size distributions of the generated bubbles and the location where the bubbles detach from the bubble film.
Von besonderer Bedeutung für die gewünschte Auftriebsneutralität und die Konsistenz der hergestellten Blasen ist somit die gezielte Einstellung der Volumenströme. Diese sind so einzustellen, dass ein stabiler Betriebszustand der Düse erreicht wird, welcher sich durch die Herstellung von Blasen mit einer schmalen Größenverteilung auszeichnet (beispielsweise mit einer Standardabweichung von bis zu 10% vom Mittelwert, bevorzugt nur 7% vom Mittelwert).Of particular importance for the desired buoyancy neutrality and the consistency of the produced bubbles is therefore the precise adjustment of the volumetric flow rates. These must be adjusted to achieve a stable operating condition of the nozzle, characterized by the production of bubbles with a narrow size distribution (for example, with a standard deviation of up to 10% from the mean, preferably only 7% from the mean).
Im Stand der Technik wird versucht, die gewünschten Eigenschaften der erzeugten Blasen zum Teil dadurch sicherzustellen, dass die erforderlichen Volumenströme durch Visualisierung der hergestellten Blasen mittels Hochgeschwindigkeits-Schattenaufnahmen ermittelt werden. Die Volumenströme werden dann auf konstante Werte eingestellt und bei einer späteren BlasenHerstellung (z. B. im Rahmen eines Messverfahrens wie Lagrange'sches Particle Tracking (LPT) oder Particle Image Velocimetry (PIV)) nicht mehr kontrolliert und/oder angepasst.In the prior art, attempts are made to ensure the desired properties of the generated bubbles, in part, by determining the required volumetric flow rates through visualization of the produced bubbles using high-speed shadow imaging. The volumetric flow rates are then set to constant values and are no longer checked and/or adjusted during subsequent bubble production (e.g., within the framework of a measurement method such as Lagrange Particle Tracking (LPT) or Particle Image Velocimetry (PIV)).
Nachteilig ist somit, dass die Volumenströme nicht variabel an sich ändernde Erfordernisse, wie beispielsweise eine gewünschte Größenänderung der Blasen, oder sich ändernde Einflussfaktoren, wie beispielsweise Temperatur/Viskosität der Flüssigkeit, angepasst werden können. Zudem kann die fotografische Aufnahme der Blasen nicht alle Eigenschaften erfassen, zum Beispiel nicht die Auftriebsneutralität.A disadvantage is that the volume flows cannot be variably adjusted to changing requirements, such as a desired change in bubble size, or changing influencing factors, such as the temperature/viscosity of the liquid. Furthermore, photographic imaging of the bubbles cannot capture all properties, for example, their buoyancy neutrality.
Hinzu kommt, dass im Rahmen von Messverfahren wie LPT oder PIV zumeist mehrere Düsen gleichzeitig zur Erzeugung von Blasen eingesetzt werden. Dafür werden die Düsen in sogenannten „Linear-Nozzle-Arrays“ (LNA) parallelgeschaltet und betrieben.Furthermore, measurement methods such as LPT or PIV typically use several nozzles simultaneously to generate bubbles. For this purpose, the nozzles are housed in so-called Linear nozzle arrays (LNAs) are connected and operated in parallel.
Eine solche Linear-Anordnung von Düsen zur Blasenherstellung offenbart beispielsweise
Fertigungstoleranzen der einzelnen Düsen erfordern zum Erreichen einer über alle Düsen des LNA homogenen Blasenerzeugung jedoch eigentlich eine Erfassung der Betriebsmodi aller Düsen des gesamten LNAs, das dabei mehrere hundert Düsen umfassen kann, gegebenenfalls in Kombination mit einer für jede Düse individuellen Adaption der zugeführten Volumenströme. Ein solches Vorgehen ist nach dem Stand der Technik mit vertretbarem Aufwand jedoch nicht möglich, würde aber sowohl bei der Herstellung der LNAs als auch beim Betrieb im Feld erhebliche Vorteile bzw. Vereinfachungen mit sich bringen.Manufacturing tolerances of the individual nozzles necessitate, in order to achieve homogeneous bubble generation across all nozzles of the LNA, the operating modes of all nozzles in the entire LNA, which can comprise several hundred nozzles, possibly in combination with individual adaptation of the supplied volume flows for each nozzle. However, such a procedure is not feasible with reasonable effort according to the current state of the art, but would offer significant advantages and simplifications in both the manufacturing of the LNAs and their operation in the field.
AUFGABE DER ERFINDUNGTASK OF INVENTION
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System sowie ein Verfahren zur Herstellung von Blasen und/oder Tropfen zu schaffen, durch welche Blasen und/oder Tropfen mit definierten einheitlichen Eigenschaften, beispielsweise einer definierten Auftriebsneutralität, und/oder einer schmalen Größenverteilung, hergestellt werden können, wobei diese insbesondere auch während der Herstellung der Blasen und/oder Tropfen überwacht werden und so auch noch während der Herstellung gezielt Anpassungen vorgenommen werden können.The invention is therefore based on the objective of creating a system and a method for producing bubbles and/or drops, by which bubbles and/or drops with defined uniform properties, for example a defined buoyancy neutrality, and/or a narrow size distribution, can be produced, wherein these are also monitored in particular during the production of the bubbles and/or drops and thus targeted adjustments can still be made during production.
LÖSUNGSOLUTION
Die Aufgabe der Erfindung wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.The object of the invention is defined by the features of the independent patent claims. Solved. Further embodiments can be found in the dependent patent claims.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION
Die Erfindung betrifft ein System zur Herstellung von Blasen und/oder Tropfen, wobei das System eine Herstelleinrichtung für die Blasen und/oder Tropfen, die über eine Düse verfügt, und eine Überwachungseinrichtung zur Überwachung eines Herstellungsbetriebs der Herstelleinrichtung aufweist.The invention relates to a system for producing bubbles and/or drops, wherein the system comprises a production device for the bubbles and/or drops, which has a nozzle, and a monitoring device for monitoring a production operation of the production device.
Erfindungsgemäß weist die Überwachungseinrichtung einen Schallwandler auf. Der Schallwandler ist eingerichtet, abhängig von durch die Herstellung der Blasen und/oder Tropfen erzeugten Schallwellen ein Signal zu erzeugen. Das erzeugte Signal kann beispielsweise ein elektrisches Signal oder ein optisches Signal sein. Dieses wird von der Überwachungseinrichtung erfasst und weiterverarbeitet.According to the invention, the monitoring device includes a sound transducer. The sound transducer is configured to generate a signal based on the sound waves produced by the manufacture of the bubbles and/or drops. The generated signal can be, for example, an electrical signal or an optical signal. This signal is detected and further processed by the monitoring device.
Der Schallwandler kann ein Schallwandler für Fluide, insbesondere ein Mikrofon oder ein Hydrophon, oder ein Körperschallwandler, insbesondere ein Tonabnehmer auf der Basis eines Beschleunigungssensors, sein.The sound transducer can be a sound transducer for fluids, in particular a microphone or a hydrophone, or a structure-borne sound transducer, in particular a pickup based on an accelerometer.
Die Überwachungseinrichtung weist des Weiteren eine Auswerteeinrichtung auf, welche eingerichtet ist, die von dem Schallwandler erzeugten Signale zur Bestimmung einer charakteristischen Eigenschaft der von der Herstelleinrichtung erzeugten Blasen und/oder Tropfen und/oder zur Bestimmung eines charakteristischen Parameters der Herstellung auszuwerten.The monitoring device also includes an evaluation device which is designed to evaluate the signals generated by the sound transducer in order to determine a characteristic property of the bubbles and/or drops produced by the manufacturing device and/or to determine a characteristic parameter of the manufacturing process.
Die charakteristische Eigenschaft der von der Herstelleinrichtung erzeugten Blasen und/oder Tropfen ist
- - eine Größe der Blasen und/oder Tropfen und/oder
- - eine Größenverteilung der Blasen und/oder Tropfen und/oder
- - eine mittlere Größe der Blasen und/oder Tropfen und/oder
- - eine Auftriebsneutralität der Blasen.
- - a size of the bubbles and/or drops and/or
- - a size distribution of the bubbles and/or drops and/or
- - a medium size of bubbles and/or drops and/or
- - a buoyancy neutrality of the bubbles.
Der charakteristische Parameter der Herstellung ist
- - eine Austrittsfrequenz, mit welcher sich die Blasen und/oder Tropfen während des Herstellungsprozesses in regelmäßigen zeitlichen Abständen von dem schlauchförmigen Blasenfilm und/oder innerhalb des Düsengehäuses ablösen.
- - an ejection frequency at which the bubbles and/or drops detach from the tubular bubble film and/or within the nozzle housing at regular intervals during the manufacturing process.
Die Überwachungseinrichtung überwacht die Eigenschaften der hergestellten Blasen und/oder Tropfen und/oder die Parameter des Herstellungsbetriebs somit mittels des Schallwandlers. Die Auswerteeinrichtung ermittelt daraus anschließend die Eigenschaften der zum Zeitpunkt der Schallentstehung erzeugten Blasen und/oder Tropfen und/oder die zu diesem Zeitpunkt herrschenden Parameter des Herstellungsverfahrens.The monitoring device uses a sound transducer to monitor the properties of the produced bubbles and/or drops and/or the parameters of the production process. The evaluation unit then determines the properties of the bubbles and/or drops produced at the time the sound was generated and/or the parameters of the production process prevailing at that time.
Das System ist erfindungsgemäß eingerichtet ist, um in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Auswertung der Auswerteeinrichtung den Betrieb der Herstelleinrichtung zu regeln, indem die Volumenströme der zugeführten Fluide angepasst werden.The system is designed according to the invention to regulate the operation of the manufacturing equipment depending on the result of the evaluation by the evaluation device, by adjusting the volume flows of the supplied fluids.
Insbesondere kann bezogen auf eine Herstellung von Seifenblasen anhand der Signale ermittelt werden, ob sich die Blasen während des Herstellungsprozesses in regelmäßigen zeitlichen Abständen von dem schlauchförmigen Blasenfilm und/oder innerhalb des Düsengehäuses ablösen und somit der bevorzugt gewünschte Modus des sogenannten „Monodisperse Bubbling“ vorliegt. Ein regelmäßiges Austreten der Blasen aus dem Düsengehäuse führt zu einem charakteristischen Signal, das in einem aus dem Signal erzeugten Frequenzspektrum durch eine schmalbandige Resonanz gekennzeichnet ist. Diese schmalbandige Resonanz, beispielsweise im Bereich zwischen 5 kHz und 50 kHz (je nach Blasengröße), entspricht der Austrittsfrequenz der Blasen aus dem Düsengehäuse. Neben der Grundschwingung enthält das Signal üblicherweise mehrere Oberschwingungen, deren Resonanzfrequenzen einem ganzzahligen Vielfachen der Resonanzfrequenz der Grundschwingung entsprechen. Diese Oberschwingungen können ebenfalls von der Auswerteeinrichtung aus dem erzeugten Signal erkannt werden. In Abhängigkeit davon kann die Auswerteeinrichtung dann auf die Eigenschaften der aktuell erzeugten Blasen und/oder die charakteristischen Parameter des diese Blasen erzeugenden Herstellungsverfahrens schließen.In particular, with regard to soap bubble production, the signals can be used to determine whether the bubbles detach from the tubular bubble film and/or within the nozzle housing at regular intervals during the manufacturing process, thus indicating the desired mode of so-called "monodisperse bubbling." Regular bubble emergence from the nozzle housing results in a characteristic signal, which is characterized by a narrowband resonance in a frequency spectrum generated from the signal. This narrowband resonance, for example, in the range between 5 kHz and 50 kHz (depending on bubble size), corresponds to the exit frequency of the bubbles from the nozzle housing. In addition to the fundamental frequency, the signal typically contains several harmonics whose resonant frequencies are integer multiples of the fundamental frequency. These harmonics can also be detected by the evaluation unit from the generated signal. Based on this, the evaluation unit can then infer the properties of the currently generated bubbles and/or the characteristic parameters of the manufacturing process that produces these bubbles.
In dem vorgenannten Modus des „Monodisperse Bubbling“ lösen sich die Mikroblasen zeitlich regelmäßig von dem schlauchförmigen Blasenfilm innerhalb des Düsengehäuses ab. Der genaue Ort der Ablösung kann durch die Wahl der Betriebsparameter eingestellt werden. Dadurch kann eine besonders geringe Größenverteilung der Blasen erzielt werden.In the aforementioned "monodisperse bubbling" mode, the microbubbles detach at regular intervals from the tubular bubble film inside the nozzle housing. The precise location of detachment can be adjusted by selecting the operating parameters. This allows for a particularly fine distribution of bubble sizes.
Die durch die Herstellung der Blasen erzeugten Schallwellen reagieren sehr sensibel auf sich ändernde Parameter der Herstellung. Sobald die Düse beispielsweise in einen sogenannten „Jetting Modus“ wechselt, bei welchem sich die Blasen außerhalb des Düsengehäuses von dem Blasenfilm ablösen, wandelt sich das von dem Schallwandler erfasste Signal in ein breitbandiges Geräusch, das dem eines turbulenten Freistrahls ähnelt. Doch auch wenn zwar Blasen erzeugt werden, jedoch die Ablösung der Blasen innerhalb des Düsengehäuses weit weg von der Auslassöffnung stattfindet, werden die charakteristischen Resonanzen gedämpft. Insgesamt ist also über die Erfassung und Auswertung des Signals der Düse eine non-invasive Überwachung der Blasenherstellung und der erzeugten Blasen möglich. Vorteilhaft ist hierbei der im Vergleich zur Visualisierung mittels Schattenverfahren vergleichsweise geringe apparative Aufwand und des Weiteren, dass Schallwandler kostengünstige Bauteile sind und zudem auch als Mikrosystembauteile in das System oder sogar in das Düsengehäuse integriert werden können. The sound waves generated during bubble production are highly sensitive to changing production parameters. For example, as soon as the nozzle switches to a so-called "jetting mode," in which the bubbles detach from the bubble film outside the nozzle housing, the sound waves become very sensitive to changes in the production parameters. When bubbles detach, the signal captured by the transducer transforms into a broadband noise similar to that of a turbulent free jet. Even if bubbles are generated, but their detachment occurs within the nozzle housing far from the outlet, the characteristic resonances are dampened. Overall, capturing and analyzing the nozzle signal enables non-invasive monitoring of bubble formation and the bubbles themselves. Advantages include the comparatively low equipment requirements compared to visualization using shadowing techniques, and the fact that transducers are inexpensive components and can also be integrated into the system or even the nozzle housing as microsystem components.
Die hier betrachteten Schallwandler umfassen sowohl Luftschallwandler, als auch Körperschallwandler, unabhängig von der Art und Weise der Signalerzeugung. Für das System besonders geeignete Schallwandler sind insbesondere MEMS-Schallwandler, d.h. Bauteile zur Erstellung von mikro-elektromechanischen Systemen. Der Schallwandler kann unter anderem ein Luftschallwandler wie ein Mikrofon oder ein Körperschallwandler wie ein Tonabnehmer oder ein Beschleunigungssensor sein.The transducers considered here include both airborne and structure-borne transducers, regardless of the signal generation method. Particularly suitable transducers for this system are MEMS transducers, i.e., components for creating microelectromechanical systems. The transducer can be, among other things, an airborne transducer such as a microphone or a structure-borne transducer such as a pickup or an accelerometer.
Vorzugsweise ist die Auswerteeinrichtung des Systems eingerichtet, um basierend auf den Signalen, insbesondere durch Fast Fourier-Transformation, ein Frequenzspektrum zu erzeugen und aus dem Frequenzspektrum charakteristische Eigenschaften der von der Herstelleinrichtung erzeugten Blasen und/oder Tropfen und/oder den Betriebsmodus der Herstellungseinrichtung zu ermitteln. Die während der Herstellung der Blasen und/oder Tropfen im Bereich der Düse, insbesondere im Bereich der Auslassöffnung des Düsengehäuses, erzeugten Schallwellen sind charakteristisch für einerseits die Eigenschaften des Systems bzw. die Parameter der Herstellung an sich (beispielsweise die zugeführten Volumenströme), und andererseits die damit hergestellten Blasen und/oder Tropfen. Daher kann anhand der Schallwellen bzw. der erzeugten Signale auf die Parameter der Herstellung oder die Eigenschaften der erzeugten Blasen und/oder Tropfen zurückgeschlossen werden.Preferably, the evaluation unit of the system is configured to generate a frequency spectrum based on the signals, in particular by means of a Fast Fourier transform, and to determine characteristic properties of the bubbles and/or drops produced by the manufacturing device and/or the operating mode of the manufacturing device from this frequency spectrum. The sound waves generated during the production of the bubbles and/or drops in the area of the nozzle, in particular in the area of the outlet opening of the nozzle housing, are characteristic of, on the one hand, the properties of the system or the parameters of the production process itself (for example, the supplied volume flows), and on the other hand, the bubbles and/or drops produced thereby. Therefore, conclusions can be drawn about the parameters of the production process or the properties of the produced bubbles and/or drops based on the sound waves or the generated signals.
Die Auswerteeinrichtung ist ausgebildet, um die Signale vom Zeitbereich in den Frequenzbereich zu transformieren. Dies erfolgt beispielsweise durch eine Fast Fourier-Transformation. Das durch die Transformation erhaltene Frequenzspektrum zeigt eine charakteristische Abfolge von frequenzabhängigen Amplituden, wobei insbesondere die durch Amplitudenmaxima gekennzeichneten Resonanzen für die Auswertung relevant sind. Sofern die Herstellung der Blasen und/oder Tropfen optimal verläuft, z.B. die Düse im Rahmen einer Blasenherstellung in dem Modus des „Monodisperse Bubbling“ arbeitet, enthält das Frequenzspektrum eine charakteristische Resonanz mit einer Grundschwingung und gegebenenfalls einer oder mehreren Oberschwingungen. Die Grundschwingung erzeugt in dem Frequenzspektrum ein Amplitudenmaximum bei einer charakteristischen Grundfrequenz. Die Oberschwingungen bilden betraglich kleinere Amplitudenmaxima bei Oberschwingungsfrequenzen, die jeweils einem Vielfachen der Grundfrequenz entsprechen. Die Grundfrequenz kann je nach Blasengröße beispielsweise zwischen 5 kHz und 50 kHz liegen.The evaluation unit is designed to transform the signals from the time domain to the frequency domain. This is achieved, for example, through a Fast Fourier Transform. The frequency spectrum obtained by the transformation exhibits a characteristic sequence of frequency-dependent amplitudes, with the resonances characterized by amplitude maxima being particularly relevant for evaluation. Provided the bubble and/or droplet production proceeds optimally, e.g., the nozzle operates in "monodisperse bubbling" mode during bubble production, the frequency spectrum contains a characteristic resonance with a fundamental frequency and, optionally, one or more harmonics. The fundamental frequency generates an amplitude maximum in the frequency spectrum at a characteristic fundamental frequency. The harmonics form smaller amplitude maxima at harmonic frequencies that are multiples of the fundamental frequency. The fundamental frequency can, for example, range between 5 kHz and 50 kHz, depending on the bubble size.
Sowohl die Grundfrequenz, als auch die Oberschwingungsfrequenzen können zur Auswertung herangezogen werden. Das Frequenzspektrum reagiert insgesamt sehr sensibel auf sich ändernde Eigenschaften der Blasen und/oder Tropfen und sich ändernde Parameter der Herstellung. Sobald die Düse zur Herstellung von Blasen zum Beispiel den bevorzugten Modus des „Monodisperse Bubbling“ verlässt, werden die Resonanzen gedämpft oder können sich gegebenenfalls gar nicht mehr ausbreiten. Möglich ist des Weiteren auch eine Verschiebung der Resonanzen hin zu anderen Resonanzfrequenzen.Both the fundamental frequency and the harmonic frequencies can be used for evaluation. The frequency spectrum is highly sensitive to changing properties of the bubbles and/or droplets and changing manufacturing parameters. As soon as the nozzle used to produce bubbles, for example, deviates from the preferred "monodisperse bubbling" mode, the resonances are dampened or may even cease to propagate altogether. Furthermore, a shift in the resonances towards other resonant frequencies is also possible.
Darüber hinaus kann anhand der Resonanzfrequenz auch die Herstellungsrate der Blasen und/oder Tropfen, d. h. die Anzahl der pro Zeitintervall hergestellten Blasen und/oder Tropfen, ermittelt werden. In Kombination mit den bekannten Volumenströmen der der Düse zugeführten Fluide, insbesondere des Gases und der Flüssigkeit, kann die Größe der Blasen und/oder Tropfen und ggf. die Auftriebsneutralität von Blasen bestimmt werden. Die Auswertung der spektralen Breite der Resonanzen beziehungsweise deren Gütefaktor liefert ferner Aufschluss über die zeitliche Regelmäßigkeit der Ablösung der Blasen und/oder Tropfen und über deren Größenverteilung. Dadurch können alle relevanten charakteristischen Eigenschaften der Blasen und/oder Tropfen bzw. alle relevanten charakteristischen Parameter der Herstellung anhand eines Messvorgangs ermittelt werden, wodurch eine besonders einfache, schnelle und nicht invasive Qualitätskontrolle und Eigenschaftsbestimmung des Verfahrens und der hergestellten Blasen und/oder Tropfen möglich ist.Furthermore, the production rate of bubbles and/or drops, i.e., the number of bubbles and/or drops produced per time interval, can be determined based on the resonance frequency. In combination with the known volumetric flow rates of the fluids supplied to the nozzle, particularly the gas and liquid, the size of the bubbles and/or drops, and potentially their buoyancy neutrality, can be determined. The evaluation of the spectral width of the resonances, or their quality factor, also provides information about the temporal regularity of bubble and/or droplet detachment and their size distribution. This allows all relevant characteristic properties of the bubbles and/or drops, or all relevant characteristic parameters of the production process, to be determined in a single measurement. This enables particularly simple, rapid, and non-invasive quality control and property determination of the process and the produced bubbles and/or drops.
In diesem Zusammenhang wird insbesondere vorgeschlagen, dass die Auswerteeinrichtung weiterhin eingerichtet ist, um für die Erzeugung des Frequenzspektrums von einem Signal-Frequenzspektrum, welches aus den Signalen, die während des Betriebs der Herstelleinrichtung erzeugt worden sind, ein Umgebungs-Frequenzspektrum, welches aus Signalen, die ohne den Betrieb der Herstelleinrichtung erzeugt worden sind, abzuziehen. Dadurch ist es möglich, Umgebungsgeräusche, die nicht durch die Herstellung der Blasen und/oder Tropfen bedingt sind, bei der Auswertung unberücksichtigt zu lassen.In this context, it is particularly proposed that the evaluation unit continue to be configured to extract, for the generation of the frequency spectrum, an ambient frequency spectrum derived from signals generated without the operation of the manufacturing equipment, from a signal frequency spectrum derived from the signals generated during the operation of the manufacturing equipment. This would allow for the subtraction of an ambient frequency spectrum derived from signals generated without the operation of the manufacturing equipment. Is it possible to disregard ambient noise that is not caused by the production of the bubbles and/or drops during the evaluation?
Gemäß einer weiteren Ausführung ist es möglich, sogar alle nicht unmittelbar der Blasen- und/oder Tropfenentstehung (in und/oder an der Düse) zuzurechnenden Geräusche abzuziehen, beispielsweise die während der Herstellung durch Pumpen oder andere Geräte verursachten Geräusche. Dadurch verbleiben in dem Frequenzspektrum im Wesentlichen nur Resonanzen, die ausschließlich der Entstehung der Blasen und/oder Tropfen zuzuschreiben sind. Dadurch können die charakteristischen Eigenschaften der Blasen und/oder Tropfen beziehungsweise die charakteristischen Parameter der Herstellung sehr genau ermittelt werden.According to another interpretation, it is even possible to subtract all noises not directly attributable to bubble and/or droplet formation (in and/or at the nozzle), such as noises caused by pumps or other equipment during production. This leaves essentially only resonances in the frequency spectrum that are exclusively attributable to the formation of the bubbles and/or drops. This allows for a very precise determination of the characteristic properties of the bubbles and/or drops, or the characteristic parameters of the production process.
Insbesondere wird vorgeschlagen, dass aus dem Frequenzspektrum eine charakteristische Eigenschaft der von der Herstelleinrichtung erzeugten Blasen und/oder Tropfen und/oder ein charakteristischer Parameter der Herstellung ermittelt wird, indem
- - eine Resonanzfrequenz einer in dem Frequenzspektrum enthaltenen Resonanz ausgewertet wird und/oder
- - eine Resonanzamplitude einer in dem Frequenzspektrum enthaltenen Resonanz ausgewertet wird und/oder
- - eine Dämpfung einer in dem Frequenzspektrum enthaltenen Resonanz ausgewertet wird und/oder
- - ein Gütefaktor einer in dem Frequenzspektrum enthaltenen Resonanz ausgewertet wird
- - ein Verhältnis unterschiedlicher in dem Frequenzspektrum enthaltener Resonanzen ausgewertet wird und/oder
- - eine zeitliche Veränderung des Frequenzspektrums ausgewertet wird.
- - a resonance frequency of a resonance contained in the frequency spectrum is evaluated and/or
- - a resonance amplitude of a resonance contained in the frequency spectrum is evaluated and/or
- - an attenuation of a resonance contained in the frequency spectrum is evaluated and/or
- - a quality factor of a resonance contained in the frequency spectrum is evaluated
- - a ratio of different resonances contained in the frequency spectrum is evaluated and/or
- - a temporal change in the frequency spectrum is evaluated.
Bei sich ändernden Parametern der Blasen- und/oder Tropfenherstellung bzw. sich ändernden Eigenschaften der Blasen und/oder Tropfen kann sich das Frequenzspektrum auf unterschiedliche Arten und Weisen ändern, so dass eine oder mehrere der vorgenannten Eigenschaften des Frequenzspektrums ausgewertet werden können, um auf die Eigenschaften der Blasen und/oder Tropfen bzw. die Parameter der Herstellung rückschließen zu können. Die vorgenannten Eigenschaften können zudem nicht nur für eine einzige in dem Frequenzspektrum enthaltene Resonanz ermittelt werden, sondern ebenso für mehrere Resonanzen. Insbesondere kann sich in dem Frequenzspektrum beispielsweise (aber nicht abschließend) die Frequenz einer Grundschwingung und/oder Oberschwingung(en) zu höheren oder niedrigeren Frequenzen verschieben, eine Amplitude der Resonanz gedämpft werden und/oder eine spektrale Breite und/oder ein Gütefaktor der Resonanz geändert werden. Das durch die Auswerteeinrichtung erzeugte Frequenzspektrum oder mehrere zeitlich nacheinander aufgenommene Frequenzspektren kann bzw. können dabei absolut gesehen mit Referenzfrequenzspektren verglichen werden. Insbesondere können mehrere Frequenzspektren kontinuierlich oder in zeitlich definierten aufeinanderfolgenden Abständen während der Herstellung der Blasen und/oder Tropfen ausgewertet und/oder miteinander verglichen werden, um eine zeitabhängige Veränderung des Frequenzspektrums und damit eine zeitabhängige Veränderung der hergestellten Blasen und/oder Tropfen und/oder des Herstellungsverfahrens zu ermitteln.When parameters of bubble and/or droplet production change, or when the properties of the bubbles and/or drops change, the frequency spectrum can change in various ways. This allows one or more of the aforementioned properties of the frequency spectrum to be evaluated in order to deduce information about the properties of the bubbles and/or drops or the production parameters. Furthermore, the aforementioned properties can be determined not only for a single resonance contained in the frequency spectrum, but also for multiple resonances. In particular, the frequency of a fundamental frequency and/or harmonic(s) can shift to higher or lower frequencies, the amplitude of the resonance can be damped, and/or the spectral width and/or quality factor of the resonance can change. The frequency spectrum generated by the evaluation device, or several frequency spectra recorded sequentially, can be compared in absolute terms with reference frequency spectra. In particular, several frequency spectra can be continuously evaluated or compared at time-defined successive intervals during the production of the bubbles and/or drops in order to determine a time-dependent change in the frequency spectrum and thus a time-dependent change in the produced bubbles and/or drops and/or the production process.
Die Auswerteeinrichtung ist erfindungsgemäß ausgebildet, um als charakteristische Eigenschaft der von der Herstelleinrichtung erzeugten Blasen und/oder Tropfen eine Größe der Blasen und/oder Tropfen und/oder eine Größenverteilung der Blasen und/oder Tropfen und/oder eine mittlere Größe der Blasen und/oder Tropfen und/oder eine Auftriebsneutralität der Blasen zu ermitteln. Dazu kann die Auswerteeinrichtung insbesondere auf vielzählige in einer Speichereinrichtung gespeicherte Referenzwerte zugreifen. Die Resonanzspektren bzw. Resonanzen sind bestimmten Eigenschaften der Blasen und/oder Tropfen zugeordnet, wie insbesondere deren Größe, Größenverteilung, mittlerer Größe und/oder Auftriebsneutralität. Die Referenzresonanzen oder Referenzspektren werden zuvor für definierte Bedingungen der Herstellung der Blasen und/oder Tropfen empirisch oder rechnerisch ermittelt, so dass bekannt ist, welche Bedingungen welche Resonanzen/Resonanzspektren hervorrufen.The evaluation device is designed according to the invention to determine, as a characteristic property of the bubbles and/or drops produced by the manufacturing device, a size of the bubbles and/or drops, a size distribution of the bubbles and/or drops, an average size of the bubbles and/or drops, and/or buoyancy neutrality of the bubbles. For this purpose, the evaluation device can, in particular, access numerous reference values stored in a storage device. The resonance spectra or resonances are assigned to specific properties of the bubbles and/or drops, such as, in particular, their size, size distribution, average size, and/or buoyancy neutrality. The reference resonances or reference spectra are determined empirically or computationally beforehand for defined conditions of bubble and/or drop production, so that it is known which conditions give rise to which resonances/resonance spectra.
Andererseits kann die Auswerteeinrichtung auch ausgebildet sein, die vorgenannten Eigenschaften ad hoc rechnerisch zu ermitteln, indem beispielsweise einerseits die Volumenströme der der Düse zugeführten Fluide und andererseits die Herstellungsfrequenz (insbesondere Grundfrequenz der in dem Spektrum enthaltenen Resonanzen) der Blasen und/oder Tropfen herangezogen wird, um dann eine Blasen- und/oder Tropfengröße und/oder den Grad der Auftriebsneutralität von Blasen zu bestimmen. Da die Resonanzfrequenz charakteristisch für die Herstellungsfrequenz der Blasen und/oder Tropfen ist, können in Kombination mit den bekannten Volumenströmen die Tropfengröße und/oder Blasengröße und die Auftriebsneutralität von Blasen bestimmt werden. Die Auswertung der spektralen Breite einer Resonanz oder mehrerer Resonanzen bzw. deren Gütefaktor liefert ferner Aufschluss über die Regelmäßigkeit der Ablösung der Blasen und/oder Tropfen und somit über eine Größenverteilung der zeitlich aufeinanderfolgend hergestellten Blasen und/oder Tropfen.On the other hand, the evaluation device can also be configured to determine the aforementioned properties ad hoc by calculation, for example, by using the volume flow rates of the fluids supplied to the nozzle and the production frequency (in particular, the fundamental frequency of the resonances contained in the spectrum) of the bubbles and/or droplets in order to determine a bubble and/or droplet size and/or the degree of buoyancy neutrality of bubbles. Since the resonance frequency is characteristic of the production frequency of the bubbles and/or droplets, the droplet size and/or bubble size and the buoyancy neutrality of bubbles can be determined in combination with the known volume flow rates. Furthermore, the evaluation of the spectral width of one or more resonances, or their quality factor, provides information about the regularity of bubble and/or droplet detachment and thus about a quantity Distribution of bubbles and/or drops produced successively over time.
So wie die Blasen- und/oder Tropfengröße und ggf. die Auftriebsneutralität aus der Resonanzfrequenz ermittelt werden können, ist es möglich, anhand der Dämpfung der Resonanz, d.h. anhand der zeitabhängigen Änderung der Resonanzamplitude der Resonanz, auf eine Verteilung der Größen der hergestellten Blasen und/oder Tropfen zu schließen.Just as the bubble and/or droplet size and, if applicable, the buoyancy neutrality can be determined from the resonance frequency, it is possible to infer a distribution of the sizes of the produced bubbles and/or drops based on the damping of the resonance, i.e., based on the time-dependent change in the resonance amplitude.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Auswerteeinrichtung eingerichtet ist, um für die Ermittlung der charakteristischen Eigenschaft der von der Herstelleinrichtung erzeugten Blasen und/oder Tropfen einen Volumenstrom mindestens eines der Herstelleinrichtung zugeführten Fluids, nämlich eines Gases oder einer Flüssigkeit, zu berücksichtigen. Insbesondere kann bei der Herstellung von Seifenblasen ein Volumenstrom von Helium und/oder einer Seifenlösung betrachtet werden. Wie zuvor erläutert, kann damit unter Berücksichtigung der Herstellungsrate der Blasen, welche aus der Resonanzfrequenz ablesbar ist, die Größe der Blasen bzw. deren Auftriebsneutralität ermittelt werden. Für die Herstellung von Tropfen gilt Entsprechendes für die Ermittlung der Größe der Tropfen.Furthermore, the evaluation unit may be configured to take into account the volume flow rate of at least one fluid supplied to the production unit, namely a gas or a liquid, for determining the characteristic properties of the bubbles and/or droplets produced by the production unit. In particular, a volume flow rate of helium and/or a soap solution may be considered when producing soap bubbles. As explained previously, the size of the bubbles, or their buoyancy neutrality, can then be determined by considering the bubble production rate, which can be read from the resonance frequency. The same applies to determining the size of droplets produced during production.
Wie zuvor beschrieben kann die Auswerteeinrichtung eingerichtet sein, das ermittelte Frequenzspektrum mit einem oder mehreren Referenzspektren zu vergleichen. Die charakteristischen Referenzspektren können innerhalb eines Datenspeichers des Systems oder eines externen Datenspeichers gespeichert sein, auf welchen die Auswerteeinrichtung zugreifen kann. Dieser Vergleich mit Referenzen kann ggf. gegenüber einer aktuellen Berechnung der Eigenschaften der Blasen und/oder Tropfen bzw. Parameter der Herstellung vorteilhaft sein.As previously described, the evaluation unit can be configured to compare the determined frequency spectrum with one or more reference spectra. The characteristic reference spectra can be stored within the system's data memory or an external data storage device accessible to the evaluation unit. This comparison with references may be advantageous compared to an actual calculation of the bubble and/or droplet properties or manufacturing parameters.
Das System ist erfindungsgemäß eingerichtet, um in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Auswertung der Auswerteeinrichtung den Betrieb der Herstelleinrichtung zu regeln. Dadurch ist vorteilhaft ein sofortiger Eingriff in die Herstellung der Blasen und/oder Tropfen möglich. Insbesondere kann manuell oder automatisch eine Veränderung herbeigeführt werden, wenn die Auswerteeinrichtung feststellt, dass die Blasen und/oder Tropfen ungewünschte Eigenschaften aufweisen, beispielsweise zu groß sind, zu klein sind und/oder sich in dem Herstellungsprozess zu früh oder zu spät ausbilden. Besonders vorteilhaft kann dadurch während des laufenden Betriebs des Systems auf die Herstellung der Blasen und/oder Tropfen eingewirkt werden, um auf sich ändernde Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise Umgebungstemperatur und damit Änderung der Eigenschaften der zugeführten Fluide, zu reagieren. Ebenso kann auf sich ändernde Anforderungen reagiert werden, beispielsweise wenn eine andere Größe der herzustellenden Blasen und/oder Tropfen gewünscht ist.The system is designed according to the invention to control the operation of the production equipment depending on the result of the evaluation by the evaluation unit. This advantageously allows for immediate intervention in the production of the bubbles and/or drops. In particular, a change can be made manually or automatically if the evaluation unit detects that the bubbles and/or drops exhibit undesirable properties, for example, being too large, too small, and/or forming too early or too late in the production process. It is particularly advantageous that the production of the bubbles and/or drops can be influenced during the ongoing operation of the system in order to react to changing environmental conditions, such as ambient temperature and the resulting changes in the properties of the supplied fluids. Likewise, it is possible to react to changing requirements, for example, if a different size of bubbles and/or drops is desired.
Sofern - bezogen auf eine Blasenherstellung - in dem Frequenzspektrum beispielsweise eine Resonanz auftritt, deren Resonanzfrequenz über einer für eine angestrebte Blasengröße charakteristischen Referenzfrequenz liegt, kann darauf geschlossen werden, dass der Blasenfilm zu schnell in einzelne Blasen zerfällt und die Blasen daher kleiner sind als gewünscht. Um diese Abweichung zu beseitigen, können die Volumenströme der zugeführten Fluide angepasst, insbesondere der Volumenstrom der Hilfsluft reduziert werden.If, for example, a resonance occurs in the frequency spectrum during bubble production, and its resonance frequency lies above a reference frequency characteristic of a desired bubble size, it can be concluded that the bubble film is breaking up into individual bubbles too quickly, resulting in bubbles that are smaller than desired. To eliminate this deviation, the flow rates of the supplied fluids can be adjusted, in particular the flow rate of the auxiliary air can be reduced.
Umgekehrt kann von einer gegenüber einer Referenzfrequenz zu geringen Resonanzfrequenz auf zu große Blasen geschlossen werden. Diese Abweichung kann dann dadurch beseitigt werden, dass die Volumenströme der beteiligten Fluide angepasst werden, insbesondere der Volumenstrom der Hilfsluft erhöht wird.Conversely, a resonance frequency that is too low compared to a reference frequency can indicate excessively large bubbles. This deviation can then be corrected by adjusting the volume flows of the fluids involved, in particular by increasing the volume flow of the auxiliary air.
Die Auswerteeinrichtung des Systems und/oder eine damit in Kommunikationsverbindung stehende Recheneinrichtung kann von einer künstlichen Intelligenz (KI) zur Erstellung und Auswertung der Resonanzspektren sowie zur Regelung des Betriebs der Herstelleinrichtung in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Auswertung Gebrauch machen. Die vorgenannten Merkmale der Auswerteeinrichtung gelten somit entsprechend für die künstliche Intelligenz (Kl). Darüber hinaus kann die Auswerteeinrichtung und/oder die Recheneinrichtung eingerichtet sein, Methoden des maschinellen Lernens (ML) anzuwenden, insbesondere, um ein erstelltes Frequenzspektrum mit Referenzfrequenzspektren zu vergleichen. Die KI dann dabei anhand von empirisch aufgenommenen und ausgewerteten Frequenzspektren von Blasen bzw. Tropfen mit gewünschten Eigenschaften trainiert werden.The system's evaluation unit and/or a computer unit communicating with it can utilize artificial intelligence (AI) to generate and analyze resonance spectra and to control the operation of the manufacturing equipment based on the evaluation results. The aforementioned characteristics of the evaluation unit thus apply accordingly to the artificial intelligence (AI). Furthermore, the evaluation unit and/or the computer unit can be configured to apply machine learning (ML) methods, particularly to compare a generated frequency spectrum with reference frequency spectra. The AI can then be trained using empirically recorded and analyzed frequency spectra of bubbles or drops with desired properties.
Die Düse zur Herstellung von Seifenblasen ist vorzugsweise so ausgebildet, dass die Düse ein Innenrohr, ein das Innenrohr konzentrisch umgebendes Außenrohr und ein das Innenrohr und das Außenrohr konzentrisch umgebendes Düsengehäuse aufweist, wobei das Düsengehäuse eine Auslassöffnung zum Austreten von durch die Düse hergestellten Blasen in eine Umgebung aufweist, wobei das Innenrohr einen Innenströmungskanal aufweist, wobei zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr ein Zwischenströmungskanal ausgebildet ist und wobei zwischen dem Außenrohr und dem Düsengehäuse ein Außenströmungskanal ausgebildet ist, wobei der Innenströmungskanal und der Zwischenströmungskanal in den Außenströmungskanal münden. Mit anderen Worten ausgedrückt, weist die Düse zwei konzentrische Röhrchen, nämlich das Innenrohr und das Außenrohr, sowie ein diese umgebendes Düsengehäuse mit einer Auslassöffnung zum Austreten der Blasen in die Umgebung auf. Durch das Innenrohr strömt ein Gas, welches die zwischen den beiden Röhrchen fließende Flüssigkeit ohne weiteres Zutun zunächst zu einem länglich erstreckten Blasenfilm formt. Dieser Effekt wird durch einen Hilfsluftstrom unterstützt, der in dem Außenströmungskanal strömt. Der schlauchförmige Blasenfilm wird aufgrund der sogenannten Rayleigh-Plateau-Instabilität instabil und bricht in einzelne, wesentlich kleinere Blasen auf, deren Durchmesser, abhängig von den Volumenströmen der beteiligten Fluide, im Bereich von etwa 30 % bis 80 % des Durchmessers der Düsenöffnung liegt.The nozzle for producing soap bubbles is preferably designed such that the nozzle has an inner tube, an outer tube concentrically surrounding the inner tube, and a nozzle housing concentrically surrounding both the inner and outer tubes, wherein the nozzle housing has an outlet opening for bubbles produced by the nozzle to escape into an environment, wherein the inner tube has an internal flow channel, wherein an intermediate flow channel is formed between the inner tube and the outer tube, and wherein an external flow channel is formed between the outer tube and the nozzle housing, with the internal flow channel and the intermediate flow channel opening into the external flow channel. In other words, the The nozzle consists of two concentric tubes, namely the inner tube and the outer tube, and a surrounding nozzle housing with an outlet opening for the bubbles to escape into the environment. A gas flows through the inner tube, which initially forms the liquid flowing between the two tubes into an elongated film of bubbles without any further intervention. This effect is enhanced by an auxiliary airflow flowing in the outer flow channel. Due to the so-called Rayleigh plateau instability, the tubular bubble film becomes unstable and breaks up into individual, significantly smaller bubbles, whose diameter, depending on the flow rates of the fluids involved, ranges from approximately 30% to 80% of the nozzle opening diameter.
Eine Ausführungsform des Systems kann vorsehen, dass die Herstelleinrichtung mehrere Herstelleinrichtungs-Teileinheiten aufweist, die jeweils zur Herstellung von Blasen und/oder Tropfen ausgebildet sind, wobei jeder Herstelleinrichtungs-Teileinheit ein eigener Schallwandler zugeordnet ist. Dadurch, dass jede Teileinheit einen eigenen Schallwandler aufweist, kann jede Düse bzw. können die damit hergestellten Blasen und/oder Tropfen gezielt überwacht werden und der Betrieb der jeweiligen Düse separat angepasst werden. Bevorzugt empfängt jeder Schallwandler nur die Schallwellen einer einzigen Herstelleinrichtungs-Teileinheit und wandelt nur diese in Signale um. Um dies zu erreichen, sollte der Schallwandler möglichst dicht an dem Düsengehäuse der überwachten Düse angeordnet sein, beispielsweise außen oder innen an dem Düsengehäuse.One embodiment of the system provides that the manufacturing device comprises several manufacturing device subunits, each configured for producing bubbles and/or droplets, with each manufacturing device subunit having its own dedicated transducer. Because each subunit has its own transducer, each nozzle, and thus the bubbles and/or droplets produced by it, can be monitored individually, and the operation of each nozzle can be adjusted separately. Preferably, each transducer receives only the sound waves from a single manufacturing device subunit and converts only these into signals. To achieve this, the transducer should be positioned as close as possible to the nozzle housing of the monitored nozzle, for example, on the outside or inside of the nozzle housing.
Grundsätzlich kann das System eine einzige Überwachungseinrichtung und/oder Auswerteeinrichtung für alle Herstelleinrichtungs-Teileinheiten gemeinsam aufweisen, allerdings sollte ein Schallwandler bevorzugt nur einer einzigen Düse zugeordnet sein, damit die empfangenen Schallwellen nicht ein Gemisch aus Schallwellen verschiedener Düsen sind und somit ggf. zu einem falschen Auswerteergebnis führen. Somit können ausschließlich die charakteristischen Eigenschaften der von dieser einzelnen Herstelleinrichtungs-Teileinrichtung erzeugten Blasen und/oder Tropfen bzw. die charakteristischen Parameter der Herstellung nur dieser einzigen Herstelleinrichtungs-Teileinheit ausgewertet werden.In principle, the system can have a single monitoring and/or evaluation unit for all manufacturing unit sub-units. However, a sound transducer should preferably be assigned to only one nozzle to prevent the received sound waves from being a mixture of sound waves from different nozzles, which could potentially lead to an incorrect evaluation result. This ensures that only the characteristic properties of the bubbles and/or droplets produced by this single manufacturing unit sub-unit, or the characteristic parameters of the production process of that single unit, can be evaluated.
Die Überwachungseinrichtung kann aus einer Mehrzahl von Schallwandlern bestehen, die nicht explizit einzelnen Düsen zugeordnet sind (z.B. in Form eines Schallwandler-Arrays). Die Anordnung der Schallwandler kann an die Anordnung der Düsen angepasst sein oder alternativ unabhängig davon sein. Die Zuordnung der Signale zu einzelnen Düsen kann durch eine Analyse der raum-zeitlichen Wellenverläufe auf der Basis von Laufzeitunterschieden und/oder Phasendifferenzen der Schallwellen an verschiedenen Schallwandler-Positionen erfolgen. Insbesondere kann eine Bestimmung der Position der die Signale verursachenden Düse durch sogenanntes „Beamforming“ vorgenommen werden.The monitoring device can consist of multiple transducers that are not explicitly assigned to individual nozzles (e.g., in the form of a transducer array). The arrangement of the transducers can be adapted to the arrangement of the nozzles or, alternatively, be independent of it. The assignment of signals to individual nozzles can be achieved by analyzing the spatiotemporal waveforms based on differences in the travel time and/or phase of the sound waves at different transducer positions. In particular, the position of the nozzle generating the signals can be determined by so-called "beamforming."
Neben dem zuvor beschriebenen System wird mit der Erfindung des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung von Blasen und/oder Tropfen mittels eines Systems zur Herstellung von Blasen und/oder Tropfen vorgeschlagen. Das Verfahren kann insbesondere unter Verwendung eines Systems der vorgenannten Art ausgeführt werden. Das Verfahren sieht vor, dass eine Herstelleinrichtung Blasen und/oder Tropfen mittels einer Düse erzeugt, wobei der Herstellungsbetrieb der Herstelleinrichtung mittels einer Überwachungseinrichtung überwacht wird.In addition to the system described above, the invention further proposes a method for producing bubbles and/or drops using a bubble and/or drop production system. The method can be implemented, in particular, using a system of the aforementioned type. The method provides that a production device generates bubbles and/or drops by means of a nozzle, and the production operation of the production device is monitored by means of a monitoring device.
Die Überwachungseinrichtung erzeugt mittels eines Schallwandlers abhängig von durch die Herstellung der Blasen und/oder Tropfen erzeugten Schallwellen Signale, wobei eine Auswerteeinrichtung die von dem Schallwandler erzeugten Signale zur Bestimmung einer charakteristischen Eigenschaft der von der Herstelleinrichtung erzeugten Blasen und/oder Tropfen oder zur Bestimmung eines charakteristischen Parameters der Herstellung auswertet.The monitoring device generates signals by means of a sound transducer depending on the sound waves produced by the manufacture of the bubbles and/or drops, wherein an evaluation device evaluates the signals generated by the sound transducer to determine a characteristic property of the bubbles and/or drops produced by the manufacturing device or to determine a characteristic parameter of the manufacturing process.
Die charakteristische Eigenschaft der von der Herstelleinrichtung erzeugten Blasen und/oder Tropfen ist
- - eine Größe der Blasen und/oder Tropfen und/oder
- - eine Größenverteilung der Blasen und/oder Tropfen und/oder
- - eine mittlere Größe der Blasen und/oder Tropfen und/oder
- - eine Auftriebsneutralität der Blasen.
- - a size of the bubbles and/or drops and/or
- - a size distribution of the bubbles and/or drops and/or
- - a medium size of bubbles and/or drops and/or
- - a buoyancy neutrality of the bubbles.
Der charakteristische Parameter der Herstellung ist
- - eine Austrittsfrequenz, mit welcher sich die Blasen und/oder Tropfen während des Herstellungsprozesses in regelmäßigen zeitlichen Abständen von dem schlauchförmigen Blasenfilm und/oder innerhalb des Düsengehäuses ablösen.
- - an ejection frequency at which the bubbles and/or drops detach from the tubular bubble film and/or within the nozzle housing at regular intervals during the manufacturing process.
Erfindungsgemäß regelt das System in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Auswertung der Auswerteeinrichtung den Betrieb der Herstelleinrichtung, indem die Volumenströme der zugeführten Fluide angepasst werden.According to the invention, the system regulates the operation of the manufacturing equipment depending on the result of the evaluation by the evaluation device by adjusting the volume flows of the supplied fluids.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht somit eine Überwachung der hergestellten Blasen und/oder Tropfen bzw. eine Überwachung des Herstellungsverfahrens dadurch vor, dass bei der Herstellung erzeugte Schallwellen durch einen Schallwandler in Signale umgewandelt werden, die dann wiederum analysiert werden, um charakteristische Eigenschaften der von der Herstelleinrichtung erzeugten Blasen und/oder Tropfen und/oder charakteristische Parameter der Herstellung auszuwerten. Bei den charakteristischen Eigenschaften der Blasen und/oder Tropfen kann es sich insbesondere um eine Größe (und/oder - bezogen auf Blasen - eine Auftriebsneutralität) handeln. Ein zu bestimmender charakteristischer Parameter der Herstellung kann beispielsweise ein Volumenstrom der zugeführten Fluide, nämlich des Gases und der Flüssigkeit, oder eine Herstellungsrate von Blasen und/oder Tropfen oder ein Herstellungsort der Blasen und/oder Tropfen relativ zu dem Düsengehäuse bzw. relativ zu einer Auslassöffnung des Düsengehäuses sein, durch welche die Blasen und/oder Tropfen das Düsengehäuse verlassen.The method according to the invention thus provides for monitoring the produced bubbles and/or drops or monitoring of the source. The manufacturing process involves converting sound waves generated during production into signals using a transducer. These signals are then analyzed to evaluate characteristic properties of the bubbles and/or droplets produced by the manufacturing device and/or characteristic parameters of the manufacturing process. The characteristic properties of the bubbles and/or droplets can include, in particular, a quantity (and/or – with respect to bubbles – buoyancy neutrality). A characteristic parameter of the manufacturing process to be determined could, for example, be the volume flow rate of the supplied fluids, namely the gas and the liquid, or the production rate of bubbles and/or droplets, or the production location of the bubbles and/or droplets relative to the nozzle housing or relative to an outlet opening of the nozzle housing through which the bubbles and/or droplets leave the nozzle housing.
Die Auswertung der Signale mittels der Auswerteeinrichtung erfolgt bevorzugt basierend auf den Signalen derart, dass ein Frequenzspektrum erzeugt wird und aus dem Frequenzspektrum die charakteristische Eigenschaft der von der Herstelleinrichtung erzeugten Blasen und/oder Tropfen und/oder der charakteristische Parameter der Herstellung ermittelt wird. Die Transformation von einem Zeitbereich der Signale in den Frequenzbereich kann insbesondere durch eine Fast Fourier-Transformation erfolgen.The evaluation of the signals by the evaluation device is preferably carried out in such a way that a frequency spectrum is generated and the characteristic properties of the bubbles and/or drops produced by the manufacturing device and/or the characteristic parameters of the manufacturing process are determined from the frequency spectrum. The transformation from a time domain of the signals to the frequency domain can be carried out in particular by a Fast Fourier transform.
Das Frequenzspektrum der bei der Herstellung der Blasen und/oder Tropfen erzeugten Schallwellen ist charakteristisch einerseits für einen oder mehrere Parameter der Herstellung, andererseits jedoch auch für die durch das Herstellungsverfahren erzeugten Blasen und/oder Tropfen. Daher kann durch die Auswertung des Frequenzspektrums auf die Eigenschaften der Blasen und/oder Tropfen und die ordnungsgemäße Herstellung geschlossen werden. Dies kann entweder rechnerisch oder durch Vergleichen mit charakteristischen Referenzspektren für bestimmte Eigenschaften bzw. Parameter erreicht werden.The frequency spectrum of the sound waves generated during the production of bubbles and/or drops is characteristic of one or more production parameters, as well as of the bubbles and/or drops themselves. Therefore, by analyzing the frequency spectrum, conclusions can be drawn about the properties of the bubbles and/or drops and whether the production process was carried out correctly. This can be achieved either computationally or by comparison with characteristic reference spectra for specific properties or parameters.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Auswerteeinrichtung für die Erzeugung des Frequenzspektrums von einem Signal-Frequenzspektrum, welches aus den Signalen, die während des Betriebs der Herstelleinrichtung erzeugt worden sind, ein Umgebungs-Frequenzspektrum, welches aus Signalen, die ohne den Betrieb der Herstelleinrichtung erzeugt worden sind, abzieht. Durch diese Vorgehensweise kann ein „Grundrauschen“, das Schallwellen beinhaltet, die nicht durch die Herstellung der Blasen und/oder Tropfen verursacht sind, von dem erzeugten Frequenzspektrum abgezogen werden. Wird die Überwachungseinrichtung in Form eines Schallwandler-Arrays ausgebildet, kann das Ausblenden der Hintergrundgeräusche des Weiteren durch eine räumliche Filterung (z.B. anhand von Laufzeitunterschieden und/oder Phasendifferenzen) erfolgen. Das Frequenzspektrum beinhaltet nach dieser Vorverarbeitung dann bestenfalls nur noch diejenigen Frequenzen, welche während der Blasen- und/oder Tropfenherstellung erzeugt worden sind oder sogar nur diejenigen Frequenzen, welche der Ablösung der Blasen von dem Blasenfilm bzw. der Ablösung von Tropfen von einem Flüssigkeitsstrahl zuzurechnen sind. Diese Vorgehensweise kann die Qualität und Zuverlässigkeit des Auswerteergebnisses positiv beeinflussen.In particular, the evaluation unit can be designed to subtract an ambient frequency spectrum, derived from signals generated during the operation of the production equipment, from a signal frequency spectrum generated during operation of the production equipment. This ambient frequency spectrum is derived from signals generated without the production equipment being in operation. This approach allows for the subtraction of "background noise," which includes sound waves not caused by the production of bubbles and/or drops, from the generated frequency spectrum. If the monitoring device is designed as a transducer array, the background noise can be further suppressed by spatial filtering (e.g., based on time-of-flight and/or phase differences). After this preprocessing, the frequency spectrum ideally contains only those frequencies generated during bubble and/or drop production, or even only those frequencies attributable to the detachment of bubbles from the bubble film or the detachment of drops from a liquid stream. This approach can positively influence the quality and reliability of the evaluation result.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Auswerteeinrichtung aus dem Frequenzspektrum eine charakteristische Eigenschaft der von der Herstelleinrichtung erzeugten Blasen und/oder Tropfen und/oder einen charakteristischen Parameter der Herstellung ermittelt, indem die Auswerteeinrichtung
- - eine Resonanzfrequenz einer in dem Frequenzspektrum enthaltenen Resonanz auswertet und/oder
- - eine Resonanzamplitude einer in dem Frequenzspektrum enthaltenen Resonanz auswertet und/oder
- - eine Dämpfung und/oder einen Gütefaktor einer in dem Frequenzspektrum enthaltenen Resonanz auswertet und/oder
- - ein Verhältnis unterschiedlicher in dem Frequenzspektrum enthaltener Resonanzen auswertet und/oder
- - eine zeitliche Veränderung des Frequenzspektrums auswertet.
- - evaluates a resonance frequency of a resonance contained in the frequency spectrum and/or
- - evaluates a resonance amplitude of a resonance contained in the frequency spectrum and/or
- - evaluates the damping and/or quality factor of a resonance contained in the frequency spectrum and/or
- - evaluates the ratio of different resonances contained in the frequency spectrum and/or
- - evaluates a temporal change in the frequency spectrum.
Wie zuvor in Bezug auf das erfindungsgemäße System erläutert, zeichnen sich die von der Herstelleinrichtung erzeugten Blasen und/oder Tropfen bzw. die Herstellung selbst durch verschiedenartige Eigenschaften des Frequenzspektrums bzw. der darin enthaltenen Resonanzen aus. Insbesondere können sich eine oder mehrere Resonanzen hinsichtlich ihrer Resonanzfrequenz, Amplitude und/oder spektralen Breite ändern. Bei einer Betrachtung aufeinanderfolgender Frequenzspektren kann eine Dämpfung einer Resonanz, das heißt eine Änderung der Resonanzamplitude über die Zeit betrachtet werden. Zudem ist es möglich, Verhältnisse unterschiedlicher Resonanzen zueinander, insbesondere einer Grundschwingung und einer oder mehrerer Oberschwingungen, anhand des Frequenzspektrums auszuwerten, beispielsweise bei einem Vergleich deren Resonanzamplituden, spektralen Breiten, Gütefaktoren oder Resonanzfrequenzen.As previously explained with regard to the system according to the invention, the bubbles and/or drops produced by the manufacturing device, or the manufacturing process itself, are characterized by various properties of the frequency spectrum or the resonances contained therein. In particular, one or more resonances can change with respect to their resonance frequency, amplitude, and/or spectral width. By examining successive frequency spectra, a damping of a resonance, that is, a change in the resonance amplitude over time, can be observed. Furthermore, it is possible to evaluate the relationships between different resonances, in particular between a fundamental frequency and one or more harmonics, based on the frequency spectrum, for example, by comparing their resonance amplitudes, spectral widths, quality factors, or resonance frequencies.
Insbesondere kann bei der Auswertung der charakteristischen Eigenschaft oder Eigenschaften der erzeugten Blasen und/oder Tropfen eine Größe der Blasen und/oder Tropfen und/oder eine Größenverteilung der Blasen und/oder Tropfen und/oder eine mittlere Größe der Blasen und/oder Tropfen und/oder eine Auftriebsneutralität der Blasen ermittelt werden. Die Größe der Blasen und/oder Tropfen und ggf. eine Auftriebsneutralität von Blasen ergeben sich insbesondere, wenn die Volumenströme des bei der Herstellung der Blasen und/oder Tropfen zugeführten Fluide bekannt sind. Sodann kann anhand der Resonanzfrequenz der Grundschwingung in dem Frequenzspektrum, welche gleichzeitig der Erzeugungsfrequenz der Blasen und/oder Tropfen entspricht, die Größe der Blasen und/oder Tropfen und damit auch deren Auftriebsneutralität ermittelt werden. Über die Zeit betrachtet und/oder über mehrere an dem Herstellungsverfahren beteiligte Düsen kann eine Größenverteilung der Blasen und/oder Tropfen und/oder eine mittlere Größe der Blasen und/oder Tropfen ermittelt werden. Dies ist gleichfalls möglich, wenn man die Größen der Blasen und/oder Tropfen für ein und dieselbe Düse über eine definierte Zeitspanne betrachtet.In particular, when evaluating the characteristic property or properties of the generated bubbles and/or drops, a certain size can be considered. The size distribution of bubbles and/or drops, their average size, and/or their buoyancy can be determined. The size of the bubbles and/or drops, and possibly their buoyancy, can be determined, in particular, if the volumetric flow rates of the fluid supplied during the production of the bubbles and/or drops are known. Then, based on the resonance frequency of the fundamental oscillation in the frequency spectrum, which simultaneously corresponds to the generation frequency of the bubbles and/or drops, the size of the bubbles and/or drops, and thus their buoyancy, can be determined. Considering the size distribution of the bubbles and/or drops and/or their average size over time and/or across multiple nozzles involved in the production process, this can also be determined. This is equally possible if the sizes of the bubbles and/or drops for one and the same nozzle are considered over a defined period of time.
Für die Ermittlung der Eigenschaften der Blasen und/oder Tropfen, empfiehlt es sich, dass die Auswerteeinrichtung einen Volumenstrom mindestens eines der Herstelleinrichtung zugeführten Fluids berücksichtigt. Bezogen auf die Herstellung von Seifenblasen kann das gasförmige Fluid insbesondere Helium sein, während das flüssige Fluid eine Seifenlösung sein kann. Daraus lassen sich dann heliumgefüllte Seifenblasen herstellen, welche abhängig von ihrer Größe eine Auftriebsneutralität erreichen können.To determine the properties of the bubbles and/or droplets, it is recommended that the evaluation device take into account the volume flow rate of at least one of the fluids supplied to the production device. With regard to the production of soap bubbles, the gaseous fluid can be helium, while the liquid fluid can be a soap solution. From this, helium-filled soap bubbles can be produced, which, depending on their size, can achieve neutral buoyancy.
Wie zuvor erläutert, kann die Auswerteeinrichtung bei der Auswertung das Frequenzspektrum mit einem oder mehreren Referenzspektren vergleichen.As explained previously, the evaluation unit can compare the frequency spectrum with one or more reference spectra during the evaluation process.
Erfindungsgemäß regelt das System in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Auswertung der Auswerteeinrichtung den Betrieb der Herstelleinrichtung. Dadurch kann besonders vorteilhaft in den laufenden Herstellungsprozess eingegriffen werden, indem die Auswerteeinrichtung die Herstellungsparameter bzw. die Eigenschaften der aktuell erzeugten Blasen und/oder Tropfen überwacht, beispielsweise eine Herstellungsrate der Blasen und/oder Tropfen, und sodann die Herstellungsparameter anpasst, zum Beispiel die der Düse zugeführten Volumenströme ändert, um Blasen und/oder Tropfen mit gewünschter Größe und/oder Auftriebsneutralität und/oder Herstellungsrate und/oder Konsistenz zu erzeugen.According to the invention, the system controls the operation of the manufacturing device depending on the result of the evaluation by the evaluation unit. This allows for particularly advantageous intervention in the ongoing manufacturing process, as the evaluation unit monitors the manufacturing parameters or the properties of the currently produced bubbles and/or drops, for example, a production rate of bubbles and/or drops, and then adjusts the manufacturing parameters, for example, by changing the volume flow rates supplied to the nozzle, in order to produce bubbles and/or drops with the desired size and/or buoyancy neutrality and/or production rate and/or consistency.
Beispielsweise im Rahmen der Herstellung von Seifenblasen können die Blasen mittels der Düse geformt werden, indem das Gas, insbesondere Helium, durch ein Innenrohr der Düse strömt, wobei die Flüssigkeit, nämlich Seifenlösung, durch einen zwischen dem Innenrohr und einem das Innenrohr konzentrisch umgebenden Außenrohr ausgebildeten Zwischenströmungskanal strömt und wobei ein Hilfsgas durch ein das Innenrohr und das Außenrohr konzentrisch umgebendes Düsengehäuse strömt, wobei der Innenströmungskanal und der Zwischenströmungskanal in den Außenströmungskanal münden und wobei durch die Düsen hergestellte Seifenblasen durch eine Auslassöffnung des Düsengehäuses in eine Umgebung austreten.For example, in the production of soap bubbles, the bubbles can be formed by means of the nozzle by the gas, in particular helium, flowing through an inner tube of the nozzle, wherein the liquid, namely soap solution, flows through an intermediate flow channel formed between the inner tube and an outer tube concentrically surrounding the inner tube, and wherein an auxiliary gas flows through a nozzle housing concentrically surrounding the inner tube and the outer tube, wherein the inner flow channel and the intermediate flow channel open into the outer flow channel, and wherein soap bubbles produced by the nozzles exit into an environment through an outlet opening of the nozzle housing.
Insbesondere kann die Auswerteeinrichtung anhand der Signale, insbesondere anhand eines daraus erzeugten Frequenzspektrums, auf den Entstehungsort der Blasen und/oder Tropfen innerhalb oder außerhalb des Düsengehäuses der Düse und/oder auf eine Herstellungsrate und/oder Austrittsfrequenz der Blasen und/oder Tropfen aus dem Düsengehäuse schließen. In Abhängigkeit von dem Auswerteergebnis können dann Maßnahmen ergriffen werden, um den Betrieb der Herstelleinrichtung derart zu regeln, dass eine gewünschte Blasen- und/oder Tropfengröße, Blasen- und/oder Tropfenkonsistenz und/oder Auftriebsneutralität der Blasen entsteht.In particular, the evaluation unit can use the signals, especially a frequency spectrum generated from them, to determine the origin of the bubbles and/or droplets inside or outside the nozzle housing and/or the production rate and/or exit frequency of the bubbles and/or droplets from the nozzle housing. Depending on the evaluation result, measures can then be taken to control the operation of the production unit in such a way that a desired bubble and/or droplet size, consistency, and/or buoyancy neutrality of the bubbles is achieved.
Schließlich kann vorgesehen sein, dass die Herstelleinrichtung Blasen und/oder Tropfen mittels einer Mehrzahl von Herstelleinrichtungs-Teileinheiten herstellt, wobei jeder Herstelleinrichtungs-Teileinheit ein Schallwandler zugeordnet sein kann, welcher abhängig von den durch die Herstellung der Blasen und/oder Tropfen mittels dieser Herstelleinrichtung-Teileinheit erzeugten Schallwellen für diese Herstelleinrichtungs-Teileinheit Signale erzeugt. Gemäß dieser Ausführungsform werden für die Blasen- und/oder Tropfenherstellung mehrere Herstelleinrichtungs-Teileinheiten gleichzeitig verwendet. Die Schallwellen einer bestimmten Herstelleinrichtungs-Teileinheit bzw. die Schallwellen deren Düse werden durch einen nur dieser Herstelleinrichtungs-Teileinheit/Düse zugeordneten Schallwandler aufgenommen und in ein Signal gewandelt. Dieses Signal kann dann mittels der Auswerteeinrichtung der Herstelleinrichtung analysiert werden, um für jede Herstelleinrichtungs-Teileinheit bzw. jede Düse separat Eigenschaften der damit hergestellten Blasen und/oder Tropfen bzw. des zur Herstellung verwendeten Herstellverfahrens zu ermitteln und dann bevorzugt geeignete Maßnahmen zu treffen, die nur diese eine Herstelleinrichtungs-Teileinheit betreffen. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass nicht das gesamte System bzw. die gesamte Herstelleinrichtung mit allen Herstelleinrichtungs-Teileinheiten eine Änderung erfährt, sondern nur diejenige Herstelleinrichtungs-Teileinheit, deren Blasen- und/oder Tropfen-Eigenschaften oder HerstellungsParameter nicht einem gewünschten Referenzziel entsprechen. Des Weiteren kann die Überwachungseinheit so ausgeführt werden, dass keine explizite Zuordnung je eines Schallwandlers zu einer Herstelleinrichtungs-Teileinheit erfolgt. In dieser Ausführung werden die Signale einer hinreichenden Mehrzahl von Schallwandlern zunächst gemeinsam analysiert (z. B. mittels eines Schallwandler-Arrays). Zur Überwachung der einzelnen Herstelleinrichtungs-Teileinheit wird dann zunächst auf Basis der Phasendifferenzen der erfassten Signale eine Schallquellenlokalisierung (z.B. mittels „Beamforming“) durchgeführt und erst anschließend die entsprechende Signalanalyse der Herstelleinrichtungs-Teileinheit.Finally, it can be provided that the manufacturing device produces bubbles and/or drops using a plurality of manufacturing device subunits, each of which can be assigned a sound transducer that generates signals for that manufacturing device subunit depending on the sound waves produced by the manufacturing of the bubbles and/or drops using that manufacturing device subunit. According to this embodiment, several manufacturing device subunits are used simultaneously for bubble and/or drop production. The sound waves of a specific manufacturing device subunit or the sound waves of its nozzle are received by a sound transducer assigned only to that manufacturing device subunit/nozzle and converted into a signal. This signal can then be analyzed by the evaluation unit of the manufacturing device in order to determine, separately for each manufacturing device subunit or nozzle, the properties of the bubbles and/or drops produced with it or of the manufacturing process used for their production, and then preferably to take suitable measures that only affect that one manufacturing device subunit. A particular advantage is that not the entire system or the entire production facility with all its sub-units undergoes a change, but only the sub-unit whose bubble and/or droplet properties or production parameters do not correspond to a desired reference target. Furthermore, the monitoring unit can thus... It is ensured that no explicit assignment of each transducer to a manufacturing equipment subunit takes place. In this implementation, the signals from a sufficient number of transducers are initially analyzed together (e.g., using a transducer array). To monitor the individual manufacturing equipment subunit, sound source localization (e.g., using beamforming) is first performed based on the phase differences of the acquired signals, and only then is the corresponding signal analysis of the manufacturing equipment subunit carried out.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.Advantageous further developments of the invention result from the patent claims, the description and the drawings.
Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen.The advantages of features and combinations of features mentioned in the description are merely exemplary and can have an effect alternatively or cumulatively, without the advantages necessarily having to be achieved by embodiments according to the invention.
Hinsichtlich des Offenbarungsgehalts - nicht des Schutzbereichs - der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents gilt Folgendes: Weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen, was aber nicht für die unabhängigen Patentansprüche des erteilten Patents gilt.Regarding the disclosure content—not the scope of protection—of the original application documents and the patent, the following applies: Further features can be found in the drawings—in particular, the geometries depicted and the relative dimensions of several components to one another, as well as their relative arrangement and functional connection. The combination of features from different embodiments of the invention or features from different claims is also possible, deviating from the chosen cross-references in the claims, and is hereby encouraged. This also applies to features that are illustrated in separate drawings or mentioned in their description. These features can also be combined with features from different claims. Likewise, features listed in the claims can be omitted for further embodiments of the invention, but this does not apply to the independent claims of the granted patent.
Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs „mindestens“ bedarf. Wenn also beispielsweise von einer Düse die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau eine Düse, zwei Düsen oder mehr Düsen vorhanden sind. Die in den Patentansprüchen angeführten Merkmale können durch weitere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, die der Gegenstand des jeweiligen Patentanspruchs aufweist.The features mentioned in the claims and the description are to be understood, with regard to their number, as meaning that exactly that number or a greater number than the stated number is present, without the need for the explicit use of the adverb "at least". Thus, for example, if a nozzle is mentioned, this is to be understood as meaning that exactly one nozzle, two nozzles, or more nozzles are present. The features listed in the claims may be supplemented by further features or may be the only features that the subject matter of the respective claim possesses.
Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.The reference numerals contained in the patent claims do not constitute a limitation of the scope of the subject matter protected by the patent claims. They merely serve the purpose of making the patent claims easier to understand.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen weiter erläutert und beschrieben.
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1 zeigt ein System zur Herstellung von Blasen mit einer Herstelleinrichtung für die Blasen und einer Überwachungseinrichtung zur Überwachung eines Herstellungsbetriebs der Herstelleinrichtung. -
2 zeigt eine Illustration eines von einer Auswerteeinrichtung der Überwachungseinrichtung erzeugten Frequenzspektrums. -
3a zeigt eine Seitenansicht einer Mehrzahl von Düsen einer Herstelleinrichtung und einen Teil einer Überwachungseinrichtung mit einem Array von in Zeilen und Spalten angeordneten Schallwandlern. -
3b zeigt eine Frontalansicht der Düsen und des Arrays von Schallwandlern gemäß3a . -
4a zeigt eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer Mehrzahl von Düsen einer Herstelleinrichtung und einen Teil einer Überwachungseinrichtung mit einem zugeordneten Array aus mehreren Schallwandlern. -
4b zeigt eine Frontalansicht der Düsen und des Arrays von Schallwandlern gemäß4a . -
5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Systems zur Herstellung von Blasen mit einer Herstelleinrichtung für die Blasen und einer Überwachungseinrichtung zur Überwachung eines Herstellungsbetriebs der Herstelleinrichtung. -
6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Systems zur Herstellung von Blasen mit einer Herstelleinrichtung für die Blasen und einer Überwachungseinrichtung zur Überwachung eines Herstellungsbetriebs der Herstelleinrichtung. -
7 zeigt eine Ausführungsform einer Düse einer Herstelleinrichtung zur Herstellung von Tropfen und einen Teil einer Überwachungseinrichtung zur Überwachung eines Herstellungsbetriebs der Herstelleinrichtung.
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1 shows a system for the production of bubbles with a manufacturing device for the bubbles and a monitoring device for monitoring a manufacturing operation of the manufacturing device. -
2 shows an illustration of a frequency spectrum generated by an evaluation unit of the monitoring device. -
3a shows a side view of a plurality of nozzles of a manufacturing facility and part of a monitoring device with an array of transducers arranged in rows and columns. -
3b shows a frontal view of the nozzles and array of transducers according to3a . -
4a shows a side view of another embodiment of a plurality of nozzles of a manufacturing device and part of a monitoring device with an associated array of multiple transducers. -
4b shows a frontal view of the nozzles and array of transducers according to4a . -
5 shows another embodiment of a system for producing bubbles with a bubble manufacturing device and a monitoring device for monitoring a manufacturing operation of the manufacturing device. -
6 shows another embodiment of a system for producing bubbles with a bubble manufacturing device and a monitoring device for monitoring a manufacturing operation of the manufacturing device. -
7 Figure 1 shows an embodiment of a nozzle of a manufacturing device for producing drops and part of a monitoring device for monitoring a manufacturing operation of the manufacturing device.
FIGURENBESCHREIBUNGFIGURE DESCRIPTION
Die Blasen 2 können zu unterschiedlichen technischen Zwecken benutzt werden, beispielsweise um Strömungen sichtbar zu machen oder Strömungsgeschwindigkeiten zu messen (zum Beispiel im Rahmen von Particle Image Velocimetry (PIV)). Wesentlich für derartige Anwendungen ist häufig, dass die Blasen 2 untereinander einheitliche charakteristische Eigenschaften oder charakteristische Eigenschaften mit einer vorgegebenen Verteilung sowie zeitlich konstante Eigenschaften (zumindest über die Dauer der Anwendung) aufweisen. Zu den Eigenschaften der Blasen 2 gehören beispielsweise deren Auftriebsneutralität und deren Größe.The bubbles 2 can be used for various technical purposes, such as visualizing flows or measuring flow velocities (for example, in Particle Image Velocimetry (PIV)). For such applications, it is often essential that the bubbles 2 exhibit uniform characteristic properties or characteristic properties with a predefined distribution, as well as properties that remain constant over time (at least throughout the application). These properties of the bubbles 2 include, for example, their buoyancy neutrality and their size.
Das System 1 zur Herstellung der Blasen 2 weist eine Herstelleinrichtung 3 für die Blasen 2 auf. Die Herstelleinrichtung 3 verfügt hier über eine einzelne Düse 4. Die Düse 4 ist zur Herstellung von Seifenblasen ausgebildet (sogenannte Orifice-Düse).System 1 for producing bubbles 2 includes a bubble-producing device 3. This device 3 has a single nozzle 4. The nozzle 4 is designed for producing soap bubbles (so-called orifice nozzle).
Der Betrieb der Düse 4 und die damit hergestellten Blasen 2 werden maßgeblich durch die Volumenströme der der Düse 4 zugeführten Fluide 13, 14, 15 beeinflusst.The operation of the nozzle 4 and the bubbles 2 produced by it are significantly influenced by the volume flows of the fluids 13, 14, 15 supplied to the nozzle 4.
Die Düse 4 weist ein Düsengehäuse 18 auf, in welchem konzentrisch ineinander ein Innenrohr 16 und ein Außenrohr 17 angeordnet sind. Innerhalb des Innenrohrs 16 ist ein Innenströmungskanal 20 ausgebildet. Zwischen der Außenseite des Innenrohrs 16 und der Innenseite des Außenrohrs 17 ist ein Zwischenströmungskanal 21 ausgebildet und zwischen einer Außenseite des Außenrohrs 17 und einer Innenseite des Düsengehäuses 18 besteht ein Außenströmungskanal 22. Jeder der Kanäle 20, 21, 22 dient der Zuführung eines Fluids 13, 14, 15, das zur Formung der Blasen 2 beiträgt. Vorzugsweise weist der Innenströmungskanal 20 einen kreisförmigen Querschnitt auf, während der Zwischenströmungskanal 21 einen kreisringförmigen Querschnitt aufweist.The nozzle 4 has a nozzle housing 18 in which an inner tube 16 and an outer tube 17 are arranged concentrically within each other. An inner flow channel 20 is formed within the inner tube 16. An intermediate flow channel 21 is formed between the outer surface of the inner tube 16 and the inner surface of the outer tube 17, and an external flow channel 22 exists between an outer surface of the outer tube 17 and an inner surface of the nozzle housing 18. Each of the channels 20, 21, 22 serves to supply a fluid 13, 14, 15, which contributes to the formation of the bubbles 2. Preferably, the inner flow channel 20 has a circular cross-section, while the intermediate flow channel 21 has an annular cross-section.
Hier wird der Innenströmungskanal 20 aus einer nicht dargestellten Quelle mit einem ersten Fluid 14, nämlich Gas (hier beispielsweise Helium), gespeist, während der Zwischenströmungskanal 21 aus einer ebenfalls nicht dargestellten Quelle mit einem zweiten Fluid 13, nämlich einer Flüssigkeit, hier beispielsweise Seifenblasenfluid, gespeist wird. Der Außenströmungskanal 22 dient der Zuführung eines dritten Fluids 15, hier Luft als Hilfsgas, in das Düsengehäuse 18, um die Formung der Blasen 2 zu begünstigen.Here, the inner flow channel 20 is supplied with a first fluid 14, namely gas (here, for example, helium), from a source not shown, while the intermediate flow channel 21 is supplied with a second fluid 13, namely a liquid, here, for example, bubble fluid, from another source not shown. The outer flow channel 22 serves to supply a third fluid 15, here air as an auxiliary gas, into the nozzle housing 18 to promote the formation of the bubbles 2.
Das Düsengehäuse 18 weist an einem Endbereich des Innenströmungskanals 20 und des Zwischenströmungskanals 21 sowie an dem Endbereich des Außenströmungskanals 22 eine Auslassöffnung 19 auf. Die Auslassöffnung 19 befindet sich in der Nähe der stirnseitigen Enden des Innenströmungskanals 20 und des Zwischenströmungskanals 21, wo alle Fluide 13, 14, 15, d. h. das Seifenblasenfluid, das Helium und die Luft, aufeinandertreffen.The nozzle housing 18 has an outlet opening 19 at one end region of the inner flow channel 20 and the intermediate flow channel 21, as well as at the end region of the outer flow channel 22. The outlet opening 19 is located near the end faces of the inner flow channel 20 and the intermediate flow channel 21, where all fluids 13, 14, 15, i.e., the soap bubble fluid, the helium, and the air, meet.
Bei einem Zusammentreffen der Fluide 13, 14, 15 wird zunächst ein schlauchartiger Blasenfilm 30 geformt. Dieser Blasenfilm 30 ist hier ein heliumgefüllter Schlauch aus Seifenblasenfluid. Je nach den zugeführten Volumenströmen der Fluide 13, 14 (Helium und Seifenblasenfluid) zerteilt sich der Blasenfilm 30 in einzelne Blasen 2. Optimalerweise zerfällt der Blasenfilm 30 noch innerhalb des Düsengehäuses 18, in die Blasen 2, so dass fertig hergestellte Blasen 2 durch die Auslassöffnung 19 des Düsengehäuses 18 strömen.When fluids 13, 14, and 15 come into contact, a tube-like bubble film 30 is initially formed. This bubble film 30 is a helium-filled tube of bubble fluid. Depending on the flow rates of the fluids 13 and 14 (helium and bubble fluid) supplied, the bubble film 30 divides into individual bubbles 2. Ideally, the bubble film 30 breaks down into the bubbles 2 within the nozzle housing 18, so that the formed bubbles 2 flow through the outlet opening 19 of the nozzle housing 18.
Zu dem System 1 gehört des Weiteren eine Überwachungseinrichtung 5, welche den Herstellungsbetrieb der Herstelleinrichtung 3 sowie die charakteristischen Eigenschaften der von der Herstelleinrichtung 3 erzeugten Blasen 2 überwacht.System 1 also includes a monitoring device 5, which monitors the manufacturing operation of the manufacturing device 3 as well as the characteristic properties of the bubbles 2 produced by the manufacturing device 3.
Die Überwachungseinrichtung 5 weist hier einen Schallwandler 6 in Form eines Mikrofons sowie eine Auswerteeinrichtung 8 auf. Der Schallwandler 6 ist in der Umgebung der Auslassöffnung 19 des Düsengehäuses 18 angeordnet, bevorzugt in einem Abstand von 10 cm, weniger als 10 cm oder weniger als 8 cm oder weniger als 5 cm. Die Auswerteeinrichtung 8 umfasst hier beispielhaft einen Signalverstärker 25 und eine Signalverarbeitungseinrichtung 24, es können jedoch alternativ oder zusätzlich weitere elektronische Komponenten verwendet werden. Der Schallwandler 6 wandelt durch die Herstellung der Blasen 2 erzeugte Schallwellen 7 in Signale. Diese Signale werden anschließend von dem Signalverstärker 25 verstärkt und von der Signalverarbeitungseinrichtung 24 analysiert und ausgewertet, um charakteristische Eigenschaften der hergestellten Blasen 2 und/oder charakteristische Parameter des Herstellungsbetriebs zu ermitteln.The monitoring device 5 comprises a sound transducer 6 in the form of a microphone and an evaluation unit 8. The sound transducer 6 is arranged in the vicinity of the outlet opening 19 of the nozzle housing 18, preferably at a distance of 10 cm, less than 10 cm, less than 8 cm, or less than 5 cm. The evaluation unit 8 includes, by way of example, a signal amplifier 25 and a signal processing unit 24; however, alternatively or additionally, other electronic components can be used. The sound transducer 6 converts sound waves 7 generated by the production of the bubbles 2 into signals. These signals are then amplified by the signal amplifier 25 and analyzed and evaluated by the signal processing unit 24 in order to determine characteristic properties of the produced bubbles 2 and/or characteristic parameters of the production process.
Die Signalverarbeitungseinrichtung 24 ist zur Analyse der erzeugten Signale ausgebildet. Hierzu transformiert sie die Signale von dem Zeitbereich in den Frequenzbereich, beispielsweise unter Anwendung einer Fast Fourier Transformation (FFT).The signal processing unit 24 is designed to analyze the generated signals. For this purpose, it transforms the signals from the time domain to the frequency domain, for example by applying a Fast Fourier Transform (FFT).
Das Verfahren zur Herstellung von Blasen 2 mittels des Systems 1 erfolgt beispielsweise so, dass der Herstelleinrichtung 3 des Systems 1 definierte Volumenströme der Fluide 13, 14, 15 zugeführt werden. Wie zuvor erläutert, wird dabei zunächst ein Blasenfilm 30 erzeugt, der aufgrund der Rayleigh-Plateau-Instabilität in Richtung seiner Längserstreckung nach etwa dem Fünffachen seines Durchmessers instabil wird und in einzelne mehrere Millimeter (beispielsweise etwa 5 mm bis 10 mm) große Blasen 2 (Seifenblasen) zerfällt. Der Durchmesser der Blasen 2 hängt von den zugeführten Volumenströmen der Fluide 14 (Helium) und 13 (Seifenblasenfluid) ab und liegt etwa im Bereich von 30 % bis 80 % des Durchmessers der Auslassöffnung 19 des Düsengehäuses 18.The process for producing bubbles 2 using system 1 is carried out, for example, by supplying defined volume flows of fluids 13, 14, 15 to the production device 3 of system 1. As previously explained, a bubble film 30 is initially generated, which, due to Rayleigh plateau instability, becomes unstable along its longitudinal axis after approximately five times its diameter and breaks up into individual bubbles 2 (soap bubbles) several millimeters in size (for example, about 5 mm to 10 mm). The diameter of the bubbles 2 depends on the supplied volume flows of fluids 14 (helium) and 13 (soap bubble fluid) and is approximately in the range of 30% to 80% of the diameter of the outlet opening 19 of the nozzle housing 18.
Für die Größe der hergestellten Blasen 2 ist wesentlich, dass die Volumenströme der Fluide 13, 14 in einem definierten Bereich liegen. Durch die gezielte Einstellung der Volumenströme von Helium und Seifenblasenfluid können grundsätzlich bis zu acht verschiedene in der Literatur berichtete stabile Betriebsmoden der Herstelleinrichtung 3 erreicht werden, wobei der angestrebte Bereich für die Herstellung von Blasen 2 als sogenanntes „monodisperse bubbling“ bezeichnet wird. Dieses „monodisperse bubbling“ ist gekennzeichnet durch eine hohe Betriebsstabilität des Herstellungsverfahrens sowie eine sehr geringe Größenabweichung der hergestellten Blasen 2. Die Standardabweichung beträgt beispielsweise etwa 7 % vom Mittelwert. Die geringe Größenabweichung ist Voraussetzung für die Herstellung einer großen Vielzahl von Blasen 2 mit zueinander hochgradig ähnlichen Eigenschaften wie Größe, Konsistenz und/oder Auftriebsneutralität.The size of the produced bubbles 2 depends on the flow rates of the fluids 13 and 14 remaining within a defined range. By precisely adjusting the flow rates of helium and bubble fluid, up to eight different stable operating modes of the production device 3, as reported in the literature, can be achieved. The desired range for bubble production 2 is referred to as "monodisperse bubbling." This "monodisperse bubbling" is characterized by high operational stability of the production process and very low size variation in the produced bubbles 2. The standard deviation, for example, is approximately 7% of the mean. This low size variation is a prerequisite for producing a large number of bubbles 2 with highly similar properties such as size, consistency, and/or buoyancy.
In dem bevorzugten Herstellungsmodus des „monodisperse bubbling“ lösen sich die Blasen 2 zeitlich regelmäßig innerhalb des Außenströmungskanals 22 des Düsengehäuses 18 von dem schlauchförmigen Blasenfilm 30 ab. Der Ort der Ablösung vor Erreichen der Auslassöffnung 19 kann durch die Wahl der Betriebsparameter der Herstelleinrichtung 3, insbesondere der zugeführten Volumenströme der Fluide 13, 14, 15 eingestellt werden. Dadurch wird eine sehr geringe Größenabweichung der hergestellten Blasen 2 zueinander erreicht.In the preferred manufacturing mode of "monodisperse bubbling," the bubbles 2 detach themselves from the tubular bubble film 30 at regular intervals within the outer flow channel 22 of the nozzle housing 18. The point of detachment before reaching the outlet opening 19 can be adjusted by selecting the operating parameters of the manufacturing device 3, in particular the supplied volumetric flow rates of the fluids 13, 14, 15. This results in a very small size variation between the produced bubbles 2.
Durch das Ausbilden der Blasen 2 werden charakteristische Schallwellen 7 erzeugt, die von dem Schallwandler 6 der Überwachungseinrichtung 5 empfangen und in elektrische Signale gewandelt werden. Das akustische Signal weist eine für die hergestellten Blasen 2 und die Blasenherstellung charakteristische Resonanzfrequenz (üblicherweise eine Frequenz einer Grundschwingung) auf, die der Herstellungsfrequenz der Blasen 2 entspricht, d.h. der Anzahl von erzeugten Blasen 2 pro Zeitintervall. Zusätzlich zu dieser Grundschwingung werden üblicherweise zahlreiche ganzzahlige Oberschwingungen angeregt, deren Resonanzfrequenz einem Vielfachen der Grundfrequenz entspricht. Je nach der Größe der hergestellten Blasen 2 liegt die Grundfrequenz bei Erreichen des gewünschten „monodisperse bubbling“ bevorzugt zwischen 5 kHz und 50 kHz.The formation of the bubbles 2 generates characteristic sound waves 7, which are received by the sound transducer 6 of the monitoring device 5 and converted into electrical signals. The acoustic signal has a resonant frequency characteristic of the bubbles 2 produced and the bubble production process (usually a fundamental frequency), which corresponds to the production frequency of the bubbles 2, i.e., the number of bubbles 2 produced per time interval. In addition to this fundamental frequency, numerous integer harmonics are typically excited, whose resonant frequency is a multiple of the fundamental frequency. Depending on the size of the bubbles 2 produced, the fundamental frequency, when the desired "monodisperse bubbling" is achieved, preferably lies between 5 kHz and 50 kHz.
Das akustische Signal bzw. die erzeugten Schallwellen 7 reagieren sensibel auf Änderungen der charakteristischen Eigenschaften der Blasen 2 bzw. der Parameter des Herstellungsprozesses. Sobald die Düse 4 beispielsweise in einen ungewünschten sogenannten „jetting“-Modus wechselt, werden die Resonanzen 10, 11, 12 durch ein breitbandiges Rauschsignal, den so genannten „jet-noise“, ersetzt. Doch schon viel früher, wenn die Ablösung der Blasen 2 zu weit innen oder zu weit außen in dem Düsengehäuse 18 stattfindet, werden die Resonanzen 10, 11, 12 in dem Frequenzspektrum 9 bereits gedämpft. Dadurch entsteht ein „akustischer Fußabdruck“ der Düse 4, anhand dessen der gewünschte Betriebsmodus der Düse 4 erkannt und/oder eingestellt werden kann.The acoustic signal, or the generated sound waves 7, react sensitively to changes in the characteristic properties of the bubbles 2 or the parameters of the manufacturing process. As soon as the nozzle 4, for example, switches to an undesired so-called "jetting" mode, the resonances 10, 11, 12 are replaced by a broadband noise signal, the so-called "jet noise." However, much earlier, if the detachment of the bubbles 2 occurs too far in or too far out in the nozzle housing 18, the resonances 10, 11, 12 in the frequency spectrum 9 are already damped. This creates an "acoustic footprint" of the nozzle 4, based on which the desired operating mode of the nozzle 4 can be recognized and/or set.
Wie erläutert entspricht die Grundresonanzfrequenz des Frequenzspektrums 9 der Herstellungsrate der Blasen 2. Dadurch kann die Signalverarbeitungseinrichtung 24 der Auswerteeinrichtung 8 in Kombination mit den bekannten Volumenströmen der zugeführten Fluide 13, 14 die Größe der Blasen 2 und damit die Auftriebsneutralität bestimmen. Die spektrale Breite einer Resonanz 10, 11, 12 innerhalb des Frequenzspektrums 9 gibt zudem einen Aufschluss über die Regelmäßigkeit der Ablösung der Blasen 2 und damit über deren Größenverteilung. Gleiches gilt nicht nur für die Breite der Resonanz 10, 11, 12, sondern für deren Gütefaktor (= Resonanzfrequenz / Resonanzbreite). Somit können alle charakteristischen Eigenschaften der Blasen 2 durch eine einzige Messung der Überwachungseinrichtung 5 ermittelt werden.As explained, the fundamental resonant frequency of the frequency spectrum 9 corresponds to the formation rate of the bubbles 2. This allows the signal processing unit 24 of the evaluation unit 8, in combination with the known volume flows of the supplied fluids 13, 14, to determine the size of the bubbles 2 and thus their buoyancy neutrality. The spectral width of a resonance 10, 11, 12 within the frequency spectrum 9 also provides information about the regularity of the bubble detachment and thus about their size distribution. The same applies not only to the width of the resonance 10, 11, 12, but also to its quality factor (= resonance frequency / resonance width). Therefore, all characteristic properties of the bubbles 2 can be determined by a single measurement of the monitoring unit 5.
Die von dem Schallwandler 6 und der Auswerteeinrichtung 8 erzeugten und ausgewerteten akustischen Signale werden während des laufenden Betriebs der Herstelleinrichtung 3 spektral analysiert, z. B. durch eine gleitende Fast Fourier-Analyse.The signals generated and evaluated by the sound transducer 6 and the evaluation unit 8 Acoustic signals are spectrally analyzed during the ongoing operation of the manufacturing facility 3, e.g. by a sliding Fast Fourier analysis.
Wenn beispielsweise anhand der Herstellungsfrequenz (und/oder der daraus ermittelten Größe) der Blasen 2 festgestellt wird, dass die Ablösung der Blasen 2 von dem Blasenfilm 30 an einem als optimal definierten Ort innerhalb des Außenströmungskanals 22 des Düsengehäuses 18 stattfindet, kann die Herstellung unverändert fortgesetzt werden.If, for example, it is determined based on the production frequency (and/or the size determined therefrom) of the bubbles 2 that the detachment of the bubbles 2 from the bubble film 30 takes place at a location defined as optimal within the external flow channel 22 of the nozzle housing 18, the production process can be continued unchanged.
Im Unterschied dazu lösen sich die Blasen 2 beispielsweise bei einem um 15 % erhöhten Volumenstrom für Helium erst außerhalb des Düsengehäuses 18 ab, mit der Folge, dass die Schallwellen 7 bzw. das von dem Schallwandler 6 erzeugte akustische Signal eine so deutliche Änderung erfährt, dass die Resonanzen 10, 11, 12 übermäßig gedämpft werden oder wesentlich schwächer ausgeprägt sind. Die in dem Frequenzspektrum 9 aus mehreren einzelnen und spektral dicht aufeinanderfolgenden Resonanzen gebildeten „Maxima“ weisen eine große spektrale Breite bzw. einen kleinen Gütefaktor auf und sind zudem zu kleineren Frequenzen verschoben. Einzelne Resonanzen 10, 11, 12 werden durch eine Vielzahl weiterer Resonanzen 10, 11, 12 überlagert, so dass diese kaum mehr erkennbar sind.In contrast, with a 15% increase in the helium flow rate, the bubbles 2 detach only outside the nozzle housing 18. As a result, the sound waves 7, or the acoustic signal generated by the transducer 6, undergo such a significant change that the resonances 10, 11, 12 are excessively damped or considerably weaker. The "maxima" formed in the frequency spectrum 9 from several individual and spectrally closely spaced resonances exhibit a large spectral width or a low quality factor and are also shifted to lower frequencies. Individual resonances 10, 11, 12 are superimposed by a multitude of further resonances 10, 11, 12, so that they are hardly discernible anymore.
Sobald hingegen - bei Vorliegen eines optimalen Betriebsmodus der Herstelleinrichtung 3 - eine Resonanzfrequenz einer Resonanz 10, 11, 12 in dem Frequenzspektrum 9 identifiziert wurde (beispielsweise durch Vergleich mit Referenzfrequenzen), kann der mittlere Durchmesser der hergestellten Blasen aus den Volumenströmen der Fluide 13, 14 ermittelt werden. So kann beispielsweise unter der Annahme, dass bei der Produktion der Blasen 2 Leckagen des Heliumvolumenstroms zu vernachlässigen sind, der mittlere Durchmesser der Blasen 2 direkt aus dem Heliumvolumenstrom und der Ablösefrequenz berechnet werden. Die Berechnung ergibt sich aus der Formel
Durch Analyse einer Fehlerfortpflanzung können zudem Änderungen der Resonanzfrequenz bzw. des Gütefaktors der Resonanz 10, 11, 12 zur Bestimmung der Größenverteilung der Blasen 2 herangezogen werden. Das Verhältnis der Volumenströme von Helium und Seifenblasenfluid gibt wiederum Aufschluss über einen Grad der Auftriebsneutralität der Blasen 2. Dies gilt ebenfalls unter der Annahme, dass Leckagen der Volumenströme vernachlässigbar sind.Furthermore, by analyzing error propagation, changes in the resonance frequency or the quality factor of the resonance 10, 11, 12 can be used to determine the size distribution of the bubbles 2. The ratio of the volume flow rates of helium and soap bubble fluid, in turn, provides information about the degree of buoyancy neutrality of the bubbles 2. This also applies under the assumption that leakage of the volume flow rates is negligible.
Gemäß dieser Ausführungsform ist die Platine 27 derart relativ zu den Düsen 4 orientiert, dass die große Oberflächenebene der Platine 27 im Wesentlichen orthogonal zu der Austrittsebene der Auslassöffnungen 19 der Düsen 4 ausgerichtet ist.
Insgesamt sind hier in einer Linearanordnung sechs Düsen 4 übereinander angeordnet, wobei jede Düse 4 einer von mehreren Herstelleinrichtungs-Teileinheiten 23, 23', 23" der Herstelleinrichtung 3 zugehörig ist. Jede Düse 4 kann mittels „Beamforming“ von einer Vielzahl der auf der Platine 27 angeordneten Schallwandler 6 angepeilt werden.A total of six nozzles 4 are arranged one above the other in a linear arrangement, each nozzle 4 belonging to one of several manufacturing unit sub-units 23, 23', 23" of the manufacturing unit 3. Each nozzle 4 can be targeted by means of "beamforming" by a plurality of the transducers 6 arranged on the circuit board 27.
Die Platine 27 weist eine Mehrzahl von Fenstern 28 auf, zwischen welchen sich in vertikaler und horizontaler Richtung Gitterstreben erstrecken. In Umfangsrichtung jedes Fensters 28 sind mehrere Schallwandler 6 angeordnet, wobei hier beispielhaft jeder eine Seite des jeweiligen Fensters 28 begrenzende Teilabschnitt einer Gitterstrebe einen Schallwandler 6 trägt. Die Schallwandler 6 befinden sich mittig auf der jeweiligen Gitterstrebe, sowohl bezogen auf den Abstand der benachbarten Fenster 28 zueinander, als auch bezogen auf die Seitenlänge des jeweiligen Fensters 28.The circuit board 27 has a plurality of windows 28, between which grid struts extend in the vertical and horizontal directions. Several sound transducers 6 are arranged around the circumference of each window 28, with each section of a grid strut that defines one side of the respective window 28 carrying a sound transducer 6. The sound transducers 6 are located centrally on the respective grid strut, both with respect to the distance between adjacent windows 28 and with respect to the side length of the respective window 28.
Zwischen nebeneinander bzw. übereinander angeordneten Fenstern 28 befindet sich jeweils ein Schallwandler 6, welcher beiden Fenstern 28 gleichermaßen zugeordnet ist.Between adjacent or superimposed windows 28 there is a sound transducer 6, which is equally assigned to both windows 28.
Das Array der Schallwandler 6 ist - wie in den Figuren dargestellt - relativ zu den Düsen 4 zudem so orientiert, dass die Mittelpunkte zweier hintereinander angeordneter Fenster 28 auf einer geradlinigen Verlängerung einer Flächennormalen der Auslassöffnung 19 einer Düse 4 liegen. Dadurch passieren die Schallwellen 7 einer Düse 4 die hintereinander angeordneten Fenster 28 nacheinander. Bei der dargestellten Ausführungsform gibt es keine explizite Zuordnung der Schallwandler 6 zu den einzelnen Düsen 4; die Quelle der akustischen Signale wird hier aus den Laufzeitunterschieden der akustischen Signale von den Düsen 4 zu den Schallwandlern 6 bestimmt (Beamforming).The array of sound transducers 6 is – as shown in the figures – oriented relative to the nozzles 4 such that the centers of two consecutive nozzles are aligned. The arranged windows 28 lie on a straight extension of a surface normal of the outlet opening 19 of a nozzle 4. As a result, the sound waves 7 from a nozzle 4 pass through the windows 28 arranged one behind the other in succession. In the illustrated embodiment, there is no explicit assignment of the sound transducers 6 to the individual nozzles 4; the source of the acoustic signals is determined here from the time-of-flight differences of the acoustic signals from the nozzles 4 to the sound transducers 6 (beamforming).
Gemäß dieser Ausführungsform ist die Platine 27 derart relativ zu den Düsen 4 orientiert, dass die große Oberflächenebene der Platine 27 im Wesentlichen parallel zu der Austrittsebene der Auslassöffnungen 19 der Düsen 4 ausgerichtet ist. Um den Austritt der Blasen 2 aus den Düsen 4 nicht zu behindern, weist die Platine 27 eine Mehrzahl von Fenstern 28 auf, durch welche die Blasen 2 ungehindert hindurchtreten können.According to this embodiment, the circuit board 27 is oriented relative to the nozzles 4 such that the large surface plane of the circuit board 27 is essentially parallel to the outlet plane of the outlet openings 19 of the nozzles 4. In order not to obstruct the exit of the bubbles 2 from the nozzles 4, the circuit board 27 has a plurality of windows 28 through which the bubbles 2 can pass unhindered.
Jeder Düse 4 ist hier ein eigenes Fenster 28 zugeordnet, wobei der Mittelpunkt des jeweiligen Fensters 28 auf einer geradlinigen Verlängerung einer Flächennormalen der zugeordneten Auslassöffnung 19 liegt. Die Schallwandler bzw. die durch die Platine 27 hindurchgreifenden Verbindungsgänge 26 sind regelmäßig um die Fenster 28 herum angeordnet. Hier sind die Fenster 28 beispielhaft quadratisch angeordnet, wobei jedem Fenster 28 jeweils vier Schallwandler 6 zugeordnet. Alternativ können die Fenster 28 eine andere Anzahl, geometrische Gestalt oder Zuordnung von Schallwandlern 6 aufweisen.Each nozzle 4 is assigned its own window 28, the center point of which lies on a straight extension of a surface normal of the associated outlet opening 19. The transducers or the connecting passages 26 extending through the circuit board 27 are arranged regularly around the windows 28. Here, the windows 28 are arranged in a square pattern as an example, with each window 28 assigned four transducers 6. Alternatively, the windows 28 can have a different number, geometric shape, or arrangement of transducers 6.
Obwohl dies hier nicht gezeigt ist, kann die Herstelleinrichtung 3 neben der gezeigten einzelnen Düse 4 noch weitere Düsen 4 aufweisen, so dass sich eine Array-Anordnung wie in den
Das Düsengehäuse 18 trägt an einer Gehäuseaußenseite im Bereich der Auslassöffnung 19 eine Platine 27 mit dem Schallwandler 6 (neben anderen nicht dargestellten elektronischen Bauteilen). Der Schallwandler 6 ist ein Mikrofon, hier ein digitales MEMS-Mikrofon. Ausgehend von dem Schallwandler 6 verläuft ein Verbindungsgang 26 durch das Düsengehäuse 18 zu der Auslassöffnung 19, wobei der Verbindungsgang 26 und die Auslassöffnung 19 durch eine Membran 31 getrennt sind. Der Verbindungsgang 26 ist hierbei vorzugsweise orthogonal zu der Flächennormalen der Austrittsebene der Auslassöffnung 19 und der Längsachse des Blasenfilms 30 orientiert.The nozzle housing 18 carries a circuit board 27 on its outer surface in the area of the outlet opening 19, containing the sound transducer 6 (among other electronic components not shown). The sound transducer 6 is a microphone, in this case a digital MEMS microphone. A connecting channel 26 extends from the sound transducer 6 through the nozzle housing 18 to the outlet opening 19, with the connecting channel 26 and the outlet opening 19 being separated by a diaphragm 31. The connecting channel 26 is preferably oriented orthogonally to the surface normal of the exit plane of the outlet opening 19 and the longitudinal axis of the bubble film 30.
Der Schallwandler 6 ist über die Platine 27 an einen Schaltkreis 29 (FPGA) und eine Spannungsversorgung angebunden, wobei eine Signalverarbeitungseinrichtung 24 die von dem Schallwandler 6 erzeugten akustischen Signale verarbeitet und dafür in einen Frequenzbereich transformiert, um ein Frequenzspektrum 9 (wie bereits zu
Die Überwachungseinrichtung 5 weist hier einen Schallwandler 6 in Form eines Beschleunigungssensors auf, hier in Form eines digitalen MEMS-Beschleunigungssensors. Der Schallwandler 6 ist im Bereich der Auslassöffnung 19 außen an dem Düsengehäuse 18 der Düse 4 angeordnet und kann über das Düsengehäuse 18 übertragenen Körperschall detektieren. Der Schallwandler 6 ist Teil einer Platine 27, welche ebenso wiederum eine zugeordnete Logik und/oder Schaltkreise zur Signalverarbeitung und Signalanalyse aufweist (hier nur angedeutet).The monitoring device 5 includes a sound transducer 6 in the form of an accelerometer, specifically a digital MEMS accelerometer. The sound transducer 6 is located on the outside of the nozzle housing 18 of the nozzle 4, near the outlet opening 19, and can detect structure-borne sound transmitted via the nozzle housing 18. The sound transducer 6 is part of a circuit board 27, which also includes associated logic and/or circuits for signal processing and analysis (shown here only).
Das System umfasst eine Düse 4, welche hier als sogenannte Zweistoffdüse mit einem Innenströmungskanal 20 für Flüssigkeit und einem den Innenströmungskanal 20 konzentrisch umgebenden Außenströmungskanal 22 für Gas und/oder Luft ausgebildet ist. Der Innenströmungskanal 20 und der Außenströmungskanal 22 münden in eine gemeinsame Auslassöffnung 19 eines Düsengehäuses 18 der Düse 4, nämlich der Innenströmungskanal 20 mit einem gegenüber einem ersten Teilbereich des Innenströmungskanals 20 durchmesserreduzierten Flüssigkeitsauslass 35 und der Außenströmungskanal 22 mit einem den Flüssigkeitsauslass 35 umgebenden Ringspalt 34.The system comprises a nozzle 4, which is designed here as a so-called two-fluid nozzle with an inner flow channel 20 for liquid and an outer flow channel 22 for gas and/or air concentrically surrounding the inner flow channel 20. The inner flow channel 20 and the outer flow channel 22 open into a common outlet opening 19 of a nozzle housing 18. the nozzle 4, namely the inner flow channel 20 with a liquid outlet 35 with a reduced diameter compared to a first sub-area of the inner flow channel 20 and the outer flow channel 22 with an annular gap 34 surrounding the liquid outlet 35.
Eine Außenseite des Düsengehäuses 18 trägt nahe der Auslassöffnung 19 eine Platine 27, die als Teil einer Überwachungseinrichtung 5 einen Schallwandler 6 aufweist. Die Platine 27 kann zusätzlich zu dem Schallwandler 6 weitere elektronische Komponenten aufweisen, die hier jedoch nicht dargestellt sind.An outer surface of the nozzle housing 18 carries a circuit board 27 near the outlet opening 19, which includes a sound transducer 6 as part of a monitoring device 5. The circuit board 27 may also include other electronic components in addition to the sound transducer 6, which are not shown here.
Bei der Herstellung von Tropfen 32 dient das durch den Ringspalt 34 austretende Gas, beispielsweise Luft, dazu, die aus dem Flüssigkeitsauslass 35 austretende Flüssigkeit in Tropfen 32 zu zerreißen, die sich dann üblicherweise in einem von der Auslassöffnung 19 der Düse 4 ausgehenden Tropfenkegel 33 in die Umgebung ausbreiten.In the production of droplets 32, the gas escaping through the annular gap 34, for example air, serves to break up the liquid exiting from the liquid outlet 35 into droplets 32, which then usually spread out into the surroundings in a droplet cone 33 emanating from the outlet opening 19 of the nozzle 4.
Durch das Ausbilden der Tropfen 32 werden in dem Düsengehäuse 18 charakteristische Schallwellen 7 erzeugt. Die Schallwellen 7 breiten sich in Form von Körperschall über das Düsengehäuse 18 aus und werden von dem Schallwandler 6 der Überwachungseinrichtung 5 empfangen und in elektrische Signale gewandelt.The formation of the droplets 32 generates characteristic sound waves 7 in the nozzle housing 18. The sound waves 7 propagate as structure-borne sound through the nozzle housing 18 and are received by the sound transducer 6 of the monitoring device 5 and converted into electrical signals.
Die elektrischen Signale werden anschließend wiederum von einer nicht dargestellten Auswerteeinrichtung der Überwachungseinrichtung 5 im Rahmen einer Frequenzanalyse, beispielsweise Fourier-Analyse, ausgewertet. Die Signalverarbeitung und Signalanalyse kann analog zu den vorausgehenden Ausführungsformen der Blasenherstellung erfolgen. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird diesbezüglich auf die Beschreibung zu den vorhergehenden Figuren verwiesen.The electrical signals are then evaluated by an evaluation unit (not shown) of the monitoring device 5 using frequency analysis, for example, Fourier analysis. The signal processing and analysis can be performed analogously to the preceding embodiments of the bubble production process. To avoid repetition, reference is made to the description accompanying the preceding figures.
BEZUGSZEICHENLISTEREFERENCE MARK LIST
- 11
- Systemsystem
- 22
- Blasebubble
- 33
- HerstelleinrichtungManufacturing facility
- 44
- Düsenozzle
- 55
- ÜberwachungseinrichtungMonitoring device
- 66
- Schallwandlertransducer
- 77
- Schallwellesound wave
- 88
- AuswerteeinrichtungEvaluation unit
- 99
- FrequenzspektrumFrequency spectrum
- 1010
- Resonanzresonance
- 1111
- Resonanzresonance
- 1212
- Resonanzresonance
- 1313
- FluidFluid
- 1414
- FluidFluid
- 1515
- FluidFluid
- 1616
- InnenrohrInner tube
- 1717
- Außenrohrouter pipe
- 1818
- DüsengehäuseNozzle housing
- 1919
- Auslassöffnungoutlet opening
- 2020
- InnenströmungskanalInternal flow channel
- 2121
- ZwischenströmungskanalInterflow channel
- 2222
- AußenströmungskanalExternal flow channel
- 2323
- Herstelleinrichtungs-TeileinheitManufacturing equipment subunit
- 2424
- SignalverarbeitungseinrichtungSignal processing unit
- 2525
- SignalverstärkerSignal amplifier
- 2626
- Verbindungsgangconnecting corridor
- 2727
- Platinecircuit board
- 2828
- FensterWindow
- 2929
- Schaltkreiscircuit
- 3030
- BlasenfilmBubble film
- 3131
- Membranmembrane
- 3232
- Tropfendrops
- 3333
- Tropfenkegeldroplet cone
- 3434
- Ringspaltannular gap
- 3535
- FlüssigkeitsauslassLiquid outlet
Claims (21)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102024136969.8A DE102024136969B3 (en) | 2024-12-10 | 2024-12-10 | System and method for producing bubbles and/or drops using a nozzle |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| DE102024136969.8A DE102024136969B3 (en) | 2024-12-10 | 2024-12-10 | System and method for producing bubbles and/or drops using a nozzle |
Publications (1)
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|---|---|
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Family
ID=98695106
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|---|---|
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-
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