Experiments and simulation of piezoceramic transducers for a new FT IR testing probe

Abstract

Für verschiedene verfahrenstechnische Anwendungen ist es von Vorteil, eine möglichst zeitnahe Online- bzw. Inline-Messmethode für die qualitative Analyse von Partikeln zur Verfügung zu haben. Beispiele hierfür sind bioverfahrenstechnische Prozesse wie Fermentation oder Kristallisationsverfahren. Bei Bioprozessen liefert die qualitative Analyse von Mikroorganismen Informationen, mit deren Hilfe der Prozess nach Bedarf überwacht und geregelt werden kann. Für diesen Zweck wurde ein neues Modell einer ATR-Sonde entwickelt. Es werden Ultraschall für die Partikelmanipulation und FTIR-Spektroskopie für die Analyse eingesetzt. Die Partikel strömen mit dem jeweiligen Prozessmedium mit und werden durch den Ultraschall in den Knotenebenen der stehenden Welle im Kanal der Sonde gefangen. Sobald die IR-Analyse abgeschlossen ist, können die Partikel wieder an das Medium freigelassen werden und weiter am Prozess teilnehmen. Als Schallgeber dient ein Piezoelement in Form einer Scheibe, die in die Sonde eingebaut ist. Die drei Teile dieser Arbeit beschäftigen sich mit der Schwingungsanalyse des Piezoelements und mit der Bewertung von FEM-Modellen, die mit ANSYS Workbench erstellt werden. Mithilfe eines Vibrometers werden die Piezoscheiben auf ihre Schwingungsmodi und Momentanwerte untersucht. Der letzte Teil der Arbeit behandelt mögliche Varianten für die Bewertung eines FEM-Modells einer kompletten Messsonde. Dieses Modell umfasst die wichtigsten Teile der Sonde. Mithilfe von ANSYS Workbench wird die komplexe akustische Admittanz berechnet und für Vergleiche vorbereitet. Weiters wird die komplexe elektrische Admittanz unter Laborbedingungen gemessen. Die Simulation der akustischen Admittanz und die Messung der elektrischen Admittanz werden beide für den gleichen Frequenzbereich mit verschiedenen Variationen in der Höhe des Fluids und dessen Zusammensetzung durchgeführt. Für die Validierung des Modells können zukünftige Untersuchungen Simulationen für die elektrische Admittanz bzw. Messungen der akustischen Admittanz umfassen. Diese Ergebnisse können in Zukunft mithilfe der Grundlage, die in dieser Arbeit präsentiert wird, evaluiert werden. Die FEM-Modelle sollten möglichst realitätsnahe Berechnungsergebnisse liefern und dazu genutzt werden, das Verhalten der Sonde und Auswirkungen von Parameteränderungen für weitere Entwicklungsschritte vorherzusagen. Die Ergebnisse der Messung für die einzelnen Schwingungsgeber zeigen Übereinstimmungen mit der Simulationen. Eine detailliertere Ausarbeitung des Modells kann das Thema zukünftiger Arbeiten sein, ebenso wie die Fertigstellung des letzten Teils dieser Arbeit.

For many processes it is a big advantage to be able to do a real-time online and/or inline qualitative analysis of particles during the procedure. Examples include bioprocesses as fermentation or crystallisation processes. For bioprocesses, qualitative analysis of microorganisms provides information used to optimize monitoring and controlling. For this purpose a new ATR (attenuated total reflection) FTIR testing probe was developed. Ultrasound is used for particle manipulation, FTIR spectroscopy for analysis. In the host liquid the particles are entrained by the flow and caught in the nodal plains of a standing ultrasonic wave as soon as they pass the probe's gateway. After the FTIR spectroscopy is finished the particles are set free to continue participating in the process. As transducer a piezoceramic disc is used and built into the probe's head. The three parts of this thesis deal with vibration analysis of the piezoceramic element and the review of FEM models built in ANSYS Workbench. To get an idea of the discs' oscillation behaviour their vibration modes and maxima of displacement are measured using a vibrometer. In the last part of the thesis possible ways to evaluate a significant FEM model of the testing probe are presented. The model consists of the fundamental parts of the probe. In ANSYS Workbench the complex acoustic admittance is calculated and prepared for comparison. Further the measurement of the complex electric admittance is performed under laboratory conditions. Both, measurement of the electric admittance and the simulation of the acoustic admittance are done for the same frequency range with similar variations in the size of the fluid body and its composition. For validation of the FEM model further investigation may include a corresponding simulation of the electric admittance and the measurement of the acoustic admittance respectively. Those results could be compared and discussed in future works using the basis described in this thesis. Eventually these models should provide most realistic results to be able to predict consequences of parameter modification for future development. At a later stage, they shall be used to predict the probe's performance under different process conditions. The results of the measurements and the simulation for the single piezoelectric disc are compared and show several compliances. Further detailing of the simulation model could be part of future works as well as the finalisation of the last part of this thesis.